【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ................................................. 45 附錄 5 PLC 外部電氣接線圖 ………………………………………………………… ...48 2 第一章 緒 論 課題研究目的及意義 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。近年來(lái)隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛地 應(yīng)用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各個(gè)行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視?？傊?，機(jī)械手是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要手段。國(guó)內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展。 可編程序控制器 (PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的飛速發(fā)展， PLC 在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng) 成為工廠自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)配置之一 [1]。 由于自動(dòng)化可以節(jié)省大量的人力、物力等，而 PLC 也具有其他控制方式所不具有的特殊優(yōu)越性，如通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)，因此工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用 PLC。機(jī)械手在美國(guó)、加拿大等國(guó)家應(yīng)用較多，如用果實(shí)采摘機(jī)械手來(lái)摘果實(shí)、裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機(jī)器人等。我國(guó)自動(dòng)化水平本身比較低，因此用 PLC 來(lái)控制的機(jī)械手還比較少。本次課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手就是通過(guò) PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的。通過(guò)此次設(shè)計(jì)可以更進(jìn)一步學(xué)習(xí) PLC 的相關(guān)知識(shí)，了解世界先進(jìn)水平，盡可能多的應(yīng)用于實(shí)踐。 MCGS 是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于 Microsoft 的各種 32 位 Windows 平臺(tái)上運(yùn)行，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用 [2]。本設(shè)計(jì)通過(guò) MCGS 組態(tài)軟件對(duì)機(jī)械手進(jìn)行監(jiān)控，將機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)畫顯示，使機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程更加形象化。 國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究概況 機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò) 40 多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成 3 為制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中重要的機(jī)電設(shè)備。目前 ，正式投入使用的絕大部分機(jī)械手屬于第一代機(jī)械手，即程序控制機(jī)械手。這代機(jī)械手基本上采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)，沒(méi)有感覺(jué)外界環(huán)境信息的感覺(jué)器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機(jī)械手具有感覺(jué)器官，仍然以程序控制為基礎(chǔ)，但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對(duì)控制程序進(jìn)行校正。這代機(jī)械手通常采用接觸傳感器一類的簡(jiǎn)單傳感裝置和相應(yīng)的適應(yīng)性算法?，F(xiàn)在，第三代機(jī)械手正在第一、第二代機(jī)械手的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來(lái)，它是能感知外界環(huán)境與對(duì)象物，并具有對(duì)復(fù)雜信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理，對(duì)自己行為做出自主決策能力的智能化機(jī)械手。它能識(shí)別景物，具有觸覺(jué)、視覺(jué)、力覺(jué) 、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)等多種感覺(jué)，能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識(shí)圖等多種仿生動(dòng)作，具有專家知識(shí)、語(yǔ)音功能和自學(xué)能力等人工智能 [3]。 目前機(jī)械手技術(shù)有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機(jī)械手、微型機(jī)械手和微操作系統(tǒng)（如細(xì)小工業(yè)管道機(jī)械手移動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)、微型飛行器等）、機(jī)械手化機(jī)器、智能機(jī)械手（不僅可以進(jìn)行事先設(shè)定的動(dòng)作，還可按照工作狀況相應(yīng)地進(jìn)行動(dòng)作，如回避障礙物的移動(dòng)，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)等）。機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴(kuò)展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機(jī)械手也將越來(lái)越多地裝備部隊(duì) [4][5]。 國(guó)外方面：近幾年國(guó)外 工業(yè)機(jī)械手領(lǐng)域有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)械手性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降；機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制。 國(guó)內(nèi)方面：目前在一些機(jī)種方面，如噴涂機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、裝配機(jī)械手、特種機(jī)械手（水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)械手）基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置，軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動(dòng)化噴漆線、弧焊自動(dòng)線及其周邊配套設(shè)備的全套自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)械手焊接電源、焊縫自動(dòng)跟蹤裝置也有了突破。從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，我國(guó)已經(jīng)具備了獨(dú)立自主發(fā)展中國(guó)機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ) [6]。 課題研究的內(nèi)容 本課題主要研究的是基于 PLC 的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括硬件的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)編制 PLC 程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的自動(dòng)控 4 制。利用組態(tài)軟件 MCGS 設(shè)計(jì)出人機(jī)界面，進(jìn)行設(shè)備和數(shù)據(jù)對(duì)象的連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的監(jiān)控。通過(guò) MCGS 將機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行動(dòng)畫演示，使機(jī)械手的動(dòng)作形象化。 提供較為直 觀、清晰、準(zhǔn)確的機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)，為維修和故障診斷提供多方面的可能性，充分提高系統(tǒng)的工作效率。 第二章 機(jī)械手控制方式的選擇和可編程序控制器簡(jiǎn)介 機(jī)械手控制方式的選擇 控制方式的分類 傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備自動(dòng)控制主要由繼電器或分立的電子線路來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種控制方式投資相對(duì)少一些，目前僅在一些舊式的、簡(jiǎn)單的工業(yè)設(shè)備中還有一定市場(chǎng)，但該控制方式卻有以下致命缺陷：（ 1）僅適合于簡(jiǎn)單的邏輯控制；（ 2）僅適合特殊的工程項(xiàng)目，而沒(méi)有通用性；（ 3）沒(méi)有改動(dòng)和優(yōu)化的可能性。 伴隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，我國(guó)工 業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了從繼電器控制到計(jì)算機(jī)控制的轉(zhuǎn)變，計(jì)算機(jī)控制方式具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：（ 1）硬件上至少有一個(gè)微處理器；（ 2）通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)控制思想。 目前，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域比較典型的控制方式有：（ 1）可編程序邏輯控制器（ PLC）；（ 2）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（ IPC）；（ 3）集散控制系統(tǒng)（ DCS）。 PLC 與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（ IPC）和集散控制系統(tǒng)（ DCS）的比較 各自技術(shù)發(fā)展的起源 計(jì)算機(jī)是為了滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求的設(shè)備。硬件結(jié)構(gòu)方面，總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高， 兼容性強(qiáng)，軟件資源豐富，特別是有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，故對(duì)要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模型復(fù)雜和計(jì)算工作量大的工業(yè)對(duì)象的控制占有優(yōu)勢(shì)。 集散系統(tǒng)從工業(yè)自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為中心的集散系統(tǒng)，所以其在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢(shì)，初期主要用在連續(xù)過(guò)程控制，側(cè)重回路調(diào)節(jié)功能。 PLC 是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，主要應(yīng)用在工序控制上，初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，側(cè)重于開(kāi)關(guān)量順序控制方面。 近年來(lái)隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等的 5 發(fā)展， PLC 在技術(shù)和功能上發(fā)生了飛躍。在初期 邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運(yùn)算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能，增加了模擬量和 PID 調(diào)節(jié)等功能模塊；運(yùn)算速度提高，CPU 的能力趕上了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò) (LAN)，因而也可構(gòu)成為一個(gè)集散系統(tǒng)。特別是個(gè)人計(jì)算機(jī)也被吸收到 PLC 系統(tǒng)中。 PLC 在過(guò)程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場(chǎng)總線，暨向下拓展功能，開(kāi)放總線。 相同點(diǎn) 在微電子技術(shù)發(fā)展的背景下，從硬件的角度來(lái)看， PLC、工業(yè)計(jì)算機(jī)、集散系統(tǒng) (DCS)之間的差別正在縮小，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和 I/O 模件 組成。編程方面也有很多相同點(diǎn)。 不同點(diǎn) 由于 PLC 和計(jì)算機(jī)屬于兩類產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點(diǎn)和軟件工具，實(shí)際上它們的區(qū)別仍然存在。 PLC 用編程器或計(jì)算機(jī)編程，編程語(yǔ)言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)自身或用計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)形成組態(tài)構(gòu)成開(kāi)發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。 特別需要提出的是， PLC 與 STD 總線工控機(jī)的區(qū)別，無(wú)論從維修、安裝和模件功能都很相似。 PLC 更適用于黑模式下運(yùn)行，但在線運(yùn)行時(shí)若要進(jìn)行較大的程序修改，其能力略遜于 STD 工控機(jī)，但是從開(kāi)關(guān)量控制而言， PLC 的性能優(yōu)于 STD 工控 機(jī)。 總的來(lái)說(shuō)，在選擇控制器時(shí)，首先要從工程要求、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮。沒(méi)有哪種控制器是絕對(duì)完善的，也沒(méi)有哪種產(chǎn)品絕對(duì)差，只能說(shuō)根據(jù)不同的環(huán)境選擇更適用的產(chǎn)品 [7]。 機(jī)械手控制方式的選定 PLC 實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制功能基本都是通過(guò)設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種軟件是利用 PLC 廠商提供的指令系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械設(shè)備的工藝流程來(lái)設(shè)計(jì)。 PLC 自問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展，在美國(guó)、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已成為重要產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前， PLC 在國(guó)際市場(chǎng)上已成為最受歡迎的工業(yè)控制暢銷產(chǎn)品，用 PLC 設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系