【气动机械臂的设计（论文）9000字】

IV气动机械臂的设计摘要随着现代工业的飞速发展，自动化、机械化生产已成为现代工业的重要支柱，没有车间、装配线，已成为一种很常见的工作形式。用气推动的机械臂系统是由气缸、气动阀和压缩机组成。其优点是气体来源方便、结构较简单、成本较低、维护方便等。气动机械臂可以采用纯气动电路设计，用旅行阀和气动变换阀进行控制，无需电控电路。这是比较安全的，有火灾，爆炸，防潮，可用于环境比较苛刻的地方。采用压缩空气的方法，也可储存空气能源，进行远程供气，为将来纯气能源打下基础。气动换向阀采用两位五通电磁换向阀，有存储功能和手动功能，易于调试和重置。目前，气压传动机械臂广泛应用于自动化生产线中，采用多任意气动电路设计方法的多运行机制也多种多样，各有优缺点，因此，有必要研究一个更简单、更稳定的多级自由机械臂全气动操控系统。此文章的重点内容是归根于PLC的气动机械手控制系统开展的，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\u720摘要 I244671绪论 1238141.1课题背景 1165511.2研究的目的和意义 2318091.3研究现状 3262862系统总体设计与元器件选型 475932.1系统的总体设计方案 4276872.2系统的气动控制 5255472.3元器件的选型 6233482.3.1PLC的选择 67452.3.2传感器的选择 6100273气动机械臂的系统硬件设计 7227063.1系统硬件概述 7225043.2PLC的I/O分配 848193.3传感器的设计 973263.3.1安全传感器 9253473.3.2光电传感器 10271883.3.3其他外部硬件 10298124气动机械臂的控制系统软件设计 11106024.1软件设计概述 11137804.2急停控制系统 12233954.3液晶显示屏系统 13256634.4机械臂抓取系统 1439104.5光电检测系统 1526317结论 156672参考文献 171绪论1.1课题背景在自动化生产过程中出现了一种新型的设备，名为气动机械臂。其特点表现在利用程序的编程来操控机械臂运行，在性能指标上反应出人与机械臂的差距，可以反映出人类的智慧和适应特性。在目前的生产过程中，人类可以灵活的操控并作出迅速反应，而机械臂与人相比其不仅能灵活运行，而且还可以进行重复不停的工作，不怕吃苦、不怕危险和恶劣的环境，力量也比人的强度要强。因此机械臂越来越收到很多部门的重视也运用到了更多的领域当中，被人们所认可。近来，紧跟大规模集成电路微电子技术的强劲进步，PLC已由单机进步至具有16位与32位处理器的微型计算机。目前，PLC技术已经发展的很成熟，控制性能也越来越强、功耗和成本较初期也有了更深入的变革、编程机动性更广泛，而且I/O的远程设定和通信网络、数据的处理工作发展变化也很成熟，使PLC更加被工业自动化所普遍使用。结合PLC，给气动机械臂编写相应的控制程序，开发出合适的机械臂手臂的动作范围和轨迹，并实现对机械臂手臂到所需环境的预期控制，气动阀通过系统控制作为动力，促进机械臂手臂达到预期的功能。机械手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，机械手不断的用于不同的制造作业中。对于高科技领域机械手的开发、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手的进步，让机械手更好地达成了机械化与自动化的融合。机械手尽管不如人手灵巧，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，机械手在大多数部门得到了广泛的使用与关注。工业机器人，又被叫做机械机械手等，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，工业机器人以它卓越的工作实力和综合的尖端技术获得了飞速进步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>。工业机器人可以针对设定的目标物进行抓取、组装、检测等步骤，这些步骤都是在此之前都是在工厂车间里工人的工作内容。而工业机器人模仿了人类，工人手臂的工作方式，通过此途径大大地减轻了工厂车间内人们的劳动强度。除此之外，矿井、隧道、有放射性物质的空间，这些不适宜人去作业的环境，也可以让工业机器人去替代，不仅保障了工人的安全问题，还能使工作完成地更快速便捷安心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>。在机械、电气、航空航天等各类重工业领域和电子、计算机这类高新工业领域，工业机器人都已具有了强大的竞争力。即便在各类先进制造业中，工业机器人也是领先的。作为典型的机电一体化数字化设备，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）工业机器人身上集合了许多的其他先进技术，比如智能化和软件开发方面，也通过这些的加成，使得其本身更加的完美，提高质量的同时又达到了降低成本的目的。除此之外，通过对过程实施的检测、优化、调度和管理等步骤，也降低了对资源的损耗与对自然的污染，这实现了工业自动化的至高水准。2）由动力机械与计算机诞生以来，工业机器人一直跟随人类体力与智力极限水平的发展。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。这些特点使其成为实现数字化、自动化和智能化的根基。3）在各行各业之中，包括汽车整车、轨道交通、电气电力等国家重工，以及医学医药、财经金融、副食烟草等民生行业，所有生产步骤都是不可缺少的。这些生产流程中每一个小步骤的重点都是工业机器人和完整的自动化设备。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。此课题融合如今社会发展对高灵活性、本质安全型机械手的事实要求，着眼于提高机械手抓取的智能性和适应性。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，它是制造业机械手的关键构成部分。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手的一个关键特征。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，自动化生产线已经由原来的人工作，慢慢的发展为机器人工作，因其工作特点具有稳定、不怕苦、不怕危险和能接受危险环境力量强度也很强等，所以机械臂的运用受到了很大的重视。在工业生产中，机械臂运用的特点：（一）自动化生产的强度能得到有效的提高工业生产的自动化程度可以提高材料的运输、工部件的处理、工程工具的更换、零部件的组装等操作，机械臂都可以很好的运用，不仅生产率得到了提高，生产成不也大大的降低了。（二）劳动的条件以及人身安全得到了保障在极端恶劣又存在有毒气体的环境、工作空间限制、人身够不到的地方，机械臂完全能适应这类工作环境，保障了劳动工作的条件，防止人身安全受到伤害，避免了人工疏忽而导致的人身事故。（三）机械臂的运用减轻了人力，促进规律生产机械臂代替人工工作大大降低了人工成本，使省下来的人工可以去操作更加细致的工作这是一方面，另一方面机械臂可以无休止的进行工作，存进规律生产。因此，减少生产线上的人力，更能保障工作有力且合理的运用劳动生产力做更多的事情，使公司或者企业到达事半功倍的效果。1.3研究现状上世纪40年代外国机械臂研究才开始，当时美国研究室创造了一台可控式机械臂，对于放射性物质可以有效地工作。数铣的伺服轴和遥控器杆结构与美国的乔治·德沃尔（GeorgeDevol）合并，全球首个机器人手臂诞生。1978年Devol的联合集团发布了PUMA通用工业机器，预示着工程制造业机械臂作为一种成熟类技术的发展。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。和首代工业机械手不一样，智能机械手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，根据各自的工作任务进行相应的调整。第二代机械臂，称作初级智能机械臂，其特征是修改人类预先定义的程序。这种智能机械臂技术也越来越成熟，并用于实践。在工程制造业生产中，许多这类机械臂可用来组装配件。第三代机械臂（又称先进智能机械臂）是指第二代机械臂在信息的基础上可以进行分析和处理，获得经验，从而修改程序本身。这个研发中高端、理想的机械臂可以完全独立于人类工作，不受人工预先安排的工作。因此也叫自主机器人手。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，随着科学技术的不停的改革和发展，智能观念将越来越丰富，相信这种高端智能机械臂将来会出现。这将是机械臂研究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手等。直至2009年，我国仅有36.8万只工业机器臂在劳动，日本为10.8%，德国为25.2%。而中国大部分机械臂都是进口的，国内的工程制造业机械臂不可能批量制造。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黑箱结构如图2.1所示：压缩机作为驱动能，启动压缩机，利用气动阀的控制元件控制气体来推动机械臂工作，同时用PLC来控制气动阀调节气体大小，从而调节机械臂的速度，PLC同时也给机械臂命令以行驶运动轨迹来夹持松放工件。在此方案的基础上加载报警装置及显示屏系统，可以有效的起到防护及监测的目的，从而提高机械臂的利用率。图2.1黑箱设计方案2.2系统的气动控制气动机械臂是一种在压缩空气压力情况下驱动其运动的机械臂。其主要特点具有：媒介为气体采集方便，对于压力的输出较低抓地力为30千克左右。气体相对于其他来源速度较快，结构以及成本也相对来说较低，但是，空气的压缩性导致其工作速度稳定性降低冲击力大，因此气动机械臂适用于速度快、负载较轻、温度较高和粉尘较大的工作环境中。依据气动机械臂的行程轨迹，可以采用四个执行气缸来实现动作，机械手的上下运动由气缸达成，机械手的左右运动由摆动气缸达成，机械手的前后运动由伸缩气缸达成。它有一个两位五通电磁换向阀。执行油缸通过两个端口、两个排气口和一个供气端口构成。三个气缸由一个电磁阀操控，一个气缸由一个双电磁阀操控。如图2.2所示。图2.2气动控制回路2.3元器件的选型2.3.1PLC的选择PLC有四大企业品牌:西门子、施耐德、AB与通用电气。中型PLC公司牌子:西门子、施耐德、欧姆龙、三菱。小型PLC公司牌子:西门子、欧姆龙、三菱、LS、松下、富士。S7-200系列PLC的特征：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。S7-200PLC的CPU模块：集成一定数字I/O点的CPU：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM。扩展模块:重点是数字扩展模块:EM221、EM222、EM223。模拟扩展模块:EM231、EM232、EM235。通讯模块:EM277、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。2.3.2传感器的选择传感器的选择主要分为以下几点：1、选择合适的灵敏度：灵敏度越高被测量的输出信号值越大，有利于信号处理。若是评估量是单个矢量，且其方向性要求高，就应该选低敏度的传感器；若是评估量是多维向量，应该选低敏度传感器。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，结合机械臂设计的总体方案需要，因此，我选择红外线感应光电传感器E3F-DS30C4靠近漫反射式传感器。它具有防雨防潮、超强防干扰、体积小、易安装、反应灵敏等特点。3气动机械臂的系统硬件设计3.1系统硬件概述机械臂存在动作元素，可以执行不同的动作，气缸A可以让机械臂实现正反转，气缸B可以让机械臂柱实现起落运动，气缸D可以让机械手臂实现伸缩运动，气动手爪C可以达到抓地力和松动的效果。我们希望通过控制执行的四个要素的运动来达到工作运动的目的。另一方面要实现的操作过程是:左移动、右移动、前移动、后移动、上移动、下移动、夹爪打开、夹爪夹紧。为此，必须相互匹配四个气缸的气流，并且一次只能更换一个气缸。用四个电磁换向阀操控四个气缸的替换，用交流继电器KM、中间继电器KA与时间继电器KT设计一个控制电路，串联控制一排四个电磁换向阀，依次实现八个动作完成。如图3.1所示。图3.1系统原理图3.2PLC的I/O分配气动机械臂中，升降气缸、伸缩气缸、摆动气缸和气爪气缸通过机械臂上的电磁阀检测，在每个气缸上安装了两个电磁阀来进行机械臂的运行。启动、停止、复位、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3.2中。表3.2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I1.13.3传感器的设计传感器是气动机械臂系统的重要组成部分，传感器在电气技术中发挥着极为重要的作用。没有传感器技术，电气技术也就无法发展，传感器等于感觉器官，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。当今电力机械臂技术的飞速发展也离不开传感器，如果没有传感器，机械臂将难以发展。传感器对系统状态和对象信息进行自动捕捉，系统的报警和急停功能才得以实现和实施。3.3.1安全传感器要说机械臂是模仿人的肢体，那么传感器就是机械臂的感官系统，赋予机械臂更加真实的操作系统，本系统所使用的安全传感器，主要是装在机械臂的手臂及手指位置。如图3.2所示。图3.2安全传感器3.3.2光电传感器系统采用安全光栅，即光电子安全防护罩，目前的工作环境是由人工和机械机器一起进行工作的，比如大型冲压机械、切割机器、装配线生产、输变电装置、危险区域（有毒、高压、高温）等工作，人工的人身安全极容易受到威胁。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，降低事故的综合成本，造福于公司本身、经营者和社会。3.3.3其他外部硬件在气动机械臂的设计过程中发现，机械臂手臂在运行中会出现抖动现象，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，这是一种把压力能变成机械能的动力设备。电机具有以下特点:1.可以进行速度的非阶段性控制。通过控制空气或者排气阀的打开来调节电机的输出功率和速度，即流动的压缩空气。速度和功率可以调整，以减少机械臂的抖动。2.能够向前或向后转。大多数空气电机改变电机进出的方向的方法是使用操纵阀，可以由来调整空气电机的正反向。3.不受恶劣条件的影响，适用于禁火、禁爆、振动较大、潮湿、粉尘等不利环境下工作。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主要由：中央处理单元（CPU）、系统程序存储区、I/O地址区、用户程序存储区、子程序单元组成。程序开始，压缩机运行，同时PLC可以控制压缩机的功率大小，PLC可以控制模式的选择，初始模式为自动模式，在有特殊情况下可以通过液晶控制屏来进行手动控制。机械臂运行过程中出现紧急情况被光电检测传感器检测到可以实现急停并进行报警，报警位置会发送至显示屏供操作人员观测解决，急停结束后，系统进行复位，回到原点，进行重启再运行。如图4.1所示程序流程图。图4.1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、算术单元与寄存器形成了集合在每个芯片里的中央单元。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处理控制信号的能力与速度断定了CPU芯片功能。计算愈快速，系统解决的数据量就愈多，CPU数字数量就越高。近来CPU芯片技术在不断的进行改进和发展，PLC的功能得到了改进和完善。（2）系统程序存储区PLC制造商使用系统程序存储区来保存用户所写的系统程序，该程序不能变化。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PLC的I/O模块性能主要描述模块电路的电气性能，如电流、电压大小、关闭时间、隔离等。（4）用户程序存储区程序的存放和功能的存放组成了用户存储区。用户存储区用于用户来PLC编写程序的存储，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，用户可以随心所力地修改、添加或删除其内容。（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、传感器工作模块和应急停止控制模块连接、报警系统和应急停止控制并排，在传感器感应工作中，信号传输到报警系统和应急停止控制系统，报警系统响铃，应急停车控制系统紧急停车。当工作人员按下紧急停止按钮时，机械臂手臂也会停止，松下紧急停止按钮，机械臂手臂恢复运行。图9显示。图4.2急停梯形图4.3液晶显示屏系统作为PLC机械臂的操作终端，机械臂的操作可以通过液晶显示屏来发出指令。（1）屏幕功能（用户屏幕功能、系统屏幕）用户屏幕功能（用户制作屏幕）(2）系统屏幕功能监控功能（3）数据采样功能（4）报警功能。考虑到液晶屏要监控各个部位并进行操控，任务相对来说比较的繁重。那么本系统采用MT506TV型号的显示触摸屏。（1）可以随时的监测机械臂运行的状态。（2）可用触碰显示屏来操控机械臂，并向PLC反应程序。可以用来检测其他设备的控制比如：故障部位、报警部位以及急停状态。（3）通过显示屏可以录制或者截图成为视频