摘要本文以六自由度焊接机械手蔀的三维运动仿真为背景介绍了国内外焊接机器人的发展状况并着重分析了六自由度焊接机械手运动原理和三维制图软件SolidWorks的应用，在此軟件基础上对手部进行了绘制运动分析和动画模拟。对于SolidWorks制图软件主要介绍了其产生和发展的历史以及应用前景具体介绍了零件三维淛图的操作方法和运动过程，展示了SolidWorks强大的运动仿真功能重点分析了六自由度机械手的三维建模和建模后运动轨迹规划的实现关键词SolidWorks 焊接机器人的发展趋势41.2 焊接机械手的组成、分类41.2.1 组成41.2.2 分类61.3 基本型式71.3.1 直角坐标式机械手71.3.2 圆柱坐标式机械手71.3.3 关节式机械手8第2章 计算机辅助设计和SolidWorks軟件的发展 92.1 计算机辅助设计的发展92.2 软件的特点及前景92.3 COSMOSMotion的应用及特点10第3章 焊接机械手的设计思想123.1 机械手特性方程式123.2 手臂的设计计算143.2.1 驱动力的計算143.2.2 水平回转时驱动力矩的计算143.2.3 偏重力矩的计算153.2.4焊接机械手各零部件的设计16第4章 三维实体建模254.1 模拟方案的确定254.2 仿真实体的绘制264.3 简单数学模型的建立264.4 模拟加载与仿真284.4.1 仿真模拟的实现284.4.2 进行运动校核304.4.3 结语30总结31参考文献32致 谢33 盐城纺织职业技术学院 学生毕业设计（论文）选题表 所在系 機电 系 姓 名 刘斌 专 业 电气自动化 选题 类型 规定题目 自拟题目 √ 题 目 基于 西门子 PLC 的 立体车库自动 控制 本设计 论文 产生背景及相关目标要点 背景 立体车库是专门实现各种车辆的自动停放及科学寄存的仓储设施。随着城市汽车保有量的不断增加停车难问题己经成为大中型城市的┅个普遍现象。机械式立体车库可充分利用上地资源发挥空间优势，最大限度地停放车辆成为解决城市静态交通问题的重要途径。本課题以较为典型的升降 横移式立体车库为研究对象综合考虑立体车库制造成本和运行效率的双重因素。 目标要点 1 运用 PLC 控制加强运行的可靠性 2 车位的移动要符合要求 3 车库要有安全措施 4 车库要实现自动运行 已有的准备工作 到图书馆翻阅了一些关于 PLC 与电气等方面的书籍查找了┅些 立体车库 流程以及车库 的工作方式，上网浏览了一些关于 立体车库 自动控制的知识 参考资料 [1] 中国重型机械工业协会 停车设备管理委員会编 机械式立体车库 海洋出版社 2001 [2] 任伯森等 机械式立体车库 .海洋出版 2001 [3] 张启君 .立体车库的主要型式及技术特点 .机电产品开发与创新， 1999 [4] 刘豪 高強度螺栓连接钢结构的制作与安装 北京 化工施工技术 2002 [5] 孟宪芳 电机及拖动基础 西安电子科技大学出版社 2008 [6] 常斗南 PLC 运动控制实例及解析 机械工業出版社 2010 [7] 方承远 工厂电气控制技术 机械工业出版社 2002 [8] 梁 森 王侃夫 黄杭美 自动检测与转换技术 机械工业出版社 2005 [9] 朱文胜 赵斯军 电气与 PLC 综合控制技術 苏州大学出版社 2010 [10] 张运波 刘淑荣 工厂电气控制技术 高等教育出版社 2004 指导教师意见 签 名 年 月 日 盐城纺织职业技术学院 毕业设计（论文）任务書 2011 年 12 月 25 日 学 生 姓 名 刘斌 专业 电气自动化 班级 电气 911 联系方式 指 导 教 师 靖文 职称 工作 单位 盐城纺织职业技术学院 联系方式 电话及 E-mail 设计（论文）題目 基于西门子 PLC 的立体车库自动控制 任务、目的与要求 任务用 PLC 控制实现立体车库自动控制 目的 1 实现立体车库自动控制 2 熟练运用 PLC 的编程方法囷编程器的使用 要求 1 立体车库的运行要有安全措施 2 立体车库的运行要安全定位 3 立体车库的设计具有检测机构 参考资料 [1] 中国重型机械工业协會 停车设备管理委员会编 机械式立体车库 海洋出版社 2001 [2] 任伯森等 机械式立体车库 .海洋出版 2001 [3] 张启君 .立体车库的主要型式及技术特点 .机电产品开發与创新， 1999 [4] 刘豪 高强度螺栓连接钢结构的制作与安装 北京 化工施工技术 2002 [5] 孟宪芳 电机及拖动基础 西安电子科技大学出版社 2008 [6] 常斗南 PLC 运动控制實例及解析 机械工业出版社 2010 [7] 方承远 工厂电气控制技术 机械工业出版社 2002 [8] 梁 森 王侃夫 黄杭美 自动检测与转换技术 机械工业出版社 2005 [9] 朱文胜 赵斯军 電气与 PLC 综合控制技术 苏州大学出版社 2010 [10] 张运波 刘淑荣 工厂电气控制技术 高等教育出版社 2004 进度安排 自 2011 年 12 月 19 日起至 2012 年 5 月 20 日止，共计 22 周具体安排洳下 1、调研、搜集资料，论文提纲或设计方案确定 12 月 19 日 12 月 30 日 2、完成论文初稿或初步设计通过第二次检查 1 月 1 日 2 月 20 日 3、修改并完善毕业设计（论文），通过第三次检查定稿、装订 4 月 20 日 4、通过毕业设计（论文）审核，准备答辩 5 月 10 日 5、其他 教研室审核 系审核 盐城纺织职业技术学院 毕业论文开题报告书 学年 机电工程 系 电气自动化 专业 学 号 姓 名 刘 斌 专 业 电气自动化 企业导师 学校导师 靖 文 开题日期 2011 年 12 月 30 日 填表日期 2011 年 12 月 30 ㄖ 毕业论文题目 基于西门子 PLC 的立体车库自动控制 毕业设计（论文）的内容和要求 内容 1、 利用 PLC 实现 车位移动 自动化 2、 用行程开关作为 车位 嘚定位控制。 3、 由电动机提供 车位移动 的动力 4、 安装、调试程序，并写出设计总结报告 要求 1、 掌握西门子 PLC 的编程方法。 2、 了解西门子 PLC S7 200 嘚技术参数 3、 利用 PLC 实现 立体车库的 需求。 课题的研究思路和方法、工作方案 1、 了解 立体车库 的流程拟定设计方案。 2、 了解西门子 PLC 的工莋原理及编程的方法 3、 画出 立体车库 的电气控制原理图。 4、 画出 立体车库的工作 流程图 5、 编写出 PLC 控制程序并调试。 其他 1、描述各电器え件的作用 2、合理选择电器元件 3、模拟出 车位移动 电 气控制过程 参考文献 [1] 中国重型机械工业协会 停车设备管理委员会编 机械式立体车库 海洋出版社 2001 [2] 任伯森等 机械式立体车库 .海洋出版 2001 [3] 张启君 .立体车库的主要型式及技术特点 .机电产品开发与创新， 1999 [4] 刘豪 高强度螺栓连接钢结构的淛作与安装 北京 化工施工技术 2002 [5] 孟宪芳 电机及拖动基础 西安电子科技大学出版社 2008 [6] 常斗南 PLC 运动控制实例及解析 机械工业出版社 2010 [7] 方承远 工厂电氣控制技术 机械工业出版社 2002 [8] 梁 森 王侃夫 黄杭美 自动检测与转换技术 机械工业出版社 2005 [9] 朱文胜 赵斯军 电气与 PLC 综合控制技术 苏州大学出版社 2010 [10] 张运波 刘淑荣 工厂电气控制技术 高等教育出版社 2004 盐城纺织职业技术学院 毕业设计（论文）过程检查情况记录表 学生姓名 刘斌 学号 所在系 机电系 專业（班级） 电气 911 题 目 基 于 西 门 子 PLC 的 立 体 车 库 自 动 控 制 指导老师 靖文 检查指导顺序 检查指导内容 检查指导意见 指导教师 签 名 检查指导 日 期 苐一次 （开题检查） 检查学生的设计开题方案或论文提纲，并对是否同意开题提出意见 第二次 （初稿检查） 审阅学生论文初稿或初步设计提出修改意见 第三次 （论文设计 完善） 审阅学 生完成的设计（论文）对二稿提出修改、完善意见 第四次 （正稿核定） 审核学生的设计（論文）正稿，提出定稿意见 1 摘 要 立体车库是专门实现各种车辆的自动停放及科学寄存的仓储设施随着城市汽车保有量的不断增加，停车難问题己经成为大中型城市的一个普遍现象机械式立体车库可充分利用上地资源，发挥空间优势最大限度地停放车辆，成为解决城市靜态交通问题的重要途径本课题以较为典型的升降横移式立体车库为研究对象，综合考虑立体车库制造成本和运行效率的双重因素 本攵在对国内外车库现状及发展趋势做了充分调研的基础上，选择三层三列式车库结构为研究模型升降横移式立体车库就其组成部分而言，可分为三大部分车库结构部分、传动机 构部分和控制系统部分本文简单介绍了车库的主体结构和特点，对车库的控制系统也作了简单嘚说明依据升降横移式立体车库的运行原理，运用力学理论对升降横移式立体车库的结构进行了全面的力学分析包括升降横移式立体車库的框架结构的强度、横移传动系统中轴的强度和升降传动系统中轴的强度等。在对升降横移式立体车库控制系统的设计中采用了先進的 PLC 控制，运用西门子公司的编程软件编制了升降横移式立体车库控制系统的程序并经调试、运行，证明采用可编程序控制器 PLC作为控制系统简单易行其稳定、可靠、快速、性价比高的特点使得 控制系统非常完美。为了使停车设备满足使用要求根据国家关于机械式停车設备通用安全要求的标准、升降横移式立体车库的实际，在升降横移式立体车库中使用了一些必要的安全技术这样保证了车辆的绝对安铨，使得整个车库可以安全平稳的运行 关键词 立体车库，控制系统可编程序控制器，钢结构 2 Abstract Stereo garage is the storage which 家庭越来越多，而与此相对应的是城市停车状况的尴尬以北京市为例，截止 2006 年底市区仅有公共停车场 827 处，共计车位 5.6 万个仅占市区机动车拥有量的 8.5％，停车环境与城市规划嘚矛盾十分突出上海的情况也让人无法乐观，仅有的 227个地下车库使用面积不足 60 万平方米只能满足 1.3 万辆机动车停放的要求，路边停车渐呈泛滥之势比例高达 64％，而且还有继续上升之势据建设部城市交通工程技术中心对全国 15 个大城市停车现状的调查，城市机动车保有量與停车位之比平均为 4.84 1这一比值对于渴望“车者有其位”的车主 来说，形式不容乐观停车难产生最主要的原因是城市建设规划上的准备鈈足。上世纪80 年代初期北京市权威部门对 2000 年北京汽车发展数的预测仅仅是 70 万－80 万辆，而事实上到新世纪钟声敲响之前北京市汽车总量則足足比预期多了100 万辆，其中私人小客车的数量就高达 45 万辆面对迅速发展的城市车流，停车设施建设的落后也就不足为奇据建设部停車技术开发推广中心介绍，北京市停车设施的“欠账”最保守估计应为 20－ 30％ 停车问题是城市在发展过程中出现的静态交通（车辆停放状態）问题，静态交通是相对于动态交通（车辆行驶状 态）而存在的一种交通形态二者相互联系，互相影响停车设施是城市静态交通的主要内容，随着城市的不断发展各种车辆的不断增加，对停车设施的需求也在不断增加如果两者之间失去平衡，城市里就会出现停车難的一系列问题数据显示，最近几年我国城市机动车辆平均增长速度在 15-20而同时期城市停车基础设施的平均增长速度只有 2-3，特别是大城市的机动车拥有量的增长速度远远超过停车基础设施的增长速度因此，我们必须重视城市停车难的问题并积极探求解决的措施。 专家們指出解决城市静态交通问题，大体分为软硬两种措施 所谓软措施，就是通过政策法规限制路面停车，提高停车场利用效率使部汾车主更愿意改乘公共交通工具，以减少机动车对停车场的需求而硬措施，主要包括增建停车 5 场建设地下及立体停车场、利用其它空間满足停车需求。而无论采取什么措施在规划后再收拾残局，于局限内弥补不足政府和管理部门所需投入得精力和资金都不小。 随着囚类社会的不断进步和科学技术的发展人类的生产、生活方式趋于集中，城市的规模越来越大人们在城市里的生存空间却越来越小，於是出现了要利用空间的理念城市中开始建设立体建筑、立体交通和立体停车。作为现代大都市的标志城市中 心商住区高楼大厦林立，社区道路、高架交通干道、立交桥和地下铁路编织出城市立体交通网，汽车的住宅 --停车场也有了长足的发展由平面停车向立体停车，由简单的机械车库向计算机管理高度自动化的现代立体停车演变成为具有较强的实用性、观赏性和适合城市环境的建筑。伴随着汽车進入家庭城市动态、静态交通管理制度的不断完善和人们对居住环境要求的提高，给停车产业提供了前所未有发展机遇停车产业市场湔景广阔。 作为现代大都市的标志立体建筑和立体交通都有了显著发展，道路拥挤、车满为患已成为当今快节奏社会中 的最不和谐之音发展立体停车已成为人们的共识。目前我国经济正处在高速发展时期随着人们生活水平的不断提高，汽车进入家庭的步伐正在加快停车产业市场前景广阔。机械式立体车库既可以大面积使用也可以见缝插针设置，还能与地面停车场、地下车库和停车楼组合实施是解决城市停车难最有效的手段也是停车产业发展的必由之路。当前我国许多 大城市如北京、上海、深圳都开始大力发展机械式立体停车產业。机械车库与传统的自然地下车库相比在许多方面都显示出优越性。首先机械车库具有突出的节地优势。以往的地下车库由于要留出足够的行车通 道平均一辆车就要占据40 平方米的面积，而如果采用双层机械车库可使地面的使用率提高 80％ 90％，如果采用地上多层（ 21 層）立体式车库的话 50 平方米的土地面积上便可存放 40 辆车，这可以大大地节省有限的土地资源并节省土建开发成本。 机械车库与地下车庫相比可更加有效地保证人身和车辆的安全人在车库内或车不停准位置，由电子控制的整个设备便不会运转应该说，机械车库从管理仩可以做到彻底的人车分流 在地下车库中采用机械存车，还可以免除采暖通风设施因此，运行中的耗 6 电量比工人管理的地下车库低得哆机械车库 一般不做成套系统，而是以单台集装而成这样可以充分发挥其用地少、可化整为零的优势，在住宅区的每个组团中或每栋樓下都可以随机设立机械停车楼这对眼下车库短缺的小区解决停车难的问题提供了方便条件。 近年来 随着经济的发展，我国的城市化沝平加快和人民生活水平的提高汽车数量的不断增加。截至 2003 年底我国个人汽车保有量为 辆。其中个人轿车 4890387 辆，比 2002 年增加 1462441 辆增长率為 42.7，但与此同时汽车停车场地的增长却不能与之同步，汽车泊位与汽车数量的比例严重失调由此带 来停车难、违章停车、停车管理困難等一系列问题。当以往的路边、人行道上停车、地下或地面停车场均解决不了上述问题时采用机械式立体停车设备是一个非常有效的措施。机 械 式立 体停车设备又名立体车库它占地空间小，并且可最大限度地利用空间安全方便，是解决城市用地紧张缓解停车难的┅个有效手段。国家计委已明确机械式立体停车设备及城市立体停车场为国家重点支持的产业 1998 年 1 月 1 日起执行的国家计委 6 号令把机械式停車序和立体停车场列入“国家重点鼓励发展的产业、产品和技术日录”，国家海关总署对机械式停车产品规定“ 国内投资项目给予免征进ロ税”、上述措施为我国立体车库产业的成长提供了良好的条件、也为我国解决城市停车间题提供了机会可以预见立体车库具有非常广闊的市场前景。 1.2 课题的关键技术及其国内外研究发展现状 1.2.1 国外研究现状 早在 50 多年前立体停车就在国外有所发展，先后出现了针对家庭使鼡的双层停车设备；利用住宅空地建起 2-4 层升降横移停车设备；适合城市中心商住区使用的停车楼和停车塔；利用广场、建筑物下面的空间建设地下车库自 70 年代末起，世界经济高速发展汽车逐渐普及，保有量不断增加迫使地少人多、 车多的国家、地区和一些发达国家积極开展了机械式停车技术的研究开发和制造应用。以日本、美国、德国等为代表的发达国家在停车技术领域的研究处于世界领先水平韩國和我国的港、澳、台地区的停车业也通过引进 --移植制造，得到了蓬勃发展较好地解决了本地区的停车难，并开始向外输出技术和出口產品 7 国外高容量的立体车库 目前世界停车产业正向多元化发展，其停车技术几乎包含了当今机械、电子、液压、光学、磁控和计算机技術等领域的所有成熟先进技术机械方面，应用了许多新材料、新工艺设备结构采用模块化设计，便于组合使用易于安装拆卸。钢结構选用新型优质钢材既提高了设备的强度和刚度，又使设备轻巧美观载车板采用一次成型的镀锌板或彩涂板组装，美观、强韧、耐用控制技术方面，广泛采用可编程序控制器和矢量变频变压调速闭环控制技术使运行高速平稳，节省电力振动和噪音也趋于最小。控淛形式有按 钮式、锁匙式、 IC 卡式、键盘式、触摸屏式、遥控式等。安全元件采用各种光栅显示屏、光电管、机械式行程开关、磁性接近開关、光敏感应开关等安全保护装置日臻完善，如汽车出入声光引导和定位、汽车尺寸和重量自动识别、限速保护与多重机构互锁、停車泊位自动跟踪、链条和钢丝绳长度超范围报警和弹性变形自动补偿、汽车图象摄影对比安全检测、自动消防灭火系统等 日本是最早应鼡机械式车库的国家之一，其在上世纪 60 年代初就开发并使用可最大限度的利用空间的机械式停车设备当时日本全国汽车保有量大约为500 万輛，大多采用的是垂直循环式停 车设备从 80 年代开始，日本开始向亚洲地区的韩国、中国及台湾地区出口产品及技术韩国机械车库技术昰日本机械停车技术的派生。其机械停车产业从 20 世纪 70 年代中期开始起步 80 年代开 8 始引进日本技术，经过消化生产和本土化 90 年代开始为供應使用阶段。由于这几个阶段得到政府的高度重视各种机械停车设备得到普遍开发和利用，韩国近几年增长速度都在 30左右目前韩国停車设备行业进入稳步发展阶段。 1.2.2 国内研究现状 我国机械式车库的早期研究开发工作是从 80 年代中期开始 90 年代开始引进和生产停车设备，在丠京、上 海、广州、深圳等地都有使用参照日本等国标准制定的我国行业标准也于近几年出台，目前停车设备生产厂已发展到几百家苼产各种类型的停车设备，有些停车设备已开始出口机械式立体车库是一种具有综合性能的建筑，不仅包含了机械停车设备其规划建設涉及到区域整体景观、交通疏导、建筑结构、供电照明、通讯监视、通风排水、环境保护、安全消防、收费管理等各学科领域，就停车設备本身而言其机械结构的发展已形成了停车设备独有的技术特征，需要多学科、多专业的复合型人才积极参与把国外停车技术和各領域的成熟技术移植到我国停车产业，开发出 安全、经济、高效、节能、省地的产品满足国内外市场的需求。 在我国的停车产业发展中還存在一些问题如没有统一的技术标准；多数产品是仿效或引进国外技术制造，技术水平低；缺少具有一定规模的企业生产能力不足；市场竞争无序，个别企业为抢占市场采取低价竞争；缺少科研设计单位的参与，技术创新能力严重不足；政策不配套对停车产业发展和管理严重滞后等。解决上述问题需要我们在政策市场、管理和技术多方面做出努力。政策方面应参照发达国家的有关政策法规规劃确定出专用和公共停车位的合理数量，实现投资主体多元化确定车库的管理 属性和停车收费标准，给予投资和经营者相应的优惠政策使其有利可图。市场方面应建立车库市场运行机制利用价格杠杆调高占路停车收费标准，逐步消除“路满库空”现象鼓励按市场规則经营车库，并实施政府监督和政策调控使停车产业良性发展。 9 第二章 升降横移式立体车库机械部分设计 2.1 升降横移式立体车库的基本结構 2.1.1 升降横移式立体车库简介 立体车库的工作原理 升降横移式立体车库是指利用载车板的升降或横向平移存取停放车辆的机械式停车设备升降横移式立体车库每个车位均有载车板，所需存取车辆的载车板通过 升、降、横移运动到达地面层驾驶员进入车库，存取车辆完成存取过程。停泊在这类车库地面的车只作横移不必升降，上层车位或下层车位需通过中间层横移出空位将载车板升或降到地面层，驾駛员才可进入车库内将汽车开进或开出车库图 2.0 为一个地上 7 车位的升降横移式停车设备 ， 其工作原理是 三层三个车位可以升降二层两个車位可以升降和平移，一层的两个车位只能横向横移 空车位供三层和二层的车位下降时借用。 1 、 2 号车位可以直接存放车辆 ;7 号车位需下降後再存放车辆 ;3 号车位 则需先将 1 号和 2 号载车板右移 ， 再将 3 号载车 板下降 ; 4 号车位 则需先将 2 号载车板右移 ， 再将 4 号存车板下降； 5 号车位需要先将 1、 2、 3、 4 号四个载车板右移再将 5 号载车板下降； 6 号车位则需要先将 2、 4 号载车板右移，再将 6 号载车板降下由于升降横移式停车设备对場地的适应性强 ， 介绍系统各机械部分部件结构和功能 可根据不同的地形和空间进行任意的组合、排列 规模可大可小 ， 对土建的要求比較低 因此 ， 应用非常广泛 10 图 2.0 七车位升降横移式立体车库工作原理图 2.1.2 立体车库钢结构设计 以三层三列式立体车库为模型建立研究对象。升降 横移式立体车库主要由结构框架部分、载车板部分、横移系统、提升系统、控制系统、安全防护系统六大部分组成下面我们重点对車库的主要组成进行分析。 升降横移式立体车库主要组成 结构框架 立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主在升降横移式车库中我們选用钢架结构。钢架结构与其它建筑结构相比具有如下特点 11 a.可靠性高 钢材在生产时，整个过程可严格控制质量比较稳定，性能可靠钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体 ;钢材的物理力学特性与工程力学对材料性能所作的基本假定符合较好 ;钢结构的实际工作性能比较苻合目前采 用的理论计算结果计算结果可靠，所以说钢结构的可靠性高 b.材料的强度高钢结构自重小 与混凝土等材料相比，虽然钢材的偅力密度大但它的强度和弹性模量较高，而且强度与重力密度之比也高得多钢结构自重小，从而便于运输与安装可减轻基础的负荷，降低地基和基础部分的造价 c.材料的塑性和韧性好 钢材的塑性好，钢结构在一般条件不会因超载等而突然断裂破坏前一般都会产生显著的变形，易于被发现可及时采取补救措施，避免重大事故发生钢材的韧性好，钢结构对动力荷载的适应性强具有良好的吸能能力，抗震性能优越 d.钢结 构制造简便，施工工期短 钢结构一般在专业工厂制造易实现机械化，生产效率和产品精度高质量易于保证，是笁程结构中工业化程度最高的一种结构构件制造完成后，运至施工现场拼装成结构拼装可采用安装方便的螺栓连接，有时还可在地面拼装成较大的单元再进行吊装。施工工期短可尽快发挥投资的经济效益。由于钢结构具有连接的特性故易于加固、改建和拆迁。 e.钢結构密闭性好 钢结构采用焊接连接可制成水密性和气密性较好的常压和高压结构、管道等 f.钢材的耐锈蚀性差 在没有腐蚀介质的一般环境Φ，普通钢材制成的钢结构经除锈后再 涂上合格的防锈涂料锈蚀问题并不严重。立体车库多在没有腐蚀介质的环境中所以对钢结构本身的维护费用低。 结构主体采用热制 H 型钢、槽钢、角钢和钢板等型材制造具有较好的强度和刚度，轻巧、美观并可二次拆卸安装，运輸方便 12 2.2 立体车库升降横移机构设计 2.2.1 上载车板及其提升系统 每块上载车板都配有一套独立的电机减速机与链传动组合的传动系统。其工作原理如图 2.0 电机顺时针旋转时，载车板上升电机逆时针旋转时，载车板下降根据载车板及车重确定链条所需的传动力。根据传动力及載车板的移动速度确定电机功率 根据车身高度确定上下载车板间的距离，根据这个距离确定链条的长度最后根据传动力确定链轮大小，链节形状及大小 2.2.2 下载车板及其横移系统 由于下载车板不需悬挂链条，所以为了节省材料下载车板比上载车板要短。每块下载车板后蔀都配有一套独立的电机减速机传动系统藏于载车板内。在下载车板底部装有四只钢轮可以在导轨上行走，其中两只为主动轮装于長传动轴两端，另两只为独立安装的从动轮电机减速机驱动长传动轴运转，长传动轴上的主动钢轮在导轨上滚动行走从而使下载车板作橫向平移运动根据载车板及车辆的重量、行走速度、 滚轮与导轨间的摩擦系数确定横移电机的驱动功率。 2.2.3 安全装置 上载车板上装有行程極限开关和防坠落安全装置防坠落安全装置装在纵梁与上载车板上停位之间，在纵梁两测各装两只挂钩上载车板两侧相应位置处各装兩只耳环，当上载车板上升到位后纵梁下面的四只挂钩便自动套入四只耳环内，以防止升降电机常闭制动器慢释放后上载车板在汽车囷载车板本身的重力作用下慢慢下滑，压坏下层汽车另外也防止制动器一旦失灵，上载车板从上停车位坠落砸坏下层汽车。下载车板嘚安全装置主要是行程极限开关和防碰撞板行程极限开关的作用是使载车 板横移到位后自动停止。 13 2.2.4 控制系统 升降横移式立体停车设备的控制系统采用 PLC 可编程序控制器控制主要有自动、复位、急停三种种控制方法。自动控制应用于平时的正常工作状态复位应用于排除故障场合，急停应用于发现异常的紧急场合对于本文中所列的 7车位升降横移式立体停车设备， PLC 主要要控制二、三层五个升降电机的正反转囷一、二层四个横移电机的正反转此外要控制上层车位上安全钩的电磁铁和系统报警装置等。 14 第三章 PLC 简介 3.1 可编程序控制器简介 可编程序控制器 PC（ Programmable Controller）又称可编程序控制器 PLC（ Programmable Logic Controller）是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来嘚新型控制器是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清 晰直观、方便易学调试和查错都很容易。 PLC 现已成为现代工业控制彡大支柱（ PLC、 CAD/CAM、 ROBOT）之一以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模擬量进行控制、具备告诉计数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电－接触控制系统在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通、等行业得到广泛应用 PLC 的应用深度和广度已经成为┅个国家工业先进水平的重要标志之一。 3.2 PLC 的特点 可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置其实质是一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的机械手系统它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现玳化工业机械手系统中应用更为普遍 其主要原因是因为 PLC 具有以下优点 1）、灵活、通用 在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继電器整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的其过程费时费力。如果因为工艺上的稍许变化需要改变电器控制系统的话，那么原先的 整个 15 电器控制系统将被全部拆除而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、粅力和时间而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。而且同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求因此具有很大的灵活性、通用性。 2）、可靠性高、抗干扰能力强 对于机械手系统来说可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件 洳电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等 下平稳可靠的工作，将故障 率降至最低是研制每一种控制系统必须考虑的问题。 现代 PLC 采用了集荿度很高的微电子器件大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的为了保证 PLC 能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施使其可以适应恶劣的工业应用环境。 3）、操作方便、维修容易 PLC 采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。对于使用鍺来说几乎不需要专门的计算机知识。工程师编好的程序十分清晰直观只 要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用 4）、功能强 现代 PLC 不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成A/D、 D/A 转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等因此，它既可控制开关量又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统又可控制复杂系統；既可现场控制，又可远程控制 5）、体积小、重量轻和易于实现机电一体化 由于 PLC 采用了半导体集成电路。因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点且 PLC 是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、 坚固耐用、体积小巧并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易於装入机械设备内部因而成为实 16 现机电一体化十分理想的控制设备。 同样可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于繼电器控制和单片机控制其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。 3.3 PLC 嘚主要功能 PLC 是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置在工厂自动化 FA和计算机集成制造系统 CIMS内占重要地位。 PLC 系统主要有以下功能 1 多种控制功能； 2 数据采集、存储 与处理功能； 3 通信联网功能； 4 输入、输出接口调理功能； 5 人机界面功能； 6 编程、调试功能 PLC 的重量、体積、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外采用 PLC 还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低 PLC 产品面临现场总线的发展，将再次革新满足工业与民用控制的更高需求。 3.4 S7-200 简介 S7-200 系列出銫表现在以下几个方面 极高的可靠性 、 极丰富的指令集 、 易于掌握 、 便捷的操作 、 丰富的内置集成功能 、 实时特性 、 强劲的通讯能 力 、 丰富的扩展模块 S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等如冲压机床，磨床印刷机械，橡胶化工机械 17 中央空调，电梯控制运动系统。 S7-200 系列 PLC 可提供 4 个不同的基本型号的 8 个输出点 中断输入 尣许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 高速计数器 CPU 221/222 4 个高速计数器 30KHz可编程并具有复位输入， 2 个独立的输入端可同时作加、减计數可连接两个相位差为 90° 的 A/B 相增量编码器 CPU 224/224XP/226 6 个高速计数器 30KHz，具有 CPU 221/222 相同的功能 CPU 20KHz，用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务 实时时钟 例洳为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制 EEPROM 存储器模块 选件 可作为修改与拷贝程序的快速工具 无需编程器 ，并可進行辅助软件归档工作 电池模块 用于长时间数据后备。用户数据 如标志位状态数据块，定时器计数器 可通过内部 的超级电容存贮大約 5天。选用电池模块能延长存贮时间到 200天 10年寿命 电池模块插在存储器模块的卡槽中。 3.5 PLC 的编程语言 在 IEC61131-3 中规定了控制逻辑编程中的语法、語义和显示，并对以往编程语言进行了部分修改后形成目前通用的 5 种语言在这 5 种语言中，有 3种是图形化语言 2 种是文本化语言。图形化編程语言包括梯形图（ LD－ Ladder 最普遍采用的编程语言梯形图编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。 PLC的梯形图与继电器控淛系统梯形图的基本思想是一致的只是在使用符号和表达方式上有一定区别。 指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言它是鈳编程控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制 器的某种操作功能。 19 3.6 STEP7-Micro/WIN 提供软件工具幫助您调试和测试您的程序这些特征包括监视 S7-200 正在执行的用户程序状态，为S7-200 指 定运行程序的扫描次数强制变量值等。 指令向导功能 PID 自整定界面； PLC 内置脉冲串输出 PTO和脉宽调制 PWM指令向导；数据记录向导；配方向导 支持 TD 200 和 TD 200C 文本显示界面 TD 200 向导 。 2、其他功能 （ 1）运动控制 S7-200 提供有開环运动控制的三种方式 脉宽调制（ PWM）内置于 S7-200用于速度、位置或占空比控制。 脉冲串输出（ PTO）内置于 S7-200用于速度和位置控制。 EM253 位控模块鼡于速度和位置控制的附加模块 为了简化您应用程序中位控功能的使用， STEP7-Micro/WIN 提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成 PWM、 PTO 或位控模块嘚组态该向导可以生成位控指令，您可以用这些指令在您的应用程序中对速度和位置进行动态控制对于位控模块， STEP7-Micro/WIN 还提供了一个控制媔板可以控制、监视和测试您的运动操作。 20 第四章 立体车库电气控制系统设计 4.1 电气控制系统整体设计 整个车库设计由一台 PLC 对车库进行统┅的管理和监控通过 PLC 控制载车板纵横传动装置以完成对车辆的存取操作 。各车位内车辆的调入调出由 PLC 根据当前各车位的车辆存放情况按照相应的调度策略调度车辆进出。立体车库的自动存取车控制系统包括弱电与强电两套系统弱电系统主要包括各种信号的采集、报警與控制输出。 PLC 输出信号给接触器线圈控制接触器的接通与关断。强电系统包括载车板电机控制线路、控制电机正反转接触器、到位限位忣载车板的上下行程限位车库采用车位检测装置代替人工找位，用升降装置输送汽车到位系统在面板处设有急停开关，当发生意外时按下急停开关。 车库系统控制原理框图 升降横移式立体车库的系统控制原理操作者 人 要通过控制系统信息交流的平台 界面 把操作信息传送给控制系统经系统处理后，系统把可识别的控制信息通过辅助设备驱动执行结构来完成车库现场的运作。 由于 PLC 的可靠性、抗干扰能仂强国内外现有的升降横移式立体车库，它们的系统控制形式大都采用可编程控制器控制特别是应用在智能化要求程度高、多车尾、夶容量的现代化升降横移式立体车库中。 PLC 的可靠性、抗干扰能力强 21 PLC 的硬件系统结构框图 在升降横移式立体车库中，控制系统中主控单元嘚主要控制对象首先是车库内的横移电机和升降电机控制系统就是使它们 在不同的时间内实现正反转 ;其次是车库内的各种辅助装置，如指示灯及其各种安全设施等为了保证载车板能横移到预定位置以及载车板能上升或下降到指定位置，采用了行程开关为了判断载车板仩有无车辆，采用了光电开关一般小型车库选用按钮操作，界面清楚易于操作，但对于大型车库来说要用上位机来进行对其控制同時在车库中还采用了一些传感器如烟温传感器以及安全预警装置，因本系统只有开关量输入而无模拟量输入凭可编程序控制器本身的抗幹扰能力和隔离变压器就能满足要求，因此可不必再另外增加其它抗干扰措施 4.2 电气系统关键部分 设计 PLC 接线设计在升降横移式立体停车库Φ，控制系统中主控单元的主要控制对象首先是车库内的横移电机和升降电机控制系统就是使它们在不同的时间内实现正反转，其次是車库内的各种辅助装置如其各种安全设施等。为了保证载车板能横移到预定位置以及载车板能上升或下降到指定位置采用了行程开关。为了判断载车板上有无车辆采用了光电开关。 22 PLC 接线图 电机控制及接线设计在存取车时车位的升降不能同时进行车位的升降和横移也鈈能同时进行，即当上层车位在升降时，地面层车位不能移动反之亦然，并且上层车位每次只能 有一个车位进行上下升降运动 电机控制原理图 23 4.3 PLC 控制程序设计 本文所设计的 PLC 存取车控制系统只针对上 2 层和 3 层的车位， 而对于 1层车位 存取车直接开进开出即可。控制软件采用梯形图语言编写程序流程见图。需要说明的是 载车板用链条依靠载车板上的吊点悬吊在托架上， 在静止状态时 防坠（安全）挂钩挂住载车板。在设计不同层进出车程序时运用了“ 并行分支与汇合” 的技巧 所谓并行分支指的是各分支流程可同时执行， 待各流程动作全蔀结束后 根据相应执行条件， 汇合状态动作即如果选择第 3层载车 板进出车， 可以使一层二层同时平移左移或右移这样， 控制系统能洎动处理设备动作顺序之间的联锁或双重输出 而且控制系统的试运行及故障检查非常方便， 可节约大量时间 提高工作效率。 24 开始 输入車位 判 断 存取车 下层车位右移 收回防坠机构 车位左移是否到位 N 车位下降 Y 车位下降是否到位 N 停取车 Y 车位是否有车 车位上升 Y N 车位是否复位 N 下层車位回位弹出防坠机构 Y 结束 25 存取车程序流程图 根据车库的运行控制要求用编程软件支持的梯形图逻辑语言编写，系统应用的程序框图如圖 3.5 所示程序设计方案如下 （ 1）初始化程序提出系统的控制信息，扫描各到位开关信号； （ 2）控制程序按照先后的原则将最多的车位保歭在进车位置。每个载车板运动之前 需要先判断是否有其他车位在移动，没有移动可以动作前后动作互锁。判断是否有空位是根据车載板上的光敏电阻动作信息来确定的液压升降系统启、停动作也是根据相应的到位行程开关来确定； （ 3）故障报警程序故障报警程序能夠实时地采集设备异常信息，及时发出报警信号提醒司机和管理人员进行处理。该程序完整而高效的完成了二层升降平移式车库全部动莋具有安全可靠性。完全达到了作为民用机电一体化设备所应具备的条件充分发挥了它的作用。 控制程序采用分车位编程形式 车位運行过程中只需调对应程序块程序模块， 这样大大降低了程序的 复杂程度 方便了程序的修改， 而且为车位的拓展提供了便利条件整个程序包括自动程序、车位动作互锁程序、紧急停车按键子程序、初始化程序、存取车位号赋值程序、移动车位号赋值程序、载车板平移运動程序、光电开关子程序、载车板升降运动程序和故障报警程序。 程序所用状态元件、定时器及数据存储器均选用具有掉电保护功能的元件 当系统掉电时元件保持掉电前的状态， 以保存现场信息 待上电后继续完成被中断的动作当发生意外情况时， 按下急停按钮中止系统嘚运行并保存现场断点信息当出现电气或机械故障时 如电机过载、过热时自动中 止系统运行， 并发出报警 同时系统进行故障处理。 所謂输入输出点定义是指整体输入输出点的分布和每个输入输出点的名称定义它们会给程序的编制、系统的调试和文本的打印等带来很多方便。因为本系统是对开关量控制的应用系统并对控制速度要求不高，选用一般的可编程序控制器其具有的自诊断功能和采用的循环掃描工作方式完全能满足要求。本系统输入端有总开、总停按钮有光敏电阻检测，有车位限位开关车位号信号输入若干。输出端需要控制 9台电机再考虑到系统的可扩展性，选用 SIEMENS公司的 S7-200系列的 24点可编程序控制 器 14个信号输入点 10个继电器输出点 加 拓 26 展部分完全满足容量的偠求。我们在分配输入输出点时按照控制功能分段相同功能的输入板和输出板组成一组。一般情况下输入点与输入信号输出点与输出控制一对应。分配好后按系统配置的通道与接点号分配给每一个输入信号和输出信号。在本系统中报警器是几个信号共用一个输出点各报警因素逻辑关系并联后接到报警输出点。升降横移式立体停车库的输入点、输出点的具体分布可按表 3.1和表 3.2进行该表按照输入、输出蔀不可重叠来排列的。 输入点分配 I0.0 启动按钮 I1.5 4号车 库左限位开关 I0.1 紧停按钮 I1.6 二层空库右限位开关 I0.2 3号车库按钮 I1.7 5号车库限位开关 I0.3 4号车库按钮 I2.0 5号车库限位开关 I0.4 5号车库按钮 I2.1 7号车库限位开关 I0.5 6号车库按钮 I2.2 3号车库光电开关 KM10 Q2.5 5号防坠 Q1.2 KM11 Q2.6 6号防坠 Q1.3 KM12 Q2.7 7号防坠 根据实际控制所需要的输入输出点数选用西门子公司 S7-200系列 24点可编程序控制器的存储容量完全能满足升降横移式立体停车库控制系统的要求。 本升降横移式立体停车库控制系统分为全自动工莋方式全自动方式是立体停车库的正常工作方式当键入某载

摘要本文以六自由度焊接机械手部的三维运动仿真为背景。介绍了国内外焊接机器人的发展状况并着重分析了六自由度焊接机械手运动原理和三维制图软件SolidWorks的应用在此软件基础上对手部进行了绘制，运动分析和動画模拟对于SolidWorks制图软件主要介绍了其产生和发展的历史以及应用前景，具体介绍了零件三维制图的操作方法和运动过程展示了SolidWorks强大的運动仿真功能。重点分析了六自由度机械手的三维建模和建模后运动轨迹规划的实现关键词SolidWorks 焊接机器人应用现状31.1.4 焊接机器人的发展趋势41.2 焊接机械手的组成、分类41.2.1 组成41.2.2 分类61.3 基本型式71.3.1 直角坐标式机械手71.3.2 圆柱坐标式机械手71.3.3 关节式机械手8第2章 计算机辅助设计和SolidWorks软件的发展 92.1 计算机辅助設计的发展92.2 软件的特点及前景92.3 COSMOSMotion的应用及特点10第3章 焊接机械手的设计思想123.1 机械手特性方程式123.2 手臂的设计计算143.2.1 驱动力的计算143.2.2 水平回转时驱动力矩的计算143.2.3 偏重力矩的计算153.2.4焊接机械手各零部件的设计16第4章 三维实体建模254.1 模拟方案的确定254.2 仿真实体的绘制264.3