基于西门子PLC的小型搬运机械手控制系统的设计开题报告

一、选题依据：

1.国内外现状

（1）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”计划支持下至今，机器人的迅速发展、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。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。

（2）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100万台机器人在运行，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。

2.发展趋势

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，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。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。

3.应用价值

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，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、研究内容

1.主要研究内容、目标及拟解决的关键技术

研究内容：

（1）结合实验室的三自由度机械手，设计多工位搬运机械手。由气动手指、旋转气缸和直动气缸驱动实现物料的抓取和定位摆放的功能。

（2）分析机械手控制系统。包括系统的控制方式、机械手控制的基本工艺和控制要求、操作面板的布置。

（3）根据控制系统进行机械手控制系统的PLC控制的硬件设计，包括PLC的选型、输入输出端的地址分配、控制系统的电气原理图。

（4）根据设计的复杂程度，将程序设计分为两个阶段，即程序的总体结构设计和各部分程序设计。

（5）通过人机界面（触摸屏）加PLC的方式实现对机械手逻辑控制、操作控制和在线监测。

研究目标：通过人机界面（触摸屏）加PLC的方式实现对机械手逻辑控制、操作控制和在线监测。实现通过机械手对物料进行抓取和定位摆放。

关键问题：对机械手进行结构设计，能满足功能要求和环境条件。通过西门子S7-200型PLC的控制，实现物料的抓取和定位摆放功能。

2.拟采取的技术路线及可行性分析

技术路线：

可行性分析：机械手可以在高温、辐射振动、腐蚀、易燃、易爆、多尘埃、强磁、等恶劣的环境下工作，所以应用日益广泛。用气动机械手代替手工作业是工业自动化发展的一个方向。同时，随着PLC性能价格比的不断提高，PLC的应用领域非常广泛，目前，PLC在国内外广泛应用于机械、石油、交通运输等各个方面。一般来说，PLC是自动生产线上不可缺少的控制部件。PLC作为一种通用的工业控制器，适用于工业机械手的控制。

三、研究计划及进度安排

起止时间

主要内容

预期目标

2017.12.05-2017.12.25

2017.12.26-2018.03.12

2018.03.13-2018.04.02

2018.04.03-2018.04.16

2018.04.17-2018.05.05

2018.05.06-2018.05.20

根据设计任务书搜集、分析有关资料，独立完成开题报告，并顺利开题。

完成基于PLC系统工作原理的综述、整体结构的设计、程序编辑的整理、论文初稿的书写。

完成论文中稿的修改，通过中期检查。

完成论文终稿，完成论文重复率的自查。

将论文及相关材料汇总提交，准备答辩PPT。

进行论文答辩及后续的材料完善工作。

完成开题报告

完成论文初稿，通过初期检查

完成论文中稿，通过中期检查

完成论文终稿及论文重复率自查

将论文及相关材料以及答辩PPT准备完毕

完成论文答辩及后续的材料完善工作，顺利通过答辩完成论文答辩及后续的材料完善工作

四、主要参考文献

[1]高艳,高飞. 基于PLC和触摸屏的气动机械手控制系统设计及应用[J]. 科技通报,2017.

[2]王小娟,胡兵. PLC和触摸屏在多自由度气动机械手系统中的应用[J]. 组合机床与自动化加工技术,2016.

[3]夏海洵.基于西门子PLC五维机械手装配系统的电气设计[J].信息通信,2017.

[4]黄培.基于S7-200的搬运机械手的控制系统设计[J].办公自动化,2016.

[5]刘培来.基于西门子PLC的机械手控制研究[J].科技广场,2016.

[6]王青云,王守志,姚冀涛,温国强.基于PLC的气动机械手控制系统设计[J].机电信息,2015.

[7]牛瑞利.基于西门子PLC的小型搬运机械手控制系统设计[D].南京理工大学,2013.

[8]苏丽,孙蓉,李冰,吕淑平.基于PLC的机械手精确定位与控制系统设计[J].科技创新导报,2015.

[9]彭一航.基于西门子PLC技术的机械手控制系统设计[J].价值工程,2014.

[10]唐少臣,韩屹威,毛行星.机械手PLC控制设计[J]. 数字技术与应用,2017.

[11]Xiaomei Wang. Design on Four DOF Pneumatic Conveyance Manipulator Based on PLC[A]. Information Engineering Research Institute, USA.Proceedings of 2013 2nd International Conference on Chemical,Mechanical and Materials Engineering(CMME 2013)[C].Information Engineering Research Institute, USA:,2013:6.

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