电气控制技术课程设计

1、课程设计报告姓 名 学 号 年 级 专 业 系（院） 指导教师201*201*专业机械工程学院吕佥U2014年*月*日搬运机械手电气控制系统设计摘要本课题主要任务是设计一抓取机械手来完成无人化工厂中某一阶段性工作。机械手系统采用圆柱坐标方式，由PLC作为中央控制单元，控制三路交流伺服驱动器、位置单元模块及其它功能块，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。设计了上位机组态，方便人们监视现场运行情况以及实现故障准确定 位，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一一电气控制系统设计本课题中主要内容：(1) 机械手方案设计及驱动电机选型；(2) 电气控制系统硬件线路设计；(3) 控制系统程序设计；(4) 上位机组态设计及系统调试；关键词：机械手交流伺服控制器 PLC组态松下1研制背景及意义1.1研制背景机械手是由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种能在四 维空间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 高产品质量，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， 因此，机械

2、手广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手技术是综合控制论、信息论、计算机、机构学、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跃，应用日益广泛的领域。 一般说来，机械手的应用情况，可衡量了一个国家的工业自动化水平。机械手是综合了人和机器的特长，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力， 又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，可以说它是机器的进化过 程产物，它是工业以及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。1.2机械手简史现代意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，机械手研究始于二十世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台电子计算机问世以来，计算机取得惊人的进步，向高速度、大容量、低 价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人 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机械代替人处理放射性物 质。在这一需求背景下，美国1947年开发了遥控式机械手，第二年又开发了主从式机械手

3、。1958年，美国联合控制公司研制出示教型机械手，结构是机体上安装一个回转长 臂，顶部装有电磁阀抓放机构。1962年，公司在上述方案基础上又研发一台数控示教 再现型机械手。取名为Unimate,运动系统仿照坦克炮塔，手臂可以回转、俯仰、伸缩， 使用液压驱动，控制系统采用磁鼓作为存储装置。很多球面坐标通用机械手就是在这个 基础上发展起来的。同年，该公司与普尔曼公司合并出成立万能自动公司，专门生产工 业机械手。1978年美国Unimate公司与斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 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 误差小于毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运 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断拓展，性能指标在不断提高。目前， 机械手不仅应用于传统制造业如采矿、冶金、石油、化工、船舶等领域，同时也扩大到 航空、航天、医药、生化、军事等高科技领域以及诸如家庭保洁、医疗康复等服务行业。机械手的发展可大致分为三个阶段。 第一阶段，机械手只能根据事先编制好的程序 来工作，纯

4、机械式操作。第二阶段，机械手具有触觉、视觉、听觉、力觉等功能，它可 以根据外界的不同信息做出相应的反馈。第三阶段，机械手不仅能感知外面的世界，还具有自我学习，知识记忆的功能，它与电子计算机和电视设备保持实时联系，并逐步发 展为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。1.3机械手发展状况现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过 程自动化已经基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产环节不是连续的。因 此，比如迫切需求装卸、搬运等工序机械化，工业机械手就是为实现这些工序的自动化 而生产的。近年来全球机械手行业发展迅速（图 1-1）。人性化、重型化、微型化、智能化已经 成为未来机械手产业的主要发展趋势。有资图1.1全球每年新投入使用的机械手数量年份料显示，工业机械手在汽车工业、机床工业、金属加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，如家用服务机械手、割草机械手、康复机械手我国于 1972 年开始研制工业机械手，经过几年攻关，完成了示教再现式工业机械 手成套技术（包括机械手本体、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、

5、制造、应 用和小批量生产的工艺技术等）的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机械手 整机，几类专用和通用控制系统及关键元部件等， 并在生产中经过实际应用考核。在国 家政策的支持下，经过不懈努力， 九十年代后半期实现了国产机械手商品化，为产业化 奠定基础。1.4 简述机械手分类工业机械手的种类很多，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、机械传动和电力传动。液压机械手 主要特点是，抓重可达几百千克以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置 要求严格，且不宜在高温、低温下工作。若采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控 制，这使得机械手通用性扩大，但其制造精度高，油液过滤严格。气压传动机械手主要 特点为输出力小、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是，由于空气具有可压缩的特 性，工作速度的稳定性差，冲击大，抓重一般为 30 千克一下，适用于高速、轻载、高 温和粉尘大的环境中工作。机械传动机械手运动准确可靠，动作频率大，但结构较大， 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

6、的转换机 构，故机械结构简单，维护和使用方便。按使用用途可分为专用机械手和通用机械手两种。 专用机械手是附属于主机的、 具 有固定程序而无独立控制系统的机械装置，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 下料机械手、自动换刀机械手等。而通用机械手具有独立控制系统、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、定位精度高、通用性强，适用于不断变换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控制和连续轨迹控制。 点位控制其实是空间点到点的移动， 只能控制运动过程中的几个点的位置， 不能控制其运动轨迹， 若控制的点数多，则必然 增加电气控制系统的复杂性。 而连续轨迹控制其特点是设定点为无限个， 整个移动过程 平稳、准确，并且适用范围广，但电气控制系统复杂，这类工业机械手一般采用微型计 算机控制，如PLC、单片机、嵌入式PC等。本论文机械手采用电力传动方式， 机械结构简单， 重量轻，精度高，工作迅速、平稳、 可靠，因而广泛应用于机械加工业，如喷

7、漆、码垛等。1.5 机械手发展趋势自 20 世纪 90 年代以来， 由于具有一般功能的传统工业机械手的应用趋向饱和，而许多高级生产和特种应用则需要具有各种智能的机械手参与， 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， 复苏和继续发展机械手产业的一条重要路 径就是开发各种智能机械手，以提高机械手的性能，扩大其功能和应用领域。回顾近年来国内外机械手的发展历程， 大致有以下发展趋势。 传感型智能机械手发 展较快，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能机械手系统、人工神经网络、专家系统 等。智能机械手和高级工业机械手的结构要力求简单紧凑， 其高性能部件甚至全部机构 的设计已向模块化方向发展。汽车工业、工程机械、建筑、电子、电机工业及家电行业在开发新产品时，引进高级机械手技术， 采用柔性自动化和智能化设备，改造原有生产 手段，使机械手及其生产系统的发展呈上升趋势。 重型、小型和微型机械手的研究也是 热点之一，重型机械手可应用于大型和重型装备智能化和无人化，小型机械手移动灵活方便、速度快、精度高，适于进入大中型工件进行直接作业，微型机械手可用于医疗和 军事领域。机械手的应用领域

8、向非制造业和服务业发展也是一个重要方向。机械手控制系统设计步骤根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作，确定这些动作之间的关系及完成这些 动作的顺序。（2）分配输入、输出设备，即确定哪些外围设备是送信号给 PLC的，哪些外围 设备是接收来自PLC的信号的，同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应，对I/O进 行分配。在此基础上确定PLC的选型。（3）根据控制系统的控制要求和所选 PLC的I/O 点的情况及高功能模块的情况，设计PLC用户程序，此时可采用梯形田、助记符或流程图 语言形式的用户程序。PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相 互关系，编程时可用编程器或计算机直接编程、修改，同时也可对PLC的工作状态、特殊 功能进行设定。（4）对所设计的PLC程序进行调试和修改，直至PLC完全实现系统所要求 的控制功能。（5）保存已完成的程序。2.1搬运机械手的设计原理图3-1是搬运机械手工作示意图。该机械手的任务是将传送带 A上的物品搬运到传 送带B。为使动作准确，安装了限位开关 SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5。分别对机械手 进行抓紧、左旋、右旋、上升、下降等行程的

9、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 钮SB1和停止按钮SB2，分别用以启动和停止机械手的动作。图3-1搬运机械手工作示意图传送带A、B由电动机M1、M2拖动，M1、M2分别由接触器KM1、KM2控制，机械 手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，并分别由 6个电磁阀YV1 YV6 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我们对其进行简 要说明：S7-200系列是一类可编程逻辑控制器(Micro PLC)。这一系列产品可以满足多种 多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外型图如图2,具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得 S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型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模块包括一个中央处理器单元(CPU)、电源以及数字量I/O点，这些 都被集成在一个紧凑、独立的设备中。1. CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。2. 输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备(例如传感器或开关)中采集信 号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。3电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。4. 通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或一些设备连接起来。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 检查出来的系统错误。6通过扩展模块可以增加 CP

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