課程設(shè)計(jì)—材料分揀控制系統(tǒng).doc

材料分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)于東控制系統(tǒng)模擬自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)傳感器采集信號(hào)，利用PLC控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和氣缸的控制，完成對(duì)不同材料的分揀，系統(tǒng)的調(diào)速定位控制可進(jìn)行PID控制主要技術(shù)參數(shù)1電源：AC220V10%（帶保護(hù)地三芯插座）2氣源：0.2Mpa0.85Mpa潔凈壓縮空氣3分揀內(nèi)容：（1）金屬與非金屬料塊（2）某一顏色料塊（3）金屬中某一顏色料塊（4）非金屬中某一顏色料塊（5）金屬中某一顏色料塊和非金屬中某一顏色料塊建議分揀顏色為：紅、黃、藍(lán)；建議分揀材料為：鐵、鋁、塑料4 外形尺寸：800X500X1100 mm2 設(shè)計(jì)方案實(shí)物圖 圖一 材料分揀裝置結(jié)構(gòu)圖(正面)1-輸送帶；2-輸送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)；3-料塊倉(cāng)庫(kù)；4-分類儲(chǔ)存滑道；5-料倉(cāng)料塊檢測(cè)傳感器；6-電感式識(shí)別傳感器；7-電容式識(shí)別傳感器；8-顏色識(shí)別傳感器；9-旋轉(zhuǎn)編碼器；10-手動(dòng)操作盤(pán) 圖二 材料分揀裝置結(jié)構(gòu)圖(后面)12-氣缸；13-氣源過(guò)濾減壓閥；14-電磁閥；15-控制器；16-端子板；17-繼電器；18-功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。材料分揀裝置由料塊倉(cāng)庫(kù)、電動(dòng)輸送帶、自動(dòng)分揀部件、控制器和手動(dòng)操作盤(pán)組成，如圖一和圖二所示。 料塊倉(cāng)庫(kù)是一個(gè)手動(dòng)入庫(kù)自動(dòng)出庫(kù)的部件。使用時(shí)可將料塊放入倉(cāng)庫(kù)中，當(dāng)光電傳感器感測(cè)到料塊時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，即啟動(dòng)輸送帶并由出庫(kù)氣缸將庫(kù)內(nèi)最底層料塊推入輸送帶。 電動(dòng)輸送帶是由交流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶式水平輸送裝置。它將料塊勻速平穩(wěn)的送至自動(dòng)分揀部件。 自動(dòng)分揀部件由傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、微型直線氣缸及滑道組成。當(dāng)傳感器檢測(cè)到相應(yīng)料塊時(shí)，對(duì)應(yīng)的氣缸將其推入應(yīng)去的滑道；當(dāng)料塊的材料或顏色為非分揀要求時(shí)，經(jīng)旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)量后對(duì)應(yīng)的氣缸將其推入應(yīng)去的滑道?？刂破鞑捎肞LC。它接受料倉(cāng)傳感器、各料塊傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、氣缸位置傳感器的信號(hào)，根據(jù)要求分別控制輸送帶電機(jī)和各電磁換向閥。手動(dòng)操作盤(pán)可以通過(guò)按鈕控制裝置的各種動(dòng)作，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行的啟動(dòng)。本裝置還可以與其他裝置聯(lián)機(jī)運(yùn)行（如本廠生產(chǎn)的機(jī)械手模型），構(gòu)成連續(xù)性生產(chǎn)線模型。 正面背面系統(tǒng)框圖3 設(shè)計(jì)內(nèi)容硬件系統(tǒng)1. 電感傳感器電感式接近開(kāi)關(guān)屬于有開(kāi)關(guān)量輸出的位置傳感器，用來(lái)檢測(cè)金屬物體。 它由LC 高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩感應(yīng)頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。 這個(gè)渦流反作用于接近開(kāi)關(guān)，使接近開(kāi)關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化。 由此，可識(shí)別出有無(wú)金屬物體接近，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)的通或斷。本系統(tǒng)選用臺(tái)灣陽(yáng)明的PM18-08N或者autonics的PR18-2DN 電感傳感器。原理圖如下圖。 電感傳感器工作原理圖電感傳感器介紹： 由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測(cè)量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點(diǎn)是：無(wú)活動(dòng)觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長(zhǎng)；分辨率高；靈敏度高；線性度高、重復(fù)性好；測(cè)量范圍寬（測(cè)量范圍大時(shí)分辨率低）；無(wú)輸入時(shí)有零位輸出電壓，引起測(cè)量誤差；對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；不適用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。電感式傳感器主要用于位移測(cè)量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測(cè)量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實(shí)際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動(dòng)式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。2.電容傳感器 電容傳感器也屬于具有開(kāi)關(guān)量輸出的位置傳感器，是一種接近式開(kāi)關(guān)。 它的測(cè)量頭通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是待測(cè)物體的本身。當(dāng)物體移向接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接近開(kāi)關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。由此，便可控制開(kāi)關(guān)的接通和關(guān)斷。本系統(tǒng)選用臺(tái)灣陽(yáng)明的CP18-30N或者autonics的CR1808DN電容傳感器。原理圖如下圖。電容傳感器工作原理圖 電容傳感器介紹：用電測(cè)法測(cè)量非電學(xué)量時(shí)，首先必須將被測(cè)的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量而后輸入之。通常把非電學(xué)量變換成電學(xué)量的元件稱為變換器；根據(jù)不同非電學(xué)量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測(cè)的力學(xué)量（如位移、力、速度等）轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無(wú)源變換器，需要將所測(cè)的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進(jìn)行放大和處理。力學(xué)量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無(wú)不與長(zhǎng)度有著密切聯(lián)系的量；這些量又都是通過(guò)長(zhǎng)度或者長(zhǎng)度比值進(jìn)行測(cè)量的量，而其測(cè)量方法的相互關(guān)系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學(xué)量變化相當(dāng)緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測(cè)量極小距離或位移時(shí)要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實(shí)現(xiàn)高分辨率要求，在精密測(cè)量中所普遍使用的差動(dòng)變壓器傳感器的分辨率僅達(dá)到15 m數(shù)量級(jí)；而有一種電容測(cè)微儀，他的分辨率為0.01 m，比前者提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，最大量程為1005 m，因此他在精密小位移測(cè)量中受到青睞。 對(duì)于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢變化或微小量的測(cè)量，一般來(lái)說(shuō)采用電容式傳感器進(jìn)行檢測(cè)比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：(1)測(cè)量范圍大其相對(duì)變化率可超過(guò)100%；(2)靈敏度高，如用比率變壓器電橋測(cè)量，相對(duì)變化量可達(dá)10-7數(shù)量級(jí)；(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，因其可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量，也可靜態(tài)測(cè)量；(4)穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無(wú)機(jī)材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射下長(zhǎng)期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測(cè)難題。3.顏色傳感器選用歐姆龍的E3S-VS1E4或者松下的LX-101顏色傳感器。此傳感器為RGB(紅綠藍(lán)) 顏色傳感器，可檢測(cè)目標(biāo)物體對(duì)三基色的反射比率，從而鑒別物體顏色，內(nèi)置了色敏電阻，是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光輻射探測(cè)器件。顏色傳感器介紹：將物體顏色同前面已經(jīng)示教過(guò)的參考顏色進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)顏色的機(jī)器我們稱之為顏色傳感器。顏色識(shí)別在現(xiàn)代生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，無(wú)論是遙感技術(shù)，工業(yè)過(guò)程控制，材料分揀識(shí)別，圖像處理，產(chǎn)品質(zhì)檢，機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)，還是某些模糊的探測(cè)系統(tǒng)都需要對(duì)顏色進(jìn)行探測(cè)，而顏色傳感器的飛速發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程中長(zhǎng)期由人眼起主導(dǎo)作用的顏色識(shí)別工作將越來(lái)越多地被顏色傳感器所替代。 能將物體的表面顏色轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓或頻率輸出，應(yīng)用在彩監(jiān)視器的校準(zhǔn)裝置；彩色打印機(jī)和繪圖儀；涂料、紡織品和化妝品制造，以及醫(yī)療方面的應(yīng)用，如血液診斷、尿樣分析和牙齒整形等。4. 光電傳感器光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測(cè)出其接收到的光強(qiáng)的變化。用來(lái)檢測(cè)物體有無(wú)的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備，發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個(gè)真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈做為光源。這些小而堅(jiān)固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。本系統(tǒng)選用FPG系列小型放大器內(nèi)藏型光電傳感器。原理如下圖所示，其中負(fù)載可接至PLC。 FPG光電傳感器原理圖光電傳感器介紹：光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢?jiàn)光轉(zhuǎn)換成某種電量的傳感器。光電傳感器采用光電元件作為檢測(cè)元件，首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件3部分組成。光電傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光敏器件。它可用于檢測(cè)直接引起光強(qiáng)變化的非電量，也可用來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多。傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，體積小。近年來(lái),隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電式傳感器已成為系列產(chǎn)品，其品種及產(chǎn)量日益增加，用戶可根據(jù)需要選用各種規(guī)格的產(chǎn)品，它在機(jī)電控制、計(jì)算機(jī)、國(guó)防科技等方面的應(yīng)用都非常廣泛。 5. 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)傳輸帶輸送物料前行，與旋轉(zhuǎn)編碼器連接在一起?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)，來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。 同時(shí)，可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制材料分揀裝置的可編程控制系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，達(dá)到調(diào)速的目的。6. 空氣壓縮機(jī)空氣壓縮機(jī)是本材料分揀系統(tǒng)裝置中不可缺少的部分 ，它是將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置。空氣壓縮機(jī)的種類很多，按工作原理可分為容積型壓縮機(jī)和速度型壓縮機(jī)。容積型壓縮機(jī)的工作原理是壓縮氣體的體積，使單位體積內(nèi)氣體分子的密度增加以提高壓縮空氣的壓力；速度型壓縮機(jī)的工作原理是提高氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度，使氣體分子具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，從而提高壓縮空氣的壓力。 空氣壓縮機(jī)的選擇主要依據(jù)氣動(dòng)系統(tǒng)的工作壓力和流量。氣源的工作壓力應(yīng)比氣動(dòng)系統(tǒng)中的最高工作壓力高20%左右，因?yàn)橐紤]供氣管道的沿程損失和局部損失。如果系統(tǒng)中某些地方的工作壓力要求較低，可以采用減壓閥來(lái)供氣?？諝鈮嚎s機(jī)的額定排氣壓力分為低壓（0.71.0MPa）、中壓（1.010MPa）、 高壓（10100MPa）和超高壓（100MPa以上）。本實(shí)驗(yàn)鑒于不需要提供電磁閥過(guò)大的壓力（能彈出物料即可），故將氣壓調(diào)整在0.2Mpa左右。基于本分揀系統(tǒng)的工作要求選用的是威普德?tīng)柟I(yè)機(jī)械系列的標(biāo)準(zhǔn)型GL-2.0渦輪空氣壓縮機(jī)，產(chǎn)品性能優(yōu)越，效率高，運(yùn)行可靠。主要是因?yàn)樗w積少、重量輕、結(jié)構(gòu)精密、運(yùn)動(dòng)部件少、無(wú)磨損。7. (氣動(dòng))電磁閥 電氣轉(zhuǎn)化組件將電訊號(hào)轉(zhuǎn)化為氣動(dòng)訊號(hào)，電氣訊號(hào)輸入控制了氣動(dòng)輸出。最常用的電-氣轉(zhuǎn)換組件是電磁閥(Solenoid actuated valves) 。電磁閥既是電器控制部分和氣動(dòng)執(zhí)行部分的接口，也是和氣源系統(tǒng)的接口。電磁閥接受命令去釋放，停止或改變壓縮空氣的流向，在電-氣動(dòng)控制中，電磁閥可以實(shí)現(xiàn)的功能有：氣動(dòng)執(zhí)行組件動(dòng)作的方向控制，ON/OFF開(kāi)關(guān)量控制，OR/NOT/AND 邏輯控制。在電磁閥家族中，最重要的是電 磁控制換向閥(Solenoid actuated directional control valves) 電磁控制換向閥的工作原理：在氣動(dòng)回路中，電磁控制換向閥的作用是控制氣流通道的通、斷或改變壓縮空氣的流動(dòng)方向。主要工作原理是利用電磁線圈產(chǎn)生的電磁力的作用，推動(dòng)閥芯切換，實(shí)現(xiàn)氣流的換向。按電磁控制部分對(duì)換向閥推動(dòng)方式的不同，可以分為直動(dòng)式電磁閥和先導(dǎo)式電磁閥。直動(dòng)式電磁閥直接利用電磁力推動(dòng)閥芯換向，而先 導(dǎo)式換向閥則利用電磁先導(dǎo)閥輸出的先導(dǎo)氣壓推動(dòng)閥芯換向。軟件設(shè)計(jì)分揀系統(tǒng)的I/O地址分配輸入對(duì)應(yīng)輸入輸出對(duì)應(yīng)輸出I0.0編碼器輸入Q0.0出料口動(dòng)作I0.1倉(cāng)儲(chǔ)傳感器輸入Q0.1分揀鐵動(dòng)作I0.2鐵傳感器Q0.2分揀鋁動(dòng)作I0.3鋁傳感器Q0.3分揀黃白動(dòng)作I0.4顏色傳感器Q0.4分揀藍(lán)動(dòng)作I0.5出料口氣缸外定位Q0.5控制電機(jī)I0.6鐵質(zhì)物料分揀氣缸外定位I0.7鋁質(zhì)物料分揀氣缸外定位I1.0顏色物料分揀氣缸外定位I1.1其他物料氣缸外定位I1.2自動(dòng)/手動(dòng)切換開(kāi)關(guān) PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)1：開(kāi)關(guān)打開(kāi)后啟動(dòng)電機(jī)，讓傳送帶工作網(wǎng)絡(luò)2: SM0.1初始化脈沖，若倉(cāng)儲(chǔ)傳感器檢測(cè)到物料而且開(kāi)關(guān)打開(kāi)則RS觸發(fā)器輸出1，即出料口動(dòng)作，彈出一個(gè)物料。因?yàn)椴⑿嘘P(guān)系，同理如果鐵，鋁，顏色，其他物料傳感器檢測(cè)到物料動(dòng)作后，同樣可以讓料倉(cāng)彈出一個(gè)新的物料。復(fù)位端接I0.5，即出料后，RS觸發(fā)器輸出0讓推桿收回網(wǎng)絡(luò)3：若編碼器有脈沖輸入，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，則增計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作通過(guò)計(jì)量步進(jìn)電機(jī)圈數(shù)來(lái)確定物料位置。當(dāng)預(yù)設(shè)值PV大于450是C0接通。若鐵，鋁，顏色，其他物料傳感器檢測(cè)到物料動(dòng)作后復(fù)位到0重新計(jì)數(shù)，當(dāng)鐵，鋁，顏色物料被分揀后，避免繼計(jì)數(shù)重復(fù)分揀動(dòng)作。網(wǎng)絡(luò)4：計(jì)數(shù)值到后，C0接通，在開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的狀態(tài)下，Q0.4得電，分揀其他物料（藍(lán)色物料）網(wǎng)絡(luò)5：鐵傳感器檢測(cè)到物料，I0.2動(dòng)作，在開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的狀態(tài)下，Q0.1得電，分揀鐵物料網(wǎng)絡(luò)6：鋁傳感器檢測(cè)到物料，I0.3動(dòng)作，在開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的狀態(tài)下，Q0.2得電，分揀鋁物料網(wǎng)絡(luò)7：顏色傳感器檢測(cè)到物料，I0.4動(dòng)作，在開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的狀態(tài)下，Q0.3得電，分揀顏色物料（黃色，白色物料）網(wǎng)絡(luò)8：I0.1取反，即料倉(cāng)無(wú)料后開(kāi)始計(jì)時(shí)，連接通電延時(shí)計(jì)時(shí)器T33，精度為10ms，預(yù)設(shè)值PT為30，T33計(jì)數(shù)達(dá)到30次時(shí)，T33閉合網(wǎng)絡(luò)9：通過(guò)比較指令當(dāng)T33大于等于3000時(shí)，在開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的狀態(tài)下，經(jīng)取反，Q0.5失電，停止電機(jī)，進(jìn)而停止傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)網(wǎng)路10：通過(guò)比較指令當(dāng)T33大于等于3200時(shí)，在開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的狀態(tài)下，M0.5工作，停止計(jì)數(shù)器4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)往倉(cāng)儲(chǔ)中添加多個(gè)物料時(shí)，系統(tǒng)成功完成分離各個(gè)物