电气控制技术课程设计报告.docx

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1、课程设计报告姓 名 学 号 年 级 专 业系（院） 指导教师*2012（rr2专业机楠工程学院吕剑2014年”月"日搬运机械手电气控制系筑披廿本课题主要任务是设it-ft®机械手来完成无人化工厂中某一阶段性工作。机械手 系统采用同柱坐标方式，由PLC作为中央控抽单元，控制三路交浹伺服驱动器、位置单 元模块及其它功能決,驱动各轴伺服电机准确定位。定位完成后，再执行手部抓取动作, 以完成指定任务。设it了上位机组态,方便人们监視现场运行悄况以及实现故障准确定 E,并简单叙述系统参数设置及调试方法。本文重点解决的问题一电气控制系统设廿本课噩中主耍内客:(D机植手方案设计及驱动电机

2、选塑;(2) 电气控斟系统硬件线路设计；(3) 控制系统程序设廿；(4) 上位机组态设廿及系统调试；关罐词：机械手交流同服控制器PLC组态松下1研制背景及意义1.1研制背景机植手是由机植本体、控胃器、伺服驱动系貌和检测传感装置构成，是一种能在四维空同完成各种作业的机电一体化设备。特别适合多品种、变批量的柔性生产。它对提高产品顾量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用, II因此，机械手广泛应用于机械制造、冶金、电子、gifn原子能等部门。机械手枝术是综合控制论、信息论、廿算机、机沟学、传感技术、人工智能、运筹 学、仿生学等多学科而形成的高技术，也是当代研究十分活跌，

3、应用日益广泛的领域。 一般说来，机械手的应用悄乱,可衡量了一个国家的工业自动化水平。机檢手是傑合了人和机器的特长，既有人对坏境状态的快速反应和分林判Bi能力， Q有机器可长时同持续工作、精确度高、折恶劣坏境的能力，可以说它是HI器的进化il 程产物，它是IMK非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可 缺少的自动化设备。12机械手简史现代总义的机械手最先是由美国开始研制的。它是在早期出现的古代机器人基础上 发展起来的，机檢手研究始于二十世纪中uj, «着廿算机和自动化技术的发展，特别是 1946年第一台电子廿算HI问世以来，计算机取得惊人的进步，向高速度、大容量、IK

4、价招的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，艮为HI器人 的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作HI械代替人处理故射性物 质。在这一需求背景下，美国1947年开发了遥控式机械手，第二年2开发了主从式机 植手。1958年，美国联合控制公司研制岀示教塑机械手，给构是机体上安装一个BI转长 臂，顷部装有电感阀抓朋机fio 1962年，公司在上述方案基础上2研发一台数控示教 再现塑机械手。取名为Unimate,运动系筑仿照坦克魁塔，手臂可以BI转、俯仰、伸缩, 使用液压驱动，控制系貌采用磁鼓作为存齢装置。很名球面坐标通用HIM?就是在这个 基础上发展起来的。同年，

5、该公司与普尔曼公司合并岀成立II能自动公司，专门生产工 业机植手。91978年美国Unimate公司与斯坦福大学，麻省理工学院朕合册制一种Unimate-Viccarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业，定位 误差小干±1毫米。朕邦德国机械制造业是U 1970年开始应用机械手，主要用干起重运 输、焊接和设备的上下料等作业。二十世纪八十年代以后，机械手的应用领域不斷扬展，性能指标在不Bi提高。目前, 机植手不仅应用于传统斟造业如采/、冶金、石油、化工、船鮒等领域，同时也扩大到 航空、触天、医药、生化、军事等高科技领域以及诸如家鬼保洁、医疗康夏等服务行业。机械手的发展

6、可夫致分为三个阶段。第一阶段，机械手只能根据事先编制好的程序 来工作，纯机械武操作。第二阶段，机械手具有鮭觉、视觉、听觉、力觉等功能，它可 以根据外界的不同信息做岀相应的第三阶段，机械手不仅能感知外面的世界，& 具有自我学习,知识记忆的功能，它习电子廿算机和电視设备保持实时联系,并逐步发 展为柔性斟造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一坏。13机械手发展状猊现代工业中，生产过程的机MIL自动化已成为突岀的主题。化工等连续性生产il 程自动化已经基本得到解决。但在HlMIt中，加工、装配等生产坏节不是连续的。因 此，比如迫切需求装卸、«!运等工序机械化,工业KI械手就是为实

7、现迪些工序的自动化 而生产的。近年来全球机械手行业发展迅速（图）o人性化、重型化、攒型化、智能化已经140120(000IX)济3n n nrn jvnt100806040200年份成为未来机1«手产业的主要发展II势。有资图1.1全球毎年新投人便用的机植手数量料显示，ItHll手在汽车Its机床工业、金屈抽工业和食品工业应用明显增加。同 时，服务机械手的市场前景也不容小觑，如家用服务机St手、别草机械手、康复机楠手 等。找国于1972年开始«$iJI业机械手，经过几年攻关，完成了示教再现武工业机械 手成套技术（包站机檢手本体、控斟系统、驱动传动单元、测试系貌的设廿、制造、

8、应 用和小批量生产的工艺技术等）的开发,研制出喷涂、滋焊、自焊和搬运等作tHlM手 整机，几类专用和通用控師系统及关罐元部件等，并在生产中经il实际应用考核。在国 家政策的支持下，经过不熾努力，九十年代后半期实现了国产机械手商晶化，为产业化 奠定基础。14简述机植手分类工业机檢手的种类很多，目前国内尚无统一的分类标准。工业界一般按驱动方式、 使用范围和控制系统等进行划分。按驱动方式，机械手分可液压传动、气压传动、机楠传动和电力传动。裁压机械手 主要特点是，抓重可这几百干克以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵啟。（B对密封装置 要求严招，目不宜在高温、IKifi下工作。若果用电液伺!驱动系貌，可实现

9、连续軌迷控 制，这使得机植手通用性扩大，但其制造精度高，油液il滤严松。气压传动机械手主要 特点为输岀力小、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是，由干空气具有可压缩的特 性，工作速度的稳定性差，冲击夫，抓重一般为30干克一下，适用干高速、轻裁、高 温和粉尘夫的坏境中工作。机植传动机!手运动准确可靠，动作频率大，但给构较夫， 动作程序不可变，常被用于工作主机的上、下料。电力传动机械手不需要中间的转换机 构,故机械给构简单,维护和使用方便。按使用用途可分为专用机檢手和通用机植手两种。专用Hl械手是附堀于主机的、具 有固定程序而无独立控斟系统的机械装置，具有动作少、工作对象单一、结构简单、使 用可靠

10、和造价低廉等特点，适用于大批量自动化生产，如自动机床、自动上产线上的上 下料机檢手、自动换等。而通用机械手具有独立腔制系貌、程序可变、动作灵 活多样的特点。在性能范围内，其动作程序可变，通过调整可在不同的场合中使用，工 作范围大、定lift®高、通用性强，适用于不断变換生产品种的中小批量自动化的生产。按控制方式分可分为点位腔翎和连续珈迷控制。贞位控制其实是空间点到点的杨 动,只能控制运动ii程中的几个虑的位置,不能控制其运动珈迷，若控制的点数多,i 必然增加电气控制系统的复杂性。而连续班迷腔制其特点是设定点为无限f,整f務动 过程平稳、；««,并目适用范围广，但电

11、气控制系统复杂，这类ItHll手一般采用徹 塑廿算机控制,如PLC、单片机、般人式PC等。本论文机械手采用电力传动方式，HI械结构简单，重量轻，精鹿高,工作迅速、平稳、 可靠，因而广泛应用于机«iDl业，如喷漆、昭垛等。15机械手发展趋势自20世纪90年代以来，由干具有一股功能的传统工业机撤手的应用范向饱和，而 许多高级生产和特种应用則需要具有各种智能的机植手参与，因而促使智能机械手获得 较为迅速的发展。无论从国际或国内角度看，夏苏和進续发展机械手产业的一条重要胳 径就是开发各种智能机檢手，以提高机檢手的性能，扩夫其功能和应用领域。回顾近年来国内外机檢手的发展历程，大致有以下发展范矜

12、。传感塑智能机械手发 展较快，如临场感技术、虚#1现实技术、多智能机植手系统、人工神经网络、专家系筑 等。智能HI械手和高级工业机械手的结购要力求简单紧凑，其高性能部件甚至全部HI构 的设廿已向模块化方向发展。汽车工业、工程机械、建筑、电子、电机Its家电行业 在开发新产晶时，引进高级机植手技术，果用柔性自动化和智能化设备，改造原有生产 手段，便机植手尺其生产系统的发展呈上升體势。重型、小里和13里机械手的研究也是 热点之1塑机械手可应用于大型和重型装备智能化和无人化，小塑机械手務动灵活 方便、速度快、精度高，适于进人大中塑工件iSlifi接作业，13塑机械手可用干医疗和 军事領域。机械手的应

13、用領域向非樹造业和服务业发展也是一个重要方向。机械手控制系筑按廿步骤根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作，晞定迪些动作之间的关系及完成迪些动作的顺序。(2)分配输人、输岀设备，即确定郦些外围设备是送信号给PLC的，些外围 设备是接收来自PLC的信号的，同时还要将PLC的输人、输岀点与之一一对应，对I/O » 行分配。在此基«±«定PLC的选塑。(3)根据控制系筑的控制要求和所选PLC的I/O点 的悄猊及高功能模块的悄猊，设计PLC用户程序,此时可采用梆形田、DU记符或流程图培 言形式的用户程序oPLC的用户程序体现了按朋正晞的顺序所要求的全部功能及其相

14、互 关系，编程时可用编程器或计算HI直接编程、修改，同时也可对PLC的工作状态、特殊功 能进行设定。(4)对所设廿的PLC程序fiffiS试和修此直至PLC完全实现系筑所要求的 控胃功能。(5)保存已完成的程序。2.1搬运机植手的披廿原理H3-1是搬运机植手工作示意图。该机械手的任务是務传送带A上的物品搬运到传 送带Bo为使动作准确，安装了限位开关SQ1. SQ2、SQ3、SQ4、SQ5。分别对机械手 fififtl紧、左废、右旋、上升、下降等行程的检测,并给出动作到位的检测信号。另外 还安装了光电开关SP。负责检测传送带A上的物品是否到位。此外，还设置了起动按S1SB1和停止按31SB2,分

15、别用以启动和停止机械手的动作。图3-1搬运机植手工作示豆因传送带A、B由电动机M1、M2 ft动，M1、M2分别由接触器KMk KM2控制，机械手 的上、下、左、右、抓、赦等动作由液压系躱驱动，并分别由6个电磁阀YV1YV6来 控制。2.2 PLC的选取由于市场的需求和西门子PLC的广泛应用所以我选取的是S7-200.SH1对其谨行简 要说明:S7-200系列是一类可编程逻弭控制器(Micro PLC )。迪一系列产品可以满足名种名 样的自动化控制需要，下图展示一台S7-200 Micro PLC的CPU22*系列PLC的CPU外里 图如图2,具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及強大的

16、指令，使W S7-200 可以近乎完美地满足小规模的控胃耍求。此外,丰富的CPU类塑和电压等级使其在解 决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。S7-200 CPU模-个中央处理器单元(CPU)、电源以及数字量I/0点,这些 都被集成在一个紧凑、独立的设备中。状态LEDI/OLED1.CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控匍任务或过程进行控胃。2输人和输出是系筑的控制点：输人部分从现场设备（侧如传感器或开关）中采集信 号，输岀ai分則控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。3.电源向CPU®其所连接的任何模挟提哄电力。4通爪端口允许将S7-200CPU同编程器或一些设备连

17、接起来。5状态信号灯显示了 CPU的工作模式（运行或停止），本机的I/O的当前状态，以及 检査出来的系统错误。6通过扩展模块可以增加CPU的I/O点数（CPU221不可以扩展）。7通il扩展模挟可以提哄其通AU力能。&一些CPU具有内置实时时鉀，其他CPU需要实时时鉀卡。9.EEPRO M卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU巾的程序传送到另一个CPU中。10通过可选的插入式电泡盒可延长RAM中的数稠存储时间。H2-1 展示 了一个基本的 S7-200 Micro PLC.t 6 IS 一个 S7-200 CPU 模決，一台个人 廿算机(PC),STEP 7-Micro/win32(

18、3.1版)编程軟件，以及一条通讯电缆为了使用个人廿算 机(PC),你必须以下一种设备:一条PC/PPI电缆；一个通爪处理器(PC)和多点接口 (MPI) 电缆;-ft MPI卡，帧MPI卡提哄一根通爪电缆。图2-2 S7-200 Micro PLC系鋭的组成PLC模块的选择：采用CPU224的主机和输岀扩展模挟EM222简要介绍对扩展模快 的选取。S7-200PLC的I/O扩展模块有：1. 输入扩展模快EM221:共有3种产品,即8点和16自DC、8点AC。2. 输出扩展模決EM222：共有5种产品，即8 & DC和4点DC、8点AC、8 点址电器和4点抵电器。3. 输人/输岀混合模块

19、EM223：共有6种产晶。其中DC输人/DC输岀的有3 种，DC输入攏电器输出的有三种,它们对应的输入/输出点数分别为4虑、 8自和16航4模81量输入扩展模块EM231。5模8J量输出扩展模快EM232。6.模fil量输入/输出扩展模EM235O3.1传送带A,B的主电路图及传送带B的控制电路图3-4传送® A.B的主电路图根据传送带B的运行要求设计其控制电路入下图:FR2 Nnj-133.2控制面板及接口电路10刑 IO. HI I0.2gr T_厂11.0II何12(0121 毓12.2BOOOOOBWligio.4|Mi临oooo©3-2操作面板机械手电气腔射系统，

20、除了有名工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操 作方式。工作方武的选择可以很方便地在操作面扳上表示岀来。当Kfflfl向回原点时, 系统自动地回到左上用位置待金。当向自动时，系统自动完成各工步操作，目循 坏动作。当向手动时，毎一工步都要按下该工步按81才能实现。根据机檢手控樹系统的要求设廿岀PLC的I/O接口图«UT：通佶 迥£ 通fa 端口 1手动单周连续启动按钮急伸按钿手初I仰限位开关壬宜左限位开关SB1手臂右限位开关 手肯上限位开关 手肯肝艮位开关光电开关上行轴下行轴SB3亠IM0.00. 10.20.30. 40.50.60. T2T(1.01.11.21.3

21、1.41.5M，十CPU 224XP CN /AC/DC/fielay 怏块左行馳 右行删 抓紧按钮 松开按钿SB5DC24VSB7总线援口 | 总线咳| 总线按口 |in2,02.12,22.3SQ5SPSB4SBSjHIVHA+E十1L0 00. 10. 20. 32L0. 40. 50. 63L0. ?1. 0LL<£>NL1AC7EM225CN 4X24VDC输入/4X继电 舘输岀数字虽I/O扩展使抉YV5YV6KH1YV1YV2YV3YV4SB10手肯上行丰肯下行手臂左说手習右炭手抓抑紧手孤松开 侍送带应行111 PBNAC220V°I1OFR 98

22、L1图3-3 PLC外部接拔图4.1控制系毓軟件披廿原理本控制系统是通过主程序控斟，来实现机械手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，而目启动时，机械手按照步序图的工步顺序动作；停止H, HIM手停止在现行工步上。重新启动时机械手"、停止前一瞬间的动作继续进行；PC Bi电时的要求与停止时的要求一致。启动按钮SB1松开延时2秒停止按钮SB2手爪抓限位开关SQ1于臂左限位开关SQ2 于臂右限位开关SQ3 手臂上限位开关SQ1 手冉下限位开关SQ5 光电开关SP手臂上升YV1手臂下降YV2手臂左旋YV3手臂右旋YV4手爪抓紧YV5手爪松开YV6传送带A运行KM1 步序E4-1动作

23、步序图图4-2程序顺序功能图初始化程序左旋Netiwork 4M0.0M0.1M1.2Q0.1I()抓紧，抓紧后一直要抓紧，所以用置位Network 7105M0.3延时2秒放开18Ncfwcxk 11MO J10.1Ml 2Q0 3INTON-.PTlOOmT37停止后，再启动从停止前工作状态开始M0.7< )M1.2Q0.710.75.1控制系统的调试ii程首先用电蘭在STEP-7-Micro/WIN编程軟件中将编辑的悌形图写人軟件中，然后点 击运行并对其牯岀的錯误进行修改，修改完最终运行无戻后将其下裁到可编程控制仪器 中；其次按照设廿的要求接好线，确定无误后按卞启动按钮。启和后发现

24、上行、下行、 左行、右行灯均同时亮且一直亮着,这样就不符合设计中八个动作依次有序afi»作的 要求，务必对其进行修正。在送种悄猊卞我采取了以下方案：方案一：在没有确定设备是否曾在问题的悄况下，首先我们对设备亍了检测，发 现不胃在任何问题，在迪种悄况下我选徉了再一次用先前的步骤来完成整个il程以晞定 初次的接线过程是否有误，结果发现运行的结果和先前一样岀现灯血亮。这样方案一就 以失败告终。方案二：通过对程序的再三检查后，发现并未岀现培法上的備误。会不会是运行的速度 太快而岀现一个周期接一个周期的快速运行昵？在带着这个问题的悄况下把程序的毎 个动作网络多家了一个stop 令加以验证，然后

25、将程序写人STEP-7-Micro/WIN编程軟 件中运行，运行给果显示没有错误；再下载到可编程腔制仪后接好线按下启动按粗，发 现指示灯会按照设it动作的要求依次亮起而且程序也能按照设it的要求完成指定的单 周期和多周期操作。这样利用方案二就完成了整f实验的调试。总结这次的课程设廿我们大致完成了当初既定的任务。设计的搬运机植手程序在硬件调试时能W较完整地完成整f工作流程。当相 应的开关按下时，相应的控制灯能敞及时点亮。对于保护方面，在程序设廿时，就已经使机械手手抓抓紧后线上升再下降遐免了碰 撞。大致的设廿流程在有了时序步骤的图之后还是清楚的，但是细节问體上就不是我们 能W处理的了。就拿我们的课

26、题机檢手来说，要考虑许其他的方面，例如在工件未搬完 前，咖何实观停止，工件搬完后，如何111到初始，或者是娠续下次的这些都是在 设计时我们需要自己斟削的问题。搬运机檢手的优点已经不言而哺。能筋在而不需要手动的悄况下搬运一些 工件，目在电机拖动下，能無时间定时、定量的搬运，不仅提高了工作的效率，也节省 了不少时同，在这样模快化的工作下,其他相关的工序也能井然有序的完成。但是，在设itil8中，总是遇到这样或那样的冋題。有时发现一个冋題的时候，需要 做夫量的工作，花大量的时同才能解决。总之，iiil这样的实跌,我们从中学到了不少，也对我们今后的学习工作提哄了经验, 希望能有更多逆样的学习机会。参考文献1 惨常乩可编程序控制器的编程方法与工程应用M.重庆：重庆大学岀版社2 牙太福可编程序控制器及其应用M.重庆：重庆大学岀版社3 刘祖叭毕业设it指导.北京：机械工业岀版社4 谢桂林.电力拖动与控制.北京：中国矿业大学出版社5 工厂常用电气设备手IB编写组.工厂常用电气设备手IB.北京：水利电力岀版社