基于plc的物料分拣机械手控制系统设计

摘要

自动化领域的新技术是机器人技术。图像传感器作为一种新型传感器，用于材料加工和分离机构，主要基于颜色和形状分离的作用，用于生产自动化，以提高生产自动化水平。

对于不同材质的物料的分拣，可采用M18X1X40感应传感器，RGB颜色识别传感器加上E2Kx8Mel电容传感器和来判定不同物料的颜色与材质，并采取检测系统执行此技术。不同材料的自动分类和快速。制定的物料分拣管理系统包括外部接线电路图、PLC I/O口的参数、流量控制面板、控制器和时序功能图。该系统还可以与其他运输设备无缝集成，了解物理物流的分配和控制以及物料信息的流动，并期望获得良好的性能。

考虑到软件和硬件的特点，对物料分拣机械手的部件、系统程序、执行结构等进行了规划和设计，采用了差异化的理论理念，并加以设计。在设计PLC控制系统中，选择PLC中的控制单元，用于完成系统功能初始化、控制机械手移动、故障与报警、物料分拣等功能。由此得出一种机械手控制系统，工程难度低、可行度高。

关键词：PLC；物料分拣；机械手

绪论

·机械手在国内外的现状和发展趋势各不相同，我国机械手最早应用于汽车制造业，常用于焊接、喷漆、。上下料、搬运。机械手使人的手、足、脑功能得到延伸和扩展，可以代替人从事危险、有害、有毒、低温高热等恶劣环境下的工作；代替人完成繁重单调的重复劳动，使劳动生产率提高，产品质量得到保证。目前主要应用于制造业，尤其是电器制造，汽车制造，塑料加工，一般机械制造和金属加工等行业。工业机械手和数控加工中心，自动搬运小车和自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和电脑集成制造系统，实现自动化生产。随着生产的发展，功能和性能的不断改进和提高，机械臂的应用领域越来越广。.

我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段:70年代萌芽期，80 年代的开发期和90年代的应用化期。在中国，机械手大部分市场份额的国际分工面临的巨大挑战，对中国工业自动化的提升迫在眉睫，政府一定会加大对机器人的资金投入和政策扶持力度，这将为机械手行业的发展注入新的动力。

随着机械手发展的深度和广度，以及机器人智能化程度的提高，机械手已经应用于多个领域。从传统的汽车制造领域延伸到非制造业。如采矿机器人、建筑工程机器人，以及水电系统中的维修机器人等。机械手也在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域得到越来越多的应用。

随着工业的高速发展，机械手作为尖端产品，在自动化设备更新时的需求，已广泛应用于“工业生产”。社会经济和科技水平的飞速发展，企业对自动化软件水平和生产设备的需求不断提高，自动化分拣设备的推行日益深入人心。随着工业自动化、智能化进程的加快，工业生产在科学技术的保护和促进下不断完善和发展。过去生产过程自动化程度较低，采用人工分拣、盘控的方式弊端严重。如保养不善，故障率高，数字化率低，操作不灵活等，造成生产成本高，生产效率低。为充分满足生产工艺和受控设施的控制要求，提

高企业的市场竞争力，自动分拣设备管理系统需要进行优化。但PLC具有结构简单、功能强大等诸多优点。可引入改进型物料分拣系统，提升管理效能及预期。

1.基于plc的物料分拣机械手的总体设计

1.1物料分拣机械手的组成

物料分拣机械手由机械手臂和搬运机构组成，其中机械手部分由本体及控制箱两部分组成。如图1-1所示

图1-1物料分拣机械手

1.2机械手执行机构的设计

根据需求，所设计的物料分拣机械手需要满足几个条件，首先要满足产量，周期时间较短，可以满足高速生产的需求并且可以和产线上其他类型的机加工机械或传送带配合，适用于装箱类型，或因其他条件容易变更定位的，对位置的要求高，如果更换其他类型的产品时也不会因为重量和外观从而影响精度。根据条件选择圆柱坐标式机械手，这种机械手可以满足伸缩手臂，上下手臂，回转手臂等动作。能够将手臂转动动作改为机械手的整体转动，就能够满足机械手在这一设计中的动作要求。这样的改装并没有改变机械手的整体结构，只是局部改动，使得整个系统经济实惠，因此确定了机械手采用圆柱坐标式。

1.3物料分拣机械手的基本特点以及场所选择

物料分拣装置的机械通过PLC控制机械手自动分料，以缩短生产节拍，提高生产效率。具有坚固、高速和良好的可操作性。可进行大批量产品的自动化生产;

可组合多台机床或其它设备，成为一条生产工艺各异的自动化生产线，具有效率高，结构简单紧凑，造型新

颖美观，重量轻等特点。

物料分拣机械手通常作为机床或其他机器的附加装置，如在自动化机床上装卸、传递工件或在自动化生产线上传递等，一般不设独立的控制装置。但通过PLC可以实现工作，如搬物、装配，应用非常广泛，可以简化控制线路，节省成本， 提高劳动生产率。

1.4归纳总结

本次设计对象为物料分拣机械手，通过机械手进行自动化的控制设计，采用三菱FX3u-64MR/ES-A作为程序的编辑和指令的控制，通过各项硬件完成运动，检测器采用接近开关检查工作的位置，以免超出范围，对照系统和控制要求完成检查。

2 PLC物料分拣机械手的硬件设计

2.1 焊接机械手的硬件选择

2.1.1 PLC的选择

三菱 FX 系列 PLC 拥有稳固的家族。主机（发动机）由FX0、FX0S、FX0N、

FX2C、FX2NC、FX1S、FX2N、FX1、等系列。每个系列的型号都不相同，有着不一样的输入点与输出点。如32个输入输出点、48个输入输出点、64个等。并且，全部系列均可以依据用户要求进行定制。

也可以从三种模式中选择输出：晶闸管输出、继电器输出和晶体管输出、（见表 2-1）。并且，为满足内容繁多、规模较大的管理系统的需要，可以I/O扩展到以上版本、核心单元等模块。该系统的大多数开发人员获得了三菱 FX2N 系列 PLC。

表2-1 FX 系列基本单元

FX2N48MR 为例，其外部结构如图 2-1 所示

图2-1 FX2N48MR外部结构图

对物料分拣机械手系统的原理设计进行分析，预计本次机械手设计要有输入输出端口为25点，固选择CPU类型为FX3u-64MR/ES-A具有输入端32点、输出端32点，共计64点足够支持设计使用以及设备后期扩展，如图2-2。

图2-2FX3u-64MR/ES-A实物图

2.1.2 IO分配表与外围接线图

数字输入：

控制系统的输入包括11个输入点：停止按钮、启动按钮、急停按钮、上下延伸、松动减速器、右体、左体和初始设定开关。 具体输入分布如表所示 2-2 显示

表2-2 输入地址分配

输入地址分配

输入地址

X000

X001

X002

X003

X004

X005

X006

X007

X0010

X0011

X0012

X0013

X0014

X0015

X0016

X0017

对应外部设备

启动按钮

停止按钮

紧急停止按钮

初始位置限位开关

目标限位开关

杆下限位开关

杆上限位开关

手臂伸限位开关

手臂缩限位开关

手松限位开关

手动开关

单周期自动

顺时针转

逆时针转

杆下降

杆上升

X0020

X0021

X0022

手臂伸

手臂缩

手松

数字输出部分：

系统控制的外部设备有正/反转步进电机、上/下步进电机、直流电机、压缩/减速及旋转直流电机，其中可调节步进电机转速，正/反转直流电机。具体产量分布见表2-3。

表2-3

输出地址分配

输出地址

Y000

Y001

Y002

Y003

Y004

对应的外部状态

上升/下降步进电机

伸/缩步进电机

底盘顺时针旋转

底盘逆时针旋转

夹紧/放松直流电机（放松）

计时部分：

当机械开始夹持工件时，要有定时器来保持夹持水平。 假设5S机动可以装夹工件，具体定时器划分如下：2-4

表2-4

Y005

Y006

Y007

夹紧/放下直流电机（夹紧）

立杆步进电机方向控制

手臂步进电机方向控制

定时器分配

定时器

T0

功能

夹紧工件时定时5S

继电器部分：

该控制系统的初始位置在程序中用一个内部继电器来表示，具体的内部继电器分配如表2-5所示

表2-5

内部继电器分配

内部继电器

功能

M0

机械手的初始位置

I/O 地址选项：

因为选用的CPU 模块有 32个输入点和 32 个输出点，所以不需要输入模块，可以选用自动拆分方式。输入点对应的输入地址为X000至X027，输出点对应的输出地址为Y000至Y027。

下图（图 2-3）是 PLC I/O 接线图。选择了FX2N-48MT PLC。该系统由15个输入和6个输出组成，分别占用PLC的15个输入和6个输出。安装交流KM继电器，要保证系统在出现紧急情况时切断PLC的负载电源。启动PLC时，按下SB1电源按钮，S激活KM设备并将其锁定。 KM 键触点连接到变送器电源。紧急情况下，长按“停止”键一分钟“SB2 KM通讯开启”

。图2-3 PLC外围接线图

2.2电机的选择

本次设计选择瑞思科直流无刷电机D5BLD300-24A-30S，其功率为300W，电压为24V，额定转速为3000rpm，额定电流为7.81A，额定转矩为0.48N.m，最大转矩为1.43N.m高传动效率，高转速，大扭力图2-4。

图2-4 瑞思科直流无刷电机D5BLD300-24A-30S

本次设计选择110系列二相BS110HB99-05型号的步进电机，作为机械手的垂直上下行方向和左右移动方向的动作驱动控制，适配DM2722MA型步进驱动器，其保持转矩为99mm，额定电流为5A，相电感为9.8mH，相电阻为0.72Ω，步距角为1.8°，耐压为500VAC，温升为80℃Max，步距精度为5%，环境温度为-20℃~+50℃，如图2-5。

图2-5 110系列二相步进电机BS110HB99-05

2.3开关电源

因为本款开关电源具有绝缘性能好，抗电强度高，抗干扰性能好，230ＶＡＣ输入，额定负载，25℃ 70％ＲＨ，温度，负载从0％-100％等特点，因此选择S-25-5型开关电源，其输出电压范围为170~364VAC，输入电流为3.2A/1.6A/230A

图2-6 S-25-5型开关电源

2.4颜色识别传感器

图2-7颜色识别传感器

色彩识别传感器又叫色彩传感器，是将物体的颜色与前面已经示教过的参考颜色进行对比来检测颜色的传感器，当两种颜色在一定误差范围内吻合时，检测结果就会被输出

2.5电容式接近传感器

电容式接近传感器无需接触即能可靠地探测金属、透明、半透明、液体和固体物质。广泛用于多种工业应用。测量区域穿透不导电材料的能力对于物位测量非常有利，检测铜和铝不会因为材质而衰减检测距离。如图2-8所示

图2-8电容式接近传感器

2.6图像处理当中的模板匹配

模式匹配是一种在绘图上获取具有目标模式的图像的方法。用于创建模型的图像称为样本图像，识别出的图像称为互补图像。它可以从建模的概念来使用。为了在图片中找到具有相似图案的小图像，我们需要计算小图像与图案之间的相似度。相似度高的可以比较，相似度低的不能比较。通常，物体的形状和大小与形成图案的图案不同，因此在匹配过程中应考虑物体的大小和形状。完全位置是通过旋转模型并在平面上移动来获得的。这种轮廓匹配模式称为移动模型模型。如果对应的图像元素的形状和大小与图像图案不匹配，也可以使用细胞模型匹配方法进行匹配。结论是样本图像经过平移和旋转后应该能够与目标图像匹配，即移动的宽度由平移大小决定。匹配实体模型只能平移、平移、旋转、旋转和调整图像大小。下面描述的两种匹配方法都是基于对细胞模型的遵从性。

匹配模板涉及以下步骤：首先找到模板图片，选择图片位置创建模板并创建模板，然后直接在图片上搜索模板，最后找到对应的结果。模式匹配流程如图2-9所示。

图2-9 模板匹配流程图

3 PLC物料分拣机械手软件系统设计

3.1 系统设计

系统通过传感器检测不同颜色的材料，并将材料分类为不同的颜色和类型。该系统可连续大批量分拣货物，分拣错误率低。

传送带传送的物料是红铁、红铝、蓝铁和蓝铝的不寻常组合。电感式 SA 传感器可以检测金属材料并向 PLC 发送反馈；设置 SB电容式传感器用来检测铝材同时反馈信号发送至PLC； SC1、SC2颜色传感器用来区分物体的颜色；当 SCl 同时提供一个 PLC 信号时。 , Plc. 介绍了将红色金属物品运输到第一条传输带的组织者。类似地，红色、蓝色和蓝色铝合金可以输送到传送带上的第二、第三和第四条带。

根据系统功能和要求，设计系统运行控制如图3-1所示，系统管理流程为：

1）动作起点：动作到达中心位置时，后退、上升、松开气指按键；

2）当系统一段时间处于关机状态并且处于默认位置时，按SB1启动键启动花样；

3）当光电传感器没有检测到物料时，系统处于待机状态，等待超过15秒后会报警。一旦检测到材料，警报将停止，设备将切换。

4) 特技动作：根据SA、sB、SCl、SC2进行放大缩小，左右旋转不同角度 Return Location

如果搬运过程完成，手臂会缩回并返回到原来的位置。

5）PLC接收SA和SC1发送的超前信号，检测红色金属元素，左转装置到位置1

PLC接收SA和SC2发送的超前信号，检测蓝色金属元素和错觉。右转至位置 2； PLC接收SB和SCl发出的超前信号，检测到红色铝质物体，将处理装置从左侧旋转到第三位置PLC接收SB和sC2发送的高级信号，检测蓝色铝色材料，将管理器向右转动到位置；

图3-1系统运行过程

在本项目中，节目编排过程需要根据主办方的工作条件达到控制要求，假设其原位置为源，条件为原条件的退换货权。在此条件下实现自动化和手动操作。

该装置有四种操作模式：“手动、单步、单循环”。开始编程时，首先准备控制程序的框架结构图，如图 3-2 所示。在此结构图中，若运行模式的开关设置选为“手动”时，X020输入点打开，并且开始执行手动程序。若开关操作模式设置为继续，X024输入打开，当开关设置为“单步”时，自动化程序同样执行。X022输入有效。连接；当开关设置为“单循环”时，输入 X023 接通，执行单循环程序。图 3-3显示了系统运行时的时序功能．

图3-2手动程序图 图3-3时序功能图

3.2直流电机正/反转控制：

直流电机控制电路很简单，一般只考虑PLC输入输出线。这样的电路本身毫无意义，但却是生产线中不可或缺的一部分。在某些电路图中，不允许前后控制继电器同时接通和断开。这种控制方式完全依赖于它，软件用户不保证前后控制继电器不会同时通电。这是因为 PLC 开始工作很快，实际的外部继电器从传感器到电源开关供电。从断电传感器到电击。建立关系需要暂时的延迟。在这种情况下，电路中不仅应该有软件锁，还应该有硬件锁。如图3-4所示

图3-4电机转向控制图

PLC 应配合步进电机熟悉运动控制，并应在 PLC 中实现更多参数或编写特定的软件设计。不同类型的 PLC 需要不同的程序和命令。您可以通过参考手册来区分。此外，步进电机控制是控制高速脉冲，因此PLC必须有晶体管输出波形才能输出高速脉冲，而继电器方式PLC不能用于控制步进电机。

图3-4

4. PLC程序设计

4.1总体程序框图

该设备有手动和自动两种工作方式，其控制程序应分为手动和自动两个模块，每个模块的程序都是分开编写的，结构清晰，便于调试和修改。

应先构思并绘制整个控制程序的结构框图，然后再进行编程，如图4.1所示。此示意图中，若操作方式选择开关置于手动情况时，输入点X012接通，开始执行手动程序;若操作方式选择开关置于自动时，输入点X013接通，开始执行自动程序。

4. 1.1初始化及报警 程序

初始化及报警程序如图4.2所示。

4.1.2手动控制程序

手动控制程序用来实现机械手的升降、伸缩、左右转动、吸气/放气和复位等动作。开始自动工作的过程中，若将自动模式换到手动模式，输入X012接通系统进入手动控制。手动控制打开，按下对应的按钮可实现手动左旋、右旋、上升、下降、缩回、伸出、放气、吸气及复位动作，手动控制程序如图4.3所示。

4.1.3 自动控制程序

分析知道，在“自动”的工作方式下，机械手的动作是以开关的量作为转移信号，按照设计好的工艺流程一步一步地进行工作，它的控制过程是有顺序地循环控制的。当机械手完

成--次物料的吸放任务后，返回原位准备下一步的任务。自动模式状态转移图如图4.4所示。根据自动控制的状态转移图，可以设计出如图4.5所示的自动控制步进梯形图。

图4-1 控制程序的结构框图

4-2初始化及报警程序

图4-3手动操作程序

图4-4 自动控制状态转移图

图4-5自动控制步进梯形图

5物料分拣系统调试

5.1 程序仿真调试

1.程序录入

三菱提供的编程软件中含有SFC编程方法。例如三菱的GX-Developer软件可以直接带入SFC图来编写程序。有的书和资料没有说明怎么完成。使用上述软件并没有提供直接的方法来编写 SFC 图和根据梯形图在程序中插入 STL、RET 和逐步命令。如果STL S0的输入方法是在出现对话框后选择元件库中的“”图标，在光标处输入“STL S0”，点击“确定”。按照上述安装方法，自动化管理器如图4-1所示。

图5-1自动化管理器

2.检查程序，检查参数

打开主界面的“工具”菜单，选择“检查应用程序”，选择应用语法、代码等错误，依次打开直到没有错误后。从工具栏中选择检查参数，检查是否有错误。。

3、软件模拟操作

在主界面的“工具”菜单中选择“Ladder Logic Test Start”，将出现一个测试工具箱，并出现一个发现过程对话框。当模拟结果出现时，会出现一个框。可以看出程序有97步，在RAM中的扫描时间为100ms。

5.2程序调试

以初始化程序为例，将该程序输入GX Developer并点击如下图图5.1就是输入后的PLC程序。

程序的PLC程序再写入过程中,图5.2为PLC程序的写入状态。

PLC的写入状态完成后,GX simulator 6c开始显示仿真程序的运行状态。图5.3为PLC就开始梯形图的仿真。

的运行状态。

仿真程序运行后将在GX Developer中显示程序运行的结果。图5.4、5.5为程序的运行结果。

图5-2输入后的plc程序

图5-3 PLC程序的写入状态

图5-4 PLC的运行状态

图5-5程序的运行结果

图5-6程序的运行结果

5.2 系统测试结果分析

在下载PLC的主站软件前，首先设计好HMI界面，下载到GOT1050触摸屏上。经过一系列的功能测试，起动、停止和复位操作都可以做到反应流畅，频率和实时校正。控件也很普遍。预期效果非常好。材料统计准确，基本符合系统功能要求。

系统设计有单循环操作和连续操作两种模式，都有很好的测试效果。

。

5.3自动分拣线的控制功能

1.操作模式

自动模式：系统启动后，将存储容器中的工件自动送出，各工件的状态、属性等均可查询，自动排序。

2.驱动电机

输送带采用单相交流电机驱动，变频器无级调速，其他运行单元采用气动齿轮。

3.安全保护功能

发生安全紧急情况时，立即按下停止按钮，设备将立即停止。

结论

在系统设计过程中，对自动化规划系统的可行性和实施进行了深入研究，进一步完善了理论知识结构。结合实际情况，很多人进入了业务生产线，了解生产流程和真实业务需求，完成了自动过滤系统在当地业务的研究和应用。很多人紧跟其后。国内外自动化生产线的研发。获得具有自动过滤和新设计的高质量生产线。

基于PLC技术的现场总线软件是现代企业生产和流程创新的重要体现。同时，也是衡量国家智能化生产水平和产业发展水平的重要标志。对提高制造企业的效率，提高技术质量具有重要作用。

本系统采用RS-232通讯方式，了解PLC与变频器的集成控制。对集中控制和输入点、输出低的小型控制系统更为有效。当控件距离较远且控件复杂时，效果是微不足道的。目前，三菱PLC的CC-LINK现场总线技术和计算机通讯具有诸多优势。