机械设计制造及其自动化毕业论文

小型物料分拣装置的设计与实现摘要本文针对工业生产中物料分拣环节自动化程度不高、效率低下的问题，设计并实现了一种基于PLC控制的小型物料分拣装置。该装置旨在对不同材质或颜色的物料进行自动识别、传送和分拣。首先，通过对分拣需求的分析，确定了装置的整体设计方案，包括机械结构和控制系统两大部分。机械结构部分详细设计了送料机构、输送机构、识别机构和分拣执行机构，重点考虑了机构的稳定性、可靠性和分拣效率。控制系统以PLC为核心，结合传感器技术、气动技术和人机交互技术，实现了物料的自动上料、输送、检测、分拣及计数功能。通过SolidWorks进行了三维建模与关键部件的静力学分析，确保了结构设计的合理性。最后，完成了装置的组装与调试，实验结果表明，该分拣装置运行稳定，分拣准确率和效率满足设计预期，具有一定的实用价值和推广前景。关键词：物料分拣；机械设计；控制系统；PLC；传感器---目录1.引言1.1研究背景与意义1.2国内外研究现状1.3主要研究内容与技术路线2.总体方案设计2.1设计要求与性能指标2.2分拣原理与工艺分析2.3整体结构布局设计2.4控制系统总体方案3.机械系统设计3.1送料机构设计3.1.1送料方式选择3.1.2结构设计与参数计算3.2输送机构设计3.2.1输送带选型与布置3.2.2驱动装置设计3.3识别机构设计3.3.1传感器选型3.3.2安装位置与检测方案3.4分拣执行机构设计3.4.1分拣方式确定3.4.2气动执行元件选型与布局3.5机架与整体装配设计4.控制系统设计4.1控制方案确定4.2主要元器件选型4.2.1PLC型号选择4.2.2传感器选型4.2.3电磁阀与气缸选型4.3电气控制系统设计4.3.1I/O地址分配4.3.2电气原理图设计4.4PLC控制程序设计4.4.1主程序流程图4.4.2关键控制环节程序设计5.系统集成与调试5.1机械部件组装与调整5.2电气系统接线与检查5.3控制系统程序调试5.4整机联调与性能测试6.结论与展望6.1本文主要工作总结6.2系统存在的不足与改进方向---1.引言1.1研究背景与意义在现代工业生产中，物料的分拣是一个不可或缺的环节，广泛应用于食品、医药、电子、物流等多个行业。传统的人工分拣方式不仅劳动强度大、效率低下，而且分拣质量易受人为因素影响，难以满足现代化生产对精度和速度的要求。随着工业自动化技术的飞速发展，采用自动化分拣设备已成为提高生产效率、降低生产成本、保证产品质量的重要手段。小型物料分拣装置作为自动化生产线的关键组成部分，其性能直接影响整个生产线的运行效率。开发一种结构紧凑、成本低廉、分拣准确、易于维护的小型物料分拣装置，对于提升中小企业的自动化水平，增强其市场竞争力具有重要的现实意义。本课题正是基于此背景，旨在设计一种能够实现对不同特性（如颜色、材质）物料进行高效、准确分拣的自动化装置。1.2国内外研究现状国外在自动化分拣技术方面起步较早，技术相对成熟。从早期的机械式分拣，到后来的光电分拣、气动分拣，再到如今的机器人分拣、视觉分拣，分拣技术不断朝着高速、高精度、智能化方向发展。许多知名企业已开发出系列化、标准化的分拣设备，能够适应各种复杂物料和分拣场景，但这类设备往往成本较高，对于一些小型企业或特定的小型物料分拣需求而言，存在一定的应用门槛。国内对自动化分拣技术的研究与应用近年来也取得了长足进步。在大型物流中心、快递分拣等领域，已成功应用了交叉带分拣机、滑块分拣机等大型设备。然而，针对小型物料，尤其是中小企业个性化需求的专用分拣装置的研究和产品相对较少。目前，国内市场上的小型分拣装置多存在功能单一、灵活性不足或稳定性欠佳等问题。因此，开发一款性价比高、适应性强的小型物料分拣装置具有良好的市场前景。1.3主要研究内容与技术路线本课题的主要研究内容包括：1.总体方案设计：根据物料分拣需求，确定装置的工作流程、分拣方式（如按颜色、材质），规划机械结构和控制系统的总体布局。2.机械系统设计：设计送料机构、输送机构、物料识别机构和分拣执行机构，完成各关键零部件的选型与设计计算，并进行三维建模与仿真。3.控制系统设计：以PLC为控制核心，设计包括传感器信号采集、执行元件驱动、人机交互等在内的控制系统硬件电路，并开发相应的控制程序。4.系统集成与调试：完成机械结构的组装、电气系统的接线，进行控制系统的软硬件调试及整机联调，验证装置的分拣性能。技术路线：首先进行需求分析和文献调研，明确设计目标和技术参数；接着进行总体方案论证与设计；然后分模块进行机械结构和控制系统的详细设计；之后进行零部件加工与采购、系统组装；最后通过调试和实验优化，完成装置的设计与实现。---2.总体方案设计2.1设计要求与性能指标本设计的小型物料分拣装置主要用于对小型块状或颗粒状物料（如不同颜色的塑料块、金属块等）进行自动分拣。根据实际应用需求，设定如下主要设计要求与性能指标：*分拣对象：直径或边长约10-30mm的规则物料，至少能区分两种不同特性（如红色塑料、蓝色塑料、金属）。*分拣效率：不低于每分钟30件。*分拣准确率：不低于95%。*供电电源：AC220V。*控制方式：自动控制，具备手动调试功能。*外形尺寸：尽量紧凑，长×宽×高约不超过1200mm×600mm×800mm。*工作环境：室内常温，无腐蚀性气体和大量粉尘。2.2分拣原理与工艺分析本装置的分拣原理是：待分拣物料通过送料机构有序地进入输送机构；当物料被输送至识别区域时，传感器对物料的特性（颜色、材质）进行检测，并将检测信号传送给PLC；PLC根据预设的控制逻辑对信号进行分析判断，确定物料的类别；当物料到达相应的分拣工位时，PLC控制对应的分拣执行机构动作，将物料推入或吹入指定的料箱，从而完成分拣过程。整个分拣工艺流程可概括为：物料上料→输送→识别检测→PLC判断→到达分拣位→执行分拣→物料收集。2.3整体结构布局设计基于上述分拣原理和工艺流程，本装置的机械结构主要由以下几个部分组成：1.送料机构：负责将待分拣的物料按一定的节奏和顺序输送到输送带上，避免物料堆积。拟采用振动送料或推板式送料方式。2.输送机构：承载物料并将其从送料端输送至分拣区域和分拣出口。拟采用皮带输送机，结构简单，运行平稳。3.识别机构：安装在输送机构的特定位置，用于对经过的物料进行特性识别。根据分拣需求，可配置颜色传感器（如RGB颜色传感器）和金属传感器。4.分拣执行机构：安装在输送机构末端或特定分拣工位，根据PLC的指令动作，将物料分拣到相应的料箱。拟采用气动推杆或气动喷嘴形式。5.机架与料箱：机架用于支撑各个机构部件，料箱用于收集不同类别的物料。整体结构布局采用直线式布局，送料机构位于输送带的始端，识别机构位于输送带中部上方，分拣执行机构沿输送带下游方向依次布置，料箱位于分拣执行机构的对应侧下方。这种布局结构紧凑，物料流动路径清晰，便于安装和维护。2.4控制系统总体方案控制系统采用“PLC为核心，传感器为感知，执行器为动作”的控制模式。其总体构成如下：*核心控制器：选用小型PLC，负责接收传感器信号，执行控制逻辑，并输出控制指令。*检测传感单元：包括颜色传感器、金属传感器以及用于检测物料有无的光电传感器，用于采集物料信息和位置信号。*执行驱动单元：包括控制送料机构的电机驱动器、控制分拣执行机构的电磁阀等。*人机交互单元：设置必要的按钮（如启动、停止、急停）、指示灯（如运行、故障），可选用小型触摸屏实现参数设置和状态显示功能（视成本和需求定）。*电源单元：为PLC、传感器、电磁阀、电机等提供所需的工作电源。控制系统的工作流程为：启动系统后，送料机构开始工作，将物料送至输送带。输送带运行，当物料触发“物料有无”检测传感器时，PLC开始计时或通过编码器（若需精确定位）跟踪物料位置。当物料到达识别区域时，PLC控制识别传感器采集物料特性信息，并进行判断分类。当物料到达对应分拣执行机构的位置时，PLC控制相应的电磁阀通电，驱动气缸动作，将物料推入对应料箱。整个过程循环进行，实现连续自动分拣。---3.机械系统设计机械系统是物料分拣装置的基础，其设计的合理性直接影响装置的运行稳定性和分拣精度。本章将详细阐述各主要机构的设计过程。3.1送料机构设计送料机构的作用是将杂乱堆放的物料进行整理，并按一定的间隔和方向输送到输送带上，确保后续分拣过程的顺畅进行。3.1.1送料方式选择常用的送料方式有振动送料、螺旋送料、推板送料、皮带送料等。考虑到本设计物料尺寸较小（10-30mm），且要求结构简单紧凑，振动送料机构是较为合适的选择。振动送料器（俗称振动盘）能够通过振动使物料自动排序、定向，并沿螺旋轨道上升至出料口，具有送料稳定、适应性强、易于控制等优点，广泛应用于小型零件的自动化送料。因此，本设计送料机构拟采用振动盘送料方式。3.1.2结构设计与参数计算振动盘的选型主要依据物料的尺寸、形状、材质以及所需的送料速度。根据本课题物料尺寸（10-30mm）和分拣效率（不低于30件/分钟）的要求，初步选用直径约200mm的标准振动盘。振动盘的出料口需与输送带平滑对接，确保物料能顺利过渡到输送带上。为防止物料在出料口堆积或卡滞，可在出料口设置一个小型的挡料板和一个用于检测物料是否送出的光电传感器，通过PLC控制振动盘的启停或调整其振动强度，实现间歇送料，保证输送带上物料之间有一定的间距。振动盘的安装高度和角度需要根据输送带的高度和位置进行调整，其底座通过螺栓固定在机架上，以保证工作时的稳定性，减少振动对整机的影响。3.2输送机构设计输送机构负责将物料从送料端平稳、连续地输送至识别区域和分拣区域。3.2.1输送带选型与布置输送带的种类繁多，如平皮带、同步带、链板输送带等。考虑到物料较轻、尺寸较小，且要求输送平稳、噪音低，本设计选用平皮带输送方式。皮带材质选用聚氨酯（PU）或橡胶，具有一定的弹性和耐磨性，表面可根据需要选择光滑或带花纹的类型，以适应不同物料的输送需求。输送带宽度的确定需考虑物料的最大尺寸，一般应比物料最大横向尺寸大10-20mm，以防止物料从侧面滑落。本设计取输送带宽度为80mm。输送带的长度则根据送料机构、识别机构和分拣执行机构的布置确定，初步设定为800mm。3.2.2驱动装置设计输送机构的驱动通常采用电机带动皮带轮实现。考虑到输送速度不需要频繁调节，且速度精度要求不高，选用单相异步电动机配减速器的驱动方案，或直接选用一体化的减速电机。电机功率根据输送带的长度、宽度、物料重量以及运行速度等因素综合估算。对于本设计的小型输送带，选用功率为数十瓦至一百多瓦的减速电机即可满足需求。驱动滚筒和从动滚筒采用铝合金或塑料材质，以减轻重量。滚筒直径的选择应考虑皮带的弯曲疲劳寿命，直径不宜过小。张紧装置采用螺杆张紧方式，通过调节从动滚筒的位置来实现皮带的张紧。输送带的安装应保证其在运行过程中不发生跑偏现象，因此在机架设计时需保证滚筒的平行度，并可考虑设置导向轮或跑偏调节装置。3.3识别机构设计识别机构是实现物料分类的关键，其性能直接决定了分拣的准确性。3.3.1传感器选型根据设计要求，本装置需要识别物料的颜色和材质（金属与非金属）。因此，识别机构拟采用组合传感器方案：*颜色识别：选用RGB颜色传感器或对特定颜色敏感的光电传感器。RGB颜色传感器能够检测物体表面的红、绿、蓝三基色分量，通过与预设的颜色参数进行比较，可以实现对多种颜色的识别，灵活性较高。*材质识别（金属/非金属）：选用电感式接近开关或电容式接近开关。电感式接近开关对金属物体有感应，而对非金属物体无感应，适合用于区分金属与非金属物料。此外，为了准确检测物料是否到达识别区域，还需在识别机构前方或识别位置安装一个用于触发识别动作的光电传感器（如漫反射式光电传感器）。当物料通过该传感器时，PLC接收到信号，立即控制颜色传感器和金属传感器进行检测，并读取检测结果。3.3.2安装位置与检测方案传感器的安装位置和角度对检测精度至关重要。颜色传感器和金属传感器应安装在输送带上方或侧面，确保其检测探头能够正对物料待检测的表面。安装高度需根据传感器的检测距离范围进行调整，一般应尽可能靠近物料，以减少外界光线或干扰因素的影响。对于颜色传感器，为避免环境光的干扰，可考虑在传感器周围设置遮光罩，或选用自带光源的传感器。检测方案为：当物料被输送至“识别触发”光电传感器处时，PLC接收到信号，启动延时（或通过编码器计算精确位置），当物料到达识别传感器正下方时，PLC读取颜色传感器和金属传感器的检测值。例如，首先通过金属传感器判断是否为金属物料，若是，则无需再读取颜色传感器；若否，则读取颜色传感器的值以判断其颜色类别。根据预设的判断逻辑，PLC将物料划分为不同类别，并记录其位置信息，为后续的分拣动作做准备。3.4分拣执行机构设计分拣执行机构的作用是在PLC的控制下，将不同类别的物料从输送带上分离出来，并送入相应的料箱。3.4.1分拣方式确定常见的分拣执行方式有推杆式、挡板式、气动喷嘴式、机械手抓取式等。考虑到本设计的物料较小、重量轻，且要求结构简单、响应速度快，拟采用气动推