|
|
文献综述：
基于PLC实现的机械手电气控制系统设计
1前言
本课题是对机械手控制系统的设计。随着科学技术的发展，电气控制技术在各领域中得到越来越广泛的应用，在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题[4]。而可编程序控制器(PLC)以其可靠性高、灵活性强、使用方便等优越性迅速占领了工业控制领域，成为先进的、应用势头最强的工业控制器[5]。机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术[6]。
2主题
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果。近年来，利用可编程序控制系统PLC以实现机械手控制已成为机械手电气控制的一种发展趋势。可编程控制器，具有良好的可扩展性、价格低廉、指令功能强大、十分适合机械手控制系统中的应用。随着科技的发展，PLC应用日益广泛，以其传统方式不可比拟的优势渐渐成为技术的趋势和主流[6]。
机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的[6]。
本课题要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。
2.1机械手控制系统的历史及现状
在有大量物品搬运的生产现场，如果还使用传统的人工搬运方式既费时又费力，还不安全。机械手的出现大大减轻了工人的劳动强度，提高了效率，同时还保证了人员的安全。随着微电子技术、计算机和现代控制理论的不断完善，机械手技术也快速发展。传统的继电器控制的半自动化装置因设计复杂、接线繁杂、易受干扰，从而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题，传统的继电器控制装置已不再适应市场经济的需要[7]。
传统靠继电器控制的机械手控制系统，外围设计复杂、接线繁杂，可靠性和稳定性差，且它们的体积较大、安装不够方便，更重要的是故障多、维修困难，外界设备多，成本高，因而越来越适应不了社会的要求。在对多类型、多通道信号同时进行检测和控制中，传统的控制系统能力有限。如何将计算机与各种设施、设备结合，简化人工操作并实现自动控制，满足社会的需求，成为一个很迫切的问题。随着科学技术的发展，由PLC构成的机械手控制系统越来越多，控制的精度越来越高，因其使用方便、可以灵活改变控制方式等特点已经得到了广泛的应用[8]。
机械手首先是从美国开始研制的，日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家，我国也陆续在工业中有所应用，但我国的自动化水平还有待提高。近年来，利用可编程序控制系统PLC以实现机械手控制已成为机械手电气控制的一种发展趋势。新型数字化、智能化PLC在工程中的应用具有极其重要的意义。可编程控制器，具有良好的可扩展性、价格低廉、指令功能强大、十分适合机械手控制系统中的应用。随着科技的发展，PLC应用日益广泛，以其传统方式不可比拟的优势渐渐成为技术的趋势和主流[13]。
2.2机械手控制系统的发展前景
机械手在工业自动化生产中越来越重要，它的特点是可通过编程来实现各种预期的作业任务，在构造上兼有人和机器的各自优点，尤其体现了人的智能和灵活性。机械手作业的准确性和在各种环境下完成作业的能力，在国民经济中有广阔的发展前景。用机械手可以代替人从事单调、重复或者繁重的体力劳动。实现生产自动化和机械化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件和保障人生安全。因此广泛运用机械制造、电子、原子能等部门。在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀性以及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至有生命的危险。自从机械手问世以来，相应的各种难题就迎刃而解了。机械手大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率，解放了劳动力。机械手的应用对人类生产有如此重要的作用，因此，机械手的设计与实现一直是人们研究的一大课题。随着工业机械手的研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，机械手作业的准确性和在各种环境下完成作业的能力，融入先进的人工智能，具有广阔的发展前景和市场空间。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间[11]。
2.3本课题存在问题及解决方案
机械手控制系统若使用传统的继电器方案，硬件电路庞大，外围电路比较复杂，这种控制方式的故障几率高，不能实现自动控制，出现故障也难以及时发现和处理，工作时隐患较大。重要的是外界设备多，成本高，出现故障维修成本高。随着科学技术的发展，人们对机械手的安全性、可靠性、准确性的要求也越来越高，以继电器组成的控制方式实现机械手控制的方法已不能满足人们的需要。PLC控制由于其功能是由软件编程来实现的，相比于传统继电器控制，它的抗干扰能力、可靠性更高，故障率更低，更易于检测和排除故障，柔性更强，仅需对软件进行改变就可改变其控制功能[9]。
根据PLC的指令系统，各种各样的I/O接口、通信接口，大容量的内存及可靠的自身监控系统，让它拥有逻辑处理功能，数据运算功能，准确定时功能，中断处理功能，程序与数据储存功能，联网通信功能，自检测、自诊断功能。PLC这些功能是其他的电控器没有的，也是传统的继电器控制电路无法比拟的。通过对PLC进行软件编程就可以实现对机械手的控制，可操作性强[1]。由于自身在PLC知识方面的缺乏以及对机械手的认识的不足，在完成本课题的过程中可能遇到的困难主要集中在设备选择、各种硬件选择、控制程序设计、调试等方面。在这之前，首先应该做一些相关的知识储备，查阅相关资料，主动向老师请教[10]。
3结语
本课题是通过应用西门子S7-300系列PLC控制气动机械手的运行。伴随着电子技术的发展，PLC基于电子计算机，但并不同于普通计算机。普通计算机进行输入输出信息变换时，大多只考虑信息本身。而PLC则要考虑信息输入输出的可靠性，实时性，以及信息的实际运用，特别要考虑怎么适应于工作环境，比如便于安装，便于维护及抗干扰等问题。输入输出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的基本要点[3]。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。它的功能要比继电器控制装置多很多，也强大很多。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备[2]。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。近年来，机械手在自动化领域的应用越来越广泛，机械手具有结构简单、造价较低、维护方便、速度快等特点。
