【气动机械臂的设计9000字（论文）】

气动机械臂的设计摘要随着现代工业的迅速发展，自动化、机械化生产已成为现代工业的主要支柱，在没有车间、流水线的情况下，已是家常便饭。气力驱动的机械臂由气缸、气动阀和压缩机三部分构成。它具有气体来源方便，结构简单，成本低，维护方便等特点。该系统不需要电子控制电路，只需使用旅行阀和气压转换阀即可实现。这种产品更安全，有防火、防爆、防潮、对环境要求高的场所使用。利用压缩空气的方式，还可以实现对大气的远距离供给，为未来的纯气提供能量奠定了基础。气动换向阀具有两个位置的五通电磁换向阀，具有储存和手动调节的特点，便于调整和重新设置。目前，空气动力机械臂在自动化生产线上得到了广泛的应用，而多个操作机构的设计方法也是五花八门，各有千秋，各有利弊，所以，研制一种更简单、更稳定的多级自由机械臂的全气动控制系统是十分必要的。此文章的重点内容是归根于PLC的气动机械臂控制系统开展的，包括系统的整体框图、系统构成、软硬件设计和系统运行分析。关键词：气动机械臂，可编程控制器，传感器目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 绪论1.1课题背景最新出现的一种新的机械臂被称为气动机械臂。它的特点是通过编程控制机器人的动作，它的性能指标体现了人与机器的不同，也体现了人类所研发的智能和适应性。该机械手能够适应多种程序的工作，具有很强的通用性和灵活性，使得二代机器人进入了一个新的发展阶段。说起新一代机械臂，一般人会想到三种，一种是灵活的，一种是可以活动的，一种是多臂的协同。使用起来更加自由，更加灵活，更像是人的手，能够更好地完成更复杂的工作。如今，这些机械臂仍然在不断地更新和发展，他们的动作越来越协调，越来越灵活，越来越细致。随着人类技术的不断发展，越来越多的智能机械将代替人类，给人们的建设工作带来更多的方便。在现代的制造工艺中，机器人可以灵活的控制和快速的动作，比起人类，机器人的操作更加灵活，更加的安全，更加的高效。所以机械臂在许多行业都受到了广泛的关注，得到了广泛的应用。近来，紧跟大规模集成电路微电子技术的强劲进步，PLC从单机发展到16位和32位的微型计算机。随着PLC技术的不断发展，其控制能力也越来越强，功耗和成本也越来越高，编程灵活性也越来越强，同时，PLC的远程设置、通讯网络和数据处理也越来越成熟。随着工业生产的发展，越来越多的企业将采用PLC、人机界面等自动化设备，使设备的自动化水平得到了进一步的提升。特别是近年来，随着各个行业的迅速发展，新的工艺和设备的应用，给国内的工业生产提供了新的发展空间。计算机网络技术、信息技术、自动化技术、计算机网络技术在各个领域的广泛应用，使得很多行业都在不断地向自动化发展。许多工业企业都在把自动化技术与自动化生产结合起来，这是一个时代的进步，一个工业的发展。随着科技的快速发展，各种机械的性能、效率、智能程度不断提高，其使用的领域也日益广泛。与PLC相结合，编写相应的控制程序，研制适当的机械臂运动范围和运动轨迹，实现对机器人手臂期望的控制，气动阀门以系统控制为动力，使其完成预定的工作。机械臂是在机械化和自动化生产进程里出现的全新装置。在如今制造流程里，机械臂不断的用于不同的制造作业中。对于高科技领域机械臂的开发、探索与制造而言，这已然飞快进步为一项全新科技。如此情况推动了机械臂的进步，让机械臂更好地达成了机械化与自动化的融合。机械臂尽管不如人手灵巧，可是具有可以一直反复工作且不会疲劳、不惧风险的特性，抓取和举起重物的能力超越了人手。所以，机械臂在大多数部门得到了广泛的使用与关注。工业机器人，又被叫做机械机械臂等，是合适用在工业自动化生产的机电一体化装置。自从首个工业机器人在美国出现以后，由于其出色的工作能力和先进的集成技术，工业机器人得到了迅速的发展。工业机器人能够完成对预定的物体的抓取、组装、检测等操作，而这一切都是在工厂中进行的。而工业机器人，则可以模拟人的手臂，从而大大降低了工人的工作压力。除此之外，矿山、隧道、放射性物质等，都可以由工业机器人来代替，既保证了工人的人身安全，又保证了工作的顺利。因而，机械臂在各个行业中的应用日益广泛。机械装置的作用日益增强、效率和智能，其应用领域也日益广泛。并且，随着工业机器人技术的发展，其智能水平越来越高，其应用领域也越来越广泛。在工业上，多台机械设备常常用于运输、运输、车间内的简单机械作业、提高生产率等。随着科技的飞速发展，智能机械的出现，不但为人类的日常生活提供了极大的方便，同时也极大地推动了科技的发展。近年来，工业机器人得到了迅猛的发展，在一定程度上促进了机械臂的应用和发展，并在工业自动化方面起到了重要的作用。在机械、电子、航空航天等行业中，工业机器人已经具备了很强的竞争力。哪怕是在各种高科技产业中，也是最顶尖的。它是一种具有代表性的数字化机电一体化装置，它自身已是评估国制造业能力与科技能力的关键指标ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>戴红</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>戴红</author></authors></contributors><titles><title>康复医学</title></titles><pages>3-10</pages><section>3-10</section><dates><year>1998</year></dates><pub-location>北京</pub-location><publisher>人民卫生出版社</publisher><isbn>7117028343</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>。工业机器人的进步路径是朝着“高速、高精度、重载、轻便、智能”的趋向进步。由技术发展的重要工业机器人的视角而言，2008年JSME日本机械学会分析且预估了重要参数，如机器人平均功率密度。如果在机器人规划里需要绝对精度，那随着持续改进，绝对精度可以贴合重复定位精度。跟随材料技术的发展，能够减少控制器的品质，加强刚度，加强伺服电机与控制器的平均功率密度。所以，工业机器人科技具有以下特征ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>戴红</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>戴红</author></authors></contributors><titles><title>康复医学</title></titles><pages>3-10</pages><section>3-10</section><dates><year>1998</year></dates><pub-location>北京</pub-location><publisher>人民卫生出版社</publisher><isbn>7117028343</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>：1）在工业机器人的基础上，集成了很多先进的技术，包括智能和软件的研发，让它变得更加的完善，不仅可以提升产品的品质，还可以降低生产成本。另外，在工艺实施中，还可以通过检测、优化、调度、管理等环节来减少对环境的破坏，从而达到最高的工业自动化水平。2）自从电力机械和电脑产生后，工业机器人就一直在追随着人体的体能和智能的发展。工业机器人及其组件具有很多新优势，如精密制造与柔性制造。这使得它成为实现数字化、自动化、智能化的基础。3）汽车、轨道交通、电力、医药、金融、食品、烟草等行业，都离不开这些设备。在这些制造过程中，每个环节的焦点都集中在了工业机器人和整个自动化装置上。4）工业机器人及自动化技术完整系列结合了多个学科，包含各个科技领域，涵盖机器人建筑构件分析、建模与加工集成和精细物流等发达的生产技术，强大的技术集成。该项目结合了当今社会对高灵活性、本质安全的机械臂的现实需求，着重于提高机器人的智能和自适应性。1.2研究的目的和意义机械臂是近年来在工业生产中开发的一种高科技自动化生产装置，它是制造业机械臂的关键构成部分。最大的优点是运用PLC编程来执行预计的控制责任，模仿人类劳动是机械臂的一个关键特征。它特别体现了人的智慧与适应性。机械臂操控的准确性与适应不同环境的能力在国民工业生产领域有着广泛的发展潜力。在如今工业制作流程里，由于机器人工作的稳定性、不怕苦、不怕危险、对危险的承受能力都很强，因此机械臂的使用越来越受到人们的关注。机械臂在工业生产中的应用特征：（一）自动化生产的强度能得到有效的提高自动化的工业生产，可以提升材料的运输，处理工部件，更换工程工具，组装零件，这样不但可以提升生产效率，还可以降低生产成本。（二）劳动的条件以及人身安全得到了保障在环境恶劣，工作空间有限，人体接触不到的情况下，机器人的工作环境非常适合，可以保证安全工作的环境，也可以防止人员伤亡。（三）机械臂的运用减轻了人力，促进规律生产用机械臂代替手工，可以节省大量的人力，让工人们可以进行更精细的工作，同时也可以让机器人不停的工作，保证正常的生产。所以，在生产线上减少人手，可以更好地保证工作的高效和合理利用劳动生产率，让公司或企业达到事半功倍的效果。1.3研究现状二十世纪四十年代，美国实验室发明了一种可以控制辐射材料的机械臂。数铣的伺服轴和遥控杆结构是由美国乔治·德沃尔公司联合而成，世界上第一台机械臂。Devol的联合公司于1978年推出了PUMA的通用工业机器，这标志着机械臂在工程制造中已经成为一个成熟的技术。这样的机器人手能够用“教与活”的方法发挥作用，是首代机器臂。和首代工业机械臂不一样，智能机械臂能够与人一样认识世界，对获得的信息进行辨别与分析，以及判断与推断的功能。按照各种外部环境，按照工作需要做出相应的调整。第二代机器人，也就是所谓的初级智能手臂，它的特点就是改变人体的编程。这个智能的机械臂技术也在不断的发展和应用。很多这样的机械臂可以用于工程制造的零件装配。第三代机器人（也被称为高级智能机械臂）是通过对数据进行分析、加工，获取经验并对其进行改造。这种研发中高端、理想的机械臂，能够完全不依赖于人，也不需要事先设定的工作。这就是所谓的自动机械臂。如今的技术还远远达不到目标，但是在一部分地方或者一部分方面此智能的含义，实则至如今智能机器臂是未出现的。可是一定的是，随着科技不断革新与发展，人们对智能的认识也会不断地丰富，相信不久的将来，这款高科技的智能机器人就会诞生。这将成为机械臂研究历史上的一个新的里程碑。国内机械臂探索的如今状况也历经了一个长久的阶段，由上世纪中期至70年代萌芽，80年代进步至90年代后的实用化阶段。第一只机器手出现在上世纪60年代，那时我国的机器手技术还在学习时期。对比国外的科研能力时，按照我国的科技能力，初步定下了机械臂的发展任务。由此阶段，主要有机器人手用于组装物体，移动水下机器人手臂。自1980年代以来，中国的机器人武器科研能力已由萌芽阶段上升到发展阶段。1986年中国提议了‘七五’科技攻关规划，工业机器人武器的研制被加入发展计划，机械部承担了工业机械臂的焊接、运输、装配等多项任务的研发。机械臂探索时期已开始，此阶段也是中国机器臂探索的顶峰。上世纪80年代末至90年代，中国提议了“863”规划，明确了特种作战机器人武器与工业机器人武器发展的关键方针。我们开发了7种不同的工业机器人手臂组和超过100种不同的特种机器人手臂，例如喷涂机器人手臂等。将建立9个机器人手工业中心与7个科学研究中心。截止至今，我国已经可以独立制造焊接机械臂等。直至2009年，我国仅有36.8万只工业机器臂在劳动，日本和德国分别为10.8%和25.2%。中国的机械臂大多来自国外，无法量产。在智能机器臂方面，中国的某些大学或研究所已经获得了相应进展，可是整体能力与先进国家相差很多。机器臂科技的探索是无止境的，它给人类导致无尽的可能性，我们需要不断探索。2系统总体设计与元器件选型2.1系统的总体设计方案图1中所示的是一个黑色的盒子，它是一个驱动能量，它可以驱动一个压缩机，通过一个气压阀门来控制空气，一个PLC可以通过一个气压阀门来调整一个机器的转速。在该方案上加装报警设备和显示系统，能有效地进行保护和监控，提高机械臂的使用效率。图1黑箱设计方案2.2系统的气动控制气压机械臂是利用气压作用下的机械臂来推动其运动。它的主要特征是：介质是便于收集气体，在压力下的输出很小，大约30公斤。气体的速度比其它能源要快，结构和费用也较低，但由于空气的可压缩性，使其工作速度更稳定，冲击更大，所以它适合在高速、轻负荷、高温度、高粉尘的工作环境中使用。根据机械臂的运动轨迹，可以使用四个执行机构来完成操作，通过气缸完成机器人手臂的上下移动，机械臂的左右运动由摆动气缸达成，机械臂的前后运动由伸缩气缸达成。其具有两位五通电磁换向阀。执行缸由两个孔，两个排气孔，一个空气供给孔组成。三个汽缸分别由一个电磁阀控制，一个汽缸通过一个双电磁阀控制。在图2中可以看到。图2气动控制回路2.3元器件的选型2.3.1PLC的选择PLC拥有西门子，施耐德，AB和通用电气四大公司。大型PLC品牌：西门子，施耐德，欧姆龙，三菱。小型PLC品牌：西门子，欧姆龙，三菱，LS，松下，富士。S7-200系列PLC特点：是西门子生存的小型PLC有下列特征（1）具有密集的构造（2）优良的扩展性能（3）超强的功能命令（4）成本价格低廉。S7-200PLCCPU模块CPU：集成一定数字I/O点的CPU：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM。扩充模块：以EM221,EM222,EM223为主要的数码扩充模块。模拟扩充模组：EM231、EM232、EM235。通信模块：EM277、EM241、EM241等，控制器规模能够轻松组装。控制模块的领域很广。S7-200PLC很容易形成PLCPLC网络与微机PLC网络，这也使得大型项目得以实现。S7-200编程软件:STEP7-Micro/WIN32。编程软件能够在WINDOWS环境下方便地对PLC进行编程、维修和监控。让PLC编程舒适快捷。能够说S7-200全面达到了不同的小型操控系统的需求，所以我们选了西门子s7-200PLC。图3PLCS7-200外部结构图2.3.2传感器的选择传感器的选择主要分为以下几点：1、选用适当的灵敏度：较高的灵敏度可得到较大的输出信号，这对信号的处理是有益的。若评价值为单一向量，其指向性较高，则应选用灵敏度较低的传感器；如果评价值为多维，则应选用灵敏度较低的传感器。2、频率的响应特征：确立传感器测试的频率领域。3、线性范围：没有传感器能完全保证线性，它的线性是相对的。如果所需的测量精度相对较低，在给定范围内具有小非线性误差的传感器可以被认为是近似线性的。导致测量更加精确和便捷。4、稳定性：传感器一定要选可以适宜险恶的环境。5、精度：精度是传感器的关键抉择凭证，它定夺了一个系统的准确。从以上传感器的抉择需求，考虑到机械臂的整体设计需求，本论文选用了红外感光元件E3F-DS30C4，其位置接近于漫反射型感测器。防水防潮，超强防干扰，体积小，安装方便，反应灵敏。3气动机械臂的系统硬件设计3.1系统硬件概述机械臂有动作元素，能完成各种动作，气缸A能使机械臂进行正反方向运动，气缸B能使机械臂进行升降运动；气缸D能使机械臂进行伸缩运动；我们想要实现工作动作，就是要对四个动作进行控制。而在另一端，则需要完成以下动作：左、右、前、后、上、下、夹爪打开、夹爪夹紧。为了达到这一目的，四个汽缸的空气必须彼此匹配，而且每次只有一个汽缸被替换。四个螺旋式换向阀，四个汽缸的更换由AC继电器KM，中间继电器KA和KT继电器KT组成，串联四个电磁换向阀，依次完成八个操作。在图4中可以看到。图4系统原理图3.2PLC的I/O分配在气动机械臂中，升降缸、伸缩缸、摆动缸、气爪气缸由机械臂的电磁阀探测，并在各缸上装有两个电磁阀，使机械臂工作。启动，停止，重置，急停按钮，每个限位共有12个输入点，4个操作缸，3个运用双电磁阀，1个运用单控电磁阀，加上启动、停止、指示灯复位，电磁阀一共有10个输出点。输入与输出点的详细分布显示在表1中。表1输入/输出分配表输入输出输入PLC输入输出PLC输出启动按钮I0.0启动指示HL1Q2.0停止按钮I0.0停止指示HL2Q2.1复位按钮I2.2复位指示Q2.3急停按钮I0.3急停指示Q2.4上限位I1.6上行电磁阀Q1.6下限位I1.7下行电磁阀Q1.7左限位I1.2左行电磁阀Q1.2右限位I1.3右行电磁阀Q1.3前限位I1.4前行电磁阀Q1.4后限位I1.5后行电磁阀Q1.5夹爪打开I1.0夹爪关闭I1.1图5PLC内部接线图3.3传感器的设计传感器是空气机械臂的关键部件，它在电子技术中占有举足轻重的地位。电子技术离不开感应器技术，而感应器等同于感官，它能够快速精准的取得消息，且可以经受很差的环境，保障电气系统到达高水准。现代电力机械臂技术的迅猛发展，也离不开传感器，否则机器人很难发展。只有通过传感器自动捕获系统的状态和目标信息，才能实现并实现系统的紧急停止功能。3.3.1安全传感器如果说，机器人是模拟人体的四肢，那么感应器就是机器人的感知系统，给机器人提供了一个更加现实的操作系统。在图6中可以看到。图6安全传感器3.3.2光电传感器该系统使用了安全光栅，也就是光电安全屏障，在现有的工作环境中，人工与机械设备同时工作，例如大型冲压机械、切割机械、流水线生产、电力输送设备、危险区（有毒、高压、高温）等，人员的生命安全很可能会受到威胁。光电传感器发出红外光，形成光电网络。当光线受阻的时候，急停装置出现断电，规避危险出现。使用光电电子安全保护装置能够高效减少意外发生，显著降低用户与第三方的风险，减少事故的总费用，对公司、对经营者、对社会都有好处。图7光电传感器3.3.3其他外部硬件在设计气动臂时，发现其工作时存在摆动，然后，想要纠正这个故障，在气动设备中安置一个气动马达，气动马达的运作主体关键是压缩空气，它是一种发电装置，它可以将压能转化为机械能。该电动机的主要特点是：首先，能够实现无级调速的控制。马达的输出功率及转速，是由控制气流或排气阀门开启而实现的。可以调节转速和动力，降低机械臂的摆动。其次，能转身或转身。大部分的空气马达都是通过控制阀门来调节马达的前后方向。最后，不会受到严酷的环境影响，适合于禁火，禁爆，振动大，潮湿，粉尘等。4气动机械臂的控制系统软件设计西门子气动机械臂的软件控制系统包括CPU、系统程序存储区、输入/输出地址区、用户程序存储区和子程序单元。程序启动，压缩机工作，PLC对压气机的功率进行控制，PLC可以对各种方式进行选择，启动方式为自动，在某些情况下，采用LCD显示屏进行人工操作。当机器人在工作的时候，如果有什么突发事件，通过光电探测器探测到，就会自动停止并发出警报，然后将报警的位置发到屏幕上，让操作员观察和处理，当急停停止后，系统就会重新启动，重新启动。程序的流程图见图8。图8软件系统程序图4.1软件设计概述（1）中央处理单元（CPU）控制器，运算单元和寄存器组成了一个中心单元，集中在每一个晶片上。CPU经过数据总线、地址总线与控制总线连接到存储单元、输入与输出接口。与平常计算机一致，PLC的中心是CPU，系统的正常运行关键是由于PLC中系统程序的分配功能。用户程序与数据预先保存。在PLC运转的时候，CPU循环检查正在运行的用户程序。CPU的关键责任是掌控用户程序与数据的接收与储存，并由扫描I/O组件接收现场状态或数据。保存在寄存器中，查找内部电路与编程语法中的差池，在PLC输入操作模式下从存储器中读取用户命令，并根据命令执行数据传输。按照结果，更换新的标志位状态与打印图像寄存器的内容，并打印组件以达到打印控制、表格打印或数据传输作用。按照PLC中CPU芯片类型的多样分为:经常用的CPU芯片和厂家设计的专用CPU芯片。PLC对控制信号的处理和速度判断CPU芯片的性能。运算速度越快，系统处理的资料和CPU数目也会增加。随着CPU芯片技术的不断改进与发展，PLC的性能也在不断地提高和完善。（2）系统程序存储区PLC生产厂家利用系统软件的存储区域，以保存用户编写的不可更改的系统程序。。它让PLC拥有基础作用且可以实现PLC设计者规划的任务。（3）I/O地址区PLCI/O模组的性能主要是对各模块的电特性进行分析，如电流、电压、断开时间、隔离等。（4）用户程序存储区软件的储存与功能的储存构成了使用者的储存空间。用户存储器区域是供用户在PLC中编写程序的存储器，用来执行特定的任务。按照选择内存单元的种类，用户程序内存能够是RAM、EPROM或EEPROM，用户可以根据自己的意愿修改、添加和删除他们的内容。（5）子程序单元组成危险采集程序和液晶显示程序以及机械臂急停程序组成4.2急停控制系统该系统采用应急停止控制机制，涵盖电源的收集板块、传感器工作板块以及应急停止操控板块，其中电源收集板块与传感器作用板块导入电气连接、传感器工作模块与紧急停止控制模块连接，报警系统和紧急停止控制系统连接。工作人员按下紧急停止键后，机器人臂也随之停止，松下紧急停止键，机械臂重新开始工作。具体如图9所示。图9急停梯形图4.3液晶显示屏系统作为PLC的机械臂的操纵终端，可以在LCD屏幕上对其进行控制。(1)屏幕功能（用户画面功能，系统画面），用户画面功能（用户生成画面）（2）系统屏幕功能监测功能（3）数据采集功能（4）报警功能。由于液晶显示屏需要监控和控制，所以工作相当的繁重。所以该系统使用MT506TV的触摸屏。（1）可以监控机械臂的工作情况。（2）可以触摸屏幕控制机械臂，并且将程序响应到PLC。它可以用于其它装置的故障位置、报警位置和紧急停止等方面的检测。（3）可以将其录制或截取为视频或图像，具有更强大的功能。如图10所示。图10PLC与显示屏接线图4.4机械臂抓取系统气动机械臂的抓取系统：初始形态的时候，气动机械臂处于原位。点击驱动按键I1.0以后，最先伸出机械臂，机械臂向下移动，抓