【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(jī)械手的 PLC 控制 4 第一章 機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu) 1． 1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 1．螺旋機(jī)構(gòu) 螺旋機(jī)構(gòu)由螺桿、螺母和機(jī)架組成，其主要功能是將轉(zhuǎn)動(dòng)變換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，按螺旋副中的摩擦性質(zhì)，螺旋機(jī)構(gòu)可以分為滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)螺旋機(jī) 構(gòu)兩種類(lèi)型。 螺旋機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)噪聲易于自鎖等優(yōu)點(diǎn)。 2. 滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu) 螺旋副內(nèi)為滑動(dòng)摩擦的的螺旋機(jī)構(gòu)，稱(chēng)為滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)?；瑒?dòng)螺旋機(jī)構(gòu)所用的螺紋為傳動(dòng)性能好，效率高的矩形、梯形和鋸齒形螺紋。 滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)由螺母和螺桿組成。根據(jù)機(jī)構(gòu)的組成及運(yùn)動(dòng)方式，滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)又分為以下 兩種。 （ 1）．由螺母和螺桿組成的滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)，螺母與機(jī)架固聯(lián)，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)（如圖11b 所示），這種螺旋機(jī)構(gòu)以傳遞動(dòng)力為主，故又稱(chēng)傳力螺旋機(jī)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(shí)間短，速度較低的場(chǎng)合。 （ 2）．由螺母、螺桿和機(jī)架組成的滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)，如圖 11a 所示，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)，這種螺旋機(jī)構(gòu)以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，故又稱(chēng)為傳導(dǎo)螺旋機(jī)構(gòu)。 本文所介紹的機(jī)械手的豎軸就是用的傳導(dǎo)螺旋機(jī)構(gòu)。這種傳動(dòng)形式結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較大，傳動(dòng)效率高，精度高。 （ a）螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng) (b) 螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng) 圖 11 3．滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu) 螺旋副內(nèi)為滾動(dòng)摩擦的螺旋機(jī)構(gòu)，稱(chēng)為滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)或滾珠絲杠。其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)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(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，剛球沿螺旋滾道滾動(dòng)并帶動(dòng)螺母作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。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(guò)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(shí)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(gè)反向器，當(dāng)滾珠進(jìn)入反向器時(shí)，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(gè)循環(huán)回路。 機(jī)械手的橫向運(yùn)動(dòng)采用的便是滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)。滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)摩擦阻力小，動(dòng)作靈敏度高，傳動(dòng)效 率高，可達(dá) 90% 以上。用調(diào)整的方法可消除間 隙，傳動(dòng)精度高。 圖 12 第二章可編程控制 PLC 2． 1 PLC 簡(jiǎn)介 自二十世紀(jì)六十年代美國(guó)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(lái)， 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(hù)需求的不斷提高， PLC 在開(kāi)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(guò)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(jì)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(zhǎng)率保持為 20%～ 30%。隨著工廠自動(dòng)化程度的不斷提高和 PLC 市場(chǎng)容量基數(shù)的不斷擴(kuò)大，近年來(lái) PLC 在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的增長(zhǎng)速度放緩。但是，在中國(guó)等發(fā)展中國(guó) 家 PLC 的增長(zhǎng)十分迅速。綜合相關(guān)資料， 2020 年全球 PLC 的銷(xiāo)售收入為 100 億美元左右，在自動(dòng)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(lái)的，二十世紀(jì)七十年代的 PLC 只有開(kāi)關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車(chē)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(guò)數(shù)字輸入和輸出操作，來(lái)控制各類(lèi)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。用戶(hù)編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，并事先存入 PLC 的用戶(hù)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)機(jī)械手的 PLC 控制 6 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(guò)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(chēng)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(kāi)關(guān)量來(lái)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(lái)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(méi)有專(zhuān)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。 2． 2 PLC 內(nèi)部原理 PLC 實(shí)質(zhì)上是一種被專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)和微機(jī)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(chǔ)區(qū) 用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū) 電源 機(jī)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(chǔ)從編程器鍵入的用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲(chǔ)器、 I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能檢查用戶(hù)程序的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首先它以?huà)呙璧姆绞浇邮墁F(xiàn)場(chǎng)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(hù)程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶(hù)程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運(yùn)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(hù)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(yùn)行，直到停止運(yùn)行為止。 （ 2）存儲(chǔ)器 與微型計(jì)算機(jī)一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺(tái)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(chǔ)器稱(chēng)為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。 PLC 存儲(chǔ)空間的分配：雖然大、中、小型 PLC 的 CPU 的最大可尋址存儲(chǔ)空間各不相同，但是根據(jù) PLC 的工作原理， 其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)，系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)（包括 I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)。 在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)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(hù)不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該 PLC 的各項(xiàng)功能。 系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)包括 I/O 映象區(qū)以及各類(lèi)軟設(shè)備（例如：邏輯線(xiàn)圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲(chǔ) 區(qū)。 （ A） I/O 映象區(qū) 由于 PLC 投入運(yùn)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(chǔ)單元（ RAM）以供存放 I/O 的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲(chǔ)單元稱(chēng)作 I/O 映象區(qū)。一個(gè)開(kāi)關(guān)量 I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位（ bit） , 一個(gè)模擬量 I/O 占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字（ 16 個(gè) bit)。因此，整個(gè) I/O 映象區(qū)可看作由開(kāi)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(chǔ)區(qū) 機(jī)械手的 PLC 控制 8 除了 I/O 映象區(qū)以外，系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)還包括 PLC 內(nèi)部各類(lèi)軟設(shè)備（邏輯線(xiàn)圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）的存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)又分為具有失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域和無(wú)失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域，前者在 PLC 斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電子供電。使這部分存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)得以保留；后