自动分检传送带的机电一体化系统设计

自动分检传送线的机电一体化系统设计学院：机电工程学院班级：机械1001班学号：姓名：指导老师：王刚2013年1月3日目录第1章设计任务书………………………………………………1第2章总体方案设计……………………………………………22.1控制系统的设计……………………………………………………22.2硬件系统的设计……………………………………………………32.3创新点………………………………………………………………6第3章硬件设计…………………………………………………73.1输入/输出点数的确定…………………………………………………73.2PLC的选型…………………………………………………………83.3输入/输出地址分配表………………………………………………103.4控制面板的布置图……………………………………………………113.5输入/输出设备的接线图……………………………………………123.6传感器的选型…………………………………………………………133.7气缸的选型……………………………………………………………15第4章软件设计…………………………………………………164.1主程序流程图和顺序功能图…………………………………………164.2程序梯形图…………………………………………………………18第5章总结……………………………………………………24附录程序指令表………………………………………………25参考文献…………………………………………………………27第1章设计任务书设计题目：自动分捡传送线的机电一体化系统设计题目类型:机电一体化工程设计时间：2013.12专业班级：机械10级指导教师：王刚设计内容要求：某自动分捡传送线要求完成检测物件尺寸大小,并根据检测结果将大、中、小号物件分配到特定位置的工作，该分捡传送线系统组成及其PLC控制系统输入输出信号示意图如图所示。物件被机械手Y0供给上传送带后，大、中、小号物件分别被上X1、中X2、下X3光电传感器检测，并经过分捡控制器Y3，中号物件通过前面的传送带传送，大、小号物件通过后面的传送带传送。其后，大号物件由图中X4信号处滑落，中号物件在图中X5信号处由机械手提走，小号物件在图中X6信号处由气缸Y6推出。注意：在气缸推出过程中传送带相应的起、停控制。设计具体内容包括：1)进行传感器和执行部件（如气缸）选型，绘制传感器和执行部件安装部装图。2)制定基于PLC的总体控制系统设计方案：要求系统能完成手动（点动）、单步、单周期、连续等控制方式的选择。3)根据节点数选择PLC，绘制控制面板布置图。4)建立I/O分配表，绘制PLC控制系统输入输出接线图（A3或A2图纸）。5)绘制用户程序流程图，并编制程序（要求用编程软件，如FXGP-WIN-C）。6)实验室模拟调试程序。7)整理相关文档，完成控制系统设计说明书。设计说明书格式符合中南大学机电工程学院的统一格式和规范要求。（F-7）第2章总体方案设计2.1控制系统的设计1）本课程设计中的自动分捡传送线控制系统由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口、电源、通信接口、扩展单元等部件构成，这些单元部件都是通过内部总线进行连接。2）输入回路元件包括行程开关、光电检测开关以及按钮输入和开关量输入。各元件功能介绍如下：①行程开关位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。②光电开关光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。常用光电开关的分类方法：按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。对射式检测距离远，可检测半透明物体的密度（透光度）。③按钮开关利用按钮推动传动机构，使动触点与静触点按通或断开并实现电路换接的一种开关。按钮开关是一种结构简单，应用十分广泛的主令电器。3）输出回路通过对给定的信号控制执行元件动作，实现给定要求。本系统设计方案中采用X1、X2、X3、X4、X5、X6共6个光电开关，X0、X10、X11、X12共4个行程开关，以及X20、X21、X22、X24、X25共5个按钮开关。2.2硬件系统的设计本次课程设计《自动分检传送线的机电一体化系统设计》在功能上实现机械手、气缸、传送带等部件的使用。机械手能模仿人手臂的某些动作功能，用来按固定程序抓取、搬运物件或操作工具。机械手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安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。气缸是气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有作往复直线运动的和作往复摆动的两类，作往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。气缸的作用在于将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动机构作直线往复运动、摆动和旋转运动。输送带则用来输送物体，方便，节省人力、物力。传感器的部装图如图2-1、2-2、2-3所示：图2-1传感器部装图的主视图图2-2传感器部装图的俯视图图2-3传感器部装图的左视图气缸的部装图如图2-4、2-5所示：图2-4气缸部装图的主视图图2-5气缸部装图的左视图2.3创新点软件设计方面，此次课程设计采用顺序控制梯形图的编程方法，即用ＳＴＬ指令的编程方法实现单步、单周期、连续、点动等功能。程序较为美观、整齐、清楚，易于找出程序漏洞和错误。在编程中为了节约能源，就根据需要来控制不同输送带的运动，当输送带上没有物体时，输送带自动停止运行，当输送带检测到是大号物体和小号物体时，自动运行Y1、Y2、Y5共3条输送带，不运行Y4输送带；当输送带检测到是中号物体时，自动运行Y1、Y2、Y4共3条输送带，不运行Y5输送带。硬件设计方面，开关数量较少，控制相对简单方便。气缸选用标准型CA1气缸，造价较便宜又能保证行程和推力足够。传感器选用对射式光电传感器，体积较小，是整体上结构紧凑，并有利于传感器的安装。第3章硬件设计3.1输入/输出点数的确定3.1.1输入设备的数量根据自动分检机的要求可知，有启动开关1个；上、中、下位光电传感器检测开关各1个，共3个；检测部件是否到达推出机构位置的光电开关1个；原点位置检测开关1个；Y4输送带右端检测开关1个；Y5输送带右端检测开关1个；机械手行程开关3个；自动连续控制启动按钮1个；自动单周期控制按钮1个；手动控制启动按钮1个；单步控制按钮1个。总共需要的开关量输入为15点。3.1.2输出设备的数量供给输出1个；红、黄、绿指示灯输出3个；输送带正转输出4个；分拣器输出1个；推出机构输出1个；机械手取出指令输出1个。总共需要的开关输出为11点。3.2PLC的选型3.2.1PLC的特点和基本控制原理可编程程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程程序的存储器，用来在其内部存储器执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程，可编程程序控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体易于扩充其功能的原则设计。PLC是综合了继电器、接触器控制的优点以及计算机灵活方便的优点而设计制造和发展起来的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。PLC有如下特点：1）编程方法简单易学2）功能强，性能价格比高3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强4）可靠性高，抗干扰能力强5）系统的设计、安装、调试的工作量少6）维修工作量小，维修方便7）体积小，能耗低PLC可以分成三个基本组成部分，即输入部分、逻辑部分和输出部分。各个部分的主要作用是：输入部分：收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。逻辑部分：处理输入部分所取得的信息，并按照被控对象实际的动作要求做出反应。输出部分：提供正在被控的许多装置中，哪几个设备需要实时操作处理。PLC通过编程控制器编制控制程序，即将PLC内部的各种逻辑部件按照控制工艺进行组合以达到一定的逻辑功能。PLC将输入信息采入PLC内部之后执行逻辑部件组合后所达到的逻辑功能，最后输出达到控制要求。这就是PLC的基本控制原理。3.2.2PLC的选型FX系列的PLC体积小，外部结构先进美观，可提供多个子系列供用户选用，系统配置灵活多变，功能强大且使用方便。而所选择FX2N的则是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC。它的基本指令执行时间高达0.08us，内置的用户存储器为8K步，可扩展到16K步，最大可以扩展到256个I/O点，有多种特殊功能模块或功能扩展板，可以实现多轴定位控制。机内有实时钟，PID指令用于模拟量闭环控制。有功能很强的数学指令集，例如浮点数运算、开平方和三角函数等。每个FX2N基本单元可以扩展8个特殊单元。考虑到I/O点设计时应保留10%的余量，应选择开关输入量24点，输出量24点。在综合考虑PLC设备的运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能、处理速度以及成本，还有以后可能会扩展功能和进行电机的速度检测，选择FX2N-48MR-D型PLC。3.3输入/输出地址分配表3.3.1输入地址分配表（见表3-1）表3-1输入地址分配表序号输入点名称1X0原点位置行程开关2X1上位传感器检测开关3X2中位传感器检测开关4X3下位传感器检测开关5X4带5右端传感器检测开关6X5带4右端传感器检测开关7X6推出机构传感器检测开关8X10物件在原点位置行程开关9X11部件在桌上行程开关10X12机器人操作完成行程开关11X20点动控制按钮12X21单步控制按钮13X22单周期控制按钮14X24连续控制开关15X25启动开关3.3.2输出地址分配表（见表3-2）表３-2输出地址分配表序号输出点名称1Y0机械手供给物件2Y1输送带13Y2输送带24Y3分拣器5Y4输送带46Y5输送带57Y6推出机构8Y7机械手取出物件9Y10红灯10Y11绿灯11Y12黄灯3.4控制面板的布置图（见图3-1）图3-1控制面板的布置图3.5输入/输出设备的接线图（见图3-2）图3-2输入/输出设备的接线图3.6传感器的选型3.6.1光电传感器的基本概念光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。3.6.2光电传感器工作原理由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式