基于plc控制的机械手系统控制开题报告.docx

1、基于plc控制的机械手系统控制开题报告毕业论文（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。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

2、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

3、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。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 。所以，气动机械手被广泛应用于 机械制造业、半导体

4、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。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10

5、0万台机器人在运行，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 ，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

6、 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

7、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

8、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

9、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

10、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、

11、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（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

12、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

13、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

14、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

15、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 定于流入密圭寸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

16、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2-1 PLC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、用户程序执行和输电源出刷新三个阶段。

17、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

18、制线路进行逻辑运算， 然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该 输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能 指令。（三）输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间， CPL按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路， 再经输出电路驱动相应的外设。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

19、究发展计划（863计划）R.中华人民共和国科学技术部,1986-3-34李景魁.基于PLC的机械手控制系统设计J.煤矿机械，2012,33（ 10）. 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）:31-327宋佐时，易建强.移动机械手控制研究发展J.机器人，2009,2（ 5）： 1-4.8蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略J.机器人技术与应用，2001,76 （4）: 11-16.9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

20、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

21、业出版社.2007，2.18Ioannides, M.G.Design and implementation of PLC-based monitoring control system for in duction motorJ.E nergy Co nversio n,2004:469 - 476.19B.Tondu,P.Lopez Modeling and control of MC Kibben artificial muscle robot actuatorsJIEEE Con trol System Magazi ne,2000,27（6）:15-18.20Frank Doyle.

22、S7-PLCCSLM V5.2 User ManualJ.Associated Book PublisherLtd,2002:370-372.21刘允文.工业机械手设计M.机械工业出版社，1996.22史国生.PLC在机械手步进控制中的应用J.中国工控信息网，2005,1.23 王勤.计算机控制技术M，东南大学出版社，2003.24 史映红.西门子S7-200PLC在机械手中控制的应用研究J.煤矿机械，2010,31 （12）: 2-5.25 葛宜远.流体传动及控制技术的新成就J.液压与气动，1998,16（2）： 1-3.26 廖常初主编.PLC编程及应用M.机械工业出版社，2002:4.2

23、7 金以慧主编.过程控制M，清华大学出版社，1993:4.28 孙洪程，李大宇.过程控制工业设计M.化工工业出版社，2009:122-216.29 白传悦.装配机械手PLC控制系统J.机械制造行业应用，2006（ 5）： 134-136.30 熊幸明，曹才开.一种工业机械手的PLC控制J.微计算机信息，2006（ 11）:120-122.31 陈志权.基于PLC气动机械手的控制系统J.兵工自动化，2008（4）： 83-84.32 余雷声.电气控制与PLC应用M.机械工业出版社，1996:58-63.5.指导教师意见及建议:签字：年 月 日第一章总论 错误！未定义书签1.1项目名称与承办单位

24、错误！未定义书签1.2研究工作的依据、内容及范围 错误！未定义书签1.3编制原则 错误！未定义书签1.4项目概况 错误！未定义书签1.5技术经济指标 错误！未定义书签1.6结论 错. 误！未定义书签第二章 项目背景及建设必要性 错 误！未定义书签2.1项目背景 错. 误！未定义书签2.2建设的必要性 错误！未定义书签第三章 建设条件 错 误！未定义书签3.1项目区概况 错误！未定义书签3.2建设地点选择 错误！未定义书签3.3项目建设条件优劣势分析 错误！未定义书签第四章 市场分析与销售方案 错 误！未定义书签4.1市场分析 错. 误！未定义书签4.2营销策略、方案、模式 错误！未定义书签第五

25、章 建设方案 错 误！未定义书签5.1建设规模和产品方案 错 误！未定义书签5.2建设规划和布局 错 误！未定义书签5.3运输 错. 误！未定义书签5.4建设标准 错. 误！未定义书签5.5公用工程 错. 误！未定义书签5.6工艺技术方案 错 误！未定义书签5.7设备方案 错. 误！未定义书签5.8节能减排措施 错误！未定义书签未定义书签。未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。未定义书签。未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。未定义书签。未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 错误！未定义未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。 未定义书签。第六

26、章 环境影响评价 错 误！6.1环境影响 错. 误！6.2环境保护与治理措施 错误！6.3评价与审批 错误！第七章 项目组织与管理 错 误！7.1组织机构与职能划分 错误！7.2劳动定员 错. 误！7.3经营管理措施 错误！7.4技术培训 错. 误！第八章 劳动、安全、卫生与消防 错 误！8.1编制依据及采用的标准 错误！8.2安全卫生防护原则 错误！8.3自然灾害危害因素分析及防范措施 错误！8.4生产过程中产生的危害因素分析及防范措施 书签。8.5消防编制依据及采用的标准 错误！8.6消防设计原则 错误！8.7火灾隐患分析 错 误！8.8总平面消防设计 错误！8.9消防给水设计 错误！8.

27、10建筑防火 错. 误！8.11火灾检测报警系统 错误！未定义书签8.12预期效果 错. 误！未定义书签第九章 项目实施进度 错 误！未定义书签9.1实施进度计划 错误！未定义书签9.2项目实施建议 错误！未定义书签第十章 项目招投标方案 错 误！未定义书签10.1招标原则 错. 误！未定义书签10.2项目招标范围 错误！未定义书签10.3投标、开标、评标和中标程序 错误！未定义书签10.4评标委员会的人员组成和资格要求 . 错 误！未定义书签 第十一章 投资估算和资金筹措 错 误！未定义书签11.1投资估算 错. 误！未定义书签11.2资金筹措及使用计划 错误！未定义书签第十二章 财务评价 错 误！未定义书签12.1费用与效益估算 错误！未定义书签12.2财务分析 错. 误！未定义书签12.3不确定性分析 错 误！未定义书签12.5财务评价结论 错误！未定义书签第十三章 建设合理性分析 错 误！未定义书签13.1产业政策符合性分析 错误！未定义书签13.2清洁生产符合性分析 错误！未定义书签13.3规划符合性分析 错误！未定义书签13.4项目建设环保政策符合性分析 错误！未定义书签13.5环境承载性分析 错 误！未定义书签13.6结论 错. 误！未定义书签第十四章 结论与建议 错 误！未定义书签