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一、论文研究的目的和意义
随着社会与科技的进步，工业生产自动化设备越来越广泛应用，其中机械手的诞生就是基于生产技术不断提高，是现代生产与科技应用相结合形成的一个重要技术。工业机械手的应用减轻了劳动强度、可提高产品加工精度、减少危险性生产由人工操作环节，尤其是在一些危险性大的行业生产中应用较为实用，如化工生产有存在有毒物质的；如核电厂等存在放射性物质的地方；如烟花等易燃易暴的生产场合等生产环境非常适合使用机械手进行生产。在机械行业中（铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配等）应用也十分广泛，如在柔性生产线中用气动机械手来搬运上下料材；机械零件的装配生产线中，利用机械手抓零件与另一零件装配在一起；如啤酒生产中用机械手把盖压在瓶子上等等。以上种种应用极大的减轻了劳动强度、促进安全生产、提高产品质量，适合现代化的生产趋势，具有较强的生命力。
机械手的驱动方式有气压传动、液压传动、电气传动和机械传动。广泛使用的气压技术以压缩空气为介质，具有动作迅速、平稳、可靠、结构简单、较轻、体积小、节能、工作寿命长的特点，特别是对易于控制、易维护、无环境污染场合，因此气动技术常作为机械手的驱动系统的首选。气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有无污染、抗干扰性强、价格低廉、结构简单、功率体积比高等特点。在机械行业越来越多的自动化设备中采用了机械手，主要是液压控制和气压控制两种方式。其中气动机械手以其取之不尽、用之不完的气源，及较低的生产成本受用户喜爱，各国对气动机械手的研究越来越重视，现已发展成为满足生产需要的一种重要的实用技术。
在工业自动化中液压与气压均有较在应用，而气动技术被称为工业自动化的“肌肉”,其应用灵活，夹持工件的重量越来越重，在各种机械加工行业和制造行业中，尤其在有毒的环境下作业等其应用程序越来越受重视，并得到相应广泛使用。随着科技不断日新月异发展，自动化控制技术也不断更新，在微电子技术、计算机技术等技术的迅猛发展形势下，气动技术不断技术创新，以工程实际应用为目标，不断取得巨大的进步。另外气动技术作为一种相对来说比较廉价的自动化技术，由于其元器件的制造技术以及使用性能的不断提高，并且生产成本和流通成本不断的降低，气动技术现已被广泛的应用在现代工业、医疗业、生产以及输送领域。例如南昌市第一附属医院中引入了气动控制药品传输线，从药房配药师输出到住院部等各部门，每次提高了近 5 分钟，大大减少人力劳动及工作人员数量。
我国在机械手的应用方面，不是世界最发达国家，但已经较为广泛使用并取得了较成熟的技术。基于 Programmable logic Controller 为核心技术进行控制的液压机械手或气动机械手在工业自动化领域应用较多，非常适合 PLC 最基本功能，即逻辑控制。如用来上料下料、装卸机械零件、搬动物品等重复性的工作过程。我们国家原来的继电接触器控制系统大多已改造为基于 PLC 为控制器的自动化装置，通过最近 20 多年的应用实践表明，在机械制造及自动化领域具有强大生命力。
课题研究的基于气动技术的可编程控制器控制的机械手是现代机电一体化自动生产线中重要辅助装置，可实现上下、左右、伸缩六个方向的三维空间运动，较适合经常变更批量生产与柔性制造生产的现代加工方法。它能按预定程序和控制要求完成物品、材料、机械零件等进行运送、上下料、搬运等作业，并可以在需要时修改程序实现动作变更。
二、国内外发展现状
工业机械手是一种用于再现人手功能的自动控制装置。对其研究源于 20 世纪40 年代末，最早由美国橡树岭国家实验室开始研究搬动核原料的遥控机械手， 逐渐发展成为现代自动控制领域的新技术，涉及力学、机械学、电器液压技术、传感器技术和计算机技术等的综合，成为一门新兴学科。
经过美国几年的科研攻关，于 1958 年联合控制公司研制出了世界第一台机械手，在机体上安装一个回转长臂，并在端部装有电磁铁的工件抓放机构。之后经过四年的发展由美国的机械铸造公司制造了一台数控示教再现型机械手，取名为Unimate（即万能自动），运动系统采用仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰是用液压驱动。
后来的许多机械手就是按此模型为基础发展起来的。1962 年美国的机械铸造公司制造又成功研制了一款叫 Versatran 机械手，能实现点位和轨迹控制，实现灵活搬运。这些成果为全世界的工业机械手发展奠定了扎实基础。
三、研究目的
在目前广泛应用的人机工程学科中，工业机器人技术越来越受到重视，工业生产领域中应用的机械手又叫做“工业机械手”,是工业机器人学科的一个分支。
在实际的生产过程中，应用机械手系统不但可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，还可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统组成。起固定支撑作用的机架、机械臂和气爪组成手部控制环节，气爪的主要工作任务是吸持工件，部分较灵活的机械手上安装了手指，类似人类手指可较灵活实现物体抓放，目前最先进的机械手中安装了传感器，可以感知抓紧的力大小，一般安装在最前端。机械臂主要实现支撑相应的机械手及辅助部分，实现手臂的伸缩、回转等控制，保证机械手准确抓住工件。机械手的运动主要有伸缩、回转、垂直六个方向，各方向运动功能实现依靠气缸，由 PLC 控制的电磁阀的得电、失电来实现。其运动功能实现还有采用液压控制系统、电气驱动系统和机械驱动的控制方式，对于要求夹紧力较大的可首选液压驱动方式，驱动力不要求太大的可采用气压传动实现。
机械手的手臂部分采用气压方式执行缸来做水平与垂直方向的运动控制，由气压缸与马达等组成，一般由4-6个自由度，较先进的也有更多自由度的机械手。液压驱动方式主要用于重型工业设备，其特点压力高、体积小、出力大且平稳。
四、主要研究内容
研究课题以气压传动控制的机械手为研究对象，以原位为右上角为起点分别完成“左旋→水平伸出→下降→抓物→上升→水平缩回→右旋→臂水平伸出→下降→放松→上升→臂收缩→右旋→原位”的控制过程为工艺路线，各环节的转换采用传感器来实现检测到位情况。气压传动机械手的动作操作方式分为手工操作方式和自动操作方式。手工操作方式指的是各气缸的运动单独由手动按钮按各动作依次进行操作的控制方式，如垂直运动上设置两个按钮，一个向上运动，另一个向下运行。自动操作是指在PLC程序控制下各动作按规定线路自动执行完成。自动操作可以分为单周期操作与连续操作两种方式。单周期操作是指气压传动机械手从原点开始→按启动按钮→机械手自动完成从原位执行完所有一个周期的动作后停止。连续操作是指机械手从原点开始→按启动按钮→机械手的动作将自动地、连续不断地进行周期性循环执行。在工作中如果按停止按钮，机械手将继续完成一个周期的动作，然后回到原点自动停止。整个控制过程功能的实现要求基于PLC为技术核心，形成“气动-传感器-PLC”的自动化装置。经调研及查阅资料表明选用气动控制实现工作行程300-400mm,运动负载最大质量为10kg,移动速度为3m/min的要求较为实用。
五、论文的主要结构
课题研究中按照先介绍课题研究目的、内容、关键性问题等。
其次介绍机械手控制的技术要求、机械结构及相关技术概况。
其三研究机械手控制的气动元件及气动控制回路，PLC的硬件接线系统图。
其四研究机械手控制方案、需求分析及设计控制程序，课题研究中采用了手动控制与自动控制两种方案，设计了相应的梯形图程序。
最后研究程序算法分析、仿真调试、程序测试、组态软件应用等。
六、提纲
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 论文研究的目的和意义
1.2 国内外发展现状
1.3 主要研究内容及关键问题
1.3.1 研究目的
1.3.2 主要研究内容
1.3.3 论文的主要结构
1.3.4 课题关键问题
1.3.5 解决问题思路
第二章 气动机械手研究的相关技术
2.1 机械手的控制要求
2.2 机械手的基本结构
2.3 相关技术概况
2.3.1 气动技术简介
2.3.2 PLC 技术简介
2.3.3 机械手技术简介
2.3.4 传感器技术简介
2.4 光电效应与光电传感器
2.5 光电开关工作原理
2.6 本章小结
第三章 气动机械手控制系统的需求分析
3.1 机械手控制技术需求分析
3.1.1 业务分析
3.1.2 系统功能需求分析
3.1.3 现代控制技术的需求分析
3.1.4 气动技术的需求分析
3.2 气动机械手控制系统的功能模块
3.2.1 手动操作功能模块
3.2.2 半自动化操作的功能模块
3.2.3 全自动化操作功能模块
3.3 气动控制元件与执行元件配置
3.3.1 气动控制元件配置
3.3.2 气动执行元件配置
3.4 气压传动系统回路
3.4.1 气动基本回路
3.4.2 气动系统图
3.4.3 气压系统图器件清单
3.5 PLC 硬件接线
3.5.1 PLC 的系统组成
3.5.2 PLC 的工作原理
3.5.3 PLC 的硬件设计原则
3.5.4 总线控制技术
3.5.5 Modbus 通讯协议
3.5.6 I/O 分配和外部接线图
3.6 本章小结
