第第緒論1.1工業(yè)機器人的概述在工業(yè)技術(shù)日漸發(fā)展的現(xiàn)在，盡管工業(yè)市場發(fā)展的非常迅猛，軟件系統(tǒng)技術(shù)也迅速發(fā)展，但是我國和那些發(fā)展比較早的先進國家之間還是存在一定的距離的。所以說其他國家的工業(yè)發(fā)展是比我們起步要高很多的，而且它們的設(shè)備、經(jīng)驗以及技術(shù)等經(jīng)過時間的沉淀也已經(jīng)發(fā)展的很高端。然而我們國家在后來這種高端技術(shù)才在我國進行普及發(fā)展。最初我們的技術(shù)不到位，只能依靠國外采購來然后根據(jù)產(chǎn)品拆解進行設(shè)計分析來制造仿造它們的產(chǎn)品。再然后我們技術(shù)發(fā)展比較成熟起來了，我們可以自己開始研究產(chǎn)品，從設(shè)計到生產(chǎn)。工業(yè)機器人的發(fā)展是我國對工業(yè)產(chǎn)業(yè)自動化技術(shù)邁出的一大步。列入：一些工業(yè)發(fā)展的主要力量會遭受影像，而傳統(tǒng)的傳動方式已經(jīng)受到了影響。要使我國達到技術(shù)強國的一個地位，我們現(xiàn)在必須依靠技術(shù)的進一步發(fā)展，所以說我們要打破尖端技術(shù)工件的進口。即使我們可以達到獨自制造的技術(shù)，我們也要繼續(xù)發(fā)展做到更好。本次的畢業(yè)設(shè)計項目主要是寫的搬運機器人的零件構(gòu)造的設(shè)計和軟件的設(shè)計。它的工作要求需要具有靈活的轉(zhuǎn)向反轉(zhuǎn)的要求，和夾具的開合移動還有動力裝置的設(shè)計。本次設(shè)計的搬運機器人的控制是使用可編程控制器（PLC）來進行控制系統(tǒng)的設(shè)計和系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開發(fā)。它的功能結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及具有不同現(xiàn)場工作管理環(huán)境的各種硬件編程控制系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計要求。使用可編程控制器控制裝置能夠讓系統(tǒng)支持梯形圖或其他基于軟件的邏輯編程語言來進行控制，使控制系統(tǒng)邏輯更加直觀和方便。1.2搬運機器人在生產(chǎn)中應(yīng)用和意義我國現(xiàn)在已經(jīng)是全球最大制造業(yè)國家，有著世界工廠的名稱，但是也正因如此在很大程度上國內(nèi)的制造業(yè)都是依靠中大量的勞動密集型的產(chǎn)業(yè)提供出來的。對于我們而言，現(xiàn)在要想保持制造業(yè)強國的國家地位，就必須要開啟產(chǎn)業(yè)升級的道路，推動工業(yè)自動化的發(fā)展。如今社會，普遍的生產(chǎn)線工作中的搬運的工作主要是由勞動力來完成,對于一般的公司來說,這種以人力的方式消逝的體力強度比較大,并且公司的產(chǎn)率比較低,最主要的是安全問題得不到肯定。因而應(yīng)從公司的生產(chǎn)效率出發(fā),制造并且研究安全系數(shù)高的全自動化的搬運機器人,以機器化來替代勞動力。搬運機器人對物流、醫(yī)藥、食品、飲用品、化工等一些的產(chǎn)業(yè)都實現(xiàn)了全自動化的搬運機器人。實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)高效率發(fā)展進而加快了搬運、包裝、運輸?shù)戎貜?fù)性的工作。通過使用搬運機器人，最大程度上保證了產(chǎn)品質(zhì)量，很大程度上提高了生產(chǎn)的速率，同時最主要的是避免了大量的工人受工傷的事故，尤其是在勞力價格日漸升高的當今社會具有宏光的市場前景。并且PLC(可編程序控制器)是一種專門為了工業(yè)的發(fā)展而設(shè)計出來的一種數(shù)字運算的裝置，它是綜合了自動化技術(shù)、通信技術(shù)和計算機的技術(shù)的一種新型的控制裝置。它具有抗干擾能力強、高可靠性、功能強、適用性強、體積小功耗低等優(yōu)點，并且PLC的功能目前越來越豐富，體積也越來越小，在今后的發(fā)展中PLC將會是工業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)控制系統(tǒng)。所以，使用PLC來使搬運機器人實現(xiàn)自動化的控制是有非常重要的意義的。1.3本文的主要內(nèi)容本文主要設(shè)計了搬運機器人的構(gòu)造結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)程序的設(shè)計。使用氣動裝置來為夾具作為主要的動力，齒輪作為傳動機構(gòu)，步進電機作為動力部件。PLC是選用的西門子S7-200-CPU226型號來為搬運機器人作為控制系統(tǒng)。搬運機器人的行動軌跡有夾具、手臂的朝上朝下朝左朝右的移動和前后的翻轉(zhuǎn)等運動形態(tài)，基于V2.0S7-200Explorer軟件來給西門子S7-200型PLC進行邏輯控制的編程。

2設(shè)計方案的論證2.1搬運機器人的總體設(shè)計2.1.1搬運機器人總體結(jié)構(gòu)的類型在大部分的機器人的結(jié)構(gòu)特征里基本上可以歸為四大類型結(jié)構(gòu)。它們可以用四種坐標系的形式來表現(xiàn)出來它們的結(jié)構(gòu)。包含了直角坐標結(jié)構(gòu)、圓柱坐標結(jié)構(gòu)球形坐標結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)行坐標結(jié)構(gòu)四種。其中關(guān)節(jié)行結(jié)構(gòu)是最為普遍被應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)。這四種結(jié)構(gòu)簡單的分析如下所示第一種直角坐標機器人結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)本質(zhì)上就是在坐標軸的三個xyz方向移動并且只局限于這三個方向，而且這種運動模式只能做直線運動不可以有弧度的進行移動。它的工作操作空間要求也是非常大的，所以這類機構(gòu)通常應(yīng)用于大型倉庫等等企業(yè)。對于這種結(jié)構(gòu)的特性優(yōu)點就是對這種結(jié)構(gòu)的控制比較容易，能夠控制它的精度是非常高的。第二種圓柱坐標機器人結(jié)構(gòu)。圓柱坐標機構(gòu)和直角坐標機構(gòu)最大的區(qū)別就是他可是實現(xiàn)直角坐標機構(gòu)實現(xiàn)不了的旋轉(zhuǎn)運動，這類機構(gòu)的運動軌跡是一個圓柱形的范圍，它的每一個構(gòu)件之間能夠進行弧度的變化角度的變化而不是像直角機構(gòu)那樣固定的直線運動。第三種球坐標機器人結(jié)構(gòu)。球型坐標機構(gòu)是在圓柱型坐標機構(gòu)的基礎(chǔ)上多實現(xiàn)了一個旋轉(zhuǎn)運動但是又失去了一條直線運動。他的運動其實不是特別繁瑣，總的運動就是兩個旋轉(zhuǎn)和一個直線運動。第四種關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)對于其他幾類而言就顯得比較復(fù)雜繁瑣。它是一種可以模仿人體關(guān)節(jié)的機器人結(jié)構(gòu)。它與三個直角的直線運動完全不同。他的三個動作都是旋轉(zhuǎn)應(yīng)用。因此，它與人體關(guān)節(jié)非常相似，因此具有其特性，即它非常靈活，并且其結(jié)構(gòu)非常小且緊湊。目前最先進的機器人結(jié)構(gòu)使用的就是此類i結(jié)構(gòu)。因此他的應(yīng)用十分的廣泛，在各個行業(yè)領(lǐng)域都有所應(yīng)用。圖2-1四種機器人坐標形式2.1.2機器人類型方案選擇圖2-2機械手工作布局圖具體到本設(shè)計，根據(jù)上述結(jié)果，結(jié)合實驗論證和實驗結(jié)果分析后,分析設(shè)計過程的設(shè)計的具體方案,我們可以對其有一個簡單的分配。由于搬運機器人需要完成旋轉(zhuǎn)動作，所以應(yīng)當選擇圓柱形坐標結(jié)構(gòu)。而搬運機器人的自由度是三個，分別是底座的左右的旋轉(zhuǎn)、手臂上下的移動和手臂垂直的移動，最后還有爪子的夾緊。搬運機器人需要使得夾具具有很強的抓握能力，夾具的內(nèi)部是有一個動力機構(gòu)一般來說選用的是氣動機構(gòu)，通過氣體的壓縮使得爪子進行往復(fù)的抓握能力。從而使得爪子對物料進行抓取，但是可以看出，這樣的爪子的承載能力很大，因此在本設(shè)計中35公斤的質(zhì)量適合使用，并且它的松開動作是通過彈性裝置來進行的因此這個結(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)定行。工業(yè)機器人工作布局圖如圖2-2所示。2.2機器人主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計2.2.1機器人腰座的結(jié)構(gòu)設(shè)計以上的內(nèi)容決定了此次搬運機器人的大體結(jié)構(gòu)樣貌，但是光有這樣是僅僅不行的，機器人最主要的就是內(nèi)部的零件的選擇和控制系統(tǒng)的設(shè)計。所以我們還需要對機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析選購。對于搬運機器人而言，通常情況下它是有固定的往復(fù)運動的。經(jīng)過我們查閱資料的考慮思考，我們可以通過簡單的實驗分析它的一些具體方案。首先動力機構(gòu)我們選擇的是齒輪以及電機來實現(xiàn)。如下圖所示，當機器人運行時電機會進行轉(zhuǎn)動，從而帶動齒輪轉(zhuǎn)動，一個齒輪轉(zhuǎn)動帶動著其他所有齒輪的轉(zhuǎn)動，而最上面的兩組齒輪是連接著腰部機構(gòu)的翻轉(zhuǎn)的，所以最后可以實現(xiàn)腰部的反轉(zhuǎn)運動。圖2-3搬運機器人腰部構(gòu)造示意圖2.2.2機器人手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計機器人的手臂機構(gòu)是需要旋轉(zhuǎn)的動作的，而夾具的機構(gòu)也是需要移動來實現(xiàn)開合夾取工件的。通過查詢信息以后發(fā)現(xiàn)，它們的動力來源基本上主要靠的是氣動來實現(xiàn)的。在它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)里會有一個密封的能夠儲存氣體不外露的氣缸，為它們的移動旋轉(zhuǎn)提供動力從而進行作業(yè)。這類機構(gòu)主要的缺點是抓握的實力有限動力機構(gòu)容易不足。結(jié)合工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢和一些廠家的實例分析，我們可以在機器人的制造階段確定好機器人的精度，來實現(xiàn)更準確的運行動作。這樣就可以良好實現(xiàn)的功能。減少不必要帶來的麻煩。所以經(jīng)過簡單的實驗分析和論證的結(jié)果，我們可以簡單的通過分析出大體的設(shè)計結(jié)構(gòu)和具體的計劃方案。圖2-4手臂結(jié)構(gòu)示意圖2.2.1機器人夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計在工廠使用的機器人，搬運機器人主要工作是對一些工具或者是工件進行夾取堆放的操作，普通的機器人的夾具基本上都是使用的手抓型機構(gòu)來進行夾取。這類機構(gòu)的動力通過我簡單的查閱資料和分析可以答題的分為三類動力裝置。這位三種動力裝置都有利有弊，我們可以簡單的對它們進行一個比較。氣動驅(qū)動方式氣動驅(qū)動方式我們可以簡稱它為氣動技術(shù)。這種方式的工作原理與夜壓傳動技術(shù)是相仿的，主要的區(qū)別就是一個使用的是氣體一個使用的是液體，而此次設(shè)計的主題設(shè)計采用的是技術(shù)正是此類氣體傳動技術(shù)。電動驅(qū)動方式電動驅(qū)動方式顧名思義就是使用電機來提供主要的動力進而進行工作，如今電機技術(shù)使用的非常普遍，所及電機技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)非常的成熟方便。對比氣動來說使用電機技術(shù)的最大優(yōu)點就是能夠為夾具提供給非常大的動力。缺點也非常顯然，由于使用的是電類，電動機的運行速度比較高，需要一些裝置來進行降壓減小速度等，液壓驅(qū)動方式液壓與氣動大體相似綜上所述主要區(qū)別就是載體的不同，但液壓驅(qū)動的方式有一個比較大的優(yōu)點，它可以擁有比較大的動力。傳遞機構(gòu)是將機原動力的驅(qū)動力作用和動力傳遞到機器的主要工作機構(gòu)的鏈接部分,專動機構(gòu)中的各種部件因制造、加工和裝配的誤差性以及在工作過程中發(fā)生的誤差損傷，高溫形變，外作用力等一些變化都會引起造成到傳動機構(gòu)的準確性和誤差,傳動機構(gòu)出現(xiàn)不準確誤差大等情況就會使工作效率大大降低，甚至?xí)l(fā)生不必要的意外。所以傳動機構(gòu)的對設(shè)計要求比較較高。搬運機器人的夾具是類似于動物的手抓的形狀的，他是應(yīng)用了仿生學(xué)的知識來進行設(shè)計的。向人類一樣通過手的緊握和松開來實現(xiàn)工件的夾取放下動作。而夾具的驅(qū)動力則是上述所說的以氣動的方式來作為動力，夾具的內(nèi)部會有一個能夠儲存氣體的汽缸，對空氣進行施壓從而使夾具開合移動，進而就能夠?qū)崿F(xiàn)搬運的工作。圖2-5夾具的構(gòu)造示意圖2.3搬運機器人傳動部件的設(shè)計2.3.1搬運機器人傳動機構(gòu)需要注意的問題在機械設(shè)計中常見的有三種傳動，齒輪傳動機、鋼絲繩輪傳動、氣動傳動搬運機器人需要有很高的精度要求并且要保持著生產(chǎn)速率，所以搬運機器人的結(jié)構(gòu)部件盡量要選擇輕盈的構(gòu)件并且大小要盡量控制的偏小而且構(gòu)件與構(gòu)件之間要緊湊空隙盡可能的縮小。搬運機器人所使用的傳動機構(gòu)構(gòu)件與傳統(tǒng)的大部分機械的傳動機構(gòu)構(gòu)件都是是相差甚微的。機械中最經(jīng)常使用的的機械傳動機構(gòu)主要包含齒輪傳動、履帶帶傳動、速帶傳動等。所以傳動構(gòu)件絕大部分直接影響著搬運機器人的定型、精度和運作效率，因此,在搬運機器人傳動構(gòu)件的選用時要盡量滿足傳動構(gòu)件的精度要高,摩擦量低、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)響應(yīng)的速度快、傳遞矩大、振頻率高以及與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。2.3.2設(shè)計具體采用方案搬運機器主要的工作任務(wù)：1.4S后按下啟動按鈕，夾具向前轉(zhuǎn)動2.6S后機械手臂向后轉(zhuǎn)動3.8s后機械手臂到達后限位開關(guān)，手臂向上移動4.10S后機械手臂到達上限位開關(guān)，手臂向右移動5.12S后機械手臂到達右限位開關(guān)，手臂停止并開始送料6.16S后機械手臂向左移動7.18s后機械手臂到達左限位開關(guān)，手臂向下移動8.20S后機械手臂到達下限位開關(guān)，手臂向前轉(zhuǎn)動9.22S后機械手臂到達前限位開關(guān)，夾具反向轉(zhuǎn)動10.24S后機器停止并且開始取料11.在機器運行的任意時間按下急停按鈕，機器停止運動12.機器運作時的任意時間按下夾具開合按鈕，電磁閥失電，夾具松開，松開開合按鈕，電磁閥得電，夾具夾緊。圖2-6機器人任務(wù)流程

3系統(tǒng)硬件的設(shè)計3.1控制系統(tǒng)元器件的選型3.1.1PLC的選型機器人的控制設(shè)計基于PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計和系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開發(fā)。本次設(shè)計采用西門子S7-200-CPU226型PLC，因為西門子公司的產(chǎn)品質(zhì)量較好，使用的壽命比較長，而且這款型號的PLC適用性也比較強。它具有未定可靠、價格透明、應(yīng)用廣泛、學(xué)習(xí)簡單等特性，這種plc本質(zhì)上實際就是一個小型的可編程控制器，他的小巧以至于它能夠適用于很多種企業(yè)的項目種進行控制臨測。它無論是在小項目還是在大工程里獨自的運作都能夠?qū)崿F(xiàn)非常復(fù)雜的控制。所以它具有及其搞的性價比和能力。在大部分的生產(chǎn)行業(yè)都非常的廣泛和成熟。使用其他技術(shù)，不僅優(yōu)點沒有PLC多，技術(shù)得不到保證，且PLC的穩(wěn)定性強，為維修等問題帶來方便。S7-200是經(jīng)過了大量的市場調(diào)研研究所產(chǎn)生的產(chǎn)物，可以說是為大部分的企業(yè)量身定做的一種小型自動化的可編程控制器（PLC）它廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等的生產(chǎn)。圖3-1但是S7-200的一大致命缺點就是擴展模塊比較而言會稍微偏少一點，對于一些大型的企業(yè)項目來說不一定是適合的選擇，所以s7-200正常情況下只能適用于一些小型的項目，這是一大弊端。3.1.2其他元器件的選型本次設(shè)計選用的伺服電機使用的型號是三菱HF-KN13J-KH003，伺服電機的驅(qū)動器使用的型號是MR-EJ-10A-KH003，模塊使用的十定位控制塊EM253，限位開關(guān)采用的XCKN2102P20C。圖3-2硬件組裝圖3.1.3I/O分配表搬運機器人的控制要求需要具有十個常用的按鈕，這些按鈕分別是對應(yīng)著plc的I0.0到I1.1的輸入端口，他們分別為為啟動按鈕I0.0、停止按鈕I0.1、上線位開關(guān)I0.2、下限位開關(guān)I0.3、左限位開關(guān)I0.4、右限位開關(guān)I0.5、前限位開關(guān)I0.6、后限位開關(guān)I0.7、夾具開合開關(guān)I1.0和報警信號I1.1。而這些按鈕對應(yīng)著的輸出端分別是Q0.0到Q1.2，分別為脈沖方向Q0.0、脈沖輸出Q0.1、上升指示燈Q0.2、下降指示燈Q0.3、左行指示燈Q0.4、右行指示燈Q0.5、前轉(zhuǎn)指示燈Q0.6、后轉(zhuǎn)指示燈Q0.7、夾具開合電磁閥Q1.0、報警信號燈Q1.1和指示燈Q1.2。如圖3-3所示圖3-3I/O分配表3.1.4PLC電路的設(shè)計4系統(tǒng)軟件的設(shè)計4.1程序的設(shè)計4.1.1夾具的控制系統(tǒng)的設(shè)計搬運機器人的運作離不開夾具的正向轉(zhuǎn)動和反向轉(zhuǎn)，這種動作是基于電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。它的邏輯控制設(shè)計是當按下啟動按鈕I0.0時，夾具正向轉(zhuǎn)動，指示燈Q1.2熄滅。當M0.6置1時，夾具反向轉(zhuǎn)動。梯形圖如4-1所示。圖4-1夾具正反轉(zhuǎn)邏輯控制系統(tǒng)4.1.2手臂的控制系統(tǒng)設(shè)計手臂的前后移動邏輯控制的設(shè)計是2s后M1.0復(fù)位、M0.0運作，然后夾具停止運動，Q0.7閉合，手臂朝后轉(zhuǎn)動，后轉(zhuǎn)指示燈運行發(fā)亮。當M0.3置1時，手臂向前移動，前轉(zhuǎn)指示運行發(fā)燈亮。梯形圖如4-2所示。圖4-2手臂的前后移動邏輯控制系統(tǒng)手臂的上升下降邏輯控制的設(shè)計是當M0.7閉合時，手臂朝上方向進行運作，上升指示燈運行發(fā)亮。當M0.4閉合時，手臂朝下方向運作，下降指示燈運行發(fā)亮。梯形圖如圖4-3所示。圖4-3手臂上升下降邏輯控制系統(tǒng)手臂的左右移動邏輯控制的設(shè)計當M0.2置1時，手臂向右移動，右行指示燈亮。當M0.1置1時，手臂向左移動，左行指示燈亮。梯形圖如圖4-4所示圖4-4手臂左右移動邏輯控制系統(tǒng)4.1.3報警系統(tǒng)控制設(shè)計在搬運機器人的運行過程中報警信號源I1.1若是有輸出，則報警信號會實現(xiàn)閃爍，閃爍震蕩周期是1s。若是當報警信號解除時，報警信號源I1.1停止輸出，則會使報警信號燈停止閃爍。如圖4-5所示。圖4-5報警邏輯控制系統(tǒng)結(jié)論本文介紹了搬運機器人的設(shè)計和應(yīng)用意義，并且介紹了目前搬運機器人的發(fā)展狀況和未來的趨勢走向，以及搬運機器人從一開始到成型的基本構(gòu)件的選擇組成的設(shè)計和軟件硬件的選型設(shè)計編程等。在本文介紹了搬運機器人的構(gòu)建機構(gòu)邏輯系統(tǒng)的設(shè)計，搬運機器人在工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)中使用的非常普遍，在實線v產(chǎn)業(yè)全自動化的方向上還要實現(xiàn)節(jié)約成本和提升產(chǎn)業(yè)的效率。機器人的控制設(shè)計技術(shù)是一種綜合了很多知識的一種復(fù)雜總合型技術(shù)。搬運機器人控制系統(tǒng)又是一個復(fù)雜的并且是隨機的系統(tǒng)。本次基于PLC的搬運機器人系統(tǒng)設(shè)計對與輔導(dǎo)助學(xué)一定的意義在本項目設(shè)計中，搬運機器人控制系統(tǒng)使用的是可編程控制器（PLC）來實現(xiàn)此次設(shè)計的機器人的各種功能的系統(tǒng)控制，使得本次設(shè)計中的機器人構(gòu)造大大簡潔明了，并且因為PLC本來自己擁有的性質(zhì)，本次設(shè)計也很大程度上的提高了工業(yè)自動化的靠譜行以及智能程度的升級，在復(fù)雜無法預(yù)測的惡劣環(huán)境下，它能夠自我進行調(diào)整變化，從而減少了原有老套的以勞動力生產(chǎn)的方式和不必要的成本。未來的發(fā)展種機器人的自動化必定是一個前途不可限量的一個產(chǎn)業(yè)。國家的發(fā)展需要工業(yè)技術(shù)的支持，工業(yè)的發(fā)展離不開自動化產(chǎn)業(yè)的使用，所以搬運