【正文】 領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用 PLC。機(jī)械手在美國、加拿大等國家應(yīng)用較多，如用果實(shí)采摘機(jī)械手來摘果實(shí)、裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機(jī)器人等。我國自動(dòng)化水平本身比較低，因此用 PLC 來控制的機(jī)械手還比較少。本次課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手就是通過 PLC 來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的。通過此次設(shè)計(jì)可以更進(jìn)一步學(xué)習(xí) PLC的相關(guān)知識(shí)，了解世界先進(jìn)水平，盡可能多的應(yīng)用于實(shí)踐。MCGS 是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于 Microsoft 的各種 32 位 Windows 平臺(tái)上運(yùn)行，通過對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用 [2]。本設(shè)計(jì)通過 MCGS 組態(tài)軟件對(duì)機(jī)械手進(jìn)行監(jiān)控，將機(jī)械手的動(dòng)作過程進(jìn)行了動(dòng)畫顯示，使機(jī)械手的動(dòng)作過程更加形象化。溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 6 頁 國內(nèi)外機(jī)械手研究概況機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問世以來，經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中重要的機(jī)電設(shè)備。目前，正式投入使用的絕大部分機(jī)械手屬于第一代機(jī)械手，即程序控制機(jī)械手。這代機(jī)械手基本上采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)，沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機(jī)械手具有感覺器官，仍然以程序控制為基礎(chǔ)，但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對(duì)控制程序進(jìn)行校正。這代機(jī)械手通常采用接觸傳感器一類的簡單傳感裝置和相應(yīng)的適應(yīng)性算法?，F(xiàn)在，第三代機(jī)械手正在第一、第二代機(jī)械手的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來，它是能感知外界環(huán)境與對(duì)象物，并具有對(duì)復(fù)雜信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理，對(duì)自己行為做出自主決策能力的智能化機(jī)械手。它能識(shí)別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識(shí)圖等多種仿生動(dòng)作，具有專家知識(shí)、語音功能和自學(xué)能力等人工智能 [3]。目前機(jī)械手技術(shù)有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機(jī)械手、微型機(jī)械手和微操作系統(tǒng)（如細(xì)小工業(yè)管道機(jī)械手移動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)、微型飛行器等） 、機(jī)械手化機(jī)器、智能機(jī)械手（不僅可以進(jìn)行事先設(shè)定的動(dòng)作，還可按照工作狀況相應(yīng)地進(jìn)行動(dòng)作，如回避障礙物的移動(dòng)，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)等） 。機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴(kuò)展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機(jī)械手也將越來越多地裝備部隊(duì) [4][5]。國外方面：近幾年國外工業(yè)機(jī)械手領(lǐng)域有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)械手性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降；機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(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(jì)制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置，軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動(dòng)化噴漆線、弧焊自動(dòng)線及其周邊配套設(shè)備的全套自動(dòng)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(dòng)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]。溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 7 頁 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(jì)，包括硬件的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)編制 PLC 程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制。利用組態(tài)軟件 MCGS 設(shè)計(jì)出人機(jī)界面，進(jìn)行設(shè)備和數(shù)據(jù)對(duì)象的連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(dòng)作過程進(jìn)行動(dòng)畫演示，使機(jī)械手的動(dòng)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。溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 8 頁第二章 PLC 及機(jī)械手的介紹及選擇 PLC 慨況可編程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，簡稱 PC） 。與個(gè)人計(jì)算機(jī)的 PC 相區(qū)別，用 PLC 表示。自二十世紀(jì)六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC 得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，PLC 的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC 在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的 PLC 不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。PLC 是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀(jì)七十年代的 PLC 只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入 PLC 的用戶程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC 的 CPU 內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動(dòng)加 1，程序從起始步（步序號(hào)為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為 END 指令） ，然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。PLC 每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)的 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，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算 1K 邏輯程序不到 1 毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16 位（也有 32 位的）為一個(gè)模擬量。大型 PLC 使用另外一個(gè) CPU 來完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給 PLC 的控制器。　　相同 I/O 點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用 PLC 比用 DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右） 。PLC 沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比 DCS 要低很多。一個(gè) PLC 的控制器，可以接收幾千個(gè) I/O 點(diǎn)（最多可達(dá)8000 多個(gè) I/O） 。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用 PLC 較為合適。PLC 由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近 10 年來，隨著 PLC 價(jià)格的不斷降低和用戶需求的不斷擴(kuò)大，越來越多的中小溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 9 頁設(shè)備開始采用 PLC 進(jìn)行控制，PLC 在我國的應(yīng)用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動(dòng)化水平的不斷提高，今后一段時(shí)期內(nèi) PLC 在我國仍將保持高速增長勢(shì)頭。 通用 PLC 應(yīng)用于專用設(shè)備時(shí)可以認(rèn)為它就是一個(gè)嵌入式控制器，但 PLC 相對(duì)一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實(shí)際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用 PLC 或定制 PLC 取代嵌入式控制器PLC 是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員會(huì)（IEC）頒布了對(duì) PLC 的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。PLC 具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)?？梢灶A(yù)料：在工業(yè)控制領(lǐng)域中，PLC 控制技術(shù)的應(yīng)用必將形成世界潮流PLC 程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序，又有用戶自己開發(fā)的應(yīng)用程序，系統(tǒng)程序提供運(yùn)行平臺(tái)，同時(shí)，還為 PLC 程序可靠運(yùn)行及信息與信息轉(zhuǎn)換進(jìn)行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設(shè)計(jì)。 PLC 的結(jié)構(gòu)及基本配置和繼電器控制系統(tǒng)類似，PLC 控制系統(tǒng)也是由輸入部分、邏輯部分和輸出部分組成。一般講，PLC 分為箱體式和模塊式兩種。但它們的組成是相同的，對(duì)箱體式 PLC，有一塊 CPU 板、 I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當(dāng)然按 CPU 性能分成若干型號(hào)，并按 I/O 點(diǎn)數(shù)又有若干規(guī)格。對(duì)模塊式 PLC，有 CPU 模塊、I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都屬于溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 10 頁總線式開放型結(jié)構(gòu)，其 I/O 能力可按用戶需要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。CPU 的構(gòu)成 ：PLC 中的 CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺(tái)PLC 至少有一個(gè) 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(shí)，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(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)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(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。 PLC 硬件結(jié)構(gòu)圖CPU 功能：（1）用掃描方式（后面介紹）接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器；（2）接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；（3）診斷電源和 PC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編程過程中的語法錯(cuò)誤；（4）在 PC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后：a） 執(zhí)行用戶程序——產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)（從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取指令，經(jīng)命令解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去啟閉有關(guān)的控制電路）b） 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理——分時(shí)、分渠道地執(zhí)行數(shù)據(jù)存取、傳送、組合、比較、變換等動(dòng)作，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯或算術(shù)運(yùn)算任務(wù)輸出部件外設(shè)I/O接口 存儲(chǔ)器 EPROM 微處理器 運(yùn)算器 控制器電源 輸入部件I/O擴(kuò)展接口 I/O擴(kuò)展單元 受控元件輸入信號(hào)外部設(shè)備溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 11 頁c） 更新輸出狀態(tài)——輸出實(shí)施控制（根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，再由輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表、打印、數(shù)據(jù)通訊等）存儲(chǔ)器： 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器——存放系統(tǒng)工作程序（監(jiān)控程序） 、模塊化應(yīng)用功能子程序、命令 解釋、功能子程序的調(diào)用管理程序和系統(tǒng)參數(shù) *不能由用戶直接存取 用戶存儲(chǔ)器 用戶程序存儲(chǔ)器——存放用戶程序。即用戶通過編程器輸入的用戶程序。 功能存儲(chǔ)器（數(shù)據(jù)區(qū)）——存放用戶數(shù)據(jù)PC 的用戶存儲(chǔ)器通常以字（16 位/字）為單位來表示存儲(chǔ)容量。注意：系統(tǒng)程序直接關(guān)系到 PC 的性能，不能由用戶直接存取，所以，通常 PC產(chǎn)品資料中所指的存儲(chǔ)器形式或存儲(chǔ)方式及容量，是指用戶程序存儲(chǔ)器而言。與通用計(jì)算機(jī)一樣，主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)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，還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。它確定了進(jìn)行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是 PLC 不可缺少的組成單元。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。 CPU 的運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。CPU 的寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU 雖然劃分為以上幾個(gè)部分，但 PLC 中的 CPU 芯片實(shí)際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對(duì) CPU 內(nèi)部的詳細(xì)分析已無必要，我們只要弄清它在 PLC 中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。CPU 模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設(shè)定或控制開關(guān)。一般講，CPU 模塊總要有相應(yīng)的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運(yùn)行顯示、故障顯示等。箱體式 PLC 的主箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接 I/O溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 12 頁模板或底板，有內(nèi)存接口，用于安裝內(nèi)存，有外設(shè)口，用于接外部設(shè)備，有的