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南湖学院
毕业论文（设计）开题报告
题 目： 气压驱动机器手的PLC控制系统设计
学生姓名：
系 别： 机械与电子工程系
专 业： 机械电子工程
指导老师：
2015 年 4 月 15 日
一、国内外对本课题研究动态,选题的依据和意义:
(一)国内外对本课体研究动态
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。
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]。
(二)依据和意义
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。
二、研究的基本内容,拟解决的主要问题:
研究的基本内容
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。
研究难点及预期目标
难点：可编程控制器（PLC）
预期目标：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。
三、研究的步骤、方法、措施及进度安排
研究的内容
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。
研究的方法
（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。
进度安排
第1周： 明确任务，资料搜集等前期准备；
第2周： 阅读相关文献及知识准备；
第3周： 内容要求第⑴项；
第4周： 内容要求第⑵项；
第5、6周： 内容要求第⑶、⑷项；
第7、8周： 内容要求第⑸项；
第9、10周：内容要求第⑹项；
第11周： 内容要求第⑺项；
第12-14周：内容要求第⑻项、机动；
四、主要参考文献
[1]张波.多更能上下料用机械手液压系统[J].液压与气动，2002,8（2）：31-32.
[2]关明，周希伦，马立静，宋蔚.基于PLC的机械手控制系统设计[J].制造业自动化报，2012,34（7）:120-121.
[3]国家高技术研究发展计划（863计划）[R].中华人民共和国科学技术部,1986-3-3
[4]李景魁.基于PLC 的机械手控制系统设计[J].煤矿机械，2012,33（10）.
[5]朱春波.PLC控制的气动上下料机械手[J]，液压气动与密封，1999,21-24.
[6]郭艳萍，张超英.基于PLC的工业机械手控制系统[J].仪表技术与传感器,2007(9):31-32
[7]宋佐时，易建强.移动机械手控制研究发展[J].机器人，2009,2（5）：1-4.
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[9]张建明.工业机器人[M].北京理工大学出版社，1992.
[10]顾震宇，全球工业机器人产业现状与趋势[J].机电一体化,2006(2)
[11]王萍，刘国钧，等.基于PLC的机械手控制系统设计[J].现代经济信息报，2012（5）:296-296.
[12]王红玲，胡万强.基于PLC的工业机械手控制[J].液压与启动，2011（8）:8-11.
[13]王永华主编.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京航空航天大学出版社，2008.
[14]王阿根主编.西门子S7-200PLC编程实例精讲[M].电子工业出版社，2012，8.
[15]张晓坤.可编程控制器原理及应用[M].西北工业大学出版社，1998,50-68.
[16]邓星钟主编.机电传动控制[M].华中科技大学出版社，2002，5.
[17]王积伟，章宏甲，黄谊.液压与气压传动[M]. 北京：机械工业出版社.2007，2.
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