机械设计制造及自动化 探测机械手臂系统结构设计

探测机械手臂系统结构设计
Detection of Mechanical Arm System Structure Design
专业机械设计制造及自动化
分院机电工程分院
摘要
机械手臂在先进制造中起着至关重要的作用。

它可用于高温、高压力、多尘、高度易燃、放射性环境中，也可用于笨重、单调、频繁的操作区域，以实现人类操作自动化，并可用于危险环境中，以保护人类安全。

因此，它被广泛用于机械工程、金属加工、电子、光和核能。

近年来，随着机械臂的发展和机械臂的设计，对机械臂的设计方法进行了系统的分析，以开发出气动可编程控制器控制的设计方法。

一种综合方法，考虑到硬件和软件的个别特点以及复杂性的优化。

对机械手的总体结构、执行结构、推进系统和控制进行了分析和设计。

驱动系统采用气动驱动、系统功能初始化、机械手运动、干扰机等。

通过在控制器中选择可编程控制器控制单元来执行。

最后，提出了一种简单、易于实现的理论控制策略。

关键词: 机械手气动控制可编程控制器（PLC) 自动化控制探测
ABSTRACT
Robot arm plays an important role in advanced manufacturing. It can be used in high temperature, high pressure, dusty, highly flammable, radioactive environment, as well as heavy, monotonous and frequent operation areas to realize human operation automation, and can be used in dangerous environment to protect human safety. Therefore, it is widely used in mechanical engineering, metal processing, electronics, light and nuclear energy.
In recent years, with the development of the manipulator and the design of the manipulator, the design method of the manipulator is systematically analyzed to develop the design method of the pneumatic programmable controller control. A synthesis method, taking into account the individual characteristics of hardware and software and the optimization of complexity. The overall structure, execution structure, propulsion system and control of the manipulator are analyzed and designed. The driving system adopts pneumatic drive, system function initialization, manipulator movement, jammer and so on. It is executed by selecting the control unit of the programmable controller in the controller. Finally, a simple and easy-to-implement theoretical control strategy is proposed.
Key words: Manipulator Pneumatic-driven Programmable logic controller (PLC) Automatic control Sorting materials
目录
绪论 (1)
第一章执行系统的分析与选择 (3)
1.1执行机构坐标形式的选择 (3)
1.2执行机构的组成 (4)
1.3执行机构各部分的分析与选择 (5)
1.3.1 手部的选择 (5)
1.3.2 手臂结构的选择 (6)
1.3.3 机座结构的选择 (7)
1.4执行机构的工作原理 (8)
第二章驱动系统的分析与选择 (8)
2.1驱动系统的分析与选择 (9)
2.2机械手臂驱动系统的控制设计 (9)
2.3气动元件选取及工作原理 (9)
2.3.1 气源装置 (10)
2.3.2 执行元件 (10)
2.3.3 控制元件 (12)
2.3.4 辅助元件 (12)
2.3.5 真空发生器 (12)
2.3.6 吸盘 (13)
2.4气动回路的工作原理 (13)
第三章控制系统的分析设计 (14)
3.1控制系统的组成结构 (14)
3.2传感器的选择 (15)
3.2.1 位置检测装置 (16)
3.2.2 滑觉传感器 (16)
3.2.3 视觉传感器 (16)
3.3控制系统PLC的选型及控制原理 (17)
3.3.1 PLC控制系统设计的基本原则 (17)
3.4.2 PLC种类及型号选择 (17)
3.4.3 I/O点数分配 (21)
3.4.4 PLC外部接线图 (22)
3.4.5 机械手臂控制原理 (23)
3.4PLC程序设计 (24)
3.4.1 总体程序框图 (24)
3.4.2 初始化及报警程序 (26)
结论 (28)
参考文献 (28)
致谢 .......................................................................................................................... 错误!未定义书签。

绪论
1. 研究的目的及意义
机械臂作为领先产品，应该能够自动实现设备更新的自动化，并在先进制造中发挥重要作用，因为它们经常相互取代或精确的需求。

它可以运输货物，挑选货物，代替繁重的劳动。

机械化和自动化生产保证了高温，腐蚀和有毒气体下的人身安全，可以在机械工程，金属，电子，轻工业和核能领域大规模使用。

工业的发展越来越快，机械臂成为工业生产中自动化设备更新的先锋。

它可以运输货物、佣金、繁重而单调的工作，代替人来机械化和自动化生产；它们也可以在高温、侵蚀和有毒气体等恶劣条件下运行，以确保人身安全。

它广泛应用于机械工程、金属、电子、轻工业和核能。

可编程控制器(PLC)是一种中央处理器，结合了计算机和自动控制等先进技术，结合了高可靠性、改进的特性、灵活的组成、简单的编程语言和较低的功耗，是目前机器人控制系统中最用户友好的控制。

使用可编程逻辑控制器的自动化系统体积小、可靠、容易出错，并且具有高精度。

2. 机械手臂在国内外现状和发展趋势
在中国，主要的重点是逐步扩大应用范围，重点发展铸造和热处理机器人，以减少人力和改善经营条件。

专用机械手的应用和通用机械手的相应发展也可能需要开发预期的机器人手臂，计算机控制的机械臂和复合机械臂。

提高速度，减少振动，并正确定位它们以更好地利用机械臂的功能此外，伺服部门，记忆再现和机器人手臂应该研究触摸和视觉的表现，由此与计算机的连接是整个机械制造系统的重要组成部分。

国外机械臂在机械工程工业中应用越来越多，发展迅速。

目前，它主要用于机床、压力机的上升和下降，以及点焊、油漆作业等。

符合规定的程序。

国外机械臂的发展趋势是具有一定智能的机械臂的发展。

对外部条件的变化获得一些敏感性和反馈。

如果位置出现轻微偏差，可以自行纠正和确定。

重点在于观察视觉功能。

已经取得了一些成功。

现代的、最先进的和最先进的马达舰队有着极其精致、加速、多极和轻量的趋势。

3.主要研究的内容
鉴于机器人负载的快速发展和机器人负载的日益普及，机器人运动不仅需要可靠、灵活和灵活，而且成本效益高且价格合理。

本文研究了机械臂的以下几个方面:
(1)机械臂的分析与选择
推进系统由驱动组件和机械部件组成，是机器人手臂执行各种运动的主体。

关键成分包括船体、手臂和末端3，每个部分可以有不同的自由度。

执行系统主要是为机器人手臂的手、手臂和座椅的开发而设计的。

(2)机械臂驱动系统的分析与选择
推进系统是为执行系统的各个部分提供动力的驱动器。

在本设计中，气动驱动方式是通过比较液压、气动和电动驱动方式来选择的。

这些包括选择气动输入及其工作方式、设计气动吊索和创建气动计划。

(3)机械臂的控制设计
控制器是一个机械臂指令系统，它控制推进系统的控制，以便执行系统按照给定的顺序和次序工作。

机械臂由可编程控制器(PLC)控制，该控制器主要选择可编程控制器的型号、传感器类型的选择、机电连接的选择、控制系统的功率流计划、自动程序清污的绘制等。

4.解决的关键问题
1解决机械臂的设计问题需要一种简单、廉价且具有代表性的机械臂结构。

2解决组件移动精度的问题。

3机器人手臂的控制，包括电路和控制控制，解决工件和控制的协调问题。

4组件及其表达式的规则和知识的一致性。

5传感器类型的选择。

第一章执行系统的分析与选择
机器人手臂的执行结构是机器人手臂依赖于实现各种运动的实体。

执行器的布局类型直接影响机器人的性能。

1.1 执行机构坐标形式的选择
对于机器人手臂，有更多基本款式。

根据手臂的坐标样式，有四种基本风格：直角，圆柱，球体和关节。

以下是每个机器人的简单分析:
1.直角笛卡尔机器人手臂
笛卡儿机器人是一种适合在工作位置进行颚部布置或与带子一起使用的机器人。

手臂可以被拉伸，向左、向上或向下移动，在直角坐标的三个方向上沿直线移动工作空间可以是线性运动。

两次或三次直走。

如果三个旋转运动甲、乙、丙以三种直线模式存在，这就是六个自由度。

2.圆柱形机器人臂
圆柱形机器人是搬运和测量工件最常用的方式。

直观，结构简单，空间更小，动作范围更广。

圆柱坐标系的臂有五种基本运动:
(1)水平转动臂；
(2)手臂伸展；
(3)臂的顶部和底部；
(4)手臂转动；
(5)爪的张力运动。

圆柱形机器人臂的特征在于垂直导向缸上的滑动套筒，滑动套筒上的臂可以在水平面上上下直线运动地拱起和拱起。

3.球形机器人手臂
球形机器人可以分八步运行:
(1)手臂向上或向下移动，如此向下。

(2)手臂的左右运动，旋转动作；
(3)手臂前后的动作，伸展动作；
(4)手腕向上或向下弯曲；
(5)手腕向左或向右摆动；
(6)手腕转动；
(7)爪的张力运动；
(8)机器人的总运动。

球形机器人手臂被设计成允许铰链上的手臂，叉车上的铰链，在垂直表面上触发拱形向下运动，伸展手臂，水平摆动和上下摆动，非常像人手。

它被设计成自动选择最合适的运动轴。

所以生产率很高。

此外，由于振动，它相对较小，并且具有大范围的作用。

4.铰接机械臂
关节机器人手臂具有手臂和前臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。

它还有一个大腿结构，可以实现几乎人类的功能。

对于拥有近似人力的服务，必须开发最合适的结构。

球形机械臂是一种自由度更大、用途更广的机械臂。

作用范围是:旋转运动。

两次旋转运动；两个旋转运动加上一个直线运动。

选择机械臂类型首先要满足运动要求，然后是机械臂的复杂性和经济性。

在这种结构中，机械臂的主要动作是机械臂向左和向右的运动、向上的运动和机器人的总体旋转。

直角机器人手臂具有诸如上下拉伸手臂、移动左右线的动作，但是机器人作为一个整体没有旋转，因此不考虑直角机器人。

球形和铰接机械臂足以满足运动要求。

然而，它们是复杂的，并且许多移动是不必要的，降低和增加了制造成本和困难。

圆柱形机械臂可以支撑臂的伸展、臂的顶部和底部、臂的旋转等。

在此设计中，您可以将机械臂旋转改为机器人的一般旋转，以满足机械臂的运动要求。

这种改变不会改变机械臂的整体结构，而只是局部改变，从而使整个系统具有成本效益，并允许使用圆柱形机械臂。

1.2 执行机构的组成
工业臂执行系统主要由以下机械部件组成。

（1）手是手臂的一部分，直接抓住工作或工具。

（2）臂部是用来支撑大量臂和臂的臂部。

（3）立柱支撑臂上下移动，移动和移动机构。

（4）底盘是支撑臂部的臂，是安装驱动装置和其他装置的部分。

1.3 执行机构各部分的分析与选择
1.3.1 手部的选择
1设置处理
手是握持工件或工具的部分。

手动机构因待取工件的形状、尺寸、重量、材料和表面条件而异。

通常的手部结构根据处理原则分为两类:
1)夹紧
手工手的结构是工业机械中常见的手型。

它主要由手指、驱动器和驱动力组成。

它也可以分为内部夹、外部夹和内部夹，不同之处在于工件的各个部分向相反的方向移动。

设计干预选项时，需要考虑以下几点:
手指应该有一个开放的区域。

(2)手指应具有适当的弹性。

(3)确保工件在手指上准确定位。

(4)紧凑、轻便、高效。

(5)通用性和互换性。

2)吸力
抽吸手，也称为真空抽吸，是通过抽吸真空泵或虹吸工业机械臂中常用的差异而产生的工件抽吸装置。

它由吸盘、隔间和即用系统组成，具有简单、高质量、不易碎的工件、用户友好和可靠的结构等优点。

然而，需要一个光滑、清洁的工件与吸气眼接触，工件材料致密且没有空气空间。

主要适用于记录表面光滑工件，如板材、薄壁部件、瓷砖、玻璃、纸张和塑料。

吸入可分为以下几类:
负压盒:真空吸盘、洒水器、自压缩空气轴。

磁性吸盘:永磁体，磁性磁铁。

手动分析真空具有结构简单、质量轻、工件无损、使用方便和操作完美等优点，同时不会影响机器人的正常操作。

设计的机械臂需要一个真空吸盘。

真空吸盘机构如图1.1所示。

图1.1 吸盘机构图
1.3.2 手臂结构的选择
手臂是手臂、手指最重要的部分，在机器人手臂上工作。

手臂通常有三个动作。

伸展、旋转和抬起。

手臂的基本运动将手置于必要的位置，并承受握力的最大重量和手臂本身的重量。

1组成：
（1）控制臂的运动，如气缸、气缸、齿轮架和凸轮。

（2）导向装置确保了由于臂的精确方向和工件的重量而产生的弯曲和扭转力矩。

（3）手臂用于连接和外力。

2臂设计要求:
(1)手臂强壮、僵硬、轻。

(2)手臂以合理的速度和较低的惯性运动。

(3)手臂动作灵活。

(4)位置精度较高。

(5)更加多样化。

3手臂的构造
手臂的夹紧和提升运动通常由直油缸(气动缸)控制。

手臂运动是一种直线结构，基本上由驱动和导向器组成。

该驱动通常使用圆柱、机油马达和齿条进行直线运动。

机油缸(气动缸)可分为以下几类。

双活塞杆圆柱、双活塞杆圆柱、主轴螺母机构。

机器人的手臂以直线运动，不需要大型集线器。

考虑到结构简单和设计经济性，双缸活塞相切运动的固定是可选的。

4转向装置
机器人手臂拉伸运动需要导向器，以防止手臂朝拉伸方向旋转，提高承载能力，并提高运动精度。

手臂导向器由安装形状、结构和载荷确定。

通常使用一个或两个导向杆，其中拉伸运动使用双导向杆。

1.3.3 机座结构的选择
座椅是机器人的基本部件，机构的部件和推进系统安装在座椅上，承担机器人的全部重量。

对结构的要求是刚性的、节省空间的、维护友好的和吸引人的。

座椅的结构是从向下浮动的形状或牢固的、可移动的和可移动的形状。

在这两种情况下，机器座椅必须在工作期间保持紧固。

停止时，移动的机架可以用制动器定位，以确保机器人操作中的位置精度。

根据本地机器人的设计要求，固定座椅是可选的。

座椅的结构是指机器人的总体布置，对于特殊的机器人，驱动和控制部件通常是分开布置的，因此机器座椅更简单或不安装。

对于通用机器人，传动装置位于机架内部或下方，控制装置位于座椅上方或下方或单独。

机械臂需要一个旋转模块，旋转气缸必须连接到座椅上。

当水平、垂直和手工机器直接安装在枢轴缸的输出轴上时，机构简单，但是枢轴缸的轴向力增加，对缸的要求更高，并且对缸的要求存在损坏旋转缸的风险。

同时，机器人臂的重心离开气缸轴线以及由单个气缸的运动引起的冲击是施加到旋转气缸的旋转轴上的倾翻力矩，使得机器人臂的悬臂上方的重量和倾翻力矩由机架的连接部件承载。

连接组件主要由四个部分组成:一个带有两个接触接头的滚珠轴承、一个支架、一个圆桌和一个封盖。

如图2所示。

选择轴向滚珠轴承，而不是单向滚珠轴承，因为机座不能在轴向上直接连接到圆桌上。

使用轴向滚珠轴承，很容易将轴承内圈连接到圆桌上，而外圈则通过盖子连接到机架上。

此外，轴向滚动弯曲轴承应具有更大的标称尺寸，以更好地承载振动力矩。

1、底座
2、摆动气缸
3、双向推力球轴承
4、扣罩
5、转台
图1.2机座结构图
1.4 执行机构的工作原理
机械臂的结构主要由机架、立柱、水平臂、垂直臂、电磁阀和吸盘组成。

机舱用旋转气缸操作，臂和吸盘用带双工作气缸的活塞杆操作。

机器人的运动基本上是伸展、提升、平移、吮吸和下降。

结构如图2.2所示。

动作顺序为:基本位置→向右旋转→B 预电压力→C缸启动→D吸入→C向上→B减速→A旋转→C缸从→C排出→C 向上→C向上→C向上→C向上→基本位置。

机器人的运动贯穿整个过程。

第二章驱动系统的分析与选择
臂驱动系统是执行器操作的驱动装置。

臂传动系统有液压、压力、电、机械、气液耦合、电液耦合等多种方式。

目前采用的驱动系统有三种：油压、压力和电。

2.1 驱动系统的分析与选择
液压传动具有更高的动力重量，可实现频繁、均匀的速度和剧变，易于过载保护，自润滑和长寿命。

然而，也有石油使污染环境变得脆弱，这需要石油供应、高成本和操作噪音。

电驱动，高控制，更大的驱动力，快速反应，信号识别，传输，易用性。

然而，由于成本高，这种方法受到限制。

气动驱动装置价格低廉、结构简单、功能强大、环保且容易出现问题，越来越多地用于工业机械。

通过比较这三种类型的驱动器，气动驱动器不仅可以满足设计要求，而且可以降低成本。

2.2 机械手臂驱动系统的控制设计
气动系统由三个三通电磁阀、两个双向电磁阀、三个气缸、一个吸盘、四个速度阀、六个单向速度阀、消音器(几个)组成。

图像中的速度控制阀控制上下移动时的速度，拉伸和缩短气缸体，以避免速度对机器人材料和手臂的影响过大。

四线三通电磁阀是气缸差异报告方向的变化；真空发生器的功能是利用气体注射器产生真空吸力，其主要功能是能够移除和释放材料，真空发生器的运动是由两位数的电磁阀引起的。

2.3 气动元件选取及工作原理
大气压力驱动是利用压缩气体的压力能实现能量传递的一种方法，介质主要是空气，还包括气体和蒸汽。

典型的压力传递系统由以下四部分组成：
2.3.1 气源装置
空气供应单元是一种接收具有一定能量的压缩空气的装置，其中大部分压缩空气是压缩机，而其他压缩空气配备有膨胀部件，例如气味吸入器、罐等。

它将发动机检测到的机械力转换成气体压力。

气动源的气动传输要求:
(1)需要一定压力和足够气流的压缩空气。

(2)需要一定纯度和干燥的压缩空气。

以下是供气装置的关键部件:
第一气压
压缩空气压缩机是压缩空气的主要设备。

这些类别根据结构和原理分为速度模型和体积模型。

紧凑型压缩机通过特殊的转子或活塞压力吸收室内滞留空气的体积来增加空气压力。

紧凑的外形简单易用。

这种设计可作为紧凑型压缩机的一种选择。

第二罐
该油箱可以调节气流，减少输出电流的动脉，保持输出电流连续稳定，也可以作为应急电源，还可以进一步分泌油的污染。

储罐配有一个安全阀，其边界压力比正常工作压力高10%，并配有一个用于储罐压力的箍带、一个污物阀等。

储罐的样式可分为垂直样式和水平样式。

这种设计是一个可选的独立油箱，因为入口位于下方，出口位于上方，以进一步隔离空气中的油和水。

2.3.2 执行元件
实施部件是在作为工作介质的压缩空气上产生机械运动并将气体的压力能
力转换成机械能的机器，例如用于气缸输出的直线、旋转气缸输出转换成变速旋转机械功能。

1.圆柱形出口直复数
气缸是气动执行部件之一。

目前最常见的是标准气缸，其结构和参数是序列化、标准化和通用的。

水平夹紧缸选用单活塞两用缸。

活塞杆两用气缸通常由气缸、前盖、活塞、活塞、活塞杆、密封件和连接件组成。

工作原理:在前进或反冲气缸中，当左右两侧的空腔与活塞杆脱离时，活塞杆在活塞杆前面伸展，反之亦然，活塞杆缩回。

在开/关气缸中，当空腔为无顶活塞杆时，活塞杆下落，下侧带有活塞杆排气口，活塞杆上升。

2.摆动油缸输出摆动振动
旋转圆筒分为一张和两张。

机翼行程气缸:压缩空气通过进气口吸入并作用在控制板上，旋转轴产生扭矩，而另一个腔从通风轴中泄漏出来。

两层摆动气缸:从入口出来的压缩空气作用在一片叶片上，而穿过轴的气体管线作用在另一片驱动旋转轴的叶片上。

双面薄片产生的扭矩是叶片尺寸的两倍。

该设计采用双层旋转气缸，为机器人旋转创造更大的扭矩。

2.3.3 控制元件
控制部件压缩空气、空气、流量，并提供空气驱动器所需的力、运动速度和运动方向，并按照规定的程序进行操作。

气动控制功能有压力、流量和方向控制阀。

1，压力控制阀
控制和控制压力大小的移动元件称为压力控制阀。

其中包括压力控制阀、溢流阈值、顺序阀和多功能组装阀。

2.转向阀
由于对中控制阀是用于改变压缩空气流向和气流状态的控制阀，因此零件的运动和状态转换通常分为可逆和可逆控制阀。

单向控制阀
交换控制阀
对转换阀功率的主要要求是:(1)由于转换阀，油流中的压力损失很小；(2)油井之间有少量泄漏；
(3)可靠、快速、平稳的更换。

开关阀的操作如下:手动、机械、电动、流体动力、电动、气动。

由工作控制的管线数量和通道数量为:2通阀、2通阀、2通4冲程阀、3通4冲程阀、3通5冲程阀等。

该设计具有可选的三通电磁阀开关阀，原因如下:
(1)电磁阀是用磁脚按压阀芯以改变阀门工作位置的电磁阀。

因为它易于使用和自动化，所以应用范围很广。

(2)当电磁阀两端三通磁转换阀关闭时，风扇在中间，连接器不连接。

(3)三通电磁阀允许气缸快速向前移动。

2.3.4 辅助元件
要求辅助部件清洁压缩空气、润滑部件、部件之间的连接和消音等。

它分为两大类:气味吸入和其他辅助成分。

1.气味吸入
过滤器、压力控制阀和油雾统称为气动三联管。

压缩空气中含有各种污垢，这会降低气动部件的寿命和性能，导致误报和紧急情况，需要清除。

空气供应单元是用于清洁压缩空气和改善空气质量的部件。

2.消音器
消音器是一种降低废气噪音的装置。

驱动后，压缩空气通过转换阀的排气口进入大气。

气流穿过斜孔，斜孔碰撞、碰撞，气流进一步减慢，通过消音器内部储存的物质变暗，最终将其排入大气。

这种设计配备了膨胀吸收器。

2.3.5 真空发生器
真空发生器主要用于通过将吸力的橡胶壳成形为真空来吸收工件。

真空发生器利用从射束软管高速注入的压缩空气工作，在射束出口产生射束并产生吸收电流。

通过吸入体积电流，光束出口周围的空气被连续吸入，并且记录内部的压力在大气压下降低，导致真空。

2.3.6 吸盘
吸盘是一种直接吸引通常由橡胶制成的物体的元件。

真空拍卖能够被工件吸收的原因是环境压力(大气压)大于吸力和工件之间的压力。

通过将内容物连接到真空，吸头室内的空气被吸出，当吸头接近工件时，材料被吸入，吸头尺寸与大气压和内部吸头室之间的压力成比例。

2.4 气动回路的工作原理
机器人臂的工作循环如下:右侧摆动气缸→水平臂挤压→垂直臂下降→吸力→垂直臂增加→水平臂恢复→旋转气缸左侧运行→垂直臂下降→垂直臂下降→垂直臂向上→至基本位置。

该系统配有一个电磁阀开关阀，这是一个最终开关，允许气缸进行循环运动。

两位数电磁阀提供吸力和吸力。

工作周期的实施如下:
(1)平移右侧的圆柱体
按下开始品尝器，打开右侧按钮，通电电流为5 Ya的三通电磁阀12，右偏置的阀岛12，旋转气缸执行右转命令。

(2)拉出水平气缸
当摆动缸C向右摆动到指定位置(90度)时，到达向右倾斜的最终开关，该开关将双向磁性换挡5 Ya与阀12分开，停止摆动缸的旋转运动，延迟时间排放，从阀10启动三通磁性换挡阀1 Ya，阀10的阀向右移动并执行臂的向前运动。

(3)垂直臂下降
当水平夹紧缸A突出到指定位置时，按下边界按钮，使得三通四冲程电磁阀11a与阀10一起关闭，并且臂的放置停止。

经过时间对比延迟后，前臂下降按钮被打开，3-Ya-Ader与三通电磁阀11一起发光，阀11的阀向右移动，前臂离开。

(4)吸力
前臂气缸落在指定位置，碰到下端开关，关闭通向阀11的三通电磁阀的3 Ya电路，前臂失效。

经过一段时间的退出延迟后，7 Ya由双向电磁阀13供电，真空发生器22运行，真空开关24测试真空并送到控制器，真空吸入器26吸入物料。