摘 要

随着机械、电子行业的发展，自动控制系统的应用越来越广泛，如自动化组合机床、自动生产流产线、工业机器人等。其中工业机器人是近年来才迅速发展的新兴产业，但是它已经在很多方面革新了当前的生产技术，在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用。

三自由度钻孔机器人是工业机器人产品，采用PLC控制，步进电机驱动，控制机器人的伸缩、升降、圆台旋转、钻孔等动作。其执行机构由手臂伸缩机构、回转和升降机构3个主要部件所组成。驱动方式为电动机驱动，控制方式采用了可编程（PLC）控制方式进行控制。整个设计过程运用了机械设计、电子技术、自动化控制等等课程，通过对机器人总体机械结构、机械机构、驱动系统和PLC控制系统设计，形成一个协调有规则的机械整体。

关键词：PLC；三自由度；圆柱坐标钻孔机器人

The Cylindrical coordinate drilling robot

ABSTRACT

With the development of machinery and electronic industry, the application of the automatic control system is used more and more widely, such as the aggregate machine-tool, automatic production line , industrial robots. The industrial robot is an emerging industry, but it also develop rapidly in recent years Even so, it has raised the current production technology in many ways, the use of the industrial robots in many fields has proved that It can increase the level of automation, labor productivity and product quality. And of course including economic efficiency, and work environment.

The three degrees of freedom drilling robot is an industrial robots. It adopts PLC control and drives with motor to control the robot’s stretching, lifting, rotation and other activities. The whole design process using the mechanical design, electronics, automation, and other courses. Based on robot general mechanical structure, drive systems and PLC control system design, formed a coordination machinery as a whole.

Key words：PLC; three degrees of freedom,;drilling robot

目 录

1 绪论 1

1.1 机器人发展概况 1

1.2中国研制机器人情况 1

1.3 未来展望 2

2 钻孔机器人的总体设计 4

2.1概述 4

2.2设计分析 4

2.2.1设计要求 4

2.2.2方案初步设计 4

2.2.3技术指标 5

3 臂部的设计及计算 6

3.1臂部设计的基本要求 6

3.1.1 手臂刚度 6

3.1.2 精度 6

3.1.3 稳定性 7

3.2手臂的设计计算 7

3.2.1 偏重力矩的计算 7

3.2.2 升降导向不自锁的条件 8

3.2.3手臂伸缩驱动电动机的设计计算 8

3.2.4 确定电动机 10

3.2.5 确定轴的直径 11

4 驱动装置的选择 12

4.1直线驱动机构的选择 12

4.1.1 计算载荷 12

4.1.2 选择滚珠丝杆副的型号 13

4.1.3 刚度验算 13

4.1.4计算效率 14

4.2 谐波齿轮的选择 15

5 控制系统设计 17

5.1 PLC程序设计 17

5.2 控制系统的硬件设计 18

5.3 工作流程 18

5.4 状态转移图 21

5.5 梯形图 24

5.6 程序设计 26

6 总结与展望 32

致 谢 33

参考文献 34

1 绪论

1.1 机器人发展概况

第一代机械手早在1948年就出现了，当时的机械手是美国阿贡实验室用来做放射性试验，用机械手替代人手来进行实验。虽然美国是发展机器人最早的国家，但是对机器人应用最广泛的却是日本，到2000年，日本拥有机器人约35万台，占全球总数的60%。近三十多年以来，机器人工业迅速发展，达到了前所未有的高度。这是一个综合了机械、电子、计算机，人工智能等各学科最高水平的成果。

工业机器人是一种能够精确定位、快速、便捷、高自由度的自动化设备，也被称为机械手；由于机器人工作的环境、任务等条件都是事先可以确定的，所以可以通过采用编程控制来控制机器人完成各种不同的动作。不仅如此工业机器人还可以适应不同的恶劣环境和高强度的工作，因此被广泛应用在喷涂、焊接等岗位。当机器人进一步向运输、建筑、机械加工等领域发展时，机器人的自主工作能力就遇到了严峻的挑战。所以现代的机器人都是拥有多传感器和计算机远程遥控等功能的新型智能机器人。

1.2中国研制机器人情况

我国的工业机器人发展起步较晚，所以我国的机器人技术相比较国外还有很大的差距。但是到目前为止，我们在工业机器人的研究开发方面也已经取得了一些重要的成果，甚至在某些领域已经接近国际先进水平，比如，我国自行开发的智能水下机器人，已经可以无缆下潜到水下6000米，这一指标已经达到了国际先进水平。但是从国内总体研究来讲，我国在智能机器人方面的研究仍然处在起步阶段，多传感器和远端控制方面的研究才刚刚起步。而且在应用机器人的研究方面．我国与发达国家的差距相当大，我国自主研发并投入生产应用的机器人屈指可数。为此，我国已经开始从国外引进先进的工业机器人，通过引进、仿制、改造、创新，相信我国的机器人技术将会得到长足的发展。除了起步晚外，另一个国内发展慢的原因是机器人工业是一种高投入低收益的行业，市场竞争很严峻，机器人工业必须上一定规模才有利润可言，才有必需的开发投入，才能走上良性循环的发展道路。从国内现状来看，大公司、大企业通过与外国机器人公司合资合作，引进技术和资金，逐步规模化生产机器人，把国内机器人产业推向一个新的阶段，这些合资合作的开展，将会有效地推动中国机器人工业的进步，全面促进中国机器人工业水平的提高，但是它也会和其他外国机器人公司一样，冲击中国机器人市场，影响具有自主开发能力的中国机器人产业的形成，也会使国内其他的机器人生产厂家面临一种严峻的挑战。

1.3 未来展望

目前现代工业机器人的发展正朝着一下几个方向发展：

1) 高级智能化