【導(dǎo)讀】扮演著越來越重要的作用，已經(jīng)成為現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)?？刂屏鞒桃约皹?gòu)成系統(tǒng)的各個模塊的功能和控制方式進行了研究。組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的控制器采用了三菱公司的FX2N系列PLC；系統(tǒng)。有組態(tài)王軟件的個人計算機構(gòu)成?？刂品矫娴墓ぷ饔校簩ο到y(tǒng)前后端控制電路的設(shè)計，該部分用于傳。的連接方式、氣壓驅(qū)動方式中的中間繼電器、電磁閥和氣缸相互的控制接線等。設(shè)置、監(jiān)控畫面的設(shè)計、動畫連接、數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建、命令語言的編寫等。新，將機械手的運動狀況實時地監(jiān)控畫面上進行顯示。

　　

【正文】 了 PLC 的高可靠性?，F(xiàn)代 PLC在數(shù)據(jù)計算能力方面比之前大大提高 ， 能控制的系統(tǒng)也越來越復(fù)雜 ； PLC 將控制系統(tǒng)的外部接線用程序的方式表達出來 ， 使得系統(tǒng)的硬件維護工作量減少很多 ， 更重要的是若需要改變某一工藝流程 ， 只需改變內(nèi)部的控制程序即可 實現(xiàn)。 驅(qū)動模塊 驅(qū)動模塊是指驅(qū)動器及相關(guān)組件。驅(qū)動器是將運動控制器輸出的小信號放大以驅(qū)動伺服機構(gòu)的部件 ， 對于不同的伺服機構(gòu) ， 驅(qū)動器有電動、液動和氣動等類型。 PLC 運動控制系統(tǒng)采用 PLC 作為控制器 ， 通常驅(qū)動器為變頻器、伺服電機驅(qū)動器、步進電機環(huán)形驅(qū)動器等。 本設(shè)計采用伺服電機驅(qū)動器。伺服電機驅(qū)動器釆用全數(shù)字化結(jié)構(gòu) ， 采用脈沖編碼器倍增功能 ， 采用新的算法使整定的時間得以縮短 ； 驅(qū)動裝置硬件結(jié)構(gòu)簡單 ， 參數(shù)調(diào)整方便 ， 輸出一致性、可靠性增加。同時 ， 驅(qū)動裝置可以集成復(fù)雜的電機控制算法和只能控制功能 ， 如增益自動 調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)通信等功能 ， 很大第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 18 程度提高了交流伺服系統(tǒng)的適應(yīng)范圍。 執(zhí)行模塊 執(zhí)行模塊的主要功能是驅(qū)動被控對象 ， 本系統(tǒng)的執(zhí)行模塊包括伺服電機和氣缸。交流伺服電機包括永磁同步電機和感應(yīng)式異步電機 ， 交流伺服電機具有加減速時間短、精度高、反應(yīng)速度快、過載能力強、可靠性高、效率高、外形尺寸小和質(zhì)量輕等特點。采用交流伺服電機作為執(zhí)行元件 ， 將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成為軸的角位移或角速度的變化 ， 輸入的電壓信號稱為控制信號 ， 改變其值可以改變伺服電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。交流伺服電機的轉(zhuǎn)子慣量與直流電機相比值很小 ， 并且具有良好的動態(tài) 響應(yīng)性能。另外 ， 在同樣的體積下 ， 交流伺服電機的輸出功率比直流電機提高 10%70%。 氣壓傳動將壓縮氣體經(jīng)由管道和控制闊輸送給氣動執(zhí)行元件 ， 將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能而做功 。 執(zhí)行模塊是運動控制系統(tǒng)的重要組成部分。 執(zhí)行部件和被控對象相聯(lián)系的動力學(xué)特性對于系統(tǒng)的性能影響很大 ， 也在很大程度上決定了被控對象是否能夠達到預(yù)期的控制要求 ， 所以 ， 執(zhí)行模塊是系統(tǒng)性能的展現(xiàn)方式。 傳感器模塊 在運動控制系統(tǒng)中 ， 傳感器獲取系統(tǒng)中的幾何量和物理量的信息 ， 再將這些信息提供給運動控制器 ， 為實現(xiàn)控制策略提供依據(jù)。 檢測裝 置向運動控制器反映系統(tǒng)狀況 ， 同時也可以在閉環(huán)或半閉環(huán)的系統(tǒng)中形成反饋回路 ， 將指定的輸出量反饋給運動控制器 ， 控制器再根據(jù)此信息作出控制決策。檢測裝置主要用于檢測運動參數(shù)和力學(xué)參數(shù) ， 前者有如位置、速度或者加速度等信息 ， 后者有如電壓或者電流信號等。沒有信息反饋的控制是盲目的 ， 而錯誤的信息反饋也會導(dǎo)致控制的失誤 ， 檢測裝置的基本特性和重要指標是準確性和實時性。 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文 19 第 三 章 控制器設(shè)計及參數(shù)整定 本章主要研究系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 ， 包括前后端控制電路的設(shè)計、伺服電機控制系統(tǒng)設(shè)計、氣動控制系統(tǒng)設(shè)計、機械部件的選型等。硬件設(shè)備與 PLC 相連接 ，由控制電路采集各個開關(guān)信號和手動控制信號 ， 經(jīng) PLC 的控制程序的處理 ， 輸出控制結(jié)果 ， 實現(xiàn)伺服電機的運轉(zhuǎn)和氣缸的動作等 ， 實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。 機械手按照不同的定義可以分為不同的種類 ， 如果按照手臂坐標類型來分 ， 機械手主耍有直角坐標式、球坐標式、圓柱坐標式、關(guān)節(jié)坐標式等 。 本設(shè)計研究的機械手屬于直角坐標式的工業(yè)機械手 ， 具有三個 自 由度 ， 主要由機座、導(dǎo)軌和以及各個方向上的機械手臂組成 ， 手臂主耍用以完成工作部件的位移。機械手的三個自由度為 X、 Y、 Z 二個方向的直線運動 ， 其最終的執(zhí)行機構(gòu)由 氣動吸盤來完成。執(zhí)行部件和機械部件包括 X、 Y自由度上的驅(qū)動電機和滾珠絲杠 ， Z自由度上的控制氣缸 ， 以及控制吸取工件執(zhí)行機構(gòu)氣動吸盤 ， 結(jié)構(gòu)如圖 31所示。 圖 31 機械手結(jié)構(gòu)示意圖 注 : 軸基座 軸導(dǎo)軌 軸基座 第三章 控制器設(shè)計及參數(shù)整定 20 機械手 X方向上的移動由安裝在 X軸基座 1上的伺服電機 2 驅(qū)動 ， 伺服電機 1通過聯(lián)軸器與絲杠 3相連 ， Y軸基座 5固聯(lián)到與絲杠 3 配合的螺母上 ， 從而電機 2驅(qū)動絲杠帶動 Y軸基 座 5沿 X移基座方向運動 ， 導(dǎo)軌 4 安裝在 X 軸基座 1上 ， 滑塊安裝在 Y軸基座 5上。 Y 軸方向的移動由安裝在 Y 軸基座 5 上的 Y軸伺服電機 6驅(qū)動 ， 伺服電機6通過聯(lián)軸器與絲杠 7 相連 ， 架子 9 固聯(lián)到與絲杠 7配合的螺母上 ， 從而電機6驅(qū)動絲杠帶動 Z 軸導(dǎo)軌沿 Y基座方向移動 ， 導(dǎo)軌 8安裝在基座 5上 ， 滑塊安裝在架子 9上。 Z 軸方向通過豎直安裝在 Z 軸架子 9 上的氣缸 10 驅(qū)動 ， 吸盤 11 安裝在上下臂上。 機械手的動作流程為 ： 若采用手動控制 ， 則點擊操作面板上相應(yīng)的手動控制按鈕 ， 對于 X軸和 Y軸的運動 ， 由 “ 手動右行 ”、“ 手動左行 ”、“ 手動前進 ”、“ 手 動后退 ” 按鈕控制電機的相應(yīng)動作 ， 對于 Z 軸和夾緊松開動作 ， 由 “ 手動上升 ”、“ 手動下降 ”、“ 手動夾緊 ”、“ 手動松開 ” 按鈕控制氣缸進行相應(yīng)的動作 ， 機械手的各個手臂便按照相應(yīng)的動作要求進行動作 ， 實現(xiàn)需要的控制功能。 若采用自動控制方式 ， 機械手停原點 ， 當系統(tǒng)接收到表示流水線的工件到位的光電傳感器信號后 ， PLC 發(fā)送脈沖經(jīng)過伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服 電 機向 XI 位置移動 ， 檢測到 XI到位信號后 ， 伺服電機停止運行 ， Y軸驅(qū)動電機開始向 Y2方向移動 ， 接收到 Y2 的到位信號后 ， Y 軸停止運行 ， Z軸氣缸開始沿 Z2 方向移動 ， 接收到 Z2 的限位信號后停 止 ， 此時氣動吸盤動作 ， 吸附工件 ， 延時 1S后 ， Z 軸氣缸帶動工件沿 Z1 方向移動 ， 接收到 Z1 的限位信號后停止 ， 電機開始沿 X2 方向移動 ， 接收到傳感器的 X2 到位信號后停止 ， Y 軸沿 Y2 的方向運動 ， 接收到 Y2 的到位信號后停止 ， Z 軸沿 Z2 方向下降 ， 到達 Z2 的限位開關(guān)后停止 ， 松開工件 ， Z 軸在氣缸驅(qū)動下上升至 Z1 處 ， 此時拋光開始 ， 機械手進入等待狀態(tài) ， 當接收到拋光完成信號后 ， Z 軸在電機驅(qū)動下向 Z2方向下降 ，到達 Z2 停止 ， 吸盤置位 ， 吸附工件 ， 延時 IS 后 Z 軸開始上升 ， 至 Z1 處停止 ，X軸向 X3 方向運行 ， Y軸向 Y3 方向運行 ， 分別至檢測到 X3 和 Y3 的到位信號后停止 ， Z軸下降到 Z2 后停止 ， 松開工件 ， Z 軸上升至 Zl， Y軸縮回至原點 ，X軸回原點 ， 等待下一個工件到位信號。 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文 21 輸入輸出接口電路是 PLC與機械手之間的連接部件 ， PLC 通過輸入接口 電路可以接收被控對象的各種信號數(shù)據(jù) ， 以這些數(shù)據(jù)作為 PLC 對被控對象進行控制的依據(jù) ， 同時 PLC 又通過輸出接口電路將處理結(jié)果送給被控對象 ， 以達到控制的目的。 PLC 的輸入輸出接口主要類型包括開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出和模擬量輸入、模擬量輸出等。按電源類型的不同分為直流輸入接口、交流輸入接口和交/直流輸 入接口。直流輸入接口又分為單端共點輸入和雙端輸入 ， 單端共點接電源正極的為 SINK， 單端共點接負極的為 SRCE。 本設(shè)計采用的 PLC 是三菱的 FX2N64MT 系列 ， 輸入輸出點的數(shù)目分別都是32。對于輸入部分 ， 要求的輸入 電 壓是 DC24V， 輸入電流為 5mA； 對于輸出部分 ， 耍求的外部電源為 DC530V， 最大輸出負載是 ， 但是每四點不能超過 。 對于三菱 FX2N64MT 系列 PLC， 輸入類型分別為開關(guān)量輸入、直流輸入、SRCE 型。外部電路的設(shè)計包括手動控制的各個開關(guān)、手動 /自 動選擇開關(guān)和各個光電到位 開關(guān)。由于選用的 PLC 有內(nèi)置電源 ， 所以對于本設(shè)計的手動控制的各個開關(guān) ， 采用內(nèi)置電源驅(qū)動的方式 ， 直接接在 PLC 相應(yīng)的輸入端口。對于光電接近開關(guān) ， 考慮到內(nèi)置電源的容量 ， 決定使用外接電源模塊。 PLC 是共陰極輸入 ， 即 COM 端接負極 ， 故選用的光電接近開關(guān)是 NPN 型 ， 將接近開關(guān)的電源負端接在 PLC 的 COM 端 ， 電源正端接在外接電源的 24V+端 ， 黑色的線接 PLC的對應(yīng)的輸入端。 基于上述的輸入輸出控制要求和傳感器的接線耍求 ， 設(shè)計控制電路 ， 輸入部分的控制電路如圖 32所示。 第三章 控制器設(shè)計及參數(shù)整定 22 圖 32 控制系統(tǒng)輸入電路設(shè)計 圖中所示為控制器的外部連接電路 ， 主要關(guān)于光電傳感器和各個按鈕和開關(guān)的接入。外接的 24V 直流電源驅(qū)動光 電 傳感器 ， 地線接在 PLC 的 COM 端 ， 各個按鈕開關(guān)采用 PLC內(nèi)部的驅(qū)動電源。對于圖中光電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ， 見節(jié)35。 通過分析系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號 ， 設(shè)計接口電路 ， 實現(xiàn)輸入信號的采集和控制信號的輸出 。 輸出部分的詳細接線圖在伺服系統(tǒng)設(shè)計和氣動系統(tǒng)設(shè)計中闡述 ， 具體的控制部分將在第 4章給予詳細說明。 對于控制面板 ， 用于接手動控制的各個按鈕 ，“ 手動左移 ”、“ 手動右移 ”、“ 手動前進 ”、“ 手動后退 ”、“ 手動上升 ”、“ 手動下降 ”、“ 手動吸附 ”、“ 手動松開 ” 以及 “ 停止 ” 按鈕等。 選擇的按鈕為單聯(lián)的三角按鈕開關(guān) ， 按鈕開關(guān)與 PLC 的輸入端口進行連接 ， 需耍串聯(lián)電阻作為電路保護 ，電 路中同時串接有指示燈 ， 用以表明相應(yīng)的按鈕被按下。 伺服系統(tǒng)概述 伺服系統(tǒng)是指用來控制被控對象的某種狀態(tài) ， 使其能自動地、精確地、連續(xù)地復(fù)現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律 ， 也被稱為隨動系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的一個分支 ， 伴隨著自動控制理論、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文 23 的飛速進步 ， 伺服技 術(shù)得以迅速地發(fā)展 ， 涉及到眾多領(lǐng)域 ： 如軍事領(lǐng)域雷達天線的自動喵準跟蹤控制 ， 防空導(dǎo)彈的制導(dǎo)控制 ； 運輸業(yè)中的電氣機車的自動調(diào)速、船舶的自動操舵等等。 伺服系統(tǒng)耍求系統(tǒng)精確地跟蹤控制指令 ， 以實現(xiàn)理想運動控制 ， 在理想的情況下 ， 伺服系統(tǒng)的被控量和給定值應(yīng)該相等 ， 不存在誤差也不受干擾的影響 。但是在實際系統(tǒng)中 ， 是不可能達到理想狀況的 ， 由 于電 路中的電感和電容、機械部件的慣量等因素 ， 使得運動部件的加速度不會很大 ， 速度和位移也不會瞬間變化 ， 總是要經(jīng)歷一段時間 。 通常 ， 定義系統(tǒng)受到外加信號作 用 后 ， 被控量隨時間變化的過程稱為系統(tǒng)的動態(tài) 過程 ， 動態(tài)過程可以充分地反映系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣 ； 另外 ， 控制精度也是衡量系統(tǒng)控制水平的重耍尺度。 伺服系統(tǒng)按照不同的標準可以劃分為多個種類。按執(zhí)行元件分類 ， 可將伺服系統(tǒng)分為步進伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。 (1)步進伺服系統(tǒng) 。 步進伺服系統(tǒng)也稱為開環(huán)位置伺服系統(tǒng) ， 其驅(qū)動元件為步進電機 ， 步進電機的結(jié)構(gòu)簡單、控制容易 ， 采用全數(shù)字化的控制方式 ， 輸入的指令脈沖信號對應(yīng)相應(yīng)的位置輸出 ， 其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖量成正比 ， 運動速度與脈沖頻率成正比 ， 運動方向由步進電機的通電順序決定。 (2)直流伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)常用的 伺服電機有小慣量直流伺服電機和永磁直流電機 ， 小慣量直流電機最大限度地減少了電樞的轉(zhuǎn)動慣量 ， 能獲得較好的快速性 ， 早期的數(shù)控機床上應(yīng)用較多 ， 該電機一般都具有較高的額定轉(zhuǎn)速和較低的慣量 ， 應(yīng)用時要經(jīng)過如減速器之類的中間機械傳動方能與絲杠連接 ； 永磁之類電機的確定是有電刷 ， 對于轉(zhuǎn)速的提高限制了很多 ， 而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 價格較貴。 (3)交流伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般使用交流異步伺服電機和永磁同步伺服電機。交流伺服電機不存在諸如電刷之類的固有缺點 ， 且轉(zhuǎn)子慣量與直流電機相比也小很多 ， 具有很好的動態(tài)響應(yīng)性能 ， 此電機有信號時就動作 ， 沒信號 時立即停止 ， 電機無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象 ， 另外還有機械特性和調(diào)節(jié)特性曲線的線性度好 、 響應(yīng)速度快等特點。 按照控制方式分類 ， 可將伺服系統(tǒng)分為開環(huán)伺服系統(tǒng) ， 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 (1)開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)主耍由數(shù)控裝置、驅(qū)動電路、執(zhí)行部件第三章 控制器設(shè)計及參數(shù)整定 24 和機械部件組成。其常 用 的執(zhí)行部件為步進電機 ， 在需要大功率的場所 ， 電液脈沖馬達也是常用的執(zhí)行部件 。 該類系統(tǒng)沒有檢測裝置 ， 因此系統(tǒng)沒有反饋信號 ， 控制器獲取不到執(zhí)行部件的實際運行情況 ， 系統(tǒng)信息流是單向的 。 該種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單 ， 易于控制 ， 但是存在穩(wěn)定性低、精度不高的問題。 (2)半閉環(huán) 伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)的檢測元件測量絲杠或者電機軸的轉(zhuǎn)角 ，并不直接測量工作臺的直線位移 ， 檢測元件一般安裝在進給絲杠或者電機軸的端 ， 此種控制方式未將絲杠螺母、齒輪傳動副等傳動裝置包含在閉環(huán)反饋系統(tǒng)中 ， 故稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。該種系統(tǒng)不能補償位置閉環(huán)系統(tǒng)外的傳動裝置的誤差 ， 但是可以獲得穩(wěn)定控制特性。本控制采 用 此種方式。 (3)閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)