大小球自动分拣系统DOC.docx

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摘要

进入二十一世纪之后，随着人类对科学技术知识的掌握达到了一个新的高度，越来越多的知识转化为实际生产力后，一大批新技术，新设备开始应用在各个领域的生产中。

为了节省生产资料和人工成本，工业机器人及其自动控制系统开始大量装备在工厂里的生产流水线上。

机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，其积极作用正日益为人们所认识，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。

许多发达国家十分对它重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用。

在我国，自主研发的工业机器人在近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果。

在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，为了提高生产效率，本设计拟开发物料搬运机械手，采用的德国西门子S7-200系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制，来设计一种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，目标是使此系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点,可根据不同对象,稍加修改本系统即可实现要求。

关键词：

PLC大小球机械手

Abstract

Enteraftertwenty-firstCentury,alongwithhumanknowledgeofscienceandtechnologyhasreachedanewheight,moreandmoreknowledgeintopracticalproductivity,alargenumberofnewtechnology,newequipmentappliedinvariousfieldsofproduction.Inordertosavetheproductiondataandlabourcost,industrialrobotsandautomaticcontrolsystemtobeginalargenumberofequipmentinthefactoryproductionline.Themanipulatoristheearliestindustrialrobot,istheearliestmodernrobot,itcanreplacepeoplearduouslabortorealizetheproductionmechanizationandautomation,itspositiveroleisincreasinglyrecognized,itcanpartiallyreplacehumanlaborandcanmeettheproductionprocessrequirements,followcertainprogram,timeandlocationtocompleteworkpiecetransfer.Manydevelopedcountriesareonitseriously,andputalotofmanpowerandmaterialresourcestostudyandapply.Inourcountry,theindependentresearchanddevelopmentofindustrialrobotinrecentyearshaverapiddevelopment,andachievedcertainresults.

Intheproductionprocess,oftenonassemblylineproductsofsorting,inordertoimproveproductionefficiency,thisdesignaimstodevelopamanipulator,byGermanSiemensS7-200seriesPLC,themechanicalhandon,aroundandgrabbingmotioncontrol,todesignthesizeoftheballforsortingmachine.Weusetheprogrammabletechnology,combinedwiththecorrespondinghardwaredevice,controlmanipulatortocompleteavarietyofactions,thetargetistomakethissystemhasahighdegreeofautomation,stableoperation,highprecision,easytocontrol,accordingtodifferentobject,minormodificationstothesystemcanreachtherequirements.

Keywords:

PLCSizeofsphericalManipulator

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1课题的背景意义1

1.2课题的目的及要求4

1.3课题目前的发展状况4

1.4设计内容及要求5

2可编程控制器概述6

2.1PLC的产生与定义6

2.2PLC的基本组成及其作用7

2.3PLC的发展10

2.4PLC的应用领域15

2.5PLC的特点17

3大小球分拣系统的控制系统设计19

3.1PLC控制系统设计的原则与内容19

3.2PLC的选型19

3.3大小球分拣系统的功能20

3.4设计思想20

3.5系统的结构21

3.6I/O编址22

3.7机械手分拣系统的接线图23

4大小球分拣系统的软件设计24

4.1自动分拣大小球系统控制程序工作框图24

4.2梯形图概述25

4.3机械手分拣大小球控制程序的梯形图26

结论27

致谢28

参考文献29

附录30

1绪论

1.1课题的背景意义

自动分拣系统（AutomatedSortingSystem）是二次大战后率先在美国、日本的物流中心中广泛采用的一种自动化作业系统，该系统目前已经成为发达国家大中型物流中心不可缺少的一部分。

该系统的作业过程可以简单描述如下：

流动中心每天接收成百上千家供应商或货主通过各种运输工具送来的成千上万种商品，在最短的时间内将这些商品卸下并按商品品种、货主、储位或发送地点进行快速准确的分类，将这些商品运送到指定地点（如指定的货架、加工区域、出货站台等），同时当供应商或货主通知物流中心按配送指示发货时，自动分拣系统在最短时间内从庞大的高层货架存储系统中准确找到要出库的商品所在位置，并按所需数量出库，将从不同储位上取出的不同数量的商品按配送进点的不同运送到不同的理货区域或配送站台集中，以便装车配送。

在传统的货物分拣系统中,一般是使用纸制书面文件来记录货物数据,包括货物名称、批号、存储位置等信息,等到货物提取时再根据书面的提货通知单,查找记录的货物数据，人工搜索、搬运货物来完成货物的提取。

在这样的货物分拣系统中,制作书面文件、查找书面文件、人工搬运等浪费了巨大的人力物力,而且严重影响了物流的流动速度。

随着竞争的加剧,人们对物流的流动速度要求越来越高,这样的货物分拣系统已经远远不能满足现代化物流管理的需要，于是新型的自动分拣系统开始被研发，应用于各个领域。

1.1.1现代自动分拣系统的分类

（1）根据定单分拣货物：

如果定单定货数量比较大,可以根据定单,一个人一次提取大量定货。

货物分拣者从无线射频终端进入服务器,选择定单上各种货物,系统会通过射频终端直接向货物分拣者发送货物位置信息,指导分拣者选择最优路径。

货物分拣者在分拣前扫描货柜箱上的条形码标签,如果与定单相符,直接分拣。

（2）零星分拣货物：

小的定单（尤其是5镑以下定货）的分拣或者单一路线货物分拣,直接将定单分组分派给货物分拣者,每个分拣人负责3~4个通道之间的区域。

货物分拣者在自己负责的区域内,携带取货小车进行货物分拣,取货小车上放置多个货箱,一个货箱盛放一个定单的货物。

如果货架上的货物与定单相符,就把货物放进小车上的货箱,并且扫描货箱上条形码序列号。

在货物包装站,打印的包装清单既包括货物条码也包括包装箱序列号。

（3）机械分拣机构：

分拣机构作为传输设备的一部分,是分拣机的主体在物品的传输过程中采用计算机控制的机械动作方式把被分拣物品导入到指定的格口（路向）。

分拣机构的种类很多,有小车倾翻式、小车交叉带式、皮带闸门式、链板滑靴式等多种形式。

（4）计算机控制系统：

分拣机的计算机控制系统主要控制分拣机的运行速度,控制分拣导入机械的启动及运行的时间。

早期的分拣机的控制系统国内外由于控制理念的不一样而有所差异。

欧洲厂家在设计上,习惯于对分拣机上的每一个载体小车进行固定的ID编号,识别后被分拣物品的路向信息与每一个小车的ID编号相关联。

而在同一个格口的译码装置要识别属于本格口不同的小车号码。

我国则惯于被分拣物品的信息与相关的格口关联,与小车本身的编号无关。

相应每个格口的译码器仅认知属于本格口的ID编号的被分拣物品。

（5）格口：

容纳被分拣的物品可以是具有一定容量的滑槽或者是一段传输机构。

其中,传输方式有动力皮带或辊道方式。

1.1.2自动分拣系统中的传输部分

在物流系统中,输送对自动分拣系统的影响在物流系统中传输系统内在分拣机之前的部分称之为输送。

在邮政系统中称之为供件装置。

供件装置一般设有人工辅助工位,对物品进行整理以便于识别分拣信息,控制作业节奏,在一些高速分拣机多个供件装置之间的自动协调,按着分拣机的要求能够控制物品的适度的间隔,并可准确按着节拍同步将物品送到控制系统所规定的分拣机的相应位置,在系统设计中供件系统的效率要充分保证分拣机的需求。

分拣机也是传输系统的一部分,仅仅是在传输过程中可改变物品的路由方向。

分拣机后面可以是多个传输系统在功能上起到传输与存贮两种功能：

如果按着铁路的运输系统进行比喻,物流传输过程中分拣机的作用如同铁路的搬道叉的功能。

它将使物品按着需要进入不同的路向进行输送。

分拣输送设备有以下几种分类的方式：

按承载装置的不同区分,如小车翻盘式、皮带式（平、斜）、钢带式、滚轮分离式，适于普通包裹类及周转箱与盒式包装物品的分拣作业；推式悬挂式、地面链式分拣机适于较重载荷的物品分拣作业；按分拣尺寸大小分类,如邮政领域里的小件分拣机、扁平件分拣机具有高的分拣效率；按分拣机构的机械结构区分,如交叉带式分拣机、滑块式分拣机、翻盘式分拣机、翻板式分拣机、斜行皮带式等。

按分拣过程的物流某种形态可区分为有落差和无落差两种分拣方式。

按工艺流程布置的方式分类,可分为环型布置的分拣机和直线布置的分拣机；按工艺流程的可塑性分类,可分为刚性分拣传输系统和柔性分拣传输系统。

自动分拣传输系统的规划及选型应注意的问题在对分拣系统进行规划时要考虑以下几个因素首先是要根据企业总体业务需求。

经过技术经济分析后,注意先进行工艺设计,然后根据工艺设计厂房,这个次序很重要。

其次，由所设计的工艺流程需要、分拣的业务总量和作业的时间要求,单位时间的处理件数来选择相应的分拣机的分拣效率，分拣的格口数量。

同样在总体上如果考虑使用RFID作为物品的标识,则在分拣的供件过程中将不再需要人工整理物品的可识读面（标签、标识面朝上）,从而较大地提高了自动化的程度和分拣的效率。

分拣技术市场需求是多样性的，如适应易碎物品分拣的无落差分拣技术以及具有高精度控制分拣技术,都会有适度的发展。

无论是哪一种分拣机都要在提高分拣效率上要取得新的发展水平,高速度是分拣技术发展的必然趋势。

根据场地的环境、被分拣的物品尺寸范围、被分拣物品的质量、是否是易碎品、包装方式、包装的标准化程度等来选择分拣机的类型。

例如，受被分拣物品的影响,在一些便利店的物流配送中心有一些诸如酒类、鸡蛋的物品，所选分拣机应该是无落差或者小落差的分拣机，如滑靴式分拣机或交叉带式分拣机。

它们之间具体的区别是：

滑靴式的分拣机比较适宜被分拣的物品尺寸在长度上较长而变化较大、包装规范的物品；在工艺上适合直线布置的分拣机；翻盘小车式的分拣机具备在运行中物品的落差较大但是有圈套承载能力,适用于航站的行李分拣；自动高速扁平件分拣机是在较大图书物流中心的退货流程中,量大而且基本是零册处理的分拣,宜采用这种分拣机。

环型布置分拣机适合工艺设计要求很多的供件席位及大量格口的分拣,因为环形的任何一个格口理论上都可以变成供件席位，属于快聚快散作业工艺方式。

1.1.3自动分拣系统的意义

今天,一个先进的货物分拣系统,对于系统集成商、仓储业、运输业、后勤管理业等是至关重要的。

因为这意味着比竞争对手更快的物流速度,更快地满足顾客的需求,其潜在的回报是惊人的。

建立一个先进的货物分拣系统,结合有效的吞吐量,不但可以节省数万、甚至数千万元的成本,而且可以大大提高工作效率,显著降低工人的劳动强度。

使用这样的货物分拣系统,完全摒弃了使用书面文件完成货物分拣的传统方法,采用高效、准确的电子数据的形式,提高效率,节省劳动力；使用这样的货物分拣系统,不但可以快速完成简单的存储提取,而且可以方便地根据货物的尺寸、提货的速度要求、装卸要求等实现复杂货物的存储与提取；使用这样的货物分拣系统,分拣工人只需简单的操作就可以实现货物的自动进库、出库、包装、装卸等作业,降低了工人的劳动强度,提高了效率；使用这样的货物分拣系统,结合必要的仓库管理软件,可以真正实现仓库的现代化管理,充分实现仓库空间的合理利用,显著提高企业的物流速度,为企业创造、保持市场竞争优势创造条件。

1.2课题的目的及要求

本课题为了更全面系统地与市场接轨，从实用的角度出发，利用已掌握的有关PLC及其的知识实现自动分拣系统控制，该设计分为硬件原理图设计及软件编程两大部分。

通过毕业设计使学生更系统地利用学过的知识，更快更好地投入到社会的工作中。

1.3课题目前的发展状况

自动分拣系统在生产工业中有着举足轻重的作用。

它的可靠性，优越性，应用领域的适用性以及系统的经济效益、成本分拣系统能灵活的与其他物流设备实现无缝连接，如自动化仓库、各种存储站、自动集放链、各种运载工具、机器人等。

实现对物料实物流的分配、对物料信息流的分配和管理。

采用分拣系统，人工分拣、堆置物料的劳动强度大大降低，操作人员无须为跟踪物料而进行大量的报表工作、登单工作，因而显著提高劳动生产率。

另外，非直接劳动力如物料仓库人员、发料员以及运货员工作量的减少甚至取消又进一步直接降低了作业成本。

由于分拣系统运行平稳、安全性高，同时，人工拣取物料的作业量降低，对物品的损坏减少，为顾客假造了更多的价值，为公司赢得了更多的信誉和商机。

我国自动分拣机的应用大约始于1980年代,近期的市场兴起和技术发展始于1997年。

自动分拣的概念先在机场行李处理和邮政处理中心得到应用,然后普及到其他行业。

随着业界对现代化物流的实际需求的增长,各行业对高速精确的分拣系统的要求正在不断地提高。

这一需求最明显地表现在烟草、医药、图书及超市配送领域,并有望在将来向化妆品及工业零配件等领域扩展。

这些领域的一个共同特点是产品的种类繁多、附加值高、配送门店数量多、准确性要求高和人工处理效率低等特点。

随着生产力的需要，自动分拣系统在生产工业领域的一个研究热点，该系统主要有机械手的运用和PLC而自动分拣系统的软件编程是这设计的基础，关系着整个系统的成败。

本文正是以基于机械手中电动机转动为研究对象，并结合PLC软件编程控制进行了一系列研究，最终提出了一整套自动分拣机PLC控制系统实现方案，并进行了实现。

目前在完成这个课题上存在的主要问题和难点是：

（1）机械手的运转方面：

如何通过电动机的转动来实现机械手的上升、下降、夹紧、松开等操作，机械手如何能够将产品分拣出来。

以上这些都将给我们的设计带来难度。

（2）PLC的步进指令编程方面：

首先要把整个控制过程按任务要求分解，如何画出机械手系统控制过程的流程图；分配，确定状态器元件，弄清每个被分配状态器的功能；如何编写程序。

这些都成为解决问题的重点。

1.4设计内容及要求

1.4.1控制要求及设计要求

为实现大小球的分拣控制，所设计系统程序必须实现以下主要功能：

（1）该系统可以完成对大小球的自动识别、自动运送和自动到大球缸或者小球缸释放对应的球；

（2）该系统可以实现控制系统的多种工作方式；

（3）该系统在发生故障时，捡球装置必须进行复位；

（4）能够用PLC实现基本功能。

1.4.2设计任务

（1）初步设计：

了解设计任务，理解系统控制要求；收集相关资料；

（2）硬件设计：

PLCI/O接线图；

（3）软件设计：

控制系统梯形图程序；控制系统语句表程序。

2可编程控制器概述

2.1PLC的产生与定义

2.1.1PLC的产生

20世纪80年代起，人们把各种继电器，定时器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，这就是大家熟悉的传统的的继电器控制器系统。

由于它结构简单，容易掌握，价格便宜，可以满足大部分场合电气顺序逻辑控制的要求，因而在工业控制领域中一直占据着主导地位。

但是继电接触器控制系统具有明显的缺点：

设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能弱，难于实现复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂繁琐，当生产工艺或者对象需要改变时，原有的接线和控制柜就要更换，所以通用性和灵活性就很差。

20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，并且对整个控制系统重新配置。

为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开招标，对新的汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：

（1）编程方便，可现场修改程序；

（2）维修方便，系统插件结构；

（3）可靠性高于继电控制装置；

（4）体积小于继电控制器；

（5）数据可以直接送入管理计算机；

（6）成本可以与继电控制盘竞争；

（7）输入可以是交流115V（美国电压标准）；

（8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可以直接驱动接触器，电磁阀等；

（9）扩展时原系统改变最小；

（10）用户存储器至少扩展到4KB。

以上就是著名的“GM十条”。

这些要求的实质内容是提出了将继电接触器控制的简单易用，使用方便，价格低廉的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。

1969年美国数字设备公司根据上述十点要求，研制出世界上第一台可编程控制器，型号为PDP—14，人们把它称作可编程逻辑控制器（PLCProgrammableLogicController）简称为PLC。

随着微电子技术的发展，20世纪70年代出现了微型处理器和微型计算机，人们将微型技术应用到PLC中，使得它可以发挥更多计算机的功能，不仅用逻辑编程取代了硬连线逻辑，还增加了运算。

数据传送和处理等功能，使其真正成为一种电子计算机工业设备。

随着科技的发展，PLC开始大面积的应用在工业自动控制的生产活动中。

2.1.2PLC的定义

PLC一直在飞速发展中，因此到现在为止，都没有对其下一个准确的定义，国际电工委员会（IEC）1987年2月颁布了终稿，终稿对可编程控制器的定义是：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程，而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”

在该定义中重点说明了三个概念：

即PLC是什么，它具备什么功能，以及PLC及其控制系统的设计原则。

定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具备很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。

这也是区别一般微机控制系统的一个重要特征。

定义强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”。

也是一种计算机；它是“专业为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。

这种计算机采用“面向用户的指令”，因此编程简单。

它能完成逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的功能，并且非常容易和工业控制系统联于一体，易于“扩充”。

应该强调的是，PLC与以往所讲的机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。

由于PLC引入了微处理机以及半导体存储器等新一代电子元件，并用规定的指令进行编程，所以能灵活的修改程序，即它是用软件方式来实现“可编程”的目的。

2.2PLC的基本组成及其作用

PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。

按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。

整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。

另外还有独立的I/0扩展单元与主机配合使用。

主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。

组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。

装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。

CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m，无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。

2.2.1中央处理单元（CPU）

CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。

它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：

（1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；

（2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；

（3）用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；

（4）PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；

（5）将用户程序的执行结果送至输出端。

现代PLC使用的CPU主要有以下几种：

通用微处理器，如8080,8088,Z80A,8085等。

通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。

单片机，如8051等。

单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能UO模块。

位片式微处理器，如AMD2900系列等。

位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。

它主要追求运算速度快，它以4位为一片。

用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。

改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。

位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。

这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。

2.2.2存储器

根