机电一体化课程作业要求总结.docx
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机电一体化课程作业要求总结.docx
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机电一体化课程作业要求总结
《光机电一体化》课程作业要求
以某个具体的(光)机电一体化产品或系统为例,分析其工作要求,介绍其组成(包括机械、电气等部分),尽可能详细地叙述电气部分的协调关系(控制系统的设计,包括:
如传感检测、驱动等的实现形式及控制逻辑等),要求:
概述性地描述,表达形式上可图文并茂,字数3000左右(含图5-6页),可参照以下例子完成。
快放假了,有空写写吧,。
尽早交吧。
例1
例2
Diamond机器人及其控制
并联机构具有刚度大、定位精度高、承载能力强、自重负荷比小、易实现高速及无积累误差等优点。
Diamond并联机构是天津大学开发的一种二自由度平动并联机构,与控制器配合,构成Diamond机器人,可满足电子、轻工、食品和医药等行业高速、一定的点位精度的要求,完成诸如插装、封装、包装、分拣、检测等操作。
1、Diamond并联机构
如图1,Diamond机构由2条对称分布、含汇交平行四边形结构的运动支链形成闭环结构,通过2个安装在基座上的伺服电机分别驱动2个主动臂,实现动平台平面运动,动平台上安装有气动手爪用于抓取物体。
从构件布置和连接情况看,该机构可看做平面机构,其只能在垂直于电机轴的某个平面内运动,内侧从动臂在垂直于该平面的布置某种程度上限制了偏离该平面的运动和绕该平面内某根轴的转动,故该空间机构可简化为如图2所示的平面机构。
如图2所示,两条支链结构形式完全相同,共同连接于动平台7,其中任一条的布置形式是:
主动臂2、副主动臂3一端连接于机架1,另一端铰接于衬架4,从动臂5、副从动臂6两端分别铰接于衬架4和动平台7。
设计时,保证AB与CD等距,AD与BC也等距,故四边形ABCD为平行四边形;DE与FG等距,DG与EF也等距,这样,四边形DEFG也为平行四边形,且这两个平行四边形结构在衬架4处交汇。
需指出的是,AB定长且位置不变,驱动主动臂2,FG的姿态可以保持不变,通过两条支链的作用,就可保证动平台7的姿态,即使得动平台7只有运动平面的两个平动自由度。
由于采用闭环并联结构,伺服电机安装在基座上,故机构刚度大,运动负荷小。
将运动臂制成轻质细杆结构(如采用碳纤维材料),可进一步减小机构运动质量,特别适合于开发对轻小物料中、短距高速抓取操作的高速、轻型并联机械手。
图1Diamond机构
1.机架2、12.主动臂3、11.副主动臂4、10.衬架5、8.从动臂6、9.副从动臂7.动平台
图2简化的Diamond机构运动简图
2、控制需求
针对Diamond机构,协调驱动主动臂2、12,动平台7平动,特定的电机转角对于动平台7特定的位置,这种对应关系唯一确定,故该机构的控制系统需完
成对主动臂2、12两个电机的同步控制,即严格控制两电机的输出转角关系。
为便于和能够控制,电机采用步进电机或伺服电机。
3、控制系统设计
(1)总体方案
由上分析,并从经济角度考虑,设计控制系统方案(如图3所示):
硬件方面,选择以PLC为主体的自动控制系统,提出以松下FP系列可编程控制器为核心,辅以触摸屏等设备的控制系统总体方案。
软件方面,研究PLC对Diamond机器人的控制问题,通过数控技术与机器人技术的结合,采用一种基于软件插补的无位置控制模块的多轴精密插补控制方法。
对于该控制系统,硬件已基本上做到最精简,PLC在控制系统中扮演的角色是负责传送预设的控制指令给驱动器继而驱动伺服电机实现伺服电机的动作。
总体控制方案采用离线编程、在线控制的思想,尽可能让软件发挥最大的作用,使得软件(编程)成为该控制系统开发的核心,具体体现为:
根据Diamond机器人工作任务完成路径规划,根据机器人运动学逆解的方法,获得主动臂的位移及速度信息,这主要使用数控技术的插补思想,获取离散位置的关节信息,再将离散的位置、速度信息转换成脉冲数量及频率,这样,获得了满足PLC控制要求并被伺服电机所接受的控制信息。
最终借助于硬件PLC、驱动器-伺服电机,完成对Diamond机器人的控制。
触摸屏是可视化的方便控制操作的人机界面。
图3Diamond机器人控制系统总体方案
(2)硬件分析
如图4所示,Diamond机器人控制系统以松下FP系列小型PLC为核心,通过驱动器-减速器驱动机器人主动臂,主动臂带动从动臂及动平台实现Diamond机器人的预定运动。
小型PLC驱动器伺服电机
Diamond机器人本体
图4Diamond机器人控制系统主要硬件结构
对于该控制系统,涉及以下器件:
A.电气
开关电源:
开关电源有两种,一种是直流开关电源;另一种是交流开关电源。
其功能是将电能质量较差的原生态电源(粗电),如市电电源或蓄电池电源,转换成满足设备要求的质量较高的直流电压(精电)。
开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关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。
广泛应用于工业自动化控制、工控设备等。
继电器、接触器:
继电器是一种电控制器件,是当输入量(激励量)的变化达到规定要求时,在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。
它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。
通常应用于自动化的控制电路中,它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
接触器工作原理与继电器相似,只不过继电器用于控制回路,接触器用于主回路。
B、检测
编码器:
编码器(encoder)是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。
编码器把角位移或直线位移转换成电信号,前者称为码盘,后者称为码尺。
按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。
增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号,再把这个电信号转变成计数脉冲,用脉冲的个数表示位移的大小。
绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码,因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关,而与测量的中间过程无关。
本控制系统,编码器集成于伺服电机,与伺服电机同轴安装,检测电机轴转角。
光电开关:
光电开关(光电传感器)是光电接近开关的简称,它是利用被检测物对光束的遮挡或反射,由同步回路选通电路,从而检测物体有无的。
物体不限于金属,所有能反射光线的物体均可被检测。
光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出,接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。
按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。
对射式检测距离远,可检测半透明物体的密度(透光度)。
反射式的工作距离被限定在光束的交点附近,以避免背景影响。
镜面反射式的反射距离较远,适宜作远距离检测,也可检测透明或半透明物体。
(3)软件设计
针对Diamond机器人,其控制是基于脉冲量的运动控制,类型是多轴(两轴)同步控制。
同步控制,也称随动控制或跟踪控制,是用于多个坐标的运动控制,目的是使一个或多个坐标的运动能跟上某个坐标的运动,以实现坐标间的运动同步。
如图5,采用一种基于PLC的无位置控制模块的多轴精密插补控制方法来解
图5PLC对机械手的控制实现方法
决PLC对机械手的控制问题。
该方法具体为:
采用修正梯形运动规律作为轨迹规
划方法,在操作空间中以三至十毫秒时间间隔进行插补,得到操作空间中的执行器运行的离散位置点组;将所述的离散位置点组使用机器人学中的逆解方法转化为PLC所能识别的脉冲数量和脉冲频率数组;然后根据PLC所提供的脉冲发送指令格式在所述脉冲数量和脉冲频率数组中添加控制符,从而形成可供下载的控制数据表;最后依据通信协议,编制通信程序,将控制数据表下载至PLC。
该方法
在PLC平台上解决了无位置控制模块的伺服控制问题。
具体地,控制软件编写流程如图6。
图6控制程序总结构
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基于PLC的波轮全自动洗衣机控制系统分析
洗衣机从洗衣的方式来看,主要分为波轮洗衣机和滚筒洗衣机两大类。
波轮洗衣机相比滚筒洗衣机,价格低廉,工作噪音小,洗净效果好,目前,占据较大的市场份额。
波轮洗衣机又可分为单缸、套缸、双缸三种。
本文以常见的套缸波轮洗衣机为分析实例,主要从控制系统的角度,说明“全自动”的实现方式。
结构组成
图1是套缸波轮全自动洗衣机的结构简图(主体部分)。
套缸波轮全自动洗衣机由洗涤系统、传动系统、给排水系统、支承系统、控制系统和箱体组成。
(1)洗涤系统:
由盛水捅、脱水桶、盛水桶罩、波盘等组成。
它的洗涤系统包括脱水系统,盛水桶既作洗涤桶用又作脱水缸用。
(2)传动系统:
由减速离合器、皮带轮、传动皮带、电动机、波轮等组成。
电动机的动力经传动皮带、减速离合器传递给波轮和脱水桶,实现洗涤和脱水。
其洗涤和脱水的转换,是利用离合器的组件、抱簧和制动杆来实现的。
(3)支承系统和箱体:
一般采用1mm左右的薄钢板制成。
箱体背面开口,顶部和底部四个角设角撑,上角撑与吊杆连接,下角撑装有支承脚体。
支承系统的四根吊杆把整个箱体及传动机构一起吊压在箱体的四角。
支撑杆总成包括减振弹簧,一般洗衣机采用阻尼筒。
(4)给、排水系统:
进水系统,进水管一头接在进水龙头上,另一头接在进水电磁阀上,由程控器电磁阀控制。
排水系统由电磁铁牵引器和排水阀体组成。
电磁铁牵引器由程控器控制。
排水时,电磁铁牵引器将排水阀的排水水封拉到一定的位置,使洗涤液体通过排水口排出机外,排水结束后,电磁铁牵引器断电,排水阀心弹簧复位,拉动排水水封堵住了排水口,完成整个排水过程。
(5)控制系统:
由控制器(PLC)、电源开关、水位开关、安全开关等组成。
核心是控制器PLC。
洗衣机的进水、洗涤、漂洗、排水、脱水等全过程由控制系统
控制洗衣机,按照设定程序进行工作。
工作原理
波轮洗衣机的桶底的圆盘波轮,上有凸出的筋。
电机驱动波轮,在波轮的带动下,桶内水流形成了时而右旋、时而左旋的涡流,带动织物跟着旋转、翻滚,这样就能将衣服上的污物清除掉。
水流控制方式一般为正向旋转1至3秒,停0.5至1秒,再反向旋转1至3秒,再停0.5至1秒,这和旧式水流大不一样,这种方式也是多年研究的成果,有利于各因素之间的平衡,兼顾了洗涤力、磨损率、缠绕状况、洗涤均匀度等因素。
控制要求
波轮全自动洗衣机控制系统的要求是能够实现“正常运行”和“强制停止”两种控制方式。
正常运行时只需要将电源按钮按下,再按下“启动/暂停”按钮,洗衣机自动执行全部的洗衣过程直到结束。
强制停止是指在正常运行的过程中,不希望再运行时,可以通过手动某些按钮或开关之类的控制设备来强制停止在运行的程序。
(1)全自动洗衣机的正常运行。
全自动洗衣机的“正常运行”具体控制要求如下:
①按下电源按钮,5min后不按下“启动/暂停”按钮则自动断开电源;②洗衣机自动称衣物重量,根据衣物重量设定水位和浸泡、洗涤的时间;按下“启动/暂停”按钮一次,洗衣机开始运行,进水电磁阀打开,开始进水,直到判定洗衣机的水位与设定水位一致后停止进水;③进水停止2s后开始浸泡,浸泡时,洗涤电动机带动波轮正转5s后停止25s,再正转5s,如此循环执行设定的分钟数,待浸泡完毕后,进入洗涤过程;④洗涤时,洗涤电动机带动波轮正转3s,停止1s,接着反转3s,停止1s,再正转3s,如此循环,直到完成设定的洗涤时间;⑤洗涤完毕排水电磁阀打开,开始排水,排水完毕浮球开关打开,判定水已排完;⑥排水完毕进入漂洗过程,漂洗开始时自动脱水30s,脱水完毕开始进水到45L,进水完毕后波轮运转,波轮正转2s后反转2s,再正转2s,如此循环15次即计时1分钟后自动排水。
整个漂洗过程包含了三次从脱水30s到进水至45L,再到波轮运转1分钟,最后排水的这一系列过程;⑦漂洗完毕后开始脱水3min;
从启动到完成脱水3min的洗衣全过程结束后,报警3s,断开电源,标志整个洗衣过程结束。
(2)全自动洗衣机的强制停止。
全自动洗衣机的“强制停止”具体控制要求如下,有两种方式:
①在运行过程中,若按下“启动/暂停”按钮,洗衣过程暂停,洗涤电动机、进水电磁阀、排水电磁阀和脱水设备全部关闭;需要继续时,可以再次按动“启动/暂停”按钮恢复暂停前执行的程序,相应的设备再次开启;②在运行过程中,若按下“电源”按钮,洗衣过程停止,洗涤电动机进水电磁阀、排水电磁阀和脱水设备全部关闭;④完全“停止”后可通过手动“电源”按钮和“脱水”按钮来排水和脱水,当按“脱水”按钮后洗衣机是自动判定水是否排完的,未排完则自动开启排水电磁阀脱水。
控制系统
控制系统功能包括:
启动/暂停、默认执行标准程序、自动测量衣物重量并根据重量选定水位及浸泡和洗涤时间、水位检测、进水、浸泡、洗涤、排水、漂洗、脱水、洗完报警等功能。
控制系统包含的电气元器件及控制要素:
输入:
按钮、空满水位压力传感器等。
输出:
进排水电磁阀、电机正反转、报警器等。
控制的核心是依据工作流程,协调输入、输出的顺序逻辑关系。
控制器选择PLC,可对PLC的I/O进行如下分配(表1):
表1I/O分配表
输入
项目
输出
项目
X1
电源按钮
Y1
进水电磁阀
X2
启动按钮
Y2
排水电磁阀
X3
暂停按钮
Y3
电机正转继电器
X4
空水位压力传感器
Y4
电机反转继电器
X5
满水位压力传感器
Y5
报警器
根据控制要求,有如下控制流程(图2、图3):
依据上述流程图及I/O分配,可设计PLC控制程序。
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