項目計劃書——基于機器視覺的物料分揀系統(tǒng)1.緒論1.1課題背景隨著全球環(huán)保意識的增強，塑料回收成為減少環(huán)境污染的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)人工分揀效率低、成本高，且難以滿足大規(guī)?；厥招枨?。機器視覺技術憑借其非接觸、高精度、實時性強的特點，在自動化分揀領域展現(xiàn)出巨大潛力。本項目旨在設計一套基于機器視覺的智能分揀系統(tǒng)，實現(xiàn)不同顏色塑料瓶的快速識別與分類回收，推動資源循環(huán)利用。1.2國內研究現(xiàn)狀國內塑料分揀技術近年來發(fā)展迅速，主流方案包括：光電分選：通過顏色傳感器區(qū)分塑料顏色，但易受光照干擾；近紅外光譜分選：可識別材質，但設備成本高；機器視覺分選：結合圖像處理與深度學習，逐步成為研究熱點。

目前，基于

OpenCV和

YOLO

算法的視覺分揀系統(tǒng)已在部分企業(yè)試點，但實時性與魯棒性仍

需提升。1.3課題研究目的與意義本系統(tǒng)通過機器視覺與

PLC協(xié)同控制，實現(xiàn)以下目標：高效分揀：分揀速度≥200件/分鐘，準確率≥98%；低成本：采用國產工業(yè)相機與開源算法降低硬件投入；環(huán)保價值：減少人工接觸塑料廢棄物，提升回收率。項目的實施將助力“雙碳

”

目標，推動智能制造與綠色經濟融合。2.分揀系統(tǒng)方案設計2.1系統(tǒng)基本控制要求視覺識別：實時采集塑料瓶圖像，提取顏色特征（紅、藍、綠、透明）；分揀執(zhí)行：根據(jù)識別結果控制機械臂將塑料瓶投入對應回收倉；異常處理：未識別或混雜顏色瓶體進入暫存區(qū)，并觸發(fā)報警。2.2系統(tǒng)組成與工作流程系統(tǒng)由以下模塊構成：視覺模塊：工業(yè)相機傳送模塊：變頻調速皮帶機，速度可調；分揀模塊：機械臂+氣動抓手；控制模塊：西門子

S7-1200

PLC+

HMI觸摸屏。3.電氣元件與設備選擇3.1.PLC的基本結構PLC的硬件結構主要由中央處理單元（CPU模塊），存儲器單元，輸入輸出單元，I/O擴展接口，通信接口和電源等幾個部分組成。CPU模塊：CPU在控制系統(tǒng)中起到至關重要的作用，它可以不斷進行信號采集，執(zhí)行用戶程序，刷新信號輸出。存儲器單元：存儲器分為系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器，系統(tǒng)存儲器用于存放PLC的系統(tǒng)程序，用戶存儲器用于存放PLC的用戶編寫程序。輸入輸出單元：PLC的輸入接口是將外部的信號轉化為內部可執(zhí)行的信號，PLC的輸出接口是將內部可執(zhí)行的信號轉換成外部執(zhí)行元件的信號。I/O擴展接口：擴展接口的作用是將擴展單元和功能模塊與基本單元相連接，以滿足不同控制要求的需求。電源模塊：提供內部電路所需的電力。3.2.PLC的選型通過對控制要求與系統(tǒng)基本組成的分析，為了便于精準控制伺服電機，我選

用晶體管輸出型PLC

，型號為CPU

1214C

DC/DC/DC。PLC的選型：CPU

1214C

DC/DC/DC

，可擴展8塊信號模塊，I/O點數(shù)總量為284

個數(shù)字量，67個模擬量?？蓴U展8個信號模塊擴展，3個通信模塊。系統(tǒng)I/O

點數(shù)共有14個輸入，10個輸出以及4個模擬量。此外，1214C還配有高6個速

計數(shù)器。3.3.伺服電機的選型為了控制XY雙軸協(xié)同聯(lián)動運行，我使用滾珠絲杠機構的伺服電機。而對于具體選型，我考慮了以下幾個方面：負載，速度，導程，絲桿直徑，絲桿質量，摩擦系數(shù)，加速時間，效率以及運動軌跡為水平運動。在此基礎上，我對電機的勻速扭矩，加速扭矩以及安全系數(shù)進行計算與歸類，

最后結合電機的參數(shù)對照表我選用了西門子1FL6034-2AF21-1LA1的低慣量伺服電機，其具體參數(shù)如下：額定轉速3000rpm

，額定扭矩1.27Nm

，額定功率0.40kW/0.54hp

，最大轉速5000rpm

，最大扭矩3.82Nm

，最大電流7.8A

，靜態(tài)扭

矩1.27Nm

，轉動慣量0.351kgcm2

。為了控制伺服電機，我使用了V90伺服驅動

器對其進行參數(shù)編輯。3.4.擴展模塊的選型為滿足信號輸入與輸出信號點的需求，我增加了一個數(shù)字量輸入/輸出模塊

以及一個數(shù)字量輸入模塊。1.數(shù)字量輸入輸出模塊：SM

1223

DI16/DQ16x

24VDC

，可提供16個數(shù)字量輸入

點和16個數(shù)字量輸出點。3.5.設備選擇1.空氣壓縮機空氣壓縮機需要先吸氣然后將氣壓縮儲存，用于為氣缸提供所需氣體。在使用前打開吸氣開關儲存氣體，工作氣壓約為0.6-0.7Mpa

，當氣壓穩(wěn)定時即可打開

閥門將氣體傳輸給調壓過濾器。2.調壓過濾器調壓過濾器用于控制進入氣缸的氣體壓強，穩(wěn)定進入氣缸的氣壓，保護氣缸，

工作氣壓約為0.4-0.6

Mpa。3.8.工藝流程硬件模塊工藝流程模塊共分為四部分：滑臺移動模塊、稱重模塊、蓋盒模塊、伺服機

械手搬運倉儲模塊。1.滑臺移動模塊，該模塊共有三個氣缸控制，移動瓶子到入庫位，分別為：

[Q0.4]滑臺移動氣缸、[Q0.3]滑臺伸縮氣缸、[Q0.5]滑臺夾爪氣缸2.伺服機械手搬運倉儲模塊，該模塊由個氣缸以及兩臺伺服電機組成，把瓶子搬運到指定位置

[Q0.6]不合格推料氣缸、[Q0.6]倉儲伸縮氣缸、[Q0.6]倉儲升降氣缸、[Q0.6]倉儲夾爪控制4.控制系統(tǒng)設計4.1.控制系統(tǒng)硬件設計4.1.1.控制系統(tǒng)主電路設計本項目控制系統(tǒng)主電路如圖所示，主要為兩臺V90伺服電機組成，通過單獨控制兩臺伺服電機的運行來實現(xiàn)程序中的絕對定位模塊。主電路中增加了斷路器，能夠在正常和異常情況下關合、承載和開斷電流，具有過載、短路和欠壓保

護功能。4.

1.2.控制系統(tǒng)控制電路設計I/O分配表及模擬量輸入輸出地址控制電路硬件接線圖控制系統(tǒng)中的控制電路選用CPU

1214C

DC/DC/DC

，同時添加了一個SM

1223DI16/DQ16x

24VDC數(shù)字量輸入/輸出模塊和一個SM

1221

DI16x

24VDC數(shù)字量

輸入模塊來擴展IO接口PLC模塊接線圖SM1223

DI16/DQ16x24VDC數(shù)字量輸入/輸出模塊接線圖SM1221

DI16x24VDC數(shù)字量輸入模塊接線圖4.2.控制系統(tǒng)軟件設計4.2.1.具體控制流程視覺檢測流程步驟1：傳送帶啟動，塑料瓶進入視覺檢測區(qū)，光電傳感器檢測到瓶體到位后觸發(fā)工業(yè)相機拍攝圖像。步驟2：圖像處理器（Jetson

Nano）對圖像進行預處理（去噪、HSV顏色空間轉換），提取顏色特征（紅、

藍、綠、透明），并通過K-means聚類算法分類。步驟3：分類結果（顏色標簽）通過ModbusTCP協(xié)議傳輸至PLC

，若檢測失敗或顏色混雜，觸發(fā)報警并記

錄至觸摸屏。滑臺搬運流程步驟1：PLC接收顏色標簽后，控制滑臺移動氣缸啟動，滑臺移動至視覺檢測位。步驟2：滑臺夾爪氣缸啟動，夾取塑料瓶；滑臺伸縮氣缸啟動，將瓶體搬運至入庫暫存位。步驟3：滑臺移動氣缸復位，夾爪松開，滑臺返回初始位置。異常處理：若滑臺定位超時或夾取失敗，系統(tǒng)暫停并觸發(fā)黃色報警燈，需人工干預。機械手分揀流程步驟1：入庫暫存位傳感器檢測到瓶體后，PLC根據(jù)顏色標簽調用預設倉位坐標（如紅色→倉位1

，藍色→

倉位2）步驟2：機械手X/Y軸伺服電機聯(lián)動，執(zhí)行絕對定位運動至暫存位上方。步驟3：氣動抓手啟動，夾取瓶體；機械手移動至目標倉位，釋放瓶體并復位。步驟4：倉位傳感器檢測到位信號，觸摸屏更新分揀計數(shù)；若倉位已滿，觸發(fā)紅色報警并暫停分揀。3.主程序塊將按鈕外部操作FC塊寫入主程序塊。當XY軸完成回原點時，復位條件滿

足激活；當運行狀態(tài)激活時，將全局數(shù)據(jù).step置為1

，當復位狀態(tài)激活時，

將全局數(shù)據(jù).step置為0

，并將Q0.3~Q2.6復位。將XY軸模塊寫入主程序塊，將HMI重量檢測最大/最小值，HMI倉位選擇寫入自動控制流程。4.2.2.控制流程梯形圖1.程序塊整合圖4.按鈕外部操作塊FC4.1運行狀態(tài)在程序完全復位的前提下，按下啟動按鈕激活PLC的運行狀態(tài)，當程序處

于復位/急停/停止狀態(tài)時，運行狀態(tài)停止。4

3急停狀態(tài)按下急停按鈕激活PLC的急停狀態(tài)。4.2停止狀態(tài)按下停止按鈕，激活PLC的停止狀態(tài)，當程序處于復位/急停狀態(tài)時，運行狀態(tài)停止。4.3急停狀態(tài)按下急停按鈕，激活PLC的急停狀態(tài)。4.4復位狀態(tài)按下復位按鈕，激活PLC的復位狀態(tài)，當程序處于急停或復位完成狀態(tài)時，