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1、常州信息职业技术学院学生毕业设计（论文）报告系 别： 机电工程学院 专 业： 机电一体化 班 号： 机电124 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 设 计 （论文）题目 : 基于PLC控制和伺服电机驱 动的三自由度球坐标机器人指 导 教 师： 设 计 地 点： 常州信息职业技术学院 起 迄 日 期： 2014.9.202014.11.0 毕业设计（论文）任务书专业 机电一体化 班级 机电124 姓名 一、课题名称： 基于PLC控制和伺服电机驱动的三自由度球坐标机器人设计 二、主要技术指标：1.水平旋转角度： 0-210度 2水平旋转速度 旋转速度0-2160度/分 3.仰俯轴角度： 30-80
2、度 4.仰俯轴旋转速度 旋转速度0-1800度/分 5.伸缩手臂的行程：600mm 6.伸缩轴移动速度 移动速度0-3000mm/分钟 7.气动机械手最大夹持重物重量20kg 三、工作内容和要求：1.制定总体设计方案 2.机械系统设计，机械臂设计计算，末端执行器设计计算，伸缩轴滚珠丝杠螺母选型。 3.数字三维造型。 4.电气系统设计，伺服电机选型。 5.提供电气原理图图纸（不少于5张）。 6.PLC输入输出分配表。 四、主要参考文献：1 余雷声.电气控制与PLC应用.北京:机械工业出版社,2001.2 钟肇新等 可编程控制器原理及应用 华南理工大学出版社 2009年6月.3.韩建海 工业机器人
3、，华中科技大学出版社 2013.7 4 吕景泉.工业机械手与智能视觉系统应用 ,2014.4.学 生（签名） 年 月 日指 导 教师（签名） 年 月 日教研室主任（签名） 年 月 日系 主 任（签名） 年 月 日毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目基于PLC控制和伺服电机驱动的 三自由度球坐标机器人设计 一、 选题的背景和意义：本项目的背景:进入21世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近年来在东南沿海还在出现大量缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业化水平势在必行，本设计的目的就是利用市场上无锡信捷公司所提供的集成PLC的机器人运动控制器，设计一个低成本通用
4、性球坐标搬运机器人，应用于工业自动化生产线，把工业产品搬运到另一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。二、 课题研究的主要内容：1. 分析球坐标机器人的设计方案和传动方案。2. 设计机器人机械部分执行机构，包括：末端执行器、腕部、手臂等部件的设计。3. 选择合适的伺服电机， 4. 机器人的控制系统的设计：本机器人拟采用可编程控制器（PLC）对机器人进行控制，绘制出PLC电路原理图，伺服系统连接图，以及供配电线路图。三、 主要研究（设计）方法论述：1. 采用文献调研法， 广泛搜集资料，确立机器人研发技术路线。2. 现场勘查已建成的三自由度球坐标机器人，了解实
5、际运行请况。3. 广泛运用仿真技术，对机器人的运转进行深入了解。4. 系统化设计方法，分别搭建各子系统，每个系统进行实验，成功后最后对各系统进行总成。四、设计（论文）进度安排：时间（迄止日期）工 作 内 容2014-5.206.1查阅文献资料，撰写开题报告和文献翻译2014-6.18.10设计球坐标机器人的机械本体部分2014-8.1110.15使用CAD和INVENTER软件绘制出机器人的三维造型2014-10.1610.20绘制装配图2014-10.2010.22设计并绘制电气原理图2014-10.2210.24撰写论文2014-10.2410.30修改完善，准备答辩五、指导教师意见： 指
6、导教师签名： 年 月 日六、系部意见： 系主任签名： 年 月 日目录摘要.7Abstract.8第一章三自由度球坐标机器人设计方案分析1.1球坐标机器人介绍.91.1三自由度球坐标机器人课题的主要目标.91.2三自由度球坐标机器人设计方案.9第二章 三自由度球坐标机器人机械部分设计. .9 2.1 球坐标机器人的主要参数.102.2 手爪的设计.10 2.3机械手臂设计.113.4机身设计.14第三章 电气系统设计.13 3.1球坐标机器人总体控制原理 .183.2 PLC输入输出地址分配 .193.2 PLC控制电路设计 .20总结.24三自由度球坐标工业机器人毕业设计摘 要 近二十年来，机
7、器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。本毕业设计利用集成PLC的运动控制器XDM作为机器人控制器，开发一种新型球坐标工业机器人。根据球坐标工业机器人的技术特点和需求，提出总体设计方案，确定设计机器人的坐标形式和自由度数；选择合适的减速机和伺服电机，利用INVENTER软件设计出工业机器人的三维数字模型，并绘制出装配图。利用AutoCAD Electrical设计出控制电路图；选择基于PLC的工业机器人运动控制器作为控制器，采用触摸屏系统作为机器人的示教装置。开发出低成本，通用性较强的球坐标机器人系统。 关键词： 工业机器人，机器人，可编程逻辑控制器 ABSTRACTOv
8、er the past twenty years, robot technology is developing very rapidly, robots are widely in all fields of various kinds of purposes For the application. This graduation design with integrated PLC motion controller XDM as robot controller, develop a new type of spherical coordinates industrial robots
9、. According to the spherical coordinates technical characteristics and requirements of the industrial robot, put forward the overall design, determine the design of the robot coordinate form and freedom degrees; Choose the appropriate speed reducer and servo motor, using the INVENTER software design
10、 three-dimensional digital model of the industrial robot, and draw the assembly drawing. Use AutoCAD Electrical to design control circuit diagram; Choose industrial robots motion controller based on PLC as controller, using touch screen system as the teaching of the robotKeywords: industrial robot,
11、robot, PLC第一章三自由度球坐标机器人设计方案分析工业机器人在我国应用十分迅速，据统计，我国目前工业机器人装机数已经仅次于日本，是世界第二大工业机器人应用国，预计在2017年成为世界第一工业机器人应用大国。伴随着人工成本上涨，工业机器人价格下跌。我国工业机器人的发展迎来了井喷时期，据统计，我国目前已经出现30个多机器人产业园，涉足工业机器人制造的厂家有1400多家，未来5年，我国工业机器人应用将有 很大的进步。 1.1球坐标工业机器人的介绍工业机器人按照坐标形式可以分成圆柱坐标，球坐标，直角坐标和关节坐标,图1中，A代表直角坐标机器人，B代表球坐标机器人，C代表柱坐标机器人 ,D代表关
12、节机器人。 图1 几种常见工业机器人坐标形式球坐标机器人拥有两个旋转关节和一个移动关节。机器人可以绕Y，Z轴进行旋转，还可以沿X轴进行移动 。与正交坐标机器人呢相比，球坐标机器人的运动控制比较复杂，广泛应用在搬运，上下料，装配等场合 。1.2 三自由度球坐标机器人课题的主要目标（1）尝试设计一种低成本简易型球坐标机器人，用在搬运以及上下料。 (2) 利用集成PLC的无锡信捷机器人控制器，开发一种机器人控制系统 (3) 掌握三维数字设计软件INVENTER。1.3三自由度球坐标机器人设计方案分析 本毕业设计的内容是球坐标工业机器人，要完成设备之间的搬运工作，要求能够仰附，旋转和机械手伸缩。所搬运
13、的工件和手抓之间垂直。机器人主要由三个关节组成，一个是大臂仰附，旋转，以及小臂的伸缩。各关节的驱动方式可以是伺服电机，也可以是液压元件。考虑到本设计所运用的XDM机器人控制器具备总线方式控制伺服电机的能力，以及精度，速度，载荷，成本的要求，所有关节均采用伺服电机驱动。经过综合分析，球坐标机器人的运动方案如下：1号旋转关节，PLC伺服电机-减速机-伞齿轮传动-机械部件2号仰附关节，PLC-伺服电机-减速机-齿轮传动-机械部件3号伸缩关节, PLC-伺服电机-滚珠丝杠-滚珠螺母-机械部件第二章 三自由度球坐标机器人机械部件设计2.1 球坐标机器人的主要参数工业机器人的主要技术参数有夹持重量、自由度
14、、坐标形式、工作范围、工作速度和定位精度等，本毕业设计主要技术参数如下：(1)夹持重量，单位。夹持重量是指机械手在正常运行时所能抓取工件的最大重量，本设计要求抓取工件的重量为20kg，由于手臂强度等原因，安全系数K在2-3之间(2)自由度和坐标形式整机、手臂和手腕等运动共有三个自由度，坐标型式为球坐标。机器人的三个自由度分别为机身回转，手臂俯仰，伸缩及三个自由度，以满足上下料动作的要求，手腕姿态可以进行手动调整。(3)工作行程范围1.水平旋转角度：0-210度 2水平旋转速度 旋转速度0-2160度/S 3.仰俯轴角度：30-80度 4.仰俯轴旋转速度 移动速度0-1800度/分 5.伸缩轴行
15、程：600mm 6.伸缩轴移动速度 移动速度0-3000mm/分 (4)定位精度机械手采用点位控制方式，定位精度达到0.8mm.(5)所夹持工件为截面直径为48mm圆柱形工件。2.2 手爪的设计 球坐标机器人的手抓结构有多种形式，大体可以分成夹持方式以及吸附模式，加持方式有可以分回转型和平移型种方式。 由于本课题设计抓取的是回转型工件，所以采用回转型夹持设计。在这里借鉴了以前的成熟设计方案。气动机器人的手部结构如图2所示：其工件重量G=2公斤，V 形手指的角度2 = 120度 b = 120mm ， 轴半径R = 24mm ,摩擦系数为 f = 0.10(1) 根据手部结构的传动示意图，其驱动
16、力为:P=2b/R *N (2) 根据手指夹持工件的方位，夹持力力计算公式为:则P=2b/R *N=223（N） (3) 实际驱动力:图2 机械手抓结构 P(实际)大于等于P*(K1*K2/N)因为传力机构采用齿轮齿条传动，故取h = 0.95，并取K=1.5。若被抓取工件的最大加速度取a = 3g 时，则k2=a/g+1=4所以：P（实际）=223（1.5*4/0.95）=1472（N）所以夹持工件的夹紧气缸的驱动力为1472N2.3 机械手臂设计手臂采用伺服电机驱动，滚珠丝杠传动，在设计时充分考虑丝杠的载荷变化情况。1.伸缩手臂滚珠丝杠及电机选型计算 1.1 确定滚珠丝杠副的导程 根据设计
17、指标要求，导程为600mm.1.2 滚珠丝杠副的载荷及转速计算 滚珠丝杠副的静当量载荷： N= U（MvX U += Mh ）+f=162N+=+=m 式中： U 摩擦系数，滚动导轨摩擦系数为0.006。Mv机械臂和工件重量在垂直与导轨方向上的分量，在不同的工作角度，实际上机械臂和工件在垂直于机械臂导轨方向的分量不同。 Mh机械臂和工件重量平行与导轨方向上的分量，在不同的工作角度，实际上机械臂和工件在平行于机械臂导轨方向的分量不同。f导轨滑块密封阻力，约为密封阻力3N。 考虑到动载荷等因素，丝杠的动载荷为Nd= N X 6.8=162X6.8=1101.8N 1.3 估算滚珠丝杠的最大允许轴向
18、变形量dm =1/3或者1/4 重复定位精度 丝杠重复定位精度要求为0.01mm，则M= 0.0025mm1.4 估计算滚珠丝杠副的中径D 根据滚珠丝杠运动行程700mm， D 0.039sqrt( 162X700/2.5)=8.31.6 导程精度的选择 滚珠丝杠定位精度要求达到0.01m/1000mm，则任意700mm。长度的导程精度为0.007mm。 1.5 确定滚珠丝杠副规格代号 : 按照丝杠Ph、d2m、Cam选择内循环双螺母式滚珠丝杆，型号为FYND6310-4，2级精度，导程P10mm，螺纹底57mm8.42mm，外Xd=62mm，公称直Xd0=63mm，额定载荷也满足要求。 1.
19、8 电机选择 条件：选择伺服电机驱动，伺服电机选取无锡信捷大惯量伺服电电机MS60ST-M06025-21P5表1 MS60ST-M06025-21P5 电机参数表电机代码0004额定功率（KW）04KW 额定电流（A）2.5额定转速（rpm）3000最高转速（rpm）4000额定转矩（Nm）1.27峰值转矩（Nm）3.8反电势常数（V/krpm）28力矩系数（Nm/A）0.5转子惯量（Kgm2）0.43810-4绕组（线间）电阻（）3.49绕组（线间）电感（mH）8.47电气时间常数（ms）2.4重量（Kg）1.78 图4，手臂三维造型图图5，机械手臂装配图2仰俯运动所采用的电机选择手臂仰俯
20、也采用伺服电机驱动，根据三维数字模型所估算出的机械臂的重量，以及所需要的加速度，拟选择MS60ST-M06025-21P5 电机，并配合1：10传动比的减速器。 2.4 机身设计根据设计要求，机身要实现210度空间内旋转，拟采用的设计方案如下：电机与锥形齿轮通过减速机与锥齿轮连接，通过锥齿轮传递电机运动。图6 回转关节装配图驱动力矩应该与工业机器人转动的惯性力矩和各处的密封的阻力矩相等。M驱=M惯+M阻M惯=J dw /dtdw是机器人角速度启动的变化量.dt 是启动时间。两者之差是角加速度 J 是转动惯量回转部件的质量为40Kg,设置启动角度为20度，启动角速度3.5rad/s,启动设计时间
21、为0.3S 由计算机三维设计软件INVENTER计算出转动惯量J-28.26Nms ，M惯= J dw /dt=119N.mM阻= 0.03 M驱M驱=M惯+M阻=122.57NM经过计算选择MS-130ST- M06025-21P5电机，额定转矩6NM.通过1：30的减速机与锥齿轮连接表2 MS-130ST- M06025-21P5电机参数表电机型号 MS-130ST-M06025-21P5电机代码00421042额定功率（KW）1.51.5额定电流（A）6.07.4额定转速（rpm）25002500最高转速（rpm）30003000额定转矩（Nm）66峰值转矩（Nm）1818反电势常数（V
22、/krpm）6582力矩系数（Nm/A）1.00.81转子惯量（Kgm2）1.2610-30.8410-3绕组（线间）电阻（）1.010.7绕组（线间）电感（mH）2.945.07电气时间常数ms3.87.5重量（Kg）107.16图7 MS-130ST- M06025-21P5电机尺寸图根据以上内容的设计与分析，三自由度球坐标机器人设计装配图如图3.1所示图8球坐标机器人装配图图3.1图9 球坐标机器人的三视图图10 球坐标机器人三维效果图第三章 电气系统设计 3.1球坐标机器人总体控制原理 机器人的电控系统总体由控制单元（PLC）、运动控制单元、伺服驱动层和机器人本体组成。 图11 球坐标
23、机器人电气控制原理图采用信捷公司的高性能控制器XD3-60RTE每，该运动控制器是将PLC 与运动控制功能相结合的新一代运动控制器，可实现四轴联动、插补、滚切、随动、坐标转换等功能，可控制机器人实现高速点位运动、空间直线插补运动、空间圆弧插补等功能。36点NPN型输入，24点继电器（R）或晶体管（T）或继电器晶体管混合（RT）输出；AC220V（E）电源，最多可外接扩展10个模块和1块BD板，具有更高的处理速度，带时钟并对数据进行掉电保持，支持基本的逻辑控制和数据运算支持高速计数、脉冲输出、外部中断、电子凸轮、C语言编辑功能块、I/O点的自由切换、自由格式通讯、MODBUS通讯等功能。图12
24、控制PLC的尺寸安装图3.2 PLC输入输出地址分配表3 PLC的I/O分配输入信号输出信号序号PLC输入点信息名称序号PLC输出点信息名称1X0启动1com公共端2X1停止2Y0脉冲13X2回零3Y1脉冲24X3单步4Y2脉冲35X4单周期5Y3升降方向6X5手动6Y4回转方向7X6自动7Y5伸缩方向8X7抬升8com公共端9X8下已9Y6手爪夹紧电磁阀10X9左移10Y7手爪放松电磁阀11X10右移11Y8报警指示12X11夹紧12Y9紧急断电控制13X12放松13Y10运行指示14X13气压启动14Y11停止指示15X14左极限限位15Y1216X15右极限限位16Y1317X16上极限
25、限位17Y1418X17下极限限位18Y1519X18原点传感器检测19Y1620X20右极限限位20Y1721X21左极限限位21Y1822X22机械手伸出检测22Y1923X23机械手缩回检测23Y20运行指示24X24机械手夹紧检测24Y21停止指示25X15伺服报警PLC 通过脉冲+方向的方式控制伺服驱动器，手抓的张开与关闭均通过电磁罚控制汽缸来完成。3.3 PLC控制电路设计 图13 PLC控制电路图伺服驱动接受来自PLC的高速脉冲，驱动器自身带有增益计算功能，可以根据负载的大小进行测算并自动给出位置环增益大小，速度环的大小。伺服驱动原理图见图13。图14 伺服驱动电路图系统供电采用
26、380V交流电供电，变压器放在控制柜中，供配电详细电路请看附录一。图15 系统供配电图机器人PLC控制程序可以由现场具体的工作任务来进行编写。由于机器人控制器本身就是PLC,所以非常方便的可以与其他系统进行整和，比如工业相机，生产线，数控机床等等，本机器人控制器除了可以通过IO点与外部设备进行通讯外，还可以方便的通过各种通讯模块和接口与外部进行串口通讯，以太网通讯，Modbus通讯等多种方式的通讯。总结 在本次毕业设计中，但是完成了球坐标机械手的方案选择，部分部件的设计计算，三维造型，二维出图工作。主要完成手抓的驱动力的计算，各关节伺服电机扭矩的计算，以及滚珠丝杆副的选择。由于水平和时间有限，
27、更多的设计计算并未涉及，如锥齿轮对的设计计算，减速器的选型等等。将在以后的学习工作中加以补足。电气控制系统的设计方面，主要是基于无锡信捷电气自动化有限公司的XD系列PLC和伺服系统开发出控制系统 ，XD系列PLC具备多路脉冲发送功能，可以同时控制多轴伺服电机， 是集成运动功能的PLC。本设计对电路进行了详细设计，开发出具有三轴运动功能的工业机器人控制电路。由于未能涉及具体的工作任务，所以未能开发出相应的PLC程序。这也是不足之处。答谢辞 本次毕业设计历时5个多月，使我完整的经历了一次的机电一体化装置的设计过程，经历了查阅资料，方案选择，设计计算，三维造型，二维出图，电气元件选型，电路设计各个步骤，总体来讲，机械上做的比较粗糙，电气控制线路的花费的精力比较多。经过这次设计，对自己还是有很大的提高。在这里感谢我的指导老师颜鹏老师，他指导我第一次设计机电一体化装置。对我的专业能力提升帮助很大，在这里表示衷心的感谢。
