机电一体化教学系统

第一章绪论

1.1 课题研究背景

机电一体化技术是面向应用的跨学科的技术，它是机械技术、微电子技术、信息

技术和控制技术等有机融合、相互渗透的结果。今天机电一体化技术发展飞速，机电一

体化产品更新日新月异。

机电一体化教学系统是一套完整、灵活、模块化易扩展的教学实训系统，根据教学和生产需要研发并制造,从简单到复杂，从零部件到整机。利用多种机械传动方式模拟完成现代化装配过程的柔性生产系统，系统展现了实际生产中的典型部分，如：电气控制系统，各种传感器的应用和现代生产中的组态控制、工业总线控制等[1]。学生可以借助该系统，学习机械传动技术、液压与气动技术、电气传动与控制技术、工业现场总线、PLC控制技术、过程控制技术、传感器技术及计算机技术等及各种技术的综合应用。(1)实训所能涵盖课程。电工电子技术、机床电气与PLC、机械设计基础，自动检测技术、液压与气动技术、数控原理与数控机床、机电一体化技术和现代制造技术、过程控制技术等课程[2]。实训装置特点，体现以自动化的物料传输和加工装置为对象，体现常用的控制方法，机械传动原理的应用，驱动装置的选择、各个模块的调试和系统统调及利用PLC软件进行编程、在线监控、故障的诊断与维修等。

电一体化(Mechatronics) 一词，最早起源于日本，是由机械学“mechanics”与电子学“electronics”结合而成的拼缀词，意思为机械电子学，在我国则称之为机电一体化。自提出机电一体化(Mechatronics) 这一概念以来，机电一体化经历了30多年的发展，其内涵随科技的发展不断更新，不断丰富[3]。特别是人类进入21世机电一体化产品的输出柔性、工作性能及可靠性等方面提出了越来越高的要求。而相关学科，如A I 技术、计算机技术、传感技术、网络技术、信息技术等的发展，为机电一体化系统开辟了更加广阔的应用前景。尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的发展, 使产品结构发生了革命性的变化。随着信息、传感等技术与传统机械产品的融合，传统机械产品正向着智能化、网络化、模块化、柔性化、微型化、自动化等机电一体化新阶段迈进[4]。机电一体化技术已成为一门新兴的交叉学科技术，它涉及到机械制造技术、信息处理技术、传感器技术、伺服驱动技术、接口技术、自动控制技术等关键技术[5]。技术的更新，带动机电一体化产品向更高层次方向发展，以满足人们不断丰富和发展的物质、文化和精神上的需求。机电一体化技术在21 世纪机械产品的设计和开发中将发挥重要作用，其产品是机电一体化技术的载体和体现者，通过机电一体化产品来实现和反映当今的机电一体化技术的发展水平，因此，为机电一体化产品的设计师，不但要掌握先进的机电一体化技术，而且更重要地是掌握如何在产品设计中充分展现现代机电一体化技术的最新成果。机电一体化系统所具有的学科交叉性、多技术性、集成性、融合性、复杂性给产品设计师提出了更高的要求[11]。

机电一体化产品概念设计的研究主要集中在欧洲。主要研究机构有：德国Darm stadt 大学，英国Lancaster 大学工程设计中心，荷兰Twente 大学，比利时Leuven 大学，挪威科技大学，丹麦技术大学和芬兰VTT 研究中心等[9]。另外，在美国，与机电一体化系统有关的概念设计工作大多集中在MIT 大学，Carnegie Mellon 大学，Michigan 大学Standford 大学[19]。在日本东京大学的Yoshikawa和Tomyama 两位学者的研究工作涉及到了一般的机电一体化系统的概念设[12]。德国Darmstadt 大学的R.Iserrmann，H. J. Herpel，M. Held,M. Glesner等人，对机电一体化产品设计进行了较深入的研究，他们的研究领域主要集中在机电一体化的控制系统的设计方法学上，提出了机电一体化系统的能量流和信息流模型，并将控制系统按层次划分为管理层、监视层、控制层和处理层四个层次。从他们的观点来看，机电一体化的驱动器、传感器及机械部分都是作为控制系统设计的外界环境而存在的，而控制系统设计是机电一体化的主体。因此在他们的设计中，较少考虑到机械部分的特性、传感器的特性及驱动器的特性，也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题，该观点不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质[10-12]。德国Heinz N ixdo rf 大学的Jurgen Gausemeier，Martin F lath，Stefan Mohringer 等人于2001年构建了机电一体化系统开发的V 型模型，指出在概念设计的早期阶段，需要有一种共同的功能描述语言来描述所涉及的不同学科的知识，给出了一种适用于机电一体化产品概念设计的集成方法，即用半规则式说明语言进行功能原理建模，将该方法已成功用于汽车导航驱动系统的概念设计过程中[14]。

目前，国内一些研究单位，如浙江大学、华中科技大学等单位，在机械产品概念设计及计算机辅助创新设计方面进行了研究，但对机电一体化产品概念设计方面的问题基本没有进行研究。上海交通大学从1996 年开始，对机电一体化产品概念设计的理论与方法进行了较为深入的研究，并取得了初步的研究成果。从现代机构的角度出发，将机电一体化系统划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统，称为“三子系统论”，并由此建立机电一体化系统概念设计的框架体系，有利于机电一体化产品的创新设计，以实现运动功能为主功能的一大类机电一体化产品(如电脑型多功能缝纫机等)为研究对象，对机电一体化产品概念设计的核心问题广义执行机构子系统的概念设计进行了系统研究，提出了由总功能进行基本工艺动作过程的构思；由基本工艺动作过程，实现动作分解，得到独立的执行动作；确定各执行动作的创新机构及其机构系统的组合的框架模型，即归纳为：Process Action Mechanism 的PAM 功能求解模型。该模型能将概念设计与机构及其系统设计很好地结合起来，更具有可操作性，更易于实现创新设计，更利于计算机辅助概念设计的实现。由于机电一体化系统是一个复杂的动态系统，只有在了解了其动态性能的基础上才能进行恰当的评价，因此机电一体化产品的建模与仿真问题显得更为重要。概念设计阶段仿真的目的是检验系统是否能够完成给定的功能，以及实现功能所附带的约束条件。通过分析比较目前通用的各种建模技术(如键合图、方框图、信号流图、原理图等) 及各种仿真软件的优缺点，采用Simulink 仿真软件构造了一个面向功

能模块建模方法的，表达机电一体化产品中广义执行机构的概念设计的系统仿真平台。这一平台的构建，为机电一体化产品概念设计的整体仿真平台的建立奠定了基础。

1.2 课题研究现状及趋势

机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。

发展前景及方向：

1、复高精度

精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高, 它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等[19]。

2、模块化

有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术[21]。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置, 使机械手运动自如。模块化机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是机械手的一个重要的发展方向。

3、无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长[17]。

4、机电一体化

由“可编程序控制器- 传感器- 液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件, 使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”省配线的复合集成系统,不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小,而PLC的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越可能。随着科学与技术的发展,机械手的应用领域也不断扩大。目前，机械手不仅应用于传统制造业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁，医疗康复等服务业领域中。如，水下机器人、抛光机器人、打毛刺机器人、擦玻璃机器人、高压线作业机器人、服装裁剪机器人、制衣机器人、管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人、作战机器人、侦察机器人、哨兵机器人、排雷机器人、布雷机器人等军用机器人都是机械手应用的典型。机械手广泛应用于各行各业。而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩，未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活，其市场将繁荣兴旺。

PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。

PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基本框架（CPU母板）上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板；如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板；另一种方法是配备远程I/O从站等[15]。这些都说明了PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商（代理商）、系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利，这是一大成功经验。

由于各PLC厂家产品在指令系统上的差异及编程方法上用户要求不同，近年来IEC 制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3（注：1993年IEC颁布可编程序控制器的国际标准IEC1131），它规定了指令表（IL）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）五种编程语言。这包括了文本化编程（IL、ST）和图形编程（LD、FBD）两个方面，而SFC则在两类编程语言中均可使用。IEC技术委员会（TC65）进来开展了IEC61499项目，将IEC61131-3进行了扩展，它是针对通过通信网络互联的模块化分布系统的体系结构的标准，将对IEC61131-3有所改善。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件，是PLC发展的一大趋势[18]。

一个或若干PLC与PC机联出系统，PC机起到原编程器及人机界面操作站的作用，这20世纪90年代的新潮流，这样为系统集成带来了商机，同时编程软件和人机界面软件（监控软件或称组态软件）及软件接口（或称驱动软件）也得到了发展。

1.3 课题研究主要内容及意义

将机电一体化生产线引入到教学之中能直接观察程序控制执行的结果，加深学生对课本知识的理解，增强教学效果。但由于在机电一体化教学中所使用的各种实验台只是向同学们展示了机电一体化技术一些单一的实验数据，因此与单纯的实验相比，机电一体化生产线显得更有意义。但是以实际生产中所用的整条生产线作为教学设备不切实际，这样会大大增加教育投入而且也是一种资源浪费。因此有必要设计一种专门用于教学演示的机电一体化控制系统。

在此课题中主要是设计演示系统整体控制方案和驱动系统各个单元的驱动形式。其中控制方案主要设计内容包括绘制演示系统结构示意图；绘制控制系统程序流程图；驱动元件、控制元件、传感器等选型；绘制外部接线图。编写PLC 控制程序并进行程序调试以及系统组态仿真设计。

初拟此机电一体化演示的系统包括5个单元，供料单元、雕刻单元、装配单元、物料输送单元。其中物料传送单元由机械手和导轨组成。演示过程初步设想：供料单元，雕刻加工单元，装配单元沿直线依次排列，与物料传送单元的导轨相平行。机械手完成将工件从不同单元的运送工作，初拟完成升降，伸缩，抓起，沿导轨平移四个动作。雕刻单元完成对加工单元的加工，装配单元以转台的形式将工件移动到不同的加工工位。初拟各个单元的驱动形式：机械手的动作、雕刻单元与装配单元由电机驱动，在导轨上的直线运动由电机带动丝杠驱动，转盘由电机带动回转气缸实现转动。

初拟控制方案：PC 主要作为人机交互工具，设定雕刻图案；PLC主要完成汽缸、转盘以及机械手的动作控制。可编程控制器采用西门子S7-200型PLC，由于西门子S7-200属于整体式小型PLC，具有极高的可靠性、丰富的指令集、易于掌握、操作便捷、内置集成功能强大、通信性能优良、扩展模块丰富等特点[11]，因此可编程控制器的机型选择S7-200。

第2章控制方案设计

本章主要进行方案的设计和最终确定。

2.1 控制系统功能

本设计主要由供料单元、雕刻单元、装配单元沿直线方向布置，机械手导轨与三个单元平行布置，由机械手完成工件在各单元间的转移，机电一体化演示系统如图2—1所示

本系统供料单元、装配单元和物料输送单元由PC和 PLC共同协调控制，PC 主要作为人机交互工具，供操作者完成不同颜色工件、组合形式和不同雕刻图案的选择；供料单元由气动控制；装配单元通过转盘的转动，带动方形工件在相隔90 度的四个工位之间运动，转盘由气缸电机驱动；机械手移动方向与上料、加工、装配单元所在直线平行，采用液压的驱动方式，机电一体化控制系统基于 PLC，PLC主要完成汽缸、转盘以及机械手的动作。如上图中所示，机械手的任务是将供料单元上的物品搬运到雕刻装配、装配单元以及传送带上。为使机械手动作准确，在机械手的极限位置安装了诸多点动限位开关S，对机械手分别进行抓紧、前进、后退、上升、下降动作的限位，并发出动作到位的输入信号。供料单元上装有限位开关，用于检测供料单元工件是否到位。机械手的起、停由起动按钮SB1、停止按钮SB2控制。传送带由电动机拖动。机械手的上、下、左、右、抓紧、放松等动作由液压驱动，并分别由六个电磁阀来控制。 2 机械手的动作流程机械手雕刻单元、装配单元、传送带顺序动作的要求是：

1) 按下起动按钮SB1时，机械手系统工作。首先机械手进行初始化上升电磁阀通电，

图2—1 机电一体化演示装置立体图

手臂上升，至上升限位开关动作，同时机械手缩回至左限位状态；

2) 随着初始化的完成，在PLC 控制下各个相应限位开关控制供料单元开始供料由供料限位开关控制机械手的动作；

3) 然后机械手在程序控制下完成下降，夹紧，上升，前进等一系列动作；

4) 当前进到导轨限位开关2的位置后停止，并完成将工件放到雕刻单元的限定位；

5) 雕刻单元工件就位点动开关通知控制程序完成雕刻的一系列动作，雕刻完成后再由机械手进行夹紧；

6) 与上类似，机械手前进到导轨限位开关3时停下，同步骤3机械手完成相应动作；

7) 最后送至传送带，并同时启动作带，完成工件的传送，然后机械手返回供料处，循环不断地完成上述动作，实现自动化的生产过程；

8）在工作中若按一下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到 原点自动停止。

如图2-1在机械手导轨一侧依次分布为供料单元、加工单元、装配单元以及成品输送单元，装配单元和成品输送单元对应于导轨同一位置。供料单元、加工单元、装配单元这三个单元呈直线布置，与导轨平行，以方便机械手在各个单元之间进行工件的传送。工件在各单元上高度保持一致，方便后期机械手控制程序的编写。

各单元的导轨对应位置如图2—2所示：

装配单元是此次演示系统的重点，需要确定好不同颜色工件的动作顺序以及工位要求

以达到半配的目的。

装配单元的主要动作为转盘的转动，以转盘的转动的带动置于转盘上的工件在四个装配工位之间的位置变换。转盘的具体工位分配如图2-3所示。红色和黄色的工件先在装配单元进行工件压紧，然后根据颜色传感器的分辨信号不同，会使工件在装配单元的不同装配工位进行装配，以完成所需要的装配动作。红色工件和黄色工件会在装配单无分别进行两次装配，然后压紧装置松开，工件退出装配单元。 工件 供料 机械手进

行初始化 位置1 位置2 位置3 位置4

工件上下料 分辨颜色及雕刻 工件上下料 分辨色进行装配 送料单元

机械手送料并返回 图2—2 系统加工工位

如图2-3，图中共有四个转盘位置分别为转盘位置1、2、3、4，简称转位1、位2、位3、位4。红色工件装配机构、黄色工件装配机构和压紧装置分布于转盘周围，工件在装配单元完成最后工序。成品输送单元介于装配单元和导轨之间，机械手在导轨位置3从装配单元抓取工件后不必沿导轨移动，只依靠伸缩动作即可将工件放于成品传送带上。

系统所要实现的功能，首先能够记录操作者选择的生产方案，并能够根据所选生产方案完成不同的生产流程。其次能够控制协调各个单元按生产顺序完成各个预定动作，在动作到位后能够及时停止并继续执行下一动作。整个生产周期系统能够自动进行，不需要人工干预。

具体操作执行过程如下，系统在接通电源后，首先由操作者选择生产方案并按下启动按钮。然后，系统控制机械手根据所选方案在供料单元的指定位置抓取工件，在供料台单元共有两处分别放置不同类型工件的放置位置，这两个位置对应于导轨位置1和导轨位置

2。在相应位置抓取工件完成后，机械手沿导轨将待加工工件运送到加工单元。加工单元也设有两个与加工方案相应的加工工位，分别对应于导轨上的两个位置。机械手将工件运送到相应位置后，将其放在加工单元的传送带上，之后由传送带将工件送入加工单元并进行加工，加工过程主要由加工单元内部的加工装置向下冲压完成。加工结束后，工件上留下预先设定好的图案，并由传送带送出。在原位等待的机械手抓取工件并运送到装配单元，装配单元上有三个工位，分别是方案一方案二的装配外壳安装工位和压紧工位。装配单元采用转盘形式完成工件在各工位间的转移。装配完成后，转盘将工件送到最初位置。在装

红色装配机构 红色装配机构 黄色装配机构 黄色装

配机构 2 1

3

4 图2-3 装配单元工件装配工位

配单元和机械手导轨之间是传送成品的传送带，机械手取走工件后放到传送带上，由传送带运送到相应位置。之后机械手回到原点位置等待下个周期的运行。

整个系统主要由机械手将各个单元融合为一个整体，形成一条具有自动加工装配功能的简单生产线。对控制系统要求为：能独立完成各个工步的控制并检查各步是否运行到位；在运行过成中反应灵敏，当出现意外时能够及时停止，并且在长时间的使用中保持比较低的故障率。

2.2 控制方案对比

2.2.1 PLC控制与继电器控制对比

1、功能强，性能价格比高。

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件（如计时器，计数器，继电器等），有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。

2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。

可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

3、可靠性高，抗干扰能力强。

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

4、系统的设计、安装、调试工作量少。

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。其梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，系统的调试时间比继电器系统少得多。

5、编程方法简单。

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

6、维修工作量少，维修方便。

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的实时梯形图的状态迅速的查明故障的原因，用修改程序或更换模块的方法可以迅速地排除故障。

7、体积小，能耗低。

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。PLC 的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。

8、与时俱变，能实现网络通讯。

PLC可以与电脑及智能仪表等通过通信联网，实现分散控制，集中管理。并能实现地显示出当前机械设备的工作状态，对生产管理和现场维修带来极大的方便。

9、提升产品技术含量，增加产品形象。

对于复杂的机械设备，如果还使用传统的继电器控制，则不单加大的控制电箱的配制难度，还让产品的最终客户觉得产品不够先进，使用信心不足，因为现在主流机械设备都用上PLC，有PLC的机械品质或许更有保证，同时使用PLC加大了同行的仿制难度！

10、对未来机械升级很方便。

对于复杂的机械设备，如果随着时间的推移而不能满足使用的话，就必须要进行机械设备升级改造，如果是用传统继电器控制的，则会很麻烦，基本上要把以前的控制电箱宣布报废，但是用PLC控制的电箱的话就很方面，只要扩展一个相关的I/O点，修改一下相关的控制程序就可以了。

2.2.2 PLC控制与MC控制对比

运用单片机控制方案，单片机虽然有一个五脏俱全的微计算机，但由于本身无自开发能力，必须借助开发工具来开发应用软件，以及对硬件系统进行诊断。另外，单片机内的ROM比较小，所以在设计中系统必须在外面配置EPROM电路和扩展电路，所以在该项目中运用该方案必须完成(1)硬件电路的设计、组装、调试；（2）应用软件的编制、调试；(3)应用软件的链接调试、固化、脱机运行。依据单片机目前的发展状况，该方案的优点是：(1)成本较低。由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低。(2)可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。(3)由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作量。其缺点为：(1)系统硬件设计相对比较复杂，运用该方案，该

系统硬件设计包含扩展电路部分和系统配置电路部分，所以该系统电路设计工作量相对较大，影响系统开发的时间。(2)系统的抗干扰能力相对较差，在系统设计中，虽然注意了芯片、器件选择、去耦滤波、电路板的布线，通道隔离以及屏蔽。但由于工厂的条件比较差，很难保证系统的可靠性和稳定性。(3)系统需要自己设计电源，而且不能保证系统的可靠运行。(4)维护维修相对比较麻烦，维修需要的时间也相对较长。

计算机控制系统的典型形式:(1)操作指导控制系统。优点：结构简单，控制灵活和安全，缺点是由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。（2）直接数字控制系统（DDC），实时性好，可靠性高和适应性强。（3）监督控制系统（SSC），是生产过程始终处于最优工况。（4）分型控制系统（DCS），分散控制，集中操作，分级管理。（5）现场总线控制系统（FCS），降低成本，提高可靠性，可实现真正的开放式互连系统结构微机控制，成本比PLC低,逻辑针对性高，所以要在对整个系统非常了解的时候才会使用，智能化比PLC高，专业应用的时候，实现的功能要比PLC多，具有安全性可靠性最高的特点，输入输出信号还可以实现一体化隔离，通讯组态模式最多。开发周期最长，一旦要有变化修改比较麻烦。一旦实现自有批量生产，如果不包括软件附加值，成本甚至比继电器控制还要低。

2.3 控制方案确定

经过分析该控制系统具体操作过程如下：

（1）按下控制装置启动按钮后，供料装置先运行，将工件移至指定位置，达到指定位置后使供料装置停止运行。

传送带用三相交流异步电动机驱动。

（2）启动机械手，由气压系统控制其完成水平运动、垂直运动、抓料、放料等一系列动作。然后启动传送带，将箱体运送到指定位置。机械手用气缸控制。

（3）上述过程周而复始进行，直到按下停止按钮，传送带1和传送带运行完一个循环后才停止。

（4）系统运行过程中要有应急用的急停按钮，按下急停按钮后，系统立即停止，并且再次启动时系统自动复位。

本程序核心控制系统为可控编程器（PLC），用PLC控制电动机的主触点，来控制其正转和反转。机械手的动作用PLC控制气压缸的电磁阀，从而来控制气缸动作。

第3章系统硬件设计

3.1 PLC机型选择

任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点。

1.设计原则

(1)完整性原则最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。

(2)可靠性原则确保计算机控制系统的可靠性。

(3)经济型原则力求控制系统简单、实用、合理。

(4)发展性原则适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。

2.评估控制任

根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。

(1) 控制规模

一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。

(2) 工艺复杂程度

当工艺要求较复杂时,采用PLC控制具有更大的优越性。

(3) 可靠性要求

目前,当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。

(4) 数据处理速度

若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜[9] PLC控制系统设计的一般步骤

PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下5步进行。如图3-1所示。

1、熟悉被控对象

深入了解被控系统是设计控制系统的基础。设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护；电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系；PLC与其他设备的关系。

2、硬件选择

具体包括如下：

(1) 系统I/O设备的选择。输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。

(2) 选择PLC。PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。

(3) PLC的I/O端口分配。在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表，表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能等。

(4) 绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。

(5)计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。

图3—1 系统设计图

3、编写应用程序

根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控

制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容：

(1)初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

(2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。

(3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。

4、程序调试

程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。程序模拟调试是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。

根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。

(1)硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

(2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

现场调试。当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现场调试，如不能满足要求，须重新检查程序和接线，及时更正软硬件方面的问题。

其中由于S7-200 系列PLC 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200 系列具有极高的性能/价格比。S7-200 系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性。极丰富的指令集。易于掌握。便捷的操作。丰富的内置集成功能。内置模块如下

（1）集成一定数字I/O点的CPU：CPU221、CPU 222、CPU 224、CPU 226、CPU 226XM （2）扩展模块：主要有

数字量扩展模块：EM221、EM222、EM223

模拟量扩展模块：EM231、EM 232、EM 235

通讯模块：EM277、EM241等

其它模块：特殊功能模块

所以S7-200可以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点到几百点。S7-200PLC可以方便地组成PLC-PLC网络和微机-PLC网络，从而完成规模更大的工程。

S7-200的编程软件：STEP7-MICRO/WIN32。该编程软件可以方便地在WINDOWS环境下对PLC编程、调试、监控。使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说，S7-200可以完美

地满足各种小规模控制系统的要求。

（1）它结构紧凑

（2）扩展性良好

（3）指令功能强大

（4）价格低廉

该程序共有28个输入，21个输出。西门子PLC功能强大，系统稳定，质量好，市场占有率高。气其开放性良好，支持多种通信协议。所以采用西门子PLC.根据以上分析选用CPU 224 。其外观如图3-1所示。由于本系统的输入输出较多需加扩展模块，选用EM223(8I/8Q)。由于程序所需要的输入输出点比较多，所以需要选择扩展模块来弥补CPU224输入输出端子数量的不足。通过比较表3-2，E M223输入输出点数选择比较多，所以首选EM223。

表3-1 S7-200 CPU224一般性能

程序存储器可在运行模式

下编辑

8192字节不可在运行

模式下编辑

12288字节数据存储区2048字节

掉电保持时间100小时

本机I/O口数数字量 14入/出

扩展模块 7个模块

高速计数器单相6路30KHz

双相4路20KHz 脉冲输（DC）2路20KHz

模拟电位器 2

图3-2 CPU 224 外观图

表3—2选定的扩展模块参数

输出数8

输出类型继电器

输出电流0.75A

输出电压DC 20.4—28.8V

许可范围AC －

绝缘是

每组输出数4/4/8个输出数

可拆卸的终端插条是

尺寸W×H×D 137.3×80×62

输入输出元器件选型

硬件系统设计的内容主要是各种电气元件的选型，正确合理的选择各种电气元件，是控制系统线路安全、可靠工作地保证，也是使整个控制系统设备具有一定得先进性和良好的经济性的重要环节。

传感器是利用电磁感应或光—电转换原理实现信息的接收和传递的感测元件。在自动化机械中，传感器用来感测直线运动或旋转运动构件的相对位置变化，或用于感测液体粉末等非金属物体到达的位置，并将感测的信息传递到控制器或者计算机，以控制机构的运作转换或控制移动物体的移动状态，是实现设备自动化不可缺少的重要元件。

执行元件的选择

该控制系统的执行元件主要是各个驱动气缸，以及控制气缸的运动方向和速度的电磁阀和节流阀。其次就是物料输送和箱体输送电机及驱动水平方向的电机，均采用三相交流异步电机。

1)气缸的选型

本题中自动装箱机手爪所要抓取的物料为10±0.1kg，手爪抓取产品时要求气爪夹持力大，使其工作可靠安全。MHL2 日本SMC宽型气爪系列，缸径(mm) 10,16,20,25,32,40。特点：开闭行程大适合夹持尺寸变化大的尺寸大的工件采用双活塞，故夹持力大。能够满足要求。经计算选用手爪的型号为：MHL2-40D-Y7BA,其实物如图3-3所示。根据控制要求配套的电磁阀和节流阀分别为SY5320、AS3201F-08S。

图3-3 气手爪实物图

垂直方向的气缸受力较大，可考虑MGP系列气缸，该类的特点：基本气缸和导杆紧凑的一体化，实现耐横向负载，高精度的杆不回转的直线移动单元。根据受力计算和校核选用的型号为MGPL80-350-Z73-2，其实物如图3-4所示。相应的电磁阀为SY9320撑盖气缸的受力比较小，只需要完成相应的动作即可。而CM2 系列SMC标准型气缸特点：

图3-4 垂直气缸实物

①更长的寿命，是一般标准气缸的1.5倍；

②具有紧凑型，轻质量和易于安装的特点，此外防尘性能突出；

③最新设计可大大提高安装精密性，内置软管可抵抗外部冲击。

经过计算可得所选气缸的型号为：CDM2C32F-250-C73-2，实物如图3-5所示。相应的电磁阀和节流阀分别为SY5320和AS2201F-08S。

2)电机的选型

根据本系统的要求并考虑经济实用性，电机均可采用额定功率为400W的三相交流异步电动机。其实物如图3-6

图3-5 撑盖气缸实物

图3-6 三相交流异步电动机实物

本程序的开关基本上全部采用点动开关方式。点动开关由两个开关触点和开关按板组成，开关触点安装在开关外壳内，开关按板安装在开关外壳上，一个开关触点接地，另一个开关触点和微机控制单元电连接。点动开关外壳上安装有与微机控制单元电连接的符号灯端子。由于点动开关是一个常断开开关，只有点动时才闭合工作，且其工作在一个自由度下使触点的额下容量大大降低，因此大大延长了开关的寿命，如图3－8所示。点动开关分布在系统的各个需要限定的位置上，当机械手伸出、下降、前进等达到限定位置后将会使开关压下从而闭合，机械手等离开限定位置后断开，甚至在程序中甚至加入自锁程序以达到程序控制的要求。

图3－8点动开关

机械手的伸出、缩回，装配单元的动作等，都是由电磁换向阀控制的，CPU输出的信号由电磁换向阀接收，当相应的电磁换向阀接收到电磁信号后，电磁阀移动使某位接通，从而达到使机械手换向等动作。下图3—9为电磁换向阀符号。

图3—9 电磁换向阀

3.3 I/O地址分配

表3—3 I/O地址分配

3.3 系统I/O接线图