【正文】 和步進(jìn)等控制功能，而且更加強(qiáng)大的是它能夠完成 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等任務(wù)。因此在開關(guān)量和模擬量的混合控制中無需再增加單獨(dú)的設(shè)備進(jìn)行改造。 PLC 既可以對(duì)對(duì)象控制也能對(duì)整套生產(chǎn)線進(jìn)行控制，還能實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種復(fù) 雜的任務(wù)。 體積小、重量輕和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)需要應(yīng)用大量的繼電器等元件，導(dǎo)致其體積、重量很難縮減，現(xiàn)如今， PLC 的出現(xiàn)使用了大量的微電子元件，這樣一來無論從體積還有質(zhì)量上都大大減小，而且 PLC 是為了工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的專用控制器，在結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用、體積小巧等方面都進(jìn)行了專門優(yōu)化和設(shè)計(jì)，再加上 PLC 超強(qiáng)的抗干擾能力，讓其成為了工業(yè)生產(chǎn)控制中不二的選擇。 但是，可編程序邏輯控制器控制也有其不足的地方，在價(jià)格上高于繼電器，在開發(fā)易用性上不如單片機(jī)，而且程序不通用，不同廠家的 PLC 程序不能通 用，都需要各自的編程軟件和配套的功能模塊。 PLC 的主要功能 PLC 是一種應(yīng)用廣泛、發(fā)展迅速的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置，尤其在工廠自動(dòng)化 (FA)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) (CIMS)的應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)重要地位。 PLC 系統(tǒng)主要有以下功能： 1) 多種控制功能； 2) 數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能； 3) 通信聯(lián)網(wǎng)功能； 天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4) 輸入、輸出接口調(diào)理功能； 5) 人機(jī)界面功能； 6) 編程、調(diào)試功能。 如今 PLC 的重量、體積、功耗在原有基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，硬件價(jià)格也逐漸走低，雖然在配套軟件上價(jià)格較高，但是各廠商為了使自己的產(chǎn)品推廣開也都地自己的軟件價(jià)格進(jìn)行了較大幅度的調(diào)整。另外，工業(yè)生產(chǎn)中采用 PLC 還可以大大縮短設(shè)計(jì)施工周期，盡快投入生產(chǎn)。 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]。 總之，在各種環(huán)境中， PLC 控制機(jī)械設(shè)備的使用在自動(dòng)化生產(chǎn)線和生產(chǎn)過程的控制將更加廣泛。 PLC 的經(jīng)濟(jì)分析 對(duì) PLC 的經(jīng)濟(jì)分析，應(yīng)從以下幾方面考慮： 從影響成本的各個(gè)因素綜合考慮 目前生產(chǎn)設(shè)備的控制裝置有三種類型：繼電器控制；半導(dǎo)體器件控制； PLC 控制。價(jià)格相對(duì)于其他兩種控制系統(tǒng)來說不能作為選擇 PLC 品牌的一個(gè)因素，而可靠性和易用性則是選擇 PLC 無可挑剔的重要原因。 從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期長短考慮 對(duì)舊設(shè)備進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)新的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備，優(yōu)先考慮的就是生產(chǎn)、設(shè)計(jì)周期問題，生產(chǎn)、設(shè)計(jì)周期越短，投入生產(chǎn)越早，盈利的時(shí)間就早。甚至希望設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試的同時(shí)就能夠進(jìn)行生產(chǎn)，特別是產(chǎn)品更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝改造的時(shí)候，原有的生產(chǎn)流程不能停止，增加的流程也要在之前的基礎(chǔ)上施工，因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)中時(shí)間就是金 錢，使用 PLC 就能輕松實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。毫無疑問，就憑借這一點(diǎn)， PLC 就可稱為工業(yè)領(lǐng)域中的佼佼者。而且這些功能都是在傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)中無法實(shí)現(xiàn)的。使用 PLC 無需要對(duì)原有的布線進(jìn)行大量改造，主要在程序上進(jìn)行調(diào)整就可以完成，也就是說按照新的工藝流程對(duì) PLC 程序重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和編寫就能夠?qū)ιa(chǎn)線進(jìn)行改造。 PLC 發(fā)展?fàn)顩r及趨勢 現(xiàn)代化 PLC 的發(fā)展主要面向兩個(gè)方向：一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)和價(jià)格更低的微小型方面發(fā)展；二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展 [12]。 大型網(wǎng)絡(luò)化 主 要向集散控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，具有一定功能的 DCS 系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化程度高通信能力天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 強(qiáng)是 PLC 的發(fā)展目標(biāo)，向下可與多個(gè) PLC 相連，向上可以接入計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)等來構(gòu)成整個(gè)工廠生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。 多功能 隨著自調(diào)整、步進(jìn)電機(jī)控制、位置控制、伺服控制等模塊的出現(xiàn)，使 PLC 控制領(lǐng)域更加寬廣。 第三章 機(jī)械臂模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械臂控制系統(tǒng)構(gòu)件概述 本課題設(shè)計(jì)使用的是校研究室啤酒生產(chǎn)線機(jī)械臂抓瓶裝箱環(huán)節(jié)的三自由度機(jī)械臂。機(jī)械臂使用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾等部件按照相應(yīng)的功能進(jìn)行組裝來組成；使用的電器元件有步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服放大器、光電傳感器、金屬接近開關(guān)、開關(guān)電源、電磁閥、氣動(dòng)閥等安裝在相應(yīng)的位置完成了實(shí)物裝置的組裝。 步進(jìn)電機(jī) 采用二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)來控制機(jī)械臂的動(dòng)作，相比直流電機(jī)有更好的制動(dòng)效果，又加上滾珠絲桿和滑桿配合，使機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。主要特點(diǎn)：體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩 等優(yōu)點(diǎn)。本模型中采用串聯(lián)型接法，其電氣接線圖如圖31 所示： 天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 31 步進(jìn)電機(jī)電氣接線圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分等。驅(qū)動(dòng)器參數(shù)如下表 3表 3表 3表 34 所示。 PLC 控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接及工作原理，如圖 32 所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分等，利用驅(qū)動(dòng)器可以很方便的對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)器電源由面板上電源模塊提供，驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端采用 +24V 供電，需加 限流電阻（見圖 32 中 電阻）。驅(qū)動(dòng)器輸入端為低電平有效。 PLC 通過控制其輸出點(diǎn)來控制驅(qū)動(dòng)器光耦的開合，當(dāng) PLC 輸出線圈得電 表 31 電氣規(guī)格 說明 最小值 典型值 最大值 單位 供電電壓 18 24 40 V 均值輸出電流 1 A 邏輯輸入電流 6 15 30 mA 步進(jìn)脈沖響應(yīng)頻率 — — 100 kHz 脈沖低電平時(shí)間 5 — 1 μs 表 32 電流設(shè)定 電流值 SW1 SW2 SW3 OFF ON ON ON OFF ON OFF OFF ON ON ON OFF 0FF ON OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF 表 33 細(xì)分設(shè)定 細(xì)分倍數(shù) 步數(shù) /圈（ 整步） SW4 SW5 SW6 1 200 ON ON ON 2 400 OFF ON ON 4 800 ON OFF ON 8 1600 OFF OFF ON 16 3200 ON ON OFF 32 6400 OFF ON OFF 64 12800 OFF ON OFF 由外部確定 動(dòng)態(tài)改細(xì)分 /禁止工作 OFF OFF OFF 表 34 接線信號(hào)描述 信 號(hào) 功 能 天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) PUL 脈沖信號(hào)：上升沿有效，每當(dāng)脈沖由低變高時(shí)電機(jī)走一步 DIR 方向信號(hào)：用于改變電機(jī)轉(zhuǎn)向， TTL 平驅(qū)動(dòng) OPTO 光耦驅(qū)動(dòng)電源 ENA 使能信號(hào)：禁止或允許驅(qū)動(dòng)器工作，低電平禁止 GND 直流電源地 +V 直流電源正極，典型值 +24V A+ 電機(jī) A 相 A 電機(jī) A 相 B+ 電機(jī) B 相 B 電機(jī) B 相 時(shí)，晶體管導(dǎo)通，相應(yīng)的觸電輸出低電平，使驅(qū)動(dòng)器光耦導(dǎo)通，當(dāng) PLC 輸出線圈失電時(shí)， 晶體管關(guān)斷，使驅(qū)動(dòng)器光耦截止。另外若不采用驅(qū)動(dòng)器，而采用 PLC 輸出觸點(diǎn)直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，會(huì)占用很多的輸出觸點(diǎn)，同時(shí)給編程帶來不便。 圖 32 PLC 控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接及工作原理 伺服電機(jī) 伺服電機(jī)（ servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有 機(jī)電時(shí)間常數(shù) 小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分 為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。 天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 伺服放大器 伺服放大器 即伺服驅(qū)動(dòng)器（ servo drives）又稱為 “伺服控制器 ”，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服馬達(dá)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端產(chǎn)品。 伺服驅(qū)動(dòng)器均采用 數(shù)字信號(hào)處理器 （ DSP）作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以 智能功率模塊 （ IPM）為核心設(shè)計(jì)的 驅(qū)動(dòng)電路 ,IPM 內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路 ,同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路 ,在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路 ,以減小啟動(dòng)過程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦 PWM 電壓型逆變器變頻來驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步 交流伺服電機(jī) 。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過程可以簡單的說就是 ACDCAC 的過程。整流單元（ ACDC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮?不控整流電路 。 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的要求 調(diào)速范圍寬 定位精度高 有足夠的傳動(dòng)剛性和高的速度穩(wěn)定性 快速響應(yīng)，無超調(diào) 為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外， 還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間，減小輪廓過渡誤差。 低速大轉(zhuǎn)矩，過載能力強(qiáng) 一般來說，伺服驅(qū)動(dòng)器具有數(shù)分鐘甚至半小時(shí)內(nèi) 倍以上的過載能力，在短時(shí)間內(nèi)可以過載 4～ 6 倍而不損壞。 可靠性高 要求 數(shù)控機(jī)床 的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng) 等環(huán)境適應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾的能力。 對(duì)電機(jī)的要求 從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如 低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。 電機(jī)應(yīng)具有大的較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載 4～ 6 倍而不損壞。 為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。 電機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 傳感器 天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 本裝置中使用的傳感器有接近開關(guān)和行程開關(guān)?；蜌鈯A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 圖 33 傳感器工作原理圖 和氣夾的旋轉(zhuǎn)角度。機(jī)械臂的伸縮、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(yùn)動(dòng)范圍。 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(lán)色接電源的負(fù)極、黑色為輸出信號(hào)，當(dāng)與檔塊接近時(shí)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(dòng)作時(shí)，輸出端對(duì)地接通。 PLC 內(nèi)部光耦 與傳感器電源構(gòu)成回路， PLC 信號(hào)輸入有效，工作原理如圖 33 所示。 行程開關(guān)：當(dāng)檔塊碰到開關(guān)時(shí)，常開點(diǎn)閉合。 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元 本裝置中直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是由兩個(gè)繼電器的吸合與斷開來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的，從而實(shí)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(hào)輸入端。 COM 端接 PLC 的傳感器電源負(fù)端。電平轉(zhuǎn)換板原理圖如圖 34 所示。 天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 34 電平轉(zhuǎn)換板原理圖 機(jī)械臂的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過程 機(jī)械臂的全部動(dòng)作由步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖 35所示。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)需要驅(qū)動(dòng)器，有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電機(jī)才會(huì)動(dòng)作，且每當(dāng)脈沖由低變高時(shí)步進(jìn)電機(jī)走一步；改變電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，需要加方向信號(hào)。機(jī)械臂的上升 /下降、前伸 /后縮動(dòng)作就是通過控制這兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的?；D(zhuǎn) /反轉(zhuǎn)和氣夾正轉(zhuǎn) /反轉(zhuǎn)是通過兩個(gè)繼電器的吸合與斷開來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械臂的放松 /夾緊由一個(gè)單線圈兩位置電磁閥控制。當(dāng)該線圈通電時(shí)，機(jī)械臂放松；該線圈斷電時(shí)，機(jī)械臂夾緊 [13]。 打開電源，按下起動(dòng)按鈕時(shí)，開機(jī)復(fù)位。機(jī)械臂的動(dòng)作示意圖如圖 36 所示機(jī)械臂若不在原點(diǎn)則 PLC 向驅(qū)動(dòng)器一同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)一反轉(zhuǎn)，橫軸后縮。當(dāng)后縮到位時(shí)碰到后限位開關(guān)，然后主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二正轉(zhuǎn)，機(jī)械臂上升。上升到底時(shí)碰到上限位開關(guān)，上升停止，回到原點(diǎn)。主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二反轉(zhuǎn)，機(jī)械臂下降。降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)，下降停止，氣夾電磁閥斷電，機(jī)械臂夾緊。夾緊后，主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器二只輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)二正轉(zhuǎn)，機(jī)械臂上升。上升到頂時(shí)，碰到上限位開 關(guān)，上升停止。 PLC 向驅(qū)動(dòng)器一只輸入 天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 35 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖