【文章內(nèi)容簡介】 件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱第二代機(jī)械手。如尤尼曼特 (Unimate)機(jī)械手即屬于這種類型。 60～ 70 年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動(dòng)線上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。 8090 年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期，尤其是日本。 90 年代機(jī)械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航 天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。 90 年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。 總之，目前機(jī)械手的主要經(jīng)歷分為三代： 第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系， 并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 機(jī)械手的發(fā)展 趨勢 目前國內(nèi)工業(yè)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此，國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械九江學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī) 械手和組合式機(jī)械手等。 將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高精度，減少?zèng)_擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機(jī)械手，并考慮于計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用 于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。為此，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機(jī)械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時(shí)，即能更正，并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。 視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計(jì)算機(jī)。工作時(shí)，電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信 號(hào)，然后傳送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 觸覺功能即在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高。 現(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 PLC PLC 的基本概念 現(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)市場需求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)模、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)化產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性， PLC 正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。 PLC 的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)廣泛第應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中， PLC 在其他領(lǐng)域，例如明勇和家庭自動(dòng)化的應(yīng)用也得到迅速的發(fā)工業(yè)機(jī)械手的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 展。 PLC 依然處于不斷的發(fā)展之中，器功能不斷增強(qiáng)，更加開放，它不但是單片自動(dòng)化中應(yīng) 用最廣的控制設(shè)備，在大興工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也占有不可動(dòng)搖的地位， PLC 應(yīng)用面之廣、普及程度之高，是其他計(jì)算機(jī)控制設(shè)備無法比擬的。 國際電工委員會(huì)（ IEC）在 1985 年的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案第 3 稿中，對(duì) PLC 作了如下定義：“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儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)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)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌湎嚓P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)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)。”從上述定義可以看出， PLC 是一種用程序來改變控制功能的工業(yè)計(jì)算機(jī)，除了能完成各種的控制功能外，還有與其他計(jì)算機(jī)通訊聯(lián)網(wǎng)的功能。 PLC 的組成 PLC 主要由 CPU 模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成（見圖 11）。 PLC 的特殊功能模塊用來完成特殊的任務(wù)。 　 圖 21 PLC 的組成 模塊 CPU 模塊主要有微處理器） CPU 芯片和存儲(chǔ)器組成。在 PLC 控制系統(tǒng)中， CPU 模塊相當(dāng) 認(rèn)得大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。 S7200 將 CPU 模塊簡稱為 CPU。 九江學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 2. I/O 模塊 輸入（ Input）模塊和輸出（ Output）模塊簡稱為 I/O 模塊，它們相當(dāng)于人們的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場設(shè)備和 CPU 模塊的橋梁。 輸入模塊用來接收和采集輸入信號(hào)，開關(guān)量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥號(hào)開關(guān)、壓力繼電器等來的開關(guān)量輸入信號(hào)；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)。開關(guān)量輸出模塊 用來控制接觸器、電磁閥、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備；模擬量輸出模塊用來控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。 CPU 模塊的工作電壓一般是 5V，而 PLC 外部的輸入、輸出電路的電源電壓較高，例如 DC 24V 和 AC 220V。從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞 CPU 模塊中的元器件，或使 PLC 不能正常共作。在 I/O 模塊中，用光耦合器，光敏晶閘管、小型繼電器等期間來隔離 PLC 的內(nèi)部電路和外部的 I/O 電路。 I/O 模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。 3. 編程器 編程器用來生成用戶程序，并用它來編 程、檢查、修改用戶程序，事件用戶程序的執(zhí)行情況。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編程指令表程序，因此又叫做指令編程器。；它的體積小，價(jià)格便宜，一般用來給小型 PLC 編程，或者用于現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)。 使用編程軟件可以再計(jì)算機(jī)屏幕上生成和編輯梯形圖或指令表程序，并且可以實(shí)現(xiàn)不同程序語言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到 PLC，也可以講 PLC 中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)或電話線，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳達(dá)。 PLC 使用 AC 220V 電源或 DC 24V 電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供不同電壓等級(jí)的直流電源。小型 PLC 可以為輸入電路和外部的電子傳感器提供 DC 24V 電源，驅(qū)動(dòng) PLC 負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。 PLC 的主要特點(diǎn) 一、抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高 PLC 專門為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)，具有很高的可靠性。它的主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路， I/O 系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信息調(diào)理電路；在機(jī)構(gòu)上對(duì)耐熱、防潮、防塵、抗震都有精確考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施；在軟件上采用數(shù)字濾波等干擾和故障診斷措施。所有這些使 PLC 具有較高的抗干擾能工業(yè)機(jī)械手的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 力，因此穩(wěn)定、可靠，抗干擾能力強(qiáng)。與繼電器接觸裝置和通用計(jì)算機(jī)相比， PLC 更能試用工業(yè)現(xiàn)場較為惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。 二、控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng) PLC 及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。在 PLC 構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，只需要在 PLC 的端子上接入相應(yīng)的輸入 /輸出信號(hào)線即可，不需要諸如繼電器之類的物理電子器件和大量且繁雜的硬接線線路。當(dāng)控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時(shí)，可以用編程器在線或離線修改程序，同一個(gè) PLC 裝置用于不同的控制對(duì)象，只是輸入 /輸出組件和應(yīng)用 軟件的不同。 PLC 的輸入 /輸出可以直接與交流 220V、直流 24V 等強(qiáng)電相連，并有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。 三、編程簡單，易于使用 PLC 是面向用戶的設(shè)備， PLC 的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，因此 PLC 程序的編制采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言形象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語言，只要具有一定的電工和工藝知識(shí)就可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)。 四、功能完善 現(xiàn)代 PLC 不僅有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)控制功能，還能完成 A/D 轉(zhuǎn)換、 D/A轉(zhuǎn)換、模擬量處理、 高速計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)通信等功能，可以通過上位計(jì)算進(jìn)行顯示、報(bào)警、記錄，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，使控制水平大為提高。因此， PLC 具有極強(qiáng)的適用性，能夠很好地滿足各類型控制的需要，是目前工廠中應(yīng)用最廣的自動(dòng)化設(shè)備。 五、體積小、維護(hù)操作方便 PLC 體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。 PLC 的輸入 /輸出系統(tǒng)能夠直觀地反映現(xiàn)場信號(hào)的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀地控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、 I/O 點(diǎn)狀態(tài)、異常和電源狀態(tài)等，對(duì)此均有醒目的指示，非常有利于運(yùn)行和維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。 PLC 的工作原理 PLC 通電后，需要對(duì)硬件和軟件做一些初始化工作。為了使 PLC 得輸出及時(shí)地響應(yīng)各種輸入信號(hào)，初始化后 PLC 要反復(fù)不停地分階段處理各種不同的任務(wù)（見圖 21），這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。 1）讀取輸入 在 PLC 的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域來存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別稱為輸入過程映像寄存器和輸出映像過程寄存器。 在讀取輸入階段， PLC 把所有外部數(shù)字量輸入電路的 1/0 狀態(tài)讀入輸入過程影響寄存器。外接的電路閉合時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入過程映像寄存器為 1 狀 態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的 輸九江學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 入點(diǎn)的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開。外接的輸入電路斷開時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入過程映像寄存器為 0 狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)的常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)接通。 2）執(zhí)行用戶程序 PLC 的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中順序排列。在 RUN 模式的程序執(zhí)行階段，如果沒有跳轉(zhuǎn)指令， CPU 從第一條指令開始，逐條順序地執(zhí)行用戶程序。 在執(zhí)行指令時(shí)，從 I/O 映像寄存器或別的位元件的映像寄存器獨(dú)處其 I/O 狀態(tài)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果寫入到相應(yīng)的映像寄存器中，因此，各映像寄存器的內(nèi)容隨著程 序的執(zhí)行而變化。 在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入過程映像寄存器的狀態(tài)，也不會(huì)隨之改變，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)掃描周期的讀取輸入階段被讀入。執(zhí)行程序時(shí)，對(duì)輸入 /輸出的存取通常是通過映像寄存器，而不是實(shí)際的 I/O 點(diǎn)。這樣做有以下好處： 在整個(gè)程序執(zhí)行階段，各輸入點(diǎn)的狀態(tài)點(diǎn)是固定不變的，程序執(zhí)