基于PLC的货物搬运自动控制系统设计本科毕业论文.docx
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基于PLC的货物搬运自动控制系统设计本科毕业论文
高等教育自学考试本科毕业论文
基于PLC的货物搬运自动控制系统设计
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基于PLC的货物搬运自动控制系统设计
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3）其它
摘要
PLC应用技术具有多变性、综合性、典型性、实践性和运用性等特点，广泛应用于传统的顺序控制、闭环控制、运动控制、数据处理及复杂的分布式控制系统、工厂自动化网络等，因此在工业生产中具有广泛的应用前景。
它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。
它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。
可以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因此被广泛应用。
机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。
物料工件传送机械手，采用PLC控制，是一种按预先设定的程序进行工件工件传送加工的自动化装置。
本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用PLC控制的设计方案。
采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。
对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。
在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。
最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。
关键词：
物料搬运，可编程控制器（PLC），自动化，限位开关
BoilertemperaturecontrolsystemdesignbasedonPLC
ABSTRACT
Variability,integratedapplicationtechnology,typical,practiceandapplicationcharacteristics,widelyusedintraditionalsequentialcontrolandclosed-loopcontrol,motioncontrol,dataprocessing,andcomplexnetworksofdistributedcontrolsystems,factoryautomationandthereforehasawiderangeofapplicationsinindustrialproduction.Generalinteresttotheitindustrycanbesolvedwithreliable,secure,flexible,convenient,economical,andsoon.
Robotsplayanimportantroleinthefieldofadvancedmanufacturing.Itcantransportgoods,sortingobjects,insteadofpeople'shardwork.Mechanizationandautomationofproductioncanbeachieved,abletooperateinhazardouscircumstancestoprotectthepersonalsafety,soitiswidelyused.Manipulatorinthespacegraspobjects,movementisflexible,applicabletotransformproductionofmediumandsmallvolumeproductionautomation,widelyusedinflexibleautomaticlines.Artifactsofmaterialtransferrobot,controlledbyPLC,isapre-determinedprogramofautomatedprocessingworkpieceworkpiecetransferdevice.
Thispaperthroughouttherecentdevelopmentofmanipulatorbasedoncombiningrobotdesign,systemanalysisoftherobottechnology,presentedbyPLCcontroldesign.Ideaofaholistic,fullyconsiderthecharacteristicsofsoftwareandhardwareandtooptimizetheircomplementarity.Onsortingmanipulator'soverallstructure,implementationstructures,drivesystemsandcontrolsystemanalysisanddesign.Itadoptspneumaticdrivesystemdrive,selectthePLCcontrolsystemofthecontrolunittocompletetheinitializationofthesystemfunction,roboticmoves,faultalarmfunction.Concludeswithasimple,easytoimplement,acleartheoryofcontrolstrategies.
Keywords:
Materialhandling，Programmablelogiccontroller（PLC），automatization，
limitswitch
1绪论
1.1课题背景及研究目的和意义
随着现代社会的高速发展，PLC的运用越来越广，工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运,可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。
本系统主要实现工业自动化程度的提高，随着工业自动化程度的提高，机械手的应用已经越来越广泛。
工业现场的很多高温、高压、易燃、易爆、有反射性、有毒性污染物等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。
在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。
因此怎样使机械手精确、高效、环保运行，成为科研人员研究的重点。
由于机械手能从事人无法从事的工作和代替工人进行重复性工作，因此机械手对人生安全的保障和现代化生产都有着重要的意义。
1.2国内外研究现状
目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。
因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。
在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。
将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。
既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。
同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。
此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。
目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。
如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。
为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。
如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。
视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。
工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。
触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。
工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。
手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。
总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。
现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
对于搬运物体类的机械手的基本要求是能快速、准确地拾放并且能搬运物件，这就要求具有较高的精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。
设计气动机械手的原则是：
充分分析作业对象和环境，明确工作的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求，尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。
本次设计的机械手是通用拾取轴类零件的机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可以用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合
2系统的总体设计方案
2.1系统总体思路
本文通过红外线传感器检测有无工件产生电信号，传送给FX2N-64MRPLC,由PLC主控系统进行运算和处理，再由调控器根据控制信号输出控制控制信号来对物工件进行控制搬运，由此传感器检测工件有无元件，从而产生了一个闭环回路控制，因此达到持续工作目的。
通过启动和停止产生的开关量数字信号来控制系统的起停，实现手动控制的功能。
运用PLC梯形图、汇编语言进行编程。
2.2搬运机械手的动作过程
本机械手用于生产线上工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如图3—1所示：
图2-1机械手的动作过程
2.3工件传送机械手的设计分析
（1）根据控制系统要求的分析，先画出顺序图。
（2）系统中会多次用到同一个限位开关产生不同的动作，所以我们要运用辅助继电器。
例如第一次撞到SQ2时机械手停止伸长而下旋，第二次撞到SQ2时机械手停止缩短而上旋，此时我们就要加用辅助继电器使两次隔开。
（3）我们要考虑到不同的按钮按控制同一个输出时梯行图上只能有一个输出点。
（4）按照以上思路我们就能设计出整个机械手系统。
如果通过基本逻辑指令编写梯形图比较复杂,我们可以通过先画出它的流程图,搞清基本的流程,然后再划梯形图就简单多了.本题的关键点是机械手上升同样是撞SQ1但一个是左旋一个右旋，我们可以通过辅助继电器来解决。
控制流程图如图2-2所示：
图2-2控制流程分析
3搬运机械手的硬件设计
3.1机械手的结构
如图3-1所示是一台工件传送的气动自动机械手的动作示意图，其作用是将工件从传动带Ａ上传送到传动带Ｂ上。
气动机械手的左右移动分别由两个具有双线圈的两位电磁阀驱动气缸来完成，其中伸长与缩短对应电磁阀的线圈分别为SQ2与SQ3。
一旦电磁阀线圈通电，就一直保持现有的动作，直到相对的另一线圈通电为止。
气动机械手的夹紧、松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的气缸完成，线圈SQ５断电夹住工件，线圈SQ５通电松开工件，以防止停电时的工件跌落。
夹持装置不带限位开关，它是通过一定的延时来表示其夹持动作的完成。
机械手在最上边、最下边且除松开的电磁阀SQ５通电外其他线圈全部断电的状态为机械手的原位。
图3-1机械手示意图
3.2控制系统设计的分析
初始状态：
机械手处于原位状态，即伸长极限SQ2。
按下启动按钮，传送带A开始运行，传感器检测有工件同时机械手从下极限开始上升，机械手上升至上升极限位，SQ10动作上升结束，同时机械手开始缩短伸长。
机械手伸长至伸长极限位，SQ2动作，伸长动作结束，同时机械手开始下旋动作。
机械手旋转至下限位，SQ4动作，下旋动作结束，同时机械手开始夹紧动作。
机械手机械手夹紧，SQ5动作，夹紧动作结束，逆时针旋转同时传送带A开始起动。
机械手逆旋至极限位，SQ7动作，逆旋结束，机械手放松动作。
传送带A将工件送入光电开关检测区，SQ1动作，传送带A停止运行，同时机械手开始顺时动作。
机械手顺时至极限位，SQ8动作，顺时动作完成，机械手再次夹紧动作以此循环。
以上是机械手传送工件的一次完整的工作流程，系统中传送带B随机械手的运行状态而工作，即按下启动按钮就开始运行，按下停止按钮结束动作。
机械手运行期间，若按下停止按钮，系统需等整个循环结束进入下一次循环才停止。
3.3机械手的控制要求
为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关。
分为手动和自动操作，其中自动操作中包括了：
单步、单周期、连续；手动操作包括手动和回原位的操作。
手动操作：
供维修用，即用按钮对机械手的每一步动作单独控制。
例如，当选择手动操作时，按下上升/下降按钮，机械手在满足条件情况下即执行相应的动作，其它动作以此类推。
回原位：
当由于断电或其它原因导致机械手运行中途停止时，再次通电将操作方式选择置于回原位位置，按下复位按钮，机械手即可按最短路径的原则返回到原点位置。
单步运行：
供试用，即没按一次启动按钮机械手向前执行一个动作后停止。
单周期运行：
供首次检验用，当机械手在原点时按下启动按钮，机械手自动执行一个周期后停止在原点位置
连续运行：
正常使用，当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手周而复始的执行各工步动作。
该机械手在自动工作状态时，应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放置自动工作方式下。
若自动工作状态解除，则硬件工作方式选择开关放置于“手从操作”位置。
3.4控制面板及动作说明
机械手的操作面板分布情况如图3-2所示，机械手具有手动、单步、单周期、连续和复位五种工作方式，用开关SA进行选择。
手动工作方式时，用各操作按钮（SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8、SB13、SB14、SB15）来点动执行相应的各动作；单步工作方式时，每按一次启动按钮（SB10），向前执行一步动作；单周期工作方式时，机械手在原位，按下启动按钮（SB10），自动地执行一个工作周期的动作，最后返回原位（如果在动作过程中按下停止按钮SB11，机械手停在该工序上，再按下启动按钮SB10，则又从工序继续工作，最后停在原位）；连续工作方式时，机械手在原位，按下启动按钮（SB10），机械手就连续重复进行工作（如果按下停止按钮SB11，机械手运行到原位后停止）；返回原位工作方式时，按下复位按钮SB12，机械手自动回到原位状态。
图3-2机械手操作面板示意图
3.5执行机构I/O分配
表3-3执行机构I/O分配表
元件
输入
作用
元件
输出
作用
SA
X0
手动
YV1
Y0
传动带A
X1
回原位
YV2
Y1
传动带B
X2
单步
YV3
Y2
伸长
X3
单周期
YV4
Y3
缩短
X4
连续
YV5
Y4
下旋
SB10
X5
启动
YV6
Y5
上旋
SB11
X6
停止
YV7
Y6
松紧
SB12
X7
复位
YV8
Y7
逆旋
SQ1
X10
工件检测
YV9
Y8
顺旋
SQ2
X11
伸长极限
SQ3
X12
缩短极限
SQ4
X13
下旋极限
SQ5
X14
松紧极限
SQ6
X15
上旋极限
SQ7
X16
逆旋极限
SQ8
X17
顺时极限
SB3
X18
下旋
SB4
X19
伸长
SB5
X20
夹紧
SB6
X21
缩短
SB7
X22
逆旋
SB8
X23
顺旋
SB9
X24
松开
SB13
X25
上旋
SB14
X26
上升
SB15
X27
下降
SQ9
X28
上升极限
SQ10
X29
下降极限
3.6PLC的I/O分配
如图3-4所示为机械手控制系统PLC的I/O接线图，选用FX2N-64MR的PLC，系统共有26个输入设备和9个输出设备分别占用PLC的26个输入和9个输出点。
为了保证在紧急情况下（包括PLC发生故障时），能可靠地切断PLC的负载电源，设置了交流接触器KM。
在PLC开始运行时按下“电源”按钮SB1，使KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，给输出设备提供电源；出现紧急情况时，按下“急停”安扭SB2，KM触点断开电源。
图3-4机械手控制系统PLC的I/O接线图
4搬运机械手的软件设计
4.1程序的总体结构
图4-1所示为机械手系统的PLC梯形图总体结构，将程序分为公用程序、自动程序、手动程序和复位程序四个部分，其中自动程序包括单步、单周期和连续工作的程序，这是因为它们的工作都是按照同样的顺序进行，所以将它们合在一起编程更加简单。
梯形图中使用跳转指令使得自动程序、手动程序和复位程序不会同时执行。
假设选择“手动”方式，则X0为ON、X1为OFF,此时PLC执行完通用程序后，将跳过自动程序到P0处，由于X0常闭触点为断开，故执行“手动程序”，执行到P1处，由于X1常闭触点为闭合，所以又跳过回原位程序到P2处；假设选择“复位”方式，则X0为OFF、X1为ON，跳过自动程序和手动程序执行复位程序；假设选择“单步”或“单周期”或“连续”方式，则X0、X1均为OFF，此时执行完自动程序后，跳过手动程序和复位程序。
图4-1机械手系统PLC梯形图的总体结构
4.2各部分程序的设计
（1）通用程序。
通用程序如图4-2所示，缩短限位开关X12、下降极限位开关X29、顺旋极限位开关X17、上旋限位开关X15的常闭触点和表示机械手松开的Y7的常开触点的串联电路接通时，辅助继电器M0变为ON，表示机械手在原位。
通用程序用于自动程序和手动程序相互切换的处理，当系统处于手动工作方式时，必须将除初始步以外的各步对应的辅助继电器（M11~M24）复位，同时将表示连续工行状态的M1复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时又两个活动步的异常情况，引起错误的动作。
当机械手处于原点状态（M0为ON）,在开始执行用户程序（M8002为ON）、系统处于手动状态或回原点状态（X0或X1为ON）时，初始步对应的M10将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式作好准备，如果此时M0为OFF状态，M10将被复位，初始步为不活动步，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。
图4-2通用程序
（2）手动程序。
手动程序如图4-3所示，手动工作是用X18-X27对应的10个按钮控制机械手的伸长、缩短、上升、下降、下旋、上旋、夹紧、松开、逆旋和顺旋。
为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的连锁，例如伸长与缩短之间、下旋与上旋、逆旋和顺旋之间的互锁；伸长、缩短、下旋、上旋、逆旋、顺旋的限位；伸长限位开关X11的常开触点与控制下旋、上旋的Y4和Y5的线圈串联，使得机械手伸到最左边位置才能上下旋转，以防止机械手在右边位置运行时与
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