PLC基于步进电机控制的货物检测搬运及仓储系统的设计.docx

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1、维修电工 技师资格考评论文论文题目：基于步进电机控制的 货物检测.搬运及仓储系统的设计与安装 作 者： 职业技能鉴定等级： 单位名称： 单位地址： 指导老师： 2012年 3月 28 日目录摘 要3关键词3前 言4第一章 系统结构及工作原理61.1系统组成61.2 系统工作原理7第二章 系统设计的关键技术82.1 系统设计方案82.2 传感器的检测技术112.3 气动元件概述142.4 步进电动机概述16第三章 系统的硬件设计223.1 PLC的I/O分配表223.2 PLC的硬件接线图243.3步进驱动器参数的选择25第四章 系统的软件设计264.1系统上电.初始化.急停的程序设计264.2

2、 材料分拣小系统的程序设计274.3 机械搬运小系统304.4 平面仓库小系统32第五章 总结34致谢34参考文献35摘 要 工业机械手传送带及系统是流水线自动化生产的重要组成分，它完成了物件的运送、抓取、转移等功能是大规模集成控制的基础工作单元。在以前的控制系统中，大多数是采用继电器作为开关量控制 ，自动化程度低，工作效率偏低，已经不能适应目前的生产需要。本文对传送带、机械手的自动化运行方案进行探讨，在此基础上，设计添加了步进电动机定位这一环节，利用气动原理，从而实现物件的仓储这一功能。 选用三菱公司FX2N-48MT型PLC、三菱FR-A700变频器、三种传感器、型号为SH-2H057的步

3、进驱动器进行传送带的变频节能、物的分拣、物料的转移、物料的定位及物料的仓储的控制系统设计。关键词 传送带 机械手 步进电机 变频器 PLC 自动控制 前 言 自改革开放以来，我国的工业化以非常快的速度在发展着，工业自动化的趋势也是越来越明显，并逐渐取代着原来的大量人工劳动力的生产方式。而在高自动化的流水线上，传送带机械手工作单元可以说是用得最广泛的一种控制技术。现在随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现，工业机械手传送带的设计方案也越来越来先进，越来越趋于完美。随着我国工业生产的飞速发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸 转向 输送或操持焊枪，喷枪，扳手等工具进行加工，装配等作业的自动化，已

4、越 越来越引起人们重视，同时也要求供料机构更加的灵活，柔性化。对机械手的控制系统提出了更高的要求，原来的继电器控制方式已经逐渐不能满足生产的需要。针对这么一个情况我决定论文内容为机械手配传送带。本次论文设计是基于变频器技术、PLC技术、传感器技术、气动技术、电机控制技术的基础上，完成物料的传送和分拣、物料的搬运以及物料的仓储功能。在控制系统设计方面分为三大块，分别为（1）材料分拣小系统（2）机械手搬运小系统（3）平面仓储小系统。材料分拣小系统是在传送带环节上添加电感传感器、光纤传感器、光电传感器分别检测物料的材质、颜色以及确认。另一方面传送带采用变频器控制，实现高速低速传送，以达到节能的目的机

5、械搬运小系统采用五个气缸，利用气动技术，实现机械手的上升、下降、夹紧、放松、左旋、右旋功能。平面仓储小系统是论文的重点。仓库设有8个，每个仓库都有个满库限位，分为仓储4种材料，当机械手把检测过的物料放到指定位置，步进电机根据物料所设定的脉冲数，移动相应的距离，再由气动元件进行仓储。仓储完成，步进电机移动回到初始位置等待下个物料。 步进电机作为辅助电动机，工业上常与单片机或PLC组合工作，本篇论文中利用步进电动机每输出一个脉冲，移动相应距离，而且定位准确这个特性，来代替以往的继电器进行物料运送，从而实现自动化。 第一章 系统结构及工作原理1.1系统组成材料分检搬运仓储系统主要由材料分拣小系统、机

6、械手搬运小系统、材料仓储小系统三个部分组成。其实物图如1-1所示。 图 1-1 实物图 材料分拣小系统由井式出料塔、气动推料机构、传送带、传感器组组成。气动机械手由升降机构、旋转机构、夹紧机构、安装支架等部件组成。平面仓储小系统：由直线导轨、平面库、气动入库机构等组成。1.2 系统工作原理1.2.1 材料分拣小系统：由井式出料塔、气动推料机构、传送带、传感器组成。实现物料出库、物料输送和物料检测的功能。皮带上方安装有三个传感器，分别用来识别颜色（深、浅）、材质（金属）、和数量的功能。图1-2 物料分检小系统结构图1.2.2 机械手搬运小系统：气动机械手由升降机构、旋转机构、夹紧机构、安装支架等

7、部件组成。机械手由三个汽缸分别实现机械手的夹紧放松、摇臂的上升下降、摇臂左右旋转。 图1-3机械手搬运小系统1.2.3 平面仓储小系统：由直线导轨、平面库、气动入库机构等组成。 通过控制物料在直线导轨上的位移，气动入库机构实现不同材料进入到不同的仓库位置。第二章 系统设计的关键技术2.1 系统设计方案2.1.1系统设计总方案 材料分检搬运仓储系统中的传送带传送物料采用变频器控制三相异步电动机实现二段速运行，即传送带上有物料则高速运行，传送带没有物料则低速运行以达到节能的目的。传送带上安装有三个传感器。根据物料的外壳有蓝色和黄色两种颜色，物料的内芯有尼龙和金属两种材质，共有四种组合的物料：蓝色尼

8、龙、蓝色金属、黄色尼龙、黄色金属。所以选用半导体光敏传感器来识别颜色；采用电感传感器来识别材质；确认到位和检测数量的传感器采用光电传感器。材料机械搬运系统采用气动回路机构，令机械手夹紧与放松、上升与下降、左右旋转从而来完成物料的搬运。平面仓储小系统中的物料移动，是采用步进电动机来控制物料在直线上的位移，移动到仓库口，利用推料气缸将物料存入仓库 2.1.2 系统控制策略首先给变频器上电，传送带低速传送，物料由井式出料塔，利用推料气缸，将物料推送到运输带上，运输带高速传送，当物料经过传感器时，光电传感器和电感传感器分别对物料进行检测，识别物料颜色及物料内芯，物料传送到位后，由半导体光敏传感器进行确

9、认。确认完毕，当货物到达指定位置后，机械手（处于手爪松开、临空状态）下降并夹紧货物，运动到位后旋转到下一工位完成搬运过程。其动作过程如下： 图 2-1 机械手运动过程 当物料到达接货区时，步进电动机开始工作，根据之前传感器分辨出的物料颜色材质，步进电动机给出相应的直线移动距离，使物料到达对应的仓库门口，利用推料气缸将物料存入相应的仓库(7.8号为黄色尼龙仓库、5.6号为黄色金属仓库、3.4号为蓝色尼龙仓库、1.2号为蓝色金属仓库)每种材料首先存入相应的偶数（2.4.6.8号）仓库，当该偶数仓库货满时PLC得到信号，传输给步进电动机使物料存入相应的基数(1.3.5.7号)仓库。2.2 传感器的检

10、测技术该系统设计采用了电感传感器、光电传感器、漫射式光电接近开关。2.2.1 电感传感器 电感式传感器的结构原理图如下图所示。它由线圈1、铁芯2 和衔铁3 三部分组成, 在铁芯和衔铁之间留有空气隙。被测物与衔铁相连, 当被测物移动时通过衔铁引起空气隙变化, 改变磁路的磁阻, 使线圈电感量变化。电感量的变化通过测量电路转换为电压、电流或频率的变化, 从而实现对被测物位移的检测。图2-2 电感传感器 图2-3电感式传感器2.2.2 光电传感器光电传感器是一种光电结合的器件。从结构上看,就是将发光元件和受光元件完全封装起来,并将外部光线加以遮断的元件。常用硅光电三极管作受光部分,砷化镓发光二极管作发

11、光部分。发光二极管不属于传感器的范围,这里略加介绍。发光二极管（LED）是靠注入PN 结的载流子自发跃迁产生的自发辐射发光的。发射的是相干光,波长在可见光或红外光区域。发光二极管的开启电压约为12V,发光亮度与流过管子的电流密度有关。光电传感器工作时,在输入端接入电信号,使发光器件发光,而受光器件管芯在此光辐射的作用下输出光电流。通过电-光、光-电两次转换,进行输入端和输出端之间的电的耦合图2-4为一种光电三极管和发光二极管组合的光电耦合器件的结构和外形。 图2-4 结构外形图图2-5光电传感器2.2.3 漫射式光电接近开关“光电传感器” 是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的

12、传感器。其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。光电式接近开关主要由光发射器和光接收器构成。如果光发射器发射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达光接收器的量将会发生变化。光接收器的敏感元件将检测出这种变化，并转换为电气信号，进行输出。大多使用可视光（主要为红色，也用绿色、蓝色来判断颜色）和红外光。按照接收器接收光的方式的不同，光电式接近开关可分为对射式、反射式和漫射式3 种，如图2-15 所示。 图2-6光电式接近开关2.3 气动元件概述2.3.1气缸的作用本次系统设计使用了5个气缸，分别为货物出料气缸，用于把货物推到传送带上，机械手抓紧放松气缸，用于货物的夹紧和放松。旋转气缸，用于

13、机械手的左右旋转。升降气缸，用于机械手的上升与下降。以及货物存储气缸，用于把货物推进仓库。2.3.2气动回路图气动控制回路是本次设计的执行机构之一，该执行机构的控制逻辑控制功能是由PLC实现的。气动控制回路的工作原理如图2-7 所示。空气经过二联件进行压缩过滤，压缩过的气体，分别经过单作用控制阀和双作用控制阀，将过滤过的空气倒出，倒出的空气再经过单向节流阀，单向节流阀是单向阀和节流阀并联而成，如图2-8，单向节流阀可以调节气体的流动强度，从而使气缸的运动速度得以改变。每个气 缸的极限工作位置都装有一个磁性开关，用来确定气缸的工作是否到位。 图2-8节流阀的连接和调整图2.4 步进电动机概述1.

14、 步进电机的工作原理步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。步进电动机可分为磁阻式、永磁式和

15、混合式，步进电动机的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。2. 步进电动机的选择在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是具体的品种选择，根据系统要求，确定步进电动机的电压值、电流值以及有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，从而就可以确定步进电动机的相数和拍数。在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩l T 、额定转矩N T 和运行频率y f ，以确定步进电机的具体规格和控制装置。2.4.2 步进驱动器1. 步进驱动系统的基本组成

16、步进电机驱动系统的基本组成与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电机不会运行的。为了驱动步进电动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该立体仓库控制系统中采用PLC 作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统，如下图所示。 图2-9 驱动系统 2 .步进电机驱动器的原理与选择 步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进

17、电机的转速与脉冲信号的频率成正比所有型号驱动器的输入信号都相同，共有三路信号，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE(此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行)。它们在驱动器内部的接口电路都相同，见下图。OPTO 端为三路信号的公共端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC 是+5V 则可直接接入；如果VCC 不是+5V 则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-1 5mA 的驱动电流，参见图4 和图5。外围提供电平为24V，而输入部分的电平为5V，所以须外部另

18、加1.8K 的限流电阻R。图2-10 输入信号接口电路 图2-11 外接限电流电阻R3.步进电机驱动器的输出信号有两种:.初相位信号：驱动器每次上电后将使步进电机起始在一个固定的相位上，这就是初相位。初相位信号是指步进电机每次运行到初相位期间，此信号就输出为高电平，否则为低电平。此信号和控制系统配合使田，可产生相位记忆功能，其接口如图下。 图2-12初相位接口电路.报警输出信号：每台驱动器都有多种保护措施(如：过压、过流、过温等)。当保护发生时，驱动器进入脱机状态使电机失电，但这时控制系统可能尚未知晓。如要通知系统，就要用到报警输出信号。此信号占两个接线端子，此两端为一继电器的常开点，报警时触

19、点立即闭合。驱动器正常时，触点为常开状态。触点规格：DC24V1A 或AC11OVO3A。 步进电机驱动器细分数的设定要了解“细分”，先要弄清“步距角”这个概念：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。SH 系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定细分数的，您只需根据面板上的提示设定即可。在系统频率允许的情况下，尽量选用高细分数。对于两相步进电机,细分后电机的步距角等于电机的整步步距角除以细分数，例如细分数设定为40、驱动步距角为0.9/1.8的电机，其细分步距角为1.840=0.045。可以看出,步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在40 细分状态时，其步距

20、角只为电机固有步距角的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态驱动上例的电机时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8；而用细分驱动器工作在40细分状态时，电机只转动了0.045，这就是细分的基本概念。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。驱动器细分后将对电机的运行性能产生质的飞跃，但是这一切都是由驱动器本身产生的，和电机及控制系统无关。在使用时，唯一需要注意的一点是步进电机步距角的改变,这一点将对控制系统所发出的步进信号的频率有影响;因为细分后步进电机的步距角将变小，要求步进信号的频率要相应提高。驱动器细分后的主要优点为：a.完全消除了电机的低频振荡。

21、低频振荡(约在200Hz 左右)是步进电机的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果您的步进电机有时要在共振区工作(如走圆弧)，选择细分驱动器是唯一的选择。b.提高了电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约304096。c.提高了电机的分辨率。由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，提高电机的分辨率是不言而喻的。以上这些优点，尤其是在性能上的优点，并不是一个量的变化，而是质的飞跃。所以我们最好选用细分驱动器。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。所以如果用户采用细分驱动器，相数将变 得没有意义足自己步距角的要求。但现

22、在的情况不同了，细分驱动器的出现改变了这种观念，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。所以如果用户采用细分驱动器，相数将变得没有意义。 第三章 系统的硬件设计3.1 PLC的I/O分配表序号名称输入点序号名称输出点0传送带启动XO0脉冲信号Y01电感传感器X11方向信号Y12光纤传感器X22出料电磁阀Y43光电传感器X33夹紧电磁阀Y54推料到位传感器X44机械臂上升电磁阀Y65气缸回位传感器X55机械臂下降电磁阀Y76加紧到位X66机械臂右旋电磁阀Y107放松到位X77机械臂左旋电磁阀Y118上升到位X108允许启动指示灯Y169下降到位X119进仓储电磁阀Y1310左旋到位X12

23、10报警灯Y1411右旋到位X1311报警铃Y1512进库到位X1412变频器正转Y2013进库回位X1513变频器低速Y2114仓库1满库限位X1614变频器高速Y2215仓库2满库限位X1716仓库3满库限位X2017仓库4满库限位X2118仓库5满库限位X2219仓库6满库限位X2320仓库7满库限位X2421仓库8满库限位X2522停止按钮X263.2 PLC的硬件接线图图3-1 外部接线图3.3步进驱动器参数的选择以北京斯达特机电科技发展有限公司生产SH 系列步进电动机驱动器(型号为SH-2H057) 为例，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分组成。SH-2H057 步进电动机

24、驱动器采用铸铝结构，此种结构主要用于小功率驱动器,这种结构为封闭的超小型结构，本身不带风机，其外壳即为散热体，所以使用时要将其固定在较厚、较大的金属板上或较厚的机柜内，接触面之间要涂上导热硅脂，在其旁边加一个风机也是一种较好的散热办法。此步进电机驱动器的电气技术数据为： 图3-2电气技术数据步进驱动器的接线图如图： 图3-3步进驱动器接线图 第四章 系统的软件设计根据前面的分析了解，在软件设计中，我将软件程序设计分为;1.材料分拣小系统 2.机械搬运小系统 3.平面仓储小系统 三大块，采用步进指令SFC的结构来编程。4.1系统上电.初始化.急停的程序设计4.1.1程序梯形图4.2 材料分拣小系

25、统的程序设计4.2.1流程图 4.2.2 程序状态转移图4.3 机械搬运小系统4.3.1流程图4.3.2 程序状态转移图4.4 平面仓库小系统4.4.1流程图4.4.2 程序状态转移图第五章 总结通过了本次的毕业设计，让我感觉到了所学知识的重要性，也发现自己在综合运用所学知识的能力上还差的远，但总体来说，完成这次设计上也有了一些进步，使所学的理论知识和实践融合在了一起，也在问题的处理上有了提高，同时也巩固了所学的知识和技能，为今后参加工作及进一步学习奠定了基础。致谢本论文在选题和设计过程中得到了项老师的精心指导。项老师在设计初期就方案的设计思想进行指导，在查阅参考资料方面给我提供了很大的方便，

26、在关键问题上，给我提出了启发性的建议。当我遇到困难时，项老师给我明确的方向，鼓励我一步一步做的更好。从而使我在这次设计中得到锻炼，增强了我自主学习和动手能力，为今后走向工作岗位打下了良好基础。最后，对各位审阅我的论文的老师深表感谢，并希望给予批评指正。 参考文 1 贺哲荣等 流行PLC实用程序及设计 西安电子科技大学出版社 20062 邹金惠等 可编程控制器及其系统 重庆大学出版社 20023 邓则名等 电器与可编程控制器应用技术 机械工业出版社 19974 钟肇新、彭侃 可编程控制器原理及应用 华南理工出版社 20025 杨公源 常用变频器应用实例 电子工业出版社 2006 6 任致程 实用电动机控制电路350例 人民邮电出版社 2002 7 陈伯时 陈敏逊 交流调速系统 机械工业出版社 20058 郭晋荣 液压与气动技术 西南交通大学出版社 20079 吕泉 现代传感器原理及应用 清华大学出版社 2007。 。 。 38