建筑电气工程实验用JSA械手电气控制系统设计精编.docx
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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…………………………………………………………………………4
1.1实验用JXS-A械手电气控制系统设计的目的和意义……………………4
1.2机械手的发展情况…………………………………………………………4
1.3设计原理……………………………………………………………………5
第二章电路元器件…………………………………………………………………6
2.1传感器开关…………………………………………………………………6
2.2步进电机控制原理…………………………………………………………9
2.3旋转编码器…………………………………………………………………10
2.4光栅尺………………………………………………………………………12
第三章可编程控制器简介…………………………………………………………14
3.1PLC简介……………………………………………………………………14
3.2PLC内部原理………………………………………………………………15
3.3PLC工作原理………………………………………………………………17
3.4PLC机型选择方法…………………………………………………………20
3.5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……………………………………23
4.1机械手的控制方案…………………………………………………………23
4.2机械手的工艺流程…………………………………………………………23
4.3PLC的资源分配……………………………………………………………23
4.4坐标的测量…………………………………………………………………24
4.5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,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,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4~6个大气压(392~588kPa),个别达到8~10个大气压(785~981kPa)。
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:
1~5毫米
2.工作电压:
DC24V
3.工作电流:
<5mA
4.响应频率:
5000HZ
5.输出驱动电流:
100mA,感性负载50mA
6.温度范围:
-10~70℃
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ε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:
1~5毫米
8.工作电压:
DC24V
9.工作电流:
<5mA
10.响应频率:
5000HZ
11.输出驱动电流:
100mA,感性负载50mA
12.温度范围:
-10~70℃
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U,
其表达式为:
[U=K·I·B/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、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:
1~10mm
2.工作电压:
20~25V直流
3.工作电流:
小于5mA
4.响应频率:
5000HZ
5.输出驱动电流:
100mA,感性负载50mA
6.温度范围:
-25~70℃
2.2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、定子励磁绕组的相数的关系:
(本实验α=1.8°)
α=360°/mZK
m——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.
编码器内部输出电路图、波形图、外部接线图。
图2.3-1
图2.3-2
2.4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2π。
由
u0=U平均+Umsin(π/2+2πX/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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
信号含义
VDD
0V
A
B
Z
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,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,
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