黑白棋子的识别与分拣输送装置的设计说明

1、. . . . 1 / 25高等教育自学考试本科毕业论文黑白棋子识别与分拣输送装置的设计黑白棋子识别与分拣输送装置的设计考生： 红亮号：7专业层次：本科院（系）：机械与动力工程学院指导教师： 唐建敏 职 称： 讲师科技学院二 O 一 O 年 月日. . . . I / 25高等教育自学考试本科毕业论文黑白棋子识别与分拣输送装置的设计黑白棋子识别与分拣输送装置的设计考生：红亮号：7专业层次：本科指导教师： 唐建敏 院（系）：机械与动力工程学院科技学院二 O 一 O 年 月日. . . . I / 25摘 要物料的自动分拣与输送系统在汽车制造业、物流业与邮政系统等多个行业中广泛应用。本设计为黑白棋

2、子的识别与分拣输送装置设计，在自动上料机构的作用下，待分拣棋子自 A 地出发，由传输带输送至 B 地；在 B 地利用光电传感器进行识别与分拣，由分拣装置将分拣后的黑白棋子分别送至不同的储料箱。装置的工作节拍用可编程逻辑控制器（PLC）控制。本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。关键词：黑白棋子识别；自动分拣输送；可编程逻辑控制器. . . . II / 25AbstractThe sorting and transportation automatically of raw material is wildly used in motor industry , logistics job a

3、nd postal service system etc. This scheme introduced the design of the black-and-white chessman identing, sorting and transporting apparatus. At the hands of self-feeding apparatus, the sorting chessman departs from place A to place B through the given transmission line. Whenthe sorting chessman arr

4、ives at place B, the sensor will identify and sorting them. And then, different raw material will be send to different box. The device job meter uses programmable logic controller (PLC) to control.This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the whole design work.KeyKey words:wor

5、ds: the black-and-white chessman identing;automatic sorting and transportation; programmable logic controller. . . . III / 25目 录摘要摘要IABSTRACTABSTRACTII1 1 绪论绪论12 2 方案设计方案设计32.12.1 设计方案一设计方案一 32.22.2 设计方案二设计方案二 32.32.3 设计方案三设计方案三 42.42.4 方案比较方案比较 53 3 最终采用方案的总体设计最终采用方案的总体设计63.13.1 电动机的选择与校核电动机的选择与校核

6、63.1.1 自动上料装置的电动机选择与校核 63.1.2 物料输送装置的电动机选择与校核 73.1.3 分拣装置的电动机选择与校核 74 4 机械结构与零部件的设计机械结构与零部件的设计84.14.1 装置总体结构设计装置总体结构设计 84.24.2 装置零部件设计装置零部件设计 94.2.1 转盘驱动轴的设计 94.2.2 摇板传动轴的设计 104.34.3 轴承的选择轴承的选择 104.44.4 联轴器的选择联轴器的选择 114.4.1 自动上料装置处联轴器的选择 114.4.2 物料输送装置处联轴器的选择 124.4.3 分拣装置处联轴器的选择 125 5 可编程逻辑控制器（可编程逻辑

7、控制器（PLCPLC）控制系统的设计）控制系统的设计135.15.1 设计要求设计要求 135.1.1 控制功能 135.1.2 控制要求 135.25.2 控制设计控制设计 135.2.1 控制分析 135.2.2 控制程序设计 135.35.3 控制程序语句表控制程序语句表 15. . . . IV / 256 6 结论结论16参考文献参考文献17致致18论文原创性声明论文原创性声明. . . . 1 / 251 绪 论自动分拣系统（Automated Sorting System）是二次大战后在美国、日本的物流中心中广泛采用的一种自动分拣系统，该系统目前已经成为发达国家大中型物流中心不可

8、缺少的一部分。该系统的作业过程可以简单描述如下：物流中心每天接收成百上千家供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种商品，在最短的时间将这些商品卸下并按商品品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，将这些商品运送到指定地点（如指定的货架、加工区域、出货站台等） ，同时，当供应商或货主通知物流中心按配送指示发货时，自动分拣系统在最短的时间从庞大的高层货存架存储系统中准确找到要出库的商品所在位置，并按所需数量出库，将从不同储位上取出的不同数量的商品按配送地点的不同运送到不同的理货区域或配送站台集中，以便装车配送。 自动分拣系统的主要特点是能连续、大批量地分拣货物，分拣误差率极低，分拣作业基本

9、实无人化。自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置与分拣道口组成。 控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进行自动分类。分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示，当具有一样分拣信号的商品经过该装置时，该装置动作，使改变在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品鱼贯通过控制装置、分类装置，并输送装置的两侧，一般要连接若干分拣道口，使分好类的商品滑下主输送机（或主传送带）以便进行后续作业。分拣道口是已分拣商品脱离主输送机（或主传送带）进

10、入集货区域的通道，一般由钢带、皮带、滚筒等组成滑道，使商品从主输送装置滑向集货站台，在那里由工作人员将该道口的所有商品集中后或是入库储存，或是组配装车并进行配送作业。以上四部分装置通过计算机网络联结在一起，配合人工控制与相应的人工处理环节构成一个完整的自动分拣系统。自动分拣系统主要适用于一次性投资巨大、对商品外包装要求高的场合。分拣输送是物流配送中的一个关键环节，它指的是依据顾客订货要求或配送中心送货计划，迅速、准确地将商品从储位或其他区域拣出，并按照一定方式进行分类、集中，等待配装送货的作业过程。. . . . 2 / 25分拣输送是配送中心作业中最繁锁、工作量最大的环节，也是配送中心作业系

11、统的核心。如今，商品经济逐步深入，社会需求呈现出向小批量、多品种方向发展的趋势，配送商品的种类和数量急剧增加，使得分拣输送作业在配送中心作业的比重越来越大，而客户对配送服务和质量的要求也越来越高。分拣输送作业的速度和质量直接关系到整个配送中心的信誉和服务水平，分拣系统的建设也成为配送中心非常重视的问题之一。黑白棋子识别与分拣输送装置主要用于将混合在一起的黑白棋子识别分拣后按照指定路径送至不同的储料箱。该装置是工业自动分拣输送系统的一个简单例子。自动分拣输送系统不仅可将工人从单调繁重的劳动中解放出来，而且分拣正确率更高，在汽车装配业、邮政系统与物流业应用越来越广泛。对黑白棋子识别与分拣输送装置的

12、设计要用到传动机构设计、零件制造技术、电气控制、微机原理、PLC 技术、数控加工技术、传感器技术等多项技术。自动分拣输送系统的工作原理较为简单，结构也不太复杂，能够在毕业设计给定的有限时间完成，而且包含设计容较全面，能够使学生综合运用机械专业较多的专业知识。通过对黑白棋子识别与分拣输送装置的设计与模型制作，能够使学生掌握机械设计的一般规律和过程，在专业应用、创新能力和解决实际问题的能力方面得到全面提高。为进一步走上工作岗位从事相关的设计、制造、控制等工作奠定基础。. . . . 3 / 252 方案设计黑白棋子识别与分拣输送装置在工作时，需要一个自动上料装置、传输装置与分拣系统。混乱的黑白棋子

13、通过自动上料装置获得定向排列，由传输系统按照生产要求的节拍和位置送至分拣系统处分拣，分拣系统将送来的黑白棋子分拣后分至不同的储料箱。2.1 设计方案一曲柄滑块机构上料，分拣输送带分拣方案其结构简图如下：123456789101、曲柄 2、推料滑块 3、料斗 4、黑白棋子 5、供料道 6、传输带 7、光电传感器 8、滚筒 9、分拣输送带 10、黑白棋子储料箱图 2.1 曲柄滑块机构上料，分路器分拣方案示意图从图 2.1 中看出，其工作原理是：待分拣的黑白棋子从料斗进入供料道，曲柄在电动机的带动下带动滑块在供料道中做往复运动，从而使棋子按一定节拍顺序供料；滚筒驱动传输带将棋子送至指定地点，并由此处

14、传感器进行黑白分拣，传感器的数据信息控制电动机正反转带动分拣输送带，从而将黑白棋子分别送至不同储料箱。2.2 设计方案二锥形摩擦盘上料，分路器分拣方案结构简图如下：. . . . 4 / 25123456789101、料斗 2、锥形摩擦盘 3、供料道 4、传输带 5、传感器6、滚筒 7、分路器 8、黑色棋子 9、白色棋子 10、储料箱图 2.2 锥形摩擦盘上料，分路器分拣方案示意图由图 2.2 中看出，其工作原理是：待分拣的黑白棋子装进料斗，电动机带动传动轴与锥形摩擦盘转动，棋子在锥形摩擦盘的摩擦力与转动离心力作用下被送进供料道，之后由滚筒带动传输带将棋子送至指定地，此处的传感器识别黑白棋子后

15、驱动分路器将黑白棋子分别送至不同的储料箱。2.3 设计方案三漏斗上料，分拣机械手分拣方案其工作原理简图如下：12345678 1、滚筒 2、黑白棋子 3、料斗 4、传输带 5、光电传感器 6、分拣机械手 7、分拣平台 8、储料箱图 2.3 漏斗上料，分拣机械手机构方案示意图其工作过程为：棋子由料斗靠自重落到传输带上，滚筒带动传输带将棋子送到分拣平台处，由光电传感器识别黑白棋子，之后用分拣机械手将棋子分别送至不同的储. . . . 5 / 25料箱。2.4 方案比较以上三种方案，从原理上说都能完成设计任务书提出的要求，但方案三中涉与对分拣机械手的设计制造，考虑到设计时间、实际加工难度与维修费用的

16、影响，排除这种方案；方案一的工作效率不高，且已有现成模型，故综合考虑决定选用方案二。下章将对最终采用方案进行产品设计。. . . . 6 / 253 最终采用方案的总体设计经比较后选用第二种方案，即锥形摩擦盘上料，分路器分拣方案。其结构简图如图 2.2 所示，黑白棋子识别与分拣输送装置由下列主要部件组成：自动上料装置、物料输送装置、分拣装置、支架、底座和电动机。为使总装置体积小，结构紧凑，采用上下结构布局，其减速机构均安置于电动机部，即选用齿轮减速电动机；为运转灵活，在装置各转动处均采用滚动轴承支撑。3.1 电动机的选择与校核3.1.1 自动上料装置的电动机选择与校核查工程力学表 3.1 可知

17、，橡胶与铸铁之间在无润滑剂润滑时动摩擦因数f=0.80故 0 0510300 80 35cos.cos.NFmgfKgN KgN离心力2LmvFr式中 m=0.05Kgr=50mm要想让棋子抛出，则LNFF即41minvr为使自动上料装置的驱动电机体积小，初选电动机为同步转速 60r/min 的永磁低速同步电动机。由电机与拖动基础式 1210 知0 9 600 62895509550 0 9.LTnPw式中：T自动上料装置静负载转矩 0.9N mn自动上料装置工作转速 60r/min选择功率为 24W，型号为 70TDYO60-1-2B 的电机，参数如下：额定功率：24W额定转速：60r/mi

18、n最大转矩：900mN m. . . . 7 / 25额定转矩：850mN m3.1.2 物料输送装置的电动机选择与校核为使物料输送的节拍方便控制，初选电动机为同步转速 15r/min 的永磁同步齿轮减速电动机，由电力与拖动基础式 129 可知，所选电动机的输出功率为310LFvP式子中：F传输带静阻力 0.5NV传输带线速度 0.03m/s滚筒传递效率 0.9630 5 0 03100 0160 96.LPw考虑到电机体积与安装方便，选择型号为 70TDY4J4 的电机，其基本参数如下：输入功率：24W输出转速：15r/min额定转矩：290N cm3.1.3 分拣装置的电动机选择与校核考虑

19、到电动机启停与正反转较频繁，且转动围不大，初选同步转速为 10r/min 的永磁同步齿轮减速电动机。因为电动机控制分路摇板的左右摆，所负载扭矩很小，因此，选择型号为70TDY4J6 的电机，其参数如下：输入功率：24W输出转速：10r/min额定转矩：435N cm. . . . 8 / 254 机械结构与零部件的设计4.1 装置总体结构设计黑白棋子识别与分拣输送机构总体结构如图 4.1.1 所示图 4-1 黑白棋子识别与分拣输送机构总体结构各主要组成部分的结构特征如下：（1）自动上料机构采用料斗式自动上料机构，工件可成批放入料斗，工件可自动定向，并以一定的相对位置自动地落到加工地点，从工件的

20、定向排列到送料至加工地点全部可以自动完成。这种机构适用于形状简单、重量不大，但批量大、生产率很高的工件。黑白棋子刚好符合这种情况。为配合锥形转盘工作，料斗采用圆形设计，如附图。出料道可采用 T 型槽与料斗连接，或者焊接亦可。料斗用螺钉固定在料斗支架上。锥形转盘与转盘驱动轴用螺纹连接，用推力球轴承支撑；转盘驱动轴用联轴器与电动机轴相连，电动机启动后驱动锥形转盘转动，进而起到物料自动上料功能。主要零件功能：圆柱形料斗：存放散乱的棋子，调剂棋子供需平衡锥形转盘：使棋子从散乱的状态下获得定向排列以保证棋子在送料过程中的运动. . . . 9 / 25是规则的，并按照生产的节拍和位置送到工作地点去。（2

21、）物料输送装置黑白棋子识别与分拣输送装置的物料输送装置采用滚筒传输带输送,滚筒支架用螺钉固定在小底板上，滚筒固定在滚筒支架上，电动机通过联轴器与滚筒轴相连，滚筒转动，带动传输带向前运行。为防止黑白棋子滑出传输带，在传输带两侧加设输料挡板。为保证传输效率与流程正常工作，要求传输带有一定紧度。（3）分拣装置分拣装置是黑白棋子识别与分拣输送装置的重要组成部分，其机械部分主要由分路器、分路器挡板、分路摇板与摇板传动轴等组成。当黑白棋子被光电传感器识别后，识别信息通过 PLC 控制电动机轴正反转。电动机轴通过联轴器和摇板传动轴相连，摇板传动轴通过平键与分路摇板相连，通过分路摇板的左右摆将黑白不同颜色的棋

22、子分送至不同的储料仓。（4）大底座黑白棋子识别与分拣输送装置的大底座用铸铁制成。电动机、小底座支架均用螺钉固定在大底座上。4.2 装置零部件设计组成黑白棋子识别与分拣输送装置的主要机械零部件设计如下：4.2.1 转盘驱动轴的设计（1）材料选择转盘驱动轴在常温大气中使用，它主要传递扭矩，轴颈承受有摩擦，有时承受一定的冲击载荷或过量载荷，故要求材料具有较高强度、疲劳极限、塑性和韧性，即要求具有良好的综合力学性能。综合考虑后选择 35 钢，为消除应力作正火处理。（2）强度计算对于只传递转矩的圆截面轴，由机械设计基础式子 14-1 知，其强度条件为639 55 100 2. .aTTPMPWd n式子

23、中： 为轴的扭切应力，；aMPT 为转矩，Nmm;为抗扭截面系数，,对圆截面轴,2mm330 216.TdWdP 为传递的功率，KW；22 4 10.N 为轴的转速，60r/min;d 为轴的直径，20mm;. . . . 10 / 25为许用扭切应力，2030aMP， 故安全6239 55 102 4 102 390 2 2060. .aTTMPW4.2.2 摇板传动轴的设计（1）材料选择摇板传动轴在常温大气下使用，它主要传递扭矩，轴颈承受有摩擦，有时承受一定的冲击载荷或过量载荷，故要求材料具有较高强度、疲劳极限、塑性和韧性，即要求具有良好的综合力学性能。综合考虑后选择 35 钢。（2）强度

24、计算对于只传递转矩的圆截面轴，由机械设计基础式子 14-1 知，其强度条件为639 55 100 2. .aTTPMPWd n式子中： 为轴的扭切应力，；aMPT 为转矩，Nmm;为抗扭截面系数，,对圆截面轴,2mm330 216.TdWdP 为传递的功率，KW；22 4 10.N 为轴的转速，10r/min;d 为轴的直径，20mm;为许用扭切应力，2030aMP， 故安全6239 55 102 4 1014 330 22010. .aTTMPW4.3 轴承的选择与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小、启动灵敏、效率高、润滑简便和易于互换等优点，应用广泛，所以选用滚动轴承。就承载能力而言，在

25、同样外形尺寸下，滚子轴承的承载能力约为球轴承的 1.53倍。所以，在载荷较大或有冲击载荷的时候宜采用滚子轴承。但当轴承径 d20mm 时，滚子轴承和球轴承的承载能力已相差不多，而球轴承的价格一般低于滚子轴承，所以优先选用球轴承。根据轴承的受力情况、轴颈尺寸大小与轴的转速，由机械设计课程设计手册表 6-1，表 6-8 做如下选择. . . . 11 / 25锥形转盘下部选用推力球轴承，型号为 51204，它的有关参数如下：表 4-1 锥形转盘下部选用推力球轴承有关参数轴承代号基本定额极限转速/(r/min)动载荷/KNaC静载荷/KN0aC51204动载荷/KNaC5120422.237.522

26、.2滚筒与滚筒支架连接处、摇板传动轴与分路器连接处选用深沟球轴承，型号为6004，其相关参数如下：表 4-2 滚筒与支架、摇板传动轴与分路器的连接处选用深沟球轴承有关参数轴承代号基本定额极限转速/(r/min)动载荷/KNrC静载荷/KN0rC脂润滑油润滑60049.385.0215000190004.4 联轴器的选择4.4.1 自动上料装置处联轴器的选择（1）选择类型为了缓和冲击和减轻振动，选用弹簧套柱销联轴器。这种联轴器具有一定的补偿两轴线相对偏移和减振缓冲能力，适用于安装底座刚性好，冲击载荷不大的中、小功率轴系传动，可用于经常正反转、启动频繁的场合。工作温度为-20+70。（2）求计算转

27、矩由机械设计基础式子 14-1 知，转矩22 4 10955095503 8260.PTN mN mn由机械设计基础表 17-1 查得，工作机为转矩变化很小的机械时，工作情况系数,故计算转矩1 3 .AK 1 3 3 824 97.CATK TN mN m（3）确定型号由机械设计课程设计手册表 8-5 选取弹性套柱销联轴器 LT3。它的公称转矩为31.5，许用转速为 6300r/min，允许的轴孔直径在 16mm22mm 之间。N m. . . . 12 / 254.4.2 物料输送装置处联轴器的选择（1）选择类型为方便传递较大的转矩，选用凸缘联轴器。这种联轴器不具备径向、轴向和角向的补偿性能

28、，刚性好，传递转矩大，结构简单，工作可靠，维护简便，适用于两轴对中精度良好的一般轴系传动。（2）求计算转矩由机械设计基础式子 14-1 知，转矩22 4 109550955015 2815.PTN mN mn由机械设计基础表 17-1 查得，工作机为输送机时，工作情况系数故1 5 .AK 计算转矩1 5 15 2822 92.CATK TN mN m（3）确定型号由机械设计课程设计手册表 8-2 选取凸缘联轴器 GYS2。它的公称转矩为 63，许用转速为 10000r/min，允许的轴孔直径在 20mm24mm 之间。N m4.4.3 分拣装置处联轴器的选择（1）选择类型为满足正反向变化多、启

29、动频繁的条件，选择弹性柱销联轴器。这种联轴器适用于连接两同轴线的传动轴系，并具有补偿两轴相对位移和缓和冲击、吸收振动的性能。工作温度在-20+70之间。（2）求计算转矩由机械设计基础式子 14-1 知，转矩22 4 109550955022 9210.PTN mN mn由机械设计基础表 17-1 查得，工作机为转矩变化中等的机械时，工作情况系数，故计算转矩1 7 .AK1 722 9238 96.CATK TN mN m（3）确定型号由机械设计课程设计手册表 8-7 选取弹性柱销联轴器 LX1。它的公称转矩为250，许用转速为 8500r/min，允许的轴孔直径在 12mm24mm 之间。N

30、m. . . . 13 / 255 可编程逻辑控制器（PLC）控制系统的设计5.1 设计要求5.1.1 控制功能实现对三台电动机的启停与正反转控制，进而实现黑白棋子识别与分拣输送装置的相关功能。5.1.2 控制要求按下启动按钮后，锥形转盘开始转动；经过 5 秒后，传输带开始动作；当传感器检测到“黑色”信号时，分路摇板左摆，碰到分路器左侧行程开关 1 停止；当传感器检测到“白色”信号时，分路摇板右摆，碰到分路器右侧行程开关 2 停止。按下停止按钮后，锥形转盘停止转动；经过 5 秒后，传输带停止动作，同时分路摇板停止动作。5.2 控制设计5.2.1 控制分析分析控制要求，可以确定主要有自动上料装置

31、处和物料传输装置处的电动机的顺序启停控制、分拣装置处的电动机的正反转控制两种控制。在控制系统程序设计过程中，首先完成控制要求分析，明确控制对象与控制目的，然后绘制各个控制的控制逻辑，完成逻辑设计后，可写出指令表，也可在用软件编程时，通过特定键由逻辑图直接转换成指令表。本控制系统采用欧姆龙 CPM1A 系列可编程逻辑控制器（PLC）进行控制。5.2.2 控制程序设计（1）确定 PLC 的输入/输出点分配由控制要求分析可知，输入元件有启动按钮、停止按钮、感应黑色传感器、感应白色传感器、左限位开关 1 和右限位开关 2；输出元件有自动上料装置处电动机 1、物料输送装置处电动机 2、分拣装置处电动机

32、3 左转继电器和右转继电器组成。该 PLC的 I/O 分配如表 5-1：表 5-1 PLC 的 I/O 分配表输入信号信号元件与作用00000启动按钮00001停止按钮00002感应黑色传感器00003感应白色传感器. . . . 14 / 2500004左限位开关 100005右限位开关 2输出信号控制对象与作用20001电动机 1 动作显示20002电动机 2 动作显示20003电动机 3 左转显示20004电动机 3 右转显示（2）梯形图设计根据控制要求分析设计 PLC 控制程序梯形图如下：0000000001200012000120001TIM 001 #0050TIM 001 200

33、0200002000042000420003200030000300005200032000420004END(01). . . . 15 / 255.3 控制程序语句表LD 00000OR 20001AND NOT 00001OUT 20001LD 20001TIM 001 #0050LD TIM001OUT 20002 (顺序启停控制)LD 00002OR 20003AND NOT 00004AND NOT 20004OUT 20003LD 00003OR 20004AND NOT 00005AND NOT 20003OUT 20004 （正反转控制）END(01) (程序结束). . . . 16 / 256 结 论通过光电传感器识别黑白棋子，再利用 PLC 控制整个识别与分拣输送过程。在实际使用时，亦可以通过 PLC 控制各个电动机的转速来调节工作频率。光电传感器与