MR500M机电气一体化实训指导书.doc
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1、目录第一章 绪论311概述312装置特点4第二章 系统硬件52.1可编程控制器概述52.1.1可编程控制器的产生及定义52.1.2可编程控制器的分类及特点52.1.2 可编程控制器的应用72.1.3 PLC控制系统的分类72.2 可编程控制器原理92.2.1LC的组成与基本结构92.2.2 各组成部分92.2.3 的基本工作原理102.2.4的滞后现象112.3步进电机及驱动112.3.1步进电机简介112.3.2步进电机性能142.3.3 步进电机接线图142.3.4步进驱动器142.4传感器和气动元件172.5 变频器182.5.1变频器简介182.5.2 变频器19第三章 系统实训27实
2、训一 气源处理系统实训27实训二 气动元件的调节实训28实训三 传感器实训29实训四 PLC基本指令实训34实训五 PLC控制上料气缸上料实训40实训六 步进马达控制实训42实训七 变频器面板(PU)控制运行实训45实训八 PLC控制变频器实训48实训九 编码器控制皮带线电机行程实训53实训十 N:N网络485通讯实训56实训十一 系统运行控制59第一章 绪论11概述“CR500M型光机电一体化实训装置”是科莱德公司针对大学学生实习、职业学院学生技能训练而研发的教学设备,本装置从机械零件安装、调试到电气回路的设计和连接都可以进行训练,它填补了国内高校在“机电一体化实践训练”领域的空白。本装置综
3、合了电机传动与控制、运动控制、电机控制、可编程控制器技术、机电一体化系统、机电控制工程、自控原理等多个课程实训内容,是作为机电专业、机械制造与自动化专业、先进制造专业、电气工程、自动化进行学生动手训练的最佳产品。本装置集成有PLC控制器、电机及其驱动、电控箱、皮带线、直线运输机构、机械手等部件。机械部分是一个工业标准运输线、采用滚珠丝杠传动的直线运输机构、机械抓手组成,用于实现完整上料、运输、转移和分选动作。执行装置根据驱动和控制精度的要求可以分别选用变频器和步进电机。步进电机不需要传感器,不需要反馈,用于实现开环控制;步进电机可以直接用数字信号进行控制,与计算机的接口比较容易;没有电刷,维护
4、方便、寿命长;启动、停止、正转、反转容易控制。步进电机的缺点是能量转换效率低,易失步(输入脉冲而电机不转动)等。控制装置由PLC和相应驱动器等组成。驱动器接受PLC机发出的位置和动作指令,进行规划处理,转化成驱动器可以接受的指令格式,由驱动器进行处理和放大,输出给执行装置。控制装置和电机(执行装置)之间的连接示意如下图所示: 运动控制器(半)闭环控制连接示意图12装置特点l 机械零件可以自由拆装;l 电气回路可以自由连接;l 装置配置了从光电传感、步进马达、PLC、气动元件等多方面的机电元件;l 可以彻底训练学生的动手实践能力;第二章 系统硬件本系统各单元采用三菱FX2N-32MT作为控制部件
5、,各单元采用挂箱结构可灵活组合使用。在系统中采用了人机界面、变频器、步进电机和异步电机等。2.1可编程控制器概述2.1.1可编程控制器的产生及定义1、 1969年美国数字设备公司(DEC)研制出世界第一台可编程控制器,并成功地应用在美国通用汽车公司(GM)的生产线上。但当时只能进行逻辑运算,故称为可编程逻辑控制器,简称PLC(programmable logic controller)。2、 70年代后期,随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展,使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域,真正成为一种电子计算机工业控制装置,故称为可编程控制器,简称PC(programmable o
6、ntroller)。但由于PC容易与个人计算机(personal computer)相混淆,故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。3、 1985年国际电工委员会(IEC)对PLC的定义如下:可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统,是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器,它采用了可以编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字或模拟式的输入和输出,控制各种类型机械的生产过程。4、 PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来,所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用:(1)逻辑运算(2)弱电控制强电
7、。5、 PLC是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置,已跃居工业自动化三大支柱(PLC、ROBOT、CAD/CAM)的首位。2.1.2可编程控制器的分类及特点1、 从组成结构形式分一体化整体式、 模块式结构化2、 从组成结构形式分超小型C、小型、中型、大型、超大型3、 按输出形式分继电器输出:为有触点输出方式,适用于低频大功率直流或交流负载晶体管输出:为无触点输出方式,适用于高频小功率直流负载晶闸管输出:为无触点输出方式,适用于高速大功率交流负载特点:l 可靠性高、抗干扰能力强l 编程简单、使用方便l 设计、安装容易,维护工作量少l 功能完善、通用性好,可实现三电一
8、体化PLC将电控(逻辑控制)、电仪(过程控制)和电结(运动控制)这三电集于一体。l 体积小、能耗低l 性能价格比高2.1.2 可编程控制器的应用l 开关量的逻辑控制l 位置控制l 过程控制l 数据处理l 通信联网l 的应用2.1.3 PLC控制系统的分类(一) 、集中式控制系统集中式控制系统是用一个PLC控制一台或多个被控设备。主要用于输入、输出点数较少,各被控设备所处的位置比较近,且相互间的动作有一定联系的场合。其特点是控制结构简单。(二) 、远程式控制系统远程式控制系统是指控制单元远离控制现场,PLC通过通信电缆与被控设备进行信息传递。该系统一般用于被控设备十分分散,或工作环境比较恶劣的场
9、合。其特点是需要采用远程通信模块,提高了系统的成本和复杂性。(三) 、分布式控制系统分布式控制系统即采用几台小型PLC分别独立控制某些被控设备,然后再用通信线将几台PLC连接起来,并用上位机进行管理。该系统多用于有多台被控设备的大型控制系统,其各被控设备之间有数据信息传送的场合。其特点是系统灵活性强、控制范围大,但需要增加用于通信的硬件和软件,系统的复杂性也更大。2.2 可编程控制器原理2.2.1LC的组成与基本结构主要由中央处理单元、输入接口、输出接口、通信接口等部分组成,其中是的核心,部件是连接现场设备与之间的接口电路,通信接口用于与编程器和上位机连接。对于整体式,所有部件都装在同一机壳内
10、;对于模块式,各功能部件独立封装,称为模块或模板,各模块通过总线连接,安装在机架或导轨上。不同厂商生产的不同系列产品在每个机架上可插放的模块数是不同的,一般为块。可扩展的机架数也不同,一般为个机架。基本机架与扩展机架之间的距离不宜太长,一般不超过M。2.2.2 各组成部分1、 中央处理单元通过输入装置读入外设的状态,由用户程序去处理,并根据处理结果通过输出装置去控制外设。一般的中型可编程控制器多为双微处理器系统,一个是字处理器,它是主处理器,由它处理字节操作指令,控制系统总线,内部计数器,内部定时器,监视扫描时间,统一管理编程接口,同时协调位处理器及输入输出。另一个为位处理器,也称布尔处理器,
11、它是从处理器,它的主要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现编程语言向机器语言转换。处理速度是指执行条基本指令所花费的时间。2、 存储器存储器主要存放系统程序,用户程序及工作数据。所用的存储器基本上由,及AM等组成。输入输出部件输入输出部件又称模块。通过接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参数,以这些现场数据作为对控对象进行控制的信息依据。同时又通过接口将处理结果送给被控设备或工业生产过程,以实现控制。3、 编程装置和编程软件是以顺序执行存储器中的程序来完成其控制功能的。4、 电源部件2.2.3 的基本工作原理(一) 的循环扫描的是采用分时操作的原理,每一时刻执行一个操作,随着时
12、间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行,这种分时操作进程称为对程序的扫描。的用户程序由若干条指令组成,指令在存储器中按序号顺序排列。从第一条指令开始,顺序逐条地执行用户程序,直到用户程序结束,然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。(二) 工作过程1. 公共操作公共操作是在每次扫描程序前进行的自检。2. 数据操作数据操作也称为状态刷新。它包括两种操作:1) 采样输入信号,即刷新输入状态表的内容2) 送出处理结果,即用输出状态表的内容刷新输出电路3. 执行用户程序操作4. 处理外设请求操作外设的请求命令包括操作人员的介入和硬件设备的中断2.2.4的滞后现象造成响应滞后的原因:1、 扫描方式2、 电路惯
13、性输入滤波时间常数和输出继电器触点的机械滞后3、 与程序设计安排有关2.3步进电机及驱动2.3.1步进电机简介步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。1、三相反应式步进电
14、机原理A 、结构: 电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3,C与齿3向右错开2/3,A与齿5相对齐,(A就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图:B 、旋转: 如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。 如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3,此时齿3与C偏移为1/3,齿4与A偏移(-1/3)=2/3。如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3,
15、此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A通电,电机就每步(每脉冲)1/3,向右旋转。如按A,C,B,A通电,电机就反转。 由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3变为1/12,1/24,这就是电机细
16、分驱动的基本理论依据。 不难推出:电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。C 、力矩: 电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量)当转子与定子错开一定角度产生力F与(d/d)成正比。其磁通量=Br*S Br为磁密,S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度,D为转子直径 Br=NI/RNI为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*
17、安匝数*磁密 成正比(只考虑线性状态)因此,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。2、感应子式步进电机(永磁式)感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行(必须采用双极电压驱动),而反应式电机则不能如此。3、混合式步进
18、电机混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。2.3.2步进电机性能2.3.3 步进电机接线图2.3.4步进驱动器本系统采用的是Q2HB44MC为等角度恒力矩细分型驱动器,驱动电压DC12-40V,适配6或8出线电流在4A以下、外径42-86mm的各种型号的二相混合式步进电机。该产品广泛应用于雕刻机、激光打标机,激光内雕机等分辨率较高的小型数控设备上。特点:高性能、低价格设有12/8档等角度恒力矩细分,最高200细分 采用独特的控制电路 最高反应频率可达200Kpps 步进脉冲停止超过100
19、ms时,线圈电流自动减半 双极恒流斩波方式 光电隔离信号输入/输出驱动电流从0.5A/相到4A/相连续可调 单电源输入,电压范围:DC12-40V输入信号波形时序图驱动器接线示意图注: 1.千万不要将电源接反,输入电压不要超过DC40V。2.输入控制信号电平为5V,当高于5V时需要接限流电阻。(具体接法见05页)3.驱动器温度超过70度时过热指示灯亮,驱动器停止工作,直到驱动器温度降到50度,驱动器自动恢复工作,出现过热保护请加装散热器。4.此型号驱动器由于采用特殊的控制电路,故必须使用6出线或8出线电机。Q2HB44MC细分设定表:引脚功能说明2.4传感器和气动元件传感器有时也被称为换能器、
20、变换器、变送器或探测器,主要特征是能感知和检测某一形态的信息,并将其转换成另一形态的信息。传感器的种类繁多,分类方法多样,可按被测量分类、按传感器的工作原理分类、按能量传递方式分类,按输出信号性质分类。传感器按工作原理分类可分为:电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、霍尔式传感器、光电式传感器、热敏式传感器。按工作原理分类的优点是可以避免传感器名目繁多,使传感器的划分类较少,并有利与传感器专业工作者对传感器的工作原理与设计归纳性的分析研究,使设计与应用更具有合理性与灵活性,缺点是会使对传感器不够了解的用户感到使用不方便。在本系统中传感器主要采用的是进口Autonics传感
21、器,有对射传感器、漫反射传感器、电容传感器、电感传感器等。气动传动是以压缩空气为工作介质进行能量传递的一种传动形式。气动传动系统由以下四部分组成: 动力元件 它将原动机供给的能量转变位气体的压力能,为各类气动设备提供动力。 执行元件 如气缸和气动马达。它能将气体的压力能转换为机械能,输出力和速度,以驱动工作部件。 控制元件 用以控制压缩空气的压力、流量和流动方向,以保证执行元件具有一定的输出力和速度。这类元件包括压力阀、方向阀、流量阀和逻辑元件等。 辅助元件 除以上三类元件以外,其余元件称为辅助元件。如过滤器、干燥器、消音器、油雾器和管件等。它们对保证系统可靠、稳定地工作起着重要的作用。在本系
22、统中气缸与电磁阀是SMC 的产品,气缸有标准气缸、微型气缸、薄型气缸、气动手指等。2.5 变频器2.5.1变频器简介各国使用的交流供电电源,无论是用于家庭还是用于工厂,其电压和频率均200V/60Hz(50Hz)或100V/60Hz(50Hz),等等。通常,把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率,该设备首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)。把直流电(DC)变换为交流电(AC)的装置,其科学术语为“inverter”(逆变器)。感应式交流电机(以后简称为电机)的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数
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