PLC控制的工业机械手设计说明书.doc

PLC控制的工业机械手设计说明书

56
2020年5月29日
文档仅供参考

学院

课程设计说明书

题 目:基于PLC控制的工业机械手
专 业:机电一体化技术
班 级:
学 号:
姓 名:
指导老师:

二○一○ 年 十一 月 三 日

摘 要
机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它能够搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。能够实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上,结合机械手方面的设计,对机械手技术进行了系统的分析,提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想,充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动,控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。
经过以上部分的工作,得出了经济型、实用型、高可靠型工业机械手的设计方案,对其它经济型PLC控制系统的设计也有一定的借鉴价值。

关键词: 机械手,气动控制,可编程控制器(PLC),自动化控制。

学院

课程设计说明书

题 目:基于PLC控制的工业机械手
专 业:机电一体化技术
班 级:
学 号:
姓 名:
指导老师:

二○一○ 年 十一 月 三 日

毕业设计任务书

机电工程 系 机电一体化技术 专业
学生姓名 学号

一、毕业设计题目: PLC控制的工业机械手设计
二、毕业设计时间 年11月1日至 11 月 28日
三、毕业设计地点:
四、毕业设计的内容要求:
1、系统的电路原理图。
2、元器件的明细表。
3、毕业设计说明书包含工作原理、系统结构、控制过程、控制流程图机控制程序等,字数不少于6000字。
4、设计格式按照要求完成。

指导教师 年 月 日

目录
第一章 前言
1.1 研究的目的及意义…………………………………………………………
1.2 机械手在国内外现状和发展趋势…………………………………………
1.3 主要研究的内容……………………………………………………………
1.4 解决的关键问题……………………………………………………………
第二章 机械手的工作原理
1.1 机械手的概述…………………………………………………………………1
1.2 机械手夹持器和机座的结构…………………………………………………1
1.3 机械手的工作方式……………………………………………………………2
第三章 可编程PLC
3.1 PLC简介………………………………………………………………………3
3.2PLC控制系统设计的基本原则3.3 PLC种类及型号选择……………………
3.3机械手PLC选择、参数及电器元件、设备的选择…………………………4
3.4步进电动机……………………………………………………………………5
第三章 机械手控制程序设计
3.1 输入和输出点分配表及原理接线图…………………………………………13
3.2 控制程序………………………………………………………………………14
第四章 梯形图及指令表
4.1 梯形图…………………………………………………………………………18
4.2 指令表…………………………………………………………………………19
总结与评价………………………………………………………………………20
摘 要
机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它能够搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。能够实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上,结合机械手方面的设计,对机械手技术进行了系统的分析,提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想,充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动,控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。
经过以上部分的工作,得出了经济型、实用型、高可靠型工业机械手的设计方案,对其它经济型PLC控制系统的设计也有一定的借鉴价值。

关键词: 机械手,气动控制,可编程控制器(PLC),自动化控制。

第一章 前言
1.1 研究的目的及意义
机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要,能够大量代替单调往复或高精度需求的工作,在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它能够搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。能够实现生产的机械化和自动化,能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全,能够广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。
随着工业的高速发展,机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要,已经在工业生产中得到了广泛的应用。它能够搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动,实现生产的机械化和自动化;并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全,被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。
可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心,综合了计算机和自动控制等先进技术,具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点,已成为当前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC的自动控制系统具有体积小,可靠高,故障率低,动作精度高等优点。
适应工业需要,本课题试图开发PLC对物料分拣机械手的控制,并借助必要的精密传感器,使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣,动作灵活多样,适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产,广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制,是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置,可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业,而且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时,能够允许方便的改动或重新设计其新部件,而对于位置改变时,只要重新编程,并能很快地投产,降低安装和转换工作的费用。本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。
1.2 机械手在国内外现状和发展趋势
机械手最早应用在汽车制造工业,常见于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能,它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复劳动,提高劳动生产率,保证产品质量。当前主要应用于制造业中,特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心,自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统,实现生产自动化。随着生产的发展,功能和性能的不断改进和提高,机械手的应用领域日益扩大。
当前,国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司。
中国机械手起步于20世纪70年代初期,经过30多年发展,大致经历了3个阶段:70年代萌芽期,80年代的开发期和90年代的应用化期。在中国,机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前,国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今中国正从一个”制造大国”向”制造强国”迈进,中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战,对中国工业自动化的提高迫在眉睫,政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持,将会给机械手产业发展注入新的动力。
随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高,机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。
在未来几年,传感技术,激光技术,工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域,这些技术会使机械手的应用更为高效,高质,运行成本低。据猜测,今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。
1.3 主要研究的内容
随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化,不但要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好,还要其成本低、可开发经济性强。本论文主要研究物料分拣机械手以下几个方面的内容:
(1) 物料分拣机械手执行系统的分析与选择
执行系统是由传动部件与机械构件组成,是机械手赖以实现各种运动的实体。主要包括机身、手臂、末端执行器3部分组成,其中每一部分都能够具有若干的自由度。执行系统的设计主要是对机械手的手部、手臂和机座进行设计。
(2) 物料分拣机械手驱动系统的分析与选择
驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。经过对液压、气压、电气三种驱动方式的比较,本设计选择气压驱动的方式。内容包括气动元件的选择及其工作原理、气动回路的设计和气动原理图的绘制。
(3) 物料分拣机械手控制系统的设计
控制系统是机械手的指挥系统,它控制驱动系统,让执行系统按规定的要求和时序进行工作。本机械手采用可编程控制器(PLC)对机械手进行控制,主要包括对PLC的型号选择、传感器类型进行选择、I/O口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图的绘制等内容。
1. 4解决的关键问题
1 解决机械手机械结构的设计问题,要求机械手结构简单、经济、具有一定的代表性。
2 执行部件的运动精度的问题。
3 机械手的控制系统,包括控制系统的电路和控制程序,并解决工件和控制 系统的协调问题。
4 元件的匹配规则和知识的获取及其表示形式。
5 传感器的类型选择。
第二章机械手的工作原理

2.1机械手的概述
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来,随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用,机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然当前还不如人手那样灵活,但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点,因此,机械手已受到许多部门的重视,并越来越广泛地得到了应用,例如:
(1)机床加工工件的装卸,特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 图2-1 夹具
(2)在装配作业中应用广泛,在电子行业中它能够用来装配印制电路板,在机械行业中它能够用来组装零部件。
(3)可在劳动条件差,单调重复易子疲劳的工作环境工作,以代替人的劳动。
(4)可在危险场合下工作,如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。
(5)宇宙及海洋的开发。
(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。
2.2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,按夹持方式能够分为外夹式和内撑式。按驱动方式能够电动、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。因此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。
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,因此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。
2.3 机械手的工作方式
机械手电气控制系统,除了有多工步特点之外,还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择能够很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时,系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时,系统自动完成各工步操作,且循环动作。当旋钮打向手动时,每一工步都要按下该工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。

图2-2 三自由度机械手结构示意图

图2-3 机械手控制的MCGS界面

机械手传送工件系统示意图,如图2-4所示

图2-4机械手传送示意及操作面板图

第三章可编程控制PLC
3.1 PLC简介
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(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。
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, 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;并经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示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(一般为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,因此维护成本比DCS要低很多。一个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,要容易一些。
近 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在中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,今后一段时期内PLC在中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
3．2 PLC控制系统设计的基本原则
一、 PLC机型的选择
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点:
(1) 确定合理的结构型式
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。
整体式PLC的每一个I／O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中;而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I／O点数、输入点数与输出点数的比例、I／O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。
考虑此系统控制比较简单,应用于小批量的生产线故此选择整体试PLC的结构形式较为合适。
(2) 确定合理的安装方式
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I／O式以及多台PLC联网的分布式。
集中式不需要设置驱动远程I／O硬件,系统反应快、成本低;远程I／O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程I／O能够分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I／O电源;多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,能够选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。
在工厂小批量生产中降低成本是很重要的,因此此系统选择集中试的安装方式。
(3)满足相应的功能要求
一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。
对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可选用能带A／D和D／A转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。
对于控制较复杂,要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能,可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或高档PLC。可是中、高档PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。
此系统只需用开关量控制,选用一般小型PLC即可。
(4)满足响应速度要求
PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时,则应该慎重考虑PLC的响应速度,可选用具有高速I／O处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。
本系统不需要跨范围使用PLC对某些功能或信号也没有特殊的速度要求,不需要选用具有高速I／O处理功能的PLC。
(5)满足系统可靠性要求
对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统,应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。本系统选用一般系统PLC能够满足要求,不需要考虑太多此方面的问题。
(6) 机型尽量统一
一个企业,应尽量做到PLC的机型统一。以保证其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理;有利于技术力量的培训和技术水平的提高;其外部设备能够通用,资源可共享,易于联网通信,配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。
本课题的要求不高,不需要考虑配备上位计算机,但为了方便采购和管理等我们还是要求机型要统一。
二、 确定PLC的容量
PLC的容量包括I／O点数和用户存储容量两个方面。
1)确定系统的实际输入点数
系统由启动按钮SB1、停止按钮SB2、急停按钮SB3、手臂复位按纽SB4、颜色传感器ST1、左旋极限传感器ST2、右旋极限传感器ST3、上升限位传感器ST4、下降限位传感器ST5、手臂缩回限位传感器ST6、手臂伸出限位传感器ST7、超上升限位传感器ST8、超下降限位传感器ST9、超左旋限位传感器ST10、超右旋限位传感器ST11、超伸出限位传感器ST12、超缩回限位传感器ST13、工件检测传感器PS1、系统的自动/手动控制开关SA以及手动的升降、左右旋转、伸缩、吸放按钮(SB5---SB12)作为个输入继电器的外部控制点,共有28个输入点。
2)确定系统的实际输出点数
系统有手臂左旋、右旋、伸出、缩回、上升、下降、吸物、放物的电磁阀动作,报警指示灯、原位指示灯及自动/手动指示灯工作,一共12个输出点。
3)确定应选择PLC的点数
PLC平均的I／O点的价格还比较高,因此应该合理选用PLC的I／O点的数量,在满足控制要求的前提下力争使用的I／O点最少,但必须留有一定的裕量。 一般I／O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要,再加上10％到15％的裕量来确定。本系统的输入、输出实际需要40个点,因此本系统的PLC输入、输出点数定为48点比较合适,但输入和输出各应留有裕量。
4)确定系统同时接通输入/输出点的数量
a.同时接通的输入点数量
对于选用高密度的输入模块(如32点、48点等),应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60％。
b.同时接通的输出点数量
同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许经过的电流值,如一个220V／2A的８点输出模块,每个输出点可承受2A的电流,但输出公共端允许经过的电流并不是16A(8×2A),一般要比此值小得多。一般来讲,同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60％。
对同时接通的输/入输出点的制约,此系统是能够满足的。
(5)系统存储容量的选择
PLC的I／O点数的多少,在很大程序上反映了PLC系统的功能要求,因此可在I／O点数确定的基础上,按下式估算存储容量后,再加20％到30％的裕量。
存储容量(字节)＝开关量I／O点数×10 ＋ 模拟量I／O通道数×100
A=40*10+0*100
=400(字节)
另外,在存储容量选择的同时,注意对存储器的类型的选择。可是,本课题要求的存储容量很低,一般的PLC能够满足,因此我们不需要考虑存储容量。
三、 确定PLC的I／O模块
一般I／O模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的I／O模块有开关量I／O模块、模拟量I／O模块及各种特殊功能模块等。不同的I／O模块,其电路及功能也不同,直接影响PLC的应用范围和价格,应当根据实际需要加以选择。根据本课题要求,不需要用到模拟量I／O模块及各种特殊功能模块,因此只需要对开关量I／O模块选择即可。
1)开关量输入模块的选择
开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号,将信号转换为PLC内部接受的低电压信号,并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面:
2)输入信号的类型及电压等级
开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短,还能够直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接;交流输入模块可靠性好,适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
开关量输入模块的输入信号的电压等级有:直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等;交流110Ｖ、220Ｖ等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于传输距离较近场合,如5Ｖ输入模块最远不得超过十米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。
本系统传输距离较近可选择24Ｖ直流输入。
3)输入接线方式
开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式。
汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端(COM);而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组,每一组(几个输入点)有一个公共端,各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高,如果输入信号之间不需要分隔,一般选用汇点式的。因此本系统考虑价格便宜问题,且输入信号之间不需要分隔,选用汇点式较合适。
4)输入门槛电平
为了提高系统的可靠性,必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高,抗干扰能力越强,传输距离也越远,具体可参阅PLC说明书。
(2)开关量输出模块的选择
开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号,并实现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面:
1)输出方式
开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。
继电器输出的价格便宜,既能够用于驱动交流负载,又可用于直流负载,而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小,同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强,但其属于有触点元件,动作速度较慢(驱动感性负载时,触点动作频率不得超过1HZ)、寿命较短、可靠性较差,只能适用于不频繁通断的场合。
对于频繁通断的负载,应该选用晶闸管输出或晶体管输出,它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载,而晶体管输出只能用于直流负载。
本系统为中小型生产线自动控制系统,需要考虑价格相对要便宜,而本系统对动作速度要求不高,因此选择继电器输出作为输出方式。
2)输出接线方式
开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式。
分组式输出是几个输出点为一组,一组有一个公共端,各组之间是分隔的,可分别用于驱动不同电源的外部输出设备;分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端,各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出,也有分隔式输出。本系统选择分组式输出。
3)驱动能力
开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大,输出模块无法直接驱动,可增加中间放大环节。
4) 输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关
开关量输出模块的技术指标,它与不同的负载类型密切相关,特别是输出的最大电流。另外,晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低,在实际使用中也应注意。
3.3 PLC种类及型号选择
PLC种类较多,主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等,但能配套生产,大、中、小、微型均有配套且当前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。根据前面确定的PLC点数:实际输入点28点,实际输出点12点,综合对比三菱FX系列(包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等)、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为48点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面。本系统可选择PLC型号为:FX2N—64MR—001,合计总数64点—32点输入,DC24V,32点继电器输出;尺寸(mm):220×87×90,其性能、价格都优于其它PLC。
FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列,它能最大范围地包容了标准特点,程式执行更快,全面补充通讯功能,适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块,它能够为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。
该型号PLC有32个输入节点,32个输出节点,能够满足系统要求并留有一定的余量。

3.4 机械手PLC选择、参数及电气元件、设备的选择
综合上述原则机械手控制系统主机为三菱的FX2N-48MR。
1.PLC机型的选择以及主要技术数据如下:
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:-10V～10V(-20mA～+20mA)
输出晶体管允许电流0.3A/点(1.2A/COM)
输出电压规格:30VDC
最大负载:9W
输出反应时间:Off→On 20μs On→Off 30μs
基本指令执行时间:数个μs
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:S0～S9
一般步进点:118点,S10～S127
辅助继电器:一般用512+232点(M000～M511+M768～M999)
停电保持用256点(M512～M767)
特殊用280点(M1000～M1279)
定时器:100ms时基64点(T0～T63)
10ms时基63点(T64～T126,M1028为ON时)
1ms时基1点(T127)
计数器:一般用112点(C000～C111,16位计数器)
停电保持用16点(C112～C127,16位计数器)
高速用13点1相5kHz,2相2kHz(C235～C254,全部为停电保持32位计数器)
数据寄存器:一般用408点(D000～D407)
停电保持用192点(D408～D599)
特殊用144点(D1000～D1143)
指针/中断:P64点;I4点(P0～P63/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:RS485
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
3.5步进电动机
三相异步电动机的种类很多,但各类三项异步电动机的基本结构是相同的,它们都由钉子和转自这两大基本部分组成,在定子和转子之间有一定的气隙。
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构的重要组成部分。一般,机座的外表要求散热性能好,因此一般都铸有散热片。
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0.35mm～0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成,如图3-1所示。由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的,因此减少了由于交变磁通经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3-1定子铁心及冲片示意图
(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3-2所示,能够接成星形或三角形。

(a)星形连接 (b)三角形连接
图3-2 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。
① 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,经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进电动机的运行性能,见图3-4。

1—集电环;2—电刷;3—变阻器
图3-3 绕线形转子与外加变阻器的连接
② 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3-4(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3-4(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3-4 笼形转子绕组
3．其它部分
其它部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外,在端盖上还装有轴承,用以支撑转子轴。风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0.2mm～1.5mm。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。
步进电动机驱动模块
采用中美合资