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电气控制技术课程设计

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2020年4月19日
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课程设计报告

姓 名　 　　　　 *** 　　　 　
　　　　　　 学 号　　　 201******
　　　　　　　年 级　 201* 　 　
　　　　　　　专 业　　 **专业
　　　　　　　系　（院）　　 机械工程学院
　　　　　　　指导教师　 吕剑

　 *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——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，改进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，能够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。
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，手臂能够回转、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±1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。当前，机械手不但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，它能够根据外界的不同信息做出相应的反馈。第三阶段，机械手不但能感知外面的世界，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
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、康复机械手等。
中国于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、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，当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。可是，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，经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，而且适用范围广，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。另外，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的广泛应用因此我选取的是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）。这一系列产品能够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能够近乎完美地满足小规模的控制要求。另外，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。

图2-1 S7-200 CPU外型图
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它设备。
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.经过扩展模块能够增加CPU的I/O点数（CPU221不能够扩展）。
7.经过扩展模块能够提供其通讯功能。
8.一些CPU具有内置实时时钟，其它CPU 需要实时时钟卡。
9.EEPROM卡能够存储CPU程序，也能够将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。
10.经过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。
图2-1展示了一个基本的S7-200 Micro PLC.它包括一个S7-200 CPU 模块,一台个人计算机(PC),STEP 7-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。

图2-2 S7-200 Micro PLC 系统的组成
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。
3.1传送带A,B的主电路图及传送带B的控制电路图
根据传送带A，B的运行要求设计其主电路图如下：

图3-4 传送带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：

图3-5 传送带B的控制电路图
3.2 控制面板及接口电路

图3-2 操作面板
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择能够很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。
根据机械手控制系统的要求设计出PLC的I/O接口图如下：

图3-3 PLC外部接线图
4.1 控制系统软件设计原理
本控制系统是经过主程序控制，来实现机械手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，而且启动时，机械手按照步序图的工步顺序动作；停止时，机械手停止在现行工步上。重新启动时机械手从停止前一瞬间的动作继续进行；PC断电时的要求与停止时的要求一致。

图4-1 搬运机械手动作步序图

图 4-2 程序顺序功能图

4.2梯形图
初始化程序

左旋

抓紧，抓紧后一直要抓紧，因此用置位

延时2秒放开

停止后，再启动从停止前工作状态开始

5.1控制系统的调试过程
首先用电脑在STEP-7-Micro/WIN编程软件中将编辑的梯形图写入软件中，然后点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中；其次按照设计的要求接好线，确定无误后按下启动按钮。启动后发现上行、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进行操作的要求，务必对其进行修正。在这种情况下我采取了以下方案：
方案一：在没有确定设备是否曾在问题的情况下，首先我们对设备进行了检测，发现不曾在任何问题，在这种情况下我选择了再一次用先前的步骤来完成整个过程以确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出现灯均亮。这样方案一就以失败告终。
方案二：经过对程序的再三检查后，发现并未出现语法上的错误。会不会是运行的速度太快而出现一个周期接一个周期的快速运行呢？在带着这个问题的情况下把程序的每个动作网络多家了一个stop指令加以验证，然后将程序写入STEP-7-Micro/WIN编程软件中运行，运行结果显示没有错误；再下载到可编程控制仪后接好线按下启动按钮，发现指示灯会按照设计动作的要求依次亮起而且程序也能按照设计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个实验的调试。

总结
这次的课程设计我们大致完成了当初既定的任务。
我们所设计的搬运机械手程序在硬件调试时能够较完整地完成整个工作流程。当相应的开关按下时，相应的控制灯能够及时点亮。
对于保护方面，在程序设计时，就已经使机械手手抓抓紧后线上升再下降避免了碰撞。
大致的设计流程在有了时序步骤的图之后还是清楚的，可是细节问题上就不是我们能够处理的了。就拿我们的课题机械手来说，要考虑许其它的方面，例如在工件未搬完前，如何实现停止，工件搬完后，如何回到初始，或者是继续下次的循环。这些都是在设计时我们需要自己斟酌的问题。
搬运机械手的优点已经不言而喻。能够在机械帮助而不需要手动的情况下搬运一些工件，且在电机拖动下，能够时间定时、定量的搬运，不但提高了工作的效率，也节省了不少时间，在这样模块化的工作下，其它相关的工序也能井然有序的完成。
可是，在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。
总之，经过这样的实践，我们从中学到了不少，也对我们今后的学习工作提供了经验，希望能有更多这样的学习机会。

参考文献
[1]廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用[M].重庆：重庆大学出版社
[2]万太福.可编程序控制器及其应用[M]. 重庆：重庆大学出版社
[3]刘祖润.毕业设计指导.北京：机械工业出版社
[4]谢桂林.电力拖动与控制. 北京：中国矿业大学出版社
[5]工厂常见电气设备手册编写组.工厂常见电气设备手册. 北京：水利电力出版社