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36大小球分拣
毕业论文
题目PLC控制大小球分拣系统设计
姓名学号
系（院）________班级__________
指导教师________职称__________
年月日
摘要
机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。
因为，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。
在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。
在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。
用于分捡大小球的机械装置。
我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。
关键词：
机械手PLC大小球
目录
摘要I
目录II
第一章PLC应用系统设计基础1
1.1PLC控制系统设计的原则和内容1
1.2PLC的选型1
第二章PLC控制系统硬件设计3
2.1按钮和行程开关的选择3
2.2接近开关、转换开关、刀开关的选择3
2.3时间继电器、接触器的选择4
2.4熔断器、电动机的选择4
2.5电磁阀的选择5
第三章大小球分选系统中PLC机械手的设计6
3.1机械手总体结构方案分析6
3.2程序设计的总体结构8
3.3I/O口设备及I/O口点分配表9
3.4状态流程图和梯形图10
第四章调试13
4.1基本指令顺序控制程序13
4.2基本指令与步进指令控制程序13
4.3基本指令、初始状态指令配合步进指令顺序控制程序13
第五章总结与展望14
5.1总结14
5.2本文存在不足和工作展望14
参考文献15
致谢16
第一章PLC应用系统设计基础
PLC应用系统设计主要包括硬件设计、软件设计、施工设计和安装调试等内容。
本课程设计着重在系统设计和程序设计。
1.1PLC控制系统设计的原则和内容
PLC的选择除了应满足技术指标的要求外，还应着重考虑产品的技术支持与售后服务等情况。
最大限度地满足被控对象或产生过程的控制要求。
对于一些原来用继电接触器线路不易实现的要求，使用PLC后，将很容易实现。
在满足控制要求前提下，力求使控制简单、经济、操作和维护方便。
对一些过去较为繁琐的控制可利用PLC的特点加以简化，通过内部程序化外部接线及操作方式。
保证控制系统的安全、可靠。
同时采取“软件兼施”的办法。
考虑到生产的发展和工艺的改进，选择PLC容量及I/O点数时，应适当留有裕量。
一个系统完成后，往往会发现一些原来没有考虑到的问题，或者新提出的问题，如果事先留有裕量。
则PLC系统极易修改。
同时对日后系统工艺的变更提供方便。
当然对于不同的用户，要求的侧重点不同，设计的原则也应有所区别，如果以提高产品和安全为目标，则应将系统可靠性放在设计的重点，设置考虑采取冗余控制系统；如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化；如果系统工艺经常变更，则事先充分考虑。
1.2PLC的选型
在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点。
1.性能与任务相适应
对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型PLC（如西门子公司S7-200系列PLC或OMON公司系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。
对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的COM/CQM1H型PLC。
对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、通信联信网4等，可选用中大型PLC（如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1等PLC）。
当系统的各个控制对象分布在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，一组成一个分布式的控制系统。
2.PLC的处理速度应满足时实控制的要求
PLC工作时，从输入信号控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在1～2个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般工业控制是允许的。
但有些设备的实时性要求教高，不允许有教大的滞后时间。
例如，PLC的I/O点数在几十到几千点范围内，这时用户应用程序的长短对系统的响应速度会有较大的差别。
滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普通继电器的动作时间。
3.PLC应用系统结构合理、机型系列应统一
PLC的结构分为整体式和模块式两种。
整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。
模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式灵活。
维修更换模块、判断与处理故障快方便，适用于工艺过程变化教多、控制要求复杂的系统。
在使用时，应按实际具体情况进行选择。
结合以上几点，在设计PLC机械手在大小球分选系统中用的PLC的选型为FX2N系列的可编程控制器，FX2N系列的PLC采用一体化箱体结构，其基本单元将所有的电路，含CPU、储存器、输入输出接口及电源等都装在一个模块内，是一个完整的控制装置。
这样结构紧凑，体积小巧，成本低，安装方便。
FX2N系列PLCFX2N系列基本单元的输入输出比为1：
1。
为了实现输入输出点数的灵活配置及功能的灵活扩展，FX2N系列PLC还配有扩展单元、扩展模块及特殊功能单元。
扩展单元是用于增加I/O点数的装置，内部设有电源。
扩展模块用于增加I/O点数及改变I/O比例，内部无电源，用电由基本单元或扩展单元供给。
因扩展单元及模块无CPU，必须与基本单元一起使用。
特殊功能单元是一些专门用途的装置。
FX2N系列PLC都是同宽同高不同长度的模块，这样几个模块拼装起来后就成了一个整齐的长方形结构。
根据输入和输出点的需要，即选择FX2N—48MR-001的PLC。
第二章PLC控制系统硬件设计
2.1按钮和行程开关的选择
2.1.1按钮的选择原则：
（1）根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式，防水式，紧急式等。
（2）根据用途，选用合适的型式，如钥匙式，紧急试，带灯式等。
（3）按控制回路的要求，确定不同的按钮数，如单钮，双钮，三钮，多钮等。
（4）按工作状态指示和工作情况的要求选择按钮及指示灯的颜色。
按钮的参数：
一般规格为交流500V，允许持续电流为5A，红色按钮表示停
止按钮，绿色表示启动，为了区别按钮颜色，按钮的选择为LA25—D，指带指示灯的按钮。
2.1.2行程开关的选择：
行程开关的分类：
直动式，滚动式和微动式三种。
直动式行程开关的优点是结
构简单，成本低，但容易烧蚀触头。
滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点，但其结构复杂，价格也较高，所以选择微动式行程开关体积小，动作灵敏，适用于小型机构中使用。
即型号为:
LX32—4S
2.2接近开关、转换开关、刀开关的选择
1.接近开关的选择
接近开关是一种对接近它的物体有“感知”能力的元件—位移传感器，利用传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。
在设计中，接近开关SQO用于检测是否有球，SQ1—SQ5分别用于传送机械手上下左右运动的定位。
接近开关分为霍尔接近开关，超声波接近开关，高频振荡式接近开关，霍尔接开关用于检测磁场，一般用磁场钢作为被检测体。
超声波接近开关适用检测不能或不可触及的目标，其控制功能不受声、电、关等因素干扰，检测物体可以是固体、液体、或粉末状态的物体，只要能反射波用的电子装置及调节检测范围用的程控桥式开关等几个部分组成，高频振荡式接近开关用于检测各种金属，主要由高频振荡器，集成电路晶体管放大器和输出器三部分组成。
接近开关的产品种类十分丰富，常用的国产解决开关有LJ，3SG和LX18等。
LJ5系列接近开关采用磁振荡原理，用来检测金属物体的存在。
它采用国际统一的外形及安装尺寸，圆柱螺纹安装，外壳防护等级IP65，允许周围温度范围-25℃～-30℃。
同一产品适用电压范围为AC30～200V，DC10～30V（二线型）和（三线型），开关寿命可达3000万次以上，接近开关类型即为：
LJ5A—10/330
2.转换开关的选择
转换开关是一种多档位，多触点，能够控制多回路的主令电器，可以用于控制小容量电动机的启动、换向、调速、正反转控制等，常用的万能转换开关有LW2、LW5、LW6、LW8等系列，在设计机械手大小球分选系统中操作方式有手动，单周期，连续。
所以选LW5系列的万能转换开关比较使用。
3.刀开关的选择
刀开关是一种手动电器，为了简单，方便，选择HD型单投刀开关，分为1级，2级，3级，其型号为HD13B—200/3
2.3时间继电器、接触器的选择
1.时间继电器的选择
时间继电器在控制电路中用于时间的控制，有JS23，JS27A，JSK□，7PR，SS—18等系列的时间继电器。
经过调查对比，JS27系列时间继电器是国内厂家90年代针对起重电控行业特点开发的产品，适用于交流50HZ，电压至380V。
直流电压至220V的电路中，控制延时通断，能在起重机工作振动和户外等工作，符合设计的要求，即时间继电器型号为JS27A
2.接触器的选择
接触器的选型：
（1）根据负载性质选择接触器类别，一般交流负载选择交流接触器，直流负载选择直流接触器。
（2）根据被控电路电流大小和使用类别选择接触器的额定电流。
（3）根据被控电路电压等级来选择接触器的额定电压。
（4）根据控制电路的电压等级选择接触器线圈的额定电压。
根据以上所述选择交流电磁式接触器，CJ12系列接触器适用于交流50HZ，额定工作电压至380V，额定电流至600A的电路中。
供远距离接通如分断电路及对电动机频繁进行等设备上。
其型号为CJ12—600。
2.4熔断器、电动机的选择
1.熔断器的选择
熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路，熔断器具有结构简单，体积小，重量轻，使用维护方便，价格低廉，分断能力较高，限流能力良好等优点，熔断器有NT、RT、RL、RLS2、FA4等型式的熔断器，RT系列为有填封闭管式熔断器，可在500V以下交流系统中作过载及短路保护用，这种熔断器为螺栓连接，可直接连在母线排上，尤其适合开关熔断器组选用，RT15型熔断器最大额定电流400A，额定分断能力100KA。
2.电动机的选择
电动机是选交流的，而电动机分为异步电动机和同步电动机两大类，异步电动机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。
由于异步电动机具有结构简单，制造，使用方便，运行可靠，成本低廉，效率较高等优点而得到广泛应用。
例如，在工业生产中，异步电动机用于拖动中小型轧钢设备，各种金属切削机床，轻工机械和矿山机械等；在农业生产中，异步电动机用于拖动水泵，粉碎机以及其他农副产品的加工机械；在民用电器方面的电风扇、洗衣机、电冰箱、空调机等也都是用异步电动机拖动的。
所以电动机选交流异步电动机为好，即选YZ系列的三相异步电动机，为笼型异步电动机。
2.5电磁阀的选择
电磁阀的分类：
国内外的电磁阀从原理上分为三大类（即：
直动式、分步童先导式），而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类（直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构）。
电磁阀的优点：
耐高温电磁阀是间接先导式平衡电磁阀，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、使用范围广等，设计所选用的电磁阀为双线圈电磁阀2个，型号为VF3230，单线圈电磁阀1个，型号为VF3130。
第三章大小球分选系统中PLC机械手的设计
3.1机械手总体结构方案分析
在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，如图3.1为使用传送带将大、小球分类选择传送装置的示意图。
为设计一个机械手对大小球进行分选，实现将工件夹起后，通过电动机和限位开关把工件下放到指定的地方，机械手通过PLC控制，可以达到整个过程的全自动依次运行。
工作顺序是向系下，抓住球，向上，向右运行，向下，释放，向上和向左运行至左上点（原点）抓球和释放球的时间为1秒。
图3.1大小球分拣示意图
1.任务的要求：
（1）工作方式设置为手动操作和自动操作。
（2）有必要的电气保护和连锁。
2.设计分析
机械结构和运动过程：
如上图所示是一气动机械手动作示意图,其功能是将大、小球经过机械手分选系统把它们分别放在大球位，和小球位。
气动机械手的升降和左右移行分别使用了双线圈的电磁阀，在某方向的驱动线圈失电时能保持在原位，必须驱动反方向的线圈才能反向运动。
上升、下降对应的电磁阀线圈分别是YV2、YV1，右行、左行对应的电磁阀线圈分别是YV3、YV4。
机械手的夹使用单线圈电磁阀YV5，线圈通电时夹紧大小球，断电时松开大小球。
通过设置限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别对机械手的下降、上升、左行、右行进行限位，而夹不带限位开关，它是通过延时1.7S来表示夹紧、松开动作的完成的。
3.控制要求：
机械手的控制要求分为手动操作和自动操作两种方式。
自动操作又分为单步、单周期和连续运行等3种。
（1）手动操作
供维修用，既用按钮要求对机械手的每一种动作进行单独控制。
如，按“上升”按钮，机械手上升，松上升”按钮，停止上升。
（2）单步运行
供调试用。
既每按一次启动按钮，机械手按自动工作循环的步序向前执行一个动作后停止。
（3）单周期运行
供首次检验用。
当机械手在原位时，按下启动按钮，机械手自动执行一个周期的动作后，停止在原位。
（4）自动连续运行
正常工作用。
当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手周而复始地执行各步动作。
直到按下停止按钮，机械手就停止。
4.机械手操作面板
机械手操作面板示意如下图3.2所示
图3.2控制面板
如上图为机械手的操作面板,机械手能实现手动、回原位、单步、单周期和连续等五种工作方式。
手动工作方式时，用各种按钮的点动实现相应的动作；回原位工作方式时，按下“回原位”按钮，则机械手自动返回原位；单步工作启动方式时，每按一次启动按钮，机械手向前执行一步；选择单周期工作方式时，每按一次启动按钮，机械手只运行一个周期就停下；连续工作方式时，机械手在原位，只要按下启动按钮，机械手就会连续循环动作，直到按下停止按钮，机械手才会最后运行到原位并停下；而在传送大小球的过程中，机械手必须升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其他大小球。
3.2程序设计的总体结构
机械手系统的程序总体结构如下图3.3所示，分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序等四部分。
其中自动程序包括单步、单周期和连续运行的程序，因它们的工作顺序相同，所以可将它们合编在一起。
CJ是条件跳转应用指令，指针标号P□是其操作数。
该指令用于某种条件下跳过自动CJ指令和指针标号之间的程序，从指针标号处继续执行，以减少程序执行时间。
如果选择“手动”工作方式，即X0为ON，X1为OFF，则PLC执行完公用程序后，将跳到自动程序到P0处，由于X0动断触点断开，所以直接执行“手动程序”。
由于P1处的X1的动断触点闭合，所以又跳过原位程序。
如果选择“单步”和“连续”方式，则只执行公用程序和自动程序。
图3.3程序总体结构
3.3I/O口设备及I/O口点分配表
1.I/O口分配表
如表3-1所示
表3-1I/O口点分配
输入元件
输出继电器
输入元件
输出继电器
输入元件
输出继电器
接近开关
X0
停止按钮
X7
电磁阀
Y1
上限位开关
X3
电磁阀按钮
X11
原位指示
Y5
下限位开关
X2
上升暗钮
X12
左移
Y4
左限位开关
X1
下降暗钮
X13
右移
Y3
左移暗钮
X14
上升
Y2
大球位
X5
右移按钮
X15
下降
Y0
小球位
X4
单周/连续
X16
启动按钮
X6
手动
X17
上表可见，系统的输入点分配是：
X1为左限位开关，X2为下限位开关（小球动作、大球不动作），X3为上限位开关，X4为释放小球的中间位置开关，X5是释放大球的右限位开关，X0为系统的运行开关。
系统的输出点分配是：
Y0是机械臂下降，Y2是机械臂上升，Y1是吸球口，Y3是机械臂右移，Y4是机械臂左移，Y5是机械臂停在原点的指示灯。
2.I/O接线图
如图3.4I/O接线图
3.4状态流程图和梯形图
1.状态流程图
根据工艺要求，该控制流程根据吸住的是（大球、小球）有两个分支，此处应为分支点，且属于选择性分支。
分支在机械臂下降之后根据接近开光（X0）的通断，分别将球吸住、上升、右行到SQ4或SQ5处下降，此处应为汇合点。
然后再释放、上升、左移到原点。
其状态转移图如图3.5所示。
当限位开关闭合,机械手臂电磁阀线圈未通电和球箱中存在铁球开关动,这时,按下启动按扭,机械手臂开始下降,由定时器T0控制下降时间,完成动作转换。
为保证机械手臂抓住和松开铁球，采用定时器T0控制抓球时间,采用定时器T0控制放球时间。
机械手臂抓球和放球动作是由电磁阀线圈通电后产生的电磁吸力将铁球吸住,线圈失电后,电磁吸力消失,铁球在重力作用下而下落.为保证电磁阀在机械手运行中始终通电，采用SET指令控制电磁阀线圈得电，RST指令使电磁阀线圈失电。
图3.5状态流程图
2.梯形图
如图3.5梯形图
第四章调试
4.1基本指令顺序控制程序
（1）将梯形图程序输入到计算机。
（2）对程序进行调试运行。
1）将转换开关SA旋至“手动”挡，按下相应的动作按钮，观察机械手的动作情况。
2）将转换开关SA旋至“回原位”，按下回原位按钮，观察机械手是否回原位。
3）将SA旋至“单步”档，每按启动按钮，观察机械手是否向前执行下一动作。
4）将SA旋至“单周期”挡，每按一次启动按钮，观察机械手是否运行下一个周期就停下。
5）将SA旋至“连续”挡，按下启动按钮，观察机械手是否连续运行。
（3）记录调试程序的结果
4.2基本指令与步进指令控制程序
（1）将顺序功能图转换为梯形图输入到计算机。
（2）对程序进行调试运行。
将转换开关选至“连续”挡，先按回原位按钮，再按启动按钮，观察机械手是否连续运行。
（3）记录调试程序的结果。
4.3基本指令、初始状态指令配合步进指令顺序控制程序
（1）将控制程序输入到计算机。
（2）对程序进行调式运行与基本指令顺序控制的相同。
（3）记录调试程序的结果。
第五章总结与展望
5.1总结
短短一个月的毕业设计就要告一段落，纵观整个设计过程，经历了不少的挫折和失败，但最终获得了一定的成功。
可以说在这一过程中我的收获很大，充分认识到自己的薄弱环节，通过理论分析与实践的反复进行和论证，许多问题都有了较好的解决方案。
软件部分采用各部分程序直接转的方式，依次实现了PLC流程图、梯形图、指令表三种机械手控制方式。
用此种方法编写程序条理清晰，连贯性强，但若要增加其它机械手控制方式或进行扩展，程序会变得相当复杂而且容易出错，出错后调试修改也很困难。
收进的方式是将各部分程序写成程序，方便调用和调试。
另外，在本次设计的中，计时、计数、移位等均用软件定时。
此种方法的优点是程序编写比较简单，不需要再编写分支、汇合状态移图的程序，且由于本课对定时精确度要求并不高，适宜采用。
通过此次设计，了解了PLC机械手在大小球分选系统的工作原理，首次学习了一些机械手的工作原理及使用方法。
其中电路及软件实现是此次设计的主要部分。
通过这次综合实践，我更加看清了自己的不足之处。
为了搞好这次毕业设计，通过查阅资料以及在老师和同学的帮助下，最终基本达到了设计目的。
通过实践，巩固了理论知识的学习，提高了实际应用所学知识的能力，还积累了许多宝贵的经验。
特别是老师严谨冶普的态度给我启发不小。
在这次的设计实践过程中，我认识到不管做什么事，尤其是科学实践，都需要大胆假设，小心求证。
任何一个方案都要经过详细周全的论证后才能着手去做，否则即使很快做出来，但经不起推敲和考验。
对于那些要求能够扩展功能的课题更是如此。
5.2本文存在不足和工作展望
在设计中，体会到理论必须和实际相结合。
虽然收集了大量的资料，但在实际应用中却有很多差异，出现了许多意想不到的问题。
许多问题都是书本上是这样，而在实际运用中却很不一样，在经过多次分析修改后，才设计出达到要求的系统
通过这次毕业设计，我感到自己应用基础知识及专业知识解决问题的能力有了很大的提高。
我想，通过这次毕业设计，我对以后的学习，生活，工作都充满了信心。
总之，这次毕业设计对我而言是受益匪浅的。
参考文献
[1]廖常初主编.《PLC基础及应用》.北京：
机械工业出版社,2004
[2]《简明维修电工手册》北京：
机械工业出版社,1993
[3]易传禄主编.《可编程序控制器应用指南》上海科普出版社
[4]方承远主编.《工厂电气控制技术》机械工业出版社
[5]王永华主编.《现代电气及可编程技术》机械工业出版社
[6]汤以范主编.《电气与可编程序控制器技术》机械工业出版社
[7]钟肇新主编.《可编程序控制器原理及应用》华南理工大学出版社
[8]董儒胥主编.《电工电子选训教程》上海交通大学出版社,2006
[9]朱绍祥主编.《可编程序控制器原理与应用》上海交大出版社
[10]王兆义主编.《可编程序控制器教程》机械工业出版社
[11]廖常初主编.《PLC基础及应用》机械工业出版社,2006
[12]张万忠主编.《可编程控制器应用技术》化学工业出版社,2007,
致谢
本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。
在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
今天终于可以顺利的完成论文的谢辞了，想了很久，要怎样写下这一段谢词。
求学期间的点点滴滴历历涌上心头，时光匆匆飞逝，大学三年的努力与付出，随着论文的完成，终于让大学的生活，得以划下了完美的句点。
论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢指导老师，因为论文是在老师的悉心指导下完成的。
老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深深。
在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等每一步都是在老师的悉心指导下完成的。
老师指引我的论文的写作的方向和架构，并对本论文初稿进行逐字批阅，指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，循循善诱的教导和不拘一格的思路给了我无尽的启迪，他的严谨细致、一丝不苟的作风，将一直是我工作、学习中的榜样。
同时，论文的顺利完成，离不开其他各位老师、同学和朋友
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