PLC在機械手分選系統(tǒng)中的應(yīng)用-畢業(yè)論文

哈爾濱應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學院哈爾濱應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學院 PLC 在機械手分選系統(tǒng)中的應(yīng)用在機械手分選系統(tǒng)中的應(yīng)用 摘要：摘要： 機械手的積極作用正日益為人們所認識，其一，它能部分地代替人的勞動并能達到生 產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送。因為，它能大大地改善工 人的勞動條件，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因此，受到各先進單位的重視并 投入了大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲的場合，應(yīng)用得更 為廣泛。 在我國， 近代幾年來也有較快的發(fā)展， 并取得一定的成果， 受到各工業(yè)部門的重視。 在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要對流水線上的產(chǎn)品進行分撿，本課題擬開發(fā)物料搬運機械手，采用日 本三菱公司的 FX2N 系列 PLC,對機械手的上下、左右以及抓取運動進行控制。用于分撿大 小球的機械裝置。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機械手完成各種動作。 關(guān)鍵詞：機械手 PLC 大小球 目目 錄錄 第 一章P L C 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 設(shè) 計 基 礎(chǔ) 知 識 2 1.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的原則和內(nèi)容. 2 專專業(yè)：業(yè)：機械制造與自動化 姓姓名：名：許松杰 學學號：號： 指導老師：姜春芬指導老師：姜春芬 日期：二零一一年七月五日 1.2PLC 的選型.2 第二章PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 .3 2.1 按鈕、行程開關(guān)的選型.4 2.2 接近開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、刀開關(guān)的選型.4 2.3 時間繼電器、接觸器的選型.5 2.4 熔斷器、電動機的選型.5 2.5 電磁閥的選型.6 第三章PLC 機械手在大小分球選系統(tǒng)中的設(shè)計.6 3.1 機械手的總體方案分析 . 7 3.2 控制面板的結(jié)構(gòu)8 3.3I/O編址及工作框圖8 3.4 狀態(tài)編程圖和步進梯形圖.9 第四章展 望 與 未 來 .11 第五章致謝.11 參考文獻.12 第一章第一章 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)知識應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)知識 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計主要包括硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、施工設(shè)計和安裝調(diào)試等內(nèi)容。本課程 設(shè)計著重在系統(tǒng)設(shè)計和程序設(shè)計。 1.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的原則和內(nèi)容?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計的原則和內(nèi)容。 PLC 的選擇除了應(yīng)滿足技術(shù)指標的要求外，還應(yīng)著重考慮產(chǎn)品的技術(shù)支持與售 后服務(wù) 等情況。 最大限度地滿足被控對象或產(chǎn)生過程的控制要求。 對于一些原來用繼電接觸 器線 路不易實現(xiàn)的要求，使用 PLC 后，將很容易實現(xiàn)。 在滿足控制要求前提下，力求使控制簡 單、經(jīng)濟、操作和維護方便。對一些 過去較為繁瑣的控制可利用 PLC 的特點加以簡化， 通過內(nèi)部程序化外部接線及操 作方式。 保證控制系統(tǒng)的安全、可靠。同時采取“軟件兼施” 的辦法。 考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進，選擇 PLC 容量及 I/O 點數(shù)時，應(yīng)適當留有 裕 量。一個系統(tǒng)完成后，往往會發(fā)現(xiàn)一些原來沒有考慮到的問題，或者新提出的 問題 ，如果 事先留有裕量。則 PLC 系統(tǒng)極易修改。同時對日后系統(tǒng)工藝的變更提 供方便。當然對于 不同的用戶，要求的側(cè)重點不同，設(shè)計的原則也應(yīng)有所區(qū)別， 如果以提高產(chǎn)品和安全為目 標，則應(yīng)將系統(tǒng)可靠性放在設(shè)計的重點，設(shè)置考慮采 取冗余控制系統(tǒng)；如果要求系統(tǒng)改善 信息管理，則應(yīng)將系統(tǒng)通信能力與總線網(wǎng)絡(luò) 設(shè)計加以強化；如果系統(tǒng)工藝經(jīng)常變更，則事 先充分考慮。 1.2PLC的選型的選型 在滿足控制要求的前提下，選型時應(yīng)選擇最佳的性能價格比，具體考慮以下幾點。 1.2.1 性能與任務(wù)相適應(yīng) 對于開關(guān)量控制系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)，當對控制要求不高時，可選用小型 PLC 如西門子公 司 S7-200 系列 PLC 或 OMON 公司系列 CPM1A/CPM2A 型 PLC）就能滿足要求，如對 小型泵的順序控制、單臺機械的自動控制等。 對于以開關(guān)量控制為主，帶有部分模擬量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，如對工業(yè)生產(chǎn)中常遇到的溫 度、 壓力、 流量、 液位等連續(xù)量的控制， 應(yīng)選用帶有 A/D 轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊和帶有 D/A 轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，配接相應(yīng)的傳感器、 變送器和驅(qū)動裝置，并且選擇運算功能較強 的中小型 PLC，如西門子公司的 S7-300 系列 PLC 或 OMRON 公司的 COM/CQM1H 型 PLC。 對于比較復雜的中大型控制系統(tǒng)，如閉環(huán)控制、PID 調(diào)節(jié)、通信聯(lián)信網(wǎng) 4 等，可選用 中 大 型 PLC （ 如 西 門 子 公 司 的S7-400系 列 PLC 或OMRON公 司 的 C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1 等 PLC） 。當系統(tǒng)的各個控制對象分布在不同的地 域時，應(yīng)根據(jù)各部分的具體要求來選擇 PLC， 一組成一個分布式的控制系統(tǒng)。 1.2.2 PLC 的處理速度應(yīng)滿足時實控制的要求的處理速度應(yīng)滿足時實控制的要求 PLC 工作時，從輸入信號控制存在著滯后現(xiàn)象， 即輸入量的變化， 一般要在 12 個 掃描周期之后才能反映到輸出端， 這對于一般工業(yè)控制是允許的。 但有些設(shè)備的實時性要求 教高，不允許有教大的滯后時間。 例如，PLC 的 I/O 點數(shù)在幾十到幾千點范圍內(nèi)，這時用戶應(yīng)用程序的長短對系統(tǒng)的響應(yīng) 速度會有較大的差別。滯后時間應(yīng)控制在幾十毫秒之內(nèi)，應(yīng)小于普通繼電器的動作時間。 1.2.3 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、機型系列應(yīng)統(tǒng)一應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、機型系列應(yīng)統(tǒng)一 PLC 的結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式兩種。整體式結(jié)構(gòu)把 PLC 的 I/O 和 CPU 放在一塊電 路板上，省去插接環(huán)節(jié)，體積小，每一 I/O 點的平均價格比模塊式的便宜，適用于工藝過 程比較穩(wěn)定、 控制要求比較簡單的系統(tǒng)。 模塊式 PLC 的功能擴展，I/O 點數(shù)的增減，輸 入與輸出點數(shù)的比例，都比整體式靈活。維修更換模塊、判斷與處理故障快方便，適用于工 藝過程變化教多、控制要求復雜的系統(tǒng)。在使用時，應(yīng)按實際具體情況進行選擇。 結(jié)合以上幾點，在設(shè)計 PLC 機械手在大小球分選系統(tǒng)中用的 PLC 的選型為 FX2N 系列 的可編程控制器，F(xiàn)X2N 系列的 PLC 采用一體化箱體結(jié)構(gòu)，其基本單元將所有的電路，含 CPU、儲存器、輸入輸出接口及電源等都裝在一個模塊內(nèi)，是一個完整的控制裝置。 這樣 結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，成本低，安裝方便。 2N 系列 PLCFX2N FX 系列基本單元的輸入輸 出比為 1：1。為了實現(xiàn)輸入輸出點數(shù)的靈活配置及功能的靈活擴展，F(xiàn)X2N 系列 PLC 還 配有擴展單元、擴展模塊及特殊功能單元。擴展單元是用于增加 I/O 點數(shù)的裝置，內(nèi)部設(shè) 有電源。擴展模塊用于增加 I/O 點數(shù)及改變 I/O 比例，內(nèi)部無電源，用電由基本單元或擴 展單元供給。因擴展單元及模塊無 CPU，必須與基本單元一起使用。特殊功能單元是一些 專門用途的裝置。FX2N 系列 PLC 都是同寬同高不同長度的模塊，這樣幾個模塊拼裝起來 后就成了一個整齊的長方形結(jié)構(gòu)。根據(jù)輸入和輸出點的需要，即選擇 FX2N48MR-001 的 PLC。 第二章第二章 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 2.1 按鈕和行程開關(guān)的選擇 2.1.1 按鈕的選擇原則： (1)根據(jù)使用場合，選擇控制按鈕的種類，如開啟式，防水式，緊急式等。 (2)根據(jù)用途，選用合適的型式，如鑰匙式，緊急試，帶燈式等。 (3)按控制回路的要求，確定不同的按鈕數(shù)，如單鈕，雙鈕，三鈕，多鈕等。 (4)按工作狀態(tài)指示和工作情況的要求選擇按鈕及指示燈的顏色。 按鈕的參數(shù)：一般規(guī)格為交流 500V，允許持續(xù)電流為 5A，紅色按鈕表示停止按鈕，綠 色表示啟動，為了區(qū)別按鈕顏色，按鈕的選擇為 LA25D，指帶指示燈的按鈕。 2.1.2 行程開關(guān)的選擇： 行程開關(guān)的分類：直動式，滾動式和微動式三種。直動式行程開關(guān)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單， 成本低，但容易燒蝕觸頭。滾動式行程開關(guān)克服了直動式行程開關(guān)的缺點，但其結(jié)構(gòu)復雜， 價格也較高，所以選擇微動式行程開關(guān)體積小，動作靈敏，適用于小型機構(gòu)中使用。即型號 為: LX324 S 2.2 接近開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、刀開關(guān)的選擇接近開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、刀開關(guān)的選擇 2.2.1 接近開關(guān)的選擇： 接近開關(guān)是一種對接近它的物體有“感知”能力的元件位移傳感器， 利用傳感器對接近物 體的敏感特性達到控制開關(guān)通或斷的目的，當有物體移向接近開關(guān)，并接近到一定距離時， 位移傳感器才有“感知” ，開關(guān)才會動作。在設(shè)計中，接近開關(guān) SQO 用于檢測是否有球， SQ1SQ5 分別用于傳送機械手上下左右運動的定位。 接近開關(guān)分為霍爾接近開關(guān)，超聲波接近開關(guān)，高頻振蕩式接近開關(guān)，霍爾接開關(guān)用于 檢測磁場，一般用磁場鋼作為被檢測體。超聲波接近開關(guān)適用檢測不能或不可觸及的目標， 其控制功能不受聲、電、關(guān)等因素干擾，檢測物體可以是固體、液體、或粉末狀態(tài)的物體， 只要能反射波用的電子裝置及調(diào)節(jié)檢測范圍用的程控橋式開關(guān)等幾個部分組成， 高頻振蕩式 接近開關(guān)用于檢測各種金屬， 主要由高頻振蕩器， 集成電路晶體管放大器和輸出器三部分組 成。 接近開關(guān)的產(chǎn)品種類十分豐富， 3SG 常用的國產(chǎn)解決開關(guān)有 LJ， 和 LX18 等。 LJ5 系列接近開關(guān)采用磁振蕩原理， 用來檢測金屬物體的存在。 它采用國際統(tǒng)一的外形及安裝尺 寸， 圓柱螺紋安裝，外殼防護等級 IP65，允許周圍溫度范圍-25-30。同一產(chǎn)品適用 電壓范圍為 AC30200V，DC1030V（二線型）和（三線型） ，開關(guān)壽命可達 3000 萬 次以上，接近開關(guān)類型即為： LJ 5 A10 / 3 3 0 2.2.2 轉(zhuǎn)換開關(guān)的選擇： 轉(zhuǎn)換開關(guān)是一種多檔位，多觸點，能夠控制多回路的主令電器，可以用于控制小容量電 動機的啟動、換向、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)控制等，常用的萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)有 LW2、LW5、LW6、LW8 等系列，在設(shè)計機械手大小球分選系統(tǒng)中操作方式有手動，單周期，連續(xù)。所以選 LW5 系 列的萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)比較使用。 2.2.3 刀開關(guān)的選擇： 刀開關(guān)是一種手動電器，為了簡單，方便，選擇 HD 型單投刀開關(guān)，分為 1 級，2 級， 3 級，其型號為 HD13B200/3 2.3 時間繼電器、接觸器的選擇 2.3.1 時間繼電器的選擇： 時間繼電器在控制電路中用于時間的控制，有 JS23，JS27A，JSK，7PR，SS18 等 系列的時間繼電器。經(jīng)過調(diào)查對比，JS27 系列時間繼電器是國內(nèi)廠家 90 年代針對起重電 控行業(yè)特點開發(fā)的產(chǎn)品，適用于交流 50HZ，電壓至 380V。直流電壓至 220V 的電路中， 控制延時通斷，能在起重機工作振動和戶外等工作，符合設(shè)計的要求，即時間繼電器型號為 JS27A 2.3.2 接觸器的選擇： 接觸器的選型： （1）根據(jù)負載性質(zhì)選擇接觸器類別，一般交流負載選擇交流接觸器，直流負載選擇直 流接觸器。 （2）根據(jù)被控電路電流大小和使用類別選擇接觸器的額定電流。 （3）根據(jù)被控電路電壓等級來選擇接觸器的額定電壓。 （4）根據(jù)控制電路的電壓等級選擇接觸器線圈的額定電壓。 根據(jù)以上所述選擇交流電 磁式接觸器， CJ12 系列接觸器適用于交流 50HZ， 額定工作電壓至 380V， 額定電流至 600A 的電路中。供遠距離接通如分斷電路及對電動機頻繁進行等設(shè)備上。其型號為 CJ12600。 2.4 熔斷器、電動機的選擇 2.4.1 熔斷器的選擇： 熔斷器在電路中主要起短路保護作用，用于保護線路，熔斷器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小， 重量輕，使用維護方便，價格低廉，分斷能力較高，限流能力良好等優(yōu)點，熔斷器有 NT、 RT、RL、RLS2、FA4 等型式的熔斷器，RT 系列為有填封閉管式熔斷器，可在 500V 以下 交流系統(tǒng)中作過載及短路保護用，這種熔斷器為螺栓連接，可直接連在母線排上，尤其適合 開關(guān)熔斷器組選用，RT15 型熔斷器最大額定電流 400A，額定分斷能力 100KA。 2.4.2 電動機的選擇： 電動機是選交流的，而電動機分為異步電動機和同步電動機兩大類，異步電動機主要用 作電動機，去拖動各種生產(chǎn)機械。由于異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，制造，使用方便，運行可 靠，成本低廉，效率較高等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。例如，在工業(yè)生產(chǎn)中，異步電動機用于拖 動中小型軋鋼設(shè)備，各種金屬切削機床，輕工機械和礦山機械等；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，異步電動 機用于拖動水泵， 粉碎機以及其他農(nóng)副產(chǎn)品的加工機械； 在民用電器方面的電風扇、 洗衣機、 電冰箱、空調(diào)機等也都是用異步電動機拖動的。所以電動機選交流異步電動機為好，即選 YZ 系列的三相異步電動機，為籠型異步電動機。 2.5 電磁閥的選擇 電磁閥的分類：國內(nèi)外的電磁閥從原理上分為三大類即：直動式、分步童先導式，而從 閥瓣結(jié)構(gòu)和材料上的不同與原理上的區(qū)別又分為六個分支小類直動膜片結(jié)構(gòu)、分步重片結(jié) 構(gòu)、先導膜式結(jié)構(gòu)、直動活塞結(jié)構(gòu)、分步直動活塞結(jié)構(gòu)、先導活塞結(jié)構(gòu)。電磁閥的優(yōu)點：耐 高溫電磁閥是間接先導式平衡電磁閥，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、使用范圍廣等，設(shè)計 所選用的電磁閥為雙線圈電磁閥 2 個，型號為 VF3230，單線圈電磁閥 1 個，型號為 VF3130。 第三章PLC機械手在大小球分選系統(tǒng)中的設(shè)計 3.1 機械手總體結(jié)構(gòu)方案分析： 在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要對流水線上的產(chǎn)品進行分撿，如圖 3.1 為使用傳送帶將大、小球分 類選擇傳送裝置的示意圖。為設(shè)計一個機械手對大小球進行分選，實現(xiàn)將工件夾起后，通過 電動機和限位開關(guān)把工件下放到指定的地方，機械手通過 PLC 控制，可以達到整個過程的 全自動依次運行。工作順序是向系下，抓住球，向上，向右運行，向下，釋放，向上和向左 運行至左上點（原點）抓球和釋放球的時 間為 1 秒。 如圖 3.1 3.1.1 任務(wù)要求 1 工作方式設(shè)置為手動操和自動操作 2 有必要的電氣保護和連鎖。 3.1.2 設(shè)計分析 機械結(jié)構(gòu)和運動過程： 如上圖所示是一氣動作示意圖，其功能是將大，小球經(jīng)過機械手分選系統(tǒng)吧他們分別放 在打球位，和小球位。氣動機械手的升降和左右移行分別使用了雙線圈的電磁閥，在某方向 的驅(qū)動線圈失電時能保持在原位，必須驅(qū)動反方向的線圈的運動。 3.1.3 控制要求 機械手的控制要求分為手動操作和自動操作兩種方式。自動操作又分為單步周期和連續(xù) 運行等 3 種。 1.手動操作 2.單步運行 3.單周期運行 4.自動連續(xù)運行 3.2 機械手操作面板示意圖 3.2 所示： 機械手操作面板示意圖 3.2 所示： 如圖為機械手的操作面板，機械手能實現(xiàn)手動，回原位，單步，單周期和連 續(xù)等 5 種工作方式。 3.2.1 程序設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)： 機械手系統(tǒng)的程序總體結(jié)構(gòu)如下圖 3.2.1 所示，分為公用程序，自動程序，手動 程序，和回原位程序等 4 部分。 3.3I/O 編址及工作框圖編址及工作框圖 輸入地址輸入地址對應(yīng)的外部設(shè)備對應(yīng)的外部設(shè)備輸出地址輸出地址對應(yīng)設(shè)備的操作對應(yīng)設(shè)備的操作 I0.0設(shè)備的啟動按鈕Q0.0機械臂上升 I0.1上移限位開關(guān)Q0.1機械臂下降 I0.2下移限位開關(guān)Q0.2機械臂左行 I0.3左移限位開關(guān)Q0.3機械臂右行 I0.4大小球的選擇開關(guān)Q0.4機械臂吸球/放球 I0.5小球的選擇開關(guān)定時器定時器定時時間定時時間 I0.6大球的限位開關(guān)T372S I0.7設(shè)備的停止按鈕T382S I1.0連續(xù)運行按鈕 I1.1單周期運行按鈕 I1.2單不運行按鈕 I1.3回原點運行 I1.4 單步運行的輔助按 鈕 3.3.2I/0 口設(shè)備如圖 3.3.2 所示： 3.4 狀態(tài)流程圖和步進梯形圖 3.4.2 步進梯形圖 第四章總結(jié)與展望 4.1 全文總結(jié) 短短一個星期的課程設(shè)計就要告一段落，縱觀整個設(shè)計過程，可以說在這一過程 中我的收獲很大，充分認識到自己的薄弱環(huán)節(jié)，通過理論分析與實踐的反復進行和論 證，許多問題都有了較好的解決方案。 軟件部分采用各部分程序直接轉(zhuǎn)的方式，依次實現(xiàn)了 PLC 流程圖、梯形圖、指令 表三種機械手控制方式。用此種方法編寫程序條理清晰，連貫性強，但若要增加其它 機械手控制方式或進行擴展，程序會變得相當復雜而且容易出錯，出錯后調(diào)試修改也 很困難。收進的方式是將各部分程序?qū)懗沙绦?，方便調(diào)用和調(diào)試。此種方法的優(yōu)點是 程序編寫比較簡單，不需要再編寫分支、匯合狀態(tài)移圖的程序，且由于本課對定時精 確度要求并不高，適宜采用。若是在對定時精度要求比較高的情況下，應(yīng)采用單片機 的中斷功能進行硬件定時。 通過此次設(shè)計，了解了 PLC 機械手在大小球分選系統(tǒng)的工作原理，首次學習了一 些機械手的工作原理及使用方法。其中電路及軟件實現(xiàn)是此次設(shè)計的主要部分。 通過這次綜合實踐，我更加看清了自己的不足之處。為了搞好這次畢業(yè)設(shè)計，通 過查閱資料以及在老師和同學的幫助下，最終基本達到了設(shè)計目的。通過實踐，鞏固 了理論知識的學習，提高了實際應(yīng)用所學知識的能力，還積累了許多寶貴的經(jīng)驗。特 別是老師嚴謹冶普的態(tài)度給我啟發(fā)不小。在這次的設(shè)計實踐過程中，我認識到不管做 什么事，尤其是科學實踐，都需要大膽假設(shè)，小心求證。任何一個方案都要經(jīng)過詳細 周全的論證后才能著手去做，否則即使很快做出來，但經(jīng)不起推敲和考驗。對于那些 要求