郑州轻工业学院
2015—2016学年第一学期
《机电一体化》结课论文
专业班级 机电12-03班 姓 名 张柯 学 号 [1**********]2 日 期 2015/12/19
自动涂胶机械手的研制与 PLC 应用 传统的机械设备与产品，多是以机械为主，是电气，液压或气动控制的机械设备。随着工业水平的不断发展，机械设备已逐步地由手动操作改为自动控制，设备本身也发展成为机电一体化的综合体。可编程序控制器（PLC ）是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过 30 多年的发展，目前，可编程序控制器已成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱(可编程序控制器、机器人、计算机辅助设计与制造) 的首位。其广泛的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。
为了解决汽车电子喇叭控制板生产的自动涂胶问题，本文主要研究了涂胶机械手如何从手动操作设计成为自动涂胶的机械手的方法，提出了设计自动涂胶机械手的整体方案和目标及功能要求；给出了自动涂胶机械手的本体设计（机械结构的设计）；驱动执行装置的设计(电气部分及伺服电动机的设计) ；系统控制部分的设计等。该系统的核心部分（技术关键部分）是自动涂胶机械手的控制系统，其控制系统主要是以 DRC （数据记录控制计算机）和日本三菱 FX1 系列可编程序控制器（PLC ）为基础进行集成控制的。自动涂胶机械手是机电一体化产品，其自动操作过程是按预先编排好的逻辑程序顺序完成的。其定位精确、上下起停运动平稳、响应快、出胶定量且流速均匀、灌封饱满、轨迹行程精确（轨迹行程可精确到 0.01mm ）。该系统的成功开发对提高工作效率、改善产品
质量、减轻工程技术人员的工作强度都具有很大的意义，并且该系统在控制现场方面，尤其在 PLC 控制现场方面，具有卓越的控制功能和良好的性能价格比。
自动涂胶机械手的总体设计方案
汽车的电子喇叭是汽车的一个重要部件，其性能的好坏直接影响汽车在用户中的形象。汽车电子喇叭的发声是由汽车喇叭中的电子线路完成的。电子线路板的绝缘防护对电子喇叭的使用性能起到了至关重要的作用。目前，国内外一些生产汽车电子喇叭的企业对电子线路的绝缘防护全部采用手工涂胶方式。手工涂胶容易产生涂胶量不均，绝缘胶溢出电子线路板，并易产生气泡等缺点，影响了电子线路的绝缘性能。另外，手工涂胶方式受操作者的情绪影响较大。针对这一情况，设计了以 DRC(数据记录控制计算机) 和日本三菱公司的 FX1系列（FX1-80MR ）PLC 为基础的集成控制的自动涂胶机械手。
机电一体化系统由机械系统（机构）、电子信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电机）等五大子系统组成。其五种内部功能即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能[35]。该自动涂胶机械手的总统设计就是依据机电一体化系统的组成原则进行设计的。因而，该系统的设计也主要由以上五大部分组成。机电一体化系统的一大特点是由于机电一体化系统的微电子装置取代了人对机械的绝大部分的控制功能，并加以延伸和扩大，克服了人体能力的不足和弱点。另一大特点是节省能源和材料消耗。其主要特征是自动化操作。
所要控制的机械手。此机械手由两个垂直的手臂组成，可以进行 X-Y 轴坐标系的平面运动；此外，在其中的一个手臂上装载一个连接板，涂胶的胶罐通过卡具与连接板上的汽缸滑轨相连，从而可以进行 Z 方向上的上下运动。此机械手的手臂的机械传动部件采用大螺距滚珠丝杠，手臂在 X-Y 平面的运动是由伺服电机驱动的。胶筒的上下移动和涂胶动作的驱动是靠气压来推动的。检测环节中的控制参数大多数为连续变化的物理参数，如机械转数、加速度、位移、力、力矩等等；当然还包括机械极限位置一类的开关量的控制。控制计算机在实时控制过程中要知道这些受控参数的变化情况，就需要在系统中配备相应的检测元件及其变换电路，将受控参数转换成电参数，再输入给计算机。
计算机是控制系统的核心。本课题采用 PLC ，PLC 根据输入通道发送来的涂胶机械手的各种运行情况，按照预先根据控制规律（数学模型）设计的控制程序，自动地进行信息处理、分析和计算，做出相应的控制决策，并通过输出通道向机械手发出控制命令是否涂胶。过程控制的操作员必须能够与控制计算机进行人机“对话”，以了解生产过程的状态，以及在发生事故时进行人工干预。所以要设计一个操作控制台，
其主要功能如下：
（1）操作平台上应有带导轨的小车，供装载需要涂胶的电子喇叭。
（2）应具有功能控制面板，拨动扳键，计算机就能执行标志所标明的动作。
（3）应有一个简单的手持编程器，用来送入某些数据或修改控制系统的某些参数。
（4）应有报警装置，供紧急情况时报警。
软件组成
硬件只是计算机控制系统的躯体；而软件则是计算机控制系统的大脑和灵魂，是人的思维与系统硬件之间的桥梁。软件的优劣关系到计算机控制系统正常运行、硬件功能的发挥以及控制性能的优劣等。软件系统通常分为两大类：
一类是系统软件，另一类是应用软件。
系统软件指的是操作系统、程序设计系统等与计算机密切相关的程序。系统软件一般由计算机生产产商或各种软件公司提供，带有一定的通用性，用不着自己编写。本课题打算采用日本三菱公司的 PLC ，所以系统软件是由三菱公司提供的 MELSEC APPLATION 系统软件，此软件可以对系统进行实时监控。应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在计算机控制系统中，每个控制对象或控制任务都要有相应的控制程序，用这些控制程序来完成对象的不同要求，这种程序通常称为应用程序。本课题主要根据涂胶机械手的各种输入输出状态来编制 PLC 的梯形图程序。
系统组成
该系统是一个典型的机电一体化系统或称为机电计算机控制系统（本系统主要采用 PLC 控制）。因而，本系统设计成为主要由机械、电气、控制三大部分组成。其机械部分主要是控制行程的 X-Y 轴机
械手装置（严格来讲，这个涂胶机械手实际上是一个简单的 X-Y 轴直角坐标系机器人），主要由驱动滚珠丝杠进行 X-Y 轴方向运动的执行装置、气缸（完成注胶罐的上下等）、导轨（支承装载工件的托盘）等执行机构组成。电气部分是由直流伺服电动机、增量编码器、各种检测传感器、电磁控制阀等组成。控制部分主要由可编程控制器（本装置采用日本三菱的 FX1－80MR ）和 DRC(数据记录控制计算机) 及 DRC 的手持编程器 DPB 等组成。任何一个典型的机电计算机控制系统，从系统总体而言，都要由硬件和软件两部分组成。该系统的硬件配置主要有 DRC(数据记录控制计算机) 和 DPB （DRC 的手持编程器）、PLC 、I/O 接口线路板、增量编码器、DC 伺服电动机、各种传感器等硬件及部分外围电路组成如图。
系统功能
检测与控制功能
系统通过各种传感器自动检测注胶罐中胶量的多少、胶罐的位置、工件和托盘的位置及机械手是否回归起始原点的状况，由 PLC 根据
所测的各种位置信号来控制涂胶机械手的启动、运行和停机。系统实时检测供电电源情况，由 PLC 控制在电源严重过压或欠压时停机。 显示报警功能
当系统出现下列情况之一时，均同时进行声、光报警：DC24V 掉电（各种传感器的供电电源）；机械手未回归原点位置时进行启动；注胶罐未回归上限位置时进行启动；轨道气路气压未达到规定值；系统供电电源严重过压或欠压等等。
灵活的机械手操作过程
涂胶机械手的操作过程有两种：自动操作/手动操作。将自动/手动的切换开关打到“手动”状态时，可以按下操作面板上相应的点动开关实现点动操作；打到“自动” 状态时，则根据相应的控制程序进行自动且连续的涂胶。固定喇叭的托盘可以自动进退、注胶罐自动升降、自动按预先编好的控制程序程序及轨迹行程程序进行涂胶，涂胶完毕后托盘自动退回，工人安装下一个工件。
可编程序控制器（PLC ）
突出的适应能力（抗干扰能力强），灵活的应用方法，方便的操作方式，稳定的可靠运行（可靠性高），容易的维修维护和良好的性能价格比等诸多优点，成为可编程序控制器（PLC ）在自动控制领域立足、发展和壮大的趋势，可编程序控制器正改变着工厂自动控制的面貌。
PLC 系统的组成
PLC 是一种以微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。因此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。 PLC 的硬件系统
由基本单元、I/O 扩展单元及外部设备组成。
PLC 的软件系统
PLC 的软件系统是指 PLC 所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。硬件系统与软件系统组成了一个完整的 PLC 系统，它们相辅相成，缺一不可。没有软件的 PLC 系统称为裸机系统，不起任何作用，犹如无米之锅。反之，如果没有硬件系统，软件系统也失去了基本的外部条件，程序根本无法运行。 PLC 的分类
目前，PLC 应用广泛，国内外生产厂家众多，所生产的 PLC 产品更是品种繁多，其型号、规格和性能也各不相同。通常，可以按照结构形式的不同及功能的差异进行大致的分类。
按结构形式分
按照结构形式的不同，PLC 可分为整体式和模块式两种。
前者具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点，易于装在工业设备微处理器(CPU)、运算器、控制器、存储器、EPROM(系统程序) 、RAM （用户程序）、电源输入部件、输出部件外设I/O接口、I/O扩展接口、接收现场信号驱动受控元件、I/O扩展单元的内部，通常适于单机工作。一般小型和超小型 PLC 多采用这种结构，如日本三菱 FX 系列的 PLC 。后者配置灵活，装载和维修方便，功能易于扩展，
其缺点是结构较复杂，造价也较高。一般大、中型 PLC 都采用这种结构，如日本三菱公司的 AN 系列。
按功能、点数分
按功能、输入输出点数和存储器容量不同，PLC 可分为小型、中型和大型三类。小型 PLC 又成为低档的 PLC 。这类 PLC 的规模较小，它的输入输出点数一般从 20 点到 128 点。中型 PLC 的 I/O 点数通常在 120 点至 512 点之间，用户程序存储器的容量为 2KB-8KB. 大型 PLC 又称为高档的 PLC ，I/O 点数在 512点以上，其中 I/O 点数大于 8192 点的又称为超大型 PLC ，用户程序存储器容量在 8KB 以上。
本课题是一个典型的“机电系统计算机控制”的应用。所谓的机电一体化系统是指在系统的主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机等电子设备以及等软件等有机结合而形成的系统，即机械、执行、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行组合而形成的一种新兴机械系统。本课题主要就是研究这样的一个“工业机器人”的系统。依工业机器人的分类本课题主要是制造出一个直角坐标型的机械手作为机械装置来完成涂胶动作；选择适应工厂现有的条件及机械装置动作的驱动系统；控制系统则采用 PLC 控制，控制系统是工业机器人的指挥系统，它控制工业机器人按规定的程序运动，可记忆各种指令信息（如动作顺序、运动顺序、运动速度及运动时间等），同时按指令信息向各执行元件发出指令，必要时还可对机器人动作进行
监控，当动作有误或发生故障时即发出警报信号。依据以上我的初步构思，应能达到预期的效果。PLC 是专门为适应工业环境而设计的，它突出的适应能力、高可靠性、高稳定性必将使其在今后将有很大的发展。
机械系统的设计
机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件，以及检测传感部件等部分组成。这里所说的机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。该涂胶机械手就是依照满足上述的要求，进行设计的。其机械系统主要包括机械传动部件、导向支承部件及轴系部件等。
机械传动部件的设计
常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及各种非线性传动部件等。其主要功能是传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转矩、转速变换器。其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面等到最佳匹配。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的
可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。
对工作中的传动机构，既要求能实现运动的变换。又要求实现动力的变换；
对信息机中的传动机构，则主要要求具有运动的变换功能，只需要克服惯性力矩和各种摩擦阻力及较小的负载即可。
随着机电一体化系统（或产品）精密化和高速化的发展，必然要求其传动机构小型轻量化，以提高运动灵敏度（响应性）。减小冲击、降低能耗。为与电子部件的微型化相适应，也要尽可能作到使机械传动部件短小轻薄化。
导向支承部件的设计
机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。
该自动涂胶机械手系统，主要采用了电气执行元件和气压式执行元件, 所以在本文中我仅对电气执行元件和气压执行元件的种类及特点进行讲述。
电气执行元件
电气执行元件包括控制用电机（DC 、AC 伺服电机、步进电机）、静电电机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电机以及电磁铁等。对于该自动涂胶机械手，我们主要采用了其中的控制用电机和电磁铁。电磁铁由线圈和衔铁两部分组成，结构简单。由于是单向驱动，故需
用弹簧复位，用以实现两固定点间的快速驱动。有关控制用电机的详细内容将在下面的一章中讲述，这里就不再重复了。
气压式执行元件
气压式执行元件是将压缩空气的压力能转换成为机械能的装置具有代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等。气缸能提供直线运动并作功，而气马达社利用压缩空气的能量实现旋转运动的机械。在该自动涂胶机械手控制系统中，我们选用气压式执行元件只是为提供一些短行程的直线距离传送，比如，注胶罐的上升与下降、支承托盘导轨的前进与后退等等。因而，我们选用了典型气缸中的膜片式气缸。膜片式气缸是一种用压缩空气推动非金属膜片作往复运动的气缸，这种气缸的结构紧凑、无泄露、成本低、维修方便，行程较小。适用于气动夹具、自动调节阀及短行程工作场合。
系统的气压回路设计
在该自动涂胶机械手控制系统中，注胶罐的上升和下降是由气缸进行驱动的以及注胶罐中的绝缘胶的流出和抽胶也由注胶罐中气压的压力决定的。在工作台上支承托盘的导轨也是采用气缸进行气压驱动的。
伺服电机的选择
选择直流伺服电动机的理由
无论是位置控制系统还是速度控制系统，被控对象是否能达到预期的运行状态，完全取决于系统的稳态和动态性能，其中伺服电动机和被控对象相联系的动力学特性对其影响很大。也就是说，负载及其性质是伺服电动机选择和传动装置设计计算的原始数据。步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。由于开环控制系统精度不高，且
步进电机的功率和速度不高，因此步进电机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合。而本文所叙述的自动涂胶机械手控制系统是一个典型的半闭环位置控制系统，要求具有高响应特性、高功率密度并能实现高精度数字控制等特点，再加上工厂的现有条件，因而选用了直流伺服电机。
PLC 与 DRC 集成控制系统的设计
该自动涂胶机械手控制系统由数据记录控制计算机（DRC ）和可编程序控制器（PLC ）集成控制的。其中数据记录控制计算机（DRC ）将部分信息输出给可编程序控制器，作为 PLC 的输入信号；反过来，PLC 将部分信息输出给 DRC, 作为 DRC 的输入信号，两者集成控制。该系统物理结构图，如图所示。
为了解决电子喇叭控制板生产的自动涂胶问题，本文主要研究了将涂胶机械手如何从手动涂胶设计成为自动涂胶的机械手，提出了设计自动涂胶机械手的整体方案和目标及功能要求；给出了自动涂胶机械手的本体设计（机械结构的设计）并且主要以 DRC （数据记录控
制计算机）和 PLC 为基础，设计了两者集成控制的控制系统。探讨了自动涂胶机械手控制系统的主要功能并且给出了其软硬件的设计。
郑州轻工业学院
2015—2016学年第一学期
《机电一体化》结课论文
专业班级 机电12-03班 姓 名 张柯 学 号 [1**********]2 日 期 2015/12/19
自动涂胶机械手的研制与 PLC 应用 传统的机械设备与产品，多是以机械为主，是电气，液压或气动控制的机械设备。随着工业水平的不断发展，机械设备已逐步地由手动操作改为自动控制，设备本身也发展成为机电一体化的综合体。可编程序控制器（PLC ）是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过 30 多年的发展，目前，可编程序控制器已成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱(可编程序控制器、机器人、计算机辅助设计与制造) 的首位。其广泛的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。
为了解决汽车电子喇叭控制板生产的自动涂胶问题，本文主要研究了涂胶机械手如何从手动操作设计成为自动涂胶的机械手的方法，提出了设计自动涂胶机械手的整体方案和目标及功能要求；给出了自动涂胶机械手的本体设计（机械结构的设计）；驱动执行装置的设计(电气部分及伺服电动机的设计) ；系统控制部分的设计等。该系统的核心部分（技术关键部分）是自动涂胶机械手的控制系统，其控制系统主要是以 DRC （数据记录控制计算机）和日本三菱 FX1 系列可编程序控制器（PLC ）为基础进行集成控制的。自动涂胶机械手是机电一体化产品，其自动操作过程是按预先编排好的逻辑程序顺序完成的。其定位精确、上下起停运动平稳、响应快、出胶定量且流速均匀、灌封饱满、轨迹行程精确（轨迹行程可精确到 0.01mm ）。该系统的成功开发对提高工作效率、改善产品
质量、减轻工程技术人员的工作强度都具有很大的意义，并且该系统在控制现场方面，尤其在 PLC 控制现场方面，具有卓越的控制功能和良好的性能价格比。
自动涂胶机械手的总体设计方案
汽车的电子喇叭是汽车的一个重要部件，其性能的好坏直接影响汽车在用户中的形象。汽车电子喇叭的发声是由汽车喇叭中的电子线路完成的。电子线路板的绝缘防护对电子喇叭的使用性能起到了至关重要的作用。目前，国内外一些生产汽车电子喇叭的企业对电子线路的绝缘防护全部采用手工涂胶方式。手工涂胶容易产生涂胶量不均，绝缘胶溢出电子线路板，并易产生气泡等缺点，影响了电子线路的绝缘性能。另外，手工涂胶方式受操作者的情绪影响较大。针对这一情况，设计了以 DRC(数据记录控制计算机) 和日本三菱公司的 FX1系列（FX1-80MR ）PLC 为基础的集成控制的自动涂胶机械手。
机电一体化系统由机械系统（机构）、电子信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电机）等五大子系统组成。其五种内部功能即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能[35]。该自动涂胶机械手的总统设计就是依据机电一体化系统的组成原则进行设计的。因而，该系统的设计也主要由以上五大部分组成。机电一体化系统的一大特点是由于机电一体化系统的微电子装置取代了人对机械的绝大部分的控制功能，并加以延伸和扩大，克服了人体能力的不足和弱点。另一大特点是节省能源和材料消耗。其主要特征是自动化操作。
所要控制的机械手。此机械手由两个垂直的手臂组成，可以进行 X-Y 轴坐标系的平面运动；此外，在其中的一个手臂上装载一个连接板，涂胶的胶罐通过卡具与连接板上的汽缸滑轨相连，从而可以进行 Z 方向上的上下运动。此机械手的手臂的机械传动部件采用大螺距滚珠丝杠，手臂在 X-Y 平面的运动是由伺服电机驱动的。胶筒的上下移动和涂胶动作的驱动是靠气压来推动的。检测环节中的控制参数大多数为连续变化的物理参数，如机械转数、加速度、位移、力、力矩等等；当然还包括机械极限位置一类的开关量的控制。控制计算机在实时控制过程中要知道这些受控参数的变化情况，就需要在系统中配备相应的检测元件及其变换电路，将受控参数转换成电参数，再输入给计算机。
计算机是控制系统的核心。本课题采用 PLC ，PLC 根据输入通道发送来的涂胶机械手的各种运行情况，按照预先根据控制规律（数学模型）设计的控制程序，自动地进行信息处理、分析和计算，做出相应的控制决策，并通过输出通道向机械手发出控制命令是否涂胶。过程控制的操作员必须能够与控制计算机进行人机“对话”，以了解生产过程的状态，以及在发生事故时进行人工干预。所以要设计一个操作控制台，
其主要功能如下：
（1）操作平台上应有带导轨的小车，供装载需要涂胶的电子喇叭。
（2）应具有功能控制面板，拨动扳键，计算机就能执行标志所标明的动作。
（3）应有一个简单的手持编程器，用来送入某些数据或修改控制系统的某些参数。
（4）应有报警装置，供紧急情况时报警。
软件组成
硬件只是计算机控制系统的躯体；而软件则是计算机控制系统的大脑和灵魂，是人的思维与系统硬件之间的桥梁。软件的优劣关系到计算机控制系统正常运行、硬件功能的发挥以及控制性能的优劣等。软件系统通常分为两大类：
一类是系统软件，另一类是应用软件。
系统软件指的是操作系统、程序设计系统等与计算机密切相关的程序。系统软件一般由计算机生产产商或各种软件公司提供，带有一定的通用性，用不着自己编写。本课题打算采用日本三菱公司的 PLC ，所以系统软件是由三菱公司提供的 MELSEC APPLATION 系统软件，此软件可以对系统进行实时监控。应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在计算机控制系统中，每个控制对象或控制任务都要有相应的控制程序，用这些控制程序来完成对象的不同要求，这种程序通常称为应用程序。本课题主要根据涂胶机械手的各种输入输出状态来编制 PLC 的梯形图程序。
系统组成
该系统是一个典型的机电一体化系统或称为机电计算机控制系统（本系统主要采用 PLC 控制）。因而，本系统设计成为主要由机械、电气、控制三大部分组成。其机械部分主要是控制行程的 X-Y 轴机
械手装置（严格来讲，这个涂胶机械手实际上是一个简单的 X-Y 轴直角坐标系机器人），主要由驱动滚珠丝杠进行 X-Y 轴方向运动的执行装置、气缸（完成注胶罐的上下等）、导轨（支承装载工件的托盘）等执行机构组成。电气部分是由直流伺服电动机、增量编码器、各种检测传感器、电磁控制阀等组成。控制部分主要由可编程控制器（本装置采用日本三菱的 FX1－80MR ）和 DRC(数据记录控制计算机) 及 DRC 的手持编程器 DPB 等组成。任何一个典型的机电计算机控制系统，从系统总体而言，都要由硬件和软件两部分组成。该系统的硬件配置主要有 DRC(数据记录控制计算机) 和 DPB （DRC 的手持编程器）、PLC 、I/O 接口线路板、增量编码器、DC 伺服电动机、各种传感器等硬件及部分外围电路组成如图。
系统功能
检测与控制功能
系统通过各种传感器自动检测注胶罐中胶量的多少、胶罐的位置、工件和托盘的位置及机械手是否回归起始原点的状况，由 PLC 根据
所测的各种位置信号来控制涂胶机械手的启动、运行和停机。系统实时检测供电电源情况，由 PLC 控制在电源严重过压或欠压时停机。 显示报警功能
当系统出现下列情况之一时，均同时进行声、光报警：DC24V 掉电（各种传感器的供电电源）；机械手未回归原点位置时进行启动；注胶罐未回归上限位置时进行启动；轨道气路气压未达到规定值；系统供电电源严重过压或欠压等等。
灵活的机械手操作过程
涂胶机械手的操作过程有两种：自动操作/手动操作。将自动/手动的切换开关打到“手动”状态时，可以按下操作面板上相应的点动开关实现点动操作；打到“自动” 状态时，则根据相应的控制程序进行自动且连续的涂胶。固定喇叭的托盘可以自动进退、注胶罐自动升降、自动按预先编好的控制程序程序及轨迹行程程序进行涂胶，涂胶完毕后托盘自动退回，工人安装下一个工件。
可编程序控制器（PLC ）
突出的适应能力（抗干扰能力强），灵活的应用方法，方便的操作方式，稳定的可靠运行（可靠性高），容易的维修维护和良好的性能价格比等诸多优点，成为可编程序控制器（PLC ）在自动控制领域立足、发展和壮大的趋势，可编程序控制器正改变着工厂自动控制的面貌。
PLC 系统的组成
PLC 是一种以微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。因此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。 PLC 的硬件系统
由基本单元、I/O 扩展单元及外部设备组成。
PLC 的软件系统
PLC 的软件系统是指 PLC 所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。硬件系统与软件系统组成了一个完整的 PLC 系统，它们相辅相成，缺一不可。没有软件的 PLC 系统称为裸机系统，不起任何作用，犹如无米之锅。反之，如果没有硬件系统，软件系统也失去了基本的外部条件，程序根本无法运行。 PLC 的分类
目前，PLC 应用广泛，国内外生产厂家众多，所生产的 PLC 产品更是品种繁多，其型号、规格和性能也各不相同。通常，可以按照结构形式的不同及功能的差异进行大致的分类。
按结构形式分
按照结构形式的不同，PLC 可分为整体式和模块式两种。
前者具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点，易于装在工业设备微处理器(CPU)、运算器、控制器、存储器、EPROM(系统程序) 、RAM （用户程序）、电源输入部件、输出部件外设I/O接口、I/O扩展接口、接收现场信号驱动受控元件、I/O扩展单元的内部，通常适于单机工作。一般小型和超小型 PLC 多采用这种结构，如日本三菱 FX 系列的 PLC 。后者配置灵活，装载和维修方便，功能易于扩展，
其缺点是结构较复杂，造价也较高。一般大、中型 PLC 都采用这种结构，如日本三菱公司的 AN 系列。
按功能、点数分
按功能、输入输出点数和存储器容量不同，PLC 可分为小型、中型和大型三类。小型 PLC 又成为低档的 PLC 。这类 PLC 的规模较小，它的输入输出点数一般从 20 点到 128 点。中型 PLC 的 I/O 点数通常在 120 点至 512 点之间，用户程序存储器的容量为 2KB-8KB. 大型 PLC 又称为高档的 PLC ，I/O 点数在 512点以上，其中 I/O 点数大于 8192 点的又称为超大型 PLC ，用户程序存储器容量在 8KB 以上。
本课题是一个典型的“机电系统计算机控制”的应用。所谓的机电一体化系统是指在系统的主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机等电子设备以及等软件等有机结合而形成的系统，即机械、执行、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行组合而形成的一种新兴机械系统。本课题主要就是研究这样的一个“工业机器人”的系统。依工业机器人的分类本课题主要是制造出一个直角坐标型的机械手作为机械装置来完成涂胶动作；选择适应工厂现有的条件及机械装置动作的驱动系统；控制系统则采用 PLC 控制，控制系统是工业机器人的指挥系统，它控制工业机器人按规定的程序运动，可记忆各种指令信息（如动作顺序、运动顺序、运动速度及运动时间等），同时按指令信息向各执行元件发出指令，必要时还可对机器人动作进行
监控，当动作有误或发生故障时即发出警报信号。依据以上我的初步构思，应能达到预期的效果。PLC 是专门为适应工业环境而设计的，它突出的适应能力、高可靠性、高稳定性必将使其在今后将有很大的发展。
机械系统的设计
机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件，以及检测传感部件等部分组成。这里所说的机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。该涂胶机械手就是依照满足上述的要求，进行设计的。其机械系统主要包括机械传动部件、导向支承部件及轴系部件等。
机械传动部件的设计
常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及各种非线性传动部件等。其主要功能是传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转矩、转速变换器。其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面等到最佳匹配。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的
可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。
对工作中的传动机构，既要求能实现运动的变换。又要求实现动力的变换；
对信息机中的传动机构，则主要要求具有运动的变换功能，只需要克服惯性力矩和各种摩擦阻力及较小的负载即可。
随着机电一体化系统（或产品）精密化和高速化的发展，必然要求其传动机构小型轻量化，以提高运动灵敏度（响应性）。减小冲击、降低能耗。为与电子部件的微型化相适应，也要尽可能作到使机械传动部件短小轻薄化。
导向支承部件的设计
机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。
该自动涂胶机械手系统，主要采用了电气执行元件和气压式执行元件, 所以在本文中我仅对电气执行元件和气压执行元件的种类及特点进行讲述。
电气执行元件
电气执行元件包括控制用电机（DC 、AC 伺服电机、步进电机）、静电电机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电机以及电磁铁等。对于该自动涂胶机械手，我们主要采用了其中的控制用电机和电磁铁。电磁铁由线圈和衔铁两部分组成，结构简单。由于是单向驱动，故需
用弹簧复位，用以实现两固定点间的快速驱动。有关控制用电机的详细内容将在下面的一章中讲述，这里就不再重复了。
气压式执行元件
气压式执行元件是将压缩空气的压力能转换成为机械能的装置具有代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等。气缸能提供直线运动并作功，而气马达社利用压缩空气的能量实现旋转运动的机械。在该自动涂胶机械手控制系统中，我们选用气压式执行元件只是为提供一些短行程的直线距离传送，比如，注胶罐的上升与下降、支承托盘导轨的前进与后退等等。因而，我们选用了典型气缸中的膜片式气缸。膜片式气缸是一种用压缩空气推动非金属膜片作往复运动的气缸，这种气缸的结构紧凑、无泄露、成本低、维修方便，行程较小。适用于气动夹具、自动调节阀及短行程工作场合。
系统的气压回路设计
在该自动涂胶机械手控制系统中，注胶罐的上升和下降是由气缸进行驱动的以及注胶罐中的绝缘胶的流出和抽胶也由注胶罐中气压的压力决定的。在工作台上支承托盘的导轨也是采用气缸进行气压驱动的。
伺服电机的选择
选择直流伺服电动机的理由
无论是位置控制系统还是速度控制系统，被控对象是否能达到预期的运行状态，完全取决于系统的稳态和动态性能，其中伺服电动机和被控对象相联系的动力学特性对其影响很大。也就是说，负载及其性质是伺服电动机选择和传动装置设计计算的原始数据。步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。由于开环控制系统精度不高，且
步进电机的功率和速度不高，因此步进电机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合。而本文所叙述的自动涂胶机械手控制系统是一个典型的半闭环位置控制系统，要求具有高响应特性、高功率密度并能实现高精度数字控制等特点，再加上工厂的现有条件，因而选用了直流伺服电机。
PLC 与 DRC 集成控制系统的设计
该自动涂胶机械手控制系统由数据记录控制计算机（DRC ）和可编程序控制器（PLC ）集成控制的。其中数据记录控制计算机（DRC ）将部分信息输出给可编程序控制器，作为 PLC 的输入信号；反过来，PLC 将部分信息输出给 DRC, 作为 DRC 的输入信号，两者集成控制。该系统物理结构图，如图所示。
为了解决电子喇叭控制板生产的自动涂胶问题，本文主要研究了将涂胶机械手如何从手动涂胶设计成为自动涂胶的机械手，提出了设计自动涂胶机械手的整体方案和目标及功能要求；给出了自动涂胶机械手的本体设计（机械结构的设计）并且主要以 DRC （数据记录控
制计算机）和 PLC 为基础，设计了两者集成控制的控制系统。探讨了自动涂胶机械手控制系统的主要功能并且给出了其软硬件的设计。