基于3D打印及PLC控制的垃圾分类机的研制

姚伦全 雷蔓 聂祥荣 罗显义 夏康 周毅

摘要：垃圾分类必要而紧迫，说明了研制垃圾分类机的重要性。对垃圾分类机的功能进行了分析，给出了可行的垃圾分类机方案。对其进行三维建模，并结合气压传动、电气控制设计了基于PLC的控制系统，采用了SFC的编程方法编写了控制程序，对程序进行了仿真。最后搭建试验样机，用3D打印机制造了样机的机械爪，缩短了样机制造的周期，减少了样机制造的成本，经过样机的测试，验证了该垃圾分类机机械部分、气动部分、控制系统及控制程序的合理性、可行性。

关键词：垃圾分类机;3D打印;可编程控制器;气动;机械臂

中图分类号：TP334.8文獻标识码：A

Abstract： garbage sorting is necessary and urgent， indicating the importance of developing garbage sorting machine. The function of garbage sorting machine is analyzed， and the feasible scheme of garbage sorting machine is given. The 3D modeling is carried out， and the control system based on PLC is designed in combination with pneumatic transmission and electrical control. The control program is written by SFC programming method， and the program is simulated. Finally， a test prototype is built， and the mechanical claw of the prototype is made with 3 D printers， which shortens the manufacturing period of the prototype and reduces the cost of the prototype. After the prototype test， the mechanical part， pneumatic part， control system and control system of the garbage classifier are verified  rationality and feasibility of the control procedure.

Keywords： garbage sorting machine ;3 D printing; programmable controller; pneumatic; manipulator

中图分类号：TH-39     文献标识码：A      文章编号：

1. 引言

垃圾是放错地方的宝贝，垃圾分类具有社会、经济、生态等方面的效益。城市生活垃圾一般分为可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾四大类^[1]。研制自动或者半自动垃圾分类机，有利于垃圾分类的推广，减少垃圾处理量，降低处理成本，减少土地资源的消耗^[2]。

根据对城市生活垃圾分类的要求，垃圾分类机需要有识别垃圾和对垃圾进行分类的功能。

2. 垃圾分类机的设计及三维建模

目前垃圾回收用的垃圾桶都标准化了，标准垃圾桶满了以后，挂上清洁车，清洁车能自动的把垃圾倒入垃圾车里面^[3]。

根据垃圾分类机的功能要求，结合目前垃圾回收的基础条件，研制的垃圾分类机三维图如图 1所示，其主要部件有步进电动机、导杆、丝杠螺母移动副、伸缩气缸、抓取气缸、固定垃圾斗、可回收垃圾桶、厨余垃圾桶、有害垃圾桶、其他垃圾桶^[4-5]。

把垃圾投入固定垃圾斗里面，按下触摸屏上的垃圾类别，控制系统控制伸缩气缸、抓取气缸及步进电动机的动作，就能把垃圾投入对应垃圾桶里面。整个垃圾分类机的外形如图 2所示，其左侧有触摸屏和垃圾投入口，正面有各种垃圾手动投入口和垃圾桶取出口，外面用玻璃全封闭，能够避免垃圾臭味散发，外观造型能够与城市环境融为一体。该方案简单可靠，成本低，使用方便。

3. 垃圾分类机控制系统的设计

该垃圾分类机的控制对象有伸缩气缸、抓取气缸及步进电动机，其气缸控制回路如图 3所示，控制系统控制气缸对应的电磁阀得电，气缸伸出，电磁阀失电，气缸缩回。

该控制系统采用三菱FX PLC作为控制核心，做一个基于PLC的控制项目，一般根据控制要求，采用“主电路图→控制电路图→编程→仿真→接线调试”的步骤。

（1）主电路图的绘制，该控制系统采用220V单相交流电供电，需要直接接该电源的有PLC、5V&24V直流电源，步进电动机驱动器，气泵，主电路图如图 4所示。

图 4 控制系统主电路图

（2）控制电路图绘制。

由于采用了MCGS触摸屏和PLC一起进行控制，用触摸屏控制辅助继电器M的方式作为PLC的输入，这样可以节省一些PLC的输入点数，根据控制要求，PLC的编程资源分配如表格 1所示。

根据控制对象与控制点数，选择了FX3U-16MT这个型号的PLC，该控制系统的电路图如图 5所示，因为采用了NPN型光电传感器检测垃圾，所以要把24V与S/S接在一起，为了图纸清晰，图上只画了X1点的传感器接线方法，X2到X5的传感器用法与X1一样，具体每个I/O点的布置位置如图 6所示。

（1、步进电动机;2、导杆;3、丝杠螺母移动副;4、伸缩气缸;5、抓取气缸;6固定垃圾斗;7、可回收垃圾桶;8、厨余垃圾桶;9、有害垃圾桶;10、其他垃圾桶）

（3）程序的编写

因为该机械臂在对垃圾进行分类的动作具有顺序执行的特点，所以采用SFC编程的方法。该程序分为两个块，一个是梯形图块、一个是SFC块，梯形图块为SFC块做准备。

该程序的流程图及SFC顺序功能图如图 7所示，执行顺序功能图程序的条件是，当某类垃圾桶未满，该类垃圾投入按钮按下，垃圾投入口打开，投入垃圾，X1有输入。

顺序功能图程序由顺序结构和选择分支构成，第一个选择分支为当执行完抓取动作且固定垃圾斗内无垃圾，跳出SCF循环，等待下一次投垃圾;第二个分支有四条支路，因为投放到各个垃圾桶的行程不一样，PLC发出的控制脉冲数不同，所以有四条支路;最后一个分支是判断一次投入垃圾斗里面的同类垃圾是否抓取完，抓取完则跳出SFC程序，未抓取完则重复执行抓取动作。

该控制系统的输入及显示采用MCGS的TCP 7062TX型触摸屏，按照“建立实时数据库（触摸屏里面的变量）→增加三菱_FX系列编程口→增加设备通道→连接变量（实时数据库）→设计用户窗口→设定操作变量→仿真→调试”的触摸屏编程路线，设计的控制面板如图 8所示。

4. 关键部件的3D打印及样机的搭建

该垃圾分类机的样机如图 9所示，其机架采用铝型材搭建，包含了上述垃圾分类机的主要部件。因3D打印技术在新产品研制中能够减少成本，缩短研制周期，在对该垃圾分类机样机机械爪研制过程中，采用了3D打印技术制造了其机械爪，图 9右下角所示。其制造流程为：建模→分零件导出STL模型文件→导入3D打印机控制软件→调整零件打印放置位置→切片→3D打印机准备→3D打印→取出零件并去除支撑→打磨装配。

通过样机的搭建和运行测试，验证了该垃圾分类机机械部分设计的合理性，也验证了其控制系统、控制程序、气动系统的可行性。

5. 总结

将三维建模技术、虚拟样机技术、3D打印技术、电气控制技術、PLC控制技术、液气压传动技术融合，研制了新型垃圾分类机。并用3D打印技术作为辅助，制造出了垃圾分类机的样机，对其机械、电气、控制程序、气压传动等进行了测试验证，说明了该方案的可行性、合理性。虽然所研制的样机与实际机器在结构，性能上有一定的差距，但足以说明该方案是可以满足垃圾分类的功能的。

参考文献

[1]周栋敏，郝静雅.论智能化在废品分类回收机中的设计研究[J].科技视界，2019（35）：9-10.

[2]刘雅璇，潘万彬.基于自我训练的长效垃圾分类方法[J].中国图象图形学报，2019，24（05）：773-781.

[3]王子珩.新型自动垃圾分类车的结构设计与性能[J].河北农机，2019（04）：78-79.

[4]赵可，欧晓霞，崔子硕，吕举鹏，时佳荣.大连市垃圾分类的一体机研究[J].绿色科技，2018（24）：28-30.

[5]玉林.大连首套智能垃圾分类设备落户[J].中国设备工程，2018（07）：6.

基金项目：贵州省教育厅青年基金项目《3D扫描3D打印及CAM技术在曲面制造中的应用（项目编号黔教合KY字[2016]288）》;毕节市科技局项目《毕节市3D打印技术应用研究中心（毕科合字[2017]05号）》;贵州工程应用技术学院教改项目

通讯作者简介：雷蔓 （1985-），男，贵州黔西，讲师，硕士，研究方向为先进制造技术。