摘 要

随着科学技术的发展，工业生产的自动化要求越来越高，而作为其中一项具有代表性的成果—工业机械手，目前已应用到各类劳动强度大、危险系数高的场合，提高了生产效率，并保证生产安全。针对市面上中小型通用机械手类型少且不可调速等问题，本文设计了一款成本低、效率高且可调节运行速度的双轴机械手，具体研究内容如下：

（1）XZ双轴机械手总体设计。首先概述了机械手的相关理论，提出了本文机械手设计的基本要求，然后确定其结构设计方案，运用Solidworks软件进行三维建模，得到机械手的整体结构，最后对其关键组件完成了选型和校验。

（2）PLC控制系统总体设计。根据控制系统设计要求，分别对PLC和变频器进行了详细的分析选型并设置相关参数，然后确立了限位开关结构类型和系统通讯方案，最后在AutoCAD软件上画出控制系统硬件接线图。

（3）PLC控制程序设计及仿真。在GX Developer软件上完成控制程序设计，包括复位程序、自动程序、调速程序和手动程序等，程序设计完之后用GX Simulator软件仿真，检验是否满足控制系统要求。

通过以上研究，得到XZ双轴机械手具体结构及其PLC控制系统，具有一定实际工程研究价值，为后续完善并应用于生产奠定了基础。

关键词：机械手；PLC；控制系统；调速

Abstract

With the development of science and technology, the automation requirements of industrial production are getting higher and higher. As one of the representative achievements-the industrial manipulator has been applied in many kinds of occasions with high labor intensity and high risk coefficient, which improves the production efficiency and guarantees the production safety. In order to solve the problems of small and medium sized general manipulator in the market, such as few types and non-adjustable speed, this paper designs a two-axis manipulator with low cost, high efficiency and adjustable operating speed. The specific research contents are as follows:

(1) Overall design of XZ two-axis manipulator. This paper first summarizes the relevant theories of the manipulator, proposes the basic requirements for the design of the manipulator in this paper, then determines its structure design scheme, uses Solidworks software for 3d modeling, obtains the overall structure of the manipulator, and finally completes the selection and verification of its key components.

(2) Overall design of PLC control system. According to the design requirements of the control system, the detailed analysis and selection of PLC and frequency converter are carried out, and the relevant parameters are set, then the structure type of limit switch and the system communication scheme are established, finally the hardware wiring diagram of control system is drawn on AutoCAD software.

(3) PLC control program design and simulation. Complete the control program design on GX Developer software, including reset program, automatic program, speed control program and manual program, etc. after the program design is completed, use GX Simulator software for simulation to check whether it meets the requirements of the control system. Through the above research, the specific structure of the XZ double-axis manipulator and its PLC control system are obtained, which has certain practical engineering research value and lays a foundation for the subsequent improvement and application in production.

Key words: manipulator; PLC; Control system; speed governing

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 机械手国内外研究现状 1

1.2.1 机械手的国外研究现状 1

1.2.2 机械手的国内研究现状 2

1.3 课题研究目的及主要内容 3

1.3.1 课题研究的目的 3

1.3.2 课题研究的主要内容 3

第2章 XZ双轴机械手总体设计 4

2.1 机械手概述 4

2.2 机械手的设计要求 5

2.3 机械手结构设计方案 5

2.3.1 机械手的驱动方案 5

2.3.2 机械手的传动方案 6

2.4 机械手结构三维建模 6

2.4.1 X轴单元的结构设计 6

2.4.2 Z轴单元的结构设计 7

2.4.3 立柱的结构设计 8

2.4.4 手爪的结构设计 9

2.4.5 机械手整体结构 10

2.5 关键组件的选型与分析 11

2.5.1 行程及速度曲线分析 11

2.5.2 齿轮齿条的选型分析 12

2.5.3 电机的选型分析 15

2.5.4 气缸的选型分析 16

2.5.5 轴承的选型分析 17

第3章 PLC控制系统总体设计 19

3.1 控制系统的设计要求 19

3.2 可编程控制器模块 19

3.2.1 可编程控制器简介 19

3.2.2 I/O端口需求分析及分配 21

3.2.3 PLC的选型 22

3.3 变频器模块 22

3.3.1 变频器简介 22

3.3.2 变频器的选型 23

3.3.3 变频器的参数设置 24

3.4 限位开关的选型 25

3.5 通讯方案的确定 26

3.6 接线图方案设计 27

第4章 PLC控制程序设计及仿真 29

4.1 GX Developer编程软件简介 29

4.2 复位程序的设计 29

4.3 自动程序的设计 30

4.4 调速程序的设计 32

4.5 手动程序的设计 32

4.6 控制程序的仿真过程 33

第5章 总结与展望 36

参考文献 37

致谢 39

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

从经济发展的角度来看，中国越来越多的企业已经实现技术转型，而不再依靠原始的人力生产模式，因此要想较快地发展经济，必然要先推动制造业发展，实现向工业生产自动化转变，以达到现代化生产要求。从制造业发展的角度来看，传统制造业已经无法满足当下生活和生产各方面的要求，在全面技术革新的大背景下，制造业的水平将不断提高，相应地，生产成本减少，生产效率大幅提升^[1]。工业机器人是实现生产过程自动化的必要装备和手段，而作为它的一个重要分支——工业机械手自然有着极其重要的意义。不管是在传统制造业（例如机械制造、汽车制造、电器制造、冶金、矿业等领域）还是现阶段的工业生产中（例如新能源利用、航空航天、生物医学等高新技术领域），工业机械手都发挥着关键性的作用^[2]。

总的来说，工业机械手在满足社会生产需求的同时，还创造了经济效益，因此工业机械手的研究越来越受重视，其特点总结如下：