投本机械手结构改进设计及PLC控制

摘要

　　随着科学技术不断进步，越来越多危险的、繁杂的岗位被工业机器人取代。特别是在人口老龄化日益严重、年轻劳动力大量缺失的今天，"机器代人"己成为大势所趋。在我国大多数中小型印刷厂的书芯投放作业仍是由人工进行投放，这样不仅效率低下，而且在髙频率的投本后，还可能因疲劳而引发一系列的安全问题。故本文针对印刷厂的投本问题，设计了一款基于PLC控制的投本机械手。

　　在了解了投本作业实际情况和设计要求，确定了投本机械手的坐标形式和驱动方式，明确了投本机械手、书芯架和圆盘包本机三者的位置关系后，对投本机械手的作业进行了运动分析和时间分析。投本机械手的运动分为底座和立柱的往复运动、手腕的旋转运动、手爪的开合运动等四个部分的运动。借助Solidworks软件对这四个部分进行了结构设计、虚拟装配、干涉检查，验证了投本机械手结构的合理性。投本机械手的底座部分和立柱部分的执行元件为液压缸，手腕和手爪部分分别为回转气缸和手指气缸。在完成投本机械手的结构设计后，对液压和气压系统的原理图进行了绘制，对液压和气压系统的元器件进行了设计和选型计算。

　　根据投本机械手的作业要求拟定了PLC控制系统的控制要求，绘制了I/O表和I/O接线图，编写了控制程序梯形图，并将编写好的梯形图程序输入到GXWorks2软件中进行仿真调试，验证了梯形图程序的合理性。最后，利用GTWorks3软件对投本机械手的触摸屏人机交互界面进行了设计，使工人在操作投本机械手时更加便利。在四个光纤传感器的作用下，可实现投本机械手与书芯架和圆盘包本机的协同控制。投本机械手可对A4和B5两种型号的书芯进行投放，且投放的效率远高于人工投放时的效率，很大程度上解决了印刷厂投本作业的问题，提升了印刷厂生产线的自动化程度。

　　关键词：投本机械手；结构设计；液压与气压系统；PLC控制

　　目录

　　1绪论

　　1.1课题研究背景和意义

　　1.1.1背景

　　面对国际制造业竞争加剧，国内经济进入低速增长的新常态，人口红利逐渐消失等方面的挑战，中国制造业面临转型升级的巨大压力[1].为此，我国政府在美国2012年推出"再工业化"发展战略、日本制定并实施机器人产业发展战略、韩国2012年10月发布"机器人未来战略展望2020"、德国2013年4月提出"工业4.0"战略之后，于2015年5月8日制定了制造强国战略的第一个十年行动纲领《中国制造2025》，提出要通过机器人产业的发展引领我国制造业行业标准的提升[2-4].

　　由图1-1可知我国在接下来的10年至30年内65岁以上人群占人口比重急剧攀升，会导致人口老龄化严重、年轻的劳动力缺失，使得我国劳动力成本上升，制造业面临转型升级。制造业转型升级的关键在于机械代替人工劳动，使企业制造成本降低。工业机器人在制造业转型升级的过程中充当着不可或缺的角色[5].虽然我国工业机器人产业发展迅速，但是我国工业机器人产业起步较晚，在制造业转型的过程中速度进展缓慢。所以，我国需要大力发展工业机器人技术，降低劳动力成本，促进国家制造业快速转型[6_8].随着21世纪自动化技术的飞速发展，机器人产业实现了腾飞。我国机器人的发展也进入了一个黄金时期，在这期间我国工业机器人技术不断突破，己连续六年保持机器人销量全球第一，成为了全球最大的工业机器人生产、消费市场，2008-2017年我国工业机器人销量及增长率如图1-2所示虽然我国工业机器人的发展取得了较为可喜的成绩，但是由于我国对工业机器人的研宄起步较晚，也还存在一些问题。例如，我国在智能机器人等高端机器人领域的研究与一些发达国家还有较大的差距，工厂的工业机器人相对于日本、德国等国家来说，普及程度不够大，自动化程度不够高。

　　工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成，可以仿造人的手臂的各个关节代替人完成各种重复、复杂或具有危险性的动作。工业机器人是造业的支柱，可以提高企业的生产效率、促进实体经济快速发展、解决我国因人口老龄化带来的劳动力短缺等问题。

　　1.1.2意义

　　我国印刷总量在2013年己经位居世界第二，是名副其实的印刷大国。但是印刷效率又远远低于世界发达国家，显得又有些名不副实[1M2].德国和日本等印刷行业发达的国家其印刷工厂的自动化程度都非常高。例如，德国的印刷工厂连抖纸和搬纸这样的"重活"都是由专门的电动设备来完成。德国的人工成本非常高，像这种简单的体力活，能用机械完成一定是用机械的[13_14].反观我国的印刷行业，大多数中小型印刷工厂的印刷设备可能都实现了自动化，但是设备与设备之间的衔接仍是由人工来完成，没有真正意义上实现生产线的全自动化。比如，书芯的胶订工作仍然需要人工进行投放，因为人的投放速度是有限的，并不能发挥出胶订机的最大胶订速度，会造成机器产能浪费，且人会疲劳，不能像机器一样24小时不间断的工作。所以，本文拟设计出一款基于PLC控制的投本机械手来代替人工完成投本胶订工作。投本机械手代替人工进行投本工作不仅可以大幅提高企业的生产效率、最大限度的发挥机器产能，实现工厂的全自动化生产，还能降低工人在工作中的安全患，故对投本机械手的设计研究是有意义的。

　　1.2国内外工业机器人研究现状

　　1.2.1国外工业机器人研究现状

　　自1961年美国的Unimation成为了世界上第一个工业机器人以来，世界各个国家都对工业机器人市场非常乐观，并且投入了大量的人力和财力来开发工业机器人。美国早在1961年就开发了世界上第一台工业机器人，与此同时美国的失业率在1960年代和1970年代也迅速上升。美国政府担心机器人会让更多人的失业，因此只有几所大学和几所公司来从事与机器人技术有关的研究工作[15].此时，美国研发机器人仅仅只是处于理论研宄阶段，还没有到进行应用程序开发的阶段。1978年，美国公司Unimation推出了一款通用工业机器人（ProgrammableUniversalMachineforAssembly,PUMA），该机器人已应用于通用汽车的装配线，这代表了工业机器人技术的全面成熟。PUMA仍在工厂第一线上运行[16-18].1960年至1970年，日本经济的快速发展导致了工人严重短缺，美国生产的第一台工业机器人给日本的工业市场带来了巨大希望。1967年，川崎重工有限公司的日本人首次从美国引进机器人和技术，并建立了生产厂房。1968年，日本制造的第一台unimate机器人问世[19_2（）].

　　1982年，日本不二越公司也成功研制出"FUJIACE"系列的专用码垛机器人。机器人结构简单、重量轻、振动小，每小时可以运转1600次，有效载荷能力达到200公斤。2000年，FANUC公司推出的N41Oiww码垛机器人，有效的工作范围为1600mm,每小时730个工作周期。适用于各种包装箱的码垛，可同时服务于多个不同的进料和码垛工作站[21].2008年，FANUC公司研制出当时世界上承载能力最大的6轴机器人M-2000iA.其有效载荷可达1200公斤[22_23].

　　德国KUKA公司作为世界上四大工业机器人家族之一，在工业机器人技术领域也有着很深的沉淀。1973年，KUKA公司建造了世界上第一台六轴机电驱动的工业机器人FAMULUS.2007年，最强大的6轴工业机器人titan被KUKA设计出来。它具有开放式运动系统和独特的负载功能，能准确快速地对6.5米外的重物进行搬运。图1-3为KRAGILUS:HygienicMachine款机器人，这款机器人是KRAGILUS系列机器人中最新产物之一。此款机器人的设计和材料都可以达到最高的健康标准。这使得它可以适用于直接接触食品和药品的应用。图1-4为KR1000L750titan型号的机器人。它的有效载荷是瑞典的ABB是世界上最大的机器人制造公司之一。

　　1974年，世界上第一台全电子控制的工业机器人IRB6问世，主要使用于工件的拣放和物件的搬运[28].

　　2009年，六轴小型工业机器人IRB120被制造出，在当时世界上所有的工业机器人中，它的精度最高，速度最快，且重量仅为25kg,其外形如图1-5所示[29].当前全新的IRB120T做为快速拾放应用的基准，需要极大的灵活性和业界领先的10微米重复性。改进后的六轴机器人IRB120T在保持传统的紧凑、灵活、轻便功能的同时，也实现了4、5、6轴最大速度的大幅提升，工作循环时间提高了将近25%.2011年，世界上速度最快的码垛机器人IRB460被研制出，其外形如图1-6所示。IRB460的有效载荷为110公斤，可达2.4米，负载为60公斤，每小时可循环工作2190次，比最接近的竞争对手快15%[3M2].

　　上述各个国家的机器人公司都是世界上著名的工业机器人生产公司，他们工业机器人技术基本上代表着全球工业机器人技术的尖端水平。这里值得一提的是，美国的工业机器人技术虽然不如日本、德国等国家先进，但是在军工、太空、生活服务等领域上，美国的机器人技术是处于世界领先水平的。

　　1.2.2国内工业机器人研究现状

　　二十世纪七十年代，世界上掀起了一波工业机器人的热潮，各国都在大力发展工业机器人技术，其中日本因为劳动力减少的原因，发展最为迅速。在这种背景之下，我国于1972年开始了对工业机器人的研宄。到现在，我国对工业机器人的研究己有近50年，发展的历史过程大致能分为以下三个不同阶段：1972年-1985年的萌芽期；1985年-2000年的技术研发期；2000年至今的产业化期[33_35].1972年至1985年是萌芽时期，在萌芽初期，主要是对机器人的基础理论进行研究，并且在机器人机构学、运动学等方面取得了一定的成果。在后期，随着工业机器人技术逐渐得到政府的高度重视和支持后，开始了样机的研发。1985年，上海交通大学的机器人研究所完成了中国第一台自主研发的六度自由联合机器人"上海一号弧焊机器人的研究[36-37].但由于当时国家经济体制的限制，导致我国发展工业机器人技术可以在此期间，相对于日本、美国等发达国家来说，发展并不迅速。在1985年-2000年技术研发期间，在几位科学家的建议下，863国家高技术研宄发展计划于1986年3月正式启动。在863计划启动后，国家大量引进了国外有关工业机器人的先进技术。

　　至此，我国的工业机器人技术开始了高速发展。1987年，航空部633研究所、上海工业大学、上海第一机床厂联合研制了一台五自由度全电动关节式机器人SIR-II,它负荷重量15kg可适用于上下料、搬运、点焊、弧焊等作业[38_39].1995年5月，我国第一台能实现高精密装配的工业机器人被上海交通大学研究院研制出，它的诞生也表示我国的工业机器人技术己达到第二代工业机器人的技术水平[4（M1].

　　进入二十一世纪以来，由于我国庞大的工业机器人市场需求，工业机器人开始大规模批量的生产。不同领域的企业和工厂纷纷引进工业机器人来代替人工进行一些重复且复杂的危险动作。市场需求也促进了工业机器人技术的蓬勃发展。在"九五"期间，国家的"863"计划将沈阳新松机器人自动化股份公司、哈尔滨博实自动化公司、北京机械工业所以及上海机电一体工程公司等企业，设立为智能机器人的产业化基地[4244].2004年，首钢莫托曼图有限公司研制了一台六轴多关节型工业机器人SG-MOTOMAN-UP6,如图1-7所示。其具有精度高、速度快、动作范围广、安全性可靠等特点，广泛应用在喷涂、焊接、切割、搬运等领域[45"^.

　　2009年，哈尔滨工业大学和奇瑞汽车公司合作开发出了第一台奇瑞点焊机器人，并且将这台点焊机器人投放到奇瑞的焊接车间进行点焊工作t47'48]〇沈阳新松机器人自动化股份有限公司与中国科学院和哈尔滨工业大学等国内著名的科研院所和高校有着密切的合作关系，其工业机器人技术在国内处于顶尖水平[49].工业机器人产品包括6kg-300kg等，主要面向点焊、搬运、装配、码垛、研磨等多方面应用，产品性能达到国际同类产品技术水平，图1-8为6轴工业机器人典型产品[5（）].

　　1.3主要研究内容

　　本课题的主旨是设计一款自动投本机械手代替人工进行投本工作。首先投本机械手的结构要能满足运动要求，其次投本机械手投本的效率要高于人工投本时的效率。投本机械手的设计内容包含结构设计、液压与气动传动系统的设计、及控制系统的设计等三个主要部分。具体的章节内容如下：

　　（1）首先阐明选题的研究背景及课题意义，其次通过阅读大量相关的文献后，总结工业机器人国内外的发展现状，最后对整体的研究内容进行概括。

　　（2）根据印刷厂生产线的实际应用环境和设计要求对投本机械手进行坐标形式和驱动方案选择，之后确定书芯、投本机械手、圆盘包本机三者具体的位置关系，最后对投本机械手的动作流程和投本时间进行分析。

　　（3）对投本机械手各部分进行具体的结构设计，利用Solidworks软件对投本机械手的各零部件进行三维建模、装配和干涉检查。

　　（4）根据投本机械手的动作要求设计液压与气动系统，绘制液压系统原理图和气动回路原理图，完成液压和气动系统关键零部件的选型。

　　（5）在明确整体控制要求后，对PLC的型号、行程开关和传感器进行选型。在绘制I/O点分配表和1/?点接线图后，利用梯形图进行程序设计。将编写好的程序导入到GXW〇rks2软件进行仿真，以此来检验程序语法和逻辑上的合理性。最后利用GTWorks3软件对设计投本机械手的触摸屏人机交互界面。

　　2投本机械手的总体设计

　　2.1应用环境与设计要求

　　2.2坐标形式和驱动方案确定

　　2.2.2驱动方案的确定

　　2.3位置关系的确定及时间分析

　　2.3.1位置关系的确定

　　2.3.2运动规划及时间分析

　　2.4本章小结

　　3投本机械手的结构设计

　　3.2立柱部分的设计

　　3.3臂、腕和手爪部分的设计

　　3.4基于Solidworks软件的三维建

　　3.4.1投本机械手各结构的三维建模

　　3.4.2整机的虚拟装配

　　3.4.3干涉检查分析

　　3.5本章小结

　　4液压与气压传动系统设备

　　4.1液压系统原理图的拟定

　　4.2液压元件的选择与

　　4.2.1液压执行件的设计

　　4.2.2液压泵的计算与选型

　　4.2.3液压阀的选型

　　4.2.4管路参数计算

　　4.2.5液压油箱参数计算

　　4.3气压系统原理图的报定

　　4.3.1气压回路的设计

　　4.3.2绘制气压原理图

　　4.4关键气压元件的选型计算

　　4.4.1手指气缸的逸型计算

　　4.4.2回转气缸的选型计算

　　4.5本章小结

　　5 PLC控制系统的设计

　　5.1 PLC的述

　　5.1.1PLC的特点

　　5.1.2 PLC的组

　　5.1.3 PLC的工作原理

　　5.2投本机械手与的后设备的协同控制要求

　　5.3硬件部分的设计

　　5.3.1 PLC的

　　5.3.2 IO点的分配和I0接线图

　　5.4控制程序的设计

　　5.4.1 0X Works2编程软件简介，

　　5.4.2相关指令说明

　　5.4.3梯形图程序设计

　　5.5梯形图程序的检查与仿真

　　5.5.1程序检查，

　　5.5.2程序的仿真调试

　　5.6控制系统触摸屏操作界面设计

　　5.7本章小结

　　结论

　　针对圆盘包本机书芯投放存在的安全、效率等问题，设计了一款投本机械手代替人工进行投本作业。主要对投本机械手进行了结构设计、液压与气压传动系统设计、PLC控制系统设计等。得到的具体结论如下：

　　（1）投本机械手的坐标形式为直角坐标式，底座和立柱部分由液压驱动，手腕和手爪部分由气压驱动。底座部分采用了齿轮齿条倍增机构，大大的减少了底座占用的空间面积。对投本机械手进行三维建模和干涉检查后，可知结构设计合理。

　　（2）在确定投本机械手的底座和立柱部分采用液压驱动，手腕和手爪部分采用气压驱动后，根据拟定的液压和气压的原理图对系统所需的液压和气压元件进行参数选型计算，确定底座和立柱液压缸的缸径为40mm,活塞杆径为14_.液压泵的型号为CB-B50,单向阀的型号为S10A12B,底座和立柱部分三位四通换向阀的型号分别为4WE6E50B/AW220-50N和4WE5E6.0B/AW220-50NZ5L,单向节流阀的型号为MK10G1.2B,溢流阀的型号为DBDH6G10B,油箱的容量为100L,回转气缸的型号为HRQ70A,手指气缸的型号为MHL2-20D1-M9BW.

　　（3）投本机械手的运动由PLC进行控制，PLC的型号为三菱公司的FX2N-48MR-001,共有24个输入点和24个输出点，输出类型为继电器输出。梯形图程序编写完毕后，在GXW〇rks2软件中验证了其语法和逻辑上的合理性。最后出于增强工人与投本机械手交互性的角度考虑，利用GTW〇rks3软件设计了触摸屏人机交互界面，触摸屏的型号为GT2308-VTBA〇。

　　（4）在四个光纤传感器的作用下，投本机械手可实现与书芯架和圆盘包本机的协同控制，即投本机械手在感应到书芯架上有书芯时才会对书芯进行夹持，在感应到圆盘包本机旋转到合适的工位后才会进行投放。投本机械手可投放市面上最普遍的A4和B5型号的书芯，厚度范围为3?40mm.其中书芯型号为A4时投放一次的时间为2.2s,圆盘包本机旋转一周进行五次包本作业，时间为11s,人工投放时平均每本投时间为3秒，即投本机械手的投本效率比人工投本的效率高了36.4%.当书芯型号为B5时投放一次的时间为2.6s,圆盘包本机旋转一周的时间为13s,投本的效率比人工投放的效率高了15.4%.

　　致谢

　　紧张的研宄生学习生涯即将结束，在这里我要特别感谢哈尔滨商业大学给了我一个广阔的学习平台，让我在这期间不仅学习到了很多专业方面的知识，也学到了很多为人处世的道理。感谢轻工学院为我提供了良好的学习环境和学习氛围，同时也感谢学院的领导和老师对我的教导和帮助！

　　本论文是在导师于贵文教授亲切的指导和悉心的关怀下完成的，每次遇到问题向于贵文老师请教时，老师总能非常耐心的指导我很长时间，而且在指导我专业知识之余，也会关心我生活上的问题，让我在学校学习知识的同时也感受到了莫大的温暖，在此由衷的感谢于贵文老师在我研宄生学习阶段对我的帮助！最后还要感谢室友和同学在校期间对我的帮助，感谢爸妈一直以来对我的支持！

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