【基于PLC的搬运机器人系统设计（论文）7400字】

第第绪论1.1工业机器人的概述在工业技术日渐发展的现在，尽管工业市场发展的非常迅猛，软件系统技术也迅速发展，但是我国和那些发展比较早的先进国家之间还是存在一定的距离的。所以说其他国家的工业发展是比我们起步要高很多的，而且它们的设备、经验以及技术等经过时间的沉淀也已经发展的很高端。然而我们国家在后来这种高端技术才在我国进行普及发展。最初我们的技术不到位，只能依靠国外采购来然后根据产品拆解进行设计分析来制造仿造它们的产品。再然后我们技术发展比较成熟起来了，我们可以自己开始研究产品，从设计到生产。工业机器人的发展是我国对工业产业自动化技术迈出的一大步。列入：一些工业发展的主要力量会遭受影像，而传统的传动方式已经受到了影响。要使我国达到技术强国的一个地位，我们现在必须依靠技术的进一步发展，所以说我们要打破尖端技术工件的进口。即使我们可以达到独自制造的技术，我们也要继续发展做到更好。本次的毕业设计项目主要是写的搬运机器人的零件构造的设计和软件的设计。它的工作要求需要具有灵活的转向反转的要求，和夹具的开合移动还有动力装置的设计。本次设计的搬运机器人的控制是使用可编程控制器（PLC）来进行控制系统的设计和系统硬件控制系统结构的开发。它的功能结构的复杂性以及具有不同现场工作管理环境的各种硬件编程控制系统的开发和设计要求。使用可编程控制器控制装置能够让系统支持梯形图或其他基于软件的逻辑编程语言来进行控制，使控制系统逻辑更加直观和方便。1.2搬运机器人在生产中应用和意义我国现在已经是全球最大制造业国家，有着世界工厂的名称，但是也正因如此在很大程度上国内的制造业都是依靠中大量的劳动密集型的产业提供出来的。对于我们而言，现在要想保持制造业强国的国家地位，就必须要开启产业升级的道路，推动工业自动化的发展。如今社会，普遍的生产线工作中的搬运的工作主要是由劳动力来完成,对于一般的公司来说,这种以人力的方式消逝的体力强度比较大,并且公司的产率比较低,最主要的是安全问题得不到肯定。因而应从公司的生产效率出发,制造并且研究安全系数高的全自动化的搬运机器人,以机器化来替代劳动力。搬运机器人对物流、医药、食品、饮用品、化工等一些的产业都实现了全自动化的搬运机器人。实现了工业生产高效率发展进而加快了搬运、包装、运输等重复性的工作。通过使用搬运机器人，最大程度上保证了产品质量，很大程度上提高了生产的速率，同时最主要的是避免了大量的工人受工伤的事故，尤其是在劳力价格日渐升高的当今社会具有宏光的市场前景。并且PLC(可编程序控制器)是一种专门为了工业的发展而设计出来的一种数字运算的装置，它是综合了自动化技术、通信技术和计算机的技术的一种新型的控制装置。它具有抗干扰能力强、高可靠性、功能强、适用性强、体积小功耗低等优点，并且PLC的功能目前越来越丰富，体积也越来越小，在今后的发展中PLC将会是工业发展的主导控制系统。所以，使用PLC来使搬运机器人实现自动化的控制是有非常重要的意义的。1.3本文的主要内容本文主要设计了搬运机器人的构造结构以及系统程序的设计。使用气动装置来为夹具作为主要的动力，齿轮作为传动机构，步进电机作为动力部件。PLC是选用的西门子S7-200-CPU226型号来为搬运机器人作为控制系统。搬运机器人的行动轨迹有夹具、手臂的朝上朝下朝左朝右的移动和前后的翻转等运动形态，基于V2.0S7-200Explorer软件来给西门子S7-200型PLC进行逻辑控制的编程。

2设计方案的论证2.1搬运机器人的总体设计2.1.1搬运机器人总体结构的类型在大部分的机器人的结构特征里基本上可以归为四大类型结构。它们可以用四种坐标系的形式来表现出来它们的结构。包含了直角坐标结构、圆柱坐标结构球形坐标结构和关节行坐标结构四种。其中关节行结构是最为普遍被应用的一种结构。这四种结构简单的分析如下所示第一种直角坐标机器人结构。这类结构本质上就是在坐标轴的三个xyz方向移动并且只局限于这三个方向，而且这种运动模式只能做直线运动不可以有弧度的进行移动。它的工作操作空间要求也是非常大的，所以这类机构通常应用于大型仓库等等企业。对于这种结构的特性优点就是对这种结构的控制比较容易，能够控制它的精度是非常高的。第二种圆柱坐标机器人结构。圆柱坐标机构和直角坐标机构最大的区别就是他可是实现直角坐标机构实现不了的旋转运动，这类机构的运动轨迹是一个圆柱形的范围，它的每一个构件之间能够进行弧度的变化角度的变化而不是像直角机构那样固定的直线运动。第三种球坐标机器人结构。球型坐标机构是在圆柱型坐标机构的基础上多实现了一个旋转运动但是又失去了一条直线运动。他的运动其实不是特别繁琐，总的运动就是两个旋转和一个直线运动。第四种关节型机器人结构。这种结构对于其他几类而言就显得比较复杂繁琐。它是一种可以模仿人体关节的机器人结构。它与三个直角的直线运动完全不同。他的三个动作都是旋转应用。因此，它与人体关节非常相似，因此具有其特性，即它非常灵活，并且其结构非常小且紧凑。目前最先进的机器人结构使用的就是此类i结构。因此他的应用十分的广泛，在各个行业领域都有所应用。图2-1四种机器人坐标形式2.1.2机器人类型方案选择图2-2机械手工作布局图具体到本设计，根据上述结果，结合实验论证和实验结果分析后,分析设计过程的设计的具体方案,我们可以对其有一个简单的分配。由于搬运机器人需要完成旋转动作，所以应当选择圆柱形坐标结构。而搬运机器人的自由度是三个，分别是底座的左右的旋转、手臂上下的移动和手臂垂直的移动，最后还有爪子的夹紧。搬运机器人需要使得夹具具有很强的抓握能力，夹具的内部是有一个动力机构一般来说选用的是气动机构，通过气体的压缩使得爪子进行往复的抓握能力。从而使得爪子对物料进行抓取，但是可以看出，这样的爪子的承载能力很大，因此在本设计中35公斤的质量适合使用，并且它的松开动作是通过弹性装置来进行的因此这个结构具有不稳定行。工业机器人工作布局图如图2-2所示。2.2机器人主要结构的设计2.2.1机器人腰座的结构设计以上的内容决定了此次搬运机器人的大体结构样貌，但是光有这样是仅仅不行的，机器人最主要的就是内部的零件的选择和控制系统的设计。所以我们还需要对机器人的内部结构进行分析选购。对于搬运机器人而言，通常情况下它是有固定的往复运动的。经过我们查阅资料的考虑思考，我们可以通过简单的实验分析它的一些具体方案。首先动力机构我们选择的是齿轮以及电机来实现。如下图所示，当机器人运行时电机会进行转动，从而带动齿轮转动，一个齿轮转动带动着其他所有齿轮的转动，而最上面的两组齿轮是连接着腰部机构的翻转的，所以最后可以实现腰部的反转运动。图2-3搬运机器人腰部构造示意图2.2.2机器人手臂的结构设计机器人的手臂机构是需要旋转的动作的，而夹具的机构也是需要移动来实现开合夹取工件的。通过查询信息以后发现，它们的动力来源基本上主要靠的是气动来实现的。在它们的内部结构里会有一个密封的能够储存气体不外露的气缸，为它们的移动旋转提供动力从而进行作业。这类机构主要的缺点是抓握的实力有限动力机构容易不足。结合工业机器人的发展趋势和一些厂家的实例分析，我们可以在机器人的制造阶段确定好机器人的精度，来实现更准确的运行动作。这样就可以良好实现的功能。减少不必要带来的麻烦。所以经过简单的实验分析和论证的结果，我们可以简单的通过分析出大体的设计结构和具体的计划方案。图2-4手臂结构示意图2.2.1机器人夹具的结构设计在工厂使用的机器人，搬运机器人主要工作是对一些工具或者是工件进行夹取堆放的操作，普通的机器人的夹具基本上都是使用的手抓型机构来进行夹取。这类机构的动力通过我简单的查阅资料和分析可以答题的分为三类动力装置。这位三种动力装置都有利有弊，我们可以简单的对它们进行一个比较。气动驱动方式气动驱动方式我们可以简称它为气动技术。这种方式的工作原理与夜压传动技术是相仿的，主要的区别就是一个使用的是气体一个使用的是液体，而此次设计的主题设计采用的是技术正是此类气体传动技术。电动驱动方式电动驱动方式顾名思义就是使用电机来提供主要的动力进而进行工作，如今电机技术使用的非常普遍，所及电机技术的发展已经非常的成熟方便。对比气动来说使用电机技术的最大优点就是能够为夹具提供给非常大的动力。缺点也非常显然，由于使用的是电类，电动机的运行速度比较高，需要一些装置来进行降压减小速度等，液压驱动方式液压与气动大体相似综上所述主要区别就是载体的不同，但液压驱动的方式有一个比较大的优点，它可以拥有比较大的动力。传递机构是将机原动力的驱动力作用和动力传递到机器的主要工作机构的链接部分,专动机构中的各种部件因制造、加工和装配的误差性以及在工作过程中发生的误差损伤，高温形变，外作用力等一些变化都会引起造成到传动机构的准确性和误差,传动机构出现不准确误差大等情况就会使工作效率大大降低，甚至会发生不必要的意外。所以传动机构的对设计要求比较较高。搬运机器人的夹具是类似于动物的手抓的形状的，他是应用了仿生学的知识来进行设计的。向人类一样通过手的紧握和松开来实现工件的夹取放下动作。而夹具的驱动力则是上述所说的以气动的方式来作为动力，夹具的内部会有一个能够储存气体的汽缸，对空气进行施压从而使夹具开合移动，进而就能够实现搬运的工作。图2-5夹具的构造示意图2.3搬运机器人传动部件的设计2.3.1搬运机器人传动机构需要注意的问题在机械设计中常见的有三种传动，齿轮传动机、钢丝绳轮传动、气动传动搬运机器人需要有很高的精度要求并且要保持着生产速率，所以搬运机器人的结构部件尽量要选择轻盈的构件并且大小要尽量控制的偏小而且构件与构件之间要紧凑空隙尽可能的缩小。搬运机器人所使用的传动机构构件与传统的大部分机械的传动机构构件都是是相差甚微的。机械中最经常使用的的机械传动机构主要包含齿轮传动、履带带传动、速带传动等。所以传动构件绝大部分直接影响着搬运机器人的定型、精度和运作效率，因此,在搬运机器人传动构件的选用时要尽量满足传动构件的精度要高,摩擦量低、体积小、重量轻、运动平稳响应的速度快、传递矩大、振频率高以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。2.3.2设计具体采用方案搬运机器主要的工作任务：1.4S后按下启动按钮，夹具向前转动2.6S后机械手臂向后转动3.8s后机械手臂到达后限位开关，手臂向上移动4.10S后机械手臂到达上限位开关，手臂向右移动5.12S后机械手臂到达右限位开关，手臂停止并开始送料6.16S后机械手臂向左移动7.18s后机械手臂到达左限位开关，手臂向下移动8.20S后机械手臂到达下限位开关，手臂向前转动9.22S后机械手臂到达前限位开关，夹具反向转动10.24S后机器停止并且开始取料11.在机器运行的任意时间按下急停按钮，机器停止运动12.机器运作时的任意时间按下夹具开合按钮，电磁阀失电，夹具松开，松开开合按钮，电磁阀得电，夹具夹紧。图2-6机器人任务流程

3系统硬件的设计3.1控制系统元器件的选型3.1.1PLC的选型机器人的控制设计基于PLC控制系统的设计和系统硬件控制系统结构的开发。本次设计采用西门子S7-200-CPU226型PLC，因为西门子公司的产品质量较好，使用的寿命比较长，而且这款型号的PLC适用性也比较强。它具有未定可靠、价格透明、应用广泛、学习简单等特性，这种plc本质上实际就是一个小型的可编程控制器，他的小巧以至于它能够适用于很多种企业的项目种进行控制临测。它无论是在小项目还是在大工程里独自的运作都能够实现非常复杂的控制。所以它具有及其搞的性价比和能力。在大部分的生产行业都非常的广泛和成熟。使用其他技术，不仅优点没有PLC多，技术得不到保证，且PLC的稳定性强，为维修等问题带来方便。S7-200是经过了大量的市场调研研究所产生的产物，可以说是为大部分的企业量身定做的一种小型自动化的可编程控制器（PLC）它广泛应用于工农业等的生产。图3-1但是S7-200的一大致命缺点就是扩展模块比较而言会稍微偏少一点，对于一些大型的企业项目来说不一定是适合的选择，所以s7-200正常情况下只能适用于一些小型的项目，这是一大弊端。3.1.2其他元器件的选型本次设计选用的伺服电机使用的型号是三菱HF-KN13J-KH003，伺服电机的驱动器使用的型号是MR-EJ-10A-KH003，模块使用的十定位控制块EM253，限位开关采用的XCKN2102P20C。图3-2硬件组装图3.1.3I/O分配表搬运机器人的控制要求需要具有十个常用的按钮，这些按钮分别是对应着plc的I0.0到I1.1的输入端口，他们分别为为启动按钮I0.0、停止按钮I0.1、上线位开关I0.2、下限位开关I0.3、左限位开关I0.4、右限位开关I0.5、前限位开关I0.6、后限位开关I0.7、夹具开合开关I1.0和报警信号I1.1。而这些按钮对应着的输出端分别是Q0.0到Q1.2，分别为脉冲方向Q0.0、脉冲输出Q0.1、上升指示灯Q0.2、下降指示灯Q0.3、左行指示灯Q0.4、右行指示灯Q0.5、前转指示灯Q0.6、后转指示灯Q0.7、夹具开合电磁阀Q1.0、报警信号灯Q1.1和指示灯Q1.2。如图3-3所示图3-3I/O分配表3.1.4PLC电路的设计4系统软件的设计4.1程序的设计4.1.1夹具的控制系统的设计搬运机器人的运作离不开夹具的正向转动和反向转，这种动作是基于电机的正反转来实现的。它的逻辑控制设计是当按下启动按钮I0.0时，夹具正向转动，指示灯Q1.2熄灭。当M0.6置1时，夹具反向转动。梯形图如4-1所示。图4-1夹具正反转逻辑控制系统4.1.2手臂的控制系统设计手臂的前后移动逻辑控制的设计是2s后M1.0复位、M0.0运作，然后夹具停止运动，Q0.7闭合，手臂朝后转动，后转指示灯运行发亮。当M0.3置1时，手臂向前移动，前转指示运行发灯亮。梯形图如4-2所示。图4-2手臂的前后移动逻辑控制系统手臂的上升下降逻辑控制的设计是当M0.7闭合时，手臂朝上方向进行运作，上升指示灯运行发亮。当M0.4闭合时，手臂朝下方向运作，下降指示灯运行发亮。梯形图如图4-3所示。图4-3手臂上升下降逻辑控制系统手臂的左右移动逻辑控制的设计当M0.2置1时，手臂向右移动，右行指示灯亮。当M0.1置1时，手臂向左移动，左行指示灯亮。梯形图如图4-4所示图4-4手臂左右移动逻辑控制系统4.1.3报警系统控制设计在搬运机器人的运行过程中报警信号源I1.1若是有输出，则报警信号会实现闪烁，闪烁震荡周期是1s。若是当报警信号解除时，报警信号源I1.1停止输出，则会使报警信号灯停止闪烁。如图4-5所示。图4-5报警逻辑控制系统结论本文介绍了搬运机器人的设计和应用意义，并且介绍了目前搬运机器人的发展状况和未来的趋势走向，以及搬运机器人从一开始到成型的基本构件的选择组成的设计和软件硬件的选型设计编程等。在本文介绍了搬运机器人的构建机构逻辑系统的设计，搬运机器人在工业自动化产业中使用的非常普遍，在实线v产业全自动化的方向上还要实现节约成本和提升产业的效率。机器人的控制设计技术是一种综合了很多知识的一种复杂总合型技术。搬运机器人控制系统又是一个复杂的并且是随机的系统。本次基于PLC的搬运机器人系统设计对与辅导助学一定的意义在本项目设计中，搬运机器人控制系统使用的是可编程控制器（PLC）来实现此次设计的机器人的各种功能的系统控制，使得本次设计中的机器人构造大大简洁明了，并且因为PLC本来自己拥有的性质，本次设计也很大程度上的提高了工业自动化的靠谱行以及智能程度的升级，在复杂无法预测的恶劣环境下，它能够自我进行调整变化，从而减少了原有老套的以劳动力生产的方式和不必要的成本。未来的发展种机器人的自动化必定是一个前途不可限量的一个产业。国家的发展需要工业技术的支持，工业的发展离不开自动化产业的使用，所以搬运