1、蘇州工業園區職業技術學院畢業項目 2014 屆項目類別： 畢業設計 項目名稱：搬運裝置的電氣控制系統專業名稱： 機電一體化 姓 名： 吳紅生 學 號： 201100990 班 級： 機電11303 指導教師： 齊美星 2014年5月18日IVT-REJX-51蘇州工業園區職業技術學院畢業項目任務書（個人表）系部：機電工程系畢業項目類別：畢業設計畢業項目名稱：搬運裝置的電氣控制系統校內指導教師：齊美星職稱：講師類別：專職校外指導教師：職稱：類別：學生：吳紅生專業：機電一體化技術班級：機電113031.畢業項目的主要任務及目標主要任務：完成切割搬運生產線的搬運裝置電氣控制系統設計，要求采用PLC為

2、控制核心，應用伺服或變頻技術實現機械手的運動控制。目標：（1）完成搬運對象的結構和工藝流程分析。設計出電氣圖及PLC程序。（2）提交一份符合格式要求的項目報告。2.畢業項目的主要內容1）項目背景2）方案確定3）系統硬件部分設計4）系統軟件部分設計5）安裝及調試6）項目總結3、主要參考文獻無4、進度安排畢業項目各階段任務起止日期1畢業項目的選題、項目實施計劃2013/9/1-2013/10/12畢業項目資料的搜集和整理2013/10/8-2014/1/203畢業項目初稿的完成及實物的安裝調試2014/1/21-2014/4/304對畢業項目的修改完善2014/5/1-2014/5/145.最終完

3、成及準備答辯2014/5/15-2014/5/20注：此表在指導老師的指導下填寫。誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業項目報告搬運裝置的電氣控制系統是本人在指導老師的指導下，獨立研究、寫作的成果。工業案例中所引用是他人的無論以何種方式發布的文字、研究成果，均在工業案例中以明確方式標明。本人聲明的法律結果由本人獨自承擔。作者簽名：年月日摘要當今工業自動化越來越發達，許多企業為了提高生產效率和生產質量，都實行了自動化的生產線。搬運和切割物料生產線裝置由三部分組成即鋸床切割部分、傳送帶部分和機械手臂搬運部分。由于整套裝置很復雜，本項目主要選取機械手臂搬運部分為研究對象,設計了電氣控制系統。主要采用西門

4、子S7-400PLC作為控制核心，首先仔細分析了設備的結構組成和動作工藝流程及控制功能要求，然后詳細地設計了硬件電路和軟件流程圖及程序，其中硬件電路包括電機主電路、PLC外部I/O接線圖等。最后對整個項目進行了總結及展望。關鍵詞：機械手 伺服電機 PLC 定位控制目 錄第章 緒 論41.1項目背景41.2項目的主要任務與內容4第2章 系統整體說明及方案設計62.1整體說明62.2系統方案設計7第3 章系統硬件部分93.1控制系統的組成93.2電氣接線圖93.3PLC的選型143.4伺服電機和變頻電機的選型及參數設置163.5氣動部分設計18第4章 系統軟件部分214.1程序設計流程圖214.2

5、過程分析21總結23致謝24第章 緒 論1.1項目背景如圖1-1所示為青島某環保公司的搬運切割生產裝置，原來搬運等動作都是由人工來完成，每根料的長度是1.2米，重量在10kg左右。另外料是化學產品時間長了對人體有一定的傷害，并且由于市場需求量比較大。這樣如果是靠人工來完成這些動作的話，投入的成本將會很大，且不能滿足所需要的效率。所以后來對設備進行了改造。改造后的整個設備分為三個部分，切割部分（鋸床）、傳送部分（傳送帶）和搬運部分（機械手臂）。機械手的左右移動和升降以及鋸床中間結構采用伺服電機驅動，機械手的取料通過真空吸盤來取放。上料傳送帶采用普通三相異步電動機作為的動力，下料傳送帶采用交流變頻

6、異步電機作為其動力系統。鋸床中間結構采用普通雙作用氣缸來完成一系列動作。圖1-1搬運切割生產線1.2項目的主要任務與內容本項目是我結合我所學的專業知識，以PLC為基礎，對這套設備搬運部分進行研究。項目共5章，第一章緒論，主要對項目的研究背景和主要研究對象進行了說明；第二章系統的整體說明及方案設計，對搬運系統整體進行了說明，以及對控制要求提供了好的設計方案；第三章系統硬件部分，主要分析了系統的組成部分以及各部分器件的工作原理，對各種元件的選擇和參數確定等控制系統的硬件配置；第四章系統軟件部分，主要對PLC控制的流程進行了設計和分析；第五章項目總結，對設計和調試過程所遇到的問題進行分析和解決。第2

7、章 系統整體說明及方案設計2.1整體說明圖2-1整體布局圖如圖2-1所示，是系統整體布局圖。通過人工去取出出料口的料，然后放置到后置傳送帶的V型塊上，通過后置傳送帶傳送到鋸床進行切割，切割完了以后平穩的放置到前置傳送帶上，再通過前置傳送帶傳送到橫梁那邊，這時前置傳送帶的最前端的傳感器檢測到信號，傳送帶停止工作，此時橫梁上的機械手臂開始工作，向有物料的那個方向運動，運動到物料上方以后手臂下降到指定位置，到指定位置后，吸盤開始工作，把物料吸起來，最后運動到浸液池進行浸液，浸完后運動到托料盤上方，把料放到托料盤上。其中主要難點就是，伺服電機的調速。如圖2-2所示機械手布局圖，機械手主要完從傳送帶上取

8、料，到浸液池上方后機械手吸盤部分翻轉90°，然后浸液，完成這系列動作后，再把料堆放到碼垛區。如圖2-3所示，為本項目所研究的搬運部分的視圖。圖2-2機械手布局圖圖2-3搬運部分的視圖2.2系統方案設計功能要求搬運的控制系統必需具備以下幾個功能要求；第一，要求控制系統要非常穩定可靠；第二，由于設備現場溫度差比較大，且粉塵嚴重，所以必需能適應惡劣的工作環境；第三，要求它要易操作，方便調試，和以后的維護；第四，靈活性要好，操作方便，監視和控制要十分容易。方案確立我們提出了用一整套機械自動化設備來代替人工完成這一系列動作。考慮到所生產的產品是易碎產品，且市場價格比較昂貴，所以我們需要用一套比

9、較穩定的控制系統。利用西門子S7-400PLC作為核心，選用伺服電機作為機械手的左右移動和升降以及鋸床中間結構的動力系統，用普通三相異步電動機作為上料傳送帶的動力系統，用變頻電機作為下料傳送帶的動力系統。鋸床中間結構采用普通雙作用氣缸來完成一系列動作，機械手的取料通過真空吸盤來取放。一些主要位置通過傳感器來定位。這樣我們就能保證，把生產出來的料，從指定位置取走，平穩的完成一些小的加工動作。本項目的主要難點在于，伺服電機和變頻電機的控制，再有就是整套設備的邏輯順序的設計。根據上述要求，本項目選用西門子400PLC作為核心控制器。因為西門子400PLC，有以下幾個優點：西門子400PLC采用模塊化

10、無風扇的設計，可靠耐用；西門子400PLC配有多種通用功能的模板，可以根據需要組合成不同的專用系統；西門子400PLC具有比通用計算機控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件，采用了精簡化的編程語言，編程出錯率大大降低；西門子400PLC有較高的易操作性；西門子400PLC編程方法的多樣性使編程簡單、應用面拓展。操作十分靈活方便，監視和控制變量十分容易。第3 章系統硬件部分3.1控制系統的組成硬件系統主要由西門子400PLC、伺服驅動器、變頻器、電機、電磁閥和氣缸組成。通過以PLC為核心控制元件，接受輸入信號，得到相應的輸出信號給伺服驅動器讓電機工作讓機械手臂給電磁閥，讓氣缸和吸盤工作。搬運系統的控

11、制系統組成如圖3.1所示。圖3.1控制系統的硬件結構圖3.2電氣接線圖整個一套設備用到4個電控箱。搬運裝置主要用的是四號電控箱，跟機械手臂安裝在一起，并且跟隨機械手臂一起運動，PLC放置在一號電柜里，一號電箱也是總的電控箱，四號電箱的電源也是從總電柜引進來的。一號電控箱如圖3-2所示是一號電控箱的接線圖，由圖我們可以看到，一號電控箱從外面引入三相五線制電源，然后通過變壓器分別給PLC提供220V的單相電，給一號線提供三相200V的電壓，給二號線提供220V單相和380V三相電，給機械手提供200V三相電和220V單相電。圖3-3一號電控箱主要元件布置圖及控制面板板。圖3-2一號電控箱接線圖圖3

12、-3一號電控箱主要元件布置圖及控制面板四號電控箱如圖3-4所示為四號電控箱的接線圖，從主電控箱，引出一個三相200V的電壓，給伺服驅動器供電。圖3-4四號電控箱的接線圖LC的I/O地址表及輸入輸出接線圖如表3-1所示為PLC的I/O地址表表3-1.PLC的I/O地址表I3.4備用Q5.4備用I3.5備用Q5.5黃燈I3.6碼垛區有木托Q5.6綠燈I3.7碼垛區料滿Q5.7紅燈I7.0機械手平移伺服電機故障PID576機械手平移伺服電機I7.1機械手升降伺服電機故障PID580I7.2機械手升降上限位PQD576I7.3機械手升降下限位PQD580I7.4翻轉氣缸收縮到位PID584機械手升降伺

13、服電機I7.5翻轉氣缸伸出到位PID588I7.6備用PQD584I7.7備用PQD588Q4.0機械手平移伺服使能Q4.1機械手平移伺服抱閘Q4.2機械手升降伺服使能Q4.3機械手升降伺服抱閘Q4.4翻轉氣缸升降Q4.5機械手吸盤電磁閥吸松Q4.6備用Q4.7備用LC的接線圖如圖3-4所示為PLC的主電源電路，從一號電柜引入一路單相220V電源，再通過一個小的變壓器把單相220V的交流電變成直流24V的電壓提供給PLC使用。圖3-4 PLC的主電源如圖3-5為機械手臂部分PLC接線圖，輸入部分主要是氣缸位置檢測傳感器，機械手臂位置檢測傳感器和按鈕；輸出部分主要是氣缸和真空發生器的電磁閥以及伺

14、服驅動器的動作信號。其中的六個傳感器的安裝位置分別是，左右傳送帶各一個，機械手的左右極限位置各一個，機械手的上下限位各一個。圖3-5PLC接線圖圖3-6 PLC布置圖圖3-7 PLC電氣柜實物圖3.3PLC的選型在PLC選型時，有以下幾個步驟：（一）輸入輸出（I/O）點數的估算，I/O點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，再增加10%20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數估算數據。（二）存儲器容量的估算，存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。（三）控制功能的選擇，該選擇包括運算功

15、能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。（四）機型的選擇，包括PLC的類型，PLC按結構分為整體型和模塊型兩類；輸入輸出模塊的選擇，輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統一；電源的選擇、冗余功能的選擇和經濟性的考慮。本項目所用PLC型號選擇：如表3-3所示。表3-3PLC及相關配件型號序號類型數量型號1PS407，24VDC：4A16ES7407-0DA02-00A02CPU412-2PN16ES7412-2EK06-0AB03MMC存儲卡，256KB16ES7952-0KH00-0AA04CR3.4槽經濟型16ES7401-1DA01-0AA05網絡連接器16ES7

16、972-0BA12-0XA0分站ET200S(按8軸計算，預留2軸備用，40DI/40DO計算)序號類型數量型號11M151-1DP標準型16ES7151-1AA05-0AB02PM-EDC24V36ES7138-4CA01-0AA03電源模塊螺釘型端子36ES7193-4CD20-0AA048DI，24VDC，standard56ES7131-4BF00-0AA058DO，24VDC/0.5A56ES7132-4BF00-0AA061STEP步進模塊106ES7138-4DC00-0AB07電子模塊螺釘型端子106ES7193-4CA40-0AA08網絡連接器36ES7972-0BA12-0

17、XA03.4伺服電機和變頻電機的選型及參數設置伺服電機的選型伺服電機選型時要注意一下幾個因素：（一）、電機的最高轉速。電機最高轉速應該嚴格控制在電機的額定轉速之內。（二）、慣量匹配問題及計算，負載慣量為了保證足夠的角加速度使系統反應靈敏和滿足系統的穩定性要求,負載慣量JL應限制在2.5倍電機慣量JM之內，即。式中，為各轉動件的轉動慣量，kg.m2；為各轉動件角速度，rad/min；為各移動件的質量，kg；為各移動件的速度，m/min；為伺服電機的角速度，rad/min。（三）、空載加速轉矩，空載加速轉矩發生在執行部件從靜止以階躍指令加速到快速時。一般應限定在變頻驅動系統最大輸出轉矩的80%以內

18、。式中，為與電機匹配的變頻驅動系統的最大輸出轉矩（N.m）；為空載時加速轉矩（N.m）；為快速行程時轉換到電機軸上的載荷轉矩（N.m）；為快速行程時加減速時間常數（ms）。電機MDM202GCH+MEDHT7364E1套減速機PL120-201臺電機MDME302GCH+MFDHTA390E1套減速機PL160-201臺編碼器線MFECA0030ETD2根剎車電機線MFMCE0032FCD1根剎車電機線MFMCA0033FCT1根表3-4伺服電機及相關配件的選型圖3-8型號說明在本項目中用到兩種型號的伺服電機，其中一個3KW的用于機械手臂的升降，2KW的用于機械手的左右移動。如表3-4所示為伺

19、服電機及相關配件的選型。圖3-8為型號說明圖。伺服電機與PLC的連接及參數設置本項目的伺服控制系統采用了位置控制模式，位置控制就是根據你期望移動的距離，算出來應該發多少脈沖數給伺服驅動器，比如你要移動200mm一個脈沖對應的距離是0.013mm那么就是說你要發200/0.013的脈沖給驅動器。如圖3-9所示為伺服驅動器內部接線圖，其中PULSH1、PULSH2、SGNH1、SGNH2為指令脈沖輸入，是PLC與伺服驅動器之間的通信端口；指令脈沖PULS1、PULS2是指令脈沖輸入端子主要功能是驅動器通過高速光電耦合器接收信號，和指令符號SIGN1、SIGN2的主要功能，PULS和SIGN信號的輸

20、入阻抗為220，指令脈沖可以三種不同的方式輸入，第一種，正交（A和B）輸入、第二種，順時針（PULS）/反時針(SIGN)脈沖輸入、第三種，指令脈沖（PULS）/方向（SIGN）輸入。A相輸出OA+OA-，,B相輸出OB+OB-,Z相輸出OZ+OZ-；主要功能是提供來自分配器的編-碼器信號的分差輸出，用輸出脈沖邏輯取反可以選擇A相與B相之間的邏輯關系。圖3-9伺服驅動器內部接線圖3.5氣動部分設計在本項目中，主要用了一個氣缸作為機械手臂吸料部分的90°的翻轉，和6組泡沫吸盤。氣缸主要是通過一個一位二通單電控電磁閥來控制的，初始狀態電磁閥沒有得電，氣缸回縮到位，吸盤面與水平面平行，電磁

21、閥得電后，氣缸伸出到位，翻轉90°進行浸液。氣缸的選型氣缸的選型主要有以下幾點：第一，是否內置磁環，因為本項目中要檢測氣缸位置，所以氣缸內置磁環；第二，氣缸的安裝方式，本項目中氣缸安裝在手臂內部，采用的是雙耳環型的安裝方式；第三，缸徑的計算，氣源為0.6bar也就是0.6Mpa。那么氣缸的出力為6KG/CM2，本項目中出力為200KG左右，200/（6*3.14）=10.62再開方為3.26然后乘以2為6.51cm也就是說65.1mm，這是理論數值，設計的時候需要考慮安全系數所以需要的實際數值要比65.1大，也就是在內徑比65.1大的數值里尋找，所以本項目所選缸徑為100mm；第四，

22、配管方式，為螺紋配管；第五氣缸的行程，根據需要選擇，本項目中行程為300mm。如表3-1所示為氣缸及氣缸配件的型號列表。表3-5氣缸及氣缸配件的型號列表產品名稱產品規格數量單位氣缸CI100*300-S1PC單耳座CA-CI1001PC雙耳座CB-C1001PC魚眼接頭U-M201501PC電磁閥SVF352-S-N-31D1PC節流閥CIL10-042PC直通接頭CC10-033PC消聲器CBSL-022PC氣源件CP203-12-T1PC氣管PU10*0651PC真空發生器的選擇真空發生器的選擇，主要注意以下幾點：第一， 真空產生裝置的驅動方式（氣動）；第二， 要看被吸工件是氣密性工件還是

23、透氣性工件，本項目中為氣密性工件；第三， 第三，所需排放量為多少；第四， 工作周期，主要影響因素有真空吸氣的容量、需要抽除的容量和控制閥的響應時間等；第五， 真空度，因為本項目吸的是氣密性工件，真空度設為600mbar；第六， 真空發生器的安裝方式，主要根據實際安裝來進行選擇。如表所示為吸盤及其配件的型號列表。表3-6吸盤及其配件的型號列表項號品牌品名貨品型號單位單價數量總價1沃泰可真空發生器PVP7SX只1200.0067200.002沃泰可泡沫真空吸盤08120240只429.00145880.003沃泰可真空過濾器FC10只320.0061920.004沃泰可真空壓力開關120210只7

24、80.0064680.005沃泰可緩沖枝干209595只100.00242400.006國產泡沫片100X250片110.00505500.007國產兩位兩通電磁閥G1/4”只80.006480.00如圖3-10所示為系統的氣動回路圖。3-10 氣動回路圖第4章 系統軟件部分4.1程序設計流程圖如圖4-1所示為程序流程圖，主要分為兩大部分，自動部分和手動部分。（詳細程序見附錄）圖4-1程序流程圖4.2過程分析過程分析：系統上電，設備如果不在初始位則回到初始位；模式選擇系統自動運行或者手動運行；在自動模式下，對兩邊傳送帶頂端的傳感器進行檢測判斷（左邊和右邊同時有信號則左邊優先）；1、 假設左邊傳

25、送帶的傳感器檢測到有信號，機械手左移；2、 左移計脈沖，如果達到平移脈沖1，到達左邊傳送帶料的上方位置則機械手停止左移并開始下降；3、 下降計脈沖，如果達到下降脈沖1，到達料的準確位置，則機械手停止下降并且吸盤吸料；4、 給5秒讓真空發生器達到足夠的真空度，達到時間后機械手上升到原始高度；5、 達到原始高度后機械手右移；6、 右移計脈沖，達到平移脈沖2后，達到浸液池的正上方，停止右移，氣缸伸出；7、 氣缸伸出到位后，機械手下降；8、 下降計脈沖，達到下降脈沖2后，讓料的底端的20mm左右在浸液池里浸液；9、 給120秒讓料充分吸收，達到時間后機械手上升到原始高度，并且氣缸回縮機械手開始右移；1

26、0、 右移計脈沖，如果達到平移脈沖3，托料盤的正上方則機械手停止右移并開始下降；11、 下降計脈沖，如果達到下降脈沖3則機械手停止下降，到達放料處，吸盤放料，放完后系統回到初始位。12、 說明：過程分析中只說了左邊，右邊有料時，動作也一樣，先取料，然后去浸液，最后把料放到托盤上；其中平移有5個不同的脈沖，升降有三個不同的脈沖。手動狀態下，機械手可以停在任意位置。總結本項目主要完成了搬運裝置的電氣控制系統的設計及實物的制作，在調試設備的過程中遇到了一些問題，主要有兩個問題。第一個是伺服電機的準確的定位，我們先是通過對伺服電機的參數進行了詳細的查找，然后通過計算和一點點的調試基本能夠達到想要的位置。第二個就是升降電機我們在使用時，停止的那一瞬間經常報警，經過我們對說明書的查找，我們查到了原因是過載報警，導致這種原因的主要