PLC物料搬运机械手 毕业设计

1、摘 要 机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之 一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交 流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术， 位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的 机械手是由 plc 输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴 和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给 plc 主机；位置信号由接近开关 反馈给 plc 主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现 机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体， 动作灵活多样，可代

2、替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的 变化及运动流程的要求随时更改相关参数。 关键词：机械手 plc 变频器 交流电机 机械手的 plc 控制 1 abstract manipulator industrial robot systems traditional mandate, robot is one of the key components. manipulator using the mechanical structure of screw-ball, slider, and other mechanical devices composition; electric

3、 have ac motor, inverter, sensor, and other electronic device components. the device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, mechatronics is a typical representative of one of the machines. this paper presents a manipulator by three plc output pul

4、se, driving horizontal, the vertical axis transducer, control manipulator axis horizontal and vertical positioning precision, micro-switches position signal transmission will host plc; location close to the switching signal from the feedback from the mainframe to the plc, through the exchange of mot

5、or reversion to control the manipulator gripper zhang, thus achieving accurate manipulator movement functions. the topics to be developed by the manipulator grasping be up in space objects, movements flexible, diverse, can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations, acc

6、ording to the workpiece can change the campaign process and the requirements of any changes to the relevant parameters. key words: manipulator plc inverter ac motor 机械手的 plc 控制 2 目 录 摘摘 要要.1 abstract.2 引引 言言.4 第一章第一章机械手机械结构机械手机械结构.5 11传动机构.5 12 机械手夹持器和机座的结构机械手夹持器和机座的结构.6 第二章可编程控制第二章可编程控制 plc.8 21 pl

7、c 简介简介.8 22 plc 内部原理内部原理.10 a.a. 系统程序存储区系统程序存储区.11 b.b. 系统系统 ramram 存储区存储区.11 c c用户程序存储区用户程序存储区.11 23 plc 的工作原理的工作原理.12 24 plc 机型的选择方法机型的选择方法.15 26 机械手机械手 plc 选择及参数选择及参数.17 第三章第三章 三相异步电动机的工作原理及结构三相异步电动机的工作原理及结构.19 31 三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构.19 32 三相交流电机工作原理三相交流电机工作原理.23 33 三相电动机的转动原理三相电动机的转动原理.25 33 机械

8、手电机的选用机械手电机的选用.29 第四章第四章 变频器变频器.29 4.1 变频器的构成变频器的构成.30 4.2 变频器的分类和控制方式变频器的分类和控制方式.34 4.3 fr-a540 变频器变频器.37 第五章第五章 机械手机械手 plc 控制系统设计控制系统设计.40 51 机械手的工艺过程机械手的工艺过程.40 52 plc 控制系统控制系统.42 机械手的 plc 控制 3 致答谢词致答谢词.48 参考文献参考文献.49 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 业现代化的进一步发展,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

9、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一项新的技术，是现代控制理 论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中 的一个重要组成部分。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一。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，并取得一定的效果，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

10、公司的 fx2n 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。 由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的 问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。 机械手的 plc 控制 4 第一章 机械手机械结构 11 传动机构传动机构 1螺旋机构 螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成，其主要功能是将转动变换为直线运动， 并同时传递运动和动力，按螺旋副中的摩擦性质，螺旋机构可以分为滑动螺旋 机构和滚动螺旋机构两

11、种类型。按用途可以分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺 旋三种类型。 螺旋机构具有结构简单，制造方便，传动平稳，无噪声易于自锁等优点。 2. 滑动螺旋机构 螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构，称为滑动螺旋机构。滑动螺旋机构所 用的螺纹为传动性能好，效率高的矩形、梯形和锯齿形螺纹。 滑动螺旋机构由螺母和螺杆组成。根据机构的组成及运动方式，滑动螺旋 机构又分为以下两种。 （1） 由螺母和螺杆组成的滑动螺旋机构，螺母与机架固联，螺杆转动并移动 （如图 1-1b 所示） ，这种螺旋机构以传递动力为主，故又称传力螺旋机构。一 般要求用较小的转矩产生较大的轴向力，多用在工作时间短，速度较低的场合。 （2） 由螺母、

12、螺杆和机架组成的滑动螺旋机构，如图 1-1a 所示，螺杆转动， 螺母移动，这种螺旋机构以传递运动为主，故又称为传导螺旋机构。 机械手的 plc 控制 5 本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构。这种传动形式结构紧凑， 刚度较大，传动效率高，精度高。 （a）螺杆转动，螺母移动 (b) 螺母固定，螺杆转动并移动 图 1-1 3滚动螺旋机构 螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构，称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠。其机构 特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道，并在其间放如刚球，当螺杆转动 时，刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动。按循环方式的不同，分为外 循环和内循环两种形式。 滚珠始终在循环过程中始终与

13、螺杆保持接触的 循环叫内循环。滚珠在返回时与螺杆脱离接触 的循环叫外循环（如图 1-2 所示） 。外循环螺母 只需设置一个反向器，当滚珠进入反向器时， 就被阻止而转弯，从返回通道回到滚道的另一 端，形成一个循环回路。 机械手的横向运动采用的便是滚动螺旋传动。 滚动螺旋机构摩擦阻力小，动作灵敏度高，传 动效 率高，可达 90%以上。用调整的方法可消除间 隙，传动 精度高。 图 1-2 机械手的 plc 控制 6 12 机械手夹持器和机座的结构 1机械手夹持器 机械手的机械夹持器多为双指手抓式，按其手抓的运动方式可分为平移型 和回转型。回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型，按夹持方式可以分为 外

14、夹式和内撑式。按驱动方式可以电动、液压和气动三种。 回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的 工件直径有变动时，将引起工件轴心的偏移。 对平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴 心的位置。但其机械机构繁杂，体积大，制造 精度要求高。所以当设计机械手夹持器的时候， 在满足工件的定位精度要求的条件下，尽可能 的采用结构比较简单回转型夹持器。 本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回 转型夹持器。如右图所示，装在杆上端的滚子 3 和楔块之间为滚动接触。当电机带动连杆前进 时，通过楔块 4 的斜面和杠杆 1，使两个手抓产 生加紧动作和加紧力。当楔块后移时，靠弹簧 的拉力使手指松开。这种末端执行器由于楔块 和滚

15、子之间为滚动接触，摩擦力小，活动灵活，且机构简单。 2机座 机座是机械手的支撑部件，机座承受机械手的全部重量和工作载荷，所 以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基 面，以保证机械手工作时的稳定行。 机械手的 plc 控制 7 如图 1-3 所示，机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构。这 种结构有制造简单、成本低、安装调整方便等优点。图中电动机 3 经减速器 4、主动小齿轮 5、中间齿轮 6、大齿轮 7 驱动丝杆 2 旋转，从而驱动升降台上 下运动。整个机座安装在基座 8 上。 第二章可编程控制 plc 21 plc 简介 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻

16、辑控制器（programmable logic controller，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。 机械手的 plc 控制 8 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

17、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。但是，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；并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， 并事先存入 plc 的用户程序存储器中。运行时按存储程序

18、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，每执行一步该计数器自动加 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 每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。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）为一个模拟量。大型 plc 使用另 外一个 cpu 来完成模拟

19、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，其成本要低一些（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。一个 plc 的控制器，可以接收几千个 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，要容易一些。 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

20、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，今后一段时期内 plc 在我国仍将保 持高速增长势头。 通用 plc 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但 plc 相 对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到 的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用 plc 或定制 plc 取代嵌 入式控制器 机械手的 plc 控制 9 22 plc 内部原理 plc 实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本 一 的。如图 2.1 所示， plc 硬件的基本结构图所示： 编程器 中央处理单元 （cpu） 输入电路 输出 电路 系统程

21、序存储区用户程序存储区 电 源 图 2-1 plc 硬件的基本结构图 （1）中央处理单元（cpu） 中央处理单元（cpu）是 plc 的控制中枢。它按照 plc 系统程序赋予的功 能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、i/o 以 及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。当 plc 投入运行时，首 先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 i/o 映象区, 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执 行逻辑或算术运算等任务。并将逻辑或算术运算等结果送入 i/o 映象区或数据 寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将

22、 i/o 映象区的各输出状态 或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行 机械手的 plc 控制 10 为止。 （2）存储器 与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。才能构成一台完整的 plc。plc 的软件分为两部分: 系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称 为系统程序存储器。 plc 存储空间的分配：虽然大、中、小型 plc 的 cpu 的最大可寻址存储空 间各不相同，但是根据 plc 的工作原理， 其存储空间一般包括以下三个区域： 系统程序存储区，系统 ram 存储区（包括 i/o 映象区和系统软设备等）和用户 程序存储区。 a. 系统程序存储区 在系

23、统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监 控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂 商将其固化在 eprom 中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该 plc 的 各项功能。 b. 系统 ram 存储区 系统 ram 存储区包括 i/o 映象区以及各类软设备（例如：逻辑线圈、数据 寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）存储区。 （a）i/o 映象区 由于 plc 投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据， 在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要有一定 数量的存储单元（ram）以供存放 i/o 的

24、状态和数据，这些存储单元称作 i/o 映 象区。一个开关量 i/o 占用存储单元中的一个位（bit）, 一个模拟量 i/o 占用 存储单元中的一个字（16 个 bit)。因此，整个 i/o 映象区可看作由开关量的 i/o 映象区和模拟量的 i/o 映象区两部分组成。 （b）系统软设备存储区 除了 i/o 映象区以外，系统 ram 存储区还包括 plc 内部各类软设备（逻 辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）的存储区。 该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在 plc 断电时，由内部的锂电子供电。使这部分存储单元内的数据得以保留；后 者当 plc

25、停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部置“零” 。 机械手的 plc 控制 11 c用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的 plc 其存储容量各 不相同，一般来说，随着 plc 机型增大其存储容量也相应增大。不过对于新型 的 plc，其存储容量可根据用户的需要而改变。 d常用的 i/o 分类 常用的 i/o 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220vac、110vac、24vdc，按隔离方式分，有 继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20ma,0-20ma） 、电压型（0-10v,0- 5v,-10-10v）等，按精度分，有 12bit

26、,14bit,16bit 等。 除了上述通用 i/o 外，还有特殊 i/o 模块，如热电阻、热电偶、脉冲 等模块。 按 i/o 点数确定模块规格及数量，i/o 模块可多可少，但其最大数受 cpu 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 （3）plc 电源 plc 电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的 plc，还是中、 大型的 plc，其电源的性能都是一样的，均能对 plc 内部的所有器件提供一个 稳定可靠的直流电源。一般交流电压波动在正负 10%（15%）之间，因此可以直 接将 plc 接入到交流电网上去。 可编程序控制器一般使用 220v 交流电源。可编程序控制

27、器内部的直流稳压 电源为各模块内的元件提供直流电压。某些可编程序控制器可以为输入电路和 少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供 24v 直流电源。驱动现场执行机 构的电源一般由用户提供。 可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它 的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的 某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输 出继电器等。这种计算机程序实现的“软继电器” ， 与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。 机械手的 plc 控制 12 23 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

28、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，可如上图编程序控制器还要 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。 在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查 cpu 模块内部的硬件是否正常， 将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作

29、。 在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响 应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止 （stop）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制起处于（run）状态时，还 要完成另外 3 个阶段的操作。 在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出 信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。可编程序控制 器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。 在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（on/off） 状态读入输入寄存器。 外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存

30、器为“1”状态，梯形图 中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断 开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触 点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变 化，输入映像寄存器的状态 也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下 一个扫描周期的输入处理阶段被读入。 可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号 顺序排列。在没有跳转指令时，cpu 从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户 程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件 机械手的 plc 控制 13 映像寄存器中将有

31、关编程元件的 0/1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应 的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的 映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。 在输出处理阶段，cpu 将输出映像寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。 体型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。 信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的 线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。 若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输 出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触

32、点断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状 态时，称该编程元件为 on，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为 off。 扫描周期可编程序控制器在 run 工作状态时，执行一次图 2.5.1a 所示的扫描操 作所需的时间称为扫描周期，其典型值为 1100ms。指令执行所需的时间与用 户程序的长短、指令的种类和 cpu 执行指令的速度有很大的关系。当用户程序 较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。不过严格地来说扫描周 期还包括自诊断、通信等。如图 2.1c 所示。 第(n-1)个扫 描周期 输出刷新 第(n+1)个扫 描周期 输入采样 第 n 个扫描周期

33、输入采样输出刷新用户程序执行 图 2.1c plc 的扫描运行方式 （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 机械手的 plc 控制 14 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

34、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

35、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

36、程 序控制器或采取其他措施。 24 plc 机型的选择方法 1plc 的类型 plc 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装 两类；按 cpu 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度 出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型 plc 的 i/o 点数固定， 因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型 plc 提供多种 i/o 卡件 或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 i/o 点数，功能扩展方便 机械手的 plc 控制 15 灵活，一般用于大中型控制系统。 2输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应

37、用要求的统一。例如对输入模块，应考虑 信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块， 应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围 广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性 低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、 交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智 能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机 架或远程 i/o 机架等。 3.电源的选择 plc 的供电电源，除了引进设备时同时引进 plc 应根据产品说明书要求设 计和选用外，一般 p

38、lc 的供电电源应设计选用 220vac 电源，与国内电网电压一 致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果 plc 本身带有 可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电 源。为防止外部高压电源因误操作而引入 plc，对输入和输出信号的隔离是必 要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。 4.存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项 目的正常投运，一般要求 plc 的存储器容量，按 256 个 i/o 点至少选 8k 存储器 选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。 5.冗余功能的选择 a控

39、制单元的冗余 （1）重要的过程单元：cpu（包括存储器）及电源均应 1b1 冗余。 （2）在需要时也可选用 plc 硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2 重化或 3 重化冗余容错系统等。 b i/o 接口单元的冗余 （1）控制回路的多点 i/o 卡应冗余配置。 （2）重要检测点的多点 i/o 卡可冗余配置。3）根据需要对重要的 i/o 信号， 机械手的 plc 控制 16 可选用 2 重化或 3 重化的 i/o 接口单元。 6.经济性的考虑 选择 plc 时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩 展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产 品。 输入输

40、出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费 用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增 加，估因此，点数的增加对 cpu 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有 影响，在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。 26 机械手 plc 选择及参数 综合上述原则机械手控制系统主机为三菱的 fx2n-48mr。 1.主要技术数据如下： 工作电源：24vdc 输入点数：24 输出点数：24 输入信号类型：直流或开关量 输入电流：24vdc 5ma 模拟输入：-10v10v（-20ma+20ma） 输出晶体管允许电流 0.3a/点（1.2

41、a/com） 输出电压规格：30vdc 最大负载：9w 输出反应时间：offon 20s onoff 30s 基本指令执行时间：数个 s 程序语言：指令+梯形图+sfc 程序容量：3792steps 基本顺序指令：32 个（含步进梯形指令） 应用指令：100 种 初始步进点：s0s9 一般步进点：118 点，s10s127 机械手的 plc 控制 17 辅助继电器：一般用 512+232 点（m000m511+m768m999） 停电保持用 256 点（m512m767） 特殊用 280 点（m1000m1279） 定时器：100ms 时基 64 点（t0t63） 10ms 时基 63 点（t

42、64t126，m1028 为 on 时） 1ms 时基 1 点（t127） 计数器：一般用 112 点（c000c111，16 位计数器） 停电保持用 16 点（c112c127，16 位计数器） 高速用 13 点 1 相 5khz，2 相 2khz（c235c254，全部为停电保 持 32 位计数器） 数据寄存器：一般用 408 点（d000d407） 停电保持用 192 点（d408d599） 特殊用 144 点（d1000d1143） 指针/中断：p64 点；i4 点（p0p63/i001、i101、i201、i301） 串联通信口：程序写入/读出通讯口：rs232 一般功能通讯口：rs

43、485 主机电源 220v ac 2.plc 主机的组成 1、输入单元 输入单元由 8 个按扭、8 个开关和 16 个接插件组成，它们分别与 plc 的 16 个输入点相接。改变这些开关或按扭的通断状态，即可对主机输入所需要的开 关量。16 个接插件可外接其它直流或开关量输入信号。 2、输出单元 输出单元由 24 个二极管和 24 个接插件组成，它们分别与 plc 的 24 个输出 点相连。发光二极管是否发光，即可表示输出点的状态，使用者可得到主机的 输出信息。24 个输出接插件可外接其它需要控制的设备。输出单元的 4 个地端， 分别引出到面板，其中只有 c4 与 3v 电源共地。 3、电源单

44、元 plc 主机左边有外接 220v/av 的电源插座，作为 plc 的工作电源。内装变 压器，输出 3v 电源，供二极管使用。另外 plc 的 24vdc 和 24gnd 已引出到面板， 供外接输入器件（如传感器）的工作电源用 机械手的 plc 控制 18 第三章 三相异步电动机的工作原理及结构 31 三相异步电动机的结构 三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构 是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有 一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图 3-11 所 示。 图 3-1 封闭式三相笼型异步电动机结构图 1轴承；2前端盖

45、；3转轴；4接线盒；5吊环；6定子铁心； 7转子；8定子绕组；9机座；10后端盖；11风罩；12风扇 1定子部分 定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、 定子绕组等部分组成。 （1）外壳 三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。 机座：铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。 中、小型三相电动机的机座还有两个端盖支承着转子，它是三相电动机机械结 机械手的 plc 控制 19 构的重要组成部分。通常，机座的外表要求散热性能好，所以一般都铸有散热 片。 端盖：用铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是把转子固定在定子内腔中心，使转 子能够在定

46、子中均匀地旋转。 轴承盖：也是铸铁或铸钢浇铸成型的，它的作用是固定转子，使转子不能轴向 移动，另外起存放润滑油和保护轴承的作用。 接线盒：一般是用铸铁浇铸，其作用是保护和固定绕组的引出线端子。 吊环：一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬抬三相电动机。 （2）定子铁心 异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由 0.35mm0.5mm 厚表 面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，如图 3-2 所示。由于硅钢片较薄而且片与 片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心 内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈。 （a）定子铁心 （b）定子冲片 图 3-2 定子铁心及冲片

47、示意图 （3）定子绕组 定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三 相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且 每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差 120电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采 用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁 机械手的 plc 控制 20 铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都 引至接线盒上，首端分别标为 u1, v1, w1 ，末端分别标为 u2, v2, w2 。这六个 出线端在接线盒里的排列如图 3-3

48、所示，可以接成星形或三角形。 （a a）星形连接）星形连接 （b b）三角形连接）三角形连接 图图 3-33-3 定子绕组的联结定子绕组的联结 2转子部分 （1）转子铁心 是用 0.5mm 厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁 心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。 （2）转子绕组 异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种，由此分为绕线 转子异步电动机与笼形异步电动机。 绕线形绕组 与定子绕组一样也是一个三相绕组，一般接成星形，三 相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电 路相连，这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运

49、行性能， 见图 3-4。 机械手的 plc 控制 21 1集电环；2电刷；3变阻器 图 3-4 绕线形转子与外加变阻器的连接 笼形绕组 在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称 为端环）把导条连接起来，称为铜排转子，如图 3-5（a）所示。也可用铸铝的 方法，把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图 3-5（b）所示。100kw 以下的异步电动机一般采用铸铝转子。 （a）铜排转子 （b）铸铝转子 图 3-5 笼形转子绕组 3其他部分 其他部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有 机械手的 plc 控制 22 轴承，用以支撑转子轴。风

50、扇则用来通风冷却电动机。三相异步电动机的定子 与转子之间的空气隙，一般仅为 0.2mm1.5mm。气隙太大，电动机运行时的功 率因数降低；气隙太小，使装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而 使附加损耗增加以及使启动性能变差。 32 三相交流电机工作原理 1三相交流电机的旋转磁场 三相异步电动机转子之所以会旋转、实现能量转换，是因为转子气隙内 有一个旋转磁场。下面来讨论旋转磁场的产生。如图 3.6 所示，u1u2, v1v2, w1w2为三相定子绕组，在空间彼此相隔 120，接成 y 形。三相绕组的首端 u1, v1, w1接在三相对称电源上，有三相对称电流通过三相绕组。设电源的相序为 u

51、, v, w, 的初相角为零，如图 3-6 波形图所示。 图 3.6 三相交流电流波形图 设 为了分析方便，假设电流为正值时，在绕组中从始端流向末端，电流为负值 tiusin )120sin(tiw tiusin 0t u i w i 机械手的 plc 控制 23 时，在绕组中从末端流向首端。 当 的瞬间， =0， 为负值， 为正值，根据”右手螺旋定则” ，三相电流所产生的磁场叠加的结 果，便形成一个合成磁场，如图 3-7（a）所示，可见此时的合成磁场是一对磁 极（即二极） ，右边是 n 极，左边是 s 极。 图 3.7 两极旋转磁场示意图 图 3-8 空间 120 度 对称分布的三相绕组通过

52、三相对称的交流电流时，产生的合成磁场 为极对数 p=1 的空间旋转磁场，每电源周期旋转一周，即两个极距；某相绕 组中电流达到最大值时，磁极轴线恰好旋转到该相绕组轴线上。 当 时，即经过 1/4 周期后， 由零变成正的最大值， 仍为负 值， 已变成负值，如图 3-8（b）所示，这时合成磁场的方位与 时相比，已按逆时针方向转过了 90。 应用同样的方法，可以得出如下结论：当 时，合成磁场就转过 了 180，如图 3-8（c）所示；当 时合成磁场方向旋转了 300， 如图 3-8（d）所示；当 时合成磁场旋转了 360，即转 1 周，如图 3-8（a）所示。 由此可见，对称三相电流 分别通入对称三相

53、绕组 u1u2, v1v2, w1w2中所形成的合成磁场，是一个随时间变化的旋转磁场。 以上分析的是电动机产生一对磁极时的情况，当定子绕组连接形成的是 两对磁极时，运用相同的方法可以分析出此时电流变化一个周期，磁场只转动 了半圈，即转速减慢了一半。 v i i iuiv iwiu 0 t 3 3 三相电流波形 u u u v v v w w w 1 1 1 2 2 2 t = iu=im0 u u u v v v w w w 1 1 1 2 2 2 t = iw=im u u u v v v w w w 1 1 1 2 2 2 t = iv=im u u u v v v w w w 1 1 1

54、 2 2 2 t = iw=im 90t v i w i 0t 180t 300t 360t wvu iii, wvu iii, 机械手的 plc 控制 24 由此类推，当旋转磁场具有p对极时（即磁极数为 2p） ，交流电每变化 一个周期，其旋转磁场就在空间转动 1/p转。因此，三相电动机定子旋转磁场 每分钟的转速n1、定子电流频率f及磁极对数p之间的关系是 33 三相电动机的转动原理 图 3-9 为三相异步电动机转动原理示意图。 三相交流电通入定子绕组后，便形 成了一个旋转磁场，其转速 。旋转磁场的磁力线被转子导体切割， 根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导

55、体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上为北极 n 下为南 极 s，如图 3-10 所示。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向 由里向外，用表示；在下半部则由外向里，用表示。 图 3-9 三相电动机的转动原理 图 3-10 原理：定子旋转磁场以速度 n0 切割转子导体感生电动势（发电机右手定则） ， 在转子导体中形成电流，使导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速 n 顺 n0 方向旋转（电动机左手定则） ，并从轴上输出一定大小的机械功率。(n 不能等于 n0)特点：电动机内必须有一个以 n0 旋转的磁场。实现能量转换 的前提；电动运行时 n 恒不等于 n0（异步

56、）必要条件 nn0； 建立转矩的电 流由感应产生。流过电流的转子导体在磁场中要受到电磁力作用，力f的方向 可用左手定则确定，如图 3-9 所示。电磁力作用于转子导体上，对转轴形成电 p f n 60 1 p f n 60 1 n s n0 n 异步电动机模型 笼型转子 机械手的 plc 控制 25 磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向旋转起来，转速为n。三相电动机的转子 转速n始终不会加速到旋转磁场的转速n1。因为只有这样，转绕组与旋转磁场 之间才会有相对运动而切割磁力线，转子绕组导体中才能产生感应电动势和电 流，从而产生电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向继续旋转。由此可见 ， 且 ，是异步电动机

57、工作的必要条件， “异步”的名称也由此而来。 转差率转差率 旋转磁场转速n1 与转子转速n 之差与同步转速n1 之比称为异步电动机 转差率s ， 即 , 转差率是异步电动机的一个基本参数，对分 析和计算异步电动机的运行状态及其机械特性有着重要的意义。当异步电动机 处于电动状态运行时，电磁转矩 和转速n 同向。转子尚未转动时，n=0, ； 当 时， ，可知异步电动机处于电动状态时，转差率的变 化范围总在 0 和 1 之间，即 0 s 1 。 一般情况下，额定运行时=1% 5% 。 主要系列 在三相电动机的外壳上，钉有一块牌子，叫铭牌。铭牌上注明这台三相电 动机的主要技术数据，是选择、安装、使用和

58、修理（包括重绕组）三相电动机 的重要依据，铭牌的主要内容如下。 1 1型号型号 国产中小型三相电动机型号的系列为 y 系列，是按国际电工委员会 iec 标 准设计生产的三相异步电动机，它是以电机中心高度为依据编制型号谱的，如 y-200l2-6 中、小型三相异步电动机的机座号与定子铁心外径及中心高度的关系见表 3- 11 和表 3-12。 nn 1 1 nn 1 1 n nn s em t 1 1 1 n nn s nn 1 0 1 1 n nn s em t nn 1 异步电动机 中心高度200mm 6极 2号铁心 长机座（m中机座） （s短机座） 机械手的 plc 控制 26 表 3-11

59、 小型异步三相电动机 表 3-12 中型异步三相电动机 中、小型三相异步电动机的机座号与定子铁心外径及中心高度的关系见表 3- 11 和表 3-12。 2 2额定功率额定功率 额定功率是指在满载运行时三相电动机轴上所输出的额定机械功率，用表示， 以千瓦（kw）或瓦（w）为单位。 3 3额定电压额定电压 额定电压是指接到电动机绕组上的线电压，用un表示。三相电动机 要求所接的电源电压值的变动一般不应超过额定电压的5%。电压过高，电动 机容易烧毁；电压过低，电动机难以启动，即使启动后电动机也可能带不动负 载，容易烧坏。 4 4额定电流额定电流 额定电流是指三相电动机在额定电源电压下，输出额定功率时

60、，流入定子 绕组的线电流，用in表示，以安（a）为单位。若超过额定电流过载运行，三 相电动机就会过热乃至烧毁。 三相异步电动机的额定功率与其他额定数据之间有如下关系式 式中 额定功率因数 额定效率 机 座 号 123456789 定子铁 心外径 （mm） 12 0 14 5 16 7 21 0 24 5 28 0 32 7 36 8 42 3 中心高 度 （mm） 9010 0 11 2 13 2 16 0 18 0 22 5 25 0 28 0 机 座 号 1112131415 定子铁心 外径 （mm） 560650740850990 中心高度 （mm） 375450500560620 nn