【文章內(nèi)容簡介】 是由于這種驅(qū)動(dòng)方式價(jià)格昂貴，限制了在一些場(chǎng)合的應(yīng)用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動(dòng)方式。 氣壓驅(qū)動(dòng)具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強(qiáng)、在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用較多。另一方面，氣動(dòng)技術(shù)作為“廉價(jià)的自動(dòng)化技術(shù)”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的成套設(shè)備與自動(dòng)化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動(dòng)系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)：在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，全部自動(dòng)化流程中約有 30﹪裝有氣動(dòng)系統(tǒng)，有 90﹪的包裝機(jī)械， 70﹪的鑄造 、焊接設(shè)備， 50﹪的自動(dòng)操機(jī)、 40﹪的鍛造設(shè)備和洗衣設(shè)備、 30﹪的采煤機(jī)械， 20﹪的紡織機(jī)械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機(jī)械， 43﹪的工業(yè)機(jī)器人裝有氣壓系統(tǒng)。日、美、德等國的氣動(dòng)元件銷售平均每年增長超過 1015﹪。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家的氣動(dòng)元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，且仍以較大速度發(fā)展， 氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要使用工具。 表 21給出了各種控制方式的比較：表 各種控制方式的比較 通過以上三種驅(qū)動(dòng)方式的比較選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式，不僅能夠滿足了本設(shè)計(jì)的要求，而且節(jié)約了成 本。 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì) 根據(jù)物料分揀機(jī)械手的要求，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動(dòng)方式主要有兩種：（ 1）直線運(yùn)動(dòng)（缸體固定，活塞桿運(yùn)動(dòng)）；（ 2）擺動(dòng)（缸體固定）。其氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖 21 所示。 圖 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖 氣動(dòng)系統(tǒng)包括三個(gè)三位四通電磁換向閥、兩個(gè)二位二通電磁閥、三個(gè)氣缸、一個(gè)吸盤、四個(gè)調(diào)速閥、六個(gè)單向調(diào)速閥、消聲器（若干）等。圖中的調(diào)速閥控制氣缸上升和下降、伸長和縮短、擺動(dòng)過程中的速度，防止速度過大對(duì)物料及機(jī)械手臂的沖擊；三位四通電磁換向閥是改變氣缸的運(yùn)動(dòng)方向；真空發(fā)生器 的工作原理利用氣體的噴射產(chǎn)生真空吸附物料，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的吸取和釋放，真空發(fā)生器的動(dòng)作是由二位二通電磁閥控制的。 第三章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心。它在結(jié)構(gòu)和功能上的合理劃分與巧妙實(shí)現(xiàn)，對(duì)提高機(jī)械手整體可靠性、實(shí)用性具有重要的意義，同時(shí)也是降低制造成本、縮短開發(fā)周期的有效途徑。為此本章在分析了當(dāng)前機(jī)械手廣泛采用的控制器結(jié)構(gòu)及 PLC的發(fā)展之后，提出了采用 PLC的控制方法。 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般是使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)為目的，包括高 性能的計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的系統(tǒng)硬件和控制軟件。 機(jī)械手的控制部分可分為 4 個(gè)部分：機(jī)械手及其感知器、環(huán)境、任務(wù)、控制器。機(jī)械手是由各種機(jī)構(gòu)組成的裝置，它通過感知器的內(nèi)部傳感器實(shí)現(xiàn)本體和環(huán)境狀態(tài)的檢測(cè)和信息交互；環(huán)境即指機(jī)械手所處的周圍環(huán)境；任務(wù)是指機(jī)械手要完成的操作，它需要適當(dāng)?shù)某绦蛘Z言描述，并把它們存入控制機(jī)中，隨著系統(tǒng)的不同，任務(wù)的輸入可能是程序方式，或文字、圖形或聲音方式；控制器包括軟件和硬件兩大部分，相當(dāng)于機(jī)械手的大腦，它以計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ每刂破鬟\(yùn)行程序的方式來完成給定的任務(wù)。 控制系統(tǒng)的硬件一般包括 3 個(gè)部分： (1)感知部分 用來收集機(jī)械手的內(nèi)部和外部的信息，如位置、速度、加速度傳感器可接受機(jī)械手的本體狀態(tài)，而視覺、觸覺、力覺等傳感器可感受機(jī)械手的工作環(huán)境的外部狀態(tài)。 (2)控制裝置 用來處理各種信息，完成控制過程，產(chǎn)生必要的控制指令，它包括計(jì)算機(jī)相應(yīng)的接口等。 (3)驅(qū)動(dòng)部分 為了使機(jī)械手完成操作及移動(dòng)功能，機(jī)械手各關(guān)節(jié)可選用氣動(dòng)、液動(dòng)、電氣等方式驅(qū)動(dòng)。 控制系統(tǒng) PLC 的選型及控制原理 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 一、 PLC 機(jī)型的選擇 PLC 機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠 、維護(hù)方便的前提下，力爭最佳的性能價(jià)格比。選擇時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)： (1) 確定合理的結(jié)構(gòu)型式 PLC 主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。 整體式 PLC 的每一個(gè) I／ O 點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，且體積相對(duì)較小 ,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式 PLC 的功能擴(kuò)展靈活方便 ,在 I／ O 點(diǎn)數(shù)、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、 I／ O 模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 考慮此系統(tǒng)控制比較簡單，應(yīng)用于小批量的生產(chǎn)線故此選擇整體試 PLC 的結(jié)構(gòu)形式較為合適。 (2) 確 定合理的安裝方式 PLC 系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠(yuǎn)程 I／ O式以及多臺(tái) PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式。 集中式不需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程 I／ O硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低；遠(yuǎn)程 I／ O式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠(yuǎn)程 I／ O可以分散安裝在現(xiàn)場(chǎng)裝置附近，連線短，但需要增設(shè)驅(qū)動(dòng)器和遠(yuǎn)程 I／ O 電源；多臺(tái) PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺(tái)設(shè)備分別獨(dú)立控制，又要相互聯(lián)系的場(chǎng)合，可以選用小型 PLC，但必須要附加通訊模塊。 在工廠小批量生產(chǎn)中降低成本是很重要的，所以此系統(tǒng)選擇集中試的安裝方式。 （ 3) 滿足相應(yīng)的功能要求 一般小型 ( 低檔 ) PLC 具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，對(duì)于只需要開關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。 對(duì)于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶 A／ D 和 D／ A 轉(zhuǎn)換單元，具有加減算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔 PLC。 對(duì)于控制較復(fù)雜，要求實(shí)現(xiàn) PID 運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度，選用中檔或高檔 PLC。但是中、高檔 PLC價(jià)格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場(chǎng)合。 此系統(tǒng)只需用開關(guān)量控制，選用一般小型 PLC 即可。 (4) 滿足響應(yīng)速度要求 PLC 是為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的通用控制器，不同檔次 PLC 的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用 PLC，或者某些功能或信號(hào)有特殊的速度要求時(shí)，則應(yīng)該慎重考慮 PLC 的響應(yīng)速度，可選用具有高速 I／ O 處理功能的 PLC，或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的 PLC 等。 本系統(tǒng)不需要跨范圍使用 PLC 對(duì)某些功能或信號(hào)也沒有特殊的速度要求，不需要選用具有高速 I／ O處理功能的 PLC。 (5) 滿足系統(tǒng)可靠性要求 對(duì)于一般系統(tǒng) PLC 的可靠性均能滿足。對(duì)可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采 用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用一般系統(tǒng) PLC 能夠滿足要求，不需要考慮太多此方面的問題。 6) 機(jī)型盡量統(tǒng)一 一個(gè)企業(yè)，應(yīng)盡量做到 PLC 的機(jī)型統(tǒng)一。以保證其模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理；有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高；其外部設(shè)備可以通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信，配上位計(jì)算機(jī)后易于形成一個(gè)多級(jí)分布式控制系統(tǒng)。 本課題的要求不高，不需要考慮配備上位計(jì)算機(jī)，但為了方便采購和管理等我們還是要求機(jī)型要統(tǒng)一。 二、 確定 PLC 的容量 PLC 的容量包括 I／ O 點(diǎn)數(shù)和用戶存儲(chǔ)容量兩個(gè)方面。 1）確定系 統(tǒng)的實(shí)際輸入點(diǎn)數(shù) 系統(tǒng)由啟動(dòng)按鈕 SB停止按鈕 SB急停按鈕 SB手臂復(fù)位按紐 SB顏色傳感器 ST左旋極限傳感器 ST右旋極限傳感器 ST上升限位傳感器ST下降限位傳感器 ST手臂縮回限位傳感器 ST手臂伸出限位傳感器ST超上升限位傳感器 ST超下降限位傳感器 ST超左旋限位傳感器ST超右旋限位傳感器 ST1超伸出限位傳感器 ST1超縮回限位傳感器ST1工件檢測(cè)傳感器 PS系統(tǒng)的自動(dòng) /手動(dòng)控制開關(guān) SA以及手動(dòng)的升降、左右旋轉(zhuǎn)、伸縮、吸放按鈕（ SB5SB12）作為個(gè)輸入繼電器的外部控制點(diǎn)，共有 28 個(gè)輸入點(diǎn)。 2）確定系統(tǒng)的實(shí)際輸出點(diǎn)數(shù) 系統(tǒng)有手臂左旋、右旋、伸出、縮回、上升、下降、吸物、放物的電磁閥動(dòng)作，報(bào)警指示燈、原位指示燈及 自動(dòng) /手動(dòng)指示燈工作，一 共 12 個(gè)輸出點(diǎn)。 3）確定應(yīng)選擇 PLC 的點(diǎn)數(shù) PLC 平均的 I／ O點(diǎn)的價(jià)格還比較高，因此應(yīng)該合理選用 PLC 的 I／ O點(diǎn)的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的 I／ O點(diǎn)最少，但必須留有一定的裕量。 通常 I／ O點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控對(duì)象的輸入、輸出信號(hào)的實(shí)際需要，再加上10％到 15％的裕量來確定。本系統(tǒng)的輸入、輸出實(shí)際需要 40 個(gè)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)的 PLC 輸入、輸出點(diǎn)數(shù)定為 48 點(diǎn)比較合適，但輸入和輸出各應(yīng)留有裕量。 4）確定系統(tǒng)同時(shí)接通輸入 /輸出點(diǎn)的數(shù)量 對(duì)于選用高密度的輸入模塊 ( 如 32 點(diǎn)、 48 點(diǎn)等 ) ，應(yīng)考慮該模塊同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)一般不要超過輸入點(diǎn)數(shù)的 60％。 同時(shí)接通輸出設(shè)備的累計(jì)電流值必須小于公共端所允許通過的電流值，如一個(gè) 220V／ 2A 的８點(diǎn)輸出模塊，每個(gè)輸出點(diǎn)可承受 2A 的電流，但輸出公共端允許通過的電流并不是 16A(8 2A) ，通常要比此值小得多。 一般來講，同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不要超出同一公共端輸出點(diǎn)數(shù)的 60％。 對(duì)同時(shí)接通的輸 /入輸出點(diǎn)的制約， 此系統(tǒng)是可以滿足的。 (1)系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的選擇 PLC 的 I／ O點(diǎn)數(shù)的多少，在很大程序上反映了 PLC 系統(tǒng)的功能要求，因此可在 I／ O點(diǎn)數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式估算存儲(chǔ)容量后，再加 20％到 30％的裕量。 存儲(chǔ)容量（字節(jié)）＝開關(guān)量 I／ O點(diǎn)數(shù) 10 ＋ 模擬量 I／ O 通道數(shù) 100 A=40*10+0*100 =400（字節(jié)） 另外，在