基于PLC控制物料分拣机械手自动控制系统

前言机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身平安，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本文在纵观了近年来机械手开展状况的根底上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。通过以上局部的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型物料分拣机械手的设计方案，对其他经济型PLC控制系统的设计也有一定的借鉴价值设计人：日期：2023/11/21目录摘要-1-第一章绪论-2-1.1选题背景-2-1.2设计目的及主要内容-3-设计目的-3-分拣机械手臂控制要求-3-第二章PLC的简介-5-2.1PLC产生与特点-5-2.1.1PLC的产生-5-2.1.2PLC的特点-5-2.2PLC的应用领域-6-2.3PLC的选型-6-第三章物料分拣机械手系统简介-7-3.1圆盘局部-7-3.1.1圆盘给料的简介-7-3.1.2圆盘给料机结构特点-7-3.1.3分拣机械手臂中圆盘的根本结构和功能-7-3.2机械手臂局部-8-机械手简介-8-机械手的选择-9-此题搬运机械手的根本结构-9-3.3.分拣局部的根本结构-10-3.3.1自动分拣机系统图的介绍-10-3.3.2主要组成与功能-12-第四章物料分拣机械手系统关键部件的使用-13-4.1电磁阀的使用-13-4.1.1电磁阀简介-13-4.1.2电磁阀在设计中的应用-13-4.2气缸的使用-13-4.2.1气缸的选择-13-4.3分拣机械手系统设计气动系统图-14-4.3.1气动回路工作原理-14-4.4传感器的使用-15-4.4.1传感器简介-15-4.4.2视觉传感器-16-4.4.3金属传感器-17-4.5步进电机及驱动器的使用-18-步进电机及驱动器的介绍-18-步进电机在分拣机械手设计中的应用-19-第五章PLC对物料分拣机械手系统的控制-21-5.1I/O分配、接线图、流程图-21-机械手系统流程图-21-5.1.2I/O分配、接线图-22-5.2程序局部-23-梯形图-23-指令表-24-5.3相关电气设备的选择-26-第六章总结与展望-27-致谢-28-参考文献-29-摘要近年以来，随着科学技术的迅速发展，PLC以其可靠性极高，能经受恶劣环境的考验，使用极方便的巨大优越性，从而迅速占领工业自控领域，成为工业自动控制的首选产品；随着技术的不断更新和改革，PLC技术也在不断的产生变化，逐渐向智能化开展，变化的原因主要是能更好的的为现代社会效劳。在实训的时候，我见到的有一台是用金属机械手来分拣工件的设备，但我看到，如果机械手或工件有一点偏差，机械手就不会准确的把工件分拣，有时还会破坏工件的外表质量，所以我建议用真空盘式机械手来代替金属机械手，并且可以对工件进行颜色的判断。［关键词］：PLC、机械手、自动控制SummaryInrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,PLCwithitshighlyreliable,abletowithstandtheharshconditions,veryeasytousegreatadvantage,whichquicklyoccupiedtheindustrialautomationfield,thefirstchoiceforindustrialautomationproducts;withthetechnologycontinuestoupdateandreform,PLCtechnologyisconstantlychangedandgraduallytodevelopintelligence,isthemainreasonforthechangeforthebetterofthemodernsocialservices.Intraining,Ihaveseenarobotwiththemetalpartsofequipmenttosort,butIseethatiftherobotortheworkpieceanydeviation,therobotwouldnotbeaccuratesortingoftheparts,sometimesdamagetotheworkpiecesurfacequality,soIrecommendusingavacuumtoreplacethemetaldiscrobotmanipulator,andcandeterminethecoloroftheworkpiece.[Keywords]:PLC,robotics,automaticcontrol.第一章绪论分拣是把很多货物按品种从不同的地点和单位分配到所设置的场地的作业。按分拣的手段不同，可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣。目前自动分拣已逐渐成为主流，因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动分拣装置来完成的。这种装置是由接受分拣指示情报的控制装置、计算机网络，把到达分拣位置的货物送到别处的的搬送装置。由于全部采用机械自动作业，因此，分拣处理能力较大，分拣分类数量也较多。随着社会的不断开展，市场的竞争也越来越剧烈，因此各个生产企业都迫切地需要改良生产技术，提高生产效率，尤其在需要进行材料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产本钱高，企业的竞争能力差，材料的自动分拣已成为企业的唯一选择。针对上述问题，利用PLC技术设计了一种本钱低，效率高的材料自动分拣装置，在材料分拣过程中取得了较好的控制效果。物料分拣采用可编程控制器PLC进行控制，能连续、大批量地分拣货物，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。而且，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。其设计采用标准化、模块化的组装，具有系统布局灵活，维护、检修方便等特点，受场地原因影响不大。同时，只要根据不同的分拣对象，对本系统稍加修改即可实现要求。PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术等内容，是实际工业现场生产设备的微缩模型。应用PLC技术结合气动、传感器和位置控制等技术，设计不同类型材料的自动分拣控制系统。该系统的灵活性较强，程序开发简单，可适应进行材料分拣的弹性生产线的需求。本文主要介绍了PLC控制系统的硬件和软件设计，以及一些调试方法。1.1选题背景大学三年的专业知识学习生涯即将结束，毕业设计是其中最后一个环节，是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。随着我国经济的迅速开展，采用PLC的工作原理来控制材料搬运装置的技术根本已经成熟，其中得到愈来愈广泛的就是采用PLC控制搬运机械手来实现搬运材料的装置。在完成大学三年的课程学习和课程、生产实习，我熟练地掌握了plc、电力拖动、电子技术等专业根底课和专业课方面的知识，对设计电气系统、全面的理解，到达了学习的目的。对于PLC对机械手搬运材料的控制设计这个实践性非常强的设计课题，我进行了大量的实习。经过在学校实习，我对于PLC对分拣机械手的控制设计有了一个全新的认识，丰富了许多PLC方面的知识，而对于PLC方面的工艺更是实现了零的突破。在指导老师的协助下，同时在现场查阅了很多相关资料，明确了PLC的一般工作原理、工艺过程。并在图书馆借阅了许多相关手册和书籍，设计中，将充分利用和查阅各种资料，并与同学进行充分讨论，尽最大努力搞好本次毕业设计。在设计的过程中，将有一定的困难，但有指导老师的悉心指导和自己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。由于学生水平有限，而且缺乏经验，设计中不妥之处在所难免，肯请各位老师指正。1.2设计目的及主要内容设计目的1、培养机械设计能力；2、扩展知识结构；3、培养综合运用能力；4、是课堂教学的有益补充。通过本次论文，进一步加强自己对机械手和PLC的认识，以及它们在生活中广泛应用。分拣机械手臂控制要求某分拣设备的圆盘内有金属、白色、黑色三种圆柱形工件，通过圆盘直流电动机运送、机械手搬运和皮带输送机传送，在对应的出料斜槽进行分拣。具体工作过程描述：圆盘将工件送到抓料平台，机械手从抓料平台抓取工件并搬运到皮带输送机的进料口，皮带输送机传送工件到达相应的位置进行加工或分拣。分别将金属工件，白色塑料工件，黑色塑料工件推入1槽，2槽，3槽。设备在运行前应处于原位：机械手在左限位，悬臂气缸、手臂气缸的活塞杆缩回，气爪放松，三个负责分拣的活塞杆应处于缩回状态。如果不在原位，设备不能启动。机械手可以水平和垂直位移，并能将工件从A处移到B处。该机构的悬臂气缸的伸出和缩回，手臂气缸的上升下降和旋转气缸的左转和右转是由三个双线圈两位五通电磁阀驱动气缸来实现的。气爪气缸的松夹也选用二位五通双控电磁阀驱动气缸实现。3个推料气缸选用3个二位五通单控电磁阀分别驱动。线圈通电为推出，失电为缩回。当按下启动按钮后，设备将按以下动作顺序进行：圆盘直流电动机转动，运送工件至机械手抓料平台。抓料平台处的光电传感器检测到工件信号后，使圆盘直流电动机停止并驱动机械手运行，机械手按以下顺序动作：悬臂伸出-手臂下降—延时-气爪夹紧-延时-手臂上升-悬臂缩回机械手向右旋转悬臂伸出-手臂下降-延时-气爪放松-通过进料口将工件放到输送皮带上。机械手放下夹持的工件后：手臂上升-悬臂缩回-机械手左转至左限位。机械手将工件搬离抓料平台时，圆盘直流电动机继续转动，如果没有出现停止信号，圆盘能及时将工件送到机械手抓料平台，机械手将继续运行。输送皮带进料口光电传感器接收到工件到达信号后，步进电动机启动运行，运送工件到对应的出料斜槽进行分拣。金属工件运送到出料斜槽I处，传感器接到工件到达信号后，驱动气缸1活塞杆伸出，将其推入出料斜槽1；按同样动作顺序，气缸2将白色塑料工件推入到出料斜槽2，气缸3将黑色塑料工件推入出料斜槽3。当气缸将工件推入出料斜槽，输送皮带上无工件时，步进电机电停止运行，等待下一个工件到达后，再以正向脉冲运行。当设备运行过程中如按下停止按钮SB6，圆盘直流电动机立即停止，机械手将完成当前工作的搬运后回到原位停止，分拣装置必须完成输送带上工件的分拣后才能停止。报警：1.圆盘直流电动机运转超时报警〔圆盘内无工件〕。5s2.三相交流异步电动机低速运行超时报警〔输送皮带上无工件〕。10s3.任何一种报警时间满10S,状态仍未恢复时，设备停止运行，报警依旧。等故障排除后，按下启动按钮，设备重新开始运行。要求设计者确定机械手控制系统的总体设计方案；确定PLC的型号规格；确定PLCI/O元件；设计机械手气动原理图及其PLC电气控制线路原理图；提供顺序功能流程图；进行软件设计并调试；编写设计说明书。第二章PLC的简介2.1PLC产生与特点2.1.1PLC的产生一．概念PLC是在继电器控制和计算机技术的根底上开发出来的，并逐渐开展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。二．开展必然性传统的继电接触器控制系统〔硬件布线〕优点：结构简单，因而长期广泛应用。缺点：采用固定的接线方式。一旦生产要求及生产过程发生变化，必须重新设计线路，重新接线安装。不利于产品的更新换代。还有灵活性、通用性差、体积大、速度慢等特点。60年代末期，美国汽车制造工业相当兴旺，要求不断更换汽车的型号。传统的继电接触器控制系统被淘汰。1968年，美国最大的汽车制造商GM公司公开招标。研制新的控制系统。提出以下要求：1、设计周期短，更改容易，接线简单，本钱低。2、把继电器控制和计算机技术结合起来。但编程要比计算机简单易学，操作方便。3、系统通用性强。1969年，美国数字设备公司研制出世界上第一台PLC，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功。其后，日本、德国相继引入。中国1974年研制，1977年成功。三．功能开展史：〔名字的由来〕早期：顺序控制。包括逻辑运算功能。称PLC〔ProgrammableLogicController〕70年代：微处理器用于PLC。功能增强、数值运算、数据处理、闭环调节等，称PC。现在：模拟量控制、位置控制等。2.1.2PLC的特点主要特点：〔1〕可靠性高、抗干扰的主要措施之一。输入输出接口电路采用光电耦合器来传递信号。使外部电路和内部电路之间防止电的联系。〔2〕滤波。编程简单、使用方便、控制程序可变。〔3〕采用自然语言：梯形图〔4〕功能完善、扩充方便、组合灵活、实用性强。〔5〕体积小、重量轻、功耗低。2.2PLC的应用领域在当今的工业界，只要涉及控制的地方，都离不开PLC这个大脑，简单的讲，可大概分为两个领域：其一为单机控制为主的一切设备自动化领域，比方：包装机械、印刷机械、纺织机械、注塑机械、自动焊接设备、隧道盾构设备、水处理设备、切割、多轴磨床、冶金行业的辊压、连铸机械太多了，这些设备的所有动作，加工都需要靠依据工艺设定在PLC内的程序来指导执行和完成，就如人的大脑；其二为过程控制为主的流程自动化行业，比方污水处理、自来水处理、楼宇控制、火电主控、辅控、水电主控、辅控、冶金行业、太阳能、水泥、石油、石化、铁路交通...。这些行业所有设备的连续生产运行，总存在许多的监控点和大量的实时参数，而要监视、控制、和采集这些流程参数和相关的工艺设备，也必须依靠PLC这个大脑来完成，当然传统叫法也有DCS，尽管设计之初的理念不一样，但现技术路线已逐渐融合。或许更直观些：只要是涉及工业控制的任何地方，都会采用PLC来控制！它涉及到我们生活的方方面面，包括我们从超市买的任何商品，我们用的数码产品，开的车，看的书等其从生产——包装——传送——仓储——运输等等环节都需要用PLC控制的自动化设备来完成。应用类型：逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理、多级控制1988年全世界总销售量达370亿美元。年产量150万台，目前世界上先进工业国家。PLC已成为工业控制的标准设备。它的应用几乎覆盖了所有的工业、企业。近10年，我国的PLC研制，生产、开展很快、上海宝钢第一期工程，采用了250台。第二期采用了108台，获得了令人瞩目的经济效益和社会效益。PLC应用越来越广泛，工业自动化程序提高一个新水平。趋势：1．系统构成规模向大、小两个方向开展。大是指大容量、高速度、多功能、高性能。小是指小型化、专用化、模块化、低本钱。2．功能不断增强，各种应用模块不断推出。3．产品更加标准化、标准化。2.3PLC的选型FX2N-48MT根本单元带24点输入/24点晶体管输出第三章物料分拣机械手系统简介3.1圆盘局部圆盘给料的简介圆盘给料是一种使用广泛的连续式容积加料设备，能均匀连续地将物料喂送到下一设备中，喂料量可以调节，可喂送粉状、小块状的物料〔如煤粉、粘土等〕，是一般磨机、烘干机的常用配套设备。只要有吊开式和吊闭式两种。圆盘给料机广泛适用于冶金、矿山、建材、煤炭、电力等行业的各种非粘性物料的喂送。圆盘式给料机为容积式计量的给料设备，它能均匀、连续地将物料喂送到下一道工序，并且能够承受较大的仓压。作为细粒物料给料设备，适用于运送粉状、料状或小块状态的各种非粘性物料，如煤粉、水泥、熟料、石灰石、页岩、煤矸石、粘土等粉状、粒状或小块状物料。可广泛应用于选金厂，采煤厂与化工，基建及机械化的铸造车间等作连续均匀、定量的给料和配料之用。本机构造简单，调整方便，性能优越。本机适用输送物料粒度不大于50mm，不适宜输送粘性较大、不易流动的物料和流动性特别好的物料。圆盘给料机结构特点圆盘给料机为吊装、密闭式。主要用于要求减少漏风或扬尘的系统，从而将环境污染减少到最小程度。圆盘给料机结构主体是绕垂直轴旋转的圆盘。圆盘中部有一位于接料仓下口而高度可调的下料套筒，物料从下料套筒和圆盘的间隙中漏散出来，并被刮板将物料从圆盘上刮落下来。喂料量可通过改变下料套筒和圆盘的间隙大小和卸料位置来调整。设有观察窗口，可随时观测物料的喂送情况及设备的运行情况。分拣机械手臂中圆盘的根本结构和功能在此题中，圆盘起到连续地将物料喂送到下一道工序，为下一道工序提供原料。根本结构就不述了。3.2机械手臂局部机械手简介mechanicalhand也被称为自动手，autohand能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身平安，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件〔或工具〕的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动〔摆动〕、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手是在机械化、自动化生产过程中开展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速开展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的开展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5〕宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。机械手简述:机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但根本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。1．执行机构机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。2．传动系统执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。3.控制系统机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手那么要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。机械手的选择由于机械手是在搬运中的应用，所以采用传送带加旋转的机械手类型。此机械手易于操作，性能可靠。此题搬运机械手的根本结构1.主要组成与功能由气动手爪、导杆气缸、旋转气缸、电磁阀等组成，主要完成以下动作：气动机械手手臂下降，气动手爪夹紧物料，机械手手臂上升，手臂旋转到位，手臂下降，悬臂左移，悬臂右移，手爪松开将物料放入运料小车，机械手手臂上升，机械手返回原位，等待下一个物料到位，重复上面的动作。如图3-1所示：图3-1机械手臂结构原理图(1)气动手爪：完成工件的抓取动作，由单向电控气动阀控制。(2)导杆气缸：控制气动手爪的上升和下降、左移和右移，由单向电控气动阀控制。(3)旋转气缸：控制机械手的旋转，由单向电控气动阀控制。(4)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。3.3.分拣局部的根本结构自动分拣机系统图的介绍1．简介自动分拣机是自动分拣系统的一个主要设备。它本身需要建设短那么40-50米，长那么150-200米的机械传输线，还有配套的机电一体化控制系统、计算机网络及通信系统等，这一系统不仅占地面积大，〔动辄20000平方米以上〕，而且还要建3-4层楼高的立体仓库和各种自动化的搬运设施〔如叉车〕与之相匹配，这项巨额的先期投入通常需要花10-20年才能收回。2.作业描述该系统的作业过程可以简单描述如下：物流中心每天接收成百上千家供给商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种商品，在最短的时间内将这些商品卸下并按商品品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，将这些商品运送到指定地点〔如指定的货架、加工区域、出货站台等〕，同时，当供给商或货主通知物流中心按配送指示发货时，自动分拣系统在最短的时间内从庞大的高层货存架存储系统中准确找到要出库的商品所在位置，并按所需数量出库，将从不同储位上取出的不同数量的商品按配送地点的不同运送到不同的理货区域或配送站台集中，以便装车配送。3．主要特点1、能连续、大批量地分拣货物由于采用大生产中使用的流水线自动作业方式，自动分拣系统不受气候、时间、人的体力等的限制，可以连续运行，同时由于自动分拣系统单位时间分拣件数多，因此自动分拣系统的分拣能力是人工分拣系统可以连续运行100个小时以上，每小时可分拣7000件包装商品，如用人工那么每小时只能分拣150件左右，同时分拣人员也不能在这种劳动强度下连续工作8小时。2、分拣误差率极低自动分拣系统的分拣误差率大小主要取决于所输入分拣信息的准确性大小，这又取决于分拣信息的输入机制，如果采用人工键盘或语音识别方式输入，那么误差率在3%以上，如采用条形码扫描输入，除非条形码的印刷本身有过失，否那么不会出错。因此，目前自动分拣系统主要采用条形码技术来识别货物。3、分拣作业根本实无人化国外建立自动分拣系统的目的之一就是为了减少人员的使用，减轻工员的劳动强度，提高人员的使用效率，因此自动分拣系统能最大限度地减少人员的使用，根本做到无人化。分拣作业本身并不需要使用人员，人员的使用仅局限于以下工作：〔1〕、送货车辆抵达自动分拣线的进货端时，由人工接货。〔2〕、由人工控制分拣系统的运行。〔3〕、分拣线末端由人工将分拣出来的货物进行集载、装车。〔4〕、自动分拣系统的经营、管理与维护。如美国一公司配送中心面积为10万平方米左右，每天可分拣近40万件商品，仅使用400名左右员工，这其中局部人员都在从事上述〔1〕、〔3〕、〔4〕项工作，自动分拣线作到了无人化作业。自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进行自动分类。这些分拣需求可以通过不同方式，如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测及形状识别等方式，输入到分拣控制系统中去，根据对这些分拣信号判断，来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示，当具有相同分拣信号的商品经过该装置时，该装置动作，使改变在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。分类装置的种类很多，一般有推出式、浮出式、倾斜式和分支式几种，不同的装置对分拣货物的包装材料、包装重量、包装物底面的平滑程度等有不完全相同的要求。输送装置的主要组成局部是传送带或输送机，其主要作用是使待分拣商品贯穿过控制装置、分类装置，并输送装置的两侧，一般要连接假设干分拣道口，使分好类的商品滑下主输送机〔或主传送带〕以便进行后续作业。分拣道口是已分拣商品脱离主输送机〔或主传送带〕进入集货区域的通道，一般由钢带、皮带、滚筒等组成滑道，使商品从主输送装置滑向集货站台，在那里由工作人员将该道口的所有商品集中后或是入库储存，或是组配装车并进行配送作业。以上四局部装置通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的自动分拣系统。编辑本段适用条件二次大战以后，自动分拣系统逐渐开始在西方兴旺国家投入使用，成为兴旺国家先进和物流中心，配送中心或流通中心所必需的设施条件之一，但因其要求使用者必须具备一定的技术经济条件，因此，在兴旺国家，物流中心、配送中心或流通中心不用自动分拣系统的情况也很普遍。在引进和建设自动分拣系统时一定要考虑以下条件：1、一次性投资巨大2、对商品外包装要求高3.3.2主要组成与功能图3-2分拣局部结构原理图由传送带、货台、步进电机、步进电机驱动器等组成，主要完成将不同的物料运送到相应的货台上如图3-2所示。(1)步进电机以及步进电机驱动器：用于控制传送带的运行。通过频率进行精确定位。(2)推料气缸：将物料推到货台上，由单相电控气动阀控制。(3)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〞〕。〔4〕物体检测传感器：用于物体的位置检测。当检测到物体准确到位后将给PLC发出一个到位信号。第四章物料分拣机械手系统关键部件的使用4.1电磁阀的使用4.1.1电磁阀简介本设计中使用四个两位五通双控电磁阀和三个两位五通单控电磁阀。两位五通双电控电磁阀动作原理：给正动作线圈通电，那么正动作气路接通(正动作出气孔有气)，即使给正动作线圈断电后正动作气路仍然是接通的，将会一直维持到给反动作线圈通电为止；给反动作线圈通电，那么反动作气路接通(反动作出气孔有气)，即使给反动作线圈断电后反动作气路仍然是接通的，将会一直维持到给正动作线圈通电为止。两位五通单控电磁阀工作原理：给电磁阀线圈通电，那么正向气路接通；线圈失电后正向气路断开，电磁阀芯恢复原位置，气路恢复为初始状态。4.1.2电磁阀在设计中的应用系统通过PLC对电磁阀控制通电，四个两位五通双控电磁阀分别控制气路的工作状态为：电磁阀a控制机械手水平伸出与缩回、电磁阀b控制机械手臂上升与下降、电磁阀c控制机械手旋转、电磁阀d控制物料手爪；三个两位五通单控电磁阀控制功能为：电磁阀e控制金属物料分类推杆动作、电磁阀f控制白色物料分类推杆动作、电磁阀g控制黑色物料分类推杆。4.2气缸的使用4.2.1气缸的选择气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术〞，由于其元器件性能的不断提高，生产本钱的不断降低，被广泛应用于现代化工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。据统计：在工业兴旺国家中，全部自动化流程中约有30﹪装有气动系统，有90﹪的包装机械，70﹪的铸造、焊接设备，50﹪的自动操机、40﹪的锻造设备和洗衣设备、30﹪的采煤机械，20﹪的纺织机械、制鞋业、木材加工、食品机械，43﹪的工业机器人装有气压系统。日、美、德等国的气动元件销售平均每年增长超过10-15﹪。许多工业兴旺国家的气动元件产值已接近液压元件的产值，且仍以较大速度开展，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要使用工具。4.3分拣机械手系统设计气动系统图图4-1气动系统原理图图解：空气压缩机是产生压缩空气的气压发生装置，是气源主要的设备，本设计选用容积型压缩机；储气罐可以调节气流，减少输出气流的脉动，使输出气流连续和气压稳定，也可以作为应急气源使用，还可以进一步别离油水杂质；调速阀是根据“流量负反响〞原理设计而成的单路流量阀，调速阀一般用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中；消声器是降低排气噪声的装置；单向阀是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀，是最简单的单向型方向阀；电磁换向阀是利用电磁铁吸力推动阀芯来改变阀的工作位置，由于它操作轻便，易于实现自动化，因此应用广泛；气缸是气动执行元件之一。4.3.1气动回路工作原理〔1〕水平气缸的伸出电磁阀Y1得电，阀a的阀芯左移，气缸A执行伸出的命令；电磁阀Y4得电，阀a的阀芯右移，气缸A执行缩回的命令。〔2〕机械手臂的升降电磁阀Y2得电，阀b的阀芯右移，气缸B执行伸出命令，机械手臂上升；电磁阀Y5得电，阀b的阀芯左移，气缸B执行缩回命令，机械手臂下降。〔3〕机械手臂旋转电磁阀Y3得电，阀c的阀芯左移，气缸C执行左旋命令，机械手左旋；电磁阀Y6得电，阀c的阀芯右移，气缸C执行右旋命令，机械手右旋。〔4〕物料抓取电磁阀Y7得电，阀d的阀芯右移，气缸D执行伸出命令，气缸通过机械传动使机械手抓取物料；电磁阀Y7失电，阀d的阀芯左移，气缸D执行缩回命令，通过机械传动使机械手放下物料。〔5〕金属物料分类电磁阀Y14得电，气缸E执行伸出的命令，推金属物料杆伸出，将物料推入金属分类物料槽；电磁阀Y14失电，气缸E执行缩回的命令，推金属物料杆缩回。〔6〕白色物料分类电磁阀Y15得电，气缸F执行伸出命令，推白色物料杆伸出，将物料推入白色分类物料槽；电磁阀Y15失电，气缸F执行缩回命令，推白色物料杆缩回。〔7〕黑色物料分类电磁阀Y16得电，气缸G执行伸出命令，推黑色物料杆伸出，将物料推入黑色分类物料槽；电磁阀Y16失电，气缸G执行缩回命令，推白色物料杆缩回。4.4传感器的使用4.4.1传感器简介传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。根据本设计的要求需要对位置检测装置、视觉传感器、金属传感器进行选用。位置检测装置检测机械手动作是否到位，金属传感器、视觉传感器是为了完成系统对金属、白色、黑色物料的识别。〔另见第二章、第五章〕位置检测装置在本设计中〔图3.2〕，机械手左旋/右旋A〔1,2〕，前伸/缩回B〔3,4〕，上升/下降D〔7,8〕，机械手爪抓紧/放松C〔5,6〕等动作时有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置是行程开关。行程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。本设计中以上动作采用直线接触式行程开关检测机械手动作是否到位，当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。机械手抓料平台上使用一个光电传感器〔接近开关〕检测是否有工件到达抓料平台。4.4.2视觉传感器机械手视觉的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能够对不同的物体进行识别，本机械手采用颜色传感器，根据不同物料有不同的颜色，可以针对一种颜色的物料进行拣出。目前，用于颜色识别的传感器有两种根本类型：〔1〕色标传感器，它使用一个白炽灯光源或单色LED光源；〔2〕颜色传感器，它检测物体的对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。这类装置许多是温反射型、光束型、光纤型的，封装在各种金属和聚碳酸脂外壳中。典型的输出有：NPN和PNP、继电器和模拟输出。1、颜色传感器的类型比拟:(1)光到光电流转换器光到光电流转换器由光电二极管或具有色彩滤波器的光电二极管组成，将光转换成光电流。可以使用外部电路，将光电流转换成一定比例的电压输出，然后可以通过模拟数字转换器将电压转换成数字格式，输送到微控制器中。优点：设计灵活。可以针对各个应用订制放大器的增益和带宽及模拟数字转换器的速度和分辨率。缺点：增加了组装本钱，提高了设计复杂程度，光到光电流转换器适合要求响应时间短、定制增益和速度调节及在光线变化条件下工作的应用。(2)光到模拟电压转换器光到模拟电压转换器由搭配色彩滤波器的光电二极管阵列组成，并整合一个跨阻抗放大器。要求使用外部电路，将模拟电压转换成数字输出，然后才能输送到数字信号处理器。优点：简化外设电路设计，改善空间利用效率，降低组装本钱。缺点：响应时间预先由内置电流到电压转换器确定，如跨阻抗放大器，要求额外的模拟数字转换器，将电压输出转换成数字格式，光到模拟电压转换器适合要求设计周期较短、产品开发周期更快、光线条件和空间利用率设计精良的应用。(3)光到数字电压转换器光到数字电压转换器由搭配RGB滤波器的光电二极管阵列、模似数字转换器及用于通信和灵敏度控制的数字核心组成。输出允许直接接口微控制器或其它逻辑控制通路，如2线串行接口，以进一步处理信号，而不需额外的器件。优点：提供抗噪声干扰能力，简化外围电路设计，改善空间利用率，降低组装本钱。缺点：只通过2线串行接口模块提供到微控制器或PC的直接接口，响应时间由内置模拟电路和数字电路预先确定，预先确定模拟数字转换分辨率，光到数字转换器适合要求抗噪声能力、缩短设计周期、加快产品开发周期及光线条件和空间利用率设计精良的应用。2、传感器选择根据前面的介绍和比拟，为了便于PCL控制程序的编写，利于经济效益，综合其各种情况，在本设计，选择白、黑颜色传感器着为识别物料颜色的装置，继电器输出方式，便于PLC控制系统的简单化，控制系统更容易实现。4.4.3金属传感器本设计中使用电感式接近开关，属于一种有开关量输出的位置传感器，由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流，涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化由此识别有无金属物体接近，进而控制开关的通断，且只能检测金属物体。4.5步进电机及驱动器的使用4.5.1步进电机及驱动器的介绍1.步进电机局部步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度〔即步进角〕。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而到达调速的目的。步进电机分三种：永磁式〔PM〕，反响式〔VR〕和混合式〔HB〕永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反响式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等兴旺国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反响式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。现在比拟常用的步进电机包括反响式步进电机〔VR〕、永磁式步进电机〔PM〕、混合式步进电机〔HB〕和单相式步进电机等。2．步进电机驱动器介绍步进电机是一种作为控制用的特种电机,它的旋转是以固定的角度(称为"步距角")一步一步运行的,其特点是没有积累误差(精度为100%),所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动,这种装置就是步进电机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移,或者说:控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的；步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8°；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18°这就是细分的根本概念。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生，与电机无关。驱动器细分后的主要优点为：完全消除了电机的低频振荡。低频振荡是步进电机〔尤其是反响式电机〕的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果步进电机有时要在共振区工作〔如走圆弧〕，选择细分驱动器是唯一的选择。提高了电机的输出转矩。尤其是对三相反响式电机，其力矩比不细分时提高约30-40%。提高了电机的分辨率。由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，‘提高电机的分辨率‘是不言而喻的。4.5.2步进电机在分拣机械手设计中的应用步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的开展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。在本设计中，步进电机主要依托步进电机驱动器驱动，从而带动传送带运行。控制方式为开环控制。步进电机驱动器只要能够实现正转启动和停止。接线如图4-3所示以及程序如图4-4所示，设步进电机驱动器可实现1、2、4、8、16、32、64细分〔其中：1时为整步，2为半步〕本设计采用64细分，驱动器向步进电机发64个脉冲，步进电机走一步。电机每走一步为1.8°，一圈为360°，所以驱动器向步进电机每发送64*200个脉冲，步进电机旋转1圈。可调速脉冲输出指令“DPLSR〞可控制步进电机按升降速方式运行，其使用方法如下：X10S1S2S3DDPLSR工作频率〔HZ〕总脉冲数〔PLS〕升降速时间〔ms〕Y0或Y1其中：S1的设定范围为：10—20000HZ；S2的设定范围为：110—2，147，483，647PLS〔因为DPLSRX10S1S2S3DDPLSR工作频率〔HZ〕总脉冲数〔PLS〕升降速时间〔ms〕Y0或Y1图4-3步进电机接线图步进电机驱动器上的驱动程序图4-4步进电机程序控制当X1的常开触点接通后，辅助继电器M2通电，驱动器向步进电机发送频率为500HZ的12800个脉冲，线圈Y1和Y2通电，步进电机正转。当X2的常开触点接通后，辅助继电器M1、M2通电，此时M1的常闭触点变为常开触点，驱动器向步进电机发送脉冲，线圈Y1通电而线圈Y2断电，电机反转。第五章PLC对物料分拣机械手系统的控制5.1I/O分配、接线图、流程图5.1.1机械手系统流程图图5-1系统流程图上图中机械手臂局部如图5-2所示图5-2机械手臂流程图5.1.2I/O分配、接线图1、I/O分配表输入名称输入名称输出名称备注X0启动X12白检气缸伸出Y0圆盘输入KM1X1停止X13白检气缸缩回Y1悬臂气缸缩回X2急停X14黑检气缸伸出Y2手臂气缸上升X3圆盘出料检测X15黑检气缸缩回Y3旋转气缸往右X4传送带进料检测X16悬臂伸出限位Y4悬臂气缸伸出X5金属检测关电X17悬臂缩回限位Y5手臂气缸下降X6白色检测开关X20手臂上升限位Y6旋转气缸往左X7黑色检测开关X21手臂下降限位Y7加紧气缸电磁阀X10金检气缸伸出X22左转限位Y10步进电机脉冲输入X11金检气缸缩回X23右转限位Y11步进电机方向输入Y17报警Y141槽气缸推进Y152槽气缸推进Y163槽气缸推进图5-3I/0分配图2、I/O接线图图5-4I/0接线图5.2程序局部5.2.1梯形图图5-5梯形图图5-6梯形图5.2.2指令表图5-7指令表图5-8指令表图5-9指令表5.3相关电气设备的选择名称型号数量备注PlcFX2N-48MT1点晶体管输出直流电机82ZYT1带动圆盘步进电机42J1834-8101带动传送带步进电机驱动器ASD860F1磁感线CS-30E、CS-9D、CS-15T12光电开关SB03-1K2单杆气缸SBA-10×45-SA27DC24V电源AC220v-DC24v电源1空气开关1电磁阀4V110-06、4V120-067色标传感器KT3W-N11162检测白、黑色物电容式传感器E2K-X8ME11检测金属物体万用表1图5-10元器件的选择第六章总结与展望机械手的出现延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。随着科学技术的开展和PLC在工业生产过程中的广泛应用，机械手技术方面的研究不断得到创新，促使成果不断涌现。本论文的设计主要取得了以下成果：(1)对物料分拣机械手的结构形式、驱动装置、控制系统等各组成局部进行了较为全面的分析，最后得出其总体设计方案。(2)气动驱动系统是强的非线性系统，其根本原因是空气