【導(dǎo)讀】測、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用。本課題通過對設(shè)計(jì)要求的分析，設(shè)計(jì)出機(jī)械手的總體方案，重。點(diǎn)闡述了手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)硬軟件的設(shè)計(jì)，完成了整個(gè)系統(tǒng)工作的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。械手的基本搬運(yùn)功能，達(dá)到了預(yù)期要求，具有一定的應(yīng)用前景。機(jī)械手電氣可編程控制技術(shù)與氣

　　

【正文】 e derived 角接觸球軸承 7000C（ ? =15? ） 70000AC( 25??? ) 70000B( 40??? ) drF eF? ? ? 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》得軸承的內(nèi)部軸向力為： S= （ 80） 110. 68 48 9. 67 NrSF?? 220. 68 25 8. 08 NrSF?? 150 NAS F S? ? ? ? ? 故 11 NaFS?? ， 21 NaAF S F? ? ? 軸承當(dāng)量載荷計(jì)算 當(dāng)量載荷 P（ rP 或 aP ）（ N）的一般計(jì)算公式 ()p r aP f XF YF?? （ 81） 式中： X —— 為徑向和軸向載荷系數(shù)； Y —— 軸向載荷系數(shù)； pf —— 為考慮載荷性質(zhì)引入的載荷系數(shù)。 表 載荷系數(shù) Table coefficient of load 載荷性質(zhì) pf 舉例 無沖擊或細(xì)微沖擊 電動機(jī) 汽輪機(jī) 通風(fēng)機(jī) 水泵等 中等沖擊 車輛 動力機(jī)械 起重機(jī) 造紙機(jī) 冶金機(jī)械等 強(qiáng)烈沖擊 破碎機(jī) 軋鋼機(jī) 鉆探機(jī) 振動篩等 10 aFC ? ， 按表， 10aFC 在 之間， e 應(yīng)在 之間取值； 線性插值得 ( 0 . 4 3 0 . 4 0 ) ( 0 . 0 5 8 0 . 0 2 9 )0 . 4 0 0 . 4 2 70 . 0 8 7 0 . 0 3 1e ? ? ?? ? ?? 114 8 9 . 6 70 . 5 97 2 0 . 1 1arF eF ? ? ? 由此得 1 ? ， 1Y 在 之 間 線形插值得 1 ( 1 . 4 0 1 . 3 0) ( 0 . 0 5 8 0 . 0 2 9) 1 10 . 0 5 8 0 . 0 2 91 .3 0 1 .3 8 9Y ? ? ??? ? ? （ 82） 22 arFF ? ，由教材 《機(jī)械設(shè)計(jì)》查得： X2 =， Y2 = 由教材《機(jī)械設(shè)計(jì)》表如上可知： ??，取 ? 1 1 1 1 1( ) 5 3 2 .7 1 Np r aP f X F Y F? ? ? （ 83） 2 1 2 2( ) 4 3 9 .2 3 Np r aP f X F Y F? ? ? 計(jì)算軸承的基本額定壽命 11000000 ( ) 8 4 2 5 .9 26 0 4 2 0h CLhP ???? （ 84） 式中： ε— 軸承壽命指數(shù)。 軸承壽命足夠大，故初選軸承 7004C符合要求，一般傳動軸的滾動軸承失效形式，主要是疲勞破壞，故應(yīng)進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。 7004C角接觸球軸承校核 由前面可知主動軸的軸向力 Fa= 所受徑向力 Fr=200/2=100N 0. 41 0. 87 0. 41 10 0 0. 87 86 .0 91 10 2. 3 NraP F F? ? ? ? ? ? ? 6 339。10 10 2. 3( ) 84 25 .9 2 45 60 h60 76 0. 3 98 5. 4hhLL? ? ? ?? 故軸承 壽命合格。 8 PLC 概述 PLC 的定義 可編程控制器（ Programmable Logic Controller）簡稱 PLC，它具備了模擬量控制、過程控制以及遠(yuǎn)程通信等強(qiáng)大功能，所以美國電氣制造商協(xié)會將其正式命名為可編程控制器（ Programmable Controller） ,簡稱 PC。但是個(gè)人計(jì)算機(jī)（ Personal Computer）也簡稱 PC，為了避免混淆，將用于邏輯控制的可編程控制叫做 PLC（ Programmable Logic Controller） . PLC 是 一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，它其實(shí)就是一臺計(jì)算機(jī)，它采用可以編制程序的存儲器，在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，它以接入式 CPU為核心，通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都是很容易與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，容易擴(kuò)展其功能的。 可編程控制器是一種工業(yè)現(xiàn)場用計(jì)算機(jī)。它是為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，工業(yè)環(huán)境一般辦公環(huán)境有較大的區(qū)別。由于 PLC 的特殊構(gòu)造，使它能在高粉塵、高噪音、強(qiáng)電磁干擾和溫度變化劇 烈的環(huán)境下正常工作。為了能控制機(jī)械或生產(chǎn)過程，它要能很容易的與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，這些都是個(gè)人計(jì)算機(jī)無法比擬的。 可編程控制器是一種通用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它能控制各種類型的工業(yè)設(shè)備及生產(chǎn)過程。它的功能能夠很容易地?cái)U(kuò)展，它的程序是可以根據(jù)控制對象的不同，讓使用者來編制的。也就是說，可編程控制器較其以前的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，如單片機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)，具有更大的靈活性，它可以方便地應(yīng)用在各種場合。 PLC 的由來及發(fā)展 1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制出第一臺可編程序控制器（ Programmable Logic Controller，簡稱 PLC），在美國通用汽車公司的自動裝配線上使用，取得了巨大的成功。 20 世紀(jì) 70 年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲元件都以繼電器命名。因而人們稱可編程控制器為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20 世紀(jì) 70年代中末期，可編程控制 器進(jìn)入了實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型的體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 20世紀(jì) 80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，在世界第一臺可編程控制器的誕生地美國， 1982 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，大量應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)廠家占美國重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)廠家總數(shù)的 82%，可編程控制器的應(yīng)用數(shù)量已位于眾多的工業(yè)自控設(shè)備之首。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn) 品系列化。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。許多可編程控制器的生產(chǎn)廠家已聞名于全世界。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)及超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元，通訊單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、 石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都的到了長足的發(fā)展。 PLC 的特點(diǎn)及用途 PLC 具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn) （ 1）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備非常關(guān)鍵的性能。 PLC 由于采用大規(guī)模集成電路技術(shù)、嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝，內(nèi)部電路采取了輸入輸出信號的光電隔離、濾波、電源的屏蔽、穩(wěn)壓和保護(hù)、故障診斷等先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，它能在高粉塵、高噪音、強(qiáng)電磁干擾和溫暖變化劇烈的環(huán)境下正常工作。 PLC 的平均無故障時(shí)間可高達(dá) 5~10萬小時(shí)以上。從 PLC 的機(jī) 外電路來說， PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障率也就大大降低。 （ 2）功能完善、應(yīng)用領(lǐng)域廣 到現(xiàn)在為止 PLC 已經(jīng)形成各種規(guī)模、系列化的產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合，并能完成決大多數(shù)的工業(yè)控制任務(wù)。 PLC 所具有的完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)， PLC 通訊能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變的非常容易。 （ 3）編程簡單，易學(xué)易用 PLC 采用和繼電器電路圖 接近的梯形圖語言，只用少量的開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。在工業(yè)現(xiàn)場，可以使用手持編程器或筆記本對 PLC進(jìn)行編程。當(dāng) PLC 聯(lián)網(wǎng)后，可以在網(wǎng)絡(luò)的任一位置對 PLC 編程。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制提供了方便。 （ 4）系統(tǒng)安裝簡單、體積小、價(jià)格低 PLC 在存儲邏輯代替接線邏輯、采用模塊化的結(jié)構(gòu)，大大地減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建設(shè)的周期大大縮短了。現(xiàn)代集成電路技術(shù)的廣泛應(yīng)用，功耗僅數(shù)瓦。由于 PLC 體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部 ，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。使得 PLC 的重量越來越輕、功耗也越來越少。在集成電路技術(shù)和生產(chǎn)廠家越來越多的情況下， PLC 的價(jià)格也越來越低。 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC 在鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛，主要可以歸納為以下幾類： （ 1）開關(guān)量的邏輯控制 可編程控制器可實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，也可用于單臺設(shè)備的控制，又可用于多機(jī)群控制及自動化流水線。 （ 2）模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、 壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。 （ 3）運(yùn)動控制 PLC 可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動控制模塊。如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。 （ 4）過程控制 過程控制是指對連續(xù)變化的量進(jìn)行控制。如對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， PLC 能編制各種各樣的控制算法程 序，完成閉環(huán)控制。目前已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合。 PLC 的主要技術(shù)指標(biāo) PLC 的性能指標(biāo)較多，主要介紹與組成 PLC 控制系統(tǒng)關(guān)系較直接的幾個(gè)。 （ 1）編程語言及指令功能 用戶的 PLC 程序可以用梯形圖語言、指令標(biāo)語言、功能塊圖編寫，梯形圖語言在PLC 中較為常見，梯形圖語言一般在計(jì)算機(jī)屏幕上編輯，使用起來簡單方便。 現(xiàn)在功能圖語言的使用有上升趨勢。編程語言中還有一個(gè)內(nèi)容是指令功能。衡量指令功能強(qiáng)弱可看兩個(gè)方面：一是指令條數(shù)多少；二是指令中有多少綜合性指令。一條綜合性指令一般就能完成 一項(xiàng)專門操作。用戶編制的程序完成的控制任務(wù)，取決于 PLC指令的多少，指令功能越多，編程越簡單和方便，完成一定的控制任務(wù)越容易。 （ 2）輸入輸出點(diǎn)數(shù) 輸入輸出點(diǎn)數(shù)是 PLC 可以接受的輸入開關(guān)信號和輸出開關(guān)信號的最大數(shù)量，值得注意的是輸入點(diǎn)數(shù)往往的大于輸出點(diǎn)數(shù)的，且二者不能相互替代。 （ 3）掃描速度數(shù) 掃描速度數(shù)是指 PLC 掃描 1k（ 1k=1024）字用戶程序所需的時(shí)間，通常以 ms/k 字為單位，掃描速度越快越好。 （ 4）存儲容量 存儲容量是存放用戶程序的存儲器的容量。通常用 k 來表示。也有的 PLC 直接用所能存放的程序量表示。在編制 PLC 程序時(shí)，需要用到大量的寄存器來存放變量、中間結(jié)果、保持?jǐn)?shù)據(jù)、定時(shí)計(jì)數(shù)、模塊設(shè)置和各種標(biāo)志位等信息。這些寄存器的多少，直接關(guān)系到程序的編制，該存儲器的容量越大，就可以編制出更復(fù)雜的程序。 （ 5）可擴(kuò)展性 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中 PLC 的可擴(kuò)展性也顯的非常重要。主要包括： ①輸入輸出點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展； ②存儲容量的擴(kuò)展； ③聯(lián)網(wǎng)功能的擴(kuò)展； ④可擴(kuò)展的模塊數(shù)； 另外，可編程序控制器的可靠性、易操作性及經(jīng)濟(jì)性等功能指示也受用戶的關(guān)注。 9 控制系統(tǒng) 的功能要求 傳統(tǒng)的機(jī)械手采用繼電氣控制，由于其線路復(fù)雜、維護(hù)困難、可靠性差等缺點(diǎn)，無法滿足機(jī)械手控制的需求?？删幊炭刂破鳎?PLC）的出現(xiàn)使得這類問題得到解決，PLC 控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、可靠性高、編程簡單、功耗低和改造方便的特點(diǎn)，能夠完成動作要求精度高的工作。 機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu) 以軸承裝配為例：軸承裝配是軸承生產(chǎn)過程中的最后且極為重要的環(huán)節(jié)，而軸承壓蓋機(jī)則是裝配先上較為復(fù)雜的部分。本節(jié)講述的是利用機(jī)械手在軸承裝配線上，通過 PLC 控制機(jī)械手的動作，完成取軸承、加蓋及轉(zhuǎn)移工件，最后控制壓蓋機(jī)完成 壓蓋的整個(gè)過程。圖 21是某以生產(chǎn)線上機(jī)械手的工作示意圖 。 圖 91 機(jī)械手的工作示意圖 Fig. 91 Manipulaor work 該機(jī)械手在生產(chǎn)線上的主要任務(wù)是，將軸承從傳送帶 1 轉(zhuǎn)移至傳送帶 2 上，然后將蓋放置于軸承之上，最后經(jīng)壓蓋機(jī)加工，完成軸承裝配的一部分加工。整個(gè)工作過程機(jī)械手包括以下動