【《基于PLC的码垛机器人系统设计》13000字（论文）】

基于PLC的码垛机器人系统设计摘要经过查阅资料与市场调研发现码垛机器人存在很多应用空间，自此提出了利用PLC、伺服系统控制的小型码垛机器人的设计思路，而且能够广泛应用于第三产业领域里面。经由作者的设计能完成下列三个方面的目的：其一，完成码垛机器人机械结构撰写，分析几种典型的码垛机选出最优选，然后校验并计算码垛机主要零件的基本参数及功能能否满足要求；其二，完成码垛机器人利用PLC实现的控制系统设计，提出一种利用PLC实现系统软件设计的控制方式，与此同时详尽写出设计总体框架与程序的编写及说明。利用小型西门子系列PLC来对伺服电机进行控制，以保证在PLC输出高速脉冲和确定定位精度等方面都较为优秀，而且确保系统运行起来稳定更高、可维护性变得更加突出；其三，完成控制系统软件设计，从而完成监控码垛机的运行及出入库信息，通过硬件连接、系统程序编写等工作，准时的把信息反馈给系统软件中。希望经过本文的设计能为码垛机器人的研究和应用提供一些有用的价值。关键词：伺服控制，码垛机器人，PLC软件设计目录第一章 绪论 绪论1.1码垛机器人简介因为仓储物流行业发展前景非常好，自动化立体仓库在装配行业盛行起来，而且，码垛机器人跟自动化立体仓库基本配套应用。而且随着码垛技术的研究进一步加深，机器人劳动力不断代替人力劳动力，从一个角度来讲提高了劳动生产率，从另外一个角度来说自动化与智能化在第三产业领域发展的很好。因为21世纪的到来，科学技术发展速度极其之快，工业自动化技术提高了，随之而来人们应用码垛机器人技术也更加深入。码垛机器人技术不仅在食品行业、还在货物运输等行业得到青睐，人力劳动成本得到了控制的同时，还提高了生产效率。码垛机器人就是跟着原本规定的的的方式和顺序，仓格里面的的货物用机械手放到指定的地点，从而完成货物搬运工作。1.2国内外码垛机器人的发展现状1.2.1国外码垛机器人的发展现状上世纪50年代，世界上第一个机器人是由美国研发出来的。然后经由数十年的研究，工业自动化生产已熟练应用此机器人，经查最早使用码垛机器人的国家一个是日本，一个是瑞典，然而两者在应用和研发方面却呈现出截然不同结果。上世纪70年代，全世界的第一台工业机器人由ABB公司成功研制出，这也是码垛机器人研发的开始，此机器人主要能进行物体搬运、零件的安装或者卸载，之后一段时间里，随之而来的是日本投资大量资金研发这种类型的工业机器人，并且取得了一定的效果。又因为科学技术的日益发展，在各个领域都能见到码垛机器人技术的应用，欧美科技力量发达的国家和韩日之类都取得了突破性的发展，并对全世界范围内的市场开放。日本富士公司开发了一系列码垛机器人，这种码垛机码垛效率非常高，码垛效率高达2000次/h。上世纪70年代，德国库卡公司成功研发出了全世界范围内第一台能工作的六轴控制型码垛机，跟着下个世纪的到来，库卡公司不仅在工业机器人材料的生产效率上取得了巨大的提升，尤其是在力学性能、适应性上得到了很多提高。其实，国外在上世纪60年代就相继研发出了各种类型的工业机器人，因此码垛机器人的技术水平也得到了巨大的提升。20世纪70年代日本第一次实现了码垛机器人的应用，同时期，ABB公司研发的电控能力方面较为突出的工业机器人除了IRB6，还有其他各种类型。由于工业机器人里的码垛机器人的快速发展，货物的搬运和运输能力得到了提高。在码垛机器人方面，美国、日本、德国和瑞典在技术上拥有较高的话语权，这才导致了工业机器人主要分为日本和欧洲两大类别，现在日本在世界范围内比较有名的机器人公司为Yakawa、OTC、Fanuc和Okura等；欧洲派系则主要还是库卡和ABB两家公司的机器人比较有名。自从上世纪80年代来，全世界的码垛作业中都加入了更多的自动化技术，其应用效果非常好。尤其在生产这个行业中，德国和日本其实已经非常普遍的用码垛机器人人力劳动。在那个时候，四轴空间关节式应用的更加宽泛。机器人的主体结构分为三个部分：一是机架；二是控制系统柜；三是末端执行机械手。其机械结构由架、臂、腕等结构构成，其机械结构主体材料多采用铸铁和铸铝。科技研发人员用绘图软件和有限元分析技术，对机器人本体机械结构进行了优化设计，提高机器人机架的抗震性能和机械手力学性能。根据物体的差异性，机器人末端执行机构可以针对性进行搬运。机器人通常通过PC开放式进行控制，这一点可以确保机器人能够稳定地、灵活地和准确地运行。就现在情况而言，由ABB公司设计制造的IRB机器人能够一边实时的监控其工作状态的软件，一边协调加速度、阻力、重力和惯性。除此之外，这款软件还能精确的控制机器人按照预定的轨迹运动，也能够通过传感器检测出机器人的实时负载。现在，大多数工厂都使用IRB660型机器人，其最大抓取质量达到了250KG，工作范围超过了3m，并且一台机器可以同时控制4条生产线。所以码垛机器人在食品搬运及加工等工作相当受欢迎，这种机器人是利用上臂连杆机构获得了非常好的手腕运动性能。而且在Palle软件中可以主动提供程序给工作参考。1.2.2国内码垛机器人的发展现状中国从20世纪70年代开始研发工业机器人，但是因为经济落后再加上技术水平相对欧美发达国家水平来说较为低下，所以机器人的研发不够深入，但由于有市场需求推动助力，码垛机器人的研发水平在20世纪80年代有了不错的提升，码垛机器人的应用在中国也逐渐普遍。因为我国机器人技术相比较欧美发达国家来说开始研发较晚，加上20世纪70年代以后码垛机器人技术的学习较差，再加上当时社会动荡不安的影响，中国工业机器人技术的发展与推广都受到了很大的影响，科研力量不足。在市场需求和相关国家政策的驱动下，1975年期间，我国决定加大工业机器人技术的研究力度并且开展相关控制码垛机器人应用研究，最后不管是在技术水平方面，还是在应用研究方面都取得了很大成就，码垛机器人实现了从无到有的伟大进展。紧接着新世纪到来，机器人技术在我国的焊接、切割、装配、搬运行业得到了充分的应用，这又促进了机器人研发技术发展。就现状而言，哈尔滨工业大学以及上海交通大学两家机器人研发技术上成体系化，突出的几家工业机器人企业代表有哈尔滨博时、沈阳新松、首钢摩托曼等公司。在码垛机器人的技术研发方面，我国得到了较为明显的进步，当下，码垛机器人的机构越来越多种多样。其中直角坐标系和关节机构较为典型，都是码垛机器人的典型结构，其中又因为关节机器人动作灵活能力突出，实现的功能更加复杂多样化，得到了更多企业的青睐。哈尔滨工业大学研发出了一种基于两自由度笛卡尔坐标系和装配机的码垛机器人，之后又在装配生产线上进行应用并且可以一次抓取多个货物，它的工作效率提升了很多，平均速度达到了800次/h。哈尔滨工业大学在2004年研发出一条基于码垛技术的自动化生产线，这条生产线创意十足，定位和操作精度较高。上海交通大学携手沃迪包装公司一起研发出了TPR系列码垛机器人。这个系列的机器人均采用平面四连杆机构，并且由PC机控制，可以运动模拟仿真。该机器人运送货物能力得到了提高，速度可以达到1600包/h。随着21世纪的来临，中国的码垛机器人技术更进一步，尤其是在机械手材料的方面突破巨大，可以使单位体积的铝合金材料的质量更低。沈阳新松及其自动化公司是我国非常重要的工业机器人技术研发基地，这些年来在机器人技术研发方面取得长足的进步，不管是在控制技术、还是在本体设计和研发方面都取得了巨大的成就和提升。当下，沈阳新松及其自动化公司生产的机器人在弧焊、搬运、切割、注塑、铸造等行业非常受欢迎，且其投入生产后的效果也颇为理想。再者，曾经也有很多科研人员做过系统地研究。徐玲于2013年研发出了一种四自由度码垛机器人，基于平衡吊车原理设计了连杆机构。解决了基于PC控制和PMAC的分布式控制难题。刘光良于2011年研发出了SCARA工业机器人，该机器人特点是可以用水平关节本体机械结构和PC-DSP控制器完成多轴控制。徐辉于2013年研发出了基于距离精度完成控制的工业机器人模型。终上所述，我国在码垛机器人技术上不断挑战，取得诸多成就，可是我国码垛机器人技术发展相对欧美发达国家来说较晚，与发达国家技术方面还存在比较大差距。1.3选题意义随着码垛机器人技术的愈加成熟且劳动力成本愈来愈高。码垛机器人的使用不仅可以降低劳动力成本而且还可以进一步提高生产效率。为了跟上经济化市场的需求，我们需要更加自动化的码垛机器人技术，小型码垛机器人技术的成型将在往后一段时间内成为发展的瓶颈。于此，本文提出了一种小型直角坐标码垛机器人设计，该机器人分为X、Y、Z三个水平轴和R轴旋转轴。主要用于抓取重量较轻且形状规则的箱式货物，希望进一步将这种自动化码垛机器人技术带到小仓库服务行业，以实现人力资源的解放。1.4实现功能简述下面是设计的相关要求。（1）码垛机器人总重不大于200千克，机械抓手抓取物体每箱重量不大于13KG，该机械手一次能搬运两箱并且货物总重量不大于26KG；（2）X、Y、Z三个坐标轴行程分别是2000mm、400mm、800mm，R轴角度旋转范围是-100°至+100°；（3）三个水平运动轴的最大速度为15m/min，旋转轴最大速度为25°/s，定位精度为±0.9mm。（4）要求可以实现基本的运动包括水平行走、垂直升降、存取货物等；（5）机械结构要合理，定位准确，可靠性高，传动方式尽量简单，便于对其控制，同时具有较高的稳定性。第二章码垛机器人整体机械结构设计2.1码垛机器人整体机械结构设计机构简图如图2.1：图2.1机械结构简图如图2.1所示该堆垛机器人的线性表分别为x轴、y轴和z轴。转台为r轴。整个机构用螺栓固定在底架上，四个工作台相互配合完成货物进出。x轴和y轴的结构基本相同，传动是以滚珠丝杠为基础的，但行程不同。由于z轴承载能力不高，考虑成本，通过y轴进行。直角坐标机器人的结构在工业上有着广泛的应用。r轴安装在y轴上，通过蜗杆实现水平旋转。在传统堆垛机的基础上，本文设计的堆垛机器人具有以下特点:首先，直角坐标的设计可以节省空间，具有理想的经济效益;其次，滚珠丝杠传动和直线导轨支撑既能保证刚度要求，又具有良好的定位精度;最后，货叉伸缩运动是在立柱的底部。随着机器人重心的减小，系统的稳定性得到了更好的保证。2.2码垛机器人机械抓手设计下面分析夹紧物体需要的最小的力，受力分析如图2-2图2-2机械手受力分析结合力平衡方程可得：FNF1=FF求解根据本文的设计要求，物体的最大重量为26kg，重力为260n，因此夹紧力至少应大于130N。根据上述受力分析，F3=370N也可以求解。本文采用双气缸进行设计，因此每个气缸必须提供大于185n的力。考虑到压缩空气压力一般为0.8MPa，气缸最小直径为D2.3码垛机器人丝杠螺母副的设计x，y，z作水平运动的三轴的丝杠螺母副都要进行计算并使用。其中由于x轴，y轴丝杠螺母副运动方式和在一个平面上的特性决定了x，y轴可以使用同一种丝杠螺母副，但因为z轴做的是上下运动，所以必须要单独计算和校验。2.3.1.Z轴滚珠丝杠螺母副计算（1）最大工作载荷Fm根据z轴机械结构可知，z轴其他方向不承受任何载荷。只有一个来自于z轴驱动方向的载荷。其构成主要包括机械抓手，z轴旋转轴及其螺母、连接座。根据机械结构来看这部分重量不大于800N，得出Fz=800N。取丝杆螺母副的倾覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数取为μ=0.005。计算得最大工作载荷Fm（2）滚珠丝杆螺母座上最大动载荷FQ的计算

z轴最大行程速度可达V=800mm/s。我们取丝杠的导程为Ph=5mm，之后计算丝杠的最大速度n=vPh=500r/s=3000r/min。取滚珠丝杠螺母副的使用寿命T=15000h，代入计算公式L0=60nT/（2-3）螺母座二维图如图2-3所示，，图2-3螺母座(3)丝杆螺母副型号的选择

据此计算了丝杠的最大动载荷和初始导程。选择由济宁博特精密丝杠制造有限公司制造的GD系列4005-4滚珠丝杠副，引线Ph=5mm，公称直径40mm。选择的滚珠丝杠副为双螺母式内循环固定换向器，它的循环球为4圈×2系列，精度等级能取到5级，额定动载荷为15307N，其参数远大于按上述公式计算出的（4）所选丝杆螺母副传动效率η的计算

依据上面计算得出公称导程Ph=5mm，直径d0=40mm，代入公式中，计算得出丝杠螺旋升角为。将查资料得出的导轨摩擦角和计算得出的丝杠螺旋升角，代入公式中，得出传动效率为。

（5）滚动丝杆螺母刚度的验算

1）z轴丝杠上端由角接触推力球轴承固定，z轴丝杠下端由角接触推力球轴承固定。通过计算可得上、下支座中心距离为a=1700mm;通过计算可得钢的弹性模量为ES=2.1×105Mpa;查资料得出丝杠的底径为d2=36.2mm，直径为。据此可以计算出丝杠的截面积为。然后计算工作荷载（2-4）

2)根据计算公式，可得单圆球数为;球的转数×柱数为4×2，可计算出总球数。丝杠预紧时，通过计算可得轴向预紧力，球与螺纹滚道之间的接触变形量经查资料得出。3)用上面计算的总和代进公式中则可以算出丝杠的总变形量。查资料得丝杠总变形量，因为计算得出5级精密滚珠丝杠的有效行程在，在这个时候行程偏差可达65m，远超本文的丝杠钢度要求，满足校验要求。Z轴联接座二维图如图2-4所示图2-4Z轴联接座(6)滚珠丝杆螺母副的压杆稳定性校核

失稳临界荷载Fk经查资料可以得出。取其支承系数；根据计算结果丝杠底径，就可以推出截面惯性矩为；在丝杆垂直安装的情况下，取压杆稳定安全系数为K=2.5；查资料得出滚动螺母到轴向固定处的距离应为，则可以得出临界载荷为，比工作载荷大大得多，所以此丝杠并不会出现失稳这种情况。根据上面的计算和论证，这里所选择的GD系列4005-4型滚珠丝杠副满足校核要求。2.3.2.X轴和Y轴滚珠丝杠螺母副计算选型需要指出的是，两个水平运动的轴和z轴可以选择相同规格的滚珠丝杠螺母副，我们可以通过对x轴进行受力分析来研究其机械结构，z轴的计算方法在可以拿来套用。丝杆螺母最大工作载荷Fm假设机械抓手抓住他能承受的最大重量，码垛机器人又以它的最快速度运行，这个时候它只承受垂直于工作台的载荷FZ=1500N。这里估计运动部件的总重量不超过G=2000N，取K=1.1，μ=0.005Fm（2）滚动丝杆螺母副的最大动载荷FQ在x轴运行时，最大行程速度也可以达到v=1000mm/s，丝杠的导程经查资料取Ph=5mm，推出丝杠的寿命系数为L0=2700(10（2-6）（3）型号选择

根据上面的论证得出的最大动载荷和螺钉,以及长轴螺旋,这些部件承受的载荷一大半全是径向载荷,为了使其正常运行,这里选择大直径螺杆,和GD系列2005−3滚珠丝杆副由济宁补偿精密螺丝制造有限公司可选择具有相同z轴的有限公司。选择的螺杆额定动载荷经查为15307N，其强度超过FQ很多，满足校核要求。经过上面的验算可以确定刚度校核和压杆稳定性校核都符合要求，所选滚珠丝杠副能满足刚度需求。2.4x轴和y轴直线滚动导轨副的选型（1）确定滑块的工作载荷以及导轨的选型工作载荷会直接影响到直线滚动导轨的使用寿命。x轴和y轴是同一水平面上的。其中y轴的机械结构是四个滑块和双导轨组成的，而x轴用的则是左右各一个导轨模块，而每个模块都是有四个滑块和双导轨组成的。y轴的运动和x轴相仿，这样两根轴用相同的导轨副就行，但是其中又因为x轴承受的载荷最大，所以选择x轴来进行计算。运行时，滑块在工作时有可能会承受垂直于工作平台的垂直载荷，将这样极端的情况单独计算以确保滑块强度足够。这样可以得出单个滑块上的最大垂直载荷为：（2-7）

估算运动部件的质量为G=2000N，外载荷Fmax=2000N，最大工作载荷由式代入(2-7)即可得到。经查资料得直线滚动导轨副的型号选择为KL系列JSA−LG35、查阅该型号的导轨副的参数可得到滚动导轨副的额定静载荷C0a=47.2KN和额定动载荷Ca=35.1KN。经查阅资料取导轨长度为2200mm。

（2）计算额定寿命紧接着计算使用寿命，计算公式如2-8所示：（2-8）得出的结果明显超过我们的期望值50km很多，经过上面的校验可得选择的导轨副符合设计要求，实物图如下图2.5所示。图2.5导轨副实物图2.5轴承的选用2.5.1Z旋转轴轴承的选用选择单向推力球轴承的原因是z旋转轴从始至终只受轴向力载荷，其轴向等效动载荷Pa=Fa，Fa为轴承所能承受的最大轴向力。根据设计任务书可以知道又因为机械抓手与物体的最大重量必须小于36kg，思考得出z轴向等效动载荷Pa=3102.5.2Z轴滚珠丝杠推力球轴承的选型又因为螺杆跟z轴旋转轴一样之只受向力载荷。所以，选择自然也和z轴旋转轴一样。其轴向等效动载荷Pa=Fa,Fa是轴承的最大轴向力。假设滚珠丝杠的最大动载荷可以采用，则得出轴向等效动载荷其滚动轴承额定寿命为L10===6.3×106r（2-9）其滚动轴承额定寿命为L10===3869893×106r（2-10）2.6锥齿轮的选型锥齿轮的初定电机最大输出转矩为12.2N·M，最高转速为12000r/min，平均转速为6000r/min，工作寿命15年。1）斜齿轮z1和z2的规格一样，传动比为1:1；2）选取齿轮齿数为Z=40；3）本次设计的码垛机器人工作速度和功率都不怎么高，选用6级精度；4）选择材料为40Cr，调质处理，硬度HBS=241~286。（2）按齿面接触疲劳强度计算：1）以大端参数为标准值。初始齿宽系数，取载荷系数，节锥角取δ=45o，HBS=260，经查阅资料得σHlim=539Mpa。2）查阅资料可得齿轮区域系数ZH=2.53）选取接触疲劳强度寿命系数。取安全系数为S=1.0计算应力循环次数N=60n1经查阅资料，得KHN=1。4)计算接触疲劳许用应力许用接触应力为：[σH]=KHNδlim/S=539Mpa（2-12）5）按齿面接触强度设计传动（2-13）齿轮模数（3）按齿根弯曲疲劳强度计算：对齿轮取HBS=260，按线性插值得弯曲疲劳极限为（2-14）许用应力：经查阅资料，得YFa=2.77（2-15）（2-16）（2-17）（4）综上所述，应取模数较大值m=2（5）齿数参数的计算齿轮的当量齿数（2-18）分度圆直径d=Zm=40×2=80mm齿宽，圆整取b=17mm（6）锥齿轮设计结论从动齿轮参数一样，齿数为Z=40，模量为m=2mm，斜角为δ=45°，齿宽为锥齿轮二维图如图2-6所示图2-6锥齿轮2.7总体支架的受力分析因为机器人的主要载荷是由导轨底座承担的，所以这里需要针对性地对x，y轴的导轨底座进行强度分析。（1）y轴的强度分析导向底座的材料为铸铁。y轴有两个导向底座。总最大垂直载荷约为3000N，所以单个导向底座承受的最大垂直载荷约为1500N。计算方法采用分析极端情况：当y轴向中间移动时，就可以得到某一截面内的最大拉应力。同理也可以得到最大拉应力。已知导轨底座铸铁梁的载荷和截面尺寸等数据，铸铁的许用拉应力[σt]=30MPa，许用压应力[σc]=160MPa。已知截面对质心轴X的转动惯量为Ix=144.2400×104mm4，[y1]=31mm。根据平衡方程，计算梁的受力为F1=0.75KN最大的载荷应在中间的截面，此截面的弯矩为M1=1.5×0.9=1.35kN•m，拉应力求得：（2-19）根据上面的计算方法也可以得出计算得出结论最大压应力没有超过许用应力的结论，强度条件满足校核需要。x轴的强度分析根据上面详细的计算过程可以得出x轴导轨的最大拉和压应力没有大于许用应力，强度条件满足检核需要。2.8码垛机器人三维图码垛机器人三维图如图2.8所示：图2.8码垛机器人三维图第一部分是机架。立柱、天轨、地轨等结构组成了码垛机器人的支撑机构其中地轨的主要是负责支撑立柱的运行，天轨的主要负责的功能是保证框架的垂直性。第二部分是行走机构，它位于堆垛机的底架上，主要用于堆垛机的行走。为了方便行走，底盘装有承重轮，由电机控制起停。同时，底部的传感器可以识别和定位。同样，在顶部有水平的轮子用于引导。第三部分是提升机构。立柱两侧的导轨可用于装载平台的直线提升运动。提升功能是通过滚筒、链轮和电机的驱动来实现的。需要指出的是，该机构是由柔性部件驱动的，因此在重力下降时效率较低。因此，自锁是不安全的，所以通常要加一个特殊的制动装置。第四部分是存取机构，称为货叉。通常这部分安装在装载平台上，进入时需要根据缩回、提升等动作的协调。考虑到仓库的特点，叉通常是左右缩回的，所以通常采用机架构成线性差动机构。同时立柱移动时，拨叉必须缩回，工作效率低。第三章码垛机器人控制系统设计3.1控制系统设计框架PLCPLCX轴伺服电机伺服驱动器X轴伺服电机伺服驱动器机械手Y轴伺服电机伺服驱动器人机交互界面机械手Y轴伺服电机伺服驱动器人机交互界面Z轴伺服电机伺服驱动器Z轴伺服电机伺服驱动器U轴伺服电机伺服驱动器U轴伺服电机伺服驱动器货物检测接近开货物检测接近开关原点限位开关原点限位开关光电对射传感器光电对射传感器图3.1控制系统设计框架示意图码垛机器人工作流程为：第一步按下启动之后系统初始化，系统开始等待运行的指令，如果按下复位按钮，所有轴全部回到机械参考点位置等待新的指令。第二步在当货物在入库端被检测到后，触发带式输送机的光电传感器，伺服电机向前转动，将货物运送到出库端。第三步在货物传输过程中通过PLC将其转换为脉冲坐标传递给机器人。当第四步货物到达预设位置时，触发对射光电传感器停止电机的运行，码垛机器人在这个时候也开始搬运。第五步码垛机器人根据预设的程序，以给定的速度和路线将货物移动到预设的位置。除了上述表述之外，本文还使用了限位报警在日常工作的安全性能，可以使各个轴不会超出行程从而造成安全事故。3.2码垛机器人控制系统关键硬件选型3.2.1PLC选型众所周知，与传统的继电器控制系统相比，PLC具有以下优点:一是安装方便，具有更好的抗电磁干扰能力;二是，PLC的编程比较通俗易懂，只要简单的注释就可以使使用者看懂程序。这里选择SIMATICS7-200，CPU224XP，该小型PLC能够满足本文设计需求。文中选择的PLC具有以下几个方面的特点：（1）CPU224XP有6个高速计数器，不仅有复位输入而且还可编程，2个独立的输入端可以同时加减法计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器；（2）CPU224XP拥有2路高频率脉冲输出，其中最大输出脉冲为20KHZ，用于控制步进电进或伺服电机实现定位功能；（3）此款PLC具有极高的可靠性、极丰富的指令集。易于学习及掌握、其便捷的操作也可以让操作者更快上手、它还拥有丰富的内置集成功能和扩展模块；文中需要的伺服电机数目达到4个，所以脉冲的输出类型为四轴，S7-200只能接两个伺服电机因此增加两个定位模块EM253，3.2.2伺服电机选型伺服电机工作原理：定子结构:交流伺服电机定子由三相绕组线圈和定子硅钢体组成。定子的结构与普通异步电动机基本相同。当三相交流电流作用于三相绕组时，形成旋转磁场。其工作原理与普通电机相同转子结构:交流伺服电机为永磁体。定子所产生的旋转磁场总是吸引了转子的磁极和驱动转子一起旋转,因此定子磁场的轴行保持同步的轴心线转子磁场,转子和定子磁场同步旋转。编码器结构:编码器安装在伺服电机的转轴上，编码器盘随伺服电机的转动而转动。伺服编码器是一种光电编码器，伺服电机的精度取决于编码器分辨率的精度。当电机旋转时，编码器输出脉冲反馈到伺服驱动器形成闭环控制。编码器的工作原理:玻璃码盘随着电机轴的转动使光线在明暗之间变化，由光敏元件接收，经放大整形电路转换成脉冲输出信号。A相和B相两组条纹产生的脉冲信号产值相差90个相位，用于识别电动机的旋转方向。只有一个z相条纹，电机每转产生一个脉冲。它被称为零标志信号或一次转向信号。经过查阅资料和研究，本文选择富士FALDIC-W系列交流小惯量伺服电机GYS401DC2-T2C，其实物图如图3.3所示，相关性能参数为：额定转速3000r/min、额定转矩1.27N.m、最大转矩为3.82N.m、额定功率0.4kw、额定电流2.7A、惯性0.246*10−4kg/m图3.2伺服电机GYS401DC2-T2C17位高分辨率131072脉冲编码器保证了控制精度，通信接口使用2个了RS-485，考虑到惯性和转矩可能不匹配，所以计算校核方式为：首先是进行惯性校核，核算公式为3-1，J<10JD（J代表负载惯性力矩大小，JD代表伺服电机惯性矩大小（0.246*10−4kg/其次是移动平台载荷重惯性矩J1核算方式为3J1=M1(t2π)t代表滚珠丝杠螺距，M1代表移动平台载重质量，计算可得J1=1.26*10−4再次滚珠丝杠惯性矩J2J2=M2D0M2代表滚珠丝杠质量（2kg），D0代表滚珠丝杠公称直径（0.02m）计算可得J2=1.0*10−4又因为公式（3-4），J=J1+J2经上面可得J=2.26*10−4kg/m2满足要求。转矩校核方式为T>T>Trms（TmaxT代表伺服电机额定转矩（1.27Nm），Tf代表系统平稳运行转矩大小，Trms代表系统时效转矩大小，Tmax代表伺服电机最大转矩（3.82Nm），Ta代表系统加速运行转矩大小，Tf主要为了克服系统摩擦，计算方式为3-6，Tf=M1代表移动平台及载重质量（26kg），t代表滚珠丝杠螺距（0.01m），表示机械效率（0.9），计算可得Tf=0.17Nm。负载加速运行转矩Ta计算方式如3-7，Ta=2πnJ60ηtan代表伺服电机额定转速（3000r/min），J代表负载惯性（2.26*10−4kg/m2），ta代表系统加速运行时间，计算可得Ta=0.39Nm，基于3-8可得可以算得Ta=0.56Nm，TTbTc=Ta−Trms计算如下3Trms=Ta2ta其中，tb代表系统匀速运行时间（1.6s），tc代表系统减速运行时间（0.2s），计算可得3.2.3传感器选型接近开关选择欧姆龙/OMRONE2B-M30KN20-WZ-C12M，此接近开关有振荡器、开关电路及放大输出电路三大部分组成。额定电压为24V，额定电流为1.5A；限位开关选择欧姆龙系列中的D4V-8107Z，限位开关一般利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的，机械允许操作频率为120次/min，电气为30次/min，额定频率为50/60HZ；光电开关选择中国沪工集团E3F1-3DN1.3L型传感器，通过使用光发射器(通常是红外光发射器)和光电接收器来探测物体的距离以及物体是否存在，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，检测距离3m，外形如图3.3，3.4，3.5所示。图3.3欧姆龙/OMRONE2B-M30KN20-WZ-C12M接近开关图3.4欧姆龙限位开关D4V-8107Z图3.5中国沪工集团E3F-SDYI-SLY型传感器3.2.4伺服驱动器选型脉冲当量∆M不是用公式计算出来的,而是根据定位精度或加工精度的要求，除以10确定出来的。例如:要求定位或加工精度为0.01mm,则为保证定位加工精度,脉冲当量应确定为0.01/10=0.001mm。电子齿轮比的计算公式:

a.脉冲当量:∆M=L/E×1/R×D;b.工作台移动距离:

M=∆M×p;

c.伺服电机的转速:

n=(F×60)/E×D

式中:∆M脉冲当量，指令输入一个脉冲，工作台移动的距离。

L-滚动丝杆的螺距（转盘L=360︒)

E-编码器的分辨率，即电机转动一周发出的脉冲数;R-减速器的速比;D-电子齿轮比;

F-指令脉冲的频率;

P-PLC输出的脉冲数值;根据任务书可得，定位精度为0.9mm，脉冲当量∆M=0.9/10=0.09mm。工作台移动距离M=∆M*P,其中P为PLC输出的脉冲数值。可得X轴PLC输出脉冲值为2000，Y轴为400，Z轴为800。伺服驱动器设置为位置控制方式时,须设置电子齿轮比。在速度控制和转矩控制方式时,不需要设置电子齿轮比参数。电子齿轮比就是一个系数,将指令输入脉冲的频率值和脉冲值放大或缩小，转换成输入脉冲信号与编码器反馈脉冲信号相匹配。产生偏差脉冲信号，再经伺服放大器驱动伺服电机运行。电子齿轮比的工作示意图如图3.7所示图3.6电子齿轮比工作示意图设置电子齿轮比的不同目的a.确定上位机控制器(PLC)

输出的脉冲数量,保证定位精度或加工精度。其次再考虑工作台的进给速度;

b.确定旋转转盘的转动角度的精度。

c.确定伺服电机能达到最高转速的目的,不考虑脉冲数的多少。选择富士FALDIC-W系列交流小惯量伺服驱动器GYS401DC2-T2C，实现了低速平稳的运行，标准配备131072脉冲的高分辨率编码器:采用了高分辨率编码器使旋转更加稳定,实现了平稳的机械运行大限度抑制机械振动(的减振控制功能)为解决机器人手臂前端等的振动问题，标准配备减振控制功能:可以减少低刚性机械的振动。上位控制器可以一体化管理伺服放大器的参数。实物如图2.8所示。图3.7伺服驱动器GYS401DC2-T2C实物图3.2.5硬件连接图及IO表图3.8硬件连接图由于S7-200CPU224XP本体只能接两路脉冲输出，所以需要加EM253定位模块，又因为Z轴和R轴脉冲输出接在EM253上且这两根轴并不是同时工作的，所以每根轴的脉冲口和方向口每个都需要两个。经查阅资料EM253定位模块端子名称如下：RPS是机械参考点位置输入，建立绝对运动模式下的机械参考点位置;LMT+是“+方向”运动的硬件极限位置开关，LMT-是“-方向”运动的硬件极限位置开关。图3.9主电路图IO表如下表所示：输入输出启动I0.0X轴脉冲Q0.0停止I0.1Y轴脉冲Q0.1原点I0.2X轴方向Q0.2X轴正向I0.3Y轴方向Q0.3X轴负向I0.4运动指示Q0.4X轴原点I0.5Z轴脉冲P0-,P0+Y轴正向I0.6R轴脉冲P0-,P0+Y轴负向I0.7Z轴方向P1-，P1+Y轴原点I0.8R轴方向P1-，P1+Z轴正向I1.0Z轴负向I1.1R轴正向I1.2R轴负向I1.33.3码垛机器人控制系统软件设计3.3.1程序流程图绘制程序流程图能够是为了编写程序做的准备工作，这样可以使编写出来的程序更加简明实用根据上面的IO表和硬件连接图可以得到下面的流程图。图3.10系统运行流程图上图3.9比较清楚地说明了程序的基本流向。第一步按下启动之后系统初始化，系统开始等待运行的指令，如果按下复位按钮，所有轴全部回到机械参考点位置等待新的指令。第二步在当货物在入库端被检测到后，触发带式输送机的光电传感器，伺服电机向前转动，将货物运送到出库端。第三步在货物传输过程中通过PLC将其转换为脉冲坐标传递给机器人。当第四步货物到达预设位置时，触发对射光电传感器停止电机的运行，码垛机器人在这个时候也开始搬运。第五步码垛机器人根据预设的程序，以给定的速度和路线将货物移动到预设的位置。除了上述表述之外，本文还使用了限位报警在日常工作的安全性能，可以使各个轴不会超出行程从而造成安全事故。3.3.2程序设计SM0.0接通，进入第一层控制。SM0.0接通，脉冲计算开始。SM0.0接通，进入第二层控制。滚轴丝杠伺服电机运行一周走到5mm，伺服电机脉冲10000r/m，r周旋转角度，单位脉冲1mm，2000r/m坐标计算X，Y轴初始化Z轴初始化程序动作开始抓取抓取3s开始码垛行走至x1，y1x1行走行走至x1行走至y1到位后延迟1s放货第一个位置完成回位Z轴初始化程序动作开始抓取抓取3s开始码垛行走至x1，y1x1行走R轴旋转90角度行走至x1，y1到位后延迟1s放货第一个位置完成回位码垛完成第四章人机界面设计4.1触摸屏选型触摸屏可以控制PLC使得整个系统结构变得非常简单，易于操作这更容易做到。通过