自动生产线分拣站控制系统设计.docx

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自动生产线分拣站控制系统设计

河南工业职业技术学院

HenanPolytechnicInstitute

毕业设计（论文）

自动生产线分拣站控制系统设计

班级＿＿机电1003班＿＿＿＿＿＿＿＿

姓名＿＿杨金光＿＿＿＿＿＿＿＿

指导教师＿＿朱文琦＿＿＿＿＿＿＿＿

自动生产线分拣站（PLC+直流伺服电机+气动元件）控制系统设计

摘要

面对激烈的市场竞争，一个企业的生产效率是其能否生存和发展的决定性因素。

要想提高生产效率就必须提高各个环节的效率，产品自动化控制系统的使用是现在工业生产经常使用的控制系统之一。

比如工件分拣这个环节，有没有自动分拣系统就成为判断条件之一，也是必须的条件。

本文在纵观了近年来自动化发展状况的基础上，结合自动化方面的设计，对自动化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，采用气压驱动系统，具有动作迅速、准确、结构简单、安装方便、可靠等一系列优点。

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、高可靠型物料分拣系统的设计方案，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:

物料分拣，气动驱动，可编程控制器（PLC），自动化控制

ABSTRACT

PLCcontrolisthemostcommonlyusedindustrialautomationcontrolmethod,becauseofitsconvenientcontroltowithstandanadverseenvironment,itisbetterthanMCUcontrolintheindustrial.PLCtraditionalrelaycontroltechnology,computerandcommunicationtechnologiesareintegratedspecificallyforindustrialcontrolanddesign,havestrongfunction,commonflexible,highreliabilityandenvironmentaladaptability,andprogrammingsimple,easytouseandsmallsize,lightweight,aseriesoflow-poweradvantagesinindustrialapplicationsbecomemoreextensive.

ThispaperfocusesonthePLCinthecannedbeverageproduction,Thedesignofanautomaticsortingdevicewithlowcostandhighefficiencyispresentedinthepaper,whichregardsprogrammablelogiccontroller（PLC）asthemastercontrollerandcombinespneumaticdevice,sensingtechnology,positioncontrolandothertechnologytoimplementautomaticselectingoftheproductslive.Thedeviceischaracteristicofhighautomation,steadyrunning,highprecisionandeasycontrol,whichcanfulfilltherequirementaccordingtodifferentsituationswithlittlemodifications.

Keywords：

programmablelogiccontroller，sortingdevice，controlsystem，sensors

附录……………………………………………………37

第一章绪论

§1.1课题研究的背景

在时代的前进过程中自动化科学技术已对整个科学技术的理论和实践做了重要贡献，并为人类社会带来了巨大利益。

，近年来，自动控制的另一个发展方向智能控制取得了较大进展，智能控制理论不同于经典控制理论和现代控制理论的处理方法，控制器不再是单一的数学解析模型，而是数学解析模型与知识系统相结合的广义模型。

它以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础，将传统控制理论和人工智能相结合，模仿人的智能来研究解决复杂控制问题。

因此，智能控制技术特别是神经网络技术和模糊控制技术可以弥补常规方法的局限性，使得不确定性和未知非线性系统的自适应控制成为可能。

目前，将智能控制技术应用于非线性系统的自适应控制已成为非线性控制理论中的一个重要方面。

§1.2课题研究的目的和意义

本课题的目的是研究以PLC为核心，为产品分拣自动生产线设计一个电气控制系统。

该控制系统应能使产品分拣自动生产线具有全线全自动分拣功能，并能完成对混杂在一起的三种不同产品的分拣的控制要求；应具有启动、预停、和计数功能；具有短路保护、过载保护、欠压保护功能。

具有提高工效、促进生产自动化，提高生产效率和减轻劳动力作用，为前沿的产品应自动化设备更新时的需要提供必备条件，可以广泛应用于机械制造、电子、轻工业和物流等部门。

第二章自动化分拣系统的构成与工作原理

§2.1自动化生产线的核心技术

PLC就像人的大脑；光电传感器就像人的眼睛；电机与皮带输送带就像人的腿电磁阀组就像人的肌肉；人机界面就像人的嘴巴；软件就像人的大脑的中枢神经。

磁性开关就像人的触觉；直线气缸就像人的手和胳膊；通信总线就像人的神经系统，而分拣站中同样具有这些技术，下面就让我们进行研究吧。

§2.2自动化分拣单元工作过程

分拣单元是自动化生产线中的最末单元，完成对上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣，使不同颜色的工件从不同的料槽分流的功能。

当输送站送来工件放到传送带上并被入料口的光电传感器检测到时，电机启动，工件开始送入分拣区进行分拣。

如图2-1所示

图2-1分拣单元实物

§2.3分拣单元的结构组成

图2-2分拣单元实物的全貌

分拣单元的结构组成如图2-2所示。

其主要结构组成为：

传送和分拣机构，传动机构，控制模块，电磁阀组，接线端口，PLC模块，底板等。

§2.3.1传送和分拣机构

传送和分拣机构中将传送已经加工、装配好的工件，在光纤传感器检测到并进行分拣。

它主要由传送带、料抖、物料槽、推料（分拣）气缸、光电传感器、光纤传感器、磁感应接近式传感器、金属传感器组成。

传送带是把机械手输送过来加工好的工件进行传输，输送至分拣区。

料抖是用纠偏机械手输送过来的工件。

三条物料槽分别用于存放加工好的金属工件、黑色工件和白色工件。

传送和分拣的工作原理：

本站的功能是完成从装配站送来的装配好的工件进行分拣。

当输送站送来工件放到传送带上并为入料口的漫射式光电传感器检测到时，将信号传输给PLC，通过PLC的程序使启动变频器，电机运转驱动传送带工作，把工件带进分拣区，如果进入分拣区的为金属块，则被磁感应接近开关动作，1号气缸动作，金属块被推入1号槽；如果进入分拣区工件为白色，则检测白色物料的光纤传感器动作，作为2号槽推料气缸启动信号，将白色料推到2号槽里，如果进入分拣区工件为黑色，检测黑色的光纤传感器作为3号槽推料气缸启动信号，将黑色料推到3号槽里。

自动生产线的加工结束。

在每个料槽的对面都装有推料（分拣）气缸，把分拣出的工件推到对号的料槽中。

在三个推料（分拣）气缸的前极限位置分别装有磁感应接近开关，在PLC的自动控制可根据该信号来判别分拣气缸当前所处位置。

当推料（分拣）气缸将物料推出时磁感应接近开关动作输出信号为“1”，反之，输出信号为“0”。

为了准确且平稳地把工件从滑槽中间推出，需要仔细地调整三个分拣气缸的位置和气缸活塞杆的伸出速度。

在传送带入料口位置装有光电式传感器，用以检测是否有工件输送过来进行分拣。

有工件时，光电式传感器将信号传输给PLC，用户PLC程序输出启动控制器信号，从而驱动直流伺服电动机启动，将工件输送至分拣区。

§2.3.2驱动模块

驱动控制输出正旋波的驱动电源是以恒电压频率比（U/f）保持磁不变为基础的（SPWM）驱动主电路，以产生脉冲直流电压以驱动直流电动机转动。

§2.3.3电磁阀组

分拣单元的电磁阀组（如图2-3所示）只使用了三个由三位五通的带手控开关的单电控电磁阀，它们安装在汇流板上。

这三个阀分别对金属气缸、白料推动气和黑料推动气缸的气路进行控制，以改变各自的动作状态。

图2-3电磁阀组

所采用的电磁阀所带手控开关有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2种位置。

在进行设备调试时，使手控开关处于开启位置，可以使用手控开关对电磁阀组进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的。

分拣单元的两个电磁阀安装时需注意，一是安装位置，应使得工件从滑槽中间推出，二是要安装水平，或稍微略向下，否则推出时导致工件翻转。

所采用的电磁阀所带手控开关有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2种位置。

在进行设备调试时，使手控开关处于开启位置，可以使用手控开关对电磁阀进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的控制，达到调试的目的。

§2.4分拣中的传感器

§2.4.1光纤传感器

在传送带上方分别装有两个光纤传感器如图2-4所示，光纤传感器由光纤检

图2-4光纤传感器

测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光纤检测头是分离的两个部分，光纤检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。

图2-4光纤传感器

光纤式光电接近开关的放大器的灵敏度调节范围较大。

当光纤传感器灵敏度调得较小时，反射性较差的黑色物体，光电探测器无法接收到反射信号；而反射性较好的白色物体，光电探测器就可以接收到反射信号。

反之，若调高光纤传感器灵敏度，则即使对反射性较差的黑色物体，光电探测器也可以接收到反射信号。

从而可以通过调节灵敏度判别黑白两种颜色物体，将两种物料区分开，从而完成自动分拣工序。

§2.4.2光电传感器

光电式传感器是用光电转换器件作敏感元件、将光信号转换为电信号的装置。

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、开关量输出式。

（如图2-5所示）以开关量形式输出的光电传感器，即为光电式接近开关。

图2-5光电传感器

光电式接近开关,利用光电效应制成的传感器称为光电式传感器。

光电式传感器的种类很多，其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。

自动化生产分拣中当工件进入的输送带上时，分拣站上的光电开关发射出的光线被自身的光敏元件接受，光电开关输出信号是传送带运转。

用在环境比较好、无灰尘、无粉尘污染的场合，为非接触式测量，对被测物体无任何影响，在工业中得到广泛应用。

其原理是利用光敏三极管、光敏二极管射回的光的强弱或有无光线、光敏电阻或光敏电池检测反从而检测是否存在物体。

§2.4.3磁感应接近式传感器

自动化中所使用的气缸都是带磁性开关的气缸。

这些气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。

在非磁性体的活塞上安装一个永久磁（2-6所示）定工件是否被推出或气缸是否返回。

图2-6磁感应式接近开关

在磁性开关上设置的LED显示用于显示其信号状态，供调试时使用。

磁性开关动作时，输出信号“1”，LED亮；磁性开关没有动作时，输出信号“0”，LED不亮。

磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧定螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧紧定螺栓。

§2.4.4金属传感器

金属传感器又叫电感式接近开关。

为了检测物料是否为金属，在分拣工件导向件右侧装有一个电感传感器（2-7所示）

图2-7金属传感器实物图

其原理是利用电涡流原理制成的，利用电涡流效应制成的具有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡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，使物体内部产生电涡流，这个涡流反过来作用于接近开关使接近开关振荡能力减弱，导致内部参数发生变化，由此来识别是否是金属物料，进而控制开关的开与断。

第三章执行系统的分析与设计

§3.1气动技术在气动装置中的设计

§3.1.1气泵的认识与选择

气泵包括：

空气压缩机安全保护器、储气罐、主管道过滤器、压力开关、过载压力表、气源开关（如图3-1所示）。

图3-1气泵及其周围元件

气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。

在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。

气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拔出时，气路接通气源，反之把气路开关向右推入时气路关闭。

§3.1.2空气压缩机

空气压缩机是产生压缩空气的气压发生装置，是气源主要的设备（如图3-2所示）。

按结构和工作原理可分为速度型和容积型两大类。

容积型压缩机是利用特殊形状的转子或活塞压缩吸入封闭容积室空气的体积来增加空气的压力。

容积型结构简单、使用方便。

本设计选用容积型压缩机。

.空压机供气量的大小应包括：

目前气动系统中各设备所需的耗气量、考虑未来扩充设备所需耗气量及修正系数（如避免空压机在全负荷下不停地运转、气动元件和管接头的漏损及各种气动设备是否同时连续使用等）。

其公式为

Q为气动系统的最大耗气量（m3／Min），K为修正系数。

一般可取=1.3～1.5。

有了供气压力与供气量，按空压机的特性要求，选择空压机的类型和型号。

图3-2压缩机及储气罐

§3.1.3储气罐

储气罐可以调节气流，减少输出气流的脉动，使输出气流连续和气压稳定，也可以作为应急气源使用，还可以进一步分离油水杂质（如图3-2所示）。

储气罐上装有安全阀，使其极限压力比正常工作压力高10%，并装有指示罐内压力的压力表和排污阀等。

罐的型式可分为立式和卧式两种。

本设计选用立式储气罐，因为它的进气口在下，出气口在上，以利用进一步分离空气中的油、水。

§3.1.4气动控制元件的认识

自动化中使用的气动控制元件按其作用和功能有压力控制阀、方向控制阀、和流量控制阀。

一、压力控制阀

调节和控制压力大小的气动元件称为压力控制阀。

它包括调压阀、溢流阀、顺序阀及多功能组合阀。

1、调压阀是出口侧压力可调，并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀。

（如图3-3）

图3-3压力调节阀及过滤干燥系统

2、减压阀减压阀的作用是降低由空气压缩机来的压力，以适于每台气动设备的需要部分压力保持稳定。

3、溢流阀溢流阀的作用是当系统压力超过调定值时，便自动排气，使系统的压力下降，以保证系统安全，故也称其为安全阀。

4、调速阀是根据“流量负反馈”原理设计而成的单路流量阀。

调速阀一般用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中。

调速阀根据“串联减压式”和“并联溢流式”，又分为调速阀和溢流节流阀两种主要类型。

本设计选用串联减压式调速阀。

二、方向控制阀

方向控制阀是改变压缩空气流动方向和气流通断状态，使气动执行元件的动作或状态发生变换的控制阀，其通常可分为单向型控制阀和换向型控制阀两类。

1.单向型控制阀

单向阀是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀，是最简单的单向型方向阀。

在气动系统中，单向阀除单独使用之外，经常与流量阀、换向阀和压力阀组合成只能单向控制的阀。

单向调速阀就是单向阀与节流阀并联而成。

单向调速阀是把节流阀芯分成了上阀芯和下阀芯两部分。

当流体正向流动时，其节流过程与调速阀是一样的，节流缝隙的大小可通过手柄进行调节；当流体反向流动时，靠流体的压力把阀芯压下，下阀芯起单向阀作用，单向阀打开，可实现流体反向自由流动。

当正向流动时，经过节流阀节流。

当反向流动时，单向阀打开，不能节流。

2.换向型控制阀

换向型方向控制阀按控制方式分类，分为气压控制、电磁控制、人力控制。

换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同来变换不同管路间的通断关系，实现接通、切断，或改变流体方向的阀。

它的用途很广，种类也很多。

按换向阀的操纵方式有：

手动式、机动式、电磁式、液动式、电液动式、气动式。

4

图3-4双电控气阀示意图

注意：

双电控电磁阀的两个电控信号不能同时为“1”，即在控制过程中不允许两个线圈同时得电，否则，可能会造成电磁线圈烧毁，当然，在这种情况下阀芯的位置是不确定的。

三、辅助元件

辅助元件是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的。

可分为气源净化装置和其他辅助元件两大类。

1.源净化装置

过滤器、调压阀和油雾器等组合在一起称为空气处理单元，又称为气动三联件。

压缩的空气中含有各种杂质，这些杂质的存在会降低气动元件的耐用度和性能，造成误动作和事故，必须清除。

空气处理单元就是用来清除压缩空气的杂质，提高空气质量的元件。

2.消声器

消声器是降低排气噪声的装置。

压缩空气完成驱动工作后，由换向阀的排气口排入大气。

此时的压缩空气是以接近音速的状态进入大气，由于压力的骤然变化，使空气急速膨胀从而发出噪音，其音量一般为80dB～100dB，为了改善劳动条件，应使用消声器。

常用的消声器有三种类型吸收型、膨胀型和吸收膨胀型。

吸收型消声器是依靠吸声材料来消声的。

膨胀型消声器的结构比较简单，相当于一段比排气口径大的管件，当气流通过时，让气流在其内部扩散、膨胀、碰壁撞击、反射、相互干涉而消声。

吸收膨胀型消声器是上述两种的结合。

气流由斜孔引入，气流束相互撞击、干涉、进一步减速，再通过设在消声器内表面的吸声材料消声，最后排向大气。

本设计选用膨胀型消声器。

§3.2分拣站的执行元件

§3.2.1气动执行元件

分拣站的执行元件是以压缩空气为工作介质产生机械运动，并将气体的压力能转变为机械能的能量转换装置，如气缸输出直线往复式机械能，摆动气缸输出回转摆动式机械能。

分拣站中的气缸为输出直线往复式气缸，气缸是气动执行元件之一。

目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。

水平伸缩气缸选用单活塞杆双作用气缸。

单活塞杆双作用气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等组成。

其工作原理：

对于前伸/回缩气缸，当左侧无杆腔进气，右侧有杆腔排气时活塞杆前伸，反之，活塞杆回缩；对于上升/下降气缸，当上侧无杆腔进气，下侧有杆腔排气时，活塞杆下降，反之活塞杆上升。

分拣站中用导弹是标准作用直线气缸

标准气缸是指气缸的功能和规格是普遍使用的、结构容易制造的、制造厂通常作为通用产品供应市场的气缸。

（a）气动回路图（b）电气回路图

图3-5单汽缸自动往复回路

直线气缸是指活塞的往复运动均由压缩空气来推动。

直线气缸具有结构简单，输出力稳定，行程可根据需要选择的优点，但由于是利用压缩空气交替作用于活塞上实现伸缩运动的，回缩时压缩空气的有效作用面积较小，所以产生的力要小于伸出时产生的推力。

气缸的理论输出力，普通单作用气缸（预伸型）理论拉力为：

理论拉力：

式中：

D缸径（m）,d—活塞杆直径（m）,p—工作压力（Pa）,Ft1—复位弹簧预压量及行程所产生的弹簧力（N）,Ft2—复位弹簧预紧力（N）

为了使气缸的动作平稳可靠，应对气缸的运动速度加以控制，常用的方法是使用单向节流阀来实现。

单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量控制阀，常用于控制气缸的运动速度，所以也称为速度控制阀。

有触点式的磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件。

舌簧开关成型于合成树脂块内，并且一般还有动作指示灯、过电压保护电路也塑封在内。

带磁性开关气缸的工作原理。

当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。

触点闭合或断开时发出电控信号，在PLC的自动控制中，可以利用该信号判断推料及顶料缸的运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推出或气缸是否返回。

§3.3传动机构

§3.3.1直流伺服电机的认识与选择

传动机构如图3-6所示。

采用的是ZJ系列的直流伺服电机，用于拖动传送带从而输送物料。

它主要由电机支架、电动机、联轴器等组成。

图3-6传动机构

直流伺服电机是传动机构的主要部分，电动机转速的快慢由电压信号来控制的，其作用是带传送带从而输送物料。

电机支架用于固定电动机。

联轴器由于把电动机的轴和输送带主动轮的轴联接起来，从而组成一个传动机构。

在安装和调整时，要注意电动机的轴和输送带主动轮的轴要保持在同一直线上。

其中直流无刷电机应用较为广泛.

无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。

控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。

电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境

这种电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。

电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：

接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

直流电动机的工作特性，下面说明它们的变化规律。

图3-7直流电动机的工作特性

根据直流电动机电动势平衡方程式，可得转速特性为：

3-1

从式（3-1）可见，当电枢电流

增加时，如气隙磁通中不变，转速

将随

的增加而直线下降。

一般他励直流电动机电枢回路电阻

的值很小，转速下降不多。

如果考虑去磁的电枢反应，

会变小，转速下降会更小些。

由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。

§3.4伺服控制器的认识

伺服控制器是用来控制伺服马达的一种器件，一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现搞精度的传动系统定位。

从结构上看，伺服控制器和变频器器差不多，但对元器件的要求精度和可靠性更高。

目前主流的伺服控制器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。

功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击.

§3.5旋转编码器概述

旋转编码器是通过光电转换，将输出至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字信号的传感器，主要用于速度或位置（角度）的检测。

典型的旋转编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形狭缝。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图5-7所示；通过计算每秒旋转编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

一般来说，根据旋