毕业设计（论文）-多自由度点焊机器人设计.doc

济南大学毕业设计1 前言1.1 工业机器人发展现状20世纪60年代初人类生产出第一台工业机器人，从此之后，机器人显示出了极强的生命力。日本虽然起步较晚，但是结合了国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施，使得其机器人拥有量很快超过了美国。现在，在工业发达国家中，工业机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、橡胶及塑料工业、电子电气行业、物流、食品工业等诸多领域中。2000年出现了仿生机器人，包括仿人机器人。机器人的运动能力和智能水平进一步提高，并以智能体的形式出现，应用领域进一步扩大。在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为工业界广泛应用的一种标准设备。我国的工业机器人研究开始于上个世纪70年代，在国家“七五”、“八五”科技攻关的支持下，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、运动学和轨迹规划技术、控制系统硬件和软件设计技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、装配、喷漆、搬运等机器人。进入20世纪90年代后，为了实现高新技术发展与国家经济主要领域的密切衔接，863计划确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，开发出直接遥控机器人、管道机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人等机种；在机器人视觉、声觉、力觉、触觉等基础技术的开发应用上做了大量工作，取得了一定的发展基础。一批企业根据市场的需求，自主研制或与科研院所合作，进行机器人产业化开发，如奇瑞汽车与哈工大合作进行点焊机器人的产业化开发、广州数控开发了焊接机器人1。但是，工业机器人产业目前在我国还仅仅处于萌芽阶段，在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品。随着我国现代制造业的发展，我国工业机器人的需求量在快速增长。随着我国汽车制造行业的快速发展，工业机器人被广泛应用于车身制造领域，在自动生产线中以点焊机器人系统为主。国内汽车厂家在自动生产线设计上，多采用机器人厂家的标准机器人，由生产线的制造商进行整体设计；而国外的汽车公司多数都有自己的机器人标准。也就是说，机器人厂家是按照汽车厂家的要求，制造符合生产企业使用习惯的机器人系统。本设计就是要完成机械本体的优化设计，并为其配备智能控制器，以满足汽车厂家的生产要求。1.2 点焊机器人的特征机器人是在人员难以工作的环境，如有害于人身健康的环境下，部分代替人工操作的自动化装置，适合完成简单和重复性的操作，在制造业中得到越来越广泛的应用。点焊机器人系统主要应用于汽车工业领域，在制造汽车车体，尤其是车身时，大部分的焊点是由机器人完成的。点焊机器人刚开始时只用于简单地焊接作业，随着汽车工业的发展，对焊点质量和焊接效率的要求大大提高，为了保证拼接精度，点焊机器人不仅要高质量的完成焊接任务，还要完成自动定位焊接。通常对点焊机器人的要求是2：（1） 高的加速度和减速度（2） 良好的灵活性，至少五个自由度（3） 良好的可靠性（4） 通常要求工作空间大，适应焊接工作要求，承载能力高（5） 焊枪的动力传输较困难，需实现焊枪动力传输（6） 重复性要求：可见焊点处1mm，不可见焊点处3mm（7） 考虑到焊接空间小，为避免与工件碰撞，通常要求小臂很长其优点是：定位精度高、重复精度好、承受负载大、可以代替人在有害的环境下作业等。1.3 点焊机器人系统组成广义上讲，机器人是一个较完善的机电一体化系统，包括机械本体、控制及信息处理单元、驱动单元、动力单元、传感检测单元和执行单元等要素。我们一般看到的机器人是其机械本体，是狭义的机器人，它包括底座、腰、大臂、小臂、手腕等部件，各部件多采用关节的形式连接，为增加机器人的灵活性，腕部一般要求两到三个自由度，整体一般不少于五个自由度。各个关节通过交流伺服电动机或步进电机驱动，通过谐波减速器、摆线针轮减速器、滚珠丝杠、齿轮、同步齿型带等传动。点焊机器人要完成焊接作业，离不开控制系统与外围设备的支持与配合。完整的焊接机器人系统一般由如下几个部分组成：机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等3 。232 总体设计方案在确定机器人总体设计方案前，我们还要拟定本设计的基本步骤及其要遵循的一些基本原则，从而使设计方案更合理。2.1 总体设计思路设计机器人大体上可分为两个阶段：1. 系统分析阶段（1）根据系统所要实现的目标，明确机器人的设计目的和任务。这是最基本的一步，所有的工作都要围绕这个目标开展。（2）分析机器人所在系统的工作环境。这样做是为了选择合理的材料和机构，为其配置合适的控制系统，比如要设计点焊机器人，就尽量不要用液压装置，以免焊接热引燃液压油。（3）根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、所能承受的负载、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。2. 技术设计阶段（1）根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围，选择机器人的坐标形式；（2）拟订机器人的运动路线和空间作业图；（3）确定驱动系统的类型；（4）选择各部件的具体结构，确定各关节要采用的机构，进行机器人总装图的设计；（5）确定机器人主要零件的尺寸，并绘制零件图。2.2 总体方案的确定多自由度点焊机器人的设计主要包括点焊机器人机械本体的设计和控制电路的设计。机械本体的设计包括对机座、手腕、大臂和小臂的设计，共有五个自由度，包括机座的转动，大臂的摆动，小臂的摆动，腕部的转动和摆动等，每个自由度都由一个伺服电机驱动。考虑到加工成本，各零件选择最简单形状。电路部分的设计包括设计控制电路，运用PLC来控制各个电路和电机的正反转。通过机电一体化，实现了对机器人的自动控制，从而灵活精确地对要点焊接部位进行点焊。2.2.1 机器人本体设计参数：（1）负载 120kg（2）自由度 5（3）工作范围及最大关节速度:腰转 120，100/s大臂摆 100，120/s小臂摆 上60，下60，100/s腕转 120，120/s腕摆 115，120/s重复定位精度 0.4mm最大回转半径：20000mm快速打点能力：行程50mm的时间为0.4s，焊接节拍56点/分钟机器人本体特点为：（1）机器人末端执行器可以达到工作范围内任意一点。各关节动作：腰关节旋转，带动大臂和小臂旋转；大臂摆动，带动小臂摆动；小臂俯仰，带动腕部运动；腕部有腕转和腕摆两个动作。（2）为减轻机器人本体重量，大臂和小臂均做成空心的，且对称安装，造型美观。（3）采用步进电机和交流伺服电机加减速器的驱动方式，用减速器输出扭矩大，适合在高速下运行。后面连接减速器，步进电机与减速器做成一体，结构紧凑。为了设计、安装简便，腰关节和上臂都直接联在减速器轴上，步进电机带动减速器，然后驱动关节旋转。考虑平衡和配重问题，将小臂驱动电机安装在大臂上，用丝杠组成四杆机构，带动小臂俯仰。（4）每个关节还设计了机械挡板，一方面起保护作用，另一方面作为增量编码器的零位位置。2.2.2 硬件设计（1）机器人控制器中配置内置PLC，该PLC可由用户进行编程，对电极修磨器、焊接控制器等机器人附属设备进行控制，这种控制结构机器人与生产线PLC控制之间通信少，使控制单元缩小，控制层级关系清晰，运行维护相对简单。（2）机器人配置抱闸释放装置，当机器人伺服电动机出现故障时，可以手工释放电磁抱闸，尤其是机器人伺服焊钳。在焊钳出现故障时，可以方便地进行相关维修操作。（3）机器人管线采用分段结构，衔接位置采用连接器。采用分段方式，可以减少管线更换时间和维护成本。（4）为判断机器人的运行状态，在机器人控制柜上安装3色灯，其出现故障时，可以在很远的距离做出判断。2.2.3 坐标形式的选择1. 直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2.1(a)所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到m级位置精度。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2. 关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2.1(b)。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。(a). 直角坐标型 (b). 关节型图2.1 关节型机器人坐标形式由要求可知本设计是一个用于摩托车油箱的点焊系统，即要实现机器人的几个基本动作。为了满足设计的要求，我们综合考虑以上两种坐标形式的不同特点，最终选用关节型坐标。2.2.4 驱动方式的选择工业机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电力驱动和机械联动等几种基本种类。液压驱动压力高，能够输出较大的力。由于液压油不可压缩，所以压力、流量都容易控制，可实现连续轨迹控制。但是液压系统的密封性要求高，容易造成泄漏，考虑到焊接是会产生高温和火花，再加上液压元件成本高，油路比较复杂，故此应避免使用。气压驱动与液压驱动相比，虽然不受泄露影响，成本也较低，但气压压力低，体积庞大，也不宜用在本系统中。机械联动能输出较大的力，维修方便，成本也较低，但在自由度多时，机构复杂，体积较大，也不宜与CPU连接，所以本设计也不采用。对于电力驱动，可以选择交流伺服或步进电机，输出力可大可小，重要的是它容易与CPU连接，控制性能好，响应快，可以精确定位。特别适合程序复杂、运动轨迹要求严格的工业机器人。虽然步进或伺服电机价格较高，但考虑到点焊机器人的行程，即两焊接点的距离较短，而且要求快速移动焊钳，其驱动器除了满足功率要求外还应考虑到是否能在较大的惯性负载（焊钳）条件下，提供足够的加速度以满足作业要求，因此综合比较这几种驱动方式，决定采用电力驱动。2.2.5 电机的选择原则电机是机器人的动力部分，相当于人的内脏，所以应当全面慎重地选择电机，电机选择是否合适，直接关系到机器人运行特性和性能。应综合考虑其使用的条件、运行的环境、经济技术等因素。电机选择的一般步骤：首先，按控制对象及环境条件选择电动机的类型；再按负载转矩及转速初选电动机的额定功率和转速，初选电机型号；接下来校验电动机最小启动转矩，允许的最大飞轮力矩及过载转矩，校验电机的启停矩频特性；然后再校验电动机的发热。一般地，由于机械设计时有个放大的安全系数，为其配备电气设备时又有个安全系数，所以选的电机功率会比实际需要的大，因此还要核算所选电动机的功率是否合适，避免出现“大马拉小车”的情况。经过这种选择和验算，如果合适，则可以采用；若不合适，则需重复上述步骤。另外，选择电机还要考虑可靠性好、互换性强、维护方便。2.2.6 传动方式的选取对机器人的传动装置的一般要求如下2：（1）传动装置的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率（即功率质量比）要高，效率也要高；（2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大；（3）动作平滑，不产生冲击；（4）控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；（5）安全可靠，操作和维护方便；（6）对环境无污染，噪声要小；（7）经济上合理尤其要尽量减少占地面积。机械传动有多种方式，比如链传动、带传动、齿轮传动等等，每种传动各具特色，传递运动的精度和力的大小各不相同，故能分别应用到不同场合。对于本次设计的点焊机器人来说，要求它具有五个自由度，有的需要传递较大的力矩，有的需要转换运动的方向，有的需要较大的传动比和传动精度。这就要求我们量体裁衣，实事求是，为每个关节选择合适的传动方式。点焊机器人的底座要承受整个机身的重量，设计负载达到120kg，因此底座和腰需用圆柱齿轮传动，以提供足够大的扭矩。同样，大臂的摆动也可以用圆柱齿轮传动。小臂俯仰理论上也可以用齿轮传动，但是考虑到机器人的小臂较长，容易成为悬臂梁而造成刚度降低，所以采用四杆机构，这样不仅可以解决悬臂梁的问题，还能具有良好的传动动力性能。用滚珠丝杠作为四杆机构的一个杆，它的可靠性高，精度高，还有很大的传动比，与丝杠螺母相比，摩擦和润滑问题可以忽略。机器人的腕部采用锥齿轮，可以在较小的空间内为两个方向垂直的转轴传递动力和运动，这样，手腕就具有更高的灵活性。由于电机的转速较高而转矩较小，需要减速以提高转矩，速度和机器人各关节要匹配。另外，如前所述，点焊机器人需要有较大的加速度和减速度，所以减速器的质量要轻，体积要小，摩擦等损耗要小。谐波减速器传动比能在很大范围内变动，一般能达到60500，结构简单、重量轻、体积小，齿的啮合为面接触，磨损小且均匀，因而有较高的承载能力，正好满足点焊机器人的上述要求。因此选择谐波减速器配合各传动装置使用。2.2.7 焊接设备的选取点焊机器人的焊接装备由焊钳、变压器和定时器等部分组成，机器人用的点焊钳和手工点焊钳大致相同。在焊接的过程中，焊钳和机器人可以同时运动，因此选取电伺服焊钳作为该点焊机器人的焊钳，这样可以大幅度地降低点焊的时间。采用直流点焊，在变压器调整电压之后还要加整流单元进行整流。此外，为了系统的安全，要有焊钳防撞和电极粘着检出功能4。 3 机械系统的设计计算点焊接机器人的机械系统由本体、焊钳和焊接周边设备三部分组成，其中本体部分又分为底座、腰部、大臂、小臂，手腕等几部分。本次设计我们只关心本体的设计，包括传动方式的选择及其计算，构件结构设计中要考虑的因素，机械结构中出现的薄弱环节及其解决办法等。机械设计计算的主要步骤有：（1） 根据各轴移动或转动的量确定各关节静载条件下驱动装置所需的功率，按PP0初选电机型号。（2） 按系统的要求确定机器人各关节传动装置的最佳传动比。（3） 通过验算确定电机型号。（4） 按各关节性能确定传动方案，分配传动比。3.1 底座结构的设计计算3.1.1 底座的整体设计按照设计预设参数，机械人身体要实现180的回转运动，这个支持回转运动的机构一般设计在底座处。为了使设计的运动机构合理，必须进行综合分析考虑。底座支撑着手臂做回转和摇摆运动，是机器人的重要组成部分。底座要固定到地面上，支撑机身，显得笨重，我们设计将其做成中空的形式，把电机及其传动装置都安装到底座腔内。这样不仅从外面看着简洁，而且还起到为电机防尘的作用。3.1.2 底座的设计计算一、力矩的计算和电机选择根据设计公式4： (3-1)这里 为摩擦力矩，取0.1，为底座上承受的重量载荷，取300，为底座转轴的转动惯量，为焊钳绕回转轴线的转动惯量。 =1/2 ， (3-2) 取平均值0.1m，取90，=为120，为焊钳质心到转动轴的距离取1m，底座转速为17r/min，启动时间为3s。代入数据计算 =1/2=0.45()=14.7() =计算得：=3815(Nm)二、电机的选择 (3-3)为17r/min，取0.9。代入数据计算得：=7.5(KW)=7.8(KW)为齿轮的传动效率，取0.96。由此选择电机的型号为Z4-114/4-1。3.1.3 轴承的选择分析由于底座支撑整个机身，受到轴向载荷较大，所以这里采用可以承受很大轴向力的推力球轴承。根据机械设计课程设计手册选择轴承型号：52208(GB/T 3011995)。3.2 臂部结构的设计计算3.2.1 臂部设计的基本要求（1） 承载能力大、刚度好、自重轻根据受力情况，选择合理截面形状和轮廓尺寸；合理布置作用力的位置和方向，提高支撑刚度，并合理选择支撑点的距离；注意简化结构，提高配合精度。（2） 运动速度高，惯性小机器人手臂的运动速度是机械人的主要性能参数之一，它反映机械人的生产能力，一般根据生产节拍数的要求来确定。由于要求机器人手臂动作迅速，因而其启停加速度较大，造成很大冲击。减轻机器人手臂定位冲击的一个重要途径是，增加系统阻尼。3.2.2 手臂结构的选择该点焊机器人手臂由大臂和小臂两部分组成，大臂和小臂通过关节连接在一起。手臂共有两个自由度，分别是大臂的摆动和小臂的俯仰。大臂通过键连接，随着轴相对底座摆动；小臂俯仰则通过包含滚珠丝杠的四杆机构实现。结构简图见图3-1。图3-1 手臂结构简图3.2.3 臂部的设计计算一、计算参数：小臂摆 上50，下20；大臂摆前50，后40二、力矩的计算：带动小臂俯仰所需要的力矩 (3-4)为小臂、手腕及末端执行器的总重量，取200Kg；为质心到小臂摆动中心的距离，取700mm。代入数据得=200=1.12(Nm) 三、每个臂所需功率计算及电机选型：小臂俯仰所需功率 (KW) (3-5)为小臂摆动的转速，为 20；为工作机的效率 ，取0.9。 代入式（3-8）得：（KW）实际需要电机的输出功率 (3-6)为总效率， 其中，为滚珠丝杠传动效率；，为轴承的传动效率。代入式（3-9）得：(KW)根据功率选择驱动小臂的电机型号为120MB300B-001000。(2) 大臂摆动所用电机的选择方法同小臂，根据功率选择驱动大臂摆动的电机型号为120MB400C-001000。四、滚珠丝杠的选用滚珠丝杠的螺纹滚道型面有单圆弧型面和双圆弧型面两种，根据经济易调试和稳定的要求，选择双圆弧型面。滚珠循环方式确定为外循环，因其结构制造较易，经济实用。轴向间隙的调整和预紧力的选择需根据经济可靠，易拆装，刚度高的要求，确定为双螺母垫片式预紧。其型号选择为TT-SFS05005-3.8。3.3 手腕的结构设计及计算3.3.1 腕部设计的基本要求力求结构紧凑、布局合理、重量轻。腕部安装在手臂的最前端，起着连接和支撑的作用，除保证力和运动的要求，具有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和焊钳的连接。腕部连同焊钳的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动载荷，直接影响着臂部的结构和运转性能。因此，在设计腕部时，要力求结构紧凑，布局合理，重量轻。另外，还应该考虑工作条件。该机器人用来实行薄板件的焊接，没有处于高温或腐蚀性的介质中，所以对腕部材料选择和密封性没有特殊要求。3.3.2 腕部的结构选择机器人手腕有多种结构形式，在此我们采用一种广泛应用的具有两个自由度的手腕，其结构简图如图3-2所示。图3-2 机器人手腕结构简图图3-2所示的手腕结构是由直齿锥齿轮、系杆和小臂组成的具有两个自由度的差动轮系。为了减小手腕的惯性，应该尽量减轻手腕的重量，所以把驱动电机安装在小臂上。3.3.3 腕部的设计计算一、计算参数：焊钳重量120kg，回转120，摆动115。二、选择电机：粗算腕部转动功率不超过200W，选择电机60CB020C-010000，电机的输出功率为200W。三、腕摆锥齿轮的设计：1、电机需要经过减速，速度降为50r/min，为使腕摆速度为12.5r/min，选用传动比为4， 7级精度的直齿锥齿轮。小齿轮的材料选用40Cr，要经过调质处理，硬度为280HBS，大齿轮材料选用45钢。2、按齿面接触强度设计锥齿轮5对轴交角=90的直齿锥齿轮传动，其齿数比u、锥距R、分度圆直径、平均分度圆直径、当量齿轮的分度圆直径、之间的关系分别为： (3-7)另，则，所以。为使锥齿轮不致发生根切，应使当量齿数不小于直齿圆柱齿轮的根切齿数，选当量齿数=18，则根据 (3-8)算得=15.6，圆整为16。 (3-9)根据锥齿轮设计计算公式 (3-10)计算出大端分度圆直径。先确定公式中各参数数值：(1) 选择载荷系数 。(2) 计算小齿轮传递的转矩。 =95.5103=95.51030.1/50=191(Nm)(3) 选取齿宽系数 d=1/3。(4) 由5表10-6得材料的弹性影响系数ZE=189.81/2(5) 按齿面硬度查取小齿轮的接触疲劳强度极限为=600；大齿轮的接触疲劳强度极限为=550。(6) 计算应力循环次数。 =60=60501(2830015)=3.51108 =3.51108/4=8.78108(7) 查5图10-19得接触疲劳寿命系数=0.90；=0.95。(8) 计算接触疲劳许用应力。取失效率为1%，安全系数S=1，用下式计算得： 1= =0.9600 =540(MPa) 2= =0.95550 =522.5(MPa)至此，参数已经确定，开始计算。（1）代入中较小的值计算小齿轮分度圆直径=2.92 =38.79(mm)(2) 计算圆周速度。=0.91()(3) 计算载荷系数根据,8级精度查得动载荷系数=1.12；查得，使用系数=1；8级精度，小齿轮采取非对称分布+0.2310-3b=1.32； ；故载荷系数(6) 计算按实际载荷校正所得的分度圆直径(mm)3、按齿根弯曲强度设计齿根弯曲强度设计公式5： (3-11)公式内各参数值的确定：(1) 查图10-20c，取小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；(2) 查图10-18，取弯曲疲劳寿命系数，；(3) 计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳系数S=1.4，(MPa)(MPa)(4) 计算载荷系数(5) 查取齿形系数，(6) 查取应力校正系数，(7) 计算大小齿轮的并加以比较 选取较大的数值代入式（10-16）。设计计算： (mm)对比两种方法得到的结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的值。由于齿轮的模数的大小主要由齿轮的弯曲疲劳强度决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮的直径有关，故由弯曲强度计算值圆整得到齿轮的模数=4。小齿轮齿数=44.26/4=11.07，取12。则大齿轮齿数=124=48。在设计时，以齿宽中点处的当量齿轮为设计的依据。四、轴的设计及轴承的选择轴是根据齿轮、轴承的安装以及配合情况，与联轴器的连接来设计的，由于腕部轴承受的载荷较小，不再校核。轴承是根据轴径的直径来选则的，考虑到轴上安装了锥齿轮，不仅有轴向力，而且有径向力，此处选用角接触球轴承。五、腕摆电机的选择(1) 腕部摆动力矩的计算 (3-12)这里 (N)为焊钳质心到转动轴的距离，此处设计为350mm。代入上式得=1470(Nm) (2) 小齿轮轴功率的计算及电机选型折算到小齿轮轴上的转矩为：(Nm) (3-13)为腕部转速，为。代入数据得：(KW) (3-14)为传动的总效率，其中、分别为谐波减速器和联轴器的传动效率，分别取0.97、0.95。代如数据计算得：(KW)。综上，选择电机的型号为60CB040C-010000。 4 点焊机器人控制系统的设计点焊机器人控制部分的设计主要分两个部分：控制电路的设计和PLC控制程序的设计。控制电路包括系统启停控制电路，电机正反转控制电路，电机驱动电路，焊接电路，位置控制电路，系统复位电路等部分。PLC主要负责自动控制，运行程序，高效准确地完成定位、焊接等功能的控制。本设计重点进行了程序设计，下面就设计过程简要说明。4.1 台达PLC简介4.1.1 PLC的内部装置PLC内部装置的种类及数量随各厂家产品而不同。内部装置虽然沿用了传统电气控制电路中的继电器、线圈及接点等名称，但PLC内部并不存在这些实际物理装置。PLC内部的另两种装置：定时器及计数器，不仅有线圈，而且还有计时值及计数值，因此还要进行一些数值的处理，这些数值多属于字节、字或双字的形式。各种内部装置在PLC内部的数值储存区，各自占有一定数量的存储单元。当使用这些装置，实际上就是对相应的储存内容以位或字节或字的形式进行读取。下面对设计要用的PLC的内部装置做简要介绍：（1） 输入继电器（Input Relay），装置表示：X0, X1,X7, X10, X11,，装置符号以X表示，顺序以8进制编号。在主机及扩展上均有输入点编号的标示。（2） 输出继电器（Output Relay），装置表示：Y0, Y1,Y7, Y10, Y11,，装置符号以Y表示，顺序以8进制编号。在主机及扩展上均有输出点编号的标示。（3） 内部辅助继电器（Internal Relay），装置表示：M0, M1,M4,095，装置符号以M表示，顺序以10进制编号。（4） 定时器（Timer），装置表示：T0, T1,T255，装置符号以T表示，顺序以10进制编号。不同的编号范围，对应不同的时钟周期。（5） 计数器（Counter），装置表示：C0, C1,C255，装置符号以C表示，顺序以10进制编号。4.1.2 梯形图说明梯形图12是广泛应用在自动控制领域的一种图形语言，它是沿用电气控制电路的符号组合而成的一种图形，通过梯形图编辑器画好梯形图形后，PLC的程序设计也就完成，以图形表示控制的流程较为直观，易为熟悉电气控制电路的技术人员所接受。梯形图中很多基本符号及动作都是根据传统自动控制配电盘中常见的机电装置如按钮、开关、继电器（Relay）、定时器（Timer）及计数器（Counter）等等设计命名的。4.2 控制任务及程序机器人控制采用PLC自动控制，按下启动按钮，可以实现底座的转动、大臂的摆动、小臂的俯仰、手腕的转动和摆动以及焊钳加压焊接。按下停止按钮，各关节回到原位，电机停转，继电器线圈失电。遇到紧急情况，能急停，并能手动复位。另外，本系统还有故障处理功能。4.2.1 PLC程序设计五自由度点焊机器人的控制采用顺序控制的方法，具体实现时采用梯形图。按照梯形图设计方法，从上到下，从左到右，依次编写。在PC机上编好程序（梯形图参见附录1，程序代码参见附录2）后，可与台达PLC通信，下面介绍该程序的调试模拟。4.2.2 控制流程启动腰转、大臂摆、小臂俯仰同时进行准备到位否？是否腕摆和腕转到位否？是否开始焊接延时1s焊接完3点否？复位是否继续？是结束图 4-1 PLC控制流程图以上程序流程图简单直观地明确了PLC的控制方案，为PLC梯形图的编写提供了依据。4.2.3 机器人控制过程模拟根据上一目程序流程图，设计模拟实验，模拟机器人的真实工作状态，以验证程序的正确性。用按钮表示启停、急停、手动复位按钮以及行程开关，用风扇表示电机和焊钳。具体控制功能如表4-1所示。表 4-1 机器人电器元件模拟功能表按照上表赋予元器件的含义，设计PLC接线图。此处应注意电机驱动电压为9V并且双向，从而实现了正反转。但是由于PLC输出电压为24V，而电机驱动电压为380V，出现了电压不匹配的问题，为此我们采用电磁式继电器来解决这个问题，同时选用工业电源提供380V电压。对于一个电机正反转的控制，需要两个PLC的输出信号， 那么就需要两个继电器实现电压的转换。具体工作过程可描述为：按下启动按钮SB1，电机M0、M1、M2开始运行，延时3s后到达预定位置，停止转动；与此同时，电机M3、M4、M5开始运行，同样延时3s后到达预定位置，停止转动，此时机器人完成第一个焊点的定位。在电机M3停转的同时，启动焊接过程，焊钳加压施焊。焊接1s后，焊钳释放，电机又开始重复转动，定位到下一点，如此重复下去，直到碰到限位开关，表示焊完全部焊点。按下按钮SB2，电机M3、M4、M5开始反转，3s后到达预设姿态，停止转动；与此同时，电机M0、M1、M2开始转动，到达预设姿态后停转，这样机器人就回到原位，整个焊接过程完成。5 结 论本次设计不仅包含了机器人机械系统的设计，还包含了对其进行可靠的控制。机器人相比其他机械系统，具有更高的灵活性和柔性。通过以上各章分析以及模拟实验，可以得出如下结论： 点焊机器人可以代替人在不利于人身健康的环境中，高质量、高效率地完成工作。 通过编程，可以使