本科毕业设计基于plc技术的异直径钢珠分拣系统.docx

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本科毕业设计基于plc技术的异直径钢珠分拣系统

摘要

一个国家综合国力的衡量标准就是工业的发达程度。

而轴承的性能、寿命及可靠性又代表着一定的工业发展程度，轴承的质量不仅取决于设计、制造还取决于检测环节。

检测环节中常出现的问题就是检测误差，误差是影响滚珠质量的关键因素。

在实际生产中造成检测误差值的因素有两点，一是测量量大，二是人工测量存在读数误差。

为了提高生产中滚珠的测量精准度，本文中设计了一种由PLC控制的滚珠直径分拣系统，通过机械传送、传感测量的方式完成滚珠的自动检测与分拣，该系统不仅提高测量精度还提高了分拣的效率。

本设计的要求是，推杆将滚珠推到限位挡板处，到达挡板后，钨钢测头测量直径误差，将所得数字信号转换为电模拟信号并经放大电路放大后送到PLC的模拟量处理模块，据此打开相应的电磁翻板，再由推杆将滚珠送到不同的分料箱。

此系统既可节约成本、提高测量精度，又能提高分拣效率，有广阔的市场发展前景。

关键词：

PLC精密测量滚珠分拣

Abstract

Themeasureofacountry'scomprehensivenationalstrengthisadevelopedindustry.Andbearingperformance,lifeandreliabilityofrepresentsacertaindegreeofindustrialdevelopment,thequalityofthebearingdependsnotonlyonthedesign,manufacturealsodependsonthetestlink.Inspectionprocessesoftenappearstheproblemiserror,errorisakeyfactoraffectingthequalityofball.Valueerrorcausedintheactualproductiontherearetwofactors,oneismeasuredquantityisbig,thesecondisartificialmeasurementreadingerrorexists.Inordertoimprovethemeasurementaccuracyoftheproductionofballbearing,thisarticledesignsakindofballdiametersortingsystemcontrolledbyPLC,completedbymeansofmechanicaltransmission,sensormeasuringrollerautomaticdetectionandsorting,thesystemnotonlyimprovemeasurementaccuracybutalsoimprovethesortingefficiency.

Therequirementsofthisdesignisthatthepushrodtopushtheballtothelimitbaffle,arrivingatbaffle,thetungstenprobediametermeasurementerror,proceedstoanalogsignalanddigitalsignalisconvertedtoelectricitybyamplifyingcircuittoenlargePLCanalogprocessingmodule,magneticflapopenaccordingly,byputtingtheballagaintodifferentcontainer.

Thissystemcannotonlysavecosts,improvethemeasurementprecision,andcanimprovetheefficiencyofsorting,havebroadmarketprospects.

Keywords:

PLCprecisionmeasuringballsorting

2.1PLC的选型………………………………………………………………………………………………………8

3.1PLC程序设计基本步骤…………………………………………………………………………………...25

第五章致谢………………………………………………………………………………………………………29

参考文献………………………………………………………………………………………………………………..30

第一章绪论

传统的人工滚珠分拣存在浪费劳力、测量误差大等缺点，据此滚珠自动分拣装置应运而生，此装置可以代替高精度需求或大量单调往复的工作，它可以分拣物品、代替人的繁锁劳动。

此装置可以广泛应用于机械制造行业实现生产的自动化分拣。

自动分拣系统通常由输送装置、测量装置、分拣装置、控制装置构成。

 控制装置的作用是接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求进行自动分类。

这些分拣需求可以通过不同的途径，例如通过检测、键盘输入、重量、条形码扫描、高度检测及形状识别等途径，输入到分拣控制系统中，控制系统根据这些分拣信号，来判定该商品该进入哪一个分拣道口。

本设计根据检测装置对滚珠直径的测量，从而进行实现滚珠的分类。

本设计用PLC对物料分拣进行控制，并使用必要的精密传感器，使其能够对物料按预先设定的程序进行分拣。

PLC控制其实是预先设定好程序然后对物料进行分拣的自动化装置，该设计代替了人工单调持久的作业。

本设计主要完成分拣系统的硬件选型与软件设计。

1．1系统研究的意义

自动分拣系统目前主要应用在制造业中，主要用在电器制造、机械制造、汽车制造、塑料加工、金属加工等工业。

其优越性如下：

1．能大批量、连续地分拣货物  在大的生产流水线自动作业中，自动分拣系统可以不受天气、时间、人的体力等限制，连续运行。

自动分拣系统不仅能够单位时间分拣件数多，而且可以长时间分拣，而人工分拣不仅单位时间工作量小，而且由于人体力的限制，员工不可长时间工作，远远落后于自动分拣。

2.分拣误差率极低  由于自动分拣系统使用高精度传感器测量，所以测量误差值极小，大大地保障了测量的精度要求。

3．实现分拣无人化操作自动分拣系统的使用减少了人员的使用，减轻员工的劳动强度，提高人员的使用效率。

自动分拣系统中人员的使用仅局限于控制分拣系统的运行，分拣线尾端由人工将分拣出来的物料进行打包、储存，自动分拣系统的经营、管理与维护也由员工进行。

1．2系统主要研究的内容

本课题主要研究物料分拣系统以下几个方面的内容：

1．滚珠自动分拣装置执行系统的分析与选择

该执行系统由传动部件与机械构件组成，主要包括落料斗、气缸、测微器、挡板、电磁翻板等，在选择这些构件时本着结构简单、经济、运动精准的原则。

2．滚珠分拣装置驱动和传感系统的分析与选择

驱动系统是提供执行系统各部分动力的装置，主要包括电磁阀，电磁阀驱动器，本设计选择电气驱动的方式。

传感系统是检测系统中动作知否到位的装置，包括光电传感器，位置传感器。

3．滚珠分拣装置控制系统的设计

控制系统是分拣装置的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要求和时序进行动作。

本系统采用可编程控制器（PLC）对各执行机构进行控制，主要包括对PLC的型号选择、I/O口的选择、I/O接线、程序流程图绘制等。

1.3系统控制要求

1.3.1滚珠直径分拣系统控制系统示意图

滚珠直径分拣系统示意图如下图所示。

系统由1个推料气缸、1个落料管、1个电感测微器、1个限位挡板7个料斗及料斗电磁翻板组成。

在落料管的底部装有缺料传感器B0，有料时为0，无料时为1；推料气缸为双向作用气缸，由电控阀Ta和Tb控制，当Ta得电时，气缸缩回，Tb得电时气缸伸出；在气缸的两端各自装了1个位置传感器（常开），气缸缩回到位时B8-1为动作，气缸伸出到位时B8-2动作；测量机构的钨钢测头，通过弹簧的作用，可以自然接触被测滚珠，不需要驱动装置，测量机构可根据滚珠直径误差大小输出-10～+10V的电压信号；限位挡板装有位置传感器B9（常开），挡板伸出到位时B9动作，缩回到位时B9复位；在7个料斗入口处均装有1个光电传感器（B1～B7，常开）及1个（Y1～Y7），每落下一个滚珠，光电传感器就产生一个脉冲信号以便对落下的滚珠进行计数。

滚珠直径分拣系统示意图

1.3.2系统控制说明

初始状态：

各料斗的电磁翻板均处于关闭位置、气缸推杆（Y8）及限位挡板（Y9）处于伸出位置。

在初始状态，按下启动按钮，系统首先检查落料管中有无滚珠，如果没有滚珠则发出报警（按消警按钮可消除警报），补充滚珠后需再次按下启动按钮；如果有滚珠，则推料气缸缩回，被测滚珠由落料管落下，然后推料气缸伸出将滚珠推到钨钢测头的下方，也就是限位挡板的位置，然后钨钢测头开始测试滚珠直径的误差，并将测量值经过D/A转换送到可编程控制器（PLC）的模拟量输入模块。

经可编程控制器（PLC）处理后，根据误差大小来决定具体打开哪一个翻板（Y1～Y7），再由电磁机构将限位挡板抽离，滚珠在推料气缸的作用下落入对应料斗并计数，如果料斗计数满则发出报警信号（按消警按钮可消除警报），更换料斗后可再按启动按钮继续进行滚珠测量；如果料斗计数器未满，则直接进入下一个滚珠的测量，并如此循环。

按停止按钮系统停机并复位：

限位挡板伸出、推料气缸伸出、各电磁翻板关闭。

1.4系统任务分析

把测量机构所产生测量误差值送到可编程控制器（PLC）进行处理,通过PLC转换执行下面的动作。

①如果误差值<15，则将滚珠送入料斗1；

②如果误差值≥15且<30，则将滚珠送入料斗2；

③如果误差值≥30且<45，则将滚珠送入料斗3；

④如果误差值≥45且≤55，则将滚珠送入料斗4；

⑤如果误差值>55且≤70，则将滚珠送入料斗5；

⑥如果误差值>70且≤85，则将滚珠送入料斗6；

⑦如果误差值>85，则将滚珠送入料斗7。

第二章系统的硬件设计

2．1PLC的选型

2.1.1PLC的基本概念

PLC全称为ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

是工业控制的核心部分,如今的PLC不仅在逻辑控制工业领域有很好的应用，在过程控制和运动控制工业领域也起着重要的作用。

本文采用西门子S7-300PLC。

2.1.2PLC的基本结构

可编程控制器主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几组成。

中央处理器是PLC控制器的控制中枢，它能够接受程序和数据，并且能够检查程序中的错误，以及检查与它所连接硬件的状态。

PLC存储器有两个存储区，分别为系统软件存储、应用软件存储。

编程器主要用于程序的输入、修改和监视。

PLC硬件结构如下图所示。

I/O扩展单元

I/O扩展接口

外设接口

编程器

系用

统户

程程

序序

存储器

A

B

其他外设

输出部件

微处理器CPU

输入部件

驱动

接受现场信号

受控原件

电源部分

基本单元

PLC的硬件结构示意图

2.1.3系统中所用的PLC---S7-300的特点

（1）.概述

S7-300是德国西门子公司生产的可编程序控制器（PLC）系列产品之一。

其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。

（2）.S7-300系列出色表现在以下几个方面：

a.能耗低，体积小，重量轻，。

体积小容易装入机械内部，为实现机电一体化提供了有效路径。

b.抗干扰能力强，可靠性高。

高可靠性是电气控制设备的主要性能。

PLC内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时会及时发出警报信号。

应用者也自行可以写入外围设备的故障自诊断程序，使除PLC以外的电路及设备也具有故障自诊断保护功能。

c.易学易用，广受工程技术人员欢迎。

它接口简单，编程语言很容易被工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以轻巧地实现继电器电路的功能。

d.系统的设计、建造工作量小，维护方便，易改造。

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，减少了控制设备外部的接线，缩短控制系统设计及建造的周期，同时维护也很方便。

尤为重要的是，这一特点可以使同一设备经过改变程序就改变生产过程成为可能，这点对于批量生产的企业有巨大的帮助，极大地提高了企业的效益。

e.PLC通信能力的加强及人机界面技术的快速发展，使PLC构成各种控制系统变得轻而易举。

f.规模齐全，功能完善，适用性强PLC有大、中、小各种规模的系列化产品，可根据工业规模选择合适的PLC规模。

除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

2.1.4西门子可编程控制器模块连接

S7-300采用紧凑的，无槽位限制的模块结构，其模块主要有电源模块（PS）、CPU模块、信号模块（SM）、功能模块（FM）、接口模块（IM）、通信处理器（CP）。

标准模块式结构化可编程控制器（PLC）：

各种模块相互独立，并安装在固定的机架（导轨）上，构成一个完整的可编程控制器（PLC）应用系统。

如：

西门子S7-300、S7-400系列。

S7-300用背板总线将除电源之外的各个模块连接起来。

背板总线继承在模块上，模块U形总线连接器连接，每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后，如图所示。

S7-300模块连接图

2.1.5S7-300系列可编程控制器（PLC）的工作过程

可编程控制器（PLC）工作流程图，如下图所示。

可编程控制器PLC的工作过程

上

电

处

理

电源ON

内部处理

扫

描

过

程

执行自诊断

输入处理（输出传送、远程I/O）

PLC正常

通信服务（外设、CPU、总线服务）

更新时钟、特殊寄存器

扫

描

过

程

存放自诊断错误结果

STOP

CPU运行方式

扫

描

过

程

致命错误

RUN

执行程序

CPU强制为STOP

处理程序

可编程控制器（PLC）工作流程图

2.1.6PLC的I/O信号表

2.1.6.1PLC输入端信号表

序号

符号

PLC输入点

注释

1

SBI

I0.0

启动按钮，常开按钮

2

SB2

I0.1

停止按钮，常闭按钮

3

SB3

I0.2

消警按钮，常开按钮

4

B0

I0.3

落料管缺料传感器

5

B1

I1.1

料斗1落料传感器

6

B2

I1.2

料斗2落料传感器

7

B3

I1.3

料斗3落料传感器

8

B4

I1.4

料斗4落料传感器

9

B5

I1.5

料斗5落料传感器

10

B6

I1.6

料斗6落料传感器

11

B7

I1.7

料斗7落料传感器

12

B8-1

I0.4

推料气缸缩到位传感器

13

B8-2

I0.5

推料气缸推到位传感器

14

B9

I0.6

挡板伸出到位位置开关

2.6.1.2PLC输出端信号表

序号

符号

PLC输出点

注释

1

Ta

Q4.0

推料缸伸出驱动电磁阀

2

Tb

Q4.1

推料缸缩回驱动电磁阀

3

Y9

Q4.2

电磁挡板驱动装置

4

Y1

Q5.1

料斗翻板1

5

Y2

Q5.2

料斗翻板2

6

Y3

Q5.3

料斗翻板3

7

Y4

Q5.4

料斗翻板4

8

Y5

Q5.5

料斗翻板5

9

Y6

Q5.6

料斗翻板6

10

Y7

Q5.7

料斗翻板7

11

HA

Q4.3

声光报警器

12

H0

Q6.0

落料管缺料指示灯

13

H1

Q6.1

料满指示灯1

14

H2

Q6.2

料满指示灯2

15

H3

Q6.3

料满指示灯3

16

H4

Q6.4

料满指示灯4

17

H5

Q6.5

料满指示灯5

18

H6

Q6.6

料满指示灯1

19

H7

Q6.7

料满指示灯1

2.1.6.3PLC的I/O接线图

SM322

2L

Q5.7

Q5.6

Q5.5

Q5.4

3L

Q5.3

Q6.7

Q5.2

Q6.6

Q5.1

2MQ6.5

1LQ6.4

Q4.3Q6.3

Q4.2Q6.2

Q4.1Q6.1

Q4.0Q6.0

1M3M

24V

Y7

Y6

Y5

Y4

24V

Y3

H7

Y2

H6

Y1

H5

H4

24V

H3

HA

H2

Y9

H1

TB

H0

TA

（a）图滚柱直径分拣系统端子接线图

SM321SM331

I0.3MMM

I0.6MMM

M-

M+MMM

2MMMM

I1.7MMM

I1.6MMM

I1.5MMM

I1.4MMM

I1.3MMM

I1.2MMM

I1.1MMM

I0.5MMM

I0.4MMM

I0.2MMM

I0.1MMM

I0.0MMM

1MMMM

10V

B7

B6

B5

B4

B3

B1

24V

SB1

SB2

SB3

B0

BA8

B8-2

B9

B2

24V

直径误差信号

至

（b）图滚柱直径分拣系统端子接线图

2.2电磁阀的选型

2.2.1电磁阀的概述

电磁阀（Electromagneticvalve）是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。

用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。

电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。

电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。

2.2.2本设计中的电磁阀--先导式电磁阀

2.2.2.1.先导式电磁阀工作原理

先导式电磁阀，通电时，依靠电磁力提起阀杆，导阀口打开，此时电磁阀上腔通过先导孔卸压，在主阀芯周围形成上低下高的压差，在压力差的作用下，流体压力推动主阀芯向上移动将主阀口打开；断电时，在弹簧力和主阀芯重力的作用下，阀杆复位，电磁阀上腔压力升高，流体压力推动主阀芯向下移动，主阀口关闭。

2.2.2.2.先导式电磁阀特点及特性

流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制）但必须满足流体压差条件。

先导膜片式结构，低功能。

保护型膜片结构设计，寿命延长两倍。

配管方式可以任意角度安装，为增强寿命最好是水平管接线圈朝上。

线圈防护等级IP65。

适用介质：

液体、水、热水、气体、油、瓦斯等

2.2.2.3.先导式电磁阀参数如下图所示。

电磁阀参数表

产品特点:

参数

动作方式

先导式

控制方式

常闭（标准），常开（可选）

接口螺纹

G1/2～G2

公称通径

DN15～DN50mm

工作压力

最高1.6MPa

适用介质

中性，气态或液态流体

介质粘度

≤21mm²/s

介质温度

-10～+80℃

环境温度

-10～+50℃

阀体材质

铁

密封材质

NBR（标准），FPM、EPDM（可选）

标准电压：

AC：

220V（50/60HZ）DC:

24V

防护等级：

IP65

2.2.2.4.先导式电磁阀的实物及原理图

2.2.2.5.电磁阀的作用

在本系统中电磁阀的作用是推料气缸的驱动装置。

2.3系统中的传感器--光电传感器和位置传感器

2.3.1.光电传感器

在此系统中，光电传感器安装在料管尾部和料斗的对面，主要用于检测料管尾部是否有料和用于料斗处的发出脉冲，使得PLC计数。

（1）.光电传感器的概述

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

（2）.光电传感器的实物图

P1

VCC

1

VH

（3）.光电传感器的电路原理图

2

VL

3

4

VCCVCCVCCVCCVCCVCC

U1

R3

47K8U2AR710K8

2－1VH6－7

R5AB

R9

510

＋＋

R1R2R430K34LM358PR854LM358P

510100K82K10K

R662K

2.3.2.位置传感器

在该系统中，位置传感器一是安装在气缸的两端，用于检测气缸是否伸出、缩回到位。

二是安装在挡板处，用于检测挡板是否伸出、缩回到位。

（1）.位置传感器的概述

位置传感器（positionsensor），能感受被测物的位置并转换成可用输出信号的传感器。

它能感受被测物的位置并转换成可用输出信号的传感器。

（2）.位置传感器的实物图

2.4电感测微器

2.4.1.电感测微器的概念

电感测微仪是一种能够测量微小尺寸变化的精密测量仪器，它由主体和测头两部分组成，配上相应的测量装置（例如测量台架等），能够完成各种精密测量。

2.4.2电感测微器的实物图

2.4.3.工作原理电感测微仪的硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器及单片机系统。

正弦波振荡器为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定的激励电压，正弦波振荡器输出的信号加到测量头中由线圈和电位器组成的电感桥路上。

工件的微小位移经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化。

当衔铁处于两线圈的中间位置时，两线圈的电感量相等，电桥平衡。

当测头带动衔铁上下移动时，若上线圈的电感量增加，下线圈的电感量则减少；若上线圈的电感量减少，下线圈的电感量则增加。

交流阻抗相应地变化，电桥失去平衡从而输出了一个幅值与位移成正比，频率与振荡器频率相同，相位与位移方向相对应的调制信号。

此信号经放大，由相敏检波器鉴出极性，得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号，经A/D转换器输入到单片机，经过数据处理进行显示、传输、超差报警、统计分析等

2.5电磁阀驱动器

2.5.1.此系统采用单通道电磁阀驱动器，此驱动器采用开关量输出隔离式安全栅将安全区的电源通过开关控制或逻辑电平信号控制，来驱动电磁阀。

●带可插拔端子的单通道电磁阀驱动器

●本安输出回路EExia

●回路供电

●输入和输出回路之间电流隔离

2.5