基于YL235A的机械手分拣生产线设计(毕业设计)保你通过

基于YL-235A设备的工件分拣生产线设
计
本文的设计任务就是设计一条能够自动对于金属与非金属、黑色以及非黑色工件进行识别，并且将这些工件进行分拣堆放的自动生产线。

执行系统与电控系统组成了生产线。

PLC自从问世以来就在自动控制各个行业发挥着难以取代的核心控制作用。

PLC 运行可靠，适用于各种恶劣的工业环境，PLC和工控机（IPC）相比，其运行可靠、可扩展性好、便于电气连接、控制更专业，但是工控机良好的人机界面，方便高级语言都是PLC所不能比拟的。

组态软件在很多场合应用于控制，可整个控制的中心往往还是PLC，组态软件（上位机）所起的控制作用很小。

人机界面一般用于简单的动作控制，工艺参数的编制，配方的设定等等，虽然在概念上属于控制范畴，但它并未真正起到核心控制作用，因为真正长期的自动运行控制是由PLC完成。

我们不经常使用工控机作为核心控制部分的原因有两点：第一，工控机不适于在很恶略的环境下运行；第二，工控机经常采用的Windows系统并不能够让人放心，其长期运行效果并不好。

尽管PLC、IPC在自动化控制中扮演不同角色，在许多运行连续时间较短，环境相对比较好的地方，人们还是希望使用IPC进行核心控制。

使用IPC进行核心控制有很多种实现方式，当然其中最为简单的办法就是使用组态软件。

在工厂和企业里面PLC一直是实现自动化的有效方式，而且目前国内真正懂得PLC的人才太少，希望针对本次实训对我们自动化的人大有裨益！
1 工件分拣生产线的工作流程及工作原理
本次毕业设计项目亚龙YL-235A工件分拣生产线设计主要包含了电气自动化专业学习中所涉及的诸如电机驱动、机械传动、气动、触摸屏控制、可编程控制器、传感器，变频调速等多项技术，为我们提供了一个典型的综合设计环境，使学生对过去学过的诸多单科的专业和基础知识，在这里能得到全面的认识与巩固、综合的训练和实际运用。

亚龙YL-235A型光机电一体化实训考核装置既包含了机电一体化专业所涉及的基础知识、专业知识和基本的机电技能要求，也体现了当前先进技术在生产实际中的应用。

同时为我们提供了一个典型的、可进行综合训练的工程环境，为我们构建了一个可充分发挥学生潜能和创造力的实践平台
1.1工作流程
图1 工作流程图
1.2工作原理
在触摸屏上按启动按扭后，装置进行复位过程，当装置复位到位后，由PLC启动送料电机驱动放料盘旋转，物料由送料盘滑到物料检测位置，物料检测光电传感器检测；如果送料电机运行若干秒钟后，物料检测光电传感器仍未检测到物料，则说明送料机构已经无物料或故障，这时要停机并报警；当物料检测光电传感器检测到有物料，将给PLC发出信号,由PLC驱动机械手臂伸出手爪下降抓物，然后手爪提升臂缩回，手臂向右旋转到右限位，手臂伸出，手爪下降，将物料放到传送带上，落料口的物料检测传感器检测到物料后启动传送带输送物料，同时机械手按原来位置返回，进
行下一个流程；传感器则根据物料的材料特性、颜色等特性进行辨别，分别由PLC 控制相应电磁阀使气缸动作，对物料进行分拣。

1.3 YL235A器材简介
YL235A的准备器材由:实训控制台一台（电源模块、按钮模块、PLC模块、变频器模块、警示灯），电工常用工具一套，计算机一台，连接导线若干，机械手模拟显示模块一块，传送带和物料槽、变频器、电机构成。

电源模块：三相电源总开关（带漏电和短路保护）、熔断器。

单相电源插座用于模块电源连接和给外部设备提供电源，模块之间电源连接采用安全导线方式
连接。

图2 电源模块
按钮模块：提供了多种不同功能的按钮和指示灯（DC24V），急停按钮、转换开关、蜂鸣器。

所有接口采用安全插连接。

内置开关电源（24V/6A一组，
12V/2A一组，）为外部设备工作提供电源。

图3 按钮模块
PLC模块：采用西门子S7-200CN系列数字量输出模块EM222 输出，所有接口采用安全插连接。

图4 PLC模块
变频器模块：三菱E540-0.75KW 控制传送带电机转动，所有接口采用安全插连接。

图5 变频器
警示灯：共有绿色和红色两种颜色。

引出线五根，其中并在一起的两根粗线是电源线（红线接“+24”，黑红双色线接“GND”），其余三根是信号控制线（棕
色线为控制信号公共端，如果将控制信号线中的红色线和棕色线接通，则
红灯闪烁，将控制信号线中的绿色线和棕色线接通，则绿灯闪烁）。

图6 警示灯
2 课题控制要求及意外情况处理
工件分拣设备能自动完成金属工件、黑色塑料工件与白色塑料工件的传送、分拣与包装任务。

图 设备控制流程图
2.1课题控制要求
图5 工件分拣概况图 清理模式
清查模式
运行模式HL2蜂鸣器SB1
SB2
按下
按下
按下
按下
按下
按下
按下按下同时按下
2.1.1 初始状态
通电后，红色警示灯闪亮，提示工件分拣设备送电。

此时，设备的相关部件应为初始状态。

相关部件的初始状态为：
⑴供料盘的拨杆停止转动。

⑵机械手停止在左限止位置，气爪松开，手臂气缸和悬臂气缸活塞杆缩回。

⑶传送带停止运行，分拣气缸A、B、C的活塞杆全部缩回复位。

⑷急停按钮处于复位位置（常开触点断开、常闭触点闭合）。

2.1.2启动
在设备相关部件为初始状态的情况下，才能按下启动按钮SB5使设备进入运行，红色警示灯灭，绿色警示灯闪亮。

如图所示
图运行启动
2.1.3 送料
按下启动按钮SB5后，若物料盘上的出口传感器检测无物料，则送料电动机开启，驱动物料盘旋转送料，当出料口传感器检测到物料后停止送料；如果送料电动机运行20秒后，出料口传感器仍没检测到物料，则停止送料，红色警示灯闪亮，报警器报警，直到按下复位按钮才停止报警，并重新开始。

图31 物料传送机构
1－磁性开关D-C73 2－传送机构 3－落料口传感器 4－落料口 5－料槽6－电感式传感器 7－光纤传感器 8－过滤调压阀 9－节流阀10－三相异步电机 11－光纤放大器 12－推料气缸
落料口传感器：检测是否有物料到传送带上，并给PLC一个输入信号。

落料孔：物料落料位置定位。

料槽：放置物料。

电感式传感器：检测金属材料，检测距离为3~5mm。

光纤传感器：用于检测不同颜色的物料，可通过调节光纤放大器来区分不同颜色的灵敏度。

三相异步电机：驱动传送带转动，由变频器控制。

推料气缸：将物料推入料槽，由电控气阀控制。

2.1.4 机械手搬送工件
图30 机械手搬运机构
1－旋转气缸 2－非标螺丝 3－气动手爪 4－手爪磁性开关Y59BLS 5
－提升气缸
6－磁性开关D-C73 7－节流阀 8－伸缩气缸 9－磁性开关D-Z73 10－左右限位传感器 11－缓冲阀 12－安装支架
手爪提升气缸：提升气缸采用双向电控气阀控制。

磁性传感器：用于气缸的位置检测。

检测气缸伸出和缩回是否到位，为此在前点和后点上各一个，当检测到气缸准确到位后将给PLC发出一个信号；（在
应用过程中棕色接PLC主机输入端，蓝色接输入的公共端）
手爪: 抓取和松开物料由双电控气阀控制，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，在控制过程中不允许两个线圈同时得电。

旋转气缸：机械手臂的正反转，由双电控气阀控制。

接近传感器：机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出。

（在应用过程中棕色线接直流24V电源“+”、蓝色线接直流24V电源“-”、黑色线
接PLC主机的输入端）
双杆气缸：机械手臂伸出、缩回，由电控气阀控制。

气缸上装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置。

当出料口传感器检测到物料且机械手和各气缸活塞杆的位置正确时，按下启动按钮，机械手开始搬物加工。

机械手悬臂伸出——下降——夹紧物料，夹紧1秒后——上升——缩回——右转——伸出——下降——放物，延时1秒后——上升——缩回——左转至左侧极限位置停止，等待传送带上的工件分拣完成后再进行下一次搬物。

图4机械手控制流程图
2.1.5 工件的分拣
通过皮带输送机位置Ⅱ的进料口到达传送带上的工件，按下面的方式分拣：
进料口放入工件后，传送带启动。

放入传送带上金属、白色塑料或黑色塑料中每种工件的第一个，由位置Ⅲ的气缸A推入出料斜槽D；每种工件第二个由位置Ⅳ的气缸B推入出料斜槽E；每种工件第二个以后的则由位置Ⅴ的气缸C推入出料斜槽F。

每次将工件推入斜槽，气缸活塞杆缩回后，机械手再进行搬运下一个工件。

推料时，传送带要先停止。

当出料斜槽D和E中各有1个金属、白色塑料和黑色塑料工件时，设备停止运行，绿色警示灯灭，红色警示灯闪亮，报警器报警2秒，等待下一轮的工作。

2.1.6 设备的停止
需要停止工作，按下停止按钮SB6。

按下停止按钮SB6时，所有正在工作的部件，应完成当前工件分拣成功后，设备才能停止运行，绿色警示灯灭，红色警示灯闪亮。

再次启动时，设备继续运行。

2.2工件分拣设备的意外情况处理
机械手在夹持工件时可能会出现意外，请对这种情况作出下述处理与保护：
由于位置Ⅰ的机械手取件平台的工件相互挤压，使机械手气爪夹持不到工件就提升。

发生此种情况时，机械手应立刻回到初始状态并停止，同时蜂鸣器发出鸣叫声。

当出现这种情况，蜂鸣器发出鸣叫后，工作人员应按下急停按钮QS使设备停止运行。

QS按下后，蜂鸣器停止发声。

当故障排除后，作人员将QS复位，设备将在停止时保持的状态上继续运行。

调试问题与解决：1、PLC I/O设置错误。

解决：重新设置修改I/O。

2、PLC上电不运行。

解决：没有将PLC开关档位调到RUN位置，调到RUN位置运行。

触摸屏点击按钮没有反应。

3、触摸屏点击按钮没有反应。

解决：设置变量错误，重新修改变量。

4、触摸屏程序无法下载。

解决：设置通讯接口错误，重新修改后正常可下载。

5、通电后元器件不动作。

解决：气源没有打开，打开后正常。

3.工件分拣生产线硬件设计
3.1机械部分硬件设计
工业机械手是工业生产发展中的必然产物。

它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。

这种新颖技术装备的出现和应用，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用，因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。

工业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构型式亦各不相同，技术复杂程度也有很大差别。

但它们都有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地、重复循环地进行工作。

此外，还有些非自动化的装备，具有与人体上肢类似的部分动作，结构上与工业机械手是一致的，亦可归属于工业机械手的范畴。

例如，早期就有一种由人直接用绳索牵引进行操作的随动机械手和近期发展起来的由人工进行操纵的机械手（如平衡吊），以及一些就近按钮控制或遥控的非全自动的单循环的机械手等。

机械手的总体设计要进行全面综合考虑，尽可能使之做到结构简单、紧凑、容易操作、安全可靠、安装维修方便、经济性好。

机械手在工业生产中的应用，几乎遍及各行各业。

图9 工件分拣概况图
3.1.1工件分拣传送装置的设计
工件分拣传送装置的配置及功能：（1）落料口传感器的功能有检测是否有物料到传送带上，并给PLC一个输入信号。

（2）落料孔的功能有物料落料位置定位。

（3）
料槽的功能是放置物料。

（4）电感式传感器是检测金属材料，检测距离为3~5mm。

（5）光纤传感器是用于检测不同颜色的物料，可通过调节光纤放大器来区分不同颜色的灵敏度。

（6）三相异步电机是驱动传送带转动，由变频器控制。

（7）推料气缸是将物料推入料槽，由电控气阀控制。

图18传送带
3.1.2机械手装置的设计
整个搬运机构能完成四个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪松紧。

（1）手爪提升气缸是提升气缸采用双向电控气阀控制。

（2）磁性传感器是用于气缸的位置检测。

检测气缸伸出和缩回是否到位，为此在前点和后点上各一个，当检测到气缸准确到位后将给PLC发出一个信号；（在应用过程中棕色接PLC主机输入端，蓝色接输入的公共端）（3）手爪是抓取和松开物料由双电控气阀控制，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，在控制过程中不允许两个线圈同时得电。

（4）旋转气缸是机械手臂的正反转，由双电控气阀控制。

（5）接近传感器是机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出。

（在应用过程中棕色线接直流24V电
源“+”、蓝色线接直流24V电源“-”、黑色线接PLC主机的输入端）（6）伸缩气缸是机械手臂伸出、缩回，由电控气阀控制。

气缸上装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置。

（7）缓冲器是旋转气缸高速正转和反转时，起缓冲减速作用。

3.1.3气动装置设计
本装置气动主要分为两部分：一、气动执行元件部分有单出杆气缸、单出双杆气缸、旋转气缸、气动手爪。

二、气动控制元件部分有单控电磁换向阀、双控电磁换向阀、节流阀、磁性限位传感器。

当压缩空气从A管嘴进入气动执行器时，气体推动双活塞向两端(缸盖端)直线运动，活塞上的齿条带动旋转轴上的齿轮逆时针方向转动90度，阀门即被打开。

此时气动执行阀两端的气体随B管嘴排出。

反之，当压缩空气从B官嘴进入气动执行器的两端时，气体推动双塞向中间直线运动，活塞上的齿条带动旋转轴上的齿轮顺时针方向转动90度，阀门即被关闭。

此时气动执行器中间的气体随A管嘴排出。

以上为标准型的传动原理。

根据用户需求，气动执行器可装置成与标准型相反的传动原理，即选准轴顺时针方向转动为开启阀门，逆时针方向转动为关闭阀门。

单作用(弹簧复位型)气动执行器A管嘴为进气口，B管嘴为排气孔(B管嘴应安装消声器)。

A管嘴进气为开启阀门，断气时靠弹簧力关闭阀门
图6气路原理图
按下按钮SB4，选择指示灯组为“2”状态，指示灯HL6常亮、HL4与HL5熄灭，即为气缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的调试。

然后按下按钮SB5，气缸Ⅰ活塞杆伸出、按下按钮SB6，气缸Ⅰ活塞杆缩回。

再按下按钮SB5，气缸Ⅱ活塞杆伸出，按下按钮SB6，气
缸Ⅱ活塞杆缩回。

再按下按钮SB5，气缸Ⅲ活塞杆伸出，按下按钮SB6，气缸Ⅲ活塞杆缩回。

3.2 电气部分硬件设计
图7 电气硬件结构图
3.2.1电路设置的设计
PLC大多采用成批输入/输出的周期扫描方式工作，按用户程序的先后次序逐条运行。

一个完整的周期可分为三个阶段：
①输入刷新阶段程序开始时，监控程序使机器以扫描方式逐个输入所有输入端口上的信号，并依次存入对应的输入映象寄存器
②程序处理阶段所有的输入端口采样结束后，即开始进行逻辑运算处理，根据用户输入的控制程序，从第一条开始，逐条加以执行，并将相应的逻辑运行结果，存入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。

③输出刷新阶段将输出元件映象寄存器的内容，从第一个输出端口开始，到最后一个结束，依次读入对应的输出锁存器，从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。

一般地，PLC的一个扫描周期约10ms，另外，可编程序控制器的输入/输出还有响应滞后（输入滤波约10ms），继电器机械滞后约10ms，所以，一个信号从输入到实际输出，大约有20--30ms的滞后。

表1电路的设置
3.2.2.变频器的设计
通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。

该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。

然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。

变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的n0，使电机运行曲线平行下移。

因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。

变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，应用了现代的科学技术，价格昂贵但性能良好，内部结构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种各样的功率、各种各样的外形、各种各样的体积、各种各样的用途等都有。

随着技术的发展，成本的降低，变频器一定还会得到更广泛的应用。

变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

图三菱变频器
①、三菱变频器参数设置的方法：
1、连续按压键，直至进入参数写入状态，此时LED显示为：Pr.0。

2、按压键，把参数调至Pr.340，开始调整Pr.340参数。

3、按压，LED显示Pr.340的初始值，按压键把Pr.340的值调整到2。

4、持续按压键，直至Pr.340呈闪亮状态，松开按键。

5、连续按压键，直至返回参数设定状态，LED显示为：Pr.0。

6、以相同的方法把Pr.79调整为1。

7、连续按压键，直至返回频率显示状态，LED显示为：0。

8、参数设置完成。

表2变频器参数设定值
序号参数号设置值说明
1 P0010 30
2 P0970 1 恢复出厂值
3 P0003 3 参数访问级别
4 P00040 参数过滤器
5 P0010 1 快速调试
6 P01000
7 P0304380 电动机的额定电压
3.2.3 PLC控制的设计
PLC实质是一种专用于工业控制的具有计算机特点的控制器。

按照物理结构，PLC 分为整体式和模块化。

整体式每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，所以人们一般倾向于在小型控制系统中采用整体式PLC。

但是模块化PLC的功能扩展方便灵活，I/点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数、特殊I/O模块的使用等方面的选择余地都比整体式PLC大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便。

因此，对于较复杂的和要求较高的系统一般应选用模块化PLC。

图7 电器连接图
在本设计中，由于输入/输出点数较多，为了便于以后的扩充，所以选择了模块化PLC结构。

在模块化PLC结构中，PLC由电源（PS）、中央处理器（CPU）、信号模板（SM）、功能模板（FM）、通信处理器（CP）等五种模块组成。

PLC机型的选择应是在满足控制要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比，并且性能与任务相适应。

对于小型单台、仅需要数字量控制的设备，一般的小型PLC（如西门子公司的S7-300系列、OMRON公司的CPM1/CPM2系列、三菱的FX系列等）都可以满足要求。

PLC是一种以微型处理器为基础的通用工业自动控制装置，它综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术，具有体积小、功能强、程序设计简单、维修方便、可靠性高等优点，特别适于在恶劣的工业环境中使用，被称为现代工业自动化的支柱之一。

自诊断检测PLC与编程器、计算机
等的通信请求
执
行
程
序
输
入
采
样
输
出
刷
新
结
果图8 PLC工作流程
3.2.4 触摸屏的设计
触摸屏（Touch panel) 又成为触控面板，是个可接入触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连接装置，可用以替代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。

图10 触摸屏外观
触摸屏的工作特点：
可靠性高，正面的防护等级为IP65。

通用性强，大多数HMI设备基于Windows CE操作系统。

接口丰富，可以连接各主要生产厂家的PLC。

是全集成自动化的一个重要组成部分，对不同的自动化系统具有开放性。

创新的HM I解决方案，例如移动面板和MP370的软PLC功能。

使用统一的组态软件WinCC fiexible对所有的操作员设备组态，支持多种语言，全球通用。

触摸屏是一种最直观的操作设备，只要用手指触摸屏幕上图形对象，计算机便会执行相应的操作。

人的行为和机器的行为变得简单、直接、自然，达到完美的统一。

为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。

工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。

触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。

人机界面硬件构成
人机界面软件构成
图10 人机界面工作原理图
4工件分拣生产线软件设计
图16 PLC运行模式图
4.1PLC工作流程设计
在PLC控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入PLC。

PLC经过运算、处理后，再将结果以数字量的形式输出，此时也要把该输出变换为适合于对生产过程进行控制的量。

所以，在PLC和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置。

这个装置就是输入/输出（I/O）模块。

不同的信号形式，需要不同类型的I/O模块。

不同的I/O模块，其电路和性能不同，它直接影响着PLC的应用范围和价格，应该根据实际情况合理选择。

在本设计的智能化厌氧环境发生实验系统中，需要与PLC连接的设备有电源、开关、指示灯、急停按钮、各种传感器（磁感应接近开关和气电转换开关）、继电器、电磁阀等设备。

输入模块的选择：在本设计中，实验系统中的输入设备如急停按钮、传感器等，它们都只有两种状态：通或断，对这类信号的拾取需要通过数字量输入模块来实现。

输入模块最常见的为24V直流输入，还有直流5V、12V、48V，交流115V/220V等。

在本设计中，传感器的电源供电24V直流，因此选择24V直流输入数字量模块。

其中，开关的作用是启动和停止该系统的运行；急停按钮的作用当系统发生紧急情况或遇故障无法排除时，按下该按钮，使设备能够立即停止运行，起到了防护作用。

当各个工位接收到“启动”的信号传输后，夹紧气缸和穿刺气缸开始工作。

每个工位夹紧气缸的松、紧限位和穿刺气缸的上、下限位的磁感应接近开关共有四个，总共十二个；在夹紧气缸和穿刺气缸的两个极限位置分别装有一个磁感应接近开关，磁。