国家职业资格全国统一鉴定
维修电工论文
（国家职业资格2级）
论文题目： PLC设计机械手自动分拣控制系统
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指导老师： ***
所在省市： 江 苏 省 常 州 市
所在单位： 常州冶金技师学院
PLC设计机械手自动分拣控制系统
摘要：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，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。
本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在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、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。
通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型物料分拣机械手的设计方案，对其他经济型PLC控制系统的设计也有一定的借鉴价值。
关键词: 机械手，气动控制，可编程控制器（PLC）
目录
第一章 项目背景及分析
§1-1 项目概述······································1
§1-2 工艺流程······································1 §1-3 工作结构······································2
第二章 传感器部分
§2-1 传感器的概念和用途······························5 §2-2 传感器的选用···································6
第三章 气动部分设计
§3-1 气源装置及辅助元件······························8 §3-2 执行元件·······································9 §3-3 控制元件·······································9
第四章 PLC的软件设计
§4-1 PLC的选择······································12
§4-2 I/O分配表与分配图······························13 §4-3 程序设计······································14
附录···················································16 总结···················································19 参考文献···············································20
第一章 项目背景及分析
§1-1 项目概述
随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，尤其在需要进行物料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，物料的自动分拣已成为企业的最佳选择。
机械手自动分拣装置时一种高速自动化生产线上的金属与非金属自动分拣设备，其工作流程是物料盘负责输送物料，一旦有物料进入准备状态，则气动机械手搬运机构；然后机械手快速定位到物料的正上方，下降抓取物料、提升并释放到指定位置；待物料被释放后，传送装置联动，并根据金属与非金属、
还有黑白颜色的特点进行分拣；机械手则迅速返回，等待下一轮分拣抓取。
§1-2 工艺流程
机械手自动装置的工艺流程如下。
1、按启动按钮后，启动送料电动机驱动放料盘旋转，物料由送 料槽滑到物料提升位置，物料检测光电传感器开始检测。
2、送料电动机运行一段时间后，如果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，这时需停机并报警。
3、当物料检测光电传感器检测到有物料，将发出信号，上料单向电磁阀驱动上料，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。
4、传送带输送物料，传感器则根据物料性质（金属和非金属、黑、白颜色），分别控制相应电磁阀使气缸动作，对物料进行分拣。
5、最后机械手返回原位重新开始下一个流程。
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§1-3 工作结构
一、物料传送与分拣工作示意图
2
二、机械手搬运机构
l一旋转气缸 2一非标螺丝3一气动手爪 4一手爪磁性开关 5一提升气缸 6一磁性开关D-C73 7一节流阀 8一伸缩气缸 9一磁性开关D-C73 10一左右限位传感器 11一缓冲阀 12—安装支架
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三、送料机构
1一转盘 2一调节支架3一直流电机 4一物料 5一出料口传感器 6一物料检测支架
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第二章 传感器部分
§2-1 传感器的概念和用途
现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。信息采集系统的首要部件是传感器，且置于系统的最前端。在一个现代自动检测系统中，如果没有传感器，就无法监测与控制表征生产过程中各个环节的各种参量，也就无法实现自动控制。在现代技术中，传感器实际上是现代测试技术和自动化技术的基础。下图所示为传感器典型应用的系统框图。
一、 传感器有以下用途
1、 2、 3、 4、 5、
生产过程的测量与控制 安全报警与环境保护 自动化设备和机器人 交通运输和资源探测 医疗卫生和家用电器
二、 传感器的概念
一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器，测量电路和显示记录装置等部分组成，分别完成信息获取，转换，显示和处理等功能。
传感器是把被测量（如物理量，化学量，生物量等）变换为另一种与之有确定对应关系，并且便于测量的量（通常是电学量）的装置。为检测系统提供必需的原始信息。它是整个检测系统最重要的环节。
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§2-2 传感器的选用
一、 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。
光电式传感器的种类很多，按照其输出信号的形式，可以分为模拟式、数字式、开光量输出式。
本系统中所使用的光电开关，它是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）或激光二极管。接收器由光电二极管或光电三极管组成。在发射器、接收器的前面，装有滤镜或光圈等光学元件，在接收器后面的是检测电路，它能滤出有效面反射型等信号并应用该信号。根据光电开关在检测物体时，发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为对射型、漫反射型、镜。
本系统中使用的光电传感器属于漫反射型，其工作原理是：当光源发射出光束时，目标物产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化。其有效作用距离是由目标的反射能力决定的，即由目标表面性质和颜色决定。当被测物体的表面光亮或其反光率较高时，如表面为反射光的白色的物体，漫反射型光电开关反应灵敏并发出信号，反之，对于反光率低的物体，如表面为吸收光的黑色物体，漫反射型光电开关反应不敏感，将不会产生开关信号。所以，系统的最后分拣的物料颜色区别就是利用了光电开关这一特性来判别黑、白工件的。这里所使用的光电传感器型号为E3F-DS20C4。直径M18mm，漫反射型，NPN常开输出，电压10-30VDC，
输出电流300mA，检测距离10cm、 15cm、30cm可调，外壳体塑料。
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二、 磁性开关
磁性开关是磁感应式接近开关的一种，如下图（a）所示。磁感应式接近开关的基本工作原理是：当磁性物质接近传感器时，传感器便会动作，并输出传感器信号。若在气缸的活塞 (或活塞杆)上安装上磁性物质，在气缸缸筒外面的两端位置各安装一个磁感应式接近开关，就可以用这两个传感器分别标识气缸运动的两个极限位置。当气缸的活塞杆运动到哪一端时，哪一端的磁感应式接近开关就动作并发出电信号。在传感器上设置有LED显示，用于显示传感器的信号状态，供调试时使用。传感器动作时，输出信号1，LED亮；传感器不动作时，输出信号0，LED不亮。传感器的安装位置可以调整，调整方法如下图(b)所示。
本系统所用的磁性开关传感器型号为D-C73，
三、 电感式传感器
利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈
自感量L或互感量M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。电感式传感器具有结构简单，工作可靠，测量精度高，零点稳定，输出功率较大等一系列优点。其主要缺点是灵敏度，线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输。纪录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用。
这里的传感器主要用来分别物料是否是金属，它的检测距离为3~5mm。
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第三章 气动回路设计
气压传动是指以压缩空气为工作介质来传递动力和实现控制的一门技术，它包含传动技术和控制技术两个方面的内容。由于气压传动具有防火、防爆、节能、高效、无污染等优点，因此在国内外工业生产中得到了广泛应用。
§3-1 气源装置及辅助元件
一、 空气压缩机
向气动系统提供压缩空气的装置称为气源装置。其主体是空气压缩机，由空气压缩机产生的压缩空气，因含有过量的杂质、水分、及油分，不能直接使用，必须降温、除尘、除油、除水、过滤等一系列处理后才能使用。空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式和速度式两大类。在气压传动中，一般采用容积式空气压缩机。
二、气源进化装置
一般选用的压缩机都采用有油润滑式，在使用这种空气压缩机当空气被压缩时，温度可升高到140~170 度，这时部分润滑油变成气态，加上吸入空气中的水分和灰尘，形成了水汽、油汽、灰尘等混合杂质。如含有这些杂质的压缩空气供给气动设备使用，将加剧相对滑动件的磨损，加速润滑油的老化，降低密封性能。常用的气源净化装置有后冷却器、油水分离器、贮气罐、干燥器、分水滤气器。
三、辅助元件 1．油雾器
气动系统中的各种气阀、气缸、气动马达等，其可动部分需要润滑，但以压缩空气为动力气动元件都是密封气室，不能用一种方法注油，只能以某种方法将油混入气流中，随气流带到所需要润滑的地方。油雾器就是这样一种特殊的注油装置。它使润滑油雾化后随空气流入需要润滑的运动部件。
2．消声器
气动回路与液压回路不同，它没有回收气体的必要，压缩空气使用后直接排入大气，因排气速度较高，会产生尖锐的排气噪声。为降低噪声，一般在换向阀的排气口上按装消声器。
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§3-2 执行元件
气动执行元件的作用是将压缩空气的压力能转变为机械能的能量转换并对外做功的元件。
一、气缸及其分类
按活塞两侧端面受压状态，气缸可分为单作用和双作用气缸。单作用气缸由空气使气缸向前运动，回程又气缸自带的弹簧来完成，而双作用气缸使用空气为媒介来使气缸左右移动。
按结构特征，气缸可分为活塞式气缸、柱塞式气缸、薄膜式气缸、叶片式摆动气缸、齿轮齿条式摆动气缸等。
按功能，气缸可分为普通和特殊气缸。 1、普通气缸
气缸由缸筒、活塞、活塞杆、端盖、活塞杆密封件等主要部件组成。 气缸的工作原理是：若缸筒固定，左腔连续地输入空气压力，当空气的压力足以克服活塞杆上的所有负载时，活塞以某一速度连续向右运动，活塞杆对外界做功。反之，往右腔输入空气时，活塞以某一速度向左运动，活塞杆也对外界做功。这样，完成了一个往复运动。在气缸减速期间，为了避免过大冲击缸盖和安装件，通常采用终端缓冲装置，这对气缸长期平稳动作是非常重要。
§3-3 控制元件
气动控制元件是指在气压传动系统中，控制调节压缩空气的压力、流量和方向等的控制阀，按其功能可分为压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀以及能实现一定逻辑功能的气动逻辑元件等。 一、压力控制阀
在气动传动系统中，控制压缩空气的压力以控制执行元件的输出力或控制执行元件实现顺序动作的阀等统称为压力控制阀，它包含有减压阀、顺序阀和安全阀。压力控制阀是利用压缩空气作用在阀芯上的力和弹簧力相平衡的原理来进行工作的。
1、减压阀
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气动系统的气源，一般来自压缩空气站。压缩空气站的压力通常都高于每台装置所需的工作压力，且压力波动较大，因此在系统入口处需要安装一个具有减压、稳压作用的元件，即减压阀。
2、顺序阀
顺序阀是依靠气路中压力的大小来控制气动回路中执行元件动作的先后顺序的压力控制阀，其作用和动作原理与液压顺序阀基本相同，顺序阀常与单向阀组合成单向顺序阀。
3、安全阀
在气压系统中，为防止管路、气罐等的破坏，应限制回路中的最高压力，此时应采用安全阀。安全阀的工作原理是：当回路中的压力
二、流量控制阀
流量控制阀是通过改变阀的通流面积来调节压缩空气的流量，从而控制气缸的运动速度等的气动控制元件。在选择流量控制阀要注意是出口节流型还是进口节流型,因为出口节流调速和进口节流调速对气动的速度调节回路来说,它们的特性是不一样的。为了得到一个稳定的调速特性,通常采用的是出口节流调速。
1、节流阀
压缩空气由P口进入，经过节流后，由A口流出，旋转阀芯螺杆可改变节流口的开度。
2、单向节流阀
单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的组合流量控制阀，常用来控制气缸的运动速度的，又称速度控制阀。
3、排气节流阀
排气节流阀是装在控制执行元件的换向阀的排气口上，调节排入大气的流量以改变执行元件的运动速度的一种控制阀。
三、方向控制阀
方向控制阀是控制压缩空气的流动方向和气路的通断的阀类，它是气动系统中应用最多的一种控制元件之一。
1、单向阀
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气体只能沿一个方向流动，反方向不能流动的阀，其结构原理与液压阀中的单向阀相似。
2、换向型控制阀 （1）电磁控制换向阀
电磁控制换向阀是利用电磁力的作用推动阀芯动作，从而改变气体的流动的换向阀。带手控开关的单侧电磁先导式弹簧复位
电磁线圈得电，单电控二位五通阀的1和4口接通。电磁线圈失电，单电控二位五通阀在弹簧的作用下复位，则1与2口关闭。如果没有电压作用在电磁线圈上，则单电控二位五通阀可以手动驱动。
双电控三位五通阀：电磁线圈1Y1得电，双电控三位五通阀的1、4口接通，2、3口接通。电磁线圈1Y2得电，双电控三位五通阀的1、2接通，4、5接通。电磁线圈失电，双电控三位五通阀在弹簧的作用下复位，则所有口均关闭。如果没有电压作用在电磁线圈上，则单电控二位五通阀可以手动驱动。
双电控二位五通阀：电磁线圈2Y1得电，双电控二位五通阀的1、4口接通，2、3口接通。电磁线圈2Y2得电，双电控三位五通阀的1、2接通，4、5接通。电磁线圈失电，双电控二位五通阀由于没有弹簧进行复位，所以保持现有状态。如果没有电压作用在电磁线圈上，则单电控二位五通阀可以手动驱动。
换向阀的驱动方式取决于应用。驱动方式含有手控、机控、气控、电控和组合控制五种。
（2）单向节流阀:是靠调节通流面积来调节阀的流量的。可调单向阀由单向阀和可调节流阀组成，单向阀在一个方向上可以阻止压缩空气流动，此时，压缩空气经可调节流阀流出，调节螺钉可以调节节流面积。在相反方向上，压缩空气经单向阀流出。
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第四章 PLC的程序编制
§4-1 PLC的选择
本系统选用的PLC型号为三菱PLC FX1N-60MR。输入点为36，24点继电器输出。FX1N系列是功能很强大的微PLC，并且能增加特殊功能模块或扩展板。通信和数据链接功能选项使得FX1N在体积、通信和特殊功能模块和能源控制等重要的应用方面非常完美。
FX1N-60MR
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§4-2 I/0分配表与分配图
一、分配表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 输入设备 启动按钮 停止按钮 气动手爪传感器 旋转左限位传感器 旋转右限位传感器 气动手臂伸出传感器 气动手臂缩回传感器 手爪提升限位传感器 手爪下降限位传感器 物料检测传感器 物料一伸出限位传感器 物料一缩回限位传感器 物料二伸出限位传感器 物料二缩回限位传感器 物料三伸出限位传感器 物料三缩回限位传感器 工位一检测传感器 工位二检测传感器 工位三检测传感器 传送带入料检测传感器 输入点编号 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 X20 X21 X22 X23 输出设备 旋转气缸正转 旋转气缸反转 驱动转盘电机 手爪夹紧 手爪放松 提升气缸下降 提升气缸上升 手臂气缸伸出 手臂气缸缩回 推料一伸出 推料二伸出 推料三伸出 报警 驱动变频器 运行指示灯（绿色） 停止指示灯（红色） 输出点编号 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 Y20 Y21 Y22
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§4-3 程序设计
1、系统启动与停止程序设计
图4-3-1
X0: 启动按钮 X1: 停止按钮 M10：启动标志位 M11：停止标志位 Y21: 启动指示灯 Y22：停止指示灯
整个系统实现启动与停止的梯形图如图4-3-1所示，设置标志位的优点有两个：一个是实现了两种状态的互锁;另一个是此后所有需要启动才能动作的地方只要加一个M10即可。
2、送料程序设计
图4-3-2
Y3: 物料盘电机输出 M10: 启动标志 X11：物料检测传感器 M99：物料盘电动机旋转标志位 T9 K100：定时10s Y15：报警
驱动物料盘旋转的电机在PLC上的输出点为Y3。如果在物料台上有物料存在，电动机停转；如果转盘在运行中，光电传感器没有检测到物料并保持10s，即10s后还没有物料到物料台，则可能是物料运完或可能是物料堵在某处地方。
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应让系统停机然后报警。
3、传送带的启动与停止程序
图4-3-3
X23：落料口光电传感器
Y15：报警 Y20：驱动变频器 T20 K150：15s定时器
传送带的启动信号由传送带入料检测光电传感器发出。光电传感器在入口处检测到有物料落入传送带后，立即给PLC一个信号，驱动由变频器控制的电动机运转。如果从上一个物料落入算起，15s内没有物料落入，则说明皮带空转，应停止皮带的运行。在报警信号动作时，皮带运行也应立即停止。 4、物料分拣程序设计
图4-3-4
X20：电感传感器 X13: 推料一缩回传感器 X12：推料一伸出传感器 T26 K1：延时用定时器 M80：辅助继电器 Y12：推料一伸出
工位一检测金属物料。金属物料通过工位一时被电感传感器检测到，为了使推料气缸伸出时打在物料的中间部位而不至于打偏，需要设置一个延时用的定时器，定时器的时间建议在调试时校正。推杆把物料推入槽后即自动缩回。伸出与缩回的位置由装在推料气缸上的传感器检测。其梯形图如上图所工位二与工位三的工作流程与此类似。
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附录
总程序设计
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搬运功能对应的梯形图
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物料自动分拣线控制程序梯形图
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总结
通过一个多月的忙碌，技师毕业论文的设计中运接近尾声了。在老师不断的指点下，通过各种渠道搜集资料，从图书馆，或者是网络上搜索相关的资料书籍等。等搜刮到一大堆与毕业论文设计相关的资料又是老师的指导下，摒弃了一些无关紧要的内容，保留了有参考价值的资料作为备用。
接着便开始写论文了，我把收集的资料进行整理和分析，完成了初稿，经过老师的检查，发现论文中有很多漏洞与不足之处，终于经过了反复的修改，我完成了这篇技师论文，至此，我也终于发现，要干好一件事并非那么简单，敷衍了事是万万不可的，对待任何事情都要认真去思考，用思想来完成任务。
在这里，我首先要感谢的是我的指导老师，承蒙老师精心指导，虽然工作繁忙，但仍抽出时间给予我帮助，从论文选题到论文的写作过程给予我真诚的鼓励、中肯的建议和指导。
紧接着，我要感谢我的同学们，是他们陪我一起学习、成长，有福同享、有难同当，我才能顺利得完成这次论文设计。在这里，我仅用一句话来表明我无法言语的心情：感谢你们！
最后，我要感谢我的母校，是它给了我学习的地方。
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参考文献：
1、《PLC操作技能》 巢文远主编 中国劳动社会保障出版社 2、《跟我学PLC编程》 周云水编著 中国电力出版社 2009 3、《PLC应用技术》 钱锐主编 北京科学出版社 2006 4、《可编程序控制器应用技术（第四版）》重庆大学出版社 廖常初 2002 5、 《液压与气动传动》 许福玲，陈尧明 机械工业出版，2005.
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