【文章內(nèi)容簡介】 很高，因此自動化技術(shù)的加入在節(jié)省人力物力等方面優(yōu)勢巨大，而且 PLC 也具有很多其他種類控制器所不具備的優(yōu)勢，比如通用性高、穩(wěn)定性好、配套設(shè)備齊全、編程軟件簡單易學(xué)，因此 PLC 是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的控制器之一。機(jī)械臂已經(jīng)在歐美等發(fā)達(dá)國家有著廣泛應(yīng)用，例如用于采摘果實(shí)、收割莊稼、汽車結(jié)構(gòu)焊接等。目前來看，我國的自動化水平還處于起筆階段，是一個年輕的行業(yè)，應(yīng)用 PLC 來控制的機(jī)械臂還不是很多。本次課題設(shè)計(jì)的就是基于 PLC 的機(jī)械臂控制。通過此次設(shè)計(jì)不僅能夠更進(jìn)一步學(xué)習(xí) PLC 的控制方式和編程環(huán)境，更重要的是可以在實(shí)際操作過程中對 PLC有更深的理解。 就目前來看，啤酒是當(dāng)今前世界消費(fèi)量最 大的酒類飲料，千秋的啤酒產(chǎn)量需求越來越大，而我國更是一個啤酒消費(fèi)大國。因此這次設(shè)計(jì)便是以些小的啤酒生產(chǎn)線成品啤酒的裝箱環(huán)節(jié)中三自由度機(jī)械臂為硬件來實(shí)現(xiàn)基于 PLC 的機(jī)械臂控制目的。過去的人工抓瓶裝箱已經(jīng)顯得效率低下，因此機(jī)械臂的加入尤為重要，它不僅抓取快，而且能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，以機(jī)械臂裝箱配合入庫，工作效率非常高。 國內(nèi)外機(jī)械臂研究概況 工業(yè)機(jī)械臂的產(chǎn)生是伴隨著近代工業(yè)自動化水平的突飛猛進(jìn)以及實(shí)際生產(chǎn)中的需要發(fā)展而來的，如今已經(jīng)成為實(shí)際生產(chǎn)中必不可少的自動化裝置。工業(yè)機(jī)械臂的加入顯著提天津理工大學(xué)自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 高了生產(chǎn)過 程的自動化程度并且改善了勞動條件、提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。近年來在我國工業(yè)機(jī)械臂的發(fā)展也是非常迅速的，需求量也是越來越大。 自二十世紀(jì)六十年代初第一套機(jī)械臂系統(tǒng)的誕生，經(jīng)過將近 40 年的發(fā)展，現(xiàn)如今已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色。目前，正式服役于生產(chǎn)中的機(jī)械臂大多屬于比較老式的一種，即程序開環(huán)控制機(jī)械臂。這種機(jī)械臂大多采用點(diǎn)位控制，也就是沒有反饋系統(tǒng)，不能根據(jù)實(shí)際情況的變化作出調(diào)整，這類機(jī)械臂主要應(yīng)用于焊接、噴漆和上下料等用途。如今使 用比較廣泛的機(jī)械臂已經(jīng)和以前大有不同，他加入了反饋系統(tǒng)，也就是說有個感覺，雖然它仍然以程序控制為基礎(chǔ)，但它能夠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的偏差來調(diào)整動作。這種機(jī)械臂廣泛應(yīng)用接觸傳感器一類的簡單傳感器和相應(yīng)的自適應(yīng)控制算法來實(shí)現(xiàn)。而現(xiàn)在最新的機(jī)械臂則是在前兩種的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良可再造，它既能夠感知外界環(huán)境和操作對象，又具有對復(fù)雜信息進(jìn)行收集和處理的能力，能夠?qū)ψ陨淼膭幼鲗?shí)現(xiàn)自我智能化控制。用擬人的方法來說，它具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，就像工人一樣能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨識等多種仿生功能，而且就像專家一樣，十分 專業(yè)。 目前機(jī)械臂的發(fā)展較為多元化，出現(xiàn)了仿人型機(jī)械臂、微型機(jī)械臂、智能機(jī)械臂等多種各具特色的機(jī)械臂。機(jī)械臂的應(yīng)用領(lǐng)域正由以前主攻工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)，而且現(xiàn)在加入更多尖端科技的軍事機(jī)械臂也廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。 在歐美等發(fā)達(dá)國家近幾年機(jī)械臂的發(fā)展趨勢迅猛，伴隨著機(jī)械臂性能不斷提高，價(jià)格的不斷下降，機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化、可重構(gòu)化以及控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器，越來越多的滿足各種需要的機(jī)械臂如雨后春筍般涌現(xiàn)。 在國內(nèi)，目前機(jī)械臂的應(yīng)用主要在噴涂機(jī)械臂、裝配機(jī)械臂、弧焊機(jī)械臂、搬運(yùn)機(jī)械臂、點(diǎn)焊機(jī)械臂、特種機(jī)械臂，基本掌握了機(jī)械臂的設(shè)計(jì)制造，控制驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置以及軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動化噴漆、弧焊以及周邊配套設(shè)備的全套自動通信、協(xié)調(diào)和控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)械臂焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破。從技術(shù)方面來看，我國目前在自行設(shè)計(jì)和制造機(jī)械臂的方面已經(jīng)沒有技術(shù)障礙。 課題研究的內(nèi)容 本課題以啤酒瓶的抓取為研究對象，應(yīng)用 PLC 進(jìn)行控制設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容，對緩沖區(qū)的成品啤酒進(jìn)行抓取裝箱，應(yīng)用 PLC 指令對伺服驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器以及直流電機(jī)三個對象進(jìn)行算法控制，通過各個環(huán)節(jié)上相應(yīng)傳感器的反饋信息進(jìn)行算法調(diào)節(jié)達(dá)到精確可靠抓天津理工大學(xué)自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 取啤酒瓶并放入箱內(nèi)的功能。 第二章 機(jī)械臂控制方式的選擇和可編程序控制器簡介 機(jī)械臂控制方式的選擇 控制方式的分類 較早的工業(yè)自動控制主要基于繼電器和一些分離的電路原件進(jìn)行，這種控制器投資相對少一些，目前這種設(shè)備僅存的一些都服役于老企業(yè)和自動化程度很低的小企業(yè)，由于這種設(shè)備存在很多缺陷，如僅適合于 簡單的邏輯控制，通用性差，不便于優(yōu)化和改造等，已遭到淘汰。 我國在邏輯控制器為主力的自動化控制的大背景下，正以迅猛的步伐進(jìn)行改造。邏輯控制器控制有硬件上至少有一個微處理器、通過軟件實(shí)現(xiàn)控制思想的特點(diǎn)。 在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域應(yīng)用最多也對為廣泛的有三種，即可編程序邏輯控制器（ PLC）；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（ IPC）；集散控制系統(tǒng)（ DCS）。 可編程序邏輯控制器（ PLC）、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（ IPC）以及集散控制系統(tǒng)（ DCS）的比較 各自技術(shù)發(fā)展的起源 計(jì)算機(jī)可以滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求。其標(biāo)準(zhǔn)的硬件配置，標(biāo) 準(zhǔn)的總線協(xié)議，以及超前的兼容性，豐富的軟件資源無一不是它的優(yōu)勢所在，加之實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，使它在控制模型復(fù)雜和數(shù)據(jù)量巨大的控制對象時(shí)如魚得水。 DCS 在工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到分布式控制系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為中心，所以它在模擬處理，控制一定的優(yōu)勢，最初主要應(yīng)用于連續(xù)過程控制。 PLC 是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)成長而來，在工序控制方面應(yīng)用較多，早期 PLC 產(chǎn)品主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，其功能以開關(guān)量的順序控制為主。 近年來伴隨著各種高新技術(shù)的發(fā)展和成熟，越來越多的新技術(shù)加入到了 PLC 中， PLC在技術(shù)和功能上發(fā) 生了質(zhì)的飛躍。在早期邏輯開關(guān)量控制的基礎(chǔ)上，增加了算數(shù)運(yùn)算、反饋調(diào)節(jié)等功能，增加了模擬量輸入輸出和 PID 調(diào)節(jié)算法等功能模塊；運(yùn)算速度有了提高，中央處理單元的能力趕上了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的水平；而且隨著通信能力的提高，衍生了多天津理工大學(xué)自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 種局部總線和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，應(yīng)用這些也可構(gòu)成為一個集散系統(tǒng)。最重要的是個人機(jī)算機(jī)也引入到了 PLC 系統(tǒng)當(dāng)中， PLC 在過程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場總線，暨向下拓展功能，開放總線。 相同點(diǎn) 在硬件方面， PLC、工業(yè)計(jì)算機(jī)、集散系統(tǒng)之間的界限逐漸模糊，各自的功能差異也在逐步縮小，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導(dǎo)體存儲器和 I/O 模件組成。編程方面也有很多相同點(diǎn)。 不同點(diǎn) 雖然在硬件方面的差距逐漸縮小，但畢竟 PLC 和計(jì)算機(jī)是不同種類的兩種產(chǎn)品，經(jīng)過了多年的優(yōu)化和發(fā)展都形成了各自獨(dú)立的生態(tài)環(huán)境，尤其在各自的軟件資源方面區(qū)別很大。 在編程環(huán)境方面， PLC 主要使用編程器或者計(jì)算機(jī)軟件編寫程序，編程語言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)本身或用計(jì)算機(jī)布局形成組態(tài)形成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。 需要特 別之處的是 PLC 于 STD 總線工控機(jī)之間的區(qū)別，他們無論從維修、安裝和模塊組件功能都相差不多。 PLC 在脫機(jī)模式下運(yùn)行表現(xiàn)出色，但當(dāng)它在線運(yùn)行時(shí)如果想對他進(jìn)行較大數(shù)據(jù)量的修改，其能力比于 STD 工控機(jī)稍差，但是單純從開關(guān)量的控制來說， PLC則是不二選擇。 在選擇控制器的時(shí)候，首先要從控制精度，控制需求，控制對象和經(jīng)濟(jì)節(jié)能的要求考慮。沒有一種控制器可以用于各種環(huán)境，也沒一種控制器一無是處，我們只可以根據(jù)不同的需要和不同的工作環(huán)境選擇一種最適合的來蠻子我們的需要即可。 機(jī)械臂控制方式的選定 PLC是通過在 電腦上的專用軟件編寫控制程序然后通過下載線將程序下載到控制器來實(shí)現(xiàn)控制的。這種軟件繼承了 PLC 廠家的指令系統(tǒng)，而且廠家針對各自的 PLC 特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的修改和功能增強(qiáng)。 公司自成立以來，經(jīng)過 20 年的發(fā)展，在發(fā)達(dá)國家，歐洲，日本和其他美國目前已經(jīng)成為一個重要的行業(yè)， PLC 已成為國際市場的最流行的工業(yè)控制產(chǎn)品，應(yīng)用 PLC 編程實(shí)現(xiàn)程序控制設(shè)備已經(jīng)是但僅世界的大潮流。 之所以 PLC 可以勝任各種工業(yè)場合的控制要求，離不開他針對工業(yè)場合的專門設(shè)計(jì)和優(yōu)化：高可靠性、高抗干擾的能力。編程安裝使用簡便、低價(jià)格長壽命。相比于單片機(jī) ，天津理工大學(xué)自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 他的輸入輸出更加的接近工業(yè)現(xiàn)場，不需要再在控制器與設(shè)備之間加更多的轉(zhuǎn)換以及驅(qū)動單元，這樣大大節(jié)省了設(shè)備組建的時(shí)間和工程量。 PLC 輸入是一個繼電器，晶體管和可控硅控制單元，上端與一般微機(jī)用戶連接。當(dāng)人們想要對 PLC 驚醒應(yīng)用是，不需要花大量時(shí)間進(jìn)行專門的計(jì)算機(jī)應(yīng)用培訓(xùn)就能對可編程控制器進(jìn)行編程操作和下載，并應(yīng)用他來實(shí)現(xiàn)自己想要的難易不同的工業(yè)控制任務(wù)。 PLC 的優(yōu)點(diǎn)還有很多。機(jī)械臂的控制器如果選用 PLC，不僅能夠減小體積和重量，而且控制方式靈活、可靠性高、操作簡單、維修容易，更重要的是可以便于以后的擴(kuò)展和改造。正因?yàn)?PLC 所具有的靈活性、模塊化、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，才能夠很據(jù)現(xiàn)場的不同需要完成用戶的控制需求。機(jī)械臂采用 PLC 作為控制器，大大提高了系統(tǒng)的集成度，介紹呢過了空間，避免了繁雜的接線與工作量巨大的弊端，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，用 PLC作為控制器可以方便的對系統(tǒng)流程進(jìn)行更改和優(yōu)化。綜上所述，機(jī)械臂的控制方式選擇 PLC進(jìn)行控制最高效可靠。 可編程序控制器簡介 可編程序邏輯控制器（ Programmable Logic Controller）簡稱 PLC，是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)進(jìn)化而來，它不斷地改進(jìn)增強(qiáng)優(yōu)化，不斷地向微型計(jì)算機(jī)靠攏，從而逐步的適應(yīng)了復(fù)雜控制任務(wù)的處理。 PLC 的結(jié)構(gòu) PLC 很像一般的微型計(jì)算機(jī)，都是有硬件軟件系統(tǒng)組成。 PLC 的硬件系統(tǒng)由中央微處理器 (CPU)、存儲器 (EPROM， ROM)、輸入輸出口 (I/O)部件、電源部件、編程器、 I/O 擴(kuò)展單元和其他外圍設(shè)備以模塊的形式拼接而成。各部分通過總線 (電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線 )連接而成 [9]。其結(jié)構(gòu)簡圖如下： 輸出部件 外設(shè)I/O接口 存儲器 EPROM 微處理器 運(yùn)算器 控制器 電源 輸入部件 I/O 擴(kuò)展接口 I/O 擴(kuò)展單元 受控元件 輸入信號 外部設(shè)備 天津理工大學(xué)自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 21 PLC 硬件結(jié)構(gòu)圖 PLC 的軟件系統(tǒng)是指 PLC 所使用的各種軟件和指令的集合，一般可分為系統(tǒng)固化程序和用戶下載程序兩大部分。系統(tǒng)固化程序是 PLC 產(chǎn)品必須包括的部分，由 PLC 的制造商提供的，用來控制 PLC 的操作和運(yùn)行，系統(tǒng)程序存儲在 EPROM。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件程序合二為一組成了一個完整的 PLC 系統(tǒng)，他們相輔相成，缺了那一部分都不能正常工作。 PLC 的特點(diǎn) 可編程序邏輯控制器簡稱 PLC，它的主要核心部件是一種類似于微機(jī)處理器的中央處理單元，因此它相當(dāng)于專門用作自動化控制的計(jì)算機(jī)。當(dāng)今國內(nèi)國外普遍應(yīng)用可編程邏 輯控制器作為機(jī)械臂的控制器，在智能化要求高控制容量大的機(jī)械臂控制系統(tǒng)中更是離不開PLC。主要是因?yàn)?PLC 具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢： 靈活、通用 在傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中，應(yīng)用的主要控制部件是繼電器，整個系統(tǒng)需要預(yù)先設(shè)計(jì)好，然后根據(jù)設(shè)計(jì)好的圖紙進(jìn)行布線焊接施工，所用設(shè)備固定，每套系統(tǒng)只對應(yīng)一種設(shè)備，如果工藝上出現(xiàn)一些小的改進(jìn)或者調(diào)整，需要對控制系統(tǒng)加以調(diào)整的話，那么之前裝好的整個控制系統(tǒng)都要進(jìn)行拆除，然后對其重新進(jìn)行布線焊接施工等工作，浪費(fèi)了大量的人力、物力、精力和時(shí)間?？删幊踢壿嬁刂破鞯某霈F(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，它是 將程序存儲在自身內(nèi)置的存儲芯片上，根據(jù)用戶存儲在芯片中的程序進(jìn)行控制，如果遇到控制對象改變或者工藝流程改進(jìn)的話，不需要將整個系統(tǒng)拆除，只需要將相應(yīng)的線接好然后根據(jù)需要編寫控制程序即可。而且 PLC 更為強(qiáng)大的是如果當(dāng)前控制系統(tǒng)需要改變，只需要對 PLC 進(jìn)行編程不需要再進(jìn)行復(fù)雜的改造了，因此 PLC 作為控制器具有很大的靈活性、通用性。 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 對于工業(yè)現(xiàn)場中的機(jī)械臂來說，高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力是非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)，這與生產(chǎn)安全和人員安全息息相關(guān)，如何讓控制器適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場各種復(fù)雜惡劣的環(huán)境是研制每一 種控制系統(tǒng)必須要考慮的問題。 現(xiàn)代化的 PLC 設(shè)備普遍采用技術(shù)成熟的微電子原件和天津理工大學(xué)自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 芯片，傳統(tǒng)的繼電器開關(guān)量輸入輸出由無損耗無誤觸發(fā)的半導(dǎo)體原件替代，其可靠性程度是使用傳統(tǒng)以繼電器來實(shí)現(xiàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)所無法比及的。而且為了讓 PLC 在環(huán)境極為惡劣的工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定工作，工程師們還在其設(shè)計(jì)和制造過程中對 PLC 的硬件層面和軟件層面采用了一系列可靠的抗干擾措施，讓其在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場也能游刃有余。 操作方便、維修容易 PLC 的編程采用的語言是電氣操作人員普遍熟悉的的梯形圖和功能助記符，用戶可以很方便快速的掌握 PLC 的編程。對于使用者來說，幾乎不需要在進(jìn)行專門的計(jì)算機(jī)知識培訓(xùn)便可完成簡單的編程控制。工程師編好的程序也能十分清晰直觀的展現(xiàn)在使用者面前，只需要將操作說明書寫清楚，操作人員經(jīng)短期的學(xué)習(xí)就可以使用。 功能強(qiáng) 現(xiàn)代化的 PLC 不僅具有傳統(tǒng)條件控制、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)