機(jī)械手-P13-1-氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其PLC控制
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中文題目：基于PLC的機(jī)械手移動(dòng)物體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
外文題目：DESIGN A MANIPULATOR CONTROLLING SYSTEM WITH PLC
目錄
前言……………………………………………………………………………1
1機(jī)械手……………………………………………………………………………2
1.1機(jī)械手概況……………………………………………………………………2
1.1.1機(jī)械手發(fā)展概況……………………………………………………………2
1.1.2對(duì)機(jī)械手的一般要求………………………………………………………2
1.1.3機(jī)械手的發(fā)展趨勢…………………………………………………………3
1.2機(jī)械手的組成、分類及型式…………………………………………………3
1.2.1組成…………………………………………………………………………3
1.2.2分類…………………………………………………………………………4
1.2.3基本型式……………………………………………………………………5
1.3機(jī)械手移動(dòng)工件控制系統(tǒng)……………………………………………………5
1.3.1機(jī)械手移動(dòng)工件的基本結(jié)構(gòu)、工作流程及工作原理……………………6
1.3.2設(shè)備控制要求………………………………………………………………8
2 PLC……………………………………………………………………………9
2.1 PLC簡介……………………………………………………………………9
2.2 PLC發(fā)展趨勢………………………………………………………………10
2.3 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理……………………………………………………10
2.3.1 PLC的組成…………………………………………………………………10
2.3.2 PLC程序的表達(dá)方式………………………………………………………13
2.3.3 PLC的工作方式……………………………………………………………14
3機(jī)械手移動(dòng)工件控制系統(tǒng)的PLC選型及系統(tǒng)連接…………………………18
3.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成圖……………………………………………………………18
3.2 PLC模塊選型及介紹………………………………………………………18
3.3 I/O地址分配及外部配線……………………………………………………19
4安裝維護(hù)………………………………………………………………………21
4.1擴(kuò)展設(shè)備組成…………………………………………………………………21
4.2現(xiàn)場環(huán)境………………………………………………………………………21
4.3安裝工程………………………………………………………………………22
4.3.1安裝注意事項(xiàng)………………………………………………………………22
4.3.2配線方面的注意事項(xiàng)………………………………………………………23
5機(jī)械手移動(dòng)工件控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)…………………………………………24
5.1編程軟件及應(yīng)用………………………………………………………………24
5.2程序流程圖……………………………………………………………………24
6機(jī)械手移動(dòng)工件控制系統(tǒng)PLC程序…………………………………………26
6.1系統(tǒng)資源分配…………………………………………………………………26
6.2源程序…………………………………………………………………………28
6.2.1總體安排……………………………………………………………………28
6.2.2手動(dòng)操作程序………………………………………………………………29
6.2.3自動(dòng)操作程序………………………………………………………………30
6.2.4操作系統(tǒng)總程序……………………………………………………………33
7技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析…………………………………………………………………37
7.1需求分析………………………………………………………………………37
7.2控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)………………………………………………………37
8結(jié)論…………………………………………………………………………40
致謝………………………………………………………………………………41
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………42
附錄A 譯文……………………………………………………………………43附錄B 外文文獻(xiàn)………………………………………………………………52
附錄A
生產(chǎn)自動(dòng)化
自動(dòng)化是一個(gè)在制造業(yè)中廣泛使用的術(shù)語。文中，自動(dòng)化可被定義為有關(guān)應(yīng)用機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)去管理和控制生產(chǎn)的技術(shù)，這種技術(shù)的例子包括：
．加工零件的自動(dòng)化機(jī)床
．自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)線和類似的順序生產(chǎn)系統(tǒng)。
．自動(dòng)裝配機(jī)器。
．工業(yè)機(jī)器人
．自動(dòng)材料處理和儲(chǔ)存系統(tǒng)
．用于質(zhì)量控制的自動(dòng)檢驗(yàn)系統(tǒng)。
．反饋控制和計(jì)算機(jī)程序控制
．使支持制造業(yè)活動(dòng)的計(jì)劃、數(shù)據(jù)收集和決策的過程自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)可被化分為兩個(gè)基本類別硬件自動(dòng)化和可編程自動(dòng)化。
1 硬件自動(dòng)化
1.1 硬性自動(dòng)化
硬性自動(dòng)化是哈德爾（Harder）杜撰“自動(dòng)化”這個(gè)單詞時(shí)所提出的硬性自動(dòng)化是指生產(chǎn)系統(tǒng)中生產(chǎn)順序或裝配工作由設(shè)備配置確定，并且在沒更換設(shè)備的情況下不能輕易改變。雖然順序中的每一個(gè)操作通常是簡單的，但是，將許多簡單的操作集成和協(xié)調(diào)成一個(gè)單一系統(tǒng)使硬性自動(dòng)化變得復(fù)雜化。硬性自動(dòng)化的典型特點(diǎn)包括：1.定做設(shè)計(jì)設(shè)備的光期投資高；2.高生產(chǎn)效率；3.應(yīng)用于大批量產(chǎn)品生產(chǎn)；4.適應(yīng)產(chǎn)品變更的相對(duì)固定性。
硬性自動(dòng)化對(duì)高需求率產(chǎn)品是經(jīng)濟(jì)合適的。先期設(shè)備的高投人可以被大量部件分?jǐn)?，也許是數(shù)百萬件，這樣與其他生產(chǎn)方法相比部件花費(fèi)低。硬性自動(dòng)化的例子包括機(jī)加工連續(xù)生產(chǎn)線、轉(zhuǎn)盤換位機(jī)械和自動(dòng)裝配機(jī)器。硬性自動(dòng)化的大部分技術(shù)是在汽車工業(yè)中發(fā)展起來的；連續(xù)生產(chǎn)線（追溯到大約1920年）就是一個(gè)例子。
1.2 控制器單元
數(shù)控的第二個(gè)基本元件是控制器單元。這由可以閱讀和翻譯指令程序并把它轉(zhuǎn)換成機(jī)床機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電子設(shè)備和硬件組成?？刂破鲉卧牡湫驮ù艓ч喿x機(jī)、數(shù)據(jù)緩沖器、通向機(jī)床的信號(hào)輸出通道、來自機(jī)床的反饋通道、以及協(xié)調(diào)上述元件整體操作的順序控制器。
磁帶閱讀機(jī)是一個(gè)用于纏繞和閱讀含有指令程序的穿孔磁帶的機(jī)電裝置。磁帶上含有的數(shù)據(jù)被讀入數(shù)據(jù)緩沖器。該設(shè)備的目的是將輸人指令儲(chǔ)存在信息邏輯單元。一個(gè)信息組通常代表加工元件順序中的一個(gè)完整步驟。例如：一個(gè)信息組可以是移動(dòng)機(jī)床臺(tái)面到特定位置并在該位置鉆孔所需的數(shù)據(jù)。
信號(hào)輸出通道與機(jī)床的伺服馬達(dá)和其他控制器相連。通過這些通道，指令由控制器單元送到機(jī)床。為了弄清楚指令是否己被機(jī)床正確執(zhí)行，反饋數(shù)據(jù)通過反饋通道回到控制器。反饋回路的重要功能是確保臺(tái)面和工件已經(jīng)相對(duì)于刀具正確定位。為此當(dāng)今使用的大多數(shù)數(shù)控機(jī)床具有位置反饋控制器，并被稱為“閉環(huán)系統(tǒng)”。然而，近些年開環(huán)系統(tǒng)的使用可靠性足夠高，因此反饋控制器是不需要的，是一筆不必要的額外花銷。順序控制器協(xié)調(diào)控制器單元其他元件的動(dòng)作。磁帶閱讀機(jī)執(zhí)行將數(shù)據(jù)從磁帶讀入緩沖器中，來回向機(jī)床傳送信號(hào)等等。這些類型的操作必須是同步的，這就是同步控制器的功用。
數(shù)控系統(tǒng)的另一個(gè)元件是控制面板，它實(shí)際上可能是控制器單元或機(jī)床的一部分。控制面板或控制臺(tái)山刻度盤和開關(guān)組成，機(jī)床操作者通過他們運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)控系統(tǒng)?？刂泼姘逡部捎袛?shù)據(jù)顯示器為操作者提供信息。雖然數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)，但仍需要人類操作者來開關(guān)機(jī)床，更換刀具（一些數(shù)據(jù)系統(tǒng)有自動(dòng)化刀具更換裝置），向機(jī)床加載和卸載以及完成其他各式各樣的任務(wù)。為了履行這些職責(zé)，操作者必須能控制這個(gè)系統(tǒng)，是通過控制面板來完成的。
1.3 機(jī)床
數(shù)控系統(tǒng)的第三個(gè)元件是機(jī)床或其他被控制的工序。它是數(shù)控系統(tǒng)完成有用工作的部分。在最常見的數(shù)控系統(tǒng)例子中，一個(gè)設(shè)計(jì)來完成機(jī)加工操作的系統(tǒng)中，機(jī)床由工作臺(tái)、主軸以及驅(qū)動(dòng)它們所必要的馬達(dá)和控制器組成。它也包括刀具、工件夾具以及其他機(jī)加工操作中所需的輔助設(shè)備。
1.4 自動(dòng)生產(chǎn)線
使用自動(dòng)生產(chǎn)線可以利用專用、多功能機(jī)床來實(shí)現(xiàn)最大程度的自動(dòng)化。自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)質(zhì)上是那些由工件傳送裝置連接起來的按所需順序布置的單個(gè)工位的組合，并且通過連鎖控制集成為一體。工件在工位間被自動(dòng)傳送，每個(gè)工位都裝配有用于加工、測量、工件再定位、組裝、清洗或其他操作的臥式、立式及傾斜式設(shè)備。自動(dòng)生產(chǎn)線的兩大主要類別是旋轉(zhuǎn)式和直列式。
自動(dòng)生產(chǎn)線的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)足它們?cè)试S同時(shí)完成大量的操作。相對(duì)來說，對(duì)機(jī)加工工件表面或平面的數(shù)量沒有限制，因?yàn)檠b置可介入自動(dòng)生產(chǎn)線。實(shí)際上在任意位置能使工件翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)或定向以便完成機(jī)加工操作。工件重定位也使傾斜主軸箱的數(shù)目減至最小，使操作在最佳時(shí)間完成。經(jīng)?？蛇M(jìn)行從原始鑄件或鍛件到成品件的完整加工。
一個(gè)或多個(gè)成品件在一條帶有每個(gè)傳輸系統(tǒng)標(biāo)志的自動(dòng)生產(chǎn)線上生產(chǎn)，傳輸系統(tǒng)使部件從一個(gè)工位運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)工位。這類生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率通常為50%-85%,由一條生產(chǎn)線生產(chǎn)各式各樣部件時(shí)為50%，由一條生產(chǎn)線大批量生產(chǎn)一個(gè)部件時(shí)達(dá)85%，這取決于工件和如何操作自動(dòng)生產(chǎn)線（材料處理方法、維護(hù)程序等）。
所有類型的機(jī)加工操作，如鉆削、攻絲、鉸削、鏜削和銑削，在自動(dòng)生產(chǎn)線上被經(jīng)濟(jì)地組合在一起。諸如車削和表面加工的車床式操作也在直列式自動(dòng)生產(chǎn)線土完成，工件在選擇的機(jī)加工工位上旋轉(zhuǎn)。車削操作在機(jī)床部分完成，多刀架通過安裝在隧道式橋形裝置上的滑軌進(jìn)給。工件定位在中心位置，由在每個(gè)車削工位上的卡盤帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)直列式自動(dòng)生產(chǎn)線上有CNC的車削工位可供使用。CNC裝置允許我們很容易地改變機(jī)器工作周期以適應(yīng)工件設(shè)計(jì)的改變而且能用于調(diào)整自動(dòng)刀具。
當(dāng)工件在傳送機(jī)上移動(dòng)時(shí)通過將零件組裝到工件上，經(jīng)常可以獲得連續(xù)生產(chǎn)線上最大的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。在傳送加工過程中，能夠?qū)χT如軸襯、密封墊、威爾士襯套和保溫管等零件進(jìn)行組裝、機(jī)加工或測試。完成部件局部裝配后也可進(jìn)行白動(dòng)螺帽扭轉(zhuǎn)。
如果能使用合適的機(jī)加工裝置并隨后進(jìn)行良好的軸襯操作，在自動(dòng)生產(chǎn)線上進(jìn)行深鉆孔或鉸削是一項(xiàng)理想的應(yīng)用球面座和其他表面的仿形鏜削和車削可用仿形控制單點(diǎn)進(jìn)人工件完成，因此取消了昂貴的專用成形刀具。對(duì)鉸孔或鏜孔的測量以及自動(dòng)刀具的調(diào)整是在自動(dòng)生產(chǎn)線上進(jìn)行的，以保持精確的公差。
有時(shí)在自動(dòng)生產(chǎn)線上進(jìn)行的非常規(guī)加工包括磨削、環(huán)形齒輪的感應(yīng)加熱以冷縮配合壓在飛輪上、閥座的感應(yīng)淬火、深度輥壓以施加預(yù)壓載荷和拋光。
自動(dòng)生產(chǎn)線很早就用于汽車工業(yè)來高效率地生產(chǎn)相同部件，手工零件加工量極少。除了減少勞動(dòng)力需求外，這種生產(chǎn)線能保證低成本生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)始終如一的、高質(zhì)量零件。它們不再局限于粗加工，現(xiàn)在已經(jīng)常取消了諸如拋光和鏜磨這樣的后來工序。
目前，對(duì)自動(dòng)生產(chǎn)線的需求越來越多，用來處理少量的小尺寸的相似的或甚至不同的零件，用于生產(chǎn)經(jīng)營的快速轉(zhuǎn)換。內(nèi)置柔性，即重新布置和互換機(jī)加工設(shè)備的能力，以及提供空轉(zhuǎn)工位增加了每個(gè)白動(dòng)生產(chǎn)線的成本，但是在經(jīng)常重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的情況下這些特性是經(jīng)濟(jì)可行的。現(xiàn)在許多這樣的生產(chǎn)線已用在非汽車領(lǐng)域里來滿足少量的生產(chǎn)要求。
現(xiàn)在用于減少零件更換時(shí)間的特殊性能包括標(biāo)準(zhǔn)尺寸、模塊結(jié)構(gòu)、安裝在自動(dòng)生產(chǎn)線主托架上的互換性夾具、可互換的夾具零件、借助選擇開關(guān)將不同的部件鎖定在具體工位上的能力和可編程控制器。產(chǎn)品設(shè)計(jì)也很重要，如可能在不同的零件上應(yīng)提供常見的移動(dòng)和夾緊用的表面。
2 機(jī)器人
2.1 機(jī)器人學(xué)的定義和機(jī)器人系統(tǒng)
1）機(jī)器人學(xué)的定義
要以一種方法來定義機(jī)器人而為每一個(gè)制造者和使用者普遍地接受那是困難的。然而，當(dāng)統(tǒng)計(jì)、記錄、清點(diǎn)一下在各個(gè)國家和工業(yè)部門中使用的機(jī)器人數(shù)量時(shí)候，一個(gè)清楚明確的機(jī)器人定義的重要性就變得非常明顯。此外，單一用途的機(jī)器，常稱作剛性自動(dòng)化設(shè)備的，具有某些看似機(jī)器人那樣的特點(diǎn)。在日本，根據(jù)報(bào)道過的在使用中的機(jī)器人就超過85000臺(tái)，都是沒有定義界定的。如果將制造工程師協(xié)會(huì)（SME）所研究制定的定義應(yīng)用來界定這85000臺(tái)機(jī)器人，大約只有12000臺(tái)才夠格認(rèn)定為機(jī)器人。美國制造工程協(xié)會(huì)內(nèi)的機(jī)器人制造者組成的一個(gè)團(tuán)體即美國機(jī)器人研究所研究制定的定義是以下內(nèi)容：機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能的操縱控制器，是被設(shè)計(jì)用來搬運(yùn)材料、零部件、各種工具和特種裝置的，它們是通過可變編程的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來執(zhí)行上述各項(xiàng)任務(wù)。
關(guān)鍵詞是可重復(fù)編程和多功能，因?yàn)榇蠖鄶?shù)單一用途的機(jī)器設(shè)備不能滿足這兩個(gè)要求。
可重復(fù)編程意味著機(jī)器人必須能進(jìn)行重新編程以執(zhí)行一個(gè)新的任務(wù)或執(zhí)行不同的任務(wù)或者能顯著地改變機(jī)械臂或加工刀具的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。多功能就是重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)：機(jī)器人必須能夠?qū)崿F(xiàn)許多不同的功能。不同功能的實(shí)現(xiàn)又取決于程序和加工工具的應(yīng)用。這一定義的一個(gè)變種更清楚地闡述了現(xiàn)在流行的機(jī)器人的智能性，其內(nèi)容如下：機(jī)器人是一個(gè)獨(dú)臂的、不長眼睛的、而又有一定記憶能力、不會(huì)說話、不會(huì)看也不會(huì)聽的“老實(shí)人”。
盡管現(xiàn)在流行的有用的機(jī)器人有巨大能力，但即使最沒有訓(xùn)練的工人去處理在其工作單元中發(fā)生的許多事情來說也比機(jī)器人好。例如，工人們當(dāng)零件失落在地面時(shí)或零件的傳送機(jī)沒有零件時(shí)，他們都能意識(shí)到。但沒有裝設(shè)一批傳感器的、頭腦簡單的機(jī)器人就不會(huì)有任何這種信息意識(shí)。即使備有技術(shù)上最先進(jìn)的、很有效的傳感器的裝置，機(jī)器人也無法與經(jīng)驗(yàn)豐富的工人相比擬。因此，一個(gè)良好的自動(dòng)化工作單元的設(shè)計(jì)需要利用與機(jī)器人控制器相連接的周邊設(shè)備，以使其智能達(dá)到接近操作工人的感知能力。
2）機(jī)器人裝置
現(xiàn)在機(jī)器人裝置與工作單元裝置之間的差別是十分清楚的。機(jī)器人裝置僅僅包括機(jī)器人硬件，而工作單元裝置卻包括機(jī)器人裝置零部件和加上生產(chǎn)產(chǎn)品所需要的所有附加設(shè)備。
當(dāng)制造者著手創(chuàng)建的集成機(jī)器人自動(dòng)化轉(zhuǎn)變成日益復(fù)雜的生產(chǎn)裝置時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)與機(jī)器人之間的區(qū)別將在于是否通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAD/CAM）來進(jìn)行編程和控制。另方面，機(jī)器人手臂上的加工動(dòng)作，根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要由系統(tǒng)自動(dòng)地改變。為了理解當(dāng)前機(jī)器人的技術(shù)水平和將來的發(fā)展趨勢，先研究基本機(jī)器人系統(tǒng)是符合邏輯的合理步驟。
2.2 建筑機(jī)器人
英國建筑自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)協(xié)會(huì)最近的一次會(huì)議上邀請(qǐng)了幾個(gè)日本最大建筑公司的代表作了一個(gè)關(guān)于建筑工業(yè)自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)最新發(fā)展進(jìn)步的報(bào)告。這會(huì)議是很及時(shí)的，因?yàn)樵谶@個(gè)領(lǐng)域的主要發(fā)展的秘密剛剛被公開披露，在這個(gè)領(lǐng)域所有日本的建筑工作者一直在開展此項(xiàng)工作。
早些時(shí)候，日本建筑機(jī)器人的研究在新聞中曾有廣泛的報(bào)導(dǎo)；這包括噴漆機(jī)器人、水泥樓面精整機(jī)器人、隧道掘進(jìn)機(jī)器人等，所有這些機(jī)器人頗直接地面向現(xiàn)實(shí)的任務(wù)開展應(yīng)用自動(dòng)化，這各種機(jī)器人裝置是日本政府研究計(jì)劃的成果（政府指日本工業(yè)與貿(mào)易部），還包括日本六家主要的建筑公司和Waseda大學(xué)在內(nèi)的研究成果。這些簡單的機(jī)器人樣機(jī)很難被推薦到非結(jié)構(gòu)性的戶外環(huán)境的建筑物建設(shè)中使用，因此沒有顯著地研究和發(fā)展。其主要研究在于這些早期的設(shè)計(jì)和建設(shè)自動(dòng)化的投資目標(biāo)之間權(quán)衡中進(jìn)行，那就變得很清楚了。
日本多間建筑公司對(duì)美國幾間大學(xué)以重大投資來解決這一困難任務(wù)表示響應(yīng)。他們現(xiàn)在正在獲取其投資利益且他們表明了是他們首先采用先進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)。當(dāng)建造在開展時(shí)，這種系統(tǒng)的一部分就是將工場周圍環(huán)境圍攏起來以便用層層頂升的施工方法建設(shè)高層建筑。所有日本的主要建筑宣告了這建筑觀念的變化，而且在這次會(huì)議中的兩位演講者（從Obayashi和Shimizn公司派來的）用影視顯示了大規(guī)模運(yùn)用這種新建筑技術(shù)的現(xiàn)場試驗(yàn)情況。
首先看見的新的裝置可視作為一個(gè)比復(fù)雜天氣防護(hù)架小的裝置，包括直接建設(shè)場地在內(nèi)，但事實(shí)上包括相當(dāng)大數(shù)量的技術(shù)革新內(nèi)容，而第一個(gè)工作系統(tǒng)獲得了極為重要的成就。
2.3 微機(jī)為基礎(chǔ)的機(jī)器人模擬
微機(jī)為基礎(chǔ)的機(jī)器人模擬軟件包包括有許多新的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得專業(yè)性微機(jī)基礎(chǔ)的模擬和脫機(jī)編程經(jīng)得起方案選擇。
CAD繪圖可能是從國外CAD軟件包進(jìn)口而來。該軟件包是利用DXF格式的，或者利用國內(nèi)三維CAD系統(tǒng)來模擬目標(biāo)，包括模擬表面實(shí)體結(jié)構(gòu)的幾何圖形模擬，多線擠壓成型模擬，實(shí)體和回轉(zhuǎn)體模擬等。
超級(jí)VGA工程圖學(xué)軟件進(jìn)行模擬標(biāo)準(zhǔn)化配制，這標(biāo)準(zhǔn)化配制是由工程圖學(xué)軟件包基礎(chǔ)工作站來提供。
任何一般的機(jī)構(gòu)，包括平行結(jié)構(gòu)、樹枝狀結(jié)構(gòu)以及新型機(jī)器人都可以進(jìn)行模擬。當(dāng)然，利用早已確認(rèn)的140多種工業(yè)機(jī)器人中任一種都是可能的。
機(jī)器人動(dòng)力學(xué)問題也可能就是模擬問題。力、力矩、質(zhì)量、慣性矩等等，機(jī)器人上的每一個(gè)關(guān)節(jié)都存在著機(jī)器人在空間的軌跡滯后于機(jī)器人控制器所預(yù)期的軌跡。這滯后的范圍大小，當(dāng)目的是快速移動(dòng)時(shí)，任何超越以及最終的急劇、突然的停止，都可以通過改變模擬控制規(guī)則系統(tǒng)的特性來估計(jì)和優(yōu)化。拾起重物即賦以有效重荷的動(dòng)作也可以看作是否超過電機(jī)扭矩極限進(jìn)行模擬的。
2.4 精整應(yīng)用中的機(jī)器人
復(fù)雜的程序已常常妨礙制造工作人員使用精整應(yīng)用中的機(jī)器人。然而，去毛刺和精整加工仍然使用疲勞的手工勞動(dòng)。由機(jī)器人等實(shí)驗(yàn)室、3M磨料部門設(shè)計(jì)了力控制裝置。該裝置可以準(zhǔn)確地跟蹤描劃出零件輪廓和補(bǔ)償磨料磨損。這樣，部位較少或公差較松的，可以利用逐點(diǎn)進(jìn)行編程，這使得逐點(diǎn)編程較為容易，并讓機(jī)器人連貫地執(zhí)行大多數(shù)的磨削、去毛刺和精整任務(wù)。機(jī)器人可以利用位置控制以便磨削，利用力控制以便去毛刺和精整。低摩擦氣缸的緩慢控制力或反饋均包括在內(nèi)。
力控制機(jī)器人在自動(dòng)去毛刺和精整工作中縮短了工作時(shí)間周期并提高了零件質(zhì)量。這種機(jī)器人可為重型設(shè)備制造者縮短去毛刺時(shí)間的三分之二。
3 可編程自動(dòng)化
3.1 可編程自動(dòng)化
對(duì)于可編程自動(dòng)化，以由程序，即一套可以被系統(tǒng)識(shí)別和解釋的編碼指令來控制生產(chǎn)操作工序的方式來設(shè)計(jì)設(shè)備。這樣就可毫無困難地改變操作順序以允許在同一設(shè)備上生產(chǎn)不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。表現(xiàn)可編程自動(dòng)化的一些特性包括：1.通用可編程設(shè)備的高投人；2.比硬性自動(dòng)化更低的生產(chǎn)率；3.應(yīng)付產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化的柔性；4.適合于類似產(chǎn)品或零件的小和／或中等產(chǎn)量的生產(chǎn)（例如，零件族）?？删幊套詣?dòng)化的例子包括數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人和可編程邏輯控制器。
可編程生產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)常用于成批的生產(chǎn)零件或產(chǎn)品。它們尤其適合于相同產(chǎn)品成批的重復(fù)訂單為了生產(chǎn)一批新產(chǎn)品，必須為系統(tǒng)編制與新產(chǎn)品相適應(yīng)的一套機(jī)器指令。設(shè)備的實(shí)際裝備也必須改變，必須給機(jī)器附加特殊的夾具，必須裝上適當(dāng)?shù)牡毒?。這種轉(zhuǎn)換過程可能是耗時(shí)的。結(jié)果，一批特定產(chǎn)品的一般生產(chǎn)周期包括1完成準(zhǔn)備和重編程的階段和2該批產(chǎn)品的加工階段。設(shè)置—重編程階段構(gòu)成了自動(dòng)化系統(tǒng)的非生產(chǎn)時(shí)間。
可編程自動(dòng)化的經(jīng)濟(jì)性要求：隨著設(shè)置一重編程時(shí)間增長，生產(chǎn)批量的大小必須被編得較大以便在眾多設(shè)備中分散損失的生產(chǎn)時(shí)間的消耗。相反，如果設(shè)置和重編程時(shí)間能降到零,則批量的大小可降至一個(gè)。這是柔性自動(dòng)化的理論基礎(chǔ)，即可編程自動(dòng)化的延伸。柔性自動(dòng)化系統(tǒng)是從一個(gè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)產(chǎn)到另一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，時(shí)間損失最少的能生產(chǎn)許多種類產(chǎn)品（或零件）的系統(tǒng)、系統(tǒng)重編程和改變實(shí)際裝備的時(shí)間是最少的，并且事實(shí)上導(dǎo)致無生產(chǎn)時(shí)間損失。因此，系統(tǒng)能在連續(xù)流程中生產(chǎn)不同的產(chǎn)品組合和進(jìn)程，而不是批處理間有中斷的批處理生產(chǎn)。柔性自動(dòng)化的特點(diǎn)包括：1.用于工程定制系統(tǒng)的高投資；2.連續(xù)的產(chǎn)品混合生產(chǎn)；3.改變產(chǎn)品混合以適應(yīng)對(duì)所生產(chǎn)的不同產(chǎn)品的需求率變化的能力；4.中等生產(chǎn)率；5.處理產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更具有柔性。
柔性自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)通過下面一個(gè)或更多的途徑應(yīng)用于實(shí)踐中：1.使用零件族概念，根據(jù)此概念系統(tǒng)中制造的零件在種類上有所限制；2.預(yù)先，并且／或離線對(duì)系統(tǒng)再編程以便再編程不會(huì)中斷生產(chǎn)；3.下載已有程序到系統(tǒng)中來生產(chǎn)以前制造過的零件，為這些零件已編寫過程序；4.使用快速裝卸的夾具以便最大限度地縮短實(shí)際裝備時(shí)問；5.便用為有限零件類型所設(shè)計(jì)的夾具族；6.給系統(tǒng)裝配大量的快速裝卸刀具，它們包括用來生產(chǎn)零件族的各式各樣的加工操作工具。為了實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用，在柔性自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)上生產(chǎn)的零件類型的變化通常比批處理類型的可編程自動(dòng)化系統(tǒng)要局限的多柔性自動(dòng)化系統(tǒng)的例子可追溯到20世紀(jì)60年代晚期的進(jìn)行機(jī)加工操作的柔性制造系統(tǒng)。
3.2 數(shù)字控制
數(shù)字控制（常縮寫為數(shù)控）可定義為一種可編程自動(dòng)化的形式，其中工藝是由數(shù)字、字母和符號(hào)來控制的。在數(shù)控中，數(shù)字構(gòu)成了為某特定工件或任務(wù)設(shè)計(jì)的指令程序。當(dāng)任務(wù)變更時(shí)，指令程序也相應(yīng)改變，改變每種新任務(wù)程序的能力使數(shù)控具有柔性。編寫新程序比改變主要生產(chǎn)設(shè)備要容易得多。
數(shù)控設(shè)備用于所有的金屬零件制造領(lǐng)域，在當(dāng)今工業(yè)的現(xiàn)代機(jī)床中大約占15%。因?yàn)閿?shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床昂貴得多，工業(yè)數(shù)控機(jī)床的資產(chǎn)價(jià)值比起他們的所占比位來要大得多。應(yīng)作數(shù)控的設(shè)備已被用來完成各式各樣的操作，如鉆削、銑削、車削、磨削、飯金壓制、點(diǎn)焊、弧焊、鉚接、裝配、制圖、檢驗(yàn)及零件處理等。這絕不是一個(gè)完全的列舉。應(yīng)把數(shù)字控制看成一種加工控制的可行方法，用于具有下列特點(diǎn)的任何生產(chǎn)情況：
1）用原材料加工類似工件（如用于機(jī)加工的金屬材料）。
2）零件被生產(chǎn)成各種尺寸和形狀。
3）以小到中等規(guī)模批量生產(chǎn)工件。
4）完成每個(gè)工件的加工要求一系列的相似加工步驟。
許多機(jī)加工零件滿足這些條件。這些機(jī)加零件是金屬的，給它們規(guī)定了不同的尺寸和形狀，而且當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)的大部分機(jī)加零件被制成小到中等規(guī)模的多種尺寸。為了生產(chǎn)每一個(gè)零件，需要一系列的鉆削操作或一系列的車削或銑削操作。數(shù)字控制對(duì)這些零件的適應(yīng)性是數(shù)字控制在過去25年中在金屬制造業(yè)中巨大增長的原因。
一個(gè)可操作的數(shù)字控制系統(tǒng)由下列三個(gè)基本部件組成：
1）指令程序。
2）控制器單元，也稱為機(jī)床控制單元。
3）機(jī)床或其他被控工藝。
3.3 指令程序
指令程序是告訴機(jī)床如何去工作的一套詳盡的一步步的指令集。它被以數(shù)字或符號(hào)的形式編碼在一些可以被控制器單元翻譯的輸人介質(zhì)上。最常用的輸入介質(zhì)是1英寸寬的穿孔帶在這些年中，也使用了其他形式的輸人介質(zhì)，包括穿孔卡片、磁帶、甚至35mm電影膠片。
還有其他兩種向數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行輸人的方法必須提及。第一種是用手工將指令數(shù)據(jù)輸入到控制器單元。這是費(fèi)時(shí)的，除非作為輔助控制手段或只制造一個(gè)或非常有限數(shù)目的零件時(shí)，一般很少使用。第二種輸入方法是與計(jì)算機(jī)直接相連。這叫做直接數(shù)字控制或DNC。
指令程序是由被稱為部件工作程序員的人編寫的。程序員的工作是提供一套詳細(xì)的指令，通過這些指令可完成一系列加工步驟對(duì)一個(gè)機(jī)加工操作，加工步驟包括機(jī)床臺(tái)面和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
3.4 可編程邏輯控制器
可編程邏輯控制器（PLC）是一種固態(tài)電子裝置，它利用已存入的程序來控制機(jī)器的運(yùn)行或工藝的工序。PLC通過輸入/輸出（I/O）裝置發(fā)出控制信號(hào)和接受輸入信號(hào)。PLC依據(jù)已存入程序所規(guī)定的邏輯控制輸出裝置響應(yīng)輸入裝置的激勵(lì)。輸入裝置由限位開關(guān)、按鈕、手輪、開關(guān)、脈沖、模擬信號(hào)、ASCII系列數(shù)據(jù)和來自于絕對(duì)位置解碼器的二進(jìn)制或BCD數(shù)據(jù)組成。輸出的是驅(qū)動(dòng)電磁線圈、電動(dòng)起動(dòng)機(jī)、繼電器、指示燈等終端設(shè)備的電壓或電流電平。其他輸出裝置包括模擬裝置、數(shù)字BCD顯示、ASCII兼容裝置、伺服變速驅(qū)動(dòng)器、甚至計(jì)算機(jī)。
當(dāng)通用汽車公司和其他制造商們正在試驗(yàn)看能否有另一種方法來銷毀型號(hào)轉(zhuǎn)變過程中機(jī)床的所有布線控制面板和其他生產(chǎn)設(shè)備時(shí)，PLC被研制成了（大約在1968年）。這種年度例行工作是必要的，因?yàn)榭刂泼姘宓闹匦虏季€比購買新的控制面板要貴得多。
汽車公司與許多控制設(shè)備制造商打交道，請(qǐng)他們開發(fā)一個(gè)控制系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)要有較長的生產(chǎn)壽命而無須主要線路重新布線，并且能被工廠人員所理解和維修。這個(gè)新系統(tǒng)被稱作“可編程控制器”。
PLC的處理器部分由中央處理器和存儲(chǔ)器組成。中央處理器(CPU)是處理器的交通控制器，存儲(chǔ)器儲(chǔ)存信息。從輸人裝置來的電信號(hào)進(jìn)入處理器后，經(jīng)輸入模塊整理成處理器邏輯單元可接受的電壓電平。處理器監(jiān)測I/O的狀態(tài)，然后依據(jù)儲(chǔ)存在PLC存儲(chǔ)器中指令更新輸出。例如，處理器可被編程以便當(dāng)連接限位開關(guān)的輸入為真時(shí)（限位開關(guān)閉合），連在輸出模塊上的輸出裝置被接通，例如，這個(gè)輸出裝置可以是電磁線圈。處理器通過存儲(chǔ)器記錄下這個(gè)指令并與每次檢測相比較以確定限位開關(guān)是否真正閉合。如果閉合，處理器通過接通輸出模塊接通電磁線圈。諸如電磁線圈或電動(dòng)起動(dòng)機(jī)之類的輸出裝置被連接到輸出模塊的接線柱上，并從處理器接受它的位移信號(hào)。實(shí)際上，處理器在完成一系列長而復(fù)雜的邏輯判斷。PLC按順序并根據(jù)存儲(chǔ)的程序來執(zhí)行該樣的判。同樣地，模擬I/O裝置允許處理器依據(jù)信號(hào)的大小而不是其接通或關(guān)閉來做判斷。例如，處理器可被編程為根據(jù)鍋爐實(shí)際溫度（模擬輸入）與所需溫度的比較來增加或減少流向鍋爐的蒸汽（模擬輸出）。這通常是用處理器的內(nèi)置PID（比例，積分，微分）能力來實(shí)現(xiàn)的。
因?yàn)镻LC是“基于軟件的”，其控制邏輯功能可通過對(duì)存儲(chǔ)器再編程而改變。鍵盤編程裝置便修改的程序的輸人更方便，該程序可以被設(shè)計(jì)成使現(xiàn)有機(jī)器或工序以不同順序運(yùn)行，或響應(yīng)不同水平的激勵(lì)或激勵(lì)組合。只有當(dāng)涉及到附加的。更改的或重新定位的輸入/輸出裝置時(shí)，才需要修改硬件。
附錄B
Production Automation
Automation is a widely used term in manufacturing. In this context, automation can be defined as a technology concerned with the application of mechanical, electronic, and computer-based systems to operate and control production. Examples of this techno logy include:
? Automatic machine tools to process parts.
? Automated transfer lines and similar sequential production systems.
? Automatic assembly machines.
? Industrial robots.
? Automatic material handling and storage systems.
? Automated inspection systems for quality control.
? Feedback control and computer process control.
? Computer systems that automate procedures for planning, data collection, and decision making to support manufacturing activities.
Automated production systems can be classified into two basic categories: hardware automation and programmable automation.
1 Hardware Automation
1.1 Fixed Automation
Fixed automation is what Harder was referring to when he coined the word automation. Fixed automation refers to production systems in which the sequence of processing or assembly operations is fixed by the equipment configuration and cannot be readily changed without altering the equipment. Although each operation in the sequence is usually simple, the integration and coordination of many simple operations into a single system makes fixed automation complex. Typical features of fixed automation include 1. high initial investment for custom-engineered equipment, 2. high production rates, 3. application to products in which high quantities are to be produced, and 4. relative inflexibility in accommodating product changes.
Fixed automation is economically justifiable for products with high demand rates. The high initial investment in the equipment can be divided over a large number of units, perhaps millions, thus making the unit cost low compared with alternative methods of production. Examples of fixed automation include transfer lines for machining, dial indexing machines, and automated assembly machines. Much of the technology in fixed automation was developed in the automobile industry; the transfer line dating to about (1920) is an example.
1.2 Controller Ｕnit
The second basic component of the NC system is the controller unit. This consists of the electronics and hardware that read and interpret the program of instructions and convert it into mechanical actions of the machine tool. The typical elements of the controller unit include the tape reader, a data buffer, signal output channels to the machine tool, feedback channels from the machine tool, and the sequence controls to coordinate the overall operation of the foregoing elements.
The tape reader is an electrical-mechanical device for winding and reading the punched tape containing the program of instructions. The data contained on the tape are read into the data buffer. The purpose of this device is to store the input instructions in logical blocks of information. A block of information usually represents one complete step in the sequence of processing elements. For example, one block may be the data required to move the machine table to a certain position and drill a hole at that location.
The signal output channels are connected to the servomotors and other controls in the machine tool. Through these channels, the instructions are sent to the machine tool from the controller unit. To make certain that the instructions have been properly executed by the machine, feedback data are sent back to the controller via the feedback channels. The most important function of this return loop is to assure that the table and workpart have $ been properly located with respect to the tool. Most NC machine tools in use today are provided with position feedback controls for this purpose and are referred to as closed-loop systems. However, in recent years there has been a growth in the use of open-loop systems, which do not make use of feedback signals to the controller unit. The advocates of the open-loop concept claim that the reliability of the system is great enough that feedback controls are not needed and are an unnecessary extra cost. Sequence controls coordinate the activities of the other elements of the controller unit. The tape reader is actuated to read data into the buffer from the tape, signals are sent to and from the machine tool, and so on. These types of operations must be synchronized and this is the function of the sequence controls.
Another element of the NC system, which may be physically part of the controller unit or part of the machine tool, is the control panel. The control panel or control console contains the dials and switches by which the machine operator runs the NC system. It may also contain data displays to provide information to the operator. Although the NC system is an automatic system, the human operator is still needed to turn the machine on and off, to change tools (some NC systems have automatic tool changers), to load and unload the machine, and to perform various other duties. To be able to discharge these duties, the operator must be able to control the system, and this is done through the control panel.
1.3 Machine Ｔool
The third basic component of an NC system is the machine tool or other controlled process. It is the part of the NC system which performs useful work. In the most common example of an NC system, one designed to perform machining operations, the machine tool consists of the worktable and spindle as well as the motors and controls necessary to drive them. It also includes the cutting tools, work fixtures, and other auxiliary equipment needed in the machining operation.
1.4 Transfer Machines
The highest degree of automation obtainable with special-purpose, multifunction machines is achieved by using transfer machines. Transfer machines are essentially a combination of individual workstations arranged in the required sequence, connected by work transfer devices, and integrated with interlocked controls. Workpieces are automatically transferred between the stations, which are equipped with horizontal, vertical, or angular units to perform machining, gagging, workpiece repositioning, assembling, washing, or other operations. The two major classes of transfer machines are rotary and in-line types.
An important advantage of transfer machines is that they permit the maximum number of operations to be performed simultaneously. There is relatively no limitation on the number of workpiece surfaces or planes that can be machined, since devices can be interposed in transfer machines at practically any point for inverting, rotating, or orienting the workpiece, so as to complete the machining operations. Work repositioning also minimizes the need for angular machining heads and allows operations to be performed in optimum time. Complete processing from rough castings or forgings to finished parts is often possible.
One or more finished parts are produced on a transfer machine with each index of the transfer system that moves the parts from station to station. Production efficiencies of such machines generally range from 50% for a machine producing a variety of different parts to 85% for a machine producing one part, in high production, depending upon the workpiece and how the machine is operated (materials handling method, maintenance procedures, etc.)
All types of machining operations, such as drilling, tapping, reaming, boring, and milling, are economically combined on transfer machines. Lathe-type operations such as turning and facing are also being performed on in-line transfer machine, with the workpieces being rotated in selected machining stations. Turning operations are performed in lathe-type segments in which multiple tool holders are fed on slides mounted on tunnel-type bridge units. Workpieces are located on centers and rotated by chucks at each turning station. Turning stations with CNC are available for use on in-line transfer machines. The CNC units allow the machine cycles to be easily altered to accommodate changes in workpiece design and can also be used for automatic tool adjustments.
Maximum production economy on transfer lines is often achieved by assembling parts to the workpieces during their movement through the machine. Such items as bushings, seals, Welch plugs, and heat tubes can be assembled and then machined or tested during the transfer machining sequence. Automatic nut torturing following the application of part subassemblies can also be carried out.
Gundrilling or reaming on transfer machines is an ideal application provided that proper machining units are employed and good bushing practices are followed. Contour boring and turning of spherical seats and other surfaces can be done with tracer controlled single-point inserts, thus eliminating the need for costly special form tools. In-process gaging of reamed or bored holes and automatic tool setting are done on transfer machines to maintain close tolerances.
Less conventional operations sometimes performed on transfer machines include grinding, induction heating of ring gears for shrink-fit pressing on flywheels, induction hardening of valve seats, deep rolling to apply compressive preloads, and burnishing.
Transfer machines have long been used in the automotive industry for producing identical components at high production rates with a minimum of manual part handling. In addition to decreasing labor requirements, such machines ensure consistently uniform high-quality parts at lower cost. They are no longer confined just to rough machining and now often eliminate the need for subsequent operations such as grinding and honing.
More recently, there has been an increasing demand for transfer machines to handle lower volumes of similar or even different parts in smaller sizes, with means for quick changeover between production runs. Built-in flexibility, the ability to rearrange and interchange machining units, and the provision of idle stations increases the cost of any transfer machine, but such features are economically feasible when product redesigns are common. Many such machines are now being used in no automotive applications for lower production requirements.
Special features now available to reduce the time required for part changeover include I standardized dimensions, modular construction, interchangeable fixtures mounted on master pallets that remain on the machine, interchangeable fixture components, the ability to lock out certain stations for different parts by means of selector switches, and programmable controllers. Product design is also important and common transfer and clamping surfaces should be provided on different parts whenever possible.
2 Robotics
2.1 Definition of Robotics and the Robot System
1）Definition of Robotics
To define a robot in a way that is generally acceptable to every manufacturer and user is difficult. However, the importance of a clear definition becomes apparent when the numbers of robots in use in various countries and industries arc counted and reported. In addition, single-purpose machines often called hard-automation, have some features which make them look like robots. Without some definition, the number of robots reportedly in use in Japan would total over 85000. If the definition developed by the Soc
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