基于S7-300的机械手臂自动控制系统说明书.doc

兰州理工大学毕业设计说明书 第 1 页 摘 要 随着自动化生产程度的提高, PLC 在生产控制系统中的应用也越来越广泛。本设 计是基于西门子公司 S7-300 可编程控制器，设计了机械手臂 PLC 控制的自动控制系统。 该工艺过程主要是完成对电机的控制。系统主要由变频器、转台电机、液压泵电机、 采样头电机、输送机、破碎机、缩分机、收集器以及控制系统组成。通过对系统主电 路、控制电路设计，给出了机械手臂自动控制系统完整的硬件接线图和流程图。根据 机械手臂的生产工艺要求，设计并使用 STEP 7 编制了一套适用于该生产工艺的梯形图。 利用 Simens 公司的 Wincc 完成了机械手臂的监控界面。本设计过程中涉及较多的开关 量输入输出点，故选用配置灵活的模块式结构 PLC 以提高系统的可靠性与处理效率。 关键词： S7-300；机械手臂；自动控制 精品文档 。 2欢迎下载2欢迎下载 Abstract With the improvement of automatic production, the PLC application in production control system is also more and more broad. This design based on the Siemens S7-300 programmable controller, PLC controlled robotic arm designed automatic control system. The key is to complete the process of motor control. System mainly consists of inverter, turntable motor, hydraulic pump motor, the sampling head and the motor, conveyor, crusher, reduced extension, the collector and the control system.Through the design of system main circuit and control circuit, gives the complete hardware of the control system wiring diagrams and flow charts.According to the mechanical arms technique of productions request, Design and use STEP 7 for the preparation of a ladder in the production process. Wincc by Simens company completed a mechanical arm monitoring interface.This design involves more switches quantity input output spot, the simulation quantity input output spot, therefore selects input output disposition nimble module type structure PLC to enhance the system the reliability and the processing efficiency. KeyKey WordsWords: : S7-300S7-300；MechanicalMechanical armarm；AutomaticAutomatic controlcontrol 精品文档 。 3欢迎下载3欢迎下载 目 录 第一章绪论 .1 1.1 设计背景.1 1.2 设计目的.1 1.3 国内外研究现状和趋势.2 1.4 设计原则.3 第二章系统方案设计 .4 2.1 设计依据.4 2.2 各部分功能分述.5 2.2.1 采样过程 .5 2.2.2 制样过程 .5 2.3 控制方案的比较、论证和确定 .5 2.3.1 方案的比较 .5 2.3.2 方案论证及确定 .8 2.4 系统结构图.9 第三章 系统硬件设计 .10 3.1 设计依据.10 3.2 硬件设计.10 3.3 电动机选型.14 3.4 变频器设计.15 3.4.1 概述 .15 3.4.2 变频器分类 .15 3.4.3 变频器的组成、工作原理及控制方式 .15 3.4.4 变频器选择 .18 3.5 硬件地址配置.20 3.6 控制系统模块选择.22 3.6.1 设计依据 .22 3.6.2 S7-300 系列 PLC 组成.23 3.6.3 S7-300PLC 特点.24 3.6.4 模块选择 .24 第四章 控制系统软件设计 .32 4.1 软件设计分析 .32 4.2 系统流程图 .32 精品文档 。 4欢迎下载4欢迎下载 4.3 STEP 7 编程过程 .37 4.3.1 建立工程 .37 4.3.2 硬件配置 .37 4.3.3 STEP 7 编程.38 第五章 组态画面设计 .40 5.1 组态软件概述 .40 5.2 WINCC 的介绍 .40 5.3 画面组态 .40 5.3.1 建立主界面 .40 5.3.2 建立手动控制界面 .41 5.3.3 动作过程 .42 第六章 S7-300 与 WINCC 通讯.43 总 结 .46 参考文献 .47 英文翻译原文 .48 英文翻译译文 .60 致谢 .69 附录 .70 精品文档 。 1欢迎下载1欢迎下载 第一章 绪论 1.1 设计背景 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置， 它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术 特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已经成为高技术领域内迅速发展 起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械 化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳 动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于 零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更 普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组 成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于 中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置结构紧凑，而且适应性很强。当工件 变更时柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，挺高产品质 量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平 和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，从经济上、技术上考虑都是十 分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 1.2 设计目的 本设计通过对电气工程及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成 一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现电气工 程及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有 较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。 目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、 生产效率低。为了提高生产加工的工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制 造系统，适应现代自动化大生产，针对具体生产工艺，利用机器人技术，设计用一台 装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。 本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现 加工过程（上料、加料、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发 展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到 加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工工程安装、卸载加工工件的要求， 从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。 1.3 国内外研究现状和趋势 机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延 伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等 精品文档 。 2欢迎下载2欢迎下载 恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质 量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制 造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可 组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展， 功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。 目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松 下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的 KUKA、CLOOS、瑞典的 ABB、意大利的 C0 毗 U 及奥地利的工 GM 公司。 我国机械手起步于 20 世纪 70 年代初期，经过 30 多年发展，大致经历了 3 个阶段：70 年代萌芽期，80 年代的开发期和 90 年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分 被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争 压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、 参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机 器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。 随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域 得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器 人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活 服务等领域机械手的应用也越来越多。 目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大 体趋势如下： 1) .机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、 检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机 2) .工业机器手控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网 络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了 系统的可靠性、易操作性和可维修性。 3) .机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感 器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采 用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感 器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。 4) .焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块 化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。 总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先 进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任 务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的 经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。 精品文档 。 3欢迎下载3欢迎下载 1.4 设计原则 在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是：以任务书所 要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体 要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练尽可能采用标准化、模块化的 通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原 则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如可编程控制 器（PLC） 、电子技术、自动控制等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次 设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑到个人能力水平和时间的客观实 际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。 第二章 系统方案设计 2.1 设计依据 机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在 工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。在多 数工艺作业中，最常见的作业流程为：转台正转上缸伸长下缸伸长采样头正转 精品文档 。 4欢迎下载4欢迎下载 上缸收缩下缸收缩转台反转采样头反转输送机破碎机缩分器收集器。 早期的机械手臂控制系统多为继电器、接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周 期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。 而将 PLC 应用到机械手臂的控制系统后，不仅实现了机械手臂的自动化控制，降低了 系统的运行费用，而且采用 PLC 控制系统具有连线简单，控制速度快，精度高，可靠 性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。 本系统设计中：机械手臂控制系统由采样控制部分和制样控制部分两部分共同组 成。其中采样部分是由水平转台、两节液压驱动机械臂和机械手采样头装置三部分组 成。制样部分由输送机、破碎机、缩分器和收集器等构成。机械手采样制样工作时的 工艺顺序如图 2.1 所示。其中准备动作为系统上电自检、两节机械手臂的启动调整和 校验过程，校检通过后才进行下一步动作。两节液压缸臂的伸缩配合水平转台共同精 确定位采样位置。通过机械臂的伸缩以及装在机械臂上的采样头动作，来进行采样和 放料。 原位准备动作转台正转上缸伸长 采样头 正转 上缸收缩下缸收缩转台反转 采样头 反转 输送机破碎机 缩分器收集器 下缸伸长 图 2.1 机械手臂控制系统自动运行时的工艺流程 本次设计是根据工业机械手臂的工艺要求，完成采样控制和制样控制系统的电器 控制电路设计和 PLC 控制程序的设计。自动控制系统由可编程控制器（PLC）控制柜、 电机操作台等组成。系统以 PLC 为核心，配以合理的低压电气、控制电动机，液压阀 等机构协调动作，实现机械手臂工艺过程的自动化。 2.2 各部分功能分述 本设计主要完成机械手臂的采样控制和制样控制的 PLC 控制系统的设计，故采用 作业范围大，效率高且便于操作的 PLC 控制来完成机械手臂生产过程的采样和制样动 作过程。现将各部分设计的工艺过程分别介绍如下： 2.2.1 采样过程 该环节主要任务是完成从原料中采集能够准确代表原料质量的样品，运用装在两 节液压油缸上的限位开关信号，然后结合编码器送来的控制转台水平方向的定位信号， 送给 S7-300PLC，以便 PLC 控制采样电机采样； 精品文档 。 5欢迎下载5欢迎下载 本设计中的水平转台由变频器控制的电机来带动，转台电机的正反转控制以及转 台的速度控制由变频器来控制完成，这样就可以在实现正反转控制的同时轻松实现速 度的控制。在转台电机顺时针旋转和逆时针旋转的过程中都有限位开关控制其旋转的 角度。采样过程的工艺流程如图 2.2 所示。 图 2.2 机械手臂采样过程的工艺流程 2.2.2 制样过程 该环节的任务是根据生产工艺的要求使 PLC 能够及时控制缩分器、收集器等工作， 从而使生产连续的运行。机械手臂制样过程的工艺流程如图 2.3 所示。 图 2.3 机械手臂制样过程的工艺流程 2.3 控制方案的比较、论证和确定 2.3.1 方案的比较 实现机械手臂工艺控制系统设计的方案有多种。常用技术方案选项有单片机 （MCS） 、工业计算机（IPC） 、可编程计算机控制器（PCC） 、可编程控制器（PLC）等。 近几十年来，IPC、单片机和PLC三者在技术上都有了长足的发展，在微电子技术 发展的背景下，它们之间也有许多相同之处。例如，从硬件的角度来看，它们都是由 微电子元件，微处理器，大容量半导体存储器和I/O模件等组成。在软件编程方面，也 有很多相同点。因此，这三类自动化控制装置在技术，功能和应用领域上不断地相互 渗透，在很多场合下可以相互补充或替代。但是，由于IPC、单片机和PLC三者的技术 起源不同，在技术发展的侧重点和主要应用背景上也有差异，它们又保持着各自的特 点和优势，适合的应用场合也不完全一样。 （一）：单片机 所谓单片机系统就是采用单片机CPU及其它外围芯片，根据不同系统设计电路板， 最终设计成一台简易的计算机系统，并在此基础上设计程序以达到所要求的控制功能。 单片机是由工业自动化仪表控制系统发展而来，目前形成了以工业控制计算机为中心 的集散系统。所以，单片机在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，主要用在连 续过程控制，侧重回路调节功能。 精品文档 。 6欢迎下载6欢迎下载 由于单片机的所有器件均不是工业级的，抗干扰性，特别是抗电源干扰能力很弱， 可能引起单片机系统的不稳定。而且一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件， 操作人员必须翻阅说明书方能发现故障所在，按说明书指示排除故障，这样排除故障 的时间相对较长。最简单的方法是更换整个系统，这样就会增加维修成本。总之，这 样的人机对话不够友善。 由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增加一个功能就要 重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。一般单片机系统的操作均采用自动设 计的键盘，设定数据用拨码开关，显示用LED，整个面板显得繁锁，而且为了减少操作 键，设计时往往一键多用，操作人员很难脱开说明书操作。 单片机系统在80年代国内很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面的限制，目 前除了仪表上仍然采用外，在工业现场的应用已逐步被PLC所代替。 单片机的显著优势在于单片机要改变控制规律和被控参数，只需要改变其程序就 可以了，但同时也是它的劣势，因为工程技术人员必须具备有较高的计算机专业知识 才能对控制规律和被控参数进行修改。鉴于这个原因且按照工程上的惯例，众多工程 技术人员还是喜欢采用PLC进行控制。 IPC 单片机 速度给定 位置反馈 DI/DO 图2.4 单片机控制系统 （二）：工业计算机（IPC） 所谓IPC系统就是采用工业控制计算机系统，在此基础上设计程序以达到所设计的 功能。工控机由普通计算机发展起来，是为了满足快速大量数据处理要求的设备。在 硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强；在软件开发方面，软件资源丰富，特 别是有实时操作系统的支持。因此，IPC在要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作 量大的工业对象的控制方面占有优势。 由于IPC的主要器件均不是工业级的，相对单片机系统，抗干扰性特别是抗电源干 扰能力虽然有一定提高，但变频调速对电源的干扰很大，因此也可能引起系统的不稳 定。一旦工控机系统出现故障，很难诊断出故障元件，这样维修周期增加，而且非专 业人员不能维修，如果故障由于程序设计不合理引起，如果缺乏合适的调试工具，要 找出故障原因也很困难。系统若要增加一个功能就要重新设计对应的程序，而IPC的编 程又相对比较复杂，这样对于现场操作人员的要求就比较高，虽然操作的界面较为友 善，但对于不熟悉计算机系统的人来说，仍然不够简便易学。 工业计算机 IPC 用于工业现场的个人计算机系统，具有功能强大、软件丰富和界 精品文档 。 7欢迎下载7欢迎下载 面友好等优点。但是 IPC 软件开发周期长，接口模块少，布线不灵活，安装体积大， 扩展性差。 在本系统中，控制现场环境相对不是较恶劣（高温、多烟尘等） ，控制器的高度可 靠性是工程师在设计中首先要考虑的问题。且 IPC 的价格相对较高。 （三）：可编程计算机控制器（PCC） PCC 是一种不同于 PLC 和 IPC 的新一代控制器，代表了当今工业控制技术。它不仅 吸收了 PLC 和 IPC 的优点，而且自身优势也很明显。它采用了分时多任务操作系统， 可十分灵活的利用操作系统调度和管理整个系统， PCC 模式和 IPC 模式相比，优势在 于设计时能提供面向工业的专业化标准，符合软件及硬件的模块化的设计。此外，PCC 还能方便的处理设计中的开关量和模拟量、灵活的进行回路调节、能使用高级语言编 程。 但作为新兴的控制器，广大工程技术人员对其可靠性和厂商能否提供优良的后续 服务和技术支持抱怀疑的态度。同时，作为先进的控制技术，工厂维护人员对之知之 甚少，不利于维护。而 PCC 的技术成本也是我们不得不考虑的因素。 （四）：可编程逻辑控制器(简称 PLC) 可编程逻辑控制器(简称 PLC)是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化控 制技术而开发的新一代工业控制器产品，广泛应用于各种生产机械的过程控制中，被 认为是构成机电一体化产品的重要装置。 PLC 是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下而设计，采用了可编程的存储 器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并 通过数字或模拟输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其外围 设备，都按易于与工业系统连成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。由于其面向 用户的指令系统、具有数字量或模拟量的输入输出能力，使得其应用非常方便，特别 适用于各种工业设备的控制。 PLC 之所以得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点： （1）. 可靠性高、抗干扰能力强、用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电 器触头不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全；面向工业环 境设计，采用滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工业环境，远远 超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。 （2）. 编程简单、易于掌握 PLC 采用梯形图方式的编程，与继电器逻辑控制的设计 相似，具有直观、简单、易于掌握等优点。 （3）. 功能完善、使用灵活方便 随着 PLC 技术的不断发展，其功能更加完善，不仅 具有开关量逻辑控制功能、步进和计数功能，还具有模拟量处理、温度控制、网 络通信等功能。既可单机使用，也可联网运行；既可集中控制，也可分布控制。 运行过程中可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。 精品文档 。 8欢迎下载8欢迎下载 （4）. 体积小、质量轻、功耗低 由于采用了单片机等集成芯片，其体积小、 质量轻、结构紧凑、功耗低。 进入 90 年代后，PLC 机的性能价格比大幅度地提高，尤其是 PLC 机较过去的继电 器回路，其硬件配置灵活，组态方便，控制系统简单明了，接线简单、可靠，便于查 找故障点，使得 PLC 已经成为新一代工业控制机的首选装置。 IPC PLC 速度给定 位置反馈 DI/DO 图 2.5 PLC 控制系统 2.3.2 方案论证及确定 由于本次设计的系统要在现场使用，且通过对以上几种控制方案的对比，我发现 采用可编程序控制器(简称 PLC)不但能达到机械手抓放工艺控制系统需要的控制要求， 而且控制精度和可靠性能也都令人满意， PLC 这项控制技术在工程实际中应用的时间 较长，范围较广，技术已经相当成熟，在工程技术人员心目中有不可替代的地位。最 重要的是 PLC 可根据电流保护的要求适时输出，控制断路器的脱扣跳闸装置完成保护 动作。 综合比较以上四种方案，从本设计的设计要求来看，机械手臂工作环境比较差， 处于高温、多尘环境；从其输入、输出来看，用到的基本上都是数字量，模拟量很少； 从编程的角度来看，PLC 编程简单、灵活；从可靠性、维修等方面来说，PLC 具备高可 靠性、便于维修的优点；通过以上的分析，本设计采用方案四较好，故我决定采用 PLC 控制。 2.4 系统结构图 转台电机的正反转控制以及转台的速度控制由变频器来控制完成，这样就可以在 实现正反转控制的同时轻松实现速度的控制。液压站的启动停止由PLC发出的信号来控 制。系统设置了报警提示，当系统出现异常工作情况时，报警指示灯点亮，以提示工 作人员采取措施以保护设备。急停按钮可以在系统出现紧急情况的时候实现快速停车。 本设计采用西门子S7-300系列PLC。通过上述对系统的工作原理的分析，设计出的系统 的结构图如下图2.6所示： 精品文档 。 9欢迎下载9欢迎下载 西门子 S7-300 可编程控制器 变频器 转台电机 显示、报警采样头 液压泵输送机、破碎机、缩分器、收集器 图2.6 机械手臂控制系统结构图 第三章 系统硬件设计 3.1 设计依据 软件设计体现在怎样去控制所要控制的对象，怎样把整个控制系统的功能实现。 硬件的设计则能体现出整个控制系统的流程。硬件设计是软件设计的基础，软件设计 是硬件设计功能的集中体现。在本章主要是硬件设计及器件选择。 经过对系统的功能要求和性能指标的分析，把整个控制系统的硬件设计分为以下 几个模块来完成：（1）.转台电机、变频器控制设计；（2）.上、下液压缸伸缩控制 设计；（3）.采样头电机控制设计；（4）.输送机、破碎机、缩分器、收集器控制设 计。根据前面已经确定了的方案来设计相关的硬件图。硬件设计之前，要考虑到供电 精品文档 。 10欢迎下载10欢迎下载 系统。供电系统的设定直接影响到控制系统的可靠性，故在设计硬件时是要据以下几 方面来设计： 1. 输入电源电压在一定的允许范围内变化； 2. 当输入交流电断电时，应不破坏控制器的程序和数据； 3. 当控制系统不允许断电的场合，要考虑供电电源的冗余； 4. 当外部设备电源断电时，应不影响控制器的供电； 综合以上几方面的考虑，可以把供电线路设计如下： 供电直接采用市电网提供的 380V/AC 50HZ；配电方面主要是给 7 台鼠笼式异步电 动机和控制系统中 PLC 的电源模块、输入输出模块的电能分配，所用的 PLC 需要的电 压既有交流又有直流，交流电压可以用照明电来供给，而直流电流则由电源模块来供 给。变频器则是 380V 的三相交流电源来供给，电动机用的电也是 380V 的三相交流电。 在整个供电系统中采取了很多的保护环节，如：熔断器，热继电器、断路器等等。 在硬件设计中，要注意应该对电的质量进行控制。各个硬件模块的设计主要是选 择电机，变频器。 3.2 硬件设计 （1）.机械手臂转台电机、变频器控制电路图如下图 3.1 所示： 该电路图中有一台电机，M1 为转台电机；三相交流电源通过断路器 QF 将电源引入， FU1 为转台电机 M1 的短路保护，FR1 为转台电机 M1 的过载保护。SA 为转台电机的手、 自动选择转换开关。使用变频器来控制电机的转速以及转台电机的正反转；由于变频 器有过流保护，过载保护，欠压保护等，因此在电路中不需要再单独加入这些保护装 置。 精品文档 。 11欢迎下载11欢迎下载 图 3. 1 机械手臂转台电机、变频器控制电路图 a).转台电机 M1：为整个转台提供动力之用。其控制方式可以有“自动”和“手动” 两种，在“自动”方式下，转台在电机的作用下自动旋转，转台的旋转停止位置由 限位开关控制，S1、S2 分别为转台旋转到 90o和 0o的限位开关；在“手动”方式下， 则由手动按钮 SB0、SB2 转台旋转。 b).变频器: 变频器 WIN9 控制转台电机的转速，变频器的正、反转由 PLC 控制，通电 和断电由空气断路器控制 QF1 和接触器 KM1 控制。 （2）液压泵电机控制电路图如下图 3.2 所示： 该电路图中只有一台电机 M2 采样头电机，FU2、FR2 分别为电机 M2 的短路保护和 过载保护。液压泵电机可以手动启动，也可以由 PLC 控制启动。液压泵主要功能是向 液压缸中输送液体，从而使液压缸伸长、收缩。在该电路中有两节液压缸，两节液压 缸伸长、收缩的程度均由限位开关控制。 液压缸的伸缩是由继电器控制的，即液体进出液压缸是由继电器来控制，在转台 电机转过 90 度后，液压泵电机启动，这时控制上缸的继电器动作，液体进入上缸，使 上缸伸长，当上缸伸长到限位开关所限定的高度时，限位开关动作，使线圈失电，液 体不再进入上缸；接下来控制下缸的继电器动作，液体进入下缸，使下缸伸长，当下 缸伸长到限位开关所限定的高度时，限位开关动作，线圈失电，液体不再进入下缸。 上、下缸的收缩也是同样的道理。 精品文档 。 12欢迎下载12欢迎下载 图 3.2 液压泵电机控制电路图 （3）采样头电机控制电路图如下图 3.3 所示： 该电路图中只有一台电机 M3 采样头电机，FU3、FR3 分别为电机 M3 的短路保护和 过载保护。采样电机的正、反转可以由 PLC 控制，也可以手动控制。在采样头上安装 有限位开关，控制采样头对货物的抓紧和松开。 在液压缸的下缸伸长到最高端时，采样头电机正转启动，采样头处在夹紧货物的 状态，当控制采样头夹紧的限位开关动作后，采样头停止夹紧，采样头电机停止，夹 取货物过程结束。 在液压缸的下缸收缩到最下端时，采样头电机反转启动，采样头处在松开货物的 状态，当控制采样头松开的限位开关动作后，采样头停止松开，采样头电机停止，松 开货物过程结束。 精品文档 。 13欢迎下载13欢迎下载 图 3. 3 采样头电机控制电路图 （4）输送机、破碎机、缩分器、收集器控制电路图如下图 3.4 所示： 该电路图中有四台电机，M4 为输送电机，完成对机械手抓取货物的输送；M5 为破 碎机；M6 为缩分器；M7 为收集器；FU5、FU6、FU7、FU8 分别为电机 M4、M5、M6、M7 的短路保护；FR5、FR6、FR7、FR8 分别为四台电机的过载保护；对于四台电机都有手 动开始、停止按钮。 图 3.4 输送机、破碎机、缩分器、收集器控制电路图 精品文档 。 14欢迎下载14欢迎下载 3.3 电动机选型 本设计中所采用的电机，选择一般的电动机，即可以满足要求，为此我选用 Y 系 列电动机，该系列电动机为鼠笼型三相异步电动机，是我国统一设计的产品，具有效 率高、节能、堵转矩高、噪声低、振动小、运行安全可靠等特点。 电机为 B 级绝缘，外壳防护等级为 IP23，安装形式为 IMB3，3kW 及以下电动机定 子绕组为 Y 形接法，4kW 及以上电动机定子绕组为三角形接法。 技术数据为：电动机额定电压为 380V，额定频率为 50Hz。 Y 系列电动机型号及含义如下图 3.5 所示： Y 鼠笼型 异步电动机 中心高 （mm） 极数 铁心长度序号 机座长度序号 图 3.5 Y 系列电动机型号及含义 根据本设计所需电动机容量选择三相异步电动机技术数据如下表 1 所示： 额 定 值 电 机型 号 额定电流 (A) 额定功率 （kW） 效 率 （%） 功率 因数 额定转速 （r/min） 采样头电机Y90L-24.742.2820.862840 液压泵电机Y160M-229.515880.883000 转台电机Y160M-229.515880.883000 输送机电机Y160M-229.515880.883000 破碎机电机Y160M-229.515880.883000 缩分器电机Y112M-28.17485.50.872890 收集器电机Y112M-28.17485.50.872890 表 1 三相异步电动机技术数据表 正常运行时，定子绕组接成三角形的三相鼠笼型异步电动机，可采用 Y/ / 的降压起动方法来达到限制起动电流的目的。采用该起动方法，定子绕组星型联结状 态下起动电压为三角形联结起动电压的 1/3。起动转矩为三角形联结起动转矩的 1/3。 起动电流也为三角形联结直接起动电流的 1/3。与其它降压起动相比，该起动方法起动 投资少、线路简单，但起动转矩小。 精品文档 。 15欢迎下载15欢迎下载 3.4 变频器设计 3.4.1 概述 近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的 改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。如何选择性能 好的变频器应用到工业控制中，是专业技术人员和研究人员追求的目标。 目前，我国市场上的变频器的种类很多同一公司又有许多不同型号，价格也不等。 选用变频器时不要认为档次越高越好，而应按拖动负载的特性选择合适的变频器，满 足使用要求就可，以便做到量才使用，经济实惠。 变频器是把电压、频率固定的交流电变换成电压、频率分别可调的交流电的变换 器。变频器利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装 置，把 DC(直流)转换成 AC(交流)，利用常用电源供应的电力，在变频器内变换电压和 频率，以控制电机速度。 变频调速器与外界的联系点基本上分三部分： 1）. 电路接线端：包括工频电网的输入端（R，S，T） ，接电机的频率，电压连续可调 的输出端（U，V，W）。 2）. 控制端子： 包括外部信号控制变频调速器工作的端子，变频带调速器工作状态 指示端子，变频器与微机或其他变频的通讯接口。 3）. 操作面板： 包括液晶显示屏和键盘。 3.4.2 变频器分类 1）. .变频器按其供电电压分为：低压变频器（110V/220V/380V）、中压变 （500V/660V/1140V）、高压变频器（3KV/3.3KV/6KV/6.6KV/10KV）。 2）. .变频器按其控制方式分为：V/F（电压/频率）控制、矢量控制、直接转矩控 制三种主要方式。 3）. . 变频器按其功能分为：恒转矩型变频器、恒功率型变频器、平方转矩型变频 器、简易型变频器、专用型变频器。 4）. . 变频器按其直流电源的性质分为：电流型变频器和电压型变频器。 5）. . 变频器按其机壳外形分为：塑壳变频器、铁壳变频器、柜式变频器及无外壳 特殊（专用）变频器。 6）. . 变频器按其输出功率大小分为：小功率变频器（10KW 以下）、中功率变频 器（100KW 以下）、大功率变频器（100KW 以上）。 3.4.3 变频器的组成、工作原理及控制方式 1. 变频器的组成 变频器的基本构成如下图 3.6 所示： 精品文档 。 16欢迎下载16欢迎下载 交 流 电 交 流 电 （商用电源） （频率和电压 可调的交流 电） 图 3.6 变频器的基本构成 变频器由整流电路、中间直流环节、逆变电路、控制电路组成，其功能是将频率 固定的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器的输入端（R.S.T）接至频 率固定的三相交流电源，输出端（U.V.W）输出的是频率在一定范围内连续可调的三相 交流电，接至电动机。变频器的核心部分是“逆变电路” 。 整流电路的作用是将三相（或单相）交流电整流成直流。中间直流环节负责将整 流器输出的交流成分滤除掉获得纯直流电提供给逆变器。逆变器将直流电重新逆变为 新的频率的三相交流电，驱动负载电动机转动。 控制电路由检测电路、信号输入、信号输出、功率管驱动、各种控制信号的计算 等部分组成，该部分环节主要由高性能的微机与外围设备组成的微机控制系统完成。 它具有控制功能强、硬件简单等特点。 目前应用最广泛的是交直交变频器，其基本结构框图如下图 3.7 所示： 整流 逆变 R S T U V W 直 流 UD 380V 50HZ 0 380V 0 100HZ 交 流 交 流 图 3.7 变频器基本结构框图 2.2. 变频器的工作原理 我们知道，交流电动机的同步转速表达式为： n60 f(1s)/p （1） 式中： n异步电动机的转速； f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。 由式(1)可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速， 当频率 f 在 050Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过 改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 整流电路逆变电路直流中间电路 控 制 电 路 精品文档 。 17欢迎下载17欢迎下载 当频率连续可调时，电动机的同步转速也连续可调。又因为异步电动机的转f 0 n 子转速总是比同步转速低一些。所以，当连续变化时，电动机转子的转速也是可调 0 n 的。 3 3 . . 变频器的控制方式 低压通用变频输出电压为 380650V，输出功率为 0.75400kW，工作频率为 0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式可分为以下 5 种： （1）. . U/f=C 的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传 动的平滑调速要求。但这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，使得输出最大转 矩减小。其机械特性本身也没有直流电动机硬，动态转矩能力、静态调速性能、系统 性能都不尽如人意，再加上转矩响应慢、电机转矩利用率不高。因此，人们又研究出 矢量控制变频调速。 （2）. . 电压空间 矢量（SVPWM）控制方式 该控制方式是以三相波形整体生成效果为前