PLC機械手控制系統(tǒng)開題報告

XXX大學(xué)

畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告

課題名稱：基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名：XXX

學(xué)號：201*092158學(xué)院：機械電氣工程學(xué)院專業(yè)、年級：電氣XXXX班指導(dǎo)教師：XXX職稱：XXX

畢業(yè)論文(設(shè)計)起止時間：201*.3.10至201*.6.10

一、本課題來源及研究的目的和意義：本課題來源：指導(dǎo)老師本課題的研究目的和意義：本課題目的主要是利用可編程控制器作為載體設(shè)計一套程序驅(qū)動機械手進行預(yù)訂動作實現(xiàn)對筆的抓取并寫出預(yù)設(shè)的文字，并可根據(jù)需求變化隨時更改寫出的文字。理論上，機械手控制電路的設(shè)計是對于大入學(xué)里面學(xué)到的課程，例如電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器、機械基礎(chǔ)、電路理論等課程的進一步鞏固。實踐方面本課題將PLC應(yīng)用于機械手的控制電路中，具有很強的PLC系統(tǒng)設(shè)計上意義。機械手是模仿人的手部動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運和操作的自動裝置。在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人門勞動強度，甚至危及生命。機械手就是在這種條件下誕生的，機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關(guān)鍵部件之一。它特別是在高溫、高壓、多粉塵、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境中，以及笨重、單調(diào)、頻繁的操作中代替人作業(yè)。機械手雖然目前還不如然手那樣靈活，但它具有不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此獲得日益廣泛的應(yīng)用。機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。本課題設(shè)計的機械手是采用PLC通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程方法簡單等點，來實現(xiàn)自動化控制的。二、本課題所涉及的問題在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：隨著社會進步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)塵著革命性的變化，從手工作坊式的勞動，逐步演變成自動化、智能化的生產(chǎn)方式，人類也逐漸無法完成某些生產(chǎn)過程，所以為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具一一機械手。機械手也被稱為自動手，能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和門動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。國外研究現(xiàn)狀：機械手首先是從美國開始研制的。1954年美國工程師德爾沃最早提出機械人的概念；1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。1959年美國德爾沃與英格伯制造了世界上的第一臺機械人；1962年美國正式將機械人的使用性提出來，且制造出類似人的手臂；1967年日本成立了人工手研究會，并召開了首屆機械手學(xué)術(shù)會；1970年在美國召開了第一屆工業(yè)機械人學(xué)術(shù)會，并的到迅速普及；1973年辛辛那提公司制造出第一臺小型計算機控制的的工業(yè)機械人，當時是液壓驅(qū)動，能載重大成就45KG；到1980年在日本得到普及，并定為“機械人元年”此后在日本機械人得到了前所未有的發(fā)展與提升。目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達到6軸，負載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。現(xiàn)代式工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題�；�工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。采用全自動化機械手進行裝配更是目前研究的重點，國外已研究采用攝像機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。國內(nèi)研究現(xiàn)狀：在我國，汽車工業(yè)仍然是工業(yè)機械手主要的使用領(lǐng)域。但我國在工業(yè)機械手生產(chǎn)企業(yè)中，年產(chǎn)銷量在100臺以上、產(chǎn)值過5000萬元的規(guī)模企業(yè)非常少，國外大型公司年產(chǎn)量都達5000到10000臺，銷售額為數(shù)十億美元。目前國內(nèi)機械手的保有量在4000臺左右，井將以每年800～1000臺左右的速度快速增長。工業(yè)機械手應(yīng)用前景極為廣闊。雖然目前國內(nèi)生產(chǎn)工業(yè)機械手的企業(yè)并不多，很多產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)還主要依靠進口，高科技的技術(shù)主要還掌握在國際龍頭廠商手里。國內(nèi)機械手廠家主要還是受到控制系統(tǒng)的困擾,沒有比較成熟穩(wěn)定的伺服系統(tǒng),所以不能生產(chǎn)高端機器。我國本土企業(yè)生產(chǎn)的機械手產(chǎn)品還主要流通在中低端市場，因此決定了很多本土生產(chǎn)企業(yè)在爭奪市場時主要還是采取價格戰(zhàn)。隨著技術(shù)的進步，日臻成熟，會有更多的廠商加入此行業(yè)。我國國家“863"’機械手技術(shù)主題自成立以來一直重視機械手技術(shù)在產(chǎn)業(yè)中的推廣和應(yīng)用和推進機械手技術(shù)以提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，利用機械手技術(shù)發(fā)展高新產(chǎn)業(yè)。目前，政府正在使用各種辦法加大中國裝備制造業(yè)在市場中占據(jù)的份額，井提供優(yōu)惠措施鼓勵更多企業(yè)使用機械手及技術(shù)以提升技術(shù)水平。國內(nèi)越來越多的企業(yè)在生產(chǎn)中采用了工業(yè)機械手，各種機械手生產(chǎn)廠家的銷售量都有大幅度的提高。三、課題的研究內(nèi)容、目標及可行性分析：課題研究內(nèi)容：利用可編程控制器作為載體設(shè)計一套程序驅(qū)動機械手進行預(yù)訂動作實現(xiàn)物料搬運功能，并可根據(jù)工件的變化要求隨時更改相關(guān)控制參數(shù)。需要實現(xiàn)的目標：(1)編寫一套PLC的應(yīng)用程序其功能是實現(xiàn)對機械手的循環(huán)控制，使機械手按照預(yù)先設(shè)想的軌跡運行實現(xiàn)物料搬運的功能。(2)正確設(shè)計PLC與機械手的接線方式并進行控制信號線的連接。(3)運行程序使機械手按照預(yù)訂的動作運動�？尚行苑治觯�1）技術(shù)可行性本課題所涉及的研究目標，在國內(nèi)外已經(jīng)有相當成熟的理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。通過文獻調(diào)查，機械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計，絕大部分可以使用電氣工程及其自動化專業(yè)知識進行構(gòu)建，其他的部分則可以通過自學(xué)，調(diào)用已經(jīng)開發(fā)好的一些功能模塊完成課題涉及到的技術(shù)要求。2）經(jīng)濟可行性本課題通過對既有平臺的使用，能夠設(shè)計出比較完善的機械手控制系統(tǒng)，沒有任何經(jīng)濟上的負擔，通過本課題可以自主利用我校實驗機房的軟硬件設(shè)備，既節(jié)省了學(xué)校的經(jīng)費，又鍛煉了學(xué)生的自我研發(fā)意識和自己動手的能力。3）操作可行性本課題要求對可編程控制技術(shù)有比較細致的了解，能夠通過對于已有文獻的學(xué)習和已有技術(shù)的研習，利用自己在大學(xué)學(xué)習的電氣工程專業(yè)相關(guān)的知識，PLC控制程序的設(shè)計。從可操作性的角度來講，完全可行。四、完成本課題的工作方案及進度計劃：工作方案：以TVT-99D機械手模型為控制對象，使用三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列PLC作為控制器按照正確的方式連接機械手模型與PLC。編寫控制命令并輸入PLC使機械手完成對放在固定位置的筆的抓取并在預(yù)定的位置寫出想要的文字。進度計劃：進一步熟悉課題內(nèi)容，收集資料（15篇文章以上）第1周收集資料，制定總體方案，并與指導(dǎo)教師討論（繪制示意圖）第2周繪制系統(tǒng)組成原理框圖第3周繪制PLC程序設(shè)計流程圖第4周繪制控制部件原理圖第5周整理有關(guān)數(shù)據(jù)，進行相關(guān)部件的調(diào)試工作第6周編制PLC主控程序第7-8周調(diào)試完善PLC主控程序第8-9周進行聯(lián)機系統(tǒng)調(diào)試試驗第10-11周整理試驗數(shù)據(jù)，撰寫設(shè)計計算說明書（準確，客觀）準備答辯第12周五、主要參考文獻。1.《電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器》機械工業(yè)出版社.常曉玲主編2.《檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)》機械工業(yè)出版社.常健生3.《PLC應(yīng)用開發(fā)實用子程序》人民郵電出版社.賈德勝4.《三菱FX2N系列PLC應(yīng)用技術(shù)》機械工業(yè)出版社.劉建華5.《PLC原理與應(yīng)用》清華大學(xué)出版社.俞國亮指導(dǎo)教師審閱意見：指導(dǎo)教師（簽字）：年月日備注：

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題目機械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計姓名學(xué)號專業(yè)年級

指導(dǎo)教師職稱

201*年12月12日

1．本課題的研究目的及意義隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。機械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，長用于焊接、噴漆、上下料和搬運。機械手延伸和擴大了人們的手足和大腦功能，它可代替人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（CTMS），實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。其邏輯控制也由PLC代替原來的繼電器控制。繼電器組成的控制系統(tǒng)是最早的一種實現(xiàn)機械手控制的方法。但是，進入九十年代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛運用，人們對機械手的安全性、可靠性、準確性的要求越來越高，繼電器弱點就越來越明顯。機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識，其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機具進行焊接和裝配。因此，它能大大地改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進工業(yè)國家的重視，并投入了大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我過，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門的重視。本項目要求設(shè)計是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。2．已了解本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前工業(yè)機械手主要用于流水線工件傳送、焊接、裝配、機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面都能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。在國內(nèi)主要是發(fā)展各方面的機械手，逐步擴大應(yīng)用范圍，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制組合式機械手等。

此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機床、模鍛壓力機的上下料以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，有些還具備有傳感反饋能力，能應(yīng)付外界的變化。3．本課題設(shè)計時所研究的內(nèi)容（1）一般專用的機械手通常具有二到三個自由度。而通用機械手則一般取四到五個自由度。本設(shè)計的機械手共有五個自由度。即：手臂伸縮、手臂上下擺動、手臂左右擺動、手腕回轉(zhuǎn)、手指抓握。（2）機械手的傳動分液壓、氣壓、電氣和機械四種，本設(shè)計采用綜合傳動方式，即手臂采用電氣傳動，而手爪則采用氣壓傳動。（3）PLC硬件設(shè)計是PLC外部設(shè)備的設(shè)計。在硬件設(shè)計中要進行輸入設(shè)備的選擇，還有執(zhí)行元件的選擇以及控制臺、柜的設(shè)計等。它包括PLC輸入/輸出通道的分配。課題設(shè)計的機械手要求運行準確度高，在機械手的檢測系統(tǒng)中選用用在工業(yè)控自動控制上大量運用的具有檢測精度高、壽命長、穩(wěn)定性能好的光電傳感器，運用感應(yīng)器的開關(guān)量信號輸入給PLC來實現(xiàn)對PLC對機械手的控制。由于本課題的具體要求在硬件系統(tǒng)的設(shè)計過程中主要考慮了機械手的經(jīng)濟適用、穩(wěn)定的需要。（4）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是編寫工藝流程圖，即將整個流程分解為若干步，確定每步的控制要求及轉(zhuǎn)換條件，配合定時、計數(shù)、分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)及某些特殊功能指令便可完成梯形圖的設(shè)計。在本設(shè)計中選用了目前運用最多的PLC編程語言梯形圖，梯形圖的編程能直觀明了的設(shè)計出機械手的控制要求，梯形圖的編寫運用SWOPC-FXGP/WIN-C編程軟件，此軟件支持全部的三菱FX系列的PLC,并且具有強大的診斷功能，能更快的查找出故障的原因，從而大大縮短了維修時間。4．本課題研究的實施方案及進度安排機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。機械手的運動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此它采用的執(zhí)行機構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動液壓缸、電液脈沖馬達、伺服液壓馬達、交流伺服電動機、直流伺服電動機和步進電動機等。驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動，其中以

電氣、氣動用的最多�？刂葡到y(tǒng)由于動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制，它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。對動作復(fù)雜的機械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(tǒng)。因此控制系統(tǒng)才用小型可編程控制器實現(xiàn)，具有編程簡單、修改容易、可靠性高等優(yōu)點。第五學(xué)期第16周前：完成開題報告的定稿；第六學(xué)期第1-4周：查閱文獻、收集資料。確定設(shè)計方案；第六學(xué)期第5-11周：進行系統(tǒng)的設(shè)計計算，撰寫設(shè)計計算說明書；第六學(xué)期第12-13周前：完成畢業(yè)設(shè)計的定稿并審查；第六學(xué)期第14周：整理畢業(yè)設(shè)計的全部資料，修改不合格的部分，合格后全部資料裝訂成冊；第六學(xué)期第15周：審查畢業(yè)答辯的資格，準備畢業(yè)答辯；第六學(xué)期第16周：進行畢業(yè)答辯。5．已查閱的主要參考文獻一、鄧星鐘主編《機電傳動控制》華中科技大學(xué)出版社201*年3月出版二、張萬忠孫晉編著《可編程控制器入門與應(yīng)用實例》中國電力出版社201*年01月出版三、瞿大中主編《可編程控制器應(yīng)用與實驗》華中科技大出版社201*年12月出版四、謝克明夏路易主編《可編程控制器原理及程序設(shè)計》電子工業(yè)出版社201*年08月出版五、王兆義主編《可編程控制器教程》機械工業(yè)出版社201*年02月出版六、王兆義編著《小型可編程器實用技術(shù)》機械工業(yè)出版社1997年07月出版七、張萬忠主編《可編程控制器應(yīng)用技術(shù)》化學(xué)工業(yè)出版社201*年01月出版八、程憲平主編《可編程控制原理與應(yīng)用》

化學(xué)工業(yè)出版社201*年08月出版九、朱紹祥等編譯《可編程控制原理與應(yīng)用》上海交通大學(xué)出版社201*年02月出版十、岳慶來、周鋒、吳啟紅等編譯《變頻器、可編程控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù)》機械工業(yè)出版社201*年01月出版指導(dǎo)教師意見簽名：年月日

系或?qū)�業(yè)審核意見1．通過；2．完善后通過；３．不通過負責人：年月日

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