自动物料分拣机控制系统设计

ABSTRACT目录HYPERLINK3.1控制系统设计 183.1.1电机及减速器的选型计算 183.2确定i/o点数 153.3PLC的选择 15311524自动物料分拣机PLC控制系统软件的设计30169424.1PLC简介 194.1.1PLC的定义 204.1.2PLC的用途 234.2控制系统程序的设计244.3.1急停244.3.2计数器复位244.3.3正常停止244.3.4供料电机控制24HYPERLINK\l"总结"结论24HYPERLINK\l"外文资料原文"参考文献25HYPERLINK\l"致谢"致谢261概述1.1物料分拣装置的发展历史工业机器人一般可理解为：在工业自动化应用领域中的一种自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机（固定式的或是移动式的），用于搬运材料、工件、操持工具或检测装置，完成各种作业。近年来随着工业自动化的发展物料分拣装置逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。物料分拣装置广泛地应用于锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，物料分拣装置由于其显著的优点而受到特别重视上料物料分拣装置是典型的机电一体可自动地为机床抓取工件，取代操作人员频繁取料，降低劳动强度，提高工作效率。本课题所涉及的上下料物料分拣装置自1999年投入运行,工作安全可靠,效果良好,可用做自动上料设备和生产线上的自动抓取设备。1.2物料分拣装置的发展意义物料分拣装置的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一它分地代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。近年来随着工业自动化的发展物料分拣装置逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。物料分拣装置广泛地应用于锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，物料分拣装置由于其显著的优点而受到特别重视。机床上料物料分拣装置是典型的机电一体化设备，它可自动地为机床抓取工件，取代操作人员频繁取料，降低劳动强度，提高工作效率。总之，物料分拣装置是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段，国内外都很重视它的应用和发展。1.3物料分拣装置在机械中的应用1.3.1国内应用国内在金属切削加工中，用物料分拣装置来完成刀具的自动更换。如北京第二机床厂，北京扬州市职业大学机械工程学院第八机床厂，上海第二机床厂，上海第八机床厂，宁夏大河机床厂等单位研制的自动换机床，均用物料分拣装置自动更换刀具。在生产自动线上，用物料分拣装置完成的传递和上下料，如：沈阳水泵厂深井泵体加工自动线，无锡柴油机厂和甘肃汽车齿轮厂的齿胚的加工自动线都采用了物料分拣装置。大连工矿车辆厂的800Kg侧架的加工，采用物料分拣装置抓取、传递和安放并与一些机床组合成侧架切削加工自动线，提高效率10倍。1.3.2国外应用美国制造155毫米的钢弹体洛克福特军械厂，从胚料加工开始到加工毕直包装都自动进行，不用人手去接触，达到全自动生产。工业物料分拣装置还能用来代替人工进行打磨、抛光、去毛刺和清理切屑等工作。例如，瑞典一家工厂打磨和抛光锈钢子弯头时，采用ASEA机械手，提高加工效率30%以上，不伤害工人。又如：瑞典沃尔沃公司在物料分拣装置上装了三个环形磨轮装置，用来对传动箱外表面去毛刺，比手工方法节省工时50%。1.4物料分拣装置的发展趋势国内应加强物料分拣装置基础性能的实验以及基础理论研究，克服和解决制造技术及其它存在的问题。提高物料分拣装置运动速度。尤其是应用于冲压行业中的物料分拣装置，以适应提高生产率和符合生产节拍的需要。要研究解决物料分拣装置的运动速度和缓冲、定位技术。引进国外先进技术，培训专门技术人才，普及物料分拣装置有关知识。尽快解决物料分拣装置的定型设计、定点、定量生产以及配套件的生产和供应问题，推进物料分拣装置设计制造中的现代化（CAD/CAM）准化、系列化工作，以满足国内外市场的需求。目前工业物料分拣装置的应用逐步扩大，技术性能不断提高，其发展趋势是：扩大物料分拣装置在工业上的应用、提高工业物料分拣装置的工作性能、发展组合式物料分拣装置、研制具有“视觉”和“触觉”的“智能机器人”。2基于PLC物料分拣装置结构设计2.1物料分拣装置概述动物料分拣机主要由井道式下料机、检测传输机、双位置推送荷重机和电动滑台分拣机、PLC控制模块与上位机组态、步进电机等部分组成。利用PLC控制来实现物料分拣的目的。2.2系统的技术指标推送行程140mm、荷重台量程≤10KG、荷重台检测精度±1g。输入电压：AC360～400V

DC24V

消耗功率：≤1000W

环境温度范围：-5～40℃

气源：大于0.2MPa切小于0.85Mpa

2.3系统的设计要求系统的设计要求主要包括功能要求和控制要求，进行设计之前，首先应分析控制对象的要求。3基于PLC物料分拣装置控制系统硬件设计3.1控制系统设计在井道式下料机的料仓内放入待检工件（最多放六个），少于2个系统自动报警。目标工件可以自动连续落料，落料检测使用微动开关。工件落到传送带上，检测工件到位，启动传输器，依次检测工件工位、高度、材质、颜色后，进行双位置推送。先推送至荷重工位进行重量检测，再推送至电动滑台托板，待分拣。最后通过气动推送装置将工件分拣至指定滑道。仓储滑道数量5个。按下启动按钮，系统开始运行、按下停止按钮，系统停止运行。重新启动设备前，先按下复位按钮，使程序内部参数复位。3.1.1电机及减速器的选型计算已知整个装置上工件与零件的重量，我们取总重量为3Kg，范围为50mm~300mm，移动速度为1~2r/min。即：具体的步进电机设计计算如下:1、确定运行时间本次设计加速时间负载速度（m/min）有速度可知每秒上升50mm，电机转速3.负载转矩式中：4.负载惯量上下垂直运动丝杆螺母惯量式中总惯量5.电机转矩启动转矩必须转矩S为安全系数，这里取1.0。根据以上得出数据，我们选用直流无刷电机型号为92BL-A，此无刷直流步进电机厂家为南京森宇机电的产品。根据电机的特性曲线以及参数表如下：根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用直流无刷电机型号为92BL-4030H1-LK-B，电机额定功率为0.4KW，额定转矩为1.3N.m，最大转矩为2.6N.m，额定转速为3000r/min。电机大致图如下：外形尺寸92x92x86，电机输出轴径为14mm。3.2确定i/o点数根据控制要求，采用触摸屏控制，PLC的输入信号全部来自传感器，光电传感器2个，电容式接近开关传感器3个，电感式接近开关传感器1个，机械手各动作到位检测传感器5个，A、B气缸动作到位检测传感器4个，共计15个。输出包括指示灯3个，供料电机1个，皮带电机1个，机械手控制气缸动作的电磁阀7个，控制A、B气缸动作的电磁阀4个，共计16个。输入输出共需要I/O点31个。下面列出了物料自动分拣机的PLC的输入\输出点分配表，见表3.33.3PLC的选择根据上面所确定的I/

O

点数，且该材料分拣装置的控制为开关量控制。因此，选择一般的小型机即可满足控制要求。本系统选用三菱公司的FX

2N系列48MR型PLC。它有24个输入点，24个输出点，满足本系统的要求。根据表3.3和如上所述，画出自动物料分拣机PLC控制接线图如图3.5所示:311524自动物料分拣机PLC控制系统软件的设计169424.1PLC简介4.1.1PLC的定义PLC即可编程控制器（Programmable

Logic

Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（InternationalElectrical

Committee颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义;PLC英文全称Programmable

Logic

Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC是可编程逻辑控制电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。在传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC最基本最广泛的用于开关量的逻辑控制，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制，顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机，印刷机，订书机，自动物料分拣机，磨床，包装等。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环保及文化娱乐等各个行业，使用广泛。随着应用领域的日益扩大，PLC技术及其产品仍在继续发展，主要朝着以下的方面发展。

微型化、网络化、开放性；

2）智能模块化；

3）编程语言的标准化和高级化；网络通信功能标准化。5.7PLC的选型及硬件配备根据上述控制特点，采用小型PLC即可满足功能要求。由于西门子S7-200系列属于小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样。特别是S7-2000PU22*系列PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。可用梯形图、语句表和功能图三种语言来编程。且指令功能强，易于掌握、操作方便。近年来，S7-200PLC已在工业各领域得到了广泛的应用。S7-200

CPU22*系列PLC共有五种CPU模块其各自的技术指标见表3.2。，由于存在模拟量输入输出，需要增加模拟量输入输出模块，在西门子S7-200系列PLC中有专门的模拟量I/O扩展模块。4.1.2PLC的用途目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1、开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑。2、模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3、运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用16路的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、自动物料分拣机、机器人、电梯等场合。4、过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行16路的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。PLC具体的组成图如下图所示：

同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU随机型不同而不同，常用有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器(如AMD29W等)。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。

目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8个CPU。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。

在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：1）接收从编程器输入的用户程序和数据。2）

诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。3）

通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。4）

从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。5）

根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

系统程序是由PLC的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插在PLC的编程插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的FX-20P-E简易编程器。智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的GP-80FX-E智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在PLC产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当PLC提供的用户存储器容量不够用，许多PLC还提供有存储器扩展功能。

输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口，其基本原理电路如图3所示。

PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插在PLC的编程插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的FX-20P-E简易编程器。智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的GP-80FX-E智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。专用编程器只能对指定厂家的几种PLC进行编程，使用范围有限，价格较高。同时，由于PLC产品不断更新换代，所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此，现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买PLC厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的PLC程序开发系统。基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。4.2控制系统程序的设计根据所绘顺序功能图，在编程软件中编写梯形图程序。以下为程序简介。如下图所示为程序结构框图，下面将分别介绍各段程序。4.2.1急停急停程序，当需要急停时，拍下“急停”按钮，对程序进行复位，并初始化！其具体结构流程图如下：4.2.1计数器复位计数器复位程序，当在触摸屏上点击“清除数据”时，对C220、C221、C222进行复位，清除所记数据，其具体结构流程图如下：4.2.3正常停止正常停止程序，点击触摸屏上的“停止”按钮，运行指示灯（绿灯）熄灭。若机械手已无夹持工件，系统就会在完成工件的传送与分拣后，回到原点位置上，进入待机状态并解除停止信号。若机械手夹持有工件，则系统会继续进行工件的传送与分拣，在工作完成后才停止运行并使系统回到原点位置上，进入待机状态并解除停止信号。其具体结构流程图如下：4.2.3供料电机控制供料电机控制程序。按下启动按钮后，程序运行，运行指示灯（Y001）亮，位置Ⅰ传感器（X011）检测有无工件，若无工件，Y007得电闭合，驱动电机，供料盘转动，传感器检测到物料后，停止电机转动。其具体结构流程图如下：根据表3.3和如上所述，画出自动物料分拣机PLC控制接线图如图3.5所示:

结论在最近的一段时间的毕业设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度本文所设计的是自动物料分拣机控制系统的设计，通过初期的定稿，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最后，感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。参考文献[1]郑淑芳PLC控制系统的设计北京：科学出版社，2004.5[2]黄长艺PLC控制系统概述北京：机械工业出版社，2005.1.[3]周宏甫.自动物料分拣机PLC控制系统