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毕业设计（论文）毕业设计（论文）题题 目目: 机器人控制系统设计机器人控制系统设计学学 院院 机电工程与自动化学院专业专业(层次层次) 机械工程及自动化（本、专升本）年年 级级 2011 级班班 级级 01 班学生姓名学生姓名 邵逸群学学 号号 111A0033指导教师指导教师 宋 进目录摘要摘要.3ABSTRACT .3绪论绪论.51 设计任务分析设计任务分析 .61.1 工装设计简介.61.2 动作时序图.71.3 设备选型.82 技术方案初选技术方案初选 .102.1 控制系统 I/O 分配.102.2 元器件布置.122.3 传感器选型介绍.132.4 动作要求.133 技术方案的详细设计（实施）技术方案的详细设计（实施） .143.1 PLC 主机接线图.143.2 气路图 .143.3 PLC 程序设计.143.4 人机界面制作.183.5 机器人程序编写.224 结论结论.23参考文献参考文献.23致谢致谢 .24附录附录 .251 机器人 IO .252 机器人子程序.263 电控标准 BOM 表.29机器人控制系统设计摘要本文主要是阐述了随着电器科技的不断进步，生产设备也随之改革更新，从提高效率一直到解放员工劳动力节省人力资源节约能源。近几年随着自动化科技的普及很大一部分的生产厂家从长远的利益来考虑开始使用自动化设备，现根据某厂家要求将一款电路元件的塑化成型设备加入自动化搬运抓取装置，达到节约人力加快工作效率的目的。设备的主要原理是用 6 轴机械手代替人工将五金嵌件吸起并运送至注塑机器中，待到注塑成型后再将成品取出送到流水线传送带上，同时要保证运行的稳定性和抓取时的精准度。关键词：金嵌件；自动化；搬运机器人AbstractThis paper mainly expounds the continuous progress of electrical technology, the production equipment is also updated with the reform, from improving the efficiency to the liberation of the labor force to save human resources and energy saving. In recent years, with the popularity of automation technology a large part of the manufacturers from the long-term interests began to consider the use of automation equipment, according to the requirements of manufacturers will be a plasticizing molding equipment a circuit element with automated handling grasping device, save manpower to speed up the work efficiency of purpose. The main principle is to use the equipment of 6 axis manipulator will replace artificial metal insert sucked up and transported to the injection molding machine, injection molding products until after the line out to the conveyor belt, at the same time to ensure the stability and accuracy of grab.Key words: gold inlay pieces; automation; handling robot绪论近年来随着科技的不断进步和人力资源的成本不断提高，自动化产业也随之兴起，很大一部分的生产设备都已经改成了自动化生产设备，在工厂内生产步骤井然有序工作人员各司其职，当然还有一部分老的生产设备也在使用中相比之下工序就要繁琐的多了。本恩主要针对设计的是汽车非标自动化行业机器人集成和嵌件埋入及检测设备，这次的设计主要要求将工件的抓取和搬运交给机器人来完成，以实现节约人力和缩短生产周期提高生产效率为目的。具体的方案则是由三块内容组成，分别是上料台，搬运台以及注塑机，以及一个外加的传送带，注塑机则是由厂家自行提供的而在设备的调试中只要也只需要为数不多的信号线进行连接其中我们用到的信号一般为开模完成信号、闭模完成信号以及各个滑模到位信号和注塑完成信号，这些信号通过与工装主体机 PLC 的交互达到联机运作的目的。在设计时一般将贴近人工的那一部分工装作为主体工装，且各个工装段之间通过航空插头进行连接，本次设计中则将上料工作为主体工装，上下电以及电控配线板都放置在上料工装的机箱中，可以说上料工装也是处理信号的中心和中转站，不但执行工装与注塑机、工装与机器人的信号通讯业担任机器人与注塑机通讯的传递者，一般情况下注塑机和机器人信号的高低电频都是不一样的中间必须经过继电器和 PLC 的中转。至于机器人移载平台工装在机构和动作上也相对简单主要是用光电开关来控制移载平台的运动范围同时添加限位插销保证位置的精确度。移载平台上的机器人也是设计中的一个重点，主要在于要设定好机器人运动点位和运动路径同时也要保证五金吸取的成功率，检测方面这添加了好多的光纤来检测是否已经将全部的五金吸起。1 设计任务分析1.1 工装设计简介五金嵌件搬运设备主要分为人工放料工装、机器人移载工装和注塑机构成，另外组成部分还有一条长为一米的传送带，其中上料工装部分主要是由人工摆放五金到交错平台上然后启动将放置完毕的信号输送给机器人，由机器人将平台上的五金吸取放入到注塑机中，等待成型完成后再呼叫机器人将成品取出放到流水线中。 图 1-1 工装整体三维图 注塑机上料工装机器人移载工装交错平台内部为控制电路电源及起源开关图 1-2 上料工装三维图图 1-2 机器人移栽工装三维图图 1-3 传送带三维图1.2 动作流程图机器人抓手发那科 6 轴机械手机器人移载平台对照检测光纤电机成品系统启动按下双手启动按钮等待注塑机楷模信号上电复位上料工装错位气功动作机器人放五金等待各工装回原点机器人吸取五金等待开模信号人机界面启动检测是否吸取完成机器人夹成品机器人等待人工上料机器人运动机器人放成品人工放置五金等待机器人到位循环图图 1-5 动作流程图1.3 设备选型1.3.1 PLC 选型本次设计中PLC的牌子定为欧姆龙型号为CP1L-M60DT-A可用点数为60点，选用这个型号PLC的原因主要是欧姆龙PLC相对于西门子和三菱来讲在成本上要低廉许多，况且本次设计的工装模组比较少只有上料、搬运、和流水线模组不需要非常多且复杂的功能，这次设计中也没有用到模拟量模块只应为输入输出点数量的需求有添加了两个输入输出模电机电机块，这要比直接买更多输出点的大型PLC来的经济划算。图 1-6 欧姆龙CP1L-M60DT-A实物图1.3.2 机器人选型机器人为発那科 M-10iA/12 型，选型的主要依据是这次设计中抓手的重量大约在 10斤左右，且抓取动作半径也在一米五之间，所以非常符合発那科 M-10iA/12 机器人的工作范围，同时机器人本身重量不大这样也可以在很大程度上保证机器人移载承座的稳定性，相比于大型的机器人而言节省成本和空间。 图 1-7 発那科M-10iA/12型整体图1.3.3 常规电控元件选型因为工作环境嘈杂的缘故为了将有用的信号与噪声分离，提高信号的抗干扰性及信噪比，特在电路中加入滤波器，考虑到工作电流的大小和经济因素所以采用的滤波器型号为 AN-20A4HL （20A） 。工装的供电分为 220v 交流电和 24v 直流电所以在选取熔断器时我选用 FS-101 (10A)和 FS-101 (5A)个一个作为两条供电线路的熔断器。在漏电断路器的选用上，我考虑到工装上有电磁阀、传感器、继电器、散热风扇、私服电机。私服驱动器、人机界面等较多的器件所以选型为正泰 DZ47-LE C16（2P） ，保证不会因为运行功率过大而跳闸。机器人与 PLC 的信号传输上需要进行高低电频的转换，所以用到微型继电器，我根据常用元件标准选用欧姆龙 G6B-4BND DC24 型微型继电器。开关电源我选用的是相对来说比较经济且质量较好的欧姆龙 S8JC-Z10024C 100W 24V 4.5A 开关电源 ，可以确保工装长时间运行时不会因为过热而烧坏开关电源。2 技术方案初选PLC 控制系统设计如下所述：2.1 控制系统 I/O 分配因为涉及到 PLC 与机器人的通讯所以 PLC 主站采用输入公用端为 24v 输出公共端为0v，而从站输入公共端为 0v 输出公共端为 24v。控制系统 I/O 分配表本体 I/O 表输入0CH1CH2CH0000000100启动按钮 100200Z 左滑模到位00001马达在最左边00101启动按钮 200201Z 右滑模到位00002承座在左边感应00102上料错位上原点00202Z 顶出到位00003马达 Ready00103上料错位上终点00203Z 顶退到位00004马达伺服报警00104左定位气缸原点00204Z 注塑机全自动00005马达定位完成00105左定位气缸终点0020500006马达原点00106右定位气缸原点0020600007启动按钮00107右定位气缸终点0020700008复位按钮00108承座在右边感应002080000900109马达在最右边0020900010急停按钮00110上料错位下原点0021000011流水线感应器00111上料错位下终点00211输出100CH101CH102CH10000CW 马达10100上料错位无杆气缸10200Z 允许滑模10001CCW 马达10101左定位气缸10201Z 允许顶进1000210102右定位气缸10202Z 允许顶退10003马达警报清除101031020310004三色灯-红101041020410005三色灯-黄101051020510006三色灯-绿1010610206机器人在左边位置10007流水线马达10107安全护栏解锁10207机器人在右边位置扩展 I/O 表输入3CH4CH5CH00300前埋入顶出气缸1 原点00400前产品 1 负压表200500通讯组信号 100301前埋入顶出气缸1 终点00401前产品 1 负压表300501通讯组信号 200302后埋入顶出气缸2 终点00402后产品 2 负压表100502通讯组信号 300303后埋入顶出气缸2 原点00403后产品 2 负压表200503通讯组信号 400304后抓成品气缸 2原点00404后产品 2 负压表300504通讯组信号 500305后抓成品气缸 200405机器人自动00505J 允许滑模终点00306前抓成品气缸 1原点00406上料区域防呆00506J 允许顶进00307前抓成品气缸 1终点00407机器人程序重新开始00507J 允许顶退00308后产品 2 感应光纤00408机器人在原点00508机器人抓五金完成00309前产品 1 感应光纤00409机器人有报警0050900310成品感应光纤00410机器人运行中0051000311前产品 1 负压表 100411安全护栏信号00511输出103CH104CH105CH10300埋入顶出气缸10400机器人启动10500通讯组信号 310301抓成品气缸10401机器人再启动10501通讯组信号 410302前产品 1 吸五金 110402机器人暂停10502通讯组信号 510303前产品 1 吸五金 210403机器人复位10503J 左滑模到位10304前产品 1 吸五金 310404机器人周期停止10504J 右滑模到位10305后产品 2 吸五金 110405机器人可以抓五金上10505J 顶出到位10306后产品 2 吸五金 210406通讯组信号 110506J 顶退到位10307后产品 2 吸五金 310407通讯组信号 210507机器人可以抓五金下2.2 元器件布置根具元器件所需按如下方式排布方式布置元器件。图 2-1 元器件布置图图 2-2 电控板实物图2.3 传感器选型介绍经过考虑这次设计中的磁性传感器还是比较多的，而且都是在机器人抓手的气缸上，根据设计的要求机器人的运动范围比较大，特别是考虑到机器人抓手吸取五金和抓取产品的抓手气缸工作面相差 180 度，所以机器人的第 6 轴经常要做至少 180 度的旋转都做，这时候就要考虑到传感器与机箱接线的问题了，抓手上的磁性感应器和光纤放大器的线路都是要通过机器人 6 轴的中心孔与机身上的配线箱相连接，所以一定要保证线本身的柔韧性和强度。根据公司长期的经验来看这种运动较多的线必须要有可靠的质量保障所以这次设计中选用的磁性开关为 SMC 磁性开关 d-z73 型号，以及光纤放大器为欧姆龙的E3X-NA11 2M 型，这两种传感器有良好的运动性能可以减少运动频繁所带来的破坏。2.4 动作要求工装在上电之后要求进行复位，这时候要涉及到一个复位按钮，按下之后会将机器人移栽承座移动到最左边并且所有气缸进行复位，当机器人到达原点位子满足初始状态要求时就可以启动，这时候要求移载承座快速的移动到最右边的终点位子，这时候要求光电开关检测到承座后发出一个到位信号，等待人工上五金，工人则将几块五金片放到指定的位子然后按下两边的错位气缸启动按钮（启动按钮起到保护作用只有当两边的按钮同时被按下的时候才会进入下一步动作） 。这时候错位承座动作将放有五金片的承座送到最左端，这时候感应的光电开关再次送出一个五金到位信号，请求机器人的抓取动作，机器人接收到动作信号就进行设定好的抓取动作，将错位承座上的五金片吸起后发送移动请求要求把机器人移载承座移动到最左边，当到达指定位置的时候发送到位信号并且等待注塑机回应，接收到注塑机回应信号后将五金片按设定好的位置放入到注塑机中，等待注塑成型后接受到注塑机的抓取成品请求信号，机器人再次将注塑后的成品夹取并且放到旁边的一条流水线上。3 技术方案的详细设计（实施）3.1 PLC 主机接线图详情见附录3.2 气路图详情见附录3.3 PLC 程序设计程序 I/O 设置，主要是为了形成一种标准化，同时方便随时随地的变更 PLC 外部的接线点，在程序的开始将所有的输入输出点以及用到的辅助点都进行转变将信号传达给中间继电器，这样做的好处在于当接线 I/O 需要改动的时候可以直接在接线处改动然后在程序开始断修改前置点就可以了不用再到程序里面逐步修改，节省很多时间，也可以避免一些修改错误。图 3-1程序内部I/O开机复位主要作用是上电之后给程序的复位子程序输入一个脉冲，将原先的所有输入输出点以及中间点、时间继电、计数器等等全部复位，使得机台达到初始状态，只有在初始状态下才可以启动。图 3-2开机复位程序图动作顺序：在系统启动的状态下，上料信号置“1”就会产生一个移位信号将程序中的“1”往下移一位，这时只要按下双手启动按钮就会再次将“1”往下移一位，以此类推每当完成一个动作满足移位条件是就会触发移位信号将“1”往下移位。这也是整个程序的流程控制，相对于步进指令来讲更加简单让人看得明白。图 4移位指令程序图匹配移位的动作指令，当收到动作信号时开始运行，运行完成之后再反馈一个完成信号。 图 5对应移位指令的动作程序图机器人的请求信号和完成信号是机器人与PLC进行数据交换的程序，机器人要动作之前需要PLC进行判断是否满足动作要求，当机器人动作完成之后则是想PLC发出一个动作完成信号，让PLC执行下一个动作。图 6机器人请求信号程序图图 7机器人输出信号程序图3.4 人机界面制作3.4.1 主画面人机界面采用欧姆龙 NP5-MQ001B 型，用 GP-Pro EX 4.0 软件编程。图 8触摸屏主画面图1. 状态：显示机台当前运行状态；2. 当前产量：显示机台已经完成的产品数量；3. 生产周期：显示机器人每抓两个产品的运行周期；4. 机器人运行中：机器人自动运行时亮；5. 机器人有报警：机器人有报警时亮；6. 机器人启动：机台自动运行；7. 机器人暂停：暂停机器人动作；8. 机器人复位：机器人报警复位；9. 机器人周期停止：机器人运行完一个周期后停止；10. 脱机：注塑机脱离机器人运行；11. 原点搜索：点击后机台自动搜索原点；12. 产量清零：点击按钮后将当前产量清零；13. 切换画面：点击后可以选择需要的画面，点击切换切换到需要进入的画面；14. 白色框：显示机台当前报警信息；15.黄色框：显示机台当前运行状态信息；3.4.2 参数设置画面图 3-8人机界面参数设置画面图1. 修改密码：在输入框中输入想要设置的密码，点击修改确认修改密码；2. 气缸参数设置：切换到气缸参数设置画面；3.马达参数设置：切换到马达参数设置画面；动作延时参数设置图 3-9动作完成延时设置画面1. 上下料气缸到位延时：设定上下料气缸 GO 到位后延时时间；2. 上下料气缸回延时：设定上下料气缸回到位后延时时间；3. 前产品 1 吸完成延时：设定前产品 1 吸取完成后延时时间；4. 前放五金 1 完成延时：设定前放五金 1 完成后延时时间；5. 后产品 2 吸五金延时：设定后产品 2 吸五金完成后延时时间；6. 后产品 2 放五金延时：设定后产品 2 放五金完成后延时时间；7. 埋入顶出到位延时：设定埋入顶出气缸顶出到位后延时时间；8. 埋入顶出回到位延时：设定埋入顶出气缸回到位延时时间；9. 抓成品到位延时：设定抓成品到位延时时间；10. 抓成品回到位延时：设定抓成品回到位延时时间；11. 马达到达左位置延时:设定马达到达左位置延时时间；12. 马达到达右位置延时：设定马达到达右位置延时时间；13. 定位气缸到位延时：设定定位气缸到位延时时间；14.定位气缸回到位延时：设定定位气缸回到位延时时间；3.4.3 气缸手动画面图 3-10气功手动操作画面1. 错位无杆气缸：点动错位五杆气缸顶出缩回；2. 定位气缸：点动控制定位气缸顶出缩回；3. 埋入顶出气缸：点动控制抓手上的埋入顶出气缸；4. 抓成品气缸：点动控制抓成品气缸夹紧松开；5. 产品 1 吸五金 1：点动控制吸产品 1 五金 1 真空发生器；6. 产品 1 吸五金 2：点动控制吸产品 1 五金 2 真空发生器；7. 产品 1 吸五金 3：点动控制吸产品 1 五金 3 真空发生器；8. 产品 2 吸五金 1：点动控制吸产品 2 五金 1 真空发生器；9. 产品 2 吸五金 2：点动控制吸产品 2 五金 2 真空发生器；10. 产品 2 吸五金 3：点动控制吸产品 2 五金 3 真空发生器；11. 左边位置：点动马达到左边位置；12. 右边位置：点动马达到右边位置；3.5 机器人程序编写主程序UFRAME_NUM = 0;UTOIL_NUM = 1;CALL IO_RESET;IF DO113;HOME = OFF,JMP LBL999;LBL1;TIMER1 = RESET;TIMER1 = START;IF R4 = 0,CALL XIWUJIN;IF R4 = 1,CALL FANGWUJIN;IF R4 = 2,CALL XIWUJIN;IF R4 = 3,CALL JIACHENGPIN;IF R4 = 4,CALL FANGWUJIN;IF R4 = 5,CALL FANGCHENGPIN;TIMER1 = STOP;IF R4 0,JAMP LBL1;LBL999;MESSAGEHOME OFF;END;4 结论两个月的时间眨眼就过去，在宋老师的帮助下如期的完成了本次的设计，虽然在很多方面我还是初次接触，一些软件的运用和设计变成的思路我都还不太熟悉，但是通过这两个月的学习我还是学到了非常多的东西，从一开始的编程学起时就遇到了不少的困难，每一步都是要靠自己慢慢的学习过来，从配线板的接线到欧姆龙编程到组态制作再到机器人程序编写都是如此，即便到现在我依旧很生疏写的都很勉强也很花时间。本次的设计主要是对单种产品的抓取设计，高度的自动化也省去了工人很大一部分的劳动力，同时提高了生产效率，机器人的运用更是让设计趋向现代化科技。但是由于这种都属于非标自动化所以在设备运用范围方面来说不是很广，很难实现多种产品抓取或者成产线的批量化，而且前期的投入成本相对比较大，需要长期使用才能带来很好的经济效益。完成里这个设计之后我觉得还是有许多的地方可以借鉴的不管是在运行动作上面还是在程序设计方面都给我带来了很多的思路。通过这两个月以来的设计和学习，我越觉得还是很缺少专业的知识，有时间必需要更多的查看资料拓宽自己的知识面，同时也提高自身的素养和职业技能励志成为一个有能力有智慧的自动化专业人才。参考文献1邓大伟. 基于 PLC 控制的气动机械手研制D.哈尔滨工业大学,2010.2高凌云. 基于 PLC 的气动自动生产线的研究D.西南石油大学,2011.3董盛昕. 开关阀控双作用式气动阀门定位器控制研究D.哈尔滨工业大学,2013.4张萍萍. 基于 PLC 的气动机械手控制系统设计D.电子科技大学,2013.5霍罡. 欧姆龙 CP1H PLC 应用基础与编程实践 (第 2 版)M.机械工业出版社,2014.6张宪一. 两位多通气介质电磁阀测试系统的研究D.东北大学,2008.7蔡杏山. 欧姆龙 PLC 技术M.化学工业出版社,20138郭洪红. 工业机器人技术(第 2 版)M.西安电子科技大学出版社,20129丁度坤. 工业机器人智能运动控制方法的分析与研究D.华南理工大学,2010.10 范国伟. 组态技术入门与应用实例M.中国电力出版社,2012致谢在论文完成之际，我要特别感谢我的导师宋老师，是宋老师一直指导、陪伴着我。宋老师严谨的学术态度和正直热情的品质是我一生的榜样，在我撰写论文的过程中，宋老师投入了大量宝贵的精力和时间，从最开始的论文选题、构思和资料收集到后来的进行试验、论文修改以及成文定稿，都给予了我无私的指导和耐心的讲解。在思想、生活中，宋老师也给予了我无微不至的关怀，在此我再一次向宋老师致以最真诚的感谢和最崇高的敬意。在论文的写作过程中，同门和同事们也给予了我很多宝贵的建议和帮助。感谢他们的无私帮助，在他们忙碌的修改论文中抽空给我解决困惑之处。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位评审老师表示衷心地感谢！是你们帮助我们了解论文还存在的不足之处，帮助我们进一步完善我们的论文，谢谢所有的评审老师。附录1 机器人 IO数字 I/O 表输入输出DIDODI101J 左滑模到位D0101J 允许滑模DI102J 右滑模到位D0102J 模具区域DI103J 顶出到位D0103J 允许顶进DI104J 顶退到位D0104J 允许顶退DI105D0105DI106机器人可以抓五金下D0106机器人抓五金完成DI107机器人可以抓五金上D0107DI108机器人在左边位置D0108DI109机器人在右边位置D0109上料区域防呆DI110通讯组信号 1D0110通讯组信号 1DI111通讯组信号 2D0111通讯组信号 2DI112通讯组信号 3D0112通讯组信号 3DI113通讯组信号 4D0113通讯组信号 4DI114通讯组信号 5D0114通讯组信号 5DI115D0115DI116D0116DI117D0117DI118D0118DI119D0119程序复位DI120D0120原点2 机器人子程序XIWUJINWAIT DI101 = ON； （上料到位可抓取信号）DO102 = OFF; （抓取完成信号）J P2 100% CNT100 ; （过渡点）J P3 100% CNT100 ; （过渡点）J P4 100% CNT100 ; （到五金正上方）L P5 100% CNT100 ;（吸五金位置）DO1 = 1; （机器人请求吸五金信号）WAIT DI1 = 1 （等待吸取完成信号）L P4 100% CNT100 ;（到五金正上方）J P3 100% CNT100 ; （过渡点）J P2 100% CNT100 ; （过渡点）DO102 = PULSE , 1.0 SEC; （输送时长为 1 秒的抓取完成信号）R4 = R4 + 1;END FANGWUJIN1.WAIT DI103 = ON;（等待注塑机开模完成信号）2.DO104 = OFF;（处在非允许关模状态）3.IF R4 = 4 , JMP LBL2;4.J P6 100% CNT100 ; （过渡点）5.J P7 100% CNT100 ; （过渡点）6.J P8 100% CNT100 ; （到模具正上方）7.L P9 100% CNT100 ; （到放五金位置）8.JMP LBL3;9.LBL2;10.J P10 100% CNT100 ;（抓手 180 度旋转）11.J P8 100% CNT100 ; （到模具正上方）12.J P9 100% CNT100 ; （到放五金位置）13.LBL314.DO1 = 2 ;（请求防五金信号）15.WAIT DI1=2;（等待放五金完成信号）16.L P11; （微量上移）17.DO105 = ON;（允许顶进信号）18.WAIT DI105 = ON; （顶进完成信号）19.DO106 = ON;（允许顶退信号）20.WAIT DI106 = ON; （顶退完成信号）21.L P8 100% CNT100 ;（到模具正上方）22.J P7 100% CNT100 ; （过渡点）23.J P12 100% CNT100 ;（过渡点）24.DO107 = ON;（允许关模信号）25.WAIT DI107 = ON; （等待关模完成信号）26.R4 = R4 + 1;27.END;JIACHENGPINWAIT DI103 = ON;（等待注塑机开模信号）J P6 100% CNT100 ;（过渡点）J P7 100% CNT100 ;（过渡点）J P13 100% CNT100 ;（到成品正上方）L P14 100% CNT100 ;（到夹成品位置）DO1 = 3; （机器人请求抓成品信号）WAIT DI1 = 3;（夹成品完成信号）L P13 100% CNT100 ;（到成品正上方）R4 = R4 + 1;END; FANGCHENGPINWAIT DI108 = O