机电学院机械手plc控制系统.docx
《机电学院机械手plc控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电学院机械手plc控制系统.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
机电学院机械手plc控制系统
河南质量工程职业学院
毕业设计（论文）
题目：
机械手PLC控制系统
系别：
机电系
专业：
现代控制
班级：
现代控制2班
学生姓名：
李航
指导教师：
王傲胜
完成日期：
河南质量工程职业学院
毕业设计（论文）任务书
班级
学生姓名
指导教师
设计（论文）题目
主要
研究
内容
主要技
术指标
或研究
目标
基本
要求
主要参
考资料
及文献
【1】胡晓明主编﹒电气控制及PLC﹒机械工业出版社2006
【2】程周主编﹒PLC技术与应用﹒福建科学技术出版社2004
【3】李中年主编﹒控制电气及应用﹒清华大学出版社2006
【4】刘美俊编著﹒通用变频器应用技术﹒福建科学技术出版社2004
【5】冯辛安主编﹒机械制造装备设计﹒机械工业出版社2005
【6】廖常初主编﹒可编程序控制器应用技术﹒重庆大学出版社2002
【7】张继和、张润敏、梁海峰主编﹒电机控制与供电基础﹒西南交通大学出版社2000
【8】邱士安主编﹒机电一体化技术﹒西安电子科技大学出版社2005
【9】田鸣主编﹒机械技术基础﹒机械工业出版社2005
河南质量工程职业学院
毕业设计（论文）评审表一
（指导教师用）
班级：
姓名：
学号：
评价内容
具体要求
分值
评分
调查论证
能独立查阅文献和调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
10
实验方案设计与实验技能
能正确设计实验方案，独立进行实验工作。
20
分析与解决问题的能力
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理实验数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
20
工作量、
工作态度
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。
20
质量
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结构严谨合理；实验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文结果有应用价值。
20
创新
工作中有创新意识；对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
10
成绩
100
指导教师评语：
指导教师签名：
年月日
注：
各专业可根据自己的具体情况，制定出适合本专业的毕业设计（论文）的具体要求和评分标准。
河南质量工程职业学院
毕业设计（论文）评审表二
（评阅人用）
班级：
姓名：
学号：
评价内容
具体要求
分值
评分
资料利用
查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力和自己的见解。
15
论文质量
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结果严谨合理；实验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文结果有应用价值。
50
工作量、难度
工作量饱满，难度较大。
25
创新
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
10
成绩
100
评阅人评语：
评阅人签名：
年月日
注：
各专业可根据自己的具体情况，制定出适合本专业的毕业设计（论文）的具体要求和评分标准。
河南质量工程职业学院
毕业设计（论文）答辩情况记录
（答辩委员会或答辩小组用）
班级：
姓名：
学号：
答辩题目
对学生回答问题的评语
正确
基本正确
经提示回答
不正确
未回答
答辩委员会（或小组）评语：
成绩：
答辩负责人签名：
年月日
河南质量工程职业学院
毕业设计（论文）总成绩评定表
班级
姓名
学号
设计（论文）题目
成绩
指导教师评分
评阅人评分
答辩评分
总成绩
系毕业设计（论文）领导小组审核意见：
小组组长签名：
年月日
注：
毕业设计（论文）总成绩中，指导教师评分占40%，评阅人评分占20%，答辩评分占40%。
目录
摘要2
Abstract3
第一章机械手机械结构4
1．1传动机构4
1．2机械手夹持器和机座的结构5
第二章可编程控制PLC7
2．1PLC简介7
2．2PLC内部原理8
2．3PLC的工作原理10
2．4PLC机型的选择方法13
2．5机械手PLC选择及参数14
第三章三相异步电动机的工作原理及结构17
3．1三相异步电动机的结构17
3．2三相交流电机工作原理21
3．3三相电动机的转动原理23
3．4机械手电机的选用26
第四章变频器27
4.1变频器的构成27
4.2变频器的分类和控制方式30
4.3FR-A540变频器32
第五章机械手PLC控制系统设计36
5．1机械手的工艺过程36
5．2PLC控制系统37
致谢43
参考文献44
摘要
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。
随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。
同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。
机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。
该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。
本文介绍的机械手是由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。
本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。
工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。
在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
关键词：
机械手PLC交流电机
Abstract
Inmodernindustries,mechanizationandautomationoftheproductionprocesshasbecomeaprominenttheme.Withthefurtherdevelopmentofindustrialmodernization,Automationhasbecomethepillarsofmodernenterprises,noshop,noproductionlineandsoon,already.Meanwhile,production,thereareavarietyofproductionenvironments,suchashightemperature,radiation,toxicgases,harmfulgases,aswellasunderwateroperations,theseruggedproductionenvironmentsnotconducivetomanualoperation.Manipulatorrobotsystemisthetraditionaltaskofimplementingagencies,isoneofthekeypartsoftherobot.Robotmechanicalstructureusingmechanicaldevicessuchasballscrew,slider,andcomposition;electricACmotors,frequencyconverters,sensors,andotherelectronicscomponents.Thedevicecoversprogrammablecontroltechnology,positioningcontroltechnology,measuringtechnology,andisoneofthetypicalinstrumentsofelectromechanicalintegration.ManipulatorbyPLCisintroducedinthispaperthreepulseoutput,drivinghorizontalaxis,verticalaxisinverter,controlrobotichorizontalaxisandverticalaxispositioning,microswitchespositionsignalstothePLChostpositionbyproximityswitchesbacktothePLChostbyreversingofACservomotorstocontroltherobotgripperopen,enablingprecisemovementsofthemanipulatorfunction.Thisprojectintendstodevelopmaterialhandlingrobotscancatchobjectsinthespace,flexiblejobsthatcanreplacehumaninhightemperaturesanddangerousareasintheoperations,andinaccordancewiththeprocessofchangesandmovementoftheworkpiecerequirementschangeparametersatanytime.Industrialrobotinmoderntimesanewtechnologyofautomaticcontrolinthefield,isacombinationofmoderncontroltheoryandpracticeofindustrialautomationproductsandtobecomeanimportantpartofmodernmachinerymanufacturingproductionsystem.Industrialmanipulatoristoimprovetheproductionprocessautomationandimprovingworkingconditions,oneofthemosteffectivemeansofimprovingproductqualityandproductionefficiency.Especiallyinhightemperature,highpressure,dust,noiseandplacescontaminatedwithradioactivityandappliedmorewidely.InChina,alsohaveveryfastdevelopmentinrecentyears,andachievedcertainresults,attentionbythemachineryindustryandrailwayindustries.
KeyWords:
ManipulatorPLCInverterACm
第一章机械手机械结构
1．1传动机构
1．螺旋机构
螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成，其主要功能是将转动变换为直线运动，并同时传递运动和动力，按螺旋副中的摩擦性质，螺旋机构可以分为滑动螺旋机构和滚动螺旋机构两种类型。
螺旋机构具有结构简单，制造方便，传动平稳，无噪声易于自锁等优点。
2.滑动螺旋机构
螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构，称为滑动螺旋机构。
滑动螺旋机构所用的螺纹为传动性能好，效率高的矩形、梯形和锯齿形螺纹。
滑动螺旋机构由螺母和螺杆组成。
根据机构的组成及运动方式，滑动螺旋机构又分为以下两种。
（1）．由螺母和螺杆组成的滑动螺旋机构，螺母与机架固联，螺杆转动并移动（如图1-1b所示），这种螺旋机构以传递动力为主，故又称传力螺旋机构。
一般要求用较小的转矩产生较大的轴向力，多用在工作时间短，速度较低的场合。
（2）．由螺母、螺杆和机架组成的滑动螺旋机构，如图1-1a所示，螺杆转动，螺母移动，这种螺旋机构以传递运动为主，故又称为传导螺旋机构。
本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构。
这种传动形式结构紧凑，刚度较大，传动效率高，精度高。
（a）螺杆转动，螺母移动（b）螺母固定，螺杆转动并移动
图1-1
3．滚动螺旋机构
螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构，称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠。
其机构特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道，并在其间放如刚球，当螺杆转动时，刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动。
按循环方式的不同，分为外循环和内循环两种形式。
滚珠始终在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环。
滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环叫外循环（如图1-2所示）。
外循环螺母只需设置一个反向器，当滚珠进入反向器时，就被阻止而转弯，从返回通道回到滚道的另一端，形成一个循环回路。
机械手的横向运动采用的便是滚动螺旋传动。
滚动螺旋机构摩擦阻力小，动作灵敏度高，传动效
率高，可达90%以上。
用调整的方法可消除间隙，传动精度高。
图1-2
第二章可编程控制PLC
2．1PLC简介
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。
同时，PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。
随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。
但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。
综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。
2．2PLC内部原理
PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一
的。
如图2.1所示，PLC硬件的基本结构图所示：
图2-1PLC硬件的基本结构图
（1）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务。
并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行为止。
（2）存储器
与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。
才能构成一台完整的PLC。
PLC的软件分为两部分:
系统软件和应用软件。
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
PLC存储空间的分配：
虽然大、中、小型PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。
在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。
它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。
由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。
它和硬件一起决定了该PLC的各项功能。
系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备（例如：
逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）存储区。
（A）I/O映象区
由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。
因此，它需要有一定数量的存储单元（RAM）以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I/O映象区。
一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit）,一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit）。
因此，整个I/O映象区可看作由开关量的I/O映象区和模拟量的I/O映象区两部分组成。
（B）系统软设备存储区
除了I/O映象区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）的存储区。
该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电子供电。
使这部分存储单元内的数据得以保留；后者当PLC停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部置“零”。
C．用户程序存储区
用户程序存储区存放用户编制的用户程序。
不同类型的PLC其存储容量各不相同，一般来说，随着PLC机型增大其存储容量也相应增大。
不过对于新型的PLC，其存储容量可根据用户的需要而改变。
D．常用的I/O分类
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
（3）PLC电源
PLC电源在整个系统中起着十分重要的作用。
无论是小型的PLC，还是中、大型的PLC，其电源的性能都是一样的，均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。
一般交流电压波动在正负10%（15%）之间，因此可以直接将PLC接入到交流电网上去。
可编程序控制器一般使用220V交流电源。
可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。
某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供24V直流电源。
驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。
可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。
这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。
2．3PLC的工作原理
可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可如上图编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段。
可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。
在内部处理联合阶段。
可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。
在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。
可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作。
在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。
可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。
在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入寄存器。
外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器
升级会员 