【正文】 大量的人力、物力等，而 PLC 也具有其他控制方式所不具有的特殊優(yōu)越性，如通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程方法簡單易學(xué)，因此工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用 PLC。我國自動化水平本身比較低，因此用 PLC來控制的機械手還比較少。通過此次設(shè)計可以更進一步學(xué)習(xí) PLC 的相關(guān)知識，了解世界先進水平，盡可能多的應(yīng)用于實踐。通過設(shè)計編寫 PLC 程序?qū)崿F(xiàn)機械手模型控制系統(tǒng)的自動控制。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安 全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。一般專用機械手有 2～ 3 個自由度。 機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力， 改善熱、累等勞動條件。在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。 但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。從這里可 看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。 國內(nèi)外機械工業(yè)、鐵路部門中機械手主要應(yīng)用于以下幾方面： 九江學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。 冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類 和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。目前國內(nèi)鐵路工廠、機務(wù)段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。 近些年，隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機械手中越來越多的應(yīng)用，工業(yè)機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。 、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污 染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。因此，在自動化機床和綜合加工自動工業(yè)機械手的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 4 生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機械手，以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏 地進行生產(chǎn)。 機械手的發(fā)展概況 專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標(biāo)志的時代。智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術(shù)。 早在 40 年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機械手。這種機械手也稱第二代機械手。 60～ 70 年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術(shù)進入了應(yīng)用階段。 90 年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航 天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。 總之，目前機械手的主要經(jīng)歷分為三代： 第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設(shè)有電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系， 并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。因此，國內(nèi)主要是逐步擴大機械手應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。 將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機械手的作用。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信 號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件?？傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展，機械手的裝配作業(yè)的能力將進一步提高。 PLC PLC 的基本概念 現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)模、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動化產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性， PLC 正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。 PLC 依然處于不斷的發(fā)展之中，器功能不斷增強，更加開放，它不但是單片自動化中應(yīng) 用最廣的控制設(shè)備，在大興工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也占有不可動搖的地位， PLC 應(yīng)用面之廣、普及程度之高，是其他計算機控制設(shè)備無法比擬的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?！睆纳鲜龆x可以看出， PLC 是一種用程序來改變控制功能的工業(yè)計算機，除了能完成各種的控制功能外，還有與其他計算機通訊聯(lián)網(wǎng)的功能。 PLC 的特殊功能模塊用來完成特殊的任務(wù)。在 PLC 控制系統(tǒng)中， CPU 模塊相當(dāng) 認得大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲器用來存儲程序和數(shù)據(jù)。 九江學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 2. I/O 模塊 輸入（ Input）模塊和輸出（ Output）模塊簡稱為 I/O 模塊，它們相當(dāng)于人們的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場設(shè)備和 CPU 模塊的橋梁。開關(guān)量輸出模塊 用來控制接觸器、電磁閥、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等輸出設(shè)備；模擬量輸出模塊用來控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞 CPU 模塊中的元器件，或使 PLC 不能正常共作。 I/O 模塊除了傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編程指令表程序，因此又叫做指令編程器。 使用編程軟件可以再計算機屏幕上生成和編輯梯形圖或指令表程序，并且可以實現(xiàn)不同程序語言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)或電話線，還可以實現(xiàn)遠程編程和傳達。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供不同電壓等級的直流電源。 PLC 的主要特點 一、抗干擾能力強，可靠性高 PLC 專門為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計，具有很高的可靠性。所有這些使 PLC 具有較高的抗干擾能工業(yè)機械手的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 8 力，因此穩(wěn)定、可靠，抗干擾能力強。 二、控制系統(tǒng)機構(gòu)簡單，通用性強 PLC 及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。當(dāng)控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時，可以用編程器在線或離線修改程序，同一個 PLC 裝置用于不同的控制對象，只是輸入 /輸出組件和應(yīng)用 軟件的不同。 三、編程簡單，易于使用 PLC 是面向用戶的設(shè)備， PLC 的設(shè)計者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，因此 PLC 程序的編制采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。 四、功能完善 現(xiàn)代 PLC 不僅有邏輯運算、計時、計數(shù)、步進控制功能，還能完成 A/D 轉(zhuǎn)換、 D/A轉(zhuǎn)換、模擬量處理、 高速計算、聯(lián)網(wǎng)通信等功能，可以通過上位計算進行顯示、報警、記錄，進行人機對話，使控制水平大為提高。 五、體積小、維護操作方便 PLC 體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。 PLC 的工作原理 PLC 通電后，需要對硬件和軟件做一些初始化工作。 1）讀取輸入 在 PLC 的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入過程映像寄存器和輸出映像過程寄存器。外接的電路閉合時，對應(yīng)的輸入過程映像寄存器為 1 狀 態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的 輸九江學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 入點的常開觸點接通，常閉觸點斷開。 2）執(zhí)行用戶程序 PLC 的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中順序排列。 在執(zhí)行指令時，從 I/O 映像寄存器或別的位元件的映像寄存器獨處其 I/O 狀態(tài)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算，運算的結(jié)果寫入到相應(yīng)的映像寄存器中，因此，各映像寄存器的內(nèi)容隨著程 序的執(zhí)行而變化。執(zhí)行程序時，對輸入 /輸出的存取通常是通過映像寄存器，而不是實際的 I/O 點。 用戶程序讀寫 I/O 映像寄存器比讀寫 I/O 點得多，這樣可以提高程序的執(zhí)行速度。 4） CPU 自診斷測試 自診斷測試包括定期檢查 CPU 模塊的操作和拓展模塊的狀態(tài)是否正常，將監(jiān)控定時器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。梯形圖中某一位的線圈“通電”時，對應(yīng)的輸出過程映像寄存器為 1 狀態(tài)，信號經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工 作。當(dāng) CPU 的操作模式從 RUN 變?yōu)?STOP 時，數(shù)字量輸出被置為系統(tǒng)塊中的輸出表定義的狀態(tài)，或保持當(dāng)時的狀態(tài)，默認的設(shè)置是將數(shù)字量輸出清零。 工業(yè)機械手的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 10 7）立即 I/O 處理 在程序執(zhí)行過程在使用立即 I/O 指令可以直接存取 I/O 點。用立即 I/O 指令來改寫輸出點時，相應(yīng)的輸出過程映像寄存器的值被更新 圖 22 PLC 典型的掃描方式 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等 （ 2）模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)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。 PLC 廠家都生產(chǎn)配套的A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。世界上各主要 PLCRUN Stop 九江學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。作為工業(yè)控制計算機， PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。大中型 PLC 都有 PID 模塊，目前許多 小型 PLC 也具有此功能模塊。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼? 工業(yè)機械手的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 12 第 3 章 機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計 機械手控制系統(tǒng)構(gòu)件概述 本課題機械手的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿