PLC对机械手搬物控制的电气设计Word文档下载推荐.docx
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工厂电气控制设备机械工业出版社主编许廖
机床电器控制技术机械工业出版社主编王炳实
可编程控制器的应用技术机械工业出版社主编王兆义
可编程控制器的原理及程序设计主编电子工业出版社主编崔亚军
一PLC简介----------------------------------------------------
1.1机械手的概述------------------------------------------
1.1.1PLC的特点-----------------------------------------
1.1.2PLC的应用与发展-----------------------------------
1.1.3.PLC的基本结构-------------------------------------
二PLC的选择与应用--------------------------------------------
2.1PLC的选择---------------------------------------------
2.1.1PLC的型号选择--------------------------------------
2.1.2PLC的容量选择--------------------------------------
2.2PLC应用中应注意的问题--------------------------------
三控制原理说明设计方案论证------------------------------------
四主要元件的选择与计算----------------------------------------
五机械手的动作流程-------------------------------------------
5.1机械手的工作要求-----------------------------------------
5.2机械手的操作面板分布图-----------------------------------
5.3机械手的工作方式-----------------------------------------
5.3.1编写手动操作运行程序和返回原位程序------------------
5.3.2编写自动运行程序------------------------------------
六元件与I/O接口明细表--------------------------------------
七设计总结及改进意见----------------------------------------
八参考文献--------------------------------------------------
1PLC的简介
1.1机械手的概述
用于再现人手功能的技术装置称为机械手。
机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。
机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。
工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。
他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛的发展空间。
工业机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:
其一、它能部分的代替人工操作;
其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;
其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物力来研究和应用。
尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛。
在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,受到机械工业的重视。
机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器,他有多个自由度,可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。
机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。
随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
1控制机构
驱动机构是工业机械手的重要组成部分。
机械手的控制可采用以下几种方式:
1)用继电器控制,这种控制系统故障率高、控制方式不灵活且功率消耗大,已逐渐被人们所淘汰;
2)用微机控制,虽然它在智能控制方面有较大的功能,但它的抗干扰性差,系统设计比较复杂,一般维修人员难以掌握其维修技术,广泛应用也不太容易;
3)PLC控制,此控制系统具有运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强、能经受恶劣环境的考验等优越性,已经成为在机械手控制系统中使用最多的控制方式。
2控制系统分类
在机械手的控制上,有点动控制和连续控制两种方式。
大多数用插销板进行点位控制,也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制,采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。
主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性。
3工业机械手的发展趋势
(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降。
(2)机械结构向模块化、可重构化发展。
例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:
由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;
国外已有模块化装配机器人产品问市。
(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;
器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:
大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
(4)机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。
美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
(7)机器人化机械开始兴起。
从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。
我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;
其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。
但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:
可靠性低于国外产品:
机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;
在应用规模上,我国己安装的国产工业机器人约占全球已安装台数的万分之四。
以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。
因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。
其中最为突出的是水下机器人,6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:
在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。
但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。
1.1.1PLC的特点
上世纪80年代至90年代中期,是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持为30~40%。
在这时期,PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,PLC逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。
1.1.2PLC的应用与发展
1.可编程控制器的应用
近年来,随着微处理器芯片及其有关原器件的价格大幅度下迭,PLC的成本也随之下降。
与次同时,PLC的性能却在不断的完善,功能也在增多增强,使得PLC的应用已由早期的开关逻辑发展到现在工业控制的各个领域。
根据PLC的特点,可以将其应用形式归纳为如下几种类型。
1.开关逻辑控制。
这是PLC最基本最广泛的应用领域。
PLC具有强大的逻辑运算能力,可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。
2.模拟量控制。
在工业生产过程中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量,而PLC中所处理的是数字量,为了能接受模拟量输入和输出模拟量信号,PLC中配置了A/D和D/A转换模块,将现场的温度、压力等模拟量经A/D转换变为数字量,经微处理器进行处理,微处理器处理的数字量又经D/A转换后,变成模拟量去控制被控制对象,这样可以实现PLC对模拟量的控制。
3.闭环过程控制。
运用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制,而且还可以进行闭环控制。
现代大、中型的PLC一般都配备了专门的PID控制模块,当控制过程中某一个变量出现偏差时,PLC就按照PID算法计算出正确的输出去控制生产过程,把变量保持在整定值是。
PLC的PID控制已广泛地应用在加热炉、锅炉、反应堆以及位置和速度等控制中。
4.定时控制。
PLC具有定时控制的功能,它可以为用户提供几十甚至上百个定时器,其定时的时间可以由用户在编程用户程序是设定,也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定,实现定时或延时的控制。
5.计数控制。
计数控制也是控制系统不可缺少的,PLC同样也为用户提供了几十个甚至上百个计数器,设定方式如同定时一样。
若用户需要对频率较高的信号进行计数,则可选择高数计数模块。
6.顺序(步进)控制。
在工业控制中,采用PLC实现顺序控制,可以用移位寄存器和步进指令编写程序,也可以采用顺序控制的标准化语言——顺序功能图编写程序,使得PLC在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出时发、更加容易。
7.数据处理。
现代PLC都具有数据处理的能力,它不仅能进行算术运算和数据传输,而且还能进行数据比较、转换、显示和打印以及数据通信等。
对于大、中型PLC还可以进行浮点运算、函数运算等。
8.通信和联网。
PLC的控制已从早期的单机控制发展到了多机控制,实现了工厂自动化。
这是由于现代的PLC一般都有通信的功能,它既可以对远程I/O控制,又能实现PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信,从而可以方便可靠地达成“集中管理,分散控制”的分布式控制系统。
由此可见,PLC是实现工厂自动化的理想工业控制。
2可编程控制器的发展
目前,可编程控制器正向着两个不同的方向进一步发展。
一个是向简易、廉价和超小型发展,以占领小型、分散和简单功能的工业控制市场,同时也便于适应机电一体化的要求。
另一个方向是向大型化、高速度、多功能和分散型、多层次全自动化网络发展,这种系统不仅具有逻辑运算、计数、定时、数值计算、模拟量控制、监控、记录、显示、以及与计算机接口并作数据传送等一般功能,同时还具有中断控制、智能控制、过程控制和远程控制等高级功能,此外I/O的点数进一步扩大,最多已达3200点。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了可编程控制器的应用,目前我国已经可以生产中、小型可编程控制器。
随着我国四个现代化进程的逐步深入,可编程控制器在我国将有十分广阔的天地
1.1.3.PLC的基本结构
一.可编程控制器的基本结构
世界各国生产的可编程控制器外观各异,但作为工业控制计算机,其硬件结构大体相同,主要由中央处理器、存储器、I/O接口、电源及编程设备几大部分构成。
PLC的硬件结构框图所示
1.中央处理器(CPU)
中央处理器是可编程控制器的核心,它在系统程序的控制下,完成
逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作任务。
可编程控制器中采用的CPU一般有三大类,一类为通用微处理器,如80286、80386等;
一类为单片机芯片,如8031、8096等;
另外还有为处理器,如AMD2900、AMD2903等。
一般来说,可编程控制器的档次越高,CPU的位数也越多,运算速度也越快,指令功能也越强。
现在常见的可编程机型一般多为8位或16位机。
为了提高PLC的性能,也有一台PLC采用多个CPU的。
2.存储器
存储器是可编程控制器的存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。
和一般计算机一样,可编程控制器的存储器有只读存储器(ROM)和随机读/写存储器(RAM)两大类。
只读存储器是用来保存那些需永久保存的程序的存储器,即使机器掉电后其保存的数据也不会丢失,一般为掩膜只读存储器和可编程电擦写只读存储器。
只读存储器用来存放系统程序。
随机读/写存储器的特点是写入与擦除都很容易,但在掉电情况下存储的数据就会丢失,一般用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。
为了能使用户程序及某些运算数据在可编程控制器脱离外界电源后也能保持,再哦实际使用中都为一些重要的随机读/写存储器配备了电池或电容等掉电保护装置。
可编程控制器的存储器区域按用途不同,又可分为程序区和数据区。
程序区是用来存放用户程序的区域,一般有数千个字节。
数据区是用来存放用户数据的区域,一般比程序区小一些。
在数据区中,各类数据存放的位置都有严格的划分。
由于可编程控制器是为熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用的,因此可编程控制器的数据单元都叫做继电器,如输入继电器、时间继电器、计数器等。
不同用途的继电器在存储区中占有不同的区域,为个存储单元有不同的地址编号。
3.输入/输出接口
输入/输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。
输入口是用来接受生产过程的各种参数。
输出口是用来送出可编程控制器运算后得出的控制信号,并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。
由于可编程控制器在工业生产现场工作,对输入/输出接口有两个主要的要求,一是接口有良好的抗干扰能力,二是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求,因而可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元。
4.电源
可编程控制器的电源包括可编程控制器各工作单元供电的开关电源及为掉电保护电路供电的后备电源,后者一般为电池。
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有:
交流电源(220VAC或110VAC),直流电源(常用的为24VAC)。
5.外部设备
编程器。
可编程控制器的特点是它的程序是可变更的,能方便的加载程序,也可方便地修改程序,因此编程设备就成了可编程控制器工作中不可缺少的部分。
可编程控制器的编程设备一般有两类,一类专用编程器,有手持的,也有台式的,还有的可编程控制器机身上自带编程器,其中手持式的编程器携带方便适合工业控制现场应用;
另一类是个人计算机,在个人计算机上运行可编程控制器相关的编程软件即可完成编程任务,借助软件编程比较容易,一般是编好了以后再下载到可编程控制器中去。
二PLC的选择与应用
2.1PLC的选择
(1)对输入/输出点的选择
要先弄清除控制系统的I/O总点数,再按实际所需总点数的15~20%留出备用量(为系统的改造等留有余地)后确定所需PLC的点数。
在本设计中I/O总点数为23,所以所需PLC点数需要在40以上。
另外要注意,一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制,一般同时接通的输入点不得超过总输入点的60%;
本设计中的输入点为18,所以PLC所需的输入点需要大于40。
PLC每个输出点的驱动能力(A/点)也是有限的,有的PLC其每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异;
一般PLC的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。
在选型时要考虑这些问题。
PLC的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。
隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级,但这种PLC平均每点的价格较高。
如果输出信号之间不需要隔离,则应选择前两种输出方式的PLC。
(2)对I/O响应时间的选择
PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟(一般在2~3个扫描周期)等。
对开关量控制的系统,PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求,可不必考虑I/O响应问题。
(3)根据输出负载的特点选型
不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。
本设计中的在负载都式动作不频繁的交、直流负载,因此选用继电器输出型的。
继电器输出型的PLC有许多优点,如导通压降小,有隔离作用,价格相对较便宜,承受瞬时过电压和过电流的能力较强,其负载电压灵活(可交流、可直流)且电压等级范围大等。
(4)对PLC结构形式的选择
在相同功能和相同I/O点数据的情况下,整体式比模块式价格低。
但模块式具有功能扩展灵活,维修方便(换模块),容易判断故障等优点,要按实际需要选择PLC的结构形式,因此本设计选用的PLC为F1-40M。
由于该模块采用交流220V供电,并且自带16个数字量输入点,完全能满足机械手移动工件控制系统的要求,因此不需要另外的电源模块、数字量输入/输出模块。
F1系列PLC是三菱公司的高性能叠装式机种。
可以分配不同的单元:
基本单元、扩展单元和特殊单元。
基本单元内含有CPU,存储器和I/O电路,要增加系统的I/O点数可联接扩展单元,增加系统的控制功能,则可以连接相应的特殊单元。
在本系统中,配置基本单元就可以满足控制要求。
不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。
例如,频繁通断的感性负载,应选择晶体管或晶闸管输出型的,而不应选用继电器输出型的。
但继电器输出型的PLC有许多优点,如导通压降小,有隔离作用,价格相对较便宜,承受瞬时过电压和过电流的能力较强,其负载电压灵活(可交流、可直流)且电压等级范围大等。
所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。
即选用F1-40M继电器输出型PLC作为机械手移动工件的控制系统。
2.1.1PLC的型号选择
机型选择的基本原则是满足控制功能的前提下,保证系统工作可靠,维护使用方便及最佳的性能性价比.
1.结构合理.
对于工艺过程比较固定,环境条件较好,维修量较小的场合,选用单元式结构的PLC否则选用模块式结构的PLC.
2.功能强弱适当.
对于开关量控制的工程项目,若控制速度要求不高,一般选用低档的PLC.对于以开关量控制为主带少量模拟量控制的工程项目可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块,以及具有加减除运算和数据传输功能的低档PLC.
2.1.2PLC的容量选择
1.对存储容量的选择
对用户存储容量只能作粗略的估算。
在仅对开关量进行控制的系统中,可以用输入总点数乘10字/点+输出总点数乘5字/点来估算,本设计中的开关量为830;
计数器/定时器按(3~5)字/个估算,本设计中有一个定时器。
最后,一般按估算容量的50~100%留有裕量。
2.应用程序的存储容量
应用程序的存储容量是存放用户程序的存储趋的容量。
通常用K字(KW),K字节(KB)或K位(Kb)来表示,1K=1024。
也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。
在一些文献中称PLC中存放程序的地址单元为“步”,每一步占用两个字,一条基本指令一般为一步。
功能复杂的基本指令,特别是功能指令,往往有若干步,因而用“步”来表示程序容量,往往以简单的基本指令为单位,称为多少K基本指令(步)。
如还是用字节表示,财一般小型内存为1K到几K,大型机为几十K,甚至可达1~2M字节
2.2PLC应用中应注意的问题
PLC是专门为工业生产服务的控制装置,通常不需要采取什么措施,就可以直接在工业环境中使用。
但是,当生产环境过于恶劣,电磁干扰特别强烈,或安装使用不当,都不能保证PLC的正常运行,因此在使用中应注意以下问题。
一、工作环境
1.温度
PLC要求环境温度在0~55℃,安装时不能放在发热量大的元件下面,四周通风散热的空间应足
够大,基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔;
开关柜上、下部应有通风的百叶窗,防止太阳光直接照射;
如果周围环境超过55℃,要安装电风扇强迫通风。
2.湿度
为了保证PLC的绝缘性能,空气的相对湿度应小于85%(无凝露)
3.震动
应使PLC远离强烈的震动源,防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。
当使用环境不可避
免震动时,必须采取减震措施,如采用减震胶等。
4.空气
避免有腐蚀和易燃的气体,例如氯化氢、硫化氢等。
对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境,可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中,并安装空气净化装置。
5.电源
PLC供电电源为50Hz、220(1±
10%)V的交流电,对于电源线来的干扰,PLC本身具有足够的抵制能力。
对于可靠性要求很高
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