實驗用JXSA械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計樣本

實驗用JXS-A械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著科學(xué)技術(shù)日新月異，自動化限度規(guī)定越來越高，市場競爭激烈，人工成本上漲，以往人工操作搬運和固定輸送帶為主老式搬運方式，不但占用空間也不容易更變生產(chǎn)線構(gòu)造，加上需要人力監(jiān)督操作，更增長生產(chǎn)成本，原有生產(chǎn)裝料裝置遠遠不能滿足當前高度自動化需要。減輕勞動強度，保障生產(chǎn)可靠性、安全性、減少生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染，提高產(chǎn)品質(zhì)量及經(jīng)濟效益是公司生產(chǎn)所必要面臨重大問題。它集成自動控制技術(shù)、計量技術(shù)于一體機電一體化產(chǎn)品，它利于控制，操作以便等長處。本設(shè)計使用步進電機控制機械手橫軸，縱軸進給，直流電機控制機械手臂，手抓旋轉(zhuǎn)；通過光柵尺和旋轉(zhuǎn)編碼器對機械手進行精準定位；通過接近開關(guān)等傳感器等實現(xiàn)機械手精準運動。這次設(shè)計模仿物料搬運機械手，可在空間抓放物體，動作靈活多樣，并可依照運動流程規(guī)定隨時更改有關(guān)參數(shù)，代替人工在高溫和危險作業(yè)區(qū)進行作業(yè)。核心詞PLC機械手目錄摘要……………………1引言……………………3緒論…………4實驗用JXS-A械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計目和意義……4機械手發(fā)展狀況…………4設(shè)計原理……………………5電路元器件…………………62.1傳感器開關(guān)…………………62.2步進電機控制原理…………92.3旋轉(zhuǎn)編碼器…………………102.4光柵尺………………………12第三章可編程控制器簡介…………143.1PLC簡介……………………143.2PLC內(nèi)部原理………………153.3PLC工作原理………………173.4PLC機型選取辦法…………203.5實驗用JXS-A械手PLC選取及參數(shù)……21實驗用JXS-A械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計……234.1機械手控制方案…………234.2機械手工藝流程…………234.3PLC資源分派……………234.4坐標測量…………………244.5機械手控制系統(tǒng)程序設(shè)計………………25致謝………………26參照文獻……………27附錄一機械構(gòu)造圖………………28附錄二操作面板圖………………29附錄三機械手電路連接圖…………30附錄四PLC外部電氣接線圖………34附錄五流程圖……………………37附錄六示例程序……………………38引言在當代工業(yè)中，生產(chǎn)過程機械化、自動化已成為突出主題。隨著工業(yè)當代化進一步發(fā)展,自動化已經(jīng)成為當代公司中重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同步，當代生產(chǎn)中，存在著各種各樣生產(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，這些惡劣生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進行操作。工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中浮現(xiàn)一項新技術(shù)，是當代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合產(chǎn)物，并以成為當代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中一種重要構(gòu)成某些。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改進勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有效手段之一。特別在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染場合，應(yīng)用得更為廣泛。在國內(nèi)，近幾年來也有較快發(fā)展，并獲得一定效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門注重。本課題擬開發(fā)物料搬運機械手，采用日本三菱公司FX1N系列PLC，對機械手上下、左右以及抓取運動進行控制。該裝置機械某些有滾珠絲杠、滑軌、機械抓手等；電氣方面由交流電機、變頻器、操作臺等部件構(gòu)成。咱們運用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)硬件裝置，控制機械手完畢各種動作。緒論1.1實驗用JXS-A械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計目和意義機械手是模仿人手某些動作，按給定程序、軌跡和規(guī)定實現(xiàn)自動搬運、抓舉或操作自動機械裝置。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以大大提高生產(chǎn)自動化水平和勞動生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；特別在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣環(huán)境下，代替人進行正常工作，意義更為重大。機械手重要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置所構(gòu)成。執(zhí)行機構(gòu)為機械手主體某些，重要涉及手部、手腕、手臂、立柱、行走機構(gòu)和機座等。驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動傳動裝置。慣用有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等?？刂葡到y(tǒng)是機械手核心某些，它支配機械手按規(guī)定程序運營，記憶予以機械手指令信息，同步按其控制系統(tǒng)信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時，對機械手動作進行監(jiān)視。位置檢測裝置重要用于控制機械手運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)實際位置反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定位置進行比較，再通過控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，以達到所需精度控制。學(xué)生通過本課題設(shè)計，在綜合應(yīng)用機械設(shè)計基本、電氣控制與PLC、液壓與氣動傳動、傳感器技術(shù)等專業(yè)知識方面能得到很大鍛煉，對于提高學(xué)生實際動手能力、盡快適應(yīng)崗位能力規(guī)定具備很大協(xié)助。1.2機械手發(fā)展狀況當前工業(yè)機械手重要用于工件傳送，焊接，裝配，鑄段，熱處里等方面，無論數(shù)量，品種和性能方面都能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展需要。在國內(nèi)重要是發(fā)展各方面機械手，逐漸擴大應(yīng)用范疇，以減輕勞動強度，改進作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機械手同步，相應(yīng)發(fā)展通用機械手，有條件還要研制示教機械手，組合式機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮，擺動，升降，橫移，俯仰等機構(gòu)，以及用于不同類型夾緊機構(gòu)，設(shè)計成典型通用機構(gòu)，以便與依照不同作用規(guī)定，選用不同典型部件，即可構(gòu)成不同用途機械手，即便于設(shè)計制造，又便于改換工作，擴大了應(yīng)用范疇。同步提高速度，減少沖擊，正擬定位，以更換地發(fā)揮機械手作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型，記憶再現(xiàn)型，以及具備觸覺，視覺等性能機械手，并考慮與計算機相連，逐漸成為機械制造系統(tǒng)中一種基本單元。在機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較較快。當前重要應(yīng)用于機床。模鍛壓力機上下料以及點焊，噴漆等作業(yè)，它可按照事先編制好程序完畢規(guī)定作業(yè)。有些還具備有傳感反饋能力，能應(yīng)付外界變化。如果機械手發(fā)生某些偏離時，會引起零部件甚至機械手自身損壞，但有了傳感反饋能力，機械手可以依照反饋自行調(diào)節(jié)。1.3設(shè)計原理機械手重要有執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動機構(gòu)，和控制系統(tǒng)構(gòu)成。執(zhí)行機構(gòu)涉及手部，手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可轉(zhuǎn)動，開閉手指。機械手手部構(gòu)造系模仿人手指，分為無關(guān)節(jié)，固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指數(shù)量可分為二指，三指，四指等。其中以二指應(yīng)用最多?？梢勒諍A持對象形狀和大小配備各種形狀和尺寸夾頭，以適應(yīng)操作需要。所謂沒有手指手部，普通指真空吸盤或磁性吸盤。本設(shè)計采用真空吸盤構(gòu)造。手臂有無關(guān)節(jié)臂和關(guān)于節(jié)臂之分。手臂作用是引導(dǎo)手指精確地抓住工件，并運送到所需要位置上。為了使機械手可以對的工作，手臂三個自由度都需要精準定位?？傊?，機械手運動離不開直線和轉(zhuǎn)動二種，因而它采用執(zhí)行機構(gòu)重要是直線液壓缸，擺動液壓缸，電液脈沖馬達，伺服液壓馬達，交流伺服電機，直流伺服電機和步進電機等。軀干是安裝手臂，動力源和各執(zhí)行機構(gòu)支架。驅(qū)動機構(gòu)重要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以電氣、氣動用最多占90%以上；液壓、機械驅(qū)動用至少。液壓驅(qū)動重要是通過液壓缸、閥、液壓泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它運用液壓缸、液壓馬達加齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動。液壓驅(qū)動長處是壓力高、體積小、出力大、動作平緩、可無級變速、自鎖以便、并能在中間位置停止。缺陷是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。氣壓驅(qū)動所采用元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。普通采用4~6個大氣壓（392~588kPa），個別達到8~10個大氣壓（785~981kPa）。它長處是氣源以便，維護簡樸，成本低。缺陷是出力小，體積大。由于空氣可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間停止，只能用于點位控制，并且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹，本設(shè)計手爪、手臂某些采用氣壓驅(qū)動。電氣驅(qū)動時，直線驅(qū)動可采用電動機帶動絲杠、螺母機構(gòu)。通用機械手則考慮采用步進電動機、直流或交流伺服電動機、變速箱等。電氣驅(qū)動長處是動力源簡樸，維護、使用以便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一型式動力，出力比較大。本設(shè)計采用步進電動機驅(qū)動手臂運動，直流電動機驅(qū)動手爪和機械手旋轉(zhuǎn)運動。機械驅(qū)動只用于動作固定場合。普通用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定動作。它長處是動作的確可靠，工作速度高，成本底；缺陷是不易于調(diào)節(jié)。機械手控制要素涉及工作順序、到達位置、動作時間、運動速度和加減速度等。機械手控制分為點位控制和持續(xù)軌跡控制兩種，當前以點位控制為主，占90%以上?？刂葡到y(tǒng)可依照動作規(guī)定，設(shè)計采用數(shù)字順序控制，它一方面要編制程序加以存儲，然后再依照規(guī)定程序，控制機械手進行工作。對動作復(fù)雜機械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機或微解決機控制系統(tǒng)。本設(shè)計控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實現(xiàn)，具備編程簡樸，修改容易，可靠性高等長處。電路元器件，機械構(gòu)造，操作界面簡介2.1傳感器開關(guān)電感式接近開關(guān)工作原理電感式接近開關(guān)屬于一種有開關(guān)量輸出位置傳感器，它由LC高頻振蕩器和放大解決電路構(gòu)成，運用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生電磁場振蕩感應(yīng)頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此辨認出有無金屬物體接近，進而控制開關(guān)通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測物體必要是金屬物體。圖2.1-1開關(guān)性能：檢測距離：1～5毫米工作電壓：DC24V工作電流：<5mA響應(yīng)頻率：5000HZ輸出驅(qū)動電流：100mA，感性負載50mA溫度范疇：－10～70℃電容式接近開關(guān)工作原理電容式接近開關(guān)亦屬于一種具備開關(guān)量輸出位置傳感器，它測量頭普通是構(gòu)成電容器一種極板，而另一種極板是物體自身，當物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關(guān)接通和關(guān)斷。這種接近開關(guān)檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣液體或粉狀物體,在檢測較低介電常數(shù)ε物體時，可以順時針調(diào)節(jié)多圈電位器（位于開關(guān)后部）來增長感應(yīng)敏捷度，普通調(diào)節(jié)電位器使電容式接近開關(guān)在0.7-0.8Sn位置動作。圖2.1-2開關(guān)性能：檢測距離：1～5毫米工作電壓：DC24V工作電流：<5mA響應(yīng)頻率：5000HZ輸出驅(qū)動電流：100mA，感性負載50mA溫度范疇：－10～70℃霍爾開關(guān)工作原理

當一塊通有電流金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場中時，薄片兩端就會產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。兩端具備電位差值稱為霍爾電勢U，

其表達式為：[U=K·I·B/d]其中K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通過電流，B為外加磁場（洛倫慈力Lorrentz）磁感應(yīng)強度，d是薄片厚度。由此可見，霍爾效應(yīng)敏捷度高低與外加磁場磁感應(yīng)強度成正比關(guān)系?；魻栭_關(guān)就屬于這種有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理基本上，運用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可以便把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實際應(yīng)用中電信號，同步又具備工業(yè)場合實際應(yīng)用易操作和可靠性規(guī)定。

霍爾開關(guān)輸入端是以磁感應(yīng)強度B來表征，當B值達到一定限度（如B1）時，霍爾開關(guān)內(nèi)部觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。輸出端普通采用晶體管輸出，和接近開關(guān)類似有NPN、PNP、常開型、常閉型、鎖存型（雙極性）、雙信號輸出之分。

霍爾開關(guān)具備無觸電、低功耗、長使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，因此能在各類惡劣環(huán)境下可靠工作?；魻栭_關(guān)可應(yīng)用于接近開關(guān)，壓力開關(guān)，里程表等，作為一種新型電器配件。

霍爾開關(guān)功能類似干簧管磁控開關(guān)，但是比它壽命長，響應(yīng)快無磨損，并且安裝時要注意磁鐵極性，磁鐵極性裝反無法工作。

內(nèi)部原理圖及輸入/輸出轉(zhuǎn)移特性圖2.1-3

這是最慣用霍爾開關(guān)，它直徑為12毫米，固定期只要在設(shè)備外殼上打一種12毫米園孔就能輕松固定，長度約30毫米，背后有工作批示燈，當檢測到物體時紅色LED點亮，平時處在熄滅狀態(tài)，非常直觀，引線長度為100毫米。圖2.1-4這種光電開關(guān)輸出采用NPN型三極管集電極開漏輸出模式，也就是說模塊黑線就是三極管集電極，如果模塊檢測到信號，三極管就會導(dǎo)通，將黑線下拉到地電平，黑線和棕線之間就會浮現(xiàn)電源電壓，如果電源是12V那么這個電壓就是12V，如果電源是24V這個電壓就是24V，普通三極管驅(qū)動能力約100毫安左右，因此可以直接驅(qū)動繼電器等小功率負載。如果客戶但愿得到是一種電壓信號，可以在黑線和棕線之間接一種1K電阻，這時模塊沒有信號時，黑線就是電源＋電壓，模塊檢測到信號時黑線跳變成電源地（實際是0.2V，三極管導(dǎo)通壓降）。工作性能：檢測距離：1～10mm工作電壓：20～25V直流工作電流：不大于5mA響應(yīng)頻率：5000HZ輸出驅(qū)動電流：100mA，感性負載50mA溫度范疇：－25～70℃2.2步進電機控制原理步進電機是一種電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移機電執(zhí)行元件。當有脈沖信號輸入時，步進電機就一步一步轉(zhuǎn)動，每個輸入脈沖相應(yīng)電機一種固定轉(zhuǎn)角，故稱為步進電機。步進電機屬于同步電機，多數(shù)狀況用做伺服電機，且控制簡樸，工作可靠，可以得到較高精度。它是唯一可以以開環(huán)構(gòu)造用于數(shù)控機床伺服電動機。步進電機按其勵磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相等；按其工作原理可分為反映式、永磁式和混合式三大類。步進電機基本特點：步進電機受點脈沖信號控制。每輸入一種脈沖信號，就變換一磁繞組通電狀態(tài)，電機就相應(yīng)轉(zhuǎn)動一步，因而，電機總回轉(zhuǎn)角和輸入脈沖個數(shù)嚴格成正比關(guān)系，電機轉(zhuǎn)速則正比于脈沖輸入頻率。變化步進電機定子繞組通電順序，可以獲得所需要轉(zhuǎn)向。變化輸入脈沖頻率，則可以得到所需要轉(zhuǎn)速（但是不可以超過極限頻率）。當步進電機脈沖輸入停止時，只要維持繞組勉勵電流不變，電機保持在原固定位置上，因而可以獲得較高定位精度，不需要安裝機械制動裝置從而達到精準制動。誤差不長期積累，轉(zhuǎn)角精度高。由于每轉(zhuǎn)過360°后，轉(zhuǎn)子累積誤差為零，轉(zhuǎn)角精度較高。反映時間快。缺陷：效率低、沒有過載能力。步距角大小和通電方式、轉(zhuǎn)子齒數(shù)、定子勵磁繞組相數(shù)關(guān)系：（本實驗α=1.8°）α=360°/mZKm——步進電機相數(shù)；Z——轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K——通電方式系數(shù)。相鄰兩次通電，相數(shù)目相似K=1；相鄰兩次通電，相數(shù)目不同K=2。2.3旋轉(zhuǎn)編碼器普通旋轉(zhuǎn)編碼器用于測量轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角度，它具備體積小，精度高，抗干擾能力強，使用以便等一系列長處得以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實工業(yè)中。旋轉(zhuǎn)編碼器大體可分為[增量式]和[絕對值式]編碼器.旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設(shè)備來懂得其位置，當編碼器不動或停電時，依托計數(shù)設(shè)備內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，否則，計數(shù)設(shè)備記憶零點就會偏移，并且這種偏移量是無從懂得，只有錯誤生產(chǎn)成果浮現(xiàn)后才干懂得。

解決辦法是增長參照點，編碼器每通過參照點，將參照位置修正進計數(shù)設(shè)備記憶位置。在參照點此前，是不能保證位置精確性。為此，在工控中就有每次操作先找參照點，開機找零等辦法。這樣辦法對有些工控項目比較麻煩，于是就有了絕對編碼器浮現(xiàn)。絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線。。。。。。編排，這樣，在編碼器每一種位置，通過讀取每道刻線通、斷，獲得一組從2零次方到2n-1次方唯一2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣編碼器是由碼盤機械位置決定，它不受停電、干擾影響。絕對編碼器由機械位置決定每個位置唯一性，它無需記憶，無需找參照點，并且不用始終計數(shù)，什么時候需要懂得位置，什么時候就去讀取它位置。這樣，編碼器抗干擾特性、數(shù)據(jù)可靠性大大提高了。

由于絕對編碼器在位置定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。測速度需要可以無限累加測量，當前增量型編碼器在測速應(yīng)用方面仍處在無可取代主流位置。注意：在JXS-A中選用是增量型旋轉(zhuǎn)編碼器,在此當中需運用碼器脈沖數(shù)來定位旋轉(zhuǎn)角度,和開機后自動尋找零位等一系列動作.在JXS-A系統(tǒng)中PLC只接入了編碼器[A]項信號,在編程中需要注意只能使用脈沖量來進行一系列定位,配合旁邊霍爾開關(guān)可以做為一種零點.

編碼器內(nèi)部輸出電路圖、波形圖、外部接線圖。

圖2.3-1圖2.3-22.4光柵尺位移是和物體位置在運動過程中移動關(guān)于量，位移測量方式所涉及范疇是相稱廣泛。小位移通慣用應(yīng)變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來檢測，大位移慣用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來測量。其中光柵傳感器因具備易實現(xiàn)數(shù)字化、精度高（當前辨別率最高可達到納米級）、抗干擾能力強、沒有人為讀數(shù)誤差、安裝以便、使用可靠等長處，在機床加工、檢測儀表等行業(yè)中得到日益廣泛應(yīng)用。

原理

計量光柵是運用光柵莫爾條紋現(xiàn)象來測量位移?！澳獱枴痹鲇诜ㄎ腗oire，意思是水波紋。幾百年前法國絲綢工人發(fā)現(xiàn)，當兩層薄絲綢疊在一起時，將產(chǎn)生水波紋狀花樣；如果薄綢子相對運動，則花樣也跟著移動，這種奇怪花紋就是莫爾條紋。普通來說，只要是有一定周期曲線簇重疊起來，便會產(chǎn)生莫爾條紋。計量光柵在實際應(yīng)用上有透射光柵和反射光柵兩種；按其作用原理又可分為幅射光柵和相位光柵；按其用途可分為直線光柵和圓光柵。下面以透射光柵為例加以討論。

透射光柵尺上均勻地刻有平行刻線即柵線，a為刻線寬，b為兩刻線之間縫寬，W=a+b稱為光柵柵距。當前國內(nèi)慣用光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條等線條。光柵橫向莫爾條紋測位移，需要兩塊光柵。一塊光柵稱為主光柵，它大小與測量范疇相一致；另一塊是很小一塊，稱為批示光柵。為了測量位移，必要在主光柵側(cè)加光源，在批示光柵側(cè)加光電接受元件。當主光柵和批示光柵相對移動時，由于光柵遮光作用而使莫爾條紋移動，固定在批示光柵側(cè)光電元件，將光強變化轉(zhuǎn)換成電信號。由于光源大小有限及光柵衍射作用，使得信號為脈動信號。如圖1，此信號是始終流信號和近視正弦周期信號疊加，周期信號是位移x函數(shù)。每當x變化一種光柵柵距W，信號就變化一種周期，信號由b點變化到b’點。由于bb’=W，故b’點狀態(tài)與b點狀態(tài)完全同樣，只是在相位上增長了2π。由

u0=U平均+Umsin(π/2+2πX/W)

式中：

u0—光電元件輸出電壓信號；

U平均—輸出信號直流分量；

Um—輸出信號中正弦交流分量幅值。

從公式中可見，當光柵位移一種節(jié)距W，波形變化一周。這時相應(yīng)條紋移動一種條紋寬度B。因而，只要記錄波形變化周期數(shù)即條紋移動數(shù)N，就可懂得光柵位移X即X=NW表2.4-1光柵尺9針插頭插頭腳號123456789信號含義VDD0VABZ空空空空信號線顏色紅黑蘭綠黃空空空空可編程控制器簡介3.1PLC簡介自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代老式繼電器控制裝置以來，PLC得到了迅速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同步，PLC功能也不斷完善。隨著計算機技術(shù)、信號解決技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展和顧客需求不斷提高，PLC在開關(guān)量解決基本上增長了模仿量解決和運動控制等功能。今天PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要作用。作為離散控制首選產(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，世界范疇內(nèi)PLC年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動化限度不斷提高和PLC市場容量基數(shù)不斷擴大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達國家增長速度放緩。但是，在中華人民共和國等發(fā)展中華人民共和國家PLC增長十分迅速。綜合有關(guān)資料，全球PLC銷售收入為100億美元左右，在自動化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要位置。PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來，二十世紀七十年代PLC只有開關(guān)量邏輯控制，一方面應(yīng)用是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定期、計數(shù)和運算等操作指令；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。顧客編制控制程序表達了生產(chǎn)過程工藝規(guī)定，并事先存入PLC顧客程序存儲器中。運營時按存儲程序內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完畢工藝流程規(guī)定操作。PLCCPU內(nèi)有批示程序步存儲地址程序計數(shù)器，在程序運營過程中，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)行到最后步（普通為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完畢一次循環(huán)操作所需時間稱為一種掃描周期。不同型號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，體現(xiàn)出迅速長處，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有輸入都當成開關(guān)量來解決，16位（也有32位）為一種模仿量。大型PLC使用此外一種CPU來完畢模仿量運算。把計算成果送給PLC控制器。相似I/O點數(shù)系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低某些（大概能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用軟件和硬件都是通用，因此維護成本比DCS要低諸多。一種PLC控制器，可以接受幾千個I/O點（最多可達8000各種I/O）。如果被控對象重要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為適當。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計公司管理信息系統(tǒng)方面，要容易某些。

近來，隨著PLC價格不斷減少和顧客需求不斷擴大，越來越多中小設(shè)備開始采用PLC進行控制，PLC在國內(nèi)應(yīng)用增長十分迅速。隨著中華人民共和國經(jīng)濟高速發(fā)展和基本自動化水平不斷提高，此后一段時期內(nèi)PLC在國內(nèi)仍將保持高速增長勢頭。通用PLC應(yīng)用于專用設(shè)備時可以以為它就是一種嵌入式控制器，但PLC相對普通嵌入式控制器而方具備更高可靠性和更好穩(wěn)定性。實際工作中遇到某些顧客本來采用嵌入式控制器，當前正逐漸用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。3.2PLC內(nèi)部原理PLC實質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制計算機，其硬件構(gòu)造和微機是基本同樣。如圖3.2-1所示，PLC硬件基本構(gòu)造圖所示：編程器中央解決單元編程器中央解決單元（CPU）輸入電路輸出電路系統(tǒng)程序存儲區(qū)顧客程序存儲區(qū)電源圖3.2-1PLC硬件基本構(gòu)造圖（1）中央解決單元（CPU）中央解決單元（CPU）是PLC控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予功能，接受并存儲從編程器鍵入顧客程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定期器狀態(tài)，并能檢查顧客程序語法錯誤。當PLC投入運營時，一方面它以掃描方式接受現(xiàn)場各輸入裝置狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從顧客程序存儲器中逐條讀取顧客程序，通過命令解釋后按指令規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運算等成果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有顧客程序執(zhí)行完畢后來，最后將I/O映象區(qū)各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)輸出裝置，如此循環(huán)運營，直到停止運營為止。（2）存儲器與微型計算機同樣，除了硬件以外，還必要有軟件。才干構(gòu)成一臺完整PLC。PLC軟件分為兩某些：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。存儲系統(tǒng)軟件存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。PLC存儲空間分派：雖然大、中、小型PLCCPU最大可尋址存儲空間各不相似，但是依照PLC工作原理，其存儲空間普通涉及如下三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（涉及I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和顧客程序存儲區(qū)。A.系統(tǒng)程序存儲區(qū)在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存儲著相稱于計算機操作系統(tǒng)系統(tǒng)程序。它涉及監(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，顧客不可以直接存取。它和硬件一起決定了該PLC各項功能。B.系統(tǒng)RAM存儲區(qū)系統(tǒng)RAM存儲區(qū)涉及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、計時器、計數(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投入運營后，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狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)外設(shè)。因而，它需要有一定數(shù)量存儲單元（RAM）以供存儲I/O狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲單元稱作I/O映象區(qū)。一種開關(guān)量I/O占用存儲單元中一種位（bit），一種模仿量I/O占用存儲單元中一種字（16個bit)。因而，整個I/O映象區(qū)可看作由開關(guān)量I/O映象區(qū)和模仿量I/O映象區(qū)兩某些構(gòu)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)還涉及PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具備失電保持存儲區(qū)域和無失電保持存儲區(qū)域，前者在PLC斷電時，由內(nèi)部鋰電子供電。使這某些存儲單元內(nèi)數(shù)據(jù)得以保存；后者當PLC停止運營時，將這某些存儲單元內(nèi)數(shù)據(jù)所有置“零”。C．顧客程序存儲區(qū)顧客程序存儲區(qū)存儲顧客編制顧客程序。不同類型PLC其存儲容量各不相似，普通來說，隨著PLC機型增大其存儲容量也相應(yīng)增大。但是對于新型PLC，其存儲容量可依照顧客需要而變化。D．慣用I/O分類慣用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。模仿量：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，尚有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)擬定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理基本配備能力，即受最大底板或機架槽數(shù)限制。（3）PLC電源PLC電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要作用。無論是小型PLC，還是中、大型PLC，其電源性能都是同樣，均能對PLC內(nèi)部所有器件提供一種穩(wěn)定可靠直流電源。普通交流電壓波動在正負10%（15%）之間，因而可以直接將PLC接入到交流電網(wǎng)上去。可編程序控制器普通使用220V交流電源。可編程序控制器內(nèi)部直流穩(wěn)壓電源為各模塊內(nèi)元件提供直流電壓。某些可編程序控制器可覺得輸入電路和少量外部電子檢測裝置（如接近開關(guān)）提供24V直流電源。驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)電源普通由顧客提供。可編程序控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似，梯形圖中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。這種計算機程序?qū)崿F(xiàn)“軟繼電器”，與繼電器系統(tǒng)中物理構(gòu)造在功能上某些相似之處。圖3.2-23.3PLC工作原理可編程序控制器有兩種基本工作狀態(tài)，即運營（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運營狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制規(guī)定顧客程序來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器輸出及時地響應(yīng)隨時也許變化輸入信號，顧客程序不是只執(zhí)行一次，而是重復(fù)不斷地重復(fù)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)行顧客程序之外，在每次循環(huán)過程中，可如上圖編程序控制器還要完畢，內(nèi)部解決、通信解決等工作，一次循環(huán)可分為5個階段?？删幊绦蚩刂破鬟@種周而復(fù)始循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來看，解決過程似乎是同步完畢。在內(nèi)部解決聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查CPU模塊內(nèi)部硬件與否正常，將監(jiān)控定期器復(fù)位，以及完畢某些別內(nèi)部工作。在通信服務(wù)階段，可編程序控制器與別帶微解決器智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入命令，更新編程器顯示內(nèi)容。當可編程序控制器處在停止（STOP）狀態(tài)時，只執(zhí)行以上操作?？删幊绦蚩刂破鹛幵冢≧UN）狀態(tài)時，還要完畢此外3個階段操作。在可編程序控制器存儲器中，設(shè)立了一片區(qū)域用來存儲輸入信號和輸出信號狀態(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編程元件也有相應(yīng)映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸入解決階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路接通/斷開（ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入寄存器。外接輸入觸點電路接通時，相應(yīng)輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖中相應(yīng)輸入繼電器常開觸點接通，常閉觸點斷開。外接輸入觸點電路斷開，相應(yīng)輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中相應(yīng)輸入繼電器常開觸點斷開，常閉觸點接通。在程序執(zhí)行階段，雖然外部輸入信號狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器狀態(tài)也不會隨之而變，輸入信號變化了狀態(tài)只能在下一種掃描周期輸入解決階段被讀入?？删幊绦蚩刂破黝櫩统绦蛴扇舾蓷l指令構(gòu)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，CPU從第一條指令開始，逐條順序執(zhí)行顧客程序，直到顧客程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入映像寄存器或別元件映像寄存器中將關(guān)于編程元件0/1狀態(tài)讀出來，并依照指令規(guī)定執(zhí)行相應(yīng)邏輯運算，運算成果寫入到相應(yīng)元件映像寄存器中，因而，各編程元件映像寄存器（輸入映像寄存器除外）內(nèi)容隨著程序執(zhí)行而變化。在輸出解決階段，CPU將輸出映像寄存器0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體型圖某一輸出繼電器線圈“通電”時，相應(yīng)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相應(yīng)硬件繼電器線圈通電，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相應(yīng)輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸出解決階段后，繼電器型輸出模塊中相應(yīng)硬件繼電器線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負載斷電，停止工作。某一編程元件相應(yīng)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所示掃描操作所需時間稱為掃描周期，其典型值為1~100ms。指令執(zhí)行所需時間與顧客程序長短、指令種類和CPU執(zhí)行指令速度有很大關(guān)系。當顧客程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相稱大比例。但是嚴格地來說掃描周期還涉及自診斷、通信等。如圖3.3-1所示。第(N-1)個掃描周期第(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顧客程序執(zhí)行圖3.3-1PLC掃描運營方式（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數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入I/O映象區(qū)相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入顧客程序行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，雖然輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化I/O映象區(qū)相應(yīng)單元數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會變化。因此輸入如果是脈沖信號，它寬度必要不不大于一種掃描周期，才干保證在任何狀況下，該輸入均能被讀入。（2）顧客程序執(zhí)行階段在顧客程序執(zhí)行階段，PLCCPU總是由上而下，從左到右順序依次掃描梯形圖。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)中相應(yīng)位狀態(tài)。或者擬定與否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定特殊功能指令。例如：算術(shù)運算、數(shù)據(jù)解決、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)內(nèi)相應(yīng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動響應(yīng)外設(shè)。這時才是PLC真正輸出。(4)輸入/輸出滯后時間輸入/輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時間，是指可編程序控制器外部輸入信號發(fā)生變化時刻至它控制關(guān)于外部輸出信號發(fā)生變化時刻之間時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生滯后時間三某些構(gòu)成。輸入模塊CPU濾波電路用來濾除由輸入端引入干擾噪聲，消除因外接輸入觸點動作是產(chǎn)生抖動引起不良影響，濾波電路時間常數(shù)決定了輸入濾波時間長短，其典型值為10ms左右。輸出模塊滯后時間與模塊類型關(guān)于，繼電器型輸出電路滯后時間普通在10ms左右；雙向可空硅型輸出電路在負載接通時滯后時間約為1ms，負載由導(dǎo)通到斷開時最大滯后時間為10ms；晶體管型輸出電路滯后時間約為1ms。由掃描工作方式引起滯后時間最長可達到兩個多掃描周期。可編程序控制器總響應(yīng)延遲時間普通只有幾十ms，對于普通系統(tǒng)是無關(guān)緊要。規(guī)定輸入—輸出信號之間滯后時間盡量短系統(tǒng)，可以選用掃描速度快可編程序控制器或采用其她辦法。3.4PLC機型選取辦法1．PLC類型

PLC按構(gòu)造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)，普通可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。整體型PLCI/O點數(shù)固定，因而顧客選取余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供各種I/O卡件或插卡，因而顧客可較合理地選取和配備控制系統(tǒng)I/O點數(shù)，功能擴展以便靈活，普通用于大中型控制系統(tǒng)。2．輸入輸出模塊選取輸入輸出模塊選取應(yīng)考慮與應(yīng)用規(guī)定統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳播距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用規(guī)定。對輸出模塊，應(yīng)考慮選用輸出模塊類型，普通繼電器輸出模塊具備價格低、使用電壓范疇廣、壽命短、響應(yīng)時間較長等特點；可控硅輸出模塊合用于開關(guān)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。輸出模塊尚有直流輸出、交流輸出和模仿量輸出等，與應(yīng)用規(guī)定應(yīng)一致?？梢勒諔?yīng)用規(guī)定，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和減少應(yīng)用成本?？紤]與否需要擴展機架或遠程I/O機架等。3.電源選取PLC供電電源，除了引進設(shè)備時同步引進PLC應(yīng)依照產(chǎn)品闡明書規(guī)定設(shè)計和選用外，普通PLC供電電源應(yīng)設(shè)計選用220VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC自身帶有可使用電源時，應(yīng)核對提供電流與否滿足應(yīng)用規(guī)定，否則應(yīng)設(shè)計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號隔離是必要，有時也可采用簡樸二極管或熔絲管隔離。4.存儲器選取由于計算機集成芯片技術(shù)發(fā)展，存儲器價格已下降，因而，為保證應(yīng)用項目正常投運，普通規(guī)定PLC存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選取。需要復(fù)雜控制功能時，應(yīng)選取容量更大，檔次更高存儲器。

5.冗余功能選取a．控制單元冗余（1）重要過程單元：CPU（涉及存儲器）及電源均應(yīng)1B1冗余。（2）在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯系統(tǒng)等。b．I/O接口單元冗余（1）控制回路多點I/O卡應(yīng)冗余配備。（2）重要檢測點多點I/O卡可冗余配備。3）依照需要對重要I/O信號，可選用2重化或3重化I/O接口單元。6.經(jīng)濟性考慮選取PLC時，應(yīng)考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應(yīng)同步考慮應(yīng)用可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最后選出較滿意產(chǎn)品。

輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增長一塊輸入輸出卡件就需增長一定費用。當點數(shù)增長到某一數(shù)值后，相應(yīng)存儲器容量、機架、母板等也要相應(yīng)增長，估因而，點數(shù)增長對CPU選用、存儲器容量、控制功能范疇等選取均有影響，在算和選用時應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理性能價格比。3.5實驗用JXS-A械手PLC選取及參數(shù)綜合上述原則機械手控制系統(tǒng)主機為三菱FX1N。1.重要技術(shù)數(shù)據(jù)如下：工作電源：24VDC輸入點數(shù)：24輸出點數(shù)：24輸入信號類型：直流或開關(guān)量輸入電流：24VDC5mA模仿輸入：-10V～10V（-20mA～+20mA）輸出晶體管容許電流0.3A/點（1.2A/COM）輸出電壓規(guī)格：30VDC最大負載：9W輸出反映時間：Off→On20μsOn→Off30μs基本指令執(zhí)行時間：數(shù)個μs程序語言：指令+梯形圖+SFC程序容量：3792STEPS基本順序指令：32個（含步進梯形指令）應(yīng)用指令：100種初始步進點：S0～S9普通步進點：118點，S10～S127輔助繼電器：普通用512+232點（M000～M511+M768～M999）停電保持用256點（M512～M767）特殊用280點（M1000～M1279）定期器：100ms時基64點（T0～T63）10ms時基63點（T64～T126，M1028為ON時）1ms時基1點（T127）計數(shù)器：普通用112點（C000～C111，16位計數(shù)器）停電保持用16點（C112～C127，16位計數(shù)器）高速用13點1相5kHz，2相2kHz（C235～C254，所有為停電保持32位計數(shù)器）數(shù)據(jù)寄存器：普通用408點（D000～D407）停電保持用192點（D408～D599）特殊用144點（D1000～D1143）指針/中斷：P64點；I4點（P0～P63/I001、I101、I201、I301）串聯(lián)通信口：程序?qū)懭?讀出通訊口：RS232普通功能通訊口：RS485主機電源220VAC2.PLC主機構(gòu)成1、輸入單元輸入單元由8個按扭、8個開