【正文】 可編程序控制器檢查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可如上圖編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個(gè)階段。 PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)PLC實(shí)質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)和微機(jī)是基本一的。 近10年來，隨著PLC價(jià)格的不斷降低和用戶需求的不斷擴(kuò)大，越來越多的中小設(shè)備開始采用PLC進(jìn)行控制，PLC在我國的應(yīng)用增長十分迅速。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16位（也有32位的）為一個(gè)模擬量。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。 PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀(jì)七十年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。作為離散控的制的首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀(jì)八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長率保持為20%～30%。圖32 所選電機(jī)相關(guān)參數(shù)圖33 110BYG550BSAKRMA0301步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線第4章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) PLC簡介自二十世紀(jì)六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic CONtroller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)以上結(jié)果，綜合考慮各種因素，選擇國產(chǎn)北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司（原北京四通電機(jī)公司）的步進(jìn)電機(jī)，具體型號為：110BYG550BSAKRMA0301 或 110BYG550BSAKRMT0301 或 110BYG550BBAKRMT0301,該步進(jìn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩，低振動，綜合性能很好。 電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算⑴.若傳動負(fù)載作直線運(yùn)動（通過滾珠絲杠）則有負(fù)載額定功率： （318）負(fù)載加速功率： （319）負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）： （320）負(fù)載（折算到電機(jī)軸）： （321）起動時(shí)間： （322） 制動時(shí)間： （323）⑵.若傳動負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動負(fù)載額定功率： （324）負(fù)載加速功率： （325）負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）： （326）負(fù)載GD（折算到電機(jī)軸）： （327）起動時(shí)間： （328）制動時(shí)間： （329） 式中，為額定功率，KW；為加速功率，KW；為負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；為電機(jī)軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；為負(fù)載的速度，m/min；為減速機(jī)效率；為摩擦系數(shù)；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），；為電機(jī)啟動最大轉(zhuǎn)矩，；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機(jī)軸上），；為負(fù)載的，；為負(fù)載（折算到電機(jī)軸上），；為電機(jī)的，；具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是驅(qū)動腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運(yùn)動形式屬于第二種。這部分在考慮具體的作業(yè)時(shí)根據(jù)詳細(xì)的要求再結(jié)合具體情況進(jìn)行詳細(xì)，這里暫從略。⑴.液壓泵的計(jì)算① 確定液壓泵的實(shí)際工作壓力 （312）式中，計(jì)算工作壓力，前以定為； 對于進(jìn)油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為（~），這里取為1。這里同樣采用了導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)，圍繞垂直升降缸設(shè)置四根導(dǎo)桿，較好的解決了這一問題。為了達(dá)到這個(gè)目的，設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)導(dǎo)向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導(dǎo)向問題。表33 水平伸縮液壓缸參數(shù)缸內(nèi)徑壁厚桿直徑行程工作壓力6010254001因?yàn)樯炜s缸的作用主要是實(shí)現(xiàn)伸縮直線運(yùn)動這個(gè)運(yùn)動形式，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因?yàn)槭肿A持工件，受力方向?yàn)榇怪狈较颍?，軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： 而液壓缸的工作驅(qū)動力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有 （39）式中，為柱塞缸工作油壓；為柱塞截面積；經(jīng)計(jì)算，所需的油壓約為： ⑶.液壓缸主要參數(shù)的確定 針對本設(shè)計(jì)是一個(gè)機(jī)械手的特點(diǎn)考慮，機(jī)械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。 考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個(gè)單向節(jié)流閥。 本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來調(diào)定系統(tǒng)壓力。油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。本設(shè)計(jì)的方向控制采用電磁換向閥來實(shí)現(xiàn)，而速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，主要方式是采用比較簡單的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機(jī)組合來實(shí)現(xiàn)所要求的動作。同時(shí)考慮機(jī)械手的工作載荷和工作現(xiàn)場環(huán)境對機(jī)械手布局以及定位精度的具體要求以及計(jì)算機(jī)的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，剩下的兩個(gè)運(yùn)動均為直線運(yùn)動。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡單、造價(jià)低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)器人可以通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達(dá)到平衡。 具體到本設(shè)計(jì)，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個(gè)因素。這種電路有高、低壓二組電源。環(huán)行分配器是控制步進(jìn)電機(jī)各繞組按一定的次序通過的環(huán)節(jié)。 PWM伺服驅(qū)動器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好，響應(yīng)快、效率高、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。無鐵心，具有軸向平面間隙可頻繁起制動、正反轉(zhuǎn)工作，響應(yīng)迅速，適用于機(jī)器人，數(shù)控等直流PWM伺服驅(qū)動器，SCR變壓驅(qū)動器大慣量永磁直流伺服電動機(jī)輸出力矩大，轉(zhuǎn)矩波動小，機(jī)械特性硬度大，可以長時(shí)間工作在堵轉(zhuǎn)條件下又稱力矩電機(jī)，其轉(zhuǎn)子較粗適用于驅(qū)動力矩較大的場合，因可不用齒輪傳動，消除了齒輪間隙直流PWM伺服驅(qū)動器，SCR變壓驅(qū)動器表21續(xù)表反應(yīng)步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號直接轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角與脈沖數(shù)成正比，輸出力矩也較大電機(jī)轉(zhuǎn)子無轉(zhuǎn)租，由永磁體構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁極用于數(shù)字系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人；開環(huán)控制直流PWM伺服驅(qū)動器SCR變壓驅(qū)動器同步交流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速與定子繞組所建立的旋轉(zhuǎn)磁場嚴(yán)格同步；從低度到高速，定子繞組可通過大電流，故起、制動轉(zhuǎn)矩不降低，可頻繁起、制動轉(zhuǎn)子由永久磁鐵做成，定子有三相，轉(zhuǎn)子比較細(xì)主要用于中小容量的伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，如數(shù)控、機(jī)器人等系統(tǒng)中交流PWM變頻調(diào)速器異步交流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)低于定子繞組所建立的旋轉(zhuǎn)磁場，機(jī)構(gòu)簡單，容量大，價(jià)格低定子由對稱三相繞組組成， 用于數(shù)控機(jī)床主軸等容量大的場合交流PWM變頻調(diào)速器（1）直流電機(jī)伺服驅(qū)動器直流伺服電機(jī)驅(qū)動器目前多采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）伺服驅(qū)動器。為了提高機(jī)器人的傳動精度，國外近幾年開發(fā)了直接驅(qū)動電動機(jī)，并將多級旋轉(zhuǎn)變壓器組合在一起，這種旋轉(zhuǎn)變壓器每轉(zhuǎn)可達(dá)4060萬個(gè)脈沖，這種直接驅(qū)動的電機(jī)（DD驅(qū)動電機(jī)）在快速高精度定位的裝配機(jī)器人中已經(jīng)得到應(yīng)用。由于高起動力矩、大轉(zhuǎn)矩低慣量的交、直流電機(jī)在機(jī)器人中的應(yīng)用，因此一般情況下，負(fù)重在100kg以下的工業(yè)機(jī)器人大多數(shù)采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。當(dāng)氣缸活塞運(yùn)動到定位點(diǎn)時(shí)，為保證定位精度，需要將運(yùn)動軸鎖緊。因此對機(jī)器人一個(gè)單自由度而言，停點(diǎn)數(shù)目最多69個(gè)。除了直線氣缸外，機(jī)器人中用得比較多還有有限角擺動氣缸，這種擺動缸多用于手腕機(jī)構(gòu)上。氣缸的結(jié)構(gòu)形式以及與機(jī)器人機(jī)構(gòu)的連接方式（如法蘭連接，尾部鉸接，前端或中間鉸接，氣缸桿的螺紋連接或鉸接等）由設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而定。 多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動氣缸）。 由分水濾氣器，調(diào)壓器，油霧器三大件組成，可以是分離式，也可以是三聯(lián)組裝式的，多數(shù)情況下用三聯(lián)組裝式結(jié)構(gòu)。氣動驅(qū)動系統(tǒng)大體由以下幾部分組成。這類機(jī)器人多是圓柱坐標(biāo)型和直角坐標(biāo)型或二者的組合型結(jié)構(gòu)；35個(gè)自由度；負(fù)荷在200N以下；速度3001000mm/s；重復(fù)定位精度為+/。它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動力元件。如果是分離式的連接方式，要盡量縮短連接管路，這樣可以減少伺服閥到液壓機(jī)構(gòu)間的管道容積，以增大液壓固有頻率。具有點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制功能的工業(yè)機(jī)器人，需要采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)。這類機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要重視以下方面：（1）液壓缸設(shè)計(jì)：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減小摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。目前，雖然在中等負(fù)荷以下的工業(yè)機(jī)器人中大量采用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，但是在簡易經(jīng)濟(jì)型、重型的工業(yè)機(jī)器人和噴涂機(jī)器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性后進(jìn)行最終的選擇。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動機(jī)構(gòu)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動等特點(diǎn)。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。 設(shè)計(jì)具體采用方案 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓缸實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動，它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動力元件。在機(jī)器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機(jī)器人末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。同步帶具有傳動比準(zhǔn)確、傳動效率高（可達(dá)98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達(dá)40m/s）、傳動比可達(dá)10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)器人中使用很多。這樣可以消除傳動間隙，提高傳動精度與剛度。通過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動?？蛇x用新型的諧波齒輪傳動。（2）對于變負(fù)載的傳動齒輪系統(tǒng)的各級傳動比最好采用不可約的比數(shù)，避免同期嚙合以降低噪音和振動。則四級齒輪傳動系統(tǒng)的各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（、...、）換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 （22）由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動比的大小。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)（失動量），若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。機(jī)器人系統(tǒng)中齒輪傳動設(shè)計(jì)的一些問題（1）齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。，如采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施。，動摩擦力應(yīng)是盡可能小的正斜率，若為負(fù)斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。由于傳動部件直接影響著機(jī)器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運(yùn)動平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機(jī)等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖25所示：圖25機(jī)械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖機(jī)器人是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)。 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。：這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。 液壓驅(qū)動系統(tǒng)傳動剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。 電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。按手指的運(yùn)動方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。用計(jì)算機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個(gè)萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問題；。末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測量用等。 通過對數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。因此，要具體問題具體分析，考慮機(jī)器人的多種布局，運(yùn)動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。但是，自由度的增