【正文】 器方向發(fā)展 。傳感器作用日益重要 。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真 ,預(yù) 演發(fā)展到用于過程控制 . 國內(nèi)方面 :目前在一些機(jī)種方面 ,如噴涂機(jī)械手 ,弧焊機(jī)械手 ,點(diǎn)焊機(jī)械手 ,搬運(yùn)機(jī) 械手 ,裝配機(jī)械手 ,特種機(jī)械手 (水下 ,爬壁 ,管道 ,遙控等機(jī)械手 )基本掌握了機(jī)械手 操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù) ,解決了控制驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置 ,軟件的設(shè)計和編制等關(guān)鍵技 術(shù) ,還掌握了自動化噴漆線 ,弧焊自動線及其周邊配套設(shè)備的全套自動通信 ,協(xié)調(diào)控制技 術(shù) 。在基礎(chǔ)元件方面 ,諧波減速器 ,機(jī)械手焊接電源 ,焊縫 自動跟蹤裝置也有了突破 .從 技術(shù)方面來說 ,我國已經(jīng)具備了獨(dú)立自主發(fā)展中國機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ) [6]. 課題研究的內(nèi)容 本課題主要研究的是基于 PLC 的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計 , 包括硬件的設(shè)計和軟件的設(shè)計 .通過設(shè)計編制 PLC 程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的自動控制 .利用組態(tài)軟件 MCGS 設(shè)計出人機(jī)界面 ,進(jìn)行設(shè)備和數(shù)據(jù)對象的連接 ,實(shí)現(xiàn)動畫連接 ,實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的監(jiān)控 . 通過 MCGS 將機(jī)械手的動作過程進(jìn)行動畫演示 ,使機(jī)械手的動作形象化 .提供較為直觀 , 清晰 ,準(zhǔn)確的機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài) ,為維修和故障診斷提供多方面 的可能性 ,充分提高系統(tǒng)的工作效率 . 第二章 機(jī)械手控制方式的選擇和可編程序控制器簡介 機(jī)械手控制方式的選擇 傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備自動控制主要由繼電器或分立的電子線路來實(shí)現(xiàn) ,這種控制方式投資 相對少一些 ,目前僅在一些舊式的 ,簡單的工業(yè)設(shè)備中還有一定市場 ,但該控制方式卻有 以下致命缺陷 : (1)僅適合于簡單的邏輯控制 。 (2)僅適合特殊的工程項目 ,而沒有通用性 。 (3)沒有改動和優(yōu)化的可能性 . 伴隨著工業(yè)自動化技術(shù)的迅速發(fā)展 ,我國工業(yè)領(lǐng)域的自動化已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了從繼電器 控制到計算機(jī)控制的轉(zhuǎn)變 ,計算機(jī)控 制方式具有以下兩個特點(diǎn) : (1)硬件上至少有一個微 處理器 。 (2)通過軟件實(shí)現(xiàn)控制思想 . 目前 ,工業(yè)自動化 4 領(lǐng)域比較典型的控制方式有 : (1)可編程序邏輯控制器 (PLC) (2)工業(yè)控制計算機(jī)(IPC)(3)集散控制系統(tǒng) (DCS) PLC 與工業(yè)控制計算機(jī) (IPC)和集散控制系統(tǒng) (DCS)的比較 1,各自技術(shù)發(fā)展的起源 .計算機(jī)是為了滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求的設(shè)備 . 硬件結(jié)構(gòu)方面 , 總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高 , 兼容性強(qiáng) ,軟件資源豐富 ,特別是有實(shí)時操作系統(tǒng)的支持 ,故對要求快速 ,實(shí)時性強(qiáng) ,模 型 復(fù)雜和計算工作量大的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢 . 集散系統(tǒng)從工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到以工業(yè)控制計算機(jī)為中心的集散系統(tǒng) ,所以其在模擬量處理 ,回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢 ,初期主要用在連續(xù)過程控制 ,側(cè)重回路 調(diào)節(jié)功能 .PLC 是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來 ,主要應(yīng)用在工序控制上 ,初期主要是代替 繼電器控制系統(tǒng) ,側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面 . 近年來隨著微電子技術(shù) , 大規(guī)模集成電路技術(shù) , 計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等的發(fā)展 , PLC 在技術(shù)和功能上發(fā)生了飛躍 .在初期邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)上 ,增加了數(shù)值運(yùn)算 ,閉環(huán)調(diào)節(jié)等功 能 ,增加了模擬量和 PID 調(diào)節(jié)等功能模塊 。運(yùn)算速度提高 ,CPU 的能力趕上了工業(yè)控制計算機(jī) 。通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò) (LAN),因而也可構(gòu)成為一個集散系統(tǒng) . 特別是個人計算機(jī)也被吸收到 PLC 系統(tǒng)中 . PLC 在過程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn) 場總線 ,暨向下拓展功能 ,開放總線 . 2,相同點(diǎn) 3 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 在微電子技術(shù)發(fā)展的背景下 ,從硬件的角度來看 ,PLC,工業(yè)計算機(jī) ,集散系統(tǒng) (DCS) 之間的差別正在縮小 ,都將由類似的一些微電子元件 ,微處理器 ,大容量半導(dǎo)體存儲器和 I/O 模件組成 .編程方面也有很多相同點(diǎn) . 3,不同點(diǎn) 由于 PLC 和計算機(jī)屬于兩類產(chǎn)品 , 經(jīng)過幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點(diǎn)和軟件 工具 ,實(shí)際上它們的區(qū)別仍然存在 . PLC 用編程器或計算機(jī)編程 ,編程語言是梯形圖 ,功能塊圖 ,順序功能表圖和指令表 等 .集散系統(tǒng)自身或用計算機(jī)結(jié)構(gòu)形成組態(tài)構(gòu)成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境 . 特別需要提出的是 ,PLC 與 STD 總線工控機(jī)的區(qū)別 ,無論從維修 ,安裝和模件功能都 很相似 .PLC 更適用于黑模式下運(yùn)行 ,但在線運(yùn)行時若要進(jìn)行較大的程序修改 ,其能力略 遜于 STD 工控機(jī) ,但是從開關(guān)量控 制而言 ,PLC 的性能優(yōu)于 STD 工控機(jī) . 總的來說 ,在選擇控制器時 ,首先要從工程要求 ,現(xiàn)場環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮 .沒 有哪種控制器是絕對完善的 ,也沒有哪種產(chǎn)品絕對差 ,只能說根據(jù)不同的環(huán)境選擇更適用的產(chǎn)品 [7]. 機(jī)械手控制方式的選定 PLC 實(shí)現(xiàn)的自動控制系統(tǒng) ,其控制功能基本都是通過設(shè)計軟件來實(shí)現(xiàn)的 ,這種軟件是利用 PLC 廠商提供的指令系統(tǒng) ,根據(jù)機(jī)械設(shè)備的工藝流程來設(shè)計 . PLC 自問世以來 ,經(jīng)過 20 多年的發(fā)展 ,在美國 ,歐洲 ,日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已成為 重要產(chǎn)業(yè) ,當(dāng)前 ,PLC 在國際市場上已成為最 受歡迎的工業(yè)控制暢銷產(chǎn)品 ,用 PLC 設(shè)計自 動控制系統(tǒng)已成為世界潮流 . PLC 之所以有生命力 ,在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場和市場的要求 :高可靠性 ,強(qiáng)抗各種 干擾的能力 .編程安裝使用簡 5 便 ,低價格長壽命 .比之單片機(jī) ,它的輸入輸出端更接近現(xiàn) 場設(shè)備 ,不需添加太多的中間部件或需要更多的接口 ,這樣節(jié)省了用戶時間和成本 .PLC 的下端 (輸入端 )為繼電器 ,晶體管和晶閘管等控制部件 ,而上端一般是面向用戶的微型 計算機(jī) .人們在應(yīng)用它時 ,可以不必進(jìn)行計算機(jī)方面的專門培訓(xùn) ,就能對可編程控制器進(jìn) 行操作及編程 ,用來完成各種各樣的復(fù)雜 程度不同的工業(yè)控制任務(wù) . PLC 具有很多的優(yōu)點(diǎn) .機(jī)械手控制系統(tǒng)若采用 PLC 控制 ,體積小 ,重量輕 ,控制方式 靈活 ,可靠性高 ,操作簡單 ,維修容易 .由于 PLC 所具有的靈活性 ,模塊化 ,易于擴(kuò)展等 特點(diǎn) ,可以根據(jù)現(xiàn)場要求實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的不同工作要求 .機(jī)械手采用 PLC 控制技術(shù) ,可以大 大提高該系統(tǒng)的自動化程度 ,減少了大量的中間繼電器 ,時間繼電器和硬件接線 ,提高了控制系統(tǒng)的可靠性 .同時 ,用 PLC 控制系統(tǒng)可方便地更改生產(chǎn)流程 ,增強(qiáng)控制功能 [8].綜 上所述 ,機(jī)械手的控制方式選擇 PLC 控制 . 可編 程序控制器簡介 可編程序控制器 (Programmable Logic Controller)簡稱 PLC 或 PC,是從早期的繼電 器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來 ,它不斷吸收微計算機(jī)技術(shù)使之功能不斷增強(qiáng) ,逐漸適應(yīng)復(fù)雜的 控制任務(wù) . PLC 和一般的微型計算機(jī)基本相同 , 也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的 . PLC 的硬件系統(tǒng)由微處理器 (CPU),存儲器 (EPROM,ROM),輸入輸出 (I/O)部件 ,電源部件 , 編程器 ,I/O 擴(kuò)展單元和其他外圍設(shè)備組成 .各部分通過總線 (電源總線 ,控制總線 ,地址 總線 ,數(shù)據(jù)總線 )連接而成 [9].其結(jié)構(gòu)簡圖如下 : 6 圖 21 PLC 硬件結(jié)構(gòu)圖 PLC 的軟件系統(tǒng)是指 PLC 所使用的各種程序的集合 , 通常可分為系統(tǒng)程序和用戶程序 兩大部分 . 系統(tǒng)程序是每一個 PLC 成品必須包括的部分 , PLC 廠家提供 , 由 用于控制 PLC 本身的運(yùn)行 , 系統(tǒng)程序固化在 EPROM 中 . 用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫的程序 . 硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的 PLC 系統(tǒng) ,他們是相輔相成 ,缺一不可的 . PLC 的特點(diǎn) 可編程序控制器是一種以微機(jī)處理器為核心的工業(yè)通用自動控 制裝置 ,其實(shí)質(zhì)是一種 工業(yè)控制用的專用計算機(jī) .國內(nèi)外現(xiàn)有的機(jī)械手系統(tǒng) ,它們的控制形式大都采用可編程序 控制器控制 ,特別是在智能化要求程度高容量大的現(xiàn)代化工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中應(yīng)用更為普 遍 .其主要原因是因?yàn)? PLC 具有以下優(yōu)點(diǎn) : 1,靈活 ,通用 在繼電器控制系統(tǒng)中 ,使用的控制器件是大量的繼電器 ,整個系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計好的電 器控制圖 ,由人工布線 ,焊接 ,固定等手段組裝完成的 ,其過程費(fèi)時費(fèi)力 .如果因?yàn)楣に? 上的稍許變化 , 需要改變電器控制系統(tǒng)的話 , 那么原先的整個電器控制系統(tǒng)將被全部拆除 , 而重新進(jìn)行布線 ,焊接 ,固定等 工作 ,浪費(fèi)了大量的人力 ,物力和時間 .而可編程控制器 是通過存儲在存儲器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能的 ,如果控制功能需要改變的話 ,只需要修改 程序以及改動極少量的接線即可 . 而且 , 同一臺可編程控制器還可以用于不同的控制對象 , 只要改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同 7 的控制要求 ,因此具有很大的靈活性 ,通用性 . 2,可靠性高 ,抗干擾能力強(qiáng) 對于機(jī)械手系統(tǒng)來說 ,可靠性 ,抗干擾能力是非常重要的指標(biāo) ,如何能在各種工作環(huán) 境和條件 (如電磁干擾 ,低溫潮濕 ,灰塵超高溫等 )下 ,平穩(wěn)可靠的工作 ,將故障率降至最 低 ,是研制每一種控制系統(tǒng)必須考慮的問題 .現(xiàn)代 PLC 采用了集成度很高的微電子器件 , 大量的開關(guān)動作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成 ,其可靠性程度是使用機(jī)械觸點(diǎn)的繼電器所 無法比擬的 .為了保證 PLC 能在惡劣的工業(yè)環(huán)境可靠的工作 ,在其設(shè)計和制造過程中采取 了一系列硬件和軟件方面的抗干擾措施 ,使其可以適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境 . 3,操作方便 ,維修容易 PLC 采用電氣操作人員熟悉的梯形圖和功能助記符編程 ,使用戶十分方便的讀懂程序 和編寫 ,修改程序 .對于使用者來說 ,幾乎不需要專門的計算機(jī)知識 .工程師編好的程序 十分清晰直觀 ,只要寫好操作說明書 ,操作人員經(jīng) 短期的學(xué)習(xí)就可以使用 . 4,功能強(qiáng) 現(xiàn)代 PLC 不僅具有條件控制 ,計時 ,計數(shù)和步進(jìn)等控制功能 ,而且還能完成 A/D, D/A 轉(zhuǎn)換 ,數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等 .因此 ,它既可控制開關(guān) 量 ,又可控制模擬量 。既可控制一個機(jī)械手 ,又可控制一個機(jī)械手群 。既可控制簡單系統(tǒng) , 又可控制復(fù)雜系統(tǒng) 。既可現(xiàn)場控制 ,又可遠(yuǎn)程控制 . 5,體積小 ,重量輕和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 由于 PLC 采用了半導(dǎo)體集成電路 .因此具有體積小 ,重量輕 ,功耗低的特點(diǎn) .且 PLC 是為工業(yè)控制設(shè)計的專用計算機(jī) ,其結(jié)構(gòu)緊湊 ,堅固耐用 ,體 積小巧 ,并由于具備很強(qiáng)的 可靠性和抗干擾能力 ,使之易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部 ,因而成為實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化十分理想的 控制設(shè)備 [10]. 同樣 ,可編程序控制器控制也有其不足的地方 ,在性價比上要高于繼電器控制和單片 機(jī)控制 ,其開發(fā)潛力要差于單片機(jī) ,并且通用性不好 ,不同廠家的可編程序控制器以及其 附屬單元都是固定專用等等 . PLC 的主要功能 PLC 是一種應(yīng)用面很廣 ,發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置 ,在工廠自動化 (FA)和計算 機(jī)集成制造系統(tǒng) (CIMS)內(nèi)占重要地位 . PLC 系統(tǒng)主要有以下功能 : 1) 多種控制功能 。 2) 數(shù)據(jù)采集 ,存儲與處理功能 。 3) 通信聯(lián)網(wǎng)功能 。 4) 輸入 ,輸出接口調(diào)理功能 。 5) 人機(jī)界面功能 。 6) 編程 ,調(diào)試功能 . PLC 的重量 ,體積 ,功耗和硬件價格一直在降低 ,雖然軟件價格占的比重有所增加 , 但是各廠商為了競爭也相應(yīng)地降低了價格 .另外 ,采用 PLC 還可以大大縮短設(shè)計 ,編程和 投產(chǎn)周期 ,使總價格進(jìn)一步降低 .PLC 產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展 ,將再次革新 ,滿足工業(yè) 與民用控制的更高需求 [11]. PLC 的經(jīng)濟(jì)分析 綜上所述 ,在各種環(huán)境中 ,使用 PLC 控制機(jī)構(gòu)設(shè)備 ,生產(chǎn)流水線和生產(chǎn)過程的自動化 控制將越來越廣泛 . 對 PLC 的經(jīng)濟(jì)分析 ,應(yīng)從以下幾方面考慮 : 1,從影響成本的各個因素綜合考慮 對目前生產(chǎn)設(shè)備控制裝置來說 ,有三種類型 :① 繼電器控制 。② 半導(dǎo)體器件控制 。 ③ PLC 控制 .價格僅是選擇 PLC 品牌的一個因素 ,而可靠性是選擇控制裝置時需要考慮 的又一個重要因素 . 2,從設(shè)計 ,生產(chǎn)周期長短考慮 7 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 不論是對舊設(shè)備進(jìn) 8