说明书-物料搬运机器人机构的改进和机械手的设计.docx
物料搬运机器人机构的改进和机械手的设计含4张CAD图
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物料搬运机器人机构的改进和机械手的设计摘 要本文旨在废物利用，用原始的报废焊接机器人改装成一台具有四自由度的工业搬运式机器人，用于工厂瓶装饮品包装。本次设计的重点就是将焊接机器人执行末端的焊枪改装成夹取物体的机械手，其次就是控制系统的的设计，本次我们采用的是学到的PLC编程方法，本次设计的难点就是焊接机器人由原来的点动改成现在的两点移动式。首先，本文开始就是对机器人的大臂、小臂尺寸材料的选择与计算以及机械手的结构，选材的设计，底座形状材料的设计。其次是选择合适的传动方式，在此我选择连杆来代替原来的丝杆传动，这样原来的点动式就可以改为两点式移动。然后是驱动方式的选择，这里我选择的是和原始焊接机器人一样的电机驱动，因为这样可以节省在此选择电机一些繁琐相关的计算，这样我们只需为手爪处选择合适的电机即可。在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，控制系统我们能采用的是PLC控制系统，这种控制不需要大量的活动元件和连线电子元件。与此同时，系统的维修简单，维修时间短。其次就是这种控制系统易于编程，复杂程度较低。关键词：机器人；编程；抓取ABSTRACTThe purpose of this paper is to use waste materials to transform the original scrap welding robot into a four-degree-of-freedom industrial transfer robot for conveying materials to stamping equipment. The focus of this design is to perform at the end of the welding torch welding robot into clip manipulator of the object, followed by the design of the control system, this is we learn the PLC programming method, the difficulties of this design is from the First of all, this paper starts with the selection and calculation of the size materials of the robots big arms and small arms, as well as the structure of the robot hand, the design of material selection and the design of base shape materials. Secondly, I choose the appropriate transmission mode. Here, I choose the connecting rod to replace the original screw drive, so that the original point drive can be changed to two-point movement. Then drive mode choice, I choose here is like original welding robot motor drive, because it can save some trival in this choice motor related calculation, so we only need to hand in choosing the right motor. On this basis, the control system of the robot will be designed in this paper. The control system we can adopt is PLC control system. Its less wired to play. Meanwhile, the maintenance of the system is simple and short. Second, the control system is easy to program and less complex.KEY WORDS: Robot；Playback；Knead take 目录第1章 绪论11.1 机器人概述11.2 机器人的历史、现状31.3 机器人发展趋势51.4 课题的主要内容5第2章 焊接机器人的改造62.1 工作原理62.2 自由度62.3 臂部改进62.4 机座改进72.5 传动机构72.6 驱动机构7第3章 机械手的设计83.1 机械手的工作原理83.2 机械手基本形式的选择83.3 手臂83.4 基座93.5 机械手手部设计103.5.1 设计时考虑的几个问题103.5.2 手部结构103.5.3 手指的形状和分类103.5.4 设计技术参数113.5.5 材料选取123.5.6 丝杠123.6 驱动机构12第4章 PLC控制系统144.1 PLC简介144.2 PLC选择154.3 PLC内部原理图164.4 机械手的控制面板和动作164.5 控制方式174.5.2 输入/输出电路板194.6 操作步骤214.7 手动控制22第5章 总结与展望245.1 所完成的工作245.2 设计经验245.3 误差分析245.4 可以继续探索的方向255.5 未来的展望25参考文献26致谢27 第1章 绪论1.1 机器人概述 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。图1-1 机器人的组成对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。图1-2 机器人各组成部分之间的关系1.2 机器人的历史、现状 机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。 第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。 在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：（1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。（2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。1.3 机器人发展趋势 制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： （1）提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； （2）开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；（3）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。1.4 课题的主要内容本课题的主要内容分为五章：第一章 绪论部分阐述机器人的相关应用领域及其国内外发展史，并展望机器人的发展趋势；第二章 焊接机器人原理的介绍，以及基座，传动机构，驱动机构的改造，以及有些部分的保留。第四章 机械手的设计，详细介绍了基座，臂部，驱动方式，传动方式的重新设计，有关的理论计算，电机的选择，着重设计了手爪部分的形状，材料，等设计参数。第五章 总结了设计的不足，和以后的展望。 - 5 -吕梁学院本科毕业设计第2章 焊接机器人的改造该设计利用现有已经报废的焊接机器人，改造设计成一台物料搬运机器人，用于工厂瓶装饮品的包装加工，焊接机器人的组成机构如图2-1所示；2-1 焊接机器本设计结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。重点就是焊接机器人点动如何改进成移动式，以及执行末端的改进，最后就是控制系统的设计。2.1 工作原理首先焊接机器人收到指令，腰部电机启动整个臂部作回转运动到一定位置，接着臂部带动腕部下放，腕部电机启动带动手部移动到要焊接的位置，其次手部电机启动焊枪开始工作，最后基座按一定速度作横向移动。2.2 自由度焊接机器人有六个自由度，即腰关节，肩关节，肘关节，腕关节为转动关节，以及机座横向，纵向移动。本次改造保留四个关节不变，限制机座纵向和横向移动。2.3 臂部改进 臂部用于连接腰部和腕部，焊接机器人臂部承载整个手臂和焊枪的重量，并且经过测量焊枪质量为5kg左右，而本次是改造成食品包装搬运，且搬运最大质量为3kg的瓶装饮料。所以臂部完全在能够承受的压力范围。所以尺寸和材料不需要改动。通常臂部由两个手臂组成（操作臂臂与小臂），用来带动腕部作平面运动。2.4 机座改进机座是机械人的支撑部件，承受机械人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，以保证机械手工作时的稳定行。原始焊接机器人的基座采用移动式。本次设计改进为固定式。2.5 传动机构常见的传动机构有链，带，各种齿轮系，丝杆传动，曲柄连杆传动方式，而原始焊接机器人采用曲柄连杆机构，运动简图如图2-2所示；是点动式的工作方式。反应缓慢，占地面积大，所以本次设计改进为丝杠传动机构。这样点动就可以改成移动式工作方式。并且这种传动方式反应敏捷，方便拆装，结构紧凑。传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。图2-2 焊接机器人运动简图2.6 驱动机构原始焊接机器人采用的是步进电机驱动方式。本次设计我们也采用步进电机驱动方式。步进电动机又称脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行电机。本机械手系统所要求的定位精度较 高步进电机对系统位置控制 比较准确且控制易于实现。故本机械手选用的驱动电机都是步进电机。- 33 -第3章 机械手的设计3.1 机械手的工作原理机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统所组成。在PLC程序控制的条件下，采用电机传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的要求达到设定位置3.2 机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种，如图3-1所示:(1)直角坐标型机械手；(2)圆柱坐标型机械手；(3)球坐标(极坐标)型机械手；(4)多关节型机机械手。图3-1 工业机械手基本结构形式由于本次设计是在报废焊接机器人的基础上进行改造，所以保留原始焊接机器人的多关节运动形式。3.3 手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手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。如图3-2为原始焊接机器人手臂尺寸形状。 图3-2 手臂外形臂长230mm，厚度为16mm。3.4 基座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。本次设计不需要基座运动，因此采用固定式基座，基座采用“Z”字材质为HT200的铸铁，如图3-3所示，即稳定又不至于承受大的压力受损。图3-3 基座简图基座高设计为17cm，宽为15cm,采用8级M5型号螺母紧固，螺母直径为1.6cm。3.5 机械手手部设计3.5.1 设计时考虑的几个问题（1）具有足够的握力(即夹紧力) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。（2）手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。（3）保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。（4）具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。（5）考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点，两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型。3.5.2 手部结构在机器人整个系统中，机械手爪的应用是整个工作过程的核心，因此如何能够设计出最优化的方案还要根据具体的实际使用需求和预期达到的目的而综合 决定。本课题中采用夹持式手部结构，由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，课题中采用齿轮齿条式的传力机构。3.5.3 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种。其中常用的有两指式、多指式和双手双指式。按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种；按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。在此考虑到手部夹持都是形状比较规则的东西，所以选择两指式就足以夹取物体，其外形如图3-4所示；图3-4 机械手手指形状该手爪属于夹持式，手爪的二指由双 旋向丝杠驱动，双导轨导向并加固，导轨和丝杠的轴心线位于同一平面手指抓取物体时仅在单轴方向上做平动，电机通过齿轮连接带动双旋向丝杠做转动,手爪 的手指夹钳通过丝杠螺母与丝杠的连接及双导轨的导 向作用将转动变为平动，实现二指的开合，并抓取物体。3.5.4 设计技术参数（1）机械手最大抓重：3kg（2）工件尺寸：直径约510cm（3）自由度数：4个自由度（4）支座旋转角度：90（最大速度:90度每秒）（5）手臂运动参数伸缩行程：100mm伸缩速度：100mm/s升降行程：200mm升降速度：100mm/s由于该机器人机械臂工作在一个平面范围，因此无论物品摆放位置如何，其抓取任务是将物品准确抓取至这个平面上。平动的二指手爪在做捏取动作时，为了抓取摆放于一定范围内的物体，设计钳口角度为 120。3.5.5 材料选取机器人整个系统不需要大的负载能力，也不需要大的弹性模量和抗变形能力，充分满足使用要求的情况下，考虑材料的成本、加工性及总质量等因素。铝合金及其他轻合金材料，其共同特点是质量轻，弹性模量E不大，但是材料密度较小，则 E /仍可以与钢材相比。从设计的机械手爪的角度综合衡量，选定铝合金作为机械手爪的材料。3.5.6 丝杠丝杠传动是一种将螺旋回转运动转变为直线运动，同时传递能量和力，或者调整零件位置的传动形式，按螺纹副摩擦性质的不同分为滑动丝杠，滚动丝杠和静压丝杠3种。本次设计机械手爪采用滑动丝杠。 依据该机械手爪的传动结构，即:电机输出转矩由齿轮啮合传递给丝杠，丝杠通过丝杠副将转矩变为平行于丝杠轴的推力，从而带动安装于丝杠副上的手爪 夹钳做水平开合运动，得到如下的传动关系： T2=T1Z2Z1 1 （3-1）式中；T2丝杠转矩； z1，z2主动直齿轮，从动直齿轮的齿数；1 齿轮传动效率。双旋向丝杠将齿轮传递的转矩转化为推力有如下关系： Fa=22T2R （3-2） 式中； Fa丝杠产生的推力；2丝杠传动效率；R丝杠导程。综合式( 1) ( 3)式，可得到手爪夹钳推力Fa 与电机模拟量转矩指令的电压值 V 的关系式： Fa=2Z212K1Z1RV （3-3）3.6 驱动机构驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。由于该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。并且机器人肩关节，腰关节，肘关节，均采用步进机驱动与焊接机器人保持一致，腕关节同样采用电机MULTIPLEX型号，保持一致。在此基础上只要合理选择手爪处电机即可。为了获取合适的抓取力，同时保证抓取易碎物品时保持稳定的状态，机械手爪使用交流伺服电机，交流伺服电机是把电能转变为机械能的一种机器，由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。交流伺服电机控制精度高、矩频特性好，具有过载能力。如图3-5所示。若电机以额定转矩输出，依据电机使用手册6,可得到电机输出转矩同模拟量转矩指令( TC) 的关系： T1=K1V （3-4）式中: T1-电机输出转矩;K1-用于控制输出转矩的可变参数;V -模拟量转矩指( TC) 的电压值。电机的输出力矩随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其工作转速一般在每分钟几十转到几百转。在其额定转速(一般为2000r/min或3000r/rain)以内为恒转矩输出，在额定转速以E为恒功率输出。表3-1为选定的各个关节电机型号及其相关参数。表3-1机器人驱动电机参数电机参数腰关节肩关节肘关节腕关节手爪型号MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMS0075A额定电压18v18v18v6v6额定转矩18.2 Nm18.2 Nm18.2 Nm10.3 Nm10.3 Nm最大转矩67.4Nm67.4Nm67.4Nm额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速转子惯量9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm第4章 PLC控制系统4.1 PLC简介PLC控制系统，Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置，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。是工业控制的核心部分。 1 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。 相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。4.2 PLC选择 由于原始焊接机器人采用的是plc作控制器，在此也同样选用plc,但由于焊接机器人和搬运机器人动作流程差别很大，所以在此要重新进行编程。按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面：（1）用于逻辑控制，这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。（2）用于模拟量控制，PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。（3）用于机械加工中的数字控制，现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。（4）用于工业机器人控制（5）用于多层分布式控制系统，高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。由于市场的需求和西门子PLC的广泛应用所以我选取的是S7-200。我们对其进行简要说明：S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要。紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。4.3 PLC内部原理图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的。如图3-1所示，PLC硬件的基本结构图所示：输出电路编程器输入电路中央处理器（CPU）电源系统程序存储区系统程序存储区图4-1 PLC硬件的基本结构4.4 机械手的控制面板和动作（1）如面板图所示，工件在A处被机械手抓取并放到B处。（2）机械手回到初始状态，SQ4=SQ2=1，SQ3=SQ1=0，原位指示灯HL点亮，按下“SB1”启动开关，下降指示灯YV1点亮，机械手下降，（SQ2=0）下降到A处后 （SQ1=1）夹紧工件，夹紧指示灯YV2点亮。（3）夹紧工件后，机械手上升（SQ1=0），上升指示灯YV3点亮，上升到位后图4-2 控制面板（SQ2=1） ,PLC机械手控制系统设计 机械手右移（SQ4=0）,右移指示灯YV4点亮。 （4）机械手右移到位后（SQ3=1）下降指示灯YV1点亮，机械手下降。（5）机械手下降到位后（SQ1=1）夹紧指示灯YV2熄灭，机械手放松。（6）机械手放松后上升，上升指示灯YV3点亮。 （7）机械手上升到位（SQ2=1）后左移，左移指示灯YV5点亮。（8）机械手回到原点，原位指示灯YV2点亮。4.5 控制方式本控制系统，我们选取自动和手动两种工作方式，手动控制方式即单步运行方式，手动操作不需要按工序顺序动作，如按“下降”按钮，机械手下降；按“上升”按钮，机械手上升。而自动工作方式，按下启动按钮后，自动控制系统的整体运行情况是：打开电源，按下起动按钮时，开机复位。机械手若不原点则PLC向上下行驱动器输入脉冲信号，上下行步进电机正转，机械手上升。上升到底时碰到上限位开关，然后主机向左右行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，左右行步进电机反转，横轴左行。当行进到位时碰到左限位开关，左行停止，回到原点。主机向上下行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，上下行步进电机反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，夹紧电磁阀断电，机械手夹紧。夹紧后，主机向上下行驱动器只输入脉冲信号，上下行电机正转，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向基座电机输入正转信号，电机正转，机械手右旋，碰到右旋限位开关，右旋停止。主机向左右行驱动器输入脉冲信号电平信号，步进电机左右行正转，机械手右行，右行到位时，碰到右限位开关，右行停止。主机向上下行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，上下行步进电机反转，机械手下降。降到底时碰到下限位开关，下降停止，同时夹紧电磁阀得电，机械手放松。放松后，主机向驱动器上下输入脉冲信号，上下行步进电机正转，机械手上升，上升到顶时，碰到上限位开关，上升停止。PLC向左右行驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，左右行步进电机反转，横轴左行，当左行到底时碰到左限位开关，然后主机向基座电机同时输入反转信号，电机反转，机械手左旋，碰到左旋限位开关左旋停止，回到原点。至此，机械手经过十步动作完成一个循环。图4-3 机械手系统PLC梯形图的总体结构机械手实验设备既是所谓 控制对象，对于一般工业控制，其控制核心使用可编程控制（PLC）。设计输入输出接口电路如图4-4所示，目的是为解决机械手设备输出驱动单元，输入检测单元与PLC之间的信号接口问题。图中上层电路板是驱动电路板，下层电路板左侧是输入接口电路板，右侧是输出接口电路板。图4-4西门子S7-200输入输出连线图4.5.2 输入/输出电路板 输入电路板原理图如图4-6所示，其功能是将设备上行开关的开关状态换为统一的电平信号（逻辑1；24V DC；逻辑0；0V DC）输出电路板如图4-7所示。图4-5输入输出接口电路板图4-6输入电路板电气原理图4-7输出电路电气原理4.6 操作步骤（1）检查实验设备中器材及调试程序。 （2）按照端口分配表完成PLC与实验模块之间的接线，认真检查，确保正确无误。（3）打开示例程序或用户自己编写的控制程序，进行编译，有错误时根据提示信息修改直至无误，用通讯编程电缆连接计算机串口与PLC通讯口，打开PLC主机电源开关，下载程序至PLC中。 （4）将左限位开关SQ4、右限位开关SQ3打向左、上限位开关SQ2、下限位开关SQ1打向上，机械手回到初始状态，原位指示灯HL点亮。SQ1打向上，机械手回到初始状态，原位指示灯HL点亮。 （5）打上“SB1”启动开关，下降指示灯YV1点亮，模拟机械手下降，上限位开关SQ2打下，下降到A处后次下限位开关SQ1打下，开始夹紧工件，夹紧指示。灯 YV2点亮。（6）夹紧工件后，机械手上升，上升指示灯YV3点亮，将下限位开关SQ1打上，机械手上升到位后，上限位开关SQ2打上。 （7）右移指示灯YV4点亮，机械手开始右移，左限位开关SQ4打向右。 （8）机械手右移到位后，右限位开关SQ3打向右，下降指示灯YV1点亮，机械手下降，上限位开关SQ2打下。 （9）机械手下降到位后，下限位开关SQ1打下，夹紧指示灯YV2熄灭，机械手放松。（10）机械手放松后上升，上升指示灯YV3点亮，下限位开关SQ1打上，机械手上升到位后，上限位开关SQ2打上。（11）机械手上升到位后左移指示灯YV5点亮，右限位开关SQ3打向左（12）机械手左移到位后，左限位开关SQ4打向左，机械手完成一个动作周期。具体流程图如图3-5所示； 启动初始化参数启动开关=1N Y一个周期4-5操作流程图如图4.7 手动控制续下图4-6手动控制梯形图第5章 总结与展望5.1 所完成的工作(1) 对实验平台的改造 本文利用的是报废的焊接机器人，要改造成送料机器人，不但要对末端执行机构进行重新设计，还要重新设计控制系统。（2）关节处电机的选择 由于物料搬运搬运机器人的执行末端与焊接机器人完全不同，所以腕关节和手爪处电机选择要合理，使其能够正常运行。(3)控制软件的设计 软件是机器人的“大脑思维”，软件的设计就是将人的意志赋予机器人的“大脑”，使其按照人的意志来工作。5.2 设计经验（1）底座设计成长方体不合理当腰关节在不同的位置时，肩关节运动的下限不同，不便于编程；最好将底座设计成圆柱体，并且下面带有法兰支撑。（2）软件编程软件编程可能存在缺陷，导致机器人各个关节运动起来不太流畅，动作缓慢关节容易损坏。5.3 误差分析 本文中每个关节的角度误差在2左右，由于是开环机构，所以综合叠加起来，末端误差可能会较大，并且重复精度不够。 下面简要分析一下误差的来源：（1） 工作台、基座的上下表面平行度误差，腰关节转
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