機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題題 目目: :機(jī)械手的機(jī)械手的 PLCPLC 控制控制 專專 業(yè)業(yè): : 機(jī)電一體化機(jī)電一體化 班班 級級: : 學(xué)學(xué) 號號: : 姓姓 名名: : 指導(dǎo)老師指導(dǎo)老師: : 成都電子機(jī)械高等專科學(xué)校 二七年六月 機(jī)械手的 PLC 控制 1 摘 要 機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之 一。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機(jī)械器件組成；電氣方面有交 流電機(jī)、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(shù)， 位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機(jī)電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的 機(jī)械手是由 PLC 輸出三路脈沖，分別驅(qū)動橫軸、豎軸變頻器，控制機(jī)械手橫軸 和豎軸的精確定位，微動開關(guān)將位置信號傳給 PLC 主機(jī)；位置信號由接近開關(guān) 反饋給 PLC 主機(jī)，通過交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制機(jī)械手手爪的張合，從而實(shí)現(xiàn) 機(jī)械手精確運(yùn)動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運(yùn)機(jī)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(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，并可根據(jù)工件的 變化及運(yùn)動流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù)。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手 PLC 變頻器 交流電機(jī) 機(jī)械手的 PLC 控制 2 Abstract Manipulator industrial robot systems traditional mandate, Robot is one of the key components. Manipulator using the mechanical structure of screw-ball, slider, and other mechanical devices composition; Electric have AC motor, inverter, sensor, and other electronic device components. The device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, Mechatronics is a typical representative of one of the machines. This paper presents a manipulator by three PLC output pulse, driving horizontal, the vertical axis transducer, control manipulator axis horizontal and vertical positioning precision, micro-switches position signal transmission will host PLC; location close to the switching signal from the feedback from the mainframe to the PLC, through the exchange of Motor reversion to control the manipulator gripper Zhang, thus achieving accurate manipulator movement functions. The topics to be developed by the Manipulator grasping be up in space objects, movements flexible, diverse, can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations, According to the workpiece can change the campaign process and the requirements of any changes to the relevant parameters. Key Words: Manipulator PLC Inverter AC motor 機(jī)械手的 PLC 控制 3 目 錄 摘摘 要要1 ABSTRACT2 引引 言言4 第一章第一章機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu).5 11傳動機(jī)構(gòu)5 12 機(jī)械手夾持器和機(jī)座的結(jié)構(gòu)機(jī)械手夾持器和機(jī)座的結(jié)構(gòu).6 第二章可編程控制第二章可編程控制 PLC.8 21 PLC 簡介簡介8 22 PLC 內(nèi)部原理內(nèi)部原理.10 A.A. 系統(tǒng)程序存儲區(qū)系統(tǒng)程序存儲區(qū)11 B.B. 系統(tǒng)系統(tǒng) RAMRAM 存儲區(qū)存儲區(qū)11 C C用戶程序存儲區(qū)用戶程序存儲區(qū)11 23 PLC 的工作原理的工作原理.12 24 PLC 機(jī)型的選擇方法機(jī)型的選擇方法.15 26 機(jī)械手機(jī)械手 PLC 選擇及參數(shù)選擇及參數(shù)17 第三章第三章 三相異步電動機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)三相異步電動機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)19 31 三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)19 32 三相交流電機(jī)工作原理三相交流電機(jī)工作原理23 33 三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理25 33 機(jī)械手電機(jī)的選用機(jī)械手電機(jī)的選用29 第四章第四章 變頻器變頻器29 4.1 變頻器的構(gòu)成變頻器的構(gòu)成30 4.2 變頻器的分類和控制方式變頻器的分類和控制方式.34 4.3 FR-A540 變頻器變頻器.37 第五章第五章 機(jī)械手機(jī)械手 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)40 51 機(jī)械手的工藝過程機(jī)械手的工藝過程40 52 PLC 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng).42 致答謝詞致答謝詞48 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)49 機(jī)械手的 PLC 控制 4 引 言 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題。隨著工 業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展,自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、 無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時(shí)，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣 的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等， 這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。 工業(yè)機(jī)械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理 論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中 的一個重要組成部分。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、 提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲 以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較 快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。 本課題擬開發(fā)物料搬運(yùn)機(jī)械手，采用日本三菱公司的 FX2N 系列 PLC， 對機(jī)械手的上下、左右以及抓取運(yùn)動進(jìn)行控制。該裝置機(jī)械部分有滾珠絲杠、 滑軌、機(jī)械抓手等；電氣方面由交流電機(jī)、變頻器、操作臺等部件組成。我 們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機(jī)械手完成各種動作。 由于時(shí)間倉促和個人水平限制，我的設(shè)計(jì)存在著許多還沒來得及解決的 問題，希望廣大老師、同學(xué)能夠給予批評指正并予以解決。 機(jī)械手的 PLC 控制 5 第一章 機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu) 11 傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu) 1螺旋機(jī)構(gòu) 螺旋機(jī)構(gòu)由螺桿、螺母和機(jī)架組成，其主要功能是將轉(zhuǎn)動變換為直線運(yùn)動， 并同時(shí)傳遞運(yùn)動和動力，按螺旋副中的摩擦性質(zhì)，螺旋機(jī)構(gòu)可以分為滑動螺旋 機(jī)構(gòu)和滾動螺旋機(jī)構(gòu)兩種類型。按用途可以分為傳力螺旋、傳導(dǎo)螺旋和調(diào)整螺 旋三種類型。 螺旋機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳動平穩(wěn)，無噪聲易于自鎖等優(yōu)點(diǎn)。 2. 滑動螺旋機(jī)構(gòu) 螺旋副內(nèi)為滑動摩擦的的螺旋機(jī)構(gòu)，稱為滑動螺旋機(jī)構(gòu)?；瑒勇菪龣C(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)由螺母和螺桿組成。根據(jù)機(jī)構(gòu)的組成及運(yùn)動方式，滑動螺旋 機(jī)構(gòu)又分為以下兩種。 （1） 由螺母和螺桿組成的滑動螺旋機(jī)構(gòu)，螺母與機(jī)架固聯(lián)，螺桿轉(zhuǎn)動并移動 （如圖 1-1b 所示） ，這種螺旋機(jī)構(gòu)以傳遞動力為主，故又稱傳力螺旋機(jī)構(gòu)。一 般要求用較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的軸向力，多用在工作時(shí)間短，速度較低的場合。 （2） 由螺母、螺桿和機(jī)架組成的滑動螺旋機(jī)構(gòu)，如圖 1-1a 所示，螺桿轉(zhuǎn)動， 螺母移動，這種螺旋機(jī)構(gòu)以傳遞運(yùn)動為主，故又稱為傳導(dǎo)螺旋機(jī)構(gòu)。 本文所介紹的機(jī)械手的豎軸就是用的傳導(dǎo)螺旋機(jī)構(gòu)。這種傳動形式結(jié)構(gòu)緊湊， 剛度較大，傳動效率高，精度高。 機(jī)械手的 PLC 控制 6 （a）螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動 (b) 螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動 圖 1-1 3滾動螺旋機(jī)構(gòu) 螺旋副內(nèi)為滾動摩擦的螺旋機(jī)構(gòu)，稱為滾動螺旋機(jī)構(gòu)或滾珠絲杠。其機(jī)構(gòu) 特點(diǎn)是在螺桿和螺母之間設(shè)有封閉循環(huán)滾道，并在其間放如剛球，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動 時(shí)，剛球沿螺旋滾道滾動并帶動螺母作直線運(yùn)動。按循環(huán)方式的不同，分為外 循環(huán)和內(nèi)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)叫內(nèi)循環(huán)。滾珠在返回時(shí)與螺桿脫離接觸 的循環(huán)叫外循環(huán)（如圖 1-2 所示） 。外循環(huán)螺母 只需設(shè)置一個反向器，當(dāng)滾珠進(jìn)入反向器時(shí)， 就被阻止而轉(zhuǎn)彎，從返回通道回到滾道的另一 端，形成一個循環(huán)回路。 機(jī)械手的橫向運(yùn)動采用的便是滾動螺旋傳動。 滾動螺旋機(jī)構(gòu)摩擦阻力小，動作靈敏度高，傳 動效 率高，可達(dá) 90%以上。用調(diào)整的方法可消除間 隙，傳動 精度高。 圖 1-2 12 機(jī)械手夾持器和機(jī)座的結(jié)構(gòu) 1機(jī)械手夾持器 機(jī)械手的 PLC 控制 7 機(jī)械手的機(jī)械夾持器多為雙指手抓式，按其手抓的運(yùn)動方式可分為平移型 和回轉(zhuǎn)型?；剞D(zhuǎn)型手抓有可分為單支點(diǎn)和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，按夾持方式可以分為 外夾式和內(nèi)撐式。按驅(qū)動方式可以電動、液壓和氣動三種。 回轉(zhuǎn)型夾持器結(jié)構(gòu)較簡單，但當(dāng)所夾持的 工件直徑有變動時(shí)，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(jī)械機(jī)構(gòu)繁雜，體積大，制造 精度要求高。所以當(dāng)設(shè)計(jì)機(jī)械手夾持器的時(shí)候， 在滿足工件的定位精度要求的條件下，盡可能 的采用結(jié)構(gòu)比較簡單回轉(zhuǎn)型夾持器。 本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用的是楔槽杠桿式回 轉(zhuǎn)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(dāng)電機(jī)帶動連桿前進(jìn) 時(shí)，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(dāng)楔塊后移時(shí)，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(jī)構(gòu)簡單。 2機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的支撐部件，機(jī)座承受機(jī)械手的全部重量和工作載荷，所 以機(jī)座應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力。另外機(jī)座還要求有足夠大的安裝基 面，以保證機(jī)械手工作時(shí)的穩(wěn)定行。 機(jī)械手的 PLC 控制 8 如圖 1-3 所示，機(jī)械手采用普通軸承作為支撐元件的機(jī)座支撐結(jié)構(gòu)。這 種結(jié)構(gòu)有制造簡單、成本低、安裝調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。圖中電動機(jī) 3 經(jīng)減速器 4、主動小齒輪 5、中間齒輪 6、大齒輪 7 驅(qū)動絲桿 2 旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動升降臺上 下運(yùn)動。整個機(jī)座安裝在基座 8 上。 第二章可編程控制 PLC 21 PLC 簡介 自二十世紀(jì)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(yīng)用。同時(shí)，PLC 的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信 號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC 在開 關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動控制等功能。今天的 PLC 不再局限 于邏輯控制，在運(yùn)動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。 機(jī)械手的 PLC 控制 9 作為離散控的制的首選產(chǎn)品，PLC 在二十世紀(jì)八十年代至九十年代得到了 迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)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(kuò)大，近年來 PLC 在工業(yè)發(fā)達(dá)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(guān)資料， 2004 年全球 PLC 的銷售收入為 100 億美元左右，在自動化領(lǐng)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)展起來的，二十世紀(jì)七十年代的 PLC 只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運(yùn) 算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達(dá)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(yùn)行時(shí)按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以 完成工藝流程要求的操作。PLC 的 CPU 內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計(jì)數(shù)器， 在程序運(yùn)行過程中，每執(zhí)行一步該計(jì)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(yùn)算。 PLC 每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱為一個掃描周期。不同型號的 PLC，循環(huán) 掃描周期在 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(diǎn)，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(dāng)成開關(guān)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(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給 PLC 的控制器。 相同 I/O 點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用 PLC 比用 DCS，其成本要低一些（大約能省 40%左右） 。PLC 沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成 本比 DCS 要低很多。一個 PLC 的控制器，可以接收幾千個 I/O 點(diǎn)（最多可達(dá) 8000 多個 I/O） 。如果被控對象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用 PLC 較為合適。 PLC 由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近 10 年來，隨著 PLC 價(jià)格的不斷降低和用戶需求的不斷擴(kuò)大，越來越多的中小 設(shè)備開始采用 PLC 進(jìn)行控制，PLC 在我國的應(yīng)用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟(jì) 的高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動化水平的不斷提高，今后一段時(shí)期內(nèi) PLC 在我國仍將保 持高速增長勢頭。 通用 PLC 應(yīng)用于專用設(shè)備時(shí)可以認(rèn)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(shí)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 機(jī)械手的 PLC 控制 10 22 PLC 內(nèi)部原理 PLC 實(shí)質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)和微機(jī)是基本 一 的。如圖 2.1 所示， PLC 硬件的基本結(jié)構(gòu)圖所示： 編程器 中央處理單元 （CPU） 輸入電路 輸出 電路 系統(tǒng)程序存儲區(qū)用戶程序存儲區(qū) 電 源 圖 2-1 PLC 硬件的基本結(jié)構(gòu)圖 （1）中央處理單元（CPU） 中央處理單元（CPU）是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功 能，接受并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲器、I/O 以 及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能檢查用戶程序的語法錯誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首 先它以掃描的方式接受現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū), 然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí) 行邏輯或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運(yùn)算等結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù) 寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢以后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài) 或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行 機(jī)械手的 PLC 控制 11 為止。 （2）存儲器 與微型計(jì)算機(jī)一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺完整的 PLC。PLC 的軟件分為兩部分: 系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱 為系統(tǒng)程序存儲器。 PLC 存儲空間的分配：雖然大、中、小型 PLC 的 CPU 的最大可尋址存儲空 間各不相同，但是根據(jù) PLC 的工作原理， 其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域： 系統(tǒng)程序存儲區(qū)，系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)（包括 I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和用戶 程序存儲區(qū)。 A. 系統(tǒng)程序存儲區(qū) 在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。它包括監(jiān) 控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。由制造廠 商將其固化在 EPROM 中，用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該 PLC 的 各項(xiàng)功能。 B. 系統(tǒng) RAM 存儲區(qū) 系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)包括 I/O 映象區(qū)以及各類軟設(shè)備（例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù) 寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲區(qū)。 （A）I/O 映象區(qū) 由于 PLC 投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)， 在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要有一定 數(shù)量的存儲單元（RAM）以供存放 I/O 的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲單元稱作 I/O 映 象區(qū)。一個開關(guān)量 I/O 占用存儲單元中的一個位（bit）, 一個模擬量 I/O 占用 存儲單元中的一個字（16 個 bit)。因此，整個 I/O 映象區(qū)可看作由開關(guān)量的 I/O 映象區(qū)和模擬量的 I/O 映象區(qū)兩部分組成。 （B）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū) 除了 I/O 映象區(qū)以外，系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)還包括 PLC 內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏 輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）的存儲區(qū)。 該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在 PLC 斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電子供電。使這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)得以保留；后 者當(dāng) PLC 停止運(yùn)行時(shí)，將這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)全部置“零” 。 機(jī)械手的 PLC 控制 12 C用戶程序存儲區(qū) 用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的 PLC 其存儲容量各 不相同，一般來說，隨著 PLC 機(jī)型增大其存儲容量也相應(yīng)增大。不過對于新型 的 PLC，其存儲容量可根據(jù)用戶的需要而改變。 D常用的 I/O 分類 常用的 I/O 分類如下： 開關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有 繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA） 、電壓型（0-10V,0- 5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 I/O 外，還有特殊 I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖 等模塊。 按 I/O 點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 （3）PLC 電源 PLC 電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。無論是小型的 PLC，還是中、 大型的 PLC，其電源的性能都是一樣的，均能對 PLC 內(nèi)部的所有器件提供一個 穩(wěn)定可靠的直流電源。一般交流電壓波動在正負(fù) 10%（15%）之間，因此可以直 接將 PLC 接入到交流電網(wǎng)上去。 可編程序控制器一般使用 220V 交流電源?？删幊绦蚩刂破鲀?nèi)部的直流穩(wěn)壓 電源為各模塊內(nèi)的元件提供直流電壓。某些可編程序控制器可以為輸入電路和 少量的外部電子檢測裝置（如接近開關(guān)）提供 24V 直流電源。驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機(jī) 構(gòu)的電源一般由用戶提供。 可編程序控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，它 的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似，梯形圖中的 某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入、輸 出繼電器等。這種計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的“軟繼電器” ， 與繼電器系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)在功能上某些相似之處。 機(jī)械手的 PLC 控制 13 23 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(yùn)行（RUN）狀態(tài)與停止 （STOP）狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序 來實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)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(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序 控制器停機(jī) 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，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為 5 個階段?？删幊绦蚩刂?器的這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的 速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來看，處理過程似乎是同時(shí)完成的。 在內(nèi)部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查 CPU 模塊內(nèi)部的硬件是否正常， 將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。 在通信服務(wù)階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響 應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當(dāng)可編程序控制器處于停止 （STOP）狀態(tài)時(shí)，只執(zhí)行以上的操作。可編程序控制起處于（RUN）狀態(tài)時(shí)，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(shè)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?？删幊绦蚩刂?器梯形圖中別的編程元件也有對應(yīng)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(diǎn)電路接通時(shí)，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖 中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開。外接的輸入觸點(diǎn)電路斷 開，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸 點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)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(zhuǎn)指令時(shí)，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(jié)束之處。在執(zhí)行指令時(shí)，從輸入映像寄存器或別的元件 機(jī)械手的 PLC 控制 14 映像寄存器中將有關(guān)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(yīng) 的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果寫入到對應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的 映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)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(shí)，對應(yīng)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(yīng)的硬件繼電器的 線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。 若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應(yīng)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(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸 點(diǎn)斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作。某一編程元件對應(yīng)的映像寄存器為“1”狀 態(tài)時(shí)，稱該編程元件為 ON，映像寄存器為“0”狀態(tài)時(shí)，稱該編程元件為 OFF。 掃描周期可編程序控制器在 RUN 工作狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行一次圖 2.5.1a 所示的掃描操 作所需的時(shí)間稱為掃描周期，其典型值為 1100ms。指令執(zhí)行所需的時(shí)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(guān)系。當(dāng)用戶程序 較長時(shí)，指令執(zhí)行時(shí)間在掃描周期中占相當(dāng)大的比例。不過嚴(yán)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 2.1c PLC 的掃描運(yùn)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(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)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(yīng)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 機(jī)械手的 PLC 控制 15 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(jìn)行邏輯運(yùn)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(yīng)位的狀態(tài)?；蛘叽_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(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達(dá)等。 （3）輸出刷新階段 在輸出刷新階段，CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)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(qū)動響應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)才是 PLC 真正的輸出。 (4)輸入/輸出滯后時(shí)間 輸入/輸出滯后時(shí)間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，是指可編程序控制器的外部輸入信 號發(fā)生變化的時(shí)刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時(shí)刻之間的時(shí)間間 隔，它由輸入電路濾波時(shí)間、輸出電路的滯后時(shí)間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯 后時(shí)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(diǎn)動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時(shí)間常數(shù)決定了輸入 濾波時(shí)間的長短，其典型值為 10ms 左右。 輸出模塊的滯后時(shí)間與模塊的類型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時(shí)間一 般在 10ms 左右；雙向可空硅型輸出電路在負(fù)載接通時(shí)的滯后時(shí)間約為 1ms，負(fù) 載由導(dǎo)通到斷開時(shí)的最大滯后時(shí)間為 10ms；晶體管型輸出電路的滯后時(shí)間約為 1ms。由掃描工作方式引起的滯后時(shí)間最長可達(dá)到兩個多掃描周期?？删幊绦蚩?制器總的響應(yīng)延遲時(shí)間一般只有幾十 ms，對于一般的系統(tǒng)是無關(guān)緊要的。要求 輸入輸出信號之間的滯后時(shí)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。 24 PLC 機(jī)型的選擇方法 1PLC 的類型 PLC 按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)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(yīng)用角度 出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c(diǎn)數(shù)選型。整體型 PLC 的 I/O 點(diǎn)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(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便 機(jī)械手的 PLC 控制 16 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(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮 信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊， 應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍 廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性 低功率因數(shù)負(fù)荷場合，但價(jià)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(yīng)用要求應(yīng)一致。可根據(jù)應(yīng)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(yīng)用成本?？紤]是否需要擴(kuò)展機(jī) 架或遠(yuǎn)程 I/O 機(jī)架等。 3.電源的選擇 PLC 的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn) PLC 應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè) 計(jì)和選用外，一般 PLC 的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用 220VAC 電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一 致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)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(shí)，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng) 目的正常投運(yùn)，一般要求 PLC 的存儲器容量，按 256 個 I/O 點(diǎn)至少選 8K 存儲器 選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。 5.冗余功能的選擇 a控制單元的冗余 （1）重要的過程單元：CPU（包括存儲器）及電源均應(yīng) 1B1 冗余。 （2）在需要時(shí)也可選用 PLC 硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2 重化或 3 重化冗余容錯系統(tǒng)等。 b I/O 接口單元的冗余 （1）控制回路的多點(diǎn) I/O 卡應(yīng)冗余配置。 （2）重要檢測點(diǎn)的多點(diǎn) I/O 卡可冗余配置。3）根據(jù)需要對重要的 I/O 信號， 機(jī)械手的 PLC 控制 17 可選用 2 重化或 3 重化的 I/O 接口單元。 6.經(jīng)濟(jì)性的考慮 選擇 PLC 時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比?？紤]經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用的可擴(kuò) 展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn) 品。 輸入輸出點(diǎn)數(shù)對價(jià)格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費(fèi) 用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增 加，估因此，點(diǎn)數(shù)的增加對 CPU 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有 影響，在算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。 26 機(jī)械手 PLC 選擇及參數(shù) 綜合上述原則機(jī)械手控制系統(tǒng)主機(jī)為三菱的 FX2N-48MR。 1.主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 工作電源：24VDC 輸入點(diǎn)數(shù)：24 輸出點(diǎn)數(shù)：24 輸入信號類型：直流或開關(guān)量 輸入電流：24VDC 5mA 模擬輸入：-10V10V（-20mA+20mA） 輸出晶體管允許電流 0.3A/點(diǎn)（1.2A/COM） 輸出電壓規(guī)格：30VDC 最大負(fù)載：9W 輸出反應(yīng)時(shí)間：OffOn 20s OnOff 30s 基本指令執(zhí)行時(shí)間：數(shù)個 s 程序語言：指令+梯形圖+SFC 程序容量：3792STEPS 基本順序指令：32 個（含步進(jìn)梯形指令） 應(yīng)用指令：100 種 初始步進(jìn)點(diǎn)：S0S9 一般步進(jìn)點(diǎn)：118 點(diǎn)，S10S127 機(jī)械手的 PLC 控制 18 輔助繼電器：一般用 512+232 點(diǎn)（M000M511+M768M999） 停電保持用 256 點(diǎn)（M512M767） 特殊用 280 點(diǎn)（M1000M1279） 定時(shí)器：100ms 時(shí)基 64 點(diǎn)（T0T63） 10ms 時(shí)基 63 點(diǎn)（T64T126，M1028 為 ON 時(shí)） 1ms 時(shí)基 1 點(diǎn)（T127） 計(jì)數(shù)器：一般用 112 點(diǎn)（C000C111，16 位計(jì)數(shù)器） 停電保持用 16 點(diǎn)（C112C127，16 位計(jì)數(shù)器） 高速用 13 點(diǎn) 1 相 5kHz，2 相 2kHz（C235C254，全部為停電保 持 32 位計(jì)數(shù)器） 數(shù)據(jù)寄存器：一般用 408 點(diǎn)（D000D407） 停電保持用 192 點(diǎn)（D408D599） 特殊用 144 點(diǎn)（D1000D1143） 指針/中斷：P64 點(diǎn)；I4 點(diǎn)（P0P63/I001、I101、I201、I301） 串聯(lián)通信口：程序?qū)懭?讀出通訊口：RS232 一般功能通訊口：RS485 主機(jī)電源 220V AC 2.PLC 主機(jī)的組成 1、輸入單元 輸入單元由 8 個按扭、8 個開關(guān)和 16 個接插件組成，它們分別與 PLC 的 16 個輸入點(diǎn)相接。改變這些開關(guān)或按扭的通斷狀態(tài)，即可對主機(jī)輸入所需要的開 關(guān)量。16 個接插件可外接其它直流或開關(guān)量輸入信號。 2、輸出單元 輸出單元由 24 個二極管和 24 個接插件組成，它們分別與 PLC 的 24 個輸出 點(diǎn)相連。發(fā)光二極管是否發(fā)光，即可表示輸出點(diǎn)的狀態(tài)，使用者可得到主機(jī)的 輸出信息。24 個輸出接插件可外接其它需要控制的設(shè)備。輸出單元的 4 個地端， 分別引出到面板，其中只有 C4 與 3V 電源共地。 3、電源單元 PLC 主機(jī)左邊有外接 220V/AV 的電源插座，作為 PLC 的工作電源。內(nèi)裝變 壓器，輸出 3V 電源，供二極管使用。另外 PLC 的 24VDC 和 24GND 已引出到面板， 供外接輸入器件（如傳感器）的工作電源用 機(jī)械手的 PLC 控制 19 第三章 三相異步電動機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu) 31 三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 三相異步電動機(jī)的種類很多，但各類三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 是相同的，它們都由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)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 3-11 所 示。 圖 3-1 封閉式三相籠型異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖 1軸承；2前端蓋；3轉(zhuǎn)軸；4接線盒；5吊環(huán)；6定子鐵心； 7轉(zhuǎn)子；8定子繞組；9機(jī)座；10后端蓋；11風(fēng)罩；12風(fēng)扇 1定子部分 定子是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。三相電動機(jī)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(jī)外殼包括機(jī)座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環(huán)等部件。 機(jī)座：鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是保護(hù)和固定三相電動機(jī)的定子繞組。 中、小型三相電動機(jī)的機(jī)座還有兩個端蓋支承著轉(zhuǎn)子，它是三相電動機(jī)機(jī)械結(jié) 機(jī)械手的 PLC 控制 20 構(gòu)的重要組成部分。通常，機(jī)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(zhuǎn)子固定在定子內(nèi)腔中心，使轉(zhuǎn) 子能夠在定子中均勻地旋轉(zhuǎn)。 軸承蓋：也是鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型的，它的作用是固定轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子不能軸向 移動，另外起存放潤滑油和保護(hù)軸承的作用。 接線盒：一般是用鑄鐵澆鑄，其作用是保護(hù)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(jī)座的上端，用來起吊、搬抬三相電動機(jī)。 （2）定子鐵心 異步電動機(jī)定子鐵心是電動機(jī)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 內(nèi)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 定子鐵心及沖片示意圖 （3）定子繞組 定子繞組是三相電動機(jī)的電路部分，三相電動機(jī)有三相繞組，通入三 相對稱電流時(shí)，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。三相繞組由三個彼此獨(dú)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(dǎo)線或絕緣鋁導(dǎo)線繞制。中、小型三相電動機(jī)多采 用圓漆包線，大、中型三相電動機(jī)的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁 機(jī)械手的 PLC 控制 21 鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽內(nèi)。定子三相繞組的六個出線端都 引至接線盒上，首端分別標(biāo)為 U1, V1, W1 ，末端分別標(biāo)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 a）星形連接）星形連接 （b b）三角形連接）三角形連接 圖圖 3-33-3 定子繞組的聯(lián)結(jié)定子繞組的聯(lián)結(jié) 2轉(zhuǎn)子部分 （1）轉(zhuǎn)子鐵心 是用 0.5mm 厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉(zhuǎn)軸上，作用和定子鐵 心相同，一方面作為電動機(jī)磁路的一部分，一方面用來安放轉(zhuǎn)子繞組。 （2）轉(zhuǎn)子繞組 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組分為繞線形與籠形兩種，由此分為繞線 轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)與籠形異步電動機(jī)。 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(zhuǎn)軸上的三個與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電路中串接電阻或電動勢以改善電動機(jī)的運(yùn)行性能， 見圖 3-4。 機(jī)械手的 PLC 控制 22 1集電環(huán)；2電刷；3變阻器 圖 3-4 繞線形轉(zhuǎn)子與外加變阻器的連接 籠形繞組 在轉(zhuǎn)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(dǎo)條連接起來，稱為銅排轉(zhuǎn)子，如圖 3-5（a）所示。也可用鑄鋁的 方法，把轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)風(fēng)扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉(zhuǎn)子，如圖 3-5（b）所示。100kW 以下的異步電動機(jī)一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。 （a）銅排轉(zhuǎn)子 （b）鑄鋁轉(zhuǎn)子 圖 3-5 籠形轉(zhuǎn)子繞組 3其他部分 其他部分包括端蓋、風(fēng)扇等。端蓋除了起防護(hù)作用外，在端蓋上還裝有 機(jī)械手的 PLC 控制 23 軸承，用以支撐轉(zhuǎn)子軸。風(fēng)扇則用來通風(fēng)冷卻電動機(jī)。三相異步電動機(jī)的定子 與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙，一般僅為 0.2mm1.5mm。氣隙太大，電動機(jī)運(yùn)行時(shí)的功 率因數(shù)降低；氣隙太小，使裝配困難，運(yùn)行不可靠，高次諧波磁場增強(qiáng)，從而 使附加損耗增加以及使啟動性能變差。 32 三相交流電機(jī)工作原理 1三相交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場 三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子之所以會旋轉(zhuǎn)、實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，是因?yàn)檗D(zhuǎn)子氣隙內(nèi) 有一個旋轉(zhuǎn)磁場。下面來討論旋轉(zhuǎn)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(shè)電源的相序?yàn)?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 設(shè) 為了分析方便，假設(shè)電流為正值時(shí)，在繞組中從始端流向末端，電流為負(fù)值 tiUsin )120sin(tiW tiUsin 0t U i W i 機(jī)械手的 PLC 控制 24 時(shí)，在繞組中從末端流向首端。 當(dāng) 的瞬間， =0， 為負(fù)值， 為正值，根據(jù)”右手螺旋定則” ，三相電流所產(chǎn)生的磁場疊加的結(jié) 果，便形成一個合成磁場，如圖 3-7（a）所示，可見此時(shí)的合成磁場是一對磁 極（即二極） ，右邊是 N 極，左邊是 S 極。 圖 3.7 兩極旋轉(zhuǎn)磁場示意圖 圖 3-8 空間 120 度 對稱分布的三相繞組通過三相對稱的交流電流時(shí)，產(chǎn)生的合成磁場 為極對數(shù) p=1 的空間旋轉(zhuǎn)磁場，每電源周期旋轉(zhuǎn)一周，即兩個極距；某相繞 組中電流達(dá)到最大值時(shí)，磁極軸線恰好旋轉(zhuǎn)到該相繞組軸線上。 當(dāng) 時(shí)，即經(jīng)過 1/4 周期后， 由零變成正的最大值， 仍為負(fù) 值， 已變成負(fù)值，如圖 3-8（b）所示，這時(shí)合成磁場的方位與 時(shí)相比，已按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過了 90。 應(yīng)用同樣的方法，可以得出如下結(jié)論：當(dāng) 時(shí)，合成磁場就轉(zhuǎn)過 了 180，如圖 3-8（c）所示；當(dāng) 時(shí)合成磁場方向旋轉(zhuǎn)了 300， 如圖 3-8（d）所示；當(dāng) 時(shí)合成磁場旋轉(zhuǎn)了 360，即轉(zhuǎn) 1 周，如圖 3-8（a）所示。 由此可見，對稱三相電流 分別通入對稱三相繞組 U1U2, V1V2, W1W2中所形成的合成磁場，是一個隨時(shí)間變化的旋轉(zhuǎn)磁場。 以上分析的是電動機(jī)產(chǎn)生一對磁極時(shí)的情況，當(dāng)定子繞組連接形成的是 兩對磁極時(shí)，運(yùn)用相同的方法可以分析出此時(shí)電流變化一個周期，磁場只轉(zhuǎn)動 了半圈，即轉(zhuǎn)速減慢了一半。 V i i iuiv iwiu 0 t 3 3 三相電流波形 U U U V V V W W W 1 1 1 2 2 2 t = Iu=Im0 U U U V V V W W W 1 1 1 2 2 2 t = Iw=Im U U U V V V W W W 1 1 1 2 2 2 t = Iv=Im U U U V V V W W W 1 1 1 2 2 2 t = Iw=Im 90t V i W i 0t 180t 300t 360t WVU iii, WVU iii, 機(jī)械手的 PLC 控制 25 由此類推，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場具有p對極時(shí)（即磁極數(shù)為 2p） ，交流電每變化 一個周期，其旋轉(zhuǎn)磁場就在空間轉(zhuǎn)動 1/p轉(zhuǎn)。因此，三相電動機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場 每分鐘的轉(zhuǎn)速n1、定子電流頻率f及磁極對數(shù)p之間的關(guān)系是 33 三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理 圖 3-9 為三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)動原理示意圖。 三相交流電通入定子繞組后，便形 成了一個旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速 。旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割， 根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導(dǎo) 體有電流流過。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，且某時(shí)刻為上為北極 N 下為南 極 S，如圖 3-10 所示。根據(jù)右手定則，在上半部轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電動勢和電流方向 由里向外，用表示；在下半部則由外向里，用表示。 圖 3-9 三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理 圖 3-10 原理：定子旋轉(zhuǎn)磁場以速度 n0 切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感生電動勢（發(fā)電機(jī)右手定則） ， 在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中形成電流，使導(dǎo)體受電磁力作用形成電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速 n 順 n0 方向旋轉(zhuǎn)（電動機(jī)左手定則） ，并從軸上輸出一定大小的機(jī)械功率。(n 不能等于 n0)特點(diǎn)：電動機(jī)內(nèi)必須有一個以 n0 旋轉(zhuǎn)的磁場。實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換 的前提；電動運(yùn)行時(shí) n 恒不等于 n0（異步）必要條件 nn0； 建立轉(zhuǎn)矩的電 流由感應(yīng)產(chǎn)生。流過電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力作用，力F的方向 可用左手定則確定，如圖 3-9 所示。電磁力作用于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上，對轉(zhuǎn)軸形成電 p f n 60 1 p f n 60 1 N S n0 n 異步電動機(jī)模型 籠型轉(zhuǎn)子 機(jī)械手的 PLC 控制 26 磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)速為n。三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)速n始終不會加速到旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1。因?yàn)橹挥羞@樣，轉(zhuǎn)繞組與旋轉(zhuǎn)磁場 之間才會有相對運(yùn)動而切割磁力線，轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體中才能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電 流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由此可見 ， 且 ，是異步電動機(jī)工作的必要條件， “異步”的名稱也由此而來。 轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率 旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n 之差與同步轉(zhuǎn)速n1 之比稱為異步電動機(jī) 轉(zhuǎn)差率s ， 即 , 轉(zhuǎn)差率是異步電動機(jī)的一個基本參數(shù)，對分 析和計(jì)算異步電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及其機(jī)械特性有著重要的意義。當(dāng)異步電動機(jī) 處于電動狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)速n 同向。轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動時(shí)，n=0, ； 當(dāng) 時(shí)， ，可知異步電動機(jī)處于電動狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率的變 化范圍總在 0 和 1 之間，即 0 s 1 。 一般情況下，額定運(yùn)行時(shí)=1% 5% 。 主要系列 在三相電動機(jī)的外殼上，釘有一塊牌子，叫銘牌。銘牌上注明這臺三相電 動機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)，是選擇、安裝、使用和修理（包括重繞組）三相電動機(jī) 的重要依據(jù)，銘牌的主要內(nèi)容如下。 1 1型號型號 國產(chǎn)中小型三相電動機(jī)型號的系列為 Y 系列，是按國際電工委員會 IEC 標(biāo) 準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的三相異步電動機(jī)，它是以電機(jī)中心高度為依據(jù)編制型號譜的，如 Y-200L2-6 中、小型三相異步電動機(jī)的機(jī)座號與定子鐵心外徑及中心高度的關(guān)系見表 3- 11 和表 3-12。 nn 1 1 nn 1 1 n nn s em T 1 1 1 n nn s nn 1 0 1 1 n nn s em T nn 1 異步電動機(jī) 中心高度200mm 6極 2號鐵心 長機(jī)座（M中機(jī)座） （S短機(jī)座） 機(jī)械手的 PLC 控制 27 表 3-11 小型異步三相電動機(jī) 表 3-1