基于PLC的物料分拣机械手自动化控制系统设计

韶关学院
毕业设计
题目：基于PLC的物料分拣机械手自动化控制系统设计
学生姓名：**
学号：***********
系（院）：物理与机电工程学院自动化系
专业：自动化专业
班级：2012级2班
指导教师姓名及职称：韩竺秦讲师
起止时间：2015年10 月—2016年 5 月
基于PLC的机械手分拣控制系统设计
摘要：在现今的生活上,科技日新月益的进展之下,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安全。

机械手臂的应用也将会越来越广泛,机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，作业的准确性和环境中完成作业的能力。

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。

结合近年来整个机械手的发展,并分析了机械手系统和机械手方面的设计，提出了用气动驱动和PLC控制设计方案。

考虑了软、硬件各自的特点，对物料分拣机械手的整体结构、驱动系统、执行结构和控制系统进行了分析和设计，我们可以采用整体化的设计思想并进行互补和优化。

在气动驱动和PLC控制设计方案中，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，分拣等功能。

我们很容易得出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。

通过以上部分的分析,得出了经济,实用,高可靠的材料分拣机械手设计方案,对于其他经济的PLC控制系统的设计也有一定的参考价值。

关键词: 机械手；触摸屏（HMI）；可编程控制器（PLC）；自动化控制；物料分拣
Automatic sorting line PLC control system design Abstract: In today's life, science and technology, the development of the new moon, the manipulator in the advanced manufacturing field plays an extremely important role, it can carry goods, sorting goods, can realize the mechanization and automation of production, can be used to protect the safety of human body, the application will be more and more widely.The application of mechanical arm is also more and more extensive. The machine is a kind of high-tech automatic production equipment which has been developed in recent decades. It is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy.
In this paper, based on the development of mechanical hand in recent years, combined with the design of the manipulator, the mechanical hand technology is analyzed, and the design scheme of pneumatic drive and PLC control is ing the holistic design idea, considering the characteristics of the software and the hardware, the software and the hardware are complementary and optimized.The whole structure, drive system, the structure and control system of the material sorting manipulator are analyzed and designed.In its drive system, the control system of the PLC control unit is used to complete the initialization of the system function, the movement of the manipulator, the fault alarm, the sorting and other functions.At last, a simple, easy to implement, and the theoretical significance of the control strategy is proposed.
Through the work above, it is concluded that the economic, practical, high reliable material sorting manipulator design scheme, the design of PLC control system in other economic type also certain reference value.
Keywords：manipulator ; touch screen (HMI);programmable logic controller (PLC); automatic control;sorting materials
目录
1 绪论 (1)
1.1机械手的简介 (1)
1.2课题选题意义及主要研究内容 (1)
1.2.1选题意义 (1)
1.2.2本课题的主要研究内容 (2)
2 控制方案设计 (2)
2.1控制方案选择 (2)
2.2 控制系统整体架构 (2)
2.3机械手自动分拣系统 (4)
3 系统硬件的选型 (6)
3.1 PLC种类及型号选择 (6)
3.2 机械手执行系统的分析与选择 (6)
3.2.1机械手执行机构坐标形式的选择 (6)
3.2.2机械手执行机构坐标形式的分析 (7)
3.3 机械手执行机构的组成 (7)
3.3.1手部的选择................................. 错误!未定义书签。

3.3.2手臂结构的选择 (7)
3.4 机械手的驱动系统的分析与选择 (8)
3.5 传感器的选择 (9)
3.5.1 位置检测装置 (9)
3.5.2光纤传感器 (9)
3.5.3电感式传感器 (10)
3.6气缸装置 (10)
3.7 触摸屏选择 (10)
3.7.1触摸屏特点 (10)
3.8变频器的选择 (11)
3.8.1 硬件准备和接线 (11)
3.8.2 可编程控制器的初始设定 (11)
3.8.3 变频器的初始设定 (11)
3.8.4 通讯用到的指令 (11)
4 控制系统设计 (12)
4.1 控制系统流程图 (12)
4.2 系统输入和输出点的I/O点数分配 (13)
4.3 PLC外部接线图 (15)
参考文献 (16)
致谢 (17)
附录 (18)
基于PLC的物料分拣机械手自动化控制系统设计
自动化专业2012级2班：陈浩
指导教师：韩竺秦讲师
1 绪论
在现今的科技的日新月益的进的展下, 在现今的科技日新月益的进展之下,机械手在先进技术领域中承担着重要一部分。

机械手不但可以搬运一些工件、分拣一些物品等，而且能够工作在一些人类标记为危险的地区,例如能够在高温区域工作,能在有毒的环境中工作,能在腐蚀的环境中工作，并且可以实现生产的自动化和机械化，因此，被广泛应用于冶金、电子、机械制造、原子能和轻工业等部门。

1.1机械手的简介
机械手作为一个尖端的产物取代一些传统的工业的设备是现在现今社会的必要工具,它可以根据各种自动化设备的工作需求或需要,来完成我们想要完成的任务，所以机械手在这个先进的领域中承担着很重要的一部分。

它能够工作在一些人类标记为危险的地区,例如能够在高温区域工作,能在有毒的环境中工作,能在腐蚀的环境中工作，并可以实现生产的自动化和机械化。

机械手是机器人的重要驱动部一件,其机械手的驱动装置所提供的安全性、高效性和平稳性都会直接影响机器人工作空间的轻量化要求、准确性和工作性能等，除此之外，机构尺寸也是关键之一。

1.2课题选题意义及主要研究内容
1.2.1选题意义
为了适应工业需一要，例如一些可变换生产品一种的中小批量自动化生产、单调重复某一种运动的工作、柔性生产线动作灵活多样等等，本论文研究PLC 对物料分拣机械手的操控，利用一些合适的传感器，使其机械手能够像人一样区分一些有颜色的物料或不同材质的物料把他们区分开来和像人一样灵活地把一些不同颜色或材料的区分在指定的位置上，机械手也可以普遍使用于一些柔性生产线。

有很多时候一些工作是作往复运动或旋转运动，人难免会出错，而机械手可以很好代替人来工作。

本次设计主要是控制机械手的系统、驱动机械手的系统、执行机械手的系统的设计和完成机械手的硬件部分与软件部分设计。

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在这种环境下，智能化的机械手获得快速的更新，智能化的机械手不仅能够可以实现一些我们要求的行动和动作，而且可以想人一样灵活地运动，最重要就是能够实现负反馈，也就是能够检测到环境的变化，自动地修改正确的运动参数和行动的规律。

1.2.2本课题的主要研究内容
智能化的机械手是未来机械手的发展趋势，希望在我国科研工作者的共同努力下，我国能在智能机械手领域取得优势地位，为工业化注入新的活力。

本论文首要研讨物料分拣机械手：智能化的机械手的控制系统的设计和执行系统的分析与选取，还有其驱动系统的分析与选取。

2 控制方案设计
2.1控制方案选择
一般的运动控制系统主要分为以下几类：
1、基于单一片机的运动控制系统
单片机（MCU）具有耗能低、一般的功能都能实现、价格便宜等优点，但是，一般的单片机（MCU）由于集成简单，功能不能很精密，很难实现日常生活中的一些要求，所以在一些大的工业上很少会用到单片机（CPU）作为他们的控制系统。

2、基于PLC的运动控制系统
可编程序控制器，也被称为可编程逻辑控制器(PLC)。

机械手控制系统在组成和功能上的合适拆分，不但把成本降低了，还会增加其通用性，而且会让机械手更合适一些特定的环境当中，对比单片机运动控制方案，可编程逻辑控制器(PLC)不但可以扩展输入/输出端口（I/O），它的通讯也能快速响应的能力，还有就是他的抗干扰能力比起单片机当然强大很多了。

为此本章采取PLC控制的方法。

2.2 控制系统整体架构
如图2.2所示，该系统以PLC为主控部件，是这个系统的核心部分，可编程逻辑控制器(PLC)的可拓展I/O口模块可以接受各种检测开关传送回来的信号，和实时地监控一些开关和一些传感器的工作状态。

触摸屏可为上位机，对整个系统的各个关键的参数进行设置、修正和记录。

2
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各部分的传感器是获取机械手的内部和外部的信息，如位置传感器可检测机械手的实时状况，检测一些位置开关工作状态也就是说监控机械手的所有动作是否到了该到的位置，其图如下。

图2.1 机械手分拣控制系统整体架构图
可编程
序
控
制器
光电传感器光纤传感器触摸屏电感传感器
接近开关气缸1
机械手
皮带电机
指示灯
气缸2
气缸3
图2.2 分拣系统示意图
其工作流程:
A按触摸屏“启动”按钮，组合的红灯熄灭，组合的绿灯闪烁，系统检测各个执行机构是否处于原点位置，原点位置满足，执行步骤B。

B传送带正转运行，触摸屏显示皮带运行速度。

将料盘上的物料推送至料仓出口物料检测位置。

物料检测传感器检测是否有料，若检测有料执行步骤C；
C机械手搬运物料。

机械手动作顺序如下：伸缩机械手臂伸出至前限位一一垂直机械手臂下降至下限位一一启动手指抓取物料一一垂直机械手臂上升至上限位一一伸缩机械手臂缩回至后限位一一旋转机械手臂右转至右限位一一伸缩机械手臂伸出至前限位一一垂直机械手臂下降至下限位一一气动手指释放物料。

执行步骤D。

D气动的手指释放物料后，落料口物料的检测传感器检测是否有料，同时机械手返回原点位置等待抓料。

返回顺序如下：垂直机械手臂上升至上限位一一伸缩机械手臂缩回至后限位一一旋转机械手臂左转至左限位。

若正在处理的物料未分拣完，即使检测到料仓出口处有料，机械手亦不动作。

若落料口检测传感器检测有料，则执行步骤E；
若落料口检测传感器检测无料，机械手处于原点位置等待，传送带停止运行。

此时若传感器检测有料，则皮带运行，将物料送入分拣。

执行步骤E。

E物料分拣。

传送带运行，传感器则按照物料的质料的颜色、性质等特征进行分辨，分别由PLC控制的电磁阀使气缸的动作，对物料进行分拣。

若金属传感器检测物料为金属材质，则A杆气缸动作，将物料推入储料装置。

若光传感器I检测物料为白色塑料工件，则B杆气缸动作；若光传感器II检测到物料为黑色塑料工件，则C杆气缸动作。

触摸屏显示工件的总数量以及各类型工件的数量。

气缸将不同的工件推入相应的储料装置中后，系统返回步骤B。

2.3机械手自动分拣系统
1、上电
系统上电后，组合警示红灯闪烁，提示的系统处于待机模式。

注：组合警示灯任何时候只有一个灯亮。

2、工作模式
生产线有三种操作模式：原点回归、手动操作、自动运行。

使用触摸屏进行操作。

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3、原点回归
故障停机、紧迫停机或设备检验更改后，各个执行机构或许没有在工作原点状态，故系统上电后必须实行原点回归运作。

“原点回归”工作，按触摸屏的“回原启动”按钮，各执行机构返回原点位置：
（1）旋转机械手臂左转至左限位
（2）垂直机械手臂上升至上限位
（3）伸缩机械手臂缩回至后限位
（4）气动手指张开
（5）各推料气缸活塞杆内缩至后限位
（6）转盘电机停止运行
（7）皮带停止传送
4、手动操作
“手动操作”模式，可在触摸屏上分别对各执行机构的运行的控制。

5、自动运行
选择“自动运行”工作模式。

A按触摸屏“启动”按钮，组合警示红灯熄灭，组合警示绿灯闪烁，系统检测各个执行机构是否处于原点位置，原点位置满足，执行步骤B。

B传送带正转运行，触摸屏显示皮带运行速度。

将料盘上的物料推送至料仓出口物料检测位置。

物料检测传感器检测是否有料，若检测有料执行步骤C；
C机械手搬运物料。

机械手动作顺序如下：伸缩机械手臂伸出至前限位——垂直机械手臂下降至下限位——启动手指抓取物料——垂直机械手臂上升至上限位——伸缩机械手臂缩回至后限位——旋转机械手臂右转至右限位——伸缩机械手臂伸出至前限位——垂直机械手臂下降至下限位——气动手指释放物料。

执行步骤D。

D气动手指释放物料后，落料口物料检测传感器检测是否有料，同时机械手返回原点位置等待抓料。

返回顺序如下：垂直机械手臂上升至上限位——伸缩机械手臂缩回至后限位——旋转机械手臂左转至左限位。

若正在处理的物料未分拣完，即使检测到料仓出口处有料，机械手亦不动作。

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若落料口检测传感器检测有料，则执行步骤E；
若落料口检测传感器检测无料，机械手处于原点位置等待，传送带停止运行。

此时若传感器检测有料，则皮带运行，将物料送入分拣。

执行步骤E。

E物料分拣。

若光传感器II检测到物料为黑色塑料工件，则C杆气缸动作。

触摸屏显示工件的总数量以及各类型工件的数量。

气缸将不同的工件推入相应的储料装置中后，系统返回步骤B。

注：金属传感器只能感应金属物料，光传感器I只能感应高亮度物料，光传感器II只能感应黑色物料。

6、停止与急停
系统处于“自动运行”模式下时，按下触摸屏“停止”按钮，若机械手和传送带处于输送物料状态中，则必须完成物料分拣操作过程后停止。

停止后，不管料仓出料口和皮带落料口是否有物料，生产线均不再动作。

此时组合警示绿灯熄灭，组合警示红灯闪烁。

在任何时刻，按下操作面板“急停”开关，系统立即停止在当前位置，组合警示红灯闪烁，同时蜂鸣器鸣叫报警。

松开“急停”，系统不自动开始运行，组合警示红灯闪烁，蜂鸣器停止报警。

3 系统硬件的选型
PLC作为控制系统当中的最重要一部分，现在已被应用得非常成熟的一种技术了。

3.1 PLC种类及型号选择
当前的市场上PLC类型比较多，如西门子、三菱、欧姆龙、施耐特等等200多家厂家，而PLC型号就有400多种。

他们各种型号各有优缺点，这里就不一一进行阐述。

本论文采用的PLC的类型是FX2N系列，它具有32个输入口和32个输出口，可以足够本次的系统要求并留有一定的空出的输入，输出点。

3.2 机械手执行系统的分析与选择
合适的执行机构可以大大地提高机械手的各种性能，所以下面就开始选取一些合适的执行机构。

3.2.1机械手执行机构坐标形式的选择
按照机械手的手臂运动形式的不同，现成的机械手的种类可以区分成4种:直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和多关节式。

根据不同的用途还在不断发展之中。

本论文简单的分析一下各模式的机械手对比：
1、直角坐标式机械手
机械手的工作地方成行布列或与运输带共同运用是适合直角坐标式机械手。

2、球坐标式机械手
球坐标式机械手是用途较广，多空间，多角度的控制的机械手，故球坐标式机械手可实现很多多角度的动作。

3、关节式机械手
关节式机械手是一种似于人的手臂运作的机能，故合适于接近机能运作传动模型。

4、圆柱坐标式机械手
圆柱坐标式机械手是采用很多的模型，它很合适运用在运输和丈量的工件。

圆柱坐标式机械手有四个基本动作：
（1）伸和缩；
（2）上和下；
（3）左和右；
（4）爪和夹。

3.2.2机械手执行机构坐标形式的分析
圆柱坐标式机械手能满足手臂的向前向后、来回转动、向上向下等动作。

圆柱坐标式机械手是采用很多的模型，它很合适运用在运输和丈量的工件，手臂的向前向后、来回转动、向上向下等动作满足本设计中机械手的动作要求，故决定使用圆柱坐标式机械手作为本次设计的机械手。

3.3 机械手执行机构的组成
机械手的执行系统由手部，臂部，支撑手臂的机械装置，机座等部分组成。

3.3.1手部的选择
手部是机械手直接抓或拿工具或货物的部件,它的作用是支撑手部和腕部，并驱动它们在空间运转。

对工件无损害、真空拥有构造简单、重量轻、使用简单而且对机械手的手抓的正常操作没有影响等优点，按照所设计机械手的要求，故选用了真空式吸盘。

3.3.2手臂结构的选择
机械手手臂的结构为直线运动，这通常是由驱动机构中使用的拉伸和起重运
动直油（气）缸驱动，并且基本上和导向装置构成。

驱动机构的直线运动，通常使用的机架，马达加斯加汽缸油，齿轮来实现的，而线性往气缸或复油缸，可区分为以下几种。

1、双作用单活塞杆油缸:
它是由机械手手臂的来回运动用得很多的一种手臂的结构。

其原理就是在有呀的作用下，使活塞进行来回运动。

2、双作用双活塞杆油缸：
当要求很大的行程，一般我们可以选用伸缩式双活塞杆油缸，不但满足行程要求，而且油缸的体积又小，美中不足是次行程有两种速度。

本论文中的机械手的手臂不要求特大的行程但要求来回的直线运动，经过各种各样的需求，选用缸体固定活塞杆运动的双作用单活塞杆气缸最为适合，主要其构造的简单和设计的便宜。

而导向装置机械手的手臂在运行伸或缩运作时，要求设有导向装置的配置，不仅可以提高行动的精度，还可以为防止手臂沿伸缩方向向中轴线转动，使其加大承载能力。

3.3.3 机座结构的选择
机座是机械手的基础部分，是支撑起机械手全部重量的构件，所以对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。

按照本机械手的设计要求机座在停下来时要求能够刹车定位，所以可采用可移动式的机座。

3.4 机械手的驱动系统的分析与选择
机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置，目前选用的大多数都是电气、液压、气压这三种驱动方式。

液压驱动：其不足就是工作时候声音较大，要求配有油源，价格较高，而且油液容易泄露，污染空气和环境；其好处就是可实现多次平稳的换向和变速，功率和质量比较大。

电气驱动：电气驱动主要是成本很贵，一般很少会用到这种驱动模式。

气压驱动：气压驱动这个模式最主要成本低，而且对环境无污染，稳定性强，另外，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，气动技术越来越成
熟，现在成为主流的一种技术了。

表3.4 各种控制方式的比较
项目气压传动液压传动电气传动机械传动系统结构简单复杂复杂较复杂
安装自由度大大中小
输出力稍大大小不太大
定位精度一般一般很高高
动作速度大稍大大小
响应速度慢快快中
清洁度清洁可能有污染清洁较清洁
维护简单比气动复杂需要专门的技术简单
价格一般稍高高一般
技术要求较低较高最高较低
控住自由度大大中小
危险性几乎无问题注意着火一般没问题无特殊问题
经过分析和对比，本论文采用的是气动驱动的模式。

3.5 传感器的选择
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。

本设计选择的开关主要用于检测工件的材质、颜色，以及检测各个气缸动作的位置。

下面主要介绍本系统涉及的接近开关类型。

3.5.1 位置检测装置
在本设计中，当机械手执行左旋/右旋，前伸/回缩，上升/下降等动作时，应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。

3.5.2光纤传感器
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展，它能够在人达不到的地方(如高温区或者对人有害的地区，如核辐射区)，起到人的耳目作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

3.5.3电感式传感器
电感式传感器相对于电容式电感器,虽然只能识别金属物质的工件，但是它具有体积小，定位精度高，抗干扰性能好等特点，普遍的利用于各种自动化生产线、机电一体化设备及石油、化工、科研等多种行业。

由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。

这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。

当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。

在本设计，选择（PR18-8N）电感式传感器着为识别工件的金属和非金属的装置，光纤传感器识别物料黑和白，便于PLC控制系统的简单化，控制系统更容易实现。

3.6气缸装置
气缸是一种可将压缩空气的能量转化成机械能的元器件，是应用非常普遍的气动执行部件。

气缸式的执行机构运作相对稳定，容易维修，控制比较简单，故该材料分拣系统执行机构选择气缸推动式[9]
3.7 触摸屏选择
MT4300是触摸屏（HMI）当中，最为稳定的一系列的产品。

该MT4300（HMI）采用了5.4尺寸和8:5的薄膜晶体管（TFT）液晶显示屏，具有更加清晰的显示效果。

3.7 触摸屏特点
如表3.7触摸屏特点
型号MT4300C
显示尺寸 5.6TFT(113.28*84.7mm)
分辨率320*234像素
显示色彩65536彩色
亮度300cd/m*2
背光灯LED
触摸屏4线精密电阻网络
液晶寿命50000小时
CPU 32-bit 400MHz RISC
存储器8M FLASH+16M SDRAM
RTC 256KB+实时时钟
打印端口DB15/串口
以太网不支持
程序下载1个USB SLAVE接口
通讯端口COM0:RS232/RS485-2/RS485-4,COM1:RS232/RS485-2/RS485-4,COM2:RS232
3.8变频器的选择
在功率较低机电控制系统中，可编程控制器（PLC）与变频器（xxxF）最为契合的通讯方法是，利用双绞线把变频器（xxxF）和可编程控制器（PLC）连接起来，采用Rs-485的串行通信的方式来实行通讯。

3.8.1 硬件准备和接线
PLC 选用 FX2N-64MR，PLC 通信件选用 FX2N-485-BD，变频器选用 FR-E540。

通信电缆选用10Base-t的电缆，终端的电阻和通讯接线的分配器。

变频器端接在PU接口上PLC 端接在FX2N-485-BD 接口中。

3.8.2 可编程控制器的初始设定
可编程控制器（PLC）的初始参数的设定：其协议设定选用无协议的通讯，而数据长度一般为：7 位，停止位一般为： 1 位，传输速率一般为：9600bps，H/W 类型选用RS-485，其以项不用更改。

3.8.3 变频器的初始设定
Pr117的变频器站号设定为：00~31，而Pr118的波特率设定与PLC的设定内容致采用：9600bps，Pr119的数据长度/停止位设定为：10(数据长度): ，Pr120的奇偶校验设定为：2(偶校验) 7 位/停止位:1 （位) ，Pr123的等待时间设定为：9999，Pr124的有无CR、LF 指令设定为：1，Pr79的运行模式设定为：0 ，Pr122的通信检查时间间隔设定为：9999。

(上电时外部运行模式) 。

3.8.4 通讯用到的指令。