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Industrially, voluntarily control system has extensive application, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. Manipulator is the operation of the robot, it is the actuator of robot complete various tasks. This paper has designed a four free degrees carry manipulator for the automation on production line, realize the automation of production. it alleviated the labour strength of worker, it raised labor productivity. This manipulator drives with motor, have realized to stretch out and draw back , rise to fall , spin , clip etc. the achievement of these movements. Design with parts, realizes these movements. For example to realization flex movement, have designed a horizontal telescoping mechanism. PLC coordinates the independent sport of every parts, formed a regular sport system. The coupling of every parts, casting makes a acceptable mechanical body, Install every parts in mechanical body, become a machine. Control system adopts PLC control, Program compiles with T . Key words: PLC；three degrees of freedom；Industrial robot 72 目錄 摘要 i Abstract ii 目錄 I 第一章 緒論 1 第二章 滾珠絲杠螺母副的選型 3 第一節(jié) 提升機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副的計(jì)算及選型 3 一、 計(jì)算進(jìn)提升率引力 3 二、 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 4 三、 滾珠絲杠螺母副的選型 5 四、 傳動(dòng)效率的計(jì)算 6 五、 剛度驗(yàn)算 6 第二節(jié) 伸縮機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副的計(jì)算及選型 8 一、 計(jì)算進(jìn)伸縮率引力Fm 8 二、 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C 8 三、 滾珠絲杠螺母副的選型 9 四、 傳動(dòng)效率的計(jì)算 9 五、 剛度驗(yàn)算 9 第三章 齒輪傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)計(jì)算 11 第一節(jié) 提升機(jī)構(gòu)齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 11 第二節(jié) 伸縮機(jī)構(gòu)齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 11 第三節(jié) 渦輪蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 12 一、 面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 12 二、 渦輪蝸桿的主要參數(shù)和幾何尺寸設(shè)計(jì) 14 三、 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核 14 四、精度等級(jí)公差和表面粗糙度的確定 15 第四章 電機(jī)的計(jì)算和選型 16 第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)概述 16 一、 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn) 16 二、 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成 16 第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算及選型 17 一、 提升機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算及選型 17 二、 伸縮機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算及選型 21 第三節(jié) 渦輪蝸桿電機(jī)的計(jì)算及選型 25 一、 電機(jī)的計(jì)算及選型 25 二、 聯(lián)軸器的計(jì)算及選型 25 第五章 接近開關(guān)及限位開關(guān)的選型 27 第一節(jié) 接近開關(guān)的工作原理及選型 27 一、 接近開關(guān)概述 27 二、 接近開關(guān)的選型 29 第二節(jié) 限位開關(guān)的工作原理及選型 30 第六章 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32 第一節(jié) PLC的基本概念 32 一、 PLC產(chǎn)生和發(fā)展過程 32 二、 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 33 三、 PLC的發(fā)展趨勢(shì) 34 四、 PLC的特點(diǎn) 35 五、 PLC的分類 36 第二節(jié) PLC的工作原理 37 一、 梯形圖編輯 38 二、 梯形圖的格式 39 三、 PLC梯形圖編程格式的特點(diǎn) 39 第三節(jié) PLC的選型及PLC外部接線圖設(shè)計(jì) 39 結(jié) 論 41 致　　謝 42 參考文獻(xiàn) 43 附錄一 44 附錄二 58 第一章 緒論 工業(yè)機(jī)器人是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起形成的一種機(jī)電一體化的產(chǎn)品，從其誕生起就受到人們的關(guān)心與重視。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)很成熟。工業(yè)機(jī)器人已從最初在解決勞動(dòng)密集型工業(yè)中單調(diào)、重復(fù)的體力勞動(dòng)發(fā)展到滿足制造業(yè)自動(dòng)化規(guī)模生產(chǎn)需要的工作。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò) 大，從最初主要應(yīng)用于汽車工業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在涉及制造業(yè)的各個(gè)行業(yè)。目前我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，先進(jìn)制造業(yè)已進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。 隨著經(jīng)濟(jì)全球化和我國加入WTO，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際競(jìng)爭(zhēng)的局面。如何適應(yīng)快速變化的國內(nèi)外市場(chǎng)需求，如何以高質(zhì)量、低成本、快速反應(yīng)的手段在市場(chǎng)中取得生存和發(fā)展，已是我國企業(yè)不容回避的問題，這些問題為工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用提供了大的市場(chǎng)需求，促使中國工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用市場(chǎng)日趨成熟。近幾年來，國外著名的工業(yè)機(jī)器人制造廠商紛紛加大了在我國的投資和應(yīng)用技術(shù)的投入，對(duì)我國的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我國政府非常重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，從“七五”科技攻關(guān)及實(shí)施863 計(jì)劃開始，就有計(jì)劃地組織和發(fā)展工業(yè)機(jī)器人事業(yè)，經(jīng)過20多年的研制和應(yīng)用，目前在工業(yè)機(jī)器人的一些機(jī)種方面，如噴漆機(jī)器人、焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人和特種機(jī)器人都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，基本掌握了工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)和機(jī)器人應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，有了一支具有一定水平的技術(shù)隊(duì)伍，奠定了我國獨(dú)立自主發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。但是，我國工業(yè)機(jī)器人在總體技術(shù)上與國外先進(jìn)水平相比還有很大差距，僅相當(dāng)于國外九十年代中期的水平。 目前工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)規(guī)模仍然不大，多數(shù)是單件小批生產(chǎn)，關(guān)鍵配套的單元部件和器件始終處于進(jìn)口狀態(tài)，工業(yè)機(jī)器人的性價(jià)比較低。我國整體裝備制造水平不高，制約了我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的形成和實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的發(fā)展。盡管中國工業(yè)機(jī)器人的需求在逐年增加，但要能為用戶提供高質(zhì)價(jià)廉的工業(yè)機(jī)器人商品，目前在我國尚有較長(zhǎng)的路程。首先為了促進(jìn)中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須在以市場(chǎng)需求為主的前提下，國家在政策上鼓勵(lì)企業(yè)在技術(shù)投入和技術(shù)改造方面應(yīng)用國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人。同時(shí)轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的機(jī)制，建立以適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)所需的工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)基地。其次，在國家的科技發(fā)展規(guī)劃中，應(yīng)繼續(xù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究開發(fā)和應(yīng)用關(guān)鍵、基礎(chǔ)部件的研究和產(chǎn)品化給予支持，形成產(chǎn)品和自動(dòng)化制造裝備同步協(xié)調(diào)發(fā)展的新局面。第三，結(jié)合我國的國情，加強(qiáng)我國工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開發(fā)，使之與國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密切相結(jié)合。 經(jīng)過近十年的努力，我國在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開發(fā)方面已具有相當(dāng)?shù)膶?shí)力，已有一支了解企業(yè)的需求，能開發(fā)出符合實(shí)際使用條件應(yīng)用工程，成本低，服務(wù)及時(shí)，具備與國外公司的競(jìng)爭(zhēng)能力，因此加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開發(fā)，并圍繞應(yīng)用工程的需要進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人新產(chǎn)品的開發(fā)，使之具有一定的規(guī)?；a(chǎn)能力，這樣可以促進(jìn)我國企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和提高競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也可形成具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。 如果說20 世紀(jì)90 年代機(jī)床創(chuàng)新的最大成就是發(fā)明并聯(lián)機(jī)床的話，那么當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人在機(jī)床上的應(yīng)用已成為發(fā)展的一大趨向。機(jī)器人與機(jī)床相結(jié)合，以往主要是解決工件自動(dòng)上下料搬運(yùn)問題，致使機(jī)床得以無人化24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。如擅長(zhǎng)專機(jī)制作的意大利COMAU 公司，他們比較成熟地將缸體及缸蓋生產(chǎn)線中的零件搬運(yùn)，設(shè)計(jì)成由機(jī)器人完成。當(dāng)然，對(duì)工件的拋光打磨、清洗及其它臟、累活也是機(jī)器人表現(xiàn)的舞臺(tái)。去年9 月在漢諾威EMO2005 展覽會(huì)上，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用非常搶眼，而且它應(yīng)用的領(lǐng)域也在擴(kuò)大。然而在這次CCMT2006 展覽會(huì)上，值得一機(jī)器人應(yīng)用是當(dāng)今機(jī)床發(fā)展的一大趨向提的是1 號(hào)館W 1 - 9 1 6 意大利意沃樂EVOLUT 公司，這個(gè)歐洲最大的機(jī)器人應(yīng)用與集成公司，他們的一臺(tái)DC-5 機(jī)器人修邊、倒角裝置特別引人注目。該機(jī)器人可以裝夾工具對(duì)主軸上零件修邊去毛刺，甚至機(jī)器人可以加裝動(dòng)力源用刀具對(duì)零件進(jìn)行加工，因此它已將機(jī)械人傳統(tǒng)的搬運(yùn)、噴漆、焊接工作范圍擴(kuò)展到了金屬切削及拋光領(lǐng)域。 工作單元還可以配備各種上料方式：如帶視頻裝置可抓取隨機(jī)擺放的工件，或以旋轉(zhuǎn)臺(tái)擺放，或以傳送帶擺放等等。DC-5 工作單元可以處理的最大負(fù)荷為120/150kg。適宜加工的金屬材料為鋁鎂合金、銅、鉛、鑄鐵等?？梢源嬷辽偎膫€(gè)工人的工作量。3 D 編程軟件將以往8 小時(shí)編程時(shí)間縮減為15 分鐘，為小批量多品種的工件提供最好的解決方案。意沃樂公司除此以外最常涉足的領(lǐng)域還有用于壓鑄單元、車、銑中心單元、復(fù)合機(jī)床單元、零件拋光單元上的各種機(jī)械人應(yīng)用等等。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，勢(shì)必勞動(dòng)力的成本將越來越高，對(duì)環(huán)保及安全的要求將越來越嚴(yán)，所以工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用必將與時(shí)俱進(jìn)。而且，由機(jī)器人干出的工件，譬如說打磨，其零件的一致性肯定比人工來得好，因此歐洲有些名牌汽車制造商甚至對(duì)某些零件的某些工步，規(guī)定必須由機(jī)器人來操作。由此看來，工業(yè)機(jī)器人在機(jī)床上的應(yīng)用會(huì)將越來越廣。 第二章 滾珠絲杠螺母副的選型 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇結(jié)構(gòu)類型，確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定以后，再計(jì)算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑d0,導(dǎo)程，滾珠絲杠的工作圈數(shù)，列數(shù)，精度等級(jí)等。 滾珠的循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。 滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊，雙螺母螺紋式預(yù)緊，雙螺母齒差式預(yù)緊，單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊，以及過盈預(yù)緊等。 滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它是傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展。這一發(fā)展的深刻意義如同滾動(dòng)軸承對(duì)滑動(dòng)軸承所帶來得改變一樣。滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛的運(yùn)用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器、精密數(shù)控機(jī)床。尤其是近年來，滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床直線驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元，在機(jī)床行業(yè)得到廣泛運(yùn)用，極大的推動(dòng)了機(jī)床行業(yè)的數(shù)控化發(fā)展。這些都取決于其具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)良特性： 由于滾珠絲杠副運(yùn)轉(zhuǎn)順滑、消除軸向間隙以及制造的一致性，采用多套滾珠 絲杠副方案驅(qū)動(dòng)同一裝置或多個(gè)相同部件時(shí)，可獲得很好的同步工作。 傳動(dòng)效率高、 定位精度高、 傳動(dòng)可逆性、 使用壽命長(zhǎng)、 同步性能好 第一節(jié) 提升機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副的計(jì)算及選型 一、 計(jì)算進(jìn)提升率引力 作用在絲杠上的提升率引力主要包括工作在上升時(shí)移動(dòng)件的重量及其作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。Fm（N）計(jì)算公式如下： 矩形導(dǎo)軌： 燕尾形導(dǎo)軌： 三角形或綜合導(dǎo)軌： 式中重力在各方向上的分力； 水平工作臺(tái)重力； 考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 在正常情況下，可取以下數(shù)值： 矩形導(dǎo)軌 燕尾 三角形或綜合導(dǎo)軌 上列摩擦系數(shù)均是指滑動(dòng)導(dǎo)軌。 設(shè)計(jì)的銑床自動(dòng)裝卸料機(jī)械手的最大抓取重量為2，機(jī)械手伸縮機(jī)構(gòu)總重量，水平機(jī)構(gòu)工作臺(tái)重量，提升機(jī)構(gòu)工作臂重量。 顯然在最底點(diǎn)上升時(shí)絲杠受力最大，此時(shí) 此設(shè)計(jì)中選用矩形導(dǎo)軌 = = 二、 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 選用滾珠絲杠副的直徑時(shí)，，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn) 100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載C，可用下式計(jì)算： 式中壽命，為轉(zhuǎn)為一個(gè)單位， 絲杠轉(zhuǎn)速，，用下式計(jì)算 為最大負(fù)載條件下的進(jìn)給速度； 絲杠的導(dǎo)程，； 使用壽命，，一般； 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，見表 表運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 無沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.0~1.2 一般運(yùn)轉(zhuǎn) 1.2~1.5 有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.5~2.5 該設(shè)計(jì)的最大負(fù)載條件下的進(jìn)給速度為，絲杠導(dǎo)程初選，運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)為一般運(yùn)轉(zhuǎn)， 三、 滾珠絲杠螺母副的選型 查閱《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》附錄A 表3可采用 1列圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副，額定動(dòng)載荷為8800N，可滿足要求，選定精度等級(jí)為3級(jí)。 四、 傳動(dòng)效率的計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率： 式中絲杠螺旋長(zhǎng)升角； 摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。 = 五、 剛度驗(yàn)算 先畫出提升機(jī)構(gòu)絲杠支承方式草圖如圖1-2所示。最大牽引力為570.76N，支承間距為，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載的。 圖1-1提升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖 （一） 絲杠拉伸或壓縮變形量 查《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》圖4-6，根據(jù)， 查出，可算出： 由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實(shí)際變形量（）為： （二） 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 查《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》圖4-7，系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量： 因進(jìn)行了預(yù)緊， （三） 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 采用8102推力球軸承，滾動(dòng)體直徑 =4.763， 滾動(dòng)體數(shù)量=12，， 上式中軸承所受軸向載荷 軸承滾動(dòng)體數(shù)目 軸承滾動(dòng)體直徑 因施加預(yù)緊力，故 根據(jù)以上計(jì)算 小于定位精度。 第二節(jié) 伸縮機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副的計(jì)算及選型 一、 計(jì)算進(jìn)伸縮率引力Fm 作用在絲杠上的伸縮率引力主要包括工作在伸縮移動(dòng)件的重量及其作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。 式中為滑動(dòng)摩擦系數(shù)， 二、 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C 選用滾珠絲杠副的直徑時(shí)，，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn) 100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載C，可用下式計(jì)算： 式中壽命，為轉(zhuǎn)為一個(gè)單位， 絲杠轉(zhuǎn)速，，用下式計(jì)算 為最大負(fù)載條件下的進(jìn)給速度； 絲杠的導(dǎo)程，； 使用壽命，，一般； 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，見表 該設(shè)計(jì)的最大負(fù)載條件下的速度為，絲杠導(dǎo)程初選，運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)為一般運(yùn)轉(zhuǎn)， 三、 滾珠絲杠螺母副的選型 可采用，1列圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副，額定動(dòng)載荷為395N，可滿足要求，選定精度等級(jí)為3級(jí)。 四、 傳動(dòng)效率的計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率： 式中絲杠螺旋長(zhǎng)升角； 摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。 = 五、 剛度驗(yàn)算 先畫出提升機(jī)構(gòu)絲杠支承方式草圖如圖1-2所示。 1-2伸縮機(jī)構(gòu)絲杠計(jì)算草圖 最大牽引力為14.7N，支承間距為，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載的。 由于牽引力很小無需進(jìn)行剛度驗(yàn)算。 表1-1及滾珠絲杠幾和參數(shù) 名稱 符號(hào) 螺 紋 滾 道 公稱直徑 20 10 導(dǎo)程 5 4 接觸角 鋼球直徑（mm） 3．175 滾道法面半徑 1．651 偏心距 0．045 螺紋升角 螺 桿 螺桿外徑 19．4 螺桿內(nèi)徑 16．788 螺桿接觸直徑 16．835 螺 母 螺母螺紋直徑 23．212 螺母內(nèi)徑 20．635 第三章 齒輪傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)計(jì)算 第一節(jié) 提升機(jī)構(gòu)齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已經(jīng)確定提升機(jī)構(gòu)脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程， 初選步進(jìn)電機(jī)步距角，可計(jì)算出傳動(dòng)比 可選定齒輪齒數(shù)為： 第二節(jié) 伸縮機(jī)構(gòu)齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已經(jīng)確定提升機(jī)構(gòu)脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程， 初選步進(jìn)電機(jī)步距角，可計(jì)算出傳動(dòng)比 可選定齒輪齒數(shù)為： 表2-1 傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù) 齒數(shù) 24 25 20 12 150 60 20 分度圓 48 50 40 24 300 120 40 齒頂圓 52 54 44 28 304 124 44 齒根圓 43 45 35 19 105 115 35 齒寬 20 20 12 12 20 20 20 中心距 98 64 420 160 第三節(jié) 渦輪蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 選擇普通圓柱蝸桿的漸開線蝸桿（ZI），該蝸桿的傳遞功率不大，速度中等，故蝸桿材料用45鋼，因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為4555HRC，蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造，為節(jié)約貴重有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。 一、 面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)中心距 式（2.1） 1） 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 按=1，單頭蝸桿的效率為估取效率，則 式（2.2） 2） 確定載荷系數(shù)K 因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均勻系數(shù)=1，選取系數(shù)=1，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載荷系數(shù)=1.05，則： K= 式（2.3） 3)確定彈性影響系數(shù) 因選取的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故= 4)確定接觸系數(shù) 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距的比值，查得=2.9 5）確定許用接觸應(yīng)力 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋面齒面硬度>45HRC，查得蝸輪的基本許用應(yīng)力=268 假設(shè)壽命=12000h，則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為： 式（2.4） 壽命系數(shù)： 式（2.5） 則： 式（2.6） 6）計(jì)算中心距： = 式（2.7） 取，因，故取模數(shù)，蝸桿分度圓直徑=這時(shí)，0.35（滿足假設(shè)） 二、 渦輪蝸桿的主要參數(shù)和幾何尺寸設(shè)計(jì) 表 2.1 計(jì)算項(xiàng)目 計(jì)算過程 結(jié)果 蝸桿軸向齒距 = 直徑系數(shù) 分度圓導(dǎo)程角 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 蝸桿軸向齒厚 蝸桿齒數(shù) 蝸輪變位系數(shù) 蝸輪齒數(shù) 蝸輪分度圓直徑 蝸輪喉圓直徑 蝸輪齒根圓直徑 蝸輪咽喉母圓半徑 蝸輪齒寬 三、 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核 式（2.8） 當(dāng)量齒數(shù)： 式（2.9） 據(jù)，，查得齒形系數(shù)=2.72 螺旋角系數(shù) ： 式（2.10） 許用彎曲應(yīng)力 查手冊(cè)得ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力 壽命系數(shù)： 式（2.11） 式（2.12） 式（2.13） ，所以彎曲強(qiáng)度是滿足的。 四、精度等級(jí)公差和表面粗糙度的確定 考慮到所設(shè)計(jì)的蝸桿傳動(dòng)屬于動(dòng)力傳動(dòng)，屬于通用機(jī)械減速器，從GB/T 10089 1988圓柱蝸桿、蝸輪精度中選擇8級(jí)精度，側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8f。然后由有關(guān)手冊(cè)查得要求的公差項(xiàng)目及表面粗糙度，在零件圖中標(biāo)出。 第四章 電機(jī)的計(jì)算和選型 第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上 步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好 步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 一、 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn) 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相，八相運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=.一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。。 二、 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng), 這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器, 它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào),加以放大以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比，控制步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速；控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，可以對(duì)電機(jī)精確定位。 典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由三部分組成： 1. 步進(jìn)控制器，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。 2．驅(qū)動(dòng)器，把單片機(jī)輸出的脈沖加以放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 3．步進(jìn)電機(jī)。 現(xiàn)以三相六拍為例： 步序 控 制 位 C B A 控制模型 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 A 1 1 1 1 1 0 0 1 F9H AB 1 1 1 1 1 0 1 1 FBH B 1 1 1 1 1 0 1 0 FAH BC 1 1 1 1 1 1 1 0 FEH C 1 1 1 1 1 1 0 0 FCH CA 1 1 1 1 1 1 0 1 FDH 以上為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的控制順序及數(shù)學(xué)模型。因此，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制器實(shí)際上就是按上述的控制方式所規(guī)定的順序送脈沖序列，即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)三相六拍方式的轉(zhuǎn)動(dòng)。輸入順序脈沖序列的速率就是步進(jìn)電機(jī)的速率。 使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng) 功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電激勵(lì)矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。因而不同的場(chǎng)合采取不同的的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。 第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算及選型 一、 提升機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算及選型 （一） 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1-3。傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式進(jìn)行計(jì)算： 式中 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ，齒輪，的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 參考數(shù)控機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 代入上式： = 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題。 滿足慣量匹配的要求。 （二） 電機(jī)力矩的計(jì)算 機(jī)械手在不同的工況下，所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩不同，下面分別按各階段進(jìn)行計(jì)算。 1 快速空載起動(dòng)力矩。 在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： 上式中傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電機(jī)最大角加速度 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度 脈沖當(dāng)量（） 步進(jìn)電機(jī)步距角 運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大速度所需時(shí)間 起動(dòng)加速時(shí)間 摩擦力矩 上式中導(dǎo)軌的摩擦力 導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 運(yùn)動(dòng)部件總重量 齒輪降速比，按 計(jì)算 傳動(dòng)鏈總效率，一般取 折算到電機(jī)上的摩擦力矩 附加摩擦力矩 式中滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載，一般取，為進(jìn)給率引力 滾珠絲杠導(dǎo)程 滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 折算到電機(jī)軸上的軸向負(fù)載力矩 式中進(jìn)給方向的最大抗力 上述三項(xiàng)合計(jì)： 2 快速起動(dòng)所需力矩 3 最大負(fù)載所需力矩 從上面計(jì)算可以看出，，，三鐘工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 從《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表4-24查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí) 最大靜力矩= 按此靜力矩從表4-23查出，最大靜轉(zhuǎn)距為，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為選定型號(hào)。 二、 伸縮機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算及選型 （一） 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1-3。傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式進(jìn)行計(jì)算： 式中 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ，齒輪，的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 參考數(shù)控機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 代入上式： = 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題。 滿足慣量匹配的要求。 （二） 電機(jī)力矩的計(jì)算 機(jī)械手在不同的工況下，所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩不同，下面分別按各階段進(jìn)行計(jì)算。 1、 快速空載起動(dòng)力矩。 在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： 上式中傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電機(jī)最大角加速度 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度 脈沖當(dāng)量（） 步進(jìn)電機(jī)步距角 運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大速度所需時(shí)間 起動(dòng)加速時(shí)間 摩擦力矩 上式中導(dǎo)軌的摩擦力 導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 運(yùn)動(dòng)部件總重量 齒輪降速比，按 計(jì)算 傳動(dòng)鏈總效率，一般取 折算到電機(jī)上的摩擦力矩 附加摩擦力矩 式中滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載，一般取，為進(jìn)給率引力 滾珠絲杠導(dǎo)程 滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 折算到電機(jī)軸上的軸向負(fù)載力矩 =0 上述三項(xiàng)合計(jì)： 2、 快速起動(dòng)所需力矩 3、 最大負(fù)載所需力矩 從上面計(jì)算可以看出，，，三鐘工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 從《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表4-24查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí) 最大靜力矩= 按此靜力矩從表4-23查出，最大靜轉(zhuǎn)距為，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為選定型號(hào)。 第三節(jié) 渦輪蝸桿電機(jī)的計(jì)算及選型 一、 電機(jī)的計(jì)算及選型 根據(jù)輸入轉(zhuǎn)速，選擇額定轉(zhuǎn)速為960r/min的電作為動(dòng)力源。電動(dòng)機(jī)功率為： 式（1.2） 式中：ni =4r/min，效率蝸桿傳動(dòng)部分為0.75，聯(lián)軸器為0.992，由此可得。 選擇電機(jī)型號(hào)和參數(shù)見表1.1。 表 1.1 型號(hào) 額定功率/KW 滿載轉(zhuǎn)速/（r/min） 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 質(zhì)量/KG 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩 Y132S-6 3 960 2.0 2.0 63 電機(jī)軸直徑為。其他參數(shù)為：電流7.23A，效率0.83，功率因數(shù)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比iw 已知機(jī)構(gòu)輸入轉(zhuǎn)速ni=4r/min，根據(jù)機(jī)構(gòu)特性，可知轉(zhuǎn)速為20r/min，已選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為960r/min，則選蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比為48。 電機(jī)軸與蝸桿處聯(lián)軸器的選擇 二、 聯(lián)軸器的計(jì)算及選型 為了隔離振動(dòng)和沖擊，選用彈性套柱銷聯(lián)軸器。 公稱轉(zhuǎn)矩 式（1.3） 由手冊(cè)查得 ,故得計(jì)算轉(zhuǎn)矩為 式（1.4） 1） 型號(hào)的選擇 從GB4323-84中查得TL4型彈性套柱銷聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為125N.m，許用最大轉(zhuǎn)速為4600r/min，軸徑為，考慮到聯(lián)軸器聯(lián)接的電機(jī)軸為28mm，蝸桿聯(lián)接端為30mm，故適用。（聯(lián)軸器效率為0.992）。 TL4型彈性套柱銷聯(lián)軸器參數(shù)及外形如圖1.5和表1.2所示。 圖 1.5 表 1.2 型號(hào) 公稱轉(zhuǎn)矩 Tn /(N·m) 許用轉(zhuǎn)速 [n] /(r/min) 軸孔直徑 d1、d2、dz 軸孔長(zhǎng)度 D A 35 質(zhì)量 m /kg 轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量 I /(kg·m2) 第五章 接近開關(guān)及限位開關(guān)的選型 第一節(jié) 接近開關(guān)的工作原理及選型 一、 接近開關(guān)概述 電感式接近開關(guān)由三大部分組成：振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。當(dāng)金屬目標(biāo)接近這一磁場(chǎng)，并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，在金屬目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制器件，從而達(dá)到非接觸式之檢測(cè)目的 接近傳感器可以在不與目標(biāo)物實(shí)際接觸的情況下檢測(cè)靠近傳感器的金屬目標(biāo)物。根據(jù)操作原理，接近傳感器大致可以分為以下三類：利用電磁感應(yīng)的高頻振蕩型，使用磁鐵的磁力型和利用電容變化的電容型。 （一） 高頻振蕩型接近傳感器的工作原理 電感式接近傳感器由高頻振蕩、檢波、放大、觸發(fā)及輸出電路等組成。振蕩器在傳感器檢測(cè)面產(chǎn)生一個(gè)交變電磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近傳感器檢測(cè)面時(shí)，金屬中產(chǎn)生的渦流吸收了振蕩器的能量，使振蕩減弱以至停振。振蕩器的振蕩及停振這二種狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)通過整形放大轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的開關(guān)信號(hào)，經(jīng)功率放大后輸出。下面為詳細(xì)介紹： 1、通用型接近傳感器的工作原理 圖4—1 振蕩電路中的線圈L（如圖4—1）產(chǎn)生一個(gè)高頻磁場(chǎng)。當(dāng)目標(biāo)物接近磁場(chǎng)時(shí)，由于電磁感應(yīng)在目標(biāo)物中產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流（渦電流）。隨著目標(biāo)物接近傳感器，感應(yīng)電流增強(qiáng)，引起振蕩電路中的負(fù)載加大。然后，振蕩減弱直至停止。傳感器利用振幅檢測(cè)電路檢測(cè)到振蕩狀態(tài)的變化，并輸出檢測(cè)信號(hào)。 振幅變化的程度隨目標(biāo)物金屬種類的不同而不同，因此檢測(cè)距離也隨目標(biāo)物金屬的種類不同而不同。 2、 所有金屬型傳感器的工作原理 所有金屬型傳感器基本上屬于高頻振蕩型。和普通型一樣，它也有一個(gè)振蕩電路，電路中因感應(yīng)電流在目標(biāo)物內(nèi)流動(dòng)引起的能量損失影響到振蕩頻率。目標(biāo)物接近傳感器時(shí)，不論目標(biāo)物金屬種類如何，振蕩頻率都會(huì)提高。傳感器檢測(cè)到這個(gè)變化并輸出檢測(cè)信號(hào)。 3、 有色金屬型傳感器工作原理 有色金屬傳感器基本上屬于高頻振蕩型。它有一個(gè)振蕩電路，電路中因感應(yīng)電流在目標(biāo)物內(nèi)流動(dòng)引起的能量損失影響到振蕩頻率的變化。當(dāng)鋁或銅之類的有色金屬目標(biāo)物接近傳感器時(shí)，振蕩頻率增高；當(dāng)鐵一類的黑色金屬目標(biāo)物接近傳感器時(shí)，振蕩頻率降低。如果振蕩頻率高于參考頻率，傳感器輸出信號(hào)。 （二） 主要技術(shù)參數(shù) 二、 接近開關(guān)的選型 目前市場(chǎng)上的主要產(chǎn)品有以下幾中： 在本設(shè)計(jì)中我們選用XL-LJM8短圓圓柱電感式接近開關(guān)。 第二節(jié) 限位開關(guān)的工作原理及選型 行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時(shí)，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關(guān)廣泛用于各類機(jī)床和起重機(jī)械，用以控制其行程、進(jìn)行終端限位保護(hù)。在電梯的控制電路中，還利用行程開關(guān)來控制開關(guān)轎門的速度、自動(dòng)開關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護(hù)。? 目前市場(chǎng)上的主要產(chǎn)品及安裝尺寸如下： ?在本設(shè)計(jì)中伸縮機(jī)構(gòu)限位開關(guān)我們選用交叉滾輪柱塞型接近開關(guān)，提升機(jī)構(gòu)限位開關(guān)我們選用滾輪連桿型限位開關(guān)。 第六章 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第一節(jié) PLC的基本概念 可編程控制器，簡(jiǎn)稱PLC(Programmable Logic Controller)，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。1987年國際電工委員會(huì)(International Electrical Committee)頒布的 PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)?！? 一、 PLC產(chǎn)生和發(fā)展過程 現(xiàn)代社會(huì)要求生產(chǎn)廠家對(duì)市場(chǎng)的需求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無法滿足這一要求，迫使人們?nèi)ふ乙环N新的控制裝置取而代之。 1968年，美國通用汽車公司(GM)為適應(yīng)汽車型號(hào)的不斷翻新，想尋找一種能減少重新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)和接線、降低成本、縮短時(shí)間的措施，并設(shè)想把計(jì)算機(jī)功能的完備、靈活通用和繼電器控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單易懂、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，制成一種通用控制裝置，并把計(jì)算機(jī)的編程方法和程序輸入方式加以簡(jiǎn)化，用面向控制過程、面向用戶的“自然語言”編程，使不熟悉計(jì)算機(jī)的人也能方便地使用。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出了世界上第1臺(tái)PLC，并在GM公司的汽車自動(dòng)裝配線上首次使用，獲得成功。從此，這項(xiàng)新技術(shù)便迅速發(fā)展起來。 1971年日本從美國引進(jìn)了該項(xiàng)新技術(shù)，很快就研制出了日本第1臺(tái)PLC。1973—1974年，西德和法國也相繼研制出了自己的第1臺(tái)PLC。中國從1974年開始研制，1977年應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。 限于當(dāng)時(shí)的元器件條件和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和小規(guī)模集成電路組成。 1969—1973年是PLC的初創(chuàng)時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，PLC從有觸點(diǎn)不可編程的硬接線順序控制器發(fā)展成為小型機(jī)的無觸點(diǎn)可編程邏輯控制器，可靠性比以往的繼電器控制系統(tǒng)有較大提高，靈活性也有所增強(qiáng)。其主要功能限于邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和順序控制，CPU由中小規(guī)模集成電路組成，存儲(chǔ)器為磁芯存儲(chǔ)器。 1974—1977年是PLC的發(fā)展中期。在這個(gè)時(shí)期，由于8位單片CPU和集成存儲(chǔ)器芯片的出現(xiàn)，PLC得到了迅速發(fā)展和完善，并逐步趨向系列化和實(shí)用化，普遍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制。PLC除了原有功能外，又增加了數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)的傳遞和比較、模擬量的處理和控制等功能，可靠性進(jìn)一步提高，開始具備自診斷功能。 1978-1983年，PLC進(jìn)入成熟階段。這個(gè)時(shí)期，微型計(jì)算機(jī)行業(yè)已出現(xiàn)了16位CPU，MCS一51系列單片機(jī)也由Intel公司推出，使PLC也開始朝著大規(guī)模、高速度和高性能方向發(fā)展，PLC的生產(chǎn)量在國際上每年以30%的遞增量迅速增長(zhǎng)。在結(jié)構(gòu)上，PLC除了采用微處理器及EPROM，EEP—ROM，CMCS RAM 等LSI電路外，還向多微處理器發(fā)展，使PLC的功能和處理速度大大提高；PLC的功能又增加了浮點(diǎn)運(yùn)算、平方、三角函數(shù)、相關(guān)數(shù)、查表、列表、脈寬調(diào)制變換等，初步形成了分布式可編程控制器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有通訊功能和遠(yuǎn)程I／O處理能力，編程語言較規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化。此外自診斷功能及容錯(cuò)技術(shù)發(fā)展迅速，使PLC系統(tǒng)的可靠性得到了進(jìn)一步提高。 1984年后，PLC的規(guī)模更大，存儲(chǔ)器的容量又提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)(最高可達(dá)896 K)，有的PLC已采用了32位微處理器，多臺(tái)PLC可與大系統(tǒng)一起連成整體的分布式控制系統(tǒng)，在軟件方面有的已與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兼容。編程語言除了傳統(tǒng)的梯形圖、流程圖語句表外，還有用于算術(shù)的BASIC語言、用于機(jī)床控制的數(shù)控語言等。在人機(jī)接口方面，采用了現(xiàn)實(shí)信息等更多直觀的CRT，完全代替了原來的儀表盤，使用戶的編程和操作更加方便靈活。PLC的I/O模塊一方面發(fā)展自帶微處理器的智能I/O模塊，另一方面也注意增大I/O點(diǎn)數(shù)，以適應(yīng)控制范圍的增大和在系統(tǒng)中使用A/D，D/A通訊及其他特殊功能模件的需要。同時(shí)，各PLC生產(chǎn)廠家還注意提高I/O的密集度，生產(chǎn)高密度的I/O模塊，以節(jié)省空間，降低系統(tǒng)的成本。 二、 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 目前PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 （一） 開關(guān)量邏輯控制 這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，他取代傳統(tǒng)的繼電器電路，可實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線和電鍍流水線等。 （二） 模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的A／D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套了A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 （三） 運(yùn)動(dòng)控制 PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/0模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人和電梯等場(chǎng)合。 （四） 閉環(huán)過程控制 過程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。PLC通過模擬量I/O模塊實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的A/D，D/A轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬量進(jìn)行閉環(huán)PID控制，可用PID子程序來實(shí)現(xiàn)，也可使用專用的PID模塊。當(dāng)控制過程中任一個(gè)變量出現(xiàn)偏差時(shí)，PLC就按PID的算法計(jì)算出正確的輸出去控制生產(chǎn)過程，使變量保持在定值上。PLC的模擬量控制功能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于塑料擠壓成型機(jī)、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設(shè)備，還廣泛地應(yīng)用于輕工、化工、機(jī)械、冶金、電力和建材等行業(yè)。 （五） 定時(shí)記數(shù)控制 PLC具有定時(shí)記數(shù)控制功能，能保證控制系統(tǒng)所要求的定時(shí)和延時(shí)以及記數(shù)，它可提供十個(gè)甚至幾百個(gè)計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器，其計(jì)時(shí)的時(shí)間、計(jì)數(shù)值可以由用戶在編寫程序時(shí)設(shè)定，也可由操作員在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過編程器進(jìn)行設(shè)定。 （六） 順序控制 實(shí)現(xiàn)順序控制，可以用移位寄存器和步進(jìn)指令編寫程序，也可采用規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語言——順序功能圖編寫程序，使得PLC實(shí)現(xiàn)按事件或輸入狀態(tài)的順序控制。 （七） 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳遞、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存貯在存儲(chǔ)器中的參考值比較，也可以用通訊功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑵浯蛴≈票怼?shù)據(jù)處理一般用在大、中型控制系統(tǒng)，如柔性制造系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等。 （八） 通信和聯(lián)網(wǎng) PLC具有通信功能，因此PLC可單機(jī)控制，也可多機(jī)控制；可對(duì)遠(yuǎn)程I／O進(jìn)行控制，又能實(shí)現(xiàn)PLC與PLC，PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信；可實(shí)現(xiàn)“集中管理，分散控制”，是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化的理想控制器。目前PLC與PLC的通訊網(wǎng)絡(luò)是各廠家專用的。PLC與計(jì)算機(jī)之間的通訊，一些PLC生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，并向標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議靠攏。 三、 PLC的發(fā)展趨勢(shì) 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC的結(jié)構(gòu)和功能不斷改進(jìn)，生產(chǎn)廠家不斷推出功能更強(qiáng)的PLC新產(chǎn)品，平均3～5 a更新?lián)Q代1次。PLC的發(fā)展有2個(gè)重要趨勢(shì)：① 向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)、價(jià)格更低的微型化發(fā)展，以適應(yīng)復(fù)雜單機(jī)、數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域的控制要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；② 向大型化、復(fù)雜化、多功能、分散型、多層分布式工廠全自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。例如：美國GE公司推出的Genettwo工廠全自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不僅具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，還具有數(shù)值運(yùn)算、模擬量控制、監(jiān)控、計(jì)算機(jī)接口、數(shù)據(jù)傳遞等功能，而且還能進(jìn)行中斷控制、智能控制、過程控制、遠(yuǎn)程控制等。該系統(tǒng)配置了GE／BASIC語言，向上能與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，向下不僅能直接控制CNC數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人，還可通過下級(jí)PLC去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在操作臺(tái)上如果配備該公司的Factory Master數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，Viewaster彩色圖像系統(tǒng)，則管理、控制整個(gè)工廠十分方便。 智能I/O模塊是以微處理器為基礎(chǔ)的功能部件。它們的CPU 與PLC的主CPU 并行工作，占用主機(jī)CPU 的時(shí)間很少，有利于提高PLC的掃描速度。智能模塊主要有模擬量I/O、PID回路控制、通信控制、機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制等，高速計(jì)數(shù)、中斷輸入、BASIC和C語言組件等。智能I/O的應(yīng)用，使過程控制功能增強(qiáng)。某些PLC的過程控制還具有自適應(yīng)、參數(shù)自整定功能，使調(diào)試時(shí)間減少，控制精度提高。 目前，個(gè)人計(jì)算機(jī)主要用作PLC的編程器、操作站或人機(jī)接口終端，其發(fā)展是使PLC具備