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機械工程及自動化開題報告
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設(shè)計(論文)題目： 基于PLC的機械手自動操作系統(tǒng)設(shè)計
1 本課題的來源及研究的目的和意義
本課題目的主要是利用PLC作為載體設(shè)計一套程序驅(qū)動機械手進(jìn)行預(yù)訂動作,實現(xiàn)對工件抓取，實現(xiàn)自動化。
機械手技術(shù)涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，其一，它能夠部分的代替人工操作;其二，它能夠按照生產(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(jìn)行焊接和裝備，從而改善了公認(rèn)的勞動條件，顯著提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐，尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音一級帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更為廣泛。
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)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(jìn)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(jìn)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。
2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
2.1 國外研究現(xiàn)狀
機械手起源于美國，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[11]。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(dāng)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[12]。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達(dá)到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG[1]。
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[13]�；さ冗B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(jìn)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(dá)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。[2]
2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國的工業(yè)機械手是從80年代七五科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過七五，八五科技的攻關(guān)，目前國內(nèi)生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)噴漆，孤焊，點焊，裝配，搬運等機器人，其中有130多臺噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，孤焊機器人已經(jīng)應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。的那總的看來，我國的工業(yè)機械手技術(shù)及工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的差距。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(jìn)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(jìn)步，日臻成熟，會有更多的廠商加入此行業(yè)[3]。
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(jìn)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[4]。
3 課題的研究內(nèi)容、目標(biāo)及可行性分析
3.1 課題研究內(nèi)容
(1) 對機械手動作進(jìn)行構(gòu)思，設(shè)計出一套工作的整體方案
(2) 對機械手整體進(jìn)行簡單設(shè)計
(3) 各氣缸選型，PLC和傳感器的選型
(4) 系統(tǒng)硬件的設(shè)計和機械手控制程序的設(shè)計
(5) 組態(tài)軟件MCGS的設(shè)計
(6) 通過PLC來控制機械手，完成自動控制并且連接MCGS進(jìn)行調(diào)控
3.2 需要實現(xiàn)的目標(biāo)
該設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計一個基于PLC控制的氣動機械手系統(tǒng)，用于搬運工件，系統(tǒng)具有自動、手動控制功能[14]。圖1為該機械手工作示意圖，用來將左工作臺上的工件搬到右工作臺上[5]。要求機械手的全部動作由氣缸驅(qū)動，氣缸由電磁閥控制。對于順時針轉(zhuǎn)動/逆時針轉(zhuǎn)動、上升/下降、左移/右移，其運動由雙線圈兩位電磁閥控制，即上升電磁閥線圈得電時機械手上升，下降電磁閥線圈得電時機械手下降;左移電磁閥線圈得電時機械手左移，右移電磁閥線圈得電時機械手右移。對于夾緊/松開，其運動由單線圈兩位電磁閥控制，線圈得電時機械手夾緊，斷電時機械手松開[6]。
要求將機械手的原點(即原始狀態(tài))定在左位、高位、松開狀態(tài)。在原始狀態(tài)下，先通過控制底部擺轉(zhuǎn)缸和手部擺轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)動調(diào)整機械手和工作臺的相對位置，使其在同一平面內(nèi)，繼而檢測到左工作臺上有工件時，機械手下降到低位，夾緊工件，上升到高位，右移到右位[10]。在右工作臺上無工件時，機械手下降到低位，松開工件，然后上升到高位，左移回原位。
3.3 可行性分析
(1)技術(shù)可行性
本課題所涉及的研究目標(biāo)，在國內(nèi)外已經(jīng)有相當(dāng)成熟的理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。通過文獻(xiàn)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(jìn)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[7]。
(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(fù)擔(dān)，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[8]。
(3)操作可行性
本課題要求對可編程控制技術(shù)有比較細(xì)致的了解，能夠通過對于已有文獻(xiàn)的學(xué)
已有技術(shù)的研習(xí)，利用自己在大學(xué)學(xué)習(xí)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[9]。
4 小結(jié)
PLC機械手已經(jīng)在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著一個重要的角色。隨著機械手應(yīng)用的普及，機械手向著專用化，機械結(jié)構(gòu)模塊化，可重構(gòu)的方向發(fā)展，機械手的動作更加靈活多樣，其控制方式也在向著多元化的方向發(fā)展，PLC應(yīng)用技術(shù)為現(xiàn)代機械控制發(fā)揮了極大作用，大大改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐[15]。在PLC控制的過程中，還有許多問題需要解決，PLC在機械手開發(fā)應(yīng)用還有很大的空間。
參考文獻(xiàn)
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本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段(途徑)：
1 要研究或解決的問題
本文研究基于PLC的機械手自動控制系統(tǒng)的設(shè)計，本課題采用三菱小型PLC,通過氣缸、機械手和傳感器等執(zhí)行動作。PLC控制上述組成部件，電機驅(qū)動機械手完成移動和旋轉(zhuǎn)動作，在各個站點上完成抓取操作。利用組態(tài)軟件對PLC進(jìn)行監(jiān)控。本課題完成控制程序設(shè)計、硬件選型、硬件接線、流程介紹和組態(tài)設(shè)計。
2 擬采用的研究手段
(1) 前期準(zhǔn)備：通過對工作原理的理解和對相關(guān)涉及部件知識的學(xué)習(xí)，最后選擇最優(yōu)控制設(shè)計方案。
(2) PLC的選型和組成部件選擇：控制核心為三菱PLC，執(zhí)行元件：機械手、氣缸、動力元件、步進(jìn)電機。
(3) PLC程序編寫：由于設(shè)計對象為機械手自動控制，停留點較多，需要用到多點定位方法，程序須有點標(biāo)記和比較指令。
(4) 檢查修改：對程序及其他問題進(jìn)行檢查，然后加以修改。
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