【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 PLC應(yīng)用方面 ,我國(guó)是很活躍的 ,近年來(lái)每年約新投入 10萬(wàn)臺(tái) 套 PLC產(chǎn)品 ,年銷售額數(shù)十億人民幣 ,應(yīng)用的行業(yè)也很廣。在我國(guó)應(yīng)用的 PLC 系統(tǒng)中 ,I/O 64 點(diǎn)以下 PLC 銷售額占整個(gè)PLC的 47%,64 點(diǎn) ~256 點(diǎn)的占 31%,合計(jì)占整個(gè) PLC 銷售額的 78%。 在我國(guó)應(yīng)用的 PLC,幾乎涵蓋了世界所有的品牌 ,呈現(xiàn)八國(guó)聯(lián)軍的態(tài)勢(shì) ,但從行業(yè)上分 ,有各自的勢(shì)力范圍。大中型集控系統(tǒng)采用歐美 PLC 居多 ,小型控制系統(tǒng)、機(jī)床、設(shè)備單體自動(dòng)化及 OEM 產(chǎn)品采用 R 本的 PLC 居多。歐美 PLC 在網(wǎng)絡(luò)和軟件方面具有優(yōu)勢(shì) ,而日 本 PLC 在靈活性和價(jià)位方面占優(yōu)勢(shì)。 (6)近年 ,工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù) (IPC)和現(xiàn)場(chǎng) 總線技術(shù) (FCS)發(fā)展迅速 ,擠占了一部分 PLC 市場(chǎng) ,PLC 增長(zhǎng)速度出現(xiàn)漸緩的趨勢(shì) ,但其在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位 ,在可預(yù)見的將來(lái) ,是無(wú)法取代的。 目前 ,國(guó)外具有代表性的先進(jìn)的 PLC 生產(chǎn)產(chǎn)家及其主要產(chǎn)品如表所示 : 表 11先進(jìn) PLC廠家及主要產(chǎn)品 7 產(chǎn)家名稱 主要產(chǎn)品 西門子公司 SIMATIC S7400/300/200 系列 三菱 FX2N/1N/1S、 QnA 、 Q系列 歐姆龍 CPM1A/2A、 CQM1H、 C200HX/HG/HE 及 SYSMAS CJ 系列 松下 FPQ/1/2/3/E 系列 通用電氣公司 GEI、 GEⅢ、 GEV系列 羅克韋爾 (AB)公司 SLC、 MicroLogix、 CompactLogix 北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所 MPC00l/ KB20/40 系列 PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)在 ,雖然出現(xiàn)了性能更加優(yōu)越的 DCS和 FCS控制系統(tǒng) ,從長(zhǎng)遠(yuǎn)看 ,PLC控制終將也會(huì)被先進(jìn)的 FCS 控制所取代 ,但是 ,在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi) ,基于以下原因 PLC 還會(huì)與DCS和 FCS 共存 : (1)現(xiàn)在企業(yè)的確正在朝著自動(dòng)化、信息化、開放化的方向發(fā)展 ,但這是否就意味著 要將現(xiàn)有的控制系統(tǒng)推倒重來(lái)呢 ?答案是否定的。企業(yè)投入大量的人力和財(cái)力建立起來(lái)的 PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)成型 ,如果要完全推翻再建立新的 DCS或 FCS控制系統(tǒng) ,需要更大的資金投入 ,將造成很大的浪費(fèi)。 (2)基于以上市場(chǎng)需求 ,許多軟件廠商 (例如 :華富惠通軟件公司 )正在考慮如何利用企業(yè)已經(jīng)成型的控制系統(tǒng)及新建的廠級(jí)網(wǎng)絡(luò) ,開發(fā)控制系統(tǒng)軟件 ,幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化、信息化 ,為企業(yè)提供控制系統(tǒng)與管理網(wǎng)絡(luò)的集成。 (3) PLC 的功能增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化 ,I/O 模塊趨向分散化、智能化 ,編程工具和編程語(yǔ)言更具標(biāo)準(zhǔn)化和高級(jí)化。 (4) PLC的聯(lián)網(wǎng)通信能力增強(qiáng) ,能向高速度、多層次、大信息量、高可靠性及開放式的通信發(fā)展。 (5)現(xiàn)在的 PLC 系統(tǒng)與 DCS 技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線 I/O 技術(shù)相結(jié)合 ,使其結(jié)構(gòu) 放、擴(kuò)展方便、技術(shù)先進(jìn)、價(jià)格低廉。由以上分析可以預(yù)見 ,未來(lái) PLC 將朝著多功能化、集成化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、開放化的方向發(fā)展 ,故 PLC 雖然面臨其它自動(dòng)化控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn) ,但同時(shí)也在吸收它們的優(yōu)點(diǎn) ,互相融合 ,不斷創(chuàng)新 ,在今后一段時(shí)間內(nèi)將與其它先進(jìn)控制方式并存 ,共同發(fā)展。 PLC 發(fā)展至今已有幾十年的歷史 ,隨著半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展 ,工業(yè)控制領(lǐng)域已有 翻天覆地的變化 ,PLC 亦在不斷的發(fā)展 ,正朝著新的技術(shù)發(fā)展。 8 一是 PLC 網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展 ,其中有兩個(gè)趨勢(shì) :一方面 ,PLC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)不再是自成體系的封閉系統(tǒng) ,而是迅速向 放式系統(tǒng)發(fā)展 ,各大品牌 PLC 除外形成自己各具特色的PLC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) ,完成設(shè)備控制任務(wù)之外 ,還可以與上位計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) ,實(shí)現(xiàn)信息交流 ,成為整個(gè)信息管理系統(tǒng)的一部分 。另一方面 ,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得到廣泛的釆用 ,PLC 與其他安裝在現(xiàn)場(chǎng)的智能化設(shè)備 ,比如智能儀表、傳感器、智能型電磁閥、智能型驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等 ,通過一根傳輸介質(zhì) (比如雙絞線、同軸電纜、光纜 )鏈 接起來(lái) ,并按照同一通信規(guī)約互相傳輸信息 ,由此構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò) ,這種網(wǎng)絡(luò)與單純的 PLC遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)相比 ,配置更靈活 ,擴(kuò)展更方便 ,造價(jià)更低 ,性能價(jià)格比更好 ,也更具 放意義。 二是 PLC向高性能小型化方向發(fā)展 ,PLC的功能 ,而體積則越來(lái)越小。比如三菱的 FXIS系列 PLC,最小的機(jī)種 ,體積僅為 60x90x75mm,相當(dāng)于一個(gè)繼電器 ,但卻具有高速計(jì)數(shù)、斜坡、交替輸出及 16 位四則運(yùn)算等能力 ,還具有可調(diào)電位器時(shí)間設(shè)定功能。 PLC 已不再是早期那種只能進(jìn)行開關(guān)量邏輯運(yùn)算的產(chǎn)品了 ,而是具有越來(lái)越強(qiáng)的模擬量 處理能力 ,以及其他過去只有在計(jì)算機(jī)上才能具有的高級(jí)處理能力 ,如浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、PID調(diào)節(jié)、溫度控制、精確定位、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等。從這種意義上說(shuō) ,PLC 系統(tǒng)與DCS(集散控制系統(tǒng) )的差別越來(lái)越小了 ,用 PLC同樣可以構(gòu)成一個(gè)過程控制系統(tǒng)。 三是 PLC操作向簡(jiǎn)易化方向發(fā)展。目前 PLC 推廣的難度之一就是復(fù)雜的編程使得用戶望而卻步 ,而且不同廠商 PLC所有編程的語(yǔ)言也不盡相同 ,用戶往往需要掌握更多種編程語(yǔ)言 ,難度較大。 PID 控制、網(wǎng)絡(luò)通信、高速計(jì)數(shù)器、位置控制 、數(shù)據(jù)記錄、配方和文本顯示器等編程和應(yīng)用也是 PLC程序設(shè)計(jì)中 的難點(diǎn) ,用普通的方法對(duì)它們編程時(shí) ,需要熟悉有關(guān)的特殊存儲(chǔ)器的意義 ,在編程時(shí)對(duì)它們賦值 ,運(yùn)行時(shí)通過訪問它們來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。這些程序往往還與中斷有關(guān) ,編程的過程既繁瑣又容易出錯(cuò) ,阻礙了 PLC 的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。 PLC 的發(fā)展必然朝著操作簡(jiǎn)化對(duì)復(fù)雜任務(wù)的編程 ,在這一點(diǎn)上西門子就充當(dāng)了先行者 ,西門子 S7200 的編程軟件設(shè)計(jì)了大量的編程向?qū)?,只需要在對(duì)話框中輸入一些參數(shù) ,就可以自動(dòng)生成包括中斷程序在內(nèi)的用戶程序 ,大大方便了用戶的使用。 9 圖 12機(jī)械手控制系統(tǒng)框圖 PLC 的選擇 本次畢業(yè)設(shè)計(jì) 要研究?jī)?nèi)容是針 對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中用到的工業(yè)機(jī)械手 ,其整體控制系統(tǒng)框圖如圖 12所示 ,使用可編程控制器 PLC 和觸摸屏進(jìn)行控制 ,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程的手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)控制。 主要研究?jī)?nèi)容如下 : 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)分析。 PLC 控制系統(tǒng)各個(gè)模塊的選用和電路設(shè)計(jì)。如下表 12所列。 表 12 PLC 控制系統(tǒng) 各模塊 1 西門子 S7200PLC 4 觸摸屏 （ Smart 700 IE） 2 擴(kuò)展模塊（ EN231） 5 供電電路單元 3 壓力傳感器（ PT210B） 6 相關(guān)控制柜單元 與 開關(guān) 繪制 PLC 控制系統(tǒng)整體電路圖。 編制觸摸屏和 PLC 控制程序。 10 第二章機(jī)械手機(jī)構(gòu)與液壓系統(tǒng)分析 機(jī)械手工作環(huán)境分析 本機(jī)械手運(yùn)用于鍛造車間流水作業(yè)生產(chǎn)線上如圖 ,處于高溫、危險(xiǎn)的環(huán)境當(dāng)中。機(jī)械手把高溫的大型棒料傳送到即將進(jìn)行鍛造的傳送帶上。 基于上述分析 ,機(jī)械手要求在高溫、承受重載荷的條件下 ,能實(shí)現(xiàn)對(duì)棒料的快速 ,準(zhǔn)確地搬運(yùn)。這樣就代替了人工的操作 ,大大地改善工人的勞動(dòng)條件 ,顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 圖 21 機(jī)械手樣機(jī)圖 機(jī)械手機(jī)構(gòu)分析 工作環(huán)境也自然影響到一臺(tái)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)。 此臺(tái)機(jī)械手 (圖 22為示意圖 )由手部、手腕、手臂、立柱、支撐機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)組成。 11 圖 22 機(jī)械手示意圖 課題以四自由度液壓機(jī)械手為對(duì)象 ,采用可編程控制器 (PLC)和觸摸屏進(jìn)行控制 ,實(shí)現(xiàn)機(jī)身升降、機(jī)身旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手腕旋轉(zhuǎn)、和手指夾取 ,如圖所示 ,其中 1為沿立柱作上下移動(dòng) 。2 為手臂左右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 。3為沿水平方向作伸縮運(yùn)動(dòng)柱 。4 為手指的夾緊、放松運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械手液壓系統(tǒng)分析 本臺(tái)機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng) ,機(jī)械手臂升降、收縮和手指夾緊執(zhí)行元件采用液壓缸 ,手臂旋轉(zhuǎn)采用液壓馬達(dá) [6]。 液壓換向回路用三位四通閥 控制 。手臂伸縮設(shè)置有緩沖功能 ,用兩位兩通閥進(jìn)行控制 。手指的夾緊和放松用一個(gè)兩位三通閥進(jìn)行控制 。液壓系統(tǒng)的卸荷用兩位兩通閥進(jìn)行控制。如圖 23所示 : 12 圖 23 液壓系統(tǒng)原理圖 機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問題 應(yīng)具有足夠的夾緊力 在確定手指的握力時(shí) ,除考慮工件重量外 ,還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng) ,以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的 閉角。手指的閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫 。若夾持不同直徑的工件 ,應(yīng)按最大直 徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有 閉幅度的要求。 應(yīng)保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置 ,必須根據(jù)被抓取工件的形狀 ,選擇相應(yīng)形狀的手指。例如圓柱形工件釆用帶“ V”形面的手指 ,以便自動(dòng)定心。 應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度 手指除受到被夾持工件的反作用力外 ,還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響 ,要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形 ,但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊 ,自重輕 ,并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上 ,使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求 (1)抓取形狀手指形 狀應(yīng)根據(jù)工件形狀而設(shè)計(jì)。如工件為圓柱形 ,則采用 V 形手指 ,圓球狀工件用圓弧形三指手指 ,方料用平面形手指 ,細(xì)絲工件用尖指勾形或細(xì)齒鉗爪手指。總之應(yīng)根據(jù)工件形狀來(lái)選定手指形狀。 (2)抓取部位的尺寸盡可能是不變的 ,若加工后尺寸有變化 ,手指應(yīng)能適應(yīng)尺寸變化的要求 ,否則不允許定為抓取部位。對(duì)于工件表面質(zhì)量要求高的 ,抓取時(shí)盡量避開高質(zhì)量表面或在手指上加軟質(zhì)墊 片 (如泡沫塑料、橡皮、石棉襯墊等 )以防夾持時(shí)損壞工件。 (3)抓取數(shù)量若用一對(duì)手指抓取多個(gè)工件 ,為了不發(fā)生個(gè)別工件的松動(dòng)或脫 落現(xiàn)象 ,在手指上可增加彈性襯墊， 如橡皮 、泡沫塑料等 ,對(duì)于較長(zhǎng)工件可采用雙指或多指抓取。 應(yīng)考慮手指的多用性 手指是專用性較強(qiáng)的部件 ,為適應(yīng)小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求 ,可 13 制成組合式的手指。對(duì)于這種手指要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,安裝維修方便 ,更換方便。 本章小結(jié) 本章主要對(duì)機(jī)械手機(jī)構(gòu)與液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析，就機(jī)械手運(yùn)行環(huán)境與結(jié)構(gòu)所需要滿足的要求一一列舉，并且對(duì)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 14 第三章機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械手動(dòng)作分析 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析 抓重 :抓取工件為灰鑄鐵 ,最大重量為 30 kg。 形狀為圓柱體 (R=70mm),表面粗糙度 Ra=。 最大工作半徑 :1600mm。 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 。 手臂最大中心高 :900rrirn。 伸縮行程 :800mm 。伸縮速度 :小于 200inrn/s。 升降行程 :300mm 。升降速度 :小于 60mm/s。 擺動(dòng)范圍 :0～ 210176。 。擺動(dòng)速度 :小于 70176。 /S。 定位精度 :3mm～ +3mm。 驅(qū)動(dòng)方式 :液壓 (中、低壓系統(tǒng) )。 手指夾持范圍 :50～ 100mm。 機(jī)械手控制方式分析 液壓系統(tǒng)電磁閥動(dòng)作順序安排 對(duì)各電磁 閥進(jìn)行相應(yīng)的控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手動(dòng)作的控制 如表 21: 表 31 電磁鐵動(dòng)作順序表 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 6DT 7DT 8DT 9DT 上 升 + 右 擺 + 伸 出 + 伸出緩沖 + + 夾 緊 + 縮 回 + 縮進(jìn)緩沖 + + 左 擺 + 下 降 + 卸 荷 + 15 動(dòng)作方式圖如 31所示 : 圖 31機(jī) 械手動(dòng)作方式圖 機(jī)械手的控制方式分為三大部分 ,1)回原點(diǎn)控制 。2)點(diǎn)動(dòng)控制 。3)自動(dòng)控制 ,其中自動(dòng)包括半自動(dòng)和全自動(dòng) (1)回原點(diǎn)控制 :每次開機(jī)要進(jìn)行原點(diǎn)搜索 ,若檢測(cè)到不是原點(diǎn) ,則由選擇開關(guān)選擇點(diǎn)動(dòng)操作 ,手動(dòng)回原點(diǎn) ,并有回原點(diǎn)到位顯示。 (2)點(diǎn)動(dòng) (手動(dòng) )控制 :由操作面板上的選擇手動(dòng) 控制 ,再由面板上的按鈕分別控制手動(dòng)控制機(jī)械手的十個(gè)動(dòng)作 ,如圖 32所示。每個(gè)動(dòng)作都有狀態(tài)顯示 ,以直觀的顯示出各個(gè)動(dòng)作 ,在動(dòng)作過程中有位移和壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè) ,并在觸摸屏相應(yīng)的畫面中顯示運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。 圖 32機(jī)械手點(diǎn)動(dòng)方式圖 16 (3)自動(dòng)控制 : a、半自動(dòng)控制 :由操作面板上的選擇開關(guān)選擇半自動(dòng)控制 ,機(jī)器在原位時(shí) ,按起動(dòng)按鈕 ,自動(dòng)的完成一個(gè)周期的操作 ,操作完后機(jī)器又停在原位上。若在執(zhí)行過程中 ,按下停止按鈕 ,則機(jī)器停留該步工序上。再按下啟動(dòng)按鈕 ,則又從該步工序繼續(xù)工作 ,最后仍自動(dòng)地停在原位上 ,動(dòng)作過程中有各個(gè)動(dòng)作的狀態(tài)顯示燈和進(jìn)