【文章內(nèi)容簡介】 elopment in recent years, and achieved certain results, attention by the machinery industry and railway industries. Key Words: Manipulator PLC Inverter AC m 機械手的 PLC 控制 4 第一章 機械手機械結(jié)構(gòu) 1． 1 傳動機構(gòu) 1．螺旋機構(gòu) 螺旋機構(gòu)由螺桿、螺母和機架組成，其主要功能是將轉(zhuǎn)動變換為直線運動，并同時傳遞運動和動力，按螺旋副中的摩擦性質(zhì)，螺旋機構(gòu)可以分為滑動螺旋機構(gòu)和滾動螺旋機 構(gòu)兩種類型。 螺旋機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳動平穩(wěn)，無噪聲易于自鎖等優(yōu)點。 2. 滑動螺旋機構(gòu) 螺旋副內(nèi)為滑動摩擦的的螺旋機構(gòu)，稱為滑動螺旋機構(gòu)?；瑒勇菪龣C構(gòu)所用的螺紋為傳動性能好，效率高的矩形、梯形和鋸齒形螺紋。 滑動螺旋機構(gòu)由螺母和螺桿組成。根據(jù)機構(gòu)的組成及運動方式，滑動螺旋機構(gòu)又分為以下 兩種。 （ 1）．由螺母和螺桿組成的滑動螺旋機構(gòu)，螺母與機架固聯(lián)，螺桿轉(zhuǎn)動并移動（如圖11b 所示），這種螺旋機構(gòu)以傳遞動力為主，故又稱傳力螺旋機構(gòu)。一般要求用較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)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(gòu)，如圖 11a 所示，螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動，這種螺旋機構(gòu)以傳遞運動為主，故又稱為傳導(dǎo)螺旋機構(gòu)。 本文所介紹的機械手的豎軸就是用的傳導(dǎo)螺旋機構(gòu)。這種傳動形式結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較大，傳動效率高，精度高。 （ a）螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動 (b) 螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動 圖 11 3．滾動螺旋機構(gòu) 螺旋副內(nèi)為滾動摩擦的螺旋機構(gòu)，稱為滾動螺旋機構(gòu)或滾珠絲杠。其機構(gòu)特點是機械手的 PLC 控制 5 在螺桿和螺母之間設(shè)有封閉循環(huán)滾道，并在其間放如剛球，當螺桿轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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 12 所示）。外循環(huán)螺母只需設(shè)置一個反向器，當滾珠進入反向器時，就被阻止而轉(zhuǎn)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(gòu)摩擦阻力小，動作靈敏度高，傳動效 率高，可達 90% 以上。用調(diào)整的方法可消除間 隙，傳動精度高。 圖 12 第二章可編程控制 PLC 2． 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(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， PLC 的功能也不斷完善。隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(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(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。 作為離散控的制的首選產(chǎn)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(nèi)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(shù)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(guān)資料， 2020 年全球 PLC 的銷售收入為 100 億美元左右，在自動化領(lǐng)域占據(jù)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(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)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(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)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(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。 PLC 的 CPU 內(nèi)機械手的 PLC 控制 6 有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)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(xiàn)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(guān)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(jié)果送給 PLC 的 控制器。 相同 I/O 點數(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(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)計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 2． 2 PLC 內(nèi)部原理 PLC 實質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)和微機是基本一 的。如圖 所示， PLC 硬件的基 本結(jié)構(gòu)圖所示： 編 程 器 中央處理單元 （ CPU） 輸入電路 輸出電路 系統(tǒng)程序存儲區(qū) 用戶程序存儲區(qū) 電源 機械手的 PLC 控制 7 圖 21 PLC 硬件的基本結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(shù)據(jù)，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(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，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(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運算等結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。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(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)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(gòu)成一臺完整的 PLC。PLC 的軟件分為兩部分 : 系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)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(jù) PLC 的工作原理， 其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)，系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)（包括 I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和用戶程序存儲區(qū)。 在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)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(tǒng)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。 系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)包括 I/O 映象區(qū)以及各類軟設(shè)備（例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)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(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要有一定數(shù)量的存儲單元（ RAM）以供存放 I/O 的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲單元稱作 I/O 映象區(qū)。一個開關(guān)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(guān)量的 I/O 映象區(qū)和模擬量的 I/O 映象區(qū)兩部分組成。 （ B） 系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū) 機械手的 PLC 控制 8 除了 I/O 映象區(qū)以外，系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)還包括 PLC 內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在 PLC 斷電時，由內(nèi)部的鋰電子供電。使這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)得以保留；后