发布时间 : 星期五 文章基于PLC控制的两关节机械手运动仿真 - 图文更新完毕开始阅读
所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如图 2-1所示：
图 2-1 PLC基本结构图
2.1.3 PLC工作原理
由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。
PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为3个阶段。
(1) 输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。
(2) 程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。
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(3) 输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。综上述，PLC的扫描工作过程如图 2-2所示。
图 2-2 PLC扫描工作过程
显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。
总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应加强注意。
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2.2 机械手及其组成
2.2.1 机械手概念
机械手是一种能模仿人手臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。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。机械手是工厂企业高度自动化的标志，它能完成许多高技术难度和繁重的体力劳动，尤其对于高温、高压、高湿度、污染等不适宜以人工工作的环境中，机械手起到了不可取代的作用。 2.2.2 机械手的组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。 (1) 执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
1) 手部 即与物件接触的部件。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。
2) 手腕 是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。 3) 手臂 支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。
4) 立柱 是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升
降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。
5) 行走机构 机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走
机构。滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。
6) 机座 它是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于
基座上，故起支承和联接的作用。
7) 其它部分 行程检测装置和传感装置等。行程检测装置是检测和控制机械手各
运动行程（位置）的装置。传感装置其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的位置是否准确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应。 (2) 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
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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。
2.3 机械手的分类
(1) 按机械手的使用范围分类：
1) 专用机械手 一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器
或生产线，用以自动的传送物件或操作某一工具。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。
2) 通用机械手（也称工业机械手）即指具有可变程序和单独驱动的控制系统，又
不从属于某种机器，而能自动地完成传送物件或操作某些工具的机械装置。 (2) 按机械手的驱动方式分类：
1) 液压驱动机械手 以压力油进行驱动。 2) 气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动。 3) 电力驱动机械手 直接用电机进行驱动。
4) 机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机
械手的一种驱动方式。 (3) 按机械手臂力大小分类： 1) 微型机械手 臂力小于1公斤。 2) 小型机械手 臂力为1～10公斤。 3) 中型机械手 臂力为10～30公斤。 4) 大型机械手 臂力大于30公斤。
(4) 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。
2.4 对机械手的一般要求
（1） 降低机械手的成本
为了扩大机械手的使用范围，必须降低机械手的成本。据统计，机械手电气控制装置所占成本的比重较大。
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