机电传动课程设计

1、目录1. 机械手与PLC介绍11.1 机械手的介绍 11.2 PLC 的介绍 21.3 机械手设计任务书 22. 电器控制部分设计 42.1 系统的整体设计分析 42.2 主电路设计 42.3 操作面板设计 52.4 PLC 选型 62.5 I/O 地址分配 82.6 电器原件 93. 机械手程序设计 113.1 机械手电气控制系统流程图 113.2 梯形图程序设计 114. 设计小结 20【参考文献】 21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

2、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.

3、 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

4、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2016-1-13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

5、间的间隔采用按时间原则控制的电 气控制系统。1.2 PLC的介绍概念： 可编程序控制器，英文称 Programmable Con troller ，简称PC。但由于PC容易和个人计算机(Personal Computer)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

6、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

7、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2016-1-13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

8、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） -大手臂下摆一手指夹紧（抓住卡盘上的工件）-大手臂上摆一小手臂收缩一 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YV1YV9线圈的通电要求表1-2电磁阀状态表YV1YV；> YV；3 YV4 YV近Y

9、V<6 Y'/7 YV8 YV9手指的夹紧与放松夹紧+放松+2016-1-13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

10、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2016-1-13设计外接供电电源。电机选择：丫2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，是丫系列电机 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

11、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。 选用丫2-63M2-2，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。2.3操作面板设计操作面板的设计主要考虑

12、要操作方便，能够操作机械手的各个动作进行设2016-1-13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。®S ®0手抬夬紧手腕左移小肯伸出不骨上摆大臂上摆OOOOO手指戒决

13、手fflft右移小膏编冋摆大臂下摆OOOOO图2-2控制面板图2.4 PLC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(Micro PLC)。这 一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，S7-200 Micro PLC 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

14、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2016-1-13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

15、，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S7-200 Micro PLC 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。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

16、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AC2. 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 EM2326.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S7-200 CPU224的PLC （输入

17、点14，10点继电器输出，扩展模2016-1-13块为7 )。 S7-200 CPU224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。2.5 I/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

18、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I3.02016-1-132.6 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

19、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

20、。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，

21、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，2016-1-13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勺断路器。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

22、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 CJ10-10 10A/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

23、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

24、数量为10个2016-1-133. 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11.5 接通，执行自动子程序 SBR13.2梯形图程序设计主程序如下：2016-1-13iaoIQ.1QQO液珏駆动打幵后，I2M妄通*调用调试子程序11-玻通，调用自动子程序样QO.O网络3I輸出手指夹紧动作:M10.ilQ11IT Ir-C )M201M?1.0冋貉4输出手指敲松动作M10.1Q0.22016-1-13

25、冋络G输出手腕右移M10.3Q0.4网络了I输出小臂临出M10.4QU5RS8I输出小臂收缩M10.5qo.62016-1-13网貉9I输出犬臂上摆M11.0QQ7T)M21.1II1网塔10I输出大臂下摆N120.0Q1.2C )冋络111辐岀料架鶴动11.41.111pC )M21 511网貉12显示圍逓SBR_0调试子程序如下:2016-1-131子程厚迂释网络1网络标题手指夹紧和前松设l+能互碱10.2M10.112.2Ml 0.0I IdI 、r 1 11 /I )IQ3M10.012.1M10.1III 1r 1 11 'I )网塔2嘩标题手腕左转和右转设计能互議110.4

26、M10.312.4M1Q2IIIII ，f1 11 7Q )IQ5Ml 0.212.3M1Q3III1 1f1 11 7冋络3网貉标题丨小寓伸岀和縮可殳计能互锁10 6M1O5126M10.4|J -I 1IT1 '10.7M10.4125M10.5I II| ,I丿|f1r1 ;1 ' 1网貉4网络标题|尢酉上摆和下摆设计能互说11 0Mill130M11.0II| ；I|丿|11 Zr1 711 1M11.012.7M11.1II ,| 1I1 11丿SBR_1自动子程序如下:2016-1-13网络2 阖电标塑I显示葡站位s后刑，手議撬行程开关闭合，刊狭黑M2UC卜仙名)1

27、甘 2DJ0G)T3Eb.TOhpr100 iii网第3冋縊标题岸京宝野地结电悟电大咼卜羁仃程卄黑it言 K更三屋MZD IT33I3DII1 I1MZ1.1(9I旷IONT-PT100 rmMZ11 (OT蔺2016-1-13124M2UST40INTON5J-PT100 msTH网络G 腕略:亍新I料架转动M2C.22016-1-13网络1 网谿标题手腕右轄网络8 网络标题小臂趣M21.3T432016-1-13网络10网络标题I手扌戟开网络11网貉标题小臂收缩M20.5T46125M20.6H-K s )1M20L51INTON50-PT100 ms14?网貉12网貉标题J/IM21.5料袈转动M20.6