基于PLC控制物料分拣机械手自动控制系统.docx
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基于PLC控制物料分拣机械手自动控制系统
前言
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，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
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，提出了用气动驱动和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。
通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型物料分拣机械手的设计方案，对其他经济型PLC控制系统的设计也有一定的借鉴价值
设计人：
日期：
2011/11/21
摘要
近年以来，随着科学技术的迅速发展，PLC以其可靠性极高，能经受恶劣环境的考验，使用极方便的巨大优越性，从而迅速占领工业自控领域，成为工业自动控制的首选产品；随着技术的不断更新和改革，PLC技术也在不断的产生变化，逐渐向智能化发展，变化的原因主要是能更好的的为现代社会服务。
在实训的时候，我见到的有一台是用金属机械手来分拣工件的设备，但我看到，如果机械手或工件有一点偏差，机械手就不会准确的把工件分拣，有时还会破坏工件的表面质量，所以我建议用真空盘式机械手来代替金属机械手，并且可以对工件进行颜色的判断。
［关键词］：
PLC、机械手、自动控制
Summary
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,PLCwithitshighlyreliable,abletowithstandtheharshconditions,veryeasytousegreatadvantage,whichquicklyoccupiedtheindustrialautomationfield,thefirstchoiceforindustrialautomationproducts;withthetechnologycontinuestoupdateandreform,PLCtechnologyisconstantlychangedandgraduallytodevelopintelligence,isthemainreasonforthechangeforthebetterofthemodernsocialservices.Intraining,Ihaveseenarobotwiththemetalpartsofequipmenttosort,butIseethatiftherobotortheworkpieceanydeviation,therobotwouldnotbeaccuratesortingoftheparts,sometimesdamagetotheworkpiecesurfacequality,soIrecommendusingavacuumtoreplacethemetaldiscrobotmanipulator,andcandeterminethecoloroftheworkpiece.
[Keywords]:
PLC,robotics,automaticcontrol.
第一章绪论
分拣是把很多货物按品种从不同的地点和单位分配到所设置的场地的作业。
按分拣的手段不同，可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣。
目前自动分拣已逐渐成为主流，因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动分拣装置来完成的。
这种装置是由接受分拣指示情报的控制装置、计算机网络，把到达分拣位置的货物送到别处的的搬送装置。
由于全部采用机械自动作业，因此，分拣处理能力较大，分拣分类数量也较多。
随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，尤其在需要进行材料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，材料的自动分拣已成为企业的唯一选择。
针对上述问题，利用PLC技术设计了一种成本低，效率高的材料自动分拣装置，在材料分拣过程中取得了较好的控制效果。
物料分拣采用可编程控制器PLC进行控制，能连续、大批量地分拣货物，分拣误差率低且劳动强度大大降低，可显著提高劳动生产率。
而且，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。
其设计采用标准化、模块化的组装，具有系统布局灵活，维护、检修方便等特点，受场地原因影响不大。
同时，只要根据不同的分拣对象，对本系统稍加修改即可实现要求。
PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术等内容，是实际工业现场生产设备的微缩模型。
应用PLC技术结合气动、传感器和位置控制等技术，设计不同类型材料的自动分拣控制系统。
该系统的灵活性较强，程序开发简单，可适应进行材料分拣的弹性生产线的需求。
本文主要介绍了PLC控制系统的硬件和软件设计，以及一些调试方法。
1.1选题背景
大学三年的专业知识学习生涯即将结束，毕业设计是其中最后一个环节，是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。
随着我国经济的迅速发展，采用PLC的工作原理来控制材料搬运装置的技术基本已经成熟，其中得到愈来愈广泛的就是采用PLC控制搬运机械手来实现搬运材料的装置。
在完成大学三年的课程学习和课程、生产实习，我熟练地掌握了plc、电力拖动、电子技术等专业基础课和专业课方面的知识，对设计电气系统、全面的理解，达到了学习的目的。
对于PLC对机械手搬运材料的控制设计这个实践性非常强的设计课题，我进行了大量的实习。
经过在学校实习，我对于PLC对分拣机械手的控制设计有了一个全新的认识，丰富了许多PLC方面的知识，而对于PLC方面的工艺更是实现了零的突破。
在指导老师的协助下，同时在现场查阅了很多相关资料，明确了PLC的一般工作原理、工艺过程。
并在图书馆借阅了许多相关手册和书籍，设计中，将充分利用和查阅各种资料，并与同学进行充分讨论，尽最大努力搞好本次毕业设计。
在设计的过程中，将有一定的困难，但有指导老师的悉心指导和自己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。
由于学生水平有限，而且缺乏经验，设计中不妥之处在所难免，肯请各位老师指正。
1.2设计目的及主要内容
1.2.1设计目的
1、培养机械设计能力；2、扩展知识结构；3、培养综合运用能力；4、是课堂教学的有益补充。
通过本次论文，进一步加强自己对机械手和PLC的认识，以及它们在生活中广泛应用。
1.2.2分拣机械手臂控制要求
某分拣设备的圆盘内有金属、白色、黑色三种圆柱形工件，通过圆盘直流电动机运送、机械手搬运和皮带输送机传送，在对应的出料斜槽进行分拣。
具体工作过程描述：
圆盘将工件送到抓料平台，机械手从抓料平台抓取工件并搬运到皮带输送机的进料口，皮带输送机传送工件到达相应的位置进行加工或分拣。
分别将金属工件，白色塑料工件，黑色塑料工件推入1槽，2槽，3槽。
设备在运行前应处于原位：
机械手在左限位，悬臂气缸、手臂气缸的活塞杆缩回，气爪放松，三个负责分拣的活塞杆应处于缩回状态。
如果不在原位，设备不能启动。
机械手可以水平和垂直位移，并能将工件从A处移到B处。
该机构的悬臂气缸的伸出和缩回，手臂气缸的上升下降和旋转气缸的左转和右转是由三个双线圈两位五通电磁阀驱动气缸来实现的。
气爪气缸的松夹也选用二位五通双控电磁阀驱动气缸实现。
3个推料气缸选用3个二位五通单控电磁阀分别驱动。
线圈通电为推出，失电为缩回。
当按下启动按钮后，设备将按以下动作顺序进行：
圆盘直流电动机转动，运送工件至机械手抓料平台。
抓料平台处的光电传感器检测到工件信号后，使圆盘直流电动机停止并驱动机械手运行，机械手按以下顺序动作：
悬臂伸出-手臂下降—延时-气爪夹紧-延时-手臂上升-悬臂缩回---机械手向右旋转---悬臂伸出-手臂下降-延时-气爪放松-通过进料口将工件放到输送皮带上。
机械手放下夹持的工件后：
手臂上升-悬臂缩回-机械手左转至左限位。
机械手将工件搬离抓料平台时，圆盘直流电动机继续转动，如果没有出现停止信号，圆盘能及时将工件送到机械手抓料平台，机械手将继续运行。
输送皮带进料口光电传感器接收到工件到达信号后，步进电动机启动运行，运送工件到对应的出料斜槽进行分拣。
金属工件运送到出料斜槽I处，传感器接到工件到达信号后，驱动气缸1活塞杆伸出，将其推入出料斜槽1；按同样动作顺序，气缸2将白色塑料工件推入到出料斜槽2，气缸3将黑色塑料工件推入出料斜槽3。
当气缸将工件推入出料斜槽，输送皮带上无工件时，步进电机电停止运行，等待下一个工件到达后，再以正向脉冲运行。
当设备运行过程中如按下停止按钮SB6，圆盘直流电动机立即停止，机械手将完成当前工作的搬运后回到原位停止，分拣装置必须完成输送带上工件的分拣后才能停止。
报警：
1.圆盘直流电动机运转超时报警（圆盘内无工件）。
5s
2.三相交流异步电动机低速运行超时报警（输送皮带上无工件）。
10s
3.任何一种报警时间满10S,状态仍未恢复时，设备停止运行，报警依旧。
等故障排除后，按下启动按钮，设备重新开始运行。
要求设计者确定机械手控制系统的总体设计方案；确定PLC的型号规格；确定PLCI/O元件；设计机械手气动原理图及其PLC电气控制线路原理图；提供顺序功能流程图；进行软件设计并调试；编写设计说明书。
第二章PLC的简介
2.1PLC产生与特点
2.1.1PLC的产生
一．概念
PLC是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。
二．发展必然性
传统的继电接触器控制系统（硬件布线）
优点：
结构简单，因而长期广泛应用。
缺点：
采用固定的接线方式。
一旦生产要求及生产过程发生变化，必须重新设计线路，重新接线安装。
不利于产品的更新换代。
还有灵活性、通用性差、体积大、速度慢等特点。
60年代末期，美国汽车制造工业相当发达，要求不断更换汽车的型号。
传统的继电接触器控制系统被淘汰。
1968年，美国最大的汽车制造商GM公司公开招标。
研制新的控制系统。
提出以下要求：
1、设计周期短，更改容易，接线简单，成本低。
2、把继电器控制和计算机技术结合起来。
但编程要比计算机简单易学，操作方便。
3、系统通用性强。
1969年，美国数字设备公司研制出世界上第一台PLC，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功。
其后，日本、德国相继引入。
中国1974年研制，1977年成功。
三．功能发展史：
（名字的由来）
早期：
顺序控制。
包括逻辑运算功能。
称PLC（ProgrammableLogicController）
70年代：
微处理器用于PLC。
功能增强、数值运算、数据处理、闭环调节等，称PC。
现在：
模拟量控制、位置控制等。
2.1.2PLC的特点
主要特点：
（1）可靠性高、抗干扰的主要措施之一。
输入输出接口电路采用光电耦合器来传递信号。
使外部电路和内部电路之间避免电的联系。
（2）滤波。
编程简单、使用方便、控制程序可变。
（3）采用自然语言：
梯形图（4）功能完善、扩充方便、组合灵活、实用性强。
（5）体积小、重量轻、功耗低。
2.2PLC的应用领域
在当今的工业界，只要涉及控制的地方，都离不开PLC这个大脑，简单的讲，可大概分为两个领域：
其一为单机控制为主的一切设备自动化领域，比如：
包装机械、印刷机械、纺织机械、注塑机械、自动焊接设备、隧道盾构设备、水处理设备、切割、多轴磨床、冶金行业的辊压、连铸机械....太多了，这些设备的所有动作，加工都需要靠依据工艺设定在PLC内的程序来指导执行和完成，就如人的大脑；
其二为过程控制为主的流程自动化行业，比如污水处理、自来水处理、楼宇控制、火电主控、辅控、水电主控、辅控、冶金行业、太阳能、水泥、石油、石化、铁路交通...。
这些行业所有设备的连续生产运行，总存在许多的监控点和大量的实时参数，而要监视、控制、和采集这些流程参数和相关的工艺设备，也必须依靠PLC这个大脑来完成，当然传统叫法也有DCS，尽管设计之初的理念不一样，但现技术路线已逐渐融合。
或许更直观些：
只要是涉及工业控制的任何地方，都会采用PLC来控制！
它涉及到我们生活的方方面面，包括我们从超市买的任何商品，我们用的数码产品，开的车，看的书等其从生产——包装——传送——仓储——运输等等环节都需要用PLC控制的自动化设备来完成。
应用类型：
逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理、多级控制
1988年全世界总销售量达370亿美元。
年产量150万台，目前世界上先进工业国家。
PLC已成为工业控制的标准设备。
它的应用几乎覆盖了所有的工业、企业。
近10年，我国的PLC研制，生产、发展很快、上海宝钢第一期工程，采用了250台。
第二期采用了108台，获得了令人瞩目的经济效益和社会效益。
PLC应用越来越广泛，工业自动化程序提高一个新水平。
趋势：
1．系统构成规模向大、小两个方向发展。
大是指大容量、高速度、多功能、高性能。
小是指小型化、专用化、模块化、低成本。
2．功能不断增强，各种应用模块不断推出。
3．产品更加规范化、标准化。
2.3PLC的选型
FX2N-48MT基本单元带24点输入/24点晶体管输出
第三章物料分拣机械手系统简介
3.1圆盘部分
3.1.1圆盘给料的简介
圆盘给料是一种使用广泛的连续式容积加料设备，能均匀连续地将物料喂送到下一设备中，喂料量可以调节，可喂送粉状、小块状的物料（如煤粉、粘土等），是一般磨机、烘干机的常用配套设备。
只要有吊开式和吊闭式两种。
圆盘给料机广泛适用于冶金、矿山、建材、煤炭、电力等行业的各种非粘性物料的喂送。
圆盘式给料机为容积式计量的给料设备，它能均匀、连续地将物料喂送到下一道工序，并且能够承受较大的仓压。
作为细粒物料给料设备，适用于运送粉状、料状或小块状态的各种非粘性物料，如煤粉、水泥、熟料、石灰石、页岩、煤矸石、粘土等粉状、粒状或小块状物料。
可广泛应用于选金厂，采煤厂与化工，基建及机械化的铸造车间等作连续均匀、定量的给料和配料之用。
本机构造简单，调整方便，性能优越。
本机适用输送物料粒度不大于50mm，不适宜输送粘性较大、不易流动的物料和流动性特别好的物料。
3.1.2圆盘给料机结构特点
圆盘给料机为吊装、密闭式。
主要用于要求减少漏风或扬尘的系统，从而将环境污染减少到最小程度。
圆盘给料机结构主体是绕垂直轴旋转的圆盘。
圆盘中部有一位于接料仓下口而高度可调的下料套筒，物料从下料套筒和圆盘的间隙中漏散出来，并被刮板将物料从圆盘上刮落下来。
喂料量可通过改变下料套筒和圆盘的间隙大小和卸料位置来调整。
设有观察窗口，可随时观测物料的喂送情况及设备的运行情况。
3.1.3分拣机械手臂中圆盘的基本结构和功能
在本题中，圆盘起到连续地将物料喂送到下一道工序，为下一道工序提供原料。
基本结构就不述了。
3.2机械手臂部分
3.2.1机械手简介
mechanicalhand也被称为自动手，autohand能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部和运动机构组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～3个自由度。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：
（1）机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。
（2）在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中
它可以用来组装零部件。
（3）可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。
（4）可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。
（5）宇宙及海洋的开发。
（6）军事工程及生物医学方面的研究和试验。
机械手简述:
机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。
1．执行机构
机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。
手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。
手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。
简单的机械手可以没有手腕。
支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。
2．传动系统
执行机构的动作要由传动系统来实现。
常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。
3.控制系统
机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。
3.2.2机械手的选择
由于机械手是在搬运中的应用，所以采用传送带加旋转的机械手类型。
此机械手易于操作，性能可靠。
3.2.3本题搬运机械手的基本结构
1.主要组成与功能
由气动手爪、导杆气缸、旋转气缸、电磁阀等组成，主要完成下列动作：
气动机械手手臂下降，气动手爪夹紧物料，机械手手臂上升，手臂旋转到位，手臂下降，悬臂左移，悬臂右移，手爪松开将物料放入运料小车，机械手手臂上升，机械手返回原位，等待下一个物料到位，重复上面的动作。
如图3-1所示：
图3-1机械手臂结构原理图
（1）气动手爪：
完成工件的抓取动作，由单向电控气动阀控制。
（2）导杆气缸：
控制气动手爪的上升和下降、左移和右移，由单向电控气动阀控制。
（3）旋转气缸：
控制机械手的旋转，由单向电控气动阀控制。
（4）磁性传感器：
用于气缸的位置检测。
当检测到气缸准确到位后将给PLC发出一个到位信号。
3.3.分拣部分的基本结构
3.3.1自动分拣机系统图的介绍
1．简介
自动分拣机是自动分拣系统的一个主要设备。
它本身需要建设短则40-50米，长则150-200米的机械传输线，还有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统等，这一系统不仅占地面积大，（动辄20000平方米以上），而且还要建3-4层楼高的立体仓库和各种自动化的搬运设施（如叉车）与之相匹配，这项巨额的先期投入通常需要花10-20年才能收回。
2.作业描述
该系统的作业过程可以简单描述如下：
物流中心每天接收成百上千家供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种商品，在最短的时间内将这些商品卸下并按商品品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，将这些商品运送到指定地点（如指定的货架、加工区域、出货站台等），同时，当供应商或货主通知物流中心按配送指示发货时，自动分拣系统在最短的时间内从庞大的高层货存架存储系统中准确找到要出库的商品所在位置，并按所需数量出库，将从不同储位上取出的不同数量的商品按配送地点的不同运送到不同的理货区域或配送站台集中，以便装车配送。
3．主要特点
1、能连续、大批量地分拣货物由于采用大生产中使用的流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，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分拣系统可以连续运行100个小时以上，每小时可分拣7000件包装商品，如用人工则每小时只能分拣150件左右，同时分拣人员也不能在这种劳动强度下连续工作8小时。
2、分拣误差率极低自动分拣系统的分拣误差率大小主要取决于所输入分拣信息的准确性大小，这又取决于分拣信息的输入机制，如果采用人工键盘或语音识别方式输入，则误差率在3%以上，如采用条形码扫描输入，除非条形码的印刷本身有差错，否则不会出错。
因此，目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物。
3、分拣作业基本实无人化国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻工员的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度地减少人员的使用，基本做到无人化。
分拣作业本身并不需要使用人员，人员的使用仅局限于以下工作：
（1）、送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货。
（2）、由人工控制分拣系统的运行。
（3）、分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车。
（4）、自动分拣系统的经营、管理与维护。
如美国一公司配送中心面积为10万平方米左右，每天可分拣近40万件商品，仅使用400名左右员工，这其中部分人员都在从事上述
（1）、（3）、（4）项工作，自动分拣线作到了无人化作业。
自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。
控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进行自动分类。
这些分拣需求可以通过不同方式，如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测及形状识别等方式，输入到分拣控制系统中去，根据对这些分拣信号判断，来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。
分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示，当具有相同分拣信号的商品经过该装置时，该装置动作，使改变在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。
分类装置的种类很多，一般有推出式、浮出式、倾斜式和分支式几种，不同的装置对分拣货物的包装材料、包装重量、包装物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。
输送装置的主要组成部分是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品贯通过控制装置、分类装置，并输送装置的两侧，一般要连接若干分拣道口，使分好类的商品滑下主输送机（或
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