【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （1）整體式PLC 整體式PLC的CPU、存儲(chǔ)器I/O安裝在統(tǒng)一機(jī)體內(nèi)（如三菱的FX系列）。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低。適用于嵌入控制設(shè)備的北部，常用與單機(jī)控制。（2）模塊式PLC 組合式PLC為總線結(jié)構(gòu)。其總線做成總線板，上面有若干個(gè)總線槽，每個(gè)總線槽上可安裝一個(gè)PLC模塊，不同的模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能。配置靈活、組裝方便、擴(kuò)展容易。2. 按I/O點(diǎn)數(shù)和功能分類 I/O的點(diǎn)數(shù)是衡量PLC控制規(guī)模的重要參數(shù)。因此，按控制規(guī)?？煞譃樾⌒蚉LC、中型PLC、和大型PLC。 (1) 微型PLC I/O點(diǎn)數(shù)小于64點(diǎn)(2) 小型PLC I/O點(diǎn)數(shù)在6456點(diǎn)之間 (3) 中型PLC I/O點(diǎn)數(shù)在256512點(diǎn)之間(4) 大型PLC I/O點(diǎn)數(shù)在5128192點(diǎn)之間3. 按控制實(shí)現(xiàn)的功能分類按照PLC所能實(shí)現(xiàn)的功能不同，可以把PLC大致地分為低檔PLC、中檔PLC、高檔PLC三類。PLC主要有中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM、EPROM）、I/O、電源、擴(kuò)展接口和編程器接口等部分組成。在常規(guī)電氣控制電路中，輸入元件和輸出元件的連接是通過導(dǎo)線連接的。而PLC的輸入元件和輸出元件的連接不是通過導(dǎo)線連接的，而是通過程序來連接的。所以不會(huì)發(fā)生常規(guī)電氣控制電路所出現(xiàn)的問題。PLC的控制程序由編程器或計(jì)算機(jī)通過編程電纜輸入到PLC中，還可以對(duì)PLC內(nèi)部控制的狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和修改，十分方便。當(dāng)控制功能發(fā)生變化時(shí)，不必重新改接線，只需改變程序就可以了。FX2N型可編程序控制器上設(shè)置有4個(gè)指示燈，以顯示PLC的電源、運(yùn)行/停止、內(nèi)部鋰電池的電壓、CPU和程序的工作狀態(tài)。FX2N型可編程序控制器是一種小型機(jī)，一般小型機(jī)多采用整體式，當(dāng)輸入輸出不夠用時(shí)可以通過擴(kuò)展端口增加輸入輸出的擴(kuò)展模塊，通過擴(kuò)展端口還可以連接各種特殊模塊。 圖11可編程控制器實(shí)物組成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)用戶程序存儲(chǔ)區(qū)電源圖12 PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖（1） CPU模塊在PLC系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦，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。（2） I/O模塊輸入（INPUT）模塊和輸出（OUTPUT）模塊簡(jiǎn)稱I/O模塊，他們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號(hào)，數(shù)字量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字開關(guān)、限位開關(guān)、接地開關(guān)、光電開關(guān)、等數(shù)字信號(hào)，模擬輸入模塊用來接收電位器，測(cè)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)。數(shù)字量輸入模塊用來控制接觸、器電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警器裝置器等輸出設(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DC5V，而PLC的輸出/輸出信號(hào)電壓信號(hào)一般較高,如DC5V和AC220V，可防止從外部引入的尖峰的電壓和干擾信號(hào)可能損壞CPU模塊中的元器件或影響PLC的正常工作。I/O模塊中，用光電耦合器、小型繼電器等器件來隔離外部輸入電路和負(fù)載，I/O模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離作用。（3） 編程裝置編程裝置用來生成用戶程序，并對(duì)它進(jìn)行編輯、檢查和修改，手持式編程不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。它體積小，價(jià)格便宜，一般用來給小型PLC編程，或者用來現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)。使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同的編程語(yǔ)言的互相轉(zhuǎn)換，程序被編譯下載到PLC也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳遞。（4） 電源 PLC一般使用220V交流電源或24V直流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供各種直流電源，驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。 可編程控制的軟件系統(tǒng)和程序PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，不僅有硬件，軟件也是必不可少的。在PLC中軟件分為兩大部分，即系統(tǒng)程序和用戶程序。( 1 ) 系統(tǒng)程序時(shí)PLC賴以工作的基礎(chǔ)，采用匯編語(yǔ)言寫，在PLC車廠時(shí)就醫(yī)固化于ROM型系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器中，不需要用戶干擾。系統(tǒng)程序分為系統(tǒng)監(jiān)控程序和解釋程序。 ( 2 ) 用戶程序又稱為應(yīng)用程序，是用戶為完成某一特定任務(wù)而利用PLC的編程語(yǔ)言而編制的程序。用戶程序通過編程器輸入到PLC的用戶存儲(chǔ)器中，通過PLC的運(yùn)行而完成這一特定的任務(wù)。 可編程控制器的工作原理PLC內(nèi)部有許多具有不同功能的器件，實(shí)際上這些器件是由電子電路和存儲(chǔ)器組成的。例如，輸入繼電器X由輸入電路和映像輸入觸點(diǎn)的存儲(chǔ)器組成；輸出繼電器Y由輸出電路和映像輸出點(diǎn)的存儲(chǔ)器組成；定時(shí)器T、計(jì)數(shù)器C、輔助繼電器M、狀態(tài)器S、數(shù)據(jù)寄存器D、變址積存器V/Z等都有存儲(chǔ)器組成。為了把它們與普通的硬件區(qū)分開，通常把上面的器件成為軟器件。從工作過程看，只注重器件的功能和器件的名稱。如，輸入繼電器X、輸出繼電器Y等，而且每個(gè)器件都有確定的地址編號(hào)，這對(duì)編程十分重要。PLC的工作原理可概括為；在系統(tǒng)管理程監(jiān)控下，對(duì)I/O集中采樣、順序執(zhí)行用戶程序并將運(yùn)算結(jié)果集中輸出的工作過程，與計(jì)算機(jī)不同的是，計(jì)算機(jī)一般采用查詢等待命令的工序的執(zhí)行并轉(zhuǎn)到相應(yīng)子程序。因此，當(dāng)控制軟件發(fā)生故障時(shí)，會(huì)一直等待鍵盤或I/O命令，可能發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象。而PLC作為專用工業(yè)控制機(jī)，一般采用掃描用戶程序工作方式，系統(tǒng)管理及應(yīng)用程序的執(zhí)行全部是以循環(huán)掃描方式完成。當(dāng)軟件發(fā)生故障時(shí)，可以定時(shí)執(zhí)行下一輪掃描，避免了死機(jī)現(xiàn)象，因此可靠性更高。 解決的主要問題機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。 機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。主要解決代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。第2章 設(shè)計(jì)原理 操作原理簡(jiǎn)要說明機(jī)械手有手動(dòng)、單周期、多周期和回原點(diǎn)五種工作方式，機(jī)械手在最上面、最左邊且電磁鐵線圈斷電，稱為系統(tǒng)處于原點(diǎn)狀態(tài)（或稱初始狀態(tài)）。在用戶程序中，坐限位開關(guān)，上限位開關(guān)的常開觸點(diǎn)和表示電磁鐵線圈斷電常閉觸點(diǎn)的串聯(lián)電路接通時(shí)，“原點(diǎn)條件”輔助繼電器變位NO。在通過初始化指行IST利用輔助繼電器來決定機(jī)械手的工作方式， 在單周工作方式下，在初始狀態(tài)按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)械手從初始步開始一個(gè)接一個(gè)周期地反復(fù)連續(xù)的工作。在按下停止按鈕并不馬上停止工作，完成最后一個(gè)周期的工作后，系統(tǒng)才返回并停留在初始步。在單步工作方式下，從初始步開始，按下按鈕系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到下一步完成該步任務(wù)后，自動(dòng)停止工作并停留在該步，再按一下啟動(dòng)按鈕才轉(zhuǎn)到下一步。單步工作方式常用于系統(tǒng)的調(diào)試。在選擇單周期，多周期和單步工作方式之前，系統(tǒng)應(yīng)處于原點(diǎn)狀態(tài)，如果不滿足這一條件，可選擇回原點(diǎn)工作方式。機(jī)械手的一個(gè)工作周期（動(dòng)作順序）為下降、夾緊、上升、右行、下降、釋放、上升、左行返回。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手下降到為達(dá)下限位時(shí)，下限位處于斷電狀態(tài)。夾緊，然后機(jī)械手上升，上升到上限位時(shí)，機(jī)械手臂右行。當(dāng)右行到右限位時(shí)，機(jī)械手下降，下降到下限位時(shí)氣抓斷電，釋放工件，工件放入指定位置。然后回到原點(diǎn)。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手下降到為達(dá)下限位時(shí)，接通，夾緊工價(jià)，機(jī)械手上升，上升到上限位時(shí)，機(jī)械手臂右行，當(dāng)右行到限位開關(guān)時(shí)機(jī)械手下降，下降到下限位時(shí)，氣抓放松。然后回到原點(diǎn)位置，機(jī)械手動(dòng)作完成。 機(jī)械手的構(gòu)成 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可轉(zhuǎn)動(dòng)、開閉手指。機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無(wú)關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根據(jù)夾持對(duì)象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般是指真空吸盤。本設(shè)計(jì)采用二指的構(gòu)造。手臂有無(wú)關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確的捉住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確的定位?？傊瑱C(jī)械手的運(yùn)動(dòng)離不開直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動(dòng)液壓缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服液壓馬達(dá)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種；液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以電氣、氣動(dòng)用的最多，占90%以上；液壓機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過液壓缸、閥、液壓泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用液壓缸、液壓馬達(dá)加齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)液壓缸、液壓馬達(dá)與減速器、液壓缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大，動(dòng)作平緩，可無(wú)極變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。一般采用4到6個(gè)大氣壓（392到588kpa),個(gè)別的達(dá)到810個(gè)大氣壓（785981kpa）。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。本設(shè)計(jì)的手爪部分采用氣壓驅(qū)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)，直線運(yùn)動(dòng)可采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母機(jī)構(gòu)。通用機(jī)械手則考慮采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流或交流的伺服電動(dòng)機(jī)、變速箱等。電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單，維護(hù)、使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一形式的動(dòng)力，出力比較大。本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手爪和機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于工作固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。她的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，工作速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易于調(diào)整。機(jī)械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占90%以上?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制，它首先要編制程序加以存儲(chǔ)，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、以小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實(shí)現(xiàn)，具有編程簡(jiǎn)單、修改容易、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 各電氣設(shè)備的控制方式及控制要求根據(jù)古典力學(xué)觀點(diǎn)，物體在三維空間內(nèi)的靜止位置是由三個(gè)坐標(biāo)和繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來決定。因此，抓握物體的位置和方向（即關(guān)節(jié)間的角度）能從理論上求得。據(jù)資料介紹，如果采用的機(jī)械手，其技能要接近于人的上肢，則需要具有27個(gè)自由度，而每一個(gè)自由度至少要有一根人造肌肉。這樣就需要安裝27根重量輕、小型和高輸出力的人造肌肉。就目前的技術(shù)狀況而言，上述功能還很難辦到，而且把機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)搞的那么復(fù)雜，動(dòng)作彼此嚴(yán)重重疊也是完全不必要的。退一步，如果機(jī)械手要求具有完全通用的程度，那么它的整機(jī)、本體、手臂和手指都得有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，總共要有24個(gè)自由度。這在實(shí)際上也是不必要的，這樣會(huì)使機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費(fèi)用增多。因此，不應(yīng)盲目模仿人手