【氣動(dòng)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)（論文）9000字】

IV氣動(dòng)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)摘要隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，自動(dòng)化、機(jī)械化生產(chǎn)已成為現(xiàn)代工業(yè)的重要支柱，沒有車間、裝配線，已成為一種很常見的工作形式。用氣推動(dòng)的機(jī)械臂系統(tǒng)是由氣缸、氣動(dòng)閥和壓縮機(jī)組成。其優(yōu)點(diǎn)是氣體來源方便、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、成本較低、維護(hù)方便等。氣動(dòng)機(jī)械臂可以采用純氣動(dòng)電路設(shè)計(jì)，用旅行閥和氣動(dòng)變換閥進(jìn)行控制，無需電控電路。這是比較安全的，有火災(zāi)，爆炸，防潮，可用于環(huán)境比較苛刻的地方。采用壓縮空氣的方法，也可儲(chǔ)存空氣能源，進(jìn)行遠(yuǎn)程供氣，為將來純氣能源打下基礎(chǔ)。氣動(dòng)換向閥采用兩位五通電磁換向閥，有存儲(chǔ)功能和手動(dòng)功能，易于調(diào)試和重置。目前，氣壓傳動(dòng)機(jī)械臂廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線中，采用多任意氣動(dòng)電路設(shè)計(jì)方法的多運(yùn)行機(jī)制也多種多樣，各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此，有必要研究一個(gè)更簡(jiǎn)單、更穩(wěn)定的多級(jí)自由機(jī)械臂全氣動(dòng)操控系統(tǒng)。此文章的重點(diǎn)內(nèi)容是歸根于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(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(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行分析。關(guān)鍵詞：氣動(dòng)機(jī)械臂、可編程控制器、傳感器目錄TOC\o"1-3"\h\u720摘要 I244671緒論 1238141.1課題背景 1165511.2研究的目的和意義 2318091.3研究現(xiàn)狀 3262862系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與元器件選型 475932.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 4276872.2系統(tǒng)的氣動(dòng)控制 5255472.3元器件的選型 6233482.3.1PLC的選擇 67452.3.2傳感器的選擇 6100273氣動(dòng)機(jī)械臂的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7227063.1系統(tǒng)硬件概述 7225043.2PLC的I/O分配 848193.3傳感器的設(shè)計(jì) 973263.3.1安全傳感器 9253473.3.2光電傳感器 10271883.3.3其他外部硬件 10298124氣動(dòng)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 11106024.1軟件設(shè)計(jì)概述 11137804.2急?？刂葡到y(tǒng) 12233954.3液晶顯示屏系統(tǒng) 13256634.4機(jī)械臂抓取系統(tǒng) 1439104.5光電檢測(cè)系統(tǒng) 1526317結(jié)論 156672參考文獻(xiàn) 171緒論1.1課題背景在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了一種新型的設(shè)備，名為氣動(dòng)機(jī)械臂。其特點(diǎn)表現(xiàn)在利用程序的編程來操控機(jī)械臂運(yùn)行，在性能指標(biāo)上反應(yīng)出人與機(jī)械臂的差距，可以反映出人類的智慧和適應(yīng)特性。在目前的生產(chǎn)過程中，人類可以靈活的操控并作出迅速反應(yīng)，而機(jī)械臂與人相比其不僅能靈活運(yùn)行，而且還可以進(jìn)行重復(fù)不停的工作，不怕吃苦、不怕危險(xiǎn)和惡劣的環(huán)境，力量也比人的強(qiáng)度要強(qiáng)。因此機(jī)械臂越來越收到很多部門的重視也運(yùn)用到了更多的領(lǐng)域當(dāng)中，被人們所認(rèn)可。近來，緊跟大規(guī)模集成電路微電子技術(shù)的強(qiáng)勁進(jìn)步，PLC已由單機(jī)進(jìn)步至具有16位與32位處理器的微型計(jì)算機(jī)。目前，PLC技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的很成熟，控制性能也越來越強(qiáng)、功耗和成本較初期也有了更深入的變革、編程機(jī)動(dòng)性更廣泛，而且I/O的遠(yuǎn)程設(shè)定和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)的處理工作發(fā)展變化也很成熟，使PLC更加被工業(yè)自動(dòng)化所普遍使用。結(jié)合PLC，給氣動(dòng)機(jī)械臂編寫相應(yīng)的控制程序，開發(fā)出合適的機(jī)械臂手臂的動(dòng)作范圍和軌跡，并實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂手臂到所需環(huán)境的預(yù)期控制，氣動(dòng)閥通過系統(tǒng)控制作為動(dòng)力，促進(jìn)機(jī)械臂手臂達(dá)到預(yù)期的功能。機(jī)械手是在機(jī)械化和自動(dòng)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(jī)械手不斷的用于不同的制造作業(yè)中。對(duì)于高科技領(lǐng)域機(jī)械手的開發(fā)、探索與制造而言，這已然飛快進(jìn)步為一項(xiàng)全新科技。如此情況推動(dòng)了機(jī)械手的進(jìn)步，讓機(jī)械手更好地達(dá)成了機(jī)械化與自動(dòng)化的融合。機(jī)械手盡管不如人手靈巧，可是具有可以一直反復(fù)工作且不會(huì)疲勞、不懼風(fēng)險(xiǎn)的特性，抓取和舉起重物的能力超越了人手。所以，機(jī)械手在大多數(shù)部門得到了廣泛的使用與關(guān)注。工業(yè)機(jī)器人，又被叫做機(jī)械機(jī)械手等，是合適用在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的機(jī)電一體化裝置。自從首個(gè)工業(yè)機(jī)器人在美國出現(xiàn)以后，工業(yè)機(jī)器人以它卓越的工作實(shí)力和綜合的尖端技術(shù)獲得了飛速進(jìn)步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(jī)器人可以針對(duì)設(shè)定的目標(biāo)物進(jìn)行抓取、組裝、檢測(cè)等步驟，這些步驟都是在此之前都是在工廠車間里工人的工作內(nèi)容。而工業(yè)機(jī)器人模仿了人類，工人手臂的工作方式，通過此途徑大大地減輕了工廠車間內(nèi)人們的勞動(dòng)強(qiáng)度。除此之外，礦井、隧道、有放射性物質(zhì)的空間，這些不適宜人去作業(yè)的環(huán)境，也可以讓工業(yè)機(jī)器人去替代，不僅保障了工人的安全問題，還能使工作完成地更快速便捷安心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>。在機(jī)械、電氣、航空航天等各類重工業(yè)領(lǐng)域和電子、計(jì)算機(jī)這類高新工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人都已具有了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。即便在各類先進(jìn)制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人也是領(lǐng)先的。作為典型的機(jī)電一體化數(shù)字化設(shè)備，它自身已是評(píng)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(jī)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(jī)器人的視角而言，2008年JSME日本機(jī)械學(xué)會(huì)分析且預(yù)估了重要參數(shù)，如機(jī)器人平均功率密度。如果在機(jī)器人規(guī)劃里需要絕對(duì)精度，那隨著持續(xù)改進(jìn)，絕對(duì)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(qiáng)剛度，加強(qiáng)伺服電機(jī)與控制器的平均功率密度。所以，工業(yè)機(jī)器人科技具有以下特征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>：1）工業(yè)機(jī)器人身上集合了許多的其他先進(jìn)技術(shù)，比如智能化和軟件開發(fā)方面，也通過這些的加成，使得其本身更加的完美，提高質(zhì)量的同時(shí)又達(dá)到了降低成本的目的。除此之外，通過對(duì)過程實(shí)施的檢測(cè)、優(yōu)化、調(diào)度和管理等步驟，也降低了對(duì)資源的損耗與對(duì)自然的污染，這實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化的至高水準(zhǔn)。2）由動(dòng)力機(jī)械與計(jì)算機(jī)誕生以來，工業(yè)機(jī)器人一直跟隨人類體力與智力極限水平的發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人及其組件具有很多新優(yōu)勢(shì)，如精密制造與柔性制造。這些特點(diǎn)使其成為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化的根基。3）在各行各業(yè)之中，包括汽車整車、軌道交通、電氣電力等國家重工，以及醫(yī)學(xué)醫(yī)藥、財(cái)經(jīng)金融、副食煙草等民生行業(yè)，所有生產(chǎn)步驟都是不可缺少的。這些生產(chǎn)流程中每一個(gè)小步驟的重點(diǎn)都是工業(yè)機(jī)器人和完整的自動(dòng)化設(shè)備。4）工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)化技術(shù)完整系列結(jié)合了多個(gè)學(xué)科，包含各個(gè)科技領(lǐng)域，涵蓋機(jī)器人建筑構(gòu)件分析、建模與加工集成和精細(xì)物流等發(fā)達(dá)的生產(chǎn)技術(shù)，強(qiáng)大的技術(shù)集成。此課題融合如今社會(huì)發(fā)展對(duì)高靈活性、本質(zhì)安全型機(jī)械手的事實(shí)要求，著眼于提高機(jī)械手抓取的智能性和適應(yīng)性。1.2研究的目的和意義機(jī)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(dòng)化生產(chǎn)裝置，它是制造業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵構(gòu)成部分。最大的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)用PLC編程來執(zhí)行預(yù)計(jì)的控制責(zé)任，模仿人類勞動(dòng)是機(jī)械手的一個(gè)關(guān)鍵特征。它特別體現(xiàn)了人的智慧與適應(yīng)性。機(jī)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，自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)由原來的人工作，慢慢的發(fā)展為機(jī)器人工作，因其工作特點(diǎn)具有穩(wěn)定、不怕苦、不怕危險(xiǎn)和能接受危險(xiǎn)環(huán)境力量強(qiáng)度也很強(qiáng)等，所以機(jī)械臂的運(yùn)用受到了很大的重視。在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械臂運(yùn)用的特點(diǎn)：（一）自動(dòng)化生產(chǎn)的強(qiáng)度能得到有效的提高工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度可以提高材料的運(yùn)輸、工部件的處理、工程工具的更換、零部件的組裝等操作，機(jī)械臂都可以很好的運(yùn)用，不僅生產(chǎn)率得到了提高，生產(chǎn)成不也大大的降低了。（二）勞動(dòng)的條件以及人身安全得到了保障在極端惡劣又存在有毒氣體的環(huán)境、工作空間限制、人身夠不到的地方，機(jī)械臂完全能適應(yīng)這類工作環(huán)境，保障了勞動(dòng)工作的條件，防止人身安全受到傷害，避免了人工疏忽而導(dǎo)致的人身事故。（三）機(jī)械臂的運(yùn)用減輕了人力，促進(jìn)規(guī)律生產(chǎn)機(jī)械臂代替人工工作大大降低了人工成本，使省下來的人工可以去操作更加細(xì)致的工作這是一方面，另一方面機(jī)械臂可以無休止的進(jìn)行工作，存進(jìn)規(guī)律生產(chǎn)。因此，減少生產(chǎn)線上的人力，更能保障工作有力且合理的運(yùn)用勞動(dòng)生產(chǎn)力做更多的事情，使公司或者企業(yè)到達(dá)事半功倍的效果。1.3研究現(xiàn)狀上世紀(jì)40年代外國機(jī)械臂研究才開始，當(dāng)時(shí)美國研究室創(chuàng)造了一臺(tái)可控式機(jī)械臂，對(duì)于放射性物質(zhì)可以有效地工作。數(shù)銑的伺服軸和遙控器桿結(jié)構(gòu)與美國的喬治·德沃爾（GeorgeDevol）合并，全球首個(gè)機(jī)器人手臂誕生。1978年Devol的聯(lián)合集團(tuán)發(fā)布了PUMA通用工業(yè)機(jī)器，預(yù)示著工程制造業(yè)機(jī)械臂作為一種成熟類技術(shù)的發(fā)展。這樣的機(jī)器人手能夠用“教與活”的方法發(fā)揮作用，是首代機(jī)器臂。和首代工業(yè)機(jī)械手不一樣，智能機(jī)械手能夠與人一樣認(rèn)識(shí)世界，對(duì)獲得的信息進(jìn)行辨別與分析，以及判斷與推斷的功能。按照各種外部環(huán)境，根據(jù)各自的工作任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。第二代機(jī)械臂，稱作初級(jí)智能機(jī)械臂，其特征是修改人類預(yù)先定義的程序。這種智能機(jī)械臂技術(shù)也越來越成熟，并用于實(shí)踐。在工程制造業(yè)生產(chǎn)中，許多這類機(jī)械臂可用來組裝配件。第三代機(jī)械臂（又稱先進(jìn)智能機(jī)械臂）是指第二代機(jī)械臂在信息的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行分析和處理，獲得經(jīng)驗(yàn)，從而修改程序本身。這個(gè)研發(fā)中高端、理想的機(jī)械臂可以完全獨(dú)立于人類工作，不受人工預(yù)先安排的工作。因此也叫自主機(jī)器人手。如今的技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到目標(biāo)，但是在一部分地方或者一部分方面此智能的含義，實(shí)則至如今智能機(jī)器臂是未出現(xiàn)的。可是一定的是，隨著科學(xué)技術(shù)的不停的改革和發(fā)展，智能觀念將越來越豐富，相信這種高端智能機(jī)械臂將來會(huì)出現(xiàn)。這將是機(jī)械臂研究史上的一個(gè)新的里程碑。國內(nèi)機(jī)械臂探索的如今狀況也歷經(jīng)了一個(gè)長久的階段，由上世紀(jì)中期至70年代萌芽，80年代進(jìn)步至90年代后的實(shí)用化階段。第一只機(jī)器手出現(xiàn)在上世紀(jì)60年代，那時(shí)我國的機(jī)器手技術(shù)還在學(xué)習(xí)時(shí)期。對(duì)比國外的科研能力時(shí)，按照我國的科技能力，初步定下了機(jī)械臂的發(fā)展任務(wù)。由此階段，主要有機(jī)器人手用于組裝物體，移動(dòng)水下機(jī)器人手臂。自1980年代以來，中國的機(jī)器人武器科研能力已由萌芽階段上升到發(fā)展階段。1986年中國提議了‘七五’科技攻關(guān)規(guī)劃，工業(yè)機(jī)器人武器的研制被加入發(fā)展計(jì)劃，機(jī)械部承擔(dān)了工業(yè)機(jī)械臂的焊接、運(yùn)輸、裝配等多項(xiàng)任務(wù)的研發(fā)。機(jī)械臂探索時(shí)期已開始，此階段也是中國機(jī)器臂探索的頂峰。上世紀(jì)80年代末至90年代，中國提議了“863”規(guī)劃，明確了特種作戰(zhàn)機(jī)器人武器與工業(yè)機(jī)器人武器發(fā)展的關(guān)鍵方針。我們開發(fā)了7種不同的工業(yè)機(jī)器人手臂組和超過100種不同的特種機(jī)器人手臂，例如噴涂機(jī)器人手臂等。將建立9個(gè)機(jī)器人手工業(yè)中心與7個(gè)科學(xué)研究中心。截止至今，我國已經(jīng)可以獨(dú)立制造焊接機(jī)械手等。直至2009年，我國僅有36.8萬只工業(yè)機(jī)器臂在勞動(dòng)，日本為10.8%，德國為25.2%。而中國大部分機(jī)械臂都是進(jìn)口的，國內(nèi)的工程制造業(yè)機(jī)械臂不可能批量制造。在智能機(jī)器臂方面，中國的某些大學(xué)或研究所已經(jīng)獲得了相應(yīng)進(jìn)展，可是整體能力與先進(jìn)國家相差很多。機(jī)器臂科技的探索是無止境的，它給人類導(dǎo)致無盡的可能性，我們需要不斷探索。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與元器件選型2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案黑箱結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：壓縮機(jī)作為驅(qū)動(dòng)能，啟動(dòng)壓縮機(jī)，利用氣動(dòng)閥的控制元件控制氣體來推動(dòng)機(jī)械臂工作，同時(shí)用PLC來控制氣動(dòng)閥調(diào)節(jié)氣體大小，從而調(diào)節(jié)機(jī)械臂的速度，PLC同時(shí)也給機(jī)械臂命令以行駛運(yùn)動(dòng)軌跡來夾持松放工件。在此方案的基礎(chǔ)上加載報(bào)警裝置及顯示屏系統(tǒng)，可以有效的起到防護(hù)及監(jiān)測(cè)的目的，從而提高機(jī)械臂的利用率。圖2.1黑箱設(shè)計(jì)方案2.2系統(tǒng)的氣動(dòng)控制氣動(dòng)機(jī)械臂是一種在壓縮空氣壓力情況下驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂。其主要特點(diǎn)具有：媒介為氣體采集方便，對(duì)于壓力的輸出較低抓地力為30千克左右。氣體相對(duì)于其他來源速度較快，結(jié)構(gòu)以及成本也相對(duì)來說較低，但是，空氣的壓縮性導(dǎo)致其工作速度穩(wěn)定性降低沖擊力大，因此氣動(dòng)機(jī)械臂適用于速度快、負(fù)載較輕、溫度較高和粉塵較大的工作環(huán)境中。依據(jù)氣動(dòng)機(jī)械臂的行程軌跡，可以采用四個(gè)執(zhí)行氣缸來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)由氣缸達(dá)成，機(jī)械手的左右運(yùn)動(dòng)由擺動(dòng)氣缸達(dá)成，機(jī)械手的前后運(yùn)動(dòng)由伸縮氣缸達(dá)成。它有一個(gè)兩位五通電磁換向閥。執(zhí)行油缸通過兩個(gè)端口、兩個(gè)排氣口和一個(gè)供氣端口構(gòu)成。三個(gè)氣缸由一個(gè)電磁閥操控，一個(gè)氣缸由一個(gè)雙電磁閥操控。如圖2.2所示。圖2.2氣動(dòng)控制回路2.3元器件的選型2.3.1PLC的選擇PLC有四大企業(yè)品牌:西門子、施耐德、AB與通用電氣。中型PLC公司牌子:西門子、施耐德、歐姆龍、三菱。小型PLC公司牌子:西門子、歐姆龍、三菱、LS、松下、富士。S7-200系列PLC的特征：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(kuò)展性能（3）超強(qiáng)的功能命令（4）成本價(jià)格低廉。S7-200PLC的CPU模塊：集成一定數(shù)字I/O點(diǎn)的CPU：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM。擴(kuò)展模塊:重點(diǎn)是數(shù)字?jǐn)U展模塊:EM221、EM222、EM223。模擬擴(kuò)展模塊:EM231、EM232、EM235。通訊模塊:EM277、EM241等，控制器規(guī)模能夠輕松組裝。控制模塊的領(lǐng)域很廣。S7-200PLC很容易形成PLCPLC網(wǎng)絡(luò)與微機(jī)PLC網(wǎng)絡(luò)，這也使得大型項(xiàng)目得以實(shí)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(duì)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。2.3.2傳感器的選擇傳感器的選擇主要分為以下幾點(diǎn)：1、選擇合適的靈敏度：靈敏度越高被測(cè)量的輸出信號(hào)值越大，有利于信號(hào)處理。若是評(píng)估量是單個(gè)矢量，且其方向性要求高，就應(yīng)該選低敏度的傳感器；若是評(píng)估量是多維向量，應(yīng)該選低敏度傳感器。2、頻率的響應(yīng)特征：確立傳感器測(cè)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(duì)的。如果所需的測(cè)量精度相對(duì)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(cè)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(xiǎn)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(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確。從以上傳感器的抉擇需求，結(jié)合機(jī)械臂設(shè)計(jì)的總體方案需要，因此，我選擇紅外線感應(yīng)光電傳感器E3F-DS30C4靠近漫反射式傳感器。它具有防雨防潮、超強(qiáng)防干擾、體積小、易安裝、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。3氣動(dòng)機(jī)械臂的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件概述機(jī)械臂存在動(dòng)作元素，可以執(zhí)行不同的動(dòng)作，氣缸A可以讓機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，氣缸B可以讓機(jī)械臂柱實(shí)現(xiàn)起落運(yùn)動(dòng)，氣缸D可以讓機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)手爪C可以達(dá)到抓地力和松動(dòng)的效果。我們希望通過控制執(zhí)行的四個(gè)要素的運(yùn)動(dòng)來達(dá)到工作運(yùn)動(dòng)的目的。另一方面要實(shí)現(xiàn)的操作過程是:左移動(dòng)、右移動(dòng)、前移動(dòng)、后移動(dòng)、上移動(dòng)、下移動(dòng)、夾爪打開、夾爪夾緊。為此，必須相互匹配四個(gè)氣缸的氣流，并且一次只能更換一個(gè)氣缸。用四個(gè)電磁換向閥操控四個(gè)氣缸的替換，用交流繼電器KM、中間繼電器KA與時(shí)間繼電器KT設(shè)計(jì)一個(gè)控制電路，串聯(lián)控制一排四個(gè)電磁換向閥，依次實(shí)現(xiàn)八個(gè)動(dòng)作完成。如圖3.1所示。圖3.1系統(tǒng)原理圖3.2PLC的I/O分配氣動(dòng)機(jī)械臂中，升降氣缸、伸縮氣缸、擺動(dòng)氣缸和氣爪氣缸通過機(jī)械臂上的電磁閥檢測(cè)，在每個(gè)氣缸上安裝了兩個(gè)電磁閥來進(jìn)行機(jī)械臂的運(yùn)行。啟動(dòng)、停止、復(fù)位、急停按鈕，每個(gè)限位共有12個(gè)輸入點(diǎn)，4個(gè)操作缸，3個(gè)運(yùn)用雙電磁閥，1個(gè)運(yùn)用單控電磁閥，加上啟動(dòng)、停止、指示燈復(fù)位，電磁閥一共有10個(gè)輸出點(diǎn)。輸入與輸出點(diǎn)的詳細(xì)分布顯示在表3.2中。表3.2輸入/輸出分配表輸入輸出輸入PLC輸入輸出PLC輸出啟動(dòng)按鈕I0.0啟動(dòng)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I1.13.3傳感器的設(shè)計(jì)傳感器是氣動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)的重要組成部分，傳感器在電氣技術(shù)中發(fā)揮著極為重要的作用。沒有傳感器技術(shù)，電氣技術(shù)也就無法發(fā)展，傳感器等于感覺器官，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)。當(dāng)今電力機(jī)械臂技術(shù)的飛速發(fā)展也離不開傳感器，如果沒有傳感器，機(jī)械臂將難以發(fā)展。傳感器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和對(duì)象信息進(jìn)行自動(dòng)捕捉，系統(tǒng)的報(bào)警和急停功能才得以實(shí)現(xiàn)和實(shí)施。3.3.1安全傳感器要說機(jī)械臂是模仿人的肢體，那么傳感器就是機(jī)械臂的感官系統(tǒng)，賦予機(jī)械臂更加真實(shí)的操作系統(tǒng)，本系統(tǒng)所使用的安全傳感器，主要是裝在機(jī)械臂的手臂及手指位置。如圖3.2所示。圖3.2安全傳感器3.3.2光電傳感器系統(tǒng)采用安全光柵，即光電子安全防護(hù)罩，目前的工作環(huán)境是由人工和機(jī)械機(jī)器一起進(jìn)行工作的，比如大型沖壓機(jī)械、切割機(jī)器、裝配線生產(chǎn)、輸變電裝置、危險(xiǎn)區(qū)域（有毒、高壓、高溫）等工作，人工的人身安全極容易受到威脅。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(shí)候，急停裝置出現(xiàn)斷電，規(guī)避危險(xiǎn)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(xiǎn)，降低事故的綜合成本，造福于公司本身、經(jīng)營者和社會(huì)。3.3.3其他外部硬件在氣動(dòng)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)械臂手臂在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，然后，想要糾正這個(gè)故障，在氣動(dòng)設(shè)備中安置一個(gè)氣動(dòng)馬達(dá)，氣動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)作主體關(guān)鍵是壓縮空氣，這是一種把壓力能變成機(jī)械能的動(dòng)力設(shè)備。電機(jī)具有以下特點(diǎn):1.可以進(jìn)行速度的非階段性控制。通過控制空氣或者排氣閥的打開來調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出功率和速度，即流動(dòng)的壓縮空氣。速度和功率可以調(diào)整，以減少機(jī)械臂的抖動(dòng)。2.能夠向前或向后轉(zhuǎn)。大多數(shù)空氣電機(jī)改變電機(jī)進(jìn)出的方向的方法是使用操縱閥，可以由來調(diào)整空氣電機(jī)的正反向。3.不受惡劣條件的影響，適用于禁火、禁爆、振動(dòng)較大、潮濕、粉塵等不利環(huán)境下工作。4氣動(dòng)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)西門子氣動(dòng)機(jī)械臂的軟件控制主要由：中央處理單元（CPU）、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)、I/O地址區(qū)、用戶程序存儲(chǔ)區(qū)、子程序單元組成。程序開始，壓縮機(jī)運(yùn)行，同時(shí)PLC可以控制壓縮機(jī)的功率大小，PLC可以控制模式的選擇，初始模式為自動(dòng)模式，在有特殊情況下可以通過液晶控制屏來進(jìn)行手動(dòng)控制。機(jī)械臂運(yùn)行過程中出現(xiàn)緊急情況被光電檢測(cè)傳感器檢測(cè)到可以實(shí)現(xiàn)急停并進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警位置會(huì)發(fā)送至顯示屏供操作人員觀測(cè)解決，急停結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，回到原點(diǎn)，進(jìn)行重啟再運(yùn)行。如圖4.1所示程序流程圖。圖4.1軟件系統(tǒng)程序圖4.1軟件設(shè)計(jì)概述（1）中央處理單元（CPU）控制器、算術(shù)單元與寄存器形成了集合在每個(gè)芯片里的中央單元。CPU經(jīng)過數(shù)據(jù)總線、地址總線與控制總線連接到存儲(chǔ)單元、輸入與輸出接口。與平常計(jì)算機(jī)一致，PLC的中心是CPU，系統(tǒng)的正常運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，CPU循環(huán)檢查正在運(yùn)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(chǔ)存，并由掃描I/O組件接收現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)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(jì)的專用CPU芯片。PLC處理控制信號(hào)的能力與速度斷定了CPU芯片功能。計(jì)算愈快速，系統(tǒng)解決的數(shù)據(jù)量就愈多，CPU數(shù)字?jǐn)?shù)量就越高。近來CPU芯片技術(shù)在不斷的進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展，PLC的功能得到了改進(jìn)和完善。（2）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)PLC制造商使用系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)來保存用戶所寫的系統(tǒng)程序，該程序不能變化。它讓PLC擁有基礎(chǔ)作用且可以實(shí)現(xiàn)PLC設(shè)計(jì)者規(guī)劃的任務(wù)。（3）I/O地址區(qū)PLC的I/O模塊性能主要描述模塊電路的電氣性能，如電流、電壓大小、關(guān)閉時(shí)間、隔離等。（4）用戶程序存儲(chǔ)區(qū)程序的存放和功能的存放組成了用戶存儲(chǔ)區(qū)。用戶存儲(chǔ)區(qū)用于用戶來PLC編寫程序的存儲(chǔ)，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，用戶可以隨心所力地修改、添加或刪除其內(nèi)容。（5）子程序單元組成危險(xiǎn)采集程序和液晶顯示程序以及機(jī)械臂急停程序組成4.2急停控制系統(tǒng)該系統(tǒng)采用應(yīng)急停止控制機(jī)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、傳感器工作模塊和應(yīng)急停止控制模塊連接、報(bào)警系統(tǒng)和應(yīng)急停止控制并排，在傳感器感應(yīng)工作中，信號(hào)傳輸?shù)綀?bào)警系統(tǒng)和應(yīng)急停止控制系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)響鈴，應(yīng)急停車控制系統(tǒng)緊急停車。當(dāng)工作人員按下緊急停止按鈕時(shí)，機(jī)械臂手臂也會(huì)停止，松下緊急停止按鈕，機(jī)械臂手臂恢復(fù)運(yùn)行。圖9顯示。圖4.2急停梯形圖4.3液晶顯示屏系統(tǒng)作為PLC機(jī)械臂的操作終端，機(jī)械臂的操作可以通過液晶顯示屏來發(fā)出指令。（1）屏幕功能（用戶屏幕功能、系統(tǒng)屏幕）用戶屏幕功能（用戶制作屏幕）(2）系統(tǒng)屏幕功能監(jiān)控功能（3）數(shù)據(jù)采樣功能（4）報(bào)警功能?？紤]到液晶屏要監(jiān)控各個(gè)部位并進(jìn)行操控，任務(wù)相對(duì)來說比較的繁重。那么本系統(tǒng)采用MT506TV型號(hào)的顯示觸摸屏。（1）可以隨時(shí)的監(jiān)測(cè)機(jī)械臂運(yùn)行的狀態(tài)。（2）可用觸碰顯示屏來操控機(jī)械臂，并向PLC反應(yīng)程序。可以用來檢測(cè)其他設(shè)備的控制比如：故障部位、報(bào)警部位以及急停狀態(tài)。（3）通過顯示屏可以錄制或者截圖成為視頻