【《基于PLC自动售货机设计》23000字】

基于PLC自动售货机设计摘要:科学技术的快速发展带动着自动化商业机械的广泛应用，其中自动售货机是商业自动化装置代表之一，较大程度地方便了人们的生活。目前自动售货机虽然形式多样，但对于饮料自动售货机所出售的饮品而言，都是瓶装矿泉水、饮料等，且对于奶茶这种深受消费者青睐的现配休闲饮品，现阶段仍处在人工现场调配阶段。针对所述现象，结合自动售货机与现配饮品两者的特点，本文利用自动化相关技术研制了一套智能饮品调配售货机系统装置，实现饮品调配过程的机械自动化。最后对智能饮品调配售货机系统的上位机部分从购货流程、移动支付部分以及后台数据统计管理三个方面进行设计。同时对已经完成的工作内容进行总结，并指出系统中所存在的问题和后续工作进一步的改进方向。关键词:自动售货机；饮品调配；平面关节型机械手；有限元分析；PLC控制目录TOC\o"1-3"\h\u9061第一章绪论 5208691.1研究背景与意义 5282051.2国内外研究现状及发展趋势 5292001.2.1国外自动售货机的发展 5112681.2.2国内自动售货机的发展 729629第二章智能饮品调配售货机系统整体方案设计 8103762.1饮品调配售货机用户需求分析 8246282.1.1消费者需求分析 823572.1.2经营者需求分析 8265192.2系统整体方案设计与分析 992002.2.1系统研究目标 9320842.2.2系统整体思路设计 9181882.2.3系统整体结构设计 1093832.3系统运行流程分析 1326174第三章饮品自动灌装和传输平台模块设计与分析 14128503.1饮品原浆定量灌装结构设计 14318323.2定量灌装理论分析与实验 15131413.2.1实验数据的拟合与验证 15122323.3饮品自动传输平台模块 19289613.3.1传输平台结构设计 19307683.3.2驱动装置的选择 2029733第四章系统运动控制和上位机模块设计 21137114.1控制系统硬件部分 21223744.1.1PLC选择 21281104.1.2系统控制架构 22277074.1.3控制元器件选型 24193854.1.4控制系统电路设计 26322284.2控制系统软件部分 2747694.2.1编程语言与环境 27151344.2.2控制程序设计 2851854.3系统上位机部分 29156094.3.1上位机购物界面 30252454.3.2系统支付界面 3076124.3.3后台数据查询界面 311517结论 3326531参考文献 33第一章绪论1.1研究背景与意义随着科技的不断发展，自动化相关技术发展得也越来越快，自动化商业机械的应用也越来越广泛，自动售货机作为其中的代表之一，被普遍用于商场、地铁站、学校等人流量较大的场所进行自助售货，给人们的生活带来了极大的方便。越来越多的人借助于这种既方便又灵敏的自动售货机，来顺应如今社会生活的快节奏和高效率。同时，自动售货机不仅节省了大量劳动力的资金成本，而且减少投资者的经营成本，将逐步成为人们生活中不可或缺的售卖方式。目前自动售货机在国内还处于发展阶段，在应用技术和操作简单方面都在不断改进过程中。就出售产品而言，自动售货机销售的种类繁多产品都是已经固装好的瓶装饮品、袋装零食等，例如矿泉水、饮料、奶茶，它们都是厂家已经生产好的瓶装成品放在自动售货机中进行售卖。然而，现代都市人大多面临着亚健康的状态，在饮食方面会更加注重选择健康、养生的产品，消费者也越来越关注饮品的营养与健康。相对于已生产好的瓶装饮品来说，人们更加青睐于各种现制现配的饮品。近年来，随着人们生活水平的不断提高，休闲消费逐渐成为国内居民生活的重要组成部分，休闲产业也随之兴起——休闲饮品店。对于奶茶这个口味品种多样的休闲饮品，具有方便快捷时尚的特点，受到越来越多消费者的喜爱，尤其是年轻消费者。随着人们可支配收入的不断增长，休闲饮品的快速升级和多样化，奶茶消费群体不断扩展，群体规模也在逐渐扩大。而且，奶茶行业作为饮料制造业里新兴的细分行业，多年以来销售速度飞速并且毛利较高，吸引了不少市场参与者的加入，饮料行业巨头纷纷争先投入奶茶市场。1.2国内外研究现状及发展趋势1.2.1国外自动售货机的发展自动售货机的前身，可追溯至公元1世纪，古希腊数学家希罗制造出一种通过硬币来自动出售圣水的装置，是世界上最早的自助售卖机。希罗圣水仪的设计很简单，它是一个围绕杠杆原理设计的小机器，如图1.1所示。图1.1世界上最早的自助售卖机原理图1615年，英国小酒店里出现贩卖香烟的自动售货机，是现在世界上存在的最古老自动售货机。美国曾是自动售货机最发达的国家之一，世界上第一台商用自动售货机是美国20世纪60年代推出的，人们可用1美分在自动售货机上买一块口香糖。到20世纪20年代末期，香烟自动售货机的推出很大程度上引领了自助售货业的潮流。据相关记载统计，20世纪70年代，美国的自动售货机产生的营业额将近30亿美元，紧接着10年之间，其营业额增加约20亿美元，达到49亿美元。而到20世纪90年代初，自动售货机创造了高达250亿美元的营业额。日本自动售货机的销售虽然起步相对其他国家来说较晚，但是其发展的速度却极其迅速，曾被称作“自动售货的王国”。据记载，在19世纪80年代，日本出现第一台自动售货机，其真正发展起来始于20世纪60年代，当时日本自动售货机数量近达24万台。随后15年里，自动售货机的数量以两位数的速度迅速增长，到20世纪90年代末，其数量超过400万台，当年商品的销售总额将近6万多亿日元，平均每一个日本人约达5万日元。而且，自动售货机本身正在不断朝着多功能、高科技和大型化的方向发展，其发展前景是非常可观的。在欧洲，自动售货机也是很普遍的。20世纪40年代，英国第一次把自动售货机用在销售食品上，从而为售货机的市场开拓出一片新天地。到20世纪50年代的时候，已经有将近五百多家食品公司用自动售货机销售商品，到20世纪60年代末期商家已经增至23万家，并且销售的商品设计涉及的范围也在扩大，如：饮食、文化用品、香烟等等。20世纪80年代以来，自动售货机在法国、德国、意大利等欧洲国家得到迅速的普及与发展，已成为零售业态增长速度最快的行业之一。目前，自动售货机在国外随处可见，其销售的物品种类也是多样化，如图1.2所示。且国外对自动售货机的研究主要从销售动作的实现、资金结算、销售数量及剩余数量的统计以及能耗的研究这三个方面进行。国外对于前两个方面的内容研究多年并取得不错的成果。目前，对其环境保护等问题的研究是国外研究的重要领域之一。图1.2品种多样的自动售货机1.2.2国内自动售货机的发展在国外自动售货机已发展为一个相对来说较成熟的零售业，而我国自助售货行业正处于蓬勃的发展期，相对于欧美国家来说并不是很发达。对于出售内容来说，目前我国自动售货机主要是以销售各种瓶装饮品（如图1.3所示）、小零食（如图1.4所示）为主，销售的产品种类总体来说比较单一；对于分布区域来说，国内自动售货机主要是被摆放在商场、学校、车站等人流量较多的地方。虽然自动售货机在国内存在并发展已经有数十年，但由于国内人们生活方式、习惯以及经济发展等各个因素的影响，自动售货机一直没能实现较好的全面普及。图1.3瓶装饮品自动售货机图1.4小零食自动售货机20世纪90年代初期，我国从日本和韩国等国家引进了自动售货机并且投放到市场。1995年，国内第一台国产自动售货机在北京研制成功。南开戈德公司研制了第一套自动售货机上能够识别人民币的智能辨识系统，之后该家公司成为国内第一家生产对纸币和硬币都能识别的自动售货机公司。到20世纪末期，国产自动售货机实现了批量化生产并投放市场。与国外一些发达国家相比，我国拥有的自动售货机数量较少，仅有十几万台。20世纪初期我国才只有十几家公司能够做到集研发、制造及运营为一体。那时，我国自动售货机的总数量才将近十万余台，这与我国巨大的人口基数相比显得微乎其微。国内自助售货业发展之所以缓慢，原因是多因素造成的。其中，消费者对自动售货机的易操作性与可靠性存在疑惑是最大障碍。此外，自动售货机所销售的商品较单一，且价格比便利店、超市的同类商品都要高一些。近年来，随着科学的发展和消费者对自动售货机的了解，国内越来越多的消费者青睐于自动售货机这种更为灵活方便的消费方式，因而自动售货机运营商数量也随之增长较快。目前，国内自助售卖机销售的商品可以根据放置场所的需求量身定制，如一些冷热饮品、小零食及电话卡等。并且存货、销售等信息可以通过智能售货系统及时准确地反映给客户或者管理人员。此外，还能支持多种的交易支付模式。2004年，国内出现可以通过手机购物的无线自动售货机，该种新一代的自动售货机除了能够更方便地售卖货品以外，还被看作是广告媒介的另一种传播广泛的方式。第二章智能饮品调配售货机系统整体方案设计2.1饮品调配售货机用户需求分析2.1.1消费者需求分析本课题研究的饮品调配售货机所要售卖的是现场调配的休闲饮品，比如奶茶这种受大众欢迎的饮品，消费者对此类的休闲饮品的要求大体上如下：（1）需要所购买的饮品口感好，这是保证对消费者忠诚态度的基本条件；（2）要求自动售货机可售饮品是现配的且种类多，这不仅能增加消费者的购买兴趣，而且现配饮品更符合现代人们对绿色健康食品的追求以及养生观念；（3）饮品调配可以根据消费者不同需求进行选择，消费者可以购买单种配料的饮品，也可以购买多种配料的饮品，售货机提供消费者自我选择的配料；（4）购买流程简单，操作方便，饮品调配时间需要尽量短，过长时间的等待会使得消费者失去用自动售货机购买饮品的耐心。而且，消费者对自动售货机这种无人进行看管、方便灵活的全新一代售货方式也有以下一些需求：（1）工作需要稳定可靠，不能出现选择饮品后无法进行支付，从而导致不能进行饮品调配售卖；（2）支付手段需要满足当代支付需求与形式，一般最简单常见的支付方式就是投入纸币或者硬币来进行购买。但是对于特定场合或者人群来说也可对应地提供不同的支付方式。比如，对于学校这种能够使用校园一卡通来支付的场所，一卡通支付的方式能够较大程度方便师生进行购买；对于一些经济比较发达的地区，手机支付正在逐渐成为主流支付方式，自动售货机自然要满足这种主流支付方式；还有其他的支付方式，比如银行卡、IC卡消费等等。2.1.2经营者需求分析提供自动售货机这种服务以及对其进行维护的管理个体或者团队，统一称之为经营者。他们是体现市场需求的一个群体，他们的需求也更能贴近市场对自动售货机的产品需求、功能需求以及整个自助售货行业的发展趋势所在。经营者对自动售货机的要求大致如下：（1）饮品调配售货机要可靠稳定地运作，使用寿命长，整体功耗低，维护成本低，能够适于不同的工作环境；（2）售货机内的执行部件需有故障检测与故障报警的功能，可以自动进行检测、恢复以及停止等功能；（3）最好能够具有远程监控，销售信息统计以及管理的功能，能对设备的运行情况做及时汇报，且便于经营者能更好地去了解市场需求，从而及时做出销售策略调整；（4）可充分地发挥自动售货机具备的特有附加价值，比如新颖外观、配置触摸屏作为人机界面和广告媒介载体等等，增加亲和力以及吸引力。2.2系统整体方案设计与分析2.2.1系统研究目标本课题研究目标是研制一款智能饮品调配售货机系统，能够完成对休闲饮品的调配与售卖过程。目的是将休闲饮品的人工调配制作过程转换为机械自动可视化形式的调配过程，并对各种饮品原浆的储存量实时监控，智能通知补货员是否需要及时补充货物，同时对消费者的相关购买信息进行收集、储存、管理和加工，方便运营商对其进行数据挖掘来获取其中有意义的、具有潜在价值的信息，使得饮品调配售货机的管理更加智能化。消费者通过触摸屏向机械手传递任务命令，机械手本体接受任务命令后，完成饮品的调配，传送，出货的功能。系统中机械手主体理想工作区域如图2.1所示。图2.1系统中机械手主体理想工作平面图消费者通过上位机对机械手进行任务指令的下达，机械手接受到信息指令后，按照一定的程式开始进行工作，从而完成取杯、加饮品原浆等一系列调配过程，最终将调配好的饮品通过饮品旋转托盘送出，便于消费者自行拿取。2.2.2系统整体思路设计本课题是将运用机械手实现饮品的自动调配过程，即用机械手来取代人工饮品调配过程，但饮品调配的过程相对来说比较复杂，倘若仅仅依靠单独的系统模块是很难实现的，因此需要将一个大系统分解成多个小系统模块进行相互配合工作，从而完成整个系统的基本要求，所以在整个设计过程中需要根据以下基本设计法则进行考虑：（1）设计合理的饮品调配灌装控制系统，能够保证饮品原浆被定量的灌装至饮品杯中；（2）根据不同饮品杯的外观结构设计合理的机械手末端夹取饮品杯的机械手爪，保证整个夹取过程的可靠性与稳定性；（3）合理地设计符合系统要求的机械手，能够准确地将夹取好的饮品杯送至工作平面的任意位置，并且不与系统中的其它机械结构发生碰撞；（4）根据系统基本要求选择最合适的控制方案，从而保障整个系统能够稳定地进行工作过程。2.2.3系统整体结构设计根据休闲饮品人工调配制作过程，结合自动售货机售卖相关技术和整个系统所需要的机械结构，提出智能饮品调配售货机控制系统的设计方案。智能饮品调配售货机控制系统主要由机械手自动夹取饮品杯模块、饮品原浆自动灌装模块、饮品自动传输平台模块、系统运动控制模块以及上位机模块组成。机械手自动夹取饮品杯模块是整个饮品调配过程中重要组成部分之一，它对整个系统的稳定和可靠性有非常大的影响。它主要是完成对饮品杯进行准确定位夹取，并在一定范围内将夹取好的饮品杯以正确的方式送至饮品原浆灌装预定的工位处，机械手本体是整个系统中轴心部件，起到机器换人的作用。机械手通常由控制器、驱动器、机械手臂以及末端执行器构成。因此结合本课题研究方案设计，采用空间三自由度机械手作为本系统中完成饮品调配过程的关键部件。饮品原浆自动灌装模块是用于对饮品原浆进行定量灌装的部分，主要由若干个定量灌装箱设备组成，每个定量灌装箱设备里面储存着一种饮品原浆，当接收到控制系统的指令后，定量灌装箱设备上面的液体电磁阀开始工作，从而使得定量灌装箱里面的饮品原浆流至饮品杯中。饮品自动传输平台模块是将调配好的饮品送出系统工作环境，即机械手将调配好的饮品送至饮品传输平台上的饮品传递托盘上，系统控制饮品传输平台工作完成饮品自动传输过程。由于传统的旋转平台体积、质量较大，并且结构较复杂，价格偏高，更加适合带动大负载运转，因此，结合本系统所需性能指标，对于本系统中饮品杯这类小负载来说，选取自行设计的饮品自动传输平台对饮品进行传输。具体的饮品自动传输平台设计结构将在后续相关章节进行详细解释说明。智能饮品调配售货机系统整体结构组成如图2.2所示。图2.2系统整体结构组成图机械手自动夹取饮品杯模块主要是由自行设计的空间三自由度机器人的大、小手臂和末端的执行机构气动夹取抓手等机械结构组成，其主要功能就是对饮品杯的抓取以及将饮品杯送至系统所需要达到的工位，即饮品原浆灌装工位和饮品自动传输工位。首先机器人在竖直方向（Z轴方向）上升到抓取饮品杯平面，然后气动夹取抓手夹住饮品杯，整个机器人在竖直方向下降至初始位置平面，接着由平面二自由度机械手臂带动着气动夹取抓手将饮品杯送至对应饮品灌装工位进行相应饮品的灌装，对应饮品原浆灌装好后，机械手臂带动着气动夹取抓手将装有对应饮品原浆的饮品杯送至饮品传递托盘上，从而实现系统中对饮品杯整个传送过程。饮品原浆自动灌装模块主要由饮品原浆储存容器和液体电磁阀组成，其主要功能就是饮品原浆储蓄容器对饮品原浆进行储存和液体电磁阀对饮品原浆灌装管路的通断。首先饮品原浆被储存在饮品原浆储存容器中，当消费者选购所需饮品后，机械手根据前面所述运动过程将饮品杯送至相应饮品灌装工位，然后通过控制连接在饮品原浆储存容器上的液体电磁阀的通断时间，从而接取一定量的饮品原浆完成对饮品原浆的灌装。饮品自动传输平台模块主要由饮品传递托盘和电动旋转机构组成，其主要功能就是将机械手送至托盘上调配好的饮品从系统工作空间内部送至外部，以便供消费者自行拿取。首先机械手将调配好的饮品送至饮品传递托盘上，然后通过控制电动旋转机构带动饮品传递托盘旋转，将调配好的饮品送出售货机外，实现饮品的自动传输。智能饮品调配售货机系统的三维整体装配图如图2.3所示。图2.3系统三维整体装配图其中，整个系统框架由零部件1搭建完成，饮品杯储存处由零部件2完成，上位机部分由部件22实现，机械手自动夹取饮品杯模块主要由零部件3-12组成，饮品原浆自动灌装模块主要由零部件13-18组成，饮品自动传输平台模块主要由零部件19-21组成，各个零部件的标注及功能说明如下：1—合金角铝型材，用作搭建整个系统的立方体框架结构；2—取杯器，用作储存饮品杯；3—气动夹取抓手，用于夹取饮品杯；4—非移动机械手的小臂；5—行星减速器，用来降低机械手臂的小臂运动速度同时提高输出扭矩，降低负载的惯量；6—伺服电机，与机械手臂的小臂连接，用来控制小臂运动；7—非移动机械手的大臂；8—谐波减速器，用于调节机械手臂的大臂运动速度与加大工作力矩，从而提高负载；9—伺服电机，与机械手臂的大臂连接，用来控制大臂运动；10—基座，用来固定安装谐波减速器并承载谐波减速器以上部分的零部件；11—支撑板，用来固定安装行程气缸以及承载气缸以上部分的零部件；12—行程气缸，作为非移动机械手主体在竖直方向（Z轴）上做升降运动的动力来源，用来驱动整个机械手在旋转平面和取杯平面之间升降运动；13—饮品原浆1储存容器，用来储存一定量的饮品原浆1，由于节约资源，系统中用纯净冷水代替饮品原浆1；14—饮品原浆2储存容器，用来储存一定量的饮品原浆2，由于节约资源，系统中用热水代替饮品原浆2；15—饮品原浆3储存容器，用来储存一定量的饮品原浆3，由于节约资源，系统中用饮料代替饮品原浆3；16、17、18—液体电磁阀，用来控制饮品原浆灌装管路的通断；19—饮品传递托盘，用来承载饮品调配好后的饮品杯；20—电动旋转机构，与饮品传递托盘相连接，实现对饮品的自动传输；21—步进电机，与电动旋转机构连接，用来控制电动旋转机构运动，从而带动饮品传递托盘旋转，将调配好后的饮品由系统工作内部空间内部传输到外部；22—触摸屏，主要用于人机交互，还可以用来作为广告媒体宣传。2.3系统运行流程分析在智能饮品调配售货机系统中，包括几个关键部位的运行过程，其系统整体工作运行流程如图2.4所示。图2.4系统整体运行流程下面对该系统的整体工作运行流程作简要阐述。（1）首先非移动机械手本体进行初始化使得机械手臂到达初始位置，消费者通过上位机的购物界面进行购物选择，移动手机的支付宝或者微信扫描触摸屏上的二维码，在移动手机上选择确认购物信息并支付；（2）当系统接收到该支付信号后，系统根据得到的指令信号，可编程控制器（PLC）控制高压气体电磁阀来使得非移动机械手升降以及气动夹取抓手动作，实现取饮品杯的动作；（3）非移动机械手完成取饮品杯之后，根据消费者选择饮品种类的不用，选择不同饮品原浆（此处饮品原浆1、原浆2、原浆3分别用冷水、热水、饮料替代）进行添加；（4）当系统接收到消费者选择不同饮品原浆的信号后，PLC输出两组脉冲指令分别控制机械手大臂、小臂的伺服驱动器，从而使伺服电机分别控制大臂、小臂转动，从而使得饮品杯达到相应饮品原浆灌装储存容器工位，进行相应饮品原浆的添加；（5）添加完饮品原浆，系统分别控制非移动机械手的大臂和小臂运动，使得非移动机械手将饮品杯送至饮品自动传输平台；（6）可编程控制器（PLC）控制高压气体电磁阀使得气动夹取抓手放开饮品杯；（7）系统控制饮品自动传输平台的步进电机动作，带动连接在电动旋转机构上的饮品传递托盘旋转180°送出饮品；（8）最后系统控制非移动机械手的大臂和小臂运动到初始位置，于此完成整个饮品的调配与售货过程。第三章饮品自动灌装和传输平台模块设计与分析3.1饮品原浆定量灌装结构设计饮品原浆灌装结构主要用于对饮品原浆的储存以及当系统需要对某种原浆进行灌装时能够流出对应的原浆，因此该部分的基本结构主要由两部分组成，即饮品原浆储存容器和控制饮品原浆管路通断的液体电磁阀。饮品储存容器材质种类较多，为了保证饮品原浆在可接受时间范围内储存过程中是环保的，并根据系统实际情况以及食品级安全规定选取饮品原浆储存容器为食品级安全材质储存容器。控制饮品原浆管路通断的液体电磁阀根据饮品储存容器通孔的大小选取对应通径规格的电磁阀。整个用于储存饮品灌装部分的实物图如图3.1所示。图3.1饮品原浆储存容器实物由于节约成本以及资源有限，本系统中用纯净冷水代替饮品原浆1，用热水代替饮品原浆2，用饮料代替饮品原浆3。其中，储存纯净水和饮料的容器为食品级安全塑料灌装箱，其配置的液体电磁阀技术参数如表3.1所示；储存热水的容器为不锈钢奶茶桶，其配置的液体电磁阀是定制耐高温的，其技术参数如表3.2所示。表3.1常规液体电磁阀技术参数表3.2耐高温液体电磁阀技术参数3.2定量灌装理论分析与实验3.2.1实验数据的拟合与验证为了更好地去说明上述理论分析所得定量灌装理论函数的合理性，通过多次实验测量并记录相应实验数据，将所得数据处理后进行拟合得到对应的拟合函数，将拟合函数与理论分析所得的理论函数进行对比做误差分析，从而来验证理论函数的可行性。从理论分析可知，每次饮品原浆的接取量的多少不仅与液体电磁阀的开通时间有关，还与饮品原浆储存容器中饮品的液位高度有关。采用控制变量法进行实验，设置每进行一组实验时液体电磁阀的通断时间t固定，记录该通断时间下第n次饮品接取前储存容器内液位高度hn-1和接取后的液位高度hn，由于第n次接取后的液位高度就是第n+1次饮品接取前储存容器内液位高度，所以实验中需记录下每次饮品接取前容器内液位高度。液体电磁阀的通断时间以1s为时间间隔，每天分上午和下午两个阶段进行实验各一次，连续一周记录下每个固定通断时间时每次饮品接取前容器内液位高度，通过多次实验对记录数据进行拟合来验证理论函数。取以1s为时间间隔，液体电磁阀的通断时间4s至11s内每个固定通断时间下共160组液位高度数据，即取液体电磁阀每个固定通断时间下20组数据，实验数据见表3.3。表3.3实验数据最小二乘法的核心内容是利用最小化误差的平方和，去寻找某一拟合函数的最佳函数匹配它是一种数学形式的优化技术。该方法常被用在进行曲线拟合上。利用最小二乘法在Matlab中编程对数据进行曲线拟合，可以得到函数残差图如图3.3所示。图3.3数据拟合残差图通过Matlab编程可得拟合函数的常数项为=1.28470934217978，系数1为=125.397148690731，系数2为的置信区间为[0.949200461381295，1.62021822297827]，的置信区间为[122.302760493760,128.491536887703]，的置信区间为[-128.782541561117，-122.597212421905]常数项和系数、分别在其置信区间内分别对其保留小数点后两位可得拟合函数的函数关系式为：（3-1）从而可得拟合函数图像如图3.4所示。图3.4拟合函数图像由理论函数图像见图3.2与拟合函数图像见图3.4对比，我们可以看出两者图像在一定程度上相同，可以说明理论函数在一定程度上是合理的，为了更进一步说明其可靠性，对理论函数与拟合函数模型进行相关性分析，由Matlab编程可得其相关系数矩阵为：（3-2）由上式(3-2)可知相关系数R接近于1，即理论函数与拟合函数的相关度较高。再将实验数据与理论函数做误差分析得到误差结果如图3.5所示。图3.5误差分析结果从实验结果可看出，拟合函数与理论函数的误差在5%之间，在允许误差范围内，证明理论成立即该理论函数成立。为了验证饮品原浆定量罐装理论函数的实际应用效果，现以每杯饮品接取量80g作为目标接取量做20组实验，通过理论函数来计算出每次接取饮品所需开通液体电磁阀的通断时间，然后对每次接取的每杯饮品质量进行称重测量，并将每次称重量与目标接取量进行对比。该实验测量数据如表3.4所示。表3.4定量罐装（目标接取量80g）实验数据将实际接取量的测量值与目标接取量做误差分析可得每次饮品接取量的误差结果如图3.6所示。每杯饮品实际接取量与目标接取量对比分布图如图3.7所示，图中横线表示的是目标接取量所在值，每杯饮品实际接取量用小圆点表示。图3.6饮品接取量的误差结果图3.7实际接取量与目标接取量对比分布图从误差分析结果图3.6可知，每次饮品实际接取量与目标接取量的误差都在误差允许范围内，且从图3.7中可看出每杯饮品的实际接取量的量值点均分布在目标接取量横线的上方，即每杯饮品的实际接取量均能保证有80g，这也是符合饮品定量罐装要求的，从而再次验证了饮品定量罐装的理论函数的合理性与可行性。3.3饮品自动传输平台模块3.3.1传输平台结构设计系统中饮品自动传输平台主要作用是将调配好的饮品由系统工作空间内部通过传输平台传递到工作空间外部供顾客拿取。其设计要求不仅需要安装旋转托盘驱动电机，还需要能够承载托盘上端饮品载荷，缓解对旋转电机输出轴的力矩。自动传输平台的设计主要包括饮品传递托盘和电动旋转连接装置的设计，饮品传递托盘用于承载调配好的饮品，而电动旋转连接装置主要用于连接传递托盘与传输平台驱动电机，起着连接机构的作用。饮品传递托盘主要由底板和挡板两部分组成，挡板居中固定在底板上，底板通过螺丝安装固定在电动旋转连接装置上，为了使饮品传递托盘结构牢固并且质量较轻，底板采用厚度为5mm的铝材质，底板中间的挡板主要为了保证统工作空间的封闭性且可视化，因此挡板采用的是透明亚克力板。整个结构的设计简单，方便安装。传递托盘三维结构设计如图3.8所示，该托盘申请一项实用新型专利“一种饮品传递托盘”已受理。图3.8饮品传递托盘结构图由于传统的电动旋转平台体积大，质量更大，结构较为复杂，不满足该系统空间安装需求，并且价格偏高，更加适合带动较大的负载。对于本系统中饮品杯这类小负载，据此自行设计了适合本系统的电动旋转连接装置，它作为饮品传递托盘与驱动装置之间的连接旋转机构，其具有设计结构简单、适用性强的优点。其结构如图3.9所示，该旋转装置申请一项实用新型专利“一种电动旋转装置”已授权。图3.9电动旋转连接装置结构图系统通过控制驱动电机轴旋转运动，电机轴通过法兰带动轴承内圈下压紧盖转动，动力经过深沟球轴承传动到轴承内圈上压紧盖，从而带动安装固定在电动旋转连接装置上方的饮品传递托盘转动。3.3.2驱动装置的选择饮品自动传输平台运转需要为其选择合适的驱动装置，根据第三章中机械手驱动方式的选择部分可知，目前电机驱动是应用最为广泛的一种驱动方式。电机驱动的响应速度较快，输出功率大，传输较方便且控制简单。根据系统中饮品自动传输平台的特性可知，传递托盘所承载的饮品负载较小，所需电机输出功率不大，每次调配好的饮品放置在自动传输平台上，传输平台需要旋转180°将饮品从系统工作空间内侧传输到外侧。考虑到研究成本以及满足实际运动要求的前提下，饮品自动传输平台选择TELESKY两相混合式步进电机，型号为57BYG250B，其技术参数如表3.5所示，实物如图3.10所示。表3.5步进电机技术参数图3.1057BYG250B步进电机第四章系统运动控制和上位机模块设计4.1控制系统硬件部分4.1.1PLC选择PLC是ProgrammableLogicController的简称，即是可编程控制器。PLC的开发设计主要是基于计算机技术，以中央处理器（CPU）为核心并综合了通信技术和计算机技术的一种工业自动控制领域中新型控制设备。其工作原理基本上与计算机的工作原理是相同的，可以简单地概述为在系统程序的管理下，通过写入专用程序来完成用户的指定任务，且系统工作任务的管理以及专用程序的执行都是采用循环扫描的工作方式进行的。其抗干扰能力非常强，具有很好的可靠性，应用广泛。针对本课题研究需求，PLC控制一个步进电机和两个伺服电机需要3个高速脉冲输出以及3个数字量输出，机械手基座驱动气缸上升和下降对应2个数字量输入，机械手大臂和小臂的正反转对应4个数字量输入，传递托盘的正反转对应2个数字量的输入，移动支付模块占用1个数字量输入，机械手气动夹取抓手需要1个数字量输出，三个液体电磁阀和一个高压气体电磁阀的通断需要4个数字量输出。而且，PLC需要与上位机触摸屏进行通讯，则需具有一个RS232串口通讯的接口。依据上述所需数字量输入输出口以及串口通讯接口的要求，并且遵循可编程控制器的选型原则以及研究成本，综合考虑选择三菱FX3U系列PLC，型号为FX3U-48M。图4.1三菱FX3U-48M该型号PLC是第三代微型可编程控制器，结构紧凑，220V交流电源供电，提供24个数字量输入口和24个数字量输出口，具有3组高速脉冲输出，并且内置高达64K大容量的RAM储存器，内置独立3轴100KHz定位功能，具有RS232和RS485通讯接口。除了浮点数、字符串处理指令之外，还具备定坐标指令等丰富指令。4.1.2系统控制架构智能饮品调配售货机的运动控制系统以三菱FX3U系列PLC和上位机（触摸屏）为核心，两者之间是通过RS232串行通讯接口连接，从而完成信息之间的相互传递。其中PLC作为整个控制系统的核心控制器，执行着系统所有控制程序，产生相应控制信号作用于系统的执行器上，从而控制着整个控制系统正常的运作。上位机用于消费者进行扫码支付，将支付信号传递给PLC控制器，并将消费者的交易信息数据进行统计和管理，供运营商对其数据信息挖掘，从而后续提供更好地服务给消费者。PLC控制器执行对系统中机械手主体的控制，实现对饮品的调配过程。该控制系统主要由伺服驱动电机、继电器、高压气体电磁阀、步进驱动电机、液体电磁阀和机械手等组成。当智能饮品调配售货机系统开始准备运作时，消费者通过上位机（触摸屏）进行手机移动支付扫码，在手机端完成相应饮品选择以及支付后，上位机将支付完成信号通过RS232串口通讯传递给PLC控制器，PLC控制器根据支付信号通过继电器控制高压气体电磁阀的通断气，从而使得饮品调配机械手主体的升降以及气动夹取抓手闭合动作，来实现对饮品杯的抓取动作；完成取杯动作的信号传递给PLC控制器之后，PLC控制器输出两组脉冲信号分别控制机械手大臂和小臂的伺服驱动器，从而控制伺服电机分别控制机械手大臂和小臂转动至相应饮品灌装工作位；饮品杯达到相应饮品接取工作位后PLC控制器延时控制相应继电器动作，进而控制对应液体电磁阀导通，对饮品进行接取动作；液体电磁阀关断信号传递给PLC控制器，PLC控制器控制机械手将调配好的饮品送至饮品自动传输平台，进而控制高压气体电磁阀断气使得气动夹取抓手开张，即机械手将饮品杯放置在传递托盘上；高压气体电磁阀断气的信号传递给PLC控制器，PLC控制器接收到该信号后输出一组脉冲指令控制传输平台步进驱动器，从而控制步进电机带动电动旋转连接装置旋转180°送出饮品。整个系统的控制架构框架示意图，如图4.2所示。图4.2PLC控制系统架构示意图综合实际情况需求设计，系统实物样机平台搭建如图4.3所示。整个系统外框架用铝型材搭建，平面关节坐标形式机械手固定在整个框架中间偏右的位置，饮品杯储存器通过铝型材固定安装在机械手气动夹取抓手正上方位置，饮品原浆灌装储存容器依次排放在系统框架的后部，饮品自动传输平台在系统框架最前方。按照事先设计位置将每个模块搭建安装好后，整个系统外框架下部分用非透明亚克力板封装起来，上部分用透明亚克力板进行封装，让整个饮品调配过程可视化，更加符合顾客安全消费的心理。在上半部分透明亚克力板的右上方开槽位置安装好上位机（触摸屏），最后搭建系统控制箱，依次连接系统控制电路、PLC控制器与触摸屏。图4.3系统整体装置实物图4.1.3控制元器件选型（1）伺服电机驱动器伺服电机驱动器又称为伺服控制器，是现代运动控制重要组成部分，在工业机器人等自动化设备中被广泛应用。它是伺服电机控制系统中重要器件，用来控制伺服电机的一种控制器，主要用于高精度定位系统中。伺服驱动器的控制核心是数字信号处理器，其作用类似于变频器作用在普通交流马达，它是在发展变频技术前提下，驱动器内部有比一般变频技术更精确控制技术与算法的电流环、速度环以及位置环。利用系统控制器发送脉冲序列来控制速度和位置。本课题控制机械手臂运动的伺服电机驱动器选择的是台达公司ASD-B2系列400W伺服驱动器，其型号为ASD-B2-0421-B，如图4.4所示。其工作电压为三相或者单相220V，连续输出电流2.6Arms，编码器分辨率为17-bit，支持位置P、速度S以及转矩T三种控制模式。（2）步进电机驱动器步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按照设定方向转动一个固定的角度，这个角度就是步距角。步进驱动器是根据控制器发出的脉冲个数和转动方向指令对步进电机的角位移量和正反转进行控制。步进电机和其对应的驱动器共同构成步进电机的驱动系统，因此步进驱动器是步进电机驱动控制系统中重要组件，其驱动系统的性能由步进电机本身性能与其对应驱动器的优劣共同决定。选择步进驱动器的一般原则为：1）步进驱动器的最大额定电流要略大于步进电机的额定电流；2）根据系统所需运动精度选择合适的驱动器细分数。本系统选择的步进电机驱动器如图4.5所示，其具有自动半流、过压和过流保护等功能。微步细分共15档，最大步数为25000Pluse/rev，可以通过4位拨码开关进行选择；输出电流共8档，工作峰值电流范围为1.0A-4.2A，可以通过3位拨码开关进行选择，电流的分辨率约为0.45A；直流供电驱动，脉冲信号电压为5V，工作电压范围为DC24V-36V，其不超过50VDC且不低于20VDC。本系统中选择24V直流电压供电。图4.4伺服电机驱动器图图4.5步进电机驱动器（3）电磁阀电磁阀是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器。当电磁阀通电时，内部电磁线圈通电产生电磁力，从阀座上提起关闭件，阀门导通；当电磁阀断电时，电磁线圈产生的电磁力消失，电磁阀内部弹簧将关闭件弹回阀座上，阀门关闭。本课题中机械手自动夹取饮品杯模块的气体电磁阀选择AirTAC公司型号为4V210-08/DC24V的二位五通换气电磁阀，如图4.6所示。其使用压力范围是0.15-0.8Mpa，工作电压是直流24V，最高动作频率是5次/秒。图4.6二位五通换气电磁阀4.1.4控制系统电路设计电源是保障整个控制系统能够正常工作的源动力，是系统中所有设备能够工作的基础，因此系统电源电路的合理电气设计是系统设备正常运行的保障，且对于工作人员的生命安全也是至关重要的。本系统中电源电路的设计主要包括两个部分，即主电路作为一部分，用于给控制系统中核心处理器和交流转直流模块供电；辅助主电路来控制其通断电的辅助电路作为另一部分。电源电路的电气设计如下图4.7所示，从图中可知，在左侧的辅助电路中，启动按钮SB1是按照常开触点进行连接，停止按钮SB0是按照常闭触点进行连接。当按下SB1，线圈KM0将会通电进行吸合，它的一个辅助触点KM0与启动按钮SB1并联连接，实现电路自锁，能够让电路始终为供电状态。若断开与该电路串联连接的停止按钮SB0，则使得主电路为断电状态。而按下辅助电路中急停按钮SB2，则使得主电路停止为PLC控制器和交流转直流模块供电。图4.7电源电路的电气原理图根据系统中所需PLC输入输出接口，在三菱FX3U-48M型号PLC上分配，PLC处理器与其外围元器件的控制电路以及控制箱实物接线图分别如图4.8和图4.9所示。图4.8PLC控制电路图图4.9系统控制电路接线实物图4.2控制系统软件部分4.2.1编程语言与环境三菱FX3U-48M可编程控制器是智能饮品调配售货机控制系统的硬件控制核心，需要编写合适的控制程序才能够使得三菱FX3U-48M恰当地控制整个系统运行，所以饮品调配售货机控制系统是否能够正常工作取决于软件部分是否设计合理。针对本系统采用的可编程控制器三菱FX3U-48M，三菱电机推出了专门用于PLC设计、调试、维护的三菱综合PLC编程软件GXWorks2，该软件是继编程软件GXDeveloper和仿真软件GXSimulator之后推出的综合编程软件，其具有简单工程和结构工程两种编程方式。支持梯形图、指令表、SFC、结构化梯形图等编程语言，集成了编程仿真软件GXSimulator2，具备程序编辑、参数设定、网络设定、监控、仿真调试、在线更改等功能，可以在没有硬件设备的情况下，进行在线模拟和仿真，提高了功能以及操作性能的同时变得更加容易使用。适用于三菱Q、FX系列的PLC，该软件的新建工程设置界面和工程建立后的编辑界面分别如图4.10和图4.11所示。图4.10GXWorks2新建工程设置界面图4.11GXWorks2程序编辑界面4.2.2控制程序设计（1）软件设计思路为了使得软件设计程序的结构清晰，且方便对程序的理解以及调试，本课题的控制系统软件部分采用梯形图以及功能块的设计方式，将系统程序按照工作流程的不同功能分阶段进行编程实现，将任务从整体到局部功能进行分析，从而更容易理解程序的逻辑性，有利于程序的编写设计与仿真调试。本软件的设计主要包括气动夹取抓手夹取饮品杯部分、机械手抓取饮品杯运动部分、饮品原浆灌装部分、饮品自动传输平台部分以及上位机部分。通过对五个部分进行分析，将整个控制系统的软件部分简单化，最终实现对整个系统的有效控制。（2）软件设计流程根据系统需求以及工作流程，对三菱FX3U-48M型号PLC上的I/O端口进行具体分配如下表4.1。表4.1PLC输入输出口分配整个系统启动后，控制系统上电复位，PLC控制器扫描初始化，按照系统设定的工作流程，当有消费者通过触摸屏进行移动扫码后，通过手机端支付进行饮品种类选择并支付成功将该信号发送给控制器，控制器接收到支付成功信号对机械手进行初始化，使其到达初始位置等待下一个指令，若机械手到达初始位置则控制器控制气缸上升使机械手到达取杯平面，接着控制气动夹取抓手闭合并使升降气缸下降，完成取杯动作，然后控制器根据消费者选取饮品种类的指令，控制夹取着饮品杯的机械手的大臂、小臂运动到对应饮品原浆灌装工作位进行饮品原浆的灌装，当饮品原浆灌装完的信号给控制器，控制平面关节坐标式机械手运动到自动传输平台放饮品杯的位置，此时气动夹取抓手张开放下调配好的饮品至传递托盘上，控制器控制自动传输平台旋转180°将饮品传递出系统调配工作空间，最后控制机械手运动到初始位置等待下一次指令动作。4.3系统上位机部分4.3.1上位机购物界面如图4.12所示，上位机的购物界面主要包括四个部分：购物主辅料选择模块、选购须知模块、月售排行模块以及购物车模块。图4.12系统上位机的购物界面在上位机界面的不同区域分别显示主料选择和辅料选择，使得整个上位机系统界面更加符合消费者购物需求。选择须知的显示，可以让消费者能够清楚饮品调配售货机的整个购物过程以及选购过程中所需要注意的细节地方，使得整个售货机的服务更加人性化。月销售排行模块展示的是选购当天的一个月前所有售出饮品记录的排行榜单，消费者可以根据自身喜好或者月销售排行榜单进行饮品选购，能够更好地为消费者提供饮品选购参考向导，方便消费者购物。购物车模块则是供消费者进行购物清单以及支付金额的确认，并且在