机电传动课程设计周毅.docx

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机电传动课程设计周毅

机械手电气控制系统设计

班级：

20121057班学号：

2012129232姓名：

周毅指导老师：

钟先友

【摘要】机械手是工业控制和加工中经常用到的执行部件，具有能适应恶劣工作环境、效率高、安全稳定和可进行高强度工作的优点，在自动化生产线上有广泛的应用。

机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。

PLC设计的机械手采用电气可编程控制技术与液压技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；电气方面有交流电机、热继电器、变压器、熔断器等器件组成。

机械手的程序设计分为用户程序、调试程序、自动运行程序。

用户程序主要实现对电机的启动以及调用子程序，调试程序可以实现单步执行动作，通过按钮可以调节机械手的每一个动作，自动运行程序，可以实现机械手的自动运行。

【关键词】：

机械手PLC电气控制

1.机械手与PLC介绍

1.1机械手的介绍

工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

按用途分：

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:

专用机械手，它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。

专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心批量的自动化生产的自动换刀机械手。

通用机械手，它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。

通过调整可在不同场合使用，驱动系统和性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。

通用机械手的工作范围大、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。

按控制方式分点位控制，它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。

若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。

目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

连续轨迹控制，它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。

这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制[4]。

本设计中的机械手采用关节式结构，并用电磁阀控制。

动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统。

1.2PLC的介绍

概念：

可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。

但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。

它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

工作原理：

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。

即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

特点：

1.抗干扰能力强、可靠性高。

2.控制系统结构简单，通用性强。

3.编程方便，易于使用。

4.功能强大，成本低。

5.设计、施工、调试的周期短。

6.维护方便。

1.3机械手设计任务书

机械手结构、动作与控制要求机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。

本设计中的机械手采用关节结构。

各动作由液压驱动，并由电磁阀控制。

动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则制的电气控制系统。

机械手的结构如图1-1所示，主要由手指1、手腕2、小臂3和大臂5等几部分组成。

料架6为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。

每次转动一定角度（由工件数决定）以保证待工零件4对准机械手。

图1-1机械手外形及其与料架的配置

1-手部2-手腕3-小臂4-工件5-大臂6-料架

以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是:

由原始位置将已加工好的工件卸下，放回料架，等料架转过一定角后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。

具体动作顺序是：

原始位置（大手臂竖立，小手臂伸出，手指松开）→大手臂下摆→手指夹紧（抓住卡盘上的工件）→大手臂上摆→小手臂收缩→手腕旋转90度→镗孔加工→镗孔加工完成→料架转动90度→手腕旋转90度→小手臂伸出→大手臂下摆→手指松开（工件放回料架）→小手臂收缩→料架转动90度→小手臂伸出→手指夹紧（抓住未加工零件）→大手臂上摆→小手臂收缩→手腕旋转90度→镗孔加工→镗孔加工完成。

如表1-2所示。

可自行列出各动作中对YV1～YV9线圈的通电要求

表1-2电磁阀状态表

YV1

YV2

YV3

YV4

YV5

YV6

YV7

YV8

YV9

手指的夹紧与放松

夹紧

+

放松

+

手腕转动

左转90度

+

右转90度

+

小臂的伸缩

伸

+

缩

+

大臂上下摆动

上摆

+

下摆

+

料架转动

转动90度

+

设计要求：

1）加工中上料、下料各动作采用自动循环。

2）各动作之间应有一定的延时（由时间继电器调定）。

3）机械手各部分应能单独动作，以便于调整及维修。

4）油泵电机（采用Y100L2-4.3kW）及各电磁阀运行状态应有指示。

5）应有必要的电气保护与联锁不节。

2.电器控制部分设计

2.1系统的整体设计分析

整个系统由操控面板来完成整个机械手的的操作，工件通过光电开光进行检测。

机械手的各个动作由液压驱动，而液压控制阀由相应的电磁阀控制。

机械手的全部动作由PLC控制完成。

2.2主电路设计

电源选择：

PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。

重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。

如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。

电机选择：

Y2系列三相异步电动机具有结构新颖、造型美观、噪音低、振动小、绝缘等级高等特点，产品现已达到九十年代国际先进水平，是Y系列电机的更新产品。

外壳防护等级IP54，它具有良好的起动性能和运行性能，结构简单，工作可靠，维修方便等特点，电机采用E级或B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为ICO141，额定频率为50Hz，额定电压为220V。

选用Y2-63M2-2，功率250W，可满足生产需要。

通过接触器开关的闭合，电流通过接触器的线圈，使主电路吸合，使机械手的动作都能够运作电磁阀控制手指夹紧、手指放松、手腕左移、手腕右移、小臂伸出、小臂缩回、大臂上摆、大臂下摆、料架转动各个动作。

在主电路中，加了相关的保护功能，能够有效避免电路的故障。

而刀开关QK起电路隔离作用。

熔断器FU作为电路后备短路保护。

而热继电器FR具有对电机的过载、保护。

图2-1主电路图

2.3操作面板设计

操作面板的设计主要考虑要操作方便，能够操作机械手的各个动作进行设计。

选用选择开关进行调节自动和调试操作，各个动作进行点动操作。

通过控制面板各个按钮来控制机械手的手指夹紧、手指放松、手腕左移、手腕右移、小臂伸出、小臂缩回、大臂上摆、大臂下摆、料架转动各个动作，进行调试机械手的运行。

机械手的操作面板如下图，机械手能够实现自动、调试、回原位的工作方式。

调试工作方式时，用各个按钮的点动实现相应的动作。

回原位置工作方式时，按下相应的按钮，则机械手返回原位置。

自动工作方式时，每按下一次启动按钮，则机械手自动运行一个周期。

图2-2控制面板图

2.4PLC的选型

由于市场的需求和西门子PLC的广泛应用所以选取的是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（MicroPLC）。

这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，S7-200MicroPLC的CPU22*系列PLC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。

S7-200CPU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。

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。

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。

电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。

通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或一些设备连接起来。

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。

通过扩展模块可以增加CPU的I/O点数（CPU221不可以扩展）。

通过扩展模块可以提供其通讯功能。

一些CPU具有内置实时时钟，其他CPU需要实时时钟卡。

EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。

通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。

基本的S7-200MicroPLC包括一个S7-200CPU模块,一台个人计算机（PC）,STEP7-Micro/win32（3.1版）编程软件,以及一条通讯电缆.为了使用个人计算机（PC）,你必须以下一种设备:

一条PC/PPI电缆；一个通讯处理器（PC）和多点接口（MPI）电缆；一块MPI卡,随MPI卡提供一根通讯电缆。

PLC模块的选择：

采用CPU224的主机和输出扩展模块EM222简要介绍对扩展模块的选取：

S7-200PLC的I/O扩展模块有：

1.输入扩展模块EM221:

共有3种产品，即8点和16点DC、8点AC。

2.输出扩展模块EM222：

共有5种产品，即8点DC和4点DC、8点AC、8点继电器和4点继电器。

3.输入/输出混合模块EM223：

共有6种产品。

其中DC输入/DC输出的有3种，DC输入/继电器输出的有三种，它们对应的输入/输出点数分别为4点、8点和16点。

4.模拟量输入扩展模块EM231。

5.模拟量输出扩展模块EM232。

6.模拟量输入/输出扩展模块EM235。

设计图中PLC的输入点25个，输出点12个，考虑到实际应用情况所以选用型号为S7-200CPU224的PLC（输入点14，10点继电器输出，扩展模块为7）。

S7-200CPU224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。

2.5I/O地址分配

表2-3

输入点地址分配表

输出点地址分配表

名称

地址

名称

地址

启动

I0.0

启动

Q0.0

停止

I0.1

手指夹紧

Q0.1

自动

I1.5

手指放松

Q0.2

调试

I2.0

手腕左转

Q0.3

手指夹紧

I0.2

手腕右转

Q0.4

手指放松

I0.3

小臂伸出

Q0.5

手腕左转

I0.4

小臂缩回

Q0.6

手腕右转

I0.5

大臂上摆

Q0.7

小臂伸出

I0.6

大臂下摆

Q1.0

小臂缩回

I0.7

料架转动

Q1.1

大臂上摆

I1.0

原位置

Q1.2

大臂下摆

I1.1

料架转动

I1.2

手指夹紧限位行程开关

I2.1

手指放松限位行程开关

I2.2

手腕左转限位行程开关

I2.3

手腕右转限位行程开关

I2.4

小臂伸出限位行程开关

I2.5

小臂缩回限位行程开关

I2.6

大臂上摆限位行程开关

I2.7

大臂下摆限位行程开关

I3.0

2.6电器元件

1热继电器

热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。

若过载电流不大且过载的时间较短，电动机绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。

但若过载时间长，过载电流大，电动机绕组的温升就会超过允许值，使电动机绕组老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会使电动机绕组烧毁。

所以，这种过载是电动机不能承受的。

热继电器就是利用电流的热效应原理，在出现电动机不能承受的过载时切断电动机电路，为电动机提供过载保护的保护电器。

若电动机出现过载情况，绕组中电流增大，通过热继电器元件中的电流增大使双金属片温度升得更高，弯曲程度加大，推动人字形拨杆，人字形拨杆推动常闭触头，使触头断开而断开交流接触器线圈电路，使接触器释放、切断电动机的电源，电动机停车而得到保护。

一般情况下，可选用两相结构的热继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。

对于三角形接线的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。

选用JR16B-20/3热元件1.5-2.4A的热继电器。

2熔断器

熔断器对于低压电动机的相间短路、单相短路故障和过载是简单而有效的保护装置。

但如果熔断器的型式和参数选择不当或使用维护不利，同样达不到预期的保护效果。

如果预期短路电流不是太大（如小于4kA），从经济性角度出发，可优先选用RM10、RL6、RL7系列的熔断器。

一方面，用户可以方便地自行拆装熔体。

另一方面，它们既可作短路保护又可作过载保护。

熔断器额定电压应符合电动机的运行电压。

熔断器的工作电压与其熔管长度及绝缘强度有关。

不能把熔断器用在高于其额定电压的回路中去，也不能把大熔片装到小溶断管中去。

在机械手设计中选择型号RL1-15的熔断器。

选择时考虑的主电路和控制电路，故选择2个熔断器。

3断路器

低压断路器既是电路的供电开关，同时又具有短路＼过载＼欠压等多项保护功能，并且在分断故障电流后，不需要更换零部件，便可重新恢复供电，这些优点使得它在各种电气系统中得到越来越广泛地应用。

在选择断路器时，不仅需要根据被保护的电路的特性，确定断路器的类型及性能参数，还要考虑断路器的安装位置，外形尺寸方面的限制条件。

根据设计需要选择型号为NSX400N4P4D的断路器。

4点动开关

点动开关用来控制单步操作的动作以及启动和停止，根据设计需要选择型号为ZB2-BZ102C的点动开关，数量为11个。

5接触器

接触器是一种自动化的控制电器。

接触器主要用于频繁接通或分断交、直流电路，具有控制容量大，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作，联锁控制，各种定量控制和失压及欠压保护，广泛应用于自动控制电路，其主要控制对象是电动机，也可用于控制其它电力负载。

选用时应考虑主回路触点的额定电流应大于或等于被控设备的额定电流，控制电动机的接触器还应考虑电动机的起动电流。

为了防止频繁操作的接触器主触点烧蚀，频繁动作的接触器额定电流可降低使用。

选择型号为CJ10-1010A/380的接触器，用来控制主电路，选择１个。

6时间继电器

时间继电器是一种当电器或机械给出输入信号时，在预定的时间后输出电气关闭或电气接通信号的继电器。

时间继电器的电源回路一般情况下是高阻抗的，因此，切断电源后的漏电流要尽可能小（半导体或用RC并接的触点来开关时间继电器），以免有感应电压而假关断引起误动作（对于断电延时型而言，会产生断电后延时时间到但继电器不释放现象）。

一般情况下电源端子的残留电压应小于额定电压的20%，对断电延时型而言应小于额定电压的7%。

选择根据设计要求JS7-2A,~380V的时间继电器12个。

7行程开关

行程限位开关（微动开关）主要很据其技术参数、使用环境、安装位I和精度要求进行选择。

设计时需要考虑限制机械手的动作，可以选用型号为LXK2-131的行程开关8个。

8指示灯指示灯主要用来显示机械手的运行动作，因此可以选择规格为XD1既可数量为10个。

3.机械手程序设计

3.1机械手电气控制系统流程图

如图3-1流程图

为了使程序结构简单明了，把调试程序和自动程序分别编成相对独立的子程序模块，通过调用子程序进行选择。

当工作方式为调试方式时I2.0接通，执行手动子程SBR0；当工作方式为自动方式时I1.5接通，执行自动子程序SBR1。

3.2梯形图程序设计

主程序如下：

SBR_0调试子程序如下：

SBR_1自动子程序如下：

4.设计小结

在这次撰写机电传动课程设计论文过程中，深深觉得自己对书本上的东西理解太浅显，当到了编写PLC程序的时候，才发觉学得不够好，对于没想到这项看起来不需要多少技术的工作却是非常需要的精力，今天我已明白课程设计对我来说的意义，他不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际洞后能力和独立思考的能力，更重要的是查阅大量的设计资料了。

为了让自己的设计更加完善，查阅者方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。

通过这次机械手设计让我对这PLC的知识得到了巩固，让我我在课程设计过程中学习到了一些不了解的知识同时让我知道了现代企业在完成自动化控制中离不开PLC的控制，它可以使企业在生产的同时减少劳动力和生产成本。

目前我国很多地区的企业整个生产设备还比较了落后且大部分工序都是通过人工来完成，而机械手成本比较低且操作简单很适合中小企业的发展要求但算着科技的发展我相信，所以在今天的学习和生活中我们还要不断学习和创新，只有这样才能实际出符合现代社会所需求的产品。

经过长达两周的奋战，我的论文终于完成了。

在没有写论文前觉得写论文只是一件小事，但是通过自己的实践，发现写论文还是要注意许多细节的，包括各个部分文字样式和格式。

撰写这篇论文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。

通过这次实践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。

通过这次实践，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素质。

在撰写论文中所学到的东西是这次实践的最大收获和财富，使我终身受益。

【参考文献】

［1］陈建明主编《电气控制与PLC应用》（第二版）

［2］S7-200PLC基础及工程应用向晓汉主编