基于PLC的機(jī)械手設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1 題目： 基于 PLC 的 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 校： 班 級(jí)： 姓 名： 奧特曼 指導(dǎo)老師： 葫蘆娃 2010 年 6 月 2 摘要 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展 ,自動(dòng)化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱 ,無(wú)人車(chē)間、無(wú)人生產(chǎn)流水線(xiàn)等等，已經(jīng)隨處可見(jiàn)。同時(shí)，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、 有害氣體場(chǎng)合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。 工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門(mén)的重視。 本題采用日本三菱公司的 FX2N 系列 PLC，對(duì)機(jī)械手的上 下、左右以及抓取運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。該裝置機(jī)械部分有滾珠絲杠、滑軌、機(jī)械抓手等；電氣方面由交流電機(jī)、變頻器、操作臺(tái)等部件組成。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機(jī)械手完成各種動(dòng)作。 關(guān)鍵詞： PLC；控制；機(jī)械手； 3 第一章可編程控制 PLC 1 1 PLC 簡(jiǎn)介 自二十世紀(jì)六十年代美國(guó)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(lái)， PLC 得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)， PLC 的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù) 、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶(hù)需求的不斷提高， PLC 在開(kāi)關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的 PLC 不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。 作為離散控的制的首選產(chǎn)品， PLC 在二十世紀(jì)八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的 PLC 年增長(zhǎng)率保持為 20% 30%。隨著工廠(chǎng)自動(dòng)化程度的不斷提高和 PLC 市場(chǎng)容量基數(shù)的不斷擴(kuò)大，近年來(lái) PLC 在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的增長(zhǎng)速度放緩。但是，在中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家 PLC 的增長(zhǎng)十分迅速。綜合相關(guān)資料， 2004年全球 PLC的銷(xiāo)售收入為 100億美元左右，在自動(dòng)化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。 PLC 是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來(lái)的，二十世紀(jì)七十年代的 PLC只有開(kāi)關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車(chē)制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過(guò)數(shù)字輸入和輸出操作，來(lái)控制各類(lèi)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。用戶(hù)編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，并事先存入 PLC 的用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。 PLC 的 CPU 內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過(guò)程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器 自動(dòng)加 1，程序從起始步（步序號(hào)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(yùn)算。 PLC 每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱(chēng)為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)的 PLC，循環(huán)掃描周期在 1微秒到幾十微秒之間。 PLC 用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算 1K 邏輯程序不到 1 毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開(kāi)關(guān)量來(lái)處理， 16 位（也有 32 位的）為一個(gè)模擬量。大型 PLC 使用另外一個(gè) CPU 來(lái)完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給 PLC 的控制器。 4 相同 I/O 點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用 PLC 比用 DCS，其成本要低一些 （大約能省 40%左右）。 PLC 沒(méi)有專(zhuān)用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS 要低很多。一個(gè) PLC 的控制器，可以接收幾千個(gè) I/O 點(diǎn)（最多可達(dá) 8000 多個(gè) I/O）。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用 PLC 較為合適。 PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近 10 年來(lái)，隨著 PLC 價(jià)格的不斷降低和用戶(hù)需求的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的中小設(shè)備開(kāi)始采用 PLC 進(jìn)行控制， PLC 在我國(guó)的應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動(dòng)化水平的不斷提高，今后一段時(shí)期內(nèi) PLC 在我國(guó)仍將保持高速增長(zhǎng)勢(shì)頭。 通用 PLC 應(yīng)用于專(zhuān)用設(shè)備時(shí)可以認(rèn)為它就是一個(gè)嵌入式控制器，但 PLC 相對(duì)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。實(shí)際工作中碰到的一些用戶(hù)原來(lái)采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用 PLC 或定制 PLC 取代嵌入式控制器 1 2 PLC 內(nèi)部原理 PLC 實(shí)質(zhì)上是一種被專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)和微機(jī)是基本一 的。 5 圖 PLC 硬件的基本結(jié)構(gòu)圖 （ 1）中央處理單元（ CPU） 中央處理單元（ CPU）是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能，接受并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲(chǔ)器、 I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能檢查用戶(hù)程序的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首先它以?huà)呙璧姆绞浇邮墁F(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū) , 然后從用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶(hù)程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運(yùn)算等結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶(hù)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(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循 環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行為止。 （ 2）存儲(chǔ)器 與微型計(jì)算機(jī)一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺(tái)完整的PLC。 PLC 的軟件分為兩部分 : 系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱(chēng)為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。 PLC 存儲(chǔ)空間的分配：雖然大、中、小型 PLC 的 CPU 的最大可尋址存儲(chǔ)空間各不相同，但是根據(jù) PLC 的工作原理， 其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：系編程器 中 央 處 理 單 元 （ CPU） 輸入電路 輸出電路 系 統(tǒng) 程 序 存 儲(chǔ) 區(qū) 用 戶(hù) 程 序 存 儲(chǔ) 區(qū) 電源 6 統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)，系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)（包括 I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)。 A. 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū) 在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。它 包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。由制造廠(chǎng)商將其固化在 EPROM 中，用戶(hù)不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該 PLC 的各項(xiàng)功能。 B. 系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū) 系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)包括 I/O 映象區(qū)以及各類(lèi)軟設(shè)備（例如：邏輯線(xiàn)圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲(chǔ)區(qū)。 （ A） I/O 映象區(qū) 由于 PLC 投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要有一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元（ RAM）以供存放 I/O 的狀態(tài)和數(shù) 據(jù)，這些存儲(chǔ)單元稱(chēng)作 I/O 映象區(qū)。一個(gè)開(kāi)關(guān)量 I/O 占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位（ bit） , 一個(gè)模擬量 I/O 占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字（ 16 個(gè) bit)。因此，整個(gè) I/O 映象區(qū)可看作由開(kāi)關(guān)量的 I/O映象區(qū)和模擬量的 I/O 映象區(qū)兩部分組成。 （ B） 系統(tǒng)軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū) 除了 I/O 映象區(qū)以外，系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)還包括 PLC 內(nèi)部各類(lèi)軟設(shè)備（邏輯線(xiàn)圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）的存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)又分為具有失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域和無(wú)失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域，前者在 PLC 斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電子供電。使這部分存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù) 據(jù)得以保留；后者當(dāng) PLC停止運(yùn)行時(shí)，將這部分存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)全部置“零”。 C用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū) 用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)存放用戶(hù)編制的用戶(hù)程序。不同類(lèi)型的 PLC 其存儲(chǔ)容量各不相同，一般來(lái)說(shuō)，隨著 PLC 機(jī)型增大其存儲(chǔ)容量也相應(yīng)增大。不過(guò)對(duì)于新型的PLC，其存儲(chǔ)容量可根據(jù)用戶(hù)的需要而改變。 D 常用的 I/O 分類(lèi) 常用的 I/O 分類(lèi)如下： 7 開(kāi)關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模 擬 量 ： 按 信 號(hào) 類(lèi) 型 分 ， 有 電 流 型 （ 4-20mA,0-20mA ）、 電 壓 型（ 0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 I/O 外，還有特殊 I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 按 I/O 點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量， I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 （ 3） PLC 電源 PLC 電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。無(wú)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(duì) PLC 內(nèi)部的所有器件提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流電源。一般交流電壓波動(dòng)在正負(fù) 10%（ 15%） 之間，因此可以直接將 PLC 接入到交流電網(wǎng)上去。 可編程序控制器一般使用 220V 交流電源?？删幊绦蚩刂破鲀?nèi)部的直流穩(wěn)壓電源為各模塊內(nèi)的元件提供直流電壓。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(cè)裝置（如接近開(kāi)關(guān)）提供 24V 直流電源。驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源一般由用戶(hù)提供。 可編程序控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)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(chēng)，如輸入、輸出繼電器等。這種計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的“軟繼電器”，與繼電器系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)在功能上某些相似之處。 1 3 PLC 的工作原理 可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（ RUN）狀態(tài)與停止（ STOP）狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，可編程控制器通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶(hù)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶(hù)程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序控制器停機(jī) 8 或切換到 STOP 工作狀態(tài)。 除了執(zhí)行用戶(hù)程序之外，在每次循環(huán)過(guò)程中，可如上圖編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為 5 個(gè)階段?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱(chēng)為掃描 工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入 -輸出關(guān)系來(lái)看，處理過(guò)程似乎是同時(shí)完成的。 在內(nèi)部處理聯(lián)合階段。可編程序控制器檢查 CPU 模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。 在通信服務(wù)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(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當(dāng)可編程序控制器處于停止（ STOP）狀態(tài)時(shí)，只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破鹛幱冢?RUN）狀態(tài)時(shí)，還要完成另外 3 個(gè)階段的操作。 在可編程序控制器的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來(lái)存放輸入信號(hào)和輸 出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別稱(chēng)為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。可編程序控制器梯形圖中別的編程元件也有對(duì)應(yīng)的映像存儲(chǔ)區(qū)，它們統(tǒng)稱(chēng)為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通 /斷開(kāi)（ ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入寄存器。 外接的輸入觸點(diǎn)電路接通時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為“ 1”狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。外接的輸入觸點(diǎn)電路斷開(kāi)，對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為“ 0”狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化 ，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會(huì)隨之而變，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段被讀入。 可編程序控制器的用戶(hù)程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按步序號(hào)順序排列。在沒(méi)有跳轉(zhuǎn)指令時(shí)， CPU 從第一條指令開(kāi)始，逐條順序的執(zhí)行用戶(hù)程序，直到用戶(hù)程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時(shí)，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的 0/1 狀態(tài)讀出來(lái)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。 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。體型圖某一輸出繼電器的線(xiàn)圈“通電”時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出映像寄存器為“ 1”狀態(tài)。信號(hào)經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的 9 線(xiàn)圈通電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。 若梯形圖中輸出繼電器線(xiàn)圈斷電對(duì)應(yīng)的輸出映像寄存器為“ 0”狀態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線(xiàn)圈斷電，其常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，外部負(fù)載斷電，停止工作。某一編程元件對(duì)應(yīng)的映像寄存器為“ 1”狀態(tài)時(shí)，稱(chēng)該編程元件為 ON，映像寄存器為“ 0”狀態(tài)時(shí)，稱(chēng) 該編程元件為 OFF。 掃描周期可編程序控制器在 RUN 工作狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行一次掃描操作所需的時(shí)間稱(chēng)為掃描周期，其典型值為 1100ms。指令執(zhí)行所需的時(shí)間與用戶(hù)程序的長(zhǎng)短、指令的種類(lèi)和 CPU 執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。當(dāng)用戶(hù)程序較長(zhǎng)時(shí)，指令執(zhí)行時(shí)間在掃描周期中占相當(dāng)大的比例。不過(guò)嚴(yán)格地來(lái)說(shuō)掃描周期還包括自診斷、通信等。如圖所示。 圖 PLC 的掃描運(yùn)行方式 （ 1）輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以?huà)呙璺绞揭来巫x入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它 們存入 I/O 映象區(qū)的 相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶(hù)程序行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化 I/O 映象區(qū)的相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會(huì)改變。所以輸入如果是脈沖信號(hào)，它的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 （ 2）用戶(hù)程序執(zhí)行階段 在用戶(hù)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。并對(duì)控制線(xiàn)路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并以此刷新該邏輯線(xiàn)圈或輸出線(xiàn)圈在系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)。或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、數(shù) 據(jù)傳達(dá)等。 （ 3）輸出刷新階段 第 (N-1)個(gè)掃描周期 輸出刷新 第 (N+1)個(gè)掃描周期 輸入采樣 第 N 個(gè)掃描周期 輸入采樣 輸出刷新 用戶(hù)程序執(zhí)行 10 在輸出刷新階段， CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)響應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)才是 PLC 真正的輸出。 (4)輸入 /輸出滯后時(shí)間 輸入 /輸出滯后時(shí)間又稱(chēng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，是指可編程序控制器的外部輸入信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，它由輸入電路濾波時(shí)間、輸出電路的滯后時(shí)間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時(shí)間三部分組成。 輸入模塊的 CPU 濾波電路用來(lái)濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸入觸點(diǎn)動(dòng)作是產(chǎn)生的抖動(dòng)引起的 不良影響，濾波電路的時(shí)間常數(shù)決定了輸入濾波時(shí)間的長(zhǎng)短，其典型值為 10ms 左右。 輸出模塊的滯后時(shí)間與模塊的類(lèi)型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時(shí)間一般在 10ms 左右；雙向可空硅型輸出電路在負(fù)載接通時(shí)的滯后時(shí)間約為 1ms，負(fù)載由導(dǎo)通到斷開(kāi)時(shí)的最大滯后時(shí)間為 10ms；晶體管型輸出電路的滯后時(shí)間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)到兩個(gè)多掃描周期?？删幊绦蚩刂破骺偟捻憫?yīng)延遲時(shí)間一般只有幾十 ms，對(duì)于一般的系統(tǒng)是無(wú)關(guān)緊要的。要求輸入 輸出信號(hào)之間的滯后時(shí)間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序控制器或采 取其他措施。 1 4 PLC 機(jī)型的選擇 方法 1 PLC 的類(lèi)型 PLC 按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類(lèi)，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場(chǎng)安裝和控制室安裝兩類(lèi)；按 CPU 字長(zhǎng)分為 1 位、 4 位、 8 位、 16 位、 32 位、 64 位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點(diǎn)數(shù)選型。整體型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶(hù)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(hù)可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 2 輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要 求的統(tǒng)一。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，應(yīng) 11 考慮選用的輸出模塊類(lèi)型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開(kāi)關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過(guò)載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致。可根據(jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本?？紤]是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程 I/O機(jī)架等。 3.電源的選擇 PLC 的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備 時(shí)同時(shí)引進(jìn) PLC 應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)要求設(shè)計(jì)和選用外，一般 PLC 的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用 220VAC 電源，與國(guó)內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果 PLC 本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對(duì)提供的電流是否滿(mǎn)足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC，對(duì)輸入和輸出信號(hào)的隔離是必要的，有時(shí)也可采用簡(jiǎn)單的二極管或熔絲管隔離。 4.存儲(chǔ)器的選擇 由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求 PLC 的存儲(chǔ)器容量，按 256 個(gè) I/O 點(diǎn)至少選 8K 存儲(chǔ)器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲(chǔ)器。 5.冗余功能的選擇 a控制單元的冗余 （ 1）重要的過(guò)程單元： CPU（包括存儲(chǔ)器）及電源均應(yīng) 1B1 冗余。 （ 2）在需要時(shí)也可選用 PLC 硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、 2 重化或 3重化冗余容錯(cuò)系統(tǒng)等。 b I/O 接口單元的冗余 （ 1）控制回路的多點(diǎn) I/O 卡應(yīng)冗余配置。 （ 2）重要檢測(cè)點(diǎn)的多點(diǎn) I/O 卡可冗余配置。 3）根據(jù)需要對(duì)重要的 I/O 信號(hào)，可選用 2 重化或 3 重化的 I/O 接口單元。 12 第二章 機(jī)械手概況 2.1 搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用 簡(jiǎn)況 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專(zhuān)用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法，程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。 但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有 75是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的 5。從這里可看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械 手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線(xiàn)。 國(guó)內(nèi)外機(jī)械工業(yè)、鐵路部門(mén)中機(jī)搬運(yùn)械手主要應(yīng)用于以下幾方面： 1.熱加工方面的應(yīng)用 熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來(lái)就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對(duì)于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。 2.冷加工方面的應(yīng)用 冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)和箱體類(lèi)等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等 。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線(xiàn)、自動(dòng)線(xiàn)上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。 3.拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動(dòng)較多的部門(mén)之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)鐵路工廠(chǎng)、機(jī)務(wù)段等部門(mén)，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對(duì)、清除石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車(chē)車(chē)內(nèi)噴漆通用機(jī)械手，可用以對(duì)客車(chē)內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆，以改善勞動(dòng)條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。 近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳 感技術(shù)等在機(jī)械手中越來(lái)越多的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要因素。 2.2 機(jī)械手的應(yīng)用意義 在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下： 1.可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度 應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。 2.可以改善勞動(dòng)條件、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(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或 根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽 13 而造成的人身事故。 3.可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。 綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)械手是發(fā)展機(jī)械工 業(yè)的必然趨勢(shì)。 1.3.3 機(jī)械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢(shì) 2.3 機(jī)械手的發(fā)展概況 專(zhuān)用機(jī)械手經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無(wú)線(xiàn)電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不 斷地?cái)U(kuò)大。 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(jī)械手。 50 60 年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱(chēng)第二代機(jī)械手。如尤尼曼特 (Unimate)機(jī)械手即屬于這種類(lèi)型。 60 70 年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車(chē)車(chē)身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動(dòng)線(xiàn)上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。 80-90 年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期，尤其是日本。 90 年代機(jī)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。 90 年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。 總之，目前機(jī)械手的主要經(jīng)歷分為三代： 第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)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)。 2.4 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、 性能方面都不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 因此，國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專(zhuān)用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手 14 和組合式機(jī)械手等。 將機(jī) 械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類(lèi)型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)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(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高精度，減少?zèng)_擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能地機(jī)械手，并考慮于計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料， 以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。為此，國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某些智能的機(jī)械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時(shí)，即能更正，并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。 視覺(jué)功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計(jì)算機(jī)。工作時(shí)，電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后傳送給計(jì)算機(jī)，以便分 析物體的種類(lèi)、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控