1、1第 1 章 绪论1.1 工业机器人的简介工业机器人是机械技术、电子技术与计算机技术有机结合在一起形成的一种机电一体化的产品，从其诞生起就受到人们的关心与重视。经过几十年的发展，目前工业机器人技术已经很成熟。工业机器人已从最初在解决劳动密集型工业中单调、重复的体力劳动发展到满足制造业自动化规模生产需要的工作。其应用领域不断扩 大，从最初主要应用于汽车工业发展到现在涉及制造业的各个行业。目前我国国民经济的快速发展，先进制造业已进入一个新的发展阶段。随着经济全球化和我国加入 WTO，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际竞争的局面。如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本、快速反应的手
2、段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题，这些问题为工业机器人的应用提供了大的市场需求，促使中国工业机器人的应用市场日趋成熟。近几年来，国外著名的工业机器人制造厂商纷纷加大了在我国的投资和应用技术的投入，对我国的国产工业机器人产业的发展带来了严峻的挑战。我国政府非常重视机器人技术的发展，从“七五”科技攻关及实施 863 计划开始，就有计划地组织和发展工业机器人事业，经过 20 多年的研制和应用，目前在工业机器人的一些机种方面，如喷漆机器人、焊接机器人、搬运机器人、装配机器人和特种机器人都有了长足的进步，基本掌握了工业机器人的设计制造技术和机器人应用中单元和生产线的设计、制造技术，有
3、了一支具有一定水平的技术队伍，奠定了我国独立自主发展机器人产业的基础。但是，我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距，仅相当于国外九十年代中期的水平。目前工业机器人的生产规模仍然不大，多数是单件小批生产，关键配套的单元部件和器件始终处于进口状态，工业机器人的性价比较低。我国整体装备制造水平不高，制约了我国工业机器人产业的形成和实现规模化的发展。尽管中国工业机器人的需求在逐年增加，但要能为用户提供高质价廉的工业机器人商品，目前在我国尚有较长的路程。首先为了促进中国工业机器人产业的发展，必须在以市场需求为主的前提下，国家在政策上鼓励企业在技术投入和技术改造方面应用国产工业机器人。同
4、时转变现有的机制，建立以适应市场经济所需的工业机器人的产业基地。其次，在国家的科技发展规划中，应继续对工业机2器人的研究开发和应用关键、基础部件的研究和产品化给予支持，形成产品和自动化制造装备同步协调发展的新局面。第三，结合我国的国情，加强我国工业机器人应用工程的开发，使之与国民经济的发展密切相结合。经过近十年的努力，我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力，已有一支了解企业的需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这样可以促进我
5、国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可形成具有一定规模的产业。如果说 20 世纪 90 年代机床创新的最大成就是发明并联机床的话，那么当今工业机器人在机床上的应用已成为发展的一大趋向。机器人与机床相结合，以往主要是解决工件自动上下料搬运问题，致使机床得以无人化 24 小时连续运转。如擅长专机制作的意大利 COMAU 公司，他们比较成熟地将缸体及缸盖生产线中的零件搬运，设计成由机器人完成。当然，对工件的抛光打磨、清洗及其它脏、累活也是机器人表现的舞台。去年 9 月在汉诺威 EMO2005 展览会上，工业机器人的应用非常抢眼，而且它应用的领域也在扩大。然而在这次CCMT2006 展
6、览会上，值得一机器人应用是当今机床发展的一大趋向提的是 1 号馆 W 1 - 9 1 6 意大利意沃乐 EVOLUT 公司，这个欧洲最大的机器人应用与集成公司，他们的一台 DC-5 机器人修边、倒角装置特别引人注目。该机器人可以装夹工具对主轴上零件修边去毛刺，甚至机器人可以加装动力源用刀具对零件进行加工，因此它已将机械人传统的搬运、喷漆、焊接工作范围扩展到了金属切削及抛光领域。工作单元还可以配备各种上料方式：如带视频装置可抓取随机摆放的工件，或以旋转台摆放，或以传送带摆放等等。DC-5 工作单元可以处理的最大负荷为120/150kg。适宜加工的金属材料为铝镁合金、铜、铅、铸铁等。可以代替至少四
7、个工人的工作量。3 D 编程软件将以往 8 小时编程时间缩减为 15 分钟，为小批量多品种的工件提供最好的解决方案。意沃乐公司除此以外最常涉足的领域还有用于压铸单元、车、铣中心单元、复合机床单元、零件抛光单元上的各种机械人应用等等。随着社会的不断发展和进步，势必劳动力的成本将越来越高，对环保及安全的要求将越来越严，所以工业机器人的应用必将与时俱进。而且，由机器人干出的工件，譬如说打磨，其零件的一致性肯定比人工来得好，因此欧洲有些名牌汽车制造商甚至对某些零件的某些工步，规定必须由机器人来操作。由此看来，工业机器人在机床上的应用会将越来越广 。31.2 机械手概述3机械手是在机械化、自动化生产过程
8、中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：（1）机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。（2）在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。（3）可在劳动条件差，单调重复易子疲
9、劳的工作环境工作，以代替人的劳动。（4）可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。（5）宇宙及海洋的开发。（6）军事工程及生物医学方面的研究和试验。由于以上诸多原因，因此在装配生产线上我们用液压自动搬运机械手来完成目的。1.3 液压技术的特点及发展趋势液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转
10、换和控制。从原理上来说，液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。随着生产自动化程度的不断提高，液压技术应用面迅速扩大，液压产品品种规格持续增多，性能、质量不断提高，市场销售产值稳步增长。在工业技术发达的欧美、日本等国家，液压元件产值以接近液压元件的产值，而且仍以较4快的速度在发展。液压工业的高速增长，进一步刺激了
11、液压技术的发展。液压技术正朝着精确化、高速化、小型化、复合化和集成化的方向发展 。61.4 液压系统传动原理液压传动中所需要的元件主要有动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件等。其中液压动力元件是为液压系统产生动力的部件，主要包括各种液压泵。液压泵依靠容积变化原理来工作，所以一般也称为容积液压泵。齿轮泵是最常见的一种液压泵，它通过两个啮合的齿轮的转动使得液体进行运动。其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵，在选择液压泵的时候主要需要注意的问题包括消耗的能量、效率、降低噪音。液压执行元件是用来执行将液压泵提供的液压能转变成机械能的装置，主要包括液压缸和液压马达。液压马达是与液压泵做相反的工作的装置，也就
12、是把液压的能量转换称为机械能，从而对外做功。液压控制元件用来控制液体流动的方向、压力的高低以及对流量的大小进行预期的控制，以满足特定的工作要求。正是因为液压控制元器件的灵活性，使得液压控制系统能够完成不同的活动。液压控制元件按照用途可以分成压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀。按照操作方式可以分成人力操纵阀、机械操纵法、电动操纵阀等。液压作为一个广泛应用的技术，在未来更是有广阔的前景。随着计算机的深入发展，液压控制系统可以和智能控制的技术、计算机控制的技术等技术结合起来，这样就能够在更多的场合中发挥作用，也可以更加精巧的、更加灵活地完成预期的控制任务 。11.5 本课题设计目的目前在装配生产线上
13、应用的自动搬运机械手（上下料装置）主要采用伺服电机的驱动方式，因为电动伺服技术是一项比较成熟的技术，能够实现系统在直线运动和转动状态下的精确定位，通过与一些机械装置的结合，可以输出较大的功率。采用伺服电机虽然可以达到很高的定位精度，但价格非常昂贵，且工作效率较低，因此限制了自动装卸机械手在装配生产线上的广泛应用。制造行业提出了能否用其他技术可行、成本更低的机械手来替代采用伺服电机机械手的实际问题。本课题设计的目的就是采用低成本、抓取力量大和易于控制的液压来组成液压机械手，最终实现装配生产线上工件的自动搬运。51.6 本课题设计内容本课题要设计一套 4 自由度液压装卸机械手，主要的设计有以下几个
14、方面：（1）确定机械手的总体结构根据装配生产线搬运机械手的特点，确定液压搬运机械手的总体方案，保证机械手在空间有限位置的定位。然后根据考虑的总体方案确定机械手的总体结构，可采用模块化的设计，将机械手分为若干个模块，对各个模块进行设计，最后把这些模块拼装起来组成机械手。（2）设计机械手的部分零部件根据所设计的驱动系统，设计和选择机械手的部分零部件。（3）设计机械手的控制系统一般来说，设计机械手的控制系统需要考虑以下几点：1）确保机械手有足够的定位精度；2）控制机械手的运行速度，既要使时间最优化，又要考虑是否会产生惯性冲击或震动；3）考虑控制系统的成本。根据以上几点要求及机械手各部分的功能需求来设
15、计机械手的控制系统。6第 2 章 液压式搬运机械手方案设计2.1 液压式搬运机械手的组成及各部分关系概述机械手主要由执行系统、驱动系统、控制检测系统及智能系统几部分组成：(1) 执行系统：执行系统是机械手完成锌锭堆码，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、机身、机架等。 手部：机械手为了进行作业而配置的操作机构，又称手爪或抓取机构，它直接抓取锌锭。机身：机械手的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、位移。机架：机身的支撑部件，其作用是使机身按其预定轨道实现 Y 方向的位移。(2) 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其运动的装置。常用的有液压传动、气压传动和电
16、传动。(3) 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。(4) 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。2.2 液压式搬运机械手方案设计2.2.1 设计要求通过设计机械手，培养综合运用所学过的基本理论、基本知识和基本方法分析能力和解决问题的能力。该机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动的操作空间，手臂在水平方向的移动行程为 ，手臂回转运动行程范围为 ，最大工作范围是m1090，腰部机构升降行程为 。抓取工件为圆柱形轴，外形尺寸为直m104径 ，长度
17、。该机械手在 PLC 控制下可实现单步、连续动作6.dh6两种工作方式。72.2.2 总体方案拟定根据设计要求确定总体方案：液压机械手采用圆柱坐标型，具有 4 个自由度的液压搬运机械手驱动系统：液压传动控制系统：PLC 控制图 2-1 机械手的运动简图与其他类型的机械手相比，液压机械手具有反应迅速、抓取力量大、易于控制、定位精度高等特点。本课题拟设计一套 4 自由度液压搬运机械手，该机械手是应用于某企业的装配生产线的搬运机械手，企业原装配生产线采用有 5个自由度、伺服电机驱动的机器人来完成此工作。原机器人控制复杂、价钱昂贵、运行速度较慢，因此本次设计改用由 PLC 控制的 4 自由度液压机械手
18、来代替原有的机器人。本设计中的四由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表 2-1表 2-1机械手类型 四由度圆柱坐标型抓取重量 2.38Kg自由度 4（2 回转 2 个移动）机座内部 回转运动，回转角 0-270，液压马达驱动8腰部机构 伸缩运动，升降范围 400mm，液压缸驱动手臂机构 伸缩运动，伸缩范围 100mm，液压缸驱动第 3 章 液压搬运机械手的系统设计3.1 液压机械手执行机构设计3.1.1 手爪夹紧力的校验3.1.1.1 零件的计算:239.1450.869()584027.23.()1VRhmvGgN其中 g 取 9.8取 G=24（N）3.1.1.2 紧力的计算：要夹持住
19、零件必须满足条件： 2NfFGf 为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为圆柱形物件，手指为钢材，查机械零件手册f=0.15，N 为作用在零件内壁上压紧力，G 为零件重力。所以 )(8015.2/(4/fF取 =80（N）由机械制造装备式 4-56 可知驱动力的计算公式为： )/1(cos22blP取 ， 为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，49查机械零件手册表 2-2 这里取 0.8592.085b=90.8mm,l=154.53mm。所以8.137)/(14cos8053.14202P取 p=150(N)由于本设计所采用的是与液压缸作用原理一样的油腔来驱动手爪张合，所9以设计和选择的油腔应该满
20、足夹紧工件所需要的推力，油腔结构见图。3.1.1.3 手爪的强度校验当手爪工作时，由于夹过程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和破损。工件与弹簧片间的力：由上节可知 F=80N。则弹簧爪截面上的剪应力为=30MPa，=Q/A= 3328041MPa故弹性爪满足强度要求。3.1.2 手臂机构的设计3.1.2.1 手臂的设计要求手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求：a. 根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。b.尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。c.
21、要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。本设计手臂直接联接在底座升降液压缸上，结构简单，装拆方便，尾部设置导向杆，以防止活塞杆转动，确保手臂随机座一起转动。3.1.2.2 伸缩液压油缸的选择初选液压缸型号为 Y-HG1-C50/3640LF4HL1Q，它的主要技术参数如表 3-1。表 3-1 冶金设备标准液压油技术规格活塞杆直径 /mm 油口直径速度比缸 径/mm1.46 2通径/mm联接螺纹50 28 36 10 M18x1.5103.1.2.3 活塞杆的强度校核末端执行器的重量约为：12Kg。 工件重量为：2.38Kg。由静力平衡方 M
22、 B=0 R1LAB QLBC=0M A=0 R2LAB QLAC=0求得支反力为： R1=292NR2=628.93N以 A 点为坐标原点，得剪力图和弯矩图如下：由材料力学附表5查得活塞杆=140MPa, =240MPa.则在 B 处横截面上的剪应力为：B= R 2/A= 安全。3268.91.0()4MPa在 B 处的弯应力为： B= MB/A= 安全。39.1.89(280)16a3.1.3 腰部和基座设计 3.1.3.1 结构设计11通过安装在支座上的步进电机和锥齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在顶部的液压缸带动横梁转动实现手臂的上下移动。采用了导向杆导向，
23、确保手臂随机座一起转动。它的结构如装配图。3.1.3.2 步进电机的选取初选电机为 BF 反应式步进电机，型号为：90BF001。它的有关技术参数如下表：电机型号相数 步距角/（）电压/V最大静转矩/Nm(Kgfcm)最高空载启动频 率/HZ运行频率/HZ转子转动惯量10 Kgm52分配方式质量/Kg90BF001 4 09 80 3.92 2000 8000 17.64 四相八拍45A、传动系统等效转动惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机
24、轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。（1） 、电机转子转动惯量 的折算DJ由机电综合设计指导表 2-18 查出 =1.764cm 2DJ（2） 、联轴器转动惯量 的折算L)/(822cmKgMJcL式中： 为圆柱质量（Kg） ，D 为圆柱体直径（cm）,L 为圆柱体长c度。对于钢材，材料密度为 ,把数据代入上式得：)108.733cKg(9.22mMJcL（3） 、手臂转动惯量 的折算G工作台是移动部件，其移动质量折算到活塞轴上的转动惯量 可按GJ12下式进行计算： 见机电综合设计指导公MLJG20)(式（2-6）P8式中， 为活塞工作长度（cm） ； 为工作台质量（kg） 。0所以：
25、222 15.714.380)( cmkgLJG （4） 、系统等效转动惯量 计算J 294.615.90.276. ckgJGSLD B、验算矩频特性步进电机最大静转矩 是指电机的定位转矩，从机电综合设计maxjM指导表 2-21 中查得 。步进电机的名义启动转矩92.3与最大静转矩 的关系为：mqMaxj见机电综合设计指导公式（2-29）P32axj查机电综合设计指导表 2-12 P35 得 0.707。所以，mmq 7.29.370.步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算：见机电综合设计指导公式（2-30）0MKfaKqP32式中： 为空
26、载启动力矩（Ncm） ； 为空载启动时运动部件q kaM由静止升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（Ncm） ；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（Ncm） ； Kf有关 的各项力矩值计算如下：qM（1）加速力矩见机电综合设计指导公式（2-32）和360102maxa 2maxpbKvntnJ（2-33）P32式中： 为传动系统等效转动惯量； 为电机最大角加速度； 为与Jmaxn13运动部件最大快进速度对应的电机最大转速；t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间， 为运动部件最大快进速度； 为初选maxvb步进电机的步距角； 为脉冲当量。pin/1250360.9.5maxa
27、 rvnpb cmtnJMKa 17.402.61543.2 22ax（2） 、空载摩擦力矩见机电综合设计指导公式（2-iLfGkf2034）P35式中： 为运动部件的总重量； 为导轨摩擦系数； 齿轮传动降速f i比； 为传动系数总效率，取 0.8； 为活塞工作长度。0LcmMkf 5.018.432971C、启动矩频特性校核步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速 规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。查看机电综合设计指导图 2-21 P36，从 90BF001 矩特性图中，可
28、查得：纵向：空载启动力矩 对应的允许启动频率 。KqMcm148.3 ZyqHf210查机电综合设计指导表 2-11 P34，步进电机 150BF002 启动频率,所以所选电机不会丢步。yqZqfHf20D、运行矩频特性校核步进电机的最高快进运行频率 可按下式计算：KJf见机电综合设计指导公式（2-PKZvf601max36）P36式中： 为运动部件最大快进速度。算得 。maxv ZKZHf3.8快进力矩 的计算公式：KJM14见机电综合设计指导 公式（2-0MKfJ37）P37式中： 为附加摩擦力矩， 为快进时，折算到电机轴上的摩擦0 Kf力矩。 算得：。cmKfJ 1.978.4250查看
29、机电综合设计指导P36，从 90BF001 运行矩频特性图中，可知：快进力矩 对应的允许快进频率 ；KJMcm0.19781.978 KJyf所以,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。综上所述，所选用的步进电机 90BF001 符合要求，可以使用。3.1.3.3 轴承的选取圆锥滚子轴承作为机座的支承原件，是机器人研制的专用轴承，具有宽度小、直径大、精度高、刚度大、承载能力高（可承受径向力、轴向力和倾覆力矩） 、装置方便等特点。该种轴承主要承受以径向为主的径、轴向联合载荷。轴承承载能力取决于外圈的滚道角度，角度越大承载能力越大。该类轴承属分离型轴承，根据轴承中滚动体的列数分为单列、双列和四
30、列圆锥滚子轴承。图 3.1 圆锥滚子轴承表 3-2 轴承参数尺寸轴承代号 dDTBC32926 130 180 32 30 263.1.3.4 齿轮的选取齿轮的参数如下表所示15表 3-3名称 代号 小齿轮 大齿轮分度圆直径 d 80 152齿数 z 20 38大端模数 m 4节锥角 27.759o 62.241o锥距 R 85.882齿宽 b 26齿距 p 12.56工作齿高 h 6.8齿高 h 7.552齿顶高 4.528 2.272齿跟高 f 3.024 5.28顶隙 c 0.725齿跟角 f2.017o 3.518o齿顶角 3.018o 1.515o顶圆锥角 30.777o 63.75
31、6o跟圆锥角 f 25.742o 58.723o齿顶圆直径 d88.014 154.116冠顶距 kA73.891 37.989大端分度圆弧齿厚 s 7.583 4.977法向侧隙 nj 46齿轮材料为 20Cr 且经渗碳淬火，接触材料系数：KHC=0.86 弯曲材料系数 KFC=0.97。 16第 4 章 机械手 PLC 控制系统设计4.1 PLC 的基本概念可编程控制器，简称 PLC(Programmable Logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。1987 年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的
32、 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义：“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。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能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应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计 。104.1.1 PLC 产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。19
33、68年，美国通用汽车公司(GM)为适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种能减少重新设计控制系统和接线、降低成本、缩短时间的措施，并设想把计算机功能的完备、灵活通用和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。1969年美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第1台PLC，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用，获得成功。从此，这项新技术便迅速发展起来。1971年日本从美国引进了该项新技术，很快就研制出了日本第1台PLC。19731974年，
34、西德和法国也相继研制出了自己的第1台PLC。中国从1974年开始研制，1977年应用于工业生产。限于当时的元器件条件和计算技术的发展水平，早期的PLC主要由分立元件和小规模集成电路组成。19691973年是PLC的初创时期。在这个时期，PLC从有触点不可编程的硬接线顺序控制器发展成为小型机的无触点可编程逻辑控制器，可靠性比以往的继电器控制系统有较大提高，灵活性也有所增强。其主要功能限于逻辑运算、17计时、计数和顺序控制，CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。19741977年是PLC的发展中期。在这个时期，由于8位单片CPU和集成存储器芯片的出现，PLC得到了迅速发展和完善，并逐步
35、趋向系列化和实用化，普遍应用于工业生产过程控制。PLC除了原有功能外，又增加了数值运算、数据的传递和比较、模拟量的处理和控制等功能，可靠性进一步提高，开始具备自诊断功能。1978-1983年，PLC进入成熟阶段。这个时期，微型计算机行业已出现了16位CPU，MCS一51系列单片机也由Intel公司推出，使PLC也开始朝着大规模、高速度和高性能方向发展，PLC的生产量在国际上每年以30%的递增量迅速增长。在结构上，PLC除了采用微处理器及EPROM，EEPROM，CMCS RAM 等LSI电路外，还向多微处理器发展，使PLC的功能和处理速度大大提高；PLC的功能又增加了浮点运算、平方、三角函数、
36、相关数、查表、列表、脉宽调制变换等，初步形成了分布式可编程控制器的网络系统，具有通讯功能和远程IO处理能力，编程语言较规范和标准化。此外自诊断功能及容错技术发展迅速，使PLC系统的可靠性得到了进一步提高。1984年后，PLC的规模更大，存储器的容量又提高了1个数量级(最高可达896 K)，有的 PLC已采用了32位微处理器，多台PLC 可与大系统一起连成整体的分布式控制系统，在软件方面有的已与通用计算机系统兼容。编程语言除了传统的梯形图、流程图语句表外，还有用于算术的BASIC语言、用于机床控制的数控语言等。在人机接口方面，采用了现实信息等更多直观的CRT，完全代替了原来的仪表盘，使用户的编程
37、和操作更加方便灵活。PLC的I/O模块一方面发展自带微处理器的智能I/O模块，另一方面也注意增大I/O点数，以适应控制范围的增大和在系统中使用A/D，D/A通讯及其他特殊功能模件的需要。同时，各PLC生产厂家还注意提高I/O的密集度，生产高密度的I/O模块，以节省空间，降低系统的成本 。104.1.2 PLC的应用领域目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、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，使用情况大致可归纳为如下几类：开关量逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，他取代传统的继电器电路，可实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于
38、多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线和电镀流18水线等。模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的AD转换和D/A转换。PLC厂家都生产配套了A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。运动控制PLC可以用于圆周运动和直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/0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，可驱动液压缸或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各
39、种机械、机床、机器人和电梯等场合。闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块实现模拟量与数字量之间的A/D，D/A转换，并对模拟量进行闭环PID控制，可用PID子程序来实现，也可使用专用的PID模块。当控制过程中任一个变量出现偏差时，PLC就按PID的算法计算出正确的输出去控制生产过程，使变量保持在定值上。PLC的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金、电力和建材等行业。定时记数控制PLC具有定时记数控制功能，能保证控制系统所要求的定时和延时以及记数，它可提供十个甚至
40、几百个计时器和计数器，其计时的时间、计数值可以由用户在编写程序时设定，也可由操作员在工业现场通过编程器进行设定。顺序控制实现顺序控制，可以用移位寄存器和步进指令编写程序，也可采用规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图编写程序，使得PLC实现按事件或输入状态的顺序控制。数据处理现代的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存贮在存储器中的参考值比较，也可以用通讯功能传送到别的智能装置，或将其打印制表。数据处理一般用在大、中型控制系统，如柔性制造系统、过程控制系统等。通信和联网PLC具有通信功能，因此PLC可单机控制，也可多机控
41、制；可对远程IO进行控制，又能实现PLC与PLC，PLC与计算机之间的通信；可实现“集中管理，分19散控制”，是实现工厂自动化的理想控制器。目前PLC与PLC的通讯网络是各厂家专用的。PLC与计算机之间的通讯，一些PLC生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢 。54.1.3 PLC的发展趋势随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的不断发展，PLC的结构和功能不断改进，生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品，平均35 a更新换代1次。PLC的发展有2个重要趋势： 向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微型化发展，以适应复杂单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求，实现机电一体化； 向
42、大型化、复杂化、多功能、分散型、多层分布式工厂全自动网络化方向发展。例如：美国GE公司推出的Genettwo工厂全自动化网络系统，不仅具有逻辑运算、计时、计数等功能，还具有数值运算、模拟量控制、监控、计算机接口、数据传递等功能，而且还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。该系统配置了GEBASIC语言，向上能与上位计算机进行数据通讯，向下不仅能直接控制CNC数控机床、机器人，还可通过下级PLC去控制执行机构。在操作台上如果配备该公司的Factory Master数据采集和分析系统，Viewaster彩色图像系统，则管理、控制整个工厂十分方便。智能I/O模块是以微处理器为基础的功能部件
43、。它们的CPU 与PLC的主CPU 并行工作，占用主机CPU 的时间很少，有利于提高 PLC的扫描速度。智能模块主要有模拟量I/O、PID回路控制、通信控制、机械运动控制等，高速计数、中断输入、BASIC和C语言组件等。智能I/O的应用，使过程控制功能增强。某些PLC的过程控制还具有自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。目前，个人计算机主要用作PLC的编程器、操作站或人机接口终端，其发展是使PLC具备计算机的功能。大型PLC采用功能很强的微处理器和大容量存贮器，将逻辑控制、模拟量控制、数学运算和通讯功能紧密结合在一起。这样，PLC与个人计算机、工业控制计算机、集散控制系统在功能
44、和应用方面相互渗透，使控制系统的性能价格比不断提高。PLC的通讯联网功能使PLC与PLC之间，PLC与计算机之间交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制，形成分布控制系统。改善和发展新的编程语言、高性能的外部设备和图形监控技术构成的人机对话技术，除梯形图、流程图、专用语言指令外，还增加了BASIC语言的编程功能和容错功能。如：双机热备、自动切换I/O、双机表决(当输入状态与PLC逻辑状态比较出错时，自动断开该输出)、I/O三重表决(对I/O状态进行软硬件表决，20取2台相同的)等，以满足极高可靠性要求。厂家在对硬件与编程工具不断升级的同时，日益向制造自动化协议(MAP)靠拢，并使 PLC
45、 的基本部件(In 输入输出模块、接线端子、通讯协议、编程语言和编程工具等)的技术规范化、标准化，使不同产品互相兼容、易于组网，以真正方。4.1.4 PLC 的特点通用性强，控制程序可变 ，具有很好的柔性 由于 PLC 产品的系列化和模块化，PLC 配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。当控制对象的硬件配置确定以后，就可通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。在生产工艺流程改变或生产设备更新时，不必改变PLC 的硬设备，只需改变程序就可满足要求。因此，除单机控制外，PLC 在柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、以至工厂自动 化(FA)中被大量采用。 可靠性高，抗干扰能力强
46、 高可靠性是电气控制设备的关键性能。大多数用户都将可靠性作为选择PLC 的首要条件。针对 PLC 是专为在工业环境下应用而设计的，故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。硬件方面，隔离是抗干扰的主要措施之一。PLC 的输入、输出电路一般用光电耦合器来传递信号，使外部路与 CPU 之间无电路联系，有效地抑制了外部干扰源 PLC 的影响，同时，还可以防止外部高电压窜入CPU 模 块。滤波是抗干扰的另一主要措施，在 PLC 的电源电路和 IO 模块中，设置了多种滤波电路，对高频干扰信号有良好的抑制作用。故障时可及时发出警报信息。软件方面，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外
47、的电路及设备也获得故障自诊断保护。采用以上抗干扰措施后，整个系统将具有极高的可靠性一般 PLC 平均无故障时间高达 45 万小时。 功能性强，适应面广现代 PLC 不仅具有逻辑运算、计时、计数 、顺序控制等功能 ，而且还具有 A D 和 DA 转换、数值运算、数据处理等功能。因此 ，它既可对开关量进行控制 ，也可对模拟量进行控制 ，既可控制 1 台生产机械、1 条生产线 ，也可控制 1 个生产过程 。PLC 还具有通讯联络功能 ，可与上位计算机构成分布式控制系统，实现遥控功能。 编程方法简单 ，容易掌握 PLC 配备有易于接受和掌握的梯形图语言。该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原
48、理图相当接近。只用 PLC 的少量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。这样，懂得继电器和计算机的人就易于编程；同时也为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机21从事工业控制打开了方便之门。 控制系统的设计、安装、调试和维修方便PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC 的用户程序大都可以在实验室模拟调试，调试好后再将 PLC 控制系统安装到生产现场，进行联机统调。在维修方面，PLC 的故障率很低，且有完善的诊断和实现功能，一旦 PLC 外部的输入装置和执行机构发生故障，就可根据
49、 PLC 上发光二极管或编程器上提供的信息，迅速查明原因。若是 PLC 本身问题，则可更换模块，迅速排除故障，维修极为方便。 体积小 、质量小、功耗低 由于 PLC 是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品，因而结构紧凑 ，坚固，体积小，质量小 ，功耗低 ，而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力 。因此 ，PLC 很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化较理想的控制设备。价格低廉 随着集成电路芯片功能的提高、价格的降低，可编程控制器硬件的价格也一直不断地在下降。根据市场统计，国外小型 PLC 平均每一个 IO 点为(1218)美元 ，中型 PLC 折算每个 IO 点为(18 30)
