1、建筑电气工程实验用JSA械手电气控制系统设计精编（建筑电气工程）实验用JSA械手电气控制系统设计实验用JXS-A械手电气控制系统设计摘要随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈，人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定输送带为主的传统搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性、降低生产成本，减少环境污染，提高产品的质量及经济效益是企业生产所必须面临的重大问题。它集成自动控制技术、计量技术于壹体的机电壹体化产品，它利于控制，操作方便等优点。本设计使
2、用步进电机控制机械手横轴，纵轴的进给，直流电机控制机械手臂，手抓的旋转；通过光栅尺和旋转编码器对机械手进行精确定位；通过接近开关等传感器等实现机械手的精确运动。这次设计模拟物料搬运机械手，可在空间抓放物体，动作灵活多样，且可根据运动流程的要求随时更改相关参数，代替人工在高温和危险的作业区进行作业。关键词PLC机械手摘要1引言3第一章 绪论41.1 实验用JXS-A械手电气控制系统设计的目的和意义41.2 机械手的发展情况41.3 设计原理5第二章 电路元器件62.1传感器开关62.2步进电机控制原理92.3旋转编码器102.4光栅尺12第三章可编程控制器简介143.1PLC简介143.2PLC
3、内部原理153.3PLC工作原理173.4PLC机型选择方法203.5实验用JXS-A械手PLC的选择及参数21第4章 实验用JXS-A械手电气控制系统设计234.1机械手的控制方案234.2机械手的工艺流程234.3PLC的资源分配234.4坐标的测量244.5机械手控制系统的程序设计25致谢26参考文献27附录壹机械结构图28附录二操作面板图29附录三机械手电路连接图30附录四PLC外部电气接线图34附录五流程图37附录六示例程序38引言在现代工业中，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壹步发展,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
4、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。工业机械手是近代自动控制领域中出现的壹项新的技术，是现代控制理论和工业生产自动化实践相结合的产物，且以成为现代机械制造生产系统中的壹个重要组成部分。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壹。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，且取得壹定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱X公司的FX1N系列PLC
5、，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。第1章 绪论1.1实验用JXS-A械手电气控制系统设计的目的和意义机械手是模拟人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动搬运、抓举或操作的自动机械装置。生产中应用机械手能够大大提高生产的自动化水平和劳动生产率、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下，代替人进行正常工作，意义更为重大。机械手主要由执行机构、驱动系统控制系统以及位置检测装
6、置所组成。执行机构为机械手的主体部分，主要包括手部、手腕、手臂、立柱、行走机构和机座等。驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等。控制系统是机械手的核心部分，它支配机械手按规定的程序运行，记忆给予机械手的指令信息，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时，对机械手的动作进行监视。位置检测装置主要用于控制机械手的运动位置，且随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，和设定的位置进行比较，再通过控制系统进行调整，以达到所需的精度控制。学生通过本课题的设计，在综合应用机械设计基础、电气控制和PLC、液压和气动传动、传感器技术等专业知识方面能得到很大
7、的锻炼，对于提高学生实际动手能力、尽快适应岗位能力要求具有很大帮助。1.2机械手的发展情况目前工业机械手主要用于工件传送，焊接，装配，铸段，热处里等方面，无论数量，品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的仍要研制示教机械手，组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩，摆动，升降，横移，俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便和根据不同作用的要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的
8、范围。同时提高速度，减少冲击，正确定位，以更换地发挥机械手的作用。此外仍应大力研究伺服型，记忆再现型，以及具有触觉，视觉等性能的机械手，且考虑和计算机相连，逐步成为机械制造系统中壹个基本单元。在机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较较快。目前主要应用于机床。模锻压力机的上下料以及点焊，喷漆等作业，它可按照事先编制好的程序完成规定的作业。有些仍具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械手本身的损坏，但有了传感反馈能力，机械手能够根据反馈自行调整。1.3设计原理机械手主要有执行机构，驱动机构，和控制系统组成。执行机构包括手部，手臂和躯干。手部装在手臂前端
9、，可转动，开闭手指。机械手的手部的构造系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量可分为二指，三指，四指等。其中以二指应用的最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，壹般指真空吸盘或磁性吸盘。本设计采用真空吸盘构造。手臂有无关节臂和有关节臂之分。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，且运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确定位。总之，机械手的运动离不开直线和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸，摆动液压缸，电液脉冲马达，伺服液压马达，交流伺服电机，直流伺服电机和步进电机等。躯干
10、是安装手臂，动力源和各执行机构的支架。驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以电气、气动用的最多占90%之上；液压、机械驱动用的最少。液压驱动主要是通过液压缸、阀、液压泵和油箱等实现传动。它利用液压缸、液压马达加齿轮、齿条实现直线运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、动作平缓、可无级变速、自锁方便、且能在中间位置停止。缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。壹般采用46个大气压（392588kPa），个别达到810个大气压（785981kPa）。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气
11、的可压缩性大，很难实现中间停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈，本设计手爪、手臂部分采用气压驱动。电气驱动时，直线驱动可采用电动机带动丝杠、螺母机构。通用机械手则考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护、使用方便。驱动机构和控制系统能够采用同壹型式的动力，出力比较大。本设计采用步进电动机驱动手臂运动，直流电动机驱动手爪和机械手的旋转运动。机械驱动只用于动作固定的场合。壹般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，工作速度高，成本底；缺点是不易于调整。机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度
12、等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制俩种，目前以点位控制为主，占90%之上。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制，它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现，具有编程简单，修改容易，可靠性高等优点。第2章 电路元器件，机械结构，操作界面简介2.1传感器开关一、 电感式接近开关工作原理电感式接近开关属于壹种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流
13、反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。图2.1-1开关性能：1. 检测距离：15毫米2. 工作电压：DC24V3. 工作电流：5mA4. 响应频率：5000HZ5. 输出驱动电流：100mA，感性负载50mA6. 温度范围：1070二、 电容式接近开关工作原理电容式接近开关亦属于壹种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的壹个极板，而另壹个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便
14、可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，且不限于金属导体，也能够是绝缘的液体或粉状物体,在检测较低介电常数的物体时，能够顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度，壹般调节电位器使电容式的接近开关在0.7-0.8Sn的位置动作。图2.1-2开关性能：7. 检测距离：15毫米8. 工作电压：DC24V9. 工作电流：5mA10. 响应频率：5000HZ11. 输出驱动电流：100mA，感性负载50mA12. 温度范围：1070三、 霍尔开关工作原理当壹块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的俩端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。俩端具有的电位差值称为霍尔电势
15、U，其表达式为:U=KIB/d其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低和外加磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到壹定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端壹般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPN、PNP、常开型、
16、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成壹体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，作为壹种新型的电器配件。霍尔开关的功能类似干簧管磁控开关，可是比它寿命长，响应快无磨损，而且安装时要注意磁铁的极性，磁铁极性装反无法工作。内部原理图及输入/输出的转移特性图2.1-3这是最常用的霍尔开关，它的直径为12毫米，固定时只要在设备外壳上打壹个12毫米的园孔就能轻松固定，长度约30毫米，背后有工作指示灯，当检测到物体时红色LED点亮，平时处于熄灭状态，非常直观，引线长度为100毫
17、米。图2.1-4这种光电开关的输出采用NPN型三极管集电极开漏输出模式，也就是说模块的黑线就是三极管的集电极，如果模块检测到信号，三极管就会导通，将黑线下拉到地电平，黑线和棕线之间就会出现电源电压，如果电源是12V的那么这个电压就是12V，如果电源是24V这个电压就是24V，壹般三极管的驱动能力约100毫安左右，所以能够直接驱动继电器等小功率负载。如果客户希望得到的是壹个电压信号，能够在黑线和棕线之间接壹个1K的电阻，这时模块没有信号时，黑线就是电源电压，模块检测到信号时黑线跳变成电源地（实际是0.2V，三极管的导通压降）。工作性能：1. 检测距离：110mm2. 工作电压：2025V直流3.
18、 工作电流：小于5mA4. 响应频率：5000HZ5. 输出驱动电流：100mA，感性负载50mA6. 温度范围：25702.2步进电机控制原理步进电机是壹种电脉冲信号转换成机械角位移的机电执行元件。当有脉冲信号输入时，步进电机就壹步壹步的转动，每个输入脉冲对应电机的壹个固定转角，故称为步进电机。步进电机属于同步电机，多数情况用做伺服电机，且控制简单，工作可靠，能够得到较高的精度。它是唯壹能够以开环结构用于数控机床的伺服电动机。步进电机按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等；按其工作原理可分为反应式、永磁式和混合式三大类。步进电机的基本特点：1. 步进电机受点脉冲信号的控制。每输入壹个脉冲
19、信号，就变换壹磁绕组的通电状态，电机就相应的转动壹步，因此，电机的总回转角和输入脉冲个数严格成正比关系，电机的转速则正比于脉冲的输入频率。改变步进电机的定子绕组的通电顺序，能够获得所需要的转向。改变输入脉冲频率，则能够得到所需要的转速（可是不能够超出极限频率）。2. 当步进电机脉冲输入停止时，只要维持绕组的激励电流不变，电机保持在原固定位置上，因此能够获得较高的定位精度，不需要安装机械制动装置从而达到精确制动。3. 误差不长期积累，转角精度高。由于每转过360后，转子的累积误差为零，转角精度较高。4. 反映时间快。5. 缺点：效率低、没有过载能力。步距角的大小和通电方式、转子齿数、定子励磁绕组
20、的相数的关系：（本实验=1.8）=360/mZKm步进电机的相数；Z转子齿数；K通电方式系数。相邻俩次通电，相的数目相同K=1；相邻俩次通电，相的数目不同K=2。2.3旋转编码器通常旋转编码器用于测量转速和转角度，它具有体积小，精度高，抗干扰能力强，使用方便等壹系列优点得以广泛应用于现实工业中。旋转编码器大致可分为增量式和绝对值式编码器.旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏
21、移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。这样的方法对有些工控项目比较麻烦，于是就有了绝对编码器的出现。绝对编码器的光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线。编排，这样，在编码器的每壹个位置，通过读取每道刻线的通、断，获得壹组从2的零次方到2的n-1次方的唯壹的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定
22、的每个位置的唯壹性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用壹直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。由于绝对编码器在位置定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。测速度需要能够无限累加测量，目前增量型编码器在测速应用方面仍处于无可取代的主流位置。注意:在JXS-A中选用的是增量型旋转编码器,在此当中需利用码器的脉冲数来定位旋转角度,和开机后自动寻找零位等壹系列动作.在JXS-A系统中PLC只接入了编码器A项信号,在编程中需要注意只能使用脉冲量来进行壹系列定位,配合旁边的霍尔开关能够做为壹个零点.编码器内部输出电
23、路图、波形图、外部接线图。图2.3-1图2.3-22.4光栅尺位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。原理计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当俩层薄丝绸叠在壹起时，将
24、产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。壹般来说，只要是有壹定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅俩种；按其作用原理又可分为幅射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为俩刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要俩块光栅。壹块光栅称为主光栅，它的大小和测量范围相壹致；另壹块是很小的壹块，称为指示光栅。为了测量位移，必须在主
25、光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。如图1，此信号是壹直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移x的函数。每当x变化壹个光栅栅距W，信号就变化壹个周期，信号由b点变化到b点。由于bb=W，故b点的状态和b点状态完全壹样，只是在相位上增加了2。由u0=U平均+Umsin(/2+2X/W)式中：u0光电元件输出的电压信号；U平均输出信号的直流分量；Um输出信号中正弦交流分量的幅值。从公式中可见，当光栅位移壹个节距
26、W，波形变化壹周。这时相应条纹移动壹个条纹宽度B。因此，只要记录波形变化周期数即条纹移动数N，就可知道光栅的位移X即X=NW表2.4-1光栅尺9针插头插头脚号123456789信号含义VDD0VABZ空空空空信号线颜色红黑兰绿黄空空空空第3章 可编程控制器简介3.1PLC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
27、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。可是，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
28、行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；且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，且事先存入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，每执行壹步该计数器自动加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每完成壹次循环操作所需的时间称为壹个扫描周期。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
29、，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）为壹个模拟量。大型PLC使用另外壹个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，其成本要低壹些（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。壹个PLC的控制器，能够接收几千个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，要容易壹些。近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后壹段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。通用PLC应用于专用设备时能够认为它就是壹个嵌入式控制器，
