搬运装置的电气控制系统毕业设计.docx

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搬运装置的电气控制系统毕业设计

搬运装置的电气控制系统毕业设计

搬运装置的电气控制系统毕业设计苏州工业园区职业技术学院毕业项目2014届项目类别：

毕业设计项目名称：

搬运装置的电气控制系统专业名称：

机电一体化姓名：

吴红生学号：

201100990班级：

机电11303指导教师：

齐美星2014年5月18日IVT-REJX-51苏州工业园区职业技术学院毕业项目任务书（个人表）系部：

机电工程系毕业项目类别：

毕业设计毕业项目名称：

搬运装置的电气控制系统校内指导教师：

齐美星职称：

讲师类别：

专职校外指导教师：

职称：

类别：

学生：

吴红生专业：

机电一体化技术班级：

机电113031.毕业项目的主要任务及目标主要任务：

完成切割搬运生产线的搬运装置电气控制系统设计，要求采用PLC为控制核心，应用伺服或变频技术实现机械手的运动控制。

目标：

（1）完成搬运对象的结构和工艺流程分析。

设计出电气图及PLC程序。

（2）提交一份符合格式要求的项目报告。

2.毕业项目的主要内容1）项目背景2）方案确定3）系统硬件部分设计4）系统软件部分设计5）安装及调试6）项目总结3、主要参考文献无4、进度安排毕业项目各阶段任务起止日期1．毕业项目的选题、项目实施计划2013/9/1-2013/10/12．毕业项目资料的搜集和整理2013/10/8-2014/1/203．毕业项目初稿的完成及实物的安装调试2014/1/21-2014/4/304．对毕业项目的修改完善2014/5/1-2014/5/145.最终完成及准备答辩2014/5/15-2014/5/20注：

此表在指导老师的指导下填写。

苏州工业园区职业技术学院诚信声明本人郑重声明：

所呈交的毕业项目报告《搬运装置的电气控制系统》是本人在指导老师的指导下，独立研究、写作的成果。

工业案例中所引用是他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在工业案例中以明确方式标明。

本人声明的法律结果由本人独自承担。

作者签名：

年月日摘要当今工业自动化越来越发达，许多企业为了提高生产效率和生产质量，都实行了自动化的生产线。

搬运和切割物料生产线装置由三部分组成即锯床切割部分、传送带部分和机械手臂搬运部分。

由于整套装置很复杂，本项目主要选取机械手臂搬运部分为研究对象,设计了电气控制系统。

主要采用西门子S7-400PLC作为控制核心，首先仔细分析了设备的结构组成和动作工艺流程及控制功能要求，然后详细地设计了硬件电路和软件流程图及程序，其中硬件电路包括电机主电路、PLC外部I/O接线图等。

最后对整个项目进行了总结及展望。

关键词：

机械手伺服电机PLC定位控制目录第１章绪论41.1项目背景41.2项目的主要任务与内容4第2章系统整体说明及方案设计62.1整体说明62.2系统方案设计7第3章系统硬件部分93.1控制系统的组成93.2电气接线图93.3PLC的选型143.4伺服电机和变频电机的选型及参数设置163.5气动部分设计18第4章系统软件部分214.1程序设计流程图214.2过程分析21总结23致谢24第１章绪论1.1项目背景如图1-1所示为青岛某环保公司的搬运切割生产装置，原来搬运等动作都是由人工来完成，每根料的长度是1.2米，重量在10kg左右。

另外料是化学产品时间长了对人体有一定的伤害，并且由于市场需求量比较大。

这样如果是靠人工来完成这些动作的话，投入的成本将会很大，且不能满足所需要的效率。

所以后来对设备进行了改造。

改造后的整个设备分为三个部分，切割部分（锯床）、传送部分（传送带）和搬运部分（机械手臂）。

机械手的左右移动和升降以及锯床中间结构采用伺服电机驱动，机械手的取料通过真空吸盘来取放。

上料传送带采用普通三相异步电动机作为的动力，下料传送带采用交流变频异步电机作为其动力系统。

锯床中间结构采用普通双作用气缸来完成一系列动作。

图1-1搬运切割生产线1.2项目的主要任务与内容本项目是我结合我所学的专业知识，以PLC为基础，对这套设备搬运部分进行研究。

项目共5章，第一章绪论，主要对项目的研究背景和主要研究对象进行了说明；第二章系统的整体说明及方案设计，对搬运系统整体进行了说明，以及对控制要求提供了好的设计方案；第三章系统硬件部分，主要分析了系统的组成部分以及各部分器件的工作原理，对各种元件的选择和参数确定等控制系统的硬件配置；第四章系统软件部分，主要对PLC控制的流程进行了设计和分析；第五章项目总结，对设计和调试过程所遇到的问题进行分析和解决。

第2章系统整体说明及方案设计2.1整体说明图2-1整体布局图如图2-1所示，是系统整体布局图。

通过人工去取出出料口的料，然后放置到后置传送带的V型块上，通过后置传送带传送到锯床进行切割，切割完了以后平稳的放置到前置传送带上，再通过前置传送带传送到横梁那边，这时前置传送带的最前端的传感器检测到信号，传送带停止工作，此时横梁上的机械手臂开始工作，向有物料的那个方向运动，运动到物料上方以后手臂下降到指定位置，到指定位置后，吸盘开始工作，把物料吸起来，最后运动到浸液池进行浸液，浸完后运动到托料盘上方，把料放到托料盘上。

其中主要难点就是，伺服电机的调速。

如图2-2所示机械手布局图，机械手主要完从传送带上取料，到浸液池上方后机械手吸盘部分翻转90°，然后浸液，完成这系列动作后，再把料堆放到码垛区。

如图2-3所示，为本项目所研究的搬运部分的视图。

图2-2机械手布局图图2-3搬运部分的视图2.2系统方案设计2.2.1功能要求搬运的控制系统必需具备以下几个功能要求；第一，要求控制系统要非常稳定可靠；第二，由于设备现场温度差比较大，且粉尘严重，所以必需能适应恶劣的工作环境；第三，要求它要易操作，方便调试，和以后的维护；第四，灵活性要好，操作方便，监视和控制要十分容易。

2.2.2方案确立我们提出了用一整套机械自动化设备来代替人工完成这一系列动作。

考虑到所生产的产品是易碎产品，且市场价格比较昂贵，所以我们需要用一套比较稳定的控制系统。

利用西门子S7-400PLC作为核心，选用伺服电机作为机械手的左右移动和升降以及锯床中间结构的动力系统，用普通三相异步电动机作为上料传送带的动力系统，用变频电机作为下料传送带的动力系统。

锯床中间结构采用普通双作用气缸来完成一系列动作，机械手的取料通过真空吸盘来取放。

一些主要位置通过传感器来定位。

这样我们就能保证，把生产出来的料，从指定位置取走，平稳的完成一些小的加工动作。

本项目的主要难点在于，伺服电机和变频电机的控制，再有就是整套设备的逻辑顺序的设计。

根据上述要求，本项目选用西门子400PLC作为核心控制器。

因为西门子400PLC，有以下几个优点：

①西门子400PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用；②西门子400PLC配有多种通用功能的模板，可以根据需要组合成不同的专用系统；③西门子400PLC具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件，采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低；④西门子400PLC有较高的易操作性；⑤西门子400PLC编程方法的多样性使编程简单、应用面拓展。

操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。

第3章系统硬件部分3.1控制系统的组成硬件系统主要由西门子400PLC、伺服驱动器、变频器、电机、电磁阀和气缸组成。

通过以PLC为核心控制元件，接受输入信号，得到相应的输出信号给伺服驱动器让电机工作让机械手臂给电磁阀，让气缸和吸盘工作。

搬运系统的控制系统组成如图3.1所示。

图3.1控制系统的硬件结构图3.2电气接线图整个一套设备用到4个电控箱。

搬运装置主要用的是四号电控箱，跟机械手臂安装在一起，并且跟随机械手臂一起运动，PLC放置在一号电柜里，一号电箱也是总的电控箱，四号电箱的电源也是从总电柜引进来的。

3.2.1一号电控箱如图3-2所示是一号电控箱的接线图，由图我们可以看到，一号电控箱从外面引入三相五线制电源，然后通过变压器分别给PLC提供220V的单相电，给一号线提供三相200V的电压，给二号线提供220V单相和380V三相电，给机械手提供200V三相电和220V单相电。

图3-3一号电控箱主要元件布置图及控制面板板。

图3-2一号电控箱接线图图3-3一号电控箱主要元件布置图及控制面板3.2.2四号电控箱如图3-4所示为四号电控箱的接线图，从主电控箱，引出一个三相200V的电压，给伺服驱动器供电。

图3-4四号电控箱的接线图3.2.3PLC的I/O地址表及输入输出接线图如表3-1所示为PLC的I/O地址表表3-1.PLC的I/O地址表I3.4备用Q5.4备用I3.5备用Q5.5黄灯I3.6码垛区有木托Q5.6绿灯I3.7码垛区料满Q5.7红灯I7.0机械手平移伺服电机故障PID576机械手平移伺服电机I7.1机械手升降伺服电机故障PID580I7.2机械手升降上限位PQD576I7.3机械手升降下限位PQD580I7.4翻转气缸收缩到位PID584机械手升降伺服电机I7.5翻转气缸伸出到位PID588I7.6备用PQD584I7.7备用PQD588Q4.0机械手平移伺服使能Q4.1机械手平移伺服抱闸Q4.2机械手升降伺服使能Q4.3机械手升降伺服抱闸Q4.4翻转气缸升降Q4.5机械手吸盘电磁阀吸松Q4.6备用Q4.7备用3.2.4PLC的接线图如图3-4所示为PLC的主电源电路，从一号电柜引入一路单相220V电源，再通过一个小的变压器把单相220V的交流电变成直流24V的电压提供给PLC使用。

图3-4PLC的主电源如图3-5为机械手臂部分PLC接线图，输入部分主要是气缸位置检测传感器，机械手臂位置检测传感器和按钮；输出部分主要是气缸和真空发生器的电磁阀以及伺服驱动器的动作信号。

其中的六个传感器的安装位置分别是，左右传送带各一个，机械手的左右极限位置各一个，机械手的上下限位各一个。

图3-5PLC接线图图3-6PLC布置图图3-7PLC电气柜实物图3.3PLC的选型在PLC选型时，有以下几个步骤：

（一）输入输出（I/O）点数的估算，I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。

（二）存储器容量的估算，存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。

（三）控制功能的选择，该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

（四）机型的选择，包括PLC的类型，PLC按结构分为整体型和模块型两类；输入输出模块的选择，输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一；电源的选择、冗余功能的选择和经济性的考虑。

本项目所用PLC型号选择：

如表3-3所示。

表3-3PLC及相关配件型号序号类型数量型号1PS407，24VDC：

4A16ES7407-0DA02-00A02CPU412-2PN16ES7412-2EK06-0AB03MMC存储卡，256KB16ES7952-0KH00-0AA04CR3.4槽经济型16ES7401-1DA01-0AA05网络连接器16ES7972-0BA12-0XA0分站ET200S（按8轴计算，预留2轴备用，40DI/40DO计算）序号类型数量型号11M151-1DP标准型16ES7151-1AA05-0AB02PM-EDC24V36ES7138-4CA01-0AA03电源模块螺钉型端子36ES7193-4CD20-0AA048DI，24VDC，standard56ES7131-4BF00-0AA058DO，24VDC/0.5A56ES7132-4BF00-0AA061STEP步进模块106ES7138-4DC00-0AB07电子模块螺钉型端子106ES7193-4CA40-0AA08网络连接器36ES7972-0BA12-0XA03.4伺服电机和变频电机的选型及参数设置3.4.1伺服电机的选型伺服电机选型时要注意一下几个因素：

（一）、电机的最高转速。

电机最高转速应该严格控制在电机的额定转速之内。

（二）、惯量匹配问题及计算，负载惯量为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求,负载惯量JL应限制在2.5倍电机惯量JM之内，即。

式中，为各转动件的转动惯量，kg.m2；为各转动件角速度，rad/min；为各移动件的质量，kg；为各移动件的速度，m/min；为伺服电机的角速度，rad/min。

（三）、空载加速转矩，空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时。

一般应限定在变频驱动系统最大输出转矩的80%以内。

式中，为与电机匹配的变频驱动系统的最大输出转矩（N.m）；为空载时加速转矩（N.m）；为快速行程时转换到电机轴上的载荷转矩（N.m）；为快速行程时加减速时间常数（ms）。

电机MDM202GCH+MEDHT7364E1套减速机PL120-201台电机MDME302GCH+MFDHTA390E1套减速机PL160-201台编码器线MFECA0030ETD2根刹车电机线MFMCE0032FCD1根刹车电机线MFMCA0033FCT1根表3-4伺服电机及相关配件的选型图3-8型号说明在本项目中用到两种型号的伺服电机，其中一个3KW的用于机械手臂的升降，2KW的用于机械手的左右移动。

如表3-4所示为伺服电机及相关配件的选型。

图3-8为型号说明图。

3.4.2伺服电机与PLC的连接及参数设置本项目的伺服控制系统采用了位置控制模式，位置控制就是根据你期望移动的距离，算出来应该发多少脉冲数给伺服驱动器，比如你要移动200mm一个脉冲对应的距离是0.013mm那么就是说你要发200/0.013的脉冲给驱动器。

如图3-9所示为伺服驱动器内部接线图，其中PULSH1、PULSH2、SGNH1、SGNH2为指令脉冲输入，是PLC与伺服驱动器之间的通信端口；指令脉冲PULS1、PULS2是指令脉冲输入端子主要功能是驱动器通过高速光电耦合器接收信号，和指令符号SIGN1、SIGN2的主要功能，PULS和SIGN信号的输入阻抗为220Ω，指令脉冲可以三种不同的方式输入，第一种，正交（A和B）输入、第二种，顺时针（PULS）/反时针（SIGN）脉冲输入、第三种，指令脉冲（PULS）/方向（SIGN）输入。

A相输出OA+OA-，,B相输出OB+OB-,Z相输出OZ+OZ-；主要功能是提供来自分配器的编-码器信号的分差输出，用输出脉冲逻辑取反可以选择A相与B相之间的逻辑关系。

图3-9伺服驱动器内部接线图3.5气动部分设计在本项目中，主要用了一个气缸作为机械手臂吸料部分的90°的翻转，和6组泡沫吸盘。

气缸主要是通过一个一位二通单电控电磁阀来控制的，初始状态电磁阀没有得电，气缸回缩到位，吸盘面与水平面平行，电磁阀得电后，气缸伸出到位，翻转90°进行浸液。

3.5.1气缸的选型气缸的选型主要有以下几点：

第一，是否内置磁环，因为本项目中要检测气缸位置，所以气缸内置磁环；第二，气缸的安装方式，本项目中气缸安装在手臂内部，采用的是双耳环型的安装方式；第三，缸径的计算，气源为0.6bar也就是0.6Mpa。

那么气缸的出力为6KG/CM2，本项目中出力为200KG左右，200/（6*3.14）=10.62再开方为3.26然后乘以2为6.51cm也就是说65.1mm，这是理论数值，设计的时候需要考虑安全系数1.0-1.3所以需要的实际数值要比65.1大，也就是在内径比65.1大的数值里寻找，所以本项目所选缸径为100mm；第四，配管方式，为螺纹配管；第五气缸的行程，根据需要选择，本项目中行程为300mm。

如表3-1所示为气缸及气缸配件的型号列表。

表3-5气缸及气缸配件的型号列表产品名称产品规格数量单位气缸CI100*300-S1PC单耳座CA-CI1001PC双耳座CB-C1001PC鱼眼接头U-M201501PC电磁阀SVF352-S-N-31D1PC节流阀CIL10-042PC直通接头CC10-033PC消声器CBSL-022PC气源件CP203-12-T1PC气管PU10*0651PC3.5.2真空发生器的选择真空发生器的选择，主要注意以下几点：

第一，真空产生装置的驱动方式（气动）；第二，要看被吸工件是气密性工件还是透气性工件，本项目中为气密性工件；第三，第三，所需排放量为多少；第四，工作周期，主要影响因素有真空吸气的容量、需要抽除的容量和控制阀的响应时间等；第五，真空度，因为本项目吸的是气密性工件，真空度设为600mbar；第六，真空发生器的安装方式，主要根据实际安装来进行选择。

如表3.5.2所示为吸盘及其配件的型号列表。

表3-6吸盘及其配件的型号列表项号品牌品名货品型号单位单价数量总价1沃泰可真空发生器PVP7SX只1200.0067200.002沃泰可泡沫真空吸盘08120240只429.00145880.003沃泰可真空过滤器FC10只320.0061920.004沃泰可真空压力开关120210只780.0064680.005沃泰可缓冲枝干209595只100.00242400.006国产泡沫片100X250片110.00505500.007国产两位两通电磁阀G1/4”只80.006480.00如图3-10所示为系统的气动回路图。

3-10气动回路图第4章系统软件部分4.1程序设计流程图如图4-1所示为程序流程图，主要分为两大部分，自动部分和手动部分。

（详细程序见附录）图4-1程序流程图4.2过程分析过程分析：

系统上电，设备如果不在初始位则回到初始位；模式选择系统自动运行或者手动运行；在自动模式下，对两边传送带顶端的传感器进行检测判断（左边和右边同时有信号则左边优先）；1、假设左边传送带的传感器检测到有信号，机械手左移；2、左移计脉冲，如果达到平移脉冲1，到达左边传送带料的上方位置则机械手停止左移并开始下降；3、下降计脉冲，如果达到下降脉冲1，到达料的准确位置，则机械手停止下降并且吸盘吸料；4、给5秒让真空发生器达到足够的真空度，达到时间后机械手上升到原始高度；5、达到原始高度后机械手右移；6、右移计脉冲，达到平移脉冲2后，达到浸液池的正上方，停止右移，气缸伸出；7、气缸伸出到位后，机械手下降；8、下降计脉冲，达到下降脉冲2后，让料的底端的20mm左右在浸液池里浸液；9、给120秒让料充分吸收，达到时间后机械手上升到原始高度，并且气缸回缩机械手开始右移；10、右移计脉冲，如果达到平移脉冲3，托料盘的正上方则机械手停止右移并开始下降；11、下降计脉冲，如果达到下降脉冲3则机械手停止下降，到达放料处，吸盘放料，放完后系统回到初始位。

12、说明：

过程分析中只说了左边，右边有料时，动作也一样，先取料，然后去浸液，最后把料放到托盘上；其中平移有5个不同的脉冲，升降有三个不同的脉冲。

手动状态下，机械手可以停在任意位置。

总结本项目主要完成了搬运装置的电气控制系统的设计及实物的制作，在调试设备的过程中遇到了一些问题，主要有两个问题。

第一个是伺服电机的准确的定位，我们先是通过对伺服电机的参数进行了详细的查找，然后通过计算和一点点的调试基本能够达到想要的位置。

第二个就是升降电机我们在使用时，停止的那一瞬间经常报警，经过我们对说明书的查找，我们查到了原因是过载报警，导致这种原因的主要有两个因素，第一，电气上的问题，在停止和启动的瞬间所需的力很大，特别是停止的瞬间，电机的使能端和抱闸同时打开，此时电机上的力矩是正常运行的两倍左右所以导致了过载；第二个因素就是机械结构上的原因，现场粉尘比较严重导致摩擦过大；首先先对机械上进行了改进，在升降的接触部位加润滑；在对机械结构进行了改进后，还是会发生报警，但报警的次数减少。

因为系统报警对以后的生产会有很大的影响，所以必须完全解决这个问题，所以我们想到了从伺服电机本身入手；我想了两种方法，第一种延长伺服电机启动、停止和换向的时间，理论上讲如果让伺服电机有足够的时间来进行启停换向将大大地减少力矩，但是这种方法存在一个严重的问题，就是少量的延长时间并不能彻底解决问题，延长太长也将严重影响生产效率；第二种方法就是，让电机的使能和抱闸信号不能同时打开，经过分析我们发现每次报警都是电机停止的一瞬间，也是电机抱闸的一瞬间，如果使能和抱闸信号同时打开电机此时承受的负载转矩将达到原来正常运行的两倍，所以导致了过载，所以让电机的使能和抱闸信号不同时打开，这样我们就彻底的解决了这个问题。

致谢在项目即将完成之际，也意味着是我们第三个学期即将圆满完成，此时此刻，我的心情无法平静，从开始进入课题到项目的顺利完成，有多少可敬的老师、亲爱的同学和朋友给了我无尽的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

首先，我要感谢我的指导老师齐美星老师！

齐老师治学严谨，学识渊博，待人热情，平易近人，使我在毕业设计的过程中遇到难题时，能够大胆的向老师提出问题，老师也总是及时而又耐心的帮我解答。

项目选题后，在项目资料查询、调研、开题、研究设计和论文撰写的每一个环节，都得到了齐老师的悉心指导和帮助。

在此我向齐老师表示衷心的感谢！

同时，我还要感谢IVT所有任课老师和系部领导，感谢他们对我学习和上活上的关心与支持，他们不仅传授了我丰富的知识，还教会了我许多为人处事的原则，这些都让我在设计的过程中有一个良好的心态，并能让我终身受益。

最后，对所有帮助、关心和支持我的家人、同学、朋友致以最崇高的敬意！

谢谢大家！

附录1：

程序部分、、第56页共59页