一种分拣机构的设计与实现

裴忠诚

摘要：制造企业中自动化生产线应用广泛，其中分拣机构是自动化生产线的重要组成部分。本文针对体积较小、重量较轻的产品或构件提出了一种分拣机构的解决方案。根据控制要求设计了分拣机构的机械结构框架，其中产品或构件随传送带一同移动。分拣机构的重要硬件包括减速电机、观点传感器、旋转编码器、变频器以及可编程控制器，文中明确了以上硬件的型号及参数，并对比了两种不同的控制方案，确定了实践中可行的技术方案。

Abstract： Automatic production line is widely used in manufacturing enterprises， of which sorting device is an important part of automatic production line. This paper proposes a solution of sorting mechanism for small and light products or mechanical components. According to the control requirements， the mechanical structure frame of the sorting equipment is designed， in which the product or mechanical parts moves with the conveyor belt. The important hardware of the sorting appliance includes decelerator motor， photoelectric sensor， rotary encoder， frequency converter and programmable controller. In this paper， the model and parameters of the above hardware are defined， two different control schemes are compared， and feasible technical schemes in practice are determined.

关键词：分拣；变频器；PLC；编码器

Key words： sorting；frequency converter；PLC；encoder

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）33-0123-03

0 引言

自动化生产线在制造类企业中应用广泛，典型的自动生产线一般由供料机构、加工机构、装配机构、分拣机构和传送机构构成。在整个系统中，供料机构负责向其他机构提供原料；加工机构按照加工要求，完成零件或构件的加工；装配机构的主要任务是将零件组装成构件或产品；分拣机构按检测标准或分拣标准完成构件或产品的识别或分类；传送机构负责将构件或产品在系统中依序传递。传统的分拣机构一般采用多个传感器来实现对零件或构件的分拣，随着视觉识别技术的发展，在机器人技术的配合下，许多传感器被机器视觉所取代，分拣机构更具柔性化，整个自动化生产线更加智能化。本文针对重量不大于200g，直径在30mm左右，高度约40mm的小零件或构件，重点讨论柔性化程度较高的自动化生产线中分拣机构的设计与实现。

1 分拣机构的机械构成

1.1 分拣机构控制要求

①进料口传感器捕捉到构件或产品，启动变频器，驱动减速电机，传送带开始工作，构件或产品随传送带一同移动，依次通过检测位置。②传送带上设置了三个检测位置，分别位于传送带中线和三个料槽中线相交处。③构件或产品在检测位置的检测时间为0.1s。如果构件或产品在第一个检测位置，被判定符合检测标准，构件或产品将被送入料槽1中，工序结束，系统等待新的构件或产品被送入进料口。否则构件或产品将被依次送入后续检测位置，进行检测，根据检测结果，成品送入正确的料槽，废品落入传送带另一端的废品盒中。④传送带由减速电机驱动。料仓用来接收符合检测条件的构件或产品。图1为构件或产品检测流程图。

1.2 分拣机构的机械结构

针对尺寸较小的构件或产品，利用传送带将构件或产品送至检测位置，传送带通过减速电机进行驱动，传送带的移动距离利用编码器来获得。分拣机构的机械结构包括底座、支撑框架、传送带轴承、连接减速电机的联轴器等等，其结构如图2所示。图2中1为进料口；2为减速电机；3为推杆1；4为推杆2；5为推杆3；6为传送带；7为料槽3；8为料槽2；9为料槽3；10为旋转编码器。

2 分拣机构硬件选型

分拣机构中除了结构框架外，重要的硬件包括减速电机、光电传感器、旋转编码器、变频器和可编程控制器。

2.1 减速电机

传送带由减速电机通过联轴器驱动工作，当进料口被放置构件或产品时，进料口传感器将信号输入至PLC，通过PLC程序启动变频器，减速电机开始工作，驱动传送带开始转动。根据分拣零件的特点，选择减速电机型号为：80YS25GY38和80GK10HF702。

2.2 光电传感器

分拣机构进料口采用光电传感器检测有无构件或产品，其工作原理是利用光照射到被探测物体上，产生反射光线进行工作。本设计采用SICK公司光电传感器，型号：MHT15-N2317。該光电传感器的光发射装置和光接收装置位于传感器基体上同一侧面，安装在一个实体结构中。工作时光发射装置不断发射检测光，若光电传感器前方进料口无构件或产品，则没有光被反射到接收装置，光电传感器处于正常状态，不动作；反之，如果进料口内有构件或产品，被反射回来的光强度达到阈值，光电传感器接收装置收到足够的反射光，就会改变状态，向PLC发出电信号。

2.3 旋转编码器

旋转编码器用于采集零件或构件随传送带移动的距离信息，编码器直接连接到传送带的轴上，根据控制要求及精度选用编码器分辨率500线。为了准确将零件或构件传送至检测位置，需要控制传送带主动轴旋转周数，因为传送带主动轴旋转周数决定了传送带上零件或构件的移动距离。假定传送带主动轴直径d=40mm，则减速电机转动一周，传送带上零件或构件移动距离L=π*d=3.14*40=125.6mm，编码器脉冲当量μ=L/500=125.6/500≈0.25mm。如果进料口中心到第一个检测位置为170mm，编码器大约发出170/0.25=680个脉冲。同理，可以计算出零件或构件移动到第二个检测位置和第三个检测位置，编码器发出的脉冲数。当然，脉冲数的计算值仅仅是理论估算值。实际脉冲数量值还受到传送带主动轴直径测量误差、传送带的安装偏差、松紧度以及分拣机构的安装精度等因素影响，需要现场测试脉冲数值。

2.4 变频器和可编程控制器

根据减速电机功率，变频器选用三菱FR-E700系列FR-E740-0.75K-GHT，可编程控制器选用FX3U-32MR。根据分拣机构的控制要求，给出PLC的I/O分配表。

变频器的输入信号可以通过特殊功能器件向变频器输入，本文对比了两种设计方案：①采用模拟器件FX3U-3A-ADP。②采用RS-485通信用特殊适配器FX3U-485-ADP和FX3U-485-BD。

3 控制系统设计

根据两种设计方案，分别设计FX3U-3A-ADP、变频器和PLC之间的信号连接，如图3；通信模块FX3U-485-ADP和FX3U-485-BD与变频器之间的信号连接，如图4；两种方案的变频器参数设置以及关键的PLC程序片段。

3.1 FX3U-3A-ADP与变频器的连接

图3中，24+（24-）：外部电源。V1+（I1+、COM1）；通道一模拟量输入。V2+（I2+、COM2）；通道二模拟量输入。V0+（I0+、COM）；模拟量输出。10：频率设定用电源。2：频率设定（电压）。4：频率设定（电源）。5：频率设定公共端。AM；模拟电压输出。RL：低速选择。RM：中速选择。RH：高速选择。MRS：输出停止。RES：复位。SD；公共端。PC：公共端。STF：正转启动。STR：反转启动。

变频器参数设置：Pr7=1；Pr8=0.1；Pr61=0.18；Pr73=0；Pr83=380；Pr79=2。

3.2 FX3U-485-ADP与变频器的连接

图4中所示，左测表示变频器PU接口，右侧为数字器件FX3U-485-ADP+FX3U-485-BD的接线端，二者的连接规格按数字一一对应。

变频器参数设置：Pr7=1；Pr8=0.1；Pr9=0.18；Pr19=220；Pr117=1；PR118=96；Pr119=10；Pr120=2；Pr122=9999；Pr124=1；Pr340=10；Pr79=2。

3.3 关键程序片段

PLC程序中，选择数据寄存器D118存储第一个检测位置的旋转编码器脉冲，D122存储第二个检测位置的旋转编码器脉冲，D126存储第三个检测位置旋转编码器脉冲；选用高速计数器C251，旋转编码器的A、B两相脉冲输出连接到X000和X001点；采用通信模块FX3U-485-ADP的PLC程序指令IVDR中，H0ED表示写入设定频率，HFA表示运行指令。

4 结束语

在装配好的分拣机构上，针对控制部分的两种设计方案分别进行了实际测试。采用模拟器件FX3U-3A-ADP的控制系统，调试过程简单，分拣机构的运行满足控制要求。分拣机构反复运行，传动带移动距离重复精度高。采用通信模塊FX3U-485-ADP的控制系统，分拣机构的运行也能满足控制要求，但测试三个检测位置的旋转编码器脉冲数量值时，对调试人员的技术要求高；分拣机构反复运行，传动带移动距离重复精度要比另一种方案差，导致该方案的分拣机构维护工作量增大。综合实际测试结果，选择模拟器件FX3U-3A-ADP和变频器FR-E740-0.75K-GHT及三菱FX3U-32MR作为控制系统实现分拣机构。

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