1、畢業(yè)設計（論文）（說 明 書）題 目：機械手的PLC的控制設計 畢業(yè)設計 （論文） 任 務書專業(yè) 機電一體化 任 務 下 達 日 期年月日設計（論文）開始日期年月日設計（論文）完成日期年月日設計（論文）題目：A·編制設計 機械手的PLC的控制設計 B·設計專題（畢業(yè)論文）指 導教師系（部）主 任 年 月 日畢業(yè)設計（論文）答辯委員會記錄系專業(yè)，學生于年月日進行了畢業(yè)設計（論文）答辯。設計題目：專題（論文）題目：指導老師：答辯委員會根據(jù)學生提交的畢業(yè)設計（論文）材料，根據(jù)學生答辯情況，經(jīng)答辯委員會討論評定，給予學生畢業(yè)設計（論文）成績?yōu)?。答辯委員會人，出席人答辯委員會主任（

2、簽字）：答辯委員會副主任（簽字）：答辯委員會委員：， ， ， 第頁共頁學生：專業(yè) 機電一體化 年級 09 畢業(yè)設計（論文）題目： 機械手的PLC的控制設計 評閱 人：指導教師： （簽字） 年 月 日成 績：系（科）主任： （簽字） 年 月 日畢業(yè)設計（論文）與答辯評語：36 / 40畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢

3、獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導教師簽名： 日期：使用授權說明本人完全了解大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部容。作者簽名： 日 期：學位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成

4、果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大學可以將本學位論文的全部或部分容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日機械手的PLC的控制設計摘要機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務執(zhí)行機構，是機器人的關鍵部件之一。

5、機械手的機械結構采用滾珠絲桿、滑桿、等機械器件組成；電氣方面有交流電機、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術，位置控制技術、檢測技術等，是機電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的機械手是由PLC輸出三路脈沖，分別驅動橫軸、豎軸變頻器，控制機械手橫軸和豎軸的精確定位，微動開關將位置信號傳給PLC主機；位置信號由接近開關反饋給PLC主機，通過交流電機的正反轉來控制機械手手爪的合，從而實現(xiàn)機械手精確運動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化與運動流程的要求隨時更改相關參數(shù)。關鍵詞：機械手，P

6、LC ，變頻器，交流電機目錄摘要1第一章機械手機械結構31.1 傳動機構31.2 機械手夾持器和機座的結構4第二章可編程控制PLC72.1 PLC簡介72.2 PLC的工作原理82.3 PLC機型的選擇方法10第三章三相異步電動機的工作原理與結構133.1 三相異步電動機的結構133.2 三相交流電機工作原理173.3 機械手電機的選用18第四章變頻器194.1 變頻器的構成194.2 變頻器的分類和控制方式23第五章機械手PLC控制系統(tǒng)設計275.1 機械手的工藝過程275.2 PLC控制系統(tǒng)29參考文獻35致36第一章機械手機械結構1.1 傳動機構1螺旋機構螺旋機構由螺桿、螺母和機架組成，

7、其主要功能是將轉動變換為直線運動，并同時傳遞運動和動力，按螺旋副中的摩擦性質，螺旋機構可以分為滑動螺旋機構和滾動螺旋機構兩種類型。按用途可以分為傳力螺旋、傳導螺旋和調整螺旋三種類型。螺旋機構具有結構簡單，制造方便，傳動平穩(wěn)，無噪聲易于自鎖等優(yōu)點。2. 滑動螺旋機構螺旋副為滑動摩擦的的螺旋機構，稱為滑動螺旋機構。滑動螺旋機構所用的螺紋為傳動性能好，效率高的矩形、梯形和鋸齒形螺紋。滑動螺旋機構由螺母和螺桿組成。根據(jù)機構的組成與運動方式，滑動螺旋機構又分為以下兩種。（1）由螺母和螺桿組成的滑動螺旋機構，螺母與機架固聯(lián)，螺桿轉動并移動（如圖1-1b所示），這種螺旋機構以傳遞動力為主，故又稱傳力螺旋機構

8、。一般要求用較小的轉矩產(chǎn)生較大的軸向力，多用在工作時間短，速度較低的場合。（2）由螺母、螺桿和機架組成的滑動螺旋機構，如圖1-1a所示，螺桿轉動，螺母移動，這種螺旋機構以傳遞運動為主，故又稱為傳導螺旋機構。（a）螺桿轉動，螺母移動(b)螺母固定，螺桿轉動并移動圖1-1傳導螺旋機構與滑動螺旋機構的區(qū)別3滾動螺旋機構螺旋副為滾動摩擦的螺旋機構，稱為滾動螺旋機構或滾珠絲杠。其機構特點是在螺桿和螺母之間設有封閉循環(huán)滾道，并在其間放如剛球，當螺桿轉動時，剛球沿螺旋滾道滾動并帶動螺母作直線運動。按循環(huán)方式的不同，分為外循環(huán)和循環(huán)兩種形式。 滾珠始終在循環(huán)過程中始終與螺桿保持接觸的循環(huán)叫循環(huán)。滾珠在返回時與

9、螺桿脫離接觸的循環(huán)叫外循環(huán)（如圖1-2所示）。 圖1-2外循環(huán) 外循環(huán)螺母只需設置一個反向器，當滾珠進入反向器時，就被阻止而轉彎，從返回通道回到滾道的另一端，形成一個循環(huán)回路。機械手的橫向運動采用的便是滾動螺旋傳動。滾動螺旋機構摩擦阻力小，動作靈敏度高，傳動效率高，可達90%以上。用調整的方法可消除間隙，傳動精度高。1.2 機械手夾持器和機座的結構1機械手夾持器機械手的機械夾持器多為雙指手抓式，按其手抓的運動方式可分為平移型和回轉型。回轉型手抓有可分為單支點和雙支點回轉型，按夾持方式可以分為外夾式和撐式。按驅動方式可以電動、液壓和氣動三種。回轉型夾持器結構較簡單，但當所夾持的工件直徑有變動時，

10、將引起工件軸心的偏移。對平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置。但其機械機構繁雜，體積大，制造精度要求高。所以當設計機械手夾持器的時候，在滿足工件的定位精度要求的條件下，盡可能的采用結構比較簡單回轉型夾持器。 本文設計的機械手采用的是楔槽杠桿式回轉型夾持器。如右圖所示，裝在桿上端的滾子3和楔塊之間為滾動接觸。當電機帶動連桿前進時，通過楔塊4的斜面和杠桿1，使兩個手抓產(chǎn)生加緊動作和加緊力。當楔塊后移時，靠彈簧的拉力使手指松開。這種末端執(zhí)行器由于楔塊和滾子之間為滾動接觸，摩擦力小，活動靈活，且機構簡單。2機座機座是機械手的支撐部件，機座承受機械手的全部重量和工作載荷，所以機座應有足夠的強度

11、、剛度和承載能力。另外機座還要求有足夠大的安裝基面，以保證機械手工作時的穩(wěn)定行。如圖1-3所示，機械手采用普通軸承作為支撐元件的機座支撐結構。這種結構有制造簡單、成本低、安裝調整方便等優(yōu)點。圖中電動機3經(jīng)減速器4、主動小齒輪5、中間齒輪6、大齒輪7驅動絲桿2旋轉，從而驅動升降臺上下運動。整個機座安裝在基座8上。機械手的組成第二章 可編程控制PLC2.1 PLC簡介自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、

12、信號處理技術、控制技術網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。作為離散控制的首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界圍的PLC年增長率保持為20%30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC市場容量基數(shù)的不斷擴大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領域占據(jù)著十分重要的位置。 PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)

13、展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在

14、1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。通用PLC應用于專用設備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器2.2 PLC的工作原理可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，可

15、編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出與時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直至可編程序控制器停機 或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可如上圖編程序控制器還要完成，部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段。可編程序控制器的這種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關系來看，處理過程似乎是同時完成的。在部處理聯(lián)合階段。可編程序控制器檢查CPU模塊部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復位，以與完成一些別的部工作。 在通信服務階段，可

16、編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示容。當可編程序控制器處于停止（STOP）狀態(tài)時，只執(zhí)行以上的操作。可編程序控制起處于（RUN）狀態(tài)時，還要完成另外3個階段的操作。在可編程序控制器的存儲器中，設置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。可編程序控制器梯形圖中別的編程元件也有對應的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入寄存器。外接的輸入觸點電路接通時，對應的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開

17、觸點接通，常閉觸點斷開。外接的輸入觸點電路斷開，對應的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點斷開，常閉觸點接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入。可編程序控制器的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按步序號順序排列。在沒有跳轉指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關編程元件的0/1狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應的邏輯運算，運算結果寫入到對應的元件映像寄

18、存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的容隨著程序的執(zhí)行而變化。在輸出處理階段，CPU 將輸出映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體型圖某一輸出繼電器的線圈“通電”時，對應的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應的輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負載斷電，停止工作。某一編程元件對應的映像寄存器為“1”狀態(tài)時，稱該編程元件為ON，映像寄存器為“0”狀態(tài)時，稱

19、該編程元件為OFF。掃描周期可編程序控制器在RUN工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次圖2.5.1a所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期，其典型值為1100ms。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關系。當用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當大的比例。不過嚴格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。如圖2.1c所示。第(N-1)個掃描周期輸出刷新第(N+1)個掃描周期輸入采樣第N個掃描周期輸入采樣輸出刷新用戶程序執(zhí)行圖2-1 PLC的掃描運行方式1.輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入I/O映象區(qū)的相應單元。輸入采樣結束后，

20、轉入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化I/O映象區(qū)的相應單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。2.用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC的CPU總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進行邏輯運算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)。或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達等。3.輸出刷新階段在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區(qū)對應的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動響

21、應的外設。這時才是PLC真正的輸出。4.輸入/輸出滯后時間輸入/輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應時間，是指可編程序控制器的外部輸入信號發(fā)生變化的時刻至它控制的有關外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間三部分組成。輸入模塊的CPU濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸入觸點動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波時間的長短，其典型值為10ms左右。輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關，繼電器型輸出電路的滯后時間一般在10ms左右；雙向可空硅型輸出電路在負載接通時的滯后時間約為1ms，負載由導通到

22、斷開時的最大滯后時間為10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達到兩個多掃描周期。可編程序控制器總的響應延遲時間一般只有幾十ms，對于一般的系統(tǒng)是無關緊要的。要求輸入輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序控制器或采取其他措施。2.3 PLC機型的選擇方法1.PLC的類型PLC按結構分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。整體型PLC的I/O點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模

23、塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。2.輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致。可根據(jù)應用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應用成

24、本。考慮是否需要擴展機架或遠程I/O機架等。3.電源的選擇PLC的供電電源，除了引進設備時同時引進PLC應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設計和選用外，一般PLC的供電電源應設計選用220VAC電源，與國電網(wǎng)電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。4.存儲器的選擇由于計算機集成芯片技術的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少

25、選8K存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。5.冗余功能的選擇（1）控制單元的冗余重要的過程單元：CPU（包括存儲器）與電源均應1B1冗余。在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯系統(tǒng)等。（2）I/O接口單元的冗余控制回路的多點I/O卡應冗余配置。重要檢測點的多點I/O卡可冗余配置。3）根據(jù)需要對重要的I/O信號，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。6.經(jīng)濟性的考慮選擇PLC時，應考慮性能價格比。考慮經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點數(shù)對價格有直接影

26、響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，估因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能圍等選擇都有影響，在算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。第三章三相異步電動機的工作原理與結構3.1 三相異步電動機的結構三相異步電動機的種類很多，但各類三相異步電動機的基本結構是一樣的，它們都由定子和轉子這兩大基本部分組成，在定子和轉子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件，如圖3-1所示。圖3-1 封閉式三相籠型異步電動機結構圖1軸承；2前端蓋；3轉軸；4接線盒；5吊環(huán)；6定子鐵心

27、；7轉子；8定子繞組；9機座；10后端蓋；11風罩；12風扇1定子部分定子是用來產(chǎn)生旋轉磁場的。三相電動機的定子一般由外殼、定子鐵心、定子繞組等部分組成。（1）外殼三相電動機外殼包括機座、端蓋、軸承蓋、接線盒與吊環(huán)等部件。機座：鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是保護和固定三相電動機的定子繞組。中、小型三相電動機的機座還有兩個端蓋支承著轉子，它是三相電動機機械結構的重要組成部分。通常，機座的外表要求散熱性能好，所以一般都鑄有散熱片。端蓋：用鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是把轉子固定在定子腔中心，使轉子能夠在定子中均勻地旋轉。軸承蓋：也是鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型的，它的作用是固定轉子，使轉子不能軸向移動，另外

28、起存放潤滑油和保護軸承的作用。接線盒：一般是用鑄鐵澆鑄，其作用是保護和固定繞組的引出線端子。吊環(huán)：一般是用鑄鋼制造，安裝在機座的上端，用來起吊、搬抬三相電動機。（2）定子鐵心異步電動機定子鐵心是電動機磁路的一部分，由0.35mm0.5mm厚表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成，如圖3-2所示。由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的，所以減少了由于交變磁通通過而引起的鐵心渦流損耗。鐵心圓有均勻分布的槽口，用來嵌放定子繞圈。（a）定子鐵心 （b）定子沖片圖3-2 定子鐵心與沖片示意圖（3）定子繞組定子繞組是三相電動機的電路部分，三相電動機有三相繞組，通入三相對稱電流時，就會產(chǎn)生旋轉磁場。三相繞組由三個彼

29、此獨立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。每個繞組即為一相，每個繞組在空間相差120°電角度。線圈由絕緣銅導線或絕緣鋁導線繞制。中、小型三相電動機多采用圓漆包線，大、中型三相電動機的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽。定子三相繞組的六個出線端都引至接線盒上，首端分別標為U1, V1, W1 ，末端分別標為U2, V2, W2 。這六個出線端在接線盒里的排列如圖3-3所示，可以接成星形或三角形。（a）星形連接（b）三角形連接圖3-3 定子繞組的聯(lián)結2轉子部分（1）轉子鐵心 是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉軸上，作用和定子鐵心一樣，

30、一方面作為電動機磁路的一部分，一方面用來安放轉子繞組。（2）轉子繞組 異步電動機的轉子繞組分為繞線形與籠形兩種，由此分為繞線轉子異步電動機與籠形異步電動機。繞線形繞組與定子繞組一樣也是一個三相繞組，一般接成星形，三相引出線分別接到轉軸上的三個與轉軸絕緣的集電環(huán)上，通過電刷裝置與外電路相連，這就有可能在轉子電路中串接電阻或電動勢以改善電動機的運行性能，見圖3-4。1集電環(huán)；2電刷；3變阻器圖3-4 繞線形轉子與外加變阻器的連接籠形繞組在轉子鐵心的每一個槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個銅環(huán)（稱為端環(huán)）把導條連接起來，稱為銅排轉子，如圖3-5（a）所示。也可用鑄鋁的方法，把轉子導條和端環(huán)風扇葉片

31、用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉子，如圖3-5（b）所示。100kW以下的異步電動機一般采用鑄鋁轉子。（a）銅排轉子 （b）鑄鋁轉子圖3-5 籠形轉子繞組3其他部分其他部分包括端蓋、風扇等。端蓋除了起防護作用外，在端蓋上還裝有軸承，用以支撐轉子軸。風扇則用來通風冷卻電動機。三相異步電動機的定子與轉子之間的空氣隙，一般僅為0.2mm1.5mm。氣隙太大，電動機運行時的功率因數(shù)降低；氣隙太小，使裝配困難，運行不可靠，高次諧波磁場增強，從而使附加損耗增加以與使啟動性能變差。3.2 三相交流電機工作原理1三相交流電機的旋轉磁場三相異步電動機轉子之所以會旋轉、實現(xiàn)能量轉換，是因為轉子氣隙有一個旋轉磁場。下

32、面來討論旋轉磁場的產(chǎn)生。如圖3.6所示，U1U2, V1V2, W1W2為三相定子繞組，在空間彼此相隔120°，接成Y形。三相繞組的首端U1, V1, W1接在三相對稱電源上，有三相對稱電流通過三相繞組。設電源的相序為U, V, W, 的初相角為零，如圖3-6波形圖所示。圖3-6 三相交流電流波形圖 （3-1） （3-2） （3-3） 為了分析方便，假設電流為正值時，在繞組中從始端流向末端，電流為負值時，在繞組中從末端流向首端。根據(jù)”右手螺旋定則”，三相電流所產(chǎn)生的磁場疊加的結果，便形成一個合成磁場，如圖3-7（a）所示，可見此時的合成磁場是一對磁極（即二極），右邊是N極，左邊是S極

33、。當旋轉磁場具有p對極時（即磁極數(shù)為2p），交流電每變化一個周期，其旋轉磁場就在空間轉動1/p轉。因此，三相電動機定子旋轉磁場每分鐘的轉速n1、定子電流頻率f與磁極對數(shù)p之間的關系是 （3-4）3.3 機械手電機的選用Y2系列三相異步電動機具有結構新穎、造型美觀、噪音低、振動小、絕緣等級高等特點，產(chǎn)品現(xiàn)已達到九十年代國際先進水平，是Y系列電機的更新產(chǎn)品。外殼防護等級IP54，它具有良好的起動性能和運行性能，結構簡單，工作可靠，維修方便等特點，電機采用E級或B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為ICO141，額定頻率為50Hz，額定電壓為380V。豎軸驅動電機承載整個機械手的所有負載，需要

34、功率較大，而機械手主要用于生產(chǎn)線夾持較輕便物體，綜合考慮，豎軸選用Y2-63M2-2，功率250W，可滿足生產(chǎn)需要。橫軸主要驅動橫臂的左右運動，承載重量較小，選用Y2-63M1-2，功率180W，即可滿足生產(chǎn)需要。電動機3主要用來控制機械手抓的加緊和放松，所承載負載最小，因此可選用Y2-63M1-4，功率120W。第四章 變頻器變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。20世紀60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了SCR(晶閘管)、GTO(門極可關斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場效應管)、SIT(靜電感應晶體管)、SITH(靜電感應晶閘管)、MGT(MOS控制晶體

35、管)、MCT(MOS控制晶閘管)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)的發(fā)展過程，器件的更新促進了電力電子變換技術的不斷發(fā)展。20世紀70年代開始，脈寬調制變壓變頻(PWMVVVF)調速研究引起了人們的高度重視。20世紀80年代，作為變頻技術核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器已投入市場并獲得了廣泛應用。 4.1 變頻器的構成異步電動機用變頻器調速運轉時的結構圖如圖4-1所示。通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或GTO做逆變元

36、件）給異步電動機提供調壓調頻電源。此電源輸出的電壓或電源與頻率，由控制回路指令進行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運轉指令進行運算獲得。對于需要精密速度或快速響應的場合，運算還應包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓，過電流引起的損壞外就，還應保護異步電動機與傳動系統(tǒng)等。圖4-1 變頻器的構成圖4-2 典型的電壓型逆變器一例主電路給異步電動機提供調速調壓調頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖4-2示出了典型的電壓逆變器的例子，其住電路由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在整流和逆變時產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以與將直流功率變換

37、為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動機需要制動時，有時需附加“制動回路”。1.整流器最近大量使用的是二極管的變流器，如圖4-2所示，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構成可逆變器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。2.平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路的構成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波電路。3.逆變器同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，根據(jù)PWM控制信號使6個開關器件導通、關斷，就可

38、以得到三相頻率一樣的交流輸出。4.制動電路異步電動機在再生制動區(qū)域使用時（轉差率為負），再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機械系統(tǒng)（含電動機）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用逆變器向電源反饋或設置制動回路（開關和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓升高。5.控制電路給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。如圖4-1所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓/電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制回路信號進行放大的“驅動電路”，以與逆變器和電動機的“保護電路”

39、。在圖4-1點劃線，僅以控制A部分構成控制電路時，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路B部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動機的速度進行控制更精確的閉環(huán)控制。控制電路主要包括：（1）運算電路將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓/電流檢測電路與主回路電位隔離，檢測電壓、電流等。(3)驅動電路為驅動主電路器件的電路。它使主電路器件導通、關斷。(4)速度檢測電路以裝在異步電動機軸上的速度檢測器（TG、PLG等）的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉。6.保護電路檢測主電路的電壓、電

40、流等，當發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。保護回路主要包括：（1）逆變器保護瞬時過電流保護。由于逆變器負載側短路等，流過逆變器器件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉，切斷電流。變流器的輸出電流達到異常值，也同樣停止逆變器運轉。過載保護。逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)通達規(guī)定的時間以上，為了防止逆變器期間、線路等損壞要停止運轉。恰當?shù)谋Ｗo需要反時限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護（使用電子電路）。過負載是由于負載的GD（慣性）過大或因負載過大使電機堵轉而產(chǎn)生的。再生過電壓保護。采用逆變器使電動機快速時，由于再生功率直

41、流電路電壓將升高，有時超過容許值。可以采取停止逆變器運轉或快速減速的辦法，防止過電壓。瞬時停電保護。對于數(shù)毫秒以的瞬時停電，控制電路工作正常。但瞬時停電時間在10s以上時，通常會使控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止工作。接地過電流保護。逆變器負載側接地設計，為了保護逆變器，有時要有接地過電流保護功能。但為了確保人身安全，需要裝設漏電斷路器。冷卻風機異常。有冷卻風機的裝置，當風機異常時裝置的溫度將上升。因此采用風機熱繼電器或器件散熱片傳感器，檢出異常后停止逆變器。（2）異步電動機的保護過載保護。過載檢出裝置與逆變器保護共用，但考慮低速運轉的過熱時，在異步電動機埋入溫度檢出器

42、，或者利用裝在逆變器的電子熱保護來檢出過熱。動作頻繁時，可以考慮減輕電動機負載、增加電動機與逆變器容量等。超頻（超速）保護。逆變器的輸出頻率或者異步電動機的速度超過規(guī)定值時，逆變器停止運轉。（3）其他保護防止失速過電流。急加速時，如果異步電動機跟蹤遲緩，則過電流保護電路動作，運轉就不能繼續(xù)進行（失速），所以，在負載電流 減小之前要進行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于 恒速運轉中的過電流，也進行同樣的控制。防止失速再生電壓。減速時產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護電路動作，在直流電壓下降之前要進行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過壓。4.2 變頻器的分類和控制方式變頻

43、器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。變頻器中常用的控制方式:1.非智能控制方式在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等。(1)V/f控制V/f控制是為了得到理想的轉矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出

44、的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結構非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。(2)轉差頻率控制轉差頻率控制是一種直接控制轉矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎上，按照知道異步電動機的實際轉速對應的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉矩來調節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應的輸出轉矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應特性。(3)矢量控制矢量控

45、制是通過矢量坐標電路控制電動機定子電流的大小和相位，以達到對電動機在d、q、0坐標軸系中的勵磁電流和轉矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以與零矢量的作用時間，又可以形成各種PWM波，達到各種不同的控制目的。例如形成開關次數(shù)最少的PWM波以減少開關損耗。目前在變頻器中實際應用的矢量控制方式主要有基于轉差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。基于轉差頻率的矢量控制方式與轉差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標變換對電動機定子電流的相位進行控制，使之滿足一定的條件，以消除轉矩電流過渡過程中的波動。因此，

46、基于轉差頻率的矢量控制方式比轉差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動機上安裝速度傳感器，因此，應用圍受到限制。無速度傳感器矢量控制是通過坐標變換處理分別對勵磁電流和轉矩電流進行控制，然后通過控制電動機定子繞組上的電壓、電流辨識轉速以達到控制勵磁電流和轉矩電流的目的。這種控制方式調速圍寬，啟動轉矩大，工作可靠，操作方便，但計算比較復雜，一般需要專門的處理器來進行計算，因此，實時性不是太理想，控制精度受到計算精度的影響。(4)直接轉矩控制直接轉矩控制是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，通過檢

47、測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉矩，對于多拖動具有負荷平衡功能。(5)最優(yōu)控制最優(yōu)控制在實際中的應用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。(6)其他非智能控制方式在實際應用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實現(xiàn)，例如自適應控制、滑模變結構控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。2.智能控制

48、方式智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、學習控制等。在變頻器的控制中采用智能控制方式在具體應用中有一些成功的例。(1)神經(jīng)網(wǎng)絡控制神經(jīng)網(wǎng)絡控制方式應用在變頻器的控制中，一般是進行比較復雜的系統(tǒng)控制，這時對于系統(tǒng)的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡既要完成系統(tǒng)辨識的功能，又要進行控制。而且神經(jīng)網(wǎng)絡控制方式可以同時控制多個變頻器，因此在多個變頻器級聯(lián)時進行控制比較適合。但是神經(jīng)網(wǎng)絡的層數(shù)太多或者算法過于復雜都會在具體應用中帶來不少實際困難。(2)模糊控制模糊控制算法用于控制變頻器的電壓和頻率，使電動機的升速時間得到控制，以避免升速過快對電機使用壽命的影響以與升速過慢影響工作效率。模糊控制的

49、關鍵在于論域、隸屬度以與模糊級別的劃分，這種控制方式尤其適用于多輸入單輸出的控制系統(tǒng)。(3)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是利用所謂“專家”的經(jīng)驗進行控制的一種控制方式，因此，專家系統(tǒng)中一般要建立一個專家?guī)欤娣乓欢ǖ膶＜倚畔ⅲ硗膺€要有推理機制，以便于根據(jù)已知信息尋求理想的控制結果。專家?guī)炫c推理機制的設計是尤為重要的，關系著專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應用專家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。(4)學習控制學習控制主要是用于重復性的輸入，而規(guī)則的PWM信號(例如中心調制PWM)恰好滿足這個條件，因此學習控制也可用于變頻器的控制中。學習控制不需要了解太多的系統(tǒng)信息，但是需要12個學習周期，因此快速性相對

50、較差，而且，學習控制的算法中有時需要實現(xiàn)超前環(huán)節(jié)，這用模擬器件是無法實現(xiàn)的，同時，學習控制還涉與到一個穩(wěn)定性的問題，在應用時要特別注意。3.變頻器控制的展望隨著電力電子技術、微電子技術、計算機網(wǎng)絡等高新技術的發(fā)展，變頻器的控制方式今后將向以下幾個方面發(fā)展。(1)數(shù)字控制變頻器的實現(xiàn)現(xiàn)在，變頻器的控制方式用數(shù)字處理器可以實現(xiàn)比較復雜的運算，變頻器數(shù)字化將是一個重要的發(fā)展方向，目前進行變頻器數(shù)字化主要采用單片機MCS51或80C196MC等，輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實現(xiàn)更加完善的控制性能。(2)多種控制方式的結合單一的控制方式有著各自的優(yōu)缺點，并沒有“萬能”的控制方式，在有些控

51、制場合，需要將一些控制方式結合起來，例如將學習控制與神經(jīng)網(wǎng)絡控制相結合，自適應控制與模糊控制相結合，直接轉矩控制與神經(jīng)網(wǎng)絡控制相結合，或者稱之為“混合控制”，這樣取長補短，控制效果將會更好。(3)遠程控制的實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，使“天涯若咫尺”，依靠計算機網(wǎng)絡對變頻器進行遠程控制也是一個發(fā)展方向。通過RS485接口與一些網(wǎng)絡協(xié)議對變頻器進行遠程控制，這樣在有些不適合于人類進行現(xiàn)場操作的場合，也可以很容易的實現(xiàn)控制目標。(4)綠色變頻器隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，對于環(huán)境的保護越來越受到人們的重視。變頻器產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)會帶來污染，降低變頻器工作時的噪聲以與增強其工作的可靠性、安全性等等這些問

52、題，都試圖通過采取合適的控制方式來解決，設計出綠色變頻器。第五章 機械手PLC控制系統(tǒng)設計5.1 機械手的工藝過程1.了解設備概況機械手的結構和各部分動作示意圖，如圖下圖所示。機械手的工作均由電機驅動，它的上升、下降、左移、右移都是有電機驅動螺紋絲桿旋轉來完成的。2.分析工藝過程機械手的初始位置停在原點，按下啟動后按扭后，機械手將下降加緊工件上升右移再下降放松工件在上升左移八個動作，完成一個工作周期。機械手的下降、上升、右移、左移等動作轉換，是由相應的限位開關來控制的，而加緊、放松動作的轉換是有時間來控制的。為了確保安全，機械手右移到位后，必須在右工作臺上無工件時才能下降，若上次搬到右工作臺上

53、的工件尚未移走，機械手應自動暫停，等待。為此設置了一個光電開關，以檢測“無工件”信號。3.控制方面的要求 圖5-1 機械手的控制要求(1)單步工作方式：從原點開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按為了滿足生產(chǎn)要求，機械手設置了手動工作方式和自動工作方式，而自動工作方式又分為單步、單周期和連續(xù)工作方式。手動工作方式：利用按鈕對機械手每一步動作進行控制。例如，按下“下降”按鈕，機械手下降；按下“上升”按鈕，機械手上升。手動操作可用于調整工作位置和緊急停車后機械手返回原點。單周期工作方式：按下啟動按鈕，機械手按工序自動自動完成一個周期的動作，返回原點后停止。連續(xù)工作方式：按下按鈕，機械手從原點，按步序自

54、動反復連續(xù)工作，在連續(xù)工作方式下設置兩種停車狀態(tài)：正常停車：在正常工作狀態(tài)下停車。按下復位按鈕，機械手在完成最后一個周期的工作后，返回原點自動停機。緊急停車：在發(fā)生事故或緊急狀態(tài)時停車。按下緊急停車按鈕，機械手停止在當前狀態(tài)。當故障排除后，需手動回到原點。5.2 PLC控制系統(tǒng)1.確定輸入/輸出點數(shù)并選擇PLC型號(1）輸入信號位置檢測信號：下限、上限、右限、左限共4個行程開關，需要4個輸入端子。“無工件檢測”信號：用光電開關作檢測元件，需要1個端子。“工作方式”選擇開關：有手動、單步、單周期和連續(xù)4種工作方式，需要4個輸如端子。手動操作：需要有下降、上升、右移、左移、加緊、放松6個按鈕，也需要6個輸入端子。自動工作：尚需啟動、正常停車、緊急停車3個按鈕，也需要3個輸入端子。以上共需要18個輸入信號。(2）輸出信號PL