【正文】 用較小的轉矩產生較大的軸向力，多用在工作時間短，速度較低的場合。 （ 2）．由螺母、螺桿和機架組成的滑動螺旋機構，如圖 21a 所示，螺桿轉動，螺母移動，這種螺旋機構以傳遞運動為主，故又稱為傳導螺旋機構。 本文所介紹的機械手的豎軸就是用的傳導螺旋機構。這種傳動形式結構緊湊，剛度較大，傳動效率高，精度高。 （ a）螺桿轉動，螺母移動 (b) 螺母固定，螺桿轉動并移動 基于 PLC 的工業(yè)機械手臂控制系統 6 圖 21 ．滾動螺旋機構 螺旋副內為滾動摩擦的螺旋機構，稱為滾動螺旋機構或滾珠絲杠。其機構特點是在螺桿和螺母之間設有封閉循環(huán)滾道，并在其間放如剛球，當螺桿轉動時，剛球沿螺旋滾道滾動并帶動螺母作直線運動。按循環(huán)方式的不同，分為外循環(huán)和內循環(huán)兩種形式。 滾珠始終在循環(huán)過程中始終與螺桿保持接觸的循環(huán)叫內循環(huán)。滾珠在返回時與螺桿脫離接觸的循環(huán)叫外循環(huán)（如圖 22 所示）。外循環(huán)螺母只需設置一個反向器，當滾珠進入反向器時，就被阻止而轉彎，從返回通道回到滾道的另一端，形成一個循環(huán)回路。 機械手的橫向運動采用的便是滾動螺旋傳動。滾動螺旋機構摩擦阻力小，動作靈敏度高，傳動效 率高，可達 90%以上。用調整的方法可消除間 隙，傳動精度高。 圖 22 2． 2 機 械手夾持器和機座的結構 ．機械手夾持器 機械手的機械夾持器多為雙指手抓式，按其手抓的運動方式可分為平移型和回轉型。回轉型手抓有可分為單支點和雙支點回轉型，按夾持方式可以分為外夾式和內撐式。按驅動方式可以電動、液壓和氣動三種。 基于 PLC 的工業(yè)機械手臂控制系統 7 回轉型夾持器結構較簡單，但當所夾持的工件直徑有變動時，將引起工件軸心的偏移。對平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置。但其機械機構繁雜，體積大，制造精度要求高。所以當設計機械手夾持器的時候，在滿足工件的定位精度要求的條件下，盡可能的采用結構比較簡單回轉型夾持器。 本文設計的機械手采用的是楔槽杠桿式回轉型夾持器。如右圖所示，裝在桿上端的滾子 3和楔塊之間為滾動接觸。當電機帶動連桿前進時，通過楔塊 4 的斜面和杠桿 1，使兩個手抓產生加緊動作和加緊力。當楔塊后移時，靠彈簧的拉力使手指松開。這種末端執(zhí)行器由于楔塊和滾子之間為滾動接觸，摩擦力小，活動靈活，且機構簡單。 ．機座 機座是機械手的支撐部件，機座承受機械手的全部重量和工作載荷，所以機座應有足夠的強度、剛度和承載能力。另外機座還要求有足夠大的安裝基面，以保證機械手工作時的 穩(wěn)定行。 基于 PLC 的工業(yè)機械手臂控制系統 8 如圖 23 所示，機械手采用普通軸承作為支撐元件的機座支撐結構。這種結構有制造簡單、成本低、安裝調整方便等優(yōu)點。圖中電動機 3 經減速器 主動小齒輪 中間齒輪 大齒輪 7 驅動絲桿 2 旋轉，從而驅動升降臺上下運動。整個機座安裝在基座 8 上。 3 可編程控制 PLC 3． 1 PLC 簡介 自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller， PLC）取代傳統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用。同時， PLC 的功能也不斷完善。隨 著計算機技術、信號處理技術、控制技術網絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高， PLC 在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的 PLC 不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。 作為離散控的制的首選產品， PLC 在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內的 PLC 年增長率保持為 20%～ 30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和 PLC 市場容量基數的不斷擴大，近年來 PLC 在工業(yè)發(fā)達國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家 PLC 的增長十分迅速。綜合相關資料， 2021圖 23 基于 PLC 的工業(yè)機械手臂控制系統 9 年全球 PLC的銷售收入為 100億美元左右，在自動化領域占據著十分重要的位置。 PLC 是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年代的 PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入 PLC 的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。 PLC 的 CPU 內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行 過程中，每執(zhí)行一步該計數器自動加 1，程序從起始步（步序號為零）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)運算。 PLC 每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的 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，表現出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算 1K 邏輯程序不到 1 毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理， 16 位（也有 32 位的）為一個模擬量。大型 PLC 使用另外一個 CPU 來完成模擬量的運算。把計算結果送給 PLC 的控制器。 相同 I/O 點數的系統，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，所以維護成本比DCS 要低很多。一個 PLC 的控制器，可以接收幾千個 I/O 點（最多可達 8000 多個 I/O）。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用 PLC 較為合適。 PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設計企業(yè)的管理信息系統方面，要容易一些。 近 10 年來，隨著 PLC 價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用 PLC 進行控制， PLC 在我國的應用增長十分迅速。隨著中國經濟的高速發(fā)展和基礎自動化水平的不斷 提高，今后一段時期內 PLC 在我國仍將保持高速增長勢頭。 通用 PLC 應用于專用設備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但 PLC 相對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。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現在正逐步用通用 PLC 或定制 PLC 取代嵌入式控制器 3． 2 PLC內部原理 PLC 實質上是一種被專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構和微機是基本一 的。如圖 31 所示， PLC 硬件的基本結構圖所示： 基于 PLC 的工業(yè)機械手臂控制系統 10 圖 31 PLC 硬件的基本結構圖 （ 1）中央處理單元（ CPU） 中央處理單元（ CPU）是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統程序賦予的功能，接受并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據，檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能檢查用戶程序的語法錯誤。當 PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接受現場各輸入裝置的狀態(tài)和數據，并分別存入 I/O 映象區(qū) , 然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術運算等任務。并將邏輯或算術運算等結果送入 I/O 映象區(qū)或數據寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢以后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行為止。 （ 2）存儲器 與微型計算機一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構成一臺完整的PLC。 PLC 的軟件分為兩部分 : 系統軟件和應用軟件。存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。 PLC 存儲空間的分配：雖然大、中、小型 PLC 的 CPU 的最大可尋址存儲空間各不相同，但是根據 PLC 的工作原理， 其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：系統程序存儲區(qū)，系統 RAM 存儲區(qū)（ 包括 I/O 映象區(qū)和系統軟設備等）和用戶程序編 程器 中 央 處 理 單 元 （ CPU） 輸入電路 輸出電路 系 統 程 序 存 儲 區(qū) 用 戶 程 序 存 儲 區(qū) 電源 基于 PLC 的工業(yè)機械手臂控制系統 11 存儲區(qū)。 A. 系統程序存儲區(qū) 在系統程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統的系統程序。它包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統診斷程序等。由制造廠商將其固化在 EPROM 中，用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該 PLC 的各項功能。 B. 系統 RAM 存儲區(qū) 系統 RAM 存儲區(qū)包括 I/O 映象區(qū)以及各類軟設備（例如：邏輯線圈、數據寄存器、計時器、計數器、變址寄存器、累加器等）存儲區(qū)。 （ A） I/O 映象區(qū) 由于 PLC 投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各 輸入狀態(tài)和數據，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數據送至相應的外設。因此，它需要有一定數量的存儲單元（ RAM）以供存放 I/O 的狀態(tài)和數據，這些存儲單元稱作 I/O 映象區(qū)。一個開關量 I/O 占用存儲單元中的一個位（ bit） , 一個模擬量 I/O 占用存儲單元中的一個字（ 16 個 bit)。因此，整個 I/O 映象區(qū)可看作由開關量的 I/O映象區(qū)和模擬量的 I/O 映象區(qū)兩部分組成