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機(jī)械工程及自動(dòng)化開題報(bào)告
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設(shè)計(jì)(論文)題目： 基于PLC的機(jī)械手自動(dòng)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(jì)一套程序驅(qū)動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行預(yù)訂動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)對(duì)工件抓取，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
機(jī)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(shí)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(jī)具進(jìn)行焊接和裝備，從而改善了公認(rèn)的勞動(dòng)條件，顯著提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐，尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音一級(jí)帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。
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。隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，機(jī)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(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。
2 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
機(jī)械手起源于美國(guó)，1954年美國(guó)工程師德爾沃最早提出機(jī)械人的概念; 1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手[11]。1959年美國(guó)德爾沃與英格伯制造了世界上的第一臺(tái)機(jī)械人; 1962年美國(guó)正式將機(jī)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(huì)，并召開了首屆機(jī)械手學(xué)術(shù)會(huì); 1970年在美國(guó)召開了第一屆工業(yè)機(jī)械人學(xué)術(shù)會(huì)，并的到迅速普及; 1973年辛辛那提公司制造出第一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)控制的的工業(yè)機(jī)械人，當(dāng)時(shí)是液壓驅(qū)動(dòng)，能載重大成就45KG;到1980年在日本得到普及，并定為“機(jī)械人元年”此后在日本機(jī)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(jī)械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢(shì)[12]。定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)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(jī)械化，自動(dòng)化已成為突出的主題[13]�；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已基本得到解決。采用全自動(dòng)化機(jī)械手進(jìn)行裝配更是目前研究的重點(diǎn)，國(guó)外已研究采用攝像機(jī)和力傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)連在一起，能確定零件的方位達(dá)到鑲裝的目的。但在機(jī)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(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。[2]
2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手是從80年代七五科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過七五，八五科技的攻關(guān)，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)噴漆，孤焊，點(diǎn)焊，裝配，搬運(yùn)等機(jī)器人，其中有130多臺(tái)噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，孤焊機(jī)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(guó)的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的差距。雖然目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)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(guó)際龍頭廠商手里。國(guó)內(nèi)機(jī)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(jī)器。我國(guó)本土企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械手產(chǎn)品還主要流通在中低端市場(chǎng)，因此決定了很多本土生產(chǎn)企業(yè)在爭(zhēng)奪市場(chǎng)時(shí)主要還是采取價(jià)格戰(zhàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，日臻成熟，會(huì)有更多的廠商加入此行業(yè)[3]。
我國(guó)國(guó)家“863”機(jī)械手技術(shù)主題自成立以來一直重視機(jī)械手技術(shù)在產(chǎn)業(yè)中的推廣和應(yīng)用和推進(jìn)機(jī)械手技術(shù)以提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，利用機(jī)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(guó)裝備制造業(yè)在市場(chǎng)中占據(jù)的份額，井提供優(yōu)惠措施鼓勵(lì)更多企業(yè)使用機(jī)械手及技術(shù)以提升技術(shù)水平。國(guó)內(nèi)越來越多的企業(yè)在生產(chǎn)中采用了工業(yè)機(jī)械手，各種機(jī)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?jī)?nèi)容、目標(biāo)及可行性分析
3.1 課題研究?jī)?nèi)容
(1) 對(duì)機(jī)械手動(dòng)作進(jìn)行構(gòu)思，設(shè)計(jì)出一套工作的整體方案
(2) 對(duì)機(jī)械手整體進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)
(3) 各氣缸選型，PLC和傳感器的選型
(4) 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)和機(jī)械手控制程序的設(shè)計(jì)
(5) 組態(tài)軟件MCGS的設(shè)計(jì)
(6) 通過PLC來控制機(jī)械手，完成自動(dòng)控制并且連接MCGS進(jìn)行調(diào)控
3.2 需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)
該設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于PLC控制的氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)，用于搬運(yùn)工件，系統(tǒng)具有自動(dòng)、手動(dòng)控制功能[14]。圖1為該機(jī)械手工作示意圖，用來將左工作臺(tái)上的工件搬到右工作臺(tái)上[5]。要求機(jī)械手的全部動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制。對(duì)于順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)/逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、上升/下降、左移/右移，其運(yùn)動(dòng)由雙線圈兩位電磁閥控制，即上升電磁閥線圈得電時(shí)機(jī)械手上升，下降電磁閥線圈得電時(shí)機(jī)械手下降;左移電磁閥線圈得電時(shí)機(jī)械手左移，右移電磁閥線圈得電時(shí)機(jī)械手右移。對(duì)于夾緊/松開，其運(yùn)動(dòng)由單線圈兩位電磁閥控制，線圈得電時(shí)機(jī)械手夾緊，斷電時(shí)機(jī)械手松開[6]。
要求將機(jī)械手的原點(diǎn)(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(dòng)調(diào)整機(jī)械手和工作臺(tái)的相對(duì)位置，使其在同一平面內(nèi)，繼而檢測(cè)到左工作臺(tái)上有工件時(shí)，機(jī)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(tái)上無工件時(shí)，機(jī)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(guó)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(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，絕大部分可以使用電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)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(jì)可行性
本課題通過對(duì)既有平臺(tái)的使用，能夠設(shè)計(jì)出比較完善的機(jī)械手控制系統(tǒng)，沒有任何經(jīng)濟(jì)上的負(fù)擔(dān)，通過本課題可以自主利用我校實(shí)驗(yàn)機(jī)房的軟硬件設(shè)備，既節(jié)省了學(xué)校的經(jīng)費(fèi)，又鍛煉了學(xué)生的自我研發(fā)意識(shí)和自己動(dòng)手的能力[8]。
(3)操作可行性
本課題要求對(duì)可編程控制技術(shù)有比較細(xì)致的了解，能夠通過對(duì)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(shí)，PLC控制程序
的設(shè)計(jì)。從可操作性的角度來講，完全可行[9]。
4 小結(jié)
PLC機(jī)械手已經(jīng)在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著一個(gè)重要的角色。隨著機(jī)械手應(yīng)用的普及，機(jī)械手向著專用化，機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化，可重構(gòu)的方向發(fā)展，機(jī)械手的動(dòng)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(jī)械控制發(fā)揮了極大作用，大大改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)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(jī)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(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本課題采用三菱小型PLC,通過氣缸、機(jī)械手和傳感器等執(zhí)行動(dòng)作。PLC控制上述組成部件，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，在各個(gè)站點(diǎn)上完成抓取操作。利用組態(tài)軟件對(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)控。本課題完成控制程序設(shè)計(jì)、硬件選型、硬件接線、流程介紹和組態(tài)設(shè)計(jì)。
2 擬采用的研究手段
(1) 前期準(zhǔn)備：通過對(duì)工作原理的理解和對(duì)相關(guān)涉及部件知識(shí)的學(xué)習(xí)，最后選擇最優(yōu)控制設(shè)計(jì)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(jī)械手、氣缸、動(dòng)力元件、步進(jìn)電機(jī)。
(3) PLC程序編寫：由于設(shè)計(jì)對(duì)象為機(jī)械手自動(dòng)控制，停留點(diǎn)較多，需要用到多點(diǎn)定位方法，程序須有點(diǎn)標(biāo)記和比較指令。
(4) 檢查修改：對(duì)程序及其他問題進(jìn)行檢查，然后加以修改。
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