PLC的工業(yè)機器人設(shè)計及發(fā)展分析

1、【精品文檔】如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除，僅供學習與交流PLC的工業(yè)機器人設(shè)計及發(fā)展分析.精品文檔.PLC的工業(yè)機器人設(shè)計及發(fā)展分析作者:辛穎摘要 工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)定的原則綱領(lǐng)行動。本文從工業(yè)機器人的特點出發(fā),簡單介紹了基于PLC的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)的設(shè)計,并簡單分析了工業(yè)機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展.關(guān)鍵詞 工業(yè)機器人 PLC 先進技術(shù)一、 引言 工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器人

2、，是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的專門系統(tǒng)。因其靈活性高、輸出功率大、定位精確的特點，工業(yè)機器人被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各個環(huán)節(jié)。以其高效，高質(zhì)、穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)工作，工業(yè)機器人為所在行業(yè)的高效生產(chǎn)和穩(wěn)定質(zhì)量起到重要作用。 在生產(chǎn)方面，以工業(yè)自動化為主要發(fā)展方向的方針下，我國自主研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應(yīng)用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，這些研制出來的專用工業(yè)機器人，在很大程度上提高了我國生產(chǎn)率和生產(chǎn)效率，對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展起到了重要的推動作用。 在軍事方面，目前世界上許多國家正在致力于研發(fā)軍事機器

3、人，并且已有正式投入于現(xiàn)代戰(zhàn)爭的實例。軍事機器人主要被應(yīng)用于偵查、探測、拆彈等比較危險的方面，軍事機器人可以在對人類構(gòu)成威脅的環(huán)境中運行自如，以此來把士兵從充斥著死亡的戰(zhàn)場中解放出來。 在人們的生活中，也能發(fā)現(xiàn)機器人的影子。醫(yī)療機器人，已經(jīng)應(yīng)用于用于世界各地的許多手術(shù)室中的外科手術(shù)機器人，由醫(yī)用機器人和工業(yè)機器人的技術(shù)結(jié)合而誕生的康復(fù)機器人，它們都給人們的生活帶來更多的方便。二、 工業(yè)機器人特點 工業(yè)機器人最顯著的特點有以下幾個： (1)可編程。生產(chǎn)自動化的進一步發(fā)展是柔性啟動化。工業(yè)機器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是

4、柔性制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分。 (2)擬人化。工業(yè)機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化工業(yè)機器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等。傳感器提高了工業(yè)機器人對周圍環(huán)境的自適應(yīng)能力。 (3)通用性。除了專門設(shè)計的專用的工業(yè)機器人外，一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時具有較好的通用性。比如，更換工業(yè)機器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。 (4)工業(yè)機器技術(shù)涉及的學科相當廣泛，歸納起來是機械學和微電子學的結(jié)合-機電一體化技術(shù)。第三代智能機

5、器人不僅具有獲取外部環(huán)境信息的各種傳感器，而且還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能，這些都是微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計算機技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。因此，機器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其他技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以驗證一個國家科學技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平。當今工業(yè)機器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力、具有多種感知能力、具有較強的對作業(yè)環(huán)境的自適應(yīng)能力的方向發(fā)展。當前，對全球機器人技術(shù)的發(fā)展最有影響的國家是美國和日本。美國在工業(yè)機器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的工業(yè)機器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。 （1）技術(shù)先進工業(yè)機器人集精密化、柔性化、

6、智能化、軟件應(yīng)用開發(fā)等先進制造技術(shù)于一體，通過對過程實施檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，實現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動化水平的最高體現(xiàn)。 （2）技術(shù)升級工業(yè)機器人與自動化成套裝備具備精細制造、精細加工以及柔性生產(chǎn)等技術(shù)特點，是繼動力機械、計算機之后，出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具，是實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的重要手段。 （3）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛工業(yè)機器人與自動化成套裝備是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備，可用于制造、安裝、檢測、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于汽車整車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)

7、藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。（4）技術(shù)綜合性強工業(yè)機器人與自動化成套技術(shù)，集中并融合了多項學科，涉及多項技術(shù)領(lǐng)域，包括工業(yè)機器人控制技術(shù)、機器人動力學及仿真、機器人構(gòu)建有限元分析、激光加工技術(shù)、模塊化程序設(shè)計、智能測量、建模加工一體化、工廠自動化以及精細物流等先進制造技術(shù)，技術(shù)綜合性強。三、 設(shè)計前言 隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，PLC己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制微型計算機中。 目前，工業(yè)機器人關(guān)節(jié)主要是采用交流伺服系統(tǒng)進行控制，本研究將技術(shù)成熟、編程方便、可靠性高、體積小的SIEMENS S-200可編程控制器 ，應(yīng)用于可控環(huán)流可逆調(diào)系統(tǒng)，研制出機器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)，用

8、以對工業(yè)機器人關(guān)節(jié)進行伺服控制。四、 原理方法 工業(yè)機器人關(guān)節(jié)是由直流伺服電機驅(qū)動，通過環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)控制電機的正反轉(zhuǎn)來達到對工業(yè)機器人關(guān)節(jié)的伺服控制的目的。1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)采用SIEMEN S7-200型PLC， 外加DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，將PLC數(shù)字信號變成模擬信號，通過BTI變流調(diào)速系統(tǒng)(主要由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、環(huán)流調(diào)節(jié)器ARR，正組觸發(fā)器GTD、反組觸發(fā)器GTS、電流反饋器TCV組成)驅(qū)動直流電機運轉(zhuǎn)，驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)按控制要求進行動作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 機器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)原理如圖2所示，可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用交

9、叉聯(lián)接方式，整流變壓器的一個副邊繞組接成Y型，另一個接成 型，2個交流電源的相位錯開30°，其環(huán)流電壓的頻率為l2倍工頻。為了抑交流環(huán)流，在2組可控整流橋之間接放了2只均衡電抗器，電樞回路中仍保留一只平波電抗器。 控制電路主要由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、環(huán)流調(diào)節(jié)器ARR， 正組觸發(fā)器GTD、反組觸發(fā)器GTS、電流反饋器TCV組成(見圖2)，其中2組觸發(fā)器的同步信號分別取自與整流變壓器相對應(yīng)的同步變壓器。圖2 工業(yè)機器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)給定為零時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR被零速封鎖信號鎖零。此時，系統(tǒng)主要由環(huán)流調(diào)節(jié)器ARR組成交叉反饋的恒流系統(tǒng)。由于環(huán)流

10、給定的影響，2組可控硅均處于整流狀態(tài)，輸出的電壓大小相等、極性相反，直流電機電樞電壓為零，電機停轉(zhuǎn)，輸出的電流流經(jīng)2組可控硅形成環(huán)流。環(huán)流不宜過大，一般限制在電機額定電流的5左右。正向啟動時，隨著轉(zhuǎn)速信號Ugn的增大，封鎖信號解除，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸正， 電機正向運行。此時，正組電流反饋電壓+Ufi2反映電機電樞電流與環(huán)流電流之和； 反組電流反饋電壓-Uril反映了電樞電流， 因此可以對主電流進行調(diào)節(jié)。而正組環(huán)流調(diào)節(jié)器輸入端所加的環(huán)流給定信號-Ugih和交叉電流反饋信號-Ufil對這個調(diào)節(jié)過程影響極小。反組環(huán)流調(diào)節(jié)器的輸入電壓為(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，隨著電樞電流的不斷增大，

11、當達到一定程度時，環(huán)流自動消失，反組可控硅進入待逆變狀態(tài)。反向啟動時情況相反。另外，可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)制動時仍然具有本橋逆變，反接制動和反饋制動等過程。由于啟動過程也是環(huán)流逐漸減小的過程， 因此， 電機停轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)的環(huán)流達最大值。環(huán)流有助于系統(tǒng)越過切換死區(qū)，改善過渡特性。五、 系統(tǒng)程序設(shè)計過程 程序設(shè)計方案為手動輸入一個角度值，讓電機轉(zhuǎn)動，通過與電動機相聯(lián)的光電碼盤來檢測電動機轉(zhuǎn)的角度，將轉(zhuǎn)動角度變成脈沖信號。由于電動機的轉(zhuǎn)速非?？欤灾荒馨衙}沖信號送往PLC的高速計數(shù)器。然后將計數(shù)器的脈沖記錄與手輸入的進行比較，如果兩者相等說明電動機已經(jīng)到達指定角度位置，否則繼續(xù)進行修正。值得注意的是，

12、由于電動機從轉(zhuǎn)動突變到停止會有一定的慣性， 因此在進行信號比較時應(yīng)允許有一定的誤差，不然電動機就會始終處在修正位置狀態(tài)。系統(tǒng)程序框圖如圖3所示。圖3 系統(tǒng)程序框圖六、 結(jié) 論 基于PLC研制的直流伺服系統(tǒng)，利用PLC擴展能力強的特點，添裝手動輸放裝置，實現(xiàn)工業(yè)機器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)的可視操作。其優(yōu)點是：(1)無需改變電路結(jié)構(gòu)，即可通過程序?qū)崿F(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)的控制；(2)能夠使電機不等待停止轉(zhuǎn)動即可立刻反方向轉(zhuǎn)動；(3)可令電機急停，避免電機慣性轉(zhuǎn)動；(4)編程、維護方便。七、 工業(yè)機器人的發(fā)展1世界各國工業(yè)機器人發(fā)展情況 美國是機器人的誕生地,早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人,經(jīng)過30

13、多年的發(fā)展,美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一,其機器人性能可靠,全面,精確度高水平高居世界之首。 雖然日本不是第一個發(fā)明機器人的國家，但由于二戰(zhàn)后日本國內(nèi)勞動力不足等原因，使日本重視并且依賴于用機器人來代替勞動力，同時頒布一系列扶植政策來推動生產(chǎn)力自動化的發(fā)展。由于以上原因，日本一躍成為“機器人王國”。法國不僅在機器人擁有量上居于世界前列，而且在機器人應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍上處于世界先進水平。這主要歸功于法國政府一開始就比較重視機器人技術(shù)，特別是把重點放在開展機器人的應(yīng)用研究上。 而英國的機器人發(fā)展史比較曲折，英國政府曾一度對工業(yè)機器人實行了限制發(fā)展的嚴厲措施，因而機器人工業(yè)一蹶不振。不過由于意

14、識到了錯誤，近來英國政府轉(zhuǎn)而采取支持態(tài)度，推行并實施了一系列支持機器人發(fā)展的政策和措施，使英國機器人開始了在生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用及大力研制的興盛時期。 另外，機器人數(shù)量位居世界第三的德國，和擁有一流的機器人制造技術(shù)的俄羅斯，也在機器人發(fā)展史上占據(jù)著很大比重。2.國內(nèi)工業(yè)機器人的發(fā)展狀況 我國已在“七五”計劃中把機器人列人國家重點科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。目前，示教再現(xiàn)型機器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。

15、我國自行生產(chǎn)的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風汽車廠投入運行。1986年3月開始的國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機器人的內(nèi)容。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的實用型機器人和某些特種機器人。它不僅能為我國的經(jīng)濟建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻。 中國工業(yè)機器人行業(yè)產(chǎn)銷需求預(yù)測與轉(zhuǎn)型升級分析報告數(shù)據(jù)顯示，2013年中國市場共銷售工業(yè)機器人近3.7萬臺，約占全球銷量的1/5，總銷量超過日本，位居全球第一。而且我國市場銷售機器人的數(shù)量，年化增長率高達34%。成為全球增長速度最快的工業(yè)機器人市場。預(yù)計到2018年工業(yè)機器人年供應(yīng)量超過91000臺。八、 參考文獻1 韓建海,吳斌芳，楊萍. 工業(yè)機器人J華中科技大學出版社, 1997