机电一体 毕业设计.docx
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机电一体毕业设计
毕业论文
完
全
自
创
泸州职业技术学院
毕业论文
基于FX-2N型PLC的物料分拣系统设计
学生姓名
笨小鱼
所在系
机械电力工程系
班级
08级机电3班
专业
机电一体化技术
指导教师
2011年6月10日
摘要
随着工业自动化的普及和发展，可编程控制器的需求量逐年增大，应用领域也越来越广。
本设计基于FX-2N型PLC控制的物料分拣系统由上料机构、搬运机械手机构、物料传输分拣机构组成，对三种不同的物料进行分类分拣。
灵活运用传感器对物料进行检测、识别、以及对机械手的状态检测。
在本设计中运用了步进电机进行旋转角度的精确定位，利用变频控制技术对物料传输速度进行了设计。
现目前物料分拣系统运用甚广，系统中设计到搬运机械手也广泛应用在各行各业。
本次设计应用了大部分在校所学的知识，将各种元器件通过逻辑关系有序的联系起来，构成物料分拣系统，实现了光机电一体化。
关键词：
FX-2N型PLC搬运机械手物料分拣变频器控制
引言
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。
随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。
同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作，更需要自动控制系统来实现。
现在工业控制的三大支柱中PLC控制越来得到重视，在本设计中难点的是搬运机械手的设计。
机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。
工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。
在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
物料分拣系统，采用日本三菱公司的FX-2N型PLC，对物料的存放，机械手的上下、左右、步进旋转以及抓取运动，物料的传输速度、分拣进行控制。
我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，模拟实现了物料分拣系统控制的机电一体化。
第一章系统的组成及控制要求
物料分拣系统由上料机构、搬运机械手、皮带输送线、物件分拣机构组成。
该系统动力由气压供能，PLC通过直接控制电器执行元件和间接控制气动执行元件来实现系统功能，模拟实现了机电一体化。
图1.1为系统流程简图。
上料机构
无物料报警停机
光电传感器检测放料台有无物料？
无
有
等待机械手搬运物料
搬运机械手机构工作
无
光电传感器检测入料口有无物料？
有
皮带传输机构工作
物料分拣机构工作
图1.1PLC控制系统机构流程简图
1.1系统的组成
1.1.1上料机构
上料机构如图1.2所示。
由井式工件库、光电传感器、工件、存放料台、推料气缸、安装支架等组成。
主要完成将工件依次送至存放料台上。
没有工件时，报警指示黄灯闪烁，放入工件后闪烁自动停止。
图1.2上料机构实物图
1.1.2搬运机械手机构
搬运机械手机构如图1.3所示。
由气动手爪、双导杆气缸、单杆气缸、电感传感器、磁性传感器、多种类型电磁阀、步进电机及驱动器组成。
主要完成通过气动机械手手臂前伸，前臂下降，气动手指夹紧物料，前臂上升，手臂缩回，手臂旋转到位，手臂前伸，前臂下降，手爪松开将物料放入料口，机械手返回原位，等待下一个物料到位等动作。
图1.3搬运机械手机构实物图
1.1.3物料传输分拣机构
物料输送与分拣机构如图1.4所示。
由皮带输送线、分拣料槽、单杆气缸、旋转气缸、三相异步电动机、磁性传感器、光电传感器、电感传感器、光纤传感器及电磁阀等组成。
主要完成物料的输送和分拣任务。
（1号料槽：
用于放置金属物料；2号料槽：
用于放置白色尼龙物料；3号料槽：
用于放置黑色尼龙物料。
）
图1.4物料传输与分拣机构实物图
1.2系统控制要求
本设计中系统对三种不同的物料（金属铝物料、白色纤维物料、黑色纤维物料）进行上料、搬运、运输和分类分拣，基于PLC的控制可实现系统的自动化和半自动化控制。
（1）上料机构
在复位完成后，点动“启动”按钮，料筒光电传感器检测到有工件时，推料气缸将工件推出至存放料台，若3秒钟后，料筒检测光电传感器仍未检测到工件，则说明料筒内无物料，这时警示黄灯闪烁，放入物料后熄灭；机械手将工件取走后，推料气缸缩回，工件下落，气缸重复上一次动作。
（2）搬运机械手机构（自动控制+手动控制）
1）自动控制：
（旋转开关打到自动挡）
当存放料台检测光电传感器检测物料到位后，机械手手臂前伸，手臂伸出限位传感器检测到位后，延时0.5秒，手爪气缸下降，手爪下降限位传感器检测到位后，延时0.5秒，气动手爪抓取物料,手爪夹紧限位传感器检测到夹紧信号后；延时0.5秒，手爪气缸上升，手爪提升限位传感器检测到位后，手臂气缸缩回，手臂缩回限位传感器检测到位后；手臂向右旋转，手臂旋转一定角度后，手臂前伸，手臂伸出限位传感器检测到位后，手爪气缸下降，手爪下降限位传感器检测到位后，延时0.5秒，气动手爪放开物料,手爪气缸上升，手爪提升限位传感器检测到位后，手臂气缸缩回，手臂缩回限位传感器检测到位后，手臂向左旋转，等待下一个物料到位，重复上面的动作。
在分拣气缸完成分拣后，再将物料放入输送线上。
2）手动控制：
（旋转开关打到手动挡）
手臂缩回限位传感器检测到位，按一下“手臂伸出/缩回按钮”时手臂伸出，手臂伸出限位传感器检测到位后再按一下按钮手臂缩回，如此按下同一按钮，手臂在伸出与缩回两态间往复循环。
手爪上升限位传感器检测到位，按一下“手爪下降/上升按钮”时手爪下降，手爪下降限位传感器检测到位后再按一下按钮手爪上升，如此按下同一按钮，手爪在下降与上升两态间往复循环。
按一下“手爪夹紧/松开按钮”时手爪抓紧，手爪夹紧限位传感器检测到夹紧信号后，再按一下按钮手爪松开，如此按下同一按钮，手爪在夹紧与松开两态间往复循环。
当搬运机械手在基准位子时，按一下“手臂右旋/左旋按钮”手臂向右旋，当旋转63°后，再按一下按钮手臂再向左旋转63°，如此按下同一按钮手臂在向右旋转与向左旋转两态间往复循环。
（3）运输与分拣机构
当入料口光电传感器检测到物料时，变频器接收启动信号，三相交流异步电机以30HZ的频率正转运行，皮带开始输送工件，当料槽一到位检测传感器检测到金属物料时，推料一气缸动作，将金属物料推入一号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过时，电动机停止；当料槽二检测传感器检测到白色物料时，旋转气缸动作，将白色物料导入二号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过时，旋转气缸转回原位，同时电动机停止；当物料为黑色物料直接导入三号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过时，电动机停止。
（4）启动、停止、复位、警示
1）系统上电后，点动“复位”按钮后系统复位，将存放料台、皮带上的工件清空，点动“启动”按钮，警示绿灯亮，缺料时警示黄灯闪烁；放入工件后设备开始运行，尽量避免人为的干扰，以免影响设备正常运行。
2）按“停止”按钮，所有部件停止工作，警示红灯亮，缺料警示黄闪烁。
（5）突然断电的处理
突然断电，设备停止工作。
电源恢复后，点动“复位”按钮，再点动“启动”按钮，系统按照工作流程工作。
2.5三菱FX-2N型PLC的编程语言和程序结构
2.5.1PLC的编程语言
PLC提供的编程语言通常有：
梯形图编程语言（LAD）、指令语句表编程语言（STL）、顺序功能图（SFC）和功能块图（FBD）。
（1）梯形图编程语言（LAD）
梯形图（Ladder）编程语言（如图1.6所示）是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。
两者基本思想一致，只是在使用符号和表达式上有一定区别。
图1.6梯形图编程语言
梯形图中一个关键概念是“能流”（PowerFlow），这只是概念上的“能流”。
如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。
如没有“能流”，则线圈未被激励。
梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。
（2）语句表（STL）
图1.7指令语句表编程语言
语句表（StatementsList）类似于计算机中的助记符语言（如图1.7所示），它是用一个或几个容易记忆的字符来代表PLC的某种操作功能。
（3）顺序功能图（SFC）
顺序功能流程图（SequenceFunctionChart）编程是一种图形化的编程方法（如图1.8所示），亦称功图。
使用它可以对具有并行发生、多种选择等复杂结构的系统进行编程。
许多PLC提供了用于SFC编程的指令。
第六章详述。
图1.8顺序功能图
（4）功能块图（FBD）
功能块图在西门子S7-200的PLC中专门提供了功能块图（FunctionBlockDiagram）编程语言（如图1.9所示），利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑框指令。
它没有梯形图编程器中的触点和线圈，但有与之等价的指令，这些指令是作为逻辑框指令出现的，程序逻辑由这些逻辑框指令之间的连接决定。
2.6变频器简介
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。
2.6.1变频器的分类
交—交型
变频器分为
交—直—交型
（1）交—交型型变频器
交——交型型变频器可将工频交流直接转换成频率，电压均可控制的交流，又称直接式变频器。
（2）交—直—交型
交—直—交型变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电，然后再把直流电百变换成频率、电压均可控制的交流电，又称为间接型变频器。
2.6.2变频器的基本组成
整流器
主电路中间直流环节
逆变器
控制电路组成
（1）交直交型变频器主电路如图2.9所示
图2.9变频器主电路
（2）交直交型变频器控制电路（如图2.10所示）
图2.10变频器控制电路图
2.6.3三菱变频器控制面板
随着节能的普及和工业自动化的推广，变频器的使用越来越广，在本设计中使用的是三菱简易通用型变频器，图3.6为变频器操作面板。
图3.6变频器操作面板
2.6.4变频器主要参数设定
序号
参数代号
初始值
设置值
功能说明
1
P1
120
50
上限频率（Hz）
2
P2
0
0
下限频率（Hz）
3
P3
50
50
电机额定频率
4
P4
50
50
多段速度设定（高速）
5
P5
30
30
多段速度设定（中速）
6
P6
10
10
多段速度设定（低速）
7
P7
5
2
加速时间
8
P8
5
0
减速时间
9
P79
表2.1变频器参数设定
0
3
运行模式选择
变频器的参数设置方法在此就不着重说明，在本设计中将要求的是变频器以30Hz的输出频率工作。
故将参数设为30Hz如表2.1。
第三章系统硬件设计
系统的硬件部分包括机械元件、气动元件、PLC输入\输出电气元件。
在本设计中主要对三菱FX-2N型PLC相关电气硬件部分进行设计及说明。
3.1电气元件名称及功能
3.1.1输入电气元件
（1）光电传感器SB03-1K
位置：
位于料库下外侧
作用：
检测料库中有无物料
物料检测传感器为光电漫反射型传感器，检测到有物料时推料气缸将物料推出到存放料台，有物料时为PLC提供一个输入信号。
（2）光电传感器SB03-1K（如图3.1所示）
位置：
位于存放料台下方
作用：
检测存放料台上有无物料
漫反射式直流NPN三线常开，当检测到存料台
上有物料时为PLC提供一个输入信号。
（3）光电传感器SB03-1K
图3.1光电传感器SB03-1K
位置：
位于入料口中间外侧
作用：
检测入料口有无物料进入
漫反射式直流NPN三线常开，当检测到入料口
有物料时为PLC提供一个输入信号。
（4）光电传感器WS/WE100-N1439
位置：
位于料槽一与料槽三入口外侧
作用：
检测物料是否经过料槽一、二、三
该光电传感器为分体直射型，当检测到物料进入
料槽时为PLC提供一个输入信号。
（5）磁性传感器D-A73（如图3.2所示）
位置：
位于气缸两端
作用：
用于检测气缸伸出缩回是否达到限位位置
图3.2磁性传感器D-A73
点检测气缸达到限位位子时为PLC提供一个输入
信号。
（6）电感传感器LE4-1K（如图3.3所示）
位置：
机械手旋转支柱下侧旁
作用：
检测机械手是否在基准位子
机械手臂左摆或右摆到位后，电感传感器向PLC提
供一个输入信号。
（7）电感式传感器
位置：
位于料槽一前、皮带上方
作用：
检测金属材料
当金属物料经过时，传感器向PLC提供一个输入信号。
（8）光纤传感器
位置：
位于料槽一与料槽二的皮带传输的中间上方
作用：
用于检测非金属的白色物料
当光纤传感器检测到白色物料时为PLC提供一个输入信号。
其检测距离为3~8mm，检测距离可通过传感器放大器的电位器调节。
（9）按钮（7个）
控制系统的启动（绿色）、停止（红色）、复位（黄色）；4个用于机械手的手动控制。
（10）旋转开关
用于控制机械手自动控制与手动控制的转换。
3.1.2输出电气元件
（1）警示灯
在设备停止时警示红灯亮，在设备运行时警示绿灯，在无物料或停止时警示黄灯闪烁
（2）电磁阀
通过PLC控制电磁阀来控制气缸的动作。
（3）变频器
当入料口检测到有物料时PLC向变频器提供驱动信号，变频器驱动三项异步电动机按设定频率转动。
（4）步进电机驱动器
接受PLC的控制脉冲信号，正反转信号，使能信号。
控制机械手手臂的旋转，通过脉冲个数进行精确定位。
3.1.3执行电气元件
（1）推料气缸（如图3.3所示）
将工件推到存放料台上，由单向电控气阀控制。
（2）推料一气缸
将金属物料推入料槽一，由单向电控阀控制。
图3.3气缸实物图
（3）气动手爪
完成工件的抓取动作，由双向电控阀控制，手爪夹紧时磁性传感器有信号输出，磁性开关指示灯亮。
（4）双导杆气缸
控制机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制。
（5）单杆气缸
控制气动手爪的提升、下降，由双向电控气阀控制。
（6）导料气缸
在检测到有白色物料时，将导料块旋转到相应的位置，由双向电控气阀控制。
（7）步进电机
有步进电机驱动器控制，用与实现机械手臂的旋转。
（8）皮带输送线
由三相交流异步电动机拖动，将物料输送到相应的位置。
（9）三相异步电动机
驱动传送带转动，由变频器控制。
3.2系统气动回路原理图
3.2.1气动回路原理图分析
气动回路原理图由气源装置、单杆气缸、双杆气缸、旋转气缸、单电控二位五通阀、双电控二位五通阀等组成。
当电磁阀有处于初始位置（单控电磁阀不得电）时。
送料气缸、手臂伸缩气缸、手臂升降气缸、推料气缸均处于收缩状态，手爪气缸处于放松状态，旋转气缸处于原位。
当个气缸对应的单控电磁阀得电时，气动回路换向，在对应得电电控阀的作用下气缸推出。
旋转气缸电控阀得电时气缸旋转，手爪气缸交换的得电时，手爪夹紧。
3.3输入/输出（I/O）点分配
（1）输入点分配及说明
序号
PLC地址
名称
功能说明
1
X0
启动按钮
系统启动
2
X1
停止按钮
系统停止
3
X2
复位按钮
系统复位
4
X3
物料检测光电传感器
检测料库有无物料
5
X4
物料推出检测光电传感器
检测放料台上有无物料
6
X5
推料伸出限位传感器
检测推料气缸是否退出
7
X6
推料缩回限位传感器
检测推料气缸是否缩回
8
X7
手臂伸出限位传感器
检测手臂是否伸出
9
X10
手臂缩回限位传感器
检测手臂是否缩回
10
X11
手爪下降限位传感器
检测手爪是否下降
11
X12
手爪提升限位传感器
检测手爪是否提升
12
X13
手爪夹紧限位传感器
检测手爪是否夹紧
13
X14
机械手基准传感器
检测机械手是否在基准位置
14
X15
推料一伸出限位传感器
检测推料一气缸是否推出
15
X16
推料一缩回限位传感器
检测推料一气缸是否缩回
16
X17
导料转出限位传感器
检测导料气缸是否旋转到位
17
X20
导料原位限位传感器
检测导料气缸是否回原位
18
X21
入料检测光电传感器
检测物料是否放入入料口
19
X22
料槽一检测传感器
检测金属物料
20
X23
料槽二检测传感器
检测白色物料
21
X24
分拣槽检测光电传感器
检测有无物料进入料槽
22
X25
机械手自动与手动转换开关
自动与手动转换
23
X26
手臂伸出/缩回按钮
手臂伸出/缩回控制
24
X27
手爪下降/上升按钮
手爪下降/上升控制
25
X30
手爪夹紧/松开按钮
手爪夹紧/松开控制
26
X31
表3.1输入点分配及说明
手臂右旋/左旋按钮
手臂右旋/左旋控制
（2）输出点分配（表3.2）
序号
PLC地址
名称
功能说明
1
Y0
步进电机驱动器PUL-
输出脉冲
2
Y1
步进电机驱动器DIR-
方向控制
3
Y2
步进电机驱动器ENA-
使能控制
4
Y3
电磁阀
物料推出
5
Y4
电磁阀
手臂伸出
6
Y5
电磁阀
手爪下降
7
Y6
电磁阀
手爪夹紧
8
Y7
电磁阀
手爪松开
9
Y10
电磁阀
推料气缸
10
Y11
电磁阀
导料气缸
11
Y12
警示红灯
停止指示灯
12
Y13
警示绿灯
启动指示灯
13
Y14
警示黄灯
物料报警指示灯
14
Y15
变频器STF
变频器驱动控制
表3.2输出点分配及说明
3.4PLC的选型
在第二章中已对PLC进行了简单介绍，在设计中应用的是三菱FX-2N型PLC。
日本三菱可编程控制器分为F、F1、F2、FX0、FX2、FX0N、FX0S、FX2N、FX2NC等几个系列，其中F系列是早期产品，现已停产。
FX2系列是1991年推出的产品，是加强型的小型机。
FX2N是三菱公司的近期产品，按叠装式配置，是日本高性能小型机中的代表作。
三菱FX系列常见型号如下图3.1所示。
图3.4三菱FX系列PLC
3.4.1系统对PLC的要求
（1）功能要求
在满足一般开关量输入信号控制要的同时，系统要进行步进电机控制，要求输出脉冲信号，所以输出类型要是晶体管输出（T）。
（2）I/O点数要求
系统所需输入点数为26点；
系统所需输出点数为14点。
在实际统计出的I/O点数的基础上加15%——20%的备用量，以便今后调整和扩展。
3.4.2确定PLC型号
根据上述要求可暂定型号为：
三菱FX2N-64MT。
考虑到FX2N-64MT与FX2N-48MT相比价格稍微较贵。
但FX2N-48MT的输入点数能不能满足系统要求，但也可选用扩展模块比如：
FX2N-8EX（输入点为8的扩展模块）。
考虑多方面因素：
最后确定可编程控制器型号为：
三菱FX2N-64MT（如图3.2所示）
图3.5三菱FX2N-64MTPLC
3.5步进电机设计
在本设计中选用的步进电机型号为：
57BYG350CL-SAKSML050，选配的步进电机驱动器型号为：
3MD560。
3.5.1步进电机简介
（1）步进电机相关参数如图3.6所示：
图3.6步进电机参数
3.5.2步进驱动器（3MD560）
3MD560细分型三相混合式步进电机驱
动器如图3.7所示，采用直流18-50V供电，
适合驱动相电流小于6A、外经42-86毫米的
三相混合式步进电机。
此驱动器采用交流伺
服驱动器的电流环进行细分控制，电机的转
矩波动很小，低速运行平稳，几乎没有振动
图3.7步进电机驱动器3MD560
和噪音。
高速时力矩也大大高于二相混合式
步进电机，定位精度高。
（1）功能简介：
纯正弦电流控制，驱动电流可达6.0A；直流供电电压18-50VDC；光电隔离信号输入/输出；有过压、欠压、过流、相间短路、过热保护功能；八档细分和自动半流功能；十六档输出相电流设置；具有相位记忆功能（电机停止5秒后再断电，可保持电机上下电位置不变）；高启动转速；具有脱机命令输入端子；电机的扭矩与它的转速有关，而与电机每转的步数无关。
广泛适用于雕刻机、数控机床、切割机和绘图仪等分辨率要求较高的设备上。
（2）在本系统中设置参数设置如表3.3所示。
1）电流设定细分设定
电流值（A）SW1SW2SW3SW4
1.5AOFFOFFOFFOFF
2.6AOFFOFFONOFF
4.1AONOFFOFFON
5.2AONOFFONON
6.0AONONONON（设定值）
2）步数/圈SW6SW7SW8
200ONONON
400OFFONON
500ONOFFON
1000OFFOFFON
2000ONONOFF
4000OFFONOFF
5000ONOFFOFF
10000OFFOFFOFF（设定值）
序号
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
SW7
SW8
开关状态
ON
ON
ON
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
表3.3步进电机驱动器参数设置
（3）脉冲个数计算：
在模拟系统中步进电机左右旋转的角度为63°，步进驱动器所设置的细分步参数为10000步/圈，电流值为6.0A。
所以PLC的Y0口产生脉冲数N为：
3.6三菱FX-2N型PLC控制原理图
第四章系统软件设计
第3章中已对系统硬件进行了设计，通过各类输入输出元器件为实现系统功能做好了准备，本章利用PLC作为核心控制部件将各类元器件通过逻辑关系联系起来，实现系统控制要求。
4.1三菱编程软件、模拟仿真软件
今年来，各PLC厂家都相继开发了基于个人计算机的图示化编程软件，例如西门子S7-200系列可编程控制器使用的STEP7Micro/WIN32编程软件，三菱FX2N系列PLC使用的SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件等。
这些软件一般都具有编程及程序调试等多种功能，是PLC用户不可缺少的开发工具。
4.1.1三菱PLC编程软件
GXDeveloper是三菱PLC的编程软件（如图4.1所示）。
适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。
支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上
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