机械手的PLC控制

1、毕业设计（论文）题目：机械手的PLC控制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。机械手的机械结构由滚珠丝杠、滑杆等机械装置组成；电气方面由交流电机、变频器、传感器和其他电子设备组成。该装置涵盖可编程控制技术、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。本文介绍的机械手从PLC输出三个脉冲，分别驱动水平轴和垂直轴逆变器，控制机械臂水平轴和垂直轴的精确定位。微动开关将位置信号传送给PLC主机；位置信号由接近开关反馈。 PLC主机通过交流电机的正反转控制机械手的爪子，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中抓取和放置物体，动作

2、灵活多样，可替代高温、危险工作区域的人工操作，并可根据物料的变化随时改变相关参数。工件和运动过程的要求。关键词：机械手 PLC 变频器 交流电机目录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc168883159 摘要 PAGEREF _Toc168883159 h 1 HYPERLINK l _Toc168883160 摘要 PAGEREF _Toc168883160 h 2 HYPERLINK l _Toc168883161 简介 PAGEREF _Toc168883161 h 4 HYPERLINK l _Toc168883162 第一章机械手机械结构 PAGEREF

3、_Toc168883162 h 5 HYPERLINK l _Toc168883163 1 . 1传动机构 PAGEREF _Toc168883163 h 5 HYPERLINK l _Toc168883164 1 . 2机器人抓手和底座的结构 PAGEREF _Toc168883164 h 6 HYPERLINK l _Toc168883165 第二章可编程序控制PLC PAGEREF _Toc168883165 h 8 HYPERLINK l _Toc168883166 2 . 1 PAGEREF _Toc168883166 h PLC简介8 HYPERLINK l _Toc1688831

4、67 2 . 2 PLC部门的原理 PAGEREF _Toc168883167 h 10 HYPERLINK l _Toc168883168 A.系统程序存储区 PAGEREF _Toc168883168 h 11 HYPERLINK l _Toc168883169 B.系统RAM库 PAGEREF _Toc168883169 h 11 HYPERLINK l _Toc168883170 C._用户程序存储区 PAGEREF _Toc168883170 h 11 HYPERLINK l _Toc168883171 2 . 3 PLC 12的工作原理 PAGEREF _Toc168883171

5、h HYPERLINK l _Toc168883172 2 . 4 PLC型号的选择方法 PAGEREF _Toc168883172 h 15 HYPERLINK l _Toc168883173 2 . 6机械手PLC选型及参数 PAGEREF _Toc168883173 h 17 HYPERLINK l _Toc168883174 第三章三相异步电动机工作原理与结构 PAGEREF _Toc168883174 h 19 HYPERLINK l _Toc168883175 3 . 1三相异步电动机的结构 PAGEREF _Toc168883175 h 19 HYPERLINK l _Toc16

6、8883176 3 . 2三相交流电动机工作原理 PAGEREF _Toc168883176 h 23 HYPERLINK l _Toc168883177 3 . 3三相电机的旋转原理 PAGEREF _Toc168883177 h 25 HYPERLINK l _Toc168883178 3 . 3机器人电机的选择 PAGEREF _Toc168883178 h 29 HYPERLINK l _Toc168883179 第 4 章 变频器 PAGEREF _Toc168883179 h 29 HYPERLINK l _Toc168883180 4.1逆变器的组成 PAGEREF _Toc16

7、8883180 h 30 HYPERLINK l _Toc168883181 4.2变频器的分类及控制方法 PAGEREF _Toc168883181 h 34 HYPERLINK l _Toc168883182 4.3 FR-A540变频器 PAGEREF _Toc168883182 h 37 HYPERLINK l _Toc168883183 第5章机器人PLC控制系统设计 PAGEREF _Toc168883183 h 40 HYPERLINK l _Toc168883184 5 . 1机械手40的工艺流程 PAGEREF _Toc168883184 h HYPERLINK l _Toc

8、168883185 5 . 2 PLC控制系统 PAGEREF _Toc168883185 h 42 HYPERLINK l _Toc168883186 回复48 HYPERLINK l _Toc168883187 参考文献49介绍在现代工业中，生产过程的机械化和自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的深入发展，自动化已成为现代企业的重要支柱。无人车间、无人生产线等，随处可见。同时，在现代生产中，生产环境多种多样，如高温、放射性、有毒气体、有害气体和水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工操作。工业机械手是现代自动控制领域的一项新技术。它是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，已成为现

9、代机械制造生产体系的重要组成部分。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。特别是在高温、高压、粉尘、噪音及有放射性和污染的场合，应用更为广泛。在我国，近年来发展迅速，取得了一定成效，受到机械行业和铁路行业的重视。本课题拟开发一种物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC控制机械手的上下左右及抓取动作。该装置的机械部分包括滚珠丝杠、滑轨、机械夹爪等；电气部分由交流电机、变频器、控制台等部件组成。我们采用可编程技术，结合相应的硬件设备，来控制机械手完成各种动作。由于时间仓促和个人水平的限制，我的设计中还有很多未解决的问题。希望老师和同学们批评指

10、正，解决。第一章机械手机械结构1.1传动机构1.螺杆机构螺杆机构由螺杆、螺母和框架组成。它的主要功能是将旋转转化为直线运动，同时传递运动和动力。根据丝杠副中的摩擦特性，丝杠机构可分为滑动丝杠机构和滚动丝杠机构两种。类型。按用途可分为传力螺钉、传导螺钉和调节螺钉三种。本实用新型结构简单，制造方便，传动平稳，无噪音，自锁容易。2、滑动丝杆机构螺杆副是具有滑动摩擦的螺杆机构，称为滑动螺杆机构。滑动丝杠机构采用的螺纹为矩形、梯形和锯齿螺纹，传动性能好，效率高。滑动丝杠机构由螺母和丝杠组成。根据机构的组成和运动方式，滑动丝杠机构分为以下两种。(1)。滑动丝杠机构由螺母和丝杠组成。螺母与机架固定连接，丝杠

11、旋转移动（如图1-1b所示）。这种丝杠机构主要是传递动力，所以也称为传力丝杠机构。一般需要很小的扭矩才能产生很大的轴向力，多用于工作时间短、转速低的场合。(2)。一种由螺母、丝杠和机架组成的滑动丝杠机构，如图1-1a所示，丝杠转动，螺母移动。这种螺杆机构主要传递运动，所以也称为传导螺杆机构。本文介绍的机械手的垂直轴是所使用的传导螺杆机构。这种传动形式结构紧凑、刚性高、传动效率高、精度高。(a ) 螺杆旋转，螺母移动(b)螺母固定，螺杆旋转移动图1-13. 滚丝机构丝杠副是具有滚动摩擦的丝杠机构，称为滚动丝杠机构或滚珠丝杠。其机构特点是在丝杠与螺母之间设有封闭的循环滚道，其间装有刚性球。当丝杠旋

12、转时，刚性球沿螺旋滚道滚动，带动螺母做直线运动。根据流通方式的不同，分为外流通和流通两种形式。在循环过程中，球始终与螺杆接触的循环称为循环。球返回时与丝杠脱离接触的循环称为外循环（如图1-2所示）。外循环螺母只需设置一个反向器。当球进入反向器时，被挡住并转动，从返回通道返回到滚道的另一端，形成循环回路。机械手横向移动采用滚动丝杠传动。滚动丝杠机构摩擦阻力小，动作灵敏度高，传动效率高。率高，高达90%以上。间隙可通过调整方法消除，传动精度高。图 1-21.2 机械手夹爪及机座结构1. 机械手抓手机械手的机械夹爪多为双指夹爪式，按夹爪的运动方式可分为平移式和旋转式。旋转式手柄可分为单支点和双支点旋

13、转式，按夹持方式可分为外夹式和支撑式。根据驱动方式，可以是电动的、液压的和气动的。回转式夹爪结构较简单，但当被夹持工件的直径发生变化时，会造成工件轴线偏移。对于平移夹具，工件直径的变化不会影响轴的位置。但其机械机构复杂、体积庞大，制造精度要求高。因此，在设计机械手夹爪时，在满足工件定位精度的条件下，尽可能采用结构相对简单的旋转夹爪。本文设计的机械手采用楔槽杠杆式旋转夹持器。如右图所示，安装在杆上端的滚子3与楔块之间存在滚动接触。当电机带动连杆向前移动时，两个手柄通过楔块4的斜面和杠杆1产生拉紧动作和拉紧力。当楔块向后移动时，手指被弹簧的拉力释放。由于楔块与滚轮之间为滚动接触，末端执行器摩擦力小

14、，动作灵活，机构简单。2.机器底座底座是机械手的支撑部件，底座承受机械手的全部重量和工作载荷，因此底座应具有足够的强度、刚度和承载能力。此外，机器底座还需要足够大的安装底座，以保证机械手的稳定运行。如图1-3所示，机械手采用普通轴承作为支撑元件的基础支撑结构。这种结构具有制作简单、成本低廉、安装调整方便等优点。图中，电机3通过减速器4、主动小齿轮5、中间齿轮6、大齿轮7带动丝杠2转动，从而带动升降平台上下运动。整个底座安装在底座8上。第二章可编程序控制PLC2.1 PLC简介自1960年代美国引入可编程逻辑控制器（PLC）以取代传统的继电器控制装置以来，PLC发展迅速，在世界范围内得到广泛应用

15、。同时， PLC的功能也在不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术和网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关处理的基础上又增加了模拟量处理、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非常重要的作用。PLC作为离散控制的首选产品，从1980年代到1990年代发展迅速，全球PLC年增长率保持在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，近年来工业化国家PLC的增速有所放缓。然而，PLC在中国等发展中国家的增长非常迅速。综合相关资料，2004年全球PLC销售收入约100亿美元，在自动化领域占有非常重要的地位。P

16、LC是模仿原有的继电器控制原理发展而来的。 1970年代，PLC只有开关量逻辑控制，首次应用于汽车制造业。它存储用于执行逻辑运算、顺序控制、计时、计数和操作的指令，并通过数字输入和输出操作控制各种类型的机械或生产过程。用户编写的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并预先存储在PLC的用户程序存储器中。运行时，根据存储程序的内容，逐一执行，完成工艺流程所需的操作。 PLC 的 CPU 有一个程序计数器，用于指示程序步的存储地址。在程序运行过程中，每执行一步计数器自动加1，程序从初始步（步号为零）到最后一步（通常是END指令）依次执行。 )，然后返回起始步骤循环操作。 PLC 完成一个周期操作所需的

17、时间称为一个扫描周期。对于不同类型的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。 PLC采用梯形图编程，显示出求解逻辑速度快的优势。以微秒为单位，求解一个 1K 的逻辑程序只需要不到 1 毫秒。它将所有输入视为开关量，将 16 位（和 32 位）视为模拟量。大型PLC使用另一个CPU来完成模拟量的运算。计算结果被致到PLC的控制器。对于同样I/O点数的系统，PLC的成本比DCS低（可节省40%左右）。 PLC没有专门的操作站，使用的软硬件通用，因此维护成本比DCS低很多。一个 PLC 控制器可以接收数千个 I/O 点（最多超过 8,000 个 I/O）。如果被控对象主要是设备链，回路较少，则更

18、适合使用PLC。由于PLC采用通用监控软件，更容易设计企业的管理信息系统。近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小型设备开始使用PLC进行控制，PLC在我国的应用迅速增长。随着我国经济的快速发展和基础自动化水平的不断提高，PLC在未来一段时间内将在我国保持高速增长势头。通用PLC应用于专用设备时，可视为嵌入式控制器，但PLC比通用嵌入式控制器具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中遇到的一些用户原本使用嵌入式控制器，现在逐渐用通用PLC或定制PLC代替嵌入式控制器2.2 PLC部门的工作原理PLC本质上是一台专用于工业控制的计算机。其硬件结构与微机基本相同。的

19、。如图 2.1 所示，PLC 硬件的基本结构如下图所示：编程器中央处理单元编程器中央处理单元（CPU）输入电路输出电路系统程序存储区用户程序存储区电源图 2-1 PLC 硬件基本结构(1) 中央处理器 (CPU)中央处理器 (CPU) 是 PLC 的控制中心。它根据PLC系统程序赋予的功能接受并存储用户程序和编程器输入的数据，检查电源、内存、I/O和看门狗定时器的状态，并可以检查用户的语法错误程序。 PLC在投入运行时，首先通过扫描的方式接受现场各输入设备的状态和数据，分别存入I/O映像区，然后从用户程序中逐一读取用户程序内存，并按 指令指定任务，例如执行逻辑或算术运算。并将逻辑或算术运算的结

20、果送入 I/O 图像区或数据寄存器。在所有用户程序执行完毕后，最终将I/O映像区的输出寄存器的输出状态或数据传送到相应的输出设备，如此循环运行，直到停止运行。(2) 内存就像一台微型计算机，除了硬件，还必须有软件。以组成完整的PLC。 PLC软件分为系统软件和应用软件两部分。存储系统软件的内存称为系统程序内存。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不同，但根据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映像区和系统软件设备等）和用户程序存储区。A. 系统程序存储区相当于计算机操作系统的系统程序存储在系统程序存储

21、区域中。包括监控程序、管理程序、命令解释器、功能子程序、系统诊断程序等，由厂商固化在EPROM中，用户不能直接访问。它与硬件一起决定了PLC的功能。B. 系统 RAM 存储区系统 RAM 存储区包括 I/O 映像区，用于存储各种软设备（例如：逻辑线圈、数据寄存器、定时器、计数器、变址寄存器、累加器等）的区域。(A) I/O 图像区PLC投入运行后，仅在输入采样阶段依次读取输入状态和数据，在输出刷新阶段将输出状态和数据致到相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元（RAM）来存储 I/O 状态和数据。这些存储单元称为 I/O 映像区。 1个开关量I/O在存储单元中占用1位（bit），1个模拟量I

22、/O在存储单元中占用1个字（16位）。因此，整个I/O映像区可以看成由两部分组成：开关量I/O映像区和模拟量I/O映像区。(B)系统软设备存储区系统RAM存储区除I/O映像区外，还包括PLC部门各种软器件（逻辑线圈、数据寄存器、定时器、计数器、变址寄存器、累加器等）的存储区。存储区域进一步划分为具有断电保持的存储区域和不具有断电保持的存储区域。前者在PLC断电时由单元内的锂电子供电。这部分存储单元的数据可以保留；当PLC停止运行时，这部分存储单元的数据全部置“零”。C。用户程序存储器用户程序存储区存储用户编译的用户程序。不同类型的 PLC 具有不同的存储容量。一般来说，随着PLC型号的增加，其

23、存储容量也会相应增加。但是，对于新的PLC，它的存储容量可以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：按电压等级分有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、14bit 、16位等。除上述通用I / O外，还有专用I / O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。根据 I/O 点数确定模块规格和数量。 I/O 模块的数量可多可少，但最大数量受限于 CPU 可以管理的基本配置能力，即背板或机架插槽的最大

24、数量。(3)PLC电源PLC电源在整个系统中起着非常重要的作用。无论是小型PLC，还是中大型PLC，其电源的性能都是一样的，都能为PLC部门的所有设备提供稳定可靠的直流电源。一般交流电压在正负10%（15%）之间波动，所以PLC可以直接接入交流电网。可编程控制器一般使用 220V 交流电源。可编程控制器单元的直流稳压电源为每个模块的元件提供直流电压。一些可编程控制器可以为输入电路和少量外部电子检测设备（如接近开关）提供24V直流电源。驱动场致动器的动力一般由用户提供。可编程逻辑控制器是从继电器控制系统发展而来的。它的梯形图程序类似于继电器系统的电路图。梯形图中的一些编程元件也跟随着继电器的名称

25、，例如输入和输出继电器。这种由计算机程序实现的“软中继”在功能上与中继系统中的物理结构有一些相似之处。2.3 PLC的工作原理可编程控制器有两种基本工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。在运行状态下，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响应随时可能变化的输入信号，用户程序不仅执行一次，而且反复重复执行，直到可编程序控制器停止或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序外，在每个循环中，控制器都可以如上图所示进行编程，完成零件加工、通讯加工等工作。一个周期可分为5个阶段。可编程控制器的这种循环工作模式称为扫描工作模式。由于计算机执行指

26、令的速度非常快，因此处理似乎是从外部输入输出关系同时完成的。联合阶段由部门处理。可编程逻辑控制器检查 CPU 模块部分的硬件是否正常，并复位监控定时器以完成一些其他工作。在通讯服务阶段，可编程控制器通过微处理器与其他智能设备进行通讯，并根据编程器输入的命令更新编程器的显示内容。上述操作仅在可编程控制器处于 STOP 状态时进行。当可编程控制器处于（RUN）状态时，必须完成另外 3 个阶段的操作。在可编程控制器的内存中，设置了一个区域来存储输入信号和输出信号的状态，分别称为输入图像寄存器和输出图像寄存器。可编程控制器梯形图中的其他编程元素也有相应的图像存储区域，统称为元素图像寄存器。在输入处理阶

27、段，可编程控制器将所有外部输入电路的ON/OFF状态读入输入寄存器。当外部输入接点电路接通时，对应输入图像寄存器为“1”状态，梯形图中对应输入继电器的常开接点接通，常闭接点断开。外部输入触点电路断开，对应输入图像寄存器为“0”状态，梯形图中对应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变化，输入图像寄存器的状态也不会相应变化，输入信号变化后的状态只能在下一次扫描的输入处理阶段读取循环。可编程控制器的用户程序由多条指令组成，指令在内存中按照步号的顺序排列。当没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，依次执行用户程序，直到用户程序结束。执行指令时，从输入图像寄

28、存器或其他元件图像寄存器中读出编程元件的0/1状态，并根据指令要求进行相应的逻辑运算，并将运算结果写入相应的元素图像寄存器。 ，因此，每个编程元素的图像寄存器（输入图像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU 将输出影子寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。当输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出图像寄存器为“1”。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中相应硬件继电器的线圈得电，其常开触点闭合，使外部负载得电工作。若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出图像寄存器为“0”状态，则经过输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应硬件继电器的线圈通电off，其常开触点断

29、开，外部负载断电，停止工作。当与编程元件对应的图像寄存器处于“1”状态时，编程元件被称为ON，当图像寄存器处于“0”状态时，编程元件被称为OFF。扫描周期 当可编程控制器处于 RUN 工作状态时，如图 2.5.1a 所示执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为 1100ms。执行一条指令所需的时间与用户程序的长度、指令的类型和CPU执行指令的速度有很大关系。当用户程序较长时，指令执行时间占扫描周期的相当大比例。但严格来说，扫描周期还包括自诊断、通信等。如图2.1c所示。第第(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个扫描周期输入采样输出刷新用户程序执行图 2.1c

30、 PLC 扫描方式(1) 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读取所有数据和状态。它们存储在 I/O 图像区域的相应单元中。输入采样结束后，进入用户程序行和输出刷新阶段。在这两个阶段，即使输入数据和状态发生变化，I/O 图像区域中相应单元的数据和状态也不会发生变化。因此，如果输入是脉冲信号，其宽度必须大于一个扫描周期，以确保输入在任何情况下都可以被读取。(2) 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC CPU 总是从上到下，从左到右扫描梯形图。对控制电路进行逻辑运算，相应地刷新逻辑线圈或输出线圈的系统RAM存储区中相应位的状态。或者判断是否执行梯形图指定的特殊功能指令。例如：算术

31、运算、数据处理、数据通信等。(3) 输出刷新阶段在输出刷新阶段，CPU根据I/O图像区对应的数据和状态刷新所有数据锁存电路，然后通过输出电路驱动相应的外设。这是PLC的实际输出。(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，是指可编程控制器的外部输入信号发生变化到其控制的外部输出信号发生变化的时间间隔。它由输入电路的滤波时间决定。 ，输出电路的滞后时间和由于扫描工作模式引起的滞后时间由三部分组成。输入模块的CPU滤波电路用于滤除输入端引入的干扰噪声，消除外部输入触点动作引起的抖动带来的不利影响。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。输出模块的延迟

32、时间与模块的类型有关。继电器式输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向空硅型输出电路在负载开启时的延迟时间约为1ms，延迟时间约为1ms时负载从开启到关闭。最大延迟时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为 1ms。扫描工作方式导致的延迟时间最多可达两个多扫描周期。可编程控制器的总响应延迟时间一般只有几十毫秒，与一般系统无关。要求输入和输出信号之间的延迟时间尽可能短的系统可以选择扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。PLC模型的方法1 、PLC的类型PLC按结构分为整体式和模块式两种，按应用环境分为现场安装和控制室安装两种； 、64位等。从应用的角度来看，通常可以根据控制功能或输入输

33、出点数来选择。一体式PLC的I/O点数固定，用户选择较少，用于小型控制系统；模块化PLC提供多种I/O卡或插卡，用户可以更合理的选择和配置控制系统I/O点数方便灵活，一般用于大中型大小的控制系统。2 、输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如，对于输入模块，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。对于输出模块，应考虑所选输出模块的类型。通常，继电器输出模块具有价格低、工作电压范围宽、寿命短、响应时间长等特点；晶闸管输出模块适用于频繁开关和低感性功率因数。负载场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟输出等，应与应用要求一

34、致。根据应用需求，合理选择智能输入输出模块，提高控制水平，降低应用成本。考虑您是否需要扩展机架或远程 I/O 机架等。三、电源的选择同时引进设备时，PLC的电源应根据产品说明书的要求进行设计和选择。一般PLC的电源应设计选用220VAC电源，与国网电压一致。对于重要应用，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果 PLC 本身有可用电源，则应检查提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接电源。为防止外部高压电源因误动作而引入PLC，需要对输入和输出信号进行隔离，有时可以采用简单的二极管或熔断管隔离。4.内存选择由于计算机集成芯片技术的发展，内存的价格有所下降。因此，为了保证应用项目的正常运行，一般需

35、要PLC的内存容量，根据256个I/O点至少选择8K内存。当需要复杂的控制功能时，应选择容量更大、档次更高的存储器。 5 、冗余功能的选择一个。控制单元的冗余（1）重要的处理单元：CPU（包括内存）和电源应该是1B1冗余。(2) 必要时也可采用PLC硬件和热备软件组成的热备冗余系统、2倍或3倍冗余容错系统等。乙。 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) 重要的I/O信号根据需要可选择2路或3路I/O接口单元。6.经济考虑选择PLC时，应考虑性价比。在考虑经济性时，要同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进

36、而选择更满意的产品。输入输出点的数量直接影响价格。每个额外的 I/O 卡都需要额外的费用。当点数增加到一定值时，相应的内存容量、机架、主板等也会相应增加。因此，估计点数的增加会影响CPU、内存容量、控制功能范围等的选择，在选择时要充分考虑，让整个控制系统有更合理的性能价格比比率。2.6 机器人PLC选型及参数基于以上原理，机器人控制系统的主机为三菱的FX2N-48MR。一、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：直流或开关输入电流：24VDC 5mA模拟输入：-10V10V（-20mA+20mA）输出晶体管内容电流0.3A/点（1.2A/COM）输出电压

37、规格：30VDC最大负载：9W输出响应时间：OffOn 20s OnOff 30s基本指令执行时间：数s编程语言：指令+梯形图+SFC程序容量：3792STEPS基本顺序指令：32条（包括梯形图指令）应用说明：100种初始步进点：S0S9一般步进点：118点，S10S127辅助继电器：512+232点通用（M000M511+M768M999）256点停电保持（M512M767）特殊用途280点（M1000M1279）定时器：100ms时基64点（T0T63）10ms时基63点（T64T126， M1028为ON时）1 ms 时基 1 点 (T127)计数器：一般用112点（C000C111，1

38、6位计数器）16点停电保持（C112C127，16位计数器）13点1相5kHz，2相2kHz高速（C235C254，均为32位掉电计数器）数据寄存器：一般用408点（D000D407）192点停电保持（D408D599）特殊用途144点（D1000D1143）指针/中断：P64点； I4 点 (P0P63/I001, I101, I201, I301 )串口通讯口：程序写/读通讯口：RS232通用功能通讯口：RS485主机电源 220V AC2、PLC主机的组成1.输入单元输入单元由8个按钮、8个开关和16个连接器组成，分别与PLC的16个输入点相连。通过改变这些开关或按钮的通断状态，可以向主

39、机输入所需的开关量。 16 个连接器可连接其他直流或开关输入信号。2.输出单元输出单元由24个二极管和24个连接器组成，分别与PLC的24个输出点相连。发光二极管是否发光可以指示输出点的状态，用户可以获得主机的输出信息。 24个输出接口可以连接其他需要控制的设备。输出单元的四个接地端分别引出到面板，其中只有C4和3V电源共用地。3.电源单元PLC主机左侧有一个外接220V/AV电源插座，用作PLC的工作电源。安装变压器输出3V电源供二极管使用。另外，PLC的24VDC和24GND已经引出到面板，为外部输入设备（如传感器）工作供电。第三章三相异步电动机的工作原理及结构3.1 三相异步电动机结构三

40、相异步电动机的种类很多，但各种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两个基本部分组成，定子和转子之间有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他配件，如图3-11所示。图3-1 封闭式三相鼠笼式异步电动机结构示意图1轴承； 2前端盖； 3转轴； 4接线盒； 5吊环； 6定子铁芯；7转子； 8定子绕组； 9框架； 10后端盖； 11空气罩； 12风扇1 .定子部分定子用于产生旋转磁场。三相电动机的定子一般由机壳、定子铁芯和定子绕组组成。( 1 )壳牌三相电机外壳包括机架、端盖、轴承盖、接线盒和吊环等部件。机架：铸铁或铸钢铸件，其作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。中、小

41、型三相电动机的机架上还有两个端盖支撑转子，是三相电动机机械结构的重要组成部分。通常，底座的外观要求良好的散热性能，所以散热片一般都是铸造的。端盖：铸铁或铸钢，其作用是将转子固定在定子腔的中心，使转子在定子内均匀转动。轴承盖：也用铸铁或铸钢铸造。它的作用是固定转子，使转子不能轴向移动，还起到储存润滑油和保护轴承的作用。接线盒：一般用铸铁铸造，其作用是保护和固定绕组的引线端子。吊环：一般由铸钢制成，安装在机座上端，用于起吊和提升三相电机。( 2 )定子铁芯的定子铁芯是电动机磁路的一部分，由涂有绝缘漆的厚度为0.35mm至0.5mm的薄硅钢片叠压而成，如图3-2所示。由于硅钢片较薄且片材绝缘，因此减

42、少了交变磁通通过时引起的铁芯涡流损耗。铁芯圆上有均匀分布的槽口，用于嵌入定子绕组。( a ) 定子铁芯 ( b ) 定子冲头图3-2定子铁芯与冲片示意图( 3 ) 定子绕组定子绕组是三相电动机的电路部分。三相电动机具有三相绕组。当通过三相对称电流时，会产生旋转磁场。三相绕组由三个独立的绕组组成，每个绕组由几个线圈连接而成。每个绕组为一相，每个绕组之间的空间差为120 电角。线圈用绝缘铜线或绝缘铝线绕制。中小型三相电机多采用圆形漆包线，大中型三相电机的定子线圈用绝缘扁铜线或截面较大的扁铝线绕制，然后嵌入定子铁芯槽内按照一定的规则。定子三相绕组的六个出线端均引至接线盒，首端分别标示为U 1 、V

43、1 、W 1 ，末端分别标示为U 2 、V 2 ， W 2 。接线盒内六个出线端子排列如图3-3所示，可接成星形或三角形。( a ) 星形连接 ( b ) 三角形连接图3 - 3定子绕组的连接2 .转子部分( 1 )转子铁芯叠片0.5mm厚的硅钢片，套在转轴上，与定子铁芯功能相同。( 2 )转子绕组异步电动机的转子绕组分为绕线型和鼠型两种，又分为绕线型转子异步电动机和鼠型异步电动机。绕组绕组与定子绕组一样也是三相绕组，一般接成星形。三相引线分别连接在转轴上与转轴绝缘的三个集电环上，并通过电刷装置与外电路相连。这样就可以在转子电路中串联一个电阻或电动势来提高电机的运行性能，见图3-4。1集电环；

44、 2刷子； 3压敏电阻图3 - 4绕组转子与外部压敏电阻的连接笼式绕组在转子铁芯的每个槽中插入一根铜排，在铜排的每一端用一个铜环（称为端环）连接铜排，称为铜排转子，如图3-5 （ a)所示。也可用铸铝的方法用铝液一次浇铸转子导杆和端环扇叶，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 ) 铜棒转子 ( b ) 铸铝转子图3 - 5 个松鼠转子绕组3 .其他部分其他部件包括端盖、风扇等。除了保护端盖外，端盖还装有轴承来支撑转子轴。风扇用于通风和冷却电机。三相异步电动机的定子和转子之间的气隙一般只有0.2mm到1.5mm 。气隙过大会降低电机的功率

45、因数；气隙过小，装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而增加附加损耗，使启动性能变差。3.2 三相交流电动机的工作原理1 .三相交流电动机的旋转磁场三相异步电动机的转子之所以旋转并实现能量转换，是因为转子气隙具有旋转磁场。接下来，我们讨论旋转磁场的产生。如图3.6所示， U 1 U 2 、V 1 V 2 、W 1 W 2是三相定子绕组，它们在空间上相隔120 ，连接成Y形。三相绕组的首端U 1 、V 1 、W 1接入三相对称电源，三相绕组中流过三相对称电流。假设电源相序为U、V、W，初始相位角为零，如图3-6波形图所示。图3.6三相交流电流波形认为为了分析方便，假设电流为正时，在绕组中从头

46、流向尾，电流为负时，在绕组中从尾流向头。当时刻=0为正负时，根据“右手螺旋定则”，三相电流产生的磁场叠加的结果将形成合成磁场，如图由图3-7 ( a )可知，此时的合成磁场为一对磁极（即两极），右侧为N极，左侧为S极。图3.7双极旋转磁场示意图 图 3-8呈120度对称分布的三相绕组通过三相对称交流电时，产生的合成磁场为极对数p=1的空间旋转磁场，每通电周期旋转一次，即两个极距； 某相绕组 当介质电流达到最大值时，磁极轴正好在该相绕组轴上旋转。那时，也就是经过1/4周期后，最大值从零变为正，仍然是负值，变成了负值，如图3-8 （ b ）所示。比，它已经逆时针旋转了90 。应用同样的方法，可以得

47、出以下结论： 此时合成磁场旋转了180 ，如图3-8 （ c ）所示；此时，合成磁场的方向旋转了300 ，如图3-8 ( d )所示；此时，合成磁场旋转了360 ，也就是一圈，如图3-8 （ a ）所示。可见，由对称三相电流流入对称三相绕组U 1 U 2 、V 1 V 2 、W 1 W 2所形成的合成磁场是随时间变化的旋转磁场。以上分析是当电机产生一对磁极时。当定子绕组连接形成两对磁极时，用同样的方法可以分析，此时电流变化一个周期，磁场只转半圈，即速度变慢下降一半。以此类推，当旋转磁场有p个相反的磁极时（即磁极数为2 p ），交流电每循环一圈，旋转磁场在空间中旋转1/ p 。因此，三相电动机定

48、子旋转磁场的每分钟转速n 1 、定子电流频率f和极对数p之间的关系为3.3 三相电机的旋转原理图3-9是三相异步电动机的旋转原理示意图。三相交流电通入定子绕组后，形成旋转磁场，其转速很高。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。转子绕组闭合，电流流过转子导体。假设旋转磁场沿顺时针方向旋转，在某一时刻顶部为北极N ，底部为南极S ，如图3-10所示。根据右手定则，上半部转子导体的电动势和电流方向由内向外，用表示；下半部分是从外到内，用表示。图3-9三相电机的旋转原理 图 3-10原理：定子的旋转磁场以n0的速度切割转子导体，感应出电动势（发电机右手定则），在转子

49、导体中形成电流，使导体受到将电磁力转化为电磁转矩，带动转子以速度n（电机左手定则）向n0方向旋转，并从轴上输出一定的机械功率。 （n不能等于n0）特点： 电机必须有一个以 n0 旋转的磁场。 - 实现能量转换的前提；电动运行（异步）期间n不等于n0-必要条件nn0 ；产生转矩的电流是通过感应产生的。流过电流的转子导体在磁场中受到电磁力，力F的方向可用左手定则确定，如图3-9所示。电磁力作用在转子导体上，在转轴上形成电磁力矩，使转子沿旋转磁场方向旋转，转速为n 。三相电机的转子速度n永远不会加速到旋转磁场的速度n 1 。因为只有这样，旋转绕组和旋转磁场之间才会有相对运动来切断磁力线，在转子绕组导

50、体中才能产生感应电动势和电流，从而产生电磁转矩，使转子继续沿旋转磁场的方向旋转。由此可以看出而且，是异步电动机工作的必要条件， “异步”之名也由此而来。滑旋转磁场转速n 1和转子转速n和同步转速n 1称为异步电动机的转差率s ，即转差率是异步电动机的一个基本参数。机械性能具有重要意义。异步电动机带电运行时，电磁转矩与转速n同向。当转子没有转动时， n = 0 ，；此时可知，异步电动机在带电状态时，转差率的变化始终在0 1之间，即0 s 1 。正常情况下，额定工作时间=1% 5% 。主要系列在三相电机的外壳上，有一个牌子，叫铭牌。铭牌上标明了这种三相电机的主要技术数据，是三相电机选型、安装、使用

51、和维修（包括重绕）的重要依据。铭牌的主要内容如下。1 .模型国产中小型三相电动机系列为Y系列，是按照国际电工委员会IEC标准设计生产的三相异步电动机。Y-200L2-6异步电动机异步电动机中心高度200mm6极2号铁心长机座（M中机座）（S短机座）中小型三相异步电动机机座尺寸与定子铁心外径和中心高的关系见表3-11和表3-12。表 3-11 小型异步三相电机机机 座 号123456789定子铁心外径（mm）120145167210245280327368423中心高度（mm）90100112132160180225250280表 3-12 中型三相异步电动机机机 座 号1112131415定子

52、铁心外径（mm）560650740850990中心高度（mm）375450500560620中小型三相异步电动机机座尺寸与定子铁芯外径与中心高的关系见表3-11和表3-12 。2 .额定功率额定功率是指三相电机满负荷时轴上输出的额定机械功率，以千瓦（ kW ）或瓦特（ W ）表示。3、额定电压额定电压是指连接到电机绕组的线电压，用UN表示。三相电动机要求所接电源电压值的变化一般不应超过额定电压的5% 。电压过高容易烧毁电机；如果电压太低，电机将难以启动。4、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流入定子绕组的线电流，用IN表示，单位为安培（ A ）。如果过载运行超过额定电

53、流，三相电机会过热甚至烧毁。三相异步电动机的额定功率与其他额定数据有如下关系式中额定功率因数-额定效率5、额定频率额定频率是指连接到电机的交流电源每秒的循环次数，以fN表示。中国规定标准电源频率为50Hz 。6 .额定速度额定转速是指三相电机在额定工作条件下每分钟的转速，用n N表示，一般略小于对应的同步转速n 1 。若n 1 =1 500r/min ，则n N =1 440r/min 。7 .绝缘级别绝缘等级是指三相电动机所用绝缘材料的耐热性，表示三相电动机内容的最高工作温度。三相电机的绝缘等级和最高内容温度见表8.1 。8 .配额额定值是指三相电动机的运行状态，即内容连续使用的时间。它分为

54、三种类型：连续的、短期的和间歇的。1 ) 连续连续工作状态是指电机在额定负载下运行时，运行时间很长，电机温升可以达到稳态温升。2 ）时间短短时工作状态是指电机在额定负载运行时，运行时间很短，使电机温升达不到稳态温升的工作方式；停机时间很长，可使电机温升降至零。( 3 ) 周期是间歇性的周期性间歇工作状态是指电机在额定负载下运行时，运行时间很短，使电机温升达不到稳态温升；停机时间也很短，使电机的升降温小于零，工作周期小于10min的工作方式。9 .联系三相电机定子绕组的连接方式有星形（ Y ）和三角形（）两种。定子绕组的接法只能按规定的方法接法，不能随意改变接法，否则会损坏三相电机。10 .防护

55、等级防护等级表示三相电机外壳的防护等级，其中IP为防护等级符号，后面的两个数字代表电机防固体和防水的能力。数字越大，保护能力越强。例如IP44中的第一个数字“4”表示电机可以防止直径或厚度大于1毫米的固体进入电机外壳。第二个数字“4”表示它可以承受任何方向的溅水。3.3 机械手电机的选择Y2系列三相异步电动机具有结构新颖、外形美观、噪音低、振动小、绝缘等级高等特点。产品已达到1990年代国际先进水平，是Y系列电机的更新换代产品。外壳防护等级IP54 ，具有良好的启动性能和运行性能，结构简单，运行可靠，维护方便等特点。电机采用E或B级绝缘，外壳防护等级IP44，冷却方式ICO141，额定频率为5

56、0Hz。 ，额定电压为380V。垂直轴驱动电机承载着整个机械手的全部负载，对功率要求较高，机械手主要用于生产线中较轻物体的夹持。综合考虑，垂直轴选用Y2-63M2-2 ，功率250W，可以满足生产需要。水平轴主要带动横臂左右运动，承重小。选用Y2-63M1-2 ，功率180W，可满足生产需要。电机3主要用于控制机械手握把的松紧，负载最小，可以选用Y2-63M1-4 ，功率120W。第四章逆变器变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。 1960年代以后，电力电子器件经历了SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）、SIT（

57、静电感应晶体管）、SITH（静态Induction Thyristor)、MGT(MOS Controlled Transistor)、MCT(MOS Controlled Thyristor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、HVIGBT(High Voltage Insulated Gate Bipolar Thyristor)的发展历程，器件的更新推动了电源的不断发展电子转换技术。 1970年代以来，PWM-VVVF调速的研究备受关注。 1980年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题引起了人们的浓厚兴趣，得到了很多优化模式，其中以鞍波P

58、WM模式效果最好。自1980年代后半期以来，美国、日本、德国、英国等发达国家的VVVF逆变器相继投入市场并得到广泛应用。4.1 逆变器的组成图 4-1 为使用变频器调速运行时异步电动机的结构示意图。通常，变频器的主电路（IGBT、BJT或GTO作为逆变元件）为异步电动机提供调压和调频电源。该电源的输出电压或功率和频率由控制回路命令控制。控制指令是根据外部运行指令运行得到的。对于需要精确调速或快速响应的场合，计算中还应包括逆变器主电路和输电系统检测到的信号和保护电路的信号，即防止因过压和过流造成的损坏。逆变器的主电路、异步电动机和传动系统也应加以保护。图 4-1 逆变器结构图 4-2 典型电压源

59、逆变器示例主电路向异步电动机提供调速、调压、调频电源的电源转换部分称为主电路。图 4-2 显示了一个典型的电压逆变器示例，其电路由三部分组成，一个将工频功率转换为直流电的“整流器”，以及一个吸收整流和逆变过程中产生的电压脉动的“整流器”。 “平滑回路”，带有将直流电转换为交流电的“逆变器”。此外，当异步电动机需要制动时，有时还需要增加“制动电路”。1个整流器最近广泛使用基于二极管的转换器，如图 4-2 所示，它将工频电源转换为直流电源。也可以用两组晶体管变换器组成一个逆变器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运行。2个平滑循环整流器整流后的直流电压包括六倍于电源频率的脉动电压，逆变器产生的脉动电

60、流也会使直流电压波动。为了抑制波动，使用电感器和电容器来吸收脉动电压（电流）。如果器件容量较小，如果电源和主电路的元件有余量，可以省略电感，采用简单的平滑电路。3个逆变器与整流器相反，逆变器的作用是将直流电转换成所需频率的交流电。根据PWM控制信号，将6个开关器件导通和关断，即可得到三相频率相同的交流输出。4制动回路当异步电动机用于再生制动区（转差率为负）时，再生能量储存在平滑电路电容器中，使直流电压升高。一般来说，机械系统（包括电机）的惯性所储存的能量要大于电容器所储存的能量。当需要快速制动时，可用变频器回馈电源或设置制动电路（开关和电阻）消耗再生电能。以防止直流电路电压上升。控制电路向向异