開題報(bào)告劉俊.pdf

浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 班 級 09 機(jī)制 4 班 姓 名 劉俊 課題名稱 基于 PLC 的 機(jī)械手控制 開題報(bào)告 （包括選題意義、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題、總體研究思路與可行性分析，預(yù)期研究成果、研究工作計(jì)劃等內(nèi)容，非藝術(shù)類不少于 3000 字） 目 錄 1 選題的背景與意義 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.2 工件 加工 機(jī)械手 控制系統(tǒng) 的研究意義 2 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題 2.1 基本內(nèi)容 2.2 擬解決的主要問題 3 研究 思路 方案、可行性分析及預(yù)期研究成果 3.1 研究思 路方案 3.2 可行性分析 3.3 預(yù)期研究成果 4 研究工作計(jì)劃 參考文獻(xiàn) （開題報(bào)告全文附后） 成績： 答 辯 意 見 （從選題、任務(wù)工作量、質(zhì)量預(yù)期、可行性等幾個(gè)方面） 答辯組長簽名： 年 月 日 系 主 任 審 核 意 見 簽名： 年 月 日 基于 PLC 的機(jī)械手控制 劉俊 (09機(jī)制 4班 B09300417) 1 選題的背景與意義 工業(yè)機(jī)器手是最近幾十年發(fā)展起來的一種高新技術(shù)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它 的特點(diǎn)是通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼顧人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線，危險(xiǎn)品及有害物品的搬運(yùn)裝卸等。機(jī)械手目前雖然不如人手靈活，但是它能夠不斷的重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)抓舉重物的力量比人手大的特點(diǎn)，因此獲得日益廣泛的應(yīng)用。 機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算 機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 本課題的主要目的是了解機(jī)械手的工作原理，設(shè)計(jì)工件加工 機(jī)械手的控制系統(tǒng)。 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 機(jī)械手是 能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可 代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 20 世紀(jì) 40 年代后期，美國在原子能實(shí)驗(yàn)中，首先采用機(jī)械手搬 運(yùn)放射性材料，人 在安全間操縱機(jī)械手進(jìn)行各種操作和實(shí)驗(yàn)。 50 年代以后，機(jī)械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門，用于在高溫、污染嚴(yán)重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機(jī)床的輔助裝置在自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作 國內(nèi)機(jī)械 手 于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式 機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。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(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 國外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位 置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。 目前世界高端工業(yè)機(jī)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(yùn)行速度可以達(dá)到 3M/S，量新產(chǎn)品達(dá)到 6 軸，負(fù)載 2KG 的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破 100KG。更重要的是將機(jī)械 手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展 。 1.2 機(jī)械手系統(tǒng)開發(fā) 研究意義 機(jī)器人是在新的設(shè)備類型生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化發(fā)展的過程 產(chǎn)生的 。它可以模仿手臂的一些功能，例如，抓，釋放，處理對象等，按照固定的秩序，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域。機(jī)械手的應(yīng)用可以減少工人反復(fù)操作，并取代人類在危險(xiǎn)有毒的環(huán)境，從而大大提高了工作效率和準(zhǔn)確性的工作。它還具有的偉大意義 ,保護(hù)人身安全，改善的工作環(huán)境，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 機(jī)械手于人工相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1） 容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的完全自動(dòng)化。 2） 對生產(chǎn)設(shè)備的高度適應(yīng)能力。 3）可在危險(xiǎn)有毒的環(huán)境下工作。 所以，研究機(jī)械 手的控制系統(tǒng)是一個(gè)很有意義的項(xiàng)目。 2 研究的基本內(nèi)容 與 擬解決的主要問題 2.1 基本內(nèi)容 1、了解 柔性制造系統(tǒng)中 機(jī)械手 的作用 。 分解 機(jī)械手 動(dòng)作 ， 確定完整實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案。 2、相關(guān)測試用傳感器型號選定。 3、 了解 PLC 可編程控制器。 4、軟件使用說明書編制。 2.2 擬解決的主要問題 以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時(shí)提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求 的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、液壓、氣動(dòng)、電氣傳動(dòng)及控制、傳感器、可編程控制器、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、機(jī)械系統(tǒng)仿真等知識(shí)盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過本次設(shè)計(jì)對大學(xué)階段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。 3 研究思路方案、可行性分析及預(yù)期成果 3.1 研究思路方案 機(jī)械手的基本原理 機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。本次設(shè)計(jì)采用 三 自由度 。 機(jī)械手的主要工作歸納為機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，手臂的升降、小臂的升降和夾具的夾緊與松開，其 中機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)有步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)， 其他通過步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠相連來驅(qū)動(dòng) 。 滾珠絲杠 是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)品。 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是 通過 控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，放大 電流 以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進(jìn)脈沖信號的頻率，可以對電機(jī)精確調(diào)速；控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，可以對電機(jī)精確定位。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要有四 部分組成 :PC， PLC 控制器 ， 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器， 步進(jìn)電機(jī)。 PC 機(jī)通過上位機(jī)軟件將程序下載到 PLC 控制器中， PLC 通過相應(yīng)程序處理控制 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號，就能精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置。 在機(jī)械手的底座裝上電傳感器作為機(jī)械手的 位置 傳感器。 傳感器的信號需要進(jìn)過放大、濾波等處理，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換才能輸入到 PLC控制器 ， 需要用 A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。 首先有電渦流傳感器檢測到工件到位后，機(jī)械手先前伸， 位置光電 傳感器檢測到位后， 停留 2 秒后， 電機(jī)帶動(dòng)手爪向下 ，下降到傳感器檢測到位后， 停留 2秒后， 手抓抓取工件， 壓力傳感器確定抓緊后， 停留 2 秒后， 然后 電機(jī) 帶動(dòng) 手爪上升，手爪提升到位后， 停留 2 秒后，電機(jī)帶動(dòng)手爪回縮 ， 停留 2 秒后， 步進(jìn) 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到指定位置后停留 2 秒后，手臂前伸，停留 2 秒后，到達(dá)目標(biāo)位置時(shí) 下降，手臂下降到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)放掉工件。機(jī)械手回復(fù)到原來位置。重復(fù)上述操作。 3.2 可行性分析 本課程 所涉及的研究目標(biāo)，在國內(nèi)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，大學(xué)中所學(xué)習(xí)的機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)， 可編程控制器 ，單片機(jī)等方面的知識(shí)完成好這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。其他沒學(xué)過的可通過自學(xué)。 指導(dǎo)老師在機(jī)械手控制系統(tǒng)研制方面有很多成功經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)的研究方法思路經(jīng)過深思熟慮，切實(shí)可行，能夠確保畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成并取得預(yù)想的研究結(jié)果 。 3.3 預(yù)期研究成果 完成工件檢測機(jī)械手的控制系統(tǒng)，編制控制軟件，使控制軟件與機(jī)械手的連線成功，編制軟件使用說明書。 4研究工作計(jì)劃 起止時(shí)間 內(nèi)容 2012.12.01-2012.12.20 畢業(yè)設(shè)計(jì)調(diào)研，完成開題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述、外文資料閱讀、翻譯 任務(wù) 2012.12.21-2013.01.10 提交開題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述及外文翻譯初稿，指導(dǎo)教師審閱，提出 修改意見 2013.01.11-2013.01.18 開題報(bào)告答辯 。 2013.01.16 開題報(bào)告答辯 。 2013.01.202013.02.28 熟悉 歐姆龍 PLC，并學(xué)會(huì)初步編程 2013.03.12013.03.20 原理圖繪制和 相應(yīng)線路的連接 2013.03.212013.04.21 各模塊調(diào)通、控制軟件編寫。 2013.04.222013.04.30 中期檢查 2013.05.012013.05.10 完成課題設(shè)計(jì)，提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2013.05.112013.05.21 教師對畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的審閱；評議小組分組審閱。 2013.05.222013.05.28 論文答辯 參考文獻(xiàn) 1PLC Controlling System of Transportation Manipulator and Simulation Debugging，2005， 20(3)： 20-22 2程控通用機(jī)器人的設(shè)計(jì) 3劉文波 , 陳白寧 , 段智敏 . 工業(yè)機(jī)器人 M. 沈陽：東北大學(xué) 出版社 , 2007.111 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