基于PLC控制的水果分拣自动线系统分单元设计研究

2022-09-11

基于PLC控制的水果分拣自动线系统由供料、称重检测、传送带、红外检测、机械手输送、包装等六个单元模块构成, 其中传送带和机械手输送单元均使用独立的型号是西门子是S7-200的PLC控制, 采用西门子通信协议的PLC网络控制方案, 将机械手1输送单元作为主站, 构成一个分布式控制的小型PLC网络, 实现对自动线系统的数据传输和数据处理控制, 总体结构如图1所示。[1]

一、系统分单元基本功能

(一) 供料单元

基本功能:供料单元是起始单元, 主要是为传送带和机械手等单元提供原料。具体的功能是:供料单元通过传送带和四个圆柱形滚轮的连续运动将杂乱无章的水果来料变成单排有序的水果, 然后通过传送带传送至传送带1上面的水果托盘。

(二) 称重检测单元

基本功能:将从供料单元斜槽上运送到传送带1上的水果托盘上的水果, 进行重量的分级。具体的功能是:通过悬臂梁式的电阻应变式传感器对水果进行称重分级, 分为三级品质, 一级品质的水果由机械手1抓举到传送带2, 二级品质的水果由机械手1抓举到传送带3, 三级品质的水果经过检测后直接运输到包装1进行包装。

(三) 传送带单元

基本功能:完成水果的运输。具体的功能是:传送带1接收供料单元斜槽上运送来的水果, 传送带2运输由机械手1抓举出来的经过初次分选的一级品质的水果, 传送带3运输由机械手1抓举出来的经过初次分选的二级品质的水果。

(四) 红外检测单元

基本功能:将经过称重检测分级的水果, 主要针对外观品质进行二次分拣。具体的功能是:机械手1抓举到传送带2和传送带3上面的一级和二级水果进行红外的外观品质分拣。分拣出来的水果分别分为两级, 一级由机械手2和机械手3直接抓举至包装4、5进行包装, 另一级由传送带传送到包装2、3进行包装。

(五) 机械手输送单元

基本功能:对水果进行抓举输送。具体的功能是:机械手1将水果直接抓举至传送带1和传送带2上, 机械手2将水果抓举至包装4进行包装, 机械手3将水果抓举至包装5进行包装。

(六) 包装单元

基本功能:对水果进行包装。具体的功能是:对传送带1直接传送过去的水果进行第一种包装, 对传送带2直接传送过去的水果进行第二种包装, 对传送带3直接传送过去的水果进行第三种包装, 对机械手2直接抓举的水果进行第四种包装, 对机械手3直接抓举的水果进行第五种包装。

综上所述, 在这六个单元的共同作用下, 系统能够从水果的重量和外观品质两个方面分析, 对水果进行5级分拣和包装, 实现水果精细分拣的目的。整个系统的工作流程图如图2所示。

二、系统分单元设计

基于PLC控制的水果分拣自动线系统的称重检测单元和红外检测单元的基本原件都是传感器, 分别用来检测水果的重量和外部品质, 其结构设计和控制过程较为简单, 这里不再详述。下面主要介绍供料、传送带、机械手输送及包装单元的设计研究。

(一) 供料单元的结构设计和控制过程分析

基于PLC控制的水果分拣自动线系统的供料单元, 主要由供料传送带和四个圆柱形的滚轮构成的, 如图3所示。供料传送带由三相异步电动机带动, 由传送带单元的PLC统一控制。启动供料传送带后, 水果从传送带上端进入供料传送带, 这些杂乱无章的水果来料在经过转动的滚轮的时候, 在传送带的前进和滚轮的摩擦力的作用下会逐渐的向传送带的中间集中, 四个滚轮的位置放置使水果的左右活动区域逐渐减小, 最终构成一列有序的水果, 从供料传送带的底端进入传送带1, 以便于后续的检测分拣。

供料单元的作用是将杂乱无章的水果来料变成单一有序的水果列。用传送带和四个滚轮一起来完成。控制过程比较简单, 就是按下启动按钮, 电动机运行, 带动供料传送带运转, 通过四个滚轮的水果在摩擦力的作用下变得单一有序列。按下停止按钮, 电机停止运行, 传送带停止运动。

(二) 传送带单元

基于PLC控制的水果分拣自动线系统的传送带1、2、3分别用于水果的传送, 同时在传送带上面实现检测重量和外部品质的功能。传送带的运行采用PLC控制三相异步电动带动链式传动机构的方式, 同时使用变频器调节传送带在传送时的速度, 以便更好地适应机械手的抓取动作。

1. 传送带1的结构设计和控制过程分析

传送带1的主要作用是对水果进行初次重量的分拣和传送, 最后进行包装1的操作。它主要由三相异步电动机、称重传感器、光电传感器、链轮、传送链条等构成, 其结构示意图如图4所示。传送带采用链式传动的方式, 解决了普通传送带传送过程中的振动和摩擦力大的问题[2]。

水果托盘机构使各个水果之间相互隔离, 消除了水果与传送带之间以及水果与水果之间的接触, 也就消除了它们之间摩擦力的作用和影响, 解决了水果因为相互之间摩擦力的作用而导致的水果外部品质下降的问题。水果分拣生产线传送带选用带有K型附件的双节距大滚子输送链条来带动水果托盘机构的运动, 水果托盘机构安装在链条K型附件上[2]。

传送带1的主要作用是传送水果来料, 并在传送过程中检测水果的重量, 由此对水果进行分拣。其控制过程为:来料检测—→传送带1启动—→水果称重检测—→根据重量进行分级—→分别进入传送带2、传送带3和由传送带1传送至包装1。

2. 传送带2和传送带3的结构设计和控制过程分析

传送带2和传送带3的作用是完全类似的, 所以它们的结构也基本相同。它们的结构和传送带1相似, 只是将传送带1当中的称重检测单元换成了红外检测单元, 主要由三相异步电动机、光纤传感器、光电传感器、链轮、传送链条等部分构成, 其结构图和传送带1的结构图类似, 区别在于将称重传感器位置换成光纤传感器。它们和传送带1一样采用链式传动的方式, 以减少普通传送带传送过程中的振动和摩擦力大的问题, 同样使用水果托盘机构以解决水果与水果之间以及水果与传送带之间因为摩擦力的作用所导致的外观品质下降问题。

传送带2和传送带3的主要作用是将经过传送带1进行重量分拣的水果进行传送, 并在传送过程中检测水果的外观品质, 由此对水果进行二次分拣。所以传送带2和传送带3的运行过程为传送带2和传送带3上面的光电传感器检测到有来自于机械手输送单元的水果, 光电传感器会发出信号通知PLC, 由传送带PLC控制传送带2和传送带3运转, 到水果运行至红外检测单元时, 光纤传感器会检测到水果因为颜色的差异所导致的光纤传感器接收到的光的波长的差异, 并将这个差异性判断输送给计算机, 由计算机分析出水果的外部品质级别, 分别由机械手2和机械手3对其做相应的动作, 不动作的水果分别经由传送带2和传送带3送至包装2和包装3。其控制过程为:来料检测—→传送带2和传送带3启动—→水果红外检测—→根据外观品质进行分级—→分级进入包装2、包装3和包装4、包装5。

(三) 机械手输送单元

基于PLC控制的水果分拣自动线系统的机械手1、2、3分别用于水果抓取并放到指定的位置上, 比如传送带2和传送带3、包装4和包装5。三个机械手分别采用三台PLC进行控制, 三个机械手的结构及程序设计方法完全一样, 其区别仅仅在于机械手1需要旋转, 机械手2和3不需要旋转, 所以机械手1需要旋转气缸, 其他两个机械手不需要。下面以机械手1的研究和设计为例来介绍。

机械手1单元的机械机构主要包括真空吸盘式机械手装置、直线运动传动组件、拖链装置、接线端口等[3]。

机械手输送单元的功能是完成水果在各个传送带之间以及包装之间的输送。初始状态: (1) 真空吸盘松开; (2) 升降气缸缩回; (3) 伸缩气缸缩回; (4) 旋转气缸处于右限位;机械手1输送单元的控制过程为: (1) 系统上电执行回原点操作, 回到原点位置; (2) 一旦系统启动, 称重检测单元检测出水果的重量—→机械手1整体提升到位—→机械手手臂伸出—→到位后真空吸盘吸紧水果—→吸紧水果后手臂缩回—→下降—→到位后, 电机工作, 机械手将水果输送至传送带2或传送带3位置—→到位后机械手整体提升—→到位后机械手手臂伸出—→到位后整体下降—→下降到位, 真空吸盘放松, 将水果送至传送带2或传送带3—→机械手返回原点, 完成水果的输送过程[3]。

(四) 包装单元

经过水果分拣自动线系统的分拣以后, 水果可以被分为五级, 分别进入包装1、2、3、4、5单元, 五个包装单元根据水果质量的好坏分别进行包装出货。其中, 包装1位置的水果是最差级别 (五级) 的水果, 是经过一级重量分拣以后产生的, 可以采用普通的纸箱或者是简易塑料袋进行包装;包装2的水果是经过一级分拣后重量较好的水果, 又进行水果外观品质检测以后的、通过机械手2进行剔除的水果, 属于二级水果, 包装时可以采用较好的外包装袋进行包装后入箱;包装3的水果是经过一级分拣后, 重量稍次的水果又进行水果外观品质检测以后的、通过机械手3进行剔除的水果, 属于四级水果, 包装时可以采用一般的薄膜外包装袋进行包装后入箱;包装4的水果是经过一级分拣后重量较好的水果, 又进行水果外观品质检测以后的、通过机械手2进行选择的水果, 属于一级水果, 包装时可以采用最好的外包装袋进行包装后入箱;包装5的水果是经过一级分拣后重量稍次的水果, 又进行水果外观品质检测以后的、通过机械手3进行选择的水果, 属于三级水果, 包装时可以采用稍好的外包装袋进行包装后入箱[4]。

三、结束语

基于PLC控制的水果分拣自动线系统在六个单元的共同作用下, 系统能够从水果的重量和外观品质两个方面分析, 对水果进行5级分拣和包装, 提高水果分拣的品质和效率, 实现水果精细分拣的目标。本文介绍了该系统中各单元的基本功能, 说明了各单元的结构设计和控制过程分析设计, 可以针对控制过程分析设计出各单元的接线图和控制程序, 对水果分拣生产线的设计、推广、应用有一定研究价值[5]。

摘要：基于PLC控制的水果分拣自动线系统由供料、称重检测、传送带、红外检测、机械手输送、包装等六个单元模块构成。在这六个单元的共同作用下, 系统能够从水果的重量和外观品质两个方面分析, 对水果进行5级分拣和包装, 实现水果精细分拣的目的。该系统的部分功能在实验室得到了验证, 达到了设计目标, 对水果分拣生产线的推广应用有一定研究价值。

关键词：PLC,分单元功能,分单元设计,水果分拣,自动线