基于PLC控制机电一体化物料分拣系统设计毕业论文.doc

毕 业 论 文基于PLC控制机电一体化物料分拣系统设计摘 要 随着工业自动化的普及和发展，可编程控制器的需求量逐年增大，应用领域也越来越广。本设计中PLC控制机电一体化物料分拣系统由上料机构、搬运机械手机构、物料传输分拣机构组成。每个机构的运用都比较广泛，特别是搬运机械手，其应用逐渐普及，在汽车、电子、机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运已得到广泛应用，更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。通过本设计学会灵活的运用各类传感器进行物料检测、识别、传送位子检测，机械手限位控制。同时用步进电机控制机械手的旋转角度，变频器控制物料传输速度。通过所学的知识，将各种元器件通过逻辑关系有序的联系起来，构成机电一体化物料分拣系统，实现了机电一体化。关键词： PLC 搬运机械手 步进电机 传输分拣 变频器目 录摘 要I目 录II引 言4第1章 可编程序控制的概述51.1 PLC的产生和定义51.2 PLC的特点和其它典型的控制系统的区别71.3 PLC的应用领域和发展趋势81.4 PLC的分类及系统的组成和工作原理91.5 PLC的编程语言和程序结构14第2章 系统的组成、机构功能与控制要求182.1 系统的组成182.2 系统机构的组成与功能182.3 系统的控制要求23第3章 系统硬的件设计253.1 系统元器件253.2 输入/输出（I/O）点分配263.3 PLC的选型273.4 步进电机设计293.5 变频器设计313.6 三菱变频器电路图333.7 PLC控制原理图34第4章 系统软件设计354.1 三菱编程软件、模拟仿真软件354.3 上料机构控制流程图374.4 搬运机械手控制流程图384.5 传输与分拣结构控制流程图394.6 PLC控制程序设计40第5章 系统调试525.1 程序的调试与运行监控525.2 系统模拟调试54结 束 语55致 谢56参考文献57引 言 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作，更需要自动控制系统来实现。现在工业控制的三大支柱中PLC控制越来得到重视，在本设计中难点的是搬运机械手的设计。机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。本设计模拟生产线系统，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对物料的存放，机械手的上下、左右、步进旋转以及抓取运动，物料的传输速度、分拣进行控制。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，模拟实现了系统控制的机电一体化。由于个人水平限制，在设计的过程中多加了一份心，不断的学习，力求做得更好。所说如此但在设计中仍存在着许多问题，希望老师、同学们能够给予批评指正，在此深表谢意！第1章 可编程序控制的概述1.1 PLC的产生和定义PLC是以自动控制技术、微计算机技术、和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，现在随着微处理器技术的发展，PLC得到了迅速的发展，也在社会各领域的生产得到了越来越多的应用。1.1.1 PLC的产生20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，为了适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司（GM）公开招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：（1） 编程方便，可现场修改程序；（2） 维修方便，采用插件式结构；（3） 可靠性高于继电器控制装置；（4） 体积小于继电器控制盘；（5） 数据可直接送入管理计算机；（6） 成本可与继电器控制盘竞争；（7） 输入可以是交流市电（115V）（美国电压标准）（8） 输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；（9） 扩展时原系统改变小；（10） 用户程序存储器至少能扩展到4KB。以上这就是著名的“GM十条”。1969年美国数字设备公司（DEC）中标后，制造出世界上第一台可编程序控制器。（Programmable Logic Controller, 简称PLC）。以下便是较早研制的PLC：1969年，美国研制出世界第一台PDP-14（如图1.1）1971年，日本研制出第一台DCS-8图1.1 PDP-141973年，德国研制出第一台PLC1974年，中国研制出第一台PLC 16位和32位微处理器的应用，使PLC得到了惊人的发展，现在已经成为自动化技术的三大支柱之一。1.1.2 PLC的定义及发展20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。 现在的PLC产品已经使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术使PLC的应用得到进一步发展。PLC的技术已经比较成熟。目前，世界上有200多个厂家生产PLC产品，国内厂家的PLC影响率和市场占有率很小，主要是国外品牌。比较著名的有美国的AB、通用（GE）、莫迪康（MODICON）、日本的三菱（MITSUBISHI）、欧姆龙（OMRON）、富士电机（FUJI）、松下电工、德国的西门子（SIEMENS）、法国的TE、施耐德（SCHNEIDER）、韩国的三星（SAMSUNG）、LG等。1.2 PLC的特点和其它典型的控制系统的区别1.2.1 PLC的特点（1）抗干扰能力强，可靠性高 （3）编程方便，易于使用（3）功能强、速度快、精度高（4）通用性好（5）体积小，重量轻，耗能低，适应环境强，不需专门的机房和空调1.2.2 PLC与继电器控制系统的区别（1）控制逻辑继电器控制逻辑采用硬连线逻辑；PLC采用存储器逻辑，也称“软连线”逻辑。（2）工作方式继电器控制线路属并行工作方式；PLC属串行工作方式。（3）可靠性和可维护性继电器控制线路使用了大量的机械触点，连线也多，可靠性和可维护性差；PLC控制逻辑，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。（4）控制速度继电器控制线路控制速度低；PLC控制速度高。（5）定时控制继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制，精度低；PLC利用定时器进行时间控制，精度高，定时范围大。（6）设计和施工继电器控制逻辑周期长；PLC周期短。1.3 PLC的应用领域和发展趋势 1.3.1 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。（1）开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（2）模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。（3）运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。（5）数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（6）通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。1.3.2 PLC发展趋势PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下几方面。（1）向小型化、专用化、低成本方向发展（2）向大容量、高速度方向发展（3）智能型I/O模块的发展（4）基于PC的编程软件取代编程器（5）PLC编程语言的标准化（6）PLC通信的易用化（7）组态软件与PLC的软件化（9）PLC与现场总线相结合1.4 PLC的分类及系统的组成和工作原理1.4.1 PLC的分类（1）按I/O点数容量分类1）小型机小型机的功能一般以开关量控制为主，小型PLC输入、输出总点数一般在256点以下，用户程序存储器容量在4K字左右。例如：SIEMENS的S7-200系列（如图1.2）；OMRON的CPM2A系列；MITSUBISHI的FX系列；AB的SCL500系列等。图1.2 西门子S7-200系列2）中型机中型机的输入、输出总点数在2562048点之间。，用户程序存储器容量在8K字左右。例如： SIEMENS的S7-300系列；OMRON的C200系列；AB的SCL500系列等模块式PLC产品。3）大型机大型PLC的输入、输出总点数在2048点以上，用户程序存储器容量达到16K字以上。典型的大型PLC有SIEMENS的S7-400、OMRON的CVM1和CS1系列、AB的SLC5/05等系列产品。（2）按结构形式分根据PLC的结构形式的不同，PLC主要分为整体式和模块式两种。1）整体式结构其特点是将PLC的基本部件，如CPU板，输入板、输出板、电源板等紧凑地安装在一个标准机壳内，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。小型PLC一般为整体式结构。2）模块式结构PLC由一些模块单元组成，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块和各种功能模块等。目前，大中型PLC均采用模块式结构（如图1.3所示）。图1.3 大中型模块式PLC1.4.2 PLC的系统组成PLC主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成（如图1.4所示）。（1）中央处理单元（CPU）（2）存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由PLC厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能更改。系统程序包括三部分：系统管理程序、用户指令解释程序以及标准程序模块与系统调用。图1.4 PLC硬件结构图用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和数值、数等。PLC使用的存储器类型有三种：1）随机存取存储器（RAM）2）只读存储器（ROM）3）可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）（3）输入/输出单元PLC的输入/输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出单元包括两部分：一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。1）输入接口电路通常PLC的输入接口电路的类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源（+24V）可由外部供给，有的也可以由PLC内部提供。2）输出接口电路输出接口电路通常有三种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。电源由外部提供，输出电流一般为0.52A，输出电流的额定值与负载的性质有关。（4）电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。（5） 扩展接口 （6） 通信接口（7） 编程器编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视，分简易型和智能型。（8）其他部件1.4.3 PLC的工作原理PLC的工作方式与运行框图（如图1.5所示）。图1.5 运行框图继电器控制系统是“硬连线逻辑系统”，采用的是并行工作方式；而PLC是一种工业控制计算机系统，采用的是串行工作方式。概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。当PLC正常工作时，它将不断重复上图中的扫描过程。如果暂不考虑对远程I/O特殊模块和通信服务，扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”了。这三个阶段是PLC工作过程的中心内容。（1）输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号怎样变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。（2）程序执行阶段根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按从左到右、从上到下的顺序执行用户程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应的状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（软继电器）的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。因此，每一个元件（不包括输入继电器）的状态会随着程序执行过程而变化的。(3)输出刷新阶段在所有用户程序的指令执行完毕后,元件映像寄存器中所有输出继电器的状态(接通/断开)在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，最后经过输出端子驱动外部负载,实现控制命令的输出。 PLC对输入/输出的处理原则（1）输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一扫描周期的输入刷新期间的接通和断开状态。（2）程序执行结果取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及其他个各元件映像寄存器的内容。（3）输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。（4）输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。（5）输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。1.5 PLC的编程语言和程序结构 1.5.1 PLC的编程语言PLC提供的编程语言通常有：梯形图(LAD)、语句表（STL）、功能图（SFC）和功能块图（FBD）。（1）梯形图（LAD）梯形图（Ladder)编程语言（如图1.6所示）是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。两者基本思想一致，只是在使用符号和表达式上有一定区别。图1.6 梯形图梯形图中一个关键概念是“能流”（Power Flow），这只是概念上的“能流”。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。如没有“能流”，则线圈未被激励。梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。（2）语句表（STL）语句表(Statements List)类似于计算机中的助记符语言（如图1.7所示），它是用一个或几个容易记忆的字符来代表PLC的某种操作功能。图1.7 语句表（3）顺序功能流程图（SFC）顺序功能流程图(Sequence Function Chart)编程是一种图形化的编程方法（如图1.8所示），亦称功图。使用它可以对具有并行发生、多种选择等复杂结构的系统进行编程。许多PLC提供了用于SFC编程的指令。第六章详述。图1.8 顺序功能流程图（4）功能块图（FBD）S7-200的PLC专门提供了功能块图（Function Block Diagram)编程语言（如图1.9所示），利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑框指令。它没有梯形图编程器中的触点和线圈，但有与之等价的指令，这些指令是作为逻辑框指令出现的，程序逻辑由这些逻辑框指令之间的连接决定。图1.9 电机正反转功能块图 1.5.2 PLC的程序结构控制一个任务或过程，是通过在RUN方式下，使PLC循环扫描并连续执行用户程序来实现的，用户程序决定了一个控制系统的功能。广义上的用户程序由三部分组成：用户程序、数据块和参数块。（1）用户程序也称组织块，一般包括一个主程序，若干子程序和若干中断程序。（2）数据块（可选）主要存放控制程序运行所需的数据。（3）参数块（可选）存放CPU的组态数据，用户若未进行CPU的组态，则系统以默认值进行自动配置。第2章 系统的组成、机构功能与控制要求第1章主要对系统的核心可编程控制器进行了介绍，本章中将对组成该系统的其它机构进行介绍。2.1 系统的组成机电一体化物料分拣系统由上料机构、搬运机械手、皮带输送线、物件分拣等机构组成，通过PLC连接控制的模拟机电一体化生产线。其PLC控制工作流程图如下图（图2.1）。送料机构无物料报警停机物料光电检测有物料驱动机械手机械手抓料取走机械手臂旋转机械手放料后回原点传送和分拣机构图2.1 PLC工作流程2.2 系统机构的组成与功能2.2.1 上料机构上料机构的组要组成部分如下图所示（图2.2）。图2.2（1）主要组成与功能上料机构由井式工件库、光电传感器、工件、存放料台、推料气缸、安装支架等组成。主要完成将工件依次送至存放料台上。没有工件时，报警指示黄灯闪烁，放入工件后闪烁自动停止。1）光电传感器：物料检测传感器为光电漫反射型传感器，检测到有物料时推料气缸将物料推出到存放料台，有物料时为PLC提供一个输入信号。2）推料气缸：依次将工件推到存放料台上，由单相电控气阀控制。3）警示灯：在设备停止时警示红灯亮，在设备运行时警示绿灯，在无物料时警示黄灯闪烁。4）井式工件库：用于存放32mm工件，料筒侧面有观察槽。5）安装支架：用于安装工件库和推料气缸。（2）主要技术指标1）控制电源：直流24V/6A2）PLC控制器三菱3）光电传感器：E3Z-LS63、SB03-1K4）磁性传感器：D-A735）单杆气缸：CDJ2B16-75-A6）警示灯：JD501-L01G/R/Y0242.2.2 搬运机械手机构搬运机械手的组要组成部分如下图所示（图2.3）。图2.3（1）主要组成与功能搬运机械手由气动手爪、双导杆气缸、单杆气缸、电感传感器、磁性传感器、多种类型电磁阀、步进电机及驱动器组成。主要完成通过气动机械手手臂前伸，前臂下降，气动手指夹紧物料，前臂上升，手臂缩回，手臂旋转到位，手臂前伸，前臂下降，手爪松开将物料放入料口，机械手返回原位，等待下一个物料到位等动作。1）气动手爪：完成工件的抓取动作，由双向电控阀控制，手爪夹紧时磁性传感器有信号输出，磁性开关指示灯亮。2）双导杆气缸：控制机械手臂伸出、缩回，由电控气阀控制。3）单杆气缸：控制气动手爪的提升、下降，由电控气阀控制。4）电感传感器：机械手臂左摆或右摆到位后，电感传感器有信号输出。（接线注意棕色接“+”、蓝色接“-”、黑色接“输出”）。5）磁性传感器：用于气缸的位置检测。当检测到气缸准确到位后将给PLC发出一个到位信号。（磁性传感器接线时注意蓝色接“-”，棕色接“PLC输入端”）。5）步进电机及驱动器：用于控制机械手手臂的旋转。通过脉冲个数进行精确定位。（2）主要技术指标1）控制电源：直流24V/6A2）PLC控制器三菱3）电磁阀：4V120-06、4V130-064）调速阀：出气节流式5）磁性传感器：D-A73、D-Y59B6）气缸：CDJ2KB16-45-A、CXSM15-1007）气动手指：MHZ2-10D8）电感式传感器:LE4-1K9）步进电机：57BYG350CL-SAKSML05010）步进驱动器：3MD5602.2.3皮带输送与分拣机构皮带传送与分拣机构组要组成部分如下图所示（图2.4）。图2.4（1）主要组成与功能皮带输送与分拣机构由皮带输送线、分拣料槽、单杆气缸、旋转气缸、三相异步电动机、磁性传感器、光电传感器、电感传感器、光纤传感器及电磁阀等组成。主要完成物料的输送、分拣任务。1）光电传感器：当有物料放入时，给PLC一个输入信号。（接线注意棕色接“+”、蓝色接“-”、黑色接“输出”）。2）入料口：物料入料位置定位。3）电感式传感器：检测金属材料，检测距离为25mm（接线注意棕色接“+”、蓝色接“-”、黑色接“输出”）。4）光纤传感器：用于检测非金属的白色物料，检测距离为38mm，检测距离可通过传感器放大器的电位器调节。（接线注意棕色接“+”、蓝色接“-”、黑色接“输出”）。5）1号料槽：用于放置金属物料。6）2号料槽：用于放置白色尼龙物料。7）3号料槽：用于放置黑色尼龙物料。8）推料气缸：将物料推入料槽，由单向电控气阀控制。9）导料气缸：在检测到有白色物料时，将导料块旋转到相应的位置。10）皮带输送线：由三相交流异步电动机拖动，将物料输送到相应的位置。11）三相异步电动机：驱动传送带转动，由变频器控制。（2）主要技术指标1）控制电源：直流24V/6A2）PLC控制器三菱3）三相异步电动机：41K25W AC380V，25W,输出轴转速130转/分。4）电磁阀：4V110-065）调速阀：出气节流式6）磁性开关：D-C737）气缸:CDJ2B10-60-B、MSQB10A8）光电传感器：SB03-1K、WS/WE100-N14399）电感传感器：LE4-1K10）光纤传感器：E3X-NA11、E32-DC20011）电容传感器：CLG5-1K12）调压过滤器：AFR-2000M（配有压力表01MPa） 2.3 系统的控制要求2.3.1 控制要求（1）上料机构在复位完成后，点动“启动”按钮，料筒光电传感器检测到有工件时，推料气缸将工件推出至存放料台，若3秒钟后，料筒检测光电传感器仍未检测到工件，则说明料筒内无物料，这时警示黄灯闪烁，放入物料后熄灭；机械手将工件取走后，推料气缸缩回，工件下落，气缸重复上一次动作。（2）搬运机械手机构（自动控制+手动控制）1）自动控制：（旋转开关打到自动挡）当存放料台检测光电传感器检测物料到位后，机械手手臂前伸，手臂伸出限位传感器检测到位后，延时0.5秒，手爪气缸下降，手爪下降限位传感器检测到位后，延时0.5秒，气动手爪抓取物料,手爪夹紧限位传感器检测到夹紧信号后；延时0.5秒，手爪气缸上升，手爪提升限位传感器检测到位后，手臂气缸缩回，手臂缩回限位传感器检测到位后；手臂向右旋转，手臂旋转一定角度后，手臂前伸，手臂伸出限位传感器检测到位后，手爪气缸下降，手爪下降限位传感器检测到位后，延时0.5秒，气动手爪放开物料,手爪气缸上升，手爪提升限位传感器检测到位后，手臂气缸缩回，手臂缩回限位传感器检测到位后，手臂向左旋转，等待下一个物料到位，重复上面的动作。在分拣气缸完成分拣后，再将物料放入输送线上。2）手动控制：（旋转开关打到手动挡）按一下“手臂伸出/缩回按钮”时手臂伸出，再按一下按钮手臂缩回，如此按下同一按钮手臂在伸出与缩回两态间往复循环。按一下“手爪下降/上升按钮”时手爪下降，再按一下按钮手爪上升，如此按下同一按钮手爪在下降与上升两态间往复循环。按一下“手爪夹紧/松开按钮”时手爪抓紧，再按一下按钮手爪松开，如此按下同一按钮手爪在夹紧与松开两态间往复循环；按一下“手臂右旋/左旋按钮”手臂向右旋，再按一下按钮手臂向左旋，如此按下同一按钮手臂在向右旋转与向左旋转两态间往复循环；（3）成品分拣机构当入料口光电传感器检测到物料时，变频器接收启动信号，三相交流异步电机以30HZ的频率正转运行，皮带开始输送工件，当料槽一到位检测传感器检测到金属物料时，推料一气缸动作，将金属物料推入一号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过时，电动机停止；当料槽二检测传感器检测到白色物料时，旋转气缸动作，将白色物料导入二号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过时，旋转气缸转回原位，同时电动机停止；当物料为黑色物料直接导入三号料槽，料槽检测传感器检测到有工件经过时，电动机停止。（4）启动、停止、复位、警示1）系统上电后，点动“复位”按钮后系统复位，将存放料台、皮带上的工件清空，点动“启动”按钮，警示绿灯亮，缺料时警示黄灯闪烁；放入工件后设备开始运行，不得人为干预执行机构，以免影响设备正常运行。2）按“停止”按钮，所有部件停止工作，警示红灯亮，缺料警示黄闪烁。（5）突然断电的处理突然断电，设备停止工作。电源恢复后，点动“复位”按钮，再点动“启动”按钮。第3章 系统硬的件设计在第二章中已对系统的组成、机构功能与控制要求进行的介绍。本章中组要对PLC控制所需的各类元器件、I/O分配和硬件原理图进行设计。3.1 系统元器件3.1.1 上料机构配置元器件（1） 光电传感器2只（2） 磁性开关2只（3） 单杆气缸1只（4） 单控电磁阀1只（5） 警示灯（图3.1）3只3.1.2 搬运机械手机构配置元器件图3.1 警示灯（1） 单杆气缸1只（2） 双杆气缸1只（3） 气动手爪1只（4） 电感传感器1只（图3.2）（5） 磁性开关5只（6） 行程开关2只（7） 步进电机1只（8） 步进驱动器1只（9） 单控电磁阀2只 图3.2 传感器（10） 双控电磁阀1只3.1.3 皮带传送与分拣机构配置元器件（1） 三相交流减速电机（AC380V，输出转速130r/min）1台（2） 滚动轴承4只（3） 滚轮2只（4） 传输带1500 mm67 mm2mm1条（5） 旋转气缸（6） 电感传感器1只（7） 光纤传感器1只（8） 漫反射式光电传感器1只（9） 对射式光电传感器1对（10） 磁性开关4只（11） 物料分拣槽3个（12） 导料块2只（13） 单控电磁阀2只（1）输入点分配（表3.1）3.2 输入/输出（I/O）点分配序号PLC地址名称及功能说明1X0启动按钮2X1停止按钮3X2复位按钮3X3单周期控制4X3物料检测光电传感器（料库）5X4物料推出检测光电传感器（放料台）6X5推料伸出限位传感器7X6推料缩回限位传感器8X7手臂伸出限位传感器9X10手臂缩回限位传感器10X11手爪下降限位传感器11X12手爪提升限位传感器12X13手爪夹紧限位传感器13X14机械手基准传感器14X15推料一伸出限位传感器15X16推料一缩回限位传感器16X17导料转出限位传感器17X20导料原位限位传感器18X21入料检测光电传感器19X22料槽一检测传感器20X23料槽二检测传感器21X24分拣槽检测光电传感器22X25机械手自动与手动转换开关23X26手臂伸出/缩回按钮24X27手爪下降/上升按钮25X30手爪夹紧/松开按钮26X31手臂右旋/左旋按钮表3.1（2） 输出点分配（表3.2）序号PLC地址名称及功能说明1Y0步进电机驱动器PUL-（输出脉冲）2Y1步进电机驱动器DIR-（方向控制）3Y2步进电机驱动器ENA-（使能控制）4Y3物料推出5Y4手臂伸出6Y5手爪下降7Y6手爪夹紧8Y7手爪松开9Y10推料气缸10Y11导料气缸11Y12警示红灯12Y13警示绿灯13Y14警示黄灯14Y15变频器STF 表3.23.3 PLC的选型在第一章中已对PLC进行了介绍。目前，世界上有200多个厂家生产PLC产品，国内厂家的PLC影响率和市场占有率很小，主要是国外品牌。比较著名的有美国的AB、通用（GE）、莫迪康（MODICON）、日本的三菱（MITSUBISHI）、欧姆龙（OMRON）、富士电机（FUJI）、松下电工、德国的西门子（SIEMENS）、法国的TE、施耐德（SCHNEIDER）、韩国的三星（SAMSUNG）、LG等。由于我对三菱的PLC了解较多，所以选择的品牌为“三菱”。日本三菱可编程控制器分为F、F1、F2、FX0、FX2、FX0N、FX0S、FX2N、FX2NC等几个系列，其中F系列是早期产品，现已停产。FX2系列是1991年推出的产品，是加强型的小型机。FX2N是三菱公司的近期产品，按叠装式配置，是日本高性能小型机中的代表作。三菱FX系列常见型号如下图3.1所示。图3.33.3.1 模拟系统对PLC的要求（1） 功能要求在满足一般开关量输入信号控制要的同时，系统要进行步进电机控制，要求输出脉冲信号，所以输出类型要是晶体管输出（T）。（2） I/O点数要求系统所需输入点数为26点；系统所需输出点数为14点。在实际统计出的I/O点数的基础上加15%20%的备用量，以便今后调整和扩展。3.3.2 确定型号根据上述要求可暂定型号为：三菱FX2N-64MT。考虑到FX2N-64MT与FX2N-48MT相比价格稍微较贵。但FX2N-48MT的输入点数能不能满足系统要求，但也可选用扩展模块比如：FX2N-8EX（输入点为8的扩展模块）。考虑多方面因素：最后确定可编程控制器型号为：三菱FX2N-64MT（图3.2） 图3.4 三菱FX2N-48MT3.4 步进电机设计3.4.1 步进电机（57BYG350CL-SAKSML050）相关参数如下：3.4.2步进驱动器（3MD560） 3MD560细分型三相混合式步进电机驱动器如图4.3所示，采用直流18-50V供电，适合驱动相电流小于6A、外经42-86毫米的三相混合式步进电机。此驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制，电机的转矩波动很图3.5 驱动器小，低速运行平稳，几乎没有振动和噪音。高速时力矩也大大高于二相混合式步进电机，定位精度高。（1）功能简介：纯正弦电流控制，驱动电流可达6.0A；直流供电电压18-50VDC；光电隔离信号输入/输出；有过压、欠压、过流、相间短路、过热保护功能；八档细分和自动半流功能；十六档输出相电流设置；具有相位记忆功能（电机停止5秒后再断电，可保持电机上下电位置不变）；高启动转速；具有脱机命令输入端子；电机的扭矩与它的转速有关，而与电机每转的步数无关。广泛适用于雕刻机、数控机床、切割机和绘图仪等分辨率要求较高的设备上。 （2）在本系统中设置参数为：1）电流设定细分设定 电流值(A) SW1 SW2 SW3 SW4 1.5A OFF OFF OFF OFF 2.6A OFF OFF ON OFF 4.1A ON OFF OFF ON 5.2A ON OFF ON ON 6.0A ON ON ON ON （设定值）2）步数/圈 SW6 SW7 SW8 200 ON ON ON 400 OFF ON ON 500 ON OFF ON 1000 OFF OFF ON 2000 ON ON OFF 4000 OFF ON OFF 5000 ON OFF OFF 10000 OFF OFF OFF （设定值）（3） 脉冲个数计算：在模拟系统中步进电机左右旋转的角度为63，步进驱动器所设置的细分步参数为10000步/圈，电流值为6.0A。所以PLC的Y0口产生脉冲数N为： 3.5 变频器设计3.5.1 三菱变频器控制面板随着节能的普及和工业自动化的推广，变频器的使用越来越多在本设计中使用的是三菱简易通用型变频器，图3.6为变频器操作面板。图3.6 变频器操作面板3.5.2 变频器组要参数设定变频器的参数设置方法在此就不着重说明，在本设计中将要求的是变频器以30Hz的输出频率工作。故将参数设为30Hz如表3.3。序号参数代号初始值设置值功能说明1P112050上限频率（Hz）2P200下限频率（Hz）3P35050电机额定频率4P45050多段速度设定（高速）5P53030多段速度设定（中速）6P61010多段速度设定（低速）7P752加速时间8P850减速时间9P7903运行模式选择表3.33.6 三菱变频器电路图 3.7 PLC控制原理图第4章 系统软件设计第3章 中已对系统硬件进行了设计，通过各类输入输出元器件为实现系统功能做好了准备，本章利用PLC作为核心控制部件将各类元器件通过逻辑关系联系起来，实现系统控制要求。4.1 三菱编程软件、模拟仿真软件今年来，各PLC厂家都相继开发了基于个人计算机的图示化编程软件，例如西门子S7-200系列可编程控制器使用的STEP7 Micro/WIN32编程软件，三菱FX2N系列PLC使用的SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件等。这些软件一般都具有编程及程序调试等多种功能，是PLC用户不可缺少的开发工具。4.1.1 三菱编程软件GX Developer是三菱PLC的编程软件(如图4.1)。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。仿真软件快捷图标 图4.1（1）GX Developer的特点：1）软件的共通化 GX Developer能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU）,FX系列的数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。 此外，选择FX系列的情况下，还能变换成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文档。 2）程序的标准化 3）能够简单设定和其他站点的链接 4）能够用各种方法和可编程控制器CPU连接 （a）经由串行通讯口； （b）经由USB； （c）经由MELSECNET/10(H)计算机插板； （d）经由MELSECNET()计算机插板； （e）经由CC-Link计算机插板 （f）经由Ethernet计算机插板； （g）经由CPU计算机插板； （h）经由AF计算机插板。6） 丰富的调试功能 （a）由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。 a) 没有必要再和可编程控制器连接。 b) 没有必要制作条使用的顺序程序。 (b) 在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。 (c) 数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短。 4.1.2 三菱仿真软件三菱全系列PLC仿真调试软件GX Simulator：（1）仿真软件的功能就是将编写好的程序在电脑中虚拟运行，如果没有编好的程序，是无法进行仿真的。 所以，在安装仿真软件GX Simulator 6c 之前，必须先安装编程软件 GX Developer，并且版本要互相兼容。 （2）安装好编程软件和仿真软件后，在桌面或者开始菜单中并没有仿真