1. 研究目的与意义（文献综述）
1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）
1.1机械手的国内外研究现状
1.1.1机械手的国外研究现状
工业机械手巨头企业主要集中在日本、美国、德国等工业发达的国家，如日本发那科（fanuc）、安川电机（yaskawa）、川崎重工（kawasakiheavy）、德国库卡公司（kuka），瑞士abb公司等。它们在工业机械手领域有着长期深入的技术积累，以及紧跟时代的创新能力，逐渐形成了各具特色的技术创新路线和产品，并构建了核心竞争力。德国工业机械手的研究和应用在世界上处于领先地位，韩国也在不断发力。
全球工业机械手产业链中，以日本发那科、安川电机、德国库卡、瑞士abb等为代表的龙头企业在机械手本体制造、相关技术和服务及系统集成甚至核心零部件等多方面拥有显著优势，抓住了产业价值链上的利润关键点，具备很强的盈利能力。
2. 研究的基本内容与方案
2.研究（设计）的基本内容、拟采用的技术方案及措施
2.1研究（设计）的基本内容
本设计主要采用可编辑控制器PLC针对XZ双轴机械手的系统设计进行研究，要求完成机械手的启动控制，且对机械手的运行速度进行控制，同时完成PLC的选型并确立详细的研究对象、PLC控制系统硬件设计、PLC控制程序编写、控制程序仿真调试等设计内容。
2.2研究（设计）拟采用的技术方案及措施
（1）机械手执行结构
机械手执行机构主要由手部、手腕、手臂、立柱和机座组成，有的还带有行走机构。其中手部是机械手与工件直接接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。本文采用夹持式手部，其由手指（或手爪）和传力机构所构成，手指与工件直接接触，而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。机械手的整体结构由Solidworks软件建模完成。
（2）机械手驱动系统
机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动四种形式。本文机械手的动力源来自于电机和气压系统，通过电磁阀驱动气缸实现机械手对工件的夹紧和放松，通过电机驱动（配有相应的减速器和变频器）和齿轮齿条副实现手臂的移动和多段速控制，并能够准确、快速地把手爪送到指定的位置。
（3）机械手控制系统
机械手的动作过程如图1所示。其主要功能是将工件从A平台移动到B平台。机械原点设在可动部分左上方，即压下左限开关和上限开关，并且机械手手部此时处于放松状态。机械手的动作流程为按下“复位”按钮，机械手回原点等待；按下“开始”按钮后，机械手执行下降→夹紧→上升→右行→下降→放松→上升→左行→原点的工作循环；按下“停止”按钮，机械手立即停止运动。
（4）机械手位置检测装置
位置检测装置控制着机械手执行机构的运动位置，随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与给定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。本文采用的位置检测装置是限位开关。
（5）I/O端口的需求分析及分配
按照XZ双轴机械手PLC控制系统要求，确定其正常工作时所需要的输入和输出元件，并对各元件及所需功能分配所对应的I/O地址，列出的I/O地址分配表如图2所示。
| 输入信号 | 功能 | 地址 | 输出信号 | 功能 | 地址 |
| 启动 | X000 | 启动指示 | Y000 | ||
| 停止 | X001 | 停止指示 | Y001 | ||
| 复位 | X002 | 复位指示 | Y002 | ||
| 左限位 | X003 | 气缸夹紧/松开 | Y003 | ||
| 右限位 | X004 | X轴正转(右移) | Y004 | ||
| 上限位 | X005 | X轴反转(左移) | Y005 | ||
| 下限位 | X006 | X轴低速 | Y006 | ||
| X轴低速 | X007 | X轴中速 | Y007 | ||
| X轴中速 | X010 | X轴高速 | Y010 | ||
| X轴高速 | X011 | Z轴正转(上升) | Y011 | ||
| Z轴低速 | X012 | Z轴反转(下降) | Y012 | ||
| Z轴中速 | X013 | Z轴低速 | Y013 | ||
| Z轴高速 | X014 | Z轴中速 | Y014 | ||
|
|
| Z轴高速 | Y015 |
表2PLC的I/O地址分配表
（6）PLC编程软件及选型
本文采用三菱公司PLC的编程软件GX-Developer，它是三菱公司设计的在Windows环境下使用的全系列PLC程软件，可实现程序的创建、上传下载、监视、诊断和调试等。该软件还具有丰富的编程语言，用户可以使用包括梯形图（LD）、指令表（IL）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）和结构化文本（ST）在内的多种编程语言。
按照XZ双轴机械手PLC控制系统要求，该系统共有13个输入信号，14个输出信号，且其中需要控制两台电机变频器，根据PLC的选型原则，在原有I/O点的基础上再预留10%-20%的余量，故选择三菱FX2N-32MR型PLC。
2.3研究（设计）技术路线图
| 确定机械手结构和PLC控制系统整体技术方案
|
| 完成机械手Solidworks三维建模和PLC的选型
|
| 完成PLC控制系统硬件设计和程序设计 |
| PLC控制程序仿真调试 |
| 编写设计说明书 |
| 修改PLC控制程序 |
| 是否达到技术要求 |
| 否 |
| 确定机械手结构和PLC控制系统整体技术方案
|
| 完成机械手Solidworks三维建模和PLC的选型
|
| 完成PLC控制系统硬件设计和程序设计 |
| PLC控制程序仿真调试 |
| 编写设计说明书 |
| 修改PLC控制程序 |
| 是否达到技术要求 |
| 否 |
3. 研究计划与安排
| 时间节点 | 内容 |
| 1-3周 | 完成开题报告和英文文献翻译 |
| 4-5周 | 完成总体技术方案设计和论证 |
| 6-12周 | 完成机械部件的建模和PLC控制程序的编写校验 |
| 13-14周 | 编写设计说明书、文字处理 |
| 15周 | 准备答辩 |
4. 参考文献（12篇以上）
参考文献：
[1]赵正华, 杨文珍. 卧式数控车床上下料三轴机械手的控制系统设计[j].机床与液压,2017, 45(15):32-34, 14.
[2]刘慧, 杨炙坤. 四自由度包装搬运机械手控制系统设计[j]. 包装工程, 2017, 38(5):30-33.
[3]刘涵茜. 基于三菱plc的伺服定位机械手控制系统设计[j]. 电工技术, 2019(4):4-6.
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