畢業(yè)設(shè)計搬運裝置的電氣控制系統(tǒng)

1、蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)項目 2014 屆項目類別： 畢業(yè)設(shè)計 項目名稱：搬運裝置的電氣控制系統(tǒng)專業(yè)名稱： 機電一體化 姓 名： 吳紅生 學(xué) 號： 201100990 班 級： 機電11303 指導(dǎo)教師： 齊美星 2014年5月18日IVT-REJX-51蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)項目任務(wù)書（個人表）系部：機電工程系畢業(yè)項目類別：畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)項目名稱：搬運裝置的電氣控制系統(tǒng)校內(nèi)指導(dǎo)教師：齊美星職稱：講師類別：專職校外指導(dǎo)教師：職稱：類別：學(xué)生：吳紅生專業(yè)：機電一體化技術(shù)班級：機電113031.畢業(yè)項目的主要任務(wù)及目標主要任務(wù)：完成切割搬運生產(chǎn)線的搬運裝置電氣控制系統(tǒng)設(shè)計，要求采用PLC為

2、控制核心，應(yīng)用伺服或變頻技術(shù)實現(xiàn)機械手的運動控制。目標：（1）完成搬運對象的結(jié)構(gòu)和工藝流程分析。設(shè)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(yè)項目的主要內(nèi)容1）項目背景2）方案確定3）系統(tǒng)硬件部分設(shè)計4）系統(tǒng)軟件部分設(shè)計5）安裝及調(diào)試6）項目總結(jié)3、主要參考文獻無4、進度安排畢業(yè)項目各階段任務(wù)起止日期1畢業(yè)項目的選題、項目實施計劃2013/9/1-2013/10/12畢業(yè)項目資料的搜集和整理2013/10/8-2014/1/203畢業(yè)項目初稿的完成及實物的安裝調(diào)試2014/1/21-2014/4/304對畢業(yè)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(dǎo)老師的指導(dǎo)下填寫。蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)項目報告搬運裝置的電氣控制系統(tǒng)是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨立研究、寫作的成果。工業(yè)案例中所引用是他人的無論以何種方式發(fā)布的文字、研究成果，均在工業(yè)案例中以明確方式標明。本人聲明的法律結(jié)果由本人獨自承擔(dān)。作者簽名：年月日摘要當(dāng)今工業(yè)自動化越來越發(fā)達，許多企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，都實行了自動化的生產(chǎn)線。搬運和切割物料生產(chǎn)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(fù)雜，本項目主要選取機械手臂搬運部分為研究對象,設(shè)計了電

4、氣控制系統(tǒng)。主要采用西門子S7-400PLC作為控制核心，首先仔細分析了設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成和動作工藝流程及控制功能要求，然后詳細地設(shè)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(jié)及展望。關(guān)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(wù)與內(nèi)容4第2章 系統(tǒng)整體說明及方案設(shè)計62.1整體說明62.2系統(tǒng)方案設(shè)計7第3 章系統(tǒng)硬件部分93.1控制系統(tǒng)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(shù)設(shè)置163.5氣動部分設(shè)計18第4章 系統(tǒng)軟件部分214.1

5、程序設(shè)計流程圖214.2過程分析21總結(jié)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(huán)保公司的搬運切割生產(chǎn)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(xué)產(chǎn)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(shè)備進行了改造。改造后的整個設(shè)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(jié)構(gòu)采用伺服電機驅(qū)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

6、，下料傳送帶采用交流變頻異步電機作為其動力系統(tǒng)。鋸床中間結(jié)構(gòu)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(chǎn)線1.2項目的主要任務(wù)與內(nèi)容本項目是我結(jié)合我所學(xué)的專業(yè)知識，以PLC為基礎(chǔ)，對這套設(shè)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(tǒng)的整體說明及方案設(shè)計，對搬運系統(tǒng)整體進行了說明，以及對控制要求提供了好的設(shè)計方案；第三章系統(tǒng)硬件部分，主要分析了系統(tǒng)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(shù)確定等控制系統(tǒng)的硬件配置；第四章系統(tǒng)軟件部分，主要對PLC控制的流程進行了設(shè)計和分析；第五章項目總結(jié)，對設(shè)計和調(diào)試過程所遇到的

7、問題進行分析和解決。第2章 系統(tǒng)整體說明及方案設(shè)計2.1整體說明圖2-1整體布局圖如圖2-1所示，是系統(tǒng)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(wěn)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(diào)速。如圖2-2所示機械手布局圖，

8、機械手主要完從傳送帶上取料，到浸液池上方后機械手吸盤部分翻轉(zhuǎn)90，然后浸液，完成這系列動作后，再把料堆放到碼垛區(qū)。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(tǒng)方案設(shè)計2.2.1功能要求搬運的控制系統(tǒng)必需具備以下幾個功能要求；第一，要求控制系統(tǒng)要非常穩(wěn)定可靠；第二，由于設(shè)備現(xiàn)場溫度差比較大，且粉塵嚴重，所以必需能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境；第三，要求它要易操作，方便調(diào)試，和以后的維護；第四，靈活性要好，操作方便，監(jiān)視和控制要十分容易。2.2.2方案確立我們提出了用一整套機械自動化設(shè)備來代替人工完成這一系列動作。考慮到所生產(chǎn)的產(chǎn)品是易碎產(chǎn)品，且市場價

9、格比較昂貴，所以我們需要用一套比較穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。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(jié)構(gòu)的動力系統(tǒng)，用普通三相異步電動機作為上料傳送帶的動力系統(tǒng)，用變頻電機作為下料傳送帶的動力系統(tǒng)。鋸床中間結(jié)構(gòu)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(chǎn)出來的料，從指定位置取走，平穩(wěn)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(shè)備的邏輯順序的設(shè)計。根據(jù)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(yōu)

10、點：西門子400PLC采用模塊化無風(fēng)扇的設(shè)計，可靠耐用；西門子400PLC配有多種通用功能的模板，可以根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)；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(yīng)用面拓展。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變量十分容易。第3 章系統(tǒng)硬件部分3.1控制系統(tǒng)的組成硬件系統(tǒng)主要由西門子400PLC、伺服驅(qū)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(yīng)的輸出信號給伺服驅(qū)動器讓電機工作讓機械手臂給電磁閥

11、，讓氣缸和吸盤工作。搬運系統(tǒng)的控制系統(tǒng)組成如圖3.1所示。圖3.1控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖3.2電氣接線圖整個一套設(shè)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。3.2.1一號電控箱如圖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

12、及控制面板板。圖3-2一號電控箱接線圖圖3-3一號電控箱主要元件布置圖及控制面板3.2.2四號電控箱如圖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(qū)動器供電。圖3-4四號電控箱的接線圖3.2.3PLC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(qū)有木托Q5.6綠燈I3.7碼垛區(qū)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

13、限位PQD580I7.4翻轉(zhuǎn)氣缸收縮到位PID584機械手升降伺服電機I7.5翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)氣缸升降Q4.5機械手吸盤電磁閥吸松Q4.6備用Q4.7備用3.2.4PLC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

14、，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(fā)生器的電磁閥以及伺服驅(qū)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(shù)的估算，I/O點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。（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(yīng)用項目使用的存儲單

15、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(jié)構(gòu)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(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一；電源的選擇、冗余功能的選擇和經(jīng)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(guān)配件型號序號類型數(shù)量型號1PS407，24VDC：4A16ES7407-0DA02-00A02CPU412-2PN16ES7412-2EK06-0AB03MMC存儲卡，256KB16ES7952-0KH00-0AA04C

16、R3.4槽經(jīng)濟型16ES7401-1DA01-0AA05網(wǎng)絡(luò)連接器16ES7972-0BA12-0XA0分站ET200S(按8軸計算，預(yù)留2軸備用，40DI/40DO計算)序號類型數(shù)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106E

17、S7193-4CA40-0AA08網(wǎng)絡(luò)連接器36ES7972-0BA12-0XA03.4伺服電機和變頻電機的選型及參數(shù)設(shè)置3.4.1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(zhuǎn)速。電機最高轉(zhuǎn)速應(yīng)該嚴格控制在電機的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。（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(tǒng)反應(yīng)靈敏和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求,負載慣量JL應(yīng)限制在2.5倍電機慣量JM之內(nèi)，即。式中，為各轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；為各轉(zhuǎn)動件角速度，rad/min；為各移動件的質(zhì)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(zhuǎn)矩，空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在

18、執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到快速時。一般應(yīng)限定在變頻驅(qū)動系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩的80%以內(nèi)。式中，為與電機匹配的變頻驅(qū)動系統(tǒng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩（N.m）；為空載時加速轉(zhuǎn)矩（N.m）；為快速行程時轉(zhuǎn)換到電機軸上的載荷轉(zhuǎn)矩（N.m）；為快速行程時加減速時間常數(shù)（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(guān)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

19、，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所示為伺服電機及相關(guān)配件的選型。圖3-8為型號說明圖。3.4.2伺服電機與PLC的連接及參數(shù)設(shè)置本項目的伺服控制系統(tǒng)采用了位置控制模式，位置控制就是根據(jù)你期望移動的距離，算出來應(yīng)該發(fā)多少脈沖數(shù)給伺服驅(qū)動器，比如你要移動200mm一個脈沖對應(yīng)的距離是0.013mm那么就是說你要發(fā)200/0.013的脈沖給驅(qū)動器。如圖3-9所示為伺服驅(qū)動器內(nèi)部接線圖，其中PULSH1、PULSH2、SGNH1、SGNH2為指令脈沖輸入，是PLC與伺服驅(qū)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(qū)動器通

20、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(guān)系。圖3-9伺服驅(qū)動器內(nèi)部接線圖3.5氣動部分設(shè)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(zhuǎn)，和6組泡沫吸盤。氣缸主要是通過一個一位二通

21、單電控電磁閥來控制的，初始狀態(tài)電磁閥沒有得電，氣缸回縮到位，吸盤面與水平面平行，電磁閥得電后，氣缸伸出到位，翻轉(zhuǎn)90進行浸液。3.5.1氣缸的選型氣缸的選型主要有以下幾點：第一，是否內(nèi)置磁環(huán)，因為本項目中要檢測氣缸位置，所以氣缸內(nèi)置磁環(huán)；第二，氣缸的安裝方式，本項目中氣缸安裝在手臂內(nèi)部，采用的是雙耳環(huán)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(shù)值，設(shè)計的時候需要考慮安全系數(shù)1.0-1.3所以需要的實際

22、數(shù)值要比65.1大，也就是在內(nèi)徑比65.1大的數(shù)值里尋找，所以本項目所選缸徑為100mm；第四，配管方式，為螺紋配管；第五氣缸的行程，根據(jù)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(chǎn)品名稱產(chǎn)品規(guī)格數(shù)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(jié)流閥CIL10-042PC直通接頭CC10-033PC消聲器CBSL-022PC氣源件CP203-12-T1PC氣管PU10*0651PC3.5.2真空發(fā)生器的選擇真空發(fā)

23、生器的選擇，主要注意以下幾點：第一， 真空產(chǎn)生裝置的驅(qū)動方式（氣動）；第二， 要看被吸工件是氣密性工件還是透氣性工件，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(yīng)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(shè)為600mbar；第六， 真空發(fā)生器的安裝方式，主要根據(jù)實際安裝來進行選擇。如表3.5.2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(shù)量總價1沃泰可真空發(fā)生器PVP7SX只1200.0067200.002沃泰可泡沫真空吸盤08120240只429

24、.00145880.003沃泰可真空過濾器FC10只320.0061920.004沃泰可真空壓力開關(guān)120210只780.0064680.005沃泰可緩沖枝干209595只100.00242400.006國產(chǎn)泡沫片100X250片110.00505500.007國產(chǎn)兩位兩通電磁閥G1/4”只80.006480.00如圖3-10所示為系統(tǒng)的氣動回路圖。3-10 氣動回路圖第4章 系統(tǒng)軟件部分4.1程序設(shè)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(tǒng)上電，設(shè)備如果不在初始位則回到初始位；模式選擇系統(tǒng)自動運行

25、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(yōu)先）；1、 假設(shè)左邊傳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(fā)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20

26、mm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；10、 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(tǒng)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(tài)下，機械手可以停在任意位置?？偨Y(jié)本項目主要完成了搬運裝置的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計及實物的制作，在調(diào)試設(shè)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(shù)進行了詳細的查找，然后通過計算和一點點的調(diào)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(jīng)常報警，經(jīng)過我們對說明書的查找，我們查到了原因是過載報警，導(dǎo)致這種原因的主要有兩個因素，