尹大伟 基于PLC的多关节工业机械手控制系统设计.docx
- 文档编号:2135278
- 上传时间:2022-10-27
- 格式:DOCX
- 页数:25
- 大小:425.75KB
尹大伟 基于PLC的多关节工业机械手控制系统设计.docx
《尹大伟 基于PLC的多关节工业机械手控制系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《尹大伟 基于PLC的多关节工业机械手控制系统设计.docx(25页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
尹大伟基于PLC的多关节工业机械手控制系统设计
第一章PLC概述
1.1PLC的定义
可编程控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC,它具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能,所以美国电气制造商协会将其正式命名为可编程控制器(ProgrammableController),简称PC。
但是个人计算机(PersonalComputer)也简称PC,为了避免混淆,将用于逻辑控制的可编程控制叫做PLC(ProgrammableLogicController).
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置,它其实就是一台计算机,它采用可以编制程序的存储器,在其内部执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,它以接入式CPU为核心,通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备,都是很容易与工业控制系统形成一个整体,容易扩展其功能的。
可编程控制器是一种工业现场用计算机。
它是为工业环境下应用而设计的,工业环境一般办公环境有较大的区别。
由于PLC的特殊构造,使它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。
为了能控制机械或生产过程,它要能很容易的与工业控制系统形成一个整体,这些都是个人计算机无法比拟的。
可编程控制器是一种通用的工业控制计算机。
它能控制各种类型的工业设备及生产过程。
它的功能能够很容易地扩展,它的程序是可以根据控制对象的不同,让使用者来编制的。
也就是说,可编程控制器较其以前的工业控制计算机,如单片机工业控制系统,具有更大的灵活性,它可以方便地应用在各种场合。
通过以上定义还可以了解到,相对一般意义上的计算机,可编程控制器不仅具有计算机的内核,它还配置了许多使其适用于工业控制的器件。
它实质上是经过一次开发的工业控制计算机。
从另一个方面来说,它是一种通用机,经过二次开发,它可以在任何具体的工业设备上使用。
它在很大程度上使的工业自动化设计从专业设计院走进工厂和矿山,变成了普通工程技术人员甚至普通电气工人力所能及的工作。
再加上体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善,适应性强,安装接线简单等众多优点,可编程控制器在短短的30年中获得了突飞猛进的发展,在工业控制领域获得了非常广泛的应用。
1.2PLC的由来及发展
1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出第一台可编程序控制器(ProgrammableLogicController,简称PLC),在美国通用汽车公司的自动装配线上使用,取得了巨大的成功。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器,使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能,成为真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言,并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期,可编程控制器进入了实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。
例如,在世界第一台可编程控制器的诞生地美国,1982年的统计数字显示,大量应用可编程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的82%,可编程控制器的应用数量已位于众多的工业自控设备之首。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。
许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。
20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。
从控制规模上来说,这个时期发展了大型机及超小型机;从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元,通讯单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都的到了长足的发展。
1.3PLC的特点及用途
1.3.1PLC具有以下几个主要特点
(1)可靠性高、抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备非常关键的性能。
PLC由于采用大规模集成电路技术、严格的生产工艺,内部电路采取了输入输出信号的光电隔离、滤波、电源的屏蔽、稳压和保护、故障诊断等先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性,它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温暖变化剧烈的环境下正常工作。
PLC的平均无故障时间可高达5~10万小时以上。
从PLC的机外电路来说,PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障率也就大大降低。
(2)功能完善、应用领域广
到现在为止PLC已经形成各种规模、系列化的产品。
可以用于各种规模的工业控制场合,并能完成决大多数的工业控制任务。
PLC所具有的完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,PLC通讯能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变的非常容易。
(3)编程简单,易学易用
PLC采用和继电器电路图接近的梯形图语言,只用少量的开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
在工业现场,可以使用手持编程器或笔记本对PLC进行编程。
当PLC联网后,可以在网络的任一位置对PLC编程。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制提供了方便。
(4)系统安装简单、体积小、价格低
PLC在存储逻辑代替接线逻辑、采用模块化的结构,大大地减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建设的周期大大缩短了。
现代集成电路技术的广泛应用,功耗仅数瓦。
由于PLC体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
使得PLC的重量越来越轻、功耗也越来越少。
在集成电路技术和生产厂家越来越多的情况下,PLC的价格也越来越低。
1.3.2可编程控制器的应用领域
PLC在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业的应用也越来越广泛,主要可以归纳为以下几类:
(1)开关量的逻辑控制
可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制,也可用于单台设备的控制,又可用于多机群控制及自动化流水线。
(2)模拟量控制
在工业生产过程中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。
(3)运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说,早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
(4)过程控制
过程控制是指对连续变化的量进行控制。
如对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。
目前已广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。
1.4PLC的主要技术指标
PLC的性能指标较多,主要介绍与组成PLC控制系统关系较直接的几个。
(1)编程语言及指令功能
用户的PLC程序可以用梯形图语言、指令标语言、功能块图编写,梯形图语言在PLC中较为常见,梯形图语言一般在计算机屏幕上编辑,使用起来简单方便。
现在功能图语言的使用有上升趋势。
编程语言中还有一个内容是指令功能。
衡量指令功能强弱可看两个方面:
一是指令条数多少;二是指令中有多少综合性指令。
一条综合性指令一般就能完成一项专门操作。
用户编制的程序完成的控制任务,取决于PLC指令的多少,指令功能越多,编程越简单和方便,完成一定的控制任务越容易。
(2)输入输出点数
输入输出点数是PLC可以接受的输入开关信号和输出开关信号的最大数量,值得注意的是输入点数往往的大于输出点数的,且二者不能相互替代。
(3)扫描速度数
扫描速度数是指PLC扫描1k(1k=1024)字用户程序所需的时间,通常以ms/k字为单位,扫描速度越快越好。
(4)存储容量
存储容量是存放用户程序的存储器的容量。
通常用k来表示。
也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。
在编制PLC程序时,需要用到大量的寄存器来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。
这些寄存器的多少,直接关系到程序的编制,该存储器的容量越大,就可以编制出更复杂的程序。
(5)可扩展性
在现代工业生产中PLC的可扩展性也显的非常重要。
主要包括:
①输入输出点数的扩展;
②存储容量的扩展;
③联网功能的扩展;
④可扩展的模块数;
另外,可编程序控制器的可靠性、易操作性及经济性等功能指示也受用户的关注。
第二章机械手简介
它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的,机械手研究始于20世纪中期,随着计算机和自动化技术的发展,特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来,计算机取得了惊人的进步,向高速度、大容量、低价格的方向发展。
同时,大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展,又为机器人的开发奠定了基础。
另一方面,核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。
在这一需求背景下,美国于1947年开发了遥控机械手,1948年又开发了机械式的主从机械手。
机械手首先是从美国开始研制的。
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利。
该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行动作示教,机器人能实现动作的记录和再现。
这就是所谓的示教再现机器人。
现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。
作为机器人产品最早的实用机型(示教再现)是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。
这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持工件(或工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构,使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。
一般专用机械手有2~3个自由度。
机械手的种类,按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改善热、累等劳动条件。
机械手首先是从美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
多关节机械手指的是利用关节连接两个相邻的刚体,即连杆,关节提供连杆之间的相对运动,在这个机构中,关节多是以其
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 尹大伟 基于PLC的多关节工业机械手控制系统设计 基于 PLC 关节 工业 机械手 控制系统 设计