开题报告 基于PLC控制的机械手设计

一、选题的理论意义与实际意义
机械手在当今工业中有着举足轻重的作用,能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手技术设计的学科相当广泛，其一，它能部分的代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工作的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而的改善了工人的劳动条件，显著的提高了生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果。

但是归结起来是机械学和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。

因此，机械手技术的发展必将带动其他技术的发展，机械手技术的发展和应用水平也可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平，机械手由于其显著的优点而受到特别重视，机械手是工业机器人的一个重要分支，是提高生产率，对改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。

PLC是以现代微处理器技术为核心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其靠性高、抗干扰能力强：PLC由于采用现在大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障是可以及时发出警报信息：PLC采用光电隔离和滤波技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响，此外PLC 还可在强、通用性好；开发周期短，功耗小。

对现代工业的发展具有很重要的意义。

同时在理论方面对于PLC控制的机械手设计提供一定的理论上的借鉴的意义。

二、论文综述
国内外有关的学者对于PLC控制的机械手设计进行了相关的研究，并且取得了一定的研究的成果，具体的研究的成果如下所示：
（一）国内研究现状
胡炜（2018）认为：机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

我国塑料机械已成为机械制造业发展最快的行业之一，年需求量在不断的加大[1]。

安军（2018）认为：机械手手腕是机械手操作机的最末端，与手爪相连接，它与机械手手臂配合，使手爪作空间运动，完成所需要的作业动作。

因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。

根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。

一般情况下，自由度数目愈多，腕部的灵活性愈
高，对作业的适应能力也愈强。

但自由度的增加，必然会使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。

因此，手腕的自由度数应根据实际作业要求来确定[2]。

张继红（2018）认为：机械手手臂在工作时要承受一定的载荷，且其运动本身具有一定的速度，其工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度、手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应满足其工作空间要求。

同时，为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量;为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡;还要尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行，相互垂直的轴则要尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制[3]。

魏丽梅（2018）认为：由于传动部件直接影响着机械手的精度、稳定性和快速响应能力，因此，在设计机械手的传动机构时要力求结构紧凑、重量轻、体积小，以提高机械手的运动速度及控制精度。

同时在传动链及运动副中采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差，还要考虑尽量消除爬行现象，增加系统寿命;尽量缩短传动链，提高传动与支承刚度;选用最佳传动比、适当的阻尼比[4]。

秦治伟（2018）认为：关节机械手手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，缩短启动时间。

弹簧平衡机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，应用广泛。

本机械手采用圆柱坐标式结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。

若实际工作中平衡结果不满意，则设置弹簧平衡机构进行平衡[5]。

（二）国外研究现状
J.Zrnik（2016）认为：可编程控制器(PLC)按输入输出点数以及CPU功能分为大、中、小3种类型，按其结构又可分为整体式和模块式PLC. PLC的种类很多，日本OMRON公司生产的CPM1A是该公司推出的高性能整体式小型可编程控制器，该机种性能价格比高，适合小型系统的控制。

Marek Sniezek（2017）认为：控制机械手的启停，需要设置对应按钮，但是为了节约PLC控制器的输入输出点数，可以将启动按钮和停止按钮合并，实现单按钮启停控制。

同时，为了区分机械手是处在手动调试还是连续运行工作模式，需要设置一个连续运行按
钮。

Sasaki T（2018）认为：通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全性和可靠性，为使
机械手的结构尽量简单，降低控制难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。

国内外对于PLC控制的机械手设计虽然有了一定的研究传成果，虽然已经有了一定的研究的成果，但是研究的成果比较匮乏，针对于此对于该课题进行了相关的研究是至关重要的。

三、论文提纲
第1章绪论
1.1研究背景及意义
1.2研究现状
第2章相关概述
2.1机械手
2.2机械手的基本结构及机械手的种类
2.3机械手的整体结构
2.4 PLC技术简介
第3章机械手PLC控制系统设计
3.1机械手各部件的设计
3.1.1机械手手爪结构设计
3.1.2机械手手腕结构设计
3.1.3机械手手臂结构设计
3.1.4机械手的机械传动机构设计
3.1.5机械手手臂的平衡机构设计
3.2机械手控制程序设计
3.2.1 PLC的应用设计步骤
3.2.2控制系统PLC选型
3.2.3 PLC控制器程序设计
第4章机械手监控系统设计
4.1组态软件简介
4.1.1组态软件
4.1.2组态王
4.2 监控系统设计
4.2.1监控界面
4.2.2监控设计
第5章总结
参考文献
致谢
三、与选题相关的主要参考文献
[1]胡炜,祝锡晶,马恺.特种加工液压驱动搬运机械手控制系统设计[J].制造业自动化,2018,40(12):66-69.
[2]安军,郑书华,欧阳青,朱宇科.四自由度机械手控制系统的设计[J].现代制造技术与装备,2018(12):87-88.
[3]张继红.自动换刀机械手控制系统建模[J].四川职业技术学院学报,2018,28(06):158-161.
[4]魏丽梅.基于PLC的机械手设计[J].湖北农机化,2018(10):42-43.
[5]秦治伟,季明明,巢渊,李尚荣.基于PLC的取放料机械手控制系统设计[J].南方农机,2018,49(22):18-19.
[6]李进英.双关节机械手轨迹跟踪控制方法研究[J].传感器世界,2018,24(11):7-11.
[7]秦萍.基于S7-300 PLC的机械手自动搬运系统控制研究[J].内燃机与配件,2018(21):188-191.
[8]杜娟.基于PLC控制的工业机械手在自动化生产中的应用分析[J].科技创新与应用,2018(32):166-167.
[9]于群,孙方成,石宏.基于PLC的气动机械手控制系统设计[J].沈阳航空航天大学学报,2017,34(06):60-65.
[10]邓丽萍.机械手控制系统的设计[J].机电信息,2017(36):117-118.
[11]蔡爱民.基于PLC的机械手控制系统设计[J].中国设备工程,2017(24):127-128.
[12]王熙,王守城,段俊勇,韩绍林.基于PLC的冲床机械手伺服控制系统[J].轻工机械,2017,35(06):50-53.
[13]王硕,王绪国,汪圣明.基于单片机的机械手的控制研究[J].科学技术创新,2017(35):188-189.[1] 俞国亮.PLC原理与应用[M]. 清华大学出版社.2005，259-268.
[14]Zhi Derui.Research of Starting Multiple Resistance Welder Machines Based on PLC.[J].MMIT’10:Proceedings of the 2010 Second International Conference on MultiMedia and Information Technology-Volume02,2015,2:21-23.
[15] J.Zrnik. Desig’n of Thermo Mechanicaln Processing and Transformation Behaviour of Bulk Si-Mn trip Steel.[J]. Metallurgy,20166,45(2): 62-66.
[16]Marek Sniezek,Josef von Stackelberg.A failsafe Programmab lelogic controller [J]. Annua Review in Control,2017,27(1):63-72..
[17] Sasaki T,Miyata T,Kawashima K.Development of remote contrl system of construction machinery using pneumatic robot arm [J]. Intelligent robots andSystems,2018,1(8):748-753.
五、论文写作进度安排。