课程设计材料分拣控制系统.docx

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课程设计材料分拣控制系统

材料分拣控制系统设计

自动化专业课程设计

1．设计要求

设计于东控制系统模拟自动化工业生产过程，通过传感器采集信号，利用PLC控制器实现对电机和气缸的控制，完成对不同材料的分拣，系统的调速定位控制可进行PID控制

主要技术参数

1．电源：

AC220V±10%（带保护地三芯插座）

2．气源：

0.2Mpa~0.85Mpa洁净压缩空气

3．分拣容：

（1）金属与非金属料块

（2）某一颜色料块

（3）金属中某一颜色料块

（4）非金属中某一颜色料块

（5）金属中某一颜色料块和非金属中某一颜色料块

建议分拣颜色为：

红、黄、蓝；建议分拣材料为：

铁、铝、塑料

4．外形尺寸：

800X500X1100mm

2．设计方案

实物图

图一材料分拣装置结构图（正面）

1-输送带；2-输送带驱动电机；3-料块仓库；4-分类储存滑道；5-料仓料块检测传感器；6-电感式识别传感器；7-电容式识别传感器；8-颜色识别传感器；；9-旋转编码器；10-手动操作盘

图二材料分拣装置结构图（后面）

12-气缸；13-气源过滤减压阀；14-电磁阀；15-控制器；16-端子板；17-继电器；18-功能转换开关。

材料分拣装置由料块仓库、电动输送带、自动分拣部件、控制器和手动操作盘组成，如图一和图二所示。

料块仓库是一个手动入库自动出库的部件。

使用时可将料块放入仓库中，当光电传感器感测到料块时系统开始运行，即启动输送带并由出库气缸将库最底层料块推入输送带。

电动输送带是由交流减速电机驱动的皮带式水平输送装置。

它将料块匀速平稳的送至自动分拣部件。

自动分拣部件由传感器、旋转编码器、微型直线气缸及滑道组成。

当传感器检测到相应料块时，对应的气缸将其推入应去的滑道；当料块的材料或颜色为非分拣要求时，经旋转编码器计量后对应的气缸将其推入应去的滑道。

控制器采用PLC。

它接受料仓传感器、各料块传感器、旋转编码器、气缸位置传感器的信号，根据要求分别控制输送带电机和各电磁换向阀。

手动操作盘可以通过按钮控制装置的各种动作，并实现自动运行的启动。

本装置还可以与其他装置联机运行（如本厂生产的机械手模型），构成连续性生产线模型。

正面

背面

系统框图

3．设计容

硬件系统

1.电感传感器

电感式接近开关属于有开关量输出的位置传感器，用来检测金属物体。

它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体部产生涡流。

这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，部电路的参数发生变化。

由此，可识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。

本系统选用阳明的PM18-08N或者autonics的PR18-2DN电感传感器。

原理图如下图。

电感传感器工作原理图

电感传感器介绍：

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。

电感式传感器的特点是：

①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量围宽（测量围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。

电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。

常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。

在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。

2.电容传感器

电容传感器也属于具有开关量输出的位置传感器，是一种接近式开关。

它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是待测物体的本身。

当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。

由此，便可控制开关的接通和关断。

本系统选用阳明的CP18-30N或者autonics的CR1808DN电容传感器。

原理图如下图。

电容传感器工作原理图

电容传感器介绍：

用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后输入之。

通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学量（如位移、力、速度等）转换成电容变化的传感器称为电容传感器。

从能量转换的角度

而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。

力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。

另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1～5μm数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为0.01μm，比前者提高了两个数量级，最大量程为100±5μm，因此他在精密小位移测量中受到青睐。

对于上述这些力学量，尤其是缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜，主要是这类传感器具有以下突出优点：

（1）测量围大其相对变化率可超过100%；

（2）灵敏度高，如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达10-7数量级；

（3）动态响应快，因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态测量，也可静态测量；

（4）稳定性好由于电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如空气、玻璃、瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。

3.颜色传感器

选用欧姆龙的E3S-VS1E4或者松下的LX-101颜色传感器。

此传感器为RGB（红绿蓝）颜色传感器，可检测目标物体对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色，置了色敏电阻，是基于光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。

颜色传感器介绍：

将物体颜色同前面已经示教过的参考颜色进行比较来检测颜色的机器我们称之为颜色传感器。

颜色识别在现代生产中的应用越来越广泛，无论是遥感技术，工业过程控制，材料分拣识别，图像处理，产品质检，机器人视觉系统，还是某些模糊的探测系统都需要对颜色进行探测，而颜色传感器的飞速发展，生产过程中长期由人眼起主导作用的颜色识别工作将越来越多地被颜色传感器所替代。

能将物体的表面颜色转换成相应的电压或频率输出，应用在彩监视器的校准装置；彩色打印机和绘图仪；涂料、纺织品和化妆品制造，以及医疗方面的应用，如血液诊断、尿样分析和牙齿整形等。

4.光电传感器

光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。

用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。

在金属圆筒有一个小的白炽灯做为光源。

这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。

本系统选用FPG系列小型放大器藏型光电传感器。

原理如下图所示，其中负载可接至PLC。

FPG光电传感器原理图

光电传感器介绍：

光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。

光电传感器采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号的变化，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3部分组成。

光电传感器是将光信号转换为电信号的光敏器件。

它可用于检测直接引起光强变化的非电量，也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量。

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，体积小。

近年来,随着光电技术的发展，光电式传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格的产品，它在机电控制、计算机、国防科技等方面的应用都非常广泛。

5.步进电机

步进电机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行，与旋转编码器连接在一起。

可以通过控制脉冲个数，来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。

同时，可以通过控制脉冲频率来控制材料分拣装置的可编程控制系统控制电机转动的速度，达到调速的目的。

6.空气压缩机

空气压缩机是本材料分拣系统装置中不可缺少的部分，它是将电动机的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。

空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积型压缩机和速度型压缩机。

容积型压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；速度型压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。

空气压缩机的选择主要依据气动系统的工作压力和流量。

气源的工作压力应比气动系统中的最高工作压力高20%左右，因为要考虑供气管道的沿程损失和局部损失。

如果系统中某些地方的工作压力要求较低，可以采用减压阀来供气。

空气压缩机的额定排气压力分为低压（0.7~1.0MPa）、中压（1.0~10MPa）、高压（10~100MPa）和超高压（100MPa以上）。

本实验鉴于不需要提供电磁阀过大的压力（能弹出物料即可），故将气压调整在0.2Mpa左右。

基于本分拣系统的工作要求选用的是威普德尔工业机械系列的标准型GL-2.0涡轮空气压缩机，产品性能优越，效率高，运行可靠。

主要是因为它 体积少、重量轻、结构精密、运动部件少、无磨损。

7.（气动）电磁阀

电气转化组件将电讯号转化为气动讯号，电气讯号输入控制了气动输出。

最常用的电-气转换组件是电磁阀（Solenoidactuatedvalves）。

电磁阀既是电器控制部分和气动执行部分的接口，也是和气源系统的接口。

电磁阀接受命令去释放，停止或改变压缩空气的流向，在电-气动控制中，电磁阀可以实现的功能有：

气动执行组件动作的方向控制，ON/OFF开关量控制，OR/NOT/AND逻辑控制。

在电磁阀家族中，最重要的是电磁控制换向阀（Solenoidactuateddirectionalcontrolvalves）

电磁控制换向阀的工作原理：

在气动回路中，电磁控制换向阀的作用是控制气流通道的通、断或改变压缩空气的流动方向。

主要工作原理是利用电磁线圈产生的电磁力的作用，推动阀芯切换，实现气流的换向。

按电磁控制部分对换向阀推动方式的不同，可以分为直动式电磁阀和先导式电磁阀。

直动式电磁阀直接利用电磁力推动阀芯换向，而先导式换向阀则利用电磁先导阀输出的先导气压推动阀芯换向。

软件设计

分拣系统的I/O地址分配

输入

对应输入

输出

对应输出

I0.0

编码器输入

Q0.0

出料口动作

I0.1

仓储传感器输入

Q0.1

分拣铁动作

I0.2

铁传感器

Q0.2

分拣铝动作

I0.3

铝传感器

Q0.3

分拣黄白动作

I0.4

颜色传感器

Q0.4

分拣蓝动作

I0.5

出料口气缸外定位

Q0.5

控制电机

I0.6

铁质物料分拣气缸外定位

I0.7

铝质物料分拣气缸外定位

I1.0

颜色物料分拣气缸外定位

I1.1

其他物料气缸外定位

I1.2

自动/手动切换开关

PLC梯形图程序设计

网络1：

开关打开后启动电机，让传送带工作

网络2:

SM0.1初始化脉冲，若仓储传感器检测到物料而且开关打开则RS触发器输出1，即出料口动作，弹出一个物料。

因为并行关系，同理如果铁，铝，颜色，其他物料传感器检测到物料动作后，同样可以让料仓弹出一个新的物料。

复位端接I0.5，即出料后，RS触发器输出0让推杆收回

网络3：

若编码器有脉冲输入，电机转动，则增计数器开始工作通过计量步进电机圈数来确定物料位置。

当预设值PV大于450是C0接通。

若铁，铝，颜色，其他物料传感器检测到物料动作后复位到0重新计数，当铁，铝，颜色物料被分拣后，避免继计数重复分拣动作。

网络4：

计数值到后，C0接通，在开关开启的状态下，Q0.4得电，分拣其他物料（蓝色物料）

网络5：

铁传感器检测到物料，I0.2动作，在开关开启的状态下，Q0.1得电，分拣铁物料

网络6：

铝传感器检测到物料，I0.3动作，在开关开启的状态下，Q0.2得电，分拣铝物料

网络7：

颜色传感器检测到物料，I0.4动作，在开关开启的状态下，Q0.3得电，分拣颜色物料（黄色，白色物料）

网络8：

I0.1取反，即料仓无料后开始计时，连接通电延时计时器T33，精度为10ms，预设值PT为30，T33计数达到30次时，T33闭合

网络9：

通过比较指令当T33大于等于3000时，在开关开启的状态下，经取反，Q0.5失电，停止电机，进而停止传送带转动

网路10：

通过比较指令当T33大于等于3200时，在开关开启的状态下，M0.5工作，停止计数器

4．实验结果分析

实验现象：

当往仓储中添加多个物料时，系统成功完成分离各个物料快。

当仓储中没有物料时，一段时间后系统自动停机。

经多次实验，可验证该装置的功能，但仍然存在部分误差。

误差分析：

1.由于颜色传感器灵敏度不高导致无法准确识别一些颜色物料，可通过更换性能较好的传感器解决。

2.气缸产生的压力过大有时候会将物料弹出到分类储存滑道外面，可通过适当调节气压阀，减小输入的气缸压力，来削弱弹出力度来解决。

3.物料在料块仓库由于摩擦无法顺利落下，导致计数器无法准确计数，进而无法分拣蓝色物料。

甚至可能使仓储传感器误动作，造成分拣错误。

可适当增大料仓口径来解决。

5．课程建议

希望老师在实验过程中能够多关注一下学生并多给予一些指导！