PLC在机械手分选系统中的应用-毕业论文

哈尔滨应用职业技术学院哈尔滨应用职业技术学院 PLC 在机械手分选系统中的应用在机械手分选系统中的应用 摘要：摘要： 机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生 产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因为，它能大大地改善工 人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并 投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更 为广泛。 在我国， 近代几年来也有较快的发展， 并取得一定的成果， 受到各工业部门的重视。 在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本课题拟开发物料搬运机械手，采用日 本三菱公司的 FX2N 系列 PLC,对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。用于分捡大 小球的机械装置。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。 关键词：机械手 PLC 大小球 目目 录录 第 一章P L C 应 用 系 统 设 计 基 础 知 识 2 1.1 PLC 控制系统设计的原则和内容. 2 专专业：业：机械制造与自动化 姓姓名：名：许松杰 学学号：号： 指导老师：姜春芬指导老师：姜春芬 日期：二零一一年七月五日 1.2PLC 的选型.2 第二章PLC 控制系统硬件设计 .3 2.1 按钮、行程开关的选型.4 2.2 接近开关、转换开关、刀开关的选型.4 2.3 时间继电器、接触器的选型.5 2.4 熔断器、电动机的选型.5 2.5 电磁阀的选型.6 第三章PLC 机械手在大小分球选系统中的设计.6 3.1 机械手的总体方案分析 . 7 3.2 控制面板的结构8 3.3I/O编址及工作框图8 3.4 状态编程图和步进梯形图.9 第四章展 望 与 未 来 .11 第五章致谢.11 参考文献.12 第一章第一章 PLC 应用系统设计基础知识应用系统设计基础知识 PLC 应用系统设计主要包括硬件设计、软件设计、施工设计和安装调试等内容。本课程 设计着重在系统设计和程序设计。 1.1PLC控制系统设计的原则和内容。控制系统设计的原则和内容。 PLC 的选择除了应满足技术指标的要求外，还应着重考虑产品的技术支持与售 后服务 等情况。 最大限度地满足被控对象或产生过程的控制要求。 对于一些原来用继电接触 器线 路不易实现的要求，使用 PLC 后，将很容易实现。 在满足控制要求前提下，力求使控制简 单、经济、操作和维护方便。对一些 过去较为繁琐的控制可利用 PLC 的特点加以简化， 通过内部程序化外部接线及操 作方式。 保证控制系统的安全、可靠。同时采取“软件兼施” 的办法。 考虑到生产的发展和工艺的改进，选择 PLC 容量及 I/O 点数时，应适当留有 裕 量。一个系统完成后，往往会发现一些原来没有考虑到的问题，或者新提出的 问题 ，如果 事先留有裕量。则 PLC 系统极易修改。同时对日后系统工艺的变更提 供方便。当然对于 不同的用户，要求的侧重点不同，设计的原则也应有所区别， 如果以提高产品和安全为目 标，则应将系统可靠性放在设计的重点，设置考虑采 取冗余控制系统；如果要求系统改善 信息管理，则应将系统通信能力与总线网络 设计加以强化；如果系统工艺经常变更，则事 先充分考虑。 1.2PLC的选型的选型 在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点。 1.2.1 性能与任务相适应 对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型 PLC 如西门子公 司 S7-200 系列 PLC 或 OMON 公司系列 CPM1A/CPM2A 型 PLC）就能满足要求，如对 小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。 对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温 度、 压力、 流量、 液位等连续量的控制， 应选用带有 A/D 转换的模拟量输入模块和带有 D/A 转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、 变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强 的中小型 PLC，如西门子公司的 S7-300 系列 PLC 或 OMRON 公司的 COM/CQM1H 型 PLC。 对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID 调节、通信联信网 4 等，可选用 中 大 型 PLC （ 如 西 门 子 公 司 的S7-400系 列 PLC 或OMRON公 司 的 C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1 等 PLC） 。当系统的各个控制对象分布在不同的地 域时，应根据各部分的具体要求来选择 PLC， 一组成一个分布式的控制系统。 1.2.2 PLC 的处理速度应满足时实控制的要求的处理速度应满足时实控制的要求 PLC 工作时，从输入信号控制存在着滞后现象， 即输入量的变化， 一般要在 12 个 扫描周期之后才能反映到输出端， 这对于一般工业控制是允许的。 但有些设备的实时性要求 教高，不允许有教大的滞后时间。 例如，PLC 的 I/O 点数在几十到几千点范围内，这时用户应用程序的长短对系统的响应 速度会有较大的差别。滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普通继电器的动作时间。 1.2.3 PLC 应用系统结构合理、机型系列应统一应用系统结构合理、机型系列应统一 PLC 的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把 PLC 的 I/O 和 CPU 放在一块电 路板上，省去插接环节，体积小，每一 I/O 点的平均价格比模块式的便宜，适用于工艺过 程比较稳定、 控制要求比较简单的系统。 模块式 PLC 的功能扩展，I/O 点数的增减，输 入与输出点数的比例，都比整体式灵活。维修更换模块、判断与处理故障快方便，适用于工 艺过程变化教多、控制要求复杂的系统。在使用时，应按实际具体情况进行选择。 结合以上几点，在设计 PLC 机械手在大小球分选系统中用的 PLC 的选型为 FX2N 系列 的可编程控制器，FX2N 系列的 PLC 采用一体化箱体结构，其基本单元将所有的电路，含 CPU、储存器、输入输出接口及电源等都装在一个模块内，是一个完整的控制装置。 这样 结构紧凑，体积小巧，成本低，安装方便。 2N 系列 PLCFX2N FX 系列基本单元的输入输 出比为 1：1。为了实现输入输出点数的灵活配置及功能的灵活扩展，FX2N 系列 PLC 还 配有扩展单元、扩展模块及特殊功能单元。扩展单元是用于增加 I/O 点数的装置，内部设 有电源。扩展模块用于增加 I/O 点数及改变 I/O 比例，内部无电源，用电由基本单元或扩 展单元供给。因扩展单元及模块无 CPU，必须与基本单元一起使用。特殊功能单元是一些 专门用途的装置。FX2N 系列 PLC 都是同宽同高不同长度的模块，这样几个模块拼装起来 后就成了一个整齐的长方形结构。根据输入和输出点的需要，即选择 FX2N48MR-001 的 PLC。 第二章第二章 PLC 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 2.1 按钮和行程开关的选择 2.1.1 按钮的选择原则： (1)根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式，防水式，紧急式等。 (2)根据用途，选用合适的型式，如钥匙式，紧急试，带灯式等。 (3)按控制回路的要求，确定不同的按钮数，如单钮，双钮，三钮，多钮等。 (4)按工作状态指示和工作情况的要求选择按钮及指示灯的颜色。 按钮的参数：一般规格为交流 500V，允许持续电流为 5A，红色按钮表示停止按钮，绿 色表示启动，为了区别按钮颜色，按钮的选择为 LA25D，指带指示灯的按钮。 2.1.2 行程开关的选择： 行程开关的分类：直动式，滚动式和微动式三种。直动式行程开关的优点是结构简单， 成本低，但容易烧蚀触头。滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点，但其结构复杂， 价格也较高，所以选择微动式行程开关体积小，动作灵敏，适用于小型机构中使用。即型号 为: LX324 S 2.2 接近开关、转换开关、刀开关的选择接近开关、转换开关、刀开关的选择 2.2.1 接近开关的选择： 接近开关是一种对接近它的物体有“感知”能力的元件位移传感器， 利用传感器对接近物 体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时， 位移传感器才有“感知” ，开关才会动作。在设计中，接近开关 SQO 用于检测是否有球， SQ1SQ5 分别用于传送机械手上下左右运动的定位。 接近开关分为霍尔接近开关，超声波接近开关，高频振荡式接近开关，霍尔接开关用于 检测磁场，一般用磁场钢作为被检测体。超声波接近开关适用检测不能或不可触及的目标， 其控制功能不受声、电、关等因素干扰，检测物体可以是固体、液体、或粉末状态的物体， 只要能反射波用的电子装置及调节检测范围用的程控桥式开关等几个部分组成， 高频振荡式 接近开关用于检测各种金属， 主要由高频振荡器， 集成电路晶体管放大器和输出器三部分组 成。 接近开关的产品种类十分丰富， 3SG 常用的国产解决开关有 LJ， 和 LX18 等。 LJ5 系列接近开关采用磁振荡原理， 用来检测金属物体的存在。 它采用国际统一的外形及安装尺 寸， 圆柱螺纹安装，外壳防护等级 IP65，允许周围温度范围-25-30。同一产品适用 电压范围为 AC30200V，DC1030V（二线型）和（三线型） ，开关寿命可达 3000 万 次以上，接近开关类型即为： LJ 5 A10 / 3 3 0 2.2.2 转换开关的选择： 转换开关是一种多档位，多触点，能够控制多回路的主令电器，可以用于控制小容量电 动机的启动、换向、调速、正反转控制等，常用的万能转换开关有 LW2、LW5、LW6、LW8 等系列，在设计机械手大小球分选系统中操作方式有手动，单周期，连续。所以选 LW5 系 列的万能转换开关比较使用。 2.2.3 刀开关的选择： 刀开关是一种手动电器，为了简单，方便，选择 HD 型单投刀开关，分为 1 级，2 级， 3 级，其型号为 HD13B200/3 2.3 时间继电器、接触器的选择 2.3.1 时间继电器的选择： 时间继电器在控制电路中用于时间的控制，有 JS23，JS27A，JSK，7PR，SS18 等 系列的时间继电器。经过调查对比，JS27 系列时间继电器是国内厂家 90 年代针对起重电 控行业特点开发的产品，适用于交流 50HZ，电压至 380V。直流电压至 220V 的电路中， 控制延时通断，能在起重机工作振动和户外等工作，符合设计的要求，即时间继电器型号为 JS27A 2.3.2 接触器的选择： 接触器的选型： （1）根据负载性质选择接触器类别，一般交流负载选择交流接触器，直流负载选择直 流接触器。 （2）根据被控电路电流大小和使用类别选择接触器的额定电流。 （3）根据被控电路电压等级来选择接触器的额定电压。 （4）根据控制电路的电压等级选择接触器线圈的额定电压。 根据以上所述选择交流电 磁式接触器， CJ12 系列接触器适用于交流 50HZ， 额定工作电压至 380V， 额定电流至 600A 的电路中。供远距离接通如分断电路及对电动机频繁进行等设备上。其型号为 CJ12600。 2.4 熔断器、电动机的选择 2.4.1 熔断器的选择： 熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路，熔断器具有结构简单，体积小， 重量轻，使用维护方便，价格低廉，分断能力较高，限流能力良好等优点，熔断器有 NT、 RT、RL、RLS2、FA4 等型式的熔断器，RT 系列为有填封闭管式熔断器，可在 500V 以下 交流系统中作过载及短路保护用，这种熔断器为螺栓连接，可直接连在母线排上，尤其适合 开关熔断器组选用，RT15 型熔断器最大额定电流 400A，额定分断能力 100KA。 2.4.2 电动机的选择： 电动机是选交流的，而电动机分为异步电动机和同步电动机两大类，异步电动机主要用 作电动机，去拖动各种生产机械。由于异步电动机具有结构简单，制造，使用方便，运行可 靠，成本低廉，效率较高等优点而得到广泛应用。例如，在工业生产中，异步电动机用于拖 动中小型轧钢设备，各种金属切削机床，轻工机械和矿山机械等；在农业生产中，异步电动 机用于拖动水泵， 粉碎机以及其他农副产品的加工机械； 在民用电器方面的电风扇、 洗衣机、 电冰箱、空调机等也都是用异步电动机拖动的。所以电动机选交流异步电动机为好，即选 YZ 系列的三相异步电动机，为笼型异步电动机。 2.5 电磁阀的选择 电磁阀的分类：国内外的电磁阀从原理上分为三大类即：直动式、分步童先导式，而从 阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类直动膜片结构、分步重片结 构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构。电磁阀的优点：耐 高温电磁阀是间接先导式平衡电磁阀，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、使用范围广等，设计 所选用的电磁阀为双线圈电磁阀 2 个，型号为 VF3230，单线圈电磁阀 1 个，型号为 VF3130。 第三章PLC机械手在大小球分选系统中的设计 3.1 机械手总体结构方案分析： 在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，如图 3.1 为使用传送带将大、小球分 类选择传送装置的示意图。为设计一个机械手对大小球进行分选，实现将工件夹起后，通过 电动机和限位开关把工件下放到指定的地方，机械手通过 PLC 控制，可以达到整个过程的 全自动依次运行。工作顺序是向系下，抓住球，向上，向右运行，向下，释放，向上和向左 运行至左上点（原点）抓球和释放球的时 间为 1 秒。 如图 3.1 3.1.1 任务要求 1 工作方式设置为手动操和自动操作 2 有必要的电气保护和连锁。 3.1.2 设计分析 机械结构和运动过程： 如上图所示是一气动作示意图，其功能是将大，小球经过机械手分选系统吧他们分别放 在打球位，和小球位。气动机械手的升降和左右移行分别使用了双线圈的电磁阀，在某方向 的驱动线圈失电时能保持在原位，必须驱动反方向的线圈的运动。 3.1.3 控制要求 机械手的控制要求分为手动操作和自动操作两种方式。自动操作又分为单步周期和连续 运行等 3 种。 1.手动操作 2.单步运行 3.单周期运行 4.自动连续运行 3.2 机械手操作面板示意图 3.2 所示： 机械手操作面板示意图 3.2 所示： 如图为机械手的操作面板，机械手能实现手动，回原位，单步，单周期和连 续等 5 种工作方式。 3.2.1 程序设计的总体结构： 机械手系统的程序总体结构如下图 3.2.1 所示，分为公用程序，自动程序，手动 程序，和回原位程序等 4 部分。 3.3I/O 编址及工作框图编址及工作框图 输入地址输入地址对应的外部设备对应的外部设备输出地址输出地址对应设备的操作对应设备的操作 I0.0设备的启动按钮Q0.0机械臂上升 I0.1上移限位开关Q0.1机械臂下降 I0.2下移限位开关Q0.2机械臂左行 I0.3左移限位开关Q0.3机械臂右行 I0.4大小球的选择开关Q0.4机械臂吸球/放球 I0.5小球的选择开关定时器定时器定时时间定时时间 I0.6大球的限位开关T372S I0.7设备的停止按钮T382S I1.0连续运行按钮 I1.1单周期运行按钮 I1.2单不运行按钮 I1.3回原点运行 I1.4 单步运行的辅助按 钮 3.3.2I/0 口设备如图 3.3.2 所示： 3.4 状态流程图和步进梯形图 3.4.2 步进梯形图 第四章总结与展望 4.1 全文总结 短短一个星期的课程设计就要告一段落，纵观整个设计过程，可以说在这一过程 中我的收获很大，充分认识到自己的薄弱环节，通过理论分析与实践的反复进行和论 证，许多问题都有了较好的解决方案。 软件部分采用各部分程序直接转的方式，依次实现了 PLC 流程图、梯形图、指令 表三种机械手控制方式。用此种方法编写程序条理清晰，连贯性强，但若要增加其它 机械手控制方式或进行扩展，程序会变得相当复杂而且容易出错，出错后调试修改也 很困难。收进的方式是将各部分程序写成程序，方便调用和调试。此种方法的优点是 程序编写比较简单，不需要再编写分支、汇合状态移图的程序，且由于本课对定时精 确度要求并不高，适宜采用。若是在对定时精度要求比较高的情况下，应采用单片机 的中断功能进行硬件定时。 通过此次设计，了解了 PLC 机械手在大小球分选系统的工作原理，首次学习了一 些机械手的工作原理及使用方法。其中电路及软件实现是此次设计的主要部分。 通过这次综合实践，我更加看清了自己的不足之处。为了搞好这次毕业设计，通 过查阅资料以及在老师和同学的帮助下，最终基本达到了设计目的。通过实践，巩固 了理论知识的学习，提高了实际应用所学知识的能力，还积累了许多宝贵的经验。特 别是老师严谨冶普的态度给我启发不小。在这次的设计实践过程中，我认识到不管做 什么事，尤其是科学实践，都需要大胆假设，小心求证。任何一个方案都要经过详细 周全的论证后才能着手去做，否则即使很快做出来，但经不起推敲和考验。对于那些 要求