氣動機械手的設(shè)計及其PLC控制
氣動機械手的設(shè)計及其PLC控制,氣動,機械手,設(shè)計,及其,plc,控制,節(jié)制
摘 要
在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。自從機械手問世以來，相應(yīng)的各種難題迎刃而解。機械手可在空間抓、放、搬運物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。機械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，大大降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。機械手是工業(yè)機器人的重要組成部分，在很多情況下它就可以稱為工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。
本設(shè)計所用機械部件有滾珠絲杠、滑軌、氣控機械抓手等。電氣方面有可編程控制器（PLC）、編程器、電磁閥等部件。由主機發(fā)出指令來實現(xiàn)對手臂的伸縮、上下、轉(zhuǎn)動位置的控制；主機發(fā)信號到氣動電磁閥，以控制手爪的張合來抓放物體。本設(shè)計可根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)，具有很大的靈活性和可操作性。
關(guān)鍵詞：可編程控制器；機械手；電磁閥
Abstract
In the industrial production and other fields, people often endangered by such factors as high temperature, corrode, poisonous gas and so forth at work, which have increased labor intensity and even jeopardized the life sometimes. The corresponding problems are solved since the robot arm comes out. The robot arms can catch, put and carry objects, and its movements are flexible and diversified. It applies to medium and small-scale automated production in which production varieties can be switched. And it is widely used on soft automatic line. The robot arms are generally made by withstand high temperatures, resist corrosion of materials to adapt to the harsh environment. So they reduced the labor intensity of the workers significantly and raised work efficiency. The robot arm is an important component of industrial robots, and it can be called industrial robots on many occasions. Industrial robot is set machinery, electronics, control, computers, sensors, artificial intelligence and other advanced technologies in the integration of multidisciplinary important modern manufacturing equipment. Widely using industrial robots, not only can improve product quality and production, but also is of great significance for physical security protection, improvement of the environment for labor, reducing labor intensity, improvement of labor productivity, raw material consumption savings and lowering production costs.
There are such mechanical components as ball footbridge, slides, an air control mechanical hand and so on in the design. A programmable controller, a programming device, and electromagnetism valve are used in electrical connection. The mainframe send signals to control the opening and closing of the hand to carry objects. Related parameters can be changed according to request of the changes of the objects and movement flow at any time change the relevant parameters in the design, so it has great flexibility and operability.
Key words: Programmable controller; Robot arm; electromagnetism valve
Ⅰ
基于PLC的氣動機械手設(shè)計及其控制
1 緒 論
1．1機械手概述
工業(yè)機器人由操作機 (機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。
機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備.
機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、
搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。
機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
1.2機械手的組成和分類
1.2.1機械手的組成
機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。
各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖2-1所示。
圖1-1 機械手的組成方框圖
(一)執(zhí)行機構(gòu)
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。
1、手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指 (或手爪) 和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的；手指有外夾式和內(nèi)撐式；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多，常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式等。
吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。
對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式.
2、手腕
是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。
工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件 (如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源 (如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。
手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。
導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。
4、立柱
立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械豐的立往通常為固定不動的，但機械手的立柱是支承手臂的部件，因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
5、行走機構(gòu)
當(dāng)工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。
6、機座
機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。
(二)驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置。通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。
控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
(四)位置檢測裝置
控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置.
1.2.2機械手的分類
工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。
(一)按用途分
機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:
1、專用機械手
它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)，如自動機床、自動線的上、下料機械手。
2、通用機械手
它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。
(二)按驅(qū)動方式分
1、液壓傳動機械手
是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。
2、氣壓傳動機械手
是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。
3、機械傳動機械手
即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。
4、電力傳動機械手
即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。
(三)按控制方式分
1、點位控制
它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。
2、連續(xù)軌跡控制
它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。
1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:
(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和
維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。
(2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減
速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。
(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)
化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高
了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
(5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
(6)當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。
我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。
我國的智能機器人和特種機器人在 “863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。
1.4課題的提出及主要任務(wù)
1.4.1課題的提出
隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費時費力，又影響效率。為此，我們把上下料機械手作為我們研究的課題。
現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點:
(1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):
液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。
(2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。
(3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。
(4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使
用維護需要較高技術(shù)水平。
鑒于以上這些缺陷，本機械手?jǐn)M采用氣壓傳動，氣動技術(shù)有以下優(yōu)點:
(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器；介質(zhì)清潔，管道不易堵塞不存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題。
（2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。
(3)動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。
(4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。
(5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。
(6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。
傳統(tǒng)觀點認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難 (尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。
1.4.2課題的主要任務(wù)
本課題將要完成的主要任務(wù)如下:
(1)機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面必須更廣。
(2)選取機械手的座標(biāo)型式和自由度。
(3)設(shè)計出機械手的各執(zhí)行機構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計。為了使通用性更強，手部設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，既可以用夾持式手指來抓取棒料工件，又可以用氣流負(fù)壓式吸盤來吸取板料工件。
(4)氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計
本課題將設(shè)計出機械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設(shè)計，并繪出氣動原理圖。
(5)對氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的參數(shù)化繪制進行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質(zhì)量。
(6)機械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計
本機械手?jǐn)M采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。
2 機械手的設(shè)計方案
對氣動機械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。
本次設(shè)計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。
2.1 機械手的座標(biāo)型式與自由度
按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。
所示為機械手的手指、手腕、手臂的運動示意圖。
圖2-1 機械手的運動示意圖
2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時，使用氣流負(fù)壓式吸盤。
2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。
2.4 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。
2.5 機械手的驅(qū)動方案設(shè)計
由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。
2.6 機械手的控制方案設(shè)計
考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當(dāng)機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。
2.7機械手的主要參數(shù)
1、主參數(shù) 機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機械手最大抓重以10公斤左右的為數(shù)最多。在本設(shè)計中該機械手主參數(shù)定為5公斤，高速動作時抓重為2公斤。使用吸盤式手部時可吸附2公斤的重物。
2、基本參數(shù) 運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。
該機械手最大移動速度設(shè)計為12cm/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為50°/s。平均移動速度為l0cm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為40°/s。
機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為250mm,手臂安裝前后可調(diào)50mm，由于該機械手設(shè)計成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴大了它的使用范圍。手臂升降行程定為400mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為土0. 5± 1mm。旋轉(zhuǎn)角度為180°。
2．8 機械手裝配
2．8．1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計
設(shè)計針對的是工件是棒料時，使用夾持式手部。夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指 (或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，本設(shè)計選擇齒輪齒條式。
設(shè)計時考慮的幾個問題：
(一)具有足夠的握力 (即夾緊力)
在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
(二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角
兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。
(三)保證工件準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。
(四)具有足夠的強度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。
(五)考慮被抓取對象的要求
根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型，其結(jié)構(gòu)如圖所示。
本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，其工件平均重量G=2公斤，V形手指的角度2θ=120°，b=50mm， R=10mm,摩擦系數(shù)為f=0. 10。
其中：N = 0.5G*10*tg(θ±5°) ≈ 0.5*20*tg60°=17.3N
夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為P = N = 173 N。
圖2-2 齒輪齒條式手部
2．8．2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計
手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而具有獨立的自由度，以使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。
由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。
目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于360°，并且要求嚴(yán)格的密封。
手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。圖2-3所示為手腕受力的示意圖。
1.工件 2.手部 3.手腕
圖2-3 手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài)
手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算:
M驅(qū) =M慣+ M偏+ M摩+ M封
式中:M驅(qū) — 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩(Kg *cm)；
M慣 — 慣性力矩(Kg *cm)；
M偏 — 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩(Kg *cm)；
M摩 — 手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩(Kg *cm)；
M封— 手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(Kg *cm)。
2．8．3 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算
在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的工作原理如圖2-4所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片3及密封圈4把氣腔分隔成兩個.當(dāng)壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時針方向回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉片回轉(zhuǎn)氣缸的壓力p和驅(qū)動力矩M的關(guān)系為:
P =
圖2-4 回轉(zhuǎn)氣缸簡圖
式中:M - 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩(N*cm)；
P - 回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力(N*cm)；
R - 缸體內(nèi)壁半徑 (cm);
R - 輸出軸半徑 (cm);
b - 動片寬度 (cm).
上述驅(qū)動力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的P應(yīng)代以工作壓力P1與背壓P2之差。
2．8．4 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計
按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降 (或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。
2．8．4．1結(jié)構(gòu)設(shè)計
手臂的伸縮是直線運動，實現(xiàn)直線往復(fù)運動采用的是氣壓驅(qū)動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。
同時，氣壓驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。在本機械手中采用的是單導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。
該機械手的手臂結(jié)構(gòu)如附圖所示，現(xiàn)將其工作過程描述如下:
手臂主要由雙作用式氣缸1、導(dǎo)向桿2、定位拉桿3和兩個可調(diào)定位塊4等組成。雙作用式氣缸1的缸體固定，當(dāng)壓縮空氣分別從進出氣孔c, e進入雙作用式氣缸1的兩腔時，空心活塞套桿6帶動手腕回轉(zhuǎn)缸5和手部一同往復(fù)移動。在空心活塞套桿6中通有三根伸縮氣管，其中兩根把壓縮空氣通往手腕回轉(zhuǎn)氣缸5，一根把壓縮空氣通往手部的夾緊氣缸。在雙作用式氣缸1缸體上方裝置著導(dǎo)向桿2，用它防止活塞套桿6在做伸縮運動時的轉(zhuǎn)動，以保證手部的手指按正確的方向運動。為了保證手嘴伸縮的快速運動。在雙作用式氣缸1的兩個接氣管口c, e出分別串聯(lián)了快速排氣閥.手臂伸縮運動的行程大小，通過調(diào)整兩塊可調(diào)定位塊4的位置而達到。手臂伸縮運動的緩沖采用液壓緩沖器實現(xiàn)。手腕回轉(zhuǎn)是由回轉(zhuǎn)氣缸5實現(xiàn)，并采用氣缸端部節(jié)流緩沖，其結(jié)構(gòu)見A-A剖面。
在附圖中所示的接氣管口a、b是接到手腕回轉(zhuǎn)氣缸的；d是接到手部夾緊氣缸的。直線氣缸1內(nèi)的三根氣管采用了伸縮氣管結(jié)構(gòu)，其特點是機械手外觀清晰、整齊，并可避免氣管的損傷，但加工工藝性較差。另外活塞套桿6做成筒狀零件可增大活塞套桿的剛性，并能減少充氣容積，提高氣缸活塞套桿的運動速度。
2．8．4．2 導(dǎo)向裝裝置
氣壓驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。
目前常采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿等，在本機械手中采用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。
2．8．4．3 手臂伸縮驅(qū)動力的計算
手臂作水平伸縮時所需的驅(qū)動力:
圖2-5 手臂伸出時的受力狀態(tài)
圖2-5所示為活塞氣缸驅(qū)動手臂前伸時的示意圖。在單桿活塞氣缸中，由于氣缸的兩腔有效工作面積不相等，所以左右兩邊的驅(qū)動力和壓力之間的關(guān)系式不一樣。當(dāng)壓力油(或壓縮空氣)輸入工作腔時，驅(qū)使手臂前伸(或縮回)，其驅(qū)動力應(yīng)克服手臂在前伸(或縮回)起動時所產(chǎn)生的慣性力，手臂運動件表面之間的密封裝置處的摩擦阻力，以及回油腔壓力(即背壓)所造成的阻力，因此，驅(qū)動力計算公式為:
P驅(qū) = P慣+ P摩+ P封+ P背
式中: P慣 - 手伶在起動過程中的慣性力(N)；
P摩 - 摩擦阻力(包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N)；
P封 - 密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻力不同。
P背 - 氣缸非工作腔壓力(即背壓)所造成的阻力(N)，若非工作腔與油箱或大氣相連時，則P背=0 。
2．8．5 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分
2．8．5．1結(jié)構(gòu)設(shè)計
其結(jié)構(gòu)如附圖所示。手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱1、升降缸活塞軸2、升降缸體3,碰鐵4、可調(diào)定位塊5、定位拉桿6、緩沖撞鐵7、定位塊聯(lián)接盤13和導(dǎo)向桿14等組成。轉(zhuǎn)柱1上鉆有a, b, c, d, e和f六條氣路，在轉(zhuǎn)柱上端用管接頭和氣管分別將壓縮空氣引到手腕回轉(zhuǎn)氣缸(用a, b氣路)，手部夾緊氣缸(用d氣路)和手臂伸縮氣缸 (用c, e氣路)，轉(zhuǎn)柱下端的f氣路，將壓縮空氣引到升降缸上腔，當(dāng)壓縮空氣進入上腔后，推動升降缸體3上升，并由兩個導(dǎo)向桿14進行導(dǎo)向，同時碰鐵4隨升降缸體3一同上移，當(dāng)碰觸上邊的可調(diào)定位塊5后，即帶動定位拉桿6,緩沖撞鐵7向上移動碰觸升降用液壓緩沖器進行緩沖。當(dāng)J, K兩面接觸時而定位。上升行程大小通過調(diào)整可調(diào)定位塊5來實現(xiàn)。最大可調(diào)行程為170mm,緩沖行程根據(jù)抓重和手臂移動速度的要求亦可調(diào)整，其范圍為15-30mm,故上升行程最大值為200mm。手臂下降靠自重實現(xiàn)。
實現(xiàn)機械手手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。在本機械手中，手臂回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)缸體10、轉(zhuǎn)軸11(它與動片焊接成一體，見E-E剖面)、定片12、回轉(zhuǎn)定位塊8、回轉(zhuǎn)中間定位塊9和回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器(此部件位置參見附圖)等組成。當(dāng)壓縮空氣通過管路分別進入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的兩腔時，推動動片連同轉(zhuǎn)軸一同回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過平鍵而帶動升降氣缸活塞軸、定位塊聯(lián)接盤、導(dǎo)向桿、定位拉桿、升降缸體和轉(zhuǎn)柱等同步回轉(zhuǎn)。因轉(zhuǎn)柱和手臂用螺栓連接，故手胃亦作回轉(zhuǎn)運動。
手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來密封，密封性能較好，對氣缸孔的機械加工精度也易于保證。
手臂回轉(zhuǎn)運動采用多點定位緩沖裝置，其工作原理見回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器部分。手臂回轉(zhuǎn)角度的大小，通過調(diào)整兩塊回轉(zhuǎn)定位塊8和回轉(zhuǎn)中間定位塊9的位置而定。
3 氣動系統(tǒng)設(shè)計
3．1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖
圖3-1所示為該機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機 (壓力約為3～8Kgf/cm2)通過快換接頭進入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。
圖3-1 機械手氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖
表3-1 氣路元件表
序 號
型 號 規(guī) 格
名 稱
數(shù) 量
1
QF-44
手動截止閥
1
2
儲氣缸
2
3
QSL-26-S1
分水濾氣器
1
4
QTY-20-S1
減壓閥
1
5
QIU-20-S1
油霧器
1
6
YJ-1
壓力繼電器
1
7
Q24DH-10-S1
二位五通電磁滑閥
1
8
Q24D2ZH-10-S1
二位五通電磁滑閥
3
9
Q24D2ZH-15-S1
二位五通電磁滑閥
1
10
單向節(jié)流閥
2
11
LI-25
單向節(jié)流閥
2
12
快速排氣閥
2
13
氣液轉(zhuǎn)換器
1
4 PLC
4.1 PLC簡介
PLC(編程邏輯控制器)是20世紀(jì)60年代末期逐步發(fā)展起來的一種以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。近幾年來，PLC技術(shù)在各種工業(yè)過程控制、生產(chǎn)自動線控制及各類機電一體化設(shè)備控制中得到極其廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動化領(lǐng)域中的一項十分重要的應(yīng)用技術(shù)。
在PLC出現(xiàn)以前，繼電器控制曾得到廣泛應(yīng)用，在機電設(shè)備和工業(yè)過程控制領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位。但是繼電器控制系統(tǒng)有明顯的缺點：體積大，可靠性低，故障查找困難，特別是因為它是由硬接線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，造成了接線復(fù)雜，容易出故障，對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性較差。
20世紀(jì)60年代未，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM)為了適應(yīng)汽車型號不斷更新的需要，試圖尋找一種新的生產(chǎn)線控制方法，使之盡可能地減少重新設(shè)計繼電器控制系統(tǒng)的工作量以及盡量地減少控制系統(tǒng)硬連接線的數(shù)量，以降低生產(chǎn)成本，縮短制造周期，減少生產(chǎn)線的故障率，從而有效地提高生產(chǎn)效率。當(dāng)時，電子計算機的硬件己經(jīng)基本完備，其主要功能是通過軟件來實現(xiàn)的，因此具有靈活性、通用性等優(yōu)點，但價格相對來說比較昂貴，于是他們想到了把繼電器控制系統(tǒng)簡單易懂、操作方便、價格便宜的長處與計算機靈活、通用的優(yōu)點結(jié)合起來，用來制造一種新型的工業(yè)控制裝置，并進而采用招標(biāo)的方式，首先山美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出符合上述想法的工業(yè)控制裝置，命名為可編程邏輯控制器， 即PLC（Programmable Logic Controller）。1969年，第一臺PLC在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次運行，成功地取代了沿用多年的繼電器控制系統(tǒng)，盡管當(dāng)時的PLC功能僅具有邏輯控制、定時、計數(shù)等功能，但卻標(biāo)志著一種新型裝置問世。
隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，20世紀(jì)70年代中期又出現(xiàn)了微處理器和微型計算機，這些新技術(shù)很快也被用到PLC之中，使得PLC不僅其有邏輯控制功能，而且還增加了運算、數(shù)據(jù)處理和傳送等功能，從而成為具有計算機功能的新型工業(yè)控制裝置。1980年美國電器制造商協(xié)會(NEMA)正式將其命名為可編程控制器(Programmable Controller)簡稱PC[3]。
國際電工委員會(IEC)于1982年11月和1985年1月頒布了可編程控制器的第一稿和第二稿，對可編程控制器作了如下的定義：
“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它可采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充功能的原則而設(shè)計?！?
之所以把可編程控制器簡稱為PC,因為它已經(jīng)不再是僅具有邏輯控制功能的裝置了。只是由于20世紀(jì)80年代崛起的個人計算機(Personal Computer)也簡稱為PC。為了加以區(qū)別，人們又把可編程控制器簡稱為PLC。本文均稱其為PLC[4]。
4.2 PLC發(fā)展趨勢
1）向高速度、大存儲量方向發(fā)展
為提高處理能力，要求PLC具有更好的響應(yīng)速度和更大的存儲容量。目前大中型PLC的速度可達0.2ms/k步左右。各大公司都把PLC的掃描速度作為一個很重要的競爭指標(biāo)。
2）向多品種方向發(fā)展
目前中小型PLC比較普遍。為適應(yīng)市場的多種需要，今后PLC 發(fā)展要向多品種方向，特別是向超大型和超小型兩個方向發(fā)展。目前開關(guān)量輸入輸出點數(shù)達到8192點的大型PLC 己比較多。為適應(yīng)大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的需要，輸入輸出點數(shù)還在增加。
3）編程語言多樣化
PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時，編程軟件也在不斷發(fā)展。編程語言朝著多種編程語言的方向發(fā)展。盡管大多數(shù)PLC采用繼電器梯形圖語言(RLL)，但是新的編程語言還是不斷出現(xiàn)，現(xiàn)在有部分PLC 已采用高級語言 (如BASIC語言等)。
4）發(fā)展智能模塊
智能模塊是以微處理器為基礎(chǔ)的功能部件。它可以與PLC 的主CPU并行工作，占用主CPU的時間很少，有利于提高PLC的掃描速度。發(fā)展智能模塊可進一步提高PLC處理信息的能力和控制功能[3]。
4.3 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理
PLC是以微處理器為核心的數(shù)字式電子、電氣自動控制裝置，也可以說是一種專用微型計算機。各種PLC的具體結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，即都是以微處理器為核心，并輔以外圍電路和I/O單元等硬件所構(gòu)成。正像通用的微機一樣，PLC的各種功能的實現(xiàn)，不僅基于其硬件的作用，而且要靠其軟件的支持。
4.3.1 PLC的組成
PLC主要由中央處理單元(CPU)、存儲器(RAM、ROM)、輸入/輸出部件(I/O)、電源和編程器幾大部分組成[5]。
1）中央處理單元(CPU)
不同的PLC所采用的CPU有所不同，通常有三種：
a 通用微處理器(如8086, 80286, 80386等)。
b 單片機芯片(如8031, 8096等)。
c 位片式微處理器(如AMD-2900等)。
PLC的檔次越高，CPU的位數(shù)也越多，運算速度也越快，其指令功能也越強。
2）存儲器
PLC的內(nèi)部存儲器(簡稱內(nèi)存)用來存儲系統(tǒng)管理程序和用戶程序。內(nèi)存有兩種：
a 隨機存儲器RAM。
b 只讀存儲器ROM, PROM, EPROM, EEPROM。
3）輸入/輸出(I/O單元)
輸入、輸出信號分為開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量。
本設(shè)計的輸入和輸出均采用開關(guān)量，所以這里僅以開關(guān)量為例進行說明。
I/O單元是PLC與被控對象之間傳遞輸入輸出信息的接口部件。為了防止各種干擾和高電壓竄入PLC 內(nèi)部而影響其工作可靠性，I/O單元首先應(yīng)具有電隔離作用和濾波作用。PLC 的各種輸入器件(如各種開關(guān)、接頭和熱電偶等)和各種輸出控制器件(如電磁閥、接觸器、和繼電器等)有交流和直流型，有高電壓和低電壓型，有電壓型和電流型。為保證PLC 能正常工作，I/O單元必須把外部的電壓和電流信號變換成PLC 能接受和識別的低電壓信號，以及把PLC 輸出的低電壓信號變換成被控器件能接受或所要求的電壓、電流信號，因此I/O單元還應(yīng)具有電壓、電流的變換作用。
通常PLC的輸入有三種類型：一種是直流(DC)12—24V輸入，另一種是交流(AC)100—120V 或200—240V 輸入，第三種是交直流(AC/DC)12-24V 輸入。輸入開關(guān)可以是無源觸點或傳感器的集電極開路晶體管。各種PLC的輸入電路大致相同。
通常，PLC的輸出也有三種形式：一種是繼電器輸出型，CPU輸出時接通或斷開繼電器的線圈，繼電器的觸點閉合或斷開，通過繼電器觸點控制外電路的通斷；另一種是晶體管輸出型，通過光耦合使開關(guān)晶體管截止或飽和導(dǎo)通以控制外電路；第三種是雙向晶閘管輸出型，采用的是光觸發(fā)型雙向晶閘管。在這三種輸出中，以繼電器輸出響應(yīng)最慢。
每種輸出電路都有隔離措施。繼電器的觸點和線圈將PLC內(nèi)部電路與外部負(fù)載電路進行電氣隔離。晶體管輸出型是在PLC內(nèi)部電路與輸出晶體管之間用光耦合器進行隔離。雙向晶閘管輸出型是在PLC內(nèi)部電路與雙向晶閘管之間采用光觸發(fā)晶閘管進行隔離。
輸出電路的負(fù)載電源由外部提供。輸出電流一般為0.5-2.0A，輸出電流的額定值與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。
4）電源
PLC的電源一般為單相交流電源，電源電壓必須與額定電壓相符(通常為110V或220V)，也有用直流24V供電的。PLC對電源的穩(wěn)定性要求不高，一般允許電源電壓額定值在±15%的范圍內(nèi)波動。PLC都包括一個穩(wěn)壓電源，用于對CPU和I/O單元供電。有些PLC的電源與CPU合為一體。有的PLC特別是大中型PLC備有專用電源模塊。有些PLC電源部分還提供有DC24V穩(wěn)壓輸出，用于對外部傳感器供電。
5）編程器
編程器是PLC很重要的附件，它主要由鍵盤、顯示器、工作方式選擇開關(guān)和外存儲器接插口等部件組成。編程器分簡易型和智能型兩類。小型PLC常用簡易編程器，大中型PLC多用智能CRT編程器。編程器的作用是編制用戶程序，將程序送入存儲器。利用編程器檢查修改用戶程序和在線監(jiān)視PLC的工作狀況。除上述簡易型和智能型這兩種編程器之外，還可采用通用計算機作為編程器?，F(xiàn)在有些公司在個人計算機上添加適當(dāng)?shù)挠布涌诤蛙浖纯墒惯@些微機作為編程器用。用微機作為編程器， 可以直接編制梯形圖，監(jiān)視功能也比較強，并且對于己經(jīng)擁有微機的用戶，可省去一臺編程器，節(jié)省開支。編程器的功能隨著PLC功能的不斷增強也在不斷強化，它已不是一個單一的程序輸入裝置，而兼有許多功能。編程器通常有兩種編程方式：
a 在線(聯(lián)機)編程方式
編程器與PLC上的專用插座直接相連，程序可直接寫入到PLC的用戶程序存儲器中去，也可先將程序存放在編程器內(nèi)，然后再轉(zhuǎn)入PLC 的存儲器中。這種編程方式不但調(diào)試程序方便，而且還能監(jiān)視PLC內(nèi)部工作狀態(tài)。
b 離線(脫機)編程方式
編程器與PLC脫開，待程序?qū)懲旰蟛排cPLC相連。離線編程方式不影響PLC的現(xiàn)行工作[6]。
4.3.2 PLC程序的表達方式
與計算機的工作原理一樣，PLC 的操作是按其程序要求進行的，而程序是用程序語言表達的。表達方式有多種多樣，不同的PLC生產(chǎn)廠家，不同的機種，采用的表達方式也不相同。但基本上可歸納為字符表達方式(即用文字符號表達程序，如語句表程序表達方式)和圖形符號表達方式(即用圖形符號表達程序，如梯形圖程序表達方式)這兩大類。也有將這兩種方式結(jié)合起來表示PLC程序。
1）梯形圖
PLC的梯形圖編程語言與傳統(tǒng)的“繼電、接觸”控制原理圖十分相似，它形象、直觀、實用，為廣大電氣技術(shù)人員所熟知。這種編程語言繼承了傳統(tǒng)的繼電器控制邏輯中使用的框架結(jié)構(gòu)、邏輯運算方式和輸入輸出形式，使得程序直觀易讀。當(dāng)今世界上各國的PLC制造廠家所生產(chǎn)的PLC大都采用梯形圖語言編程。
2）語句表
用語句表所描述的編程方式是一種與計算機匯編語言類似的助記符編程方式。由于不同型號的PLC的標(biāo)識符和參數(shù)表示方法不一，所以無千篇一律的格式。
3）邏輯符號圖
采用邏輯符號圖表示控制邏輯時，首先定義某些邏輯符號的功能和變量函數(shù)，它類似于“與”、“或”、“非”邏輯電路結(jié)構(gòu)的編程方式。一般說來，用這三種邏輯能夠表達所有的控制邏輯。這是國際電工委員會(IEC)頒布的PLC編程語言之一。
4）高級編程語言
隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，近年來推出的PLC，尤其是大型PLC，已開始用高級語言進行編程。許多PLC采用類似PASCAL語言的專用語言，系統(tǒng)軟件具有這種專用語言編程的自動編譯程序。采用高級語言編程后，用戶可以像使用普通微形計算機一樣操作PLC。除了完成邏輯控制功能外，還可以進行PID 調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集和處理以及計算機通信等。
上述幾種編程語言(方式)，最常用的是梯形圖和語句表，其次是邏輯符號圖，近幾年來也使用高級語言[6]。
4.3.3 PLC的工作方式
1）PLC中等效元件的功用及其編號
PLC中的等效輸入繼電器X和等效輸出繼電器Y。計時器T、計數(shù)器C、輔助繼電器M 等均可理解為一個線圈和多個動合(常開)、動斷(常閉)觸點，并都可以在PLC內(nèi)部控制電路中使用，且均具有各自的相應(yīng)編號，下面分別簡介其功用與編號。
a 輸入繼電器（X）
PLC的輸入端子是從外部開關(guān)接受信號的窗口，PLC 內(nèi)部與輸入端子連接的輸入繼電器X是用光電隔離的電子繼電器，它們的編號與接線端子編號一致（按八進制輸入），線圈的吸合或釋放只取決于PLC外部觸點的狀態(tài)。內(nèi)部有常開/常閉兩種觸點供編程時隨時使用，且使用次數(shù)不限。輸入電路的時間常數(shù)一般小于10ms。各基本單元都是八進制輸入的地址，輸入為X000 ～ X007，X010 ～X017，…… 。它們一般位于機器的上端。
b 輸出繼電器（Y）
PLC的輸出端子是向外部負(fù)載輸出信號的窗口。輸出繼電器的線圈由程序控制，輸出繼電器的外部輸出主觸點接到PLC的輸出端子上供外部負(fù)載使用，其余常開/常閉觸點供內(nèi)部程序使用。輸出繼電器的電子常開/常閉觸點使用次數(shù)不限。輸出電路的時間常數(shù)是固定的 。各基本單元都是八進制輸出，輸出為Y000 ～Y007，Y010～Y017，……。它們一般位于機器的下端。
c 輔助繼電器（M）
PLC內(nèi)有很多的輔助繼電器，其線圈與輸出繼電器一樣，由PLC內(nèi)各軟元件的觸點驅(qū)動。輔助繼電器也稱中間繼電器，它沒有向外的任何聯(lián)系，只供內(nèi)部編程使用。它的電子常開/常閉觸點使用次數(shù)不受限制。但是，這些觸點不能直接驅(qū)動外部負(fù)載，外部負(fù)載的驅(qū)動必須通過輸出繼電器來實現(xiàn)。如下圖中的M300，它只起到一個自鎖的功能。在FX2N中普遍途采用M0～M499，共500點輔助繼電器，其地址號按十進制編號。輔助繼電器中還有一些特殊的輔助繼電器，如掉電繼電器、保持繼電器等，在這里就不一一介紹了。
d 定時器（T）
在PLC內(nèi)的定時器是根據(jù)時鐘脈沖的累積形式，當(dāng)所計時間達到設(shè)定值時，其輸出觸點動作，時鐘脈沖有1ms、10ms、100ms。定時器可以用用戶程序存儲器內(nèi)的常數(shù)K作為設(shè)定值，也可以用數(shù)據(jù)寄存器（D）的內(nèi)容作為設(shè)定值。在后一種情況下，一般使用有掉電保護功能的數(shù)據(jù)寄存器。即使如此，若備用電池電壓降低時，定時器或計數(shù)器往往會發(fā)生誤動作。
定時器通道范圍如下：
100 ms定時器T0～T199， 共200點，設(shè)定值：0.1～ 3276.7秒；
10 ms定時器T200～TT245，共46點，設(shè)定值：0.01～327.67秒；
1 ms積算定時器 T245～T249，共4點，設(shè)定值：0.001～32.767秒；
100 ms積算定時器T250～T255，共6點，設(shè)定值：0.1～3276.7秒；
當(dāng)定時器線圈T200的驅(qū)動輸入X000接通時，T200的當(dāng)前值計數(shù)器對10 ms的時鐘脈沖進行累積計數(shù)，當(dāng)前值與設(shè)定值K123相等時，定時器的輸出接點動作，即輸出觸點是在驅(qū)動線圈后的1.23秒（10 * 123ms = 1.23s）時才動作，當(dāng)T200觸點吸合后，Y000就有輸出。當(dāng)驅(qū)動輸入X000斷開或發(fā)生停電時，定時器就復(fù)位，輸出觸點也復(fù)位。
每個定時器只有一個輸入，它與常規(guī)定時器一樣，線圈通電時，開始計時；斷電時，自動復(fù)位，不保存中間數(shù)值。定時器有兩個數(shù)據(jù)寄存器，一個為設(shè)定值寄存器，另一個是現(xiàn)時值寄存器，編程時，由用戶設(shè)定累積值。
定時器線圈T250的驅(qū)動輸入X001接通時，T250的當(dāng)前值計數(shù)器對100 ms的時鐘脈沖進行累積計數(shù)，當(dāng)該值與設(shè)定值K345相等時，定時器的輸出觸點動作。在計數(shù)過程中，即使輸入X001在接通或復(fù)電時，計數(shù)繼續(xù)進行，其累積時間為34.5s（100 ms*345=34.5s）時觸點動作。當(dāng)復(fù)位輸入X002接通 ，定時器就復(fù)位，輸出觸點也復(fù)位。
e 計數(shù)器（C）
FX2N中的16位增計數(shù)器，是16位二進制加法計數(shù)器，它是在計數(shù)信號的上升沿進行計數(shù)，它有兩個輸入，一個用于復(fù)位，一個用于計數(shù)。每一個計數(shù)脈沖上升沿使原來的數(shù)值減1，當(dāng)現(xiàn)時值減到零時停止計數(shù)，同時觸點閉合。直到復(fù)位控制信號的上升沿輸入時，觸點才斷開，設(shè)定值又寫入，再又進入計數(shù)狀態(tài)。 其設(shè)定值在K1～K32767范圍內(nèi)有效。設(shè)定值K0與K1含義相同，即在第一次計數(shù)時，其輸出觸點就動作。
通用計數(shù)器的通道號：C0 ～C99，共100點。
保持用計數(shù)器的通道號：C100～C199，共100點。
通用與掉電保持用的計數(shù)器點數(shù)分配，可由參數(shù)設(shè)置而隨意更改。
由計數(shù)輸入X011每次驅(qū)動C0線圈時，計數(shù)器的當(dāng)前值加1。當(dāng)?shù)?0次執(zhí)行線圈指令時，計數(shù)器C0的輸出觸點即動作。之后即使計數(shù)器輸入X011再動作，計數(shù)器的當(dāng)前值保持不變。
l 當(dāng)復(fù)位輸入X010接通（ON）時，執(zhí)行RST指令，計數(shù)器的當(dāng)前值為0，輸出接點也復(fù)位。
l 應(yīng)注意的是，計數(shù)器C100～C199，即使發(fā)生停電，當(dāng)前值與輸出觸點的動作狀態(tài)或復(fù)位狀態(tài)也能保持。
f 數(shù)據(jù)寄存器（D）
數(shù)據(jù)寄存器是計算機必不可少的元件，用于存放各種數(shù)據(jù)。FX2N中每一個數(shù)據(jù)寄存器都是16bit（最高位為
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