大小球分拣系统

滁州职业技术学院机电系毕业设计
题目：大小球分拣控制系统系部：机电工程系
班级：机电一体化（2）班*名：**
学号： ***********
大小球分拣控制系统
摘要
大、小球分拣传送以其对人们生活的积极影响特别是在工业上的普遍应用不断被人们所认识，作为可操控机械，它能够部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循事先设定的步骤来完成工件的分拣传送，大大地节省了人类的劳动时间，更因其能适应复杂的环境，从而改善了人们的工作环境。

随着科技的不断发展，在工业领域其应用范围不断增加，并取得了一定的成果
在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。

在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本课题拟开发物料搬运机械手，采用OMRON公司的CPMIA-20CDR-A-V1系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。

用于分捡大小球的机械装置。

我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。

工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率和自动化水平。

工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁，单调的操作，如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的，有时候还要用行车员工件，生产速度大大延缓，这种情况采用机械手是很有效的。

此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。

更显其优越性，有着广阔的发展前
关键词：机械手、 PLC、大小球改善、自动化
致谢
毕业设计得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢指导老师，因为毕业设计是在冯巧红老师的悉心指导下完成的。

冯老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深深。

在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，毕业设计提纲的确定，中期毕业设计的修改，后期毕业设计格式调整等每一步都是在冯老师的悉心指导下完成的。

冯老师指引我的毕业设计的写作的方向和架构，并对本毕业设计初稿进行逐字批阅，指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，他循循善诱的教导和不拘一格的思路给了我无尽的启迪，他的严谨细致、一丝不苟的作风，将一直是我工作、学习中的榜样。

通过这次设计，使我了解了PLC机械手在大小球分拣中的工作原理，学习到机械手的原理及使用。

通过此次设计，使我发现自己还有很多不足，对PLC 的了解还不够，但自己在设计中培养了我综合运用理论知识与应用相结合的能力，真正做到了学有所用。

为了做好这次设计，我到阅览室查阅了许多资料，使我学到了许多课外知识。

还要感谢我的指导老师冯巧红老师，谢谢她的指导，使我能够及时发现错误改正错误，对一些不明白的地方，老师能够耐心讲解，如果没有老师的指导，我也不能顺利完成这次课设，所以非常感谢老师的帮组。

还有在平时，同学间互相帮组，共同解决课设中遇到的一些问题，培养了我们互帮互助的精神。

总之，在这次课设中我收获了很多，不仅学会了掌握PLC 系统的必要过程和基本要求而且学会了互相帮助，大家在课设的过程中收获了快乐和欣慰，非常感谢帮组了我的人
在整个的毕业设计写作中，老师、同学积极帮助我查资料和提供有利于毕业设计写作的建议和意见，在他们的帮助下，毕业设计得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个毕业设计。

另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是毕业设计得以完成的基础。

感谢所有给我帮助的老师和同学，谢谢你们！
目录
第一章可编程控制器的概述 (1)
1.1PLC的基本概念 (1)
1.2 PLC的历史与发展趋势 (1)
1.3 PLC的基本特点和分类 (2)
1.4PLC控制系统设计的基本原则和内容 (3)
1.5设计介绍 (4)
1.6控制要求 (4)
1.7 PLC的工作原理 (5)
第二章PLC在大小球分拣系统中的设计 (7)
2.1机械手分拣大小球按控制要求进行功能分析 (7)
2.2机械手分拣大小球控制系统的结构 (7)
2.3机械手分拣大小球控制系统的分析图 (8)
2.4机械手分拣大小球控制系统的I/O编址及工作框图 (9)
2.5机械手分拣大小球控制系统的设计思想 (9)
2.6机械手分拣大小球控制系统的电路图和液压图 (10)
2.7机械手分拣大小球控制控制系统的I/O接线图 (11)
第三章PLC分拣大小球系统的控制程序 (12)
3.1分拣大小球系统控制程序的流程图 (12)
3.2分拣大小球系统控制程序的梯形图 (13)
3.3分拣大小球系统控制语句表 (15)
第四章软件硬件调试 (16)
4.1程序调试 (17)
4.2使用说明 (17)
4.3设计总结 (17)
参考文献 (18)
第一章可编程控制器的概述
1.1 PLC的基本概念
可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC
PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。

为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC作了如下定义
“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。

用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。

一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。

”以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。

它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。

但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

1.2 PLC的历史与发展趋势
可编程控制器是进几年迅速发展并得广泛应用的新一代工业自动化控制装置。

早年的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制，因此被称为可编程顺序逻辑控制器（Programmable Logy Controller）.这时的PLC基本上是（硬）继电器控制装置的替代物，主要用于实现原先由继电器完成的顺序控制、定时、记数等功能。

国际电工委员会（IEC）与1987年2月在颁布的可编程控制器标准草案中将其一步定义为：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工
业环境应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。

20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨变。

美国、日本、德国等一些厂商先后开采用微处理器作为PLC的CPU，这样使PLC的功能大大的增强。

20世纪80年代，由于超大规模集成电路技术的发展微处理器价格大幅下跌，使得各种类型的PLC所采用的CPU的档次谱偏提高，一般采用16位和32位的CPU。

目前，世界上约有200家PLC生产厂家。

其中，美国的（Rockwell）、(GE)，德国的西门子（Siemens）,法国的施耐德（Schneider）, 日本的三菱，欧姆龙（Omron）还有我国江苏嘉华，他们从只有几十个点（I/O总点数）的微型PLC到上万个点的巨型PLC。

可以预见PLC将会是电气控制装置的主要控制元件。

由于工业生产对自动控制系统的多样性，今后几年的PLC技术将围绕如下几个方面发展。

1.进一步加快CPU的处理速度。

全面使用高速CPU芯片和24位、32位、64位RIST芯片；采用新型体系结构，工作方式使扫描和中断并存；各种模块自能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可以使速度达到ns级。

2.变革操作控制方式。

大量使用中断驱动方式，以增加对输入/输出（I/O）的快速反应能力。

3.发展自能化模块。

自能化模块主要有：通信模块、位置控制模块、数据处理模块与控制模块、数/模（D/A）转换模块、PID控制模块及一些自能化I/O模块。

4.进一步提高可靠性。

PLC将在硬件上采用多CPU的容错系统，软件上开发更加高级的诊断程序，以及发展软件的容错技术，增强PLC的自诊断和外部故障检测功能等。

在PLC线路中采用隔离技术防止外部高压的窜入；采用滤波技术，可以有效抑制高频干扰信号；还设置了“看门狗”电路，能把因干扰而飞走的程序拉回来，从而起到自动恢复作用
1.3 PLC的基本特点和分类
一、PLC的特点
PLC作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步，其领域从小到大，实现了单体设备控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越，今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用，主要特点有：可靠性高，抗干扰能力强，能适应工厂环境（1）编程简单、直观，可边学边用（2）适应性好，具有柔性（3）功能完善，接口多样（4）易于操作，维护方便（5）体积小、功能强大、用途广。

二、PLC的分类
PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在
较大的差异。

因此，PLC的分类并没有一个统一的标准，而是按结构形式、控制规、实现的功能大致地分类。

一、按结构形式分类PLC按硬件的结构形式可以分整体式和模块式。

1.整体式PLC 整体式PLC的 CPU、存储器、I/O 安装在同一机体内。

这种结构的特点是：结构简单、体积小、价格低。

适用于嵌入控制设备的内部，常用于单机控制。

2.模块式PLC 组合式PLC为总线结构。

其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽上可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能。

配置灵活、组装方便、扩展容易。

二、按I/O点数和功能分类 I/O的点数是衡量PLC 控制规模的重要参数。

因此，按控制规模可分为小型PLC、中型PLC和大型PLC. （1）微型PLC I/O点数小于64点（2）小型PLC I/O点数在64-256点之间。

（3）中型PLC I/O点数在256点—512点之间。

（4）大型PLC I/O点数在512—8192之间。

（5）超大型PLC 大于8192点三、按控制实现的功能分类按照PLC所能实现的功能不同，可以把PLC大致地分为低档PLC、中档PLC和高档PLC三类。

1.4 PLC控制系统设计的基本原则和内容
一、PLC控制系统设计基本原则
1.最大限度地满足被控制对象的控制要求
为明确控制任务和控制系统应有的功能，设计前应该到现场进行调查研究、搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员配合，共同拟定电气控制方案，协同解决实际中出现的问题。

2.明确控制系统安全可靠
电气控制系统的可靠性是首要的。

不安全可靠工作的电气控制系统，是不可能长期投入生产运行的。

尤其是在以提高产品质量，保证生产安全为目的的应用场合，必须将可靠性放在第一位，必要时应构成冗余系统。

3.力求控制系统简单
在满足控制要求和保证可靠工作的前提下，应力求控制系统简单。

只有构成简单的控制系统才具有经济性、实用性的特点，才能做到使用方便和维护容易。

4.留有适当的裕量
考虑到生产规模的扩大，生产工艺的改进，控制人物的增加，以及维护方便的需要，要充分利用可编程控制器易于扩展的特点，在选择PLC的容量，应留有适当的裕量。

二、PLC控制系统的设计基本内容
一个PLC控制系统由信号输入原件(如按钮、限位开关、传感器等)、输出执行元件（如电磁阀、接触器、电铃等）、显示器件和PLC构成。

因此，PLC控制系统的设计就包括这些器件的选取和连接等。

1.选取信号输出器件、输出执行器件、显示器等。

一个输出信号，进入PLC后在PLC内部可以多次重复使用，而且还可获得其常开、延时等各种形式的触点。

因此信号输入器件只要有一个触点即可。

输出器件应该尽量选取相同的电源电压的器件，并且尽可能选取工作电流较小的器件。

显示器件尽量选取LED器件，其寿命较长，而且工作电流较小。

2.设计控制系统主回路。

应根据执行机构是否需要正反向动作是需要高低速度等要求，设计控制系统主回路。

3.选取PLC。

根据输入输出信号的数量，输入输出信号的空间分布情况，程序容量的大致情况，应有的特殊功能等，选则PLC。

4.进行I/O分配，绘制PLC控制系统硬件接线图。

5.程序设计及模拟调试。

设计PLC控制程序，并利用输入信号开关进行模拟调试，检查硬件设计是否完整、正确，软件是否满足工艺要求。

6.设计控制柜。

在控制柜中强电和弱电控制信号应该尽可能进行隔离和屏蔽，防止强电磁干扰影响PLC的正常运行。

7.编制技术文件，包括电器原理图，软件清单、使用说明书、原件明细表等。

1.5设计介绍
可编程控制器有较高的可靠性和叫较高的灵活性，该程设计主要对PLC程序的结构、特点、各器件的性能以及对被控对象的控制过程进行具体研究，并通过PLC来实现对大小球分拣系统的控制，随着PLC功能的不断提高和完善，PLC 几乎可以完成工业控制领域的所有任务，应用PLC控制系统是为了实现被控对象提出的各项性能指标和工艺要求，最大限度的提高劳动生产率，保证产品质量，减轻劳动强度和危害程度，提高自动化水平。

在本课程设计中对于一些原来用继电接触器线路不易实现的要求，使用PLC后，将很容易实现。

在满足控制要求前提下，采用多种控制模式来对被控对象进行安全可靠的控制操作，使功能更加全面，其中包括手动控制，自动控制模式，使其操作性更强，便于企业各类人员操作，另外，该系统的手动控制模式，也使生产设备的检测和维护更加方便。

1.6控制要求
1、当系统开机运行后，自动检测分捡杆是否在原始位置（电磁铁Y4
失电、SQ1和SQ4压合）。

若不在原始位置，则自动调整到原始位置。

2、分捡杆必须位于原始位置时系统才能启动，启动后的工作流程如图所示。

3、磁铁下降碰球过程时间为2s，大球还是小球由SQ5的状态判定。

考虑到工作的可靠性，规定磁铁吸牢和释放铁球的时间为1s。

4、分捡杆的垂直运动和横向运动不能同时进行。

1.7 PLC的工作原理
可编程控制器的工作原理：可编程控制全球采用“循环扫描”的工作方式。

1．每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。

2．输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。

只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

5．扫描周期的长短由三条决定。

（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。

6．由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

可编程控制器采用循环扫描方式，这个过程分为公共处理扫描阶段、输入采样阶段、执行用户扫程序描阶段、输出刷新扫描阶段四个扫描阶段。

整个过程进行一次所需要的时间称为一个扫描周期。

(一)公共处理扫描阶段
公共处理阶段包括PLC自检、执行来自外设命令、对警戒时钟（又称为监视定时器或看门狗定时器WDT）清零等。

采样WDT系统也是提高系统可靠性的一个有效措施，它是在PLC内部设置一个监视定时器。

这是一个硬件时钟，是为了监视PLC的每次扫描时间而设置的，对它预先设定好规定时间，每个扫描周期都要监视扫描时间是否超过规定值。

如果程序运行正常，则在每次扫描周期的公共处理阶段对WDT进行清零（复位）,避免由于PLC在执行程序的过程中进入死循环，或者由于PLC执行非与性的程序而造成系统故障，从而导致系统瘫痪。

如果程序运行失常进入死循环，则WDT不能按时清零而造成超时溢出，从而给出报警信号或停止PLC工作。

(二) 输入采样扫描阶段
在这个阶段中，PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，不论摄入端子上是否接线，CPU顺序读取全部输入端信号，将采集到的一批输入信号写入输入映像寄存器中。

在当期那的什么周期没，用户程序依据输入信号的状态(ON或OFF)，均从输入映像寄存器中去读取，而不管此时外部输入采样阶段去读取，而不管此时外部输入信号的状态是否变化。

即使此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在下一个个什么周期的输入采样阶段去读取，对于这种采集输入信号的批处理一般工程应用可忽略，所以认为这些采集到的信息是同时的。

(三) 执行用户程序扫描阶段
这是第二个程序集中批处理过程。

在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描。

如果程序用梯形图表示，则是按先上后下、从左到右的顺序进行扫描。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

(四) 输出刷新扫描阶段
当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载，在输出刷新阶段结束后，CPU进入下一个扫描周期。

第二章PLC在大小球分拣系统中的设计
2.1机械手分拣大小球按控制要求进行功能分析
机械手分拣大小球的控制功能要求为：
1. 原位：机械手原始状态为左上角原位处，即上限开关SQ4及左限开关
SQ1压合，这时原位灯亮，表示准备就绪。

2.当按下启动按钮0001后，机械手下降，经过2秒后，机械手一定会碰
到球：当压着大球时，下限开关SQ5断开；压着小球时，下限开关SQ5接通，此处延时1秒。

3.当机械手吸住球1秒后就提升，碰到上限开关SQ
4.和SQ1后就右行。

4.如果是小球，则右行到SQ2处；如果是大球，则右行到SQ3处。

5.当机械手下降，碰到下限开关SQ5时，将小球释放到小球容器中；如果
是大球，则释放到大球容器中。

6.释放后1秒机械手提升，碰到上限开关SQ4后，左行。

7.左行至碰到左限开关SQ1时，等待再次启动。

2.2机械手分拣大小球控制系统的结构
机械手分拣大小球的工作示意图如图（1）所示
SQ1左限位
左移Y0SQ2SQ3
2.3机械手分拣大小球控制系统的分析图
2.4机械手分拣大小球控制系统的I/O编址及工作框图
2.5机械手分拣大小球控制系统的设计思想
1.当输送机处于起始位置时，上限位开关和左限位开关被压下，原点灯亮。

若不是则自动调整到原始位置。

2.当启动装置后，分捡杆下行。

此时。

若碰到的是小球，则下限开关SQ5
接通状态；若碰到的是大球，则下限开关SQ5断开状态，磁铁下降碰球过程时间为2s，两秒后吸球。

3.1秒后磁铁吸起小球，捡球装置向上行，碰到上限位开关后，捡球装置
向右行；碰到右限位开关（小球的右限位开关）后，再向下行，碰到下限位开关后，将小球释放到小球箱里，1秒后返回到原位。

4.如果吸起的是大球，捡球装置右行碰到另一个右限位开关（大球的右限位开关）后，再向下行，碰到下限位开关后，将大球释放到小球箱里，1秒后返回到原位。

2.6机械手分拣大小球控制系统的电路图和液压图
2.7机械手分拣大小球控制控制系统的I/O接线图
根据系统总方框图和设计要求，选用OMRON-CPMIA-20CDR-A-V1型号，共有20点CPU，12个输入接线口和8个输出接线口。

基于PLC机械手分拣大小球控制系统的外部接线图如图下图所示。

SB1是点动开关，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5是限位开关，是外部输入设备。

机械手分拣大小球控制系统用SB1启动，按下启动按钮相应的设置就导通。

其中，输入采用的是汇点式，共接两个COM端子，电源由PLC内部电源提供。

0500、0501表示电动机正反转接触器线圈，0502、0503表示液压系统的电磁阀线圈，0504表示电磁铁的线圈，0505表示原位灯。

0500、0501、0502、0503、0504、0505共用两个COM端子，而输出共用一个电源。

根据I/O的通道分配，其I/O如图所示
第三章PLC分拣大小球系统的控制程序3.1分拣大小球系统控制程序的流程图
3.2分拣大小球系统控制程序的梯形图
3.3分拣大小球控制系统语句表
第四章软件硬件调试
4.1程序调试
一.基本指令顺序控制程序
1.将指令语句输入到TVT90学习机里。

2.对程序进行调试运行
3.记录程序调试的结果
二.基本指令与步进指令控制程序
1.将梯形图转换为指令语句输入到TVT90学习机里。

2.对程序进行调试运行。

启动按钮，观察机械手是否运行。

3.记录调试程序的结果。

三.基本指令、初始状态指令配合步进指令顺序控制程序
1.将控制程序输入到TVT90学习机。

2.对程序进行调式运行与基本指令顺序控制的相同。

3.记录调试程序的结果。

4.2使用说明
该设计采用多种控制模式来来实施对被控对象的控制，0000为启动、停止按钮，SQ1为左限行程开关，SQ2为小球右限行程开关，SQ4为上限行程开关，SQ5为下限行程开关，SQ3为大球右限行程开关。

4.3设计总结
通过本次课程设计，对我们以前的学习进行了一个验证。

本次设计中，主要用OMRON系列PLC机械臂在大小球分拣系统进行控制。

使我了
解了PLC机械臂在大小球分拣系统的工作原理，首次学习了一些机械臂的工作原理及使用方法。

其中电路及软件实现是此次设计的主要部分。

通过这次毕业设计，我更加看清了自己的不足之处。

通过查阅资料以及在老师和同学的帮助下，最终基本达到了设计目的。

在实践的基础上，不仅巩固了理论知识，也提高了将所学知识实际应用的能力，对PLC 有了新的认识。