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无锡职业基于钢材仓库搬运机械手的设计(带CAD图）
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分 类 号 密 级 宁宁波大红鹰学院毕业设计(论文)S-2壳体柔性装配机械手结构设计所在学院机械与电气工程学院专 业机械设计制造及其自动化班 级xx机自x班姓 名学 号指导老师 2017 年 3 月 31 日27摘 要本文将设计S-2壳体柔性装配机械手结构设计，主完成装配线上抓取工件，进行工件组装。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和S-2壳体柔性装配机械手装置设计的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计技术是机电一体化产品，S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计成为一个领先的研究课题。运用在不同领域，其发展的多机构衔接所需组合也促成了这些学科的发展。本文采用在结构设计上的S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计，并完成图纸和零件图总装配图。为S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计模型的要求被分析以估计电机的负载，充分的设得所需要的转矩和功率。完成S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计的程序设计，总体设计，结构设计，运动学模型分析，检查，分析S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计模型，设计和生产S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计模型做的过程中强度的关键部件，绘制装配图和零件图。关键词：机械臂，结构设计，S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计，电机AbstractIn this paper, the structure design of the S-2 shell flexible assembly manipulator is designed. The main work is to finish the workpiece on the assembly line. First of all, this paper will design the robot base, big arm, small arm and flexible manipulator assembly design of S-2 shell structure, and then choose proper drive method and transmission method, structure of robot platform; S-2 shell flexible assembly manipulator structure design technology is the integration of mechanical and electrical products, tool change S-2 shell flexible assembly machine the hand design has become a leading research topic. The use of different areas, the development of the combination of multi institutional cohesion also contributed to the development of these disciplines.In this paper, the structural design of the S-2 shell flexible assembly manipulator structure design, and complete the drawings and parts of the assembly drawing. The requirements for the structural design and design model of the S-2 flexible assembly manipulator are analyzed in order to estimate the load of the motor, and the required torque and power are adequately set. Complete the program design, hand structure design S-2 shell flexible assembly mechanical design, structure design, kinematics analysis, inspection, analysis of design of S-2 shell flexible assembly mechanical model, the key components of strength design and manufacturing process of S-2 shell flexible assembly manipulator structure design model of the assembly drawing and part drawing.Key words: manipulator, structure design, S-2 shell flexible assembly manipulator structure design and design, motor目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 机械手定义11.2 机械手研究现状11.3 装配机械手研究目的及意义11.4 工业机械手的驱动形式22 总体方案设计52.1 技术参考数据52.2 S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计方案论述52.4 S-2壳体柔性装配机械手装置设计机械传动原理62.5 S-2壳体柔性装配机械手装置设计总体方案设计72.6 本章小结83 手爪夹持器结构设计与校核93.1手爪夹持器种类93.2夹持器设计计算103.3 夹持装置液压缸设计计算113.3.1 初步确系统压力113.3.2液压缸计算113.3.3 活塞杆的计算校核143.3.4 液压缸工作行程的确定144 S-2壳体柔性装配机械手装置设计大臂部结构164.1 大臂部结构设计的基本要求164.2 大臂部结构设计174.3 大臂电机及减速器选型174.4 减速器参数的计算185小臂结构设计235.1 吸盘设计要求及选型235.2 腕部设计235.2.1 手腕偏转驱动计算245.2.2 手腕俯仰驱动计算345.2.3 电动机的选择355.3 小臂部结构设计365.4小臂电机及减速器选型375.5.1.传动结构形式的选择385.5.2.几何参数的计算385.9 轴承的寿命校核395.10 轴的强度校核39总结42致 谢43参 考 文 献441 绪论1 绪论1.2 机械手研究现状机械手是七十年代发展起来的自动化机械，它可以模仿人手的动作区完成作业，程序可按需要变动，所以适合多品种小批量生产。机械手能够突破人体生理条件极限，代替人们去从事高温、放射性、喷雾、沙尘等危险、繁重而又单调的工作。机械手在国外已经广泛应用，而我国主要采用进口的机械手。工业机械手主要承担着焊接、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。目前我国行业比较缺乏机械手，因此，该产品在我国有较好的发展前景。机械手由横向手臂、直立手臂、支撑杆、摆动液压缸、支承工作台、气缸、喷枪等部分组成，它的主要功能是配合液压控制系统完成产品表面的工作。1.3 装配机械手研究目的及意义本课题所设计的机械手适合目前我国生产的要求，能够达到质量好、工作性能稳定等目的。在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作以保护人身安全，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。1.4 工业机械手的驱动形式 机械手所用的驱动机构主要有4种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。 图1-1 某型号双臂机械手外形图 图1-2 某型号关节多自由度机械手外形图 图1-3 某型号搬运机械手外形图1、液压驱动式液压驱动式机械手通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能力（高达几百千克以上），其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。2、气压驱动式其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。3、电气驱动式电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大（关节型的持重已达400kg），信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机（AC）为主要的驱动方式。由于电机速度高，通常须采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。有些机械手已开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动（DD）这既可使机构简化，又可提高控制精度。4、机械驱动式机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。其他还有采用混合驱动，即液-气或电-液混合驱动。2 总体方案设计2 总体方案设计2.1 技术参考数据根据机床操作和工艺流程，分析和设计能满足的S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计。主要完成如下设计任务： 设计一款用于生产线上摆臂式装配机械手，完成装配线上抓取工件，进行工件组装。 （1）完成机械手自由度的确定 （2）完成机械手的各执行机构设计，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，既可以用夹持式手指来抓取棒料工件，又可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。2.4 S-2壳体柔性装配机械手装置设计机械传动原理该方案结构设计与分析：该S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计的本体结构组成如图：S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计本体组成各部件组成和功能描述如下： 底座部件： 底座部件包括底座、齿轮传动部件、轴承，步进电机等。机座作用是支撑部件，支承和转动大臂部件,承受S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计工作时的稳定运行。 S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动手臂分为大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齿轮传动部件，驱动电机。小臂部件：包括小臂、传动轴、同步传动带等，在小臂一端固定驱动手腕运动的步进电机。手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。2.5 S-2壳体柔性装配机械手装置设计总体方案设计工业S-2壳体柔性装配机械手装置设计的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下3。(1) 直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计结构 直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计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)由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计有可能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计的运动空间相对S-2壳体柔性装配机械手装置设计的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计的结构尺寸要比其他类型的S-2壳体柔性装配机械手装置设计的结构尺寸大得多。直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计的工作空间为一空间长方体。直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。(2) 圆柱坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计结构圆柱坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1(b)。这种S-2壳体柔性装配机械手装置设计构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。(3) 球坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计结构球坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1(c)。这种S-2壳体柔性装配机械手装置设计结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。(4) 关节型S-2壳体柔性装配机械手装置设计结构关节型S-2壳体柔性装配机械手装置设计的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1(d)。关节型S-2壳体柔性装配机械手装置设计动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对S-2壳体柔性装配机械手装置设计本体尺寸，其工作空间比较大。此种S-2壳体柔性装配机械手装置设计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S-2壳体柔性装配机械手装置设计。S-2壳体柔性装配机械手装置设计结构，有水平关节型和垂直关节型两种。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2-1 四种S-2壳体柔性装配机械手装置设计坐标形式根据任务书要求和具体实际我们选择的是(d) 关节型。2.6 本章小结本章主要完成对S-2壳体柔性装配机械手装置设计系统设计,通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案. 确定了S-2壳体柔性装配机械手装置设计的总体设计方案后，就要针对S-2壳体柔性装配机械手装置设计的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。6 机身设计3 手爪夹持器结构设计与校核3.2夹持器设计计算手爪要能抓起工件必须满足： （3-6）式中，-为所需夹持力；-安全系数，通常取1.22；-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为S-2壳体柔性装配机械手装置设计在工件过程的加速度，为重力加速度；-方位系数，查表选取；-被抓持工件的重量 20；带入数据，计算得： ；理论驱动力的计算： （3-7）式中，-为柱塞缸所需理论驱动力；-为夹紧力至回转支点的垂直距离；-为扇形齿轮分度圆半径；-为手指夹紧力；-齿轮传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得 计算驱动力计算公式为： （3-8）式中，-为计算驱动力；-安全系数，此处选1.2；-工作条件系数，此处选1.1； 而气压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有 （3-9）式中，-为柱塞缸工作油压；-为柱塞截面积；选取缸内径为40mm3.3 夹持装置液压缸设计计算3.3.1 初步确系统压力表3.2 按负载选择工作压力1负载/ KN50工作压力/MPa 0.811.522.5334455由表3.2和表3.3可知，初选液压缸的设计压力P1=1MPa3.3.2液压缸计算估算要驱动的负载大小为300N，考虑到液压缸未加载时实际所能输出的力，受液压缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前液压缸之间的摩擦力的影响，并考虑到机械爪的质量。在研究液压缸的性能和确定液压缸的缸径时，常用到负载率：由液压与气压传动技术表3.4：表3.4 液压缸的运动状态与负载率阻性负载（静负载）惯性负载的运动速度v运动的速度v=50mm/s，取=0.60，所以实际的液压缸缸负载的大小为：F=F0/=500N（2） 液压缸内径的确定表3.5 液压缸内径确定公式项目计算公式缸径双作用液压缸推力拉力 表1 液压缸内径系列GB/T2348-1980mm810121620253240506380100125160200250320400500按GB/T2348-1980，取标准值D=40mm；本来可以取32的，考虑不可预测的超载等因素，故在这取的略微大一些。查气传动与控制手册根据杆径比d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5-0.7。活塞杆直径d=0.45D=18mm 取d=18（标准直径）表2 活塞杆直径系列4568101214161820222528323640455056637080901001101251401601802002202502803203604003） 液压缸缸体厚度计算 缸体是液压缸中最重要的零件，当液压缸的工作压力较高和缸体内经较大时，必须进行强度校核。缸体的常用材料为20、25、35、45号钢的无缝钢管。在这几种材料中45号钢的性能最为优良，所以这里选用45号钢作为缸体的材料。式中，实验压力，MPa。当液压缸额定压力Pn5.1 MPa时，Py=1.5Pn，当Pn16MPa时，Py=1.25Pn。缸筒材料许用应力，N/mm。=，为材料的抗拉强度。注：1.额定压力Pn额定压力又称公称压力即系统压力，Pn=1MPa2.最高允许压力PmaxPmax1.5Pn=1.251=1.25MPa液压缸缸筒材料采用45钢，则抗拉强度：b=600MPa安全系数n按气传动与控制手册P243表210，取n=5。则许用应力=120MPa = =0.2083mm则液压缸缸体外径为50mm。3.缸筒结构设计缸筒两端分别与缸盖和缸底接，构成密封的压力腔，因而它的结构形式往往和缸盖及缸底密切相关6。因此，在设计缸筒结构时，应根据实际情况，选用结构便于装配、拆卸和维修的接形式，缸筒内外径应根据标准进行圆整。3.3.3 活塞杆的计算校核2.活塞杆强度计算： 90mm （4-4）式中 许用应力；（Q235钢的抗拉强度为375-500MPa，取400MPa，为位安全系数取5，即活塞杆的强度适中）4 S-2壳体柔性装配机械手装置设计大臂部结构4.1 大臂部结构设计的基本要求臂部部件是S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计的主要部件。它的作用是支承手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态(方位)关节，则臂部自由度加以实现。因此，一般来说臂部设计基本要求: （1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻臂部通常即受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲)，也受扭转，应选用弯和抗扭刚度较高的截面形状。很明显，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。所以，S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计常采用无缝钢管作为导向杆，用工字钢（如图4.1和4.2所示）或槽钢作为支撑钢，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置以及管道，这样就使结构紧凑、外形整齐。（2)臂部运动速度要高，惯性要小在一般情况下，手臂的要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和振动。 为减少转动惯量，应采取以下措施: (a) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料; (b) 减少手臂运动件的轮廓尺寸 (c) 减少回转半径 (d) 驱动系统中设有缓冲装置(3)手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。(4)位置精度要高。一般来说，直角和圆柱坐标系S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计位置精度高;关节式S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计的位置最难控制，故精度差;在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好的控制位置精度。4.2 大臂部结构设计大臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。4.3 大臂电机及减速器选型假设小臂及腕部绕第二关节轴的重量：M2=2Kg， M3=4KgJ2=M2L42+M3L52 =10.0972+40.1942=0.16kg.m2大臂速度为10r/min ，则旋转开始时的转矩可表示如下：式中：T - 旋转开始时转矩 N.mJ 转动惯量 kg.m2- 角加速度rad/s2使S-2壳体柔性装配机械手装置设计大臂从到所需的时间为：则： (3.4)若考虑绕S-2壳体柔性装配机械手装置设计手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为： (3.5)选择谐波减速器：型号：XB3-50-120 （XB3型扁平式谐波减速器）额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=120 设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3.6)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.54.4 减速器参数的计算刚轮、柔轮均为锻钢，小齿轮材料为45钢（调质），硬度为250HBS 刚轮材料为45钢（调质），硬度为220HBS。1.齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取5小臂结构设计5.1 吸盘设计要求及选型（1）不论是夹持或是吸附，末端执行器需具有满足作业要求的足够的夹持力和所需的夹持位置精度。（2）应尽可能使末端执行器结构简单，紧凑、重量轻，以减轻手臂的负荷。专用的末端执行器机构简单，工作效率高，而能完成多种作业的万能末端执行器可能具有结构复杂、费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器1 吸盘是直接吸吊物体的元件，一般用橡胶做成。真空吸盘之所以能吸附在工件上的原因是由于环境压力（大气压力）大于吸盘与工件之间的压力。将吸盘与真空发生装置连接，吸盘内部空间的空气被抽去，当吸盘接触到工件时，大气和吸盘之间形成了密封，就会吸住物料，吸气大小与大气压和吸盘内部空间的压力差成正比。选择65CW36吸盘。5.2 腕部设计腕部能够连接机器人的臂部和手部，支撑并且改变手部的姿态。腕部设计的要求有：结构紧凑、质量轻；动作灵活、平稳，定位精度高；所用材料强度、刚度高；与臂部及手部的连接部位的结构合理，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。5.2.1 手腕偏转驱动计算手腕的偏转是通过后置于大臂底部一侧的步进电机驱动，两级带轮传动，再经过锥齿轮啮合传动改变方向来实现偏置的。手腕的驱动力来自步进电机，首先要计算手腕偏转所需要的转矩，再计算电机的输出转矩，确定步进电机的型号，从而计算设计传动以及锥齿轮传动的传动参数及相关尺寸。（1）选择步进电机手腕偏转时，需要克服摩擦阻力矩、工件负载阻力矩和腕部启动时的惯性力矩。根据转矩的计算公式15： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8）式中： 手腕偏转所需力矩（Nm）；摩擦阻力矩（Nm）；负载阻力矩（Nm）；手腕偏转启动时惯性阻力矩（Nm）；工件负载对手腕回转轴线的转动惯量（kgm2）；手腕部分对回转轴线的转动惯量（kgm2）；手腕偏转角速度（rad/s）；手腕质量（kg）；负载质量（kg）；启动时间（s）；手腕部分材料密度（kg/m3）；手腕部分外径和内径（m）；手腕的长度（m）；手腕偏转末端的线速度（m/s）。根据已知条件：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定为铸钢，密度kg/m3。将数据代入计算得： kg r/s kgm2 kgm2 Nm Nm Nm因为腕部传动是通过两级带轮和一级锥齿轮实现的，所以查取手册15得：弹性联轴器传动效率；滚子传动效率；滚动轴承传动效率（一对）；锥齿轮传动效率；计算得传动的装置的总效率。电机在工作中实际要求转矩 Nm （3.9）根据计算得出的手腕偏转所需力矩，结合北京和利时电机技术有限公司生产的90系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，如图3.3和图3.4所示,选择90BYG5200B-SAKRML-0301型号的步进电机。图3.3 90BYG步进电机技术数据图3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特性曲线（2）设计传动（a） 计算、分配传动比根据步进电机型号及其对应的矩频特性曲线，所选步进电机工作转矩为4.5 Nm，对应的转速为r/min。由于腕部偏转的角速度r/s，已经通过计算得出，所以腕部末端偏转转速r/min，由此推出总的传动比。已确定的手腕偏转传动方式是通过两级带轮传动和一级锥齿轮传动，需将总传动比进行分配。综合考虑带轮的尺寸和手臂内部结构空间，取小臂传动比，大臂传动比，锥齿轮传动比，。（b） 计算小臂传动功率 kW （3.10） 5.2.2 手腕俯仰驱动计算手腕的俯仰是通过后置于大臂底部另一侧的步进电机驱动，两级带轮传动来实现的。与手腕偏转驱动的计算方法一样，先进行步进电机的选型，再确定传动的传动参数和相关尺寸。经过设计计算，手腕俯仰驱动选择与手腕偏转驱动相同的步进电机型号90BYG5200B-SAKRML-0301。传动参数与相关尺寸计算结果如下：带轮参数：，mm，mm，mm。带轮尺寸：mm mm mm mm mm mm mm mm mm5.2.3 电动机的选择设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为: （3-1） 、分别为10kg(包括负载2kg)、5kg、12kg。、分别为重心到第一关节轴的距离，其值分别为185mm、800mm、1500mm，在式（3-1）中、故、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为： （3-2） = =同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量: = =式中：小臂重心距第二关节轴的水平距离 。 腕部重心距第二关节轴的水平距离 。则旋转开始时的转矩可表示如下 （3-3）式中：旋转开始的转矩 角加速度 使机器人主轴从到/s所需时间为:则： 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为 电动机的功率可按下式估算 （3-4）式中： 电动机功率 ； 负载力矩 ； 负载转速 ； 传动装置的效率，初步估算取0.9； 系数1.52.5为经验数据，取1.5估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式 （3-5）选择QZD-08串励直流电动机表3-1 QZD-08串励直流电动机技术数据功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）滤磁方式绝缘等级工作制（min）8002446.21750串励B605.3 小臂部结构设计小臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。5.4小臂电机及减速器选型本S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计小臂部两个自由度是平面旋转，若轴承是光滑的，则旋转所需的静转矩比较小。因为将臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩不足。设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （3.1）其中：M1，M2，M3分别为负载2Kg，手臂1Kg，腕部4Kg；L1，L2，L3分别其长度。JG1M1L12、JG2M2L22、JG3M3L32，故可忽略不计，以绕第一关节轴的转动惯量为：J1= M1L12+M2L22+M3L32 (3.2)=40.1432+10.4452+40.5422=1.46kg.m2同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量：M2=2Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。J2=M2L42+M3L52 (3.3)=10.0972+40.1942=0.16kg.m2设小臂转速，角速度从0加到所需加速时间，则同步带应输出转矩为： (3.7) 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为： (3.5)选择谐波减速器：型号：XB3-50-100额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=100 设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3.6)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.55.5.1.传动结构形式的选择该减速器是电传动减速的谐波齿轮装置。要求其传动比较大结构简单紧凑效率较高承载力较高通用性良好。因此本设计方案所选的结构形式为刚轮固定波发生器主动和柔轮从动比较合适。为了便于采用标准刀具来加工柔轮和刚轮，特选取压力角的渐开线齿廓。 5.5.2.几何参数的计算齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取5.9 轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.校核步骤及计算结果见下表:表1 轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6014A端B端由手册查出Cr、C0r及e、Y值Cr=98.5kNC0r=86.0kNe=0.68计算比值Fa/FrFaA /FrA e确定X、Y值XA=1 YA =0 查载荷系数fP1.2计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa)PA=5796.24 PB=6759.14计算轴承寿命763399h大于12480h由计算结果可见轴承6014AC、6007均合格，最终选用轴承6014。5.10 轴的强度校核经分析知C、D两处为可能的危险截面， 现来校核这两处的强度：（1）、合成弯矩（2）、扭矩T图（3）、当量弯矩（4）、校核由手册查材料45的强度参数C截面当量弯曲应力：由计算结果可见C截面安全。参考文献总结总结本文对S-2壳体柔性装配机械手装置设计的机械臂结构系统进行了设计，并对机械臂进行了性能分析。由于作者的水平有限，而且对有些相关学科，如传感器技术、控制技术等并不是很了解，仍有许多问题需要解决，还有许多问题值得进一步讨论和更加深入的研究与展望： (1)机械结构优化问题在S-2壳体柔性装配机械手装置设计设计过程中，包括机械臂，采用模块化设计，不同功能结构分别进行设计，各模块之间连接采用最优方式。但是在模块各零件设计过程中，各参数计算选择主要从结构强度和刚度要求出发，很多零件为了匹配，比实际需求尺寸大很多。包括一些非关键零件设计，均是根据前人经验设计，选择尺寸。这种设计不仅增加了整个系统质量，同时增加了电机负载，造成了资源浪费。（2）计算机的有限元的分析没有做。通过对计算机有限元软件的更深层次挖掘，对零件的强度和刚度和臂部的力学分析，会得到最优的结构。这个以后可以作为后续学习的方向。 (3) 机械臂自主控制系统的建立有待于进一步研究，以及它的运动控制技术，路径规划技术，实时视觉技术，定位和导航技术，多传感集成和数据融合技术，高性能计算技术，无线通信与因特网技术问题也是多个有待研究的方面。S-2壳体柔性装配机械手装置设计在未来生活中应用将会越来越广。包括在军事领域中的应用将是发展的必然趋势，也是我国国防科技行业重点支持的方向之一。通过对S-2壳体柔性装配机械手装置设计机械臂系统设计，在整体系统的各各方面积累了比较丰富的设计经验，相信经过不断的发展和改进S-2壳体柔性装配机械手装置设计将走向成熟和实用化。致 谢在即将完成毕业设计阶段的学习之际，我首先特别感谢导师对我的无限关怀和悉心指导。尤其在我最需要帮助的时候，导师给予我方方面面的照顾，使我能够顺利完成学业。老师严谨务实的工作作风、精益求精的治学态度、循循善诱的悉心教导，使我受益非浅、能够学有所成;不仅学到了许多知识，更重要的是学到了思考问题、解决问题的方法及严谨的治学态度。论文研究工作的完成，不仅是我的辛劳付出，同时也倾注了导师的心血与关怀。在此向导师留言老师致以衷心的感谢!同时感谢所有关心、爱护、和帮助我的老师、同学和朋友们，感谢一起共同学习组友对我的帮助。最后，谨将此文献给养育我健康成长的父母，感谢他们多年来在生活上、精神上、物质上给予我的支持、关心和鼓励，谢谢他们的付出和为我所做的一切。参 考 文 献1 孟庆春等. 智能机器人及其发展J. 中国海洋大学学报：自然科学版， 2004，(5).2 李瑞峰. 中国工业机器人产业化发展战略J. 航空制造技术，2010，(10)： 191192.3 刘文波等. 工业机器人M. 沈阳：东北大学出版社，2007.4 孙学俭, 于国辉等. 对世界工业机器人发展特点的分析J. 机器人技术与应用，2002，(3)：89.5 金茂菁，曲忠萍等. 国外工业机器人发展态势分析J. 机器人技术与应用，2001，(2)：68.6 陈佩云, 金茂菁等. 我国工业机器人发展现状J. 机器人技术与应用，2001，(1)：25.7 马香峰. 工业机器人的操作机设计M. 北京：冶金工业出版社，2006.8 现代机械传动手册编委会. 现代机械传动手册S. 北京：机械工业出版社，2001.9 机械设计手册联合编写组. 机械设计手册（中册）S. 北京：化学工业出版社，2007.10 濮良贵，纪名刚. 机械设计M. 北京：高等教育出版社，2006.11 朱龙根. 简明机械零件设计手册S. 北京：机械工业出版社，2001.12 蔡自兴. 机器人学M. 北京：清华大学出版社，2000.13 现代机械传动手册编委会. 现代机械传动手册S. 北京：机械工业出版社，1995.14 李忠杰，等. 步进电机应用技术M. 北京：机械工业出版社，1988.15 刘鸿文. 材料力学M. 北京：高等教育出版社，1991.16 机械设计手册联合编写组. 机械设计手册（中册）S. 北京：化学工业版 社，1987.17 杨黎明，杨志勤. 机械设计简明手册M. 北京：国防工业出版社，2008.18 刘文波，等. 工业机器人M. 沈阳：东北大学出版社，2007.19 郭洪红. 工业机器人技术M. 西安：西安电子科技大学出版社，2006.毕业设计（论文）毕业设计（论文）类类 型：型：毕业设计说明书 毕业论文题题 目：目：机械手的 PLC 控制设计学生姓名：学生姓名：指导教师：指导教师：专专 业：业：时时 间：间：南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计II摘 要机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由 PLC 输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给 PLC 主机；位置信号由接近开关反馈给 PLC 主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。 本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用驱动和 PLC 控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用驱动，控制系统中选择 PLC 的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型机械手的设计方案，对其他经济型 PLC 控制系统的设计也有一定的借鉴价值。关键词: 机械手，交流电机,可编程控制器（PLC） ，自动化控制， 。南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计IIIAbstractManipulator industrial robot systems traditional mandate, Robot is one of the key components. Manipulator using the mechanical structure of screw-ball, slider, and other mechanical devices composition; Electric have AC motor, inverter, sensor, and other electronic device components. The device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, Mechatronics is a typical representative of one of the machines. This paper presents a manipulator by three PLC output pulse, driving horizontal, the vertical axis transducer, control manipulator axis horizontal and vertical positioning precision, micro-switches position signal transmission will host PLC; location close to the switching signal from the feedback from the mainframe to the PLC, through the exchange of Motor reversion to control the manipulator gripper Zhang, thus achieving accurate manipulator movement functions. The topics to be developed by the Manipulator grasping be up in space objects, movements flexible, diverse, can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations, According to the workpiece can change the campaign process and the requirements of any changes to the relevant parameters. In this paper, by reviewing the developmental status of the manipulator in recent years, combining the design of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, We proposed the design scheme that the manipulator was driven by the pneumatic and the system was controlled by PLC. Integrative idea was adopted in this design to fully consider the characteristics of the software and hardware and complementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the manipulator. We used pneumatic-driven in the driving system, PLC control unit in the control system to complete initialization of the system, manipulators moving, failure alarm and so on. Finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize, and clear theoretical significance. Through the work above, a practical, economical, high-reliability sorting material manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types of economical PLC control system design. Keywords:manipulator ；AC motor ； programmable logic controller (PLC)； automatic control；sorting material南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 IV目目 录录摘摘 要要 .IIAbstract.III第第 1 章章 前言前言.11.11.1 研究的目的及意义研究的目的及意义 .11.21.2 机械手在国内外现状和发展趋势机械手在国内外现状和发展趋势 .11.31.3 主要研究的内容主要研究的内容 .21.41.4 解决的关键问题解决的关键问题 .2第第 2 章章 可编程控制可编程控制 PLC.32.12.1 PLCPLC 简介简介.32.22.2 PLCPLC 的基本组成及各部分作用的基本组成及各部分作用 .42.2.1 中央处理单元(CPU).42.2.2 存储器.52.2.3 I/0 单元.52.2.4 电源部分.62.2.5 扩展接口.62.2.6 通信接口.62.2.7 编程器.62.32.3 PLCPLC 的应用领域的应用领域 .72.42.4 PLCPLC 的工作原理的工作原理 .82.52.5 PLCPLC 机型的选择方法机型的选择方法.102.62.6 机械手机械手 PLCPLC 选择及参数选择及参数.12第第 3 章章 机械手机械手 PLC 控制系统设计控制系统设计.153.13.1 机械手的工艺过程机械手的工艺过程 .153.23.2 PLCPLC 控制系统控制系统.163.33.3 PLCPLC 控制系统程序设计控制系统程序设计.17总结与展望总结与展望.22参考文献参考文献.23致致 谢谢.24附附 录录.25附录附录 1 程序流程图程序流程图 .25附录附录 2 顺序功能图顺序功能图 .28附录附录 3 梯形图梯形图 .29附录附录 4 指令表指令表 .31 DOCUMENT TITLE南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计1第第 1 章章 前言前言1.1 研究的目的及意义机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。 可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。适应工业需要，本课题试图开发PLC对机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。1.2 机械手在国内外现状和发展趋势 机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。 目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司。我国机械手起步于 20 世纪 70 年代初期，经过 30 多年发展，大致经历了 3 个阶段：70 年代萌芽期，80 年代的开发期和 90 年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 2竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。1.3 主要研究的内容随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。本论文主要研究机械手以下几个方面的内容：要求独立完成工业机械手 PLC 控制系统设计与调试。(1) 如图所示，有两部机械对工作物进行加工，加工位置分别是 A 点、B 点，要求由机械手臂将加工物从 A 点送至 B 点。(2) 手动操作，每个动作均能单独操作，用于将机械手复归至原点位置；(3) 连续运行，在原点位置按起动按钮时，机械手按图连续工作一个周期，一个周期的工作过程如下：原点下降夹紧（T）上升右移下降放松（T）上升左移到原点。任务要求：1) PLC 外部接线图，以及其它相关设备的电气图；PLC 编程元件明细表，应包含定时器、计数器等元件的设定值；2) 完整的程序资料，应包括 PLC 工序图、梯形图、指令表等 3 种格式的程序及注解；1.4 解决的关键问题1 机械手的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决工件和控制系统的协调问题。2 元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式。3 传感器的类型选择。南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计3第第 2 章章 可编程控制可编程控制 PLC2.1 PLC 简介PLC（Programmable Logic Controller） ，是可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC） ，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的 工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称 PLC,plc 自 1969 年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程 序控制器质量优良，功能强大。 世界上公认的第一台 PLC 时 1969 年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数等功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。例如，在世界第一台可编程控制器的诞生地美国，1982 年的统计数字显示，大量应用可编程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的 82%，可编程控制器的应用数量已位于众多的工业自控设备之首。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 4 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都的到了长足的发展。.2.2 PLC 的基本组成及各部分作用 PLC 是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC 可分为整体式和组合式两类。 整体式 PLC 是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的 1/0 扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU 是 PLC 的核心，1/0 单元是连接 CPU 与现场设备之间的接口电路，通信接口用于 PLC 与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式 PLC 将 CPU 单元、输入单元、输出单元、智能 1/0 单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有 CPU 单元的底板称为 CPU 底板，其它称为扩展底板。CPU 底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过 10m.无论哪种结构类型的 PLC，都可以根据需要进行配置与组合。 2.2.1 中央处理单元(CPU) CPU 在 PLC 中的作用类似于人体的神经中枢，它是 PLC 的运算、控制中心。它按照南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 5系统程序所赋予的功能，完成以下任务:(1) 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；(2) 诊断电源、PLC 内部电路的工作状态和编程的语法错误;(3) 用扫描的方式接收输入信号，送入 PLC 的数据寄存器保存起来;(4) PLC 进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解 释和执行，完成用户程序中规定的各种操作;(5) 将用户程序的执行结果送至输出端。2.2.2 存储器 根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下 3 种:系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC 也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了 PLC 的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器 ROM 或 EPROM.用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的 RAM。由于 RAM 掉电会丢失数据，因此使用 RAM 作用户程序存储器的 PLC，都有后备电池(铿电池)保护 RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入 EPROM.目前较先进的 PLC(如欧姆龙公司的 CPMIA 型 PLC)采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在 RAM 中，以适应随机存取的要求。在 PLC 的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储 PLC 的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的 ON/OFF 状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放 A/0 转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。2.2.3 I/0 单元 I/0 单元也称为 I/0 模块。PLC 通过 I/0 单元与工业生产过程现场相联系。输入单元南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 6接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能 能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时 CPU 从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件.2.2.4 电源部分 PLC 一般使用 220V 的交流电源，内部的开关电源为 PLC 的中央处理器、存储器等电路提供 5V, +12V, +24V 的直流电源，使 PLC 能正常工作。 电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的 CPU，通常电源封装到机壳内部;对于模块式 PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与 CPU 封装到一个模块中。2.2.5 扩展接口 扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使 PLC 的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。2.2.6 通信接口 为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC 配有多种通信接口。PLC 通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的 PLC 或计算机相连。当 PLC 与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相连时.可将过程图像显示出来;当与其他 PLC 相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。2.2.7 编程器 编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有 LCD 或 CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用 PC 作为编程器，南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 7PLC 生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到 PLC，也可以将 PLC 中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在很多 PLC 已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。2.3 PLC 的应用领域 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类:(1)开关量逻辑控制 取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2)工业过程控制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量)，PLC 采用相应的 A/D 和 D/A 转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(3)运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4)数据处理 PLC 具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 8造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(5)通信及联网 PLC 通信包括 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。2.4 PLC 的工作原理 可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP） 状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制 功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户 程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或 切换到 STOP 工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可如上图编程序控制器还要完 成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为 5 个阶段。可编程序控制器的 这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极 高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查 CPU 模块内部的硬件是否正常， 将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应 编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP） 状态时，只执行以上的操作。可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另 外 3 个阶段的操作。在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信 号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。可编程序控制器梯 形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输 入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态 读入输入寄存器。外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图 中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开， 对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断 开，常闭触点接南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 9通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输 入映像寄存器的状态 也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫 描周期的输入处理阶段被读入。可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺 序排列。在没有跳转指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的 0/1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU 将输出映像寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。体 型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。 信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的 线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输 出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点 断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态 时，称该编程元件为 ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为 OFF。（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入 I/O 映象区的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新 阶段。在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化 I/O 映象区的相应单元的 数据和状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描 周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC 的 CPU 总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系 统 RAM 存储区中对应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能 指令。例如：算术运算、数据处理、数据传达等。（3）输出刷新阶段南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 10在输出刷新阶段，CPU 按照 I/O 映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据 锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。这时才是 PLC 真正的输出。(4)输入/输出滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号,发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间 三部分组成。输入模块的 CPU 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输 入触点动作是产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波 时间的长短，其典型值为 10ms 左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般 在 10ms 左右；双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为 1ms，负载 由导通到断开时的最大滞后时间为 10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为 1ms。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期。可编程序控 制器总的响应延迟时间一般只有几十 ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求 输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序 控制器或采取其他措施。2.5 PLC 机型的选择方法1.PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类， 按应用环境分为现场安装和控制室安装两 类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度出 发， 通常可按控制功能或输入输出点数选型。 整体型PLC的I/O点数固定， 因此 用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数， 功能扩展方便灵活， 一般用于大中型控制系统。 2输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。 例如对输入模块， 应考虑信 号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块， 应 考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、 寿命短、 响应时间较长等特点； 可控硅输出模块适用于开关频繁， 电感性低功率 因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。 输出模块还有直流输出、交流输出 和模拟量输出等， 与应用要求应一致。 可根据应用要求， 合理选用智能型输入输 出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O 机架等。南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 113.电源的选择PLC 的供电电源， 除了引进设备时同时引进PLC 应根据产品说明书要求设计 和选用外， 一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源， 与国内电网电压一致。 重要的应用场合， 应采用不间断电源或稳压电源供电。 如果PLC本身带有可使用 电源时， 应核对提供的电流是否满足应用要求， 否则应设计外接供电电源。 为防 止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时 也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。4.存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展， 存储器的价格已下降， 因此， 为保证应用项目 的正常投运，一般要求 PLC的存储器容量，按 256 个 I/O 点至少选 8K 存储器选 择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。5.冗余功能的选择a控制单元的冗余（1）重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。（2）在需要时也可选用 PLC 硬件与热备软件构成的热备冗余系统 、2 重化或 3 重化冗余容错系统等。b I/O接口单元的冗余（1）控制回路的多点I/O卡应冗余配置。（2）重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。3）根据需要对重要的I/O信号， 可选用2重化或3重化的I/O接口单元。6.经济性的考虑选择 PLC 时， 应考虑性能价格比。 考虑经济性时， 应同时考虑应用的可扩展 性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的 费 用。当点数增加到某一数值后， 相应的存储器容量、 机架、 母板等也要相应增加， 估因此，南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 12点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响， 在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。2.6 机械手 PLC 选择及参数综合上述原则机械手控制系统主机为三菱的FX2N-48MR。1.主要技术数据如下： 2.工作电源：24VDC输入点数：24输出点数：24 输入信号类型：直流或开关量 输入电流：24VDC 5mA模拟输入：-10V10V（-20mA+20mA） 输出晶体管允许电流0.3A/点（1.2A/COM） 输出电压规格：30VDC最大负载：9W输出反应时间：OffOn 20sOnOff30s 基本指令执行时间：数个s 程序语言：指令+梯形图+SFC程序容量：3792STEPS基本顺序指令：32个（含步进梯形指令） 应用指令：100种初始步进点：S0S9 一般步进点：118点，S10S127辅助继电器：一般用512+232点（M000M511+M768M999）停电保持用256点（M512M767） 特殊用280点（M1000M1279）定时器：100ms时基64点（T0T63）南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 1310ms时基63点（T64T126，M1028为ON时）1ms时基1点（T127）计数器：一般用112点（C000C111，16位计数器） 停电保持用16点（C112C127，16位计数器）高速用13点1相5kHz，2相2kHz（C235C254，全部为停电保持32位计数器）数据寄存器：一般用408点（D000D407） 停电保持用 192 点（D408D599） 特殊用144点（D1000D1143）指针/中断：P64点；I4点（P0P63/I001、I101、I201、I301） 串联通信口：程序写入/读出通讯口：RS232一般功能通讯口：RS485 主机电源220V AC2.PLC主机的组成1、输入单元输入单元由 8 个按扭、8 个开关和 16 个接插件组成，它们分别 与 PLC 的 16 个输入点相接。 改变这些开关或按扭的通断状态， 即可对主机输入所需要的开关 量。16个接插件可外接其它直流或开关量输入信号。2、输出单元输出单元由24个二极管和24个接插件组成， 它们分别与PLC的24个输出点 相连。 发光二极管是否发光， 即可表示输出点的状态， 使用者可得到主机的输出 信息。24 个输出接插件可外接其它需要控制的设备。输出单元的 4 个地端，分 别引出到面板，其中只有C4与3V电源共地。3、电源单元南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 14PLC主机左边有外接220V/AV的电源插座，作为PLC的工作电源。内装变压 器，输出 3V电源，供二极管使用。另外 PLC的 24VDC 和 24GND 已引出到面板，供外接输入器件（如传感器）的工作电源用南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计15第第 3 章章 机械手机械手 PLC 控制系统设计控制系统设计3.1 机械手的工艺过程机械手的工作均由电机 驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动丝杆旋转来完成的。 分析工艺过程机械手的初始位置停在原点， 按下启动后按扭后， 机械手将原点下降夹紧（T）上升右移下降放松（T）上升左移到原点,动作完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降， 若上次搬到右工作台上的工件尚未移走， 机械手应自动暂停， 等待。 为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。 为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。1） 手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下降” 按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调整工作 位置和紧急停车后机械手返回原点。2） 单步工作方式：从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。南通职业大学毕业设计（论文） 机械手的 PLC 控制设计 163）单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。4）连续工作方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在连 续工作方式下设置两种停车状态：正常停车：在正常工作状态下停车。按下复位按钮，机械手在完成最后一个 周期的工作后，返回原点自动停机。紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停止 在当前状态。当故障排除后，需手动回到原点。3.2 PLC 控制系统1确定输入/输出点数并选择 PLC型号1）输入信号位置检测信号：下限、上限、右限、左限共 4个行程开关，需要 4 个输入端 子。“无工件检测”信号：用光电开关作检测元件，需要 1 个端子。 “工作方式”选择开关：有手动、单步、单周期和连续4种工作方式，需要4个输如端子。手动操作：需要有下降、上升、右移、左移、加紧、放松 6 个按钮，也需要6 个输入端子。自动工作：尚需启动、正常停车、紧急停车3个按钮， 也需要3个输入端子。 以上共需要18个输入信号。2）输出信号PLC 的输出用于控制
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