【正文】 機械手畢業(yè)設(shè)計論文 第 6 頁 共 36 頁 1 PLC 的發(fā)展歷程和構(gòu)成 PLC 的發(fā)展歷 可編程序控制器的英文為 Programmable Controller，在二十實際七十至八十年代一直簡稱為 PC。由于到 90 年代，個人計算機發(fā)展起來，也簡稱為 PC；加之可編程序的概念所涵蓋的范圍太大，所以美國 AB 公司首次將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器（ PLC， Programmable Logic Controller），為了方便，仍簡稱 PLC 為可編程序控制器。有人把可編程序控制器組成的系統(tǒng)稱為 PCS 可編程序控制系統(tǒng)，強調(diào)可編程序控制器生產(chǎn)廠商向人們提供的已是完整的系統(tǒng)了。 1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)字公司研制出了第一土改可編程序控制器，滿足了 GM 公司裝 配線的要求。隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有第五代 PLC 產(chǎn)品了。 在八十年代至九十年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。由于 PLC 人機聯(lián)系處理模擬能力和網(wǎng)絡(luò)方面功能的進步，擠占了一部分 DCS的市場（過程控制）并逐漸壟斷了污水處理等行業(yè)，但是由于工業(yè) PC（ IPC）的出現(xiàn)，特別是近年來現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展， IPC 和 FCS 也擠占了一部分 PLC市場，所以近年來 PLC 增長速度總的說是漸緩。目前全世界有 200 多廠家生產(chǎn)300 多品種 PLC 產(chǎn)品，主要應(yīng)用在汽車（ 23%）、糧 食加工（ %）、化學 /制藥（ %）、金屬 /礦山（ %）、紙漿 /造紙（ %）等行業(yè)。 國內(nèi) PLC 生產(chǎn)廠約三十家，但沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品，還有一部分是以仿制、來件組裝或“貼牌”方式生產(chǎn)，因此可以說 PLC 在我國未形成制造產(chǎn)業(yè)。作為原理、技術(shù)和工藝均無尖端技術(shù)難度的產(chǎn)品，只要努力，是能形成制造產(chǎn)業(yè)的。 PLC 的市場的潛力是巨大的，不僅在我國，即使在工業(yè)發(fā)達的日本也有調(diào)查表明， PLC 配套的機電一體化產(chǎn)品的比例占 42%，采用繼電器、接觸器控制尚有 24%。所 以說，需要應(yīng)用 PLC 的場合還很多，在我國就更是如此了。 PLC 具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、應(yīng)用靈活方便、操作維護方便的優(yōu)點，這是它能持久的占有市場的根本原因，我們下面重點闡述幾個問題，并研究其發(fā)展趨勢。 機械手畢業(yè)設(shè)計論文 第 7 頁 共 36 頁 PLC 控制器本身的硬件采用積木式結(jié)構(gòu)，各廠家產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大同小異。以日本歐姆龍 C200HE 為例，為總線模板框式結(jié)構(gòu)，基本框架（ CPU 母板）上裝有CPU 模板，其它槽位裝有 I/O 模板；如果 I/O 模板多時，可由 CPU 母板經(jīng) I/O擴展電纜連接 I/O 擴展母板，在其上裝 I/O 模板；另一種方法是配備遠程 I/O 從站等。這些都說明了 PLC 廠家將硬件各部件均向用戶開發(fā)，便于用戶選用，配置成規(guī)模不等的 PLC，而且這種硬件配置的開放性，為制造商、分銷商（代理商）、系統(tǒng)集成商、最終用戶帶來很多方便，為營銷供應(yīng)鏈帶來很大便利，這是一大成功經(jīng)驗。 PLC 內(nèi)的 I/O 模板，除一般的 DI/DO、 AD/DA 模板外，還發(fā)展了一系列特殊功能的 I/O 模板，這為 PLC 用于各行各業(yè)打開了出路，如用于條形碼識別的ASCII/BASIC 模板，用于反饋控制的 PID 模板，用于運行控制、機械加工的高速計數(shù)模板、單軸位置控制模板、雙軸位置 控制模板、凸輪定位器模板、射頻識別接口模板等，這在以后還會有很大發(fā)展。另外在輸入、輸出的相關(guān)元件、強干擾場合的輸入、輸出電隔離、地隔離等方面也會更加完善。 PLC 中的 CPU 與存儲器配合，完成控制功能。它與 DCS 系統(tǒng)處理溫度、壓力、流量等參數(shù)的系統(tǒng)不同，采用快速的巡回掃描周期，一般為 ~ 秒，更快的則選用 50 毫秒或更小的消滅周期。它是一個數(shù)字采樣控制系統(tǒng)。 由于各 PLC 廠家產(chǎn)品在指令系統(tǒng)上的差異及編程方法上用戶要求不同，近年來 IEC 制訂了基于 Windows 的編程語言標準 IEC611313（注： 1993 年 IEC 頒布可編程序控制器的國際標準 IEC1131），它規(guī)定了指令表（ IL）、梯形圖（ LD）、順序功能圖（ SFC）、功能塊圖（ FBD）、結(jié)構(gòu)化文本（ ST）五種編程語言。這包括了文本化編程（ IL、 ST）和圖形編程（ LD、 FBD）兩個方面，而 SFC 則在兩類編程語言中均可使用。 IEC 技術(shù)委員會（ TC65）進來開展了 IEC61499 項目，將 IEC611313 進行了擴展，它是針對通過通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的模塊化分布系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的標準，將對 IEC611313 有所改善。這是以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的可編 程序邏輯控制裝置在高層次上走向開放性的標準化文件，是 PLC 發(fā)展的一大趨勢。 一個或若干 PLC 與 PC 機聯(lián)出系統(tǒng)， PC 機起到原編程器及人機界面操作站的作用，這 20 世紀 90 年代的新潮流，這樣為系統(tǒng)集成帶來了商機，同時編程軟件和人機界面軟件（監(jiān)控軟件或稱組態(tài)軟件）及軟件接口（或稱驅(qū)動軟件）也得機械手畢業(yè)設(shè)計論文 第 8 頁 共 36 頁 到了發(fā)展。 PLC 的構(gòu)成 從結(jié)構(gòu)上分， PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括CPU 板、 I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括 CPU 模 塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 CPU 的構(gòu)成 CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 PLC 至少有一個 CPU，它按PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和 PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。 CPU 主要由運算器、控制器、 寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成， CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是 PLC 不可缺少的組成單元。 CPU 速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度， IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 I/O 模塊 PLC 與 電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（ I/O）完成的。 I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。 I/O 分為開關(guān)量輸入（ DI），開關(guān)量輸出（ DO），模擬量輸入（ AI），模擬量輸出（ AO）等模塊。開關(guān)量是指只有開和關(guān)（或 1 和 0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指連續(xù)變化的量。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（ 420mA,020mA）、電壓型（ 010V,05V,1010V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 機械手畢業(yè)設(shè)計論文 第 9 頁 共 36 頁 除了上述通用 IO 外，還有特殊 IO 模塊，如熱電阻、熱電偶 、脈沖等模塊。 按 I/O 點數(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架槽數(shù)限制。 電源模塊 PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供 24V 的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC 或 110VAC），直流電源（常用的為 24VAC）。 底板或機架 大多數(shù)模塊式 PLC 使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使 CPU 能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模 塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。 、 PLC 系統(tǒng)的其它設(shè)備 編程設(shè)備：編程器是 PLC 開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控 PLC 及 PLC 所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器 PLC 一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。 人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當人機界面非常普及。 輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲用戶 數(shù)據(jù)，如 EPROM、 EEPROM 寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。 PLC 的通信聯(lián)網(wǎng) PLC 具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使 PLC 與 PLC 之間、 PLC 與上位計算機以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。多數(shù) PLC 具有 RS232 接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。 PLC 的通信，還未實現(xiàn)互操作性， IEC 規(guī)定了多種現(xiàn)場總線標準， PLC 各廠家均有采用。 機械手畢業(yè)設(shè)計論文 第 10 頁 共 36 頁 2 機械手的組成 機械手的發(fā)展 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的 多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 機械手由以下結(jié)構(gòu)： 執(zhí)行機構(gòu) —— 驅(qū)動 傳動機構(gòu) —— 控制系統(tǒng) —— 智能系統(tǒng) —— 遠程診斷監(jiān)控系統(tǒng)，五部分組成。 機械手的設(shè)計構(gòu)想是以人的手為基礎(chǔ)，以機械拉來實現(xiàn)人的動作，它的動作由以下四部分來實現(xiàn)： 自由度的旋轉(zhuǎn) 肩的前后動作 肘的上下動作 腕 (手 )的動作 驅(qū)動 傳動機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)是相輔相成的，在驅(qū)動系統(tǒng)中可以分 :機械式、電氣式、液壓式和復合式，其中制，本設(shè)計主要設(shè)計 PLC 的控制部分。 液壓操作力最大。 控制系統(tǒng)采 用西門子 PLC 控制。本設(shè)計運動形式 :前后、上下兩個自由度運動，均由液壓伺服系統(tǒng)控 該控制系統(tǒng)的設(shè)計是可以給操作臂一個信號的動力反饋系統(tǒng)。該工作臂類似一個伸縮儀。在方位、肩部和肘部上的軸直接控制位置，利用主臂控制速度。在機械手的操作柄有一個按鈕來控制工作頭（降低、翻轉(zhuǎn)、傾斜和抓住的裝置）?？刂葡到y(tǒng)的特性是可以使操縱器以一定的速度和精確性進行工作。 工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)是基于模組塊系統(tǒng)上的，模組塊系統(tǒng)適合于提高移動的速度或特殊類型的工作。在設(shè)計上考慮維修的簡單性。維修的人員需要具備一定的資格，應(yīng)能處理一般的機 械設(shè)備的問題或通常液壓件的安裝。 工業(yè)機械手傳輸在末端工具上的力或負載的感覺到操作者的手中 (動力反饋 )“動力反饋”的意思是在機械手臂末端上的力有一小部分反饋到操作柄。減少比率意味著操作者必須用 2 公斤的力才能將工具額定的負載舉起。對于動力反饋，操作者有機會感覺在方位、肩部和肘部的軸的負載改變的不同情況 (慣性和加速度 )。通過提供額外的力，操作者可以優(yōu)先確定使用的力和搬運的路徑，目的是為了獲得一個快慢速。、 機械手畢業(yè)設(shè)計論文 第 11 頁 共 36 頁 動力臂的機械構(gòu)造 動力臂由上臂和一個較底臂 (下臂 )連接組成，它建立一個圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的支撐 上。在垂直面的運動是圍繞水平軸 (稱之為肩軸 )的上臂運動和圍繞第二個水平軸 (稱之為肘軸 )下臂的旋轉(zhuǎn)運動疊加而獲得的。上臂的運動是通過液壓缸直接控制，下臂的運動是由液壓缸通過一個可以圍繞肩軸旋轉(zhuǎn)并且通過一個傳送橫梁來控制。方位角的運動是通過一個安裝支撐面上的液壓馬達進行控制的，馬達通過與基礎(chǔ)板連接的差動器的側(cè)傘齒輪上的小齒輪來帶動。通過橫梁和和肘部零件的連接保持最終配置部件的位置恒定不便。這樣上臂和下臂的運動各自具有獨立的方向。 控制和伺服系統(tǒng) 操縱臂包含通過三個控制電路操控動力臂所有元件。操縱柄包 含所有控制配置裝置上工作頭的功能操控裝置。 位置控制系統(tǒng) 操作臂上的電位計隨該臂的移動給出一個控制電壓，同時動力臂的移動帶動反饋電位計產(chǎn)生一個極性相反與位移成比例的反饋電壓，兩者同時輸入電子控制器進行比較產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)過電子控制器的轉(zhuǎn)換，輸出一相應(yīng)的電流信號給電液伺服閥，從而操控動力臂移動到操控所要求的位置，若偏差信號為“ 0”，于是動力臂將停止在這個位置。 該系統(tǒng)并裝有壓力傳感器，它將負載信號輸送到電子控制器，起到動壓反饋的作用，它將改善系統(tǒng)的動態(tài)特性（如：穩(wěn)定性等） 負載反傳 系統(tǒng)（原名：動力反饋系統(tǒng)） 工業(yè)機械手，為了給操作者在操作過程中能有負載變化的感覺，設(shè)置了將機械手傳輸在末端工具上的力或負載成比例地傳到操作者手中的裝置。它使操作者必須使用兩公斤的力才能將工具額定的負載舉起，可以讓操作者有機會感覺在方位、肩部和肘部的軸的負載改變的不同情況（慣性和加速度），通過操作力的改變，操作者可以正確的確