1、毕业设计（论文）开题报告题 目 FMS 搬运单元的控制设计学生姓名、学号专业机械设计制造及其自动化指导教师姓名 职称一、课题背景和意义柔 性 制 造 系 统 简 称 FMS(Flexible Manufacturing System)， 是 一 组 数 控 机 床 和 其 他 自 动 化 的 工艺 设 备 ， 由 计 算 机 信 息 控 制 系 统 和 物 料 自 动 储 运 系 统 有 机 结 合 的 整 体 。 柔 性 制 造 系 统 由 加 工 、 物 流 、信 息 流 三 个 子 系 统 组 成 。柔 性 制 造 系 统 是 由 统 一 的 信 息 控 制 系 统 、 物 料 储 运
2、系 统 和 一 组 数 字 控 制 加 工 设 备 组 成 ， 能 适 应 加工 对 象 变 换 的 自 动 化 机 械 制 造 系 统 。FMS 的 工 艺 基 础 是 成 组 技 术 ， 它 按 照 成 组 的 加 工 对 象 确 定 工 艺 过 程 ， 选 择 相 适 应 的 数 控 加 工 设备 和 工 件 、 工 具 等 物 料 的 储 运 系 统 ， 并 由 计 算 机 进 行 控 制 ， 故 能 自 动 调 整 并 实 现 一 定 范 围 内 多 种 工 件的 成 批 高 效 生 产 (即 具 有 “柔 性 ”)， 并 能 及 时 地 改 变 产 品 以 满 足 市 场 需 求
3、。FMS 兼 有 加 工 制 造 和 部 分 生 产 管 理 两 种 功 能 ， 因 此 能 综 合 地 提 高 生 产 效 益 。 FMS 的 工 艺 范 围 正在 不 断 扩 大 ， 可 以 包 括 毛 坯 制 造 、 机 械 加 工 、 装 配 和 质 量 检 验 等 。 80 年 代 中 期 投 入 使 用 的 FMS，大 都 用 于 切 削 加 工 ， 也 有 用 于 冲 压 和 焊 接 的 。采 用 FMS 的 主 要 技 术 经 济 效 果 是 ： 能 按 装 配 作 业 配 套 需 要 ， 及 时 安 排 所 需 零 件 的 加 工 ， 实 现 及 时生 产 ， 从 而 减 少
4、 毛 坯 和 在 制 品 的 库 存 量 ， 及 相 应 的 流 动 资 金 占 用 量 ， 缩 短 生 产 周 期 ； 提 高 设 备 的 利 用率 ， 减 少 设 备 数 量 和 厂 房 面 积 ； 减 少 直 接 劳 动 力 ， 在 少 人 看 管 条 件 下 可 实 现 昼 夜 24 小 时 的 连 续“无 人 化 生 产 ”； 提 高 产 品 质 量 的 一 致 性 。机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。它的特点是可通过编程来完成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，在国民经
5、济各领域有着广阔的发展前景。我国国家标准(GB/T 12643-90)对机械手的定义:“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手:它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定(有时可调)程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。通用机械手:它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。它的工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上
6、下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS )和计算机集成制造系统(CIMS )，实现生产自动化。机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手，本设计主要是使用步进电机进行电动式控制方式。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。二、文献综述1柔性制造系统：随着市
7、场竞争的加剧。制造业迫切需要采用能提高生产效率、满足多品种小批量生产要求并迅速响应市场变化的现代制造技术。FMS 作为一种比较成熟的先进制造技术，已经进入实用阶段并取得了较好的效果。FMS 要实现自动化加工，离不开物流系统的自动化。而运储系统是物流系统的关键设备和硬环境具有很强的时空性、技术性和经济性，其配置方式故自动化程度直接关系到整个 FMS 的胜能和效率 因此研究 FMS 环境下运储系统的组成并选择高效、适用的搬运机构，具有重要的现实意义。目前，国内柔性制造系统(FMS)中的关键部件机械手，往往采用国外产品，如某机电科技有限公司开发的 FMS，绝大部分工作部件都由自己生产，而机械手则采用
8、国外的 MOTOMAIVYR-HP20 产品，其价格相当昂贵。为了提高经济效益，需自行研发类似功能的机械手。2机械手：机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。机械手的特点：（1）对环境的适应性强 能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。（2）
9、机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。（3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。（4）机械手特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性生产的需要。因此采用机械手最明显的特点是提高劳动生产率和降低成本。3机械手控制方式：机械手按驱动控制方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。以下主要介绍 PLC 控制的电动式点位控制机械手。PLC 控制系统设计的基本内容一个 PLC 控制系统由信号输入元件（如按钮，限位开关，传
10、感器等） ，输出执行器件（如电磁阀，接触器，电铃等） ，显示器件和 PLC 构成。因此，PLC 控制系统的设计，就包括这些器件的选取和连接等。 输入信号，信号进入 PLC 后，在 PLC 内部可以多次重复使用，而且和可获得其常开，常闭，延时等各种形式的触点。因此，信号输入器件只要有一个触点即可。输出器件应尽量选取相同电源电压的器件，并尽可能选取工作电流较小的器件。显示器件应尽量选取 LED 器件，其寿命较长，而且工作电流较小。 设计控制系统主回路。应根据执行机构是否需要正，反向动作，是否需要高低速，设计出控制系统主回路。 选取 PLC。根据输入，输出信号的数量，输入输出信号的空间分布情况，程序
11、容量的大致情况，具有的特殊功能等，选取 PLC。进行 I/O 分配，绘制 PLC 控制系统硬件原理图。 程序设计及模拟调试。设计 PLC 控制程序，并利用输入信号开关板进行模拟调试，检查硬件设计是否完整，正确，软件是否能满足工艺要求。设计控制柜。在控制柜中，强电和弱电控制信号应尽可能进行隔离和屏蔽，防止强电磁干扰影响 PLC 的正常运行。编制技术文件，包括电器原理图，软件清单，使用说明书，元件明细表等。参考文献： 1齐占庆.机床电气控制技术G.北京:机械工业出版社,2006.1 2余雷声. 电器控制与 PLC 应用M. 北京：机械工业出版社，1996：58-63 3郁汉琪，郭健. 可编程序控制
12、器原理及应用M. 北京：中国电力出版社，2004：88-904程周. 可编程控制器技术与应用M. 北京：电子工业出版社，2002.8：99-102 5陆祥生，杨秀莲.机械手理论及应用M.北京：中国铁道出版社，1985 6白传悦.装配机械手 PLC 控制系统J.机械制造行业应用，2006.5:134-136 7李宁，刘启新.电机自动控制系统M.北京：机械工业出版社，2005 8程子华.PLC 原理与编程实例分析M.北京：国防工业出版社，2007 9张建民.机电一体化系统设计M.北京：北京理工大学出版社，2007 10徐杜，蒋永平，张宪民.柔性系统原理与实践.北京：机械工业出版社，2001.7 1
13、1李铁才，杜坤梅.电机控制技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000 三、方案设计1设计的任务和要求（包括原始数据、技术要求等）：设计任务：要求利用步进电机与 PLC 设计柔性制造系统中的搬运装置（机械手），实现工件在两工作台之间的搬运控制。设计要求：设计一套控制装置，通过控制按钮实现机械手横竖方向的移动，手爪夹紧动作 ，机械手整体旋转运动1、负荷参数：额定负荷为 1kg，最大负荷为 3kg；2、臂的运动参数：横轴方向移动范围是 450mm，速度是 100mm/s；竖轴放下过移动范围是 450mm,速度是 100mm/s。对工作范围设置超程保护；3、手爪的运动参数；旋转角度 180；4、机械
14、手整体运动参数；旋转角度 180。2课题研究流程：本课题为 FMS 搬运单元的控制设计，在对此进行研究的过程中，可以分为两大步骤，步骤一，对机械手进行实体造型；步骤二，对机械手运动进行硬软件的设计。在步骤一中，首先对机械手的结构进行设计，初步方案如右图所示，然后依据结构图使用 CAXA 行实体造型，最后得出所需要的机械手手爪图、机械总图。在步骤二中，要选用合适的步进电机，根据设计要求中的数据进行 PLC 编程。本机械手用于生产线上工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如下图，在此过程中要完成梯形图、顺序功能图等。学生签名： 年 月 日指导教师批阅意见（指导教师应对课题研究的思路、方法、对策、措施和预期成效等做出评价，并提出具体的改进意见）指导教师签名： 年 月 日
