基于PLC的物料分拣系统设计论文

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题目基于PLC的物料分拣系统设计英文题目TheDesignofMaterialChooseSystemBasedonPLC院系机械与材料工程学院专业机械设计制造及其自动化姓名xxx年级2009(机材A0916)指导教师xxx二零一三年六月摘要物料分拣采纳可编程操纵器PLC进行操纵，能连续大批量地分拣物资，分拣误差率低且劳动强度大大降低，可显著提高劳动生产率，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料信息流的分配和治理。随着工业自动化的普及和进展，可编程操纵器的需求量逐年增大，应用领域也越来越广。本设计基于FX-2N型PLC操纵的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，对三种不同的物料进行分类分拣。灵活运用传感器对物料进行检测、识不、以及对机械手的状态检测。在本设计中运用了步进电机进行旋转角度的精确定位，利用变频操纵技术对物料传输速度进行了设计。现目前物料分拣系统运用甚广，系统中设计到搬运机械手也广泛应用在各行各业。本次设计应用了大部分在校所学的知识，将各种元器件通过逻辑关系有序的联系起来，构成物料分拣系统，实现了光机电一体化。【关键词】可编程序操纵器；传感器；硬件设计；软件设计AbstractThematerialsortingadoptprogrammingcontrollerPLCtobeinprogressunderthecontrolof,cancriticizeinlargescaleinarowmeasuringfieldsortinggoods,theintensitysorting,errorleadlowandworkingisreducedgreatly,butnotableriseproductivity.Markchoosessystemtobeabletonimblyandlogisticsequipmentseamlessconnectionother,cometruetomaterialinformationstreamassignmentandmanage.Hardware-Designandsoftware-designmiddlehavingintroduceditmainlyinisdesigned.Withthepopularizationanddevelopmentofindustrialautomation,increaseddemandforprogrammablecontrollers,fieldmoreandmorewidelyused.DesignmaterialsortingsystembasedonFX-2NPLCcontrolbyfeeding,handlingrobotbody,materialtransportpickupbodies,onthreedifferentmaterialsforcategorysorting.Flexiblesensormaterialfordetection,identification,andStatetestingforManipulator.Thisdesignusesasteppermotortopreciselypositiontherotation,useofvariablefrequencycontroltechniquetodesignthematerialtransmissionspeed.Currentmaterialsortingsystemusingawiderangeofsystemdesigntohandlingrobotsarewidelyusedinalltradesandindustries.Mostofthedesignandapplicationoftheknowledgelearntinschool,tolinkvariouscomponentsthroughalogicalandorderly,constituteamaterialsortingsystem,foroptical,mechanicalandelectronicintegration.【Keywords】PLC;Sensor;Hardware-design;software-design目录TOC\o"1-3"\u前言 1第一章绪论 21.1分拣系统的研究背景 21.2物料分拣系统进展概况和现状 31.3课题研究目的和意义 41.4本文研究的要紧内容 51.5本章小结 5第二章PLC系统设计 62.1操纵系统设计的差不多内容 62.2操纵系统设计的原则 72.3操纵系统设计的一般步骤 72.4程序设计的步骤 82.5编写梯形图应该注意的事项 82.6本章小结 9第三章系统的组成及操纵要求 103.1系统的组成 113.1.1上料机构 113.1.2搬运机械手机构 113.1.3物料传输分拣机构 113.2系统操纵要求 123.3本章小结 13第四章系统硬件设计 144.1电气元件名称及功能 144.1.1输入电气元件 144.1.2输出电气元件 154.1.3执行电气元件 154.2输入/输出（I/O）点分配 164.3PLC的选型 174.3.1系统对PLC的要求 184.3.2确定PLC型号 184.4三菱FX-2N型PLC操纵原理图 194.5步进电机设计 204.6本章小结 21第五章系统软件设计 225.1三菱编程软件、模拟仿真软件 225.2程序设计思想 225.2.1上料机构流程图 235.2.2搬运机械手流程图 255.2.3物料传输分拣流程图 305.2.4系统操纵总程序设计简介 31第六章系统调试 326.1程序的模拟调试 326.1.1通过软元件输入输出状态进行调试 336.1.2时序图辅助调试 356.2程序的现场调试 35结论 37参考文献 38谢辞 39附录 40前言 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进展,自动化差不多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，差不多随处可见。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，更需要自动操纵系统来实现。现在工业操纵的三大支柱中PLC操纵越来得到重视，在本设计中难点的是搬运机械手的设计。机械手是近代自动操纵领域中出现的一项新的技术，是现代操纵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进展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。物料分拣系统，采纳日本三菱公司的FX-2N型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、分拣进行操纵。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，模拟实现了物料分拣系统操纵的机电一体化。第一章绪论随着计算机技术的不断进步，特不是通过近二十来随着大规模，超大规模集成电路技术和数字通信技术的进步和进展，可编程序操纵器应运而生并得到快速的进展，而且进展势头越发迅猛。现现在PLC是应用面极为广泛的工业操纵装置，它采纳可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入、输出，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些特定的功能，来操纵各种类型的机械设备或生产过程[1]。它给自动化操纵带来专门大的方便，目前有许多的国家的公司都在致力于PLC的研究并使其性能不断的改善提高。1.1分拣系统的研究背景

自动分拣系统的规模和能力已有专门大的进展，目前大型分拣系统大多能分拣几十到几百个种类的物品，分拣能力达到每小时万件以上。国外分拣系统规模都专门大，要紧包括进给台、信号盘、分拣机、分拣信息识不系统、设备操纵系统和计算机治理系统等几大部分，还要配备外围的各种运输和装卸机械，组成一个庞大而复杂的系统。从分拣技术水平上讲，欧美各国进展最早，技术比较成熟，目前处于世界领先地位。美国和欧洲在60年代开始使用，日本则在第二次世界大战后才引进分拣机，但近二十年来由于其本国经济进展需要进展迅速，后来者居上，从1970--1985年共有338台自动分拣机投入运行，其中58.32%用于储运业，17.15%用于销售业。到1987年就差不多拥有自动分拣机1000台，号称是世界上拥有分拣机最多的国家。

我国自动分拣技术起步较晚，目前已能与国际先进水平保持同步，然而缺少技术创新能力，使自动分拣技术的物流系数也减少，大部分小型超市配送中心仍然靠人工分分拣。近二十年来,特不是物流行业，随着经济和生产的进展,商品趋势趋于"短小轻薄"，流通趋于小批量多品种和准时制（JUST-IN-TIME，简称JIT)。分拣作业已成为一项重要的工作环节，分拣系统的应用差不多日趋普遍。我国目前多数配送中心和物流企业差不多上人工分拣。而国外一些配送中心多采纳分拣系统进行分拣，充分发挥了分拣技术分拣速度快、分拣点多、差错率极低、效率高和全自动操作的优势。自动分拣系统成为当代物流技术进展的三大标志之一[2]。本次设计基于PLC的物料分拣系统操纵。采纳PLC操纵开发能够达到短周期，低成本的操纵要求，能够直接用于工业现场操纵。PLC操纵具有实时性、信号处理时刻短、速度快、更能满足各个领域大、中、小型工业操纵项目，同时PLC的可靠性高，有丰富的I/O卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便，PLC操纵能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。因为它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和爱护电路以及通讯联网功能，因此在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，同时测试容易，维修方便，更能够提高操纵系统设计的灵活性及操纵系统的可靠性。本设计以操作简单、使用可靠、维护修理方便作为要紧设计方向。1.2物料分拣系统进展概况和现状

纵观国内外物料分拣系统的应用情况能够发觉，国外的物流配送中心或工业中倾向于采纳自动化程度专门高的分拣系统，而且应用也较为广泛。而在我国，由于物流业起步晚，物料分拣系统中人工作业的比例也较高。尽管自动分拣系统有特不多的优点，但因其要求使用者必须具备一定的技术经济条件，在发达国家某些行业不用自动分拣系统的情况也专门普遍。其要紧缘故有两点:一是一次性投资巨大，先期投入回收慢。系统的设备复杂，投资和运营成本相当高，需要可靠的货源作保证，也许只有大型生产企业或专业物流公司才有能力投资小企业则无能为力。二是系统对商品外包装要求高。为使大部分商品都能用机械进行自动分拣，需要采取诸如推行标准化包装、依照分拣商品统一的包装特性定制分拣机等二次措施。但要让所有商品的供应商都执行国家的包装标准是专门困难的，定制分拣机又会使硬件成本上升，且越是特不的通用性就越差。尽管物料分拣系统有它的局限性，但随着社会的高速进展，一切都讲究效率，我相信高效率的物料分拣系统设计将会被人们越来越重视。而本设计就针对物料分拣设计出了一个由PLC操纵的分拣系统，解决了组成系统的设备能在安全工作的同时又能提高物料分拣效率的问题。1.3课题研究目的和意义分拣系统中物料传感器以及气缸应自动化设备更新时的需要，能够大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它能够搬运物资、分拣物品、代替人的繁重劳动。能够实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以爱护人身安全，能够广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。本文要紧针对生产线上的自动化设计了一个四段物料分拣传送带，实现生产的自动化。启动后，供料传送带启动并开始供料，当物料为金属物料时，物料到位，通过汽缸将物料推出，然后停止传送带；当物料为白色物料时，物料到位，通过汽缸将物料推出，然后停止传送带；当物料为黑色物料时，直接将物料输送出去

。分料盘在物料分拣中起着关键作用,安装在其内部的步进电机的驱动将使分料盘发生相应的动作来达到物料的最终分拣。由于同样实现了自动化分拣，因此在现代工业中也较广泛地使用。伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动操纵成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机传送带就在如此诞生了,其中的自动分拣传送带是近代自动操纵领域中出现的一项新技术，它的进展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时刻和位置来完成工件的传送和装卸；广泛的应用传送带，能够逐步改善劳动条件，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代，提高生产效率和保证产品质量，消除枯燥无味的工作，节约劳动力，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险，提高机床，减少工艺过程中的工作量及降低停产时刻和库存，显著地提高劳动生产率，提高企业竞争力，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。可编程操纵器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动操纵等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在物料分拣操纵系统中使用最多的操纵方式。使用PLC的自动操纵系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点[3]。本设计拟开发的基于PLC

的物料分拣传送带可代替人工在高和气危险的作业区进行作业，可分拣重量较大的工件，采纳PLC操纵，和传统继电器操纵相比较，具有稳定性高，接线简单，抗干扰能力强，维修方便等优点。能够简化操纵线路，节约成本，进一步提高劳动生产率[4]。

1.4本文研究的要紧内容在本文中,以生产线上不同物料的分拣系统为例,详细分析了基于PLC操纵的自动分拣系统的设计,介绍了分拣系统中传感器信号的采集、处理的一些差不多知识,并通过设计要求与技术指标的比较,确定了硬件系统中的各种元器件及PLC的选型。在介绍了一些PLC、传感器差不多知识后,对本课题进行硬件与软件设计,设计出主电路与操纵回路,并建立了实际的模型,在软件设计中,确定了I/O分配,并按照操纵要求设计出了PLC梯形图。在本系统完成其设计之后,对其进行整体安装与调试。在硬件部分,调试其各部分安装的位置及角度,使其材料物块的运行与传感器安装的角度适合。将各气缸的动作速度进行调试之后,进行了软硬件综合调试,实现材料分拣系统中上料、传送与分拣的全过程。1.5本章小结本章要紧是阐述了物料分拣系统的应用背景，了解了自动分拣系统的要紧特点。明确了课题研究目的和意义，对物料分拣系统研究的要紧内容做了个简单的归纳。为后面的设计打下了良好的基础。第二章PLC系统设计依照系统的操纵要求，采纳合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统操纵要求为主线，逐一编写实现各操纵功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。2.1操纵系统设计的差不多内容PLC操纵系统具有可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定。有较高的易操作性，它具有编程简单，操作十分灵活方便，监视和操纵变量十分容易，维修容易等特点。一般不容易发生操作的错误，容易掌握和理解。PLC操纵系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。因此，PLC操纵系统设计的差不多内容应包括以下内容：（1）选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的操纵对象（电动机、电磁阀等）。这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法在其他有关书籍中已有介绍。（2）PLC的选择。PLC是PLC操纵系统的核心部件，正确选择PLC关于保证整个操纵系统的技术经济性能指标起到重要的作用。选择PLC，应包括机型选择、容量的选择以及I/O模块的选择、电源模块的选择等。（3）分配I/O点，绘制I/O连接图。（4）设计操纵程序。包括操纵系统流程图、梯形图、语句表（即程序清单）和操纵系统流程图。操纵程序是操纵整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。因此，设计的操纵程序必须通过反复调试、修改，直到满足要求为止。（5）必要时还需设计操纵台（6）编制操纵系统的技术文件。包括讲明书、电气图及电气元件明细表。传统的电气图，一般包括电气原理图、电器布置图及电气安装图。在PLC操纵系统中，这一部分图统称为“硬件图”。它在传统电气图的基础上增加了PLC部分，因此在电气原理图中应增加PLC部分的I/O连接图[3]。另外，在PLC操纵系统中的电气图中还应包括程序图（梯形图），通常称它为“软件图”。向用户提供“软件图”，可便于用户在生产进展或工艺改进时修改程序，并有利于用户在维修时分析和排除故障。2.2操纵系统设计的原则设计任何一个PLC操纵系统，如同设计任何一种电气操纵系统一样，其目的差不多上通过操纵被控对象（生产设备或生产过程）来实现工艺要求，提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC操纵系统时，应遵循以下差不多原则。（1）PLC操纵系统被控对象最大限度地满足工艺要求。设计前，应深入现场进行调查研究，收集资料，并于机械部分的设计人员和实际操作人员紧密配合，共同拟订电气操纵方案，协同解决设计中出现的各种问题。（2）在满足操纵系统要求的前提下，力求使操纵系统简单、经济，使用及维修方便。一个新的操纵工程当然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足操纵要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使操纵系统简单、经济，而且要使操纵系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标[5]。（3）保证PLC操纵系统安全可靠保证PLC操纵系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计操纵系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保操纵系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。（4）考虑到生产的进展和工艺的改进，在配置PLC硬件设备时应适当留有一定裕量。2.3操纵系统设计的一般步骤设计操纵系统的步骤可分为：（1）依照生产的工艺过程分析操纵要求。（2）依照操纵要求确定所需的用户输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。（3）选择PLC系统。（4）分配PLC饿I/O点，设计I/O连接图。（5）进行PLC程序设计，同时可进行操纵太的设计和现场施工。2.4程序设计的步骤程序的设计要按一定的步骤才能够顺利的完成。程序设计的步骤可分为：（1）关于较复杂的操纵系统，需绘制系统操纵流程土，用以清晰地表明动作的顺序和条件。（2）设计梯形图。这程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。（3）依照梯形图编制程序清单。（4）用编程器将程序输入到PLC的用户存储器中，并检查输入的程序是否正确。（5）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。（6）待操纵台及现场施工完成后，就能够进行联机调试。若未满足要求，再从新修改程序或检查接线，直到满足为止。（7）编写技术文件。（8）交付使用。2.5编写梯形图应该注意的事项（1）输入/输出继电器、内部辅助继电器、定时器、记数器等器件的触点能够多次重复使用，无需复杂的程序结构来减少触点的使用次数。（2）梯形图每一行差不多上从左母线开始，线圈终止于右母线。触点不能放在线圈的右边。除步进程序外，任何线圈、定时器、计数器、高级指令等不能直接与左母线相连。假如需要任何时候都被执行的程序段，能够通过专门内部常闭继电器或一个没有使用的内部继电器的常闭触点来连接[6]。（3）在程序中，不同意同一编号的线圈两次输出。（4）不同意出现桥式电路。程序的编写顺序应按自上而下、从左止右的方式编写。为了减少程序的执行步数，程序应为“左大右小，上大右小”。2.6本章小结本章要紧对PLC系统设计一些要求和注意事项进行了详细的介绍。对操纵系统设计的差不多内容、原则、一般步骤、程序设计的步骤以及编写梯形图应该注意的事项有了进一步的了解。确定了操纵系统的差不多设计步骤，为后面的操纵系统设计、程序设计奠定了坚实的基础。第三章系统的组成及操纵要求物料分拣系统由上料机构、搬运机械手、皮带输送线、物件分拣机构组成。该系统动力由气压供能，PLC通过直接操纵电器执行元件和间接操纵气动执行元件来实现系统功能，模拟实现了机电一体化。图3-1为系统流程简图。上料机构 上料机构无物料报警无物料报警光电传感器检测放料台有无物料？ 无光电传感器检测放料台有无物料？有有搬运机械手机构工作 搬运机械手机构工作等待机械手搬运等待机械手搬运光电传感器检测入料口有无物料？无光电传感器检测入料口有无物料？无有 有皮带传输机构工作皮带传输机构工作物料分拣机构工作物料分拣机构工作图3-1系统流程简图图3-1系统流程简图3.1系统的组成3.1.1上料机构上料机构如图3-2，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。要紧完成将工件依次送至存放料台上。没有工件时，报警指示黄灯闪耀，放入工件后闪耀自动停止。图3-2上料机构实物图3.1.2搬运机械手机构搬运机械手机构。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。要紧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。3.1.3物料传输分拣机构物料输送与分拣机构如图3-3。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。要紧完成物料的输送和分拣任务。（1号料槽：用于放置金属物料；2号料槽：用于放置白色尼龙物料；3号料槽：用于放置黑色尼龙物料。）图3-3物料传输与分拣机构实物图3.2系统操纵要求本设计中系统对三种不同的物料（金属铝物料、白色纤维物料、黑色纤维物料）进行上料、搬运、运输和分类分拣，基于PLC的操纵可实现系统的自动化和半自动化操纵。（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，则讲明料筒内无物料，这时警示黄灯闪耀，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（自动操纵）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[7]。（3）运输与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通过时，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通过时，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通过时，电动机停止。3.3本章小结本章对操纵系统的组成进行了介绍，设计了PLC操纵系统机构流程简图，对上料机构、搬运机械手机构、运输与分拣机构的操纵功能方面给出了详细的要求，为操纵系统软硬件的设计奠定了坚实的基础。第四章系统硬件设计可编程操纵器技术的最要紧应用是在自动化操纵工程中，如何依照实际工程要求合理组合成操纵系统是设计自动化操纵系统的核心，本章要紧介绍组成可编程操纵器操纵系统的硬件设计部分。系统的硬件部分包括机械元件、气动元件、PLC输入\输出电气元件。在本设计中要紧对三菱FX-2N型PLC相关电气硬件部分进行设计及讲明。4.1电气元件名称及功能4.1.1输入电气元件（1）光电传感器SB03-1K（3个）①位于料库下外侧。作用：检测料库中有无物料，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位于存放料台下方。作用：检测存放料台上有无物料，漫反射式直流NPN三线常开，上有物料时为PLC提供一个输入信号。③位于入料口中间外侧。作用：检测入料口有无物料进入，漫反射式直流NPN三线常开，有物料时为PLC提供一个输入信号。感器WS/WE100-N1439位置：位于料槽一与料槽三入口外侧。作用：检测物料是否通过料槽一、二、三，该光电传感器为分体直射型，当检测到物料进入料槽时为PLC提供一个输入信号。（3）磁性传感器D-A73位置：位于气缸两端。作用：用于检测气缸伸出缩回是否达到限位位置点检测气缸达到限位位子时信号。（4）电感传感器LE4-1K位置：机械手旋转支柱下侧旁。作用：检测机械手是否在基准位子，机械手臂左摆或右摆到位后，电感传感器向PLC提供一个输入信号。（5）电感式传感器位置：位于料槽一前、皮带上方。作用：检测金属材料，当金属物料通过时，传感器向PLC提供一个输入信号。（6）光纤传感器位置：位于料槽一与料槽二的皮带传输的中间上方。作用：用于检测非金属的白色物料。当光纤传感器检测到白色物料时为PLC提供一个输入信号。其检测距离为3~8mm，检测距离可通过传感器放大器的电位器调节。（7）按钮（7个）操纵系统的启动（绿色）、停止（红色）、复位（黄色）；4个用于机械手的手动操纵。4.1.2输出电气元件（1）警示灯在设备停止时警示红灯亮，在设备运行时警示绿灯，在无物料或停止时警示黄灯闪耀。（2）电磁阀通过PLC操纵电磁阀来操纵气缸的动作。（3）变频器当入料口检测到有物料时PLC向变频器提供驱动信号，变频器驱动三项异步电动机按设定频率转动。（4）步进电机驱动器同意PLC的操纵脉冲信号，正反转信号，使能信号。操纵机械手手臂的旋转，通过脉冲个数进行精确定位。4.1.3执行电气元件（1）推料气缸将工件推到存放料台上，由单向电控气阀操纵[8]。（2）推料一气缸将金属物料推入料槽一，由单（3）气动手爪完成工件的抓取动作，由双向电控阀操纵，手爪夹紧时磁性传感器有信号输出，磁性开关指示灯亮。（4）双导杆气缸操纵机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀操纵。（5）单杆气缸操纵气动手爪的提升、下降，由双向电控气阀操纵。（6）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，由双向电控气阀操纵。（7）步进电机用步进电机驱动器操纵，用与实现机械手臂的旋转。（8）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。（9）三相异步电动机驱动传送带转动，由变频器操纵。4.2输入/输出（I/O）点分配表4-1输入点分配及讲明序号PLC地址名称功能讲明1X0启动按钮系统启动2X1停止按钮系统停止3X2复位按钮系统复位4X3物料检测光电传感器检测料库有无物料5X4物料推出检测光电传感器检测放料台上有无物料6X5推料伸出限位传感器检测推料气缸是否退出7X6推料缩回限位传感器检测推料气缸是否缩回8X7手臂伸出限位传感器检测手臂是否伸出9X10手臂缩回限位传感器检测手臂是否缩回10X11手爪下降限位传感器检测手爪是否下降11X12手爪提升限位传感器检测手爪是否提升12X13手爪夹紧限位传感器检测手爪是否夹紧13X14机械手基准传感器检测机械手是否在基准位置14X15推料一伸出限位传感器检测推料一气缸是否推出15X16推料一缩回限位传感器检测推料一气缸是否缩回16X17导料转出限位传感器检测导料气缸是否旋转到位17X20导料原位限位传感器检测导料气缸是否回原位18X21入料检测光电传感器检测物料是否放入入料口19X22料槽一检测传感器检测金属物料20X23料槽二检测传感器检测白色物料21X24分拣槽检测光电传感器检测有无物料进入料槽

表4-2输出点分配序号PLC地址名称功能讲明1Y0步进电机驱动器PUL-输出脉冲2Y1步进电机驱动器DIR-方向操纵3Y2步进电机驱动器ENA-使能操纵4Y3电磁阀物料推出5Y4电磁阀手臂伸出6Y5电磁阀手臂缩回7Y6电磁阀手爪上升8Y7电磁阀手爪下降9Y10电磁阀手爪夹紧10Y11电磁阀手抓松开11Y12电磁阀推料气缸12Y13电磁阀导料气缸13Y14警示红灯停止指示灯14Y15警示绿灯启动指示灯15Y16警示黄灯物料报警指示灯16Y17变频器STF变频器驱动操纵4.3PLC的选型在第二章中已对PLC进行了简单介绍，在设计中应用的是三菱FX-2N型PLC。日本三菱可编程操纵器分为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[9]。三菱FX系列常见型号如下图4-1所示：图4-1三菱FX系列PLC图4-1三菱FX系列PLC4.3.1系统对PLC的要求（1）功能要求：在满足一般开关量输入信号操纵要的同时，系统要进行步进电机操纵，要求输出脉冲信号，因此输出类型要是晶体管输出[10]（T）。（2）I/O点数要求：系统所需输入点数为21点；系统所需输出点数为16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。4.3.2确定PLC型号依照上述要求可暂定型号为：三菱FX2N-64MT。考虑到FX2N-64MT与FX2N-48MT相比价格略微较贵。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：最后确定可编程操纵器型号为：三菱FX2N-64MT4.4三菱FX-2N型PLC操纵原理图图4-2三菱FX-2N型PLC操纵原理图图4-2三菱FX-2N型PLC操纵原理图

4.5步进电机设计在本设计中选用的步进电机型号为：3MD560。3MD560细分型三相混合式步进电机驱动器，采纳直流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。此驱动器采纳交流伺服驱动器的电流环进行细分操纵，电机的转矩波动专门小，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：纯正弦电流操纵，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、过热爱护功能；八档细分和自动半流功能；十六档输出相电流设置；具有相位经历功能（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[11]。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设置如表4-3所示。eq\o\ac(○,1)电流设定细分设定电流值(A)SW1SW2SW3SW41.5AOFFOFFOFFOFF2.6AOFFOFFONOFF4.1AONOFFOFFON5.2AONOFFONON6.0AONONONONeq\o\ac(○,2)步数/圈SW6SW7SW8200ONONON400OFFONON500ONOFFON1000OFFOFFON2000ONONOFF4000OFFONOFF5000ONOFFOFF1000OFFOFFOFF表4-3步进电机驱动器参数设置序号SW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7SW8开关状态ONONONONOFFOFFOFFOFF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。因此PLC的Y0口产生脉冲数N为：4.6本章小结本章在确定了操纵系统的差不多设计步骤之后，详细设计了操纵系统的硬件部分，给出了I/O分配表、操纵器接线图，完成了PLC选型、步进电机设计的要紧工作，为产品的开发、生产奠定了坚实的基础。第五章系统软件设计第四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预备，本章利用PLC作为核心操纵部件将各类元器件通过逻辑关系联系起来，实现系统操纵要求。5.1三菱编程软件、模拟仿真软件多年来，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系列可编程操纵器使用的STEP7Micro/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[12]。三菱全系列PLC仿真调试软件GXSimulator：（1）仿真软件的功能确实是将编写好的程序在电脑中虚拟运行，假如没有编好的程序，是无法进行仿确实。因此，在安装仿真软件GXSimulator6c之前，必须先安装编程软件GXDeveloper，同时版本要互相兼容。（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软件的图标。因为仿真软件被集成到编程软件GXDeveloper中了，事实上那个仿真软件相当于编程软件的一个插件[13]。5.2程序设计思想本系统程序设计部分可分为三部分来进行，上料机构程序设计，搬运机械手程序设计，物料传输分拣程序设计。通过分不绘制三部分的流程图可清晰的反应出操纵要求，程序执行过程，为程序编写做好了预备工作。实现了系统的自动与半自动操纵，警示灯报警等操纵要求，最后将三部分程序设计按要求整合起来完成整个系统的程序设计。5.2.1上料机构流程图上料机构的操纵要求，在程序设计的时候应注意一下几点：（1）警示黄灯在料库无物料与停止时都要闪耀。（2）当放料台有物料时，推料气缸保持伸出状态，同时放料台有物料是驱动机械手程序的必备条件。上料机构流程图如图5-1所示：警示黄灯闪耀放入物料后黄灯熄灭启动复位警示黄灯闪耀放入物料后黄灯熄灭启动复位警示绿灯亮警示绿灯亮料筒光电传感器检测有无物料料筒光电传感器检测有无物料3s后有等待物料推出接机械手流程图推料气缸将工件推至放料台放料台光电传感器检测有无物料机械手将工件取走推料气缸缩回等待物料推出接机械手流程图推料气缸将工件推至放料台放料台光电传感器检测有无物料机械手将工件取走推料气缸缩回无有图5-1上料机构流程图

上料机构部分的梯形图如图5-2所示：图5-1上料机构流程图图5-2上料机构梯形图图5-2上料机构梯形图5.2.2搬运机械手流程图搬运机械手流程图如图5-3所示：图5-3图5-3搬运机械手流程图从图中反应出来搬运机械手的操纵要求，在进行搬运机械手程序设计时，首先考虑到的确实是要用步进指令进行程序编写，如此程序编写就简单明了化了。在机械手状态转移的时候，要注意上一个状态的输出有的必须要保持，比如手爪在夹紧工件后，在没有送到入料口之前的所有状态手爪都必须保持夹紧[14]。程序中的难点是步进电机操纵程序的编写，要兼顾考虑机械手复位的操纵要求。在机械手操纵程序的编写加入了计数器，机械手臂只能在基准位置向右旋转一次，从而爱护手臂连续旋转对手臂上气管，电线的破坏。搬运机械手状态转移图如图5-4所示：图5-4搬运机械手机构状态转移图

机械手操纵程序的编写如图5-5所示:图5-4搬运机械手机构状态转移图图5-5搬运机械手机构梯形图

5.2.3物料传输分拣流程图图5-5搬运机械手机构梯形图入料口光电传感器检测到物料物料传输分拣流程图如图5-6所示料槽传感器检测到有工件通过时电机停转变频器接收启动信号：入料口光电传感器检测到物料料槽传感器检测到有工件通过时电机停转变频器接收启动信号三相交流异步电机以30HZ的频率带动皮带正传传输物料三相交流异步电机以30HZ的频率带动皮带正传传输物料料槽一检测为金属物料料槽二传感器检测为白色物料物料为黑色物料料槽一检测为金属物料料槽二传感器检测为白色物料物料为黑色物料直接将（黑色物料）传送至三号料槽旋转气缸动作将（白色物料）导入二号槽推料气缸动作将（金属物料）推进一号料槽直接将（黑色物料）传送至三号料槽旋转气缸动作将（白色物料）导入二号槽推料气缸动作将（金属物料）推进一号料槽图5-6图5-6物料传输分拣流程图从图中反应出物料传输分拣过程，当物料进入入料口时，PLC给变频器一个驱动信号，实现了传输功能。在传输的过程中用电感传感器对金属物料进行识不，用光纤传感器对白色物料进行识不，没有被识不的确实是黑色物料，如此便对三种不同物料进行了识不，配合相应的动作便能够实现着三种物料的分拣功能。料槽传感器是用来检测有无物料进入料槽，同时兼顾操纵导料气缸复位，三相异步电机停止。物料分拣机构程序梯形图如图5-7所示：图5-7物料分拣机构梯形图图5-7物料分拣机构梯形图5.2.4系统操纵总程序设计简介上文对程序设计思想进行了简要讲明，分了三部分进行设计，在总体程序的设计就需要将前面三部分的设计思想结合起来。总程序中为了实现启动、停止、复位、报警、自动操纵及半自动操纵。启动时用了辅助继电器，并将启动与停止按钮互锁，如此可直接实现上料机构与传输分拣机构的启动、停止、报警的操纵。在整个程序中将搬运机械手自动与手动操纵程序设置成了两个子程序。通过旋转开关进行两者的转换调用，同时对步进程序实现直接停止，不必再等到执行一个周期后才能停止。在程序中进行了文字讲明，如此更有利于读明白程序。第六章系统调试基于三菱FX-2N型PLC操纵物料分拣系统的调试分两个调试过程进行。一是在程序应在未带载情况下进行模拟调试，二是进行程序的现场调试。在模拟调试完成后，方可进行现场安装调试，并进行运行调试，确定参数，完善程序，最后完成整个调试工作。6.1程序的模拟调试程序的调试是设计过程中一个比较重要环节，专门少有程序是一经编制就能够运行成功的，只有通过调试运行甚至现场运行才能发觉程序中不合理的地点同时进行修改。本设计中使用的编程软件GX-DeveloperV7.0具有监控功能，将仿真软件GXSimulator6c安装后就可直接在编程软件中进行程序的模拟调试及监控。通过仿真软件按照操纵要求一步步进行输入输出端口设置，看输出是否满足操纵要求[15]。仿真调试时是否正常按预期效果运行，若不是按预期效果输出，再认真检查程序并修改后，再仿真调试。若有异再修改程序，如此反复调试，直至程序可用模拟调试运行正常。如图6-1是程序调试及监控的打开界面。图6-1图6-1程序调试及监控开始6.1.1通过软元件输入输出状态进行调试在仿真软件中能够直接对各种软器件进行置位，如：X0000-0237、Y0000-0237、T00-99、C00-99、M00-99等部分常用的软器件可直接进行置位，关于专门功能辅助继电器、时刻继电器、计数器不能直接置位调试。（1）将X0按下系统启动，现在警示绿灯Y15亮，警示黄灯Y16闪耀，无料报警。输入输出调试状态如图6-2所示：图6-2图6-2程序启动时调试及运行监控（2）将物料检测传感器X3置位，现在警示黄灯Y15停止闪耀，将推料伸出限位传感器X6置位，现在物料推出气缸Y3动作。X6复位，推料伸出传感器X5被置位，放料台光电开关X4检测到物料也被置位。当物料被爪走后X4复位，Y3复位，推料气缸缩回，反复执行推料过程。输入输出状态见图6-3。（3）分拣调试将入料口光电开关X21置位，现在Y17向变频器发送驱动信号。当物料为金属物料时，料槽一检测传感器置位，现在气缸Y12动作将物料推入料槽一。同时分拣检测光电开关向PLC发出一个信号，使电机停转。调试输入输出状态见图6-4。图6-3上料结构上料时运行监控图6-3上料结构上料时运行监控图6-4金属物料分拣时运行监控图6-4金属物料分拣时运行监控程序仿真调试方法不变，进行搬运机械手，物料分拣的调试时，按照操纵要求及相应输入操纵元件的置位情况，对输入口进行设置后，同时观看输出的状态变化看是否满足操纵要求。依照此法逐步对程序进行调试修改，直至满足操纵要求。6.1.2时序图辅助调试假如想更形象的反应出输入输出及其它软元件的状态图式，能够通过时序图进行辅助调试，通过时序图就能够更清晰的看出软元件状态的变化。如图6-5所示为时序的样板。图6-5辅助调试时序图图6-5辅助调试时序图依照操纵要求对系统程序一步一步进行仿真调试，在调试的过程中发觉了一些错误的方，通过反复调试，最后是程序在仿真调试中满足了操纵要求，系统模拟调试完成。6.2程序的现场调试本系统设计基础源于学校的机电一体化实验室，自动操纵部分能够在实验室进行现场调试。但由于客观条件限制，目前不能进行三菱FX2N型可编程操纵器的现场调试。硬件部分按照电气原理图连接好，在接线过程中要务必认真认真，检查主电路和操纵电路确定无误后，方可进行调试。在调试过程中系统专门有可能存在传感器、执行器、和硬件连线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和软件部分的梯形图程序设计中的问题，通过认真推敲及时加以解决。调试过程：(1)检查连线，要逐点进行，确保正确无误。(2)检查输入输出接口。(3)将调试好的程序传输的三菱FX-2N型PLC中。(4)检测搬运机械手手动部分和自动部分。(5)进行系统半自动调试。(6)进行系统自动工作调试。(7)异常条件检查，完成上述所有的调试工作，系统调试完成。结论综全文所述，本文对PLC及传感器技术的工作原理、适用领域做出了详细的介绍，依照材料分拣的实际需求采纳PLC设计出了材料分拣系统具