基于PLC控制的三自由度氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì),基于,plc,控制,節(jié)制,自由度,氣動(dòng),機(jī)械手,設(shè)計(jì) 開 題 報(bào) 告 機(jī)械學(xué)院 基于PLC控制的三自由度氣動(dòng)式機(jī)械手設(shè)計(jì) 一、課題的來源、目的、意義，國內(nèi)外基本情況 ●課題的來源： 本課題來源于企業(yè)需求。 ●課題的目的、意義: 在工業(yè)生產(chǎn)線中，機(jī)械手具有很廣泛的用途。它是工作抓取和裝配系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。它的基本作用是從指定位置抓取工件運(yùn)送到另一個(gè)指定的位置進(jìn)行裝配。機(jī)械手臂代替了人工的繁雜勞動(dòng)，并且操作精度高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。 ● 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢： 近20年來, 氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬, 尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合, 使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高, 控制方式更靈活, 性能更加可靠；氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展, 對氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入, 促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展, 現(xiàn)代控制理論的發(fā)展, 使氣動(dòng)技術(shù)從開關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制, 控制精度不斷提高；由于氣動(dòng)脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn), 國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究。 從各國的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來看, 近30 多年來, 氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。20世紀(jì)70年代, 液壓與氣動(dòng)元件的產(chǎn)值比約為9∶1, 而30 多年后的今天, 在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本等國家, 該比例已達(dá)到6∶4, 甚至接近5 ∶5。我國的氣動(dòng)行業(yè)起步較晚, 但發(fā)展較快。從20世紀(jì)80年代中期開始, 氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá)20%以上, 高于中國機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用, 氣動(dòng)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。 Ⅰ.氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)使用安全、可靠, 可以在高溫、震動(dòng)、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種, 它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)。所以, 氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工, 食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事上。 Ⅱ.發(fā)展前景及方向 a)重復(fù)高精度 精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度, 它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次, 機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要, 如果一個(gè)機(jī)器人定位不夠精確, 通常會顯示一個(gè)固定的誤差, 這個(gè)誤差是可以預(yù)測的, 因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展, 以及氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室和氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動(dòng)機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高, 它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 b)模塊化 有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的氣動(dòng)機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置, 使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于模塊化氣動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件采用了特殊設(shè)計(jì)的滾珠軸承, 使它具有高剛性、高強(qiáng)度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。模塊化氣動(dòng)機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能, 擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍, 是氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。 c)無給油化 為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求, 不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步, 新型材料(如燒結(jié)金屬石墨材料) 的出現(xiàn), 構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件, 不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境, 而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 d)機(jī)電氣一體化 由“可編程序控制器- 傳感器- 氣動(dòng)元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件, 使氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復(fù)合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制越來越離不開PLC, 而閥技術(shù)的發(fā)展, 又使PLC在氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制中變得更加得心應(yīng)手。 氣動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展過程, 隨著氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室, 氣動(dòng)技術(shù)及氣動(dòng)機(jī)械手迎來了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動(dòng)技術(shù)、氣動(dòng)機(jī)械手三足鼎立的局面。我國對氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚, 但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大, 我國自主研制的許多氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用, 為研究高性能的氣動(dòng)機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。由于氣動(dòng)機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 可以預(yù)見, 在不久的將來, 氣動(dòng)機(jī)械手將越來越廣泛地進(jìn)入工業(yè)、航空、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。 二、 預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)、完成課題的方案和主要措施 1．預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)： 采用氣動(dòng)裝置PLC控制機(jī)械手，它的基本作用是從指定位置抓取工件運(yùn)送到另一個(gè)指定的位置進(jìn)行裝配。主要完成的是氣動(dòng)式機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)，以及用PLC軟件進(jìn)行簡單的控制編程設(shè)計(jì)。 機(jī)械手具有三個(gè)自由度：上下一個(gè)，旋轉(zhuǎn)一個(gè)，手指的開閉一個(gè)。上下是10cm，前后是25cm，旋轉(zhuǎn)是90度，手抓開合是60度。工件尺寸大約在1.5～2cm直徑。 2．關(guān)鍵理論和技術(shù)： 運(yùn)用機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動(dòng)方式，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號。位置檢測裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。（如下圖所示） 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖 運(yùn)用到所學(xué)知識有機(jī)械設(shè)計(jì)理論，液壓傳動(dòng)技術(shù)，電液控制技術(shù)，PLC控制編程技術(shù)，電工電子技術(shù)，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理等。 3．完成課題具體方案措施如下： （1）、機(jī)械手各執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括：末端執(zhí)行器、手臂、手腕及基座的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)參數(shù)： 機(jī)械手（重復(fù)）定位精度：±0.5mm 機(jī)械手最大抓重：0.5kg 工件尺寸：直徑約1.5～2cm 支座旋轉(zhuǎn)角度為：90度（最大速度：90度每秒） 物料盤（采用步進(jìn)電機(jī)控制）每工步旋轉(zhuǎn)角度：30度（最大轉(zhuǎn)度：30度每秒） Y軸大臂上下移動(dòng)距離為：20cm（最大速度10cm/s） Y軸小臂上下移動(dòng)距離為：10cm（最大速度10cm/s） X軸小臂伸縮距離：10cm （最大速度10cm/s） 手指開合角度為：60度（最大速度60度每秒） 料槽小臂（推動(dòng)工件的推桿）伸縮距離為：15cm（最大速度10cm/s） （2）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本課題上下、旋轉(zhuǎn)和手爪開合三個(gè)自由度選擇氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，包括氣動(dòng)元器件的選取，氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)，并繪出氣動(dòng)原理圖。 （3）、設(shè)計(jì)控制部分 本機(jī)械手采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取PLC型號（初定三菱的PLC裝置），根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。預(yù)定工作流程如圖所示。 （4）、圖紙繪制。 裝配圖、零件圖、電路原理圖的繪制。 三、課題進(jìn)展計(jì)劃 日期 工作內(nèi)容 08.10.1～08.10.30 完成開題報(bào)告及資料翻譯 08.11.1～08.12.30 確定結(jié)構(gòu)方案 09.1.1～09.2.30 電氣控制部分方案設(shè)計(jì)與編程 09.3.1～09.4.30 圖紙繪制 09.5.1～09.5.30 撰寫畢業(yè)論文 09.6.1～09.6.10 答辯準(zhǔn)備及答辯 四、主要參考文獻(xiàn) 　　【1】徐炳輝. 氣動(dòng)手冊[M ]. 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2005 　　【2】明仁雄, 等. 液壓與氣壓傳動(dòng)[M ]. 國防工業(yè)出版社, 2003 　　【3】SMC (中國) 有限公司. 現(xiàn)代實(shí)用技術(shù)[M ] 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1998 　　【4】SMC (中國) 有限公司. 現(xiàn)代實(shí)用技術(shù)[M ] 二版.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003 　　【5】陸鑫盛, 周洪. 氣動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[M ]. 上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 1999 　　【6】馬振福. 液壓與氣壓傳動(dòng)[M ]. 機(jī)械工業(yè)出版社,2004 　　【7】陳新元, 張安龍. 裝配線機(jī)械手電氣混合控制[ J ].液壓與氣動(dòng), 2007 (3) 　　【8】姜繼海, 宋錦春, 高常識. 液壓與氣壓傳動(dòng)[M ]. 高等教育出版社, 2002 　　【9】上海工業(yè)大學(xué)流控研究室. 氣動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)[M ]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1982 　　【10】杜來林, 等. 北京大學(xué)出版社, 2005 　　【11】鄭洪生. 氣壓傳動(dòng)[M ]. 機(jī)械工業(yè)出版社 【12】[德] Werner Deppert/Kurt Stoll1 氣動(dòng)技術(shù)——低成本綜合自動(dòng)化[M ]. 李寶仁, 譯. 機(jī)械工業(yè)出版社,1999 【13】(日)大熊繁編著.機(jī)器人控制[M].北京:科學(xué)出版社,2002 【14】遷三郎.機(jī)器人工程學(xué)及其應(yīng)用[M].王琪民,等譯.北京:國防工業(yè)出版社,1989 【15】白井良明.機(jī)器人工程[M].北京:科學(xué)出版社,2001 　　【16】王孝華, 趙中林, 等. 氣動(dòng)元件及系統(tǒng)的使用與維修[M ]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1996 　　【17】蔡自興. 機(jī)器人學(xué)[M ]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2000 　　【18】袁子榮. 液氣壓傳動(dòng)與控制[M ]. 重慶大學(xué)出版社, 2002 　　【19】路甬祥. 液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊[M ]. 機(jī)械工業(yè)出版社,2002 　　【20】[美] Saeed B. 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