【《气动机械臂的系统的硬件和软件设计案例》4700字】

气动机械臂的系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u13574气动机械臂的系统的硬件和软件设计案例 1161161.气动机械臂的系统硬件设计 14131.1系统硬件概述 172881.2PLC的I/O分配 2222291.3传感器的设计 3114271.1.1安全传感器 4275091.1.2光电传感器 4167671.1.3其他外部硬件 5200511.4安全报警系统 5265411.2.1报警系统 5220311.5本章小结 7117232.气动机械臂的控制系统软件设计 818862.1软件设计概述 8153642.2急停控制系统 9283852.3液晶显示屏系统 10258712.4机械臂抓取系统 1147762.5光电检测系统 12256362.6本章小结 131.气动机械臂的系统硬件设计1.1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。用四个电磁变换阀控制四个气缸的更换，使用交流继电器KM和中间继电器KA和时间继电器KT设计控制电路在系列中依次控制四个电磁变换阀，依次实现八个动作完成。如图4所示。图4系统原理图1.2PLC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、各限位共一共12个输入点，4个执行气缸三个采用双电动电磁阀，一个采用单控电磁阀，加上启动、停止、指示复位、电磁阀共10个PLC输出点。输入点和输出点的具体分布显示在表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1.3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，传感器相当于系统的感官器官，它可以快速准确地获取信息，并承受恶劣的环境，确保电气系统达到高水平。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。1.1.1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6所示。图6安全传感器1.1.2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。光电传感器发射红外光线，产生光电网络，当光线被遮挡时急停装置急停发出断电信号，从而避免安全事故的发生。光电电气安全防护装置的使用，可以很有效的避免安全事故的发生，大幅度减少经营者和第三方的危险，降低事故的综合成本，造福于公司本身、经营者和社会。图1.2.2所示。图7光电传感器图7.1传感器原理图1.1.3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，那么为了解决这一缺陷，那么会在气动装置上安装气动电机，气动电机的工作媒介主要是压缩空气，将压力能转化为机械能的动力装置。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。1.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。1.4安全报警系统安全报警系统具有高性能价格比，能做到投资少、管理高效、人员减少，利用先进技术达到战斗力。同时结合传感器系统，当机械臂手臂在操作时，人们操作错误或需要停止机械臂手臂，这一次只要触摸传感器的传感范围，机械臂手臂就会立即停止，同时报警系统报警，工作人员处理问题，不仅可以保护人们的安全，还可以节省人力，就在机械臂手臂报警过来处理它的时候。报警系统的设计还可以保护设备和产品，在设备或产品出现问题时，机械臂臂报警系统会立即停止报警，及时停止产品数量较多的损失，可以起到很好的保护和提示作用，使机械臂手臂的工作效率能够用更少的努力来完成。1.2.1报警系统这次设计的机械臂报警系统，主要有7个光电开关，可以自动检测危险问题，3S后发出报警。如图8所示。图8报警系统原理图反射回路将振荡电路产生的脉冲反射，发光管发出光脉冲。当目标进入的可检测范围内时，光敏三极管反射光脉冲。电脉冲信号接收光电子脉冲，然后放大器进行放大，最后光电开关被触发，信号延迟或者不延迟触发。光电开关具有良好的复位操作性能，同时，受影响的光状态可以被自诊断系统检测到，稳定工作区域，随时监控光电开关的运行情况。有故障信号进入PLC输入端口，当故障信号存在时，相应的故障灯已打开，故障消失，灯熄。振铃只需要一个脉冲信号才能持续，因此振铃电路必须具有自锁。当发生故障时，灯会闪烁，需要使用振荡回路，当灯铃后变为恒定时，因此振荡回路同时断裂，因此振荡电路链的环和断开。故障电路具有优先性，因此当一个故障发生时，另一个故障重新出现，系统没有反应，要实现此功能，必须使用电路联锁机制。PLC的可靠性和抗干扰能力强，而LED和蜂鸣器寿命较短，我们可以使用相同型号的LED和蜂鸣器，进行按时更换，系统的性能可以得到大幅度提高，而且系统故障报警水平高，经济允许，可以添加一套系统。系统的I/O分配显示在表2中。表2报警系统I/O地址分配光电检测开关1I2.3报警1（光电报警）Q1.2光电检测开关2I2.4报警2（安全报警）Q1.3光电检测开关3I2.5指示灯1Q1.7光电检测开关4I2.6指示灯2Q1.4光电检测开关5I2.7指示灯3Q1.5光电检测开关6I1.0指示灯4Q1.6光电检测开关7I1.1光电检测系统开始I0.0光电检测系统结束I0.2光电检测位置显示灯1Q2.3光电检测系统急停I0.3光电检测位置显示灯2Q2.4光电检测位置显示灯3Q2.5光电检测位置显示灯4Q2.6报警系统开始I1.1光电检测位置显示灯5Q2.7报警系统停止I2.2光电检测位置显示灯6Q1.0光电检测位置显示灯7Q1.11.5本章小结本章主要是针对西门子PLC机械臂控制系统的硬件进行了设计。主要从系统硬件概述来论述机械臂的运行轨迹以及能实现的一系列动作，并对其进行了改善。也通过查阅历史资料，对传统机械臂进行了创新，增加了更完善的安全传感器及光电传感器。对以往机械臂存在抖动情况进行了优化，装载了减速马达，从而减少机械臂的抖动情况。完成了PLC一体化的屏显装置，并增设报警以及急停系统，可使机械臂安全及质量两不误。2.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9所示程序流程图。图9软件系统程序图2.1软件设计概述（1）中央处理单元（CPU）控制器、运算器和寄存器组成了中央处理单元（CPU），将他们集成到各个芯片中。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线连接到存储单元、输入和输出接口。和普通的计算机一样，PLC的核心部分是CPU，系统有条不紊的工作主要是PLC中系统程序分配的功能起到作用。内存中的用户程序和数据是提前存储的，当PLC运行时，执行用户程序被CPU循环扫描。控制用户程序和数据的接受和存储，并通过扫描I/O部件接受字段的状态或数据是CPU的主要任务。存储在寄存器或者内存中，找到内部电路和编程语法的错误，在PLC输入操作状态下读取内存中的用户指令，进行数据传输、逻辑或算术操作都根据指令中的命令。根据这些结果，更新标志位状态和输出图像寄存器内容，然后输出组件，实现输出控制、表打印或数据通信功能。根据PLC的CPU芯片型号不同分为：常用的CPU芯片、厂家自行设计的专用CPU芯片。PLC处理控制信号的能力和速度决定着CPU芯片性能的好坏，计算的速度越快、系统处理的信息量越大，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制造商用来存储他所编写的系统程序是系统程序存储区，用户无法更改。它使PLC具有基本功能并完成PLC设计师指定的工作。（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。根据所选内存单元的类型，用户程序内存可以是RAM（带向下电源保护）、EPROM或EEPROM内存，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2.2急停控制系统该系统采用应急停止控制系统，包含电源的采集模块、传感器工作模块和应急停止控制模块，其中电源收集模块和传感器工作模块输入电气连接、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10显示。图10急停梯形图2.3液晶显示屏系统作为西门子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或图片，功能更强。如图11内部接线图。图11PLC与显示屏接线图2.4机械臂抓取系统气动机械臂的抓取系统：初始状态时，气动机械臂位于原点位置（夹爪出于松开状态，机械臂位于上行、缩回状态）。按下启动按钮I1.0后，首先机械臂伸出，紧接着手臂下行并夹取工件，抓稳后，机械臂上行，缩回，机械臂左行或者右行到位后，机械臂下行，手爪松开工件，最后，机械臂上行、缩回，回到原点位置，进行下一个周期运动。如图12所示机械臂抓取程序梯形图。图12机械臂抓取程序梯形图2.5光电检测系统西门子PLC的气动机械臂光电检测系统共有7个光电检测开关，把这些光电检测开关分别安装在机械臂的各个关键部位上。系统是把7个光电检测开关进行并联，只要其中一个光电检测开关检测到危险，那么系统会自