PLC控制机械手毕业论文.doc

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1、电气工程系毕业设计论文题 目： PLC控制机械手 专 业： 电气自动化 班 级： * 姓 名： * 学 号： * 指导老师: * 摘 要随着科学技术与信息技术的快速发展，特别是自动控制系统的提高，工业现场的很多重体力劳动必将由机器人所代替，工业机器人是一种新型的自动化操作装置，它可根据作业的要求，按照预先确定的程序搬运物体。装卸零件以及操作持喷枪、焊把工具去完成一定的作业，随着电子技术的发展已逐渐成为一个独立的自动化的装置，并扩大应用到铸造、加工、焊接、组装和喷漆等作业中。本设计的机器人模拟人手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹和要求，实现抓取、搬运和装配。本文在介绍机器人的工作原理的基础上，采

2、用PLC对电动机进行控制，包括硬件和软件的设计，实现了机器人的自动和手动控制，使机器人能够完成预先设计好的动作，提高工作效率，节约成本，把人从枯燥的工作中解放出来。关键词：机器人；机械手：PLC目 录第一章 绪论11.1论文的主要内容11.2 总方案的确定11.3 课题的背景21.3.1 机器人的发展及应用21.3.2 机器人的现状及动向31.4课题的目的和意义41. 课题的任务5第二章 机器人控制系统硬件选型62.1 系统的工作原理62.2 硬件设计的理论基础62.2.1 驱动系统的特点62.2.2 驱动系统的选择原则92.2.3传感器102.2.4伺服电机的工作原理162.3 PLC的产生

3、和发展182.3.1 PLC的构成182.3.2 PLC的工作原理18第三章 电路设计203.1 硬件结构203.2机械手电源回路203.3机械手转台控制回路213.4 PLC控制系统223.4.1机械手输入信号223.4.2机械手输出信号械223.4.3电源接线233.4.4接地23第四章 程序设计及调试234.1设计任务及要求244.2 I/O分配244.3 设计系统工作流程254.4编程设计思路254.5模拟调试264.5.1运行过程：264.5.2运行：28参考文献30附录31致 谢41第一章 绪论1.1论文的主要内容工业机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统、感知系统、决策系统及软

4、件系统组成。执行系统是工业机器人为完成作业，实现各种运动的机械部件。驱动系统为各执行部件提供动力，工业机器人采用的传动方式，通常有液压、气动和电动等几种驱动系统。控制系统对工业机器人实行控制和指挥，使执行系统按规定的要求进行操作。一般它由控制计算机或可编程控制器、电气与电子控制回路、辅助信息和电气器件等组成。1.了解工业现场中所要做的工序的运行规律、控制要求，探索更好的控制方法，确定总体控制方案。2.设计机器人PLC硬件电路接线图及元器件选型配置；3.设计控制流程，完成三点定位机器人在工作中相互协作控制系统中PLC程序设计；4.绘制机器人模型电路原理图、控制电路电路图，I/O接线图；使用说明书

5、等。5.根据控制要求完成机器人模型与PLC的连机调试：在硬件电路连接好后，向PLC传送编好的控制程序，它能按预先的逻辑较好地完成机器人的控制。机器人模型运行应操作简便，控制效果良好，形象直观，演示性好，可以较好地满足多个机器人协作能力强的要求。1.2 总方案的确定个人计算机有很强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，但是它们是为办公室自动化和家庭设计的，对环境要求很高，抗干扰能力不强，一般不适合在工业现场使用。单片机只是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。要将它用于工业控制，还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大，要求设计者具有

6、很强的计算机领域的理论知识和实践经验。工业控制计算机（简称工控机）也是为工业控制设计的，目前比较流行的是PC总线工控机，它与个人计算机兼容。工控机采用总线式结构，各厂家产品的兼容性强。工控机一般是在通用微机的基础上发展起来的，有实时操作系统的支持，因此在要求快速、实时性强、功能复杂的领域占有优势。工控机的价格较高，将它有与开关量控制以取代继电器系统有些大材小用。工控机的外部I/O接线一般都用多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如可编程序控制器的接线端子那样方便可靠。以上各种计算机用语控制的程序一般都是用汇编语言编写的，不像可编程控制器的梯形图语言那样易于被工厂的电气人员掌握。可

7、编程序控制器是专为工厂现场应用环境设计的，结构上采取整体密封或插件组合型，对印刷电路板、电源、机架、插座的制造和安装，均采用了严密的措施。可编程序控制器由于具有前述的各种优点，在工业控制领域具有不可比拟的竞争力。当然在机器人的控制领域也具有重要的地位，把可编程序控制器用于抓取运动的核心部分是很合理的选择，而且可编程序控制器现在在市场上也是一种成熟的产品。总之，经上述比较可得，我确定选用PLC控制机器人的各种运行。1.3 课题的背景1.3.1 机器人的发展及应用工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界

8、上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。现在工业机器人主要用于汽车工业、机电工业（包括电讯工业）、通用机械工业、建筑业、金属加工、铸造以及其它重型工业和轻工业部门。 机器人的工业应用分为四个方面，即材料加工、零件制造、产品检验和装配。其中，材料加工往往是最简单的。零件制造包括锻造、点焊、捣碎和铸造等。检验包括显式检验（在加工过程中或加工后检验产品表面图像和几何形状、零件和尺寸的完整性）和隐式检验（在加工中检验零件质量上或表面上的完整性）两种。装配是最复杂的应用领域，因为它可能包含材料加工、

9、在线检验、零件供给、配套、剂压和紧固等工序。在农业方面，已把机器人用于水果和蔬菜嫁接、收获、检验与分类，剪羊毛和挤牛奶等。这是一个潜在的产业机器人应用领域。 从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。在制造业中，工业机器人甚至已成为不可少的核心装备，世界上有近百万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上。机器人的出现是社会和经济发展的必然，它的高速发展

10、提高了社会的生产水平和人类的生活质量。 服务机器人可以为您治病保健、保洁保安；水下机器人可以帮助打捞沉船、铺设电缆；工程机器人可以上山入地、开洞筑路；农业机器人可以耕耘播种、施肥除虫；军用机器人可以冲锋陷阵、排雷排弹在现实生活中有些工作会对人体造成伤害，比如喷漆、重物搬运等；有些工作要求质量很高，人难以长时间胜任，比如汽车焊接、精密装配等；有些工作人员无法身临其境，比如火山探险、深海探密、空间探索等；有些工作不适合人去干，比如一些恶劣的环境、一些枯燥单调的重复性劳作等这些人们干不了或干不好的领域变成了机器人大显身手的舞台。1.3.2 机器人的现状及动向工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备,

11、技术附加值很高,应用范围很广,作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测,机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计,世界机器人市场前景看好,从20世纪下半叶起,世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代,机器人产品发展速度加快,年增长率平均在10左右。2004年增长率达到创记录的20。经过四十多年的发展,工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中,尤其是在汽车产业中,工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、

12、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中,机器人都已逐步取代了人工作业。 随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高,机器人的应用范周还在不断地扩大,已从汽车制造业推广到其他制造业,进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外,在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多,如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。近年来，我们在研究文化创造性产业时，发现国外正在兴起一个与文化产业、科学技术有紧

13、密关系的未来产业机器人的研究、开发及制造，参与者除了传统从事学术研究的科技工作者、大学研究梯队、企业产品的专门研究人员之外，更有一大批的青少年积极加入此一新兴的科学技术新潮流之中。中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展,工业机器人市场也已经成熟,应用上已经遍及各行各业,但进口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破,但还缺乏整体核心技术的突破,具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平,特别是在制造工艺与装备方面,不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术

14、有:数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品,主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。1.3.3 机器人的分类按几何结构分:直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人、关节球面坐标机器人。按机器人控制分：非伺服机器人、伺服机器人（点、轨迹）按用途分：工业机器人、探索机按机器智能分：一般机器人、智能机器人（传感机器人、交互机器人、自主机器人）按移动性分：固定机器人、移动机器人（轮式、履带器人、服务机器人、军事机器人（地面、海洋

15、、空中、步行）1.4课题的目的和意义工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进金属于一体的重要现代化制造业自动化装备工业机器人已经广泛地应用于各种自动化生产线上,它是机器人家族中最重要的成员,工业机器人由操作机(机械本体) 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成, 是一种仿人操作、自动控制,可重复编程,能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备,工业机器人包括模仿人类关节结构的关节型工业型机器人,直角坐标型机器人,圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人、喷漆机器人、焊接机器人等。随着科学技术与信息技术的快速发展，特别是自动控制系统的提高，工业现场的很多重体力劳动必

16、将由机器人所代替，这一方面可以减轻个人的劳动强度，而且还可以大大提高生产效率，所以机器人的重要性越来越明显，如果能够自动控制机器人的工作过程，不仅节省大量的人力、物力，而且还会带来可观的经济效益。本系统就是通过PLC对机器人的控制，实现机器人的旋转和相互之间的协作来完成工件的制作，通过自动控制可以使机器人不知疲倦的重复完成预先设计好的动作，提高工作效率，节约成本，把人从枯燥的工作中解放出来。广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与产量,而且对保障人身安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本,有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样,工业机器人的广泛应

17、用正在日益改变着人类的生产和生活方式。1. 课题的任务本课题是一个用于传送带上轻型平动搬运机械手的设计，其示意图如下图1-1所示。其主要任务是完成机械手的结构方面、气动、电动以及PLC控制的软硬件方面的设计。其机械结构主要包括由电磁阀控制的气压缸来实现机械手气爪的夹紧和松开工件的动作，两台转速不同的伺服电动机分别通过线圈控制其正反转，从而实现机械手臂的上升、下降、左摆、右摆等运动动作；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位。图1-1 就是该机械手搬运物

18、品示意图。图中机械手的任务是将传送带a上的物品搬运到传送带b,再从b沿直线到搬到c。其工艺流程：机械手原位机械手下降机械手抓取并夹紧机械手上升机械手正转机械手前伸机械手下降机械手松开机械手上升机械手后退机械手逆转退至原位停止。图1-1 机械手基本形式示意图第二章 机器人控制系统硬件选型2.1 系统的工作原理本系统主要是通过PLC对机器人手臂的控制，通过控制两个直流电机的正反转、两个气动装置的驱动和传感器的信号传送来实现机械手的基本动作，可以使机械手实现定位，从a点抓取工件并且左右旋转放到b点，同时另一机械手接受到信号，把工件从b点沿直线放到c点等一系列的自动控制过程，从而模拟出工业现场环境中机

19、器人工作的全部过程。2.2 硬件设计的理论基础2.2.1 驱动系统的特点工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电力三大类。根据需要也可以由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下：液压驱动系统输出力：液压压力大，常在20-70kgf/cm输出力可达100kgf/cm以上的力和力矩也大，可以得到较大的直线和回转运动抓取重量可达100-800 kgf。传动性能：液压压缩小，传动平稳，无冲击没，基本无传动带滞后现象，反映较灵活最高速度可达2m/s。控制性能：压力，流量均易控制，可无级变速通过调节压力流量，可较方便的控制输出功率，可达较高的精度。使用维护性能：油液

20、粘度对温度变化敏感，当温度升高时，油粘度显著下降。油液粘度的变化直接影响系统，工作性能，对密封和配合体制造精度要求较高，漏油会影响正常工作污染环境而且易造成失火。 图2-1 液压原理图体积重量：输出相同的条件下，体积小重量轻，转动惯量下。寿命：润滑性能好，寿命长。成本；液压元件成本较高，油路较复杂，运行成本较高。应用：适用于抓取较大的机械手和机器人，可实现连续轨迹控制。2. 气动驱动系统图2-2 气压原理图 输出力：压缩空气压力低，一般428kgf/cm抓取重量小于30kgf。传动性能：压缩空气粘度小，管路损失小流速大，气动传动可达较高速度，但高速平稳性差冲击严重。控制性能：低速不宜控制，因为

21、气压压缩性大，阻尼效果差，难于准确定位。一般不能作伺服控制。近年来国外研究出的气压伺服机构可实现任意点定位精度高，速度快。使用维护性能：能在高温多粉尘等恶劣条件下工做，耐负荷，无发热问题。没有爆炸着火危险，安全性好，使用维护简单，但排气噪音大要注意空气中去除水分及系统润滑防锈问题。体积重量：压力小，输出力，体积大。寿命：空气取之不尽，用过之后排入大气不许回收处理，机构简单。元件成本低，能量损失大。应用：适用于抓取重量不大，而节拍快的作业。多用于点位控制，适于弹性握持和空气吸附。3. 电动驱动系统 图2-3电气原理图2.2.2 驱动系统的选择原则设计机器人时，选择哪一类驱动系统，要根据机器人的用

22、途作业要求，机器人的性能规范，控制功能，维护的复杂程度，运行功耗，性能与价格比以及现有条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性，可行性，经济性以及可靠性后进行最终选择。一般情况下，选择如下：(1) 控制方式对物料搬运（包括上、下料）、冲压用的有限点位控制的程序控制机器人，低速重负载时可选用液压驱动系统；中等负载时可选用电动驱动系统；轻负载、高速时可选用气动驱动系统，冲压机器人手爪多选用气动驱动系统。由于本系统属于轻负载运行，所以采用气动驱动系统。(2) 作业环境要求从事喷涂作业的工业机器人，由于工作环境需要防爆，考虑到其防爆性能，多采用电液伺服驱

23、动系统和具有本征防爆的交流电动伺服驱动系统。水下机器人、核工业专用机器人、空间机器人，以及在腐蚀性、易燃易爆气体、放射性物质环境中工作的移动机器人，一般采用交流伺服驱动。如要求在洁净环境中使用，则多要求采用直接驱动（Direct DriveDD）电动机驱动系统。由于此机器人属于实验室用机器人，其作业环境干净、整洁，所以采用电动机直接驱动系统。(3) 操作运行速度对于装配机器人，由于要求其有较高的点位重复精度和较高的运行速度，通常在运行速度相对较低（4.5m/s）的情况下，可采用AC、DC或步进电动机伺服驱动系统；在速度、精度要求均很高的条件下，多采用直接驱动（DD）电动机驱动系统。机器人电动伺

24、服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。由此可见，本机械加工用工业机器人当然也采用了气动程序控制系统。综上所述，根据本设计的机器人需要运行的速度、精度很高，并且又属于轻负载，属于实验室用模型，所以机器人的驱动系统采用电机和气动驱动

25、系统的混合控制。2.2.3传感器由于在本系统中采用的传感器得到信号要使汽缸动作，所以我选择接近传感器，分别为电容式、电感式、光电式和磁电式。接近开关是一种毋需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无无触点开关），它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型。接近传感器又称无触点接近传感器，是理想

26、的电子开关量传感器。当金属检测体接近传感器的感应区域，开关就能无接触，无压力无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。接近传感器具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。因此到目前为止，接近传感器的应用范围日益广泛，其自身的发展和创新的速度也是极其迅速。 1.电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的

27、变化转化为电容量变化的一种传感器。电感式接近开关属于有开关量输出的位置传感器。根据电容传感器的工作原理可以分为变极距、变介质和变面积。电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅(测至 0.05m 的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。在本系统中电容传感器采用LR18XCF05SB0电容传感器，接线图和参数如表2-4和图2-5所示： 表2-4 LR18XCF05SB0式电容传感器的参数表电

28、源电压20250VAC/DC迟滞范围120%重复误差3%负荷电流AC300mA，DC100mA开关频率AC：20 Hz DC：500Hz 图2-5 LR18XCF05SB0式电容传感器的接线图电容传感器具有以下优点：1.可获得较大的相对变化量。用应变片测量时，一般得到电阻的相对变化量小于1%，而电容传感器的相对变化量可以达到100%或更大大些。2.动态响应快。电容传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，可动部分可以做的小而薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特适合与动态测量；可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如振动等

29、。3. 分辨率高由于传感器的带电极板间的引力极小，需要输入能量低，所以特别适合于用来解决输入能量低的问题，如测量极小的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受 0.001m ，甚至更小的位移。4.温度稳定性好。电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又由于本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。5.可实现非接触测量、具有平均效应。如回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等，采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。2.电感传感器电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量的一种装置。利用

30、电感式传感器，能对位移压力振动应变等参数进行测量。电感式传感器也成为自感式传感器或可变磁阻式传感器。它有铁心、线圈和衔铁所组成。线圈是套在铁心上的。在铁心和衔铁之间有一个空气隙，。传感器的运动部分与衔铁相连，运动部分产生位移变化时，空气隙的厚度产生变化，从而使电感值发生变化。电感式传感器可以用来测量检测金属物体。它具有结构简单灵敏度高输出功率大输出阻抗小抗干扰能力强，因此在机电控制系统中得到广泛的应用。在本系统中采用CR18CF05AT0型电感传感器，接线图和参数如表2-6和图2-7所示：表2-6 CR18CF05AT0型电感传感器参数表电源电压20250VAC重复精度3%负荷电流300mA消

31、耗电流3mA开关频率15HZ 图2-7 CR18CF05AT0型电感传感器接线图电感式传感器的特点是：1.无活动触点、可靠度高、寿命长；2.分辨率高；3.灵敏度高；4.线性度高、重复性好；5.测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；6.无输入时有零位输出电压，引起测量误差；7.对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；8.不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所

32、造成的附加误差。3.光电传感器光电开关（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。安防系统中常见的光电开关烟雾报警器，工业中经常用它来记数机械臂的运动次数。光电开关的分类按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它

33、可以在许多场合得到应用。所以光电传感器采用的是PR18G-TM10A-E2。如表2-8和图2-9所示：表2-8 PR18G-TM10A-E2型光电传感器的参数表电源电压20250VAC反射方式对射反射型响应时间50ms重复误差5%负荷电流300mA消耗电流3mA 图2-9 PR18G-TM10A-E2型光电传感器的接线图4.磁电传感器磁是人们熟知的一种物理现象，广泛应用于日常生活和自动化控制中。磁和电可以通过线圈互相进行转换。磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器，它是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势，是一种机-电能量变化型传感器,不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小。它

34、只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为101000Hz。磁电式传感器是根据电磁感应原理制成的磁电转换器件根据法拉第电磁感应定律可知，N闸线圈在磁场中作切割磁力线运动或线圈所在磁场的磁通发生化时，线圈中所产生所产生的感应电动势。由此可以将电感式传感器分为恒通式和变磁通式两种。本文中采用FN18DNO-E2型电感传感器如表2-10和图2-11所示： 表2-10 FN18DNO-E2型电感传感器的参数表 电源电压1030VDC迟滞范围%/Sr320%重复误差3%负荷电流200mA消耗电流15mA开关频率200HZ耐高压1000V/AC 50/60

35、HZ 60s 图2-11 FN18DNO-E2型电感传感器的接线图5.磁性传感器霍尔电流传感器是将交直流电流电压功率频率等电信号,隔离转换成4-20mA/0-10V等各种标准信号在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压 。 霍尔传感器的特点1. 测量范围广：它可以测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲、三角波形等，甚至对瞬态峰值电流、电压信号也能忠实地进行反映; 2. 响应速度快：最快者响应时间只为1us。 3. 测量精度高：其测量精度优于1%，该精度适合于对任何波形的测量。普通互感器是感性

36、元件，接入后影响被测信号波形，其一般精度为3%5%，且只适合于50Hz 正弦波形。 4. 线性度好：优于0.2% 5. 动态性能好：响应时间快，可小于1us;普通互感器的响应时间为1020ms。 6. 工作频带宽：在0100KHz 频率范围内的信号均可以测量。 7. 可靠性高，平均无故障工作时间长：平均无故障工作时间5 10 小时 8. 过载能力强、测量范围大：0-几十安培上万安培 9. 体积小、重量轻、易于安装。 由于霍尔电流电压传感器以上的优点，故而可广泛应用与变频调速装置、逆变装置、UPS 电源、逆变焊机、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测电流电压的各个领域中。

37、在本系统中采用FLJ12A-210NKXIN型的霍尔传感器,如表2-12所示表2-12 FLJ12A-210NKXIN型的霍尔传感器。输出电流100ma开关频率100Hz温度范围25752.2.4伺服电机的工作原理2-13伺服电动机1.伺服系统(servomechanism)是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼

38、应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 2.交流

39、伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 3.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 伺服电机的应用直流伺服电机可应用在是火花机、机械手、精确的机器等。可同时配置2500P/R高分析度的标准编码器及测速器，更能加配减速箱、令机械设备带来可靠的准确性及高扭力。

40、调速性好，单位重量和体积下，输出功率最高，大于交流电机，更远远超过步进电机。多级结构的力矩波动小。 2.2.5直流电动机 直流电机的选择：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。直流电机的优缺点: 直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。 由于存在换向器，其制造复杂，成本较高。 直流电动机存在直流电源问题直流电机的用途:直流电机包括直流发电机和直流电动机，两者具有可逆性。作电源用

41、：直流发电机将机械能转化为直流电能 作动力用：直流电动机将直流电能转化为机械能 我们本系统主要内容是通过PLC控制机器人模型，从而该模型的动力系统我们选择小型直流电机2.3 PLC的产生和发展在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Contr

42、oller（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。2.3.1 PLC的构成从结构

43、上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。2.3.2 PLC的工作原理可编程序控制器主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入/输出部件（I/O单元）、电源和编程器几大部分。可编程序控制器控制系统示意图如图2-3所示。图2-14 PLC控制系统示意图可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。图2-15扫描过程第三章 电路设计3.1 硬件结构

44、机械手用来将工件从A点搬运到B点（如图3-1），输出Q0.1为1时工件被夹紧，为0时被松开。工作方式选择开关的5个位置分别对应于5种工作方式，操作面板下部的9个按钮式手动按钮分别对用于紧急停车、启动、停止、下降、上升、右行、左行、夹紧、松开。为了保证在紧急情况下（包括PLC发生故障时）能可靠地切断负载电源，设置了交流接触器KM。PLC开始运行时按下“负载电源”按钮，使KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源。图3-1 机械手的运动示意图3.2机械手电源回路机械手系统原理图，图3-2主要是通过交流220V接开关电源变成直流24V，

45、当低压断路器QR1闭合，机械手控制系统得电，熔断器的作用起电路保护作用，防止过大电流冲击。图中电源G1 G2 G3分别为PLC电源，伺服电机电源和直流电动机电源。图3-2机械手电源回路3.3机械手转台控制回路机械手转台控制回路,如图3-3所示。当Q0.4为“1”即继电器KM1得电时直流电动机左旋。当Q0.5为“1”即继电器KM2得电时直流电动机右旋。 图3-3机械手转台控制回路3.4 PLC控制系统3.4.1机械手输入信号机械手系统PLC输入信号。SB1是伸出限位开关，接至PLC的I0.0输入。SB2是缩回限位开关，接至PLC的I0.1输入。SB3是上升限位开关，接至PLC的I0.2输入。SB

46、4是夹紧限位开关，接至PLC的I0.4输入。SB5是左旋限位开关，接至PLC的I0.5输入。SB6是右旋限位开关，接至PLC的I0.6输入。SB7是移动到位限位开关，接至PLC的I0.7输入。SB8是复位到位限位开关，接至PLC的I1.0输入。SB9是手动左旋开关，接至PLC的I1.1输入。SB10是手动右旋开关，接至PLC的I1.2输入。SB11是手动提升开关，接至PLC的I1.3输入。SB12是手动下降开关，接至PLC的I1.4输入。SB13是手动伸出开关，接至PLC的I1.5输入。SB14是手动缩回开关，接至PLC的I1.6输入。SB15是手动/自动切换开关，接至PLC的I1.7输入。SB16是紧急