基于PLC的工业机械手的设计

基于PLC的工业机械手的设计摘要随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。本文主要论述了基于PLC的工业机械手的设计。首先，对机械手的总体设计结构进行了相关的介绍，再选择设计所用到的PLC型号。然后，通过对机械手的控制方式及各功能的实现方式进行研究，确定各功能的实现方案和设计控制系统所用到的器材。最后，对PLC控制系统的软件程序和硬件结构进行设计。

关键词:机械手；PLC；控制；

目录1412摘要 CNC复制机器人。这个机器人也被称为第二代机器人。在二十世纪六七十年代，通用机器人被用于汽车车身的点焊和冲压生产线。这是已进入申请阶段的第二代新机器人。在80-90年代，装配机器人趋于繁荣，特别是日本。在20世纪90年代，机器人在特殊应用领域取得了很大的发展。农业，林业，采矿，航空航天，海洋，娱乐，体育，医疗，服务，军事等领域的机器人被广泛应用于工业领域。有一个很大的应用程序。20世纪90年代以来，随着计算机技术，微电子技术和网络技术的飞速发展，机器人技术也迅速多样化。总之，目前的机器人体验分为三代：第一代机械手主要依靠手动控制，控制方式为开环式，没有识别能力;改进的方向主要是降低成本，提高准确性;第二代机器人机械手配备了具有视觉和触觉功能的计算机控制系统，甚至可以聆听和思考。研究并安装各种传感器，反馈收到的信息，使机器人具有感官功能;第三代机器人可以独立完成工作流程的任务。它保持与计算机和电视设备的接触，逐渐演变为柔性系统（FMS）和柔性制造单元（FMC）的重要组成部分。机器人主要由三部分组成：手部，机芯和控制系统。手是用于保持工件（或工具）的部件，取决于对象的形状，尺寸，重量，材料和工作要求，具有保持型，保持型和吸附型等各种结构将要举行。移动机构完成手中的各种旋转（摆动），移动或复合移动以实现期望的移动并改变被抓握物体的姿势和姿势。动体运动，拉伸，旋转和其他独立运动称为自由度机器人。有6个自由度来捕捉空间中任何位置和方向的物体。自由是操纵器设计的关键参数。自由度越高，操纵器的灵活性越大，通用性越高，结构越复杂。一般特殊机器人有2到3个自由度。控制系统通过控制机器人每个自由度的电机来执行某些动作。同时接收传感器的反馈信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常由一个微控制器（如微控制器）组成，以编程所需的功能。例如，机器人通常连接到机床或其他机器上以在自动机器或自动生产线上传送和传送工件，在加工中心等中更换工具，并且通常不存在单独的控制装置。一些操作设备需要由人直接操作。机器人在锻造行业的应用可以进一步提高锻造设备的生产能力，改善工作条件，如热量和疲劳。机器人的机械结构采用滚珠丝杠，滑杆等机械部件，电气部件包括交流电机，逆变器，传感器和其他电子元件。该设备涵盖可编程控制技术，位置控制技术和检测技术。它是机电仪器的典型代表之一。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的开发和生产已成为高新技术领域迅速崛起的新兴技术。它进一步推动了机器人的发展，使机器人更好地与机械化和自动化相结合。经过几十年的发展，特种机器人进入了转基因机器人时代的标志。由于一般机器人的应用和发展，智能机器人的发展进一步深入。智能机器人涉及的知识内容不仅包括力学，液压和空气动力学的基础知识，还包括电子，电视，通信，计算，无线电控制，仿生学和修复技术以及项目合成技术。目前，国内外都非常重视这项新技术的发展。几十年来，这项技术的研究和开发相当活跃。设计正在不断修订，品种越来越多，应用领域也在不断扩大。早在20世纪40年代，随着原子能工业的发展，出现了第一代铰接式机器人。从20世纪50年代到60年代，制造了用于转移和装载工件的通用机器人和CNC教学再制造商。这个机器人也被称为第二代机器人。在60年代和70年代，它们已应用于通用机器人点焊和冲压车身线。这是第二代机器人。这项新技术已进入申请阶段。在20世纪80年代和90年代，组装机器人趋于巅峰，特别是在日本。在20世纪90年代，机器人在特殊应用领域取得了很大进展。除了在工业中广泛使用，机器人还广泛应用于农业，林业，矿业，航空航天，海洋，娱乐，体育，医疗，服务和军事领域。。自20世纪90年代以来，随着计算机技术，微电子技术和网络技术的飞速发展，机器人技术也迅速多样化。总之，目前的机器人体验分为三代：第一代机器人主要依靠手动控制。控制方法是开环的，没有识别能力。改进的方向主要是成本低，准确性提高。第二代机器人配有计算机控制系统，即使在聆听时也能提供视觉和触觉功能，思维能力。研究并安装各种传感器并反馈收到的信息。1.2机械手在生产中的应用和应用意义1.2.1机械手在生产中的应用在现代工业中，生产过程的机械化和自动化已成为突出话题。操作员可以在空间中挑选和放置物体，灵活多样。适用于中小批量的自动生产，可以改变生产品种。它被广泛用于柔性自动线。近年来，随着计算机技术，电子技术和传感器技术在机器人中的越来越多的使用，工业机器人已成为提高工业生产中劳动生产率的重要因素。虽然它不像人力那样灵活，但是操作员具有能够持续不断地重复劳动和劳动的对象的特征，而不会感到疲劳，害怕危险并且比人力更重。因此，操纵者已经受到很多领域的关注，并越来越多地被用于以下应用：（1）加工工件的装卸，特别是在自动车床和组合机床上的加工和卸载很常见。（2）广泛用于装配作业。在电子行业，它可以用来组装印刷电路板。在机械行业中，它可以用来组装部件。（3）可以代替劳动环境贫瘠，弱势，重复的劳动环境中的人工劳动。（4）可以在危险情况下工作，如装载和卸载军品，处理危险物品和有害物质。（5）宇宙和海洋的发展。（6）军事工程和生物医学研究和测试。1.2.2机械手在生产中的应用意义1.可以提高生产过程的自动化程度机器人的使用有助于提高材料转移，工件装载和卸载，工具更换和机器组装的自动化程度，这可以提高劳动生产率，降低生产成本并加速工业机械化和自动化。2.可以改善工作条件，避免发生人身事故。在高温，高压，低温，低压，粉尘，噪音，气味，放射性或其他有毒污染和狭窄的工作空间中，直接用人手操作是危险的或不可能的，机器人可以使用它。部分或全部替代人员安全地完成了工作，极大地改善了工作条件。3.可以减少人力和促进节奏生产机器人在人们的手中工作，并有能力连续工作。因此，在自动化机床和自动生产线的综合加工中，目前几乎所有的机器人都配备了人力减少，生产节奏更加精确的控制以及节奏生产的方便。1.3机器人技术发展方向目前，国内工业机械主要用于机械加工，铸造，锻造，热处理等。数量，品种和性能不能满足工业生产发展的需要。因此，国家主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻件，热处理机器人等，以减轻劳动强度，改善经营状况。在应用特殊机器人时，应开展一般机器人的开发。此外，还需要开发教学机器人，电脑控制机器人和模块化机器人。它不仅易于设计和制造，而且易于改变工作和扩大应用范围。同时，有必要提高准确性，减少影响，准确定位并更好地发挥机器人的作用。另外，对于具有触觉，视觉等功能的伺服式，存储器再现式和机械手都应该大力研究，并且考虑到计算机的使用，它将逐渐成为整个机械制造系统的基本单元。在国外机械制造业中，工业机器人使用更多，发展更快。国外机器人的发展趋势是大力发展具有一定智能的机器人，使其具备一定的传感能力，能够应对外部条件的变化并作出相应的变化。如果位置有轻微偏差，可以进行修正和自检。重点是视觉和触觉功能。视觉功能是在机器人上安装电视摄像机和光学测距仪（即距离传感器）和卫星计算机。触觉功能是安装在机器人上的触觉反馈控制装置。总之，随着传感器技术的发展，机械手装配作业的能力将进一步提高。今天，机器人的发展对于机器人与柔性制造系统和柔性制造单元的结合更为重要，从根本上改变了机械制造系统的手动操作的当前状态。

第二章设计方案的论证2.1机械手的总体设计2.1.1机械手总体结构的类型工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节结构。下面描述每个结构及其相应的特征。1.笛卡尔坐标机器人结构笛卡尔机器人的空间运动由三个相互垂直的线性运动实现，如图2-1.a所示。由于直线运动有利于全闭环位置控制，笛卡尔机器人可以实现非常高的位置精度（μm）。然而，与机器人的结构尺寸相比，该笛卡尔机器人具有相对较小的运动量。因此，为了达到一定的运动空间，笛卡尔坐标机器人的结构尺寸比其他类型的机器人大得多。笛卡尔坐标机器人的工作空间是一个空间立方体。笛卡尔机器人主要用于组装和运输操作。笛卡尔机器人有三种类型的结构：悬臂，龙门和起重机。2.圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是通过旋转运动和两个线性运动实现的，如图2-1.b所示。这个机器人结构相对简单，也可以用于处理操作。它的工作空间是一个圆柱形空间。3.球坐标机器人结构球面坐标机器人的空间运动由两个旋转运动和一个线性运动实现，如图2-1.c所示。这种机器人结构简单，成本低，但其精度不高。主要用于加工作业。它的工作空间是一个球形空间。4.铰接式机器人结构多关节机器人的空间运动由三个旋转运动实现，如图2-1.d所示。多关节机器人灵活，紧凑，占地面积小。相对于机器人的体型而言，其工作空间相对较大。这种机器人广泛应用于焊接，喷漆，搬运，组装等工业领域，广泛应用于这类机器人。有两种类型的铰接机器人：水平和垂直。图2-1四种机器人坐标类型2.1.2设计具体采用方案图2-2机械手工作布局图对于这种设计，由于设计要求工件质量达到30KG，长度为500mm，考虑到数控机床布局的具体形式和机器人的具体要求，考虑到满足要求的系统流程，尽量简化结构以降低成本和提高可靠性。机器人的工作需要三种动作：手臂的伸缩和垂直运动是两个线性运动，另一个是手臂的旋转运动。综合考虑，操纵器的自由度取为3，坐标的形式选择为圆柱坐标，即旋转自由度的两个旋转自由度。其特点是：结构简单，手臂动作范围大，定位精度高。机器人的工作布局如图2-2所示。在机器人的整体设计之后，设计了机器人腰部，手臂，手腕和末端执行器的细节。2.2机械手腰座结构的设计在对机械手进行了整体设计之后，就要针对机械手不同部位进行详细设计。2.2.1机械手腰座结构的设计要求工业机器人的腰座是圆柱坐标机器人，球坐标机器人和铰接机器人的旋转座。这是机器人的第一个旋转接头。机器人的移动部件全部安装在腰部座椅上。它承受机器人的全部重量。在设计机器人腰部座椅结构时，请注意以下设计原则：1.腰部座椅必须有足够大的底座，以确保机器人在操作过程中的整体稳定性。2.腰部座椅必须承受机器人的全部重量和负荷。因此，机器人基座和腰轴以及轴承结构必须具有足够的强度和刚性以确保其承载能力。3.机器人的腰部座椅是机器人的第一个旋转关节。它对机器人末端运动的准确性影响最大。因此，在设计时必须特别注意腰轴和传动链的精度和刚性。4.腰部的旋转运动应配备相应的驱动装置，包括驱动器（电动，液压和气动）和减速器。驱动器通常配有速度和位置传感器，以及刹车。5.腰部结构应易于安装和调整。腰部与机器人手臂之间的关节必须具有可靠的定位参考表面，以确保每个关节的相互位置精确性。调整机构用于调整腰轴承与减速齿轮传动间隙之间的间隙。6.为了降低机器人运动部分的惯性，提高机器人的控制精度，腰部外壳一般由比重小的铝合金材料制成，机芯底部由铸铁或铸钢材料制成、制造。2.2.2设计具体采用方案腰座的旋转由电机通过减速机构或摆动缸或液压马达驱动。目前的趋势是使用前者。由于电气控制的高精度和紧凑的结构，不需要设计单独的液压系统及其辅助部件。考虑到腰部座椅是机器人的第一个旋转关节，它对机器人的最终精度影响很大，而电机驱动用于实现腰部的旋转。一般来说，电机不能直接驱动。考虑到速度和扭矩的具体要求，齿轮比齿轮系统用于减速和扭矩放大。由于齿轮有间隙并影响传动精度，因此使用齿轮传动，并使用大齿轮比（大于100）。为了减少机器人的整体结构，齿轮由高强度，高硬度材料制成。精确的加工和制造可最大限度地减少由齿轮传动引起的误差。腰座具体结构如图2-3所示：图2-3腰座结构图2.3机械手手臂的结构设计2.3.1机械手手臂的设计要求机器人手臂的作用是在一定的负载下以一定的速度在机器人所需的工作空间内移动。设计机器人手臂时，应遵循以下原则：1.机器人手臂的关节轴应尽可能平行;彼此垂直的轴应该尽可能地在一个点上相交，这可以简化机器人运动学的正向和反向操作并且便于机器人的控制。2.机器人手臂的尺寸应符合机器人工作空间的要求。工作空间的形状和尺寸与机器人手臂的长度和手臂关节的旋转范围密切相关。3.为了提高机器人的运动速度和控制精度，有必要尽可能地减少结构和材料上的手臂重量，同时确保机器人手臂具有足够的强度和刚度。4.机器人各关节的轴承间隙应尽可能小，以减少机械间隙造成的运动误差。因此，每个接头应该有一个可靠和容易调节的轴承间隙调节机构。5.机器人的手臂应尽可能相对于其关节的旋转轴线平衡，这对于减小电机负载并提高机器人手臂的响应速度是非常有利的。6.机器人手臂必须考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构等部件的安装。2.3.2设计具体的采用计划机器人臂（臂架）和水平臂（臂架）的垂直运动是一种线性运动。直线运动的实现一般通过气动传动，液力传动和电动滚珠丝杠来实现。考虑到运输工件的重量相对较大（30KG），机械手的动态性能，机芯的稳定性和安全性以及机械手的高刚性，中等重量。两臂合在一起，都是液压驱动的。通过液压缸的直接驱动，液压缸不仅是一个驱动元件，而且是一个运动部件，无需设计额外的执行器。而且，液压缸通过简单的控制实现了直线运动。简单的电脑控制。由于液压系统可以提供很大的驱动力，所以结构的驱动力和强度相对容易实施。关键是机器人的稳定性和刚性。因此，悬臂缸的设计原理是缸的直径应该较大（如果整体结构允许），然后比较缸的强度。同时，由于控制和具体工作的要求，机器人手臂的臂结构不能太大。如果只能通过增加液压缸的内径来增加操纵臂的刚度，则不能满足系统刚度要求。因此在设计中增加了导杆机构，在小臂上增加了两根导杆，与活塞杆形成等边三角形截面，增加了刚性。四个向导添加到繁荣，形成一个规则的四边形布局。为了降低质量，每个导杆采用中空结构。通过增加导杆，可以显着提高机械手的刚度和稳定性，并且可以更好地解决结构和稳定性问题。2.4机械手腕部的结构设计机器人的手臂运动给予机器人末端执行器在其工作空间中的位置，并且安装在机器人臂末端上的手腕给出机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人机械手最极端的一种，它实现了安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹和运动姿态，并完成了所需的操作动作。2.4.1机器人手腕结构设计要求1.机器人手腕的自由度应根据工作需要进行设计。机器人手腕的自由度越高，每个关节的运动角度越大，机器人手腕的灵活性越高，机器人对工作的适应性就越强。然而，自由度的增加将不可避免地使得手腕的结构更加复杂，机器人的控制更加困难，并且成本将会增加。因此，只要满足操作要求，自由度的数量应尽可能小。典型的机器人手腕具有2至3个自由度。2.机器人手腕连接在机器人手臂的末端。在设计机器人手腕时，需要减轻其重量和体积，并且结构努力变得紧凑。手腕驱动器通常不是直接安装在手臂上，而是由高强度铝合金制成。3.机器人手腕应与末端执行器相关联。因此，需要一个标准的连接法兰，末端执行器必须安装在结构上。4.机器人的手腕必须有足够的强度和刚度以确保力量和运动的传递。5.采用可靠的传输间隙调节机制，减少间隙并提高传输精度。6.腕关节轴的旋转必须限制在位置开关上，并设置硬限位以防止由于超限引起的机械损伤。2.4.2设计具体采用计划通过对数控机床装卸作业的具体分析，在满足系统技术要求的前提下，提高了安全性和可靠性。为了使机器人的结构尽可能简单并减少控制难度，这种设计手腕不会增加自由度。实践证明，这是三个自由度充分满足操作要求，并且机器的装卸充足。图2-4显示了特定手腕（手臂连接梁）的结构。图2-4手爪联结结构2.5机械手末端执行器的结构设计2.5.1机械手末端执行器的设计要求机器人末端执行器是安装在机器人手腕上以执行某些操作或工作的附加设备。有许多机器人末端执行器可以适应机器人的不同操作和操作要求。末端执行器可以分为运输，加工和测量。设计机器人末端执行器时，应注意以下问题;1.机器人末端执行器根据机器人的操作要求而设计。随着新的末端执行器的出现，可以添加新的机器人应用程序。因此，根据工作需要和人们的想象力创造的新机器人末端执行器将继续扩大机器人的应用范围。2.机器人末端执行器的重量，抓取物体的重量以及操作力的总和。机器人允许的负载力。因此，要求机器人末端执行器体积小，重量轻，结构紧凑。3.机器人末端执行器的全能性和特异性是矛盾的。通用末端执行器结构复杂，难以实施。目前，结构简单，通用性低的机器人末端执行器仍在使用中。从行业实际应用出发，重点研究开发各种专用高效机器人末端执行器，以及用于末端执行器的快速切换装置，以实现各种机器人的工作功能，而不是通用的最终结果。完成各种操作。由于这种通用型执行器复杂且昂贵。4.机器人末端执行器应易于安装和维护，并且易于实现计算机控制。最方便的电子控制器是电动执行器。因此，工业机器人执行器的主流是电气，其次是液压和气动（电动或电动气动转换需要添加到驱动器接口）。2.5.2设计具体采用方案结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。手爪的具体结构形式如图2-5所示：图2-5机械手末端执行手爪结构图2.6机械手的机械传动机构的设计2.6.1工业机器人传动机构设计应注意的问题机器人是由多个级联杆和关节组成的多自由度空间运动机构。除了直驱机器人之外，机器人的连杆和关节由驱动器通过各种机械传动机构驱动。机器人使用的传动机构类似于通用机械的传动机构。常用的机械传动机构主要有螺旋传动，齿轮传动，同步带传动和高速皮带传动。由于传动部件直接影响机器人的精度，稳定性和快速响应能力，因此应设计和选型以满足传动间隙小，精度高，摩擦力小，体积小，重量轻，运动平稳，响应速度快，传递扭矩大等特点如大尺寸，高谐振频率以及与伺服电机等其他组件动态性能匹配所需的传输组件。在设计机器人的执行机构时，请注意以下问题：1，为了提高机器人的运动速度和控制精度，机器人的每个运动部件都要求重量轻，惯性小。因此，机器人的传动机构必须力求结构紧凑，重量轻，体积小。2.传动链应采用间隙调节机构，以减少反向回风造成的运动误差。3.系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应尽可能小，正斜率。如果是负斜率，可能会发生爬行，精度降低，寿命缩短。因此，需要使用滚动丝杠副，滚动导向轴承等低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。4.缩短传输链并提高传输和支持的刚性。5.选择最佳传动比以获得更高的系统分辨率，降低执行器输出轴上的等效惯性矩，并尽可能提高加速度。6.为减少反死区误差，如采取措施消除传动间隙，减少轴承变形。7.适当的阻尼比，当机械部件共振时，系统的阻尼越大，最大振幅越小，衰减越快;但大阻尼会增加系统的不准确度和反转误差，并增加稳态误差。，准确度下降。因此，传动装置的阻尼在设计时应该是适当的。2.6.2工业机器人的通用驱动机制机器人系统齿轮设计中的一些问题：（1）齿轮传动和传动比的最佳匹配。传动比应满足驱动部件和负载之间的位移，扭矩和速度匹配要求。输入电机转速高，转矩低，输出转速低，转矩高。因此，齿轮传动系统需要具有足够的刚性，并且还要求其惯性矩尽可能小，以便获得相同加速度时所需的扭矩很小。尽可能使用小间隙和高精度齿轮。为尽可能降低制造成本，应采用调整间隙的方法消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性。（2）各级传动比的最佳分配原则。在计算传动比后，为了使减速系统紧凑，满足动态性能，提高传动精度，有必要合理分配各级传动比。原则如下：a.输出轴角度误差的最小原理为提高齿轮传动系统的精度，各级传动比应按“先大后小”的原则进行分配，以减小齿轮传动处理的影响错误以及安装错误和旋转错误都是输出旋转角度的准确度。设齿轮传动中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为，则（2-1）式中：第个齿轮所具有的转角误差；第个齿轮的转轴至n级输出轴的传动比。则四级齿轮传动系统的各级齿轮的转角误差（、、...、）换算到末级输出轴上的总转角误差为（2-2）可以看出，总旋转角度误差主要取决于末级齿轮的旋转角度误差和传动比的大小。因此，设计的最后两个阶段的传动比应该很大，并且应尽可能地提高其加工精度。b.最小等效惯性转动惯量的原理使用此原理设计的齿轮系应使转换到电动机轴的等效惯性矩最小化。“先小后大”的各级传动比也应该做到紧凑。C.就系统质量而言，最低质量原则更好。有一些具体的问题：（1）对于需要平稳运动，频繁启动和停止以及良好动态性能的伺服系统，应考虑使最小等效转动惯量最小化并使输出轴角度误差最小化的原则。（2）对于主要提高传动精度和降低回程误差的传动齿轮系统，采用输出轴角度的最小误差原则。（3）对于最轻的减速传动链，设计可以基于最小质量原则。（4）对于以较大的传动比驱动的齿轮系，通常需要使用固定轴齿轮系和行星齿轮系的组合。2.谐波齿轮传动谐波齿轮传动具有结构简单，体积小，重量轻，传动比大（数十到数百），传动精度高，回程误差小，噪音低，传动平稳，承载能力强，效率高等一系列优点。因此，它被广泛应用于工业机器人系统。3.螺丝传动螺丝刀和螺母主要用于将旋转运动转换为直线运动或将直线运动转换为旋转运动。螺旋运输具有主要的能量转移，例如螺旋压力机，千斤顶等;主要是为了移动机器，比如机器的进给螺杆。螺母传动分为普通螺丝（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦）。前者结构简单，易加工，制造成本低，自锁能力强，但摩擦阻力，扭矩小，传动效率低（30％〜40％））。虽然后者结构复杂，制造成本高，但其最大的优点是摩擦力矩小，传动效率高（92％〜98％），运动平稳，灵活性高。通过预加载，可以消除间隙并可以增加驱动刚度;进给精度和重复性可能很高。使用寿命长，同步性好，使用可靠，润滑简单等优点，所以机器人采用滚珠丝杠。选择滚珠丝杠时请考虑以下指标：（1）滚珠丝杠的精度等级;（2）滚珠丝杠传动间隙的允许值和预紧力的预期值;（3）负载条件（静态，动态负载）和允许的负载值;（4）滚珠丝杠的使用寿命;（5）滚珠丝杠的临界转速;（6）滚珠丝杠的刚性;4.同步皮带传动同步带传动是一种结合普通皮带传动和链轮链传动的优点的新型传动装置。它在皮带的工作表面和皮带轮的外圆周上具有啮合的齿，并通过啮合传动装置与齿啮合。同步带传动比精确，传动效率高（达98％），节能效果好，吸振，噪音低，无润滑，传动平稳，传动速度高（最高可达40m/s），传动比可达由于其结构紧凑，达到了10个，所以很容易使用维护。其主要缺点是高安装精度和严格的中心距要求。5.钢带传动皮带传动在钢带和皮带轮之间有很大的接触面积。它是无间隙传动，摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑，运行可靠，噪音低，传动扭矩大，使用寿命长，钢带无蠕变。传输效率高。6.链传动在机器人中，链传动主要用在手腕上。为了减轻机器人末端的重量，手腕驱动电机通常安装在手臂后端或悬臂关节处。由于电机远离被驱动的手腕，它使用精密套筒滚子链传动。7.钢丝绳驱动钢丝绳轮传动结构简单，传动刚度大，结构柔软，成本低。缺点是滑轮大，安装面积大，加速度不宜太高。2.6.3设计具体采用方案在这种设计中，由于液压缸用作机器人的水平臂和垂直臂，因为液压缸实现直接驱动，所以它既是关节机构又是动力元件。因此，不需要中间传动机构，这简化了结构并且同时提高了精度。机器人腰部的旋转由步进电机驱动，齿轮机构必须用于减速并增加扭矩。经过分析和比较，选择正齿轮传动。为了保证相对较高的精度，齿轮传动造成的误差最小;同时扭矩大大增加，同时电机转速大大降低，机械手运动稳定，动态性能好。。此处仅使用一个齿轮传动，并使用大齿轮比（大于100）。齿轮由高强度，高硬度材料制成，精度高。2.7机械手驱动系统的设计2.7.1机器人各类驱动系统的特点工业机器人驱动系统分为三类：液压，气动和电动。根据需要，这三种基本类型也可以组合成混合动力驱动系统。这三个基本驱动系统的主要特点如下。液压驱动系统由于液压技术是一项成熟的技术，具有功率大，惯性比大，响应速度快，直接驱动等特点。适用于负载能力大，惯性大，防火防爆的机器人。然而，液压系统需要能量转换（将电能转换为液压能），其效率低于电驱动系统，运行噪音高。2.气动驱动系统它具有速度快，系统结构简单，维护方便，价格低廉的特点。适用于中，低负载机器人。但由于伺服控制难以实现，主要用于机器人程序控制。3.电力驱动系统由于大量使用低惯量，高转矩交流和直流伺服电机及其相关伺服驱动器，这类驱动系统在机器人中大量使用。该驱动系统不需要能量转换，易于使用，噪音低，并且控制灵活。大多数电机需要在其后面进行复杂的传输。2.7.2工业机器人驱动系统的选择原则在设计机器人时，必须根据多种因素（如机器人的使用，工作要求，机器人性能规格，控制功能，维护复杂性，运行功耗，成本性能和现有条件）来考虑驱动系统的选择。在正常情况下：1.程序控制机器人用于材料处理的有限点控制，重型液压驱动系统，中等负载可选电机驱动系统，轻型可选气动驱动系统。2.用于点焊和电弧焊接以及喷涂操作的机器人需要点和轨道控制功能，并且需要伺服驱动系统。只能使用液压或电动伺服系统来满足要求。2.7.3机器人液压驱动系统自1962年以来，液压系统已被应用于世界上第一台机器人，并被广泛应用于工业机器人。目前，中型工业机器人虽然使用了大量的电机驱动系统，但在简单经济的重工业机器人和喷涂机器人中使用液压系统仍占很大比例。1.程序控制机器人的液压系统这种类型的机器人是一个非伺服控制机器人。在具有简单传输功能的机器人中，通常使用简单的逻辑控制设备或可编程控制器来控制机器人在有限的位置。2.伺服控制的机器人液压系统带点控制和连续轨迹控制的工业机器人需要使用电液伺服驱动系统。2.7.4机器人气动驱动系统气动机器人使用压缩空气作为动力源。它们通常从工厂的压缩空气站引入机器人的工作位置，并且还可以创建小型空气源系统。气动机器人具有气源使用方便，对环境无污染，移动灵活快速，操作安全可靠，操作维护方便等特点，适合在恶劣环境下工作。因此，它们在有毒或高温条件下运行，如冲压，注塑和压铸。，仪器仪表和轻工行业在机器装卸，运输和中小零件自动组装，食品包装运输，电子产品交付，自动对接，自动化弹药生产等方面已取得诸多应用。2.7.5机器人电力驱动系统多年来，为机器人，数控机床和其他自动机器开发的众多类型的伺服电机和伺服驱动器为机器人驱动系统的更新创造了条件。由于机器人使用高起动转矩，高转矩，低惯量的交流和直流电机，因此大多数负载小于100kg的工业机器人通常使用电力驱动系统。用于机器人驱动系统的电机大致可分为以下几种：小惯性永磁直流伺服电机，有刷永磁直流伺服电机，大惯性永磁直流伺服电机（力矩电机），无功步进电机，同步交流伺服电机，异步电机交流伺服电机。1.选择机器人驱动系统电机机器人的驱动系统电动机的选择应根据机器人的使用情况，特点，结构特点，结合各类电动机的性能，性能，结构特点和成本效益的综合考虑。有关各类驱动电动机主要特点及性能、结构特点、用途、适用的驱动器见表2-1：表2-1名称主要特点及性能结构特点用途及使用范围驱动器小惯量直流永磁伺服电动机电机的惯量小，理论加速度大，快速反应性好，低速性好，，但低速输出力矩不大，转子直径小，惯量小适用于对快速性要求严格而负载力矩不大的场合直流PWM伺服驱动器SCR变压驱动器有刷绕组永磁直流伺服电动机转动惯量小，快速响应性能好；转子无铁损，效率高；换向性能好，寿命长；负载波动对转速影响小，输出力矩平稳。无铁心，具有轴向平面间隙可频繁起制动、正反转工作，响应迅速，适用于机器人，数控等直流PWM伺服驱动器，SCR变压驱动器大惯量永磁直流伺服电动机输出力矩大，转矩波动小，机械特性硬度大，可以长时间工作在堵转条件下又称力矩电机，其转子较粗适用于驱动力矩较大的场合，因可不用齿轮传动，消除了齿轮间隙直流PWM伺服驱动器，SCR变压驱动器表2-1续表反应步进电机将电脉冲信号直接转换成转角，转角与脉冲数成正比，输出力矩也较大电机转子无转租，由永磁体构成转子磁极用于数字系统中作为执行元件，如数控机床、机器人；开环控制直流PWM伺服驱动器SCR变压驱动器同步交流伺服电动机转速与定子绕组所建立的旋转磁场严格同步；从低度到高速，定子绕组可通过大电流，故起、制动转矩不降低，可频繁起、制动转子由永久磁铁做成，定子有三相，转子比较细主要用于中小容量的伺服驱动系统中，如数控、机器人等系统中交流PWM变频调速器异步交流伺服电动机转速永远低于定子绕组所建立的旋转磁场，机构简单，容量大，价格低定子由对称三相绕组组成，用于数控机床主轴等容量大的场合交流PWM变频调速器2.机器人电动驱动系统伺服驱动器（1）直流电机伺服驱动器当前的伺服电机驱动器使用脉宽调制（PWM）伺服驱动器，电源电压是一个固定值，大功率晶体管用作开关元件，并以固定的开关频率工作。但是，脉宽可以通过电路的控制来改变，也可以在电机电枢的两端更改脉冲宽度，平均电压，从而改变电机的速度。PWM伺服驱动器具有转速范围宽，速度特性低，响应速度快，效率高，过载能力强等特点。已被广泛应用于各种数控机床，工业机器人等机电一体化产品中作为直流伺服电机驱动器使用。（2）步进电机驱动器步进电机控制设备包括脉冲发生器，环形分配器和功率放大器。脉冲发生器可以根据起动，制动和速度调节的要求，通过改变频率来控制步进电机。环形分配器按照特定顺序控制步进电机绕组。它的作用是按照一定的循环定律，从脉冲发生器向每个绕组轮流发送一系列脉冲信号，使步进电机按照一定的规律运动。功率放大器的目的是将环形分配器的毫安电流输出放大到安培级电流以驱动步进电机。目前，功率放大器使用高压和低压驱动电路。2.7.6设计具体采用方案具体到这个设计，在考虑具体工作要求后，综合考虑各种因素。机器人的腰部旋转需要一定的定位控制精度，所以采用步进电机驱动来实现;因为液压缸用于手臂和纵臂，所以手臂和手臂都是液压驱动的;考虑与机器工件的区别是水平臂的长度是不同的。因此，需要水平臂具有伺服定位能力，使得电动液压伺服缸用于驱动。夹爪的打开和夹紧通过液压柱塞缸的柱塞与中间齿轮和扇形齿轮的协作来实现，也就是说，夹爪的爪将手指推过端框架，并且扇形齿轮中间齿轮和活塞杆在柱塞缸的推力下。打开和关闭。2.8机器人手臂平衡机构的设计直角坐标，圆柱坐标和球坐标机器人可以合理安排，以优化设计结构，使臂本身平衡。联合机器人手臂通常需要平衡装置以减少驾驶员的负担，同时减少启动时间。2.8.1机器人平衡机构的形式一般来说，机器人使用的平衡机制主要有以下几点：重量平衡机制该平衡装置结构简单，平衡效果好，调整方便，运行可靠，但增加了机器人手臂的惯性和关节轴的负荷。2.弹簧平衡机制弹簧平衡机构结构简单，制造成本低，操作可靠，平衡效果好，维修方便，应用范围广泛。3.活塞推杆平衡机构活塞平衡系统有液压和气压两种：液压平衡系统平衡力大，体积小，具有一定的减振效果。气动平衡系统具有良好的减振效果，但体积较大。活塞天平需要特殊的液压或气动装置，系统复杂。因此，成本高，设计，安装和调试都增加了难度，但平衡效果好。它用于平衡配重和弹簧平衡不能满足工作要求的情况。2.8.2设计具体采用的方案由于设计操纵器采用圆柱坐标结构，因此臂结构的设计和整个操纵器的设计和布局都集中在操纵器的平衡上，通过合理的布局和优化，尽可能地平衡臂本身的平衡。设计结构。如果实际工作中的平衡不能得到满足，则弹簧平衡机构设定为平衡。

第三章理论分析和设计计算3.1液压传动系统设计计算3.1.1确定液压系统基本方案液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者实现回转运动。二者的特点及适用场合见表3-1：表3-1名称特点适用场合双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复场合单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其它外力返回摆动缸单叶片式小于360双叶片式小于180小于360的摆动；小于180的摆动齿轮马达结构简单、价格便宜高转速、低转矩的回转运动叶片马达体积小、转动惯量小高速低转矩、动作灵敏的回转运动摆线齿轮马达体积小、输出转局大低速、小功率大转矩的回转运动轴向柱塞马达运动平稳、转矩大、转速范围宽大转矩的回转运动径向柱塞马达转速低，结构复杂，输出转矩大低速大转矩回转运动这种设计是因为操纵器是具有3个自由度，一个旋转和两个运动自由度的圆柱坐标的形式。同时，考虑到机械手的工作量和作业现场环境对机械手布局和定位精度及计算机控制因素的要求，腰部的转动由电机驱动，其余两个动作为线性运动。因此，机械手的水平和垂直臂都使用单缸液压缸进行直线往复运动。3.1.2液压执行机构运动控制回路的配方确定液压执行机构后，控制运动方向和运动速度是液压回路的核心问题。方向控制通过方向阀或逻辑控制单元完成。对于中小流量液压系统，通过有方向阀的有机组合实现所需的动作。对于高压和大流量系统，经常使用墨盒和先导控制阀的逻辑组合。速度控制是通过改变液压执行机构输入端或输出端的流量或通过改变密封空间的体积来实现的。相应的速度控制方法包括节流速度控制，音量控制和两者的体积节流。控制方向的设计由电磁阀实现，节流控制主要用于速度控制。主要使用相对简单的节流阀。3.1.3液压源系统的设计液压系统的工作介质完全由液压源提供。液压源的核心是液压泵。油门速度控制系统一般用于固定油泵。在没有其他辅助油源的情况下，液压泵的燃料供应量大于系统的燃料需求量。多余的油通过溢流阀流回燃油箱。安全阀同时启动。控制和稳定油压的作用。体积速度控制系统通常配备变量泵，并使用安全阀来限制系统的最大压力。油净化装置是液压源中不可缺少的元件。一般的泵入口装有一个粗滤油器，进入系统的油根据需要用精滤器再次过滤。为防止系统中的杂质回流到油箱，可在回油管路上安装磁性过滤器。根据液压设备所处的环境和温升要求，还应考虑加热和冷却等措施。液压系统的设计使用计量泵来提供由安全阀V1系统的压力设定的油。为了保证液压油的清洁，防止液压油进入污染物，在油泵入口安装过滤器，在油泵出口安装精滤器，净化循环液压油。3.1.4绘制液压系统图本机械手的液压系统图如图3-1所示，它拥有垂直手臂的上升、下降，水平伸缩缸/的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5DT得电时，工作液体经由节流阀V5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用V2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。图3-1机械手的液压系统原理图3.1.5确定液压系统的主要参数液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。（1）计算液压缸的总机械载荷根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为（3-1）式中，为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为0；为活塞上所受的惯性力；为密封阻力；为导向装置的摩擦阻力；为回油被压形成的阻力；=1\*GB3①的计算（3-2）式中，为液压缸所要移动的总重量，取为100KG；为重力加速度，；为速度变化量；启动或制动时间，一般为0.01~0.5，取0.2s将各值带入上式，得：=1.02=2\*GB3②的计算（3-3）式中，克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力<16，查相关手册取=0.2；为进油工作腔有效面积；启动时：565N运动时：=283N=3\*GB3③的计算机械手水平方向上有两个导杆，内导杆和外导套之间的摩擦力为（3-4）式中，为机械手和所操作工件的总重量，取为100KG；为摩擦系数，取f=0.1；带入数据计算得：=98④的计算回油背压形成的阻力按下式计算0（3-5）式中，为回油背压，一般为0.3~0.5，取=0.3为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2；将各值带入上式有，分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为。（2）手爪执行液压缸工作压力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1.2~2；为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，，为重力加速度；方位系数，查表选取；被抓持工件的重量30；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；其他同上。带入数据，计算得：而液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；经计算，所需的油压约为：（3）液压缸主要参数的确定鉴于设计是机器人特征，机器人系统的刚度和稳定性非常重要。因此，从刚性角度选择液压缸孔以优先考虑机器人结构和运动的稳定性和安全性。对于液压缸的工作压力和液压缸的运行速度，它被放置在液压系统的设计阶段，并通过使用适当的速度控制回路和部件的外部液压回路来实现。在仔细分析和综合考虑各种因素后，各液压缸的基本参数初步确定如下：表3-2手爪执行柱塞缸参数缸内径壁厚直径行程工作压力20520803~6注：手爪柱塞缸工作压力由系统压力阀调定。表3-3水平伸缩液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6010254001由于伸缩油缸的作用主要是实现伸缩运动的直线运动，因此它不承受轴向的明确工作载荷（因为夹具抓住工件，力的方向是垂直的），而且轴向主要克服摩擦。扭矩，它接收的载荷主要是径向载荷，载荷性质是弯矩，导致其弯曲和变形。而且由于操纵器需要一定程度的灵活性，所以水平液压缸活塞杆需要相对较大的工作行程。同时它具有较大的弯矩和较大的行程，对液压缸的稳定性和刚度提出了更高的要求。因此，在水平伸缩油缸的设计中，一方面是增加其抗弯曲能力，另一方面是通过合理的结构布局设计使其尽可能刚性。为了实现这个目标，在设计中使用了两个导杆来满足长冲程活塞杆的稳定性和制导问题。另一方面，为了增加结构的刚性和稳定性，两个导杆和活塞杆以等边三角形的形式布置，以增加弯曲部分的模量并大大地增加工作刚度的液压缸。表3-4垂直液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6010251001因为垂直液压缸所承受的载荷方式既有一定的轴向载荷，又存在着比较大的倾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作为液压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。这里同样采用了导向杆机构，围绕垂直升降缸设置四根导杆，较好的解决了这一问题。（4）液压缸强度的较核①缸筒壁厚的较核当D/时，液压缸壁厚的较核公式如下：（3-10）式中，为缸筒内径；为缸筒试验压力，当缸的额定压力时，取为；为缸筒材料的许用应力，，为材料抗拉强度，经查相关资料取为650，为安全系数，此处取；带入数据计算，上式成立。因此液压缸壁厚强度满足要求。②活塞杆直径的较核活塞杆直径的较核公式为（3-11）式中，为活塞杆上作用力；为活塞杆材料的许用应力，此处；带入数据，进行计算较核得上式成立，因此活塞杆的强度能满足工作要求。3.1.6计算和选择液压元件（1）液压泵的计算①确定液压泵的实际工作压力（3-12）式中，计算工作压力，前以定为；对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.5~1.5），这里取为1。因此，可以确定液压泵的实际工作压力为（3-13）②确定液压泵的流量（3-14）式中，为泄露因数，取1.1；为机械手工作时最大流量。（3-15）经计算得=3.140带入上式得③确定液压泵电机的功率（3-16）式中，为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140；液压泵实际工作压力，5；为液压泵总效率，取为0.8；带入数据计算得：=。（2）控制元件的选择根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。这部分在考虑具体的作业时根据详细的要求再结合具体情况进行详细，这里暂从略。（3）油管及其他辅助装置的选择①查阅设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数液压泵出口流量以3.140L/MIN计，选取；液压泵吸油管稍微粗些，选择；其余都选为；②确定油箱的容量一般取泵流量的3~5倍，这里取为5倍，有效容积为（3-17）3.1.7液压系统性能的验算绘制液压系统图后，进行压力损失验算。因为该液压系统比较简单，该项验算从略。本系统采用液压回路简单，效率比较高，功率小，发热少，油箱容量取得较大，因此，不再进行温升验算。3.2电机选型有关参数计算3.2.1有关参数的计算（1）若传动负载作直线运动（通过滚珠丝杠）则有负载额定功率：（3-18）负载加速功率：（3-19）负载力矩（折算到电机轴）：（3-20）负载（折算到电机轴）：（3-21）起动时间：（3-22）制动时间：（3-23）（2）若传动负载作回转运动负载额定功率：（3-24）负载加速功率：（3-25）负载力矩（折算到电机轴）：（3-26）负载GD（折算到电机轴）：（3-27）起动时间：（3-28）制动时间：（3-29）式中，为额定功率，KW；为加速功率，KW；为负载轴回转速度，r/min；为电机轴回转速度，r/min；为负载的速度，m/min；为减速机效率；为摩擦系数；为负载转矩（负载轴），；为电机启动最大转矩，；为负载转矩（折算到电机轴上），；为负载的，；为负载（折算到电机轴上），；为电机的，；具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；（3-30）式中，为滚动轴承摩擦系数，取0.005；为机械手本身与负载的重量之和，取100；为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240；带入数据，计算得=0.12；同时，腰部回转速度定为=5r/min；传动比定为1/120；且，带入数据得：=10.45667。将其带入上（3-24）~（3-30）式，得：启动时间；制动时间；折算到电机轴上的负载转矩为：。3.2.2电机型号的选择基于以上结果，综合考虑各种因素，选用国产北京和仕吉电气科技有限公司（原北京四通电气股份有限公司）步进电机。具体型号110BYG550B-SAKRMA-0301或110BYG550B-SAKRMT-0301或110BYG550B-BAKRMT-0301，步进电机具有高扭矩，低振动，综合性能好。下图显示110BYG550B-SAKRMA-0301步进电机的扭矩-频率特性及相关技术参数。驱动模式：升压升压;步角：0.36°;步进角0.36，由于腰轮齿数比为1：120，步进电机减速并传递到旋转轴。旋转轴的实际步距角为电机实际步距角的1/120（理论上），虽然实际存在间隙和齿轮传动非线性误差，但实际旋转轴的最小步距角仍然很大体积小，精度高，完全可以满足机器人搬运的定位精度要求。图3-2所选电机相关参数图3-3110BYG550B-SAKRMA-0301步进电机的矩频特性曲线

第四章控制系统的设计4.1可编程控制器PLC4.1.1PLC简介自从20世纪60年代美国引入可编程逻辑控制器（PLC）以取代传统的继电器控制设备以来，PLC得到了迅速发展并在世界各地广泛使用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术，信号处理技术和控制技术网络技术的不断发展以及用户需求的不断提高，PLC在交换处理的基础上增加了模拟处理和运动控制功能。4.1.2PLC内部结构PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。如图4.1所示，PLC硬件的基本结构图所示：编程器中央处理单元编程器中央处理单元（CPU）输入电路输出电路系统程序存储区用户程序存储区电源图4.1PLC硬件的基本结构图4.1.3PLC工作原理可编程控制器有两种基本运行状态，RUN状态和STOP状态。在运行状态下，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。为了使可编程控制器的输出能够随时响应可能随时改变的输入信号，用户程序不仅可以执行一次，而且可以重复执行，直到可编程控制器停止或切换到STOP操作状态。除了执行用户程序之外，程序控制器可以如上所述在每个循环的处理中完成，并且内部处理，通信处理等可以在一个循环中被分成5个阶段。可编程控制器的循环操作模式称为扫描操作模式。由于计算机执行指令的速度，似乎从外部输入和输出关系同时完成处理。联合阶段在内部处理。可编程控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，复位看门狗定时器，并执行其他一些内部工作。在通信服务阶段，可编程控制器与其他具有微处理器的智能设备进行通信，并根据程序员输入的命令更新程序员的显示。当可编程控制器处于停止状态时，仅执行上述操作。当可编程控制器处于（运行）状态时，其他三个阶段的操作完成。在可编程控制器的存储器中，设定区域以存储输入信号和输出信号的状态，分别称为输入图像寄存器和输出图像寄存器。可编程控制器的梯形图中的其他可编程元件也具有对应的图像存储区域，其被统称为分量图像寄存器。在输入处理阶段，可编程控制器将所有外部输入电路的ON/OFF状态读入输入寄存器。当外部输入触点电路开启时，对应的输入图像寄存器处于“1”状态。梯形图中相应输入继电器的常开触点断开，常闭触点打开。外部输入触点电路断开，对应的输入图像寄存器为“0”。梯形图中相应输入继电器的常开触点断开，常闭触点闭合。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态改变，输入影子寄存器的状态也不会改变。输入信号变化的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段读取。可编程控制器的用户程序由多个指令组成，并且指令按照步骤号的顺序排列在存储器中。当没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始逐个执行用户程序直到用户程序结束。当执行该指令时，从输入图像寄存器或其他分量图像寄存器读取编程部件的0/1状态，并根据该指令的要求执行相应的逻辑操作，并将操作结果写入相应的组件映像寄存器。因此，每个编程元素的影子寄存器（不包括输入影子寄存器）的内容随程序执行而变化。在输出处理阶段，CPU将输出影子寄存器的0/1状态传输到输出锁存器。当主体图输出继电器线圈“上电”时，对应的输出图像寄存器为“1”。信号经输出模块隔离放大后，继电器输出模块中相应硬件继电器的线圈通电，常开触点闭合，外部负载接通。如果梯形图中输出继电器线圈的相应输出映像寄存器关闭，则相应的输出映像寄存器处于“0”状态。经过输出处理阶段后，继电器输出模块中相应硬件继电器的线圈断电，常开触点断开，外部负载断电停止工作。当编程元件的相应图像寄存器处于“1”状态时，编程元件被调用为ON，并且当映射寄存器处于“0”状态时，编程元件被调用为OFF。扫描周期当PLC处于RUN操作状态时，执行图4.2所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，典型值为1到100毫秒。执行指令所需的时间与用户程序的长度，指令的类型以及CPU执行指令的速度有很大关系。当用户程序很长时，指令执行时间占扫描周期的很大一部分。但是，严格来说，扫描周期还包括自我诊断，通信等。如图4.2所示。第(N-1)个扫描周期第(N-1)个扫描周期输出刷新第(N+1)个扫描周期输入采样第N个扫描周期输入采样输出刷新用户程序执行图4.2PLC的扫描运行方式4.2PLC的选型4.2.1PLC的类型PLC根据结构分为两种类型：单片和模块化。根据应用环境分为两类：现场安装和控制室安装;根据CPU字长分为1位，4位，8位，16位，32位和64位。等待。从应用角度来看，通常可以选择控制功能或输入和输出点的数量。PLC的积分I/O点是固定的，所以用户对于小型控制系统的空间较小;模块化PLC提供了多种I/O卡或卡，因此用户可以合理选择和配置控制系统。I/O点数量多，功能扩展方便灵活。它通常用于大中型控制系统。4.2.2选择输入和输出模块输入和输出模块的选择应与应用要求一起考虑。例如，对于输入模块，应考虑应用要求，如信号电平，信号传输距离，信号隔离和信号供电模式。对于输出模块，应考虑输出模块的类型。一般而言，继电器输出模块具有价格低廉，工作电压范围宽，寿命短，响应时间长的特点;晶闸管输出模块适用于频繁开关和低电感功率因数。在负载场合，但价格更贵，过载能力差。输出模块还具有符合应用要求的直流输出，交流输出和模拟输出。4.2.3电源的选择PLC供电方面，除引入设备的同时引入PLC应根据产品规格要求进行设计和选型，一般PLC的供电设计应采用220VAC供电，符合国内电网电压。对于重要的应用，应使用不间断电源或稳压电源。为防止外部高压电源故障引入PLC，必须隔离输入和输出信号。4.2.4内存选择由于计算机集成芯片技术的发展，内存价格已经下降。因此，为保证应用工程的正常运行，一般需要PLC的内存容量，并根据256个I/O点选择至少8K个内存选项。当需要复杂的控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。4.2.5经济考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。在考虑经济因素时，应同时考虑可扩展性，可操作性和投入产出比等因素，并进行比较和考虑，最终选择更令人满意的产品。输入和输出点的数量直接影响价格。每个额外的输入和输出卡需要一定的成本增加。当点数增加到一定数值时，相应的内存容量，机架，主板等必须相应增加。因此，点数的增加会影响CPU，内存容量和控制功能范围的选择。应充分考虑选择，使整个控制系统具有更合理的性价比。综合上述原则机械手控制系统主机为三菱的FX2N-40MR。4.3机械手的工艺流程4.3.1工艺流程及要求机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降——夹紧工件——上升——右移——再下降——放松工件——再上升——左移八个动作，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，而夹紧、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。如图4.3所示。图4.3机械手的动作要求示意图为了满足生产要求，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。3.单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序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。4.3.2整体分析及布局操作系统有回原位程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图4.4图4.4机械手操作系统程序（1）回原位程序回原位程序如图4.5所示。用S10~S12作回零操作元件。应注意，当用S10~S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。图4.5回原位状态转移图（2）手动单步操作程序如图4.6所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。图4.6手动单步操作程序（3）自动操作程序自动操作状态转移见图4.7所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上