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1、完整版基于PLC的物料分拣机械手自动化控制系统设计韶关学院毕业设计题目:基于PLC的物料分拣机械手自动化控制系统设计学生姓名：陈浩学号:12101102015系（院）:物理与机电工程学院自动化系专业：自动化专业班级：2012级2班指导教师姓名及职称：韩竺秦讲师起止时间：2015年10月一2016年_5_月基于PLC的机械手分拣控制系统设计摘 要：在现今的生活上,科技日新月益的进展之下,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。机械手臂的应用也将会越来越广泛 ，机械手是近几十年发展

2、起来的一种高科技自动生产设备， 作业的准确性和环境中完成作业的能力。 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。结合近年来整个机械手的发展，并分析了机械手系统和机械手方面的设计，提出了用气动驱动和PLC控制设计方案。考虑了软、硬件各自的特点，对物料分拣机械手的整体结构、驱动系统、执行结构和控制系统进行了分析和设计， 我们可以采用整体化的设计思想并进行互补和优化。在气动驱动和PLC控制设计方案中，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， 分拣等功能。我们很容易得出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。通过以

3、上部分的分析，得出了经济，实用，高可靠的材料分拣机械手设计方案 ，对于其他经济的PLC控制系统的设计也有一定的参考价值。关键词：机械手；触摸屏（HMI）;可编程控制器（PLC）;自动化控制；物料分拣Automatic sorting line PLC control system designAbstract: In todays life, scie nee and tech no logy, the developme nt of the new moon, the manipulator in the advaneed manufacturing field plays an extre

4、mely important role, it can carry goods, sorting goods, can realize the mecha ni zati on and automati on of product ion, can be used to protect the safety of huma n body, the applicati on will be more and more widely.The applicati on of mecha nical arm is also more and more exte nsive. The mach ine

5、is a kind of high-tech automatic product ion equipme nt which has bee n developed in rece nt decades. It is widely used in mach inery manu facturi ng, metallurgy, electr oni cs, light in dustry and atomic en ergy.In this paper, based on the developme nt of mecha ni cal hand in recent years, comb ine

6、d with the desig n of the man ipulator, the mecha nical hand tech no logy is an alyzed, and the desig n scheme of pneumatic drive and PLC control is proposed.Using the holistic design idea, considering the characteristics of the software and the hardware, the software and the hardware are compleme n

7、tary and optimized.The whole structure, drive system, the structure and con trol system of the material sorting manipulator are analyzed and designed.In its drive system, the control system of the PLC con trol unit is used to complete the in itializatio n of the system fun cti on, the movement of th

8、e manipulator, the fault alarm, the sorting and other functions.At last, a simple, easy to implement, and the theoretical significance of the control strategy is proposed.Through the work above, it is concluded that the economic, practical, high reliable material sorting man ipulator desig n scheme,

9、 the desig n of PLC con trol system in other econo mic type also certa in reference value.Keywords : manipulator ; touch screen (HMI);programmable logic controller (PLC); automatic con trol;sorti ng materials1绪论 11.1机械手的简介 11.2课题选题意义及主要研究内容 11.2.1选题意义 11.2.2本课题的主要研究内容 22控制方案设计 22.1控制方案选择 22.2控制系统整体架

10、构 22.3机械手自动分拣系统 43系统硬件的选型 63.1 PLC种类及型号选择 63.2机械手执行系统的分析与选择 63.2.1机械手执行机构坐标形式的选择 63.2.2机械手执行机构坐标形式的分析 73.3机械手执行机构的组成 73.3.1手部的选择 错误!未定义书签。3.3.2手臂结构的选择 73.4机械手的驱动系统的分析与选择 83.5传感器的选择 93.5.1位置检测装置 93.5.2光纤传感器 93.5.3电感式传感器 103.6气缸装置 103.7触摸屏选择 103.7.1触摸屏特点 103.8变频器的选择 113.8.1硬件准备和接线 113.8.2可编程控制器的初始设定 1

11、13.8.3变频器的初始设定 113.8.4通讯用到的指令 114控制系统设计 124.1控制系统流程图 124.2系统输入和输出点的I/O点数分配 134.3 PLC外部接线图 15参考文献 16致谢 17附录 18基于PLC的物料分拣机械手自动化控制系统设计自动化专业2012级2班：陈浩指导教师：韩竺秦讲师1绪论在现今的科技的日新月益的进的展下，在现今的科技日新月益的进展之下， 机械手在先进技术领域中承担着重要一部分。 机械手不但可以搬运一些工件、分 拣一些物品等，而且能够工作在一些人类标记为危险的地区，例如能够在高温区 域工作,能在有毒的环境中工作，能在腐蚀的环境中工作，并且可以实现生产

12、的自 动化和机械化，因此，被广泛应用于冶金、电子、机械制造、原子能和轻工业等 部门。1.1机械手的简介机械手作为一个尖端的产物取代一些传统的工业的设备是现在现今社会的 必要工具，它可以根据各种自动化设备的工作需求或需要 ，来完成我们想要完成的任务，所以机械手在这个先进的领域中承担着很重要的一部分。 它能够工作在一些人类标记为危险的地区，例如能够在高温区域工作，能在有毒的环境中工作， 能在腐蚀的环境中工作，并可以实现生产的自动化和机械化。机械手是机器人的重要驱动部一件，其机械手的驱动装置所提供的安全性、 高效性和平稳性都会直接影响机器人工作空间的轻量化要求、 准确性和工作性能等，除此之外，机构尺

13、寸也是关键之一。1.2课题选题意义及主要研究内容1.2.1选题意义为了适应工业需一要，例如一些可变换生产品一种的中小批量自动化生产、 单调重复某一种运动的工作、柔性生产线动作灵活多样等等，本论文研究 PLC对物料分拣机械手的操控，利用一些合适的传感器，使其机械手能够像人一样区 分一些有颜色的物料或不同材质的物料把他们区分开来和像人一样灵活地把一 些不同颜色或材料的区分在指定的位置上，机械手也可以普遍使用于一些柔性生 产线。有很多时候一些工作是作往复运动或旋转运动， 人难免会出错，而机械手可以很好代替人来工作。本次设计主要是控制机械手的系统、驱动机械手的系统、 执行机械手的系统的设计和完成机械手

14、的硬件部分与软件部分设计。在这种环境下，智能化的机械手获得快速的更新，智能化的机械手不仅能够 可以实现一些我们要求的行动和动作，而且可以想人一样灵活地运动，最重要就 是能够实现负反馈，也就是能够检测到环境的变化，自动地修改正确的运动参数 和行动的规律。1.2.2本课题的主要研究内容智能化的机械手是未来机械手的发展趋势，希望在我国科研工作者的共同努 力下，我国能在智能机械手领域取得优势地位， 为工业化注入新的活力。本论文 首要研讨物料分拣机械手：智能化的机械手的控制系统的设计和执行系统的分析 与选取，还有其驱动系统的分析与选取。2控制方案设计2.1控制方案选择一般的运动控制系统主要分为以下几类：

15、1、 基于单一片机的运动控制系统单片机（MCU具有耗能低、一般的功能都能实现、价格便宜等优点，但是， 一般的单片机（MCU由于集成简单，功能不能很精密，很难实现日常生活中的 一些要求，所以在一些大的工业上很少会用到单片机（ CPU作为他们的控制系统。2、 基于PLC的运动控制系统可编程序控制器，也被称为可编程逻辑控制器 （PLC）。机械手控制系统在组成和功能上的合适拆分，不但把成本降低了，还会增加 其通用性，而且会让机械手更合适一些特定的环境当中， 对比单片机运动控制方案，可编程逻辑控制器（PLC）不但可以扩展输入/输出端口（ I/O ），它的通讯也 能快速响应的能力，还有就是他的抗干扰能力比

16、起单片机当然强大很多了。 为此本章采取PLC控制的方法。2.2控制系统整体架构如图2.2所示，该系统以PLC为主控部件，是这个系统的核心部分，可编程 逻辑控制器（PLC）的可拓展I/O 口模块可以接受各种检测开关传送回来的信号， 和实时地监控一些开关和一些传感器的工作状态。触摸屏可为上位机，对整个系统的各个关键的参数进行设置、修正和记录。各部分的传感器是获取机械手的内部和外部的信息， 如位置传感器可检测机械手的实时状况，检测一些位置开关工作状态也就是说监控机械手的所有动作是 否到了该到的位置，其图如下。图2.1机械手分拣控制系统整体架构图图22分拣系统示意图其工作流程：A按触摸屏“启动”按钮，

17、组合的红灯熄灭，组合的绿灯闪烁，系统检测各个执行机构是否处于原点位置，原点位置满足，执行步骤 BB传送带正转运行，触摸屏显示皮带运行速度。将料盘上的物料推送至料仓 出口物料检测位置。物料检测传感器检测是否有料，若检测有料执行步骤 C;C机械手搬运物料。机械手动作顺序如下：伸缩机械手臂伸出至前限位一一 垂直机械手臂下降至下限位一一启动手指抓取物料一一垂直机械手臂上升至上 限位一一伸缩机械手臂缩回至后限位一一旋转机械手臂右转至右限位一一伸缩 机械手臂伸出至前限位一一垂直机械手臂下降至下限位一一气动手指释放物料。 执行步骤D。D气动的手指释放物料后，落料口物料的检测传感器检测是否有料，同时机 械手返

18、回原点位置等待抓料。返回顺序如下：垂直机械手臂上升至上限位一一伸 缩机械手臂缩回至后限位一一旋转机械手臂左转至左限位。 若正在处理的物料未分拣完，即使检测到料仓出口处有料，机械手亦不动作。若落料口检测传感器检测有料，则执行步骤 E;若落料口检测传感器检测无料，机械手处于原点位置等待，传送带停止运行。 此时若传感器检测有料，则皮带运行，将物料送入分拣。执行步骤 E。E物料分拣。传送带运行，传感器则按照物料的质料 的颜色、性质等特征进行分辨，分别由PLC控制的电磁阀使气缸的动作，对物料进行分拣。若金属 传感器检测物料为金属材质，则A杆气缸动作，将物料推入储料装置。若光传感 器I检测物料为白色塑料工

19、件，则 B杆气缸动作；若光传感器II检测到物料为 黑色塑料工件，则C杆气缸动作。触摸屏显示工件的总数量以及各类型工件的数 量。气缸将不同的工件推入相应的储料装置中后，系统返回步骤 B。2.3机械手自动分拣系统1、 上电系统上电后，组合警示红灯闪烁，提示的系统处于待机模式。注：组合警示灯任何时候只有一个灯亮。2、 工作模式生产线有三种操作模式：原点回归、手动操作、自动运行。使用触摸屏进行 操作。3、 原点回归故障停机、紧迫停机或设备检验更改后，各个执行机构或许没有在工作原点 状态，故系统上电后必须实行原点回归运作。置:(1)“原点回归”工作，按触摸屏的“回原启动”按钮，各执行机构返回原点位 旋转

20、机械手臂左转至左限位垂直机械手臂上升至上限位 伸缩机械手臂缩回至后限位 气动手指张开各推料气缸活塞杆内缩至后限位转盘电机停止运行 皮带停止传送4、 手动操作“手动操作”模式，可在触摸屏上分别对各执行机构的运行的控制。5、 自动运行选择“自动运行”工作模式。A 按触摸屏“启动”按钮，组合警示红灯熄灭，组合警示绿灯闪烁，系统检 测各个执行机构是否处于原点位置，原点位置满足，执行步骤 BoB传送带正转运行，触摸屏显示皮带运行速度。将料盘上的物料推送至料仓 出口物料检测位置。物料检测传感器检测是否有料，若检测有料执行步骤 C;C机械手搬运物料。机械手动作顺序如下：伸缩机械手臂伸出至前限位 垂直机械手臂

21、下降至下限位一一启动手指抓取物料一一垂直机械手臂上升至上 限位一一伸缩机械手臂缩回至后限位一一旋转机械手臂右转至右限位一一伸缩 机械手臂伸出至前限位一一垂直机械手臂下降至下限位一一气动手指释放物料。 执行步骤D。D气动手指释放物料后，落料口物料检测传感器检测是否有料，同时机械手 返回原点位置等待抓料。返回顺序如下：垂直机械手臂上升至上限位一一伸缩机 械手臂缩回至后限位一一旋转机械手臂左转至左限位。 若正在处理的物料未分拣完，即使检测到料仓出口处有料，机械手亦不动作。若落料口检测传感器检测有料，则执行步骤 E;若落料口检测传感器检测无料，机械手处于原点位置等待，传送带停止运行。 此时若传感器检测

22、有料，则皮带运行，将物料送入分拣。执行步骤 E。E物料分拣。若光传感器II检测到物料为黑色塑料工件，则 C杆气缸动作。 触摸屏显示工件的总数量以及各类型工件的数量。 气缸将不同的工件推入相应的 储料装置中后，系统返回步骤 B。注：金属传感器只能感应金属物料， 光传感器I只能感应高亮度物料，光传 感器II只能感应黑色物料。6停止与急停系统处于“自动运行”模式下时，按下触摸屏“停止”按钮，若机械手和传 送带处于输送物料状态中，则必须完成物料分拣操作过程后停止。 停止后，不管 料仓出料口和皮带落料口是否有物料， 生产线均不再动作。此时组合警示绿灯熄 灭，组合警示红灯闪烁。在任何时刻，按下操作面板“急

23、停”开关，系统立即停止在当前位置，组合 警示红灯闪烁，同时蜂鸣器鸣叫报警。松开“急停”，系统不自动开始运行，组 合警示红灯闪烁，蜂鸣器停止报警。3系统硬件的选型PLC作为控制系统当中的最重要一部分， 现在已被应用得非常成熟的一种技 术了。3.1 PLC种类及型号选择当前的市场上PLC类型比较多，如西门子、三菱、欧姆龙、施耐特等等 200 多家厂家，而PLC型号就有400多种。他们各种型号各有优缺点，这里就不一一 进行阐述。本论文采用的PLC的类型是FX2N系列，它具有32个输入口和32个输出口， 可以足够本次的系统要求并留有一定的空出的输入，输出点。3.2机械手执行系统的分析与选择合适的执行机

24、构可以大大地提高机械手的各种性能， 所以下面就开始选取一 些合适的执行机构。3.2.1机械手执行机构坐标形式的选择按照机械手的手臂运动形式的不同，现成的机械手的种类可以区分成 4种： 直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和多关节式。根据不同的用途还在不断发展 之中。本论文简单的分析一下各模式的机械手对比：1、 直角坐标式机械手机械手的工作地方成行布列或与运输带共同运用是适合直角坐标式机械手。2、 球坐标式机械手球坐标式机械手是用途较广，多空间，多角度的控制的机械手，故球坐标式 机械手可实现很多多角度的动作。3、 关节式机械手关节式机械手是一种似于人的手臂运作的机能，故合适于接近机能运作传动 模型。

25、4、 圆柱坐标式机械手圆柱坐标式机械手是采用很多的模型，它很合适运用在运输和丈量的工件。圆柱坐标式机械手有四个基本动作：（1） 伸和缩；（2） 上和下；（3） 左和右；（4） 爪和夹。3.2.2机械手执行机构坐标形式的分析圆柱坐标式机械手能满足手臂的向前向后、来回转动、向上向下等动作。圆柱坐标式机械手是采用很多的模型， 它很合适运用在运输和丈量 的工件，手 臂的向前向后、来回转动、向上向下等动作满足本设计中机械手的动作要求， 故 决定使用圆柱坐标式机械手作为本次设计的机械手。3.3机械手执行机构的组成机械手的执行系统由手部，臂部，支撑手臂的机械装置，机座等部分组成。3.3.1手部的选择手部是机

26、械手直接抓或拿工具或货物的部件，它的作用是支撑手部和腕部， 并驱动它们在空间运转。对工件无损害、真空拥有构造简单、重量轻、使用简单而且对机械手的手抓 的正常操作没有影响等优点，按照所设计机械手的要求，故选用了真空式吸盘。3.3.2手臂结构的选择机械手手臂的结构为直线运动，这通常是由驱动机构中使用的拉伸和起重运 动直油（气）缸驱动，并且基本上和导向装置构成。驱动机构的直线运动，通常使用的机架，马达加斯加汽缸油，齿轮来实现的，而线性往气缸或复油缸，可区 分为以下几种。1、 双作用单活塞杆油缸：它是由机械手手臂的来回运动用得很多的一种手臂的结构。其原理就是在有 呀的作用下，使活塞进行来回运动。2、

27、双作用双活塞杆油缸：当要求很大的行程，一般我们可以选用伸缩式双活塞杆油缸，不但满足行程 要求，而且油缸的体积又小，美中不足是次行程有两种速度。本论文中的机械手的手臂不要求特大的行程但要求来回的直线运动， 经过各 种各样的需求，选用缸体固定活塞杆运动的双作用单活塞杆气缸最为适合， 主要 其构造的简单和设计的便宜。而导向装置机械手的手臂在运行伸或缩运作时，要求设有导向装置的配置， 不仅可以提高行动的精度，还可以为防止手臂沿伸缩方向向中轴线转动， 使其加 大承载能力。333机座结构的选择机座是机械手的基础部分，是支撑起机械手全部重量的构件，所以对其结 构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型

28、美观。按照本机械手的设计要求机座在停下来时要求能够刹车定位， 所以可采用可移动式的机座。3.4机械手的驱动系统的分析与选择机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置， 目前选用的大多数都是 电气、液压、气压这三种驱动方式。液压驱动：其不足就是工作时候声音较大，要求配有油源，价格较高，而且 油液容易泄露，污染空气和环境；其好处就是可实现多次平稳的换向和变速， 功 率和质量比较大。电气驱动：电气驱动主要是成本很贵，一般很少会用到这种驱动模式。气压驱动：气压驱动这个模式最主要成本低，而且对环境无污染，稳定性强， 另外，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，气动技术越来越成 熟，现在成为主

29、流的一种技术了。表3.4各种控制方式的比较项目气压传动液压传动电气传动机械传动系统结构简单复杂复杂较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高动作速度大稍大大小响应速度慢快快中清洁度清洁可能有污染清洁较清洁维护简单比气动复杂需要专门的技术简单价格一般稍高高一般技术要求较低较咼最高较低控住自由度大大中小危险性几乎无问题注意着火一般没问题无特殊问题经过分析和对比，本论文采用的是气动驱动的模式。3.5传感器的选择传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。 它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提 供信息。本设计选择的开关主要

30、用于检测工件的材质、 颜色，以及检测各个气缸动作的位置。下面主要介绍本系统涉及的接近开关类型。3.5.1位置检测装置在本设计中，当机械手执行左旋/右旋，前伸/回缩，上升/下降等动作时，应 有相应的位置检测装置检测动作是否到位， 常用的位置检测装置是行程开关。 行 程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器， 用于控制机械设备的行程及限位保护。 在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的 位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时， 行程开关的触点动作， 实现电路的切换。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。本设计中采用直线接触式行程开关检测机械手动作

31、是否到位， 当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。3.5.2光纤传感器光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器， 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，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探 测器，经解调后，获得被测参数。传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展，它能够在人 达不到的地方（如高温区或者对人有害的地区，如核辐射区），起到人的耳目作用， 而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。3.5.3电感式传感器电感式传感器相对于电容式电感器，虽然只能识别金属物质的工件，但是它 具有体积小，定位精度高，抗干扰性能好等特点，普遍的利用于各种自动化生产 线、机电一体化设备及石油、化工、科研等多种行业。由铁心和线圈构成