摘 要

工业机械手能实现自动定位控制,并且它可以通过编程实现多功能转换及调节。随着工业的发展，自动化越来越高。工业机械手已经成为工业上必不可少的工具。

本文以工业自动化生产中应用广泛的工业机械手为设计背景,来设计数控机床上下料机器人。工业机器人的结构多种多样，主要有直角、圆柱、关节和极坐标形式。可以使用电机驱动，也可以采用液压和气压传动。随着传感器技术的快速发展，工业机器人的检测与控制精度越来越高。控制器的发展使其功能越来越强。能够实现对机器人的准确控制。

本文根据上下料机器人的工作流程和控制要求，通过对其机械结构的简单设计。采用圆柱坐标形式。对机械手运动学分析。并进行Matlab仿真，完成了对驱动系统的总体设计，采用电机驱动与气压相结合，设计交流电机位置伺服控制系统。编写PLC控制程序，并进行调试。

本次毕业设计设计了一种适用于某一特定加工工序的机器人，主要侧重于设计上下料机器人的驱动系统和控制系统。

关键词：上下料机器人，驱动系统，控制系统，PLC, Matlab仿真

Abstract

Manipulator is a kind of automatic positioning control and can be programmed to achieve multi-functional conversion and adjustment of the machine. With the rapid development of industry, automation is becoming higher and higher, the industrial manipulator has become an indispensable tool in the industry.

This paper takes the manipulator which is widely used in the industrial automation production as the background, to design the loading and unloading manipulator on the CNC machine tools. The structure of the robot is varied with rectangular ，cylindrical, joint and polar coordinates forms. Drive mode can be motor and also be used in hydraulic and pneumatic transmission. With the development of sensor, the precision of the detection and control of the robot is higher and higher. The rapid development of controller makes its function stronger and stronger, can achieve many complex motion controls, and can realize the accurate control of the robot.

According to the working process and control requirements of the robot, by the simple design of the mechanical structure, choose the cylindrical coordinates, complete the kinematic analysis of the manipulator, and make the MATLAB simulation; complete the overall design of the driving system, driven by the motor combined with pneumatic, design the AC motor position servo control system; make the PLC control program and debug.

Key Words：loading and unloading robot, Driving system, Control system, PLC, Matlab simulation

目 录

摘要 1

Abstract 1

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 研究内容及研究目标 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 研究目标 3

第2章 上下料机器人总体结构设计方案 3

2.1 上下料机器人总体结构布置自由度分配 3

2.2 机械与传动结构设计 5

2.2.1 底座结构设计 5

2.2.2 手臂结构设计 5

2.2.3 手爪结构设计 5

第3章 上下料机器人运动学分析 6

3.1 机器人运动学模型的建立 6

3.2 基于Robotics Toolbox的机器人运动学仿真 9

3.3 机器人路径规划 12

第4章 上下料机器人驱动系统设计 13

4.1 机器人驱动方式 13

4.2 电机驱动系统设计 14

4.2.1 电机和减速器选型 14

4.2.2 传感器的选型 15

4.2.3 伺服驱动系统设计 16

4.3 气动系统设计 18

4.3.1 手爪夹紧力与驱动力计算 18

4.3.2 手爪气缸的选型 19

4.3.3 手爪气动系统设计 19

4.3.4 手腕气动系统设计 20

第5章 上下料机器人PLC控制系统设计 20

5.1 机器人控制器选型 20

5.2 PLC控制器I/O口设计 21

5.3 PLC控制程序设计 22

5.3.1 主程序设计 22

5.3.2 手动程序设计 23

5.3.3 自动程序设计 23

5.4 PLC程序调试 24

第6章 结论 27

6.1 毕业设计任务总结 27

6.2 展望 27

参考文献 28

致谢 30

附录 31

第1章 绪论

本章介绍了论文研究的目的及意义。简要叙述了上下料机器人在工业上的重要作用，通过研究上下料机器人在国内外的研究现状，确定了其研究的方向。同时也确立了论文的设计内容与目标。

1.1 研究的目的及意义

伴随着机器人的快速发展，生产工业化的进程不断推进，在生产制造业中自动化水平越来越高，这但是在国内的多半工厂的生产线中，仍然是工人们对数控机床进行上下料，这种生产线的自动化水平低、生产效率比较低、生产质量较低 ^[1]。人们在高温或低温、暴风雾霾、高压或低压、放射性强、大噪音等恶劣生产环境中工作，这会对人产生很大的危害。在自动化水平日益提高的工业化时代，数控机床上下料机器人能够实现高效、快速、大批量生产节拍的生产。 ^[2]。

工业机械手是在生产过程中使用的自动工业装备，它能够自动抓取并移动物体。在工业生产中机械手也称为“工业机器人”，数控机床上下料机器人能在数控机床上下料环节取代人工装卸工件，完成工件的自动装卸功能。随着自动控制理论的不断发展，工业机械手可以配合数控机床设备，改造成为一个柔性制造单元或柔性加工系统，从而完成大多数重复性的工件搬运工作，大大加快生产的节拍，同时，省去了大量的工件输送装置，极大程度上降低成本。通过机械手工业自动生产线的引入，能够提高企业的生产效率。所以，自动机械手装置特别适用于自动化大批量的机械生产和制造加工^[1]。

随着机床高速、高效率和高精度趋势的不断发展，数控机床加工生产过程中自动上下料技术将具有更广阔的发展远景。所以将数控机床与自动化机械手结合起来，实现自动上下料将是工业机器人的一个重要的发展趋势^[3]。