五轴搬运机器人毕业设计

开封市技师学院

毕业设计题目：西门子PLC在五轴搬运机器人的应用

院系：电气工程系

班级：10技自动化2班

姓名：彩修彪

学号：

2014年 4 月

摘要

现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。在电子世界领域，从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。而机械手控制系统则逐步发展为与计算机互联，使机械手控制系统更加智能化，操作更加简单方便。

五轴机器人（机械手）是指能够自动抓取、操作的装置，多用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成，主要完成移动、转动、抓取等动作。

由于气压技术是以压缩空气为介质，以气源为动力的能源传递技术，其工作可靠性高、使用寿命长、对环境没有污染，所以在机械手的驱动系统中常采用气压技术。

控制系统是五轴机器人（机械手）的指挥系统，他通过控制驱动系统，让执行器按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，它将逻辑运算、顺序控制、时序、计数、算术运算等控制程序，用指令形式存放在储存器中，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。与继电器控制线路相比，PLC具有可靠性高、抗干扰能力强；变成简单、使用方便；设计、安装容易，维护工作量少；功能完善、通用性强；体积小、能耗低等特点。因此，机械手控制系统越来越多的由可编程控制器（即PLC）来实现。

本文以柔控系统中的五轴机器人的程序设计为例，充分利用气动与PLC技术的特点，实现自动化控制。并给出了对应的I/O分配表，和PLC的外部接线图。

关键词：机械手，自动化，PLC，步进电机

目录

摘要 (1)

目录 (2)

第1章引言 (3)

1.1五轴机器人（机械手）与PLC的描述 (3)

1.2五轴机器人（机械手）与PLC在国内外的现状 (4)

1.2.1国外现状 (4)

1.2.2国内现状 (4)

1.3课题研究的内容、目标以及可行性 (5)

1.3.1研究内容 (5)

1.3.2研究目标 (5)

1.3.3可行性分析 (5)

第2章 PLC、气动、步进电机及驱动器的介绍 (6)

2.1PLC技术的介绍 (6)

2.1.1PLC的历史与发展 (6)

2.1.2PLC的特点 (7)

2.1.3西门子PLC (8)

2.2气动技术的介绍 (9)

2.3步进电机及驱动器的介绍 (10)

2.4 编码器 (11)

第3章五轴机器人（机械手）的动作流程 (17)

3.1五轴机器人的动作流程 (17)

3.1.1合格工件在分拣单元的动作 (17)

3.1.2不合格工件在分拣单元的动作 (17)

3.1.3没有工件时分拣单元的动作 (17)

3.2分拣单元的元器件 (18)

第4章 PLC编程、接线图、分配表 (19)

4.1I/0分配表 (19)

4.2外部接线图 (19)

4.3 PLC程序的编写 (20)

第5章安装与调试 (24)

总结 (26)

参考文献 (27)

第1章引言

1.1机械手与自动化的描述

五轴机器人是机械手的一种。机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置，在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人们的劳动强度，甚至危及生命。机械手就是在这种条件下诞生的，机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。它特别是在高温、高压、多粉尘、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此获得日益广泛的应用。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已经成为高科技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，他更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

本课题设计的机械手是采用PLC通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单等特点，来实现自动化控制的。

1.2机械手与自动化在国内外的现状

1.2.1机械手与自动化在国外的现状

机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国工程师德尔沃最早提出机械

人的概念；1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。1959年美国德尔沃与英格伯制造了世界上的第一台机械人；1962年美国正式将机械人的的使用性提出来，且制造出类似人的手臂；1967年日本成立了人工手研究会，并召开了首届机械手学术会；1970年在美国召开了第一届工业机械人学术会，并得到迅速的普及；1973年辛辛那提公司制造出第一台小型计算机控制的工业机械人，当时是液压驱动，能载重45KG；到1980年在日本得到普及，并定位“机械人元年”此后在日本，机械人得到了前所未有的发展与提升。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。

现代式工业中，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。采用全自动化机械手进行装配更是目前研究的重点，国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位打到镶装的目的，但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，动作灵活多样，使用可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。

1.2.2机械手与自动化在国内的现状

在我国，汽车工业仍然是工业机械手主要的使用领域。但是我国在工业机械手生产企业中，年产销量在100台以上、产值过5000万元的规模企业非常少，国外大型公司年产量都达5000到10000台，销售额为数十亿美元。目前国内机械手的保有量在4000台左右，并将以每年800~1000台左右的速度快速增长。工业机械手应用前景极为广阔。

虽然目前国内生产工业机械手的企业并不多，很多产品的生产技术还主要依靠进口，高科技的技术主要还掌握在国际龙头厂商手里。国内机械手厂家主要还是受到控制系统的困扰，没有比较成熟稳定的伺服系统，所以不能产生高端机器。我国本土企业生产的机械手产品还主要流通在中低端市场，因此决定了很多本土生产企业在争夺市场时主要还是采取价格战。随着技术的进步，日臻成熟，会有更多的厂商加入此行业。

我国国家“863”机械手技术主题自成立以来一直重视机械手技术在产业中的推广和应用和推进机械手技术以提升传统产业，利用机械手技术发展高新产业。目前，政府正在使用各种办法加大中国装备制造业在市场中占据的份额，并提供优惠措施鼓励更多企业使用机械手及技术以提升技术水平。国内越来越多的企业在生产中采用了工业机械手，各种机械手生产厂家的销售量都有大幅度的提高。

1.3课题研究的内容、目标以及可行性

1.3.1研究内容

利用可编程控制器作为载体，为柔性控制流水线的五轴机器人设计一套程序驱动机械手进行预定动作实现工件搬运功能，并可根据工件的变化要求，随时更改相关参数。