基于plc機械手控制的設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 是 PLC 控制系統的核心部件。正確選擇 PLC 對 于保證整個控制系統的技術經濟性能指標起著重要的作用。選擇 PLC，包括機型、容量的選擇以及 I/O 模塊、電源模塊等的選擇。 （ 3）分配 I/O 點，繪制 I/O 連接圖。 （ 4）控制程序設計。包括控制系統流程圖、梯形圖、語句表（即程序清單）等設計。 控制程序是控制整個系統工作的軟件，是保證系統工作正常、安全、可靠的關鍵。因此，設計的控制程序必須經過反復調試、修改，直到滿足要求為止。 （ 5）必要時還需設計控制臺（柜）。 （ 6）編制控制系統的技術文件。包括說明書、電氣圖及電氣元件明細表。 傳統的電氣圖，一般包括電氣原理圖 、電器布置圖及電氣安裝圖。在 PLC 控 11 制系統中，這一部分圖統稱為“硬件圖”。它在傳統電氣圖的基礎上增加了 PLC部分，因此在電氣原理圖中應增加 PLC 的 I/O 連接圖。 另外，在 PLC 控制系統中的電氣圖中還應包括程序圖（梯形圖），通常稱它為“軟件圖”。向用戶提供“軟件圖”，可便于用戶在生產發展或工藝改進時修改程序，并有利于用戶在維修時分析和排除故障 [10]。 PLC 控制系統設計的一般步驟 （ 1）根據生產的工藝過程分析控制要求，需要完成的動作（工作順序、動作條件、必須的保護和聯鎖等）、操作方式（手動、自動 ；連續、單周期、單步等）。 （ 2）根據控制要求確定所需要的輸入、輸出設備。據此確定 PLC 的 I/O 點數。 （ 3）選擇 PLC 機型及容量。 （ 4）定義輸入、輸出點名稱，分配 PLC 的 I/O 點。設計 I/O 連接圖。 （ 5）根據 PLC 所要完成的任務及應具備的功能，進行 PLC 程序設計，同時可進行控制臺（柜）的設計和現場施工。 （ 6）待控制臺（柜）設計及現場施工完成后，進行聯機調試。如不滿足要求，再修改程序或檢查接線，直到滿足要求為止。 （ 7）編制技術文件。 （ 8）交付使用 PLC 程序設計的步驟與內容 （ 1） 對于 較復雜的控制系統，需繪制系統控制流程圖，用以清楚地表明動作的順序和條件。對于簡單的控制系統，也可省去這一補。 （ 2） 設計梯形圖。這是程序設計的關鍵一步，也是比較困難的一步。要設計好梯形圖，首先要十分熟悉控制要求，同時還要有一定的電氣設計的實踐經驗。 （ 3） 根據梯形圖編制程序清單。 （ 4） 用計算機或編程器將程序鍵入到 PLC 的用戶存儲器中，并檢查鍵入的程序是否正確。 （ 5） 對程序進行調試和修改，直到滿足要求為止。 PLC 機型的選擇 這是 PLC 應用設計中很重要的一步，目前，國內外生產的 PLC 種類很多，在選 用 PLC 時應考慮以下幾個方面。 12 輸入、輸出點數以及軟件對 PLC 功能及指令的要求是選擇 PLC 機型規模大小的重要依據。首先要確保有足夠的輸入、輸出點數，并留有一定的余地（要有10%的備用量）。如果只有為了實現單機自動化，或機電一體化產品，可選用小型PLC。如果控制系統較大，輸入、輸出點數較多，被控設備較分散，可以選用中型或大型 PLC。 還應確定用戶程序存儲器的容量。一般粗略的估計方法是：（輸入 +輸出）（ 10～ 12） =指令步數。特別要注意因控制較復雜，數據處理量較大，可能出現存儲容量不夠的 問題 [13]。 ，結構要合理 對于以開關量進行控制的系統，一般的低檔機就能滿足要求。 對于以開關量控制為主，帶少量模擬量控制的系統，應選用帶 A/D、 D/A 轉換，加減運算、數據傳送功能的低檔機。 對于控制比較復雜，控制性能要求較高的系統，例如要求實現 PID 運算、閉環控制、通信聯網等，可視控制規模及復雜的程度，選用中檔或高檔機。其中高檔機主要用于大規模過程控制、全 PLC 的分布式控制系統以及整個工廠的自動化等。 對于工藝過程比較固定、環境條件較好（維修量較?。┑膱龊?，選用整體式結構 PLC。其他 情況則選用模塊式結構 PLC。 、輸出功能及負載能力的選擇 選擇哪一種功能的輸入、輸出形式或模塊，取決于控制系統中輸入和輸出信號的種類、參數要求和技術要求，選用具有相應功能的模塊。為了提高抗干擾能力，輸入、輸出均應選用具有光電隔離的模塊。對于輸出形式，分為無觸點和有觸點兩種形式。無觸點輸出大多使用大功率三級管（直流輸出）或雙向可控硅（交流輸出）電路，其優點是可靠性高、響應速度快、壽命長，缺點是價格高、過載能力差。有觸點輸出是使用繼電器觸點輸出，其優點是適用電壓范圍寬、導通壓降損失小、價格便宜，缺 點是壽命短、響應速度慢 。 在選擇 PLC 時，要考慮使用現場的環境條件是否符合它的規定。一般考慮的環境條件有：環境溫度、相對濕度、電源允許波動范圍和抗干擾等指標。 13 小結 本章主要對 PLC 的設計方法步驟進行闡述，包括它的基本原則，基本內容和一般步驟及 PLC 機型的選擇。這樣可以較為全面的了解 PLC 的設計，對設計方案可以形成一個大概的框圖，從而使設計趨于簡單。 14 第四章 PLC 的機械手設計 工業機械手的簡 介 工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備，工業機械手是工業機器人的一個重要分支，它的特點是通過編程來完成各種預期的作業 任務 ，在構造和 性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性，機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在我國國民經濟各領域有著廣闊的發展前景 [14]。 采用 PLC 控制技術，大大提高成產效率減輕了工人勞動強度，提高了系統的可靠性、安全性，對各種故障進行報警顯示有效防止了人身意外的發生，這一先進技術， 不但可提高工藝控制的準確性、科學性，降低事故率而且對于提高 電氣控制系統的自動化管理水品和發展國民經濟起到積極的推動作用，使 PLC 在機械手自動化系 統中的應用越來越廣泛。機械手是指能夠自動抓取、操作的裝置。多用在自動生產線、自動機的上下料、數控設備的自動換刀裝置中。機械手一般由執行系統、驅動系統、控制系統和人工智能系統組成。主要完成移動、轉動、抓取等動作。其氣壓技術是以壓縮空氣為介質 .以氣源為動力的能源傳遞技術 .其工作可靠性高、使用壽命長、對環境沒有污染 .所以在機械手的驅動系統中常采用氣壓技術?？刂葡到y是機械手的指揮系統。它通過控制驅動系統，讓執行器按照規定的要求進 行工作?？删幊炭刂破?( PLC)是一種數字運算操作的電子系統。它將邏輯運算、順序控制、時序、計數、算術運算等控制程序。用指令形式存放在存儲器中，通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種機械或生產過程。與繼電器控制線路相比， PLC 具有可靠性高、抗干擾能力強，編程簡單，使用方便，設計、安裝容易，維護工作量少，功能完善、通用性強，體積小、能耗低等特點。因此 .機械手控制系統越來越多的由可編程控制器 (即 PLC)來實現。 機械手的硬件設計 機械手的控制系統如圖 41所示。為平面關節型機械手。其包括三個旋轉關節（分 別控制機械大臂和小臂旋轉以及手抓張合）和一個移動關節（控制手腕伸縮）。每個關節上都有電機的帶動，來控制機械手的運轉與張合。在機械大臂和小臂的旋轉關節上還裝配有增量式光電編碼器，提供控制所需要的反饋信號。 15 圖 41 平面關節型機械手的系統組成圖 注釋： 1— 機身； 2— 大臂電機； 3— 光電編碼器； 4— 大臂； 5— 小臂電機 ； 6— 同步帶； 7— 光電編碼器； 8— 小臂； 9— 手腕升降電機； 10— 手抓電機； 11— 手抓 圖 42 機械手的動作流程圖 按設計要求可知 .機械手有 3 個移動自由度。其主要工作過程均由電機的轉動來控制。故對電機的選擇是很重要的 本設計中采用的電機是萊州市玉龍橡塑制品有限公司生產的 60KTY(J)系列單相可逆永磁同步電機，它是一種電機與減速箱可分合，能控制正反運轉的永磁爪極式同步電機。該產品具有體積小、重量輕、功耗小、力矩大、安裝方便等特點。電機在 額定頻率下轉速不受電壓的影響，保持恒定不變。該產品可廣泛應用通電啟動 大臂電機轉動 光電編碼器檢測大臂位移 驅動小臂電機 同步帶帶動小臂 光電編碼器檢測小臂位移 驅動手腕升降電機 手抓電機動作 機械手開始張合 16 于：電動窗簾、電動晾衣架、冷暖通閥門、電動廣告、監控設備、自動化儀器儀表等。 60KTY（ J）的技術參數見表 41。 表 41 60KTY（ J）技術參數 額定電壓 AC/V 24， 220 電源頻率 Hz 50 適配電容 uf 15~25/450V ， ~起動電壓 AC/V ≤ 18，≤ 150 額定功率 W 25 空載電流 mA ≤ 300，≤ 80 絕緣耐壓 ACV/1S ≥ 1500 額定轉速 5 8 15 20 30 50 額定轉距 ≥ 130 ≥ 70 ≥ 45 ≥ 25 ≥ 18 ≥ 12 ≥ 7 光電開關（光電傳感器）是光電接近開關的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸入電流在發射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。工作原理如圖 43 所示。多數光電開關選用的是波長接近可見光的紅外線光波型。本設計選用對射式 光電開關。它包含了在結構上互相分離且光軸相對放置的發射器和接收器，發射器發出的光線直接進入接收器，當被檢測物體經過發射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關就產生了開關信號。當檢測物體為不透明時，對射式光電開關是最可靠的檢測裝置。本光電開關用于檢測工作系統的傳送帶上是否有物體到達，從而驅動機械手動作。 圖 43 光電開關 17 光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。光電編碼器每轉輸出 600 個脈沖，五線制。其中兩根 為電源線，三根為脈沖線 (A相、 B 相、 Z)。電源的工作電壓為 （ +5～ +24V）直流電源。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差 90 的兩路脈沖信號。工作原理 :當光電編碼器的軸轉動時 A、 B兩根線都產生脈沖輸出 A、 B 兩相脈沖相差 90 度相位 角，由此可測出光電編碼器轉動方向與電機轉速。如果 A 相脈沖比 B 相脈沖超前則光電編碼器為正轉，否則為反轉。 Z 線為零脈沖線 ,光電編碼器每轉一圈產生一個脈沖 .主要用作計數。 A 線用來測量脈沖個數 ,B 線與 A 線配合可測量出轉動方向。 同步帶傳動是由一根內周表面設有等間距齒形的環行帶及具有相應吻合的帶輪所組成。它綜合了帶傳動，鏈傳動和齒輪傳動各自的優點。轉動時，通過帶齒與帶輪的齒槽相 合來傳遞動力。同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩，能吸振，噪音小，傳動范圍大，一般可達 1： 10，允許線速度可達 50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，一般可達 98%，結構緊湊，適宜多軸傳動。本設計選用恒龍公司生產的，型號為 67L，節線長（ MM），齒數為 18 的同步帶。 機械手的報警系統用于機械手運作時，機械手是否在規定時間內到位。若超過規定時間，則系統產生報警信號。報警系統用定時器加外設擴音器組成。在規定時間沒有到達時，定時器驅動報警。 機械手的控制系統 機械手的控制要通過控制面板來完成。按照設計的要求，機械手的 PLC 控制面板如圖 44所示： 機械手 具有手動與自動兩種工作方式。手動方式時，有“各別操作”與“返回原位”兩種情況。“各別操作”情況下，用各按鈕來接通或斷開各負載：“返回 18 原位” 狀態時，按下“返回原位”按鈕，機械手自動回到原位狀態。自動方式時，有“單步步進操作”、“單周期一次循環操作”和“連續循環操作”三種情況。單步步進操作時，每按一次啟動按鈕，向前執行一步動作：“單周期一次循環操作”時，機械手在原位，按下啟動按鈕，自動地執行一個操作周期的操作，操作完成后停留在原位（如果在操作過程 中按下停 止按鈕，機械手停在該工序上， 圖 44 工件傳送機 構操作面板 再按下啟動按鈕， 則又從該工序繼續工作，最后停在原位）：“連續循環操作”時機械手在原位，按下啟動按鈕，機械手就連續重復進行 工作（如果按下停止按鈕，機械手運行到原位后停止）。接通 /切斷負載電源的外部電路專用按鈕。 PLC 機械手的工藝過程和控制要求 由于機械手要應用