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本科毕业论文文档格式.docx

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常州信息职业技术学院

起迄日期：

2014.9.20—2014.11.0

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，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

2014-5.20~6.1

查阅文献资料，撰写开题报告和文献翻译

2014-6.1~8.10

设计球坐标机器人的机械本体部分

2014-8.11~10.15

使用CAD和INVENTER软件绘制出机器人的三维造型

2014-10.16~10.20

绘制装配图

2014-10.20~10.22

设计并绘制电气原理图

2014-10.22~10.24

撰写论文

2014-10.24~10.30

修改完善，准备答辩

五、指导教师意见：

　　　　　　　　　　指导教师签名：

年月日

六、系部意见：

　　　　　　　　　　　系主任签名：

摘要............................................................7

Abstract........................................................8

三自由度球坐标工业机器人毕业设计

摘要

近二十年来，机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AutoCADElectrical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

ABSTRACT

Overthepasttwentyyears,robottechnologyisdevelopingveryrapidly,robotsarewidelyinallfieldsofvariouskindsofpurposes

Fortheapplication.ThisgraduationdesignwithintegratedPLCmotioncontrollerXDMasrobotcontroller,developanewtypeofsphericalcoordinatesindustrialrobots.Accordingtothesphericalcoordinatestechnicalcharacteristicsandrequirementsoftheindustrialrobot,putforwardtheoveralldesign,determinethedesignoftherobotcoordinateformandfreedomdegrees;

Choosetheappropriatespeedreducerandservomotor,usingtheINVENTERsoftwaredesignthree-dimensionaldigitalmodeloftheindustrialrobot,anddrawtheassemblydrawing.

UseAutoCADElectricaltodesigncontrolcircuitdiagram;

ChooseindustrialrobotsmotioncontrollerbasedonPLCascontroller,usingtouchscreensystemastheteachingoftherobot

Keywords:

industrialrobot,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->

齿轮传动->

3号伸缩关节,PLC->

滚珠丝杠->

滚珠螺母->

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、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 

0-210度

2水平旋转速度旋转速度0-2160度/S

30-80度

4.仰俯轴旋转速度移动速度0-1800度/分

5.伸缩轴行程：

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0.8 

mm. 

（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