【正文】 綜合技術(shù)。 在工資水平較低的中國， 分揀 行業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，機(jī)械手的使用已經(jīng)越來越普及。但現(xiàn)在的變化是那些分布在工業(yè)密集的華南、華東沿海地區(qū)也開始對機(jī)械手表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，因?yàn)樗麄円鎸と肆魇矢?，以及交帶來的挑?zhàn) 。 控制系統(tǒng)的選擇 從滿足機(jī)械手自動控制系統(tǒng)的安全性、擴(kuò)展性、和可靠性、穩(wěn)定性方面考慮，目前常見的機(jī)械自動控制系統(tǒng)，主要有單片機(jī)控制、 PLC 控制、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)集中控制以及繼電器控制等類型。其特點(diǎn)是單片機(jī)本身小巧、功耗低，實(shí)時(shí)控制功能強(qiáng)，但是其軟、硬件的開發(fā)必須借助于開發(fā)工具，系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy，不具有自開發(fā) 能力。利用通用計(jì)算機(jī)的軟、硬件資源來支持機(jī)械手自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行工作，具有自開發(fā)能力，有較強(qiáng)的可視能力和數(shù)據(jù)處理能力，更適合于計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)應(yīng)用。雖然繼電器控制不需要很強(qiáng)的軟、硬件支持。 PLC是一種新型的具有極高可靠性的通用工業(yè)自動化控制裝置。其特點(diǎn)如下： (一 ) 高可靠性 1. 所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內(nèi)部電路之間電氣上隔離，防止外部高壓的竄入。 3. 在 PLC 電路中設(shè)置了“看門狗”電路，能把因干擾而飛走的程序拉回來。 5. 對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。 7. 大型 PLC 還可以采用由雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三 CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng) ,使可靠性更進(jìn)一步提高。 有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如： ? 按鈕 ? 行程開關(guān) ? 接近開關(guān) ? 傳感器及變送器 ? 電磁線圈 ? 控制閥 直接連接。 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。 PLC 的各個(gè)部件，包括 CPU，電源， I/O 等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 (五 ) 安裝簡單，維修方便 PLC 不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。 使用方便。 設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短。 PLC 的功能有： (一 ) 邏 輯控制 (二 ) 定時(shí)控制 (三 ) 計(jì)數(shù)控制 (五 ) PID 控制 (六 ) 數(shù)據(jù)控制 PLC 具有數(shù)據(jù)處理能力。 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。 鑒于 PLC 的諸多優(yōu)勢，結(jié)合機(jī)械手自動控制系統(tǒng)的需要，選擇日本三菱公司的 S7200系列可編程序控制器。 可編程控制器（ PLC）的歷史與發(fā)展趨勢 可編程控制器 (PLC)的歷史 可編程控制器（ Progremmable Controller,PC）是進(jìn)幾年迅速發(fā)展并得廣泛應(yīng)用的新一代工業(yè)自動化控制裝置。 國際電工委員會（ IEC） 與 1987年 2月 在頒布的可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案中將其一步定義2022 屆 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 第 3 頁 共 35 頁 為：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 20 世紀(jì) 70 年代，微處理器的出現(xiàn)使 PLC 發(fā)生了巨變。 20 世紀(jì) 80 年代，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展微處理器價(jià)格大幅下跌，使得各種類型的 PLC 所采用的 CPU 的檔次譜偏提高，一般采用 16 位和 32 位的 CPU。其中，美國的（ Rockwell） 、 (GE)，德國的西門子（ Siemems） ,法國的施耐德（ Schmeider） , 日本的三菱，歐姆龍（ Omron） 還有我國江蘇嘉華，他們從只有幾十個(gè)點(diǎn)（ I/O 總點(diǎn)數(shù)）的微型 PLC 到上萬個(gè)點(diǎn)的巨型 PLC。 可編程控制器的發(fā)展與趨勢 由于工業(yè)生產(chǎn)對自動控制系統(tǒng)的多樣性，今后幾年的 PLC 技術(shù)將圍繞如下幾個(gè)方面發(fā)展。全面使用高速 CPU 芯片和 24 位、 32 位、 64 位 RIST 芯片；采用新型體系結(jié)構(gòu)，工作方式使掃描和中斷并存；各種模塊自能化，部分系統(tǒng)程序用門陣列電路固化，這樣可以使速度達(dá)到 ns 級。大量使用中斷驅(qū)動方式，以增加對輸入 /輸出（ I/O）的快速反應(yīng)能力。自能化模塊主要有：通信模塊、位置控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊與控制模塊、數(shù) /模 （ D/A）轉(zhuǎn)換模塊、 PID 控制模塊及一些自能化 I/O 模塊。 PLC 將在硬件上采用多 CPU 的容錯(cuò)系統(tǒng)，軟件上開發(fā)更加高級的診斷程序，以及發(fā)展軟件的容錯(cuò)技術(shù)，增強(qiáng) PLC 的自診斷和外部故障檢測功能等。 可見 PLC 實(shí)質(zhì)上是一種面向用戶的工業(yè)控制專用計(jì)算機(jī)，它與通用計(jì)算機(jī)相比有其自身的特點(diǎn)。最大特點(diǎn)是采用清晰直觀的繼電器控制線路演化過來的梯形圖作為編程語言，梯形圖是面向控制過程，面向操作人員的語言。 （ 2） PLC 的結(jié)構(gòu)和規(guī)模將更加兩極化 —— 更強(qiáng)大和更小巧。 （ 3） PLC 產(chǎn)品更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化將有利于 PLC 的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和維護(hù)。加強(qiáng) PLC 與 PLC 之間 ， PLC 與計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)能力，為實(shí)現(xiàn)工廠自動化提供必要的條件。 可編程控制器的基本功能和特點(diǎn) 王波：機(jī)械手模型的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 35 頁 PLC 的基本功能 （ 1)邏輯控制功能 邏輯控制功能實(shí)際上就是位處理功能，是可編程控制器的最基本的功能之一。因此 PLC 中一個(gè)邏輯位的狀態(tài)可以無限次地 使用，邏輯關(guān)系的修改變更也十分方便。 （ 3）記數(shù)控制功能 PLC 為用戶提供了很多計(jì)數(shù)器。 PLC 將根據(jù)用戶用計(jì)數(shù)器指令指定的計(jì)數(shù)器對某個(gè)控制信號的狀態(tài)改變次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以完成對某個(gè)工作過程的計(jì)數(shù)控制。 （ 5）數(shù)據(jù)處理功能 大部分 PLC 都有數(shù)據(jù)處理功能，可實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、譯碼等操作。 （ 7）通信聯(lián)網(wǎng)功能 有些 PLC 采用通信技術(shù)，可以多臺 PLC 之間的同位鏈接、 PLC 與計(jì)算機(jī)之間的通信等。操作人員利用編程器或監(jiān)視器可對 PLC 的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。 （ 9）停電記憶功能 PLC 內(nèi)部的部分存儲器所使用的 RAM 設(shè)置了停電保持器件（如備用電池），以保證斷電后這部分存儲器中的信息不會丟失。 PLC 的特點(diǎn) PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 30 年來，可編程控制器從無到有，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制領(lǐng)域2022 屆 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 第 5 頁 共 35 頁 接 線邏輯到存儲邏輯的飛躍，其功能從弱到強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進(jìn)步，其領(lǐng)域從小到大，實(shí)現(xiàn)了單體設(shè)備控制到勝任運(yùn)動控制、過程控制、及集散控制等各種任務(wù)的跨越，今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用，主要特點(diǎn)有： （ 1） 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)工廠環(huán)境 （ 2） 編程簡單、直觀，可邊學(xué)邊用 （ 3） 適應(yīng)性好，具有柔性 （ 4）功能完善，接口多樣 （ 5）易于操作，維護(hù)方便 （ 4） 體積小、功能強(qiáng)大、用途廣 PLC 的分類 PLC 的種類很多，其實(shí)現(xiàn)的功能、內(nèi)存 容量、控制規(guī)模、外型等方面均存在較大的差異。 PLC 按硬件的結(jié)構(gòu)形式可以分整體式和模塊式。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格低。 （ 2） 模塊式 PLC 組合式 PLC 為總線結(jié)構(gòu)。配置靈活、組裝方便、擴(kuò)展容易。因此，按控制規(guī)?？煞譃樾⌒?PLC、中型 PLC 和大型 PLC. （ 1） 微型 PLC I/O 點(diǎn)數(shù)小于 64 點(diǎn) （ 2） 小型 PLC I/O 點(diǎn)數(shù)在 64256 點(diǎn)之間。 （ 4） 大型 PLC I/O 點(diǎn)數(shù)在 512— 8192 之間。 可編程控制器的組成和工作原理 可編程控制器的硬件組成 PLC 主要有中央處理器（ CPU）、存儲器（ RAM、 EPROM）、 I/O、電源、擴(kuò)展接口和王波：機(jī)械手模型的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 35 頁 編程器接口等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如下圖 21 所示 圖 21 （ 1） CPU 模塊 在 PLC 系統(tǒng)中， CPU 模塊相當(dāng)于人的大腦，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。 輸入模塊用來接受和采集輸入信號，數(shù)字量輸入模塊用來接受從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、等數(shù)字信號，模擬輸入模塊用來接收電位器，測速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。 CPU 模塊的工作電壓一般是 DC5V，而 PLC 的輸出 /輸出信號電壓信號一般較高，如 DC5V和 AC220V，可防止從外部引入的尖峰電壓和干擾信號可能損壞 CPU 模塊中的元器件或影響PLC 的正常工作。 （ 3） 編程裝置 編程裝置用來生成用戶程序，并對它進(jìn)行編輯、檢查和修改，手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和 順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同的編程語言的相互轉(zhuǎn)換，程序被編譯下載到 PLC 也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。 （ 4） 電源 PLC 一般使用 220V 交流電源或 24V 直流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供各種直流輸 入 板 塊 輸 出 板 塊 CPU板塊 電源塊 (AC→DC) RS422 編程口 池 ○ 運(yùn) RUN 停 STOP (CPU芯片 +存貯器芯片 ) 接觸器 電磁閥 按鈕 測位 開關(guān) 【 PLC內(nèi)部 】 +24V +5V +12V ← 方式選擇開關(guān) 關(guān) 電動機(jī) 采樣 運(yùn)算算 刷新新新新 【 現(xiàn)場開關(guān) 】 2022 屆 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 第 7 頁 共 35 頁 電源，驅(qū)動 PLC 負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。在 PLC 中軟件分為兩 大部分，即系統(tǒng)程序和用戶程序。系統(tǒng)程序分為系統(tǒng)監(jiān)控程序和解釋程序。用戶程序通過編程器輸入到 PLC 的用戶存儲器中，通過 PLC 的運(yùn)行而完成這一特定的任務(wù)。例如，輸入繼電器 X 由輸入電路和映像輸入觸點(diǎn)的存儲器組成；輸出繼電器 Y由輸出電路和映像輸出點(diǎn)的存儲器組成；定時(shí)器 T、記數(shù)器 C、輔助繼電器 M、狀態(tài)器S、數(shù)據(jù)寄存器 D、變址積存器 V/Z 等都有存儲器組成。從工作過程看，只注重器件的功能和器件的名稱。 PLC 的工作原理可概括為：在系統(tǒng)管理程監(jiān)控下，對 I/O 集中采樣、順序執(zhí)行用戶程序并將運(yùn)算結(jié)果集中輸出的工作過程。因此，當(dāng)控制軟件發(fā)生故障時(shí)，會一直等待鍵盤或 I/O 命令，可能發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象。當(dāng)軟件發(fā)生故障時(shí)，可以定時(shí)執(zhí)行下一輪掃描，避免了死機(jī)現(xiàn)象，因此可靠性更高。而 可 編 程 邏 輯 控 制器 (PLC)由 于 其 具 有 的 高 可 靠 性 、 編 程 方 便 、 易 于 使 用 和 修 改 、 易 于 擴(kuò) 展和 維 護(hù) 、環(huán) 境 要 求 低 、體 積 小 巧 、安 裝 測 試 方 便 等 性 能 在 工 業(yè) 控 制 中 有 著廣 泛 的 應(yīng) 用 。 2 四 自 由 度 機(jī) 械 手 的 結(jié) 構(gòu) 及 運(yùn) 動 四 自 由 度 機(jī) 械 手 為 圓 柱 坐 標(biāo) 型 ， 可 實(shí) 現(xiàn) X 軸 伸 縮 、 Z 軸 升 降 、 底 盤 、腕 回 轉(zhuǎn) 功 能 。機(jī) 械手 主 要 完 成 從 存 貨 區(qū) 到 指 定 位 置 之 間 的 貨 物 分 揀 傳 遞 。 最 大 回 轉(zhuǎn) 角 小 于 等 于 300176。 最 大 回 轉(zhuǎn) 角 小 于 等 于 300176。其 步進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動 器 的 輸 入 脈 沖 和 電 平 信 號 是 由 PLC 基 本 模 塊 來 提 供 的 。 2022 屆 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 第 9 頁 共 35 頁 圖 1 機(jī) 械 手 工 作 的 電 路 原 理 圖 (1) 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動 器 本 驅(qū) 動 器 的 輸 入 信 號 共 有 3 路 ， 分 別 是 :步 進(jìn) 脈 沖 信 號 CP、 方 向 電 平 信 號DIR、 脫 機(jī) 信 號 FREE。 OPTO 端為 3 路 信 號 的 公 共 正 端 (3 路光耦 的 正 端 輸 入 )， 3 路 輸 入 信 號 在 驅(qū) 動 器 內(nèi) 部 接 成 共 陽 方 式 ， 所 以 OPTO 端須 接 外 部 系 統(tǒng) 的 VCC， 如 果 VCC 是 +5V 則 可 以 直 接 接 入 。 a) 步 進(jìn) 脈 沖 信 號 CP 步 進(jìn) 脈 沖 信 號 CP 用 于 控 制 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 位 置 和 速 度 ，也 就 是 說 ,驅(qū) 動 器 每 接受 一 個(gè) CP 脈 沖 就 驅(qū) 動 步 進(jìn) 電 機(jī) 旋 轉(zhuǎn) 一 個(gè) 步 距 角 ， 改 變 CP 脈 沖 的 頻 率 ,能改 變 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 ，控 制 CP 脈 沖 的 個(gè) 數(shù) ，則 可 以 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 精 確 定 位 。 b) 方 向 信 號 DIR 方