第3章工业机器人直流供电电路-课件

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工业机器人电气控制与维修（ISBN978-7-121-29476-1）邢美峰主编卢彦林李伟娟副主编12020/12/12第3章工业机器人直流供电电路

3.1IPC、PLC单元与示教器的电源接口与供电标准13.2开关电源23.3与PLC连接的低压电器322020/12/12精品资料你怎么称呼老师？如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？教师的教鞭“不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘……”“太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”3.1.1IPC单元介绍

IPC是HSR-JR608工业机器人的核心控制单元，其主要功能是控制各个轴的协调运动，完成机器人运动轨迹控制要求。它的供电电源接口名称是POWER，额定工作电压为DC24V其接口如下图。为IPC供电的开关电源输出功率不应小于50W。

3.1

IPC、PLC单元与示教器的电源接口与供电标准

52020/12/12POWER：24V电源接口；PORT0~3：NCUC总线接口；USB0：外部USB1.1接口；RS232：内部使用的串口；VGA：内部使用的视频信号口；USB1&USB2：内部使用的USB2.0接口；LAN：外部标准以太网接口3.1

IPC、PLC单元与示教器的电源接口与供电标准

现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。数控系统现场总线技术联盟(NCUnionofChinaFieldBus)62020/12/123.1.2可编程序控制器（PLC）单元可编程序控制器是HSR-JR608工业机器人的核心控制单元，它主要完成开关量的控制工作，用于接收外部开关量控制命令，通过内部程序运算，再进行对外输出，控制继电器、电磁阀等输出器件。例如控制工业机器人的启动与停止，控制各个关节轴抱闸的抱紧与释放，手指关节对物体的抓持与松开等。3.1

IPC、PLC单元与示教器的电源接口与供电标准

72020/12/121．PLC的接口HSR-JR608工业机器人的PLC单元采用的是总线式I/O，它由PLC底板、通讯模块、开关量输入模块、开关量输入模块和模拟量输入/输出模块组成。其中PLC底板、通讯模块、是必选模块，开关量输入模块、开关量输入模块和模拟量输入/输出模块则可以根据实际控制需求进行选择配置，但最多可扩展16个I/O单元。采用不同的底板子模块可以组建两种I/O单元，其中HIO-1009型底板子模块可提供1个通讯子模块插槽和8个功能子模块插槽，3.1

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82020/12/12

组建的I/O单元称为HIO-1000A型总线式I/O单元；HIO-1006型底板子模块可提供1个通讯子模块插槽和5个功能子模块插槽，组建的I/O单元称为HIO-1000B型总线式I/O单元；开关量输入/输出子模块提供16路开关量输入或输出信号，开关量输入子模块有NPN、PNP两种接口可。NPN型接口叫做低电平有效接口，PNP接口叫做高电平有效接口。模拟量输入/输出子模块-----提供4通道A/D信号和4通道的D/A信号；具体接口名称、型号与说明见表3-1所示，PLC结构示意图见图3-2所示。3.1

IPC、PLC单元与示教器的电源接口与供电标准

92020/12/123.1

IPC、PLC单元与示教器的电源接口与供电标准

102020/12/12图3-2PLC结构示意图3.1

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112020/12/122．PLC通讯子模块功能及接口

PLC通讯子模块(HIO-1061)负责完成通讯功能并提供电源输入接口。其功能及接口示意图如图3-3所示。

X1接口：总线式I/O单元的工作电源接口，需要外部提供DC24V电源，电源输出功率应不小于50W。

由通讯子模块引入的电源为总线式I/O单元的工作电源，该电源最好与输入/输出子模块涉及的外部电路（即PLC电路，如无触点开关、行程开关、继电器等）分别采用不同的开关电源，后者称PLC电路电源。

X2A/X2B接口：NCUC总线接口，用于在控制系统内构成NCUC总线。3.1

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122020/12/12图3-3PLC通讯子模块功能及接口示意图3.1

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132020/12/123.PLC开关量输入/输出子模块功能及接口（1）PLC开关量输入子模块功能及相关接口[W1]

开关量输入接口电路采用光电耦合电路,将限位开关,手动开关等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和受理的数字信号。开关量输入子模块包括NPN型(HIO-1011N)和PNP型(HIO-1011P)两种，它们的区别在于：NPN型为低电平有效，PNP型为高电平（+24V）有效。每个开关量输入子模块提供16个点的开关量信号输入，输入点的名称是Xm.n，其中X代表输入模块，m代表字节号，n代表m字节内的位地址。GND为接地端，用于提供标准电位。

3.1

IPC、PLC单元与示教器的电源接口与供电标准

142020/12/12图3-4PLC输入接口示意图图3-5PLC输出接口示意图

3.1

IPC、PLC单元与示教器的电源接口与供电标准

152020/12/123-6低电平有效电路连接示意图3.1

IPC、PLC单元与示教器的电源接口与供电标准

162020/12/12图3-7高电平有效电路连接示意图3.1

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172020/12/12（2）开关量输出子模块功能及相关接口开关量输出接口将PLC的运算结果对外输出，控制继电器、电磁阀等执行元件。开关量输出子模块(HIO-1021N)为NPN型，有效输出为低电平，否则输出为高阻状态，每个开关量输出子模块提供16个点的开关量信号输出，输出点的名称是Ym.n，其中Y代表输入模块，m代表字节号，n代表m字节内的位地址。GND为接地端，用于提供标准电位。输入/输出子模块GND端子应该与PLC电路电源的电源地可靠连接；3.1

IPC、PLC单元与示教器的电源接口与供电标准

182020/12/123.1.3示教器单元示教器单元主要用于操作者与机器人交换信息，操作者通过示教器发布控制命令，机器人的运行情况通过示教器显示。示教器的线路连接主要包括三部分内容，及示教器的供电电源的连接、示教器与IPC的通信、和示教器与PLC单元的信号连接。3.1

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192020/12/12

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

3.2开关电源202020/12/12

开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。3.2开关电源212020/12/12图3-8开关电源结构示意图3.2.1开关电源的结构开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成，开关电源结构示意图见图3-8。3.2开关电源222020/12/121．主电路

冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。

输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。3.2开关电源232020/12/122．控制电路一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。3．检测电路提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。3.2开关电源242020/12/123.2.2选择开关电源注意事项1．选用合适的输入电压规格；2．选择合适的功率。为了使电源的寿命增长，可选用多30%输出功率额定的机种。3．考虑负载特性。如果负载是马达、灯泡或电容性负载，当开机瞬间时电流较大，应选用合适电源以免过载。如果负载是马达时应考虑停机时电压倒灌。4．此外尚需考虑电源的工作环境温度，及有无额外的辅助散热设备，在过高的环温电源需减额输出。环温对输出功率的减额曲线。3.2开关电源252020/12/125．根据应用所需选择各项功能：保护功能：过电压保护（OVP）、过温度保护（OTP）、过负载保护（OLP）等。应用功能：信号功能（供电正常、供电失效）、遥控功能、遥测功能、并联功能等。特殊功能：功因矫正（PFC）、不断电（UPS）6．选择所需符合的安规及电磁兼容（EMC）认证。3.2开关电源262020/12/123.2.3使用开关电源之注意事项1．使用电源前，先确定输入输出电压规格与所用电源的标称值是否相符；2．通电之前，检查输入输出的引线是否连接正确，以免损坏用户设备；3．检查安装是否牢固，安装螺丝与电源板器件有无接触，测量外壳与输入、输出的绝缘电阻，以免触电；3.2开关电源272020/12/124．为保证使用的安全性和减少干扰，请确保接地端可靠接地；5．多路输出的电源一般分主、辅输出，主输出特性优于辅输出，一般情况下输出电流大的为主输出。6．电源频繁开关将会影响其寿命；7．工作环境及带载程度也会影响其寿命。3.2开关电源282020/12/123.3.1电磁式继电器继电器是一种控制器件，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电信号去控制较大电压（电流）的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、信号放大、安全保护、转换电路等作用。继电器的种类较多，如电磁式继电器、舌簧式继电器、启动继电器、限时继电器、直流继电器、交流继电器等。应用于工业机器人电路的主要是电磁式继电器。3.3

与PLC连接的低压电器

292020/12/121．电磁式继电器的结构电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。线圈的作用是把电能量转变成磁场能力。铁芯的作用是为磁场构成的回路，减小磁回路中的磁阻。触点是接通电路或断开电路。继电器“常开、常闭”触点的区分方式为：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”电磁式继电器有直流和交流之分，其结构和工作原理与接触器基本相同，但触头的通断电流值比接触器小，没有灭弧装置。3.3

与PLC连接的低压电器

302020/12/121-底座2-铁心3-释放弹簧4-调节螺母5-调节螺母

6-衔铁7-非磁性垫片8-极靴9-触头系统10-线圈

图3-9电磁式继电器的典型结构3.3

与PLC连接的低压电器

312020/12/122．电磁式继电器的工作原理电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。3.3

与PLC连接的低压电器

322020/12/123．中间继电器中间继电器是最常用的继电器之一，中间继电器实质上是一种电压继电器，它的结构和接触器基本相同。中间继电器的特点是触头数量较多，在电路中起增加触头数量和中间放大作用。中间继电器体积小，动作灵敏度高，一般不用于直接控制电路的负荷。另外，在控制电路中还有调节各继电器、开关之间的动作时间，防止电路误动作的作用。3.3

与PLC连接的低压电器

332020/12/12图3-11继电特性曲线4．电磁式继电器的特性、主要参数和整定方法（1）电磁式继电器的特性继电器的主要特性是输入-输出特性，又称继电特性，继电特性曲线如图3-11所示。当继电器输入量X由零增至X0以前，继电器输出量Y为零。当输入量X增加到X0时，继电器吸合，输出量为1；若X继续增大，Y保持不变。当X减小到X1时，继电器释放，输出量由1变为零，若X继续减小，Y值均为零。3.3

与PLC连接的低压电器

342020/12/12图1-11中，X0称为继电器吸合值，欲使继电器吸合，输入量必须等于或大于X0；X1称为继电器释放值，欲使继电器释放，输入量必须等于或小于X1。K＝X1/X2称为继电器的返回系数，它是继电器重要参数之一。K值是可以调节的，不同场合对k值的要求不同。例如一般控制继电器要求k值低些，在0.1～0.4之间，这样继电器吸合后，输入量波动较大时不致引起误动作。保护继电器要求k值高些，一般在0.85～0.9之间。k值是反映吸力特性与反力特性配合紧密程度的一个参数，一般k值越大，继电器灵敏度越高，k值越小，灵敏度越低。3.3

与PLC连接的低压电器

352020/12/12（2）电磁式继电器的主要参数①额定参数是指继电器的线圈和触头在正常工作时允许的电压或电流值。②动作参数即继电器的吸合值和释放值。对电压继电器为吸和电压U0和释放电压Ur；对电流继电器为吸合电流和释放电流。③整定值根据要求，对继电器的动作参数进行人工调整的值。

3.3

与PLC连接的低压电器

362020/12/12

④返回参数是指继电器的释放值与吸合值的比值，用K表示不同的应用场合要求继电器的返回参数不同。⑤动作时间有吸合时间和释放时间两种。吸合时间是指线圈接受电信号起，到衔铁完全吸合所需的时间；释放时间是指从线圈断电到衔铁完全释放所需的时间。3.3

与PLC连接的低压电器

372020/12/12（3）电磁式继电器的整定方法继电器的动作参数可以根据保护要求在一定范围内调整。①可以调整释放弹簧的松紧程度。弹簧反力越大动作值就越大，反之就越小。②可以改变非磁性垫片的厚度。非磁性垫片越厚，衔铁吸合后磁路的气隙和磁阻就越大，释放值也就越大，反之越小，而吸引值不变。③可以改变初始气隙的大小。在反作用弹簧力和非磁性垫片厚度一定时，初始气隙越大，吸引电值就越大，反之就越小，而释放值不变。3.3

与PLC连接的低压电器

382020/12/123.3.2控制按钮控制按钮简称按钮，是一种用来接通或分断小电流电路的低压手动电器，结构简单且应用广泛，属于控制电器。在低压控制系统中，手动发出控制信号，可远距离操作各种电磁开关，如继电器、接触器等，转换各种信号电路和电气联锁电路。3.3

与PLC连接的低压电器

392020/12/121．工作原理控制按钮的结构和图形符号如图3-12所示，它由按钮帽、动触点、静触点和复位弹簧等构成。按钮中的触头可根据实际需要配成不同的形式。将按钮帽按下时，下面一对原来断开的静触点被桥式动触点接通，以接通某一控制电路；而上面一对原来接通的静触点则被断开，以断开另一控制回路。按钮帽释放后，在复位弹簧的作用下，按钮触点自动复位的先后顺序相反。通常，在无特殊说明的情况下，有触点电器的触点动作顺序均为“先断后合”。3.3

与PLC连接的低压电器

402020/12/121-按钮帽2-复位弹簧3-常闭静触头4-动触头5-常开静触头

图3-12控制按钮结构示意图及符号

在电器控制线路中，常开按钮常用来起动电动机，也称起动按钮，常闭按钮常用于控制电动机停车，也称停止按钮，复合按钮用于联锁控制电路中3.3

与PLC连接的低压电器

412020/12/122．种类形式控制铵钮的种类很多，在结构上有嵌压式、紧急式、钥匙式、旋钮式、带灯式等。为了标明各个按钮的作用，避免误操作，通常将按钮帽做成不同的颜色，以示区别。按钮帽的颜色有红、绿、黑、黄、蓝等，一般用红色表示停止按钮，绿色表示起动按钮。3.3

与PLC连接的低压电器

422020/12/123．选择原则控制按钮主要根据使用场合、被控电路所需要的触点数、触点形式及按钮的颜色等因素综合考虑来选用。使用前应检查按钮动作是否灵活，弹性是否正常，触点接触是否良好可靠。由于按钮触点间距较小，因此应注意触点间的漏电或短路情况。3.3

与PLC连接的低压电器

432020/12/12（1）根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式、防水式、防腐式等。（2）根据用途，选用合适的型式，如钥匙式、紧急式、带灯式等。（3）按控制回路的需要，确定不同的按钮数，如单钮、双钮、三钮、多钮等。（4）按工作状态指示和工作情况的要求，选择按钮及指示灯的颜色。3.3

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442020/12/124．控制按钮的型号通常控制按钮有单式、复式和三联式三种类型，主要产品有LA18、LA19和LA20系列。LA18系列采用积木式结构，其触头数量可根据需要拼装，一般装成两个动合两个动斯形式；还可按需要装一动合一动断至六动合六动断形式。从控制按钮的结构形式来分类，可将其分为开启式、旋钮式、紧急式与钥匙式等形式。LA20系列有带指示灯和不带指示灯两种。3.3

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452020/12/12按钮型号规格的含义如图3-13所示图3-13控制按钮型号规格图解3.3

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462020/12/123.3.3电磁阀电磁阀是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。3.3

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472020/12/121．工作原理电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。3.3

与PLC连接的低压电器

482020/12/12图3-14电磁阀工作原理图3.3

与PLC连接的低压电器

492020/12/122．主要分类

(1)电磁阀从原理上分为三大类：直动式电磁阀：原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。3.3

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502020/12/12分步直动式电磁阀：原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。特点：在零压差或真空、高压时亦能可动作，要求必须水平安装。3.3

与PLC连接的低压电器

512020/12/12先导式电磁阀：原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。特点：流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制）但必须满足流体压差条件。3.3

与PLC连接的低压电器

522020/12/12(2)电磁阀从阀结构和材料上的不同与原理上的区别，分为六个分支小类：直动膜片结构、分步直动膜片结构、先导膜片结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构。(3)电磁阀按照功能分类：水用电磁阀、蒸汽电磁阀、制冷电磁阀、低温电磁阀、燃气电磁阀、消防电磁阀、氨用电磁阀、气体电磁阀、液体电磁阀、微型电磁阀、脉冲电磁阀、