基于plc的机械手控制系统设计--答辩已过(编辑修改稿)

基于plc的机械手控制系统设计--答辩已过(编辑修改稿)内容摘要：

最普遍的保护器件之一。 熔断器是一种过电流保护器。 熔断器主要由熔体和熔管以及外加填料等部分组成。 使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，从而起到保护的作用。 以金属导体作为熔体而分断电路的电器，串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身 将发热而熔断，从而对电力系统、 各种电工设备以及家用电器都起到了一定的保护作用。 具有反时延特性 ， 当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。 因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。 熔断器主要由熔体、外壳和支座 三 部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。 本设计中采用的熔断器的型号为 HRW710，额定电压为 220V。 热继电器 的选择 热 继电器 是由流入热元件的 电流 产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制 电路 断开，从而使接触器失电， 主电路 断开，实现 电动机 的过载保护。 继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。 基于 PLC 的机械手控制系统设计 9 热继电器的作用是：主要用来对异步电动机进行过载保护，他的工作原理是过载电流通过热元件后，使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作，从而将 电动机控制电路 断开实现电动机断电停车，起到过载保护的作用。 鉴于双金属片受热弯曲过程中，热量的传递需要较长的时间，因此，热继电器不能用作短路保护，而只 能作过载保护。 由于本设计中的电机的工作状态是反复短时工作制，热继电器仅有一定范围的适应性，因此， 选用带速饱和 电流互感器 的热继电器 ，其额定电压为 220V。 接触器的选择 接触器 (Contactor)是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。 接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。 其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。 当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开。 在电工学上，因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控 制(某些型别可达 800 安培 )电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象﹐也可用作控制工厂设备﹑电热器﹑工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。 接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。 是自动控制系统中的重要元件之一。 本设计采用额定电压为 220V的交流接触器，驱动方式为电磁式驱动，动作方式为直动式。 交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来导通控制回路。 主接点一般是常开接点，而辅助接点常有两对常开接点和常闭接点，小型的接触器也经常作为 中间继电器 配合主电路使用。 交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。 系统主电路图 基于 PLC 的机械手控制系统设计 10 本系统采用三相交流电为系统进行供电，三相空气开关 QS 控制整个系统的电源通断，既可完成主电路的短路保护又可方便日常的维护。 FU1至 FU4四 个熔断器起过流保护作用，防止各回路发生短路现象； FR FR FR3 三个热继电器对负载电机 M M M3 起过载保护作用， 消除了主要的安全隐患。 三个电流接触器 KM0/KM2/KM4 分别控制三个电机的正转， KM1/KM3/KM5 分别控制三个电机的反转。 具体电路设计如图 所示： 图 系统主电路图 传感器设计 传感器的选型 本装置中使用的传感器有接近开关和行程开关。 机械手的夹紧与放松限位采用接近开关（金属传感器），通过调整金属块的位置，可以在一定范围内改变气夹的张合角度。 接近开关的选型 对于不同的材质的检测体和不同的检测距离， 应选用不同类型的接近开关， 以使其在系统中 具有高的性能价格比， 为此在选型中应 遵循以下原则： 1）当检测体为金属材料时，应选用高频振荡型接近开关，该类型接近开关对铁镍、 A3 钢类检测体检测最灵敏。 对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低。 2）当检测体为非金基于 PLC 的机械手控制系统设计 11 属材料时，如；木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近开关。 3）金属体和非金属要进行远距离检测和控制时，应选用光电型接近开关或超声波型接近开关。 4）对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近开关或霍尔式接近开关。 本设计选用的是光电型接近开关。 传感器的工作原理 利用光电效应做成的 开关叫 光电开关。 将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。 当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在 信号 输出，由此便可 “ 感知 ” 有物体接近。 传感器工作原理图如下： 图 接近开关：接近开关有三根连接线（ 棕、兰、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。 与 PLC 之间的接线图如上，当传感器动作时，输出端对地接通。 PLC 内部光耦与传感器电源构成回路， PLC 信号输入有效，工作原理如图 所示。 行程开关的设计 行程开关的选型 机械手的伸缩、升降均采用行程开关来限位，并通过改变行程开关的位置来调节横轴和竖轴的运动范围。 行程开关按其结构可分为直动式、滚动式、微动式和组合式，本设计基于 PLC 的机械手控制系统设计 12 选用直动式行程开关。 其结构原理如图 所示： 图 直动式行程开关 1顶杆 2弹簧 3常闭触头 4触头弹簧 5 常开触头 行程开关的工作原理 行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。 在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。 因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。 行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。 在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自 动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。 PLC 控制电路设计 PLC 的基本结构 PLC 和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。 PLC的硬件系统由微处理器 (CPU)、存储器 (EPROM， ROM)、输入输出 (I/O)部件、电源部件、编程器、 I/O 扩展单元和其他外围设备组成。 各部分通过总线 (电源总线、控制总线、地址总线、数据总线 )连接而成 [9]。 其结构简图如 图 所示： 基于 PLC 的机械手控制系统设计 13 图 PLC硬件结构图 PLC 的软件系统是指 PLC 所使用的各 种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。 系统程序是每一个 PLC 成品必须包括的部分，由 PLC 厂家提供，用于控制 PLC本身的运行，系统程序固化在 EPROM 中。 用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。 硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC 系统，他们是相辅相成，缺一不可的。 PLC 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。 PLC 的 扫描运行方式 PLC 一般采用循环扫描方式工作。 当 PLC 加电后，首先进行初始化处理，包括清除 I/O及内部辅助继电器、复位所有 定时器、检查 I/O 单元的连接等。 开始运行之后，串行地执口 输出部件 外设I/O接存储器 EPROM 微处理器 运算器 控制器 电源 输入部件 I/O 扩展接口 I/O 扩展单元 受控元件 输入信号 外部设备 基于 PLC 的机械手控制系统设计 14 行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段。 （ 1）输入采样阶段 在输入采样阶段， PLC 以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入 I/O 映象区的相应单元内。 输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。 在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化 I/O 映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。 所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （ 2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段， PLC 的 CPU 总是由上而 下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。 并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态。 或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 例如：算术运算、数据处理、数据传达等。 （ 3）输出刷新阶段 在输出刷新阶段， CPU按照 I/O映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路， 再经输出电路驱动响应的外设。 这时才是 PLC 真正的输出。 （ 4）输入 /输出滞后时间 输入 /输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变 化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。 输入模块的 CPU 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作是产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为 10ms 左右。 输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在 10ms左右；双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为 1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为 10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为 1ms。 由扫描工作 方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期。 可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几十 ms，对于一般的系统是无关紧要的。 要求输入 — 输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。 PLC 的特点 基于 PLC 的机械手控制系统设计 15。