半導(dǎo)體芯片氣動搬運機械手設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計論 文 任 務(wù) 書</p><p><b>　　一、題目及專題：</b></p><p>　　題目 半導(dǎo)體芯片氣動搬運機械手設(shè)計 </p><p>　?。?、專題 </p>

2、;<p>　　二、課題來源及選題依據(jù)</p><p>　　由于本人曾在上海凱虹半導(dǎo)體電子公司暑期實習(xí)，一次在處理SONY 謀型號六自由度機械手臂故障后，讓我感觸很深。Sony該型號機械手臂造價昂貴，功能強大，但在6英寸單晶硅芯片的生產(chǎn)線上用作簡單動作的轉(zhuǎn)運機械手似乎有點大材小用，且運營維護成本也非常昂貴。為此，我設(shè)想研制一套由PLC控制的氣動機械手完成相同的動作，從而降低生產(chǎn)成本。恰逢此次畢業(yè)設(shè)計，

3、和指導(dǎo)老師交流后，得到了老師的大力支持，他認(rèn)為此課題非常具有可行性，且適合本人作為畢業(yè)設(shè)計。 </p><p>　　本課題的任務(wù)是研制半導(dǎo)體芯片自動化生產(chǎn)線中用于搬運8英寸芯片的氣動機械手。該機械手要實現(xiàn)芯片的抓取、釋放、搬運等動作，要求結(jié)構(gòu)合理，動作準(zhǔn)確迅速。 </p><p>　　三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達到

4、的要求：</p><p>　　① 查閱資料，了解機械手的發(fā)展史和發(fā)展前景. </p><p>　?、?查閱資料，了解氣動機械手的發(fā)展史和發(fā)展前景 </p><p>　?、?根據(jù)生產(chǎn)需要完成氣動機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 </p><p>　?、?完成氣動機械手的氣動系統(tǒng)設(shè)計

5、 </p><p>　?、?完成氣動機械手PLC電氣自動控制系統(tǒng)的設(shè)計 </p><p>　?、?根據(jù)設(shè)計要求，繪制氣動原理圖一套，PLC程序圖一套，編輯PLC程序，完成畢業(yè)設(shè)計說明書一份，要求一萬五千字以上。 </p><p>　?、?查閱資料和參考文獻，翻譯有關(guān)氣動方面的外文資料要求翻譯一萬

6、字以上。 </p><p><b>　　四、接受任務(wù)學(xué)生：</b></p><p>　　五、開始及完成日期：</p><p>　　自 2010 年 10 月25 日 至 2011年 5 月 22 日</p><p>　　六、設(shè)計（

7、論文）指導(dǎo)（或顧問）：</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文設(shè)計了一種用于半導(dǎo)體芯片自動化生產(chǎn)線中的搬運氣動機械手。該機械手實現(xiàn)芯片的抓取、釋放以及搬運等4個自由度的動作，結(jié)構(gòu)合理，動作準(zhǔn)確迅速，安全可靠性高。采用日本三菱公司的FX2N系列PLC對機械手的上下、左右、回轉(zhuǎn)以及芯片吸取運動進行自動化控制。利用可編程技術(shù)結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置

8、控制機械手完成搬運動作，來配合和實現(xiàn)生產(chǎn)上的要求。該氣動機械手作為特定工位的搬運機械手，能夠取代國外進口的的多功能通用機械手，節(jié)約設(shè)備成本和維護成本80%以上，在自動化生產(chǎn)國產(chǎn)化進程中具有積極的意義。</p><p>　　本人在實習(xí)單位的工作中發(fā)現(xiàn)在自動化生產(chǎn)線中為了便于實現(xiàn)柔性制造，大部分機械手都是6自由度通用機械手，它采用模塊化安裝，改變工位動作時只需改變相應(yīng)程序即可。然而用通用機械手去執(zhí)行特定簡單工位的動作

9、，是一種生產(chǎn)資源的浪費。在當(dāng)今社會追求高效，節(jié)約的大環(huán)境下，本人結(jié)合工作實際設(shè)計了一款能滿足特殊工位使用的機械手。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機械手；PLC；氣動控制；</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper show a Manipulator which is used for tr

10、ansport IC semiconductor chips. This mechanical arm can catch,release and transport the IC chips ,which is a 4-degree of freedom arm. It have a reasonably structured and a high safe reliability. The FX2N PLC which produc

11、ed by Mitsubishi used to control the movements,such as up&down,right&left,turn round,catch&release. Programmable technology combining relevant hardware make the arm to meet the demand of manufacture. As desig

12、ned for special functi</p><p>　　It is the English translation of the Chinese abstract. I found it in my internship that in oder to achieve flexible manufacture system,the vast majority number of mechanical a

13、rm are 6-DOF general mechanical arm. It adopt modularization install,we just need to enter the new PLC programs when the arm need to change the movement. However ,people enable general mechanical arm to implement the sp

14、ecial&simple motion ,which is a waste of resources for production. In nowadays social environment which p</p><p>　　Key words: Manipulator; PLC; Pneumatic control</p><p><b>　　目 錄</

15、b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 基于PLC的氣動機械手設(shè)計的意義1</p><p>　　1.2 機械手的國內(nèi)外的發(fā)展概況1</p><p>　　1.2.1 機械手的發(fā)展史1</p><p>　　1.2.2 氣動機械手的發(fā)展史和發(fā)展前景

16、3</p><p>　　1.3 本課題應(yīng)達到的要求5</p><p>　　2 機械手基本結(jié)構(gòu)與控制任務(wù)6</p><p>　　2.1 機械手的主要部件及運動6</p><p>　　2.2 機械手的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)列表7</p><p>　　2.2.1 氣動機械手的結(jié)構(gòu)7</p><p>

17、;　　2.2.1 氣動機械手的技術(shù)參數(shù)列表7</p><p>　　3 機械手氣動系統(tǒng)設(shè)計8</p><p>　　3.1 氣壓傳動的組成及工作原理8</p><p>　　3.1.1 氣源裝置及輔件8</p><p>　　3.1.2 氣動控制元件9</p><p>　　3.1.3 氣動執(zhí)行元件10</p&

18、gt;<p>　　3.2 氣壓傳動的優(yōu)缺點11</p><p>　　3.3 氣動機械手的氣缸的選用12</p><p>　　3.3.1 滑臺氣缸的選用13</p><p>　　3.3.2 旋轉(zhuǎn)氣缸的選用13</p><p>　　3.3.3 懸臂氣缸的選用14</p><p>　　3.3.4 升降

19、氣缸的選用15</p><p>　　3.3.5 模塊化真空發(fā)生器和真空吸盤的選用16</p><p>　　4 機械手電氣系統(tǒng)設(shè)計17</p><p>　　4.1 PLC簡介17</p><p>　　4.1.1 PLC內(nèi)部原理18</p><p>　　4.1.2 PLC的工作原理20</p>&

20、lt;p>　　4.1.3 PLC機型的選擇方法22</p><p>　　4.1.4 機械手PLC選擇及參數(shù)23</p><p>　　4.2 FX2N系列PLC24</p><p>　　4.2.1 FX2N基本指令運用25</p><p>　　5 機械手典型動作的PLC程序設(shè)計27</p><p>　　5

21、.1 電氣氣動控制( PLC控制)要求27</p><p>　　5.2 PLC輸入、輸出點分配28</p><p>　　5.3 機械手關(guān)鍵步驟PLC程序30</p><p>　　6 結(jié)論與展望2</p><p><b>　　6.1 結(jié)論2</b></p><p>　　6.2 不足之處及

22、未來展望2</p><p><b>　　致 謝3</b></p><p><b>　　參考文獻4</b></p><p><b>　　附錄5</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1

23、 基于PLC的氣動機械手設(shè)計的意義</p><p>　　隨著社會生產(chǎn)不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機械手技術(shù)快速發(fā)展。 </p><p>　　用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為機械手。機械手是一種模仿人手動作，并按設(shè)定程序、軌跡和要求代替人手抓（吸）取、搬運工件或工具或進行操作的自動化裝

24、置。在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　其中氣動機械手采用PLC控制氣路及氣壓回路驅(qū)動氣缸實現(xiàn)要求的運動軌跡，在結(jié)構(gòu)上，與其他類型的機械手相比，氣動機械手具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，其氣動部件已系列化和組立化，便于設(shè)計與實現(xiàn)，且維護方便。由于氣動機械手這些特點，氣動機械手在生產(chǎn)過程自動化中的應(yīng)用已日益廣泛。氣動機械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來源簡便以及不污染環(huán)境、組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到

25、工業(yè)領(lǐng)域的各個部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。</p><p>　　氣動技術(shù)經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程，隨著氣動伺服技術(shù)走出實驗室，氣動技術(shù)及氣動機械手迎來了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術(shù)、氣動機械手三足鼎立的局面。我國對氣動技術(shù)和氣動機械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動機械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速

26、發(fā)展和機械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的氣動機械手奠定了堅實的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。</p><p>　　由于氣動機械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作、氣源使用方便、不污染環(huán)境、動作靈活可靠、工作安全可靠，適用于需要模擬人的重復(fù)動作場合以及惡劣的工作環(huán)境中等諸多獨特的優(yōu)點，因而在沖壓加工、注塑、機床下料、儀表電子、汽車航空及自動化生產(chǎn)線中有著廣闊的應(yīng)用前景。</p&

27、gt;<p>　　本文設(shè)計了一種基于PLC控制的四自由度的氣動機械手，用于半導(dǎo)體芯片自動化生產(chǎn)線中用于搬運8英寸芯片的氣動機械手，該氣動機械手由氣控真空發(fā)生器、真空吸盤、懸臂氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、底座滑臺氣缸等部分組成。運用PLC可編程技術(shù)進行控制，對氣動機械手完成生產(chǎn)物料運輸搬運工作，實現(xiàn)自動化控制。該氣動機械手能放置在各種不同的電子產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)線或物流流水線中，使芯片盤的搬運更快捷、便利、準(zhǔn)確、到位。 </p>

28、<p>　　1.2 機械手的國內(nèi)外的發(fā)展概況</p><p>　　1.2.1 機械手的發(fā)展史</p><p>　　Mechanical hand，也被稱為自動手，Auto hand，能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子

29、、輕工和原子能等部門。</p><p>　　機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的

30、物體，需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度。</p><p>　　機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。</p><p>　　機械手通常用作機床或其他機器的附加裝

31、置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。</p><p>　　機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓

32、放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。</p><p>　　1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。</p><p>　　196

33、2年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。</p><p>　　1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機

34、械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。</p><p>　　聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。</p><p>　　日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。</p><p>　　前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機械手，至1977年底，其

35、中一半是國產(chǎn)，一半是進口[1]。</p><p>　　目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。</p><p>　　第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。</p><p>　　第三代機械手則能獨立完

36、成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。</p><p>　　1.2.2 氣動機械手的發(fā)展史和發(fā)展前景</p><p>　　隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術(shù)自身的一些優(yōu)點，氣動機械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。 </p><p>　　近20年來，氣動技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓

37、寬，尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動技術(shù)從開關(guān)控制進入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究。</p>

38、;<p>　　從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看，近30多年來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。20世紀(jì)70年代，液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為9:1，而30多年后的今天，在工業(yè)技術(shù)發(fā)達的歐美、日本等國家，該比例已達到6:4，甚至接近5:5。我國的氣動行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從20世紀(jì)80年代中期開始，氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達20%以上，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，氣

39、動技術(shù)已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。</p><p>　　氣動技術(shù)是以空氣壓縮機為動力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進行能量傳遞或信號傳遞的工程技術(shù)，是實現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動控制的重要手段之一。</p><p>　　大約開始于1776年，Johnwilkimson發(fā)明能產(chǎn)生1個大氣壓左右壓力的空氣壓縮機。1880年，人們第一次利用氣缸做成氣動剎車裝置，將它成功地用到火車的制動上。20

40、世紀(jì)30年代初，氣動技術(shù)成功地應(yīng)用于自動門的開閉及各種機械的輔助動作上。至50年代初，大多數(shù)氣壓元件從液壓元件改造或演變過來，體積很大。60年代，開始構(gòu)成工業(yè)控制系統(tǒng)，自成體系，不再與風(fēng)動技術(shù)相提并論。在70年代，由于氣動技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，在自動化控制領(lǐng)域得到廣泛的推廣。80年代進入氣動集成化、微型化的時代。90年代至今，氣動技術(shù)突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展，人們克服了閥的物理尺寸局限，真空技術(shù)日趨完美，高精度模塊化氣動

41、機械手問世，智能氣動這一概念產(chǎn)生，氣動伺服定位技術(shù)使氣缸高速下實現(xiàn)任意點自動定位，智能閥島十分理想地解決了整個自動生產(chǎn)線的分散與集中控制問題。</p><p>　　氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。</p><p>　　氣動機械手強調(diào)模塊化的形式，現(xiàn)代傳輸技術(shù)的氣動機械手在控制方面采用了先進的閥島技術(shù)（可重復(fù)編程等

42、），氣動伺服系統(tǒng)（實現(xiàn)任意位置上的精確定位），在執(zhí)行機構(gòu)上全部采用模塊化的拼裝結(jié)構(gòu)。</p><p>　　90年代初，由布魯塞爾皇家軍事學(xué)院Y?Bando教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的電子氣動機器人——“阿基里斯”六腳勘探員，是氣動技術(shù)、PLC控制技術(shù)和傳感技術(shù)完美結(jié)合產(chǎn)生的“六足動物”。6個腳中的每一個腳都有3個自由度，一個直線氣缸把腳提起、放下，一個擺動馬達控制腳伸展/退回運動，另一個擺動馬達則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸

43、心做旋轉(zhuǎn)之用。</p><p>　　由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計的氣動攀墻機器人，它集遙感技術(shù)和真空技術(shù)于一體，成功地解決了垂直攀緣等視為危險工作的操作問題[13]。</p><p>　　Tron-X電子氣動機器人，能與人親切地握手，它的頭部、腰部、手能與人類一樣彎曲運動，并且有良好的柔韌性。在幕后操縱人員的操作下（或通過自身的編程控制）能與人進行對話，或作自我介紹等。Tron-X電子氣

44、動機器人集電子技術(shù)、氣動技術(shù)和人工智能為一體，它告訴我們，氣動技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機器人中最難解決的靈活的自由度，具有在足夠工作空間的適應(yīng)性、高精度和快速靈敏的反應(yīng)能力[10]。</p><p>　　由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作”’。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載

45、保護、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等優(yōu)點。所以，氣動機械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等。</p><p>　　現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動機械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。高頻率的點焊、力控

46、的準(zhǔn)確性及完成整個工序過程的高度自動化，堪稱是最有代表性的氣動機械手應(yīng)用之一。</p><p>　　在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標(biāo)位置。</p><p>　　氣動機械手用于對食品行業(yè)的粉狀

47、、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機械手，牛奶盒裝箱氣動機械手等。</p><p>　　此外，氣動系統(tǒng)、氣動機械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如：氣動自動調(diào)節(jié)病床，Robodoc機器人，da Vinci外科手術(shù)機器人等。</p><p><b>　　重復(fù)高精度</b><

48、/p><p>　　精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次，機械手到達同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機器人定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以及氣動伺服技術(shù)走出實驗室和

49、氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。</p><p><b>　　模塊化</b></p><p>　　有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動機械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系

50、統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。由于模塊化氣動機械手的驅(qū)動部件采用了特殊設(shè)計的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應(yīng)用范圍，是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向。</p><p>　　智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動機械手和氣動機器人的性能起到了十分重要的支持作用。因為智能閥島本來

51、就是模塊化的設(shè)備，特別是緊湊型CP閥島，它對分散上的集中控制起了十分重要的作用，特別對機械手中的移動模塊。</p><p><b>　　無給油化</b></p><p>　　為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求，不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進步，新型材料（如燒結(jié)金屬石墨材料）的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤

52、滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。</p><p><b>　　機電氣一體化</b></p><p>　　由“可編程序控制器-傳感器-氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動元件，使氣動技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配

53、管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC，而閥島技術(shù)的發(fā)展，又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應(yīng)手。</p><p>　　氣動技術(shù)經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程，隨著氣動伺服技術(shù)走出實驗室，氣動技術(shù)及氣動機械手迎來了嶄新的春

54、天。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術(shù)、氣動機械手三足鼎立的局面。我國對氣動技術(shù)和氣動機械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動機械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的氣動機械手奠定了堅實的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。由于氣動機械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等諸多獨特的優(yōu)

55、點，可以預(yù)見，在不久的將來，氣動機械手將越來越廣泛地進人工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。</p><p>　　1.3 本課題應(yīng)達到的要求</p><p>　　本課題的任務(wù)是研制半導(dǎo)體芯片自動化生產(chǎn)線中用于搬運芯片的氣動機械手。該機械手要實現(xiàn)芯片的抓取、釋放、搬運等動作，要求結(jié)構(gòu)合理，動作準(zhǔn)確迅速。本課題采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，對機械手的上下、左右、回轉(zhuǎn)以及芯片吸取運動進行

56、自動化控制。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機械手完成各種動作，來配合和實現(xiàn)生產(chǎn)上的要求。</p><p>　　由于時間倉促和個人水平限制，我的設(shè)計存在著許多還沒來得及解決的問題，希望廣大老師、同學(xué)能夠給予批評指正并予以解決。</p><p>　　2 機械手基本結(jié)構(gòu)與控制任務(wù)</p><p>　　2.1 機械手的主要部件及運動</p>&l

57、t;p>　　根據(jù)任務(wù)要求，氣動機械手實現(xiàn)的是搬運芯片，可以看成無負(fù)載（零負(fù)載），因此設(shè)計氣動系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)時只需注意機械手本身的強度，以及當(dāng)懸臂缸伸出到最大位置時，支架底座能否承受該轉(zhuǎn)距而不傾倒。</p><p>　　如圖2.1，待搬運芯片放置于工位A的傳送托盤上，氣動機械手的初始位置如圖，要實現(xiàn)將芯片從工位A搬運至工位B，對機械手的自由度提出一定的要求。根據(jù)任務(wù)要求，機械手要實現(xiàn)X方向與Y方向的運動（）繞

58、Z方向的旋轉(zhuǎn)（），同時在抓取過程中要實現(xiàn)手臂的升降和吸放光盤的過程。所以確定該機械手是一個4自由度的機械手。</p><p><b>　　圖2.1 任務(wù)要求</b></p><p>　　假設(shè)要實現(xiàn)將芯片從工位A搬至工位B，開始時機械手處于初始位置，即要實現(xiàn)動作如下圖所示：</p><p>　　圖2.2 氣缸動作圖</p><

59、p>　　2.2 機械手的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)列表</p><p>　　2.2.1 氣動機械手的結(jié)構(gòu)</p><p>　　1. 真空吸盤 2. 真空發(fā)生器</p><p>　　3. 升降缸與真空發(fā)生器的連接法蘭 4. 升降缸</p><p>　　5. 伸縮缸與

60、旋轉(zhuǎn)氣缸的連接法蘭 6. 旋轉(zhuǎn)氣缸</p><p>　　7. 旋轉(zhuǎn)氣缸與鋁合金型材立柱的連接法蘭 8. 鋁合金型材立柱</p><p>　　9. 角鐵 10. 底座</p><p>　　2.2.1 氣動機械手的技術(shù)參數(shù)列表</p><p>　　

61、一、用途：搬運半導(dǎo)體芯片</p><p><b>　　二、設(shè)計技術(shù)參數(shù):</b></p><p>　　1. 自由度數(shù):4個自由度</p><p>　　2. 座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo)</p><p>　　3. 最大工作半徑:300mm</p><p>　　4. 手臂最大中心高:463mm</p>

62、;<p><b>　　5. 手臂運動參數(shù)</b></p><p>　　伸縮行程：300mm 伸縮速度：53mm/s</p><p>　　升降行程：100mm 升降速度：80mm/s</p><p>　　回轉(zhuǎn)范圍: -180°~180°</p><p>　　3 機

63、械手氣動系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　要實現(xiàn)上述機械手控制動作，機械手的控制部分包括氣動與PLC控制部分。其動作是靠氣動裝置來完成的。</p><p>　　3.1 氣壓傳動的組成及工作原理</p><p>　　氣壓傳動，是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進行能量傳遞和信號傳遞的一門技術(shù)。氣壓傳動的工作原理是利用空壓機把電動機或其它原動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換為空氣的壓力能，然后在控制

64、元件的作用下，通過執(zhí)行元件把壓力能轉(zhuǎn)換為直線運動或回轉(zhuǎn)運動形式的機械能，從而完成各種動作，并對外做功[11]。 </p><p>　　氣壓傳動系統(tǒng)和液壓傳動系統(tǒng)類似，也是由四部分組成的，它們是：</p><p>　　(1) 氣源裝置 </p><p>　　獲得壓縮空氣的裝置。其主體部分是空氣壓縮機，它將原動機供給的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能；</p>

65、<p><b>　　氣源裝置的組成：</b></p><p>　　空氣壓縮機（氣源部分）</p><p>　　空氣壓縮機是氣動系統(tǒng)的動力源，它將電動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換成氣壓能輸送給氣動系統(tǒng)。本設(shè)計采用的是活塞式低壓空壓機。是一種容積式空氣壓縮機，是通過機件的運動，使密封容積發(fā)生周期性大小的變化，從而完成對空氣的吸入和壓縮過程。</p><

66、p>　　B. 氣源凈化處理裝置</p><p>　　(2) 控制元件 </p><p>　　用來控制壓縮空氣的壓力、流量和流動方向的，以便使執(zhí)行機構(gòu)完成預(yù)定的工作循環(huán)。它包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等；</p><p>　　(3) 執(zhí)行元件 氣動執(zhí)行元件是以壓縮空氣為動力源，將氣體的壓力能再轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，用來實現(xiàn)既定的工況動作。包括氣缸

67、、氣馬達、擺動馬達；</p><p>　　(4) 輔助元件 </p><p>　　是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的，它包括過濾器、油霧氣、管接頭及消聲器等。</p><p>　　3.1.1 氣源裝置及輔件</p><p>　　氣壓傳動系統(tǒng)中的氣源裝置是為氣動系統(tǒng)提供滿足一定質(zhì)量要求的壓縮空氣，它是氣壓傳動系統(tǒng)的

68、重要組成部分。由空氣壓縮機產(chǎn)生的壓縮空氣，必須經(jīng)過降溫、凈化、減壓、穩(wěn)壓等一系列處理后，才能供給控制元件和執(zhí)行元件使用。而用過的壓縮空氣排向大氣時，會產(chǎn)生噪聲，應(yīng)采取措施，降低噪聲，改善勞動條件和環(huán)境質(zhì)量。</p><p><b>　　對壓縮空氣的要求</b></p><p>　　(1) 要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量。</p><p>

69、;　　(2) 要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度。清潔度是指氣源中含油量，含灰塵雜質(zhì)的質(zhì)量及顆粒大小都要控制在很低范圍內(nèi)。干燥度是指壓縮空氣中含水量的多少，氣動裝置要求壓縮空氣的含水量越低越好。</p><p>　　混在壓縮空氣中的油蒸氣可能聚集在貯氣罐、管道、氣動系統(tǒng)的容器中，有引起爆炸的危險或影響設(shè)備的壽命。</p><p>　　(3) 壓縮空氣中含有的飽和水分，在一定的條件下會凝結(jié)成

70、水，并聚集在個別管道中。在寒冷的冬季，凝結(jié)的水會使管道及附件結(jié)冰而損壞，影響氣動裝置的正常工作。</p><p>　　(4) 壓縮空氣中的灰塵等雜質(zhì)，對氣動系統(tǒng)中作往復(fù)運動或轉(zhuǎn)動的氣動元件的運動副會產(chǎn)生研磨作用，使這些元件因漏氣而降低效率，影響它的使用壽命。</p><p>　　因此氣源裝置必須設(shè)置一些除油、除水、除塵，并使壓縮空氣干燥，提高壓縮空氣質(zhì)量，進行氣源凈化處理的輔助設(shè)備。<

71、;/p><p>　　氣動三聯(lián)件（圖3- 1）一般指空氣過濾器、減壓閥、油霧器，有些品牌的電磁閥和氣缸能夠?qū)崿F(xiàn)無油潤滑（靠潤滑脂實現(xiàn)潤滑功能），便不需要使用油霧器！空氣過濾器和減壓閥組合在一起可以稱為氣動二聯(lián)件。還可以將空氣過濾器和減壓閥集裝在一起，便成為過濾減壓閥（功能與空氣過濾器和減壓閥結(jié)合起來使用一樣）。有些場合不能允許壓縮空氣中存在油霧，則需要使用油霧分離器將壓縮空氣中的油霧過濾掉。總之，這幾個元件可以根據(jù)需要

72、進行選擇，并可以將他們組合起來使用。</p><p><b>　　氣動輔件</b></p><p><b>　　(1)消聲器</b></p><p>　　在氣壓傳動系統(tǒng)之中，氣缸、氣閥等元件工作時，排氣速度較高，氣體體積急劇膨脹，會產(chǎn)生刺耳的噪聲。噪聲的強弱隨排氣的速度、排量和空氣通道的形狀而變化。排氣的速度和功率越大，噪

73、聲也越大，一般可達100~120dB，為了降低噪聲可以在排氣口裝消聲器（圖3- 1-2）。</p><p>　　消聲器就是通過阻尼或增加排氣面積來降低排氣速度和功率，從而降低噪聲的。氣動元件使用的消聲器一般由三種類型：吸收型消聲器、膨脹干涉型消聲器和膨脹干涉吸收型消聲器。 </p><p><b>　　(2)管道連接件</b></p><p>

74、　　管道連接件包括管子和各種管接頭。有了管子和各種管接頭，才能把氣動控制元件、氣動執(zhí)行元件以及輔助元件等連接成一個完整的氣動控制系統(tǒng)，因此，實際應(yīng)用中，管道連接件是不可缺少的。 </p><p>　　管子可分為硬管和軟管兩種。如總氣管和支氣管等一些固定不動的、不需要經(jīng)常裝拆的地方，使用硬管。連接運動部件、臨時使用、希望裝拆方便的管路應(yīng)使用軟管。硬管有鐵管、銅管、黃銅管、紫銅管和硬塑料管等；軟管有塑料

75、管、尼龍管、橡膠管、金屬編織塑料管以及撓性金屬導(dǎo)管等等。常用的是紫銅管和尼龍管。</p><p>　　氣動系統(tǒng)中使用的管接頭的結(jié)構(gòu)及工作原理與液壓管接頭基本相似；分為卡套式、擴口螺紋式、卡箍式、插入快換式等。</p><p>　　3.1.2 氣動控制元件</p><p>　　在氣壓傳動系統(tǒng)中，氣動控制元件是控制和調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力、流量和方向的各類控制閥，其作用是保

76、證氣動執(zhí)行元件（如氣缸、氣馬達等）按設(shè)計的程序正常地進行工作。</p><p>　　氣壓控制閥按作用可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。(圖3- 4-2.2)</p><p>　　3.1.3 氣動執(zhí)行元件</p><p>　　氣動執(zhí)行元件包括氣缸和氣馬達。</p><p><b>　　(1)氣缸</b></p

77、><p>　　氣缸是氣動系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一。除幾種特殊氣缸外，普通氣缸其種類及結(jié)構(gòu)形式與液壓缸基本相同。目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸（圖3-1-3），其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。QGA系列為無緩沖普通氣缸；QGB系列為有緩沖普通氣缸。</p><p>　　其它幾種較為典型的特殊氣缸有氣液阻尼缸、薄膜式氣缸和沖擊式氣缸等。</p><p><b>　　a

78、. 氣液阻尼缸</b></p><p>　　普通氣缸工作時，由于氣體的壓縮性，當(dāng)外部載荷變化較大時，會產(chǎn)生“爬行”或“自走”現(xiàn)象，使氣缸的工作不穩(wěn)定。為了使氣缸運動平穩(wěn)，普遍采用氣-液阻尼缸。</p><p>　　氣液阻尼缸是由氣缸和油缸組合而成。利用油液的不可壓縮性和控制油液排量來獲得活塞的平穩(wěn)運動和調(diào)節(jié)活塞的運動速度。它將油缸和氣缸串聯(lián)成一個整體，兩個活塞固定在一根活塞桿上

79、。</p><p><b>　　b. 薄膜式氣缸</b></p><p>　　薄膜式氣缸是一種利用壓縮空氣通過膜片推動活塞桿做往復(fù)直線運動的氣缸。它由缸體、膜片、膜盤和活塞桿等主要零件組成。其功能類似于活塞式氣缸，它分單作用式和雙作用式兩種。</p><p>　　薄膜式氣缸的膜片可以做成盤形膜片和平膜片兩種形式。膜片形式為夾織物橡膠、鋼片或磷青

80、銅片。常用的是夾織物橡膠，橡膠的厚度為5~6mm，有時也可用1~3mm。金屬式膜片只用于行程較小的薄膜式氣缸中。</p><p>　　薄膜式氣缸和活塞式氣缸相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、制造容易、成本低、維修方便、壽命長、泄漏小、效率高的優(yōu)點。但是膜片的變形量有限，故其行程短（一般不超過40~50mm），且氣缸活塞桿上的輸出力隨著行程的加大而減小。</p><p><b>　　c.

81、 沖擊氣缸 </b></p><p>　　沖擊氣缸是一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、耗氣功率小但能產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊力的一種特殊氣缸。與普通氣缸相比，沖擊氣缸的結(jié)構(gòu)特點是增加了一個具有一定容積的蓄能腔和噴嘴。</p><p><b>　　(2)氣馬達</b></p><p>　　氣馬達也是氣動執(zhí)行元件的一種。它的作用相當(dāng)于電動機或液壓

82、馬達。即輸出力矩，拖動機構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運動。</p><p>　　氣馬達按結(jié)構(gòu)形式可分為：葉片式氣馬達、活塞式氣馬達和齒輪式氣馬達等。最為常見的是活塞式氣馬達（圖3-1-4）</p><p>　　和葉片式氣馬達。葉片式氣馬達制造簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，但低速運動轉(zhuǎn)矩小、低速性能不好，適由于中低功率的機械，目前在礦山及風(fēng)動工具中應(yīng)用普遍。活塞式氣馬達在低速情況下有較大的輸出功率，它的低速性能好，適宜于載荷

83、較大和要求低速轉(zhuǎn)矩的機械，如起重機、鉸車、鉸盤、拉管機等。</p><p>　　本設(shè)計采用雙作用氣缸和單作用氣缸。單作用氣缸，壓縮空氣僅作用在氣缸活塞的一側(cè)，另一側(cè)則與大氣相通。氣缸只在一個方向上做功，氣缸活塞在復(fù)位彈簧或外力作用下復(fù)位。在無負(fù)載情況下，彈簧力使氣缸活塞以較快速度回到初始位置。復(fù)位力大小由彈簧自由長度決定，</p><p>　　雙作用氣缸在壓縮空氣作用下，雙作用氣缸活塞桿既

84、可以伸出，也可以回縮。通過緩沖調(diào)節(jié)裝置，可以調(diào)節(jié)其終端緩沖。氣缸活塞上永久磁環(huán)可用于驅(qū)動行程開關(guān)動作。</p><p><b>　　(2)氣動人工肌肉</b></p><p>　　氣動人工肌肉由外部提供的壓縮空氣驅(qū)動，作推拉動作，其過程就像人體的肌肉運動。它可以提供很大的力量，而重量卻比較小，最小的氣動人工肌肉重量只有10g。氣動人工肌肉會在達到推拉極限時自動制動，不

85、會突破預(yù)定的范圍。多個氣動人工肌肉可以按任意方向、位置組合，不需要整齊的排列。如圖3-1-5</p><p>　　3.2 氣壓傳動的優(yōu)缺點</p><p><b>　　優(yōu)點</b></p><p>　　(1) 工作介質(zhì)是空氣，取之不盡、用之不竭。氣體不易堵塞流動通道，用過后可將其隨時排入大氣中，不污染環(huán)境。</p><p&g

86、t;　　(2) 空氣的特性受溫度影響小。在高溫下能可靠地工作，不會發(fā)生燃燒或爆炸。且溫度變化時，對空氣的粘度影響極小，故不會影響傳動性能。</p><p>　　(3) 空氣的粘度很?。s為液壓油的萬分之一），所以流動阻力小，在管道中流動的壓力損失較小，所以便于集中供應(yīng)和遠距離輸送。</p><p>　　(4) 相對液壓傳動而言，氣動動作迅速、反應(yīng)快，一般只需0.02～0.3秒就可達到工作壓

87、力和速度。液壓油在管路中流動速度一般為1~5m/s，而氣體的流速最小也大于10m/s，有時甚至達到音速，排氣時還達到超音速。</p><p>　　(5) 氣體壓力具有較強的自保持能力，即使壓縮機停機，關(guān)閉氣閥，但裝置中仍然可以維持一個穩(wěn)定的壓力。液壓系統(tǒng)要保持壓力，一般需要能源泵繼續(xù)工作或另加蓄能器，而氣體通過自身的膨脹性來維持承載缸的壓力不變。</p><p>　　(6) 氣動元件可靠性

88、高、壽命長。電氣元件可運行百萬次，而氣動元件可運行2000~4000萬次。</p><p>　　(7) 工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射、振動等惡劣環(huán)境中，比液壓、電子、電氣傳動和控制優(yōu)越。</p><p>　　(8) 氣動裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護方便、過載能自動保護。</p><p><b>　　缺點</b></

89、p><p>　　(1) 因空氣的可壓縮性較大，氣動裝置的動作穩(wěn)定性較差。</p><p>　　(2)氣動裝置工作壓力低，輸出力或力矩受到限制。在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，氣壓傳動裝置比液壓傳動裝置輸出的力要小得多。</p><p>　　(3) 氣動裝置中的信號傳動速度比光、電控制速度慢，所以不宜于信號傳遞速度要求十分高的復(fù)雜線路中。同時實現(xiàn)生產(chǎn)過程的遙控也比較困難，但對一般

90、的機械設(shè)備，氣動信號的傳遞速度是能滿足工作要求的。</p><p>　　(4)  噪聲較大，尤其是在超音速排氣時要加消聲器。</p><p>　　3. B. 系統(tǒng)RAM存儲區(qū)</p><p>　　系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設(shè)備(例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等)存儲區(qū)。</p><p>

91、;<b>　　I/O映象區(qū)</b></p><p>　　由于PLC投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要有一定數(shù)量的存儲單元（RAM）以供存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲單元稱作I/O映象區(qū)。一個開關(guān)量I/O占用存儲單元中的一個位（bit）, 一個模擬量I/O占用存儲單元中的一個字（16個bit)。因此，整個I

92、/O映象區(qū)可看作由開關(guān)量的I/O映象區(qū)和模擬量的I/O映象區(qū)兩部分組成。</p><p><b>　　系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū)</b></p><p>　　除了I/O映象區(qū)以外，系統(tǒng) RAM存儲區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在PLC斷電時，由內(nèi)

93、部的鋰電子供電。使這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)得以保留；后者當(dāng)PLC停止運行時，將這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)全部置“零”。</p><p>　　C．用戶程序存儲區(qū) </p><p>　　用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC其存儲容量各不相同，一般來說，隨著PLC機型增大其存儲容量也相應(yīng)增大。不過對于新型的PLC，其存儲容量可根據(jù)用戶的需要而改變。</p><p&

94、gt;　　D．常用的I/O分類</p><p>　　常用的I/O分類如下：</p><p>　　開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。</p><p>　　模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit

95、,16bit等。</p><p>　　除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。</p><p>　　按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。</p><p><b>　?。?）PLC電源</b></p><p

96、>　　PLC電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。無論是小型的PLC，還是中、大型的PLC，其電源的性能都是一樣的，均能對PLC內(nèi)部的所有器件提供一個穩(wěn)定可靠的直流電源。一般交流電壓波動在正負(fù)10%（15%）之間，因此可以直接將PLC接入到交流電網(wǎng)上去。</p><p>　　可編程序控制器一般使用220V交流電源?？删幊绦蚩刂破鲀?nèi)部的直流穩(wěn)壓電源為各模塊內(nèi)的元件提供直流電壓。某些可編程序控制器可以為輸入電路和

97、少量的外部電子檢測裝置（如接近開關(guān)）提供24V直流電源。驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的電源一般由用戶提供。</p><p>　　可編程序控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似，梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入、輸出繼電器等。這種計算機程序?qū)崿F(xiàn)的“軟繼電器”，與繼電器系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)在功能上某些相似之處。</p><p>　　4.1.2 PLC的工作

98、原理</p><p>　　可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序控制器停機 或切換到STOP工作狀態(tài)。</p><p>　　除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過

99、程中，可如上圖編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來看，處理過程似乎是同時完成的。</p><p>　　在內(nèi)部處理聯(lián)合階段，可編程序控制器檢查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。</p><p>　　在通信服

100、務(wù)階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當(dāng)可編程序控制器處于停止（STOP）狀態(tài)時，只執(zhí)行以上的操作。可編程序控制起處于（RUN）狀態(tài)時，還要完成另外3個階段的操作。</p><p>　　在可編程序控制器的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器?？删幊绦蚩刂破魈菪螆D中別的編程元件也有對應(yīng)的映像存

101、儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入寄存器。</p><p>　　外接的輸入觸點電路接通時，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外接的輸入觸點電路斷開，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點斷開，常閉觸點接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)

102、生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入。</p><p>　　可編程序控制器的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按步序號順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的0/1狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算，

103、運算結(jié)果寫入到對應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。</p><p>　　在輸出處理階段，CPU 將輸出映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體型圖某一輸出繼電器的線圈“通電”時，對應(yīng)的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負(fù)載通電工作。</p>

104、<p>　　若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應(yīng)的輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作。某一編程元件對應(yīng)的映像寄存器為“1”狀態(tài)時，稱該編程元件為ON，映像寄存器為“0”狀態(tài)時，稱該編程元件為OFF。</p><p>　　掃描周期可編程序控制器在RUN工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次圖所示[3]的掃描操作所需的時間稱為掃描

105、周期，其典型值為1~100ms。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。當(dāng)用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當(dāng)大的比例。不過嚴(yán)格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。</p><p>　　圖4.3 PLC的掃描運行方式</p><p>　　(1) 輸入采樣階段</p><p>　　在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次

106、讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。</p><p>　　(2) 用戶程序執(zhí)行階段</p><p>　　在用戶程序執(zhí)行階段，PLC的CPU總是由上

107、而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進行邏輯運算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)。或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達等。</p><p>　　(3) 輸出刷新階段</p><p>　　在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動響應(yīng)的外設(shè)。這時才

108、是PLC真正的輸出。</p><p>　　(4) 輸入/輸出滯后時間</p><p>　　輸入/輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時間，是指可編程序控制器的外部輸入信號發(fā)生變化的時刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間三部分組成。</p><p>　　輸入模塊的CPU濾波電路用來濾除由輸

109、入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸入觸點動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波時間的長短，其典型值為10ms左右。</p><p>　　輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時間一般在10ms左右；雙向可空硅型輸出電路在負(fù)載接通時的滯后時間約為1ms，負(fù)載由導(dǎo)通到斷開時的最大滯后時間為10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達到