机械手分拣大小球课程设计

摘要

随着经济不断发展，人们的生活水平不断提高，将PLC应用到分离机的电气控制系统，可实现分离机的自动化控制，降低系统的运行费用。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。

目录

摘要 ................................................................................................... 0 第一章 PLC应用系统设计基础知识 ....................................... 2

1.1 可编程控制器的产生与发展 ............................................. 2 1.2 可编程控制器的用途及特点 ............................................. 4 1.3 可编程控制器基本工作原理 ............................................. 5 1.4 PLC控制系统设计的原则和内容..................................... 6 1.5 PLC的选型......................................................................... 7

第二章 PLC在大小球的分拣系统中的设计 .......................... 9

2.1 大、小球分栋传送机械示意图 ......................................... 9 2.2 分拣系统的控制要求 ....................................................... 10 2.3 大小球分拣的设计思想 ................................................... 11 2.4 I/O编址............................................................................. 12 2.5 机械手分拣球控制系统的接线图 ................................... 13

第三章 软件设计.......................................................................... 14

3.1 顺序功能图概述 ............................................................... 14 3.2 机械手分拣大小球控制程序流程图 ............................... 15 3.3 机械手分拣大小球控制程序的梯形图 ........................... 17 3.4 机械手分拣大小球控制程序的指令表 ………………..23

第四章 总结 ................................................................................ 27 参考文献......................................................................................... 28

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第一章 PLC应用系统设计基础知识

1.1 可编程控制器的产生与发展

可编程控制器（Programmable Controller，PC），是近几年迅速发展并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置。早期主要用于计数、定时以及开关量的逻辑控制，为了和个人计算机相区别，把可编程控制器缩写为PLC（Programmable Logic Controller ）。 国际电工委员会（IEC）于1985年发布的可编程器标准草案中，对可编程控制器的定义如下。“可编程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的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”

早期的可编程控制器主要有分立元件和中小规模集成电路组成。随着微电子计数和集成电路的发展，特别是微处理器和微计算机的迅速发展，在20世纪70年代中期，美、日、德等国的一些厂家在可编程控制器中开始引入微处理器及其他大规模集成电路芯片，是可编程控制器具有了自诊断功能，可靠性有了大幅提高，性能价格比产生了新的突破。到20世纪80年代可编程控制器都采用了微处理器、只读

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存储器、随机存储器或是单片机作为其核心，处理速度大大提高。20世纪90年代末，PLC几乎完全计算机化，速度更快，功能更强，各种智能模块不断被开发出来，不断地扩展着它在各类工业控制过程中的作用。

现在，PLC，不仅能进行逻辑控制，在模拟闭环控制、数字量智能控制。数据采集、监控、通信联网及集散控制系统等各发面都得到了广泛用用。展望未来，可编程控制器在规模和功能上将向两大方向发展：一是大型可编程控制器向高速、大容量和高功能方向发展。二是发展简易经济的超小型可编程控制器，以适应单机控制及小型设备自动化的需要。

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1.2 可编程控制器的用途及特点

简要概括PLC的用途如下：

(1)数字量逻辑控制 这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器逻辑控制。含触点的串、并联及组合逻辑控制、定时。计数控制等。可用于单机控制。多机控制、生产自动线控制。

(2)运动控制 PLC使用专用运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、三轴和多轴位置控制。

(3)过程控制 通过模拟量I/O模块PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。

(4)数据处理 现代可编程控制器具有数学运算、数据传送、转换、查表、排序、微操作等功能。可以完成数据的采集处理。

(5)通信联网 可编程控制器通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台可编程器之间的通信、可编程控制器与其他智能控制设备，极大地提高了控制的可靠性。

简要概括PLC的特点如下： (1)可靠性高，抗干扰能力强 (2)配套齐全，适应性强，应用灵活 (3)编程方便，易于使用

(4)功能强，拓展能力强，性价比高 (5)PLC控制系统设计、安装、调试方便 (6)维修方便，维修工作量小

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2.2 分拣系统的控制要求

大小球分拣的控制功能要求：

1）机械臂起始位置在机械原点，为左限、上限并有显示。

2）有启动按钮和停止按钮控制运行，停止时机械臂必须已回到原点。 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）→右行返回（至原点）。 4）机械臂右行时有小球右限（LS4）和大球右限（LS5）之分：下降时，当电磁铁压着打球时，下限开关LS2断开（=“0”）；压着小球时，下限开关LS2接通（=“1”）。

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2.3 大小球分拣的设计思想

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，捡球装置下行，一直到极限开关闭合。此时，若碰到的是小球，则下限开关为断开状态；若碰到的是大球，则下限开关为闭合状态。

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，将大球释放到大球箱里，然后返回到原位。

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2.4 I/O编址

输入地址 对应的外部设备 I0.0 停止按钮 输出地址 对应设备的操作 Q0.0(M10.1，机械臂下降 M10.2) I0.1 启动按钮 Q0.1（M11.1，机械臂抓球 M11.2） I0.2 左移限位开关 Q0.2(M10.3，机械臂上升 M10.4，M10.5) I0.3 下移限位开关 Q0.3(M12.1，机械臂右移 M12.2) I0.4 I0.5 I0.6 定时器 T37 T38

上移限位开关 小球右移限位开关 大球右移限位开关 定时时间 2S 2S Q0.4 Q0.5 定时器 T39 T40 机械臂左移 原点 定时时间 2S 2S 12

2.5 机械手分拣球控制系统的接线图

图2.2 机械手分拣大小球的I/O接线图

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第三章 软件设计

3.1 顺序功能图概述

顺序控制就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，使生产过程中各个执行机构自动而有序的进行工作。本设计由于整个动作过程都是按照一定的顺序 进行的，故使用顺序控制法比较容易。

顺序控制设计法是一种先进的设计方法，很容易被接受，也很适合广大学者的学习，因为在现在很多工厂所使用的机械，其大多都是按照一定的先后动作进行运作的。其程序的调试、修改和阅读也很容易，并且大大缩短了设计周期，提高了设计效率。 绘制顺序功能图的注意事项：

（1）两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们隔开。 （2）两个转换绝对不能直接相连，必须用一个步将它们隔开。 （3）顺序功能图中的初始步一般对应于系统等待启动的初始状态，初始步可能没有输出处于ON 状态，但初始步是必不可少的。 （4）自动控制系统应能多次重复执行同一工艺过程，因此在顺序功能图中一般应有由步和有向连线组成的闭环。

（5）在顺序功能图中，只有当某一步的前级步是活动步时，该步才有可能变成活动步。

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3.2 机械手分拣大小球控制程序流程图

根据要求，该控制流程根据吸住的是（大球、小球）有两个分支，此处应为分支点，且属于选择性分支。分支在机械臂下降之后根据接近开关（I0.3）的通断，分别将球吸住、上升、右行到大、小球右限开关，此处应为汇合点。然后再下降、释放、上升、左移到原点。

图3.1 分拣大小球程序控制流程

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当PLC在RUN方式下第一个扫描周期SM0.1置1，使S0.0得电，按下启动按钮I0.1机械臂下降，当下降碰到下限开关I0.3时停止下降，选择小球（当吸的是大球时I0.3不动作，且M11.2得电），M11.1得电，捡球装置给平板处的电磁线圈通电，捡球平板产生电磁吸力吸住钢球，开始上升，碰到上限开关I0.4后开始右行，I0.5为小球右限位开关，I0.6为大球右限位开关，在右行的过程中，如果吸住的是大球，M12.2得电，则要到碰到I0.6才停止右行，S1.0得电，下降一段时间后,碰到下限开关I0.3，S1.1得电，释放大球，放球完毕后S1.2得电上升到上限开关I0.4位置停止上升，S1.3得电，开始左行，碰到左极限I0.2停止左行；而如果是吸住的小球，则在右行的时候碰到I0.5就停止右行，S1.0得电，下降一段时间后,碰到下限开关I0.3，S1.1得电，释放小球，放球完毕后S1.2得电上升到上限开关I0.4位置停止上升，S1.3得电，开始左行，碰到左极限I0.2停止左行。如此循环不断的进行捡球和放球的过程，直到按下停止按钮，系统才停止工作并回到原点位置。

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3.3 机械手分拣大小球控制程序的梯形图

梯形图的设计 绘制梯形图时要注意很多细节性的知识，设计中选用的是FX系列的可编程控制器，其设计必须遵循FX系列可编程控制器梯形图的设计方法。

FX系列可编程控制器梯形图的设计具有以下几个原则： （1）水平不垂直，即梯形图的接点应画在水平线上,不能画在垂直分支上。

（2）线圈右边无接点，即不能将接点画在线圈右边,只能在接点的右边接线圈。

（3）有串联电路并联时,应将接点最多的那个串联回路放在梯形图最上面。有并联电路相串联时,应将接点最多的并联回路放在梯形图的最左边。

（4）双线圈输出不可用。

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3.2，共有55个网络。

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