毕业设计（论文）-基于PLC小型自动包装机的设计.doc

I 毕业论文（设计）承诺书毕业论文（设计）承诺书 本人郑重承诺： 1、本论文（设计）是在指导教师的指导下，查阅相关 文献，进行分析研究，独立撰写而成的。 2、本论文（设计）中，所有实验、数据和有关材料均 是真实的。 3、本论文（设计）中除引文和致谢的内容外，不包含 其他人或机构已经撰写发表过的研究成果。 4、本论文（设计）如有剽窃他人研究成果的情况，一 切后果自负。 学生（签名）： 2014 年 5 月 20 盐城师范学院毕业设计（论文） i 基于基于 PLCPLC 小型自动包装机的设计小型自动包装机的设计 摘 要 随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，对机械自动化的要求大大提 高了。PLC 控制技术得到了快速的发展。PLC 性能强大，很快被运用到工业生产 中。 本设计主要运用到气缸、电磁阀、三联件、PLC 等器材。对气缸、电磁阀、三 联件、PLC 的构造和工作原理做了简要的介绍。本文主要介绍气缸 PLC 在小型 自动包装机上的应用。利用 PLC 控制技术对电磁阀进行控制，电磁阀对气缸进 行控制，从而达到控制要求，执行规定的动作，完成对面纸尿垫尿垫的包装。 利用三联件对气压大小进行控制，从而使得面纸尿垫尿垫包装的更加美观、小 巧。 本设计采用欧姆龙 PLC 进行控制，在实验室里，经过设计和调试，已经基 本达到设计要求。 【关键词关键词】 PLC、电磁阀、气缸、三联件、自动包装机 盐城师范学院毕业设计（论文） ii The design of small automatic packaging machine based on PLC ABSTRACT With the development of science and technology, people living standard rise, the requirement of mechanical automation greatly improved. PLC control technology has been rapid development. PLC performance is strong, soon to be used in industrial production.This design is mainly applied to cylinder, solenoid valve, triple pieces, PLC and other equipment. For cylinder, solenoid valve, triple pieces, the structure and working principle of PLC made brief introduction. This paper mainly introduces the application of the PLC in the small cylinder automatic packing machine. Using PLC control technology to control electromagnetic valve, electromagnetic valve to control the cylinder, so as to achieve control requirements, the rules of action, complete opposite paper packaging. Using the joint to control pressure size, so as to make the paper more beautiful and exquisite.This design adopts omron PLC to control, in the laboratory, through design and debug, has been basically meet the design requirements. Key words PLC, electromagnetic valve, cylinder, triple pieces, automatic packaging machine 盐城师范学院毕业设计（论文） iii 盐城师范学院毕业设计（论文） 1 前 言.1 1 PLC 的介绍.2 1.1 可编程控制技术的发展.2 1.2PLC 的组成结构.2 1.2.1 中央处理单元.2 1.2.2 存储器.3 1.2.3 输入/输出单元.3 1.2.4 电源.3 1.2.5 扩展单元.3 1.2.6 外部设备端口.4 1.3PLC 的编程语言.4 1.4PLC 的工作方式.4 2 气动元件.4 2.1 设计的主要器材.4 2.2 气缸.5 2.3 电磁阀.5 2.4 气源三联件.6 2.5 主要元件的连接.7 3 其他元件和控制方式.8 3.1 光电传感器.8 3.2 机械手.8 3.2.1 机械手的作用.8 3.2.2 A 机械手的简单设计.9 3.2.3 B 机械手的简单设计.10 4 自动包装机系统的设计.12 4.1 自动包装机工作逻辑的介绍.12 4.1.1 气缸的选择.12 4.1.2 包装机工作原理.12 4.2 控制系统的设计.13 4.2.1 欧姆龙 PLC.13 4.2.2 硬件.14 4.2.3 编程.15 5 结论.17 盐城师范学院毕业设计（论文） 2 盐城师范学院毕业设计（论文） 1 前前 言言 随着生活水平的提高，人们对面纸尿垫尿垫的需求越来越大，并且对面纸尿垫 尿垫的便捷、美观、小巧的要求越来越高。小型自动包装机为市场广泛地需要，因 此，面纸尿垫尿垫包装机得到了快速的发展。对于小型企业，进口包装机太过昂贵， 不适合小型企业的发展，因此，小型企业可以自主研发小型自动包装机。 自动包装机是用于各种物品的计量包装。自动包装机的性能稳定，安全可靠， 可以代替工人完成复杂的操作。随着自动化技术的发展，自动包装机的操作和保养 变得越来越简单，自动包装机被广泛地应用到工业生产中了。自动包装机有机械部 分和电气部分两部分组成。本设计的机械包装机机械部分由机械框架、机械手 （A、B 机械手由 3 个气缸组成） 、气缸组成，电气部分由 PLC 和光电传感器组成。 PLC 与传统继电器相比有着巨大优越性，继电器控制已经逐步退出人们的视线。 a. 灵活性和通用性强 b. 抗干扰能力强、可靠性高 c. 编辑语言简单易学 d. PLC 与外部设备的连接简单、使用方便 e. PLC 的功能强、功能的扩展能力强 f. PLC 控制的设计、调试周期短 g. PLC 体积小、质量轻、易于实现几点一体化. 用 PLC 来控制包装机更加经济实惠。包装机动作复杂繁琐，机器重复运动，如 果使用传统的控制系统要用到大量的继电器。如果使用 PLC 来控制，就不需要这些 继电器，因为 PLC 内部有许多辅助继电器，可以满足对包装机控制的需求。只需要 对 PLC 进行简单的编程，而且程序可以复制、更改，更加实用。 PLC 可以适应各种恶劣的环境，性能稳定，不容易出故障。而传统继电器在反 复用作下容易出现各种问题，并且维修复杂。只需要对程序进行修改就可以让 PLC 运用到其他包装机中去。 盐城师范学院毕业设计（论文） 2 1 PLC 的介绍 1.1 可编程控制技术的发展 随着时代的发展，可编程控制技术也发展了起来。PLC 的性能优越，适合工厂 的运行环境，已经逐渐代替传统继电器，成为主流控制技术。现在工厂对自动化的 要求越来越高，促进了可编程控制技术的迅速发展。 1.2PLC 的组成结构 图 1-2 PLC 结构图 由上图 1.2 可以清楚地了解 PLC 的组成结构。从上往下依次是：电源模块（为 PLC 提供电源） ，输入模块（连接用户输入设备） ，中央处理器（CPU） ，输出模块 （连接用户输出设备） ，通信端口（与编程器、打印机、EPROM 写入器、上位计算 机、合适磁带机、可编程终端 PT 等外部设备连接） ，存储器（包含系统程序存储器、 工作数据存储器、用户程序存储器） ，I/O 扩展端口（与 I/O 扩展单元连接） 。 盐城师范学院毕业设计（论文） 3 1.2.1 中央处理单元 CPU 是 PLC 的重要组成部分，它能够指引 PLC 按照已经编写好的程序执行各 种动作，完成各种任务。 a CPU 接收、储存来自用户用编程工具输入的程序和数据，并且可以显示出已 经编写好的程序的内容和具体的数据储存地址，用户可以十分清楚地了解到这些信 息。 b CPU 会对编写好的程序进行检查和校对。在程序编写时进行检查，一旦发现 问题就会报警，提示用户程序出错，并且会停止程序的输入。在程序运行时进行检 查，如果发现问题，立刻报警，让用户对程序进行改动。 c PLC 启动后，CPU 会执行用户编写好的程序。 d PLC 会对故障进行诊断，并且通过显示器显示出故障的类型和相应的信息， 用户可以通过这些信息及时纠正。 1.2.2 存储器 存储器大致可以分为三种：系统程序存储器，用户程序存储器，工作数据存储 器。这些存储器各有各的作用。系统存储器是厂家编写的，决定了 PLC 的功能，用 户不能对系统存储器中的内容进行改动。用户程序存储器存储用户编写的程序。用 户根据工艺要求编写的程序存储在用户程序存储器中，用户程序存储器是可以读写 的。工作数据存储器用来存储工作时产生的数据，工作数据是随时变化的，因此工 作数据存储器是可以读写的。 1.2.3 输入/输出单元 输入/输出单元与用户的输入设备/输出设备相连。输入单元接收信号并且把这 些信号传输给 PLC。输出单元会把 CPU 输出信号经过处理传输给外部输出设备。 盐城师范学院毕业设计（论文） 4 1.2.4 电源 大部分 PLC 中内部有开关电源，可以为内部的电路供电。 1.2.5 扩展单元 大部分的 PLC 都有扩展单元，使用扩展单元和各种单元连接可以使 PLC 的功 能更加丰富。 1.2.6 外部设备端口 通过端口，PLC 可以和许多的外部设备连接。 1.3PLC 的编程语言 本是设计选用欧姆龙 PLC 使用梯形图编程语言。语句表编程语言也是小型 PLC 常使用的编程语言。 1.4PLC 的工作方式 PLC 采用的是与继电器控制不同的循环扫描的工作方式，当 PLC 上电工作时 CPU 会对梯形图进行从上到下，从左往右依次进行扫描。这样就不会使线圈出现对 个线圈同时改变的情况。 2 气动元件 2.1 设计的主要器材 本设计主要来解决面纸尿垫尿垫包装上的压缩问题，即需要对面纸尿垫尿垫进 盐城师范学院毕业设计（论文） 5 行压缩。本设计用 PLC 来完成一系列的操作、控制。本设计主要用到气源、三联件、 电磁阀、气缸、PLC 等器材。利用 PLC 来控制电磁阀的开启和关闭，从而控制气 缸的运动。三联件接在气源处对气源进行处理，并且可以控制气压的大小，从而控 制气缸运动的速度、和气缸对面纸尿垫压缩的力量，更好地达到对面纸尿垫包装的 效果。 2.2 气缸 图 2-2 气缸 如上图所示，构成气缸主要元件有 6活塞杆、7缸筒、9活塞、11密封 圈、14端盖。 气缸可以分为做往返直线运动和进行往返摆动运动两种类型。做往返直线运动 的气缸又可分为单作用气缸、双作用气缸、膜片式气缸和冲击气缸 4 种。本设计使 用单作用气缸。 气缸的选择要根据工作时所需要的推力来选择合适的气缸。气缸的选择十分重 要，气缸选小了，输出的推力不够，对面纸尿垫的压缩不够，导致包装不美观。如 果气缸选大了，则会导致包装机过于笨重，而且包装机的成本也会提高。再选气缸 时要对所需推力的大小做合适的估量。 （本设计主要用到 10 个气缸，A 机械手需要 一个气缸，B 机械手需要两个气缸，包装机需要七个气缸。包装机气缸的型号见第 四章气缸的选择） 2.3 电磁阀 电磁阀是用来控制流体运动方向、流量、流速的自动化基础元件，电磁阀属于 盐城师范学院毕业设计（论文） 6 执行器。电磁阀能够配合各种的电路，配合不同的器材来达到期望的控制，电磁阀 可以保证控制的精度和灵活性。电磁阀有很多种，各种电磁阀都有各自的优缺点， 本设计选用 2 位 3 通的电磁阀。 图 2-3 电磁阀 电磁阀的工作原理图如图 2.3 所示，当线圈失电时，由于弹簧弹力的作用，关 闭件被压在阀座上，进气口关闭，排气口打开，气体从排气口流出。当线圈得电时， 电磁线圈产生电磁力足以抵消弹簧弹力把关闭件从阀座上提起，此时，进气口打开， 排气口关闭，使得气体可以从入口进入。 2.4 气源三联件 图 2-4 三联件 空气过滤器、减压阀和油雾器共同组成了气动三联件，气动三联件属于气压传 盐城师范学院毕业设计（论文） 7 统系统中的组成部分。 减压阀的作用：气泵为气缸提供气源，但是本设计所需的气缸的型号是不同的， 并且要求气缸输出的推力也是不同的，因此需要三联件对气源进行适当的减压，来 满足不同气缸的需求。对气压压力进行调节时，要先拉起旋转按钮，然后慢慢旋转 按钮对气压进行调节，调到所需的气压，压下旋转钮。 （注意:顺时针旋转按钮为增 大出口的压力，逆时针旋转为减小出口的压力，调节气压时应该慢慢增大气压，观 察压力表示数的变化，不可一部到位。 ） 过滤器的作用：过滤器可以过滤从气泵处出来的气体中的杂质，这些杂质和堵 塞通道，减短仪器使用寿命。在本设计中需要用到电磁阀，如果缺少过滤装置，气 体中的杂质则会堵塞电磁阀中的细密孔，这会使电磁阀使用时间减短，且会影响设 计的准确性。 油雾器的作用：油雾器可以润滑油变成气雾状，让润滑油涂在难以涂到的地方， 使气动元件内部有许多相对滑动的部分保持润滑。这样就可以减少相对运动器件间 的摩擦力；减少密封材料的摩擦造成的损耗，防止漏气；防止零件被腐蚀，延长使 用的寿命。 2.5 主要元件的连接 图 2-5 连接示意图 盐城师范学院毕业设计（论文） 8 本设计主要需要三联件，电磁阀，气缸的器材。由图可知，气体先从气源进入 三联件，再流向电磁阀，最后流入气缸。 三联件可以对气体做简单的处理，并且可以对气压进行调节，使得气缸获得所 需的气压，来时气缸运行的时间，气缸推力的大小更加合理。 用 PLC 来控制电磁阀的失电和得电，而电磁阀控制着气体的通断，从而控制气 缸的运行。所以只需对 PLC 进行合理的编程，就可以控制气缸的运作，来完成包装 的目的。 3 其他元件和控制方式 3.1 光电传感器 图 3-1 光电传感器 由图 3.1 可以大概了解光电传感器的工作原理：由发送器发出信号，由接收器 接收信号，检测电路输出电信号。 本设计用光电传感器来对面纸尿垫的数量进行检测，每当有纸片落下时就会挡 住发送器发送的信号，此时接收器接收不到信号，检测电路发出电信号。从而达到 对面纸尿垫数量的精确控制。当面纸尿垫达到 50 时就会使得 4 号气缸运作，把压 缩好的气缸传送出去。 盐城师范学院毕业设计（论文） 9 3.2 机械手 3.2.1 机械手的作用 随着科学技术的发展，机械手也迅速发展起来了。机械手是指按照固定的程序 执行末一动作的自动操作装置。机械手可以代替工人完成繁重的任务，机械手可以 完成人不能完成的任务，可以代替人在危险的环境执行任务。工人可以在远处对机 械手进行操控，也可以利用一些控制器对机械手进行简单的编程，使它能够完成一 些特定的任务。 机械手操作准确，任何动作都严格按照程序运行，不容易出现错误，机械手在 完成复杂操作时不容易遗漏某些动作。机械手在制造型的工厂中到处可见，机械手 大大节约了人力资源，对工厂的发展具有重要的意义。 本设计中需要 2 组机械手，第一组 A 机械手轻轻推动面纸尿垫，使面纸尿垫倒 向一个方向，另一组 B 机械手用来压缩面纸尿垫。 3.2.2 A 机械手的简单设计 图 3-2-2 A 机械手 A 机械手由一个气缸和一个电磁阀组成，用来完成前推、后缩等动作。当 PLC 上电后，打开开关，A 机械手就开始不停的运作，用来推动面纸尿垫，使面纸尿垫 向前倾倒。前进后退对应的电磁阀的线圈为 AQ1。 程序设计 I/O 分配表如下所示 输入信号输出信号 启动00000前进、后退01000 盐城师范学院毕业设计（论文） 10 停止00001 表 3-2-2 I/O 分配 外部接线图，如下图所示： 图 3-2-2 外部接线图 梯形图 图 3-2-2 梯形图 3.2.3 B 机械手的简单设计 图 3-2-3 B 机械手 B 机械手由两个气缸，两个电磁阀组成。前进后退对应的电磁阀线圈为 BQ1， 上升下降对应的电磁阀线圈为 BS1。当 BS1 得电后，气缸先上升，BQ1 得电后再向 前运动。B 机械手用来对面纸尿垫进行压缩，使得蓬松的面纸尿垫得以压紧。当对 面纸尿垫进行压缩后立刻退回。避免与其他气缸相撞 I/O 分配表如下所示 输入信号输出信号 盐城师范学院毕业设计（论文） 11 启动00000BS101001 停止00001BQ101002 表 3-2-3 I/O 分配 外部接线图，如下图所示： 图 3-2-3 外部接线图 梯形图 图 3-2-3 梯形图 盐城师范学院毕业设计（论文） 12 4 自动包装机系统的设计 4.1 自动包装机工作逻辑的介绍 图 4-1 结构示意图 4.1.1 气缸的选择 如上图所示，1 号气缸的型号 sc 50*400。2 号气缸的型号 sc 80*200。3 号气缸 的型号 sc 50*200。4 号气缸的型号 sc 50*300。5 号气缸的型号 sc 50*500。6 号气缸 的型号 mal 16*100。7 号气缸的型号 sc 16*100。不同位置的气缸需要输出的推力不 一样，气缸 6、气缸 7 为缸径为 16mm 的气缸，气缸 1、气缸 3、气缸 4、气缸 5 为 缸径为 50mm 的气缸，气缸 2 为缸径为 80mm 的气缸。气缸的输出力随缸径的增大 而增大，气缸的耗气量也随缸径的增大而增大，并且大的气缸体积大十分笨重，因 此要选取适当的气缸。气缸的行径有包装机的构造决定，根据所需推动的最大距离 来选择气缸的行径。 4.1.2 包装机工作原理 如图上图所示，包装机的工作平台是长为 1.8m、宽为 0.6m 的有机玻璃。 A、B 板为长为 0.6m 宽为 0.2m 的有机玻璃。A、B 间的间隔为 0.1m。C、D 板为长 为 0.2 宽为 0.2 的有机玻璃。C、D 的间距为 0.1m。包装机的工作平台的大小有气 盐城师范学院毕业设计（论文） 13 缸的行径决定，使得整个包装机可以固定在工作平台上。本次设计的面纸尿垫大小 为长 0.2m，宽 0.1m，有机玻璃间的距离由面纸尿垫的宽度决定，有机玻璃的高度 有面纸尿垫的高度决定。 机械手的运作： 首先 PLC 通电，传送带开始运行，面纸尿垫从传送带上落下，经过光电传感器 落到 AB 槽之间，当开关启动后 A 机械手在一直在轻轻推动面纸尿垫，使面纸尿垫 不会向后倒，倾斜在气缸 6、气缸 7 上。 B 机械手在工作平台的下方，当气缸 6、7 缩回去，气缸 1 开始往后退的时候， 机械手开始运作，从槽的下方上升，对面纸尿垫进行压缩。 气缸的运作： 当 PLC 上电，气缸 6 和气缸 7 就推出去，然后气缸 1 开始运动。当气缸 1 完全 推出后，气缸 6 和气缸 7 开始向后缩，气缸 1 也开始向后缩。此时槽中已经拥有了 许多面纸尿垫，所以面纸尿垫不会倒向任何一方，而是蓬松的竖在槽中。当气缸 1 退回去后就又开始向前推，由此反复循环。 光电传感器与 PLC 相连， PLC 内部的计数器有计数功能，当面纸尿垫数量达 到 50 的时候，气缸 5 开始运动，并且 B 机械手就会立刻从槽底伸出，把这 50 片面 纸尿垫隔开。然后向前推进，与气缸 5 相遇进行压缩，然后气缸 5 和 B 机械手同时 退回去。 B 机械手运动后气缸 2 和气缸 3 开始运动，气缸 3 先推出去然后气缸 2 再向前 推。把 50 片面纸尿垫推到气缸 4 之前。气缸 2 和气缸 3 运动完之后立刻缩回，然 后气缸 4 开始运动，把已经压缩好的面纸尿垫推向槽外。气缸 4 运动完后立刻缩回 以免阻挡气缸 5 的运动。然后等着对下 50 片面纸尿垫进行包装。 4.2 控制系统的设计 4.2.1 欧姆龙 PLC 本设计选用 CPM1A 这种类型的小型 PLC。CPM1A 主要的功能：1 具有丰富的 指令系统,2 具有模拟量设定功能，3 具有输入时间常数设定功能，4 具有高速计数 器功能，5 具有外部输入中断功能，6 具有间隔定时器中断功能，7 具有快速响应输 盐城师范学院毕业设计（论文） 14 入功能，8 具有脉冲输出功能，9 具有高性能的快闪内存，10 具有较强的通信功能。 本设计对多个气缸进行控制，由于气缸的运动需要一定的时间，在 PLC 中需要 用到定时器/计数器指令。 图 4-2 定时器/计时器指令 图中所示的是单向减计数器指令。从 CP 短输入脉冲信号，此时当前值的数值 减一，输入一次脉冲信号当前值就会减一。当当 PV 的值减为 0000 时，它的输出就 会变成 ON。当 R 端输入信号，计数器就会马上复位即它的输出年尾 OFF，并且会 马上停止计数。当前值 PV 也会立刻变成初始设定的值。 （计时器具有掉电保护的功 能） 4.2.2 硬件 I/O 分配表 输入信号输出信号 启动00000气缸 101101 停止00001气缸 201102 光电传感器00002气缸 301103 气缸 401104 气缸 501105 气缸 601106 气缸 701107 表 4-2-2 I/O 分配表 盐城师范学院毕业设计（论文） 15 外部接线图 00000 01101 00001 01102 01103 00002 01104 01105 01106 01107 COM COM 图 4-2-2 外部接线图 4.2.3 编程 本设计选用梯形图编程语言，程序如下： 盐城师范学院毕业设计（论文） 16 盐城师范学院毕业设计（论文） 17 图 4-2-3 梯形图 5 结论 本文介绍了基于 PLC 的小型自动包装机。包装机是生产线上常有的设备，用来 实现对产品的自动包装。本论文的第一部分主要对 PLC 做了下介绍，介绍了 PLC 的构造、发展、工作方式、编程语言。第二部分介绍了气动元件，介绍了气缸的构 造，电磁阀的工作原理，三联件的组成和各个组成