机械工程 零件自动存放系统的设计--.doc

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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计零件自动存放系统的设计-控制系统设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：工业自动化学院机械工程莫世豪学 号：职 称：160406102752何文晋副教授唐伟杰 讲师中国珠海二二年五月诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计零件自动存放系统的设计控制系统设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 莫世豪 日期： 2020 年 5 月 15 日零件自动存放系统的设计控制系统设计摘 要随着李克强总理提出的“中国制造2025”计划，近年来国内自动化控制技术发

2、展得十分迅速，如今许多行业都离不开自动化控制的影子。如物流行业，某些大公司的仓库已经实现包裹的全自动化分拣、打包以及运输，这项技术的加入不仅减少仓库里75%的工人且极大的提高了工作的效率，减少了包裹的滞留；又如制造业，无处不在的自动化控制技术，许多企业靠着设备的自动化升级与改造纷纷走上了转型之路，各种“无人工厂”、“黑灯工厂”的概念成为现实，自动化控制技术给企业带来了丰富的经济效益，成为企业提高核心竞争力的的重要手段。针对目前国内大部分的中小型企业生产车间里的CNC数控车床采用的是人工摆放零件的问题，本小组拟设计一种基于可编程控制器PLC和气动控制的物料自动摆放系统，目的在于解决人工摆放过程入

3、中摆放和整理时间过长、错误率高、用人较多的问题，自动摆放与传统手工摆放相比具有效率高差错率低、摆放点多、无人工化作业、减少了人工劳动强度、提高生产效率等优势。该自动摆放系统是以三菱FX3U系列的PLC作为控制器件，该系统主要由物料运送模块、电机驱动模块、气动夹爪模块、PLC控制模块组成。物料运送模块由直流电机通过传送带将零件运送到摆放模块；电机驱动模块通过步进电机与丝杆实现X与Y轴方向的运动从而将零件移动到指定位置；摆放模块是由气动装置作为执行单元的小型机电系统，通过气缸控制气动夹爪的松开与闭合，实现零件的自动摆放。另外在系统上还安装了光电传感器、X轴与Y轴的正负限位开关、接近开关等用于提供工

4、件的位置，系统位置的检测与复位。通过运用PLC控制器，对系统各个模块进行控制，实现了对不同形状、大小的零件进行自动摆放。通过三菱GX Works软件进行仿真测试，结果表明该系统摆放正确率高、运行稳定，且可通过设计更换不同种类的气动夹爪实现对不同零件的自动摆放。关键词：自动摆放；气动控制；仿真测试Design of automatic storage system for parts- Control system designAbstractWith the made in China 2025 plan put forward by premier li keqiang, the domes

5、tic automation control technology has developed rapidly in recent years, and now many industries are inseparable from the shadow of automation control. For example, in the logistics industry, the warehouses of some large companies have realized the full automatic sorting, packaging and transportatio

6、n of packages. The addition of this technology not only reduces 75% of the workers in the warehouses, but also greatly improves the working efficiency and reduces the retention of packages. And as manufacturing industry, the ubiquity of automation control technology, many enterprises by the automati

7、on of production equipment upgrading and modification are on the path of transformation, all kinds of unmanned factory, black lamp factory to become a reality, the concept of automation control technology to the enterprise brought the rich economic benefit, and is an important method of improve the

8、core competitiveness of enterprises.For most of the current domestic small and medium-sized enterprise CNC numerical control lathe USES is artificially put parts of the problem, the group intends to design a material based on programmable controller PLC and pneumatic control system of automatically

9、placing, the purpose is to solve the placement and finishing in artificial process is put into the time is too long, the error rate is high, the more problems of choose and employ persons, automatically put high efficiency compared with traditional manual put low error rate, put some more, and no ar

10、tificial operation, reduces the manual labor intensity, improve production efficiency and other advantages. The automatic placement system is controlled by mitsubishi FX3U series PLC. The system is mainly composed of material delivery module, motor drive module, placement module and PLC control modu

11、le. The material transport module is transported to the placement module by the dc motor through the conveyor belt. The motor drive module realizes the movement of X and Y axis through the stepper motor and the lead screw to move the parts to the designated position. The placement module is a small

12、electromechanical system with a pneumatic device as the execution unit. The placement of parts is realized by opening and closing the fixture device controlled by the cylinder. In addition, the photoelectric sensor, positive and negative limit switch and proximity switch of X axis and Y axis are als

13、o installed on the system to provide the position of the workpiece and the detection and reset of the system position. By using PLC controller, each module of the system is controlled, and the parts of different shapes and sizes are automatically placed.Through the simulation test of mitsubishi GX W

14、orks software, the results show that the system has high accuracy, stable operation, and can automatically place different parts through the design and replacement of different types of pneumatic gripper.Keywords: Automatic placement; pneumatic control; The simulation test目录1 绪论11.1课题研究的目的和意义11.2 PL

15、C国内外研究概况11. 3自动存放系统国内现状21. 4本课题主要研究内容22 自动存放系统工艺流程与电气控制设计22. 1工艺流程22. 2电气控制设计42. 3 零件控制方案调研与确定52.4 零件制动存放系统控制流程52.5自动存放系统标准件研究与确定82.6导轨、滑块、丝杆的研究与设计102.7控制系统PLC选型设计103 零件自动存放系统程序编写163. 1新建工程163. 2程序功能初始化设置173. 3原点回归程序编写183. 4 1号格子绝对坐标程序编写193. 5气动夹爪张开与闭合程序203. 6系统回归原点程序编写214 零件自动存放系统运行分析224. 1 1号格子绝对坐

16、标仿真研究234. 2气动夹爪张开与闭合仿真研究245 结论24参考文献25谢 辞261 绪论1.1课题研究的目的和意义随着现代工业自动化生产发展，越来越多企业用自动化控制的方式来代替传统人工的摆放。目前国内大部分的中小型企业CNC数控车床中采用的是人工摆放方式，在面对大批量的或者体型较小的零件很容易出现摆放错误且摆放效率较低，影响了工作效率。随着科学技术的日益发展，许多企业的车间上都有着各式各样的自动生产线，受益于自动化生产技术的广泛应用，从以前几百上千人的人工操作到现在运用自动化设备代替人手单一、重复的操作，企业在提高了成产效率的同时也改善了员工的劳动条件，减少了用人的数量、降低能耗等，提

17、高了企业经济效益的同时也让其在行业上更具有竞争力，所以自动摆放是很多企业提高生产效率重要措施之一。针对于目前国内大部分的中小型企业CNC数控车床采用的是人工摆放零件的问题，本小组拟设计一种基于可编程控制器和气动控制的物料自动摆放系统，目的在于解决人工摆放过程入中摆放和整理时间过长、错误率高、用人较多的问题，自动摆放与传统手工摆放相比具有效率高差错率低、摆放点多、无人工化作业、减少了人工劳动强度、提高生产效率等优势。对产品的自动摆放可有效的改进企业生产过程中存在的这类问题，为企业降低成本、提高效率和增强企业的综合竞争力，因此，研究自动检测与摆放系统，对企业改进生产效率，实现产能升级有着重要的意义

18、。1. 2 PLC国内外研究概况直至今天美国仍是PLC生产大国，有着上百家PLC厂商，著名的有ABB公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。其中，全美国最大的PLC制造商是ABB公司，其产品约占美国PLC市场的一半。目前世界上有许多PLC主流品牌，欧美：以德国西门子（siemens）、美国罗克韦尔（RockWell-AB）、法国施耐德（Schneider）为代表；日系：三菱（MITSUBISHI）、欧姆龙（OMRON）、松下（Panasonic）为代表；国产：台达（DELTA）、信捷（XINJE）、永宏（FATEK）、汇川（Inovance）

19、为代表。小型PLC市场：西门子、三菱、欧姆龙、松下、台达占主流，大型PLC市场：西门子罗克韦尔、施耐德三分天下，西门子占比相对较大。1. 3自动存放系统国内现状在国内一些大公司中如富士康、格力、海尔等，其公司规模庞大，装备先进。就如富士康公司而言，其生产车间有着上万台数控车床，在他们的工程师不断的改进下，其生产的过程几乎实现完全的自动化，当零件生产完进行切断时，会有机械手夹住零件并且摆放到指定的位置中，全生产过程完全不需要人。而对比国内的一些中小型企业，由于工作环境与资金的问题，不可能与富士康这些大公司一样用机械手进行夹取、摆放等操作，所以就目前而言这些中小型企业还是需要工人手动摆盘。1. 4

20、本课题主要研究内容（1）自动存放系统工艺流程及模块组成（2）电气控制系统设计2 自动存放系统工艺流程与电气控制设计2. 1工艺流程本设计是对目前国内大部分的中小型企业CNC数控车床生产过程中需要将产出的零件需要人工去摆盘的问题进行研究，这类产品特点基本上是长条圆柱体，需要用长条格子去摆放。自动存放系统工艺流程：零件加工完成后通过机床自带传送带运送到系统接料位置如图2-1接料机构与传送带；零件通过系统传送带掉落到气动夹爪中，如图2-2气动夹爪及传送带；夹爪根据程序运行到指定盘子里的格子上方，如图2-3气动夹爪与盘子。图2-1接料机构与传送带图2-2气动夹爪及传送带图2-3气动夹爪与盘子通过研究与

21、分析这些产品加工工艺与工时，结合传感器、气动控制原理，设计一种基于PLC控制的自动摆放零件系统，通过软件测试与实地考察验证系统与程序的可行性，让系统符合控制要求的前提下，高效且稳定的运行。该系统主要运用了PLC控制、光电传感器技术等，综合了机械传动、电机驱动、气动控制，针对生产线上人工摆盘效率低、人工成本高等问题，实现机器自动识别并摆放到对应的位置，为类似的生产线在提高作业效率上提供一条解决方案和思路。该系统的设计包括传送带运送模块、电机驱动模块、气动夹爪模块、PLC模块。2. 2电气控制设计在自动摆放的过程中运动PLC控制技术，其中包括动作指令、自动检测、动作控制、显示和报警。控制系统的设计

22、主要分别单独控制三个方面，控制直流电机驱动传送带的启停，控制步进电机驱动模块运动到指定位置，控制夹爪的松开与闭合。首先确定气动夹爪的运动过程，分析需要运用到的电气元件，如光电传感器、接近开关、行程开关、步进电机、气动元件等；进行PLC的选型，PLC输入、输出、I/O定义，绘制控制系统接线原理图、梯形图等；考虑生产的实际情况，进行软件编程与仿真测试，是系统高效稳定的运行。2. 3 零件控制方案调研与确定单片机控制：单片机除了CPU的编程之外，还需要更多的外围电子电路的支持，没有稳定外围电路或者抗干扰电路，非常容易受到工业电磁干扰，相同的开发条件，可靠性和稳定性不如PLC，主要应用于家用环境等。单

23、片机程序烧入CPU后，还要外围的电子电路支持。控制工艺改变后，除了改变程序，还有可能要改动外围电路，改动PCB板还必须得经过很多次的测试后才能小批使用。PLC控制：在工业领域中要求的是可靠性与稳定性，PLC能够完美的实现这两点。其次PLC开发主要是梯形图的二次开发，开发周期短，且随时可以根据控制要求进行修改，并且梯形图类似于继电器电路，使用简单。综上所述，一般工业领域都会使用PLC控制系统做为控制中心，所以本设计采用PLC控制。2.4 零件制动存放系统控制流程首先明确控制过程中的先后顺序，系统运行过程分为四个部分，第一部分：系统先进行原点的复位；第二部分：光电传感器接受到信号时，定时器定时5s

24、后，零件掉落到气动夹爪里面，电机开始驱动气动夹爪向指定位置运行；第三部分：气动夹爪到达指定位置上方松开爪子，零件掉落到盘子里，延时5s后爪子闭合；第四部分：爪子闭合后延时5s，电机驱动气动夹爪回到原点等待下一个零件。零件存放系统工作时：如零件存放系统工作流程图2-4所示。图2-4零件存放系统工作流程图（1） 当系统开始运行，不在原位时先进行复位，当Y轴正限位开关与X轴正限位开关接收到信号时，夹爪回到原位。（2） 当夹爪上方的光电传感器接受到信号时零件掉落，夹爪根据根据程序先Y轴正方向移动然后X轴正方向移动，最后到达指定格子上方。（3） 到达指定格子后，气动夹爪工作，松开爪子5S，零件掉落进格子

25、中，延时5S后，夹爪复位，夹爪Y轴负方向移动然后X轴负方向移动，最后回归到原点，如图2-5系统位置示意。图2-5系统位置示意图如图2-6为产品零件，其长度为25mm，宽度为15mm，每个格子的尺寸为30x30mm，盘子的尺寸为90x90mm，将格子分为九个研究对象，分别以序号1至9进行标记。在系统进行摆放时，夹爪需运行至格子的中间位置，从原位到第一个格子的X方向的距离是250mm，Y方向的距离是325mm，从原位到第二个格子X方向的距离为280mm，Y方向的距离为355mm，以此类推。以第1号格子为开始，一直摆放至9号格子，当气动夹爪从9号的格子返回到原位后系统完成摆盘。图2-6产品零件图2.

26、5自动存放系统标准件研究与确定（1）两台57步进电机 型号：57J09 电压：24V 功率：10W 相数：2 步距脚：1.8相电感：1.2mH 保持转矩N.M：0.9 额定电流：2.8A 相电阻：0.8Ohm 引线数：4 转子惯量：260 轴径：6.35mm 机身长：55mm（2）24V直流减速电机 空载转速：600rpm/min 空载电流：0.13A 负载转速：535 rpm/min 负载电流：0.62 额定力矩：0.6 功率：10W 减速比：8.3（3）24V直流开关电源 型号：S-250-24 输出电流：10A 输出电压24V 额定功率：10W 尺寸：215*115*50mm（4）欧姆龙

27、继电器 型号：MY2N-GS 规格：八脚 额定电压：220V/24V 触电形式：二开二闭（5）传感器 光电开关 负载电流：200mA 输出形式：NPN常开 工作电压：DC10-24V 工作温度：-2555 接近开关 输出控制电流：200mA 输出形式：NPN常开 操作频率：100Hz 尺寸：M121 限位（行程）开关 额定电流：0.16A 额定电压：24V 操作频率：120次/分 接触电阻15m 磁性开关 配线方式：2线式 输出接点形式：有接点常开型 最大开关电流：100mA 最大接点容量：10W 最大开关切换频率：3.5Hz 内部电压降：3.5（6）杠杆夹紧气缸 缸径：25mm 气缸行程：2

28、0mm 压力范围：0.151.0MPa 动作形式：双动型 接管口径：M50.8（7）二位五通先导式电磁阀 标椎电压：24V 消耗功率：1.3W 环境及流体温度-550 最高使用频率：8次/秒 接管直径：M50.82.6导轨、滑块、丝杆的研究与设计如图2-7导轨滑块尺寸图 图2-7导轨滑块尺寸图H：30mm W：44mm B：32mm C：50mm L：92.2mmHr：17.5mm P：60mm 滑轨螺栓：M516丝杆的研究与设计丝杆 有效行程：900mm 直径：16mm 导程：10mm 总高：80mm 定位精度：0.05mm2.7控制系统PLC选型设计2.7.1 PLC主机选型确定三菱PLC

29、介绍：简易机型FX3SA/FX3S，FX3S（最大30点），有内置模拟量，基本单元：10/14/30点，FX3SA（最大30点），只有AC输入，基本单元：10/14/30点；基本机型FX3GA、FX3G、FX3GE、FX3GC，可扩展128点，使用CC-Link，远程I/O时为256点，FX3G基本单元：14/24/40/60点，FX3GA仅AC供电，基本单元：24/40/60点，FX3GE，带以太网口，基本单元：24/40点，FX3GC为紧凑机型，基本单元：32点；高端机型FX3U，可扩展256点，使用CC-Link，远程I/O时为384点，基本单元：16/32/48/64/80/128点。

30、根据实地环境考察，考虑到功能性、结构合理性，经济性等几个方面并结合I/O点数确定本系统使用日本三菱PLC机型号为FX3U-32MR。2.7.2 PLC输入、输出（I/O）定义通过对系统实际用途及系统控制需求进行研究与分析，对本系统输入的各种电器原件分别进行定义；根据系统自动夹爪工作时的状态分析，对本系统输出进行I/O定义，见下表2-3PLC输入输出I/O定义。类别电器元件PLC软元件功能输入（I）启动按钮SB1X0开始工作停止按钮SB2X1停止工作光电传感器X2检测零件是否到位X轴正限位开关SQ1X3X轴正方向运行限位Y轴正限位开关SQ2X4Y轴正方向运行限位X轴负限位开关SQ3X5X轴负方向

31、运行限位Y轴负限位开关SQ4X6Y轴负方向运行限位X轴接近开关X7减速Y轴接近开关X10减速输出（O）YV1Y0X轴电机YV2Y1Y轴电机YV3Y2X轴正方向运行YV4Y3Y轴正方向运行YV5Y4X轴负方向运行YV6Y5Y轴负方向运行YV7Y6夹爪松开（闭合）表2-1PLC输入、输出、I/O定义2.7.3I/O接线图及控制系统状态转移图的研究设计根据以上PLC输入、输出、I/O定义表，绘制I/O接线图如图2-5，控制系统状态转移图如图2-8。图2-8 I/O接线图 图2-9控制系统状态转移图2.7.4零件自动存放系统控制系统梯形图的研究设计图2-10控制系统梯形图流程 图2-11控制系统梯形图

32、2.7.5 PLC空间布置图的设计图2-12 PLC空间布置图3 零件自动存放系统程序编写3. 1新建工程使用三菱公司GX Works软件进行编写，打开软件新建工程，PLC系列选用FXCPU，PLC类型选用FX3U，如图3-1新建工程图。图3-1新建工程图3. 2程序功能初始化设置 使用辅助继电器M8002初始化功能，在PLC上电的一瞬间ON一次，也就是在PLC一个扫描周期通电一次。使用步进指令对启动开关X0,X轴正限位开关X3,Y轴正限位开关X4,X轴接近开关X7,Y轴接近开关X10进行置位。根据所绘制梯形图，用步进指令编写出以下程序。图3-2初始化设置程序3. 3原点回归程序编写 由上面的

33、控制分析所知，系统首先进行原点的复位，原点复位需要用到原点回归指令，如图3-3原点回归指令，根据该指令编写系统回归原点程序如图3-4Y轴回归原点程序。图3-3原点回归指令图3-4 Y轴回归原点程序图3-4 X轴回归原点程序3. 4 1号格子绝对坐标程序编写 当光电传感器接受到来自零件的信号时，气动夹爪向1号格子移动，首先夹爪1号格子Y轴正方向移动，到达目的位置后夹爪1号格子X轴正方向移动，根据该逻辑编写出一下程序，如图3-5 1号格子程序。1到9号X轴坐标分别为250mm、280mm、310mm、250mm、280mm、310mm、250mm、280mm、310mm。1到9号Y轴坐标分别为32

34、5mm、325mm、325mm、295mm、295mm、295mm、265mm、265mm、265mm。图3-5 1号格子程序3. 5气动夹爪张开与闭合程序到达目标位置后，气动夹爪张开，延时5s，气动夹爪闭合，延时5s，系统开始回归到原点进行接料。如图3-6气动夹爪张开与闭合程序、图3-6气动夹爪张开与闭合程序3. 6系统回归原点程序编写 当气动夹爪闭合延迟5s后，夹爪Y轴负方向回归到原点，夹爪X轴负方向回归到原点，系统X轴开始原点回归。如图3-7系统回归原点程序。图3-7系统回归原点程序4 零件自动存放系统运行分析完成零件存放系统设计的控制设计方案后，使用三菱公司GX Works编程仿真软件

35、进行测试仿真分析，如图4-1仿真分析测试图所示，利用仿真软件的调试功能，结合实际控制要求，对控制程序上不合理的地方进行修改。图4-1仿真分析测试图4. 1 1号格子绝对坐标仿真研究当光电传感器感应到零件时，系统开始向1号格子移动，按下光电传感器X2开关，程序运行无异常。图4-2程序运行图4. 2气动夹爪张开与闭合仿真研究置位气动夹爪X6，气动夹爪张开，定时器开始计时5秒，复位气动夹爪X6，气动夹爪闭合，定时器计时5s，程序运行正常。5 结论零件自动存放系统的设计基本达到了要求，进行了软件的仿真测试，能够稳定准确的运行。本课题来源于本人在实习过程中对公司生产车间目前现状的思考，机器生产的零件数量

36、总多，看到员工一个个、一根根的将零件进行摆放，这样低效率且重复繁琐的操作让我联想到使用自动化控制去解决这个问题。在做准备工作时，我首先去查询问了公司里的工程师以及查阅文献资料，将得到的信息进行比对与分析，结合自动化控制技术与该问题实际的背景，确定了拟设计系统的各个模块，结合了气动控制、PLC控制技术、机械传动、步进电机的驱动，设计出“基本PLC控制的零件自动存放系统”。该系统分别以FX3U系列PLC为控制器件，通过PLC控制及传感器技术把各个独立的模块连接成一个整机，构成了零件自动存放系统，在后续的改进设计中可以通过加入触摸屏技术的应用实现对各功能模块的运行状态进行现场组态。刚开始确定这个课题

37、时很多设计内容不知道如何去实现，为了完成本设计对三菱PLC、电气控制与PLC应用等知识进行学习，结合在学校所学习到的课程构思了本论文的大纲，在论文的撰写过程中遇到了许多的难题，比如夹爪运动方案的确定，各电气元件控制原理图的设计等。本课题的设计主要得到了以下成果：（1） 设计出了由物料运送模块、电机驱动模块、摆放模块、PLC控制模块，结合传感器、气动控制等技术的“基本PLC控制的零件自动存放系统”；（2） 通过软件仿真测试，系统运行良好、动作准确、摆放效率高，替代了人工摆放方式，提高了工作效率，减少工人工作强度。参考文献 1 朱春波.PLC控制的气动上下料机械手J，液压气动与密封，1999,21

38、-24. 2史映红.西门子S7-200PLC在机械手中控制的应用研究J.煤矿机械，2010,31（12）：2-5.3葛宜远.流体传动及控制技术的新成就J.液压与气动，1998,16（2）：1-3.4廖常初主编.PLC编程及应用M.机械工业出版社，2002:4.5金以慧主编.过程控制M，清华大学出版社，1993:4.6孙洪程，李大宇.过程控制工业设计M.化工工业出版社，2009:122-216.7白传悦.装配机械手PLC控制系统J.机械制造行业应用，2006（5）：134-136.8熊幸明，曹才开.一种工业机械手的PLC控制J.微计算机信息，2006（11）:120-122.9陈志权.基于PLC

39、气动机械手的控制系统J.兵工自动化，2008（4）：83-84.10余雷声.电气控制与PLC应用M.机械工业出版社，1996:58-63.11 王萍，刘国钧，等.基于PLC的机械手控制系统设计J.现代经济信息报，2012（5）:296-296.谢 辞为时一个学期的毕业设计即将结束了，这也意味者我在北京理工大学珠海学院的大学生涯也即将结束。在毕业设计这段时间里，我得到了很大的自身提高，其中包含了对气动控制、电机驱动、PLC控制等等，这些都得益于老师和同学的大力帮助，我选PLC控制作为设计课题是因为一门PLC的控制课程，在进行了一个多学期的学习，收获良多让我解除了目前自动化控制的大门。在学习之前总

40、以为身边的各种东西都是用单片机进行控制，进行了解之后才发现PLC的强大之处，不管是当今的自动化控制领域还是近在身边的自动售货机都是运用PLC进行控制。所以当我们小组讨论出要进行设计的课题后，我毫不犹豫就选择了PLC控制这部分，由于机械专业涉及的电路课程不是很多，在设计的过程中遇到了许多难题，很多控制指令的用法，电路的设计都让我数次打起退堂鼓的想法。不过有了小组成员和各位老师的帮助，让我又有了干劲重振旗鼓，每次我在微信上问程序上的难题，老师们总是耐心的解答，因为手机上的交流肯定没有面对面交谈的效率高，所以我十分感谢老师们百忙之中抽出时间帮助我完成设计，衷心的对你们面对工作的认真，对同学的关爱表达敬意。附 录附录1程序源代码30