【氣動機械臂系統(tǒng)設(shè)計（論文）6500字】

第第-4-頁氣動機械臂系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，自動化、機械化生產(chǎn)已成為現(xiàn)代工業(yè)的主要支柱，在沒有車間、流水線的情況下，已是家常便飯。氣力驅(qū)動的機械臂由氣缸、氣動閥和壓縮機三部分構(gòu)成。它具有氣體來源方便，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，維護(hù)方便等特點。該系統(tǒng)不需要電子控制電路，只需使用旅行閥和氣壓轉(zhuǎn)換閥即可實現(xiàn)。這種產(chǎn)品更安全，有防火、防爆、防潮、對環(huán)境要求高的場所使用。利用壓縮空氣的方式，還可以實現(xiàn)對大氣的遠(yuǎn)距離供給，為未來的純氣提供能量奠定了基礎(chǔ)。氣動換向閥具有兩個位置的五通電磁換向閥，具有儲存和手動調(diào)節(jié)的特點，便于調(diào)整和重新設(shè)置。目前，空氣動力機械臂在自動化生產(chǎn)線上得到了廣泛的應(yīng)用，而多個操作機構(gòu)的設(shè)計方法也是五花八門，各有千秋，各有利弊，所以，研制一種更簡單、更穩(wěn)定的多級自由機械臂的全氣動控制系統(tǒng)是十分必要的。此文章的重點內(nèi)容是歸根于PLC的氣動機械臂控制系統(tǒng)開展的，包括系統(tǒng)的整體框圖、系統(tǒng)構(gòu)成、軟硬件設(shè)計和系統(tǒng)運行分析。關(guān)鍵詞：氣動機械臂，可編程控制器，傳感器目錄TOC\o"1-3"\h\u24281第一章緒論 1183661.1課題背景 1237131.2研究的目的和意義 121171第二章系統(tǒng)總體設(shè)計與元器件選型 3102402.1系統(tǒng)的總體設(shè)計方案 3165102.2系統(tǒng)的氣動控制 3125452.3元器件的選型 4266142.3.1PLC的選擇 4179922.3.2傳感器的選擇 52989第三章氣動機械臂的系統(tǒng)硬件設(shè)計 673253.1系統(tǒng)硬件概述 6327343.2PLC的I/O分配 6101363.3傳感器的設(shè)計 7166133.3.1安全傳感器 8298873.3.2光電傳感器 81632第四章氣動機械臂的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 911834.1軟件設(shè)計概述 91064.2急停控制系統(tǒng) 10147584.3液晶顯示屏系統(tǒng) 1160264.4機械臂抓取系統(tǒng) 12293814.5光電檢測系統(tǒng) 123410結(jié)論 1422561參考文獻(xiàn) 15第一章緒論1.1課題背景機械臂是在機械化和自動化生產(chǎn)進(jìn)程里出現(xiàn)的全新裝置。在如今制造流程里，機械臂不斷的用于不同的制造作業(yè)中。對于高科技領(lǐng)域機械臂的開發(fā)、探索與制造而言，這已然飛快進(jìn)步為一項全新科技。如此情況推動了機械臂的進(jìn)步，讓機械臂更好地達(dá)成了機械化與自動化的融合。機械臂盡管不如人手靈巧，可是具有可以一直反復(fù)工作且不會疲勞、不懼風(fēng)險的特性，抓取和舉起重物的能力超越了人手。所以，機械臂在大多數(shù)部門得到了廣泛的使用與關(guān)注。工業(yè)機器人，又被叫做機械機械臂，是合適用在工業(yè)自動化生產(chǎn)的機電一體化裝置。自從首個工業(yè)機器人在美國出現(xiàn)以后，由于其出色的工作能力和先進(jìn)的集成技術(shù)，工業(yè)機器人得到了迅速的發(fā)展。工業(yè)機器人能夠完成對預(yù)定的物體的抓取、組裝、檢測等操作，而這一切都是在工廠中進(jìn)行的。而工業(yè)機器人，則可以模擬人的手臂，從而大大降低了工人的工作壓力。除此之外，礦山、隧道、放射性物質(zhì)等，都可以由工業(yè)機器人來代替，既保證了工人的人身安全，又保證了工作的順利。因而，機械臂在各個行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。機械裝置的作用日益增強、效率和智能，其應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛。并且，隨著工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，其智能水平越來越高，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。在工業(yè)上，多臺機械設(shè)備常常用于運輸、運輸、車間內(nèi)的簡單機械作業(yè)、提高生產(chǎn)率等。隨著科技的飛速發(fā)展，智能機械的出現(xiàn)，不但為人類的日常生活提供了極大的方便，同時也極大地推動了科技的發(fā)展。近年來，工業(yè)機器人得到了迅猛的發(fā)展，在一定程度上促進(jìn)了機械臂的應(yīng)用和發(fā)展，并在工業(yè)自動化方面起到了重要的作用。在機械、電子、航空航天等行業(yè)中，工業(yè)機器人已經(jīng)具備了很強的競爭力。哪怕是在各種高科技產(chǎn)業(yè)中，也是最頂尖的。它是一種具有代表性的數(shù)字化機電一體化裝置，它自身已是評估國制造業(yè)能力與科技能力的關(guān)鍵指標(biāo)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>戴紅</Author><Year>1998</Year><RecNum>245</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>245</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tt9f2exapawfsveefx35pfa1rrezd2vrzfvf">245</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>戴紅</author></authors></contributors><titles><title>康復(fù)醫(yī)學(xué)</title></titles><pages>3-10</pages><section>3-10</section><dates><year>1998</year></dates><pub-location>北京</pub-location><publisher>人民衛(wèi)生出版社</publisher><isbn>7117028343</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>。工業(yè)機器人的進(jìn)步路徑是朝著“高速、高精度、重載、輕便、智能”的趨向進(jìn)步。由技術(shù)發(fā)展的重要工業(yè)機器人的視角而言，2008年JSME日本機械學(xué)會分析且預(yù)估了重要參數(shù)，如機器人平均功率密度。如果在機器人規(guī)劃里需要絕對精度，那隨著持續(xù)改進(jìn)，絕對精度可以貼合重復(fù)定位精度。跟隨材料技術(shù)的發(fā)展，能夠減少控制器的品質(zhì)，加強剛度，加強伺服電機與控制器的平均功率密度。1.2研究的目的和意義機械臂是近年來在工業(yè)生產(chǎn)中開發(fā)的一種高科技自動化生產(chǎn)裝置，它是制造業(yè)機械臂的關(guān)鍵構(gòu)成部分。最大的優(yōu)點是運用PLC編程來執(zhí)行預(yù)計的控制責(zé)任，模仿人類勞動是機械臂的一個關(guān)鍵特征。它特別體現(xiàn)了人的智慧與適應(yīng)性。機械臂操控的準(zhǔn)確性與適應(yīng)不同環(huán)境的能力在國民工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展?jié)摿?。在如今工業(yè)制作流程里，由于機器人工作的穩(wěn)定性、不怕苦、不怕危險、對危險的承受能力都很強，因此機械臂的使用越來越受到人們的關(guān)注。機械臂在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用特征：（一）自動化生產(chǎn)的強度能得到有效的提高自動化的工業(yè)生產(chǎn)，可以提升材料的運輸，處理工部件，更換工程工具，組裝零件，這樣不但可以提升生產(chǎn)效率，還可以降低生產(chǎn)成本。（二）勞動的條件以及人身安全得到了保障在環(huán)境惡劣，工作空間有限，人體接觸不到的情況下，機器人的工作環(huán)境非常適合，可以保證安全工作的環(huán)境，也可以防止人員傷亡。（三）機械臂的運用減輕了人力，促進(jìn)規(guī)律生產(chǎn)用機械臂代替手工，可以節(jié)省大量的人力，讓工人們可以進(jìn)行更精細(xì)的工作，同時也可以讓機器人不停的工作，保證正常的生產(chǎn)。所以，在生產(chǎn)線上減少人手，可以更好地保證工作的高效和合理利用勞動生產(chǎn)率，讓公司或企業(yè)達(dá)到事半功倍的效果。

第二章系統(tǒng)總體設(shè)計與元器件選型2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計方案圖1中所示的是一個黑色的盒子，它是一個驅(qū)動能量，它可以驅(qū)動一個壓縮機，通過一個氣壓閥門來控制空氣，一個PLC可以通過一個氣壓閥門來調(diào)整一個機器的轉(zhuǎn)速。在該方案上加裝報警設(shè)備和顯示系統(tǒng)，能有效地進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，提高機械臂的使用效率。圖1黑箱設(shè)計方案2.2系統(tǒng)的氣動控制氣壓機械臂是利用氣壓作用下的機械臂來推動其運動。它的主要特征是：介質(zhì)是便于收集氣體，在壓力下的輸出很小，大約30公斤。氣體的速度比其它能源要快，結(jié)構(gòu)和費用也較低，但由于空氣的可壓縮性，使其工作速度更穩(wěn)定，沖擊更大，所以它適合在高速、輕負(fù)荷、高溫度、高粉塵的工作環(huán)境中使用。根據(jù)機械臂的運動軌跡，可以使用四個執(zhí)行機構(gòu)來完成操作，通過氣缸完成機器人手臂的上下移動，機械臂的左右運動由擺動氣缸達(dá)成，機械臂的前后運動由伸縮氣缸達(dá)成。其具有兩位五通電磁換向閥。執(zhí)行缸由兩個孔，兩個排氣孔，一個空氣供給孔組成。三個汽缸分別由一個電磁閥控制，一個汽缸通過一個雙電磁閥控制。在圖2中可以看到。圖2氣動控制回路2.3元器件的選型2.3.1PLC的選擇PLC擁有西門子，施耐德，AB和通用電氣四大公司。大型PLC品牌：西門子，施耐德，歐姆龍，三菱。小型PLC品牌：西門子，歐姆龍，三菱，LS，松下，富士。S7-200系列PLC特點：是西門子生存的小型PLC有下列特征（1）具有密集的構(gòu)造（2）優(yōu)良的擴展性能（3）超強的功能命令（4）成本價格低廉。S7-200PLCCPU模塊CPU：集成一定數(shù)字I/O點的CPU：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM。擴充模塊：以EM221,EM222,EM223為主要的數(shù)碼擴充模塊。模擬擴充模組：EM231、EM232、EM235。通信模塊：EM277、EM241、EM241等，控制器規(guī)模能夠輕松組裝?？刂颇K的領(lǐng)域很廣。S7-200PLC很容易形成PLCPLC網(wǎng)絡(luò)與微機PLC網(wǎng)絡(luò)，這也使得大型項目得以實現(xiàn)。S7-200編程軟件:STEP7-Micro/WIN32。編程軟件能夠在WINDOWS環(huán)境下方便地對PLC進(jìn)行編程、維修和監(jiān)控。讓PLC編程舒適快捷。能夠說S7-200全面達(dá)到了不同的小型操控系統(tǒng)的需求，所以我們選了西門子s7-200PLC。圖3PLCS7-200外部結(jié)構(gòu)圖2.3.2傳感器的選擇傳感器的選擇主要分為以下幾點：1、選用適當(dāng)?shù)撵`敏度：較高的靈敏度可得到較大的輸出信號，這對信號的處理是有益的。若評價值為單一向量，其指向性較高，則應(yīng)選用靈敏度較低的傳感器；如果評價值為多維，則應(yīng)選用靈敏度較低的傳感器。2、頻率的響應(yīng)特征：確立傳感器測試的頻率領(lǐng)域。3、線性范圍：沒有傳感器能完全保證線性，它的線性是相對的。如果所需的測量精度相對較低，在給定范圍內(nèi)具有小非線性誤差的傳感器可以被認(rèn)為是近似線性的。導(dǎo)致測量更加精確和便捷。4、穩(wěn)定性：傳感器一定要選可以適宜險惡的環(huán)境。5、精度：精度是傳感器的關(guān)鍵抉擇憑證，它定奪了一個系統(tǒng)的準(zhǔn)確。從以上傳感器的抉擇需求，考慮到機械臂的整體設(shè)計需求，本論文選用了紅外感光元件E3F-DS30C4，其位置接近于漫反射型感測器。防水防潮，超強防干擾，體積小，安裝方便，反應(yīng)靈敏。

第三章氣動機械臂的系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件概述機械臂有動作元素，能完成各種動作，氣缸A能使機械臂進(jìn)行正反方向運動，氣缸B能使機械臂進(jìn)行升降運動；氣缸D能使機械臂進(jìn)行伸縮運動；我們想要實現(xiàn)工作動作，就是要對四個動作進(jìn)行控制。而在另一端，則需要完成以下動作：左、右、前、后、上、下、夾爪打開、夾爪夾緊。為了達(dá)到這一目的，四個汽缸的空氣必須彼此匹配，而且每次只有一個汽缸被替換。四個螺旋式換向閥，四個汽缸的更換由AC繼電器KM，中間繼電器KA和KT繼電器KT組成，串聯(lián)四個電磁換向閥，依次完成八個操作。在圖4中可以看到。圖4系統(tǒng)原理圖3.2PLC的I/O分配在氣動機械臂中，升降缸、伸縮缸、擺動缸、氣爪氣缸由機械臂的電磁閥探測，并在各缸上裝有兩個電磁閥，使機械臂工作。啟動，停止，重置，急停按鈕，每個限位共有12個輸入點，4個操作缸，3個運用雙電磁閥，1個運用單控電磁閥，加上啟動、停止、指示燈復(fù)位，電磁閥一共有10個輸出點。輸入與輸出點的詳細(xì)分布顯示在表1中。表1輸入/輸出分配表輸入輸出輸入PLC輸入輸出PLC輸出啟動按鈕I0.0啟動指示HL1Q2.0停止按鈕I0.0停止指示HL2Q2.1復(fù)位按鈕I2.2復(fù)位指示Q2.3急停按鈕I0.3急停指示Q2.4上限位I1.6上行電磁閥Q1.6下限位I1.7下行電磁閥Q1.7左限位I1.2左行電磁閥Q1.2右限位I1.3右行電磁閥Q1.3前限位I1.4前行電磁閥Q1.4后限位I1.5后行電磁閥Q1.5夾爪打開I1.0夾爪關(guān)閉I1.1圖5PLC內(nèi)部接線圖3.3傳感器的設(shè)計傳感器是空氣機械臂的關(guān)鍵部件，它在電子技術(shù)中占有舉足輕重的地位。電子技術(shù)離不開感應(yīng)器技術(shù)，而感應(yīng)器等同于感官，它能夠快速精準(zhǔn)的取得消息，且可以經(jīng)受很差的環(huán)境，保障電氣系統(tǒng)到達(dá)高水準(zhǔn)?，F(xiàn)代電力機械臂技術(shù)的迅猛發(fā)展，也離不開傳感器，否則機器人很難發(fā)展。只有通過傳感器自動捕獲系統(tǒng)的狀態(tài)和目標(biāo)信息，才能實現(xiàn)并實現(xiàn)系統(tǒng)的緊急停止功能。3.3.1安全傳感器如果說，機器人是模擬人體的四肢，那么感應(yīng)器就是機器人的感知系統(tǒng)，給機器人提供了一個更加現(xiàn)實的操作系統(tǒng)。在圖6中可以看到。圖6安全傳感器3.3.2光電傳感器該系統(tǒng)使用了安全光柵，也就是光電安全屏障，在現(xiàn)有的工作環(huán)境中，人工與機械設(shè)備同時工作，例如大型沖壓機械、切割機械、流水線生產(chǎn)、電力輸送設(shè)備、危險區(qū)（有毒、高壓、高溫）等，人員的生命安全很可能會受到威脅。光電傳感器發(fā)出紅外光，形成光電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)光線受阻的時候，急停裝置出現(xiàn)斷電，規(guī)避危險出現(xiàn)。使用光電電子安全保護(hù)裝置能夠高效減少意外發(fā)生，顯著降低用戶與第三方的風(fēng)險，減少事故的總費用，對公司、對經(jīng)營者、對社會都有好處。圖7光電傳感器

第四章氣動機械臂的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計西門子氣動機械臂的軟件控制系統(tǒng)包括CPU、系統(tǒng)程序存儲區(qū)、輸入/輸出地址區(qū)、用戶程序存儲區(qū)和子程序單元。程序啟動，壓縮機工作，PLC對壓氣機的功率進(jìn)行控制，PLC可以對各種方式進(jìn)行選擇，啟動方式為自動，在某些情況下，采用LCD顯示屏進(jìn)行人工操作。當(dāng)機器人在工作的時候，如果有什么突發(fā)事件，通過光電探測器探測到，就會自動停止并發(fā)出警報，然后將報警的位置發(fā)到屏幕上，讓操作員觀察和處理，當(dāng)急停停止后，系統(tǒng)就會重新啟動，重新啟動。程序的流程圖見圖8。圖8軟件系統(tǒng)程序圖4.1軟件設(shè)計概述（1）中央處理單元（CPU）控制器，運算單元和寄存器組成了一個中心單元，集中在每一個晶片上。CPU經(jīng)過數(shù)據(jù)總線、地址總線與控制總線連接到存儲單元、輸入與輸出接口。與平常計算機一致，PLC的中心是CPU，系統(tǒng)的正常運行關(guān)鍵是由于PLC中系統(tǒng)程序的分配功能。用戶程序與數(shù)據(jù)預(yù)先保存。在PLC運轉(zhuǎn)的時候，CPU循環(huán)檢查正在運行的用戶程序。CPU的關(guān)鍵責(zé)任是掌控用戶程序與數(shù)據(jù)的接收與儲存，并由掃描I/O組件接收現(xiàn)場狀態(tài)或數(shù)據(jù)。保存在寄存器中，查找內(nèi)部電路與編程語法中的差池，在PLC輸入操作模式下從存儲器中讀取用戶命令，并根據(jù)命令執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。按照結(jié)果，更換新的標(biāo)志位狀態(tài)與打印圖像寄存器的內(nèi)容，并打印組件以達(dá)到打印控制、表格打印或數(shù)據(jù)傳輸作用。按照PLC中CPU芯片類型的多樣分為:經(jīng)常用的CPU芯片和廠家設(shè)計的專用CPU芯片。PLC對控制信號的處理和速度判斷CPU芯片的性能。運算速度越快，系統(tǒng)處理的資料和CPU數(shù)目也會增加。隨著CPU芯片技術(shù)的不斷改進(jìn)與發(fā)展，PLC的性能也在不斷地提高和完善。（2）系統(tǒng)程序存儲區(qū)PLC生產(chǎn)廠家利用系統(tǒng)軟件的存儲區(qū)域，以保存用戶編寫的不可更改的系統(tǒng)程序。。它讓PLC擁有基礎(chǔ)作用且可以實現(xiàn)PLC設(shè)計者規(guī)劃的任務(wù)。（3）I/O地址區(qū)PLCI/O模組的性能主要是對各模塊的電特性進(jìn)行分析，如電流、電壓、斷開時間、隔離等。（4）用戶程序存儲區(qū)軟件的儲存與功能的儲存構(gòu)成了使用者的儲存空間。用戶存儲器區(qū)域是供用戶在PLC中編寫程序的存儲器，用來執(zhí)行特定的任務(wù)。按照選擇內(nèi)存單元的種類，用戶程序內(nèi)存能夠是RAM、EPROM或EEPROM，用戶可以根據(jù)自己的意愿修改、添加和刪除他們的內(nèi)容。（5）子程序單元組成危險采集程序和液晶顯示程序以及機械臂急停程序組成4.2急?？刂葡到y(tǒng)該系統(tǒng)采用應(yīng)急停止控制機制，涵蓋電源的收集板塊、傳感器工作板塊以及應(yīng)急停止操控板塊，其中電源收集板塊與傳感器作用板塊導(dǎo)入電氣連接、傳感器工作模塊與緊急停止控制模塊連接，報警系統(tǒng)和緊急停止控制系統(tǒng)連接。工作人員按下緊急停止鍵后，機器人臂也隨之停止，松下緊急停止鍵，機械臂重新開始工作。具體如圖9所示。圖9急停梯形圖4.3液晶顯示屏系統(tǒng)作為PLC的機械臂的操縱終端，可以在LCD屏幕上對其進(jìn)行控制。(1)屏幕功能（用戶畫面功能，系統(tǒng)畫面），用戶畫面功能（用戶生成畫面）（2）系統(tǒng)屏幕功能監(jiān)測功能（3）數(shù)據(jù)采集功能（4）報警功能。由于液晶顯示屏需要監(jiān)控和控制，所以工作相當(dāng)?shù)姆敝?。所以該系統(tǒng)使用MT506TV的觸摸屏。（1）可以監(jiān)控機械臂的工作情況。（2）可以觸摸屏幕控制機械臂，并且將程序響應(yīng)到PLC。它可以用于其它裝置的故障位置、報警位置和緊急停止等方面的檢測。（3）可以將其錄制或截取為視頻或圖像，具有更強大的功能。如圖10所示。圖10PLC與顯示屏接線圖4.4機械臂抓取系統(tǒng)氣動機械臂的抓取系統(tǒng)：初始形態(tài)的時候，氣動機械臂處于原位。點擊驅(qū)動按鍵I1.0以后，最先伸出機械臂，機械臂向下移動，抓住后，機械臂向上，向右移動，當(dāng)機械臂向下移動時，機械臂會向下移動，當(dāng)機械臂向下移動時，機械臂會向下移動，收回，進(jìn)入下一個循環(huán)。如圖11所示的機械臂抓具步驟的梯形。圖11機械臂抓取程序梯形圖4.5光電檢測系統(tǒng)PLC氣動機械臂光電探測系統(tǒng)由7個光電探測開關(guān)組成，并將其安裝于機械臂的重要部件。該系統(tǒng)采用7個光電探測開關(guān)并聯(lián)，一旦發(fā)現(xiàn)有潛在的危險，就會發(fā)出警報，然后緊急停車。如圖12中的光電探測步驟的梯形圖。圖12光電檢測系統(tǒng)梯形圖

結(jié)論本設(shè)計是對基于PLC的氣動機械臂系統(tǒng)的深入研究，在本科學(xué)習(xí)的理論知識的基礎(chǔ)上，通過老師的指導(dǎo)，制訂