摘要

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，越來(lái)越多危險的、繁雜的崗位被工業(yè)機器人取代。特別是在人口老齡化日益嚴重、年輕勞動(dòng)力大量缺失的今天，"機器代人"己成為大勢所趨。在我國大多數中小型印刷廠(chǎng)的書(shū)芯投放作業(yè)仍是由人工進(jìn)行投放，這樣不僅效率低下，而且在髙頻率的投本后，還可能因疲勞而引發(fā)一系列的安全問(wèn)題。故本文針對印刷廠(chǎng)的投本問(wèn)題，設計了一款基于PLC控制的投本機械手。

　　在了解了投本作業(yè)實(shí)際情況和設計要求，確定了投本機械手的坐標形式和驅動(dòng)方式，明確了投本機械手、書(shū)芯架和圓盤(pán)包本機三者的位置關(guān)系后，對投本機械手的作業(yè)進(jìn)行了運動(dòng)分析和時(shí)間分析。投本機械手的運動(dòng)分為底座和立柱的往復運動(dòng)、手腕的旋轉運動(dòng)、手爪的開(kāi)合運動(dòng)等四個(gè)部分的運動(dòng)。借助Solidworks軟件對這四個(gè)部分進(jìn)行了結構設計、虛擬裝配、干涉檢查，驗證了投本機械手結構的合理性。投本機械手的底座部分和立柱部分的執行元件為液壓缸，手腕和手爪部分分別為回轉氣缸和手指氣缸。在完成投本機械手的結構設計后，對液壓和氣壓系統的原理圖進(jìn)行了繪制，對液壓和氣壓系統的元器件進(jìn)行了設計和選型計算。

　　根據投本機械手的作業(yè)要求擬定了PLC控制系統的控制要求，繪制了I/O表和I/O接線(xiàn)圖，編寫(xiě)了控制程序梯形圖，并將編寫(xiě)好的梯形圖程序輸入到GXWorks2軟件中進(jìn)行仿真調試，驗證了梯形圖程序的合理性。最后，利用GTWorks3軟件對投本機械手的觸摸屏人機交互界面進(jìn)行了設計，使工人在操作投本機械手時(shí)更加便利。在四個(gè)光纖傳感器的作用下，可實(shí)現投本機械手與書(shū)芯架和圓盤(pán)包本機的協(xié)同控制。投本機械手可對A4和B5兩種型號的書(shū)芯進(jìn)行投放，且投放的效率遠高于人工投放時(shí)的效率，很大程度上解決了印刷廠(chǎng)投本作業(yè)的問(wèn)題，提升了印刷廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化程度。

　　關(guān)鍵詞：投本機械手；結構設計；液壓與氣壓系統；PLC控制

　　目錄

　　1緒論

　　1.1課題研究背景和意義

　　1.1.1背景

　　面對國際制造業(yè)競爭加劇，國內經(jīng)濟進(jìn)入低速增長(cháng)的新常態(tài)，人口紅利逐漸消失等方面的挑戰，中國制造業(yè)面臨轉型升級的巨大壓力[1].為此，我國政府在美國2012年推出"再工業(yè)化"發(fā)展戰略、日本制定并實(shí)施機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰略、韓國2012年10月發(fā)布"機器人未來(lái)戰略展望2020"、德國2013年4月提出"工業(yè)4.0"戰略之后，于2015年5月8日制定了制造強國戰略的第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)《中國制造2025》，提出要通過(guò)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展引領(lǐng)我國制造業(yè)行業(yè)標準的提升[2-4].

　　由圖1-1可知我國在接下來(lái)的10年至30年內65歲以上人群占人口比重急劇攀升，會(huì )導致人口老齡化嚴重、年輕的勞動(dòng)力缺失，使得我國勞動(dòng)力成本上升，制造業(yè)面臨轉型升級。制造業(yè)轉型升級的關(guān)鍵在于機械代替人工勞動(dòng)，使企業(yè)制造成本降低。工業(yè)機器人在制造業(yè)轉型升級的過(guò)程中充當著(zhù)不可或缺的角色[5].雖然我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但是我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)起步較晚，在制造業(yè)轉型的過(guò)程中速度進(jìn)展緩慢。所以，我國需要大力發(fā)展工業(yè)機器人技術(shù)，降低勞動(dòng)力成本，促進(jìn)國家制造業(yè)快速轉型[6_8].隨著(zhù)21世紀自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人產(chǎn)業(yè)實(shí)現了騰飛。我國機器人的發(fā)展也進(jìn)入了一個(gè)黃金時(shí)期，在這期間我國工業(yè)機器人技術(shù)不斷突破，己連續六年保持機器人銷(xiāo)量全球第一，成為了全球最大的工業(yè)機器人生產(chǎn)、消費市場(chǎng)，2008-2017年我國工業(yè)機器人銷(xiāo)量及增長(cháng)率如圖1-2所示雖然我國工業(yè)機器人的發(fā)展取得了較為可喜的成績(jì)，但是由于我國對工業(yè)機器人的研宄起步較晚，也還存在一些問(wèn)題。例如，我國在智能機器人等高端機器人領(lǐng)域的研究與一些發(fā)達國家還有較大的差距，工廠(chǎng)的工業(yè)機器人相對于日本、德國等國家來(lái)說(shuō)，普及程度不夠大，自動(dòng)化程度不夠高。

　　工業(yè)機器人是自動(dòng)執行工作的機器裝置，是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現各種功能的一種機器。工業(yè)機器人由主體、驅動(dòng)系統和控制系統三個(gè)基本部分組成，可以仿造人的手臂的各個(gè)關(guān)節代替人完成各種重復、復雜或具有危險性的動(dòng)作。工業(yè)機器人是造業(yè)的支柱，可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、促進(jìn)實(shí)體經(jīng)濟快速發(fā)展、解決我國因人口老齡化帶來(lái)的勞動(dòng)力短缺等問(wèn)題。

　　1.1.2意義

　　我國印刷總量在2013年己經(jīng)位居世界第二，是名副其實(shí)的印刷大國。但是印刷效率又遠遠低于世界發(fā)達國家，顯得又有些名不副實(shí)[1M2].德國和日本等印刷行業(yè)發(fā)達的國家其印刷工廠(chǎng)的自動(dòng)化程度都非常高。例如，德國的印刷工廠(chǎng)連抖紙和搬紙這樣的"重活"都是由專(zhuān)門(mén)的電動(dòng)設備來(lái)完成。德國的人工成本非常高，像這種簡(jiǎn)單的體力活，能用機械完成一定是用機械的[13_14].反觀(guān)我國的印刷行業(yè)，大多數中小型印刷工廠(chǎng)的印刷設備可能都實(shí)現了自動(dòng)化，但是設備與設備之間的銜接仍是由人工來(lái)完成，沒(méi)有真正意義上實(shí)現生產(chǎn)線(xiàn)的全自動(dòng)化。比如，書(shū)芯的膠訂工作仍然需要人工進(jìn)行投放，因為人的投放速度是有限的，并不能發(fā)揮出膠訂機的最大膠訂速度，會(huì )造成機器產(chǎn)能浪費，且人會(huì )疲勞，不能像機器一樣24小時(shí)不間斷的工作。所以，本文擬設計出一款基于PLC控制的投本機械手來(lái)代替人工完成投本膠訂工作。投本機械手代替人工進(jìn)行投本工作不僅可以大幅提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、最大限度的發(fā)揮機器產(chǎn)能，實(shí)現工廠(chǎng)的全自動(dòng)化生產(chǎn)，還能降低工人在工作中的安全患，故對投本機械手的設計研究是有意義的。

　　1.2國內外工業(yè)機器人研究現狀

　　1.2.1國外工業(yè)機器人研究現狀

　　自1961年美國的Unimation成為了世界上第一個(gè)工業(yè)機器人以來(lái)，世界各個(gè)國家都對工業(yè)機器人市場(chǎng)非常樂(lè )觀(guān)，并且投入了大量的人力和財力來(lái)開(kāi)發(fā)工業(yè)機器人。美國早在1961年就開(kāi)發(fā)了世界上第一臺工業(yè)機器人，與此同時(shí)美國的失業(yè)率在1960年代和1970年代也迅速上升。美國政府擔心機器人會(huì )讓更多人的失業(yè)，因此只有幾所大學(xué)和幾所公司來(lái)從事與機器人技術(shù)有關(guān)的研究工作[15].此時(shí)，美國研發(fā)機器人僅僅只是處于理論研宄階段，還沒(méi)有到進(jìn)行應用程序開(kāi)發(fā)的階段。1978年，美國公司Unimation推出了一款通用工業(yè)機器人（ProgrammableUniversalMachineforAssembly,PUMA），該機器人已應用于通用汽車(chē)的裝配線(xiàn)，這代表了工業(yè)機器人技術(shù)的全面成熟。PUMA仍在工廠(chǎng)第一線(xiàn)上運行[16-18].1960年至1970年，日本經(jīng)濟的快速發(fā)展導致了工人嚴重短缺，美國生產(chǎn)的第一臺工業(yè)機器人給日本的工業(yè)市場(chǎng)帶來(lái)了巨大希望。1967年，川崎重工有限公司的日本人首次從美國引進(jìn)機器人和技術(shù)，并建立了生產(chǎn)廠(chǎng)房。1968年，日本制造的第一臺unimate機器人問(wèn)世[19_2（）].

　　1982年，日本不二越公司也成功研制出"FUJIACE"系列的專(zhuān)用碼垛機器人。機器人結構簡(jiǎn)單、重量輕、振動(dòng)小，每小時(shí)可以運轉1600次，有效載荷能力達到200公斤。2000年，FANUC公司推出的N41Oiww碼垛機器人，有效的工作范圍為1600mm,每小時(shí)730個(gè)工作周期。適用于各種包裝箱的碼垛，可同時(shí)服務(wù)于多個(gè)不同的進(jìn)料和碼垛工作站[21].2008年，FANUC公司研制出當時(shí)世界上承載能力最大的6軸機器人M-2000iA.其有效載荷可達1200公斤[22_23].

　　德國KUKA公司作為世界上四大工業(yè)機器人家族之一，在工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域也有著(zhù)很深的沉淀。1973年，KUKA公司建造了世界上第一臺六軸機電驅動(dòng)的工業(yè)機器人FAMULUS.2007年，最強大的6軸工業(yè)機器人titan被KUKA設計出來(lái)。它具有開(kāi)放式運動(dòng)系統和獨特的負載功能，能準確快速地對6.5米外的重物進(jìn)行搬運。圖1-3為KRAGILUS:HygienicMachine款機器人，這款機器人是KRAGILUS系列機器人中最新產(chǎn)物之一。此款機器人的設計和材料都可以達到最高的健康標準。這使得它可以適用于直接接觸食品和藥品的應用。圖1-4為KR1000L750titan型號的機器人。它的有效載荷是瑞典的ABB是世界上最大的機器人制造公司之一。

　　1974年，世界上第一臺全電子控制的工業(yè)機器人IRB6問(wèn)世，主要使用于工件的揀放和物件的搬運[28].

　　2009年，六軸小型工業(yè)機器人IRB120被制造出，在當時(shí)世界上所有的工業(yè)機器人中，它的精度最高，速度最快，且重量?jì)H為25kg,其外形如圖1-5所示[29].當前全新的IRB120T做為快速拾放應用的基準，需要極大的靈活性和業(yè)界領(lǐng)先的10微米重復性。改進(jìn)后的六軸機器人IRB120T在保持傳統的緊湊、靈活、輕便功能的同時(shí)，也實(shí)現了4、5、6軸最大速度的大幅提升，工作循環(huán)時(shí)間提高了將近25%.2011年，世界上速度最快的碼垛機器人IRB460被研制出，其外形如圖1-6所示。IRB460的有效載荷為110公斤，可達2.4米，負載為60公斤，每小時(shí)可循環(huán)工作2190次，比最接近的競爭對手快15%[3M2].

　　上述各個(gè)國家的機器人公司都是世界上著(zhù)名的工業(yè)機器人生產(chǎn)公司，他們工業(yè)機器人技術(shù)基本上代表著(zhù)全球工業(yè)機器人技術(shù)的尖端水平。這里值得一提的是，美國的工業(yè)機器人技術(shù)雖然不如日本、德國等國家先進(jìn)，但是在軍工、太空、生活服務(wù)等領(lǐng)域上，美國的機器人技術(shù)是處于世界領(lǐng)先水平的。

　　1.2.2國內工業(yè)機器人研究現狀

　　二十世紀七十年代，世界上掀起了一波工業(yè)機器人的熱潮，各國都在大力發(fā)展工業(yè)機器人技術(shù)，其中日本因為勞動(dòng)力減少的原因，發(fā)展最為迅速。在這種背景之下，我國于1972年開(kāi)始了對工業(yè)機器人的研宄。到現在，我國對工業(yè)機器人的研究己有近50年，發(fā)展的歷史過(guò)程大致能分為以下三個(gè)不同階段：1972年-1985年的萌芽期；1985年-2000年的技術(shù)研發(fā)期；2000年至今的產(chǎn)業(yè)化期[33_35].1972年至1985年是萌芽時(shí)期，在萌芽初期，主要是對機器人的基礎理論進(jìn)行研究，并且在機器人機構學(xué)、運動(dòng)學(xué)等方面取得了一定的成果。在后期，隨著(zhù)工業(yè)機器人技術(shù)逐漸得到政府的高度重視和支持后，開(kāi)始了樣機的研發(fā)。1985年，上海交通大學(xué)的機器人研究所完成了中國第一臺自主研發(fā)的六度自由聯(lián)合機器人"上海一號弧焊機器人的研究[36-37].但由于當時(shí)國家經(jīng)濟體制的限制，導致我國發(fā)展工業(yè)機器人技術(shù)可以在此期間，相對于日本、美國等發(fā)達國家來(lái)說(shuō)，發(fā)展并不迅速。在1985年-2000年技術(shù)研發(fā)期間，在幾位科學(xué)家的建議下，863國家高技術(shù)研宄發(fā)展計劃于1986年3月正式啟動(dòng)。在863計劃啟動(dòng)后，國家大量引進(jìn)了國外有關(guān)工業(yè)機器人的先進(jìn)技術(shù)。

　　至此，我國的工業(yè)機器人技術(shù)開(kāi)始了高速發(fā)展。1987年，航空部633研究所、上海工業(yè)大學(xué)、上海第一機床廠(chǎng)聯(lián)合研制了一臺五自由度全電動(dòng)關(guān)節式機器人SIR-II,它負荷重量15kg可適用于上下料、搬運、點(diǎn)焊、弧焊等作業(yè)[38_39].1995年5月，我國第一臺能實(shí)現高精密裝配的工業(yè)機器人被上海交通大學(xué)研究院研制出，它的誕生也表示我國的工業(yè)機器人技術(shù)己達到第二代工業(yè)機器人的技術(shù)水平[4（M1].

　　進(jìn)入二十一世紀以來(lái)，由于我國龐大的工業(yè)機器人市場(chǎng)需求，工業(yè)機器人開(kāi)始大規模批量的生產(chǎn)。不同領(lǐng)域的企業(yè)和工廠(chǎng)紛紛引進(jìn)工業(yè)機器人來(lái)代替人工進(jìn)行一些重復且復雜的危險動(dòng)作。市場(chǎng)需求也促進(jìn)了工業(yè)機器人技術(shù)的蓬勃發(fā)展。在"九五"期間，國家的"863"計劃將沈陽(yáng)新松機器人自動(dòng)化股份公司、哈爾濱博實(shí)自動(dòng)化公司、北京機械工業(yè)所以及上海機電一體工程公司等企業(yè)，設立為智能機器人的產(chǎn)業(yè)化基地[4244].2004年，首鋼莫托曼圖有限公司研制了一臺六軸多關(guān)節型工業(yè)機器人SG-MOTOMAN-UP6,如圖1-7所示。其具有精度高、速度快、動(dòng)作范圍廣、安全性可靠等特點(diǎn)，廣泛應用在噴涂、焊接、切割、搬運等領(lǐng)域[45"^.

　　2009年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和奇瑞汽車(chē)公司合作開(kāi)發(fā)出了第一臺奇瑞點(diǎn)焊機器人，并且將這臺點(diǎn)焊機器人投放到奇瑞的焊接車(chē)間進(jìn)行點(diǎn)焊工作t47'48]〇沈陽(yáng)新松機器人自動(dòng)化股份有限公司與中國科學(xué)院和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等國內著(zhù)名的科研院所和高校有著(zhù)密切的合作關(guān)系，其工業(yè)機器人技術(shù)在國內處于頂尖水平[49].工業(yè)機器人產(chǎn)品包括6kg-300kg等，主要面向點(diǎn)焊、搬運、裝配、碼垛、研磨等多方面應用，產(chǎn)品性能達到國際同類(lèi)產(chǎn)品技術(shù)水平，圖1-8為6軸工業(yè)機器人典型產(chǎn)品[5（）].

　　1.3主要研究?jì)热?/strong>