【正文】 廠商提供的指令系統(tǒng) ,根據(jù)機械設(shè)備的工藝流程來設(shè)計 . PLC 自問世以來 ,經(jīng)過 20 多年的發(fā)展 ,在美國 ,歐洲 ,日本等工業(yè)發(fā)達國家已成為 重要產(chǎn)業(yè) ,當(dāng)前 ,PLC 在國際市場上已成為最 受歡迎的工業(yè)控制暢銷產(chǎn)品 ,用 PLC 設(shè)計自 動控制系統(tǒng)已成為世界潮流 . PLC 之所以有生命力 ,在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場和市場的要求 :高可靠性 ,強抗各種 干擾的能力 .編程安裝使用簡 5 便 ,低價格長壽命 .比之單片機 ,它的輸入輸出端更接近現(xiàn) 場設(shè)備 ,不需添加太多的中間部件或需要更多的接口 ,這樣節(jié)省了用戶時間和成本 .PLC 的下端 (輸入端 )為繼電器 ,晶體管和晶閘管等控制部件 ,而上端一般是面向用戶的微型 計算機 .人們在應(yīng)用它時 ,可以不必進行計算機方面的專門培訓(xùn) ,就能對可編程控制器進 行操作及編程 ,用來完成各種各樣的復(fù)雜 程度不同的工業(yè)控制任務(wù) . PLC 具有很多的優(yōu)點 .機械手控制系統(tǒng)若采用 PLC 控制 ,體積小 ,重量輕 ,控制方式 靈活 ,可靠性高 ,操作簡單 ,維修容易 .由于 PLC 所具有的靈活性 ,模塊化 ,易于擴展等 特點 ,可以根據(jù)現(xiàn)場要求實現(xiàn)機械手的不同工作要求 .機械手采用 PLC 控制技術(shù) ,可以大 大提高該系統(tǒng)的自動化程度 ,減少了大量的中間繼電器 ,時間繼電器和硬件接線 ,提高了控制系統(tǒng)的可靠性 .同時 ,用 PLC 控制系統(tǒng)可方便地更改生產(chǎn)流程 ,增強控制功能 [8].綜 上所述 ,機械手的控制方式選擇 PLC 控制 . 可編 程序控制器簡介 可編程序控制器 (Programmable Logic Controller)簡稱 PLC 或 PC,是從早期的繼電 器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來 ,它不斷吸收微計算機技術(shù)使之功能不斷增強 ,逐漸適應(yīng)復(fù)雜的 控制任務(wù) . PLC 和一般的微型計算機基本相同 , 也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的 . PLC 的硬件系統(tǒng)由微處理器 (CPU),存儲器 (EPROM,ROM),輸入輸出 (I/O)部件 ,電源部件 , 編程器 ,I/O 擴展單元和其他外圍設(shè)備組成 .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 : 6 圖 21 PLC 硬件結(jié)構(gòu)圖 PLC 的軟件系統(tǒng)是指 PLC 所使用的各種程序的集合 , 通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和用戶程序 兩大部分 . 系統(tǒng)程序是每一個 PLC 成品必須包括的部分 , PLC 廠家提供 , 由 用于控制 PLC 本身的運行 , 系統(tǒng)程序固化在 EPROM 中 . 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)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的 PLC 系統(tǒng) ,他們是相輔相成 ,缺一不可的 . PLC 的特點 可編程序控制器是一種以微機處理器為核心的工業(yè)通用自動控 制裝置 ,其實質(zhì)是一種 工業(yè)控制用的專用計算機 .國內(nèi)外現(xiàn)有的機械手系統(tǒng) ,它們的控制形式大都采用可編程序 控制器控制 ,特別是在智能化要求程度高容量大的現(xiàn)代化工業(yè)機械手系統(tǒng)中應(yīng)用更為普 遍 .其主要原因是因為 PLC 具有以下優(yōu)點 : 1,靈活 ,通用 在繼電器控制系統(tǒng)中 ,使用的控制器件是大量的繼電器 ,整個系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計好的電 器控制圖 ,由人工布線 ,焊接 ,固定等手段組裝完成的 ,其過程費時費力 .如果因為工藝 上的稍許變化 , 需要改變電器控制系統(tǒng)的話 , 那么原先的整個電器控制系統(tǒng)將被全部拆除 , 而重新進行布線 ,焊接 ,固定等 工作 ,浪費了大量的人力 ,物力和時間 .而可編程控制器 是通過存儲在存儲器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能的 ,如果控制功能需要改變的話 ,只需要修改 程序以及改動極少量的接線即可 . 而且 , 同一臺可編程控制器還可以用于不同的控制對象 , 只要改變軟件就可以實現(xiàn)不同 7 的控制要求 ,因此具有很大的靈活性 ,通用性 . 2,可靠性高 ,抗干擾能力強 對于機械手系統(tǒng)來說 ,可靠性 ,抗干擾能力是非常重要的指標 ,如何能在各種工作環(huán) 境和條件 (如電磁干擾 ,低溫潮濕 ,灰塵超高溫等 )下 ,平穩(wěn)可靠的工作 ,將故障率降至最 低 ,是研制每一種控制系統(tǒng)必須考慮的問題 .現(xiàn)代 PLC 采用了集成度很高的微電子器件 , 大量的開關(guān)動作由無觸點的半導(dǎo)體電路來完成 ,其可靠性程度是使用機械觸點的繼電器所 無法比擬的 .為了保證 PLC 能在惡劣的工業(yè)環(huán)境可靠的工作 ,在其設(shè)計和制造過程中采取 了一系列硬件和軟件方面的抗干擾措施 ,使其可以適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境 . 3,操作方便 ,維修容易 PLC 采用電氣操作人員熟悉的梯形圖和功能助記符編程 ,使用戶十分方便的讀懂程序 和編寫 ,修改程序 .對于使用者來說 ,幾乎不需要專門的計算機知識 .工程師編好的程序 十分清晰直觀 ,只要寫好操作說明書 ,操作人員經(jīng) 短期的學(xué)習(xí)就可以使用 . 4,功能強 現(xiàn)代 PLC 不僅具有條件控制 ,計時 ,計數(shù)和步進等控制功能 ,而且還能完成 A/D, D/A 轉(zhuǎn)換 ,數(shù)字運算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等 .因此 ,它既可控制開關(guān) 量 ,又可控制模擬量 。既可控制簡單系統(tǒng) , 又可控制復(fù)雜系統(tǒng) 。 2) 數(shù)據(jù)采集 ,存儲與處理功能 。 4) 輸入 ,輸出接口調(diào)理功能 。 6) 編程 ,調(diào)試功能 . PLC 的重量 ,體積 ,功耗和硬件價格一直在降低 ,雖然軟件價格占的比重有所增加 , 但是各廠商為了競爭也相應(yīng)地降低了價格 .另外 ,采用 PLC 還可以大大縮短設(shè)計 ,編程和 投產(chǎn)周期 ,使總價格進一步降低 .PLC 產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的發(fā)展 ,將再次革新 ,滿足工業(yè) 與民用控制的更高需求 [11]. PLC 的經(jīng)濟分析 綜上所述 ,在各種環(huán)境中 ,使用 PLC 控制機構(gòu)設(shè)備 ,生產(chǎn)流水線和生產(chǎn)過程的自動化 控制將越來越廣泛 . 對 PLC 的經(jīng)濟分析 ,應(yīng)從以下幾方面考慮 : 1,從影響成本的各個因素綜合考慮 對目前生產(chǎn)設(shè)備控制裝置來說 ,有三種類型 :① 繼電器控制 。 ③ PLC 控制 .價格僅是選擇 PLC 品牌的一個因素 ,而可靠性是選擇控制裝置時需要考慮 的又一個重要因素 . 2,從設(shè)計 ,生產(chǎn)周期長短考慮 7 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 不論是對舊設(shè)備進 8 行改造 ,還是設(shè)計新的生產(chǎn)機械設(shè)備 .毫無疑問 ,生產(chǎn) ,設(shè)計周期 越短越好 ,甚至希望邊設(shè)計 ,邊安裝 ,邊調(diào)試和邊生產(chǎn) ,特別是產(chǎn)品更新?lián)Q代 ,生產(chǎn) 工藝 改造 ,不需改動現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備及其外部接線 ,就能馬上組織生產(chǎn) ,這不僅節(jié)約了勞動力 , 而且新產(chǎn)品能盡快投入市場 .這無疑給企業(yè)增加了活力 ,提高了經(jīng)濟效益 .如果把這些要 求得以實現(xiàn) ,繼電器或半導(dǎo)體都不能滿足 ,而 PLC 則完全可以實現(xiàn) .這是因為使用 PLC 不必改動外部設(shè)備接線 ,只要對軟件進行一些改變就可以了 .也就是說只要改變梯形圖 , 按照新工藝要求重新輸入新程序或修改原程序即可 .這既經(jīng)濟又簡捷 ,可以達到事半功倍 的效果 . 據(jù)調(diào)查 ,目前我國 70%的機械生產(chǎn)設(shè)備 ,都是采用繼電器進行控制的 ,除了可靠性差 外 ,程序 設(shè)計也很繁雜 .從方案的確立到技術(shù)條件的設(shè)計以及施工的設(shè)計 ,圖面的工作量 很大 ,這勢必造成設(shè)計周期長 .而采用 PLC 控制可以大大縮短設(shè)計周期 ,甚至有些文件資 料也不必繪制成圖 .設(shè)計人員完全可以利用編程器上屏幕顯示來輸入 ,或修改程序使得梯 形圖能準確無誤地反映生產(chǎn)要求 .編程人員也可根據(jù)新產(chǎn)品對生產(chǎn)提出的新工藝要求 ,重 新編寫程序并把它存儲在 EEPROM 模塊中去 ,需要加工哪種產(chǎn)品的程序 ,操作人員可以 隨時調(diào)用 ,這既簡單 ,方便又保密 . PLC 發(fā)展狀況及趨勢 現(xiàn)代 PLC 的發(fā)展主要有兩個趨勢 :一是向體積更小 ,速度更快 ,功能更強和價格更低 的微小型方面發(fā)展 。電氣方面有步進電機 ,直流 電機 ,步進電機驅(qū)動器 ,傳感器 ,開關(guān)電源 ,電磁閥等電子器件組成 .該模型是 PLC 技術(shù) , 位置控制技術(shù) ,氣動技術(shù)有機結(jié)合成一體的教學(xué)儀器 . 步進電機 采用二相八拍混合式步進電機來控制機械手的動作 ,相比直流電機有更好的制動效 果 ,又加上滾珠絲桿和滑桿配合 ,使機械手的運動更加穩(wěn)定 .主要 9 特點 :體積小 ,具有較 高的起動和運行頻率 ,有 定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點 .本模型中采用串聯(lián)型接法 ,其電氣接線圖如圖 31 所示 : 圖 31 步進電機電氣接線圖 步進電機驅(qū)動器有電源輸入部分 ,信號輸入部分 ,信號輸出部分等 ,利用驅(qū) 動器可以很方便的對步進電機的轉(zhuǎn)速 , 方向進行控制 . 驅(qū)動器電源由面板上電源模塊提供 , 驅(qū)動器信號端采用 +24V 供電 ,需加 限流電阻 . 驅(qū)動器輸入 PLC 通過控制其輸出點來控制驅(qū)動器光耦的開合 , PLC 輸出線圈得電 當(dāng) 端為低電平有效 . 傳感器 本裝置中使用的傳感器有接近開關(guān)和行程開關(guān) .基座和氣夾的正反轉(zhuǎn)限位采用接近開 關(guān) (金屬傳感器 ) ,通過調(diào)整基座和氣夾上的金屬塊的位置 ,可以在一定范圍內(nèi)改變基座和氣夾的旋轉(zhuǎn)角度 .機械手的伸縮 ,升降均采用行程開關(guān)來限位 ,并通過改變行程開關(guān)的 位置來調(diào)節(jié)橫軸和豎軸的運動范圍 . 1,接近開關(guān) :接近開關(guān)有三根連接線 (棕 ,蘭 ,黑 )棕色接電源的正極 ,藍色接電源的負極 ,黑色為輸出信號 ,當(dāng)與檔塊接近時輸出電平為低電平 ,否則為高電平 .與 PLC 之間的接線圖如下 ,當(dāng)傳感器動作時 ,輸出端對地接通 .PLC 內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成 回路 ,PLC 信號輸入有效 . 10 圖 32 傳感器工作原理 2,行程開 關(guān) :當(dāng)檔塊碰到開關(guān)時 ,常開點閉合 . 直流電機驅(qū)動單元 本裝置中直流電機驅(qū)動模塊是由兩個繼電器的吸合與斷開來控制電機的轉(zhuǎn)動方向的 , 從而實現(xiàn)基座和氣夾的正反轉(zhuǎn) . 本模型所用輸入 , 輸出均為低電平有效 . 其中 IN 端接 PLC 的輸出端口 ,OUT 端接模型的信號輸入端 .COM 端接 PLC 的傳感器電源負端 . 機械手的動作實現(xiàn)過程 機械手的全部動作由步進電機和直流電機進行驅(qū)動控制 . 步進電機的運動需要驅(qū)動器 ,有脈沖輸入時步進電機才會動作 ,且每當(dāng)脈沖由低變 高時步進電機走一步 。該線圈斷電時 ,機械手 夾緊 [13]. 打開電源 ,按下起動按鈕時 ,開機復(fù)位 .機械手的動作示意圖如圖 所示 11 圖 33 機械手的動作示意圖 機械手若不在原點則 PLC 向驅(qū)動器一同時輸入脈沖信號和電平信號 ,步進電機一反轉(zhuǎn) ,橫軸后縮 . 當(dāng)后 縮到位時碰到后限位開關(guān) ,然后主機向驅(qū)動器二輸入脈沖信號 ,步進電機二正轉(zhuǎn) ,機械手上升 .上升到底時碰到上限位開關(guān) ,上升停止 ,回到原點 .主機向驅(qū)動器二同時輸入脈沖信號和電平信號 ,步進電機二反轉(zhuǎn) ,機械手下降 .降到底時碰到下限位開關(guān) ,下降停 止 ,氣夾電磁閥斷電 ,機械手夾緊 .夾緊后 ,主機向驅(qū)動器二只輸入脈沖信號 ,步進電機 二正轉(zhuǎn) ,機械手上升 .上升到頂時 ,碰到上限位開關(guān) ,上升停止 .PLC 向驅(qū)動器一只輸入脈沖信號 ,步進電機一正轉(zhuǎn) ,機械手前伸 ,前伸到位時 ,碰到前限位開關(guān) ,前伸停止 .主 機向驅(qū)動器二同時輸入脈沖信號和電平信號 ,步進電機二反轉(zhuǎn) ,機械手下降 .降到底時碰 到下限位開關(guān) ,下降停止 ,同時夾緊電磁閥斷電 ,機械手放松 .放松后 ,主機向驅(qū)動器二 只輸入脈沖信號 ,步進電機二正轉(zhuǎn) ,機械手上升 .上升到頂時 ,碰到上限位開關(guān) ,上升停 止 .上升到頂時 ,碰到上限位開關(guān) ,上升停止 .PLC 向驅(qū)動器一同時輸入脈沖信號和電平 信號 ,步進電機一反轉(zhuǎn) ,橫軸后縮 .機械手后縮 ,當(dāng)后縮到底時碰到后限位開關(guān) ,然后主 機向驅(qū)動器二同時輸入脈沖信號和電平信號 ,步進電機二反轉(zhuǎn) ,機械手下降 .下降到底時 碰到下限位開關(guān) ,下降停止 ,回到原點 .至此 ,機械手經(jīng)過八步動作完成一 個循環(huán) [14]. PLC 程序設(shè)計 I/O 點數(shù)的確定及 PLC 類型的選擇 本次設(shè)計使用的是 THWJX1 型機械手實物教學(xué)實驗裝置 .本裝置需采用晶體管輸出 型可編程控制器 ,可同時輸出兩路脈沖到步進電機驅(qū)動器 ,控制步進電機運行 .由于