基于P LC与条形码扫描器的包裹自动分拣系统.pdfVIP

2 0 1 5年 5月 第 4 3卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Ma v 2 0 1 5 Vo 1 4 3 No 1 0 DOI 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 0 1 0 0 4 9 基于 P L C与条形码扫描器的包裹 自动分拣系统 王红梅 浙江水利水 电学院机械与汽车工程学院 浙江杭 州 3 1 0 0 1 8 摘要 针对当前网上购物带来的包裹分拣的巨大压力 设计一种采用条形码扫描器和 P L C控制的包裹 自动分拣系统 根据系统的结构 分析工作原理 提出控制要求 对其控制系统进行了硬件设计和软件设计 实际运行证明 该包裹 自动 分拣系统控制简单 运行可靠 扩展性强 具有良好的应用前景 关键词 P L C 条形码扫描器 自动分拣系统 中图分类号 T H1 3 8 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 0 1 5 8 3 Aut o ma t ic S o r t ing Sy s t e m f o r Pa ck a g e s Ba s e d o n PLC a n d Ba r co de Sca n ne r W ANG Ho n g me i S ch o o l o f Me ch a n ica l a n d A u t o mo t iv e E n g in e e r in g Z h e j ia n g U n i e e r s it y o f Wa t e r R e s o u r ce s a n d E le ct r i c P o w e r H a n g z h o u Z h e j ia n g 3 1 0 0 1 8 C h i n a Ab s t r a ct Ba s e d o n t h e e n o r mo u s p a ck a g e s s o r t in g p r e s s u r e b r o u g h t b y o n lin e s h o p p in g a n a u t o ma t ic s o rt in g s y s t e m b a s e d o n P L C a n d b a r co d e s ca n n e r wa s d e s ig n e d A cco r d in g t o t h e s t r u ct u r e wo r k in g p r in cip le a n d r e q u ir e me n t s o f t h e a u t o ma t ic s o r t in g s y s t e m t h e d e s ign o f h a r d wa r e a n d s o f t wa r e wa s ca r r ie d o u t T h e r e s u lt s s h o w t h a t t h e a u t o ma t ic p a ck a g e s s o rtin g s y s t e m is s imp le r e lia b le a n d e x t e n s ib le w it h a g o o d p r o s p e ct Ke y wo r d s P L C B a r co d e s ca n n e r Au t o ma t ic s o rtin g s y s t e m 随着社会 的不断发展 网上购 物已经成 为当前人 们生活 中不可或缺 的一种消费方式 由此 产生了巨大 物流压力 给快递包裹分拣提出了新的要求 迫切需 要包裹 自动分拣系统以提高劳动生产率 包裹分拣 是把很 多包 裹按 照 目的地 分 配到所 设 置 的场地 的作 业 可分为人工分拣 机械分拣和自动分拣 2 人工 分拣存在工作任务繁重 误差大等问题 越来越多的 分拣任务采用了自动分拣系统 自动分拣系统最早 在我国邮政部门使用H 目前已经成为发达国家物流 配送 中心或流通中心所必需 的设施之一 5 气动技术和 P L C技术 控 制 的 自动 分拣 系统 不 仅可以降低人工拣取 搬运的劳动强度 还可以提高 劳动生产率 降低作业成本 同时具有较高的可靠性 和安全性 1 系统结构及工作原理 1 1 系统 总体结 构 图 1 为包裹自动分拣系统的结构示意图 主要由 步进 电机 2 搬运 机 械手 3 条形 码 扫描器 9 分拣 执行机构 推料气缸 1 1 导 料气缸 1 2 传 送带 1 0 三相异步电机 7和变频器 1 4等部分组成 搬运机械 手承担包裹 的搬运工作 条形码扫描器 主要获取包裹 上面的条形码 代码 并将每个条形码 与包裹 的 目的地 一一 对应起来 传送 带和分拣执行 机构则 根据条形码 将对应 的包裹分拣至设定的 目的地 即图 1 所示 的料 槽 1 2 3 1 一包裹位置检测传感器 2 一步进电机 3 一气动机械手 4 5 6 一料槽l 3 7 一三相异步电机8 一工作台9 一条形码扫描器 lO 一传送带 ll 推料气缸 1 2 一导料气缸 1 3 一传送带阻挡块 1 4 变频器 图 1 包裹 自动分拣系统的结构示意图 1 2 系统气动工作原理 包裹 自动分拣系统由气动系统驱动 其原理如图 2 所示 该气动系统主要包含 5个气缸 搬 运机 械手 的伸缩气缸 2 升降气缸 3和气动手爪 4 分拣系统 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 1 4 作者简 介 王 红 梅 1 9 7 8 一 女 硕 士 副 教 授 主 要 从 事 P L C 控 制 技 术 方 面 的 教 学 研 究 工 作 E m a i l w h m z j w e u e d u cn 第 1 0 期 王红梅 基于 P L C与条形码扫描器的包裹 自 动分拣系统 1 5 9 的推料气缸 5和导料气缸 6 其 中 搬 运机械 手 的伸 缩气缸和升降气缸 分拣系统的推料气缸和导料气缸 分别由单电控二位五通 阀 1 7 1 8 2 0 2 1 控制 机 械手的气动手爪由双电控二位五通阀 1 9控制 单向 节流阀 7 1 6 用来提高气缸动作时的速度稳定性 l一调压过滤器 2 一伸缩气缸 3 一升降气缸 4 一气动手爪 5 一推料气缸 6 一 导料 气缸 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 l6 单 向节 流 阀 1 7 l8 2 0 2 1 单 电控 二位五通 阀 1 9 双 电控 二位 五通 阀 图 2 包裹 自动分拣系统的气动原理图 2 系统各部分功能与分析 2 1 气动机械手 包裹事先都放置 在工作 台上 当工作 台上的包裹 到位 传感器检测包裹到位后 先进行条形码扫描 再由气动机械手将包裹搬运至传送带上 其工作流程 如 图 3所示 包 裹检 测 到位 手 臂前 伸 主 手臂 下 降 二二工二二 手 爪 抓取 包裹 二二工二二 手 臂上 升 二二工二二 手臂缩回 二二 二 手臂右旋 手臂前伸 二二 二 手臂下降 二二 二 手爪 放松 包裹 二二 二二 手臂上升 二二二 二 手臂缩回 一 童 手臂左旋回原位 图3 气动机械手搬运包裹的工作流程 搬运机械 手伸缩 上下 手 爪夹 紧 放 松 均 由气 动阀控制 其极 限位置分别由伸 出限位 缩 回限位 上升限位 下降限位 夹紧限位等 限位传感器控制 左 右旋 转 由 步进 电机 驱 动 实 现 采用 了三 相 混 合 式 步 进 电机 及 细 分 型 步 进 电机 驱 动 器 作 为 驱 动 装 置 2 2 包裹扫描 与 分拣 快递包裹均用条形码标识 这里采用条形码扫描 器识 别 采 用 的激 光 式 扫描 器 可 以识 别 U P C A U P C E E N A 1 3 E N A 8 I S B N I S S N 九 三码 1 2 8 码 1 1 码等通用一维条码 内置 P S 2键盘 可以使 用 R S 2 3 2串 口和 U S B 2 0接 口 扫描 时可 以手动扫 描 也可 自动连续扫描 这里 包裹 的 目的地假 定有 3 个 目的地 1 目 的地 2和 目的地 3 分别对应料槽 1 料槽 2和料槽 3 当安装在料槽 l 位置的传感器检测到属于 目的地 1 的包裹时 使用推料气缸分拣 当料槽 2 位置的传 感器检测到属于目的地 2的包裹时 使用导料气缸分 拣 当 目的地 3对应 的包裹到达料槽 3的位置时 在 传送带阻挡块的阻挡下分拣至料槽 3 推料气缸的极 限位置由伸出限位 缩回限位传感器控制 导料气缸 的极限位置由转出限位 原位传感器控制 2 3 传送带机构 传送带机构由三相交流减速电机 传送带 西门 子 M M4 2 0变频器等组成 当气动机械手将包裹搬运 至传送带 传送带在三相电机的带动下运行 进而将 包裹送 至对应 的料槽 采用 变频器 驱动三相电机 以 实现调速 和节 能的 目的 实际运行时 可使用变频器根据需要调节传送 带的传送速度 以提高包裹分拣效率 同时保证分 拣机构的动作准确性 此 系统变频器的频率设定为 3 0 Hz 2 4其 他 功 能 按 启 动 按钮 警示 绿 灯亮 缺料警 示 黄灯 闪烁 放入包裹后设备开始运行 按 停止 按钮 所有机构停止工作 警示红 灯亮 缺料警示黄灯闪烁 按 复位 按钮 后 系 统 自动 复位 将传 送 带 上 的包裹分拣完 设备等待运行 无物料黄灯闪烁 3控制系统设计 3 1 系统硬 件设 计 根 据输入输 出的特点及 数量 此系统采用西门子 s 7 2 0 0系列 P L C作为控制器 表 1 为包裹 自动分拣 控制系统的 I O口分配表 1 6 0 机床与液压 第 4 3 卷 表 1 包裹 自动分拣系统 L O口分配表 输入 功能说明 输出 功能说明 I O 0 启 动按钮 Q O 0 步进 电机驱 动器 P U L 1 0 1 停 止按钮 Q O 1 步进 电机驱动器 D I R I O 2 复位按钮 Q O 2 步进电机驱动器 E N A I O 3 包裹检测光电传感器 Q O 3 手臂伸出 I O 4 机械手臂伸出限位传感器 Q O 4 手爪下降 I O 5 机械手臂缩回限位传感器 Q 0 5 手爪夹紧 I O 6 机械手爪下降限位传感器 Q O 6 手爪松开 1 0 7 机械手爪上升限位传感器 Q 0 7 推料气缸推出 I 1 0 机械手爪夹紧限位传感器 Q 1 0 导料气缸旋出 I 1 1 推料气缸伸出限位传感器 Q 1 1 警示红灯 I 1 2 推料气缸缩回限位传感器 Q 1 2 警示绿灯 I 1 3 导料气缸原位传感器 Q 1 3 警示黄灯 I 1 4 导料气缸旋出到位传感器 3 2系统软件 设计 从上面的分析可知 该包裹 自动分拣控制系统流 程简单 且循环往复运行 关键部分是气动机械手 的 控制和包裹条形码扫描与分拣控制 1 气动机械手 的控制设计 气动机械手 的工作流程 如 图 3所示 包 裹到位 机械手臂伸出 缩回 手爪上升 下降 手爪夹紧这些 动作的到位均用限位传感器检测 为了保证气动手爪 动作 的准确性 在手爪夹 紧到位后 以及手爪 放松后 均设 置了 0 5 s 的延时 由图 3 可知 气动机械手动作流程简单 顺序性 强 软件设计时可采用 P L C程序设计中常用的顺序 功能图法 由于手臂伸缩气缸和升降气缸均为单电控 二位五通阀控制 手爪 的夹 紧和松开则是 由双 电控二 位五通阀控制 因此设计顺序功能图时它们的输出表 达方法不同 顺序功能图如图4所示 蓉 to 压五卜 伸出到位 1 0 4 压 卜 一 下降到位 1 0 压五卜 夹紧到位 I l 0 廷 恻 3 匪 上升到位 1 0 7 缩回到位 1 0 5 匪 卜 旋转到位 QO 3 手 臂 伸 出 Qo 4 s 手爪下降 0 手 爪 夹 紧 抓取 r N T O N1 气瓜夹紧 P T I 延时0 5 s Qo 4 一 R 手爪上升 l O0 3 R 手臂缩 回 手臂右旋 子程序 匮 出 伸 出 到 位 十 10 一 Q 0 4 臣 一 手爪 下降 下降到 一Q0 6 延时到十 T 3 8 压立卜 上升到位十 1 0 7 匪亟卜 缩回到位干 Io 5 压妾 拼 捌 位 I 图4 气动机械手控制的顺序功能图 至于机械手的旋转控制 使用步进电机驱动器驱 动 需事先确定机械手旋转的角度 再根据步进电机 的步距角 细分精度确定所需的脉冲数 步进电机驱 动器的脉冲信号 P U L 方 向信 号 D I R分别 由 P L C的 Q O 0和 Q O 1 提供 通过程序设置脉冲数 目和步进电 机的转动方 向 采 用 s 7 2 0 0 P L C的高速 脉 冲输 出指 令 P L S 实现对机械手左 右旋转的精确控制 2 包裹条形码扫描与分拣 系统假定包裹将发往 3 个 目的地 分别对应分拣 单元 中的料槽 1 2 3 为了实 现根据条 形码进 行包 裹 目的地分拣 必须先对扫描得到 的条形码代码进行 一 系列 的处理 快递包裹条形码一般为 1 2 1 3位 且具有唯一 性 这里 的处理方 法是 根 据 目的地设 置 3个 表格 将 同一 目的地 的条形码代码列在 同一表格 中 依次存 于 P L C寄存器中 每个 目的地设定一个中间继电器 如 M0 1 M 0 2 M0 3作为对应 目的地 的标记符 哪个 中间继电器接通 就代表相应料槽 的执行 机构在 检测包裹到达时需要动作 例如 如果 M0 1接通 则表示该包裹将发往 目的地 1 则包裹传送到料槽 1 位置时推料气缸动作 确定哪个 中间继 电器接通 在得到当前包裹的条 形码代码后 需在 3 个条形码代码表中查询 在哪个 表格 中找到一致 的代码 就接通该 目的地对应 的中间 继 电器 条形码代码的制表和查询需要用到 S 7 2 0 0 P L C 中的字符 串处理指令 字符 串拷贝指令 S T R C P Y 字符 串连 接 指 令 S T R C A T和字 符 串 查 找 指 令 S TR F I N D 先使用 S T R C P Y指令存放某一个条形码 至表格中 再使用 S T R C A T指令依次将 同一 目的地 的其他条形码存放在其后 系统工作时 在 3 个表格 下 转第 1 7 1页 对 上 晡 廷爪 手 一 争 一 一 第 1 0期 周树强 等 U C P 8 0 0 D u r o五轴加工中心精度检测与补偿 1 7 1 反 向 间 隙 窒 转 换 一 置 编 号 轴 线 位 置 毫 米 l 0 00 00 2 5 O 00 00 3 1 0 0 0O 00 4 150 0000 5 200 0000 6 25O 000O 7 30O O0O0 8 35O OO0O 9 40 O 00 0 0 1 0 45 0 00 O 0 1l 5O O 00 0 0 1 2 55 0 OO OO 系 歹 号 6 0 1 0 1 6 9 0 试 验 者 ZS O 测 量 位 置 数 控 实 训 基 地 文 件 名 Y r tl 带 后 冲 值 综 合 图 表 绝 对 值 0 0 01 毫 米 误 差 值 0 0 00 0 毫 米 0 0 00 0 毫 米 5 5 0 0 0 0 0 i 米 5 0 0 0 0 0 毫 米 0 0 0 1 毫 米 补 偿 数 值 均 值 补 偿 O 0 0 1 毫 米 O 1 2 4 5 5 6 8 9 9 1O 11 图 4 螺距误差补偿 表 将 补 偿 数 值 输 入 系 统 螺 距 误 差 补 偿 表 打 开 Y co m补偿文件 输入图4的补偿数值 将反 向间隙值输 入系统 P L C文件 M P 7 1 0 1 一 0 0 01 对系统 y轴补偿后 再次运行测试程序 重新测 量机床的定位精度和重复定位精度 采集数据曲线如 图5所示 从采集的数据可以看出 机床 l 轴的重复 定位精度 和定 位精度 已经明显提高 定 位精 度 和重 复精 度 图 5 补偿的数据曲线 3结论 利用 激光 干涉仪 检测 机 床误 差 通过 对 数控 系 统 反 向间隙和螺距 误差补 偿 参数 的设 定 可 以提 高机 床加工的定位精度和重复定位精度 可以解决实际 加工中存在的精度 问题 机床没有机械故障的前提 下 参考文献 1 U C P 8 0 0 D u r o五轴加工中心使用说明书 M G F A g ie C h a r m i ll e s 公司 2 0 0 8 2 i T N C 5 3 0用户手册 M H E I D E N H A I N公司 2 0 0 8 3 冷汹涛 数控机床定位精度和重复定位精度的检验 J 机床与液压 2 0 0 8 3 6 8 1 9 2 1 9 3 4 史利娟 牛小铁 陈金英 MA R 5 0 0 H加工中心精度的检 测和补偿 J 机床与液压 2 0 1 4 4 2 2 8 6 8 7 上接第 1 6 0页 中查找 当前 扫描到 的条 形码 哪个 中间继 电器接 通 则驱动对应料槽 的执 行结构 下 面是第一个表格部分 条形码代码 的制表和查表 程序 另外两个表格的做法依此类推 L D S M0 0 S C P Y d a t a l V B 0 d a t a l 为第 1 个 条形码 S C A T d a t a 2 V B 1 0 d a t a 2为第 2 个条形码 S C A T d a t a n V B 1 0 0 d a t a n为第 13 个条形码 MO V B 1 A C 0 查表结果寄存器 S F N D V B 0 d a t a A C 0 当前 扫描 的 条形 码为 d a t a 查表 A wA C 0 0 查 表结果不为 0 表示在该表格 中找到一致 的条形码 M0 1