機電傳動課程設(shè)計周毅

1、目錄1.機械手與PLC介紹11.1機械手的介紹11.2 PLC的介紹21.3 機械手設(shè)計任務(wù)書22.電器控制部分設(shè)計42.1系統(tǒng)的整體設(shè)計分析42.2主電路設(shè)計42.3操作面板設(shè)計52.4 PLC選型62.5 I/O地址分配82.6 電器原件93.機械手程序設(shè)計113.1機械手電氣控制系統(tǒng)流程圖113.2 梯形圖程序設(shè)計114.設(shè)計小結(jié)20【參考文獻】21機械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計班級：20121057班 學(xué)號：2012129232 姓名：周毅 指導(dǎo)老師：鐘先友【摘要】機械手是工業(yè)控制和加工中經(jīng)常用到的執(zhí)行部件，具有能適應(yīng)惡劣工作環(huán) 境、效率高、安全穩(wěn)定和可進行高強度工作的優(yōu)點，在自動化生產(chǎn)線上有

2、廣泛的應(yīng)用。機械手是能夠模仿人體上肢的部分功能，可以對其進行自動控制使其按照預(yù)定要求輸送制品或操持工具進行生產(chǎn)操作的自動化生產(chǎn)設(shè)備。 PLC 設(shè)計的機械手采用電氣可編程控制技術(shù)與液壓技術(shù)相結(jié)合， 使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；電氣方面有交流電機、熱繼電器、變壓器、熔斷器等器件組成。 機械手的程序設(shè)計分為用戶程序、調(diào)試程序、自動運行程序。用戶程序主要 實現(xiàn)對電機的啟動以及調(diào)用子程序，調(diào)試程序可以實現(xiàn)單步執(zhí)行動作，通過按鈕可以調(diào)節(jié)機械手的每一個動作，自動運行程序，可以實現(xiàn)機械手的自動運行。【關(guān)鍵詞】：機械手 PLC 電氣控制 1.機械手與PLC介紹1.1機械手的介紹工業(yè)機

3、械手的種類很多， 關(guān)于分類的問題， 目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準， 在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 按用途分：機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 專用機械手，它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大附屬，如自動機床、自動線的上、下料機械手和加工中心批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手。 通用機械手，它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的， 控制系統(tǒng)是獨立的。 通用機械手的工作范圍大、定位精度

4、高、 通用性強， 適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。 按控制方式分點位控制，它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 連續(xù)軌跡控制，它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制4。本設(shè)計中的機械手采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，并用電磁閥控制。動作順序及各動作時間的間隔采用按時間原則控制的電氣控制系統(tǒng) 。1.2 PLC的介紹

5、概念： 可編程序控制器，英文稱 Programmable Controller，簡稱 PC。但由于 PC 容易和個人計算機（Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用 PLC 作為可編程控制器的縮寫。它是一個以微處理器為核心的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)裝置， 專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計， 它 采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、 輸出接口， 控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 工作原理：PLC 是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在 PLC 運行時，CPU 根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶

6、存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。 PLC 的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。特點： 1. 抗干擾能力強、可靠性高。 2. 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強。 3. 編程方便，易于使用。 4. 功能強大，成本低。 5. 設(shè)計、施工、調(diào)試的周期短。 6. 維護方便。1.3 機械手設(shè)計任務(wù)書機械手結(jié)構(gòu)、動作與控制要求機械手在專用機床及自動生產(chǎn)線上應(yīng)用十分廣泛，主要用于搬動或裝卸零件

7、的重復(fù)動作，以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。本設(shè)計中的機械手采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。各動作由液壓驅(qū)動，并由電磁閥控制。動作順序及各動作時間的間隔采用按時間原則制的電氣控制系統(tǒng)。機械手的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，主要由手指1、手腕2、小臂3和大臂5等幾部分組成。料架6為旋轉(zhuǎn)式，由料盤和棘輪機構(gòu)組成。每次轉(zhuǎn)動一定角度(由工件數(shù)決定)以保證待工零件4對準機械手。圖1-1機械手外形及其與料架的配置1-手部 2-手腕 3-小臂 4-工件 5-大臂 6-料架以鏜孔專用機床加工零件的上料、下料為例，機械手的動作順序是:由原始位置將已加工好的工件卸下，放回料架，等料架轉(zhuǎn)過一定角后，再將未加工零件拿起，送到加工位置，等待鏜孔加工結(jié)束，再將加

8、工完畢工件放回料架，如此重復(fù)循環(huán)。具體動作順序是：原始位置(大手臂豎立，小手臂伸出，手指松開) 大手臂下擺 手指夾緊(抓住卡盤上的工件)大手臂上擺小手臂收縮手腕旋轉(zhuǎn)90度鏜孔加工鏜孔加工完成料架轉(zhuǎn)動90度手腕旋轉(zhuǎn)90度小手臂伸出大手臂下擺手指松開(工件放回料架)小手臂收縮料架轉(zhuǎn)動90度 小手臂伸出手指夾緊(抓住未加工零件) 大手臂上擺小手臂收縮手腕旋轉(zhuǎn)90度鏜孔加工鏜孔加工完成。如表1-2所示。可自行列出各動作中對YV1YV9線圈的通電要求表1-2 電磁閥狀態(tài)表YV1YV2YV3YV4YV5YV6YV7YV8YV9手指的夾緊與放松夾緊+放松+手腕轉(zhuǎn)動左轉(zhuǎn)90度+右轉(zhuǎn)90度+小臂的伸縮伸+縮+大

9、臂上下擺動上擺+下擺+料架轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動90度+設(shè)計要求：1)加工中上料、下料各動作采用自動循環(huán)。2)各動作之間應(yīng)有一定的延時(由時間繼電器調(diào)定)。3)機械手各部分應(yīng)能單獨動作，以便于調(diào)整及維修。4)油泵電機(采用Y100L2-4.3kW)及各電磁閥運行狀態(tài)應(yīng)有指示。5)應(yīng)有必要的電氣保護與聯(lián)鎖不節(jié)。 2.電器控制部分設(shè)計2.1系統(tǒng)的整體設(shè)計分析整個系統(tǒng)由操控面板來完成整個機械手的的操作， 工件通過光電開光進行檢測。機械手的各個動作由液壓驅(qū)動，而液壓控制閥由相應(yīng)的電磁閥控制。機械手的全部動作由 PLC 控制完成。2.2主電路設(shè)計電源選擇：PLC 的供電電源，除了引進設(shè)備時同時引進 PLC 應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品

10、說明書要求設(shè)計和選用外，一般 PLC 的供電電源應(yīng)設(shè)計選用 220VAC 電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果 PLC 本身帶有可使用電源時， 應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求， 否則應(yīng)設(shè)計外接供電電源。 電機選擇：Y2 系列三相異步電動機具有結(jié)構(gòu)新穎、造型美觀、噪音低、振動小、絕緣等級高等特點，產(chǎn)品現(xiàn)已達到九十年代國際先進水平，是 Y 系列電機 的更新產(chǎn)品。外殼防護等級 IP54，它具有良好的起動性能和運行性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，維修方便等特點，電機采用 E 級或 B 級絕緣，外殼防護等級為 IP44， 冷卻方式為 ICO141， 額定頻率為 50

11、Hz， 額定電壓為 220V。 選用 Y2-63M2-2， 功率 250W，可滿足生產(chǎn)需要。 通過接觸器開關(guān)的閉合，電流通過接觸器的線圈，使主電路吸合，使機械手的動作都能夠運作電磁閥控制手指夾緊、手指放松、手腕左移、手腕右移、小臂伸出、小臂縮回、大臂上擺、大臂下擺、料架轉(zhuǎn)動各個動作。在主電路中，加了相關(guān)的保護功能，能夠有效避免電路的故障。而刀開關(guān) QK 起電路隔離作用。熔斷器 FU 作為電路后備短路保護。而熱繼電器FR具有對電機的過載、保護。圖2-1 主電路圖 2.3操作面板設(shè)計操作面板的設(shè)計主要考慮要操作方便，能夠操作機械手的各個動作進行設(shè)計。選用選擇開關(guān)進行調(diào)節(jié)自動和調(diào)試操作，各個動作進行

12、點動操作。 通過控制面板各個按鈕來控制機械手的手指夾緊、手指放松、手腕左移、手腕右移、小臂伸出、小臂縮回、大臂上擺、大臂下擺、料架轉(zhuǎn)動各個動作， 進行調(diào)試機械手的運行。 機械手的操作面板如下圖， 機械手能夠?qū)崿F(xiàn)自動、 調(diào)試、回原位的工作方式。 調(diào)試工作方式時，用各個按鈕的點動實現(xiàn)相應(yīng)的動作。 回原位置工作方式時，按下相應(yīng)的按鈕，則機械手返回原位置。 自動工作方式時，每按下一次啟動按鈕，則機械手自動運行一個周期。圖2-2 控制面板圖2.4 PLC 的選型由于市場的需求和西門子 PLC 的廣泛應(yīng)用所以選取的是 S7-200.我們對其進行簡要說明： S7-200 系列是一類可編程邏輯控制器（Micr

13、o PLC） 。這一系列產(chǎn)品可以滿足多種多樣的自動化控制需要， S7-200 Micro PLC 的 CPU22*系列 PLC具有緊湊的設(shè)計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的指令，使得 S7-200 可以近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的CPU 類型和電壓等級使其在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，具有很強的適應(yīng)性。 S7-200 CPU 模塊包括一個中央處理器單元 （CPU） 、 電源以及數(shù)字量 I/O 點， 這些都被集成在一個緊湊、獨立的設(shè)備中。 CPU 負責(zé)執(zhí)行程序和存儲數(shù)據(jù)，以便對工業(yè)自動控制任務(wù)或過程進行控制。 輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點：輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備（例如傳感器或開關(guān)）中

14、 采集信號，輸出部分則控制泵、電機、以及工業(yè)過程中的其他設(shè)備。 電源向 CPU 及其所連接的任何模塊提供電力。 通訊端口允許將 S7-200CPU 同編程器或一些設(shè)備連接起來。 狀態(tài)信號燈顯示了 CPU 的工作模式（運行或停止） ，本機的 I/O 的當(dāng)前狀態(tài)， 以及檢查出來的系統(tǒng)錯誤。 通過擴展模塊可以增加 CPU 的 I/O 點數(shù)（CPU221 不可以擴展） 。 通過擴展模塊可以提供其通訊功能。 一些 CPU 具有內(nèi)置實時時鐘，其他 CPU 需要實時時鐘卡。 EEPROM 卡可以存儲 CPU 程序，也可以將一個 CPU 中的程序傳送到另一 個 CPU 中。 通過可選的插入式電池盒可延長 RA

15、M 中的數(shù)據(jù)存儲時間。 基本的 S7-200 Micro PLC 包括一個 S7-200 CPU 模塊,一臺個人計算機 (PC),STEP 7-Micro/win32(3.1 版)編程軟件,以及一條通訊電纜.為了使用個人計算 機(PC),你必須以下一種設(shè)備:一條 PC/PPI 電纜； 一個通訊處理器(PC)和多點接口 (MPI)電纜；一塊 MPI 卡,隨 MPI 卡提供一根通訊電纜。 PLC 模塊的選擇： 采用 CPU224 的主機和輸出擴展模塊 EM222 簡要介紹對 擴展模塊的選?。?S7-200PLC 的 I/O 擴展模塊有： 1. 輸入擴展模塊 EM221: 共有 3 種產(chǎn)品，即 8

16、點和 16 點 DC、8 點 AC。 2. 輸出擴展模塊 EM222：共有 5 種產(chǎn)品，即 8 點 DC 和 4 點 DC、8 點 AC、 8 點繼電器和 4 點繼電器。 3. 輸入/輸出混合模塊 EM223：共有 6 種產(chǎn)品。其中 DC 輸入/DC 輸出的有 3 種，DC 輸入/繼電器輸出的有三種，它們對應(yīng)的輸入/輸出點數(shù)分別為 4 點、8 點和 16 點。 4. 模擬量輸入擴展模塊 EM231。 5. 模擬量輸出擴展模塊 EM232。 6. 模擬量輸入/輸出擴展模塊 EM235。 設(shè)計圖中 PLC 的輸入點 25 個，輸出點 12 個，考慮到實際應(yīng)用情況所以選用型號為 S7-200 CPU

17、224 的 PLC（輸入點 14，10點繼電器輸出，擴展模塊為 7） 。S7-200 CPU224 模塊包括一個中央處理器單元（CPU） 、電源以及數(shù)字量 I/O 點，這些都被集成在一個緊湊、 獨立的設(shè)備中。2.5 I/O地址分配表2-3輸入點地址分配表輸出點地址分配表名稱地址名稱地址啟動I0.0啟動Q0.0停止I0.1手指夾緊Q0.1自動I1.5手指放松Q0.2調(diào)試I2.0手腕左轉(zhuǎn)Q0.3手指夾緊I0.2手腕右轉(zhuǎn)Q0.4手指放松I0.3小臂伸出Q0.5手腕左轉(zhuǎn)I0.4小臂縮回Q0.6手腕右轉(zhuǎn)I0.5大臂上擺Q0.7小臂伸出I0.6大臂下擺Q1.0小臂縮回I0.7料架轉(zhuǎn)動Q1.1大臂上擺I1.

18、0原位置Q1.2大臂下擺I1.1料架轉(zhuǎn)動I1.2手指夾緊限位行程開關(guān)I2.1手指放松限位行程開關(guān)I2.2手腕左轉(zhuǎn)限位行程開關(guān)I2.3手腕右轉(zhuǎn)限位行程開關(guān)I2.4小臂伸出限位行程開關(guān)I2.5小臂縮回限位行程開關(guān)I2.6大臂上擺限位行程開關(guān)I2.7大臂下擺限位行程開關(guān)I3.02.6 電器元件1 熱繼電器 熱繼電器是用于電動機或其它電氣設(shè)備、電氣線路的過載保護的保護電器。 若過載電流不大且過載的時間較短，電動機繞組不超過允許溫升，這種過載是允許的。但若過載時間長，過載電流大，電動機繞組的溫升就會超過允許值，使電動機繞組老化， 縮短電動機的使用壽命， 嚴重時甚至?xí)闺妱訖C繞組燒毀。 所以，這種過載是電

19、動機不能承受的。熱繼電器就是利用電流的熱效應(yīng)原理， 在出現(xiàn)電動機不能承受的過載時切斷 電動機電路，為電動機提供過載保護的保護電器。若電動機出現(xiàn)過載情況，繞組中電流增大，通過熱繼電器元件中的電流增大使雙金屬片溫度升得更高，彎曲程 度加大，推動人字形撥桿，人字形撥桿推動常閉觸頭，使觸頭斷開而斷開交流接 觸器線圈電路，使接觸器釋放、切斷電動機的電源，電動機停車而得到保護。 一般情況下，可選用兩相結(jié)構(gòu)的熱繼電器，但當(dāng)三相電壓的均衡性較差，工作環(huán)境惡劣或無人看管的電動機，宜選用三相結(jié)構(gòu)的熱繼電器。對于三角形接線的電動機， 應(yīng)選用帶斷相保護裝置的熱繼電器。 選用 JR16B-20/3 熱元件 1.5-2.

20、4A 的熱繼電器。 2 熔斷器 熔斷器對于低壓電動機的相間短路、 單相短路故障和過載是簡單而有效的保護裝置。但如果熔斷器的型式和參數(shù)選擇不當(dāng)或使用維護不利，同樣達不到預(yù)期 的保護效果。如果預(yù)期短路電流不是太大(如小于 4kA)，從經(jīng)濟性角度出發(fā)，可優(yōu)先選用 RM10、RL6、RL7 系列的熔斷器。一方面，用戶可以方便地自行拆裝熔體。另一方面，它們既可作短路保護又可作過載保護。熔斷器額定電壓應(yīng)符合 電動機的運行電壓。熔斷器的工作電壓與其熔管長度及絕緣強度有關(guān)。不能把熔 斷器用在高于其額定電壓的回路中去，也不能把大熔片裝到小溶斷管中去。在機械手設(shè)計中選擇型號 RL1-15 的熔斷器。選擇時考慮的主

21、電路和控制電路，故選 擇2個熔斷器。 3 斷路器 低壓斷路器既是電路的供電開關(guān)， 同時又具有短路過載欠壓等多項保護 功能，并且在分斷故障電流后，不需要更換零部件，便可重新恢復(fù)供電，這些優(yōu)點使得它在各種電氣系統(tǒng)中得到越來越廣泛地應(yīng)用。在選擇斷路器時，不僅需要根據(jù)被保護的電路的特性，確定斷路器的類型及性能參數(shù)，還要考慮斷路器的安裝位置，外形尺寸方面的限制條件。根據(jù)設(shè)計需要選擇型號為 NSX400N4P4D 的 斷路器。4 點動開關(guān) 點動開關(guān)用來控制單步操作的動作以及啟動和停止， 根據(jù)設(shè)計需要選擇型號為 ZB2-BZ102C 的點動開關(guān)，數(shù)量為11個。 5 接觸器 接觸器是一種自動化的控制電器。接觸

22、器主要用于頻繁接通或分斷交、直流 電路，具有控制容量大，可遠距離操作，配合繼電器可以實現(xiàn)定時操作，聯(lián)鎖控制，各種定量控制和失壓及欠壓保護，廣泛應(yīng)用于自動控制電路，其主要控制對象是電動機，也可用于控制其它電力負載。選用時應(yīng)考慮主回路觸點的額定電流應(yīng)大于或等于被控設(shè)備的額定電流， 控制電動機的接觸器還應(yīng)考慮電動機的起動電流。為了防止頻繁操作的接觸器主觸點燒蝕，頻繁動作的接觸器額定電流可降低使用。選擇型號為 CJ10-10 10A/380 的接觸器，用來控制主電路，選擇個。6 時間繼電器 時間繼電器是一種當(dāng)電器或機械給出輸入信號時， 在預(yù)定的時間后輸出電氣關(guān)閉或電氣接通信號的繼電器。時間繼電器的電源

23、回路一般情況下是高阻抗的， 因此，切斷電源后的漏電流要盡可能?。ò雽?dǎo)體或用 RC 并接的觸點來開關(guān)時間 繼電器），以免有感應(yīng)電壓而假關(guān)斷引起誤動作（對于斷電延時型而言，會產(chǎn)生斷電后延時時間到但繼電器不釋放現(xiàn)象） 。一般情況下電源端子的殘留電壓應(yīng)小于額定電壓的 20%，對斷電延時型而言應(yīng)小于額定電壓的 7%。選擇根據(jù)設(shè)計要求 JS7-2A,380V 的時間繼電器12個。7 行程開關(guān) 行程限位開關(guān)（微動開關(guān)）主要很據(jù)其技術(shù)參數(shù)、使用環(huán)境、安裝位 I 和精度要求進行選擇。設(shè)計時需要考慮限制機械手的動作，可以選用型號為 LXK2-131 的行程開關(guān)8個。 8 指示燈 指示燈主要用來顯示機械手的運行動作，因此可以選擇規(guī)格為 XD1 既可數(shù)量為10個。 3.機械手程序設(shè)計3.1機械手電氣控制系統(tǒng)流程圖 如圖3-1 流程圖為了使程序結(jié)構(gòu)簡單明了， 把調(diào)試程序和自動程序分別編成相對獨立的子程序模塊，通過調(diào)用子程序進行選擇。當(dāng)工作方式為調(diào)試方式時 I2.0 接通，執(zhí)行手動子程SBR0；當(dāng)工作方式為自動方式時 I1.5 接通，執(zhí)行自動子程序 SBR1。3.2梯形圖程序設(shè)計 主程序如下：SBR_0調(diào)試子程序如下