发布时间 : 星期四 文章基于PLC的机械手自动操作系统设计本科毕业设计更新完毕开始阅读
1 绪论
1.1 课题提出背景
如今，机械自动化已经成为了新时代的主题。其中，机械手是工业生产过程中应用最多的，而且它的发展也是最快的。工业生产自动化的程度越来越高，而生产环境变得越来越恶劣，这样对工人提出了更高的要求，比如安全性、健康性、环保性等。机械手可以有效的解决这个问题，它可以在高温、高压、有毒、放射性等场合应用。在机械制造行业中，机械手又称工业机器人，它主要被应用于运送加工原料或者给特定的机床进行刀具的转换和机器的装配等一些自动化流水生产线上。综上所述，机械手的应用更加有效率，同时还能降低生产成本。
机械手是一门综合性的学科，它包含了机械、电子、材料、自动控制等许多学科方面的知识。随着计算机和电子技术的飞速发展，机械手也不断的更新换代，朝着精密化、智能化、复杂化的方向发展。如今的机械手加入了传感器反馈系统，当机械手发生故障时，它可以自我检测，并且自动修复。
工业的自动化程度的高低离不开PLC， 它的控制能力越高，自动化的程度也越高。所以PLC常被用于工业生产中，随着它的地位逐渐增长，它的功能也随之有了很大的提高。对于PLC而言，它的程序编写容易、系统操作灵活，同时对于控制也方便实现，这样能够提高工业生产的效率和加工的质量。在一些恶劣的环境下，PLC同样能够取代人类去完成一些控制，从另一方面而言，成本也相对减轻了许多。基于PLC设计的机械手自动操作系统，更加容易实现生产的连续性。
在本次设计任务中，选用三菱系列的PLC对机械手进行控制，完成自动操作系统的设计。实现对机械手的上下、左右、旋转等控制，要完全实现这些，还需要其它辅助元器件，比如气缸、传感器、电磁阀、底座和支架等。为了能够更加直观的对机械手的动作进行展示，在本次设计中加入了组态软件对机械手进行监控。MCGS是一种用于对机械手整体监控的一种组态软件，通过对机械手运动数据的采集，MCGS以动画形式表现，对机械手的运动过程进行监控和整个流程的控制。
1.2 国内外研究现状
在1954年，美国的著名工程师沃尔德最早提出了人机一体化的构想；到了
1959年，拥有丰富创造力的两人沃尔德和英格伯一同制造出了世界上第一台机械手；1962年时，美国政府将机械手的实用性做了相关的叙述，机械手慢慢被大家所认知；1970年在美国召开了第一届有关机械手相关的会议，主要研究它的价值和实用性；1973年美国一家公司开始制造出了一台小型的机械手，为工业发展做奠基；直到1980年，机械手在日本很快的发展起来，使得机械手得到了充分的改进，现在机械手正在向智能化、高速化、精密化的方向发展，机械手的定位精度也是越来越高，能达到现在的纳米级别，它的运行速度可以达到3m/s，产出的产品可以达到6轴，夹起工件的重量也是越来越大。
生产过程慢慢的向着机械、自动、智能的方向发展，逐渐地融入了我们生活中。生产工业的连续性依靠工业的自动化，自动化逐渐成为了新时代的标志。在国外，利用计算机和镜头采集装置，再加上一些特殊的传感器装置组合在一起，能够有效的定位，这样更加精确和有效的进行加工。但是在机械加工的过程中，对于零件的加工、处理和装配这些过程是不连续的，所以在工业生产中加入生产自动化可以有效地解决这些问题。机械手的灵活多变性可以有效地适用于小批量的自动化生产和柔性的制造生产线上。
在我国，机械手技术是从80年代开始起步，在七五科技攻关的热潮中，生产出了部分的机械人的零件，慢慢的认识到机械手的实用性。在国家相对政策的扶持下，开始用机械手对加工零件进行喷漆和焊接的工作，这些都是国内自己开发研制的机器。其中孤焊机械手已经用于对当时汽车生产的焊接上，虽然技术和人才比较国外来说还有一定的差距，大部分的产品还是要通过进口才能完成组装。在当时，许多有着高技术的国家对自己的产品有严格保密性，不对外销售，使得我国落后于国外一些国家，但是随着时间的推移，技术和人才也飞快的跟上了世界的脚步。我国的企业主要生产一些中低端的产品，因为没有高端精密的伺服系统和反馈系统，这样很难生产出高端和有质量的产品。
目前，国家正在对中国未来的机械制造装备也出谋划策，争取让这些企业占取大量的市场份额。我国的“863”机械手技术主题成立以来，国家对于这些技术的推广和引进，逐渐使得机械手行业成为了真正高新的产业。国家对于机械手企业提高了优惠的政策支持，并且扶持这些企业提高技术水平，加大工业生产的进度。
1.3 课题研究主要内容
该课题主要设计一个基于PLC的机械手自动操作系统，这套系统主要用于对机械手的过程控制。机械手的直线、旋转运动都是通过气缸来完成，气缸的运动由电磁阀来驱动。
刚开始时，要求将机械手复位，工作在左位、高位和放松状态。一上电，先控制底部转动气缸摆动调整机械手的位置，让它复位。然后通过传感器检测工件，检测到工件后，机械手底部气缸旋转，中间气缸右移到极限位置，下臂气缸开始下降到极限位置，夹紧气缸夹紧工件，下臂气缸上升到高位，下臂气缸上升到极限位置，中间气缸缩回到极限位置，底部气缸旋转，中间气缸右移到极限位置，下臂气缸开始下降到极限位置，夹紧气缸放下工件，最后机械手复位。如图1-3所示：
图1-3 机械手实际效果图
本次课题主要设计内容：
(1) 对机械手动作进行构思，设计出一套工作的整体方案 (2) 对机械手整体进行简单设计 (3) 各气缸选型，PLC和传感器的选型 (4) 系统硬件的设计和机械手控制程序的设计 (5) 组态软件MCGS的设计
(6) 通过PLC来控制机械手，完成自动控制并且连接MCGS进行调控
1.4 设计的目的和意义
随着信息技术的不断发展，对于机械产品的精度等级和结构的复杂程度也是
要求越来越高。人们对于机械产品的设计，同样也要求具有创新性，更符合人性化和工业化。所以，针对国外的设计可以进行参考和总结，帮助我们完成对产品结构的设计。
机械手技术对工业发展有很大的好处，首先，它可以按照生产进行加工，依照一定的程序和规定的时间内完成工件的加工和传送；其次，它可以减轻工人的压力，而且它能单独的对机械进行装配，因此可以改善工人劳动环境，有效地提高生产效率，减轻工人劳动强度，节约了成本。尤其在一些有污染环境的场合，机械手的实用性更加体现出来。
如今，电子技术的飞速发展和渗入，机械手的研究和开发是人类进步的桥梁，机械手的迅速发展使得它成为工业行业中的重要部分。同时，也是因为机器人的发展，促进了机械手的飞速发展。在现代生产过程中，机械手被用于自动化流水生产线上，这样使得机械手能够广泛的被运用，并且能够熟练地适用于工业生产的脚步。
本次课题设计的机械手是通过用三菱PLC来进行程序系统的控制，PLC控制是机械手的灵魂。对于三菱系列的PLC,它的通用性好、适用范围广、灵活性和编程简单等方法来实现自动化。