电气控制技术课程设计

课程设计报告

姓名 ***

学号201******

年级201*

专业**专业

系（院）机械工程学院指导教师吕剑

2014年*月**日

搬运机械手电气控制系统设计

摘要

本课题主要任务是设计一抓取机械手来完成无人化工厂中某一阶段性工作。机械手系统采用圆柱坐标方式，由PLC作为中央控制单元，控制三路交流伺服驱动器、位置单元模块及其它功能块，驱动各轴伺服电机准确定位。定位完成后，再执行手部抓取动作，以完成指定任务。设计了上位机组态，方便人们监视现场运行情况以及实现故障准确定位，并简单叙述系统参数设置及调试方法。

本文重点解决的问题——电气控制系统设计

本课题中主要内容：

(1)机械手方案设计及驱动电机选型；

(2)电气控制系统硬件线路设计；

(3)控制系统程序设计；

(4)上位机组态设计及系统调试；

关键词：机械手交流伺服控制器PLC 组态松下

1研制背景及意义

1.1研制背景

机械手是由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种能在四维空间完成各种作业的机电一体化设备。特别适合多品种、变批量的柔性生产。它对提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用，因此，机械手广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手技术是综合控制论、信息论、计算机、机构学、传感技术、人工智能、运筹学、仿生学等多学科而形成的高技术，也是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。一般说来，机械手的应用情况，可衡量了一个国家的工业自动化水平。

机械手是综合了人和机器的特长，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，可以说它是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

1.2机械手简史

现代意义的机械手最先是由美国开始研制的。它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于二十世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台电子计算机问世以来，计算机取得惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国1947年开发了遥控式机械手，第二年又开发了主从式机

械手。

1958年，美国联合控制公司研制出示教型机械手，结构是机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁阀抓放机构。1962年，公司在上述方案基础上又研发一台数控示教再现型机械手。取名为Unimate，运动系统仿照坦克炮塔，手臂可以回转、俯仰、伸缩，使用液压驱动，控制系统采用磁鼓作为存储装置。很多球面坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年，该公司与普尔曼公司合并出成立万能自动公司，专门生产工业机械手。

1978年美国Unimate公司与斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Viccarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

二十世纪八十年代以后，机械手的应用领域不断拓展，性能指标在不断提高。目前，机械手不仅应用于传统制造业如采矿、冶金、石油、化工、船舶等领域，同时也扩大到航空、航天、医药、生化、军事等高科技领域以及诸如家庭保洁、医疗康复等服务行业。

机械手的发展可大致分为三个阶段。第一阶段，机械手只能根据事先编制好的程序来工作，纯机械式操作。第二阶段，机械手具有触觉、视觉、听觉、力觉等功能，它可以根据外界的不同信息做出相应的反馈。第三阶段，机械手不仅能感知外面的世界，还具有自我学习，知识记忆的功能，它与电子计算机和电视设备保持实时联系，并逐步发展为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。

1.3机械手发展状况

现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程自动化已经基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产环节不是连续的。因此，比如迫切需求装卸、搬运等工序机械化，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。

近年来全球机械手行业发展迅速（图1-1）。人性化、重型化、微型化、智能化已经成为未来机械手产业的主要发展趋势。有资

图1.1 全球每年新投入使用的机械手数量

时，服务机械手的市场前景也不容小觑，如家用服务机械手、割草机械手、康复机械手等。

我国于1972年开始研制工业机械手，经过几年攻关，完成了示教再现式工业机械手成套技术（包括机械手本体、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生产的工艺技术等）的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机械手整机，几类专用和通用控制系统及关键元部件等，并在生产中经过实际应用考核。在国家政策的支持下，经过不懈努力，九十年代后半期实现了国产机械手商品化，为产业化奠定基础。

1.4简述机械手分类

工业机械手的种类很多，目前国内尚无统一的分类标准。工业界一般按驱动方式、使用范围和控制系统等进行划分。

按驱动方式，机械手分可液压传动、气压传动、机械传动和电力传动。液压机械手主要特点是，抓重可达几百千克以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，且不宜在高温、低温下工作。若采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，这使得机械手通用性扩大，但其制造精度高，油液过滤严格。气压传动机械手主要特点为输出力小、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性差，冲击大，抓重一般为30千克一下，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中工作。机械传动机械手运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变，常被用于工作主机的上、下料。电力传动机械手不需要中间的转换机构，故机械结构简单，维护和使用方便。

按使用用途可分为专用机械手和通用机械手两种。专用机械手是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低廉等特点，适用于大批量自动化生产，如自动机床、自动上产线上的上下料机械手、自动换刀机械手等。而通用机械手具有独立控制系统、程序可变、动作灵活多样的特点。在性能范围内，其动作程序可变，通过调整可在不同的场合中使用，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。

按控制方式分可分为点位控制和连续轨迹控制。点位控制其实是空间点到点的移动，只能控制运动过程中的几个点的位置，不能控制其运动轨迹，若控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。而连续轨迹控制其特点是设定点为无限个，整个移动过程平稳、准确，并且适用范围广，但电气控制系统复杂，这类工业机械手一般采用微型计算机控制，如PLC、单片机、嵌入式PC等。

本论文机械手采用电力传动方式，机械结构简单，重量轻，精度高，工作迅速、平稳、可靠，因而广泛应用于机械加工业，如喷漆、码垛等。

1.5机械手发展趋势

自20世纪90年代以来，由于具有一般功能的传统工业机械手的应用趋向饱和，而许多高级生产和特种应用则需要具有各种智能的机械手参与，因而促使智能机械手获得较为迅速的发展。无论从国际或国内角度看，复苏和继续发展机械手产业的一条重要路径就是开发各种智能机械手，以提高机械手的性能，扩大其功能和应用领域。

回顾近年来国内外机械手的发展历程，大致有以下发展趋势。传感型智能机械手发展较快，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能机械手系统、人工神经网络、专家系统等。智能机械手和高级工业机械手的结构要力求简单紧凑，其高性能部件甚至全部机构的设计已向模块化方向发展。汽车工业、工程机械、建筑、电子、电机工业及家电行业