大小球分拣传送机械控制系统设计.doc

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机电工程学院

课程设计说明书

设计题目: 大小球分拣传送机械控制系统设计
学生姓名： 任少磊
学 号： 200848050418
专业班级： 机制F0807
指导教师： 王宗才

2011年12 月 1 日

摘 要

机械臂自动分拣机构的积极作用正日益为人们所认识，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求， 遵循一定的程序、 时间和位置来完成工件的筛选与传送。 因为它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。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拣，本课程设计拟设计大小球分拣传送机控制系统的PLC设计，采用的德国西门子 S7-200 系列（cpu-224）PLC，对机械臂的上下、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。
关键词：大小球分拣控制系统； PLC； 行程开关

目 录

第1章 引言………………………………………………………………………………… 1
1.1 大小球分拣传送机械控制系统设计内容简介………………………………1
1.1 大小球分拣传送机械控制系统设计要求…………………………………1
1.1 大小球分拣传送机械控制系统设计思想…………………………………1
第2章 大小球分拣传送系统的硬件电路设计………………………………3
2.1 按控制要求进行功能分析………………………………………………………3
2.2机械臂分拣大小球控制的运行框图…………………………………………3
2.3确定I/O信号数量，选择PLC的类型…………………………………3
2.4 机械臂分拣大小球控制的电器元件配置表…………………………………4
2.5 机械臂分拣大小球控制的I/O接线图……………………………………4
第3章 大小球分拣传送系统的程序设计…………………………………6
3.1 机械臂分拣大小球控制程序的梯形图………………………………………6
3.2 机械臂分拣大小球控制程序的指令表………………………………………8
设计总结………………………………………………………………………………………11
谢辞 ……………………………………………………………………………………………12
参考文献………………………………………………………………………………………13

第1章引言
1.1 大小球分拣传送机械控制系统设计内容简介
学院此次安排我们进行了为其两周的机电传动课程设计实习，对我们即将进行毕业设计是很有益处的。这学期我们学习了机电传动控制课程，此次实习主要是对课本中的知识进行实践，比如继电器--接触器控制和可编程控制器控制等重要章节更是练习紧密。让我们把课本知识很好的应用于实践中去，有助于总体实力的提高。
本次我的课程设计的主要内容：大小球分拣传送机械控制系统设计，如图1-1。

图1-1大小球分拣传送机械示意图
1.2 大小球分拣传送机械控制系统设计要求
本次设计的控制要求如下：
1.机械臂起始位置在机械原点（见图），为左限、上限的交点位置。
2.有启动按钮和停止按钮控制运行，按下设备停止按钮后机械臂必须回到原点。
3.启动后，机械臂动作顺序为：下降→吸球→上升（至上限）→右行（至右限）→下降→释放→上升（至上限）→左行返回（至原点）。
4.机械臂有形式有小球右限（LS4）和大球右限（LS5）之分；下降时，当电磁铁压着大球时，下限开关LS2断开（=“0”）；压着小球是，下限开关LS2接通（=“1”）。
1.3 大小球分拣传送机械控制系统设计思想
我对于本次课程设计的总体思路如下：本设计主要要求控制电路PLC的设计，故对于主电路就不做过多阐述。
主电路有两部分：
1．电动机控制机械臂上下左右运动。
2．主电路给机械臂的电磁铁加电产生磁场吸住球运动。
由继电器控制液压缸伸缩运动,也控制电动机正反转.
控制电路：由PLC控制继电器线圈来控制主电路的上下左右运动和抓释小球.PLC控制继电器和电灯的输出，从而控制主电路。
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，极限开关断开。
2.启动装置后，机械臂下行，一直到极限开关SQ闭合。此时。若碰到的是小球，则下限开关LS2为闭合状态；若碰到的是大球，则下限开关LS2仍为断开状态。
3.吸起小球后，则捡球装置向上行，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，然后返回到原位。
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，然后返回到原位。

第2章大小球分拣传送系统的硬件电路设计
2.1 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：机械臂原始状态为左上角原位处，即上限开关LS3及左限开关LS1压合，同时机械臂处于有磁状态状态和球槽内有球（接近开关PS吸合），这时原位显示亮，表示准备就绪。
2.按下启动按钮SB1后，机械臂的电磁铁断磁，机械臂下降，接近开关SQ闭合后后机械臂会碰到球，接着电磁铁加磁。如果同时碰到下限开关LS2，则一定是小球；如果此时未碰到下限开关LS2，则一定是大球。
3.机械臂吸住球后就提升，碰到上限开关LS3后就右行。
4.如果是小球，则右行到LS4处；如果是大球，则右行到LS5处。
5.机械臂下降，当碰到下限开关LS2后，经过1S后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.释放后机械臂提升，碰到上限开关LS3后，左行。
7.左行至碰到左限开关LS1后，一个工作循环结束，如果此时接近开关PSO显示球槽内还有球，则继续下一循环
8.控制系统停止有两种情况；（1）接近开关PSO显示球槽内五球则循环结束；（2）按下停止按钮SB2则运行完此次循环后停止到原点。（3）按下急停按钮SB3
9.当系统在连续运行时，停止方式有两种，一种是正常停止：就是按下停止按钮后，系统要将整个周期剩下的步骤全部进行完，然后回到原点才停止工作。另外一种是紧急停止：就是用来处理紧急情况下来及时停止整个系统工作的，一按紧急停止，系统立刻停止，不管已经工作到什么位置。
2.2 机械臂分拣大小球控制的运行框图
运行框图分为12个网络，共11层控制，加循环控制流程，一直到没有球之后便自动远点停止，也可以按停止按钮到这一循环结束后停止在原点位置。重新按下启动按钮后，再次开始，具体过程如图2-1所示。
2.3 确定I/O信号数量，选择PLC的类型
对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型PLC（如西门子公司S7-200系列PLC或OMON公司系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。
对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的COM/CQM1H型PLC。
对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、通信联信网4等，可选用中大型PLC（如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1等PLC）。当系统的各个控制对象分布在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，一组成一个分布式的控制系统。
根据系统分析得输入点有9个，分别为I0.0-I1.1;输出点有6个，分别为Q0.0-Q0.5。I/O点共14个，故选择S7—200系列（CPU--224）PLC。
2.4机械臂分拣大小球控制的电器元件配置表
S7—200系列（CPU--224）PLC有14DI/10DO，本次设计只需9个输入，6个输出，具体原件配置表如表2-1
2.5 机械臂分拣大小球控制的I/O接线图
由PLC控制继电器线圈来控制主电路的上下左右运动和抓释小球.PLC控制继电器和电灯的输出，从而控制主电路。采用S7—200系列（CPU--224）PLC，输入端分两组，输出端分两组共六个接口，具体如图2-3。

图2-2机械臂分拣大小球控制的运行框图
表2-1 电器组件分配表
输入地址编码
信号名称
元件名称
元件符号
I0.0
启动信号
常开按钮
SB1
I0.1
停止信号
常开按钮
SB2
I0.2
急停信号
常开按钮
SB3
I0.3
左限信号
常开开关
LS1
I0.4
下限信号
常开开关
LS2
I0.5
上限信号
常开开关
LS3
I0.6
小球的右限信号
常开开关
LS4
I0.7
大球的右限信号
常开开关
LS5
I1.1
料口有无球信号
常开开关
PS0
I1.0
大小球的接近信号
常开开关
SQ

输出地址编码
对应的外部设备
元件名称
元件符号
Q0.7
显示灯亮信号
原点显示灯
HL
QO.1
电磁铁控制信号
电磁铁线圈
K
QO.2
机械臂下降信号
接触器
KM1
Q0.3
机械臂上升信号
接触器
KM2
Q0.4
机械臂右行信号
接触器
KM3
Q0.5
机械臂左行信号
接触器
KM4

图2-3机械臂分拣大小球控制的I/O接线图

第3章大小球分拣传送系统的程序设计
3.1 机械臂分拣大小球控制程序的梯形图
机械臂大小球分拣传送机械控制系统设计程序的梯形图见下图3-1，共有14个网络，11层控制系统，具体详析见图所示。

图3-1
3.2 机械臂分拣大小球控制程序的指令表
根据梯形图转的指令表见下表3-1
表3-1指令表
Network 1
// 启动和停止命令
LD I0.0
O M0.0
AN I0.1
= M0.0
Network 2
// 急停命令
LD I0.2
O M1.0
AN I0.0
= M1.0
Network 3
// 接触球后机械臂加磁
LD I1.0
AN T37
= Q0.1
Network 4
// 原点灯亮
LD I0.3
A I0.5
AN I0.1
= Q0.7
Network 5
// 启动后机械臂下行
LDN M1.0
A M0.0
A I0.3
AN I1.0
A I1.1
= M0.2
Network 6
// 按急停后触球前返回
LDN M1.0
AN M0.0
A I0.3
AN I1.0
AN I0.5
= M0.3
Network 7
// 抓球后上行
LDN M1.0
A Q0.1
A I0.3
AN I0.5
= M1.3
Network 8
// 判断大小球
LD I0.4
O M0.1
A Q0.1
= M0.1
Network 9
// 抓球右行至大或小球右限
LDN M1.0
LDN M0.1
AN I0.7
LD M0.1
AN I0.6
OLD
ALD
A Q0.1
A I0.5
= Q0.4
Network 10
// 抓球下行至下限后过1s断磁
LDN M1.0
A Q0.1
LDN M0.1
A I0.7
LD M0.1
A I0.6
OLD
ALD
LPS
AN I0.4
= M1.2
LPP
A I0.4
AN T37
TON T37, 10
Network 11
// 上行至上线停止
LDN M1.0
LD I0.7
O I0.6
ALD
AN Q0.1
AN I0.5
= M2.3
Network 12
// 左行至左限停止，开始下次循环
LDN M1.0
AN Q0.1
A I0.5
AN I0.3
= Q0.5
Network 13
// 中间继电器输出下行
LD M0.2
O M1.2
= Q0.2
Network 14
// 中间继电器输出上行
LD M0.3
O M1.3
O M2.3
= Q0.3
END

设计总结

我们的两周的课程设计就要告一段落，纵观整个设计过程，可以说在这一过程中我的收获很大，充分认识到自己的薄弱环节，通过理论分析与实践的反复进行和论证，许多问题都有了较好的解决方案。
软件部分采用各部分程序直接转的方式，依次实现了PLC流程图、梯形图、指令表三种机械手控制方式。用此种方法编写程序条理清晰，连贯性强，但若要增加其它机械手控制方式或进行扩展，程序会变得相当复杂而且容易出错，出错后调试修改也很困难。收进的方式是将各部分程序写成程序，方便调用和调试。此种方法的优点是程序编写比较简单，不需要再编写分支、汇合状态移图的程序，且由于本课对定时精确度要求并不高，适宜采用。若是在对定时精度要求比较高的情况下，应采用单片机的中断功能进行硬件定时。
通过此次设计，了解了PLC机械手在大小球分选系统的工作原理，首次学习了一些机械手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。
作为一个好的控制系统必须把各种控制都考虑在内之外，还要考虑安全控制，一个安全的机械才是真正的好机械。

谢辞

非常感谢学校学院给了我们这次非常重要的实习机会，对我们的能力提高非常有帮助，对以后的工作能更好更快的融入工作中区。
还要感谢王老师不辞劳苦的辛勤指导，对每个简单或难的问题都予以精彩深刻的解答，是我又学到了很多的知识
通过这次综合实践，我更加看清了自己的不足之处。为了搞好这次毕业设计，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。通过实践，巩固了理论知识的学习，提高了实际应用所学知识的能力，还积累了许多宝贵的经验。特别是老师严谨冶普的态度给我启发不小。在这次的设计实践过程中，我认识到不管做什么事，尤其是科学实践，都需要大胆假设，小心求证。任何一个方案都要经过详细周全的论证后才能着手去做，否则即使很快做出来，但经不起推敲和考验。对于那些要求能够扩展功能的课题更是如此
总之，这次实习要再次感谢学院和指导老师王老师，是自己又在课本知识上更深刻的理解和研究，在实践能力上也同样大大提高，综合能力都提高显著。

参考文献

[1] 廖常初主编.《PLC基础及应用》. 机械工业出版社,2004.
[2] 于庆广主编.《可编程控制器原理与系统设计》.清华大学出版社，2004.
[3] 赵金荣主编.《可编程序控制器原理及应用》. 上海应用技术学院，1999.
[4] 易传禄主编.《可编程序控制器应用指南》.上海科普出版社,2006.
[5] 方承远主编.《工厂电气控制技术》. 机械工业出版社,2004.
[6] 王永华主编.《现代电气及可编程技术》. 机械工业出版社,1997.
[7] 汤以范主编.《电气与可编程序控制器技术》. 机械工业出版社,2005.
[8] 刘子林.电机与电气控制[M].北京:电子工业出版社,2003.
[9] 程周.电气控制与PLC原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2003.