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毕业论文（设计）开题报告论文（设计）题目基于PLC控制的机械手系统设计姓名系别信息工程系专业班级学号1.选题目的和意义：在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，在生产型企业中使用机械手改变生产方式是减轻企业对用工的依赖性，降低生产成本，实现可持续发展的转变思路。PLC控制机械手可按使用要求选购相应的产品完成复杂的逻辑控制，其以逻辑控制为主，也可以组成模拟量控制系统，软硬件开发工作量较少，输出带负载能力和抗干扰能力强，可靠性好，环境适应能力强[1]。机械手可以通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性，机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，尤其在高温，低温，粉尘，易燃易爆，有毒气体及放射性等恶劣环境中替代人工进行正常工作[2]，对改善工人的劳动条件产生积极的意义，并且在国民经济生产各领域应用越来越广泛，有着广阔的发展前景，值得研究。2.本选题在国内外的研究状况及发展趋势：机械手是当前自动控制领域中出现的一种较为新颖的技术，是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是工业机器人的一个重要分支，是现代工业生产中能到用到的重要技术组成。从20世纪90年代初期起，在国家“863”计划[3]支持下至今，机械人的迅速发展、研制和生产已成为高技术领域迅速发展起来的一门新兴的技术，它大大促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合，并且在工业生产中得到了广泛的应用，取得了良好的效果。利用机械手技术进行工业生产，并且通过对PLC技术的准确掌控，也能够大大提高工业生产效率。机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式[4]。就当前应用来看，机械手主要采用的是气动驱动或者液压的控制方式进行操作，这种方式具有很大的优越性，不仅结构简单，而且非常便于控制和掌握。它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点[5]。所以，气动机械手被广泛应用于机械制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。美国最早是20世纪40年代后期，在原子能实验室中首先运用机械手来搬运放射性材料，人在安全间对机械手进行操控和实验，它的机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，结构和功能都比较简单，但经过多年的研究和发展，目前在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，已经发展到第三代机械手（机械人），现已逐步推广到工业生产等诸多领域[6]。国外的机械手技术发展很快，目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。机器人学经历了一个波浪式前进的过程。现在,全世界已有近100万台机器人在运行[7],机器人技术已形成为一个很有发展前景的产业,机器人对国民经济和人民生活的各个方面,已产生重要影响。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能[8]，已经取得一定成绩。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展[9]。从近几年世界机器人推出的产品来看,工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展,其发展趋势主要为结构的模块化和可重构化,控制技术的开放化、PC化和网络化,伺服驱动技术的数字化和分散化,多传感器融合技术的实用化,工作环境设计的优化和作业的柔性化,以及系统的网络化和智能化等方面[10]。3.主要研究内容：在一条自动生产线上，由机械手将一条传送带上的物品传送到另一条传送带上。机械手的上升、下降、左转、右转、加紧、放松动作分别由电磁阀控制液压传动系统工作，并用限位开关及光电开关检测机械手动作的状态和物品的位置。两条传送带均由三相鼠笼型异步电动机驱动，且电动机有相应的保护措施。设计的机械手控制系统，包括硬件电路和软件编程，硬件电路主要由PLC，机械手，电机及其他相关部分构成，软件编程包括PLC流程图，梯形图和程序。机械手初始状态为手臂在下限位，下限位开关受压，手在传送带1上，右限位开关受压时，手指松开。启动时按启动按钮，传送带1、2同时启动。传送带1上的物品到达前端，光电开关检测到物品时，传送带1停止。机械手手指夹住物品，加紧时，加紧开关动作。机械手手臂上升，升到上限位时碰到上限开关。机械手手臂向右转，同时传送带1又启动，直到光电开关检测到物品时停止，手臂转到传送带2上时碰到右限位开关。机械手手臂下降，到下限位时碰到下限位开关。机械手手指松开，物品落到传送带2上，手指松开时，加紧开关复位。机械手手臂上升，到上限位时碰到上限开关。机械手手臂向左转，转到传送带1上时碰到左限位开关。机械手手臂下降，到下限位时碰到下限位开关。在传送带1上，如果有物品，机械手继续执行上述过程，如无物品则等待，如果等待时间超过10s，则传送带1、2停止运行。机械手要求有3种控制方式：手动控制方式，单周期控制方式和连续控制方式。4.完成论文的条件、方法及措施，包括实验设计、调研计划、资料收集、参考文献等内容。方案的设计与分析：本设计主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等模块所组成。在PLC程序控制的条件下，采用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。图1-1机械手组成整体框图初步设计方法和措施如下：（1）绘制机械手动作控制模型，根据上述工艺要求，机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。机械手本身为主要执行机构，驱动系统采用液压传动，控制系统用PLC编程控制，位置检测为光电开关。（2）被控系统基本动作有上升、下降、左转、右转、加紧、放松。本设计初步设想完成一次单循环机械手需完成八个顺序动作，确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。（3）分配输入、输出设备，即确定哪些外围设备是送信号给PLC的，哪些外围设备是接受来自PLC的信号的，同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应，对I/O进行分配。在此基础上确定PLC的选型，本设计所选择的是西门子S7-200系列PLC。（4）绘制系统硬件电路图并检验其正确性和可行性。（5）根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况，设计PLC用户程序，此时可采用梯形图、助记符或流程图语言的用户程序。PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互相关，编程时可用编程器或者计算机直接编程、修改，同时也可对PLC的工作状态、特殊功能进行设定。（6）对所设计的PLC程序进行调试和修改，直至PLC完全实现系统所要求的控制功能。方案措施与说明控制系统位置检测装置执行机构驱动系统（1）执行机构执行机构包括手部、手腕、手臂、立柱和机座等部件。通过对控制系统PLC编程，来控制执手部、手腕、手臂和立柱的协调动作来完成工作。（2）驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。机械传动结构简单，成本低，但工作粗糙，缓冲不好；气压传动系统有缓冲，成本低，但精度差；液压传动装置体积小方便灵活，易于与微电子技术结合，实现自动控制，本设计采用液压传动。（3）控制系统控制系统是机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行机构按规定的要求进行工作，并检测其正确与否。一般常见的为电器与电子回路控制，计算机控制系统等。由于PLC控制系统满足该工艺控制要求，稳定可靠抗干扰能力强，使用方便适应性强，且西门子PLC目前应用比较成熟，技术上有保证，有丰富的成功经验可以借鉴，本设计预采用S7-200系列西门子PLC来进行编程、设计和调试，以完成任务要求。（4）检测装置检测装置主要负责四类信号的检测，主要包括：按钮的输入信号检测，光电开关的信号检测，限位信号的输入检测，以及故障信号的检测。按钮输入信号的检测为人工控制的输入检测，主要有启动按钮、停止按钮和工作方式转换按钮。光电开关信号的检测指光电开关在规定时间段内检测不到物品时，定时器动作使传送带停止工作，避免传送带长时间空转。限位信号指机械手在运动过程中，当到达指定位置时，由传感器产生信号停止其继续向某一方向的运动。故障信号指机械部件出现故障时，产生一信号给控制器使机械手自动紧急停车。资料收集（1）机械手的结构机械手主要由手部（手抓）、手腕、手臂、立柱和机座组成。手部是机械手与工件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。本课题的工件是块状柱料，采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。（2）液压传动系统液压传动系统主要由油泵、液动机和调节装置组成。油泵供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系工作。液动机相当于手臂伸缩油缸做直线运动，也有回转运动的液压机一般叫做油马达。调节装置指各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞运动，从而使手臂做伸缩、升降等运动，将压力油的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件所需保持的握力的大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。（3）可编程控制器（PLC）可编程控制器（简称PLC）：是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如下图所示：图2-1PLC基本结构图当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如下：(一)输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。(二)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑