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基于PLC控制的自动分捡系统的设计

摘要：设计了一套基于PLC控制的柔性生产线自动分捡系统，该系统的功能是提取从流水线传送带上送过来的工件，检测工件的类型，并进行分类，最后将其推放到对应的工件滑槽里。本文就其设计思想、工作原理、控制方案、程序设计等要点进行了阐述。实验与实践证明, 该系统完全适用于FMS柔性生产线的工件自动分检，使柔性生产线的效率大幅度提高。

关键词：PLC；柔性生产线；分捡系统

Design of the Auto-categorizing System based on PLC

Abstract:An auto-categorizing system for the flexible production line based on PLC is designed in this paper. The functions of the system are to fetch the work-pieces transported by belt conveyor and check the types of the work-pieces, and finally sort them into respective grooves for work-pieces. The idea of the design and the principle of the operation are described in the paper as well as the control method and programming. The relative experiments show that the system can be used in the flexible production line in FMS for the auto-categorizing of work-pieces perfectly. It helps improve the productivity of the flexible production line heavily.
Key Words: plc；the flexible production line；categorizing System

1． 前言
随着社会对产品多样化、低制造成本以及短制造周期等需求日趋迫切,柔性制造系统(FMS，Flexible Manufacturing System)发展颇为迅速。20世纪80年代后,制造业自动化进入基于计算机的集成制造(CIMS)时代,FMS已成为各国机械制造自动化的发展重点。FMS标志着传统的机械制造行业进入了一个发展变革的新时代,自其诞生以来就显示出强大的生命力。迄今,世界上已有大量的FMS在运行,仅日本就有175套完整的FMS。美国是最早将FMS用于生产的国家,也是FMS硬、软件技术最高的国家。德、英、意等西方国家都在大力开发与应用FMS,并制订了短、长期的发展规划。国际上以柔性生产方式生产的产品产值已占制造业总产值的75%以上,且有不断增长的趋势[1]。柔性制造系统作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技,为未来机构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图,将成为21世纪机械制造业的主要生产模式[2]。
FMS是由加工系统、物料系统和计算机控制系统组成的，并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。其中，物料系统用以实现工件及工装夹具的自动供给和装卸,以及完成工序间的自动传送、调运、分检和存贮工作,包括各种传送带、自动导引小车、工业机器人及专用起吊运送机等。分检系统提取从流水线传送带上送过来的工件，检测工件的类型，并进行分类，最后将其推放到对应的工件滑槽里。本文设计的基于PLC控制的自动分捡系统，根据工件的颜色和材质在线检测，快速分类，提高分检效率。
2．系统组成与功能分析
本设计的工件分为三种，第一种为红色红色工件，第二种为黑色塑料工件，第三种为银色金属工件，设计基于PLC控制的自动分捡系统结构原理如图1所示。
气动提取部件

控制系统
PLC S7-300

识别工件
提取工件至
检测部件
检测部件
发送信号
控制指令
控制指令
分检部件

图1 分检系统组成框图

图2 分检系统装配图
气动提取部件主要是由提取工件的气动机械手、直线驱动单元、光电传感器、电磁接近传感器等组成。当工件由流水线传送带将传送过来，光电传感器检测到有工件后，机械手将其抓住实现提取动作，直线驱动单元带动机械手进行直线运动实现运送动作，将工件运送到检测单元。
检测与分检部件主要由分检动作执行元件、传送带、工件分类堆放滑槽和各种检测传感器等组成。当气动提取部件将工件传送到检测部件的传送带上，光电传感器检测到有工件，便启动传送带和第一个执行挡杆将工件挡住检测位置，该位置安装两个传感器，即电感式传感器和漫反射传感器，其中电感式传感器检测工件是否为金属，漫反射传感器传感器检测工件是否为黑色，检测完毕判断出工件为哪类工件时，相应的执行元件带动挡杆旋转挡在相应的工件分类位置，实现分类堆放，最后拨板复位，传送部分停止运动，完成分检，如图2所示。
3．控制系统硬件设计
分捡系统的控制框图如图3所示，硬件主要由S7－300 型PLC 微机控制器与各传感器、电机的接口电路等组成。
控制面板

S7－300
PLC
控制器
检测传感器
执行气缸
传送电机
信号显示

图3 分捡系统的控制框图
1.1 PLC 控制系统的工作要求
要求PLC 控制系统能够控制工件的提取、检测与分检等动作。其工作流程为:
流水线传送带上工件到位→气动提取部件→检测气动机械手位置→检测气动机械手状态→机械手下降抓取工件→机械手沿直线驱动单元移动→检测工件送到分检传送带→机械手下降松开→机械手上升→机械手返回→启动分检传送带→检测工件类型→检测相应执行挡杆状态→相应执行挡杆伸出→相应执行挡杆缩回→检测工件分检到位。
1.2 核心器件
Simatic S7-300 是一种模块式的结构, 主要由机架、CPU 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信模块、电源模块和编程设备组成, 各种模块安装在机架上, 系统构成和扩展都十分方便[4][5]。根据整个系统的要求, 控制模块选用：CPU-313C 2DP，I/O模块选用：CP 342-2。
1.3传感器选用
传感器是一种具有检测某种变量并把检测结果传送出去的功能器件,在本系统中主要用来检测工件是否到位、工件类型和行程控制等。具体的传感器选型与应用如表1所示。
表1传感器选型与应用
序号
传感器定义
传感器类型
功能
1
PART_AV1
光电传感器
检测传送带上的工件是否到位，以便启动提取部件
2
1B1_1
电磁接近传感器
检测气动机械手是否位于起始位置
3
1B1_2
电磁接近传感器
检测气动机械手是否位于中间位置
4
1B1_3
电磁接近传感器
检测气动机械手是否位于终点位置
5
1B2_1
电磁接近传感器
检测气动机械手是否伸出，处于抓取状态
6
1B2_2
电磁接近传感器
检测气动机械手是否缩回，处于等待状态
7
1B3_1
电磁接近传感器
检测气动机械手是否抓到工件
8
PART_AV2
光电传感器
检测工件是否到位，以便启动分检部件
9
2B1_1
电磁接近传感器
检测1#执行挡杆是否伸出，处于工作状态
10
2B1_2
电磁接近传感器
检测1#执行挡杆是否缩回，处于等待状态
11
2B2_1
电磁接近传感器
检测2#执行挡杆是否伸出，处于工作状态
12
2B2_2
电磁接近传感器
检测2#执行挡杆是否缩回，处于等待状态
13
2B3
电感式传感器
检测工件是否为金属
14
2B4
漫反射传感器
检测工件是否为黑色
15
2B5
反射式传感器
检测工件是否分检到位

1.4 I/O分配
根据自动分检系统的控制要求,PLC 的输入、输出地址表如表2所示。
表2 I/O地址分配表
输入地址
功能说明
输出地址
功能说明
I0.0
传送带上的工件到位
Q0.0
气动机械手左移
I0.1
气动机械手位于起始位置
Q0.1
气动机械手右移
I0.2
气动机械手位于中间位置
Q0.2
气动机械手伸缩
I0.3
气动机械手位于终点位置
Q0.3
气动机械手张闭
I0.4
气动机械手伸出，处于抓取状态
Q0.4
传送带电机的启停
I0.5
气动机械手缩回，处于等待状态
Q0.5
暂停工件气缸伸出
I0.6
气动机械手抓到工件
Q0.6
1#分检执行汽缸伸出
I0.7
工件到位，启动分检部件
Q0.7
2#分检执行汽缸伸出
I0.8
1#执行挡杆伸出，处于工作状态
Q0.8
提取部分故障报警
I0.9
1#执行挡杆缩回，处于等待状态
Q0.9
分检部分故障报警
I0.10
2#执行挡杆伸出，处于工作状态

I0.11
2#执行挡杆缩回，处于等待状态

I0.12
检测工件是否为金属

I0.13
检测工件是否为黑色

I0.14
检测工件是否分检到位

4．控制系统软件设计
由于自动分检系统的工作过程是顺序动作,所以控制程序采用步进顺控指令编程。控制程序包括初始化程序、复位程序和自动运行程序。自动运行方式起动时系统必须处在原位,即提取部件、分检部件均处原位。系统起动后连续重复运行,直到按下“停”按钮或报警时,系统运行至原位后停机。提取和分检部分的程序流程图如图4、5所示。
是
结 束
抓手夹紧，机械手左移
返回开始
抓手伸出
是
机械手右移
检测机械手右移到位
否
检测机械手伸出到位
抓手伸出，复位右移命令
是
否
检测机械手伸出到位
否
是
抓手张开
检测机械手收回到位
机械手收回
抓手伸出
是
否
抓手张开，复位左移命令
检测机械手在初始位置
否
检测机械手初始位，有工件件
开 始
是
否
检测机械手伸出到位
抓手抓紧
是
检测抓手已经抓到工件
是
否
否
机械手收回
是
检测机械手收回到位

图4 提取部分程序流程图

开 始
检测到有工件
M1传送带电机启动
检测到工件后延迟4秒 挡杆缩回
检测到工件后延迟2秒开始检测传感器信号

2B2传感器信号有/1无/0
2B4传感器信号有/1无/0
0
1
1
1
0
0
1Y1汽缸启动
2Y1汽缸启动
2B5传感器有信号
置位的汽缸均复位
M1传送带电机停止
程序结束

图5 分检部分程序流程图
5. 结束语
柔性生产线自动分捡系统采用的是并行控制、模块化设计思想,无论是机械装置,还是控制系统设计,都具有良好的可扩展性、高度的柔性和灵活性。其不仅适用于少数品种物品的分检,也可拓展到多种物品的分检;不仅适用于成品的分检,也适用于零部件的分散输送。该系统已成功地运用于机电工程实验室柔性生产线上。结果表示性,能稳定,效果良好,完全适用于FMS柔性生产线的工件自动分检，使柔性生产线的效率大幅度提高,具有一定的推广应用价值。

参考文献
[1] 李卫京 .面向二十一世纪的柔性制造系统.机械工程与自动化,2004, (3):83～86
[2] 郭聚东,钱惠芬.柔性制造系统的优势及发展趋势.轻工机械,2004, (4):4～5
[3] 唐晓红.PLC 在微细圆棒料自动分检系统中的应用. 煤矿机械，2006 ，27（2）：273～274
[4] 鲁远栋. PLC机电控制系统应用设计技术. 北京-电子工业出版社 2006.4
[5] 德国的西门子(Siemens)公司.S7－300从入门到精通