摘要
本文设计了一套基于PLC的自动化生产线控制系统。该控制系统由可编程控制器、传感器、气动设备等构成。通过接近开关等传感器等实现机械手的精确运动。控制系统采用三菱FX2N-48MT型号的PLC设计，主要完成模拟量数据的采集，操作质量的维护，调试和安装。完成机械手搬运物料的全部过程。
本次设计的控制系统实现了机械手搬运物料过程的自动控制，可在空间抓放物体，动作灵活多样，并可根据运动流程的要求随时更改相关参数，代替人工在高温和危险的作业区进行作业。有效的提高了生产管理水平。
【关键词】 PLC；机械手；传感器；气动设备
目录
第一章 自动化概述.................................................. 3
1.1自动化生产线发展历史 ........................................ 3 1.2自动化生产线控制系统的选题背景及意义 ........................ 4 1.3自动化生产线控制系统简介 .................................... 4 第二章 设计方案.................................................... 5
2.1 THJDQG-1型自动化生产线简介 ................................. 5
2.1.1产品特点 .............................................. 6 2.1.2技术性能 .............................................. 6 2.2实训工作任务 ................................................ 6 2.3系统组成 .................................................... 8 2.4运行过程 .................................................... 8 第三章 搬运机械手单元核心技术应用................................. 12
3.1搬运机械手单元中传感器的使用 ............................... 12 3.2搬运机械手单元中气动技术 ................................... 12 3.3搬运机械手单元中的plc技术 ................................. 13 第四章 搬运机械手单元的程序设计.................................... 14
4.1气动控制原理图 ............................................. 14 I/O分配 ....................................................... 15 I/O接线图 ..................................................... 15 结论............................................................... 17 致谢............................................................... 18 参考文献........................................................... 19
第一章 自动化概述
1.1自动化生产线发展历史
二十世纪20年代，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等工业发展，机械制造中开始出现自动线，最早出现的是组合机床自动线。在二十世纪20年代之前，首先是在汽车工业中出现了流水生产线和半自动生产线，随后发展成为自动线。第二次世界大战后，在工业发达国家的机械制造业中，自动生产线的数目急剧增加。
第一阶段
40年代--60年代初需求动力：市场竞争,资源利用,减轻劳动强度,提高
产品质量,适应批量生产需要。主要特点：此阶段主要为单机自动化阶段,主要特点是:各种单机自动化加工设备出现,并不断扩大应用和向 纵深方向发展。典型成果和产品：硬件数控系统的数控机床。
第二阶段
60年代中--70年代初期需求动力：市场竞争加剧,要求产品更新快,产品质量高,并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度。主要特点：此阶段主要以自动生产线为标志,其主要特点是:在单机自动化的基础上,各种组合机床、组合生产线出现,同时软件数控系统出现并用于机床,CAD、CAM等软件开始用于实际工程的设计和制造中,此阶段硬件加工设备适合于大中批量的生产和加工。 典型成果和产品：用于钻、镗、铣等加工的自动生产线。
第三阶段
70年代中期--至今需求动力：市场环境的变化,使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重,要求自动化技术向其广度和深度发展,使其各相关技术高度综合,发挥整体最佳效能。主要特点：自70年代初期美国学者首次提出CIM概念至今,自动化领域已发生了巨大变化,其主要特点是:CIM已作为一种哲理、
一种方法 逐步为人们所接受;CIM也是一种实现集成的相应技术,把分散独立的单元自动化技术集成为一个优化的整体。所谓哲理,就是企业应根据需求来分析并克服现存的“瓶颈”,从而实现不断提高实力、竞争力的思想策略;而作为实现集成的相应技术,一般认为是:数据获取、分配、共享;网络和通信;车间层设备控制器;计算机硬、软件的规范、标准等。同时,并行工程作为一种经营哲理和工作模式自80年代末期开始应用和活跃于自动化技术领域,并将进一步促进单元自动化技术的集成。
1.2自动化生产线控制系统的选题背景及意义
自动化技术是新的技术革命的一个重要方面，自动化是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下，按预期的目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。自动化技术就是探索和研究实现自动化过程的方法和技术。它是涉及机械、微电子、计算机、机器视觉等技术领域的一门综合性技术。工业革命是自动化技术的助产士。正是由于工业革命的需要，自动化技术才冲破了卵壳，得到了蓬勃发展。同时自动化技术也促进了工业的进步，如今自动化技术已经被广泛的应用于机械制造、电力、建筑、交通运输、信息技术等领域，成为提高劳动生产率的主要手段
自动化技术的研究、应用和推广,对人类的生产、生活的方式将产生深远影响。目前我国正在推行的利用信息技术(包括计算机、自动化等)来改造旧生产工艺和提高产品数量和质量、提高管理及经营水平的政策———以信息化带动工业化的政策,就是例证。可以深信,国家的这个政策必将促进自动化新技术的发展和对我国工业、管理和国防的现代化发生巨大的影响
1.3自动化生产线控制系统简介
自动化生产线是产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产活动所构成的路线。狭义的生产线是按对象原则组织起来的，完成产品工艺过程的一种生产组织形式，即按产品专业化原则，配备生产某种产品（零、部件）所需要的各种设备和各工种的工人，负责完成某种产品（零、部件）的全部制造工作，对相同的劳动对象进行不同工艺的加工。生产线的种类，按范围大小分为产品生产线和零部件生产线，按节奏快慢分为流水生产线和非流水生产线，按自动化程度，分为自动化生产线和非自动化生
产线。生产线具有较大的灵活性，能适应多品种生产的需要；在不能采用流水生产的条件下，组织生产线是一种比较先进的生益产组织形式；在产品品种规格较为复杂，零部件数目较多，每种产品产量不多，机器设备不足的企业里，采用生产线能取得良好的经济效。
第二章 设计方案
2.1 THJDQG-1型自动化生产线简介
1本次设计是基于天煌公司的THJDQG-1型_的机械手的设计，而此产品的概述如下，
本装置是一种最为典型的光机电气一体化产品，是为职业院校、职业教育培训机构而研制的，适合机电一体化、电气自动化等相关专业的教学和培训。它在接近工业生产制造现场基础上又针对教学及实训目的进行了专门设计，强化了光机电气一体化的安装与调试能力。本装置由导轨式型材实训台、光机电气一体化设备部件、电源模块、按钮模块、PLC模块、变频器模块、交流电机模块、步进
电机及驱动器模块、模拟生产设备实训单元（包含上料机构、皮带输送线、搬运机械手、分类仓储等）和各种传感器等组成。采用开放式和拆装式结构设计，可根据现有的机械部件组装生产设备，使整个装置能够灵活的按实训教学需要组装光机电气一体化设备。装置采用工业标准结构设计及抽屉式模块放置架，组合方便。控制对象均采用典型机电设备部件，接近工业现场环境，满足实训教学或技能竞赛需求。本装置涵盖了机电一体化和电气自动化专业中所涉及的PLC控制、变频调速、步进调速、传感检测、气动、机械结构安装与系统调试等内容，为培养可持续发展的光机电气一体化高技能人才提供一个良好的平台。
2.1.1产品特点
1. 该装置融典型机电一体化设备机械部件安装、气动系统的安装与调试、电气控制电路的安装和PLC编程、机电设备安装与调试、自动控制系统安装与调试于一体，满足实训教学和竞赛的需要。
2. 该实训考核装置有PLC模块I/O端子、变频器接线端子、交流电机接线端子、步进电机驱动器接线端子、各常用模块与PLC连接端子，均采用安全插座，使用带安全插头的导线进行电路连接；各光电开关、行程开关、传感器和指示元件的电路，则通过端子排进行连接。插拔线连接电路与端子排连接电路相结合，既保证学生基本技能的训练、形成和巩固，又保证电路连接的快速、安全和可靠。
2.1.2技术性能
1. 输入电源：三相五线 AC380V±10% 50Hz
2. 工作环境：温度-10℃～40℃ 相对湿度≤85%（25℃）海拔＜4000m 3. 装置容量：≤1.5kVA
4. 外形尺寸：120cm×80cm×130cm
5. 安全保护：具有漏电压、漏电流保护，安全符合国家标准
2.2实训工作任务
1. 气动系统的安装与调试
通过配置的单杆气缸、导杆气缸、旋转气缸、气动手爪等气动执行元件和单控电磁换向阀和磁性开关等气动控制元件，可完成下列气动技术的工作任务：
➢ 气动执行元件的安装 ➢ 气动方向控制元件的安装 ➢ 气动速度控制的调试 ➢ 气动顺序控制回路的安装 ➢ 气动机械手臂的安装 ➢ 气动系统安装与调试
2. 电气控制电路的安装
通过配置的交流电机、步进电机、指令开关和传感器等，可完成下列电气安装的工作任务：
➢ 交流电机正反转控制电路的连接 ➢ 交流电机调速控制电路的连接 ➢ 步进电机控制电路的连接 ➢ 传感检测电路的连接 3. PLC编程
➢ 步进电机控制程序编写
➢ 异步电机正反转控制程序编写 ➢ 异步电机调速控制程序编写 ➢ 搬运机械手控制程序编写 ➢ 皮带输送线控制程序编写
➢ 光机电气一体化设备控制程序编写 4. 机电设备安装与调试
通过配置的光机电气一体化设备部件、PLC模块、变频器模块、步进电机模块、指令开关和传感器等，可完成下列光机电气设备安装和光机电气一体化技术的工作任务：
➢ 工件库及工件推出设备的安装与调试 ➢ 皮带输送线设备的安装与调试 ➢ 搬运机械手设备的安装与调试 ➢ 运料小车的安装与调试
➢ 光机电气一体化设备安装与调试 5. 自动控制系统安装与调试
通过配置的光机电气一体化设备部件、PLC模块、变频器模块、步进电机模块、指令开关和传感器等，可完成下列光机电气设备安装和光机电气一体化技术的工作任务：
➢ 上料结构和皮带输送线的自动控制 ➢ 搬运机械手的自动控制 ➢ 运料小车的自动控制
➢ 光机电气一体化的自动控制
➢ 通过考核或技能竞赛，可考察的职业能力 ➢ 机械构件的装配与调整能力 ➢ 机电设备的安装与调试能力 ➢ 电路安装与调试能力
➢ 气动系统的安装与调试能力
➢ 光机电气一体化设备控制程序编写能力
2.3系统组成
光机电气一体化控制实训系统由型材导轨式实训台、典型光机电气一体化设备机械部件、PLC模块、变频器模块、按钮模块、电源模块、模拟生产设备实训模块（包含上料机构、皮带输送线、搬运机械手、分类仓储等）、接线端子排、各种传感器、警示灯和气动电磁阀等组成。整体结构采用开放式和拆装式设计，学生可以组装、接线、编程和调试由上料机构、皮带输送机构、搬运机械手机构和分类仓储机构组成的光机电气一体化设备。
2.4运行过程
1. 上料机构
警示灯
井式工件库 单杆气缸 磁性传感
器
光电传感器 安装支架
在复位完成后，点动“启动”按钮，料筒光电传感器检测到有工件时，延时两秒后，推料气缸将工件推出至皮带输送线，若10秒钟后，料筒检测光电传感器仍未检测到工件，则说明料筒内无物料，这时警示黄灯闪烁，放入物料后黄灯熄灭；推料气缸推出物料后会立即缩回，工件下落。当搬运机械手夹起物料后，又重复上述过程。
2. 皮带输送机构
电感传感器
电容传感器
传送带
色标传感器
旋转编码器
三相异步电机
当物料被推料气缸推出后，PLC启动变频器，三相交流异步电机以30Hz的频率运行，皮带开始输送物料。物料分别经过第一、第二、第三传感器时，传感器会把检测到的信号传给PLC，PLC判别物料，为分类仓储机构做准备。物料被传送带运送到终点时，变频器停止运行，传送带停止工作。上料机构的推料气缸推出物料后，再重复上面的过程。
3. 搬运机械手机构
当物料送到终点后，机械手手臂下降，手臂下限位传感器检测到位后，气动手爪抓取物料,手爪夹紧限位传感器检测到夹紧信号后，手爪气缸上升。手爪提升限位传感器检测到位后；手臂向右旋转。手臂旋转完成一定角度后，延时2秒，机械手手臂下降。手臂下限位传感器检测到位后，气动手爪放开物料,手爪气缸上升。手爪提升限位传感器检测到位后，手臂向左旋转，等待下一个物料到位，重复上面的过程。
4. 分类仓储机构
货台
运料小车 推料气缸
磁性传感步进电机 步进电机驱动器
当机械手把物料放到运料小车上后，PLC启动步进电机，并根据第2步中传感器发来的信息，把物料运送到相应的货台位置，然后推料气缸把物料推到货台上，运料小车再回到起始位置，等待下一物料到位，重复上面的动作。
5. 启动、停止、复位、警示
(1) 系统上电后，点动“复位”按钮后，系统复位。这时，应将料台、皮带上工件清空。点动“启动”按钮，警示绿灯亮。缺料时，延时10秒后警示黄灯闪烁；放入工件后，警示黄灯闪烁停止，设备开始运行。运行过程中，不得人为干预执行机构，以免影响设备正常运行。
(2) 按“停止”按钮，所有部件停止工作（除运料小车），警示红灯亮；缺料时，延时10秒后警示黄灯闪烁；放入工件后，警示黄灯闪烁停止 (3) 。
6. 突然断电的处理
突然断电，设备停止工作。电源恢复后，点动“复位”按钮，再点动“启动”按钮。则设备重新开始运行。
二 搬运机械手结构
气动手爪 导杆气缸 磁性传感器
1. 主要组成与功能
由气动手爪、导杆气缸、旋转气缸、电磁阀等组成，主要完成下列动作：气动机械手手臂下降，气动手爪夹紧物料，机械手手臂上升，手臂旋转到位，手臂下降，手爪松开将物料放入运料小车，机械手手臂上升，机械手返回原位，等待下一个物料到位，重复上面的动作。
(1) 气动手爪：完成工件的抓取动作，由单向电控气动阀控制。手爪夹紧时磁性传感器有信号输出到PLC，磁性开关指示灯亮。
(2) 导杆气缸：控制气动手爪的上升和下降，由单向电控气动阀控制。 (3) 旋转气缸：控制机械手的旋转，由单向电控气动阀控制。 (4) 磁性传感器：用于气缸的位置检测。当检测到气缸准确到位后将给PLC发出一个到位信号。（磁性传感器接线时注意：蓝色接“-”，棕色接“PLC输入端”）。
旋转气缸
2. 主要器件
(1) 电磁阀：4V110-06 (2) 调速阀：出气节流式
(3) 磁性开关：CS-30E、CS-9D、CS-15T (4) 气缸：JTD-23×30-SE2 (5) 气动手爪：HDP-16-ST1 (6) 旋转气缸：RTB10×SD2-A2
第三章 搬运机械手单元核心技术应用
3.1搬运机械手单元中传感器的使用
搬运机械手单元中传感器使用的是磁性传感器，下图是磁性传感器的结构图
磁性传感器在机械手中的作用是起到到位的作用，其实就是相当于开关。
3.2搬运机械手单元中气动技术
气动技术在搬运机械手中，起到的作用主要是夹紧、旋转、升降，的作用。就相当于人的手一样。现在就以气动手爪控制示意图介绍机械手的是怎么运行的：
3.3搬运机械手单元中的plc技术
Plc在搬运机械手单元中起到控制作用，相当于人的大脑，本次设计用的是三菱公司的FX2N-48MT型号的PLC。
第四章 搬运机械手单元的程序设计
4.1气动控制原理图
4.2
I/O分配
输入 启动开关 升降气缸伸出到位传感器 升降气缸下降到位传感器 旋转气缸逆时针到位传感器 旋转气缸顺时针到位传感器 气动手爪夹紧限位传感器 分配 X2 X12 X13 X14 X15 X22 输出 旋转气缸电磁阀 升降气缸电磁阀 气动手爪电磁阀 分配 Y3 Y4 Y5 I/O接线图
升降气缸伸出到位传感器 旋转气缸电磁阀 升降气缸电磁阀 气动手爪电磁阀 升降气缸下降到位传感器 旋转气缸逆时针到位传感器 旋转气缸顺时针到位传感器 气动手爪夹紧限位传感器 启动开关 Y3 X12 X13 Y4 X14 Y5 X15 X22 X2 COM 24V 24V
顺序功能图 M8002 S0
X2
Y4 X13 S20 T0(K5) T0 Y4 Y5 X22 S21
T1（Ｋ５） T1 S22 Y5 X12
T2 T2(K5)
S23 Y3 Y5 X14
T3(K5) T3 S24 Y3 Y4 Y5 X13
T4(K5) T4 Y3 Y4 X22 S25
T5(K5) T5
S26 Y3 X12
T6(K5) T6 S27 X15 T7 T7(K5)
结论
在本次课题设计中，机械手模型控制系统采用PLC与气动技术进行控制，大大提高了该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，使用PLC与步进电动机进行控制可方便更改生产流程，增强控制功能。通过本次设计，可以根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数，实现机械手控制系统的不同工作需求，机械手控制系统具有了很大的灵活性和可操作性。
本文中介绍的机械手模型控制系统对于教学有很好的辅助作用。机械手控制技术是一项综合型的技术，机械手控制系统又是一个复杂的随机系统，本次设计的机械手模型控制系统与真正的机械手控制系统之间还有很大的差距。另外，本文中的机械手模型控制系统比较简单，还需要不断改进和加强。
通过本设计，我学习到了很多东西，在工作的细心上也得到了提高。并
且，更了解了有关可编程控制的功能。我选择这个设计，也是为了弥补以前学习上的不足。这次设计，使我了解到老师的用心良苦，并且从老师那学到了很多宝贵的东西。
致谢
随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的设计终于完成了。在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合学会了。
在此要感谢我们的指导张虹老师对我们悉心的照顾，感谢老师给我们的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不素质。
在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。
参考文献
[1] 李金城.PLC模拟量与通信控制应用实践[M].北京：电子工业出版社 2011 [2] 王也仿.可编程控制器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2003 [3] 李世基.可编程控制器特殊功能模块应用[M].上海：上海电视大学，2003 [4] 赵继文.传感器与应用电路设计[M].北京：科学出版社，2002
[5] 金发庆.传感器技术与应用（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2006 [6] 钱锐.PLC应用技术[M].北京：科学出版社.2006.
[7] 霍彩萍主编. PLC应用技术[M]. 北京：中国劳动社会保障出版社，2006 [8] 三菱电机自动化（中国）株式会社.FX2N系列微型可编程控制器——使用手册[Z] .上海：三菱电机自动化（中国）株式会社，2000
[9] 张同苏 自动化生产线安装与调试（三菱FX系列）[M] 北京 中国铁道出版社 2006
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容