基于FX系列PLC的机械手传送带设计本科毕业设计.docx
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基于FX系列PLC的机械手传送带设计本科毕业设计
基于PLC的传送带机械手控制系统设计
摘要
工业机械手传送带系统是流水线自动化生产的重要组成部分,它完成了物件的运送、抓取、转移等功能是大规模集成控制系统的基础工作单元。
在以前的控制系统中,大多数是用继电器做为开关量控制,自动化程度低,效率损耗较大,已经不能适应目前的生产需要。
该控制系统采用可编程控制器为核心,通过对信号的采集、处理、输出一系列的集中控制,使生产更安全稳定高效。
设计中完成了硬件和软件的设计。
实现了传感器、变频器、机械手等硬件的调配控制,实现传送带自动减速,机械手抓放等功能。
PLC作为控制核心的使用比原有的系统控制性更强,应变更灵活,操作更简单,使系统拥有可靠性高,稳定性好、抗干扰能力强,维护方便等众多优点,为安全高效的工业生产提供了更好的硬件环境。
关键词:
机械手传送带;PLC;继电器;自动控制;
THEDESIGNOFPLC-basedCONTROLCONVEYORMANIPULATORSYSTEM
Abstract
Industrialmanipulatorconveyorbeltassemblylineautomationsystemisanimportantproductioncomponent,whichcompletedthedeliveryoftheitems,crawls,transferfunctionisalarge-scaleintegratedcontrolsystembasedontheworkunit.Inpreviouscontrolsystem,themajorityisusedasarelayswitchcontrol,alowerdegreeofautomation,greaterefficiencyloss,cannotmeetcurrentproductionneeds.
Thecontrolsystemusesaprogrammablecontrollerasthecore,thesignalacquisition,processing,theoutputofaseriesofcentralizedcontrol,maketheproductionmoreefficientsecurityandstability.Completedthedesignofthehardwareandsoftwaredesign.Implementationofsensors,converters,andotherhardwaremanipulatorcontrolofthedeploymentandachieveconveyorbrakeautomatically.Mechanicalupgraspingfunctions.
PLCasthecontrolovertheuseofthecoreoftheoriginalcontrolsystemstronger,thechangeshouldbeflexible,operatemoresimple,thesystemhashighreliability,stability,anti-jammingcapabilityandconvenientmaintenanceandmanyotheradvantages,safeandefficientindustrialproductionprovidedabetterhardwareenvironment.
Keywords:
ManipulatorconveyorbeltPLCRelay
AutomaticControl
引言
自改革开放以来,我国的工业化以非常快的速度在发展着,工业自动化的趋势也是越来越明显,并逐渐取代着原来的大量人工劳动力的生产方式。
而在高自动化的流水线上,机械手传送带工作单元可以说是用的最广泛的一种控制技术。
现在,随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现,工业机械手传送带工作单元的设计方案也越来越先进,越来越趋于完美。
随着我国工业生产的飞跃发展,自动化程度的迅速提高,实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、板手等工具进行加工、装配等作业的自动化,已愈来愈引起人们的重视,同时也要求供料机构更加灵活、柔性化。
对机械手的控制系统提出了更高的要求,原来的继电器控制方式已经逐渐不能满足生产的需要。
可编程控制器(PLC)控制性更强,应变更灵活,操作更简单,已经逐渐取代继电器控制系统成为新的控制方式。
可编程控制器(简称PLC)由于其将系统的继电器技术,计算机技术和通信技术融为一体,以其可靠性高,稳定性好、抗干扰能力强,以及编程简单,维护方便,通讯灵活等众多优点,广泛应用于工业生产过程和装置的自动控制中。
PLC不仅能实现复杂的逻辑控制,还能完成定时、计算和各种闭环控制功能。
设置性能完善、质量可靠、技术先进的可编程控制器PLC控制皮带运输系统,可以实现高自动化的传送带机的集中控制(包括遥控)及保护。
而对于基于PLC的机械手传送带的研究和设计正是目前工业生产中所需要的。
绪论
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
随着工业自动化的发展,出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时,大大提高了劳动生产率。
但数控加工中常见的上下料工序,通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。
前者费时费工、效率低;后者因设计复杂,需较多继电器,接线繁杂,易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。
可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力,保证了系统运行的可靠性,降低了维修率,提高了工作效率。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器,它有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
在现今的中国,塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型,机械手的使用已经越来越普及。
那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。
但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣,因为他们要面对工人流失率高,以及交带来的挑战。
随着我国工业生产的飞跃发展,自动化程度的迅速提高,实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、板手等工具进行加工、装配等作业的自动化,已愈来愈引起人们的重视,同时也要求供料机构更加灵活、柔性化。
对机械手的控制系统提出了更高的要求,原来的继电器控制方式已经逐渐不能满足生产的需要。
可编程控制器(PLC)控制性更强,应变更灵活,操作更简单,已经逐渐取代继电器控制系统成为新的控制方式。
本次设计正是基于PLC控制系统,控制一个机械手传送带工作单元的设计。
对于生产流水线的组成及自动化的基础建设有着重要的意义。
第1章总体方案设计
1.1课题介绍
本次设计是基于PLC的传送带机械手控制系统。
在这个系统中,有两条传送带。
当物件F放置在甲传送带上,传送到快要接近机械手的时候时,在实现自动减速并前停止在机械手的正下方。
机械手自动降下,对准物体,抓起物件移至乙传动带上方放下物件,物件F由乙传送带运走,并在需要的时候自动减速、停止。
在机械手抓起物件后,甲传送带继续运行并且将下一个物件运至机械手的正下方。
机械手放下物件在乙传送带后自动返回原位抓起下一个物件。
如图1-1:
F
图1-1
1.2方案设计及工艺参数
1.2.1方案设计
为了实现既定目标主要是要解决3个问题:
传送带物件自动减速停止的实现;机械手自动抓取放置返回的实现;传送带、机械手再启动的条件。
其整体结构入如下(图1-2):
传送带物件自动停止的实现主要是采取光传感器的使用,在传感器检测到物件后,发送信息给PLC,由PLC通过变频器控制电机实现传送带的减速、停止功能。
机械手移动抓取是通过PLC控制电磁阀对汽缸进行充气来控制机械手的上下左右移动,并使用PLC的定时功能实现抓放功能。
传送带、机械手的自动启动停止是PLC直接控制。
变频器
图1-2整体结构框图
这里采用的是FX2N系列的PLC,因为整个系统的工作流程是一环环相套的。
都是由前一个状态触发后一个状态,所以这里采用的是步进控制系统,传感器、机械手的限位作为输入信号,控制信号作为输出信号。
在整体的设计构思中,全部以工业实际应用的效果为出发点,所以要低成本,高效率、高安全性和稳定性。
同时考虑到这种传送带机械手工作单元是流水线上使用较多的基础单元,所以在传感器的选取、机械手的控制方式上采用了较常见和简单的设计。
这样可以让使用范围更宽阔。
如果有更为精确的需要,只要将其中的一些部件按照精度要求更换即可。
1.2.2工艺参数
电动机:
功率为1KW最大转速为900转/分钟
传送带宽度:
1M
传感器有效范围1.5M
变频器
1.3系统架构及工作流程图
根据此次设计所要实现的目标,可以将整个工作单元分成三个运行系统:
1、传送带传动调速系统;2、物件搬运系统;3、各部分硬件的自动控制系统。
其中,自动控制系统又可以称为中央控制系统,由一个中央处理器(这里使用可编程控制器即PLC)为主控单元,接受从信号采集器件即传感器处采集来的信号,经过处理发送给各部分硬件执行相应的操作。
从而实现传动系统的调速功能和机械手的搬运动作等。
具体系统工作流程图如下:
(图1-3)
检测乙带是否停止
图1-3工作流程图
第二章传送带传动及调速系统的设计
传送带传动及调速系统是实现将物件传送至相应位置并在需要的时候能实现自动减速、停止功能的系统。
由电动机,信号采集器,调速控制器、传送带4个部件构成。
电动机提供传送带传送的源动力,信号采集器采用光传感器进行信号采集,调速控制器采用变频器调速方式。
在指定的位置安装光传感器后,物件传送到相应位置被传感器检测到后,由传感器将此信息传送给中央处理器件----PLC,再由PLC发出指令给变频器,由变频器控制电机的转速达到实现传送带减速、停止的功能。
下面详细介绍各个部件的工作方式及选取。
2.1电动机的介绍及选用
交流电动机诞生于19世纪末,由于它具有控制方便、适应性强、维护便利等一系列优点,所以很快成为工业社会的重要核心,是传动系统中的主力。
同时根据不同生产过程的需要,孕育了各种各样的电动机调速装置和技术,并逐步得到打发展。
2.1.1电动机选用及运行参数
本次设计的设定,电动机采用的是三相异步电动机,需求功率为1KW,转速为900转/分钟。
所以选择YP2-100L-6型电动机
其主要参数如下:
型号
YP2-100L-6
额定功率(KW)
1.1
额定电流(A)
3.0
额定转矩(N.M)
11.2
额定转速(r/min)
910
最大转矩/额定转矩
2.2
转动惯量(kg/m2)
0.0069
重量(kg)
27
2.1.2电力拖动系统及变频调速
电动机是电力拖动系统中的原动机,它将电能转化为机械能,去拖动各种类型生产机械的工作机构运动,以实现各种生产工艺的要求,如驱动轧钢机的轧锟,起重机的提升机包括本次设计所实现的传送带传动系统等等.电力拖动系统的组成如图2-2所示:
电源
工作机械
传动
机构
电动机
电气控制设备
图2-1
这里的调速采用变频调速,由传感器采集信号送PCL控制变频器完成,上图中的电器控制设备一处可细分为如下流程(图2-3):
变频器接受信号控制电动机
交由PLC处理后输出信息
由传感器检测并输出信号
物件到达预定位置
图2-2
下面将详细介绍光电传感器和变频器
2.2光传感器的介绍及选用
传感器是现在及将来在自动化控制系统中最为重要的一个单元,其可以将外界模拟量的变化转化为电信号的输出,从而实现了一个工作系统针对外界的变化而做出相应控制动作的功能。
在本次设计中,由于需要采集的信息是物体的移动,所以采用的是光电传感器,光电传感器是一种小型电子设备,它可以检测出其接收到的光强的变化。
在机械手和传送带自动控制系统中实现自动控制的信息采集作用。
2.2.1光电传感器的分类
回归反射
图2-3
1)漫反射型
影响检测的因素:
安装角度;测量物体的颜色;振动
优点:
安装最简单,方便
缺点:
漫反射光电传感器是检测最不稳定的。
传感器
图2-4漫反射型传感器
2)回归反射型
影响检测的因素:
被测物的光主亮度;反光镜的安装角度
97年前,以上两方面确实是回归型传感器存在的影响因素。
但后来该类型传感器增加了P.R.O功能:
即
该功能的一个重要特点就是:
反光镜可以把纵波转换为横波。
发射器发射的是纵波,而接收器只能接收横波。
发射器发射的纵波经过反光镜把纵波转变成横波,由接收器接收。
由于物体没有把纵波转变为横波的功能,因此,无论物体光亮度如何,只能把发射器发射的纵波返回,接收器不能接收到横波信号,这样,就可以准确地检测物体的有无。
优点:
可检测透明物体和光亮度高的物体;检测稳定,安装方便
缺点:
当反光镜或传感器表面有灰尘时,检测精度降低。
可以改变安装方式,经常擦拭灰尘来消除此影响。
反光镜角度影响检测精度
传感器
图2-5回归反射型传感器
(3)对射型
影响检测的因素:
被测物的透光性;被测物的大小
优点:
检测精度最高
缺点:
安装不方便,占用较大安装空间;能检测透明和体积小的物体
接收器
图2-6对射型传感器
(4)距离型传感器
原理:
该传感器的检测距离是一定的,因此,检测的发射光和反射光间的角度也是一定值。
当传感器检测被测物时,检测到发射光和由被检测物返回的反射光之间的角度和设定的角度不同,此时,传感器就认为检测到物体。
另外,该传感器发射器是点发射,而接收器是面接收。
这样,就允许被测物有一个更大的偏转角度。
优点:
和物体的颜色无关;被测物可以偏转更大的角度;有灰尘挡住时,自动增强入射光和反射光的强度,保证检测精度不受灰尘的影响;安装方便
2.2.3常用参数
1、应差距离
当物体移到传感器临界检测距离时,传感器有输出;而当物体向右移动时,传感器并不随之就没有输出了,而是移动一段距离后,传感器才没有输出。
这段距离就是应差距离。
应差距离越小越好,现在应差距离一般在1mm~6mm间。
2、检测距离
指传感器最大检测的距离。
对于漫反射型传感器来说,是可以检测到物体的最大距离;回归反射型传感器是传感器和反光镜间的距离;对射型传感器是发射器和接收器间距离。
3、IP等级
IP等级指传感器的防尘防水的等级(前一数字是防尘等级,后一数字是防水等级)。
如:
IP68:
完全防尘,可以长时间在水中工作;IP67:
完全防尘,可以在水中工作90分钟;IP65:
完全防尘,防水喷溅。
4、L(ight)-ON/D(ark)ON模式
L(ight)-ON:
没有检测物时,传感器有输出
D(ark)-ON:
有检测物时,传感器有输出
2.2.4光电传感器选用原则:
1、能用对射,用对射。
不能用对射时再考虑其它方式
2、光点直径≈被测物的大小
由于生产线上的物件有外形上的不规则性,直反式的光电传感器可能不能及时发出相应的信息,或者效果不明显。
并且由于机械手必须准确抓握物件,防止物件的损伤,所以对时间反应上要求较为严格。
同时传送带宽度为1M,所以此次设计选用对射式光传感器。
2.3变频调速及变频器的选用
根据异步电动机的转速关系,当极数不变时,电动机转子转速与定子电源频率成正比,因此连续地改变供电电源的频率,就可以连续平滑的调节电动机的转速,这种调速方法称为变频调速,它完全不同于前面提到的各种调速方式。
变频调速具有较好的调速性能,是现代交流调速方法中具有重要意义的一种调速方法。
2.3.1变频器简介
变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向,而作为变频调速系统的核心—变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素,除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外,对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。
1.变频器的基本结构
变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备,其中控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆变成交流电。
对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说,有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
2.3.2变频器的分类
变频器的分类方法有多种,按照主电路工作方式分类,可以分为电压型变频器和电流型变频器;按照开关方式分类,可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;按照工作原理分类,可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;按照用途分类,可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
2.3.3变频器中常用的控制方式
1非智能控制方式
在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
(1)V/f控制
V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性,基于在改变电源频率进行调速的同时,又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的,通用型变频器基本上都采用这种控制方式。
V/f控制变频器结构非常简单,但是这种变频器采用开环控制方式,不能达到较高的控制性能,而且,在低频时,必须进行转矩补偿,以改变低频转矩特性。
(2)转差频率控制
转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式,它是在V/f控制的基础上,按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率,并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率,就可以使电动机具有对应的输出转矩。
这种控制方式,在控制系统中需要安装速度传感器,有时还加有电流反馈,对频率和电流进行控制,因此,这是一种闭环控制方式,可以使变频器具有良好的稳定性,并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。
(3)矢量控制
矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位,以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制,进而达到控制电动机转矩的目的。
通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间,又可以形成各种PWM波,达到各种不同的控制目的。
例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。
目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。
(4)直接转矩控制
直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念,在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩,通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的,因此省去了矢量控制等复杂的变换计算,系统直观、简洁,计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。
即使在开环的状态下,也能输出100%的额定转矩,对于多拖动具有负荷平衡功能。
(5)最优控制
最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同,可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。
例如在高压变频器的控制应用中,就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略,以实现一定条件下的电压最优波形。
(6)其他非智能控制方式
在实际应用中,还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现,例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。
2智能控制方式
智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。
在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。
(1)神经网络控制
神经网络控制方式应用在变频器的控制中,一般是进行比较复杂的系统控制,这时对于系统的模型了解甚少,因此神经网络既要完成系统辨识的功能,又要进行控制。
而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器,因此在多个变频器级联时进行控制比较适合。
但是神经网络的层数太多或者算法过于复杂都会在具体应用中带来不少实际困难。
(2)模糊控制
模糊控制算法用于控制变频器的电压和频率,使电动机的升速时间得到控制,以避免升速过快对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率。
模糊控制的关键在于论域、隶属度以及模糊级别的划分,这种控制方式尤其适用于多输入单输出的控制系统。
(3)专家系统
专家系统是利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式,因此,专家系统中一般要建立一个专家库,存放一定的专家信息,另外还要有推理机制,以便于根据已知信息寻求理想的控制结果。
专家库与推理机制的设计是尤为重要的,关系着专家系统控制的优劣。
应用专家系统既可以控制变频器的电压,又可以控制其电流。
(4)学习控制
学习控制主要是用于重复性的输入,而规则的PWM信号(例如中心调制PWM)恰好满足这个条件,因此学习控制也可用于变频器的控制中。
学习控制不需要了解太多的系统信息,但是需要1~2个学习周期,因此快速性相对较差,而且,学习控制的算法中有时需要实现超前环节,这用模拟器件是无法实现的,同时,学习控制还涉及到一个稳定性的问题,在应用时要特别注意。
2.3.4变频器的选用
此次设计由于采用了1kw,转速为900转/分钟的变频电动机,所以选取了功率为1.5kw,3.5kVA的日立J100-015HFE型变频器。
主要性能参数如下:
型号名称
日立J100-015HFE型变频器
适用电机额定值
1.5kw
连续输出
交流输入电源额定值
额定输出电压
380
额定输出电流
3.8A
控制方式
空间矢量PWM
功率器件
只能功率模块
转矩控制
无速度传感器矢量,V/F控制
输出频率范围
0.5-360Hz
最大频率调节
+15Hz
频率分辨率
0.01Hz
设定频率分辨率
数字设定:
0.1
模拟设定:
fmax/100(输入为10V)fmax/500(输入为5V)
频率精度
数字设定:
0.1%(最小频率为0.1HZ)
模拟设定:
±0.2%
起动转矩*5
150%在3hz下
2.4本章小结
本章主要完成了传送带传动与调速系统的设计及所设计的硬件的选用,传动与调速系统是整个工作单元实现工作目标的第一步,光传感器在这里以采集信号作为整个工作单元开始自动控制的开端。
当物件行走到指定地点,传送带停止时,则将自动转入物件搬运系统的工作,将在下个章节做详细介绍。
第三章物件搬运系统的设计
3.1总体设计思路
此次设计中,物件搬运系统是一个自动运行的系统。
要求机械手在物件运至指定位置并停止后,能够抓取物件搬移到另外一条传送带上,然后返回搬运下一个物件。
其中控制系统还是采取了PLC控制。
物件搬运系统的核心部件是机械手,为了
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