自动化生产线分拣单元的设计师亚娟.docx

1、自动化生产线分拣单元的设计师亚娟毕业设计论文设计（论文）题目：自动化生产线中分拣单元的设计下 达 日 期： 2013 年 12 月 9 日开 始 日 期： 2013 年 12 月 9 日完 成 日 期： 2014 年 01 月 17 日指 导 教 师： 师亚娟 学 生 专 业： 电气自动化 班 级： 自动化1203 学 生 姓 名： 张亚圆 教 研室主任： 王永康 电气工程 系陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书 一、 设计（论文）内容及要求：（一） 设计（论文）内容本设计要求完成自动化生产线中分拣单元的设计任务。分拣单元在自动化生产线中属于最后一个环节，能够将已经加工好的产品按照颜色、

2、材质以及订单要求的装配组合进行分拣。本次设计中，采用可编程控制器作为控制单元，结合气动装置、传感技术、位置控制等技术，对已经加工完成的产品进行自动分拣整个装置具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点。分拣单元采用台式结构，内置电源，有步进电机、汽缸、电磁阀、旋转编码器、气动减压器、滤清器、气压指示等部件，可与各类气源相连接。选用颜色识别传感器及对不同物料敏感的电容式和电感式传感器。（二） 物料分拣装置能实现如下3 种基本功能：1.分拣单元的工作目标是完成对白色芯金属工件、白色芯塑料工件和黑色芯的金属或塑料工件进行分拣。为了在分拣时准确推出工件，要求使用旋转编码器作定位检测。并且工件物料

3、和芯体颜色属性应在推料气缸前的适应位置被检测出来。2、分拣单元上电和气源接通后，若工作单元的三个气缸均处于缩回位置，则 “正常工作”指示灯HL1 常亮，表示分拣单元已准备好。否则，该指示灯以1Hz 频率闪烁。3、若分拣单元已准备好，按下启动按钮，系统启动，“分拣单元运行”指示灯HL2 常亮。当传送带入料口人工放下已装配的工件时，变频器立即启动，驱动传动电动机以频率固定为30Hz 的速度，把工件带往分拣区。如果工件为白色芯金属件，则该工件对到达1 号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到1 号槽中；如果工件为白色芯塑料，则该工件对到达2 号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到2 号槽中；如果工件为黑色

4、芯，则该工件对到达3 号滑槽中间，传送带停止，工件对被推到3 号槽中。工件被推出滑槽后，该工作单元的一个工作周期结束。仅当工件被推出滑槽后，才能再次向传送带下料。如果在运行期间按下停止按钮，该工作单元在本工作周期结束后停止运行。（二）要求1准备资料：a）自动化生产线操作手册及说明书；b)可编程序控制器c)自动检测与转换技术d)气动手册2系统工作过程分析3.硬件设计4.控制系统及软件设计5.整体系统调试6.结论二、 技术指标：1、 用S7-200PLC实现自动分拣装置控制要求，据体I/O分配表如下：2、 熟悉机械和电气部件的整体安装和调试。三、 完成设计报告：1、说明书2、摘要目录3、目的4、电

5、气控制原理图（计算机出图）5、装置结构图6、原理分析7、程序设计流程图8、梯形图程序9、参考资料陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书 进 程 计 划 表序号起止日期计划完成内容实际完成情况检查签名1资料收集查阅2分拣单元结构设计；分拣单元电气控制线路设计；3分拣单元气路设计；流程图设计4梯形图设计；分拣单元调试5书写设计报告；准备答辩；6答辩 自动化生产线分拣单元的设计摘 要自动分拣系统（Automated Sorting System）是二战后率先在美国、日本的物流中心中广泛采用的一种自动化作业系统，该系统目前已经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。我国的自动分拣技术才开始起步

6、，仅在邮电部门的邮政局有一些小型的半自动的翻盘分拣用于邮包分拣，在别的行业就很少见到一定规模和一定水平的分拣系统。但是，自动分拣已逐渐成为工业生产主流，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搬送装置。本设计中，以PLC 作为主控制单元，结合气动装置、传感器、位置控制、变频器等技术，设计了一种成本低、效率高的物料自动分拣装置。在设计最后，将组态监控技术应用到项目中，通过组态软件，构建画面，模拟现场实际，实现动态的监控。在实验室分拣单元上调试运行之后，该系统

7、具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点，能够准确高效的完成加工物料的自动分拣，具有一定的推广应用价值。关键词：可编程控制器,分拣装置,控制系统,传感器,定位控制THE DESIGN OF SORTING UNIT USED IN THE AUTOMATIC PRODUCTION LINEABSTRACTAutomatic sorting system is the first in the United States after World War Japans logistics center is widely used in an automated operating sys

8、tem developed medium-sized logistics has become an indispensable part of the center .Chinas auto-sorting technology was started, only post office in the postal and telecommunications sector, some small-scale semi-automatic sorting of the deficit for the parcels are sorted, in other sectors rarely se

9、en on a certain scale and a certain level of sorting system. However, the automatic sorting of industrial production has become mainstream, because it is automatically sorted into the sorting system from the goods to the distribution of the location of the designated date, in accordance with peoples

10、 orders are automatically sorted by the device to be completed. The device is the sorting instructions to receive information from the control device, computer network, to reach the location of the sorting of cargo to move elsewhere to send device.The design configuration software installed on your

11、computer through the configuration software, build a screen to simulate the actual scene, to achieve dynamic control. The use of programmable logic controller (PLC),the design of low cost, high efficiency automatic sorting device materials. To PLC-based controllers, combination of aerodynamic device

12、s, sensor technology, such as position control technology, The scene to control the automatic sorting products, systems with a high degree of automation, stable operation and high precision, easy to control features which can fulfill the requirement according to different situation with little modif

13、ications.KEY WORDS： programmable logic controller, sorting devices, control systems, sensors, positioning control.目录1.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搬送装置。由于全部采用机械自动作

14、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，尤其在需要进行物料分拣的企业，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，物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，效率高的物料自动分拣装置，在物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分拣单元无缝连接，实现对物料实物流、物料信息

15、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。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分拣单元的微缩模型。应用PLC技术结合气动、传感器和位置控制等技术，设计不同类型物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，可适应进行物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。2.分拣单元的结构和工作过程分拣单元是自动化生产线 中的最末单元，完成对上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣。使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。

16、当输送站送来工件放到传送带上并被入料口光电传感器检测到时，即启动变频器，工件开始送入分拣区进行分拣。分拣单元主要结构组成为：传送和分拣机构，传动带驱动机构，变频器模块，电磁阀组，接线端口，PLC 模块，按钮/指示灯模块及底板等。其中，机械部分的装配总成如图2-1 所示。图2-1分拣单元外型图2.1传送和分拣机构传送和分拣机构主要由传送带、出料滑槽、推料（分拣）气缸、漫射式光电传感器、光纤传感器、磁感应接近式传感器组成。传送已经加工、装配好的工件，在被光纤传感器检测到并进行分拣。传送带是把机械手输送过来加工好的工件进行传输，输送至分拣区。导向器是用纠偏机械手输送过来的工件。两条物料槽分别用于存放

17、加工好的黑色、白色工件或金属工件。传送和分拣的工作原理：当输送站送来工件放到传送带上并被入料口漫射式光电传感器检测到时，将信号传输给PLC，通过PLC 的程序启动变频器，电机运转驱动传送带工作，把工件带进分拣区，如果进入分拣区工件为白色，则检测白色物料的光纤传感器动作，作为1 号槽推料气缸启动信号，将白色料推到1 号槽里；如果进入分拣区工件为黑色，检测黑色的光纤传感器作为2 号槽推料气缸启动信号，将黑色料推到2 号槽里，如果是金属工件被金属传感器检测到将其推到3 号槽里。自动生产线的加工结束22传动带驱动机构传动带驱动机构机构如图5-2 所示。采用的三相减速电机，用于拖动传送带从而输送物料。它

18、主要由电机支架、电动机、联轴器等组成。图2-2 传动机构三相异步电动机是传动机构的主要部分，电动机转速的快慢由变频器来控制，其作用是带传送带从而输送物料。电机支架用于固定电动机。联轴器由于把电动机的轴和输送带主动轮的轴联接起来，从而组成一个传动机构。2.3电磁阀组和气动控制回路分拣单元的电磁阀组使用了三个由二位五通的带手控开关的单电控电磁阀，它们安装在汇流板上。这三个阀分别对金属、白料和黑料推动气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。本单元气动控制回路的工作原理如图5-3 所示。图中1A、2A 和3A 分别为分拣1#气缸、分拣2#气缸和分拣3#气缸。1B1、2B1 和3B1 分别为安装在各分

19、拣气缸的前极限工作位置的磁感应接近开关。1Y1、2Y1 和3Y1 分别为控制3个分拣气缸电磁阀的电磁控制端。图2-3 分拣单元气动控制回路工作原理图3.分拣单元硬件设计3.1传感器在自动化生产线上各工作单元所使用的传感器都是接近传感器，它利用传感器对所接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号，因此，接近传感器通常也称为接近开关。接近传感器有多种检测方式，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕捉检测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利用磁石和引导开关的方式、利用光电效应和光电转换器件作为检测元件等等。YL-335B 所使用的是磁感应式接近开关（或

20、称磁性开关）、电感式接近开关、漫反射光电开关和光纤型光电传感器等。3.1.1磁性开关 YL-335B 所使用的气缸都是带磁性开关的气缸。这些气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。在非磁性体的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，这样就提供了一个反映气缸活塞位置的磁场。而安装在气缸外侧的磁性开关则是用来检测气缸活塞位置，即检测活塞的运动行程的。有触点式的磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件。舌簧开关成型于合成树脂块内，并且一般还有动作指示灯、过电压保护电路也塑封在内。图2-10 所示是带磁性开关气缸的工作原理图。当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点

21、闭合；当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。当触点闭合或断开时发出电控信号，在PLC 的自动控制中，可以利用该信号判断推料及顶料缸的运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推出或气缸是否返回。图3-1 带磁性开关气缸的工作原理图在磁性开关上设置的LED 显示用于显示其信号状态，供调试时使用。磁性开关动作时，输出信号“1”，LED 亮；磁性开关不动作时，输出信号“0”，LED 不亮。磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧固定位螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧固定螺栓。磁性开关有蓝色和棕色2 根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC 输入公共端，棕色引出线应连接到PLC

22、 输入端。磁性开关的内部电路如图3-2 中虚线框内所示。图3-2磁性开关内部电路3.1.2电感式接近开关 电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器。电涡流效应是指，当金属物体处于一个交变的磁场中，在金属内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场这样一种物理效应。如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生的，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡涡流产生的磁场。利用这一原理，以高频振荡器（LC 振荡器）中的电感线圈作为检测元件，当被测金属物体接近电感线圈时产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路（包括检波、放大、整形、输出等电路）将该变化转换成开关量输出

23、，从而达到检测目的。电感式接近传感器工作原理框图如图所示。图 电感式传感器原理框图接近开关的选用和安装中，必须认真考虑检测距离、设定距离，保证生产线上的传感器可靠动作。安装距离注意说明如图 所示。图 安装距离注意说明3.1.3光电式接近开关“光电传感器” 是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。光电式接近开关主要由光发射器和光接收器构成。如果光发射器发射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达光接收器的量将会发生变化。光接收器的敏感元件将检测出这种变化，并转换为电气信号，输出电信号传送到PLC 中。大多接近开关使用可视光（主要

24、为红色，也用绿色、蓝色来判断颜色）和红外光。按照接收器接收光的方式的不同，光电式接近开关可分为对射式、反射式和漫射式3种，如图所示。图 光电式接近开关3.1.4旋转编码器旋转编码器是通过光电转换，将输出把轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字信号的传感器，主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的旋转编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形狭缝。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图- 所示；通过计算每秒旋转编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

25、图3- 旋转编码器原理示意图一般来说，根据旋转编码器产生脉冲的方式的不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。自动线上常采用的是增量式旋转编码器。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B 和Z 相；A、B 两组脉冲相位差90，用于辩向：当A相脉冲超前B 相时为正转方向，而当B相脉冲超前A 相时则为反转方向。Z 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。如图5-8 所示。YL-335B分拣单元使用了这种具有A、B 两相90相位差的通用型旋转编码器，用于计算工件在传送带上的位置。编码器直接连接到传送带主动轴上。该旋转编码器的三相脉冲采用NPN 型集电极开路输出，分辨率500 线，工作电

26、源DC 1224V。本工作单元没有使用Z 相脉冲，A、B 两相输出端直接连接到PLC（S7-224XP AC/DC/RLY 主单元）的高速计数器输入端。图 增量式编码器输出的三组方波脉冲计算工件在传送带上的位置时，需确定每两个脉冲之间的距离即脉冲当量。分拣单元主动轴的直径为d=43 mm,则减速电机每旋转一周，皮带上工件移动距离L=d=3.1443=136.35 mm。故脉冲当量为=L/5000.273 mm。按如图 所示的安装尺寸，当工件从下料口中心线移至传感器中心时，旋转编码器约发出430 个脉冲；移至第一个推杆中心点时，约发出614 个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出963个脉冲；移

27、至第二个推杆中心点时，约发出1284 个脉冲。图 传送带位置计算用图应该指出的是，上述脉冲当量的计算只是理论上的推算。实际上各种误差因素不可避免，例如传送带主动轴直径（包括皮带厚度）的测量误差，传送带的安装偏差、张紧度，分拣单元整体在工作台面上定位偏差等等，都将影响理论计算值。因此理论计算值只能作为估算值。脉冲当量的误差所引起的累积误差会随着工件在传送带上运动距离的增大而迅速增加，甚至达到不可容忍的地步。因而在分拣单元安装调试时，除了要仔细调整尽量减少安装偏差外，尚须现场测试脉冲当量值。现场测试脉冲当量的方法，如何对输入到PLC 的脉冲进行高速计数，以计算工件在传送带上的位置，将结合本项目的工

28、作任务，在PLC 编程思路中作介绍。3.2西门子S7-200型PLC介绍可编程控制器（Programmable Controller），简称PLC。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。可编程控制器具有能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单等优点，是当代工业生产自动化的主要手段和重要的自动化控制分拣单元。由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。美国电气制造商协会(NEMA)经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控制

29、器命名为PC(Programmable Controller)，但为了与个人计算机PC（Personal Computer）相区别，常将可编程序控制器简称为PLC，并给PLC作了定义：可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动化控制装置。 1982年，国际电工委员会(International Electrical Committee，IEC)颁布了PLC标准草案第一稿，1985年提交了第2稿，并在1987年的第3稿中对PLC作了如下的定义：“PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境

30、下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围分拣单元，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。” 上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。3.2.1 S7-200系列可编程控制器 德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最

31、大的电子和电气分拣单元制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序控制器是于1975年投放市场的SIMATIC S3系列控制系统。 1979年微处理器技术被应用到可编程序控制器中后，产生了SIMATIC S5系列，随后在20世纪末又推出了S7系列产品。在2000年以前，西门子在中国市场的PLC产品主要是大中型PLC，日本的小型PLC占据了中国的大部分市场份额。最近几年来的小型PLC市场上S7-200PLC成了主流产品。1. CPU模块从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型可编程序控制器的发展，大致经历了两代： 第一代产品其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU站：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，对第一代PLC产品不再作具体介绍。 第二代产品其CPU模块为CPU 22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配置的CPU站：CPU 221，CPU 222、CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加扩展模块。下面我们就SIMATIC S7-200系列C