基于PLC的机械手模型控制系统的设计
摘 要
PLC是以现代微处理器技术为核心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其可靠性高、抗干扰能力强；PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响，此外PLC还可在强、通用性好；开发周期短，功耗小。本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。
在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。广泛采用工业机器人，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。
关键词：机械手；PLC；变频器；伺服控制器；
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Design of Manipulator Model Control System based on PLC
Abstract
PLC is based on modern microprocessor technology as the core of the controller, as a general industrial controller, its high reliability and anti-interference ability; PLC due to the modern large scale integrated circuit technology, the strict production craft manufacture, internal circuit take advanced anti-interference technology, has the very high reliability, in addition, PLC with hardware failure self test function, failure can be to send out a warning message; PLC adopts photoelectric isolation and filtering techniques technology effectively restrain the interference sources to the influence of the external PLC, in addition PLC still can be in strong, the general good; Short development cycle, power consumption is small. This topic to the development of the modern industry is an important meaning.
In the industrial production and other fields because of the need to work, people are often high temperature, corrosion and poisonous gas of the factors such as harm, increased the labor intensity, and even endanger life. Since the advent since manipulator, the corresponding problems solved. In the space manipulator can catch, put, moving objects, flexible movement, and is suitable for the production of varieties of can transform and small batch automation production, widely used in flexible automatic line. Robots are usually made of high temperature resistant, corrosion of materials, in order to adapt to the site of the bad environment, and greatly reduce the labor intensity, and improve work efficiency. Manipulator is an important part of the industrial robot, and in many cases it can be called industrial robots. Industrial robot is a collection of machinery, electronics, control, computer, sensors, artificial intelligence science advanced technology in one of the modern manufacturing important automation equipment. Widely used industrial robots, not only can improve the quality of products and production, and to ensure safety and security, improve working environment, reduce labor intensity and improve labor productivity, save the materials consumption and reduce the production cost, has the extremely vital significance. Programmable controller is relay control and computer control out on the product development, gradually developed into with small device for processing the core automation technology, computer technology, communication technology integration of new industrial automatic control device.
Key words: manipulator; PLC; Variable-frequency Drive；servo drives；
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目 录
摘 要 .................................................................................................................................................................. 1 Abstract ................................................................................................................................................................ 1 第一章 绪 论 ...................................................................................................................................................... 3
1.1 国内外机械手研究概况 ....................................................................................................................... 3 1.2 课题研究的内容 .................................................................................................................................. 5 第二章 系统硬件设计 ........................................................................................................................................ 7
2.1 机械手控制方式的选择 ...................................................................................................................... 7
2.1.1 控制方式的分类 ...................................................................................................................... 7 2.1.2 机械手控制方式的选定 .......................................................................................................... 7 2.2 总体方案设计 ...................................................................................................................................... 8
2.2.1 方案设计 .................................................................................................................................. 8 2.2.2 参数 ........................................................................................................................................ 10 2.3 系统架构及工作流程图 .................................................................................................................... 10 第三章 传动带传动及控制系统的设计 .......................................................................................................... 12
3.1 传动带系统构件概述 ........................................................................................................................ 12 3.2 电动机的介绍及选用 ........................................................................................................................ 12
3.2.1 电动机选用及运行参数 ........................................................................................................ 12 3.2.2 电力拖动系统及变频调速 .................................................................................................... 13 3.3 传感器 ................................................................................................................................................ 14
3.3.1光电传感器的分类 ................................................................................................................. 14 3.3.3常用参数 ................................................................................................................................. 17 3.3.4 光电传感器选用 .................................................................................................................... 18 3.4 变频调速及变频器的选用 ................................................................................................................ 18 第四章 物件搬运系统的设计 .......................................................................................................................... 23
4.1 总体设计思路 .................................................................................................................................... 23 4.2 气缸的介绍及选用 ............................................................................................................................ 24 4.3 伺服电机和伺服控制器的选用 ........................................................................................................ 25 第五章 软件系统软件设计 .............................................................................................................................. 25 参考文献 ............................................................................................................................................................ 26 致 谢 ................................................................................................................................................................ 27
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第一章 绪 论
1.1 国内外机械手研究概况
在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产，金属加工生产批量中有四分之三有50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。
自上世纪六十年代，机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，最典型的发展是生产者将此产品大量应用于卫生行业（全自动生化分析仪），从而实现了卫生检验中急需短时间、大量样品数据的要求，但在卫生领域的机械手因采用样品品单一酶试剂显色法，且采用滤光片结构设计，造成试剂价格昂贵，限制了产品市场的发展。 随着技术的进步，机械手的设计已经实破了单一试剂、加热及滤光片的束缚。比如美国 OI 公司的产品，可针对单一项目，次序加 4 种试剂，加热温度也提高到 50 ℃ ，检测器则采用二极管陈列技术，这些进步为新领域的应用提供了强大支持。有专家估计未来10 年，全自动流动分析仪的市场份额中，将有 50 ％被全自动化学分析机械手取代。 通过了解上述两类产品的技术特点我们不难看出，机械手具有微升级试剂消耗，不受模板束缚，分析中不同检测项目可穿插完成，可完成研发性波长扫描优化检测条件，用户可自行设计新的检测项目，体积小，甚至可做现场快速分析等特点。 由此也不难看出，以前流动分析中不适合的用户群，如样品检测单一种类少而样品量多的情况，为机械手的应用提供了可能性。对卫生行业的快速分析中，也因新型机械手的设计特点而使取代昂贵的试剂，降低分析成本成为可能。机械手不能完全取代流动分析产品一个重要的理由是：一些特殊样品处理技术不能在线实现，如萃取、高温蒸馏，需要离线进行，相信随着技术的进步，这些方面的技术也会提高。正如一句广告语所讲的“没有最好，只有更好” 。且现代化的注
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塑机常常配置有机械手，以提高生产效率。注塑机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。注塑机械手是为注塑生产自动化专门配备的机械，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高注塑成型机的生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。
随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。
近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到6:4，甚至接近5:5。
我国的气动行业起步较晚，但发展较快。从20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。 由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作”’。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率
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的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。 气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。
此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动调节病床，Robodoc机器人，da Vinci外科手术机器人等。
目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。
1.2 课题研究的内容
1.2.1 课题介绍
本次设计是基于PLC的传送带机械手控制系统。在这个系统中，有两条传送带。当物件A（十个啤酒瓶）放置在甲传送带上，传送到快要接近机械手的时候时，在实现自动减速并前停止在机械手的正下方。机械手自动前伸、降下对准物体，通过活动气缸促使滑板移动，从而夹紧抓起物件，再通过翻转将A物体移至乙传动带上方放下物件，物件A由乙传送带运走，并在需要的时候自动减速、停止。
在机械手抓起物件后，甲传送带继续运行并且将下一个物件运至机械手的正下方。机械手放下物件在乙传送带后自动返回原位抓起下一个物件。如图1－1：
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前伸、抓 翻转 放 松开、上A 传送带甲 检测信号、减速、停止 检测信号、加速、运行 图1－1
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升、后退 传送带乙
下降、夹紧
第二章 系统总体设计方案
2.1 机械手控制方式的选择
2.1.1 控制方式的分类
传统的工业设备自动控制主要由继电器或分立的电子线路来实现，这种控制方式投资相对少一些，目前仅在一些旧式的、简单的工业设备中还有一定市场，但该控制方式却有以下致命缺陷：（1）仅适合于简单的逻辑控制；（2）仅适合特殊的工程项目，而没有通用性；（3）没有改动和优化的可能性。
伴随着工业自动化技术的迅速发展，我国工业领域的自动化已经基本实现了从继电器控制到计算机控制的转变，计算机控制方式具有以下两个特点：（1）硬件上至少有一个微处理器；（2）通过软件实现控制思想。
目前，工业自动化领域比较典型的控制方式有：（1）可编程序逻辑控制器（PLC）；（2）工业控制计算机（IPC）；（3）集散控制系统（DCS）。 2.1.2 机械手控制方式的选定
在工业自动化生产中常用的控制系统有：传统的继电器——接触式控制系统、PLC控制系统和微机控制系统这三种。但从使用性、经济性、可靠性出发，本设计选用了PLC。因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看，本机械手是用于各种传感器在复杂的条件下工作的传输，主要动作是上升、下降、左移、右移、翻转、夹紧、放松和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主。是属典型的机电逻辑顺序动作控制系统，这是PLC最擅长的功能，而且PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点，特别是代替继电器控制系统，这更是它的优势。
PLC实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用PLC厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。
PLC自问世以来，经过20多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，当前，PLC在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用PLC设计自动
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控制系统已成为世界潮流。
PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力。编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。
PLC具有很多的优点。机械手控制系统若采用PLC控制，体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。由于PLC所具有的灵活性、模块化、易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。机械手采用PLC控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，用PLC控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能。综上所述，机械手的控制方式选择PLC控制。
2.2方案设计
2.2.1 方案设计
为了实现既定目标主要是要解决3个问题：传送带物件自动减速停止的实现；机械手自动抓取放置返回的实现；传送带、机械手再启动的条件。其整体结构入如下（图1-2）：
传送带物件自动停止的实现主要是采取光传感器的使用，在传感器检测到物件后，发送信息给PLC，由PLC通过变频器控制电机实现传送带的减速、停止功能。
机械手移动抓取是通过PLC控制电磁阀对汽缸进行充气来控制机械手的上下左右移动，并使用PLC的定时功能实现抓放功能。
传送带、机械手的自动启动停止是PLC直接控制。
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伺服控制器 汽缸 传感器 PLC 机械手 变频器 传送带
图2-2整体结构框图
这里采用的是西门子的PLC，因为整个系统的工作流程是一环环相套的。都是由前一个状态触发后一个状态，所以这里采用的是步进控制系统，传感器、机械手的限位作为输入信号，控制信号作为输出信号。
在整体的设计构思中，全部以工业实际应用的效果为出发点，所以要低成本，高效率、高安全性和稳定性。同时考虑到这种传送带机械手工作单元是流水线上使用较多的基础单元，所以在传感器的选取、机械手的控制方式上采用了较常见和简单的设计。这样可以让使用范围更宽阔。如果有更为精确的需要，只要将其中的一些部件按照精度要求更换即可。
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2.2.2 参数
三相异步电动机：功率为1KW 最大转速为900转/分钟 传送带宽度：30CM 传感器有效范围 1.5M 变频器 伺服电机 伺服控制器
2.3 系统架构及工作流程图
根据此次设计所要实现的目标，可以将整个工作单元分成三个运行系统：1、传送带传动调速系统；2、物件搬运系统；3、各部分硬件的自动控制系统。
其中，自动控制系统又可以称为中央控制系统，由一个中央处理器（这里使用可编程控制器即PLC）为主控单元，接受从信号采集器件即传感器处采集来的信号，经过处理发送给各部分硬件执行相应的操作。从而实现传动系统的调速功能和机械手的搬运动作等。具体系统工作流程图如下：（图2-3）
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物品A被放置 传感器A1 甲带减速 传感器A2 甲带停止 启动A带 机械手返回原位机械手对准、前伸、夹紧 通过翻转移动物体 放下物件，松夹 启动乙带 传感器B1 乙带减速 乙带停止 检测乙带是否停止 传感器B2
图2-3 工作流程图
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第三章 传动带传动及控制系统的设计
3.1 传动带系统构件概述
传送带传动及调速系统是实现将物件传送至相应位置并在需要的时候能实现自动减速、停止功能的系统。由电动机，信号采集器，调速控制器、传送带4个部件构成。电动机提供传送带传送的源动力，信号采集器采用光传感器进行信号采集，调速控制器采用变频器调速方式。在指定的位置安装光传感器后，物件传送到相应位置被传感器检测到后，由传感器将此信息传送给中央处理器件----PLC，再由PLC发出指令给变频器，由变频器控制电机的转速达到实现传送带减速、停止的功能。下面详细介绍各个部件的工作方式及选取。
3.2 电动机的介绍及选用
交流电动机诞生于19世纪末,由于它具有控制方便、适应性强、维护便利等一系列优点，所以很快成为工业社会的重要核心，是传动系统中的主力。同时根据不同生产过程的需要，孕育了各种各样的电动机调速装置和技术，并逐步得到打发展。
3.2.1 电动机选用及运行参数
本次设计的设定，电动机采用的是三相异步电动机，需求功率为1KW，转速为900转/分钟。所以选择YP2-100L-6型电动机 其主要参数如下：
型号
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YP2-100L-6
额定功率（KW） 额定电流（A） 额定转矩（N.M） 额定转速（r/min） 最大转矩/额定转矩 转动惯量（kg/m2） 重量（kg）
3.2.2 电力拖动系统及变频调速
1.1 3.0 11.2 910 2.2 0.0069 27 电动机是电力拖动系统中的原动机,它将电能转化为机械能,去拖动各种类型生产机械的工作机构运动,以实现各种生产工艺的要求,如驱动轧钢机的轧锟,起重机的提升机包括本次设计所实现的传送带传动系统等等.电力拖动系统的组成如图2-2所示:
图3-1
电气控制设备 电动机 传 动 机 构 工作机 械 电源
这里的调速采用变频调速，由传感器采集信号送PCL控制变频器完成，上图中的电器控制设备一处可细分为如下流程(图3-2)：
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物件到达预定位置 由传感器检测并输出信号 交由PLC处理后输出信息 变频器接受信号控制电动机 图3-2
伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
3.3 传感器
传感器是现在及将来在自动化控制系统中最为重要的一个单元，其可以将外界模拟量的变化转化为电信号的输出，从而实现了一个工作系统针对外界的变化而做出相应控制动作的功能。
在本次设计中，由于需要采集的信息是物体的移动，所以采用的是光电传感器，光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。在机械手和传送带自动控制系统中实现自动控制的信息采集作用。
3.3.1光电传感器的分类
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漫反射 反射 回归反射 光电传感器 对射 距离
图 3-3
1)漫反射型
影响检测的因素：安装角度；测量物体的颜色； 振动 优点：
安装最简单，方便 缺点：
漫反射光电传感器是检测最不稳定的。
传感器 被 测物体 T R
图3-4 漫反射型传感器
2)回归反射型
影响检测的因素：被测物的光主亮度；反光镜的安装角度 97年前，以上两方面确实是回归型传感器存在的影响因素。
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但后来该类型传感器增加了P.R.O功能：即
该功能的一个重要特点就是：反光镜可以把纵波转换为横波。发射器发射的是纵波，而接收器只能接收横波。发射器发射的纵波经过反光镜把纵波转变成横波，由接收器接收。由于物体没有把纵波转变为横波的功能，因此，无论物体光亮度如何，只能把发射器发射的纵波返回，接收器不能接收到横波信号，这样，就可以准确地检测物体的有无。 优点：
可检测透明物体和光亮度高的物体；检测稳定，安装方便 缺点：
当反光镜或传感器表面有灰尘时，检测精度降低。可以改变安装方式，经常擦拭灰尘来消除此影响。反光镜角度影响检测精度
传感器 反光镜 T R
图3-5 回归反射型传感器
(3)对射型 影响检测的因素：
被测物的透光性；被测物的大小 优点： 检测精度最高 缺点：
安装不方便，占用较大安装空间；能检测透明和体积小的物体
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发射器 接收器 T R
图3-6 对射型传感器
(4)距离型传感器 原理：
该传感器的检测距离是一定的，因此，检测的发射光和反射光间的角度也是一定值。当传感器检测被测物时，检测到发射光和由被检测物返回的反射光之间的角度和设定的角度不同，此时，传感器就认为检测到物体。
另外，该传感器发射器是点发射，而接收器是面接收。这样，就允许被测物有一个更大的偏转角度。 优点：
和物体的颜色无关；被测物可以偏转更大的角度；有灰尘挡住时，自动增强入射光和反射光的强度，保证检测精度不受灰尘的影响；安装方便
3.3.3常用参数
1、应差距离
当物体移到传感器临界检测距离时，传感器有输出；而当物体向右移动时，传感器并不随之就没有输出了，而是移动一段距离后，传感器才没有输出。这段距离就是应差距离。应差距离越小越好，现在应差距离一般在1mm～6mm间。
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2、检测距离
指传感器最大检测的距离。对于漫反射型传感器来说，是可以检测到物体的最大距离；回归反射型传感器是传感器和反光镜间的距离；对射型传感器是发射器和接收器间距离。 3、IP等级
IP等级指传感器的防尘防水的等级(前一数字是防尘等级，后一数字是防水等级)。如：IP68：完全防尘，可以长时间在水中工作；IP67：完全防尘，可以在水中工作90分钟；IP65：完全防尘，防水喷溅。 4、 L(ight)-ON/D(ark)ON模式
L(ight)-ON：没有检测物时，传感器有输出 D(ark)-ON：有检测物时，传感器有输出
3.3.4 光电传感器选用
1、能用对射，用对射。不能用对射时再考虑其它方式 2、光点直径≈被测物的大小
由于生产线上的物件有外形上的不规则性，直反式的光电传感器可能不能及时发出相应的信息，或者效果不明显。并且由于机械手必须准确抓握物件，防止物件的损伤，所以对时间反应上要求较为严格。同时传送带宽度为1M，所以此次设计选用对射式光传感器。
3.4 变频调速及变频器的选用
根据异步电动机的转速关系，当极数不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此连续地改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速，这种调速方法称为变频调速，它完全不同于前面提到的各种调速方式。变频调速具有较好的调速性能，是现代交流调速方法中具有重要意义的一种调速方法。
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3.4.1 变频器简介
变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，而作为变频调速系统的核心—变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。 1.变频器的基本结构
变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
3.4.2 变频器的分类
变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
3.4.3变频器中常用的控制方式
1 非智能控制方式
在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
(1) V/f控制
V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f
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控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。
(2) 转差频率控制
转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。
(3) 矢量控制
矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。
(4) 直接转矩控制
直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。
(5) 最优控制
最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。
(6) 其他非智能控制方式
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在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。
2 智能控制方式
智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。
(1) 神经网络控制
神经网络控制方式应用在变频器的控制中，一般是进行比较复杂的系统控制，这时对于系统的模型了解甚少，因此神经网络既要完成系统辨识的功能，又要进行控制。而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器，因此在多个变频器级联时进行控制比较适合。但是神经网络的层数太多或者算法过于复杂都会在具体应用中带来不少实际困难。
(2) 模糊控制
模糊控制算法用于控制变频器的电压和频率，使电动机的升速时间得到控制，以避免升速过快对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率。模糊控制的关键在于论域、隶属度以及模糊级别的划分，这种控制方式尤其适用于多输入单输出的控制系统。
(3) 专家系统
专家系统是利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式，因此，专家系统中一般要建立一个专家库，存放一定的专家信息，另外还要有推理机制，以便于根据已知信息寻求理想的控制结果。专家库与推理机制的设计是尤为重要的，关系着专家系统控制的优劣。应用专家系统既可以控制变频器的电压，又可以控制其电流。
(4) 学习控制
学习控制主要是用于重复性的输入，而规则的PWM信号(例如中心调制PWM)恰好满足这个条件，因此学习控制也可用于变频器的控制中。学习控制不需要了解太多的系统信息，但是需要1~2个学习周期，因此快速性相对较差，而且，学习控制的算法中有时需要实现超前环节，这用模拟器件是无法实现的，同时，学习控制还涉及到一个稳定性的问题，在
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应用时要特别注意。
3.4.4变频器的选用
此次设计由于采用了1kw，转速为900转/分钟的变频电动机，所以选取了功率为1.5kw，3.5kVA的日立J100-015HFE型变频器。 主要性能参数如下： 型号名称 适用电机额定值 连续输出 交流输入电源额定值 额定输出电压 额定输出电流 控制方式 功率器件 转矩控制 输出频率范围 最大频率调节 频率分辨率 设定频率分辨率 日立J100-015HFE型变频器 1.5kw 380 3.8A 空间矢量PWM 只能功率模块 无速度传感器矢量，V/F控制 0.5-360Hz +15Hz 0.01Hz 数字设定：0.1 模拟设定：fmax/100(输入为10V) fmax/500（输入为5V） 频率精度 数字设定：0.1%（最小频率为0.1HZ） 模拟设定：±0.2% 起动转矩*5 150%在3hz下 22
第四章 物件搬运系统的设计
4.1 总体设计思路
此次设计中，物件搬运系统是一个自动运行的系统。要求机械手在物件运至指定位置并停止后，能够抓取物件通过翻转搬移到另外一条传送带上，然后翻转返回搬运下一个物件。其中控制系统还是采取了PLC控制。
物件搬运系统的核心部件是机械手，为了机械手能够准确定位及自动控制，这里机械手的行动采用了气缸气动控制方式。气缸的行动方向则由PLC控制的电磁阀控制完成。具体结构图(图2-10)如下：
由电磁阀控制气体的进口方向，从而推动气缸活塞的左右运动，达到控制机械手左右，上下，抓握等动作。下面将分别介绍气缸和电磁阀的工作原理、特性及选型。
气 缸 伺服电机
图 3-1 气缸运作结构图
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4.2 气缸的介绍及选用
4.2.1 气动元件及双向活塞式气缸
将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动机构作直线往复运动，摆动和旋转运动的元件，称为气动元件。
在气动执行元件中，使用最多的是直线运动的气缸。按照将空气压力转换成力的受压不见的机构不同，有活塞式和非活塞式（如膜片式）目前使用最多的是活塞式。此次设计中采用的活塞式单杆双向气缸。
双向气缸的活塞前进或后退都能输出动力，行程可根据需要选择。一般气缸两段都带有缓冲装置，当活塞运动到终端时，活塞撞击的力量很大，所以缓冲装置可以有效的减少冲撞力。
同时，气缸的两端还设有行程开关，用以检测气缸是否行驶到了极限位置。当气缸行驶到极限位置时，行程开关闭合，电磁阀停止供气。
4.2.2 气缸工作原理
此次设计中，为了实现机械手在一个方向上的双向移动，所以选用双向气缸。如图2-11, 当a道进气时，活塞带动机械手向右移动；当b道进气时，活塞带动机械手向左移动。
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图 3-2
a b
4.2.3 气缸的选用
气缸的选用主要考虑的是气缸直径，气缸长度等。此次设计中，采用了SMC CJ2型，缸径20mm，长度为600mm的标准型双向气缸。
4.3 伺服电机和伺服控制器的选用
第五章 软件系统软件设计
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致 谢
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