softlink自动气动分拣线机械回路及控制系统设计大学毕业论文设计.docx
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softlink自动气动分拣线机械回路及控制系统设计大学毕业论文设计
基于SoftLink全自动气动分拣线机械回路及控制
系统设计
摘要
随着工业4.0的到来以及工业自动化的发展与普及，生产效率是每个企业致胜的关键。
而人工在繁杂重复的物料分拣中越来越满足不了企业和社会的需求，并且伴随着人力资源的匮乏以及价格的昂贵，企业更是负担不起。
为了解决这一矛盾，协调好人、机器和物料这三者之间的关系，即用最少的人力控制机器来完成对物料高效且精准的分拣。
全自动气动分拣流水线便应运而生。
本文主要讲述了SoftLink产品（PLC）控制的全自动气动分拣流水线的设计。
分拣线的硬件部分采用三坐标机械手以及回转机械手可以实现多工位、多流程的功能；采用气动做为动力系统，具有价格低廉、安全、清洁、环保的优点，使用电磁换向阀和气缸完成动作的实现；控制系统为SoftLink产品，采用此系统配合传感器使流水线具有高程度自动化、高精度、运行稳定、易于控制的特点；采用SoftPro软件进行编程，程序采用ST、梯形图语言。
以上每一部分均在本文中有详细的介绍。
此流水线采用传感技术，多工位同时运行实现了全自动、高准确度、高效率的功能。
关键词：
机械设计，SoftLink，传感器，气动
BASEDONTHESOFTLINKAUTOMATIC
PNEUMATICSORTINGLINEDESIGN
ABSTRACT
Withthearrivalofthe4.0industryandthedevelopmentofindustrialautomationandpopularization,theproductionefficiencyisthekeytoeachenterprisewins.Materialsandartificialinrepetitivesortinginmoreandmorecan'tsatisfytheneedsofenterprisesandsociety,andaccompaniedbythelackofhumanresourcesandthepriceisexpensive,enterprisealsocan'taffordit.Inordertosolvethiscontradiction,tocoordinatethegoodrelationshipbetweenthesethree,machineandmaterial,whichUSEStheleastamountofhumancontrolofmachinetocompletethesortingtotheefficientandaccurateofmaterials.Automaticpneumaticsortinglinewasborn.
ThisarticlemainlytellstheSoftLinkproducts（PLC）controlofthedesignoftheautomaticpneumaticsortingline.Sortinglinehardwarepartadoptsthreecoordinatesofthemanipulatorsandrotarymanipulatorcanrealizethefunctionofthetransfer,process;Adoptpneumaticasadynamicsystem,withtheadvantagesoflowcost,safe,clean,environmentalprotection,maketheactionofusing
electromagneticdirectionalvalveandcylinder;ControlsystemfortheSoftLinkproducts,adoptthesystemwithasensorassemblylinewithahighdegreeofautomation,highprecision,stablerunning,easytocontrolthecharacteristicsof;UsingSoftProsoftwareprogramming,theprogramusingST,ladderdiagramlanguage.
KEYWORDS：
Mechanicaldesign,SoftLink,sensor,pneumatic
前言
随着工业4.0的到来，现代工业生产中自动化、机械化已经成为企业的重要支柱，无人生产线、无人车间已经随处可见。
在科技和经济飞速发展的现代，企业对高生产效率、高精准度的要求以及对生产环境多样化的需求使得人工在某些部分无法完成，尤其是在分拣系统中，恶略的环境随处可见，如有害气体、高温、放射性。
所以自动化在物料分拣系统中已经企业的最佳选择。
自动分拣系统是在二战后发达国家的物流分拣中心兴起，到现在为止已经成为企业工业生产中必不可少的环节。
全自动分拣线能连续的，批量的分拣不同颜色的球体，分拣错误率极低，并且全过程实现无人化。
自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等得限制，可以连续的运行，同时由于自动分拣系统单位时间分拣件数多，因此自动分拣系统的分拣能力是人工系统无法比拟的。
它适用于：
烟草、邮政、医药、物流配送中心、连锁超市、百货商场制造工业等。
自动化分拣系统为工业生产以及物流中心大大提高了效率，这种自动分拣系统正是先进配送中心所必需的设施条件之一。
如果再配备立体车库，则整个自动化系统一定会更加完美。
本设计主要以不同颜色的的球料为分拣对象，以PLC为主控制系统，以气动做为动力源，机械部分采用气缸驱动，包含分拣系统中最为主流、常见的功能流程，本设计实现了高效率，高准确度的全自动分拣。
本文主要介绍了机械部分的设计与计算，电控系统中PLC、传感器的介绍以及选型以及电控元件之间的重要部分连线，气动部分的元件以及气缸选型，软件部分的介绍以及程序的编写与调试。
由于本人水平有限，论文编写处多有不当，期待老师的批评指正。
第1章机械设计
§1.1动作分析
动作一：
由标准型气缸组成实现推杆的推升动作，把小球推出物料篮。
动作二：
由滑台气缸、双导杆气缸、气动手指完成气动机械手将球带到指定位置并由传感器检测是否到位。
动作三：
由导杆气缸、强力气动手指、回转摆动缸完成气动机械手抓取小球顺时针转动90°后放下小球，小球沿轨道自行滚动到指定位置，在轨道的始端有传感器检测小球是否到位。
动作四：
水平移动的挡片在一标准气缸的支配下控制球门的开启，使小球从滑道一掉落到回转工作台的前置轨道，每次只允许一个小球通过。
动作五：
由标准气缸支配的推动杆将小球推动到回转工作台上。
动作六：
回转工作台在气动分度盘的带动下转过一定角度，被推动到回转工作台球在出口落下并沿轨道滚动到摆动夹紧缸下。
动作七：
在摆动夹紧缸和气动吸盘的带动下，小球逆时针转过90°进入轨道四，颜色识别器对不同颜色的小球进行识别。
动作八：
小球在一个滑台气缸、两个双杆气缸、吸盘的带动下根据颜色的不同被送往轨道五和六，小球自行滚动到轨道末端，每个轨道都有传感器检测小球是否到位。
动作九：
由一个滑台气缸、两个双杆气缸、一个气动吸盘组成的三坐标机械手将小球送往起始位置—物料篮。
动作九
动作八
动作七
动作六
动作三
动作二
图1.1动作流程图
动作一
动作四
动作五
图1.2动作流程图
§1.2送料机构设计
§1.2.1直线送料机构
直线送料机构主要完成竖直（Z轴）方向的送料，由标准型气缸驱动，送料棒完成，应用于动作一和动作五。
§1.2.2二坐标送料机构
二坐标送料机构主要完成竖直（Z轴）方向对于球料的夹取以及水平（Y轴）方向的送料，由滑台气缸、双缸气缸、双指气动手指、连接部件以及型材组成，应用于动作二。
§1.2.3回转送料机构
回转气缸主要完成球料水平方向X、Y轴之间的转换，回转气缸包括回转摆动气缸和回转夹紧气缸。
回转摆动气缸与有两个带导杆气缸和一个三指气动手指组成的二坐标机械手完成对球料的传送，用于动作三。
回转夹紧气缸用于动作七。
§1.2.4回转工作台
回转工作台主要完成对球料的储存以及运送，回转工作台为八工位，内部结构为气缸驱动齿条，齿条带动齿轮转动。
用于动作六，在工业生产中可以用于产品的打标，质量检查等工序。
§1.2.5三坐标机械手
三坐标机械手主要完成球料在三维空间中的传送运输。
三坐标机械手分为两种：
一种由带导轨滑台气缸两个带导杆气缸组成，用于动作八；另一种由磁耦气缸、带导杆气缸、双缸气缸组成，用于动作九。
第2章传感器的选择
§2.1磁性开关的选择
本流水线设计动作的执行全部由气缸实现，并且每个动作都需要有精准的位置，因此需要对气缸的行程进行定位。
由于磁性开关具有易于安装，并且可以和气缸很好的融为一体，所以选择磁性开关对
气缸的行程进行定位，从而实现精准的动作控制。
由于气缸形状、类型的不同所以需要选择不同类型的磁性开关。
本设计中总共用到了TA、TD、TE、TG、TR、SH系列的磁性开关。
这6种类型的磁性开关均为控制行程的传感器。
每个类型的传感均选用常开型，此外每个类型的传感器均分为两线式和三线式，其中三线式分为NPN、PNP型。
因为两线型便可以完成功能，所以每个类型的磁性开关均选用两线式常开型。
其工作原理为当气缸的活塞运动到磁性开关的位置时，活塞上的磁性会吸合磁性开关，磁性开关的一端连接24V电源正极，另一端连接PLC的扩张IO，所以当磁性开关吸合时就会发送一个高电平给PLC，使PLC接收到信号。
§2.2光电传感器的选择
本流水线在运行时需要检测球料运动是否到位，用于检测目标产品是否到位的传感器一般选用光电传感器和接近传感器，而接近传感器只能用于检测金属器件，本流水线的球料为非金属的，所以选用光电传感器。
光电传感器为三线，分为PNP、NPN、常开、常闭型。
PNP常开型输出的是高电平，NPN常开型输出的是低电平。
因为控制器为高电平有效，所以应选择PNP常开型。
如果选用NPN常开型也可以通过中间继电器转换与PLC连接。
由于检测距离比较近，大概为200mm,所以选择扩散反射短距离式，检测距离为300mm，光源为红色LED灯，为集电极开路输出，电压为24V，最大100mA。
§2.3数字光纤（颜色）传感器的选择
光纤传感器将来自光源的光信号通过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调至的信号源，再经过光纤送入光探测器，经调解后，获得被测参数。
与光电传感器类似，光纤传感器也采用PNP常开类型。
本流水线主要实现红色球料和黑色球料的检测分拣，选用的传感器为电缆型1路输入2路输出，当黑色球时输出一个高电平，当红色球时输出为两个高电平。
光源为红色，4元素发光二极管（波长630nm）。
§2.4数字量输入针对不同开关接线方法
§2.4.1干触点/通断开关接线方法图（本设备中使用的磁性开关都是此类开关）：
通断类型开关通常有棕蓝两根线，接线时棕线V+连接电源正端，蓝线0V接入PLC输入端子。
图2.1磁性开关接线图
§2.4.2常用的三线制数字量感应开关分PNP型和NPN型：
PNP常开型开关导通时输出高电平，NPN常开型开关导通时输出低电平。
PNP与NPN型传感器一般有三条引出线，即电源线VCC（棕）、0V线（蓝），out信号输出线（黑）。
1.PNP常开型开关：
棕线连接电源正V+，蓝线连接0V，黑线接入PLC输入端子，黑线即为信号线，接完PLC负载后与OV连接，接线图如下：
图2.2PNP型传感器接线图
2.NPN常开型开关通过继电器转接入PLC输入端接线方法：
棕线连接电源正V+，蓝线连接0V，黑线接入继电器线圈一端，继电器线圈另一端连接电源正V+，继电器中常开触点一端连接电源正V+，另一端接入PLC输入端子。
如下图所示：
图2.3NPN型传感器接线图
3.上述为继电器的一种用途，继电器的另一种用途为：
低压电路控制高压电路。
继电器线圈两端接低压电路，常开触点接高压电路，低压通电线圈吸合常开电路开关，从而实现对高压电路的控制。
第3章电控系统设计
本流水线采用固高欧辰的SoftLink系列产品的SOFTLINKIDEABOXmini控制器。
CPU:
Ideaboxmini300412-1CG02I/O:
CANOpen远程I/ORT133-1PL02-CAN
§3.1控制器的选型
§3.1.1方案
方案一：
单片机控制
单片机又称单片微控制器，是一种集成电路芯片，是采用电路集成技术将CPU、ROM、RAM、多种IO口和中断系统、定时器/计数器等功能集成于一起的微型计算机系统。
它质量轻、体积小、价格便宜，被广泛应用于工业控制领域，如导航系统、仪表系统、家用电器、工控系统、通讯设备。
单片机引领了产品的更新换代，智能型渐渐到来。
单片机相当于一个微型的计算机，作为计算机发展的一个分支领域，单片机可大致分为专用型/通用型、工控型/家电型、总线型/非总线型。
单片机系统结构简单，使用方便，便于生产便携式产品。
方案二：
PLC控制
可编程逻辑控制器（PLC）是一种专业用于工业控制的计算机，适合于大型自动加工流水线。
PLC的发展取代了继电器线路和进行顺序为主的产品，PLC控制器的硬件采用积木式结构，有数字IO模板，母版，模拟IO模板，用户可以根据自身需要在母版上扩展或者利用总线技术配备远程扩展IO来实现目的。
PLC在实现各种数量IO控制的同时，还可以输出模拟脉冲和数字电压，从而可以控制步进电机、伺服电机、变频电机等。
PLC具有断电保护、自我诊断、输入输出光电隔离，更干扰能力强。
方案三：
DCS控制
DCS是集散控制系统的简称，以微处理器为控制系统，采用控制功能分散、显示操作集中的新一代仪表控制系统。
DCS在控制上特点为靠着各种运算、控制模块的灵活组态，实现多种化的控制策略，该系统能够直接完成顺序控制、数字控制、数据采集与处理、批量控制以及最优控制功能。
DCS可以监视和控制工艺的整个流程，对自身进行组态、维护和诊断。
§3.1.2比较与选型
用单片机做控制系统要受制于布局结构、制版工艺、器件质量等因素的制约，并且抗干扰能力差、扩展困难、开发周期长、对环境依赖性强。
DCS控制系统无法在工程师站对现场进行远方的组态、维护和诊断。
DCS系统比较庞大，控制器和数据公路是系统的关键，整体投资时要一步到位，事后在进行扩容比较困难。
综合比较，PLC具有使用方便、编程简单，功能性强，可靠性强、抗干扰能力强，性能价格比高的优点。
综上所述，选用PLC做控制系统。
§3.2SOFTLINKIDEABOXmini控制器简介
§3.2.1SOFTLINKIDEABOXmini控制器
将工业自动化技术和信息技术完美结合在一起，适用于中小型分布式PLC系统和中小型高端机器设备。
采用X86构架核心处理器，扫描周期1
；
②可扩展16个本地I/O模块，包括开关量、模拟量、通讯模块、功能模块；
③支持CANOpen总线、TCP/IP、RS485/RS322、ModbusTCP/RTU、OPC等多种通讯模式进行远程访问、调试与控制；
④最多支持126个远程I/O从站，最大传输距离10KM；
⑤支持多达32轴的运动控制功能，包括点位、多轴同步、电子齿轮、电子凸轮、PT等功能；
⑥软件编程平台SOFTPRO完全符合IEC61131-3国际标准。
本设备选用的Ideaboxmini300412-1CG02控制器，自带24路DI和24路DO,通过CANopen总线扩展I/O点数，并可以扩展运动控制，通过Ethernet口对控制器进行编程和在线监控，也可以实现多台控制器之间通讯等。
图3.1SOFTLINKIDEABOXmini控制器
§3.2.2SoftlinkCANopen现场总线远程I/O
CANopen是一种架构在控制局域网路（ControllerAreaNetWork,CAN）上的高层通讯协定，也是工业控制常用到的一种现场总线。
由CiA（CAN in Automaion）进行标准的起草及审核工作，基本的CANopen设备及通讯子协定定义在CiA 301中。
针对个别设备的子协定以CiA 301为基础再进行扩充，如针对I/O模组的CiA401及针对运动控制的CiA402。
CANopen采用双线
串行通信方式，一个CANopen网络上最多允许127台设备,最大传输速率1Mbps/40米，最大传输距离10000米/5kbps。
CANopen远程I/O从站模块实现了到CANopen总线网络的快速连接，采集现场信号并与主站进行通讯，可靠完成对现场设备的控制。
本设备选用的CAPopen远程I/ORT133-1PL02-CAN是16路数字量输入和16路数字量输出模块。
数字量输出为继电器型，可以根据需要选择性输出低电平或高电平；输入端对于三线制NPN和PNP型开关都可以连接，兼容性强。
图3.2扩展IO
§3.3I/O定义
见附录一
§3.4电控元件
表3-1电控元件表
器件代号
数量
功能说明
SOFTLINKIDEABOX
mini控制器
1
进行过程控制和动作控制
SoftLinkCANopen现场总线远程I/O
2
对PLC的I/O
进行扩展
24V开关电源
1
给除照明以外的所有回路供电
12V开关电源
1
对照明电路进行供电
光电传感器
1
用于识别小球是否到位、辨别小球颜色
继电器
24
用于共阳传感器到共阴PLC之间的转换
三相电源插座
1
对外部设备进行供电
熔断器
1
用于保护电路，防止短路对设备损坏
接线端子
24
用于线路之间的转换以及接口的扩展
24V风扇
1
对电路进行散热
照明灯
用于照明
电线
用于供电和信号的传递
线槽
安放电线
§3.5电控图
见附录二
图3.3电控图
第4章气动系统设计
§4.1气缸的选择
§4.1.1气爪的选型
气爪选择时应注意的事项
增加额外的夹头重量，将会增加运动质量，增高了动能，在夹头运动到终点位置时，会损坏气爪。
夹头安装气爪时，应使用定位销。
夹头的重复定位精度为±0.02，气爪的复位精度为0.2mm。
气爪不应在侵蚀介质、焊接火花、研磨粉尘的场合下使用。
不要在未节流的情况下操作气爪。
要注意工件的运动方向，尤其是在加速度情况下。
在抓取工件时，还应考虑其周围的空间，气爪张开的角度不能影响相邻的工件。
考虑到搬运球料所需的精度要求不高，对球料的定位使用带有圆弧槽的手指，气动手指规格中的一个重要参数是手指能抓取的最大抓取重量，本系统中的工件重量较轻，查阅机械手册并结合工业生产的实际情况，本次设计选取的球的材料为钢，球重约2kg,直径为6cm，手指行程为30mm，材料为聚四氟乙烯，查得二者的摩擦系数约为
=0.1。
受力分析简图如下：
图4.1受力分析图
从机械设计手册中查得，摩擦夹紧型手指的夹紧力计算公式为：
（4-1）
式中：
气动手指运动视为匀速运动，无加速度，手指运行较平稳，S取1.6。
计算后得出：
夹紧力：
（4-2）
所需要的力为计算值的两倍：
（4-3）
根据计算结果，选择HITOP公司的MHC40系列平行气动手指。
§4.1.2双活塞杆气缸的选型
一般气缸的选型包括以下步骤：
根据工作机构运动要求和结构选择气缸的类型及安装方式；
根据工作机构载荷及速度要求计算气缸直径，算出的直径应参照选型手册圆整为标准缸径；
由气缸直径及工作压力计算和选择缸筒壁厚，计算活塞杆直径（圆整）；
根据工作要求和缸的类型确定气缸的各部分结构、材料、技术要求等；
进行缓冲以及耗气量等计算。
（若采用标准气缸，在计算出气缸直径后即可选取适当的气缸产品。
）
活塞杆上输出力和缸径计算
设气缸为匀速运动，在活塞杆向上提升球料时所需的力最大，因此缸径的计算就以此为依据，在理想状态下气缸所需的推力就是球料和气动手指的重力，气动手指的重量按与其总尺寸相等的实心材料计算，则其重量约为2kg，因此气缸所需的推力为F=40N。
双活塞杆双作用气缸是使用较为广泛的一种普通气缸，其中单个活塞上下行时活塞杆产生的推力为F
则有：
（4-4）
式中：
气缸工作时的总阻力
与众多因素有关，如运动部件的惯性力、背压阻力、密封处摩擦力等。
以上因素可以用载荷率
计入公式，则单个活塞的静推力F为：
（4-5）
计入载荷率就能保证气缸工作的动态特性，若气缸的动态参数较高，且工作频率高，其载荷率一般取
=0.3~0.5，速度较高时取小值，速度低时取大值。
若气缸的动态参数一般，且工作频率较低，基本是匀速运动，其载荷率可取
=0.7~0.85。
考虑到本课题的实际情况，
取0.8。
由式
（2）可得,当推力做功时：
（4-6）
用（3）式计算时，活塞杆的直径d可根据气缸推力预先估定，估定活塞杆直径可按照d/D=0.16~0.4计算，可得：
（4-7）
式中系数在缸径较大时取较小值，较小时取较大值。
结合实际，取系数为1.09，代入得：
（4-8）
圆整后得：
气缸的缸径D=10mm。
根据计算结果，选择HITOP公司的JXQWM10x50系列双活塞杆气缸。
§4.1.3回转气缸的选型
预定齿轮模数为m=2mm，齿数z=20，轴径的最小尺寸设为10mm。
回转所需要的驱动力矩可以按下式计算：
（4-9）
式中：
—回转所需的驱动力矩（N.cm）
—惯性力矩（N.cm）
—气缸转动时活塞、密封垫圈等密封装置部分产生的摩擦力矩（N.cm）
设起动过程为等加速运动，转动部分的角速度为ω，起动时间为t，则有：
（4-10）
式中：
—转动部件中中心与旋转轴重合部分的转动惯量;
—转动部件中中心与旋转轴不重合部分的转动惯量
其中：
（4-11）
式中：
—为工件相对于过重心轴线的转动惯量（kg
cm）
m—工件质量（kg）
L—重心轴线与旋转轴的偏心距（cm）
根据Solidworks中的转动惯量计算功能得出
，
（4-12）
（4-13）
转动的力矩不大，频率也不高，因此转动部分的摩擦力矩
与惯性力矩
之间按照摩擦系数
的关系求出，不再详细计算。
（2-14）
因此：
（4-15）
齿轮的分度圆直径
，啮合角
，则其基圆半径为：
（4-16）
所需的推力：
（4-17）
则，施加在活塞上的理论推力为：
（4-18）
将密封、摩擦等因素综合考虑为载荷率η=0.7，则应当施加在活塞上的实际推力为：
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