【正文】 ............................................................................................. 49 機械手的 PLC 控制 4 引 言 在現代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動 化已成為突出的主題。同時，現代生產中，存在著各種各樣的生產環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產環(huán)境不利于人工進行操作。工業(yè)機械手是提高生產過程自動化、改善勞動條件、提高產品質量和生產效率的有效手段之一。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。該裝置機械部分有滾珠絲杠、滑軌、機械抓手等；電氣方面由交流電機、變頻器、操作臺等部件組成。 由于時間倉促和個人水平限制，我的設計存在著許多還沒來得及解決的問題，希望廣大老師、同學能夠給予批評指正并 予以解決。按用途可以分為傳力螺旋、傳導螺旋和調整螺旋三種類型。 2. 滑動螺旋機構 螺旋副內為滑動摩擦的的螺 旋機構，稱為滑動螺旋機構。 滑動螺旋機構由螺母和螺桿組成。 （ 1）．由螺母和螺桿組成的滑動螺旋機構，螺母與機架固聯，螺桿轉動并移動（如圖 11b 所示），這種螺旋機構以傳遞動力為主，故又稱傳力螺旋機構。 （ 2）．由螺母、螺桿和機架組成的滑動螺旋機構，如圖 11a 所示，螺桿轉動，螺母移動，這種螺旋機構以傳遞運動為主，故又 稱為傳導螺旋機構。這種傳動形式結構緊湊，剛度較大，傳動效率高，精度高。其機構特點是在螺桿和螺母之間設有封閉循環(huán)滾道，并在其間放如剛球，當螺桿轉動時，剛球沿螺旋滾道滾動并帶動螺母作直線運動。 滾珠始終在循環(huán)過程中 始終與螺桿保持接觸的循環(huán)叫內循環(huán)。外循環(huán)螺母只需設置一個反向器，當滾珠進入反向器時，就被阻止而轉彎，從返回通道回到滾道的另一端，形成一個循環(huán)回路。滾動螺旋機構摩擦阻力小，動作靈敏度高，傳動效 率高，可達 90%以上。 圖 12 1． 2 機械手夾持器和機座的結構 1．機械手夾持器 機械手的 PLC 控制 7 機 械手的機械夾持器多為雙指手抓式，按其手抓的運動方式可分為平移型和回轉型。按驅動方式可以電動、液壓和氣動三種。對平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置。所以當設計機械手夾持器的時候，在滿足工件的定位精度要求的條件下，盡可能的采用結構比較簡單回轉型夾持器。如右圖所示，裝在桿上端的滾子 3和楔塊之間為滾動接觸。當楔塊后移時，靠彈簧的拉力使手指松開。 2．機座 機座是機械手的支撐部件，機座承受機械手的全部重量和工作載荷，所以機座應有足夠的強度、剛度和承載能力。 機械手的 PLC 控制 8 如圖 13所示，機械手采用普通軸承作為支撐元件 的機座支撐結構。圖中電動機 3 經減速器 主動小齒輪 中間齒輪 大齒輪 7驅動絲桿 2 旋轉，從而驅動升降臺上下運動。 第二章可編程控制 PLC 2． 1 PLC 簡介 自二十世紀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用。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網絡技術的不斷發(fā)展和用 戶需求的不斷提高， PLC 在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。 機械手的 PLC 控制 9 作為離散控的制的首選產品， PLC 在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內的 PLC 年增長率保持為 20%～ 30%。但是，在中國等發(fā)展中國家 PLC 的增長十分迅速。 PLC 是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年代的 PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業(yè)。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入 PLC 的用戶程序存儲器中。 PLC 的 CPU 內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數器自動加 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)運算。不同型號的 PLC，循環(huán)掃描周期在 1微秒到幾十微秒之間。它把所有的輸入都當成開關量來處理， 16位（也有 32 位的）為一個模擬量。把計算結果送給 PLC 的控制器。 PLC 沒 有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS 要低很多。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用 PLC 較為合適。 近 10 年來，隨著 PLC 價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用 PLC 進行控制， PLC 在我國的應用增長十分迅速。 通用 PLC 應用于專用設備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但 PLC 相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。如圖 所示， PLC 硬件的基本結構圖所示： 圖 21 PLC 硬件的基本結構圖 （ 1）中央處理單元（ CPU） 中央處理單 元（ CPU）是 PLC 的控制中樞。當 PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接受現場各輸入裝置的狀態(tài)和數據，并分別存入 I/O 映象區(qū) , 然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術運算等任務。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢以后，最后將 I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數據傳送到相 應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行為止。才能構成一臺完整的PLC。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 A. 系統(tǒng)程序存儲區(qū) 在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操 作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。由制造廠商將其固化在 EPROM 中，用戶不能夠直接存取。 B. 系統(tǒng) RAM存儲區(qū) 系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)包括 I/O 映象區(qū)以及各類軟設備（例如：邏輯線圈、數據寄存器、計時器、計數器、變址寄存器、累加器等）存儲區(qū)。因此，它需要有一定數量的存儲單元（ RAM）以供 存放 I/O 的狀態(tài)和數據，這些存儲單元稱作 I/O 映象區(qū)。因此，整個 I/O 映象區(qū)可看作由開關量的 I/O映象區(qū)和模擬量的 I/O 映象區(qū)兩部分組成。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在 PLC 斷電時，由內部的鋰電子供電。 C．用戶程序存儲區(qū) 機械手的 PLC 控制 12 用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不過對于新型的PLC，其存儲容量可根據用戶的需要而改變。 模 擬 量 ： 按 信 號 類 型 分 ， 有 電 流 型 （ 420mA,020mA ） 、 電 壓 型（ 010V,05V,1010V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 按 I/O 點數確定模塊規(guī)格及數量， I/O 模塊可多可少，但其最大數受 CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。無論是小型的 PLC，還是中、大型的 PLC，其電源的性能都是一樣的，均能對 PLC 內部的所有器件提供一個穩(wěn)定可靠的直流電源。 可編程序控制器一般使用 220V 交流電源。某些可編程序控制器可以為輸入電路和少量的外部電子檢測裝置（如接近開關）提供 24V 直流電源。 可編程序控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似，梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入、輸出繼電器等。 2． 3 PLC 的工作原理 機械手的 PLC 控制 13 可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（ RUN）狀態(tài)與停止（ STOP）狀態(tài)。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直至可編程序控制器停機 或切換到 STOP 工作狀態(tài)?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復始的 循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。 在內部處理聯合階段。 在通信服務階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容?？删幊绦蚩刂破鹛幱冢?RUN）狀態(tài)時，還要完成另外 3 個階段的操作。可編程序控制器梯形圖中別的編程元件也有對應的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。 外接的輸入觸點電路接通時，對應的輸入映像寄存器為“ 1”狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點接通，常閉觸點斷開。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入 信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入。在沒有跳轉指令時， CPU 從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結束之處。 機械手的 PLC 控制 14 在輸出處理階段， CPU 將輸出映像寄存器的 0/1 狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。信號經輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應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。某一編程元件對應的映像寄存器為“ 1”狀態(tài)時，稱該編程元件為 ON，映像寄存 器為“ 0”狀態(tài)時，稱該編程元件為 OFF。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和 CPU 執(zhí)行指令的速度有很大的關系。不過嚴格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。 圖 PLC 的掃描運行方式 （ 1）輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以 掃描方式依次讀入所有的數據和狀態(tài)它 們存入 I/O 映象區(qū)的相應單元內。在這兩個階段中，即使輸入數據和狀態(tài)發(fā)生變化 I/O映象區(qū)的相應單元的數據和狀態(tài)也不會改變。 （ 2）用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段， PLC 的 CPU 總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。或者確定是否要執(zhí)行該 梯形圖所規(guī)定的特殊功能第 (N1)個掃描周期 輸出刷新 第 (N+1)個掃描周期 輸入采樣 第 N 個掃描周期 輸入采樣 輸出刷新 用戶程序執(zhí)行 機械手的 PLC 控制 15 指令。 （ 3）輸出刷新階段 在輸出刷新階段， CPU按照 I/O映象區(qū)內對應的數據和狀態(tài)刷新所有的數據鎖存電路，再經輸出電路驅動響應的外設。 (4)輸入 /輸出滯后時間 輸入 /輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應時間，是指可編程序控制器的外部輸入信號發(fā)生變化的時刻至它控制的有關外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產生的滯后時間三部分組成。 輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關，繼電器型輸出電路的滯后時間一般在 10ms 左右；雙向可空硅型輸出電路在負載接通時的滯后時間約為 1ms，負載由導通到斷開時的最大滯后時間為 10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為1ms?？删幊绦蚩刂破骺偟捻憫舆t時間一般只有幾十 ms，對于一般的系統(tǒng)是無關緊要的。 2． 4 PLC 機型的選擇 方法 1． PLC 的類型 PLC 按結構分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現場安裝和控制室安裝兩類；按 CPU 字長分為 1 位、 4 位、 8 位、 16 位、 32 位、 64 位等。整體型 PLC 的 I/O點數固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型 PLC 提供多種 I/O 卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的 I/O 點數，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致。考慮是否需要擴展機架或遠程 I/O機架等。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。為防止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。 （ 2）在需要時也可選用 PLC 硬件與熱備軟件構成的熱備冗余系統(tǒng)、 2 重化或 3重化冗余容錯系統(tǒng)等。 （ 2）重要檢測點的多點 I/O 卡可冗余配置。 機械手的 PLC 控制 17 選擇 PLC 時，應考慮性能價格比。 輸入輸出點數對價格有直接影響。當點數增加到某一數值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，估因此，點數的增加對 CPU 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響，在算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。 ： 工作電源： 24VDC 輸入點數： 24 輸出點數： 24 輸入信號類型：