甄圣超，高　遠(yuǎn)，李玉康，余　杰，謝天海ZHEN Sheng-chao，　GAO Yuan，　LI Yu-kang，　YU Jie，　XIE Tian-hai（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

基于PLC控制RFID識(shí)別的圖書分類系統(tǒng)

甄圣超，高遠(yuǎn)，李玉康，余杰，謝天海
ZHEN Sheng-chao，GAO Yuan，LI Yu-kang，YU Jie，XIE Tian-hai
（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

針對(duì)當(dāng)前圖書歸還需要大量人工和時(shí)間這一問(wèn)題進(jìn)行研究，本圖書分類排序系統(tǒng)將線性電機(jī)模組與多自由度機(jī)械臂的配合通過(guò)PLC結(jié)合。采用三菱公司的FX-2N系列PLC作為核心控制器，從硬件方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了在機(jī)械臂中硬件連接、I/O點(diǎn)分配、線性電機(jī)控制，并通過(guò)紅外傳感器、RFID等技術(shù)對(duì)書本進(jìn)行準(zhǔn)確有效識(shí)別，達(dá)到實(shí)現(xiàn)圖書識(shí)別、還書、自主分類歸位整理的作用，極大節(jié)約人力、時(shí)間，提高效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。

PLC；RFID識(shí)別；多自由度機(jī)械臂；自動(dòng)分類

0　引言

當(dāng)前圖書館已經(jīng)可以利用RFID無(wú)線射頻進(jìn)行借還書識(shí)別，但圖書借還后，每次依靠大量人力時(shí)間將其排序、整理和歸位，并且人工書籍歸位極有可能出現(xiàn)錯(cuò)置情況，對(duì)后期借還書造成一定影響。隨著工業(yè)快速發(fā)展，多自由度機(jī)械臂已在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化［1］；RFID即無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，是非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種。與光電原理的傳統(tǒng)條形碼不同，RFID標(biāo)簽無(wú)需人工操作，而是使用無(wú)線頻率通信進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、追蹤和管理；PLC（可編程控制器）是以中央處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡(jiǎn)單和功耗低等特點(diǎn)，已經(jīng)成為目前在機(jī)械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式［2］。本文提供一種基于PLC控制和RFID識(shí)別的圖書分類排序系統(tǒng)，以三菱的FX-2N系列PLC作為核心控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)線性電機(jī)、機(jī)械臂和RFID控制的功能，實(shí)現(xiàn)一精確自動(dòng)控制圖書分類排序系統(tǒng)［3］。

1　系統(tǒng)工作原理

圖1　系統(tǒng)流程示意圖

圖2　系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1流程解析

本文的研究主要是圖書識(shí)別自動(dòng)排序歸位系統(tǒng)。該系統(tǒng)流程示意圖如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

當(dāng)紅外感應(yīng)器探測(cè)到有書進(jìn)入時(shí)，將脈沖信號(hào)傳給主控器，主控器判斷后通知書槽馬達(dá)運(yùn)行，打開書槽門，書放入傳送帶，利用其坡度將書本細(xì)化成一本排列在傳送帶上，紅外感應(yīng)器識(shí)別書本同時(shí)，其指令傳輸給PLC，同時(shí)PLC輸出指令控制傳送帶伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將書本輸送至機(jī)械臂口，在圖書經(jīng)過(guò)RFID讀寫器時(shí)，其標(biāo)簽信號(hào)被讀取錄入PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，啟動(dòng)相應(yīng)的位置定位程序即每個(gè)書夾都有相對(duì)應(yīng)的書簽信息。當(dāng)書移動(dòng)至機(jī)械手光電對(duì)射開關(guān)識(shí)別時(shí)，自動(dòng)閉合機(jī)械手，將書抓起同時(shí)當(dāng)光電開關(guān)閉合之后錄入的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換錄入PLC，此時(shí)PLC輸出控制三軸龍門線性電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)并且傳送帶伺服電機(jī)同時(shí)停止，精確定位將錄入圖書信號(hào)送至對(duì)應(yīng)的書架位置。之后再控制機(jī)械手上舵機(jī)工作，利用機(jī)械臂三自由度運(yùn)動(dòng)，將圖書送至指定書夾中。

1.2識(shí)別系統(tǒng)

識(shí)別系統(tǒng)主要由紅外感應(yīng)器、傳送帶和RFID三個(gè)部分組合而成，解決圖書以單本為單位依次識(shí)別錄入系統(tǒng)，感應(yīng)器識(shí)別圖書之后，將脈沖信號(hào)傳給書槽門馬達(dá)主控器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)馬達(dá)打開書槽門；同時(shí)將其指令傳輸給PLC，控制傳送帶伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)系統(tǒng)要求選用松下NACS83462紅外線傳感器。

傳送帶是識(shí)別系統(tǒng)重要一環(huán)，傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)將書本輸送至機(jī)械臂口，經(jīng)過(guò)RFID讀寫器時(shí)，其標(biāo)簽信號(hào)被讀取錄入PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，啟動(dòng)相應(yīng)位置定位程序。傳送帶尺寸總水平長(zhǎng)500mm，高300mm，寬300mm，在傳送帶上每隔一段距離300mm安放一塊隔板（板高2mm），用來(lái)防止書本在傳送帶斜面上運(yùn)輸時(shí)摩擦不夠而下滑，同時(shí)可以利用坡度有效解決多書同時(shí)放入單本識(shí)別的問(wèn)題。選用型號(hào) DK-1500的傳送帶，電機(jī)利用減速馬達(dá)，功率60W，較適合，輸送速度可達(dá)1～20米/分鐘，達(dá)到高效率自動(dòng)還書。

圖3　Inventor建模的識(shí)別系統(tǒng)模型

RFID識(shí)別錄入數(shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)圖書定位程序的關(guān)鍵，包含系統(tǒng)設(shè)置中心與系統(tǒng)控制中心，并且共用數(shù)據(jù)庫(kù)具有RFID讀寫器和天線的RFID識(shí)別系統(tǒng)，利用RS232串口與PLC編程口相連。書本在經(jīng)過(guò)傳輸機(jī)構(gòu)輸出端的RFID識(shí)別機(jī)構(gòu)時(shí)，處在讀寫器的超高頻Ultra High Frequency（UHF）RFID陶瓷天線范圍內(nèi)，使得帶有分類信息的書本標(biāo)簽被激活而將其所含信息通過(guò)編碼的方式傳送給RFID讀寫器，進(jìn)而RFID讀寫器將信息傳送給PLC控制器。

1.3排序結(jié)構(gòu)

排序結(jié)構(gòu)主要由機(jī)械臂和線性電機(jī)模組兩個(gè)部分組成，圖書標(biāo)簽的定位信息錄入PLC的數(shù)據(jù)寄存系統(tǒng)中后，當(dāng)對(duì)射光電開關(guān)識(shí)別到圖書時(shí)，PLC輸出控制排序結(jié)構(gòu)啟動(dòng)相應(yīng)的定位程序?qū)D書送到指定書夾，從而達(dá)到間接排序分類歸位的目的。

1.3.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂由PLC來(lái)控制機(jī)械手上舵機(jī)的工作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的三自由度運(yùn)動(dòng)［6］，將圖書送至指定的書夾中要有三個(gè)自由度：yz平面轉(zhuǎn)動(dòng)、y軸旋轉(zhuǎn)、夾持運(yùn)動(dòng)，分別由三個(gè)電機(jī)控制，其中機(jī)械手部分采用兩指式，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　舵機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)射光電開關(guān)置于機(jī)械手前端，用于當(dāng)書移動(dòng)至距機(jī)械手適當(dāng)距離，自動(dòng)閉合機(jī)械手，將書夾起；同時(shí)光電開關(guān)閉合之后產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換錄入PLC從而使得PLC輸出相應(yīng)的定位程序。機(jī)械爪：機(jī)械爪上舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)爪上的齒輪旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)書本的夾緊和松開。舵機(jī)集成了直流電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器等，并封裝在一個(gè)便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡(jiǎn)單的輸入信號(hào)比較精確的轉(zhuǎn)動(dòng)給定角度的電機(jī)系統(tǒng)。舵機(jī)安裝了一個(gè)電位器（或其他角度傳感器）檢測(cè)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，控制板根據(jù)電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。

圖5　機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械手詳細(xì)參數(shù)：

材質(zhì)：全鋁合金；質(zhì)量：約68g（不含電機(jī)）；最大張角：55mm（最大張角間距55mm）；

整體長(zhǎng)度：108mm（爪子閉合時(shí)的整體最長(zhǎng)長(zhǎng)度）；整體寬度：98mm（爪子張開時(shí)的最大整體寬度）。

舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要組成部分有外殼、減速齒輪組、電機(jī)、電位器和控制電路。簡(jiǎn)單的工作原理是控制電路接收信號(hào)源的控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。

1.3.2線性模組的設(shè)計(jì)

本文的線性模組是三軸龍門線性電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高硬度及高精度可排除機(jī)械沖擊、檢測(cè)控制方面的誤差及延遲等干擾因素，并能通過(guò)全封閉控制縮短定位時(shí)間、提高定位精度。當(dāng)PLC輸出定位程序時(shí)，機(jī)械手夾持書本，如圖2所示，通過(guò)三軸xyz線性電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)將圖書送到指定書夾。

圖6　電機(jī)直連外置滑臺(tái)示意圖

1.3.3書夾設(shè)計(jì)

機(jī)械臂將書從圖示方向送入書夾中，我們?cè)O(shè)想較厚的書本厚度有35mm，那么書夾中部張開寬度至少為36mm，書夾均勻設(shè)置在書架上，且書夾設(shè)為以書夾轉(zhuǎn)軸為固定軸、可繞書夾轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的呈V字型的合頁(yè)，合頁(yè)的遠(yuǎn)離書夾轉(zhuǎn)軸的一端設(shè)置有控制合頁(yè)開口大小的壓縮彈簧，使其便于根據(jù)書本厚度自發(fā)調(diào)節(jié)合頁(yè)開口大小，此外，書夾的高度為書高的2/5～3/5，從而達(dá)到夾書和固定書本的目的。

圖7　Inventor建模的書夾設(shè)計(jì)示意意圖

2　PLC選型及控制設(shè)計(jì)

考慮邏輯上的清晰與條理性，下面分塊編程［8］：

程序一：紅外傳感器識(shí)別輸入信號(hào)，導(dǎo)出書槽門打開、傳送帶電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)書碰到對(duì)射開關(guān)識(shí)別時(shí)，機(jī)械手夾緊，傳送帶電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

程序二：書經(jīng)過(guò)RFID讀寫器時(shí)，其標(biāo)簽信號(hào)被讀取錄入PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，啟動(dòng)相應(yīng)的位置定位程序即每個(gè)書夾都有相對(duì)應(yīng)的書簽信息。

位置定位程序即為程序二的子程序，先定開始位置為機(jī)械原點(diǎn)，先啟動(dòng)線性模組x軸到達(dá)書夾x方向位置，之后分別運(yùn)行z軸使其到達(dá)書夾外，機(jī)械臂yz平面自由度開始轉(zhuǎn)動(dòng)使書本豎直（如識(shí)別在書夾另一側(cè)，先進(jìn)行y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)）在運(yùn)行y軸線性電機(jī)將書送入書夾口，直至y軸最大路程（考慮舵機(jī)與y軸平臺(tái)的偏差）。

程序三：張開機(jī)械手，平臺(tái)沿y方向退出至中間原點(diǎn)，閉合機(jī)械手再沿y方向進(jìn)入（利用閉合的機(jī)械手將書本完全推入書夾中）之后快速退出回到機(jī)械原點(diǎn)，此時(shí)傳送帶開啟再起運(yùn)轉(zhuǎn)。

綜上原則，選用三菱FX-2 n48mr的PLC［4，5］。

表1　I/O分配表

3　結(jié)論

本文分析現(xiàn)有圖書分類排序技術(shù)的不足，提供了一種基于PLC控制和RFID識(shí)別的圖書分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)的識(shí)別系統(tǒng)、排序結(jié)構(gòu)、PLC控制程序等方面對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為深入的研究和闡述，首先從工作流程、硬件的選型和設(shè)計(jì)介紹識(shí)別系統(tǒng)部分；從機(jī)械臂的原型設(shè)計(jì)到線性電機(jī)模組的選型和書夾的設(shè)計(jì)對(duì)排序結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，最后對(duì)及其功能模塊進(jìn)行了選型，并I/ O對(duì)接口進(jìn)行了配置。通過(guò)研究可以將雜亂無(wú)章的圖書進(jìn)行準(zhǔn)確的分類，提升圖書館的管理效率，使圖書館理工作更加規(guī)范化、系統(tǒng)化、程序化。

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Library classification system identification based on programmable logic controller （PLC） control the radio frequency identification （RFID）

TP271.4

A

1009-0134（2016）06-0153-03

2016-03-14

安徽省自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（1508085SME221）

甄圣超（1988 -），男，安徽合肥人，講師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及不確定系統(tǒng)控制方法。