導語：如何才能寫好一篇機械臂的設計方案，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

Liao Shengwen Wang Yuqin Zhang Xiaoying Wu Na Yang Jian

（ChaoHu University Chaohu city 238000）

Abstract： Fischertechnik model based on the conceptual design of the mechanical arm. Design of the main content including the overall design of the mechanical arm， complete mechanical system scheme design and model making， of mechanical arm in the process of cargo handling the operation parameters of the overall planning， the final preparation of the completed the overall control program and debugging. The experimental results show that the structure of the system is simple and feasible.

Key words： Fischer Technology；mechanical arm；control program

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2015）10-0270-02

引言

近年來，隨著科技發(fā)展迅速，人們的生活節(jié)奏不斷加快，越來越多的人不想從事體力勞動，進而企業(yè)出現(xiàn)“用工荒”的問題。在高校教學過程中，由于部分理論知識較抽象，教師講解較難，學生理解掌握起來也較難，這樣就達不到想要的教學效果。本次設計的機械手臂在生活中應用較廣，如建筑工地上的旋轉升降型機械手臂、吊臂，企業(yè)在生產(chǎn)制造過程中使用的機械手臂等。這些機械手臂在結構和控制上都比較復雜，所以我們在教學過程中的講解就有一定的困難。機械手臂模型方案是基于慧魚技術進行設計的，它的主要功能是將物品從某一位置移到另一位置，在這個過程中機械手臂共完成了對物品的夾起、移動、升降和旋轉等動作。從某方面來說，機械手臂的出現(xiàn)代替了勞動力，進而為現(xiàn)代企業(yè)解決用工荒的難題。該模型與常見的機構相比具有體積小且易于移動，故靈活性強，可以在教學中的典型機構與它相結合演示給學生看，通過演示更深入理解各個結構之間是如何運轉，采用理論與實踐相結合的方法，讓學生學習理論課程更具有生動性和形象性，達到掌握該課程理論知識的目的。

慧魚創(chuàng)意組合模型是一個技術含量很高的工程技術類趣味拼裝模型，其主要部件尺寸精確，不易磨損，可以保證反復拆裝并不影響模型結合的精確度。它為應用型高校在教學過程中創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實驗提供了很好的實踐平臺?？傮w來說，慧魚模型的使用，既讓學生融匯貫通各學科多領域的綜合知識，將其應用于實踐過程中，又培養(yǎng)了創(chuàng)新的意識，最重要的是給予學生實現(xiàn)創(chuàng)新的平臺。為此設計并制作拼接了機械手臂，文章主要對機械手臂的機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)進行了組裝設計講解。

一、機械系統(tǒng)設計方案

機械手臂的主要功能是將物品從某一位置移到另一位置，即：機械手臂從起始位置到物品所在位置后將物品夾起，再到指定位置把物品放下，最后返回原位準備進行下一動作。根據(jù)它的功能目標機械手臂的機械系統(tǒng)主要有旋轉機構、伸縮機構、升降機構以及開合機構四大部分組成，模型實物如圖1所示，該模型體積較小，各個機構的運轉可清楚的看見，方便教師攜帶，可將其模型展示給學生觀看，便于學生理解和鞏固。

圖1 機械手臂

Fig.1 multi-function robot arm

1.機械手臂的旋轉裝置

機械手臂的旋轉功能在方案中是通過齒輪嚙合傳動實現(xiàn)的，并在起始位置和終止位置中放置行程開關來控制機械手臂的移動范圍和旋轉方向的變換。其傳動簡圖如圖1.1所示。圖中小齒輪是主動輪，便于對旋轉速度的控制。

（a）旋轉裝置簡圖

1―轉盤 2―小齒輪 3―齒輪箱 4―馬達箱圖

1.1 實際旋轉機構圖

Fig 1.1 Actual rotating mechanism chart

2.機械手臂的伸縮機構

通過利用蝸輪蝸桿、齒輪之間的傳動以及連桿與滑塊桿之間的滑動來進行實現(xiàn)機械手臂的伸縮功能。并通過齒輪箱來控制它的速度。實現(xiàn)這一功能的意義在于，可以增大其工作范圍，通過它的伸縮功能，機械手臂可以不用移動就能到達指定位置，其傳動簡圖如圖1.2所示。

（a）伸縮裝置簡圖

1―馬達 2―齒輪箱 3―蝸桿 4―連桿

圖1.2 實際伸縮機構圖

Fig 1.2 Actual rotating mechanism chart

3.機械手臂的升降機構

機械手臂的升降功能則是通過鏈傳動和渦輪蝸桿傳動之間的相互連接來進行實現(xiàn)的。它的傳動簡圖如圖1.3所示。

（a）鏈傳動機構簡圖

1―小齒輪；2―鏈條

圖1.3 實際升降機構圖

Fig 1.3 Actual lifting mechanism chart

4.機械手臂的開合機構

物品的夾起與放開都是通過機械手臂的開合來完成，在設計過程中，選用渦輪蝸桿的結構作為運轉的機構。將渦輪蝸桿固定在機械手臂的中間，通過馬達帶動蝸桿的轉動，渦輪與手臂之間的銜接物會帶動手臂向兩側張開或夾緊，實現(xiàn)機械手臂對物品的夾緊和放下的功能。

（a）夾緊機構簡圖

1-開關；2-銷；3-機械手臂；4-渦輪；5-蝸桿

圖1.4 實際夾緊機構圖

Fig 1.4 Actual clamping mechanism

二、控制系統(tǒng)設計方案

1.總體運行過程

假設機械手臂現(xiàn)處于張開狀態(tài)，且在最底層，手臂未發(fā)生移動，將物品放置于某一位置，高度與機械手臂高度一致。運行過程如下：一開始，先轉動轉盤至某一角度，由馬達M2控制，其位置在小齒輪的齒輪箱旁邊， 順時針為正轉。然后將機械手臂向前伸出一定距離，使其恰能觸碰到物品，由馬達M3控制，其位置在移動機構中遠離機械手臂的一側，順時針時伸縮裝置向前運動。接下來，用機械手臂夾緊物品，由馬達M4控制，逆時針為手臂閉合。夾住物品后，利用升降結構將物品升至同貨架高度一致的位置，由馬達M1控制，逆時針為上升。接著，調節(jié)物品與貨架之間的距離，通過向前或后退移動一定距離，直至兩者之間距離為零，再通過旋轉功能，旋轉到貨架上面，最后控制夾手張開，將物品放置在貨架上，完成運輸功能。系統(tǒng)的總體運行程序如圖2所示。

圖2 總體控制程序圖

Fig 2 Overall control chart

（1）旋轉功能介紹。物品的轉移可以通過偏置一定的角度，使物品到達指定的地點，可通過編程控制馬達M2實現(xiàn)旋轉，順時針旋轉為正轉。

（2）伸縮功能介紹。要想精確的定位重物在哪個位置放置，可通過移動裝置，實現(xiàn)機械手臂的伸縮功能，編程控制馬達M3實現(xiàn)機械手臂的伸縮，順時針旋轉為向前移動。

（3）升降功能介紹。要使物品放到貨架上，則需要調節(jié)物品的高度不得高于貨架且不能過低，裝置通過鏈條傳動，利用小齒輪將鏈條帶動，然后控制渦輪蝸桿的升降，從而實現(xiàn)物品的升降，編程控制馬達M1實現(xiàn)升降，逆時針旋轉為物品上升。

（4）開合功能介紹。物品的夾取是在運輸過程中的重要環(huán)節(jié)，通過渦輪蝸桿機構，編程控制馬達M4實現(xiàn)夾手的張開與閉合功能，順時針旋轉為夾手張開狀態(tài)。

三、結語

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【關鍵詞】控制系統(tǒng) 聯(lián)合仿真 協(xié)同優(yōu)化

針對機械臂而言，其機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是密切相關的，兩個系統(tǒng)的性能共同決定了機械臂的整體性能，最根本的體現(xiàn)就是在機械臂末端的重復定位精度上。

為了優(yōu)化機械結構以提升機械系統(tǒng)性能指標，滿足設計要求，結構優(yōu)化設計的概念被提出。結構優(yōu)化設計就是在工程設計的過程中，不再局限的依靠設計者給定具體的設計方案，而是結合最優(yōu)化理論的數(shù)學思想，在設計變量的取值范圍內尋找最優(yōu)的設計方案，大大縮短了設計周期，提升了設計效率和質量。

目前，利用結構優(yōu)化設計方法來完成機器人的結構設計工作被越來越多的設計人員所采用，并取得了大量的研究成果。根據(jù)設計變量的不同，可以將機器人的結構優(yōu)化設計分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化三個層次。

就機械臂而言，其拓撲優(yōu)化設計主要包括兩方面的研究內容：

（1）對于機械臂機構，在機器人概念設計初期，在初始設計空間，根據(jù)設計指標，對機器人整體機構形式進行拓撲優(yōu)化設計；

（2）對于機械臂零件，在零件所受載荷確定的情況下，對其拓撲結構進行優(yōu)化設計。拓撲優(yōu)化在優(yōu)化過程中改變拓撲構型的同時也改變了尺寸及形狀參數(shù)，與尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化相比具有更大的自由度。

結構拓撲優(yōu)化設計由設計變量、約束條件和目標函數(shù)三要素組成。拓撲優(yōu)化是選取結構單元的有無作為設計變量，目的是尋求結構剛度在設計空間的最佳分布形式，達到材料的合理分配，以優(yōu)化結構的某些特性或減輕結構的重量，在產(chǎn)品概念設計階段，尋求產(chǎn)品最優(yōu)的拓撲結構具有重要的意義。

盡管經(jīng)歷了三十多年的研究發(fā)展，拓撲結構優(yōu)化技術已經(jīng)有了長足發(fā)展，也在工程上被越來越多的人所重視和利用起來。但是受到其自身分析求解規(guī)模大、優(yōu)化結果難以識別、拓撲構型難以定量描述或參數(shù)化等問題的限制，使得結構拓撲優(yōu)化技術的應用更多的體現(xiàn)在構件及簡單工況的層面上，較多的應用在概念設計階段。

控制系統(tǒng)是決定機械臂功能和性能的主要因素之一，在一定程度上制約著機器人技術的發(fā)展。它的主要任務就是控制機械臂在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等。機械臂控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，直接影響到機械臂的速度、精度與可靠性。而機械臂控制系統(tǒng)的參數(shù)調節(jié)過程就是優(yōu)化控制系統(tǒng)的一項基本步驟。

目前機器人控制系統(tǒng)參數(shù)調節(jié)過程主要依靠工程經(jīng)驗和簡化數(shù)學模型進行調節(jié)，然后再實物樣機上進行調試，調節(jié)流程復雜，調節(jié)周期長，效率低下。

機械系統(tǒng)從根本上限制了機械臂末端重復定位精度可以達到的最優(yōu)程度。而關節(jié)伺服控制系統(tǒng)直接決定了機械臂末端的跟隨誤差。兩者綜合作用共同決定了機械臂末端的重復定位精度，兩者不應被單獨割裂開來進行分析。

基于上述論述，本文提出了一種基于Simulink&ADAMS聯(lián)合仿真的機械臂機械結構&控制系統(tǒng)參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化研究方法。

1 運動學分析

1.1 正運動學分析

1.1.1 \動學數(shù)學模型的建立

根據(jù)實際的六自由度輕型機械臂構型，建立該機械臂的機構簡圖，并利用標準D-H參數(shù)法建立機械臂的D-H坐標系，如圖1所示。其中機械臂末端的坐標系{O6}的原點與坐標系{O5}的原點重合。對應的機械臂D-H參數(shù)見表1。

2 軌跡規(guī)劃

2.1 工作空間分析

機械臂各關節(jié)均采用了內部走線方式，設計的機械臂各關節(jié)均可達到-180°～180°的運動范圍。得到的機械臂工作空間如圖2中綠色包絡面所示。

2.2 笛卡爾空間圓周軌跡規(guī)劃

擬讓機械臂末端在笛卡爾坐標下沿著空間圓周軌跡運動。選取圓周軌跡的圓心為（500，50，400），半徑250mm，空間圓周所在平面的法向量為（0，4，3） 。

經(jīng)上述規(guī)劃得到的圓周軌跡方程為：

經(jīng)校驗，上述規(guī)劃的圓周軌跡在機器人的工作空間內，如圖2中紅色圓周曲線即為規(guī)劃的末端工作軌跡。

2.3 關節(jié)空間各關節(jié)軌跡規(guī)劃

將上述在笛卡爾空間中規(guī)劃的圓周軌跡，通過機械臂逆運動學求解方法，轉化成機械臂關節(jié)空間中各關節(jié)的關節(jié)角度軌跡的三次樣條擬合曲線，如圖3-圖8所示，其中0-5s內的各關節(jié)運動軌跡曲線是機械臂從初始狀態(tài)運動到軌跡起始點的關節(jié)軌跡曲線。各關節(jié)軌跡的角度插值點見表2所示。

3 關節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化

對于大關節(jié)而言，后續(xù)的機械臂關節(jié)、臂桿、末端執(zhí)行器及工作負載均是其有效負載，是一個與機械臂位置、姿態(tài)及各關節(jié)運動狀態(tài)相關的變量。單純的在Matlab中考慮機械臂的動力學特性比較復雜、計算時間長。利用專業(yè)的動力學建模分析軟件Adams，在Adams中解決機械臂的動力學問題，利用Simulink-Adams聯(lián)合仿真，解決機械臂任務級伺服系統(tǒng)仿真。

將上述優(yōu)化完成的大臂桿模型導入到ADAMS中并建立柔性體，進行Simulink-ADAMS聯(lián)合仿真，如圖9、圖10所示。

4 結果驗證

對比協(xié)同優(yōu)化前后的機器人系統(tǒng)實現(xiàn)相同工作路徑時機械臂末端的位置誤差，驗證協(xié)同優(yōu)化方法對提升機器人末端重復定位精度的有效性

表3中列出了優(yōu)化前后機械臂末端原點最大偏差對比數(shù)據(jù)，各方向上的最大偏差量均有較大幅度的減小，其中主要受力方向―Z方向（即豎直方向）的最大偏差量減小了69.23%。

表明了本文提出的協(xié)同優(yōu)化方法對提升機械臂重復定位精度的有效性。

5 結論

本文提出了一種基于Simulink-Adams聯(lián)合仿真模型的控制系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化方法。考慮了機械臂機械系統(tǒng)柔性，傳動鏈間隙及關節(jié)傳動鏈剛度等影響因素，使仿真結果更加準確可靠，使得調節(jié)后的控制參數(shù)更加接近真實最優(yōu)值。協(xié)同優(yōu)化后機械臂末端的重復定位精度有明顯的提升，證明了該方法的有效性，對機械臂的后續(xù)研究更具指導意義。

參考文獻

[1]謝濤，劉靜，劉軍考.結構拓撲優(yōu)化綜述[J].機械工程師，2006（08）：22-25.

[2]Krog L，Tucker A，Rollema G，et al. Application of topology，sizing and shape optimiza-tion methods to optimal design of aircraft components[J].2002.

[3]Lee S H，Kim J，Park F C，et al. Newton-Type Algorithms for Dynamics-Based Robot Movement Optimization[J].IEEE Transactions on Robotics，2005，21（04）：657-667.

[4]Liu L，Wang G D，Xiao R Y，et al. Optimization of the Method to Palletize Firebricks by Robot Based on Pareto Genetic Algorithm[J].Applied Mechanics & Materials，2014，620：337-342.

[5]Lim K B，Junkins J L.Robustness optimization of structural and controller parameters[J].Journal of Guidance Control & Dynamics，2012，12（12）：89-96.

[6]Deng K，Pan P，Sun J，et al.Shape optimization design of steel shear panel dampers[J].Journal of Constructional Steel Research，2014，99：187-193.

[7]Bourdin B，Kohn R V.Optimization of Structural Topology in the High-Porosity Regime[J].Journal of the Mechanics & Physics of Solids，2004，56（03）：1043C1064.

[8]Tai K，Wang S，Akhtar S，et al. Structural Topology Optimization Using a Genetic Algo-rithm and a Morphological Representation of Geometry[J].Dissertations & Theses - Gradworks，2003，599：319-323.

[9]Sigmund O，Maute K.Topology optimization approaches[J]. Structural & Multidisciplinary Optimization，2013，48（06）：1031-1055.

作者介

姜迪開（1987-），現(xiàn)為北京精密機電控制設備研究所工程師。

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關鍵詞：結構設計 柔性 承載結構 力學分析

中圖分類號：TE92 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0092-03

井下牽引器脹閘結構是實現(xiàn)運動的保障，脹閘結構要提供足夠的脹緊力，同時要保證與井壁的接觸力足夠大，這樣才可以保證牽引器達到需要的牽引力。傳統(tǒng)的設計方案為四桿結構[1～2]，采用平行四邊形的支撐結構來實現(xiàn)脹閘機構的脹緊和收縮，使得機構簡單可靠，但是四桿結構占據(jù)的空間較大。所以在傳統(tǒng)的設計方案上提出一種全新的設計方案，即柔性支臂結構，該結構只是由彈簧片構成支撐臂，結構簡單，保證牽引器始終處于正中位置時，由于具有柔性，在脹緊時，彈簧片與井壁充分接觸，防止相對井壁產(chǎn)生滑動。所以綜合以上所述，本設計選擇柔性的脹閘結構。

1 脹閘結構設計

1.1 牽引器原理設計

該牽引器基于伸縮往復運動，主要包括：前后兩個脹閘機構和中間的一個伸縮驅動機構。運動原理如圖1所示。（圖1）a為初始狀態(tài)，兩個脹閘模塊的支撐臂撐開壓緊管壁。開始工作之后脹閘模塊1工作鎖止，同時脹閘模塊2收回。然后伸縮驅動機構展開，如（圖1）b所示直到最大行程，之后脹閘模塊1收回，脹閘模塊2工作鎖止，拖動后面裝置向前運動如圖1c所示，繼而恢復到（圖1）a狀態(tài)。此時系統(tǒng)已經(jīng)向前運行了一段距離，反復進行從（圖1）a到（圖1）c運動過程，牽引器就能夠不斷前進，直到到達目的地。

1.2 脹閘模塊設計

柔性的脹閘結構就是采用具有一定彎曲性能的柔性臂[3]，如圖2所示，該結構由彈簧片、液壓缸、滑套、連桿等組成。開始工作時，柔性臂處于收縮狀態(tài)，一旦受到壓力時，柔性臂會產(chǎn)生彎曲，像燈籠一樣脹滿井內，與井壁緊緊地接觸。由于柔性臂與井壁接觸的端面有自鎖裝置，或者經(jīng)過特殊的處理，會產(chǎn)生很大的摩擦力，使得牽引器整體被鎖住。這種脹閘機構的動力源與四桿機構脹閘是類似的，通過液力裝置提供驅動力，進而通過滑套帶動柔性臂兩端靠近或者遠離實現(xiàn)脹閘的脹緊和收縮。

2 脹閘結構有限元力學分析

根據(jù)脹閘結構在實際工作中承載的特點，將井壁簡化成一個長方體。彈簧片的柔性行走機構的簡化模型（如圖3）。在井壁的簡化實體下端面施加全位移約束，彈簧片一端固定，施加全位移約束，彈簧片另一端鉸支，施加Y方向和Z方向的約束。將液壓缸的動力轉化為等效面載荷，均勻施加到彈簧片鉸支一端的截面上，然后進行求解運算。

彈簧片的尺寸參數(shù)（見表1），力學性能參數(shù)（見表2）。

彈簧片與井壁接觸所產(chǎn)生的應力云圖（圖4a、c、e），可以看出開始接觸時，是一個區(qū)域與井壁接觸，隨著載荷的增加，接觸應力隨之增大，彈簧片與井壁的接觸面積增加，接觸面積逐漸由一個區(qū)域變成兩個區(qū)域，并由中間向兩邊進行擴散，同時接觸應力大小也有短暫的趨于平穩(wěn)，這是因為剛開始時，是一個區(qū)域接觸，當分散成兩個區(qū)域時，這兩個區(qū)域就分擔了總的接觸應力，所以接觸應力數(shù)值會維持在50 MPa，當兩個區(qū)域接觸處趨于平穩(wěn)時，接觸應力也隨之增加。從接觸面所產(chǎn)生的應力云圖（圖4b、d、f），可以看出井壁所受的應力開始也是集中在一個區(qū)域，后來逐漸由一個區(qū)域變成兩個區(qū)域，并且接觸應力也是隨著載荷的增加而增大，在變化的過程中所受的接觸應力維持在30 MPa，彈簧片的接觸應力值與井壁所受的應力數(shù)值不相等，主要是因為兩者在材料屬性選擇上不同造成的。

接觸應力隨載荷變化的圖像（圖5）顯示載荷小于650 N時接觸應力為0 MPa，這是因為根據(jù)井下牽引器實際運行的情況，彈簧片與井壁有一定的間隙，載荷小于650 N時，兩者還沒有接觸，當載荷達到650 N時，彈簧片與井壁開始接觸，接觸應力隨載荷的增加而增大。

接觸壓力隨載荷變化的圖像如圖6所示，接觸壓力隨載荷的增大呈非線性的增加。根據(jù)該設計的要求，彈簧片與井壁之間的接觸壓力應該為5000 N，依據(jù)（圖5）與（圖6）知，當載荷為5300 N時，接觸壓力為5000 N，接觸應力為189.25 MPa，彈簧片的材料為65 Mn，屈服強度為690 MPa，彈簧片的接觸應力小于65 Mn的屈服強度，滿足強度要求。

3 結論

本文對井下牽引器脹閘結構進行了合理的設計，在支撐臂構件上，采用彈簧片創(chuàng)新性的設計，運用ANSYS分析軟件，根據(jù)實際情況對物理模型進行簡化，建立仿真模型，正確施加荷載與約束的情況下，進行求解分析，滿足實際要求，由以上分析可知，在設計要求下，載荷加載到最大值時，彈簧片等關鍵性構件滿足強度要求。

參考文獻

[1] 常玉連，邵守君，高勝.石油工業(yè)中管道機器人技術的發(fā)展與應用前景[J].石油機械，2006，34（9）：122-126.

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關鍵詞：掘進機 截割臂 整體強度 優(yōu)化設計

The research of EBZ230 roadheader cutting arm design

Song Yuchen

Jiamusi coal-mining machinery Co.，Ltd, Heilongjiang Jiamusi 154003

Abstract: The EBZ230 roadheader of semi-coal rock and soft rock tunnel。cutting arm was formed by integral welding technology。 Using this technique, each component could be independently formed, It was easy to realize more complex structure through assembling block, there were also many problems with integral welding structure，such as processing technology and assembly process were not perfect, and the strength was low。

Keywords: roadheader cutting arm strength optimization design

半煤巖、軟巖巷道掘進機在礦井下進行掘進作業(yè)時的環(huán)境非常惡劣，有些巖層節(jié)理不發(fā)育，軟硬程度不一，結構很復雜，普氏硬度能達到6～8，強度和韌性較高，掘進機工作時截割部所承受的沖擊、扭轉、折彎強度非常大。所以對掘進機的破壞程度也非常大的，特別是對截割臂的法蘭面與外筒壁聯(lián)接處破壞最大，稍有焊接缺陷，在焊口處就可能出現(xiàn)撕裂，針對此問題我特地去了我們掘進機用戶（雞西東海煤礦605井）進行實地考查研究，有針對性的對截割臂在工作時的狀態(tài)及受力情況進行了分析。

1、掘進機選型

我公司研制的掘進機功率越來越大，對掘進機各結構件的強度要求也就越來越高，而煤礦巖巷截面積不可能無限增大，這就要求我們在設計掘進機的時候既要提高掘進機功率，結構上又不能成倍放大尺寸，同時其強度又要能滿足客戶的使用壽命要求。基于此等諸多設計要求，我去了雞西東海煤礦605井，選擇EBZ230掘進機作為突破口，進行調查。

2、截割臂改進設計概述

EBZ230型掘進機在該礦井下作業(yè)，由于其巖層節(jié)理發(fā)育不完全，比較硬，強度和韌性較高，機器振動非常強烈，這樣除了對截齒磨損大之外，對整個截割部的強度都有很大的沖擊。由于掘進機在截割一個巷道斷面時是連續(xù)工作的，截割部工作時升降和回轉兩個動作時常會同時完成，所以特別對截割臂與減速機的聯(lián)接法蘭處的彎曲強度造成的沖擊最大?；趯ι鲜鰡栴}的解決，我對掘進機的截割臂從設計、材料、工藝上進行優(yōu)化設計，采取以下改進方案：(1)保持原截割臂的整體結構形式，外筒體采用整體鑄造工藝成型，最大限度加大可能存在應力集中處的圓角；(2)內噴霧給水方式由前方給水改為后方給水；(3)臨時支護座板采用焊接工藝完成。

3、截割臂的改進措施

3.1 措施一：外筒體的改進

截割臂的整體結構形式不變，外筒體采用整體鑄造工藝成型，筒體和法蘭面聯(lián)接處采用大圓角過渡，避免大的彎曲力造成的應力集中現(xiàn)象，使整個截割臂抗彎曲強度提高20%。

3.2 措施二：內噴霧的給水方式由前方給水改為后方給水

原焊接式外筒體采用的是前方給水的方式，整個水道以焊接工藝固定在外筒體的外表面，把水輸送到前面的浮動密封架，通過密封架流到截割頭軸，再傳輸?shù)浇馗铑^。新的給水方式是在截割臂的后端將水輸送到截割頭軸，再傳輸?shù)浇馗铑^，這樣既減化了工藝又避免內噴霧水直接滲漏到軸承內腔，從而避免了滲漏水對軸承的腐蝕。

3.3 措施三：臨時支護座板采用焊接工藝完成

由于在截割部要安裝臨時支護和外噴霧架體，所以外筒體在整體鑄造成型后還要以焊接工藝把臨時支護座板和外噴霧架焊接在上面，采用整體鑄造和焊接工藝相結合的設計方案一是可以保證截割臂的整體強度的需要，二是可以更容易地做到復雜結構的成型。

圖1 改進設計前結構 圖2 改進設計后結構

4、結語

新型截割臂的掘進機經(jīng)過井下進行實際工作，總結得出以下結論；(1)EBZ230掘進機整體式截割臂相比焊接結構的截割臂在強度上可以提高20%以上，機加工工藝性有所提高；(2)EBZ230內噴霧漏水對軸承的腐蝕現(xiàn)象得到解決；(3)EBZ230掘進機的截割部整體強度得到加強；(4)EBZ230截割臂改進設計思路可以在別的機型上推而廣之。

參考文獻

[1]王啟廣,李柄文,黃嘉興.采掘機械與支護設備.徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2006.4.

[2]周志鴻,馬飛,張文明,毛紀陵.地下鑿巖設備.北京:冶金工業(yè)出版社,2004.11.

[3]李曉豁.掘進機截割的關鍵技術研究.北京:機械機械工業(yè)出版社,2007.10.

[4]李貴軒.掘進機械設計.阜新:阜新礦業(yè)學院,1992.10.

篇5

目前，化學發(fā)光免疫分析儀以分立式結構最為典型。分立式結構的工作原理[1]與手工操作相似，樣品與試劑按特定比例被添加到彼此分立的反應杯或試管中完成混合、孵育和檢測等過程。各個樣品在分析過程中是互不摻雜的，因此交叉污染率相對較低。本文提出一種新型的化學發(fā)光免疫分析儀的結構設計方案，重點介紹了存儲模塊、加樣模塊、傳送模塊等結構，在傳統(tǒng)分析儀結構設計的基礎上進行了一些改進設計，有效地提高了工作效率和空間利用率。

1分析儀工作流程分析

在本文的結構方案設計中，全自動化學發(fā)光免疫分析儀的工作流程（如圖1所示）為：加樣模塊中的加樣針先后吸取待測樣品與配套的兩種試劑并將其加入到反應杯中混合，然后反應杯進入孵育區(qū)進行免疫反應。免疫反應完成后，去除反應杯內的干擾物并加入發(fā)光底物，隨后對發(fā)光強度進行檢測。將所得數(shù)據(jù)與標準品測出的標準曲線進行對照，計算分析得出待測物的濃度。

2分析儀各模塊結構與功能

2.1存儲模塊

樣品、試劑存儲模塊主要用于存放待測樣品及各種相關試劑，同時可以將樣品和試劑傳送到加樣位置上。如圖3所示為化學發(fā)光免疫分析儀存儲模塊結構圖。存儲模塊由兩個樣品轉盤和一個試劑轉盤組成。樣品轉盤和試劑轉盤均設計為圓環(huán)形盤狀結構，其圓周上均勻布置用于放置樣品、試劑容器的收容腔。樣品轉盤用于放置盛放待測樣品的試管，并通過轉動將待測樣品依次傳送到加樣位置，等待加樣模塊進行加樣操作。試劑轉盤同圓心地布置于樣品轉盤的內側，可通過轉動將所用試劑傳送到加樣位置。用于實驗檢測的兩種配套的試劑分別放置于試劑轉盤的內、外圈收容腔內。當待測樣品較多時，備用樣品轉盤可用于放置樣品。此時，加載模塊可將樣品轉盤已檢測完畢的樣品卸載到備用樣品轉盤上的廢棄位置，并將待測樣品加載到樣品轉盤上的收容腔內。分析儀的存儲模塊采用轉盤式結構，可使分析儀整體布局更加緊湊，也可以簡化該部分的傳動結構。同時，存儲模塊還可以直接完成將樣品和試劑傳送到加樣位置的動作，無需增加其他傳動結構。相比于同類分析儀樣品、試劑分塊式布局的方式[6]，本文中的存儲模塊結構實現(xiàn)了樣品和試劑的傳送操作，減小了加樣模塊進行加樣操作的行程，進而有效地提高了分析儀的加樣效率。另外，采用轉盤式結構無需額外增加機械結構，即可在轉動過程中，完成有磁珠標記抗體的混勻。

2.2加樣模塊

加樣模塊的主要功能是根據(jù)預先規(guī)劃的運動軌跡控制加樣單元準確運動，按照特定的順序將酶標記抗原、待測樣品、磁珠標記抗體加入到反應杯中，完成加樣操作?；瘜W發(fā)光免疫分析儀加樣模塊結構如圖4所示。加樣模塊由直線導軌、加樣單元（包含加樣針）、清洗槽等部分組成。直線導軌將加樣單元限定在一直線軌跡上運動，可分別控制三個加樣單元到達不同的加樣位置。加樣模塊采用三個加樣單元分別攜帶加樣針，可同時吸取存儲模塊中的樣品和試劑，依次加入到反應杯中進行反應，有效避免交叉污染；并且在清洗操作時，能夠同時對三根加樣針進行清洗。加樣模塊的操作方式可大幅節(jié)省樣品、試劑吸取和加樣針清洗時的操作時間，有效地提高加樣操作的效率。同時，分析儀可通過控制存儲模塊中的樣品轉盤、試劑轉盤和傳送模塊的反應盤，使得待測樣品、配套試劑、反應杯的加樣位置位于直線導軌正下方，因此加樣單元只需進行直線移動，相比較常見的三自由度直線式加樣臂[7]和平面關節(jié)式加樣臂[2,3]，加樣模塊對加樣單元的移動行程減小，定位精度的控制也更加簡便。

2.3傳送模塊

分析儀的傳送模塊的主要功能是將反應杯傳送到加樣位置上，同時能夠控制反應杯在發(fā)光檢測分析過程中的位置。傳送模塊起到了串聯(lián)整體儀器的作用，在實驗檢測過程中實現(xiàn)反應杯位置的改變——反應杯經(jīng)過加樣位置、孵育位置、清洗位置、加底物位置和檢測位置，并最終被回收——使分析儀的各個工作流程能夠連續(xù)進行。如圖5所示為化學發(fā)光免疫分析儀傳送模塊結構圖。圖5(a)為傳動模塊俯視圖。傳動模塊主要由底盤和四個反應盤組成。每個反應盤上有若干均布于圓周上的反應杯位，反應杯可放置于反應杯位中。四個反應盤均勻地布置于底盤圓周上。當反應杯需要加樣時，反應盤轉動一定角度到達加樣位置，即進行“自轉”。當加樣操作完成后，反應盤再次轉動一定角度，使下一個位置的反應杯到達加樣位置，等待下一次加樣操作的進行，依此類推。當分析儀對一個反應盤上所有的反應杯均完成加樣操作后，傳送模塊進行“公轉”：轉盤帶動四個反應盤轉動90°，“公轉”過程中反應盤保持靜止。傳動模塊的“自轉”與“公轉”的相互轉換，可通過布置于轉盤下方的傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。該傳動模塊設計的特點在于：1）在反應杯數(shù)目滿足實驗的孵育時長和高通量的條件下，將反應杯平均布置于四個反應盤上，可有效減小傳動模塊的占用面積，并且結構簡單；2）在“自轉”過程中，四個反應盤同步轉動，同時可以保證每個反應盤的操作相互獨立，互不干擾；3）反應盤模塊化設計，當一個反應盤完成發(fā)光檢測后，可更換新的反應盤到轉盤相應位置，保證實驗檢測的連續(xù)性。

2.4加載模塊

分析儀的加載模塊由一個機械臂構成，其結構如圖6所示。機械臂由移動關節(jié)、大臂、小臂和末端夾取裝置組成，其自由度數(shù)為3。末端夾取裝置的開合可以通過電磁鐵通斷電情況來控制：當電磁鐵通電時，夾取裝置張開；當電磁鐵斷電時，夾取裝置閉合。加載模塊主要有兩個功能：更換反應盤；更換樣品試管。在反應盤中心位置開有一個夾取用孔。當一個反應盤上所有位置的反應杯均完成發(fā)光檢測操作后，將機械臂夾持裝置的末端伸入該反應盤的夾取用孔中，電磁鐵通電后，夾取裝置張開，撐住孔內壁，將使用過的反應盤移動到回收位置。之后，將備用的反應盤移動到相應的反應盤位置上，完成反應盤的更換。此操作示意如圖7(a)所示。同理，將機械臂夾持裝置的末端伸入已完成加樣的樣品試管中，夾取裝置張開，末端撐住樣品試管內壁，可以完成樣品試管的更換操作。此操作示意如圖7(b)所示。利用分析儀加載模塊，可以完成備用實驗用品的更換操作，使得實驗測試能夠連續(xù)不斷地進行，進而增加實驗的測試通量和儀器工作效率。同時，采用機械臂進行相關操作，提高了分析儀的自動化程度，減少了實驗人員的人工干預。另外，末端夾取裝置通過電磁鐵進行控制，減少了電機的數(shù)目，利于控制操作過程。

3結束語

篇6

關鍵詞:工作機構;運動學;動力學鏟運機

中圖分類號:TH132文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2010)04-0040-03

對鏟運機工作機構進行運動學和動力學分析是鏟運機設計工作中的重要一環(huán)。鏟運機的構件是用來傳遞載荷或能量的,這些部件的強度、剛度、穩(wěn)定性和破壞是設計中必須要考慮的。使用現(xiàn)代結構分析方法將鏟運機結構設計從規(guī)范和經(jīng)驗設計向仿真設計轉變,使設計者在設計階段就能從仿真分析中形象地了解整個結構在受載后的應力、變形以及動力特性,評估設計質量,尋找最佳設計方案,將使鏟運機結構設計質量發(fā)生質的飛躍。圖1是三立方米鏟運機工作機構虛擬模型:

一、運動學及動力學分析

1.動臂的受力狀況。工作裝置的動臂是整個工作裝置的承力構件和運動基礎,它的受力狀態(tài)歷來受到設計者的高度重視。在裝載過程中轉斗油缸及舉升油缸運動特性如圖2和圖3所示。動臂與鏟斗、舉升油缸活塞桿、前車架三個鉸銷處鉸銷的受力仿真結果比較如圖4至圖6所示:

仿真結果表明:(1)動臂與前車架、舉升油缸活塞桿、鏟斗三鉸點所受到的最大峰值載荷均出現(xiàn)在動臂舉升到最高處物料卸載前的瞬間,此時動臂與鏟斗鉸銷處峰值載荷為2.30×106 N,鏟斗與動臂鉸銷處所受峰值應力為3.64×108 Pa;動臂與前車架鉸銷的峰值載荷為2.92×106 N,動臂與前車架鉸銷的峰值應力為3.11×108 Pa;動臂與舉升油缸活塞桿鉸銷處的峰值載荷為5.74×106 N,該處的峰值應力為9.00×108 Pa;(2)動臂與前車架、舉升油缸活塞桿、鏟斗三鉸點受力變化規(guī)律基本一致,出現(xiàn)的三個峰值的時間完全一樣,分別為轉斗的瞬間、鏟斗處于最高的卸載位置、鏟斗前傾物料即將卸載前的瞬間;(3)在地下鏟運機工作裝置的整個工作過程中,動臂與舉升缸鉸點處的受力變化波動幅度最大,而動臂與鏟斗鉸點受力變化波動幅度最小。

2.拉桿。拉桿與鏟斗鉸銷的受力仿真結果如圖7所示, 拉桿與搖臂鉸銷的受力變化如圖8所示:

仿真結果表明:拉桿的受力狀況比較復雜,出現(xiàn)四個較大的峰值區(qū)即轉斗的瞬間、轉斗結束的瞬間、鏟斗處于最高的卸載位置處、物料卸載區(qū);特別是物料卸載時,連桿的受力最為惡劣。連桿與鏟斗鉸接處鉸銷最大受力為2.30×106 N,3.66×108 Pa;而拉桿桿與搖臂鉸銷所受的力為2.30×106 N,其峰值應力為3.62×108 Pa。

3.轉斗油缸活塞桿。轉斗油缸是鏟斗實現(xiàn)轉斗動作必可少的一個部件,轉斗油缸活塞桿的受力及應力變化仿真結果如圖9所示:

仿真結果表明:轉斗油缸活塞桿的最大受力發(fā)生在鏟斗卸載前的瞬間,其峰值載荷為2.87×106 N,其峰值應力為4.50×108 Pa。

4.轉斗油缸缸體與前車架鉸銷處的受力狀況。轉斗油缸與前車架的受力變化如圖10所示。仿真結果表明:轉斗油缸缸體與前車架鉸銷處的最大受力發(fā)生在鏟斗卸載前的瞬間,其峰值載荷為2.87×106 N,該處最大應力為4.50×108 Pa。

5.舉升油缸。舉升油缸是工作裝置實現(xiàn)從裝載位置到最高卸載位置運動必不可少的部件,它的受力狀況仿真結果如圖11所示:

仿真結果表明:舉升油缸受力變化也出現(xiàn)了三個較大的峰值,即轉斗的瞬間、鏟斗處于最高卸載位置、鏟斗中物料卸載前的瞬間。其最大受力發(fā)生在動臂處于最高的卸載位置鏟斗中物料卸載前的瞬間,所受到的最大外力為5.71×106 N,其峰值應力為9.00×108 Pa。

6.舉升油缸與前車架鉸銷。舉升油缸與前車架鉸的受力與應力變化情況仿真結果如圖12所示:

仿真結果表明:舉升油缸最大受力發(fā)生在動臂處于最高的卸載位置鏟斗中物料卸載前的瞬間,所受到的最大外力為5.71×106 N,其峰值應力為9.00×108 Pa。

7.搖臂與動臂鉸銷。搖臂與動臂鉸銷受力及應力變化情況仿真結果如圖13所示:

仿真結果表明:舉升油缸最大受力發(fā)生在動臂處于最高的卸載位置鏟斗中物料卸載前的瞬間,所受到的最大外力為5.18×106 N,其峰值應力為6.60×108 Pa。

二、解決方案

從上面的力學分析來看,各銷軸的受力情況都在設計安全范圍之內。但是在實際的運動過程中,大臂與前車架及鏟斗與大臂處鉸銷經(jīng)常發(fā)生咬死,經(jīng)分析是由于不充分所致,銷軸與套的配合以前用的是H8/f7,現(xiàn)在改為了H8/e7,使銷軸與套間隙增大,并在油出口處加工了一道油槽,使更加充分。結構改進后從為發(fā)生過咬死的情況。圖14與圖15分別是改進前的銷軸結構及改進后的銷軸結構。

三、結論

隨著計算機技術的發(fā)展,人們對一些復雜運動機構的運動學分析及動力學分析顯得越來越迫切,對鏟運機工作機構進行運動學分析及動力學分析,能得到各鉸銷的峰值載荷發(fā)生的瞬間及載荷的大小,給工程設計提供了數(shù)據(jù)支持,并得到了大臂與前車架及鏟斗與大臂處鉸銷咬死的原因是由于鉸銷設計不合理,導致了不夠充分。

參考文獻

[1]楊晉生.鏟運機運輸機械設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1981.

[2]張棟林.地下鏟運機[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002.

[3]劉茵.井下鏟運機工作機構的設計[J].礦山機械工業(yè),2001,(2).

[4]高夢熊.地下裝載機驅動橋殼強度計算[J].工程機械,2002,(8).

[5]王德人.非線性方程組解法與最優(yōu)化方法[M].北京:人民教育出版社,2004.

[6]姚踐歉,李政菊,彭才忠.裝載機鏟斗插入鏟取機理與阻力[J].工程機械,1993,(3).

篇7

關鍵詞：重載鐵路 接觸網(wǎng) 設計 研究

中圖分類號：U21 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（c）-0126-02

重載鐵路大秦線全長653 km，設計之初按牽引質量1萬噸、年運量1億噸設計1992年全線開通運營。

大秦2億噸擴能改造工程，為既有電化線路改造，AT供電方式，接觸網(wǎng)線條較多，且與10 kV電力線合架。在2004年施工過程中要完成1.5億噸的運輸任務。設計過程中克服了技術要求高、站前和站后工程交叉設計的困難。針對重載鐵路牽引電流大、多機多弓牽引和既有設備限制的特點。經(jīng)過方案研究、論證，確定技術可靠、經(jīng)濟合理的設計方案。

1 改造前接觸網(wǎng)狀況及存在問題

1.1 接觸網(wǎng)懸掛類型

區(qū)間及站場正線采用GJ-100+TCG-110、站線采用GJ-70+TCG-85全補償簡單鏈形懸掛。結構高度一般為1100 mm。正饋線采用LJ-185或LJ-240，保護線、架空地線采用LGJ-70。

接觸懸掛持續(xù)載流量，已不滿足列車取流需要，隨著運量的持續(xù)增長，列車編組方式的變化，該問題更為突出；另外，在橋上及風口地段支柱間跨距較大，接觸網(wǎng)穩(wěn)定性較差，曾發(fā)生陣風將接觸線吹起造成打弓事故。

1.2 支柱

區(qū)間腕臂柱采用環(huán)形等徑預應力鋼筋混凝土支柱，站場軟橫跨柱及橋鋼柱一般采用涂漆防腐。支柱使用情況較好，但部分混凝土支柱存在裂紋現(xiàn)象。

1.3 支持裝置

腕臂結構一般為斜腕臂+水平拉桿形式；站場一般采用軟橫跨結構；隧道內一般采用吊柱支持結構。從運行情況來看，區(qū)間接觸網(wǎng)穩(wěn)定性較差，在陣風作用下，造成接觸網(wǎng)受流質量差，嚴重時造成弓網(wǎng)故障；部分隧道漏水嚴重，冬季時常發(fā)生結冰現(xiàn)象，造成正饋線接地短路事故。

1.4 接觸網(wǎng)零部件

大秦線既有接觸網(wǎng)主要受力件一般采用鑄鐵件，導致接觸網(wǎng)的可靠性較差，接觸網(wǎng)維護工作量大，曾發(fā)生零件斷裂現(xiàn)象。

2 接觸網(wǎng)設計方案研究

大秦線2億噸牽引供電系統(tǒng)擴能改造工程接觸網(wǎng)的改造特點是：

投資緊張：本次改造工程，需更換接觸懸掛1996條公里、附加懸掛3315條公里，增加和更換各種支柱6186根、更換軟橫跨1841組，更換腕臂及定位裝置24376套，以及既有設施拆除等。接觸網(wǎng)改造投資只有5.48億元。

設計周期短：整個改造工程設計時間只有90天。設計文件必須滿足施工進度要求，同時還要結合站前改造方案和既有接觸網(wǎng)的現(xiàn)狀情況，進行方案優(yōu)化。盡量減少過渡工程。

改造范圍大：除保留部分支柱保留外，接觸網(wǎng)其他所有設備均需拆除、更新。

質量要求高：開行2萬噸列車與開行1萬噸列車有著本質的區(qū)別。多機多弓牽引，對接觸網(wǎng)受流質量要求高。

根據(jù)以上特點，接觸網(wǎng)設計時，結合現(xiàn)場調查情況，對以下問題進行論證、分析。

2.1 弓網(wǎng)關系模擬研究

根據(jù)多機多弓的牽引特點，為了實現(xiàn)單元列車2萬噸，電力牽引需要多機牽引，也就是需要多個受電弓同時取流。接觸網(wǎng)從被迫振動到恢復到靜止狀態(tài)需要一定的時間，當多個受電弓同時運行取流時，由于前弓造成的接觸網(wǎng)的振動可能還未恢復到靜止狀態(tài)，后弓已運行到該處，后弓的受流質量會受到接觸網(wǎng)余振的影響，同時也會加大該處接觸線的抬升。多弓運行時，弓網(wǎng)間的動態(tài)關系不同于單弓運行，嚴重時會引起多弓共振，嚴重惡化受流質量。多弓運行時，受流質量不僅取決于受電弓和接觸網(wǎng)，還取決于弓間距及弓間距和接觸網(wǎng)跨距的配合關系。

受電弓間距。

根據(jù)大秦線試驗機車DJ1的特點，要實現(xiàn)2萬噸機車牽引需要四機牽引。如果四機連掛并且都升弓運行，弓間距如下：

35.3m+35.3m+35.3m+35.3m

接觸網(wǎng)主要技術參數(shù)如下。

跨距：65 m；

接觸線：CTA-150 mm2，張力15 kN；

承力索：JTM-150 mm2，張力；15 kN；

2.1.1 四機連掛模擬結果

列車速度：80 km/h。

受電弓型號：因未知受電弓具體數(shù)學模型，以相近受電弓模擬計算。

2.1.2 雙機連掛模擬結果

如果牽引方式為列車頭尾牽引，即在列車頭有兩臺機車，中間有兩臺機車，因為兩萬噸列車較長，前面兩臺機車造成的接觸網(wǎng)振動不會影響中間的兩臺機車的運行狀況。因此只研究相鄰兩臺機車的受流狀況。當采用相同的條件時，模擬結果如表1， 表2所示。

2.1.3 弓網(wǎng)模擬結論

從模擬結果表1，2可知，不管四機連掛，還是雙機連掛，第一個受電弓的抬升相差不大，但四機連掛時由于受電弓間的互相影響，第二個弓的動態(tài)抬升要大于兩機連掛時，并且四機連掛時的第三個和第四個的受電弓的抬升也比第一個受電弓大。因此整體上來說，四機連掛時接觸線的動態(tài)抬升量比雙機牽引大。多弓運行時，由于受電弓間互相影響，弓網(wǎng)間關系變得更加復雜，比如：接觸線動態(tài)抬升偏大。如果在設計時不注意這些變化，會惡化弓網(wǎng)關系。因此，在具體設計之前應根據(jù)機車布置方式和受電弓的類型詳細研究，根據(jù)計算結果指導接觸網(wǎng)的設計。

2.2 主要設計原則確定

2.2.1 懸掛類型確定（含附加導線）

由于AT供電方式接觸網(wǎng)線材數(shù)量多、結構復雜，不僅要考慮線材機械強度要求，還要對牽引網(wǎng)網(wǎng)絡的電流分布關系進行系統(tǒng)的分析和計算。從技術及經(jīng)濟的角度合理地選擇線材截面、材質，使線材中的電流分布與線材的截面的選擇達到最佳效果。

經(jīng)方案比選，確定接觸網(wǎng)懸掛類型為：正線采用JTM150+CTA-150全補償簡單鏈形懸掛、車站到發(fā)線有效長為2800 m時采用JTMH95+CTA-120全補償簡單鏈形懸掛、車站到發(fā)線有效長為1700 m時采用JTMH70+CTA-85全補償簡單鏈形懸掛。為了滿足載流量的要求，正線承力索為低鎂含量鎂銅合金絞線（150 mm2、Mg0.2%），其導電率不小于80%IACS。接觸懸掛載流量不能滿足的區(qū)段，采用加強線進行電流加強。

為了提高接觸網(wǎng)可靠性，采用鋼芯鋁絞線；隧道內正饋線擬采用膠聯(lián)聚乙烯絕緣抗冰導線。牽引變電所、AT所供電線采用2×LGJ-300/15鋼芯鋁絞線，分區(qū)所供電線采用2×LGJ-240/30鋼芯鋁絞線，正饋線根據(jù)載流需要分別采用2×LGJ-185/10、1×LGJ-240/30鋼芯鋁絞線，保護線采用LGJ-95/15鋼芯鋁絞線。

2.3 主要設備及金具選擇

2.3.1 支柱

腕臂柱支柱類型維持Φ400等經(jīng)圓桿不變，只對容量不夠和支柱裂紋嚴重的支柱進行更換。新增的接觸網(wǎng)鋼柱采用熱浸鍍鋅防腐。

對軟橫跨容量不夠的支柱進行更換。為節(jié)約投資，對部分拆除的接觸網(wǎng)鋼柱在滿足使用要求時，進行涂漆后利舊使用。

對橋上60 m以上的大跨距，按增加支柱減小跨距處理，以增強接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性。

2.3.2 支持裝置

全線腕臂結構改為平腕臂，腕臂采用5 mm壁厚的無縫鋼管，以提供腕臂強度及剛度。并設腕臂支撐，正定位及反定位均增加定位管支撐以增強接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性；車站的懸掛采用軟橫跨方式。

隧道外腕臂絕緣子采用高強度瓷質棒式絕緣子（12 kN），隧道內采用復合絕緣子（12 kN）。絕緣子泄漏距離為1200 mm，上下行分段絕緣子泄漏距離為1600 mm。

2.3.3 接觸網(wǎng)零件的研究

由于150 mm2的接觸線、承力索在國內電氣化鐵路上是第一次使用，與之配套的16種（定位線夾、吊弦線夾、接觸線中心錨結線夾、承力索支撐線夾、終端錨固線夾、定位器、電連接線夾等）關鍵接觸網(wǎng)零件的設計、研究。引入有限元分析的手段，提高科學性、合理性及可靠性；在制造工藝上盡量采用金屬模鍛造、金屬模鑄造等先進工藝。

根據(jù)弓網(wǎng)關系模擬結果，確定態(tài)包絡線為水平擺動左右200 mm，動態(tài)抬升120 mm，接觸網(wǎng)定位器采用鋼材質。經(jīng)過近4年的運行證明弓網(wǎng)狀態(tài)良好。

2.3.4 相關技術數(shù)據(jù)的確定

結構高度

根據(jù)既有支柱條件和接觸懸掛方式，確定區(qū)間接觸網(wǎng)結構高度一般為1400 mm，隧道內一般為800 mm。

跨距選擇

根據(jù)既有跨距，確定最大跨距為65m，曲線區(qū)段根據(jù)計算確定。橋梁上（風口地段）跨距布置，對大于60 m的跨距，采取在跨中橋墩上增加支柱的設計方案。

錨段長度

正線接觸網(wǎng)錨段長度一般不超過1600 m，困難時不超過1700 m；站線接觸網(wǎng)錨段長度一般不超過1800 m，困難時不超過1900 m；附加導線錨段長度一般不超過2000 m。

3 對既有材料利舊使用

為節(jié)約工程投資，避免浪費既有材料，對符合使用要求的材料進行利舊使用。其主要內容為：腕臂、正饋線、保護線肩架再鍍鋅后可利舊使用，對因站場改造拆除的軟橫跨鋼柱，重新涂漆后利舊使用，對下錨拉桿利舊使用，抗彎8 kN的棒式絕緣子等，對利舊材料需結合荷載變化進行檢算、檢驗、試驗才能使用。通過材料利舊，共節(jié)約工程投資約1000萬元。

4 接觸網(wǎng)與其他專業(yè)的配合

4.1 接觸網(wǎng)與車站設計的配合

大秦線2億噸擴能改造工程中，有11個車站到發(fā)線有效長為2800 m，車站股道數(shù)量為4～27股，這樣長的車站在國內也是第一次采用，有技術作業(yè)的車站每隔700 m在兩股道間設有一處腰岔（渡線）。對接觸網(wǎng)平面布置提出了新的要求。如按正常的站場設計方案，接觸網(wǎng)在每股道需設2～3個錨段，加之腰岔處的單獨下錨的錨支錨段，使車站內接觸網(wǎng)的工作支、非工作支的交叉非常多。為保證接觸懸掛的正常下錨角度，錨支的過渡長度會很長，在股道和腰岔較多的車站會使接觸網(wǎng)的平面布置非常復雜，不但造成接觸網(wǎng)工程投資的增加、施工和運營維護難度大，當接觸網(wǎng)發(fā)生事故時影響范圍將擴大，同時也影響整個站場的美觀。

為此，接觸網(wǎng)專業(yè)在設計過程中，給站場專業(yè)提出改進修改設計建議，要求站場專業(yè)在進行站場設計時每隔4～5股道留一個6.5 m的線間距，以方便接觸網(wǎng)錨柱立桿。

4.2 接觸網(wǎng)與其他專業(yè)的配合

在橋梁設計過程中，接觸網(wǎng)專業(yè)將需要配合橋墩接觸網(wǎng)支柱的荷載及支柱安裝尺寸提供給橋梁專業(yè)，由橋梁專業(yè)設計預埋接觸網(wǎng)托架。

5 多渡線區(qū)段的特殊設計

柳村南站到發(fā)線有效長2800 m，共27股道，且大部分為小半徑曲線，由于技術作業(yè)的需要，在線間設置了近百組腰岔，一股到發(fā)線要由3～4個錨段組成，需設2～3個錨段關節(jié)。如按常規(guī)設計，腰岔處每條渡線需單獨設置一個錨段，腰岔區(qū)段接觸網(wǎng)的平面布置會非常復雜。

在設計中經(jīng)過研究、論證，確定采用線岔過渡代替錨段關節(jié)的設計方案，不僅使接觸網(wǎng)的平面布置更加簡化，而且能夠節(jié)省大量投資。將錨段關節(jié)由線岔替代渡線成“V”形狀下錨。此布置形式對施工技術要求更高，在線岔調整時仔細、認真，以期達到最佳效果，否則將會影響弓網(wǎng)等關系。采用線岔過渡代替錨段關節(jié)后，節(jié)約了下錨支柱約150根、接觸懸掛架設約15 km及接觸網(wǎng)相關配件，節(jié)約工程投資約400萬元。而且縮短了施工周期、減少了施工過程對運輸?shù)母蓴_，使接觸網(wǎng)布置更美觀。也為以后類似工程的開展積攢了寶貴經(jīng)驗。

6 結語

經(jīng)過對設計方案的研究論證，滿足了2萬噸列車的開行條件，并適當留出余量。工程竣工已有8年多時間，因設計方案與運營實際情況相匹配，在運營中得到了實踐驗證，未發(fā)生因接觸網(wǎng)的不適應引起的行車故障。在工程實踐中，取得了多項自主創(chuàng)新成果，為今后重載鐵路的設計積累了寶貴經(jīng)驗。經(jīng)濟和社會效益增加十分明顯。

大秦線2億噸擴能改造后牽引質量為2萬噸、軸重為25 t。在通過特大橋時對橋墩產(chǎn)生的振動時間、振動幅度相對加大，影響接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性，對此問題還需進一步研究解決。

參考文獻

篇8

關鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 智能機器人； 遠程控制； 太能； STC11F32E

中圖分類號： TN915?34； TN923； TP399 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0073?04

Design of IOT intelligent robot

TANG Lili1， WANG Jinyong1， HUANG Wei2

（1. Zhixing College， Hubei University， Wuhan 430011， China； 2. System Design Institute of Hubei Aerospace Technology Academy， Wuhan 430040， China）

Abstract： The network intelligence robot system was developed on the basis of STC11F32E MCU， TCP / IP network communication protocols and Android. The system is composed of video capture module， WiFi transmission module， PC upper computer software， Android mobile client， robot， intelligent control module， etc. The system can utilize PC or mobile phone APP to make robot switch among following mode， obstacle avoidance mode or intelligent tracking mode according to the needs of different environments， and control the robot′s movement direction and action. It can make the real?time picture taking， data acquisition and display throughout the course of the operation. Of cause， the operator can also control the robot to complete the set task. The experiment result indicates that the network intelligence robot is basically completed， and the predicted functions have realized.

Keywords： Internet of Things； intelligent robot； remote control； solar energy； STC11F32E

物聯(lián)網(wǎng)智能機器人是機器人家族中的一種，具有智能跟蹤、環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)測試、遠程操作、跟蹤拍攝、路線循跡等功能，可以通過電腦上位機或手機客戶端遠程控制電視、空調等。也可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的智能自動跟蹤、自動循跡和自動避障。在整個運作過程中可以實時拍攝周圍視頻資料，創(chuàng)新云臺設計，實現(xiàn)全方位無死角拍攝。

當前我國大力提倡節(jié)能減排，創(chuàng)新驅動發(fā)展，為了響應國家號召，在設計物聯(lián)網(wǎng)機器人時創(chuàng)新加入太陽能充電裝置，雖然充電效率不高，但太陽能是最環(huán)保、有很大前景的能源。

1 總體設計方案

物聯(lián)網(wǎng)智能機器人的總體設計方案如圖1所示。

圖1中有兩種控制模式，一種是組成機器人控制局域網(wǎng)，將上位機PC端，手機客戶端APP和智能機器人連接起來，實現(xiàn)上位機PC端或手機APP客戶端控制機器人和顯示視頻數(shù)據(jù)的目的；另一種遠程控制方案是將機器人通過網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)相連，再將上位機PC端或手機APP客戶端通過數(shù)據(jù)線連入互聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)遠程終端通過互聯(lián)網(wǎng)和機器人相連，進而實現(xiàn)控制機器人和視頻傳輸。這兩種設計方案的核心技術相同，都是通過網(wǎng)絡地址和端口號的設定，再通過指令傳輸和視頻數(shù)據(jù)傳輸，進而達到控制的目的。由于考慮到演示的效果和方便操作，本設計用局域網(wǎng)機器人控制的方式進行分析說明。

從數(shù)據(jù)傳輸方面來說，無線路由器是手機APP客戶端、上位機PC端和下位機的數(shù)據(jù)核心，終端可以通過一個套接字編程，建立網(wǎng)絡接口，進而與無線路由器進行連接，智能機器人便可以通過一個網(wǎng)口轉串口的WiFi模塊，再將機器人的串口數(shù)據(jù)通過這個模塊轉變成WiFi信號，就可以實現(xiàn)和無線路由器進行數(shù)據(jù)傳輸。其中，手機客戶端APP、上位機PC端和下位機都有相應的局域IP地址。通過設置正確的IP地址，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

從控制的方面來說，手機客戶端APP和上位機PC端是智能機器人的控制中心[1]，這兩者可以通過按鍵，發(fā)出相應的指令給智能機器人，智能機器人解說到對應的指令后給上位機，再由上位機將接收到的指令進行解析，并執(zhí)行相應的程序，完成對應的動作。

1.1 上位機PC端軟件設計

上位機PC端[2]的功能是控制機器人的運動，控制機械手的動作，顯示機器人當前的速度，采集機器人所在環(huán)境的溫濕度，控制云臺方向，顯示機器人周圍的視頻數(shù)據(jù)。同時，可以在上位機PC端上切換智能機器人的工作模式，其中機器人的工作模式有：循跡模式、紅外避障模式、雷達避障模式、智能模式等，可以根據(jù)環(huán)境的需要切換不同的模式，也可以通過上位機PC端發(fā)送對應的指令，控制家用電器如電視、空調等。上位機PC端軟件設計如圖2所示。

圖2中的功能實現(xiàn)主要由兩個流程完成：第一個流程核心任務是完成從機器人端傳過來的視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)，而這部分的技術主要是DirectShow；第二個流程核心任務是完成從機器人端傳輸過來的機器人當前速度和溫濕度等信息，選擇當前機器人的工作模式，以及完成在上位機PC端和機器人之間的指令傳輸，實現(xiàn)機器人的向前、向后、向左、向右、加速、減速、停止、開燈和鳴笛等[3]功能。在上位機PC端上有控制機械手的進度條，可以遠程控制機械手的操作完成相應的動作，也可以設置機械手和云臺舵機的初始狀態(tài)，避免開機時燒壞舵機。在雷達模式下，上位機PC端可以顯示當前有無障礙物，并會做出轉向的動作避開障礙物。在整個運動過程中上位機PC端都可以顯示拍攝的視頻畫面，可以用鼠標在上位機視頻顯示區(qū)控制云臺，實現(xiàn)機器人無死角拍攝。且兩個流程都設置有各自互不干擾的套接字，第一個流程與機器人的攝像頭模塊完成數(shù)據(jù)傳輸，第二個流程與機器人網(wǎng)口轉串口模塊完成數(shù)據(jù)交互。

1.2 手機客戶端APP軟件設計

本文中的手機APP客戶端采用Android系統(tǒng)，在Eclipse平臺上用Java語言編寫開發(fā)的[4]?？梢酝ㄟ^APP手機客戶端完成的設置和操作有：設置機器人的運動方向指令；設置網(wǎng)絡地址、視頻存儲和拍照存儲地址；設置是否用觸摸屏控制云臺；顯示視頻畫面；控制攝像頭方位和機械臂動作角度；重力控制機器人。

手機APP客戶端軟件控制設計流程如圖3所示。

1.3 下位機軟件設計

下位機設計是機器人核心處理器程序的設計。其設計內容主要包含視頻傳輸控制、云臺操作控制、溫濕度采集、紅外對管模塊和紅外控制家電的設置，以及采集到的視頻數(shù)據(jù)和控制指令互傳等。在設計過程中每部分都是分模塊編寫的，都有相應的程序模塊，再由主函數(shù)將所有模塊綜合起來，當下位機程序接收到上位機PC端或手機客戶端APP的相關指令后，就調用相對應的程序模塊，執(zhí)行設定好的動作，并將完成的結果發(fā)送給終端，其設計流程如圖4所示[5]。

下位機能夠完成上位機PC端或手機客戶端APP指令，并做出相對應的動作的核心是機器人中有網(wǎng)口轉串口模塊。機器人將代碼指令通過串口轉網(wǎng)口模塊，再以WiFi的形式傳出去，上位機PC端或手機客戶端APP便可以接收到下位機發(fā)出的指令，通過解析并顯示出來，為機器人的下一步動作做好準備。使用模塊時必須設置正確的IP地址以及端口號，只有對應的設置正確了，上位機PC端、手機客戶端和下位機才能進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 設計方案特點及擴展說明

2.1 特點介紹

本設計是以PC軟件、安卓軟件、網(wǎng)絡通信、物聯(lián)網(wǎng)以及單片機技術為基礎，結合當今提倡的利用環(huán)保型能源，創(chuàng)新的構想設計出來的。從機器人處理器的選型，各個模塊的選取，通信協(xié)議方案的制定，以及上位機PC端、手機客戶端APP的設計都與現(xiàn)有的“機器人”有較大的區(qū)別。本設計利用當前最普通的處理器，完成不同尋常的動作，其特點總結如下：攝像頭全方位拍攝； 上位機PC端和APP客戶端可以顯示視頻畫面，并可以實現(xiàn)控制；上位機PC端可以控制云臺，檢查機器人狀態(tài)； 上位機PC端、APP手機客戶端和機器人上位機可以指示小車的運動狀態(tài)[6]；可以實現(xiàn)遠程操作機械手； 可以實現(xiàn)遙控家用電器如電視、空調等；可以用太陽能給蓄電池充電，并有指示燈顯示蓄電池電量；可以接收上位機的控制指令，實現(xiàn)控制，上位機亦可接收反饋指令和視頻的數(shù)據(jù)流。

其中本設計中的通信方式利用的是TCP/IP協(xié)議，采用無線網(wǎng)絡技術實現(xiàn)對機器人的控制。只要設置好IP地址和端口號后就可實現(xiàn)連接，可以實現(xiàn)局域網(wǎng)內機器人的控制，也可以實現(xiàn)超遠程對機器人的控制。另外上位機PC端軟件和手機客戶端APP軟件，控制模式多樣，應用領域廣泛，符合當前機器人的發(fā)展趨勢，為當前機器人的發(fā)展提供可行方案。

2.2 擴展說明

物聯(lián)網(wǎng)智能機器人不僅可以完成上文介紹的功能，還可以擴展以下功能[7]：帶有指示燈顯示運動方向并能夠實現(xiàn)通過重力感應對機器人的控制；帶有GPS全球定位功能在危機時刻或者必要時可以發(fā)送信息；太陽能電池板減輕重量，實現(xiàn)對機器人供電補給；語音功能，可以實現(xiàn)語音播放；可以利用機器人無線設備上網(wǎng)，打電話等。

3 方案難點及關鍵技術

本設計方案難點在于：

（1） 上位機PC端在操作控制機器人時，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求很高，并要用相應的表盤顯示出來，且對數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求更高，網(wǎng)絡通信實現(xiàn)不間斷傳輸更是困難；

（2） 手機客戶端APP通過觸屏控制云臺，并顯示拍攝視頻畫面。顯示視頻就很困難，而通過觸摸屏幕不同方位，控制云臺方向更是困難；

（3） 視頻處理是利用M?JPEG格式圖片，在規(guī)定時間內傳輸一定張數(shù)，顯示出視頻畫面。如果對DierctShow技術內部細節(jié)掌握不夠，處理視頻時就會很困難。關鍵技術有：下位機程序模塊化編寫；上位機PC端軟件編寫；手機客戶端APP的編寫；TCP/IP通信協(xié)議的設定；機器人作為無線網(wǎng)接入網(wǎng)絡；機器人智能模式的完成。

4 系統(tǒng)仿真與結果分析

4.1 物聯(lián)網(wǎng)智能機器人整體外觀

物聯(lián)網(wǎng)智能機器人外觀設計見圖5，整個設計主要分為上位機PC端、手機客戶端APP和機器人三個部分。

4.2 系統(tǒng)整體調試

機器人調試主要包括上位機PC端的調試、手機客戶端APP調試和機器人整體調試。其中機器人整體調試包括機械手調試，太陽能板調試，智能傳感器模塊調試，智能控制電視、空調調試、視頻顯示調試等。

4.2.1 上位機PC端調試

上位機PC端界面可以設置網(wǎng)絡連接模式，顯示視頻、溫濕度和速度等，并實現(xiàn)對機器人運動控制、云臺控制、機械手控制以及對應的功能調試，如圖6所示。

（1） 網(wǎng)絡連接。網(wǎng)絡連接IP地址為192.168.1.1，端口號為2001。其中此IP地址和端口號分別為機器人的網(wǎng)絡地址和 WiFi模塊默認的端口號。上位機設置成以上地址和端口號后就可以實現(xiàn)連接了。這里著重調試通信協(xié)議，通信指令按照之前設定好的代碼，當發(fā)送相應的代碼，機器人就可以做出相應的動作。

（2） 機器人的運動。機器人上位機PC端連接好網(wǎng)絡后，用鍵盤就可以控制機器人的運動。分別點擊W，S，A，D是向前、向后、向左、向右的運動，當拖動鼠標時就可以控制云臺，進而控制攝像頭方位。

為了能更清晰地指示當前機器人的運動狀態(tài)。在機器人的上端設置有指示燈，當機器人向前運動時，向前的指示燈亮；當向后時，向后的指示燈亮；向左、向右情況相同。并且機器人運動的方位不同，指示燈顯示的顏色不同。智能機器人在上位機PC端可以設置不同的控制模式，在不同的應用領域應采用不同的模式。不同的控制模式和控制模式命令代碼分別為：FF130100FF，F(xiàn)F130200FF，F(xiàn)F130300FF，F(xiàn)F130400FF，F(xiàn)F130000FF，F(xiàn)F50000XFF。

（3） 遙控電視。智能機器人可以通過紅外控制家中電器電視和空調等。首先通過上位機PC端發(fā)送FF500001FF，讓智能機器人學習一個“頻道加”按鈕，之后再通過上位機PC端發(fā)送FF510001FF就可以使用智能機器人來控制家中電視“頻道加”。

4.2.2 手機客戶端APP調試

（1） 網(wǎng)絡連接。在APP端上可以設置網(wǎng)絡地址為192.168.1.1，再設置端口號為2001。確認連接后，即可以顯示機器人拍攝的畫面。

（2） 機器人運動。在APP上可以通過遙感、按鈕控制機器人，也可以通過手機的重力感應控制機器人。同時亦可通過控制機械臂進度條來控制機械手，實現(xiàn)機械手的操作自如。

（3） 視頻顯示。在整個控制過程中，可以實時顯示拍攝的視頻畫面。在進行超遠程控制時，畫面仍然可以傳輸回來，且能清晰顯示。另外在調試時發(fā)現(xiàn)，設置波特率時不能調的特別大，不然顯示的畫面不清晰。

5 結 語

在經(jīng)過多次調試和反復修改程序，物聯(lián)網(wǎng)智能機器人基本完成，實現(xiàn)了預期的功能。視頻傳輸和指令傳輸正常，系統(tǒng)穩(wěn)定，機器人各個控制功能都可以完成，電量顯示的靈敏性，數(shù)據(jù)采集的準確性，太陽能充電的能量利用率都達到要求，且無論是在局域網(wǎng)還是超遠程互聯(lián)網(wǎng)中都可以對機器人操控，其系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性可以和近距離控制相比。

本設計將PC軟件技術、安卓手機APP、通信技術、傳感器技術和單片機技術有機地結合起來，順應了當今電子行業(yè)的發(fā)展趨勢，擴展了物聯(lián)網(wǎng)的應用領域。本設計應用領域廣泛，有很大的市場價值，另外，機器人還可以擴展GPS全球定位、無線上網(wǎng)、語音對話等。

參考文獻

[1] 崔更申，孫安青.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實踐[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2] 梁偉.Visual C++網(wǎng)絡編程經(jīng)典案例詳解[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3] 李艷紅.單片機I/O口不宜用作直接驅動出口[J].電站設備自動化，2003（2）：23.

[4] 楊豐盛.Android應用開發(fā)揭秘[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[5] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

篇9

關鍵詞：機械手；PLC；液壓伺服定位；電液系統(tǒng)

目 錄

第1章 前言............................................................. 1

1.1　選題背景. 1

1.2　設計目的. 1

1.3　發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢. 1

第2章 機械手各部件的設計. 3

2.1機械手的總體設計. 3

2.1.1　機械手總體結構的類型. 3

2.1.2　具體設計方案. 4

2.2機械手手爪結構的設計. 4

2.2.1　設計要求. 4

2.2.2　驅動方式. 5

2.2.3　典型結構. 5

2.2.4　具體設計方案. 6

2.3機械手手腕結構的設計. 7

2.3.1　手腕結構的設計要求. 7

2.3.2　具體設計方案. 7

2.4機械手手臂構的設計. 8

2.4.1　手臂結構的設計要求. 8

2.4.2　具體設計方案. 8

2.5機械手腰座結構的設計. 9

2.5.1　腰座結構的設計要求. 9

2.5.2　具體設計方案. 9

2.6機械手的機械傳動機構的設計. 10

2.6.1　傳動機構設計應注意的問題. 10

2.6.2　常用的傳動機構形式. 10

2.6.3　具體設計方案. 11

2.7機械手驅動系統(tǒng)的設計. 12

2.7.1　常用驅動系統(tǒng)及其特點. 12

2.7.2　具體設計方案. 12

2.8機械手手臂的平衡機構設計. 12

2.8.1　平衡機構的形式. 12

2.8.2　具體設計方案. 13

第3章 理論分析和設計計算. 14

3.1電機選型有關參數(shù)計算. 14

3.1.1　有關參數(shù)的計算. 14

3.1.2　電機型號的選擇. 16

3.2液壓傳動系統(tǒng)設計計算. 18

3.2.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案. 18

3.2.2 擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路. 19

3.2.3　液壓源系統(tǒng)的設計. 19

3.2.4　繪制液壓系統(tǒng)圖. 20

3.2.5　確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù). 21

3.2.6　計算和選擇液壓元件. 26

第4章 機械手控制系統(tǒng)的設計. 28

4.1系統(tǒng)硬件設計. 28

4.1.1 操作面板布置. 28

4.1.2 工藝過程與控制要求. 28

4.1.3 作業(yè)流程. 29

4.1.4 控制器的選型. 30

4.1.5 控制系統(tǒng)原理分析. 31

4.1.6 PLC外部接線設計. 31

4.1.7 I/O地址分配. 32

4.2系統(tǒng)軟件設計. 33

4.2.1　控制主程序流程圖. 33

4.2.2　控制程序設計. 34

結論. 51

致謝................................................................52

參考文獻.......................................................... 53

第一章 前言

1.1選題背景

由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學技術的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進設備生產(chǎn)自動化機械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強度、危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。在機械行業(yè)中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更為普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。但目前我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機械行業(yè)自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計具有重要意義。

1.2設計目的

目前，我國大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險性，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率，降低成本，并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應現(xiàn)代機械行業(yè)自動化生產(chǎn)的要求，針對具體生產(chǎn)工藝，結合機床的實際結構，利用機械手技術，設計用一臺上下料機械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機械手主要與數(shù)控機床組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程的自動化和無人化。

1.3發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

目前，國內外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：

一．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。

二．工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，結構小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。

三．機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發(fā)展。

四．關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機械手產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機械手開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)；

五．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機械手產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。

總的來說，大體是兩個方向：其一是機械手的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，性價比高，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。

第二章機械手各部件的設計

2.1機械手的總體設計

2.1.1機械手總體結構的類型

工業(yè)機械手的結構形式主要有四種：直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構和關節(jié)型結構。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下：

1.直角坐標機械手結構特點

直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.a。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運動位置精度高，但此種類型機械手的運動空間相對較小，如要達到較大運動空間，則要求機械手的尺寸足夠大。直角坐標機械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)。直角坐標機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。

2.圓柱坐標機械手結構特點

圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.b。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機械手構造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運作業(yè)。

3.球坐標機械手結構特點

球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.c。其工作空間是一個類球形的空間。這種機械手結構簡單、成本較低，但精度不很高，主要應用于搬運作業(yè)。

4.關節(jié)型機械手結構特點

關節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的，如圖2-1.d。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結構緊湊，占地面積小。此種機械手在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)。關節(jié)型機械手又分為水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。

2.1.2具體采用方案

如圖2-2所示機械手模擬工作布局圖，根據(jù)實際操作的需要，該機械手在工作中需要3種運動，其中手臂的伸縮和立柱升降為直線運動，另一個為手臂的回轉運動，因此其自由度數(shù)目為3，綜合考慮，應選擇圓柱坐標機械手結構，其結構簡單，工作范圍相對較大，且有較高的精度，滿足設計要求。

2.2機械手手爪結構設計

2.2.1設計要求

手爪是用來進行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的不同，分為搬運用、加工用、測量用等。搬運用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機械手附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)；測量用手爪是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。

機械手手爪設計有如下要求：

1、機械手手爪是根據(jù)機械手作業(yè)要求來設計的。既根據(jù)其應用場合設計手爪，在滿足作業(yè)要求的前提下，機械手手爪還要求體積小、重量輕、結構緊湊。

2、機械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結構上很復雜，甚至很難實現(xiàn)，從工業(yè)實際應用出發(fā)，應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機械手手爪，加之以快速更換裝置，以實現(xiàn)機械手的多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的手爪去完成多種作業(yè)，以考慮設計的經(jīng)濟效益。

3、機械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不同的機械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標準化。

4、機械手手爪要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。

2.2.2驅動方式

一般工業(yè)機械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉型和移動型；按夾持方式來分，有外夾式和內撐式兩種。

機械手夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種：

1.氣動驅動方式

這種驅動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節(jié)閥來調節(jié)其運動速度。由于氣動驅動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。

2.電動驅動方式

電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。電動驅動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。

3.液壓驅動方式

液壓驅動方式是利用液壓系統(tǒng)進行控制，傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。

2.2.3典型結構

機械手手爪的典型結構有以下五種：

1.楔塊杠桿式手爪

利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。

2.滑槽式手爪

當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。

3.連桿杠桿式手爪

在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。

4.齒輪齒條式手爪

通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。

5.平行杠桿式手爪

采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，且比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小得多。

2.2.4具體設計方案

結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。驅動活塞往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調定。本設計按照工件的直徑為50mm來設計。手爪的具體結構形式如圖2-3所示：

2.3機械手手腕結構的設計

機械手手腕是機械手操作機的最末端，與手爪相連接，它與機械手手臂配合，使手爪在空間運動，完成所需要的作業(yè)動作。

2.3.1 手腕結構的設計要求

1、由于手腕安裝在機械手末端，因此要求手腕設計應盡量小巧輕盈，結構緊湊。

2、根據(jù)作業(yè)需要，設計機械手手腕的自由度。一般情況下，自由度數(shù)目愈多，腕部的靈活性愈高，對對作業(yè)的適應能力也愈強。但自由度的增加，必然使腕部結構更復雜，控制更困難，成本也會相應增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。

3、為實現(xiàn)腕部的通用性，要求有標準的連接法蘭，以便于和不同的機械手手爪進行連接。

4、為保證工作時力的傳遞和運動的連貫，腕部結構要有足夠的強度和剛度。

5、要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。

6、手腕各關節(jié)軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。

2.3.2具體設計方案

通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結梁）結構見圖2-4。

2.4機械手手臂結構的設計

2.4.1手臂結構的設計要求

機械手的手臂在工作時，要承受一定的載荷，且其運動本身具有一定的速度，因此，機械手手臂的設計需要遵循以下設計要求：

1、工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系，因此手臂尺寸設計應合理，一般滿足其工作空間即可。

2、為了提高機械手的運動速度與控制精度，應在保證機械手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。

3、應盡可能使機械手手臂各關節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學正逆運算簡化，有利于機械手的控制。

4、機械手各關節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。

5、為提高機械手手臂運動的響應速度、減小電機負載，機械手的手臂相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡。

2.4.2具體設計方案

由于機械手手臂運動為直線運動，且考慮到搬運工件的重量較大（質量達30KG），以及機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅動方式。通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執(zhí)行運動件，因此不用再額外設計執(zhí)行件；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。

由于液壓系統(tǒng)能提供很大的驅動力，因此驅動力和結構的強度都較容易實現(xiàn)，其關鍵在于機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的設計。因此手臂液壓缸的設計原則是液壓缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下），再進行強度的較核。

同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的直徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結構、穩(wěn)定性的問題。

2.5機械手腰座結構的設計

2.5.1腰座結構的設計要求

機械手的腰座，就是機械手的回轉基座。它是機械手的第一個回轉關節(jié)，承受了機械手的全部重量。因此在設計機械手腰座結構時，有以下設計要求：

1、由于腰座要承受機械手全部的重量和載荷，因此，機械手腰座的結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力，且腰座是機械手的第一個回轉關節(jié)，它對機械手末端的運動精度影響最大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度。

2、腰部結構要便于安裝、調整。要有可靠的定位基準面和調整機構。且腰座要安裝在足夠大的基面，以保證機械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。

3、腰部的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器及減速器。驅動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。

4、為了減輕機械手運動部分的慣量，提高控制精度，要求回轉運動部分由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。

2.5.2具體設計方案

腰座回轉的驅動形式主要有兩種，一是電機通過減速機構來實現(xiàn)，二是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現(xiàn)?？紤]到腰座是機械手的第一個回轉關節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅動來實現(xiàn)腰部的回轉運動。因為電動方式控制的精度高，結構緊湊，不用額外設計液壓系統(tǒng)及其輔助元件。由于電機都不能直接驅動，并考慮到轉速以及扭矩的具體要求，故采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。由于齒輪傳動存在著齒側間隙，影響傳動精度，故僅采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時為了減小傳動誤差，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具體結構如圖2-5所示：

2.6機械手的機械傳動機構設計

2.6.1傳動機構設計應注意的問題

由于傳動部件直接影響著機械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應能力，因此，在設計機械手的傳動機構時要注意以下問題：

1、機械手的傳動機構要力求結構緊湊，重量輕，體積小，以提高機械手的運動速度及控制精度。并在傳動鏈及運動副中采用間隙調整機構，以減小反向空回所造成的運動誤差。

2、盡量減少系統(tǒng)運動部件的靜摩擦力，而正摩擦力為盡可能小的正斜率，以消除爬行現(xiàn)象，增加系統(tǒng)壽命。

3、盡量縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度。

4、選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加速能力。

5、適當?shù)淖枘岜?。阻尼比越大，零件產(chǎn)生振動時最大振幅越小，衰減越快。但大的阻尼會使系統(tǒng)誤差增大，精度降低。故應采取合適的阻尼比。

2.6.2常用的傳動機構形式

常用的機械傳動機構主要有螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動等。

1.螺旋傳動

它主要是用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。

2.齒輪傳動

在機械手中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。

齒輪傳動部件是轉矩、轉速和轉向的變換器，用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動時，齒輪傳動形式及其傳動比必須是最佳匹配，應滿足驅動部件與負載之間的位移及轉矩、轉速的匹配要求，其輸入電動機為高轉速，低轉矩，而輸出則為低轉速，高轉矩，且系統(tǒng)要有足夠的剛度。同時，為保證在同一驅動功率時，其加速度響應最大，還要求其轉動慣量盡量小。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，不產(chǎn)生傳動死區(qū)，要盡量采用齒側間隙小，精度高的齒輪，并采用調整齒側間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低成本。

3.鏈傳動

在機械手中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機械手末端的重量，一般都將腕關節(jié)驅動電機安裝在小臂后端或大臂關節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。

4.同步帶傳動

同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈傳動優(yōu)點的一種新型傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，在帶的工作面及帶輪外周上均制有采用承載后無彈性變形的高強力材料制成嚙合齒，通過齒間嚙合進行傳動。其特點是傳動比準確、傳動效率高（可達98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10，結構緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機械手中使用很多。

2.6.3具體設計方案

因為選用了液壓缸作為機械手的手臂，它既是關節(jié)結構，又是動力單元，因此不需要中間傳動機構，既簡化了結構，又提高了精度。而其腰座的回轉采用步進電動機驅動，而電動機不能作為直接驅動元件，因此為取得較大的轉矩，經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動。為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，以較大的降低電機轉速，使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。

2.7機械手驅動系統(tǒng)設計

2.7.1常用驅動系統(tǒng)及其特點

工業(yè)常用驅動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可將這三種基本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下。

1.液壓驅動系統(tǒng)

具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動、精度高等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機械手。

2.氣動驅動系統(tǒng)

具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機械手中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械手中。

3.電動驅動系統(tǒng)

具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特點。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，但大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構。

2.7.2具體設計方案

在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素，機械手腰部的旋轉運動需要一定的定位控制精度，因此采用步進電動機來實現(xiàn)。由于手臂采用液壓缸，故用液壓驅動。隨著機床加工的工件的不同，手臂伸出長度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進行驅動。而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。

2.8 機械手手臂的平衡機構設計

直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機械手可以通過合理布局，優(yōu)化設計結構，使得手臂本身可能達到平衡。關節(jié)機械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅動器的負荷，同時縮短啟動時間。

2.8.1平衡機構的形式

1.配重平衡機構

這種平衡裝置結構簡單，平衡效果好，易于調整，工作可靠，但增加了機械手手臂的慣量與關節(jié)軸的載荷。一般在機械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機構。

2.彈簧平衡機構

彈簧平衡機構，機構簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應用廣泛。

3.活塞推桿平衡機構

活塞式平衡系統(tǒng)分為兩種，一是液壓平衡系統(tǒng)，二是氣動平衡系統(tǒng)。其中液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；而氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆袑ｉT的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復雜，因此造價高，設計、安裝和調試都增加了難度，但是平衡效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。

2.8.2具體設計方案

因為本機械手采用圓柱坐標型的結構，而且在手臂的結構設計以及整個機械手的設計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設計結構，使得手臂本身盡可能達到平衡。若實際工作中平衡結果不滿足，則設置彈簧平衡機構進行平衡。

第3章 理論分析和設計計算

3.1電機選型有關參數(shù)計算

3.1.1有關參數(shù)的計算

1.若傳動負載作直線運動（通過滾珠絲杠）則有

具體到本設計，因為步進電機是驅動腰部的回轉，傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。

因為腰部回轉運動只存在摩擦力矩，在回轉圓周方向上不存在其他的轉矩，則在回轉軸上有；

3.1.2電機型號的選擇

根據(jù)以上計算結果，并綜合考慮各方面因素，決定選擇北京和利時電機技術有限公司（原北京四通電機公司）的步進電機，具體型號為：

110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301，該步進電機高轉矩，低振動，綜合性能很好，各項參數(shù)如表3-2。

其中 110BYG550B-SAKRMA-0301型步進電機矩頻特性曲線和相關技術參數(shù)。如圖3-3所示

驅動方式為升頻升壓 ，步距角為0.36°。同時因為腰部齒輪傳動比為1：120，步進電機經(jīng)過減速后傳遞到回轉軸，回轉軸實際的步距角將為電機實際步距角的1/120（理論上），雖然實際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實際回轉軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相當高，完全滿足機械手的定位精度要求。

3.2液壓傳動系統(tǒng)設計計算

3.2.1確定液壓系統(tǒng)基本方案

液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達，液壓缸實現(xiàn)直線運動，液壓馬達實現(xiàn)回轉運動。二者的特點及適用場合見表3-1：

因為機械手設計為圓柱坐標形式，且具有3個自由度，一個為腰座的轉動，兩個為手臂的移動自由度。同時考慮機械手的工作環(huán)境和載荷對其布局和定位精度的要求，以及計算機的控制的因素，腰部的回轉用電機驅動實現(xiàn)，機械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實現(xiàn)直線往復運動。

3.2.2擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路

液壓執(zhí)行元件確定后，其運動速度和運動方向的控制是液壓回路的核心問題。

速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現(xiàn)。相應的調速方式有節(jié)流調速、容積調速以及二者結合的容積節(jié)流調速；方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。

本設計的速度的控制主要采用節(jié)流調速，利用用比較簡單的節(jié)流閥來實現(xiàn)，而方向控制采用電磁換向閥來實現(xiàn)。

3.2.3液壓源系統(tǒng)的設計

液壓系統(tǒng)的工作介質完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。

油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。一般泵的入口要裝粗濾油器，進入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求，通過精濾油器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質流回油箱，可在回油路上設置磁過濾器。根據(jù)液壓設備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。

本設計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來調定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過濾器，而在油泵的出口安裝精過濾器對循環(huán)的液壓油進行凈化。

3.2.4繪制液壓系統(tǒng)圖

本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3-2所示（詳見圖紙第四頁），

它擁有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個執(zhí)行機構。

其中，泵由三相交流異步電動機M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。

考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。當5DT得電時，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進入柱塞缸，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當6DT失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪迅速松開。

另外，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用V2構成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。

3.2.5確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)

液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結構尺寸。

1.計算液壓缸的總機械載荷

3.液壓缸主要參數(shù)的確定

考慮到機械手的特點，系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結構和運動的穩(wěn)定性和安全性。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設計階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調速回路和元件來實現(xiàn)。經(jīng)過仔細分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各液壓缸的基本參數(shù)如下；

因為伸縮缸的作用主要是實現(xiàn)直線運動，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因為手爪夾持工件，受力方向為垂直方向），軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因為機械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。同時具有比較大的彎矩和比較長的行程，這對液壓缸的穩(wěn)定性和剛度有較高的要求。

因此，在水平伸縮缸的設計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結構布局設計，使其具有盡量大的剛度。為了達到這個目的，設計中采用了兩個導向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導向問題。另一方面，為增大結構的剛度和穩(wěn)定性，將兩個導向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加了液壓缸的工作剛度。

因為垂直液壓缸所承受的載荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比較大的傾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作為液壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅動力要求是輕而易舉的，要解決的關鍵問題仍然是它的結構設計能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同樣采用了導向桿機構，圍繞垂直升降缸設置四根導桿，較好的解決了這一問題。

4.液壓缸強度的較核

（1）活塞桿直徑的較核

3.2.6計算和選擇液壓元件

1. 控制元件的選擇

根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量，在標準元件的產(chǎn)品樣本中選取各控制元件。

2. 液壓泵的計算

第4章 機械手控制系統(tǒng)的設計

4.1硬件設計

4.1.1操作面板布置

操作面板布置如圖4-2所示：

機械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種。

1.手動操作：就是用按鈕作機械手的每一步運動進行單獨的控制。當選擇升／降按鈕時，按下啟動按鈕，機械手上升；按下停止按鈕時，機械手上升。當選擇正轉/逆轉按鈕時，按下啟動按鈕，機械手順時針轉動，而按下停止按鈕時，機械手逆時針轉動。同理，當選擇夾緊/放松按鈕時，按下啟動按鈕，機械手爪夾緊，而按下停止按鈕時，手爪松開。

2.自動操作：機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機械手將繼續(xù)完成一個周期動作后，回到原點位置。

4.1.2工藝過程與控制要求

機械手的動作有腰座的旋轉，垂直手臂的升降，水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與松開。手臂垂直升降和水平伸縮由液壓實現(xiàn)驅動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現(xiàn)；腰座旋轉通過步進電動機與齒輪來實現(xiàn)。

其中，液壓缸由相應的電磁閥控制，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，當下降電磁閥通電時，機械手下降；斷電時，機械手下降停止；當上升電磁閥通電時，機械手上升；斷電時，機械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅動器、感應式位移傳感器構成的回路進行調節(jié)控制。

實現(xiàn)執(zhí)行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當線圈不通電時，柱塞缸不工作，當線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。

當機械手旋轉到機床上方，并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在機床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業(yè)。同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。

4.1.3作業(yè)流程

機械手工作流程如圖4-1所示：

從原點開始，按下啟動鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，同時手爪夾緊，抓住工件； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC開始輸出高速脈沖，驅動機械手逆時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 接著下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，機械手到達卡盤中心高度； 機械手開始水平定位后縮，將工件裝入機床卡盤； 當工件裝入到位后，卡盤收緊； 機械手松開手爪，準備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC啟動高速脈沖驅動機械手作順時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動，機械手回到原點待命； 機床進行加工。

當數(shù)控機床加工完一個工件時，發(fā)送下料命令給機械手，機械手接到命令后，PLC馬上輸出脈沖驅動機械手逆時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾緊已加工好的工件；機床卡盤松開； 機械手開始前伸，將工件從機床上取出，準備運走； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC輸出高速脈沖，驅動機械手順時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止； 接著手爪柱塞缸電磁閥通電，手爪張開，放下工件準備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止同時手爪也閉合復原； 接著機械手水平手臂開始后縮，準備回原點，當后縮到位時，后縮停止，機械手回到原點，一個上下料過程結束； 機械手在原點等待命令，準備下一個工作循環(huán)。

機械手的每次循環(huán)都從原點位置開始動作。

4.1.4控制器的選型

機械手控制系統(tǒng)的硬件設計上考慮到機械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器應選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設計開發(fā)的工業(yè)控制器---PLC，故選擇在國內應用較多的西門子S7-200型PLC。具體型號為SIMATIC S7-200 CPU224。如圖4－3所示：

該PLC集成14，輸入/10，輸出共24個數(shù)字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點，具有16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz 高速計數(shù)器，2路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。

4.1.5控制系統(tǒng)原理分析

由于機械手作業(yè)時，取、放工件和裝、卸工件都有較高的定位精度要求，所以在機械手控制中，除了要對垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進驅動進行開環(huán)控制外，還要對水平手臂進行閉環(huán)伺服控制。

為了減少PLC的I/O點數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號和反饋信號進行比較后形成的控制信號經(jīng)過PID調節(jié)和功率放大后，驅動電液伺服閥對液壓缸進行伺服定位。PLC將上位機輸入的給定信號轉換為電壓信號，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點，組成模擬控制系統(tǒng)，如圖4-4所示：

這種方案使得PLC控制量少（尤其是模擬量），節(jié)省了系統(tǒng)資源，而且編程簡單，不必過多考慮控制算法等優(yōu)點，也是完全能滿足工作要求的。

4.1.6 PLC外部接線設計

為實現(xiàn)水平手臂液壓缸伺服定位的控制要求，利用西門子SIMATIC S7-200 （CPU224）PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，因此增加一個模擬量輸出模塊EM232。鑒于伺服放大器和位移傳感器對輸入的要求，PLC的模擬量采用-10V~ +10V輸入輸出，各輸入輸出點及其接線如圖4-5所示。

PLC的具體硬件接線圖如下圖所示（詳細的硬件設計見圖紙）

4.1.7 I/O地址分配

詳細參見表4-1、4-2：

4.2軟件設計

4.2.1控制主程序流程圖

機械手控制主程序流程圖如圖4-6所示：

結 論

本設計通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年所學知識進行整合，完成一個特定功能、滿足特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設計，比較好地體現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，實現(xiàn)了理論和實踐的有機結合。

機械手采用可編程序控制器控制，可以實行手動調整、手動及自動控制。系統(tǒng)結構緊湊、工作可靠，設計周期短且造價較低。PLC有較高的靈活性，當機械手工藝流程改變時，只要對I/O點的接線稍作修改，或對I/O重新分配，在控制程序中作簡單修改，補充擴展即可。經(jīng)過重新編制相應的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。

綜上，經(jīng)過資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設計論文的撰寫等各個環(huán)節(jié)，我對大學四本科階段的知識有了一個整體的深層次的理解，同時對工程的理解更加深刻和準確。因此，通過畢業(yè)設計實現(xiàn)了預期目標。

致 謝

經(jīng)過一段時間的努力，本次畢業(yè)設計終于完成。在這段時間里，我運用大學所學知識，通過對本設計的論證、計算以及圖紙的繪制，對大學所學知識進行了一次系統(tǒng)的整合，使自己的理論和實際動手能力有了很大提高。

此次畢業(yè)設計能夠順利完成，我得到了很多老師和同學的幫助和支持，在此向他們表示感謝。在此畢業(yè)設計過程中，尤其要感謝我的指導老師，他給我很多專業(yè)方面的幫助，讓我少走很多彎路。還有在大學里所有的任課老師和圖書館的管理老師，也謝謝你們，是你們給我知識，謝謝！

此外，由于個人知識能力水平有限，論文中難免有紕漏錯誤指出，懇請各位老師批評指正，謝謝！

參考文獻

1．付永領， 王巖， 裴忠才. 基于CAN總線液壓噴漆機器人控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn). 機床與液壓. 2003， (6): 90~92

2．劉劍雄， 韓建華. 物流自動化搬運機械手機電系統(tǒng)研究. 機床與液壓. 2003， (1): 126~128

3．徐軼， 楊征瑞， 朱敏華， 溫齊全. PLC在電液比例與伺服控制系統(tǒng)中的應用. 機床與液壓. 2003， (5): 143~144

4．胡學林. 可編程控制器(基礎篇). 北京: 電子工業(yè)出版社， 2003.

5．胡學林. 可編程控制器(實訓篇). 北京: 電子工業(yè)出版社， 2004.

6．孫兵， 趙斌， 施永康. 基于PLC的機械手混合驅動控制. 液壓與氣動. 2005， (3): 37~39

7．孫兵， 趙斌， 施永康. 物料搬運機械手的研制. 機電一體化. 2005， (2): 43~45

8．王田苗， 丑武勝. 機電控制基礎理論及應用. 北京: 清華大學出版社， 2003.

9．陳鐵鳴， 王連明， 王黎欽. 機械設計(修訂版). 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社， 2003.

10．李建勇. 機電一體化技術. 北京: 科學出版社， 2004.

11．王孫安， 杜海峰， 任華. 機械電子工程. 北京: 科學出版社，2003.

12．張啟玲， 何玉安. PLC在氣動控制稱量包裝裝置中的應用. 液壓與氣動. 2005， (1): 31~33

篇10

一、現(xiàn)代制造技術概述

先進制造技術是以提高綜合效益為目的，以人為主體，以計算機技術為支柱，綜合應用信息、材料、能源、環(huán)保等高新技術以及現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術，研究并改造傳統(tǒng)制造過程作用于產(chǎn)品整個壽命周期的所有實用技術的總稱。先進制造技術有如下特點:1.先進制造技術不是一成不變的，而是個動態(tài)技術。它要不斷吸收各種高新技術成果，將其滲透到產(chǎn)品的設計、制造、生產(chǎn)管理及市場營銷的所有領域及其全部過程。2.先進制造技術并不摒棄傳統(tǒng)技術，而是不斷用新技術、新手段去研究它，并運用科技新成果去改造它，充實它。3.先進制造技術特別強調計算機作用和人的主體作用，強調人、技術、管理三者的有機結合。4.先進制造技術不是一項具體技術，它是利用系統(tǒng)工程技術將各種相關技術集成為一個有機整體，強調各專業(yè)學科之間的相互滲透和融合。先進制造技術的體系結構包括三大主體技術群和一個支撐技術群。三大主體技術群為現(xiàn)代制造系統(tǒng)管理技術群、面向制造的工程設計技術群和物流技術群。支撐技術群包括大、中、小型計算機及其網(wǎng)絡通信系統(tǒng)、工程數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)以及各種應用軟件等。

二、并行工程技術

并行工程技術是現(xiàn)代制造系統(tǒng)管理技術群的主要組成部分。長期以來，新產(chǎn)品的開發(fā)和投資已經(jīng)形成一套固定的模式。產(chǎn)品開發(fā)的各個階段呈順序方式:市場調研、產(chǎn)品計劃、產(chǎn)品設計、試制樣機、修改設計、工藝準備、正式投產(chǎn)。在這種開發(fā)模式中，在產(chǎn)品計劃和產(chǎn)品設計階段，盡管設計人員也考慮到產(chǎn)品的制造問題，但這種考慮是零碎的，不系統(tǒng)的。設計人員考慮的主要是如何滿足產(chǎn)品的功能問題。盡管實踐證明，對于批量較大、市場壽命較長的產(chǎn)品而言，這是一種行之有效的開發(fā)模式。但對于批量不大，更新?lián)Q代又快的產(chǎn)品，這種模式就遠遠不能滿足要求了。于是，在八十年代末期，人們提出并行工程的概念。所謂并行工程，就是集成地、并行地設計產(chǎn)品及其零部件和相關各種過程的一種系統(tǒng)方法。這種方法要求產(chǎn)品開發(fā)人員與其他人員共同工作，在設計一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的所有因素，包括質量、成本、進度計劃和用戶的要求。并行工程具有如下特點:1.強調團隊工作精神和工作方式一個人的能力總是有限的，他不可能同時精通產(chǎn)品從設計到售后服務各個方面的知識，少也不可能掌握各個方面的最新情報。因此，為了設計出便于加工、便于裝配、便于維修、便于回收、便于使用的產(chǎn)品，就必須將產(chǎn)品壽命循環(huán)各個方面的專家集中起來，形成專門的工作小組，大家共同工作，隨時對設計出的產(chǎn)品和零件從各個方面進行審查，力求設計出便于加工、便于裝配、便于維修、便于運送、便于使用的產(chǎn)品。在計算機及網(wǎng)絡通信技術高度發(fā)達的今天，工作小組完全可以通過計算機網(wǎng)絡來工作。2.強調設計過程的并行性并行性有兩方面的含義:其一是在設計過程中通過專家把關，同時考慮產(chǎn)品壽命循環(huán)的各個方面;其二是在設計階段就可同時進行工藝(包括加工工藝、裝配工藝和檢驗工藝)過程設計，并對工藝設計的結果進行計算機仿真，直至用快速原形法產(chǎn)生出產(chǎn)品的樣件。這種方式與傳統(tǒng)的設計在設計部門進行，工藝在工藝部門進行已大不相同。3。強調設計過程的系統(tǒng)性設計、制造、管理過程不再是一些相互獨立的單元，而是將它們納人一個系統(tǒng)來考慮。設計過程不僅出圖紙和其他設計資料，還要進行質量控制、成本換算等。4.強調設計過程的快速“短”反饋并行工程強調對設計結果及時進行審查，并及時反饋給設計人員。這樣可以大大縮短設計時間，可以將錯誤消滅在萌芽狀態(tài)。先進的管理技術和設計方法一定會帶來巨大的經(jīng)濟效益，并行工程技術正是如此。并行工程技術可從以下幾點為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益:(l)降低成本并行工程可在三個方面降低成本。首先，它可以將錯誤限制在設計階段。眾所周知，錯誤發(fā)現(xiàn)得愈晚，造成的損失就愈大。其次，并行工程不同于傳統(tǒng)的“反復試制樣機”的作法，強調“一次性達到目的”。這種一次性達到目的是靠軟件仿真和快速樣件生成實現(xiàn)的，省去了昂貴的樣機試制。其三，由于在設計時就考慮到加工、裝配、檢驗、維修等因素，產(chǎn)品在喪市前的成本將會降低，同時，在上市后的運行費用也會降低。(2)提高質量采用并行工程技術，盡可能將所有質量問題消滅在設計階段，使所設計的產(chǎn)品便于制造、易于維護。這就為產(chǎn)品的“零缺陷”提供了基礎，使得制造出來的產(chǎn)品甚至用不著檢驗就可上市。因為，根據(jù)現(xiàn)代質量控制理論，質量首先是設計出來的，其次才是制造出來的，而不是檢驗出來的。檢驗只能去除廢品，而不能提高質量。(3)保證了功能的實用性由于在設計過程中，同時有銷售人員參加，有時甚至還包括顧客，這樣的設計方法反映了用戶的要求，能保證去除冗余功能，降低設備的復雜性，提高產(chǎn)品的可靠性和實用性。(4)縮短產(chǎn)品投放市場的時間并行工程技術的主要特點就是可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)準備時間，使新產(chǎn)品從設計到投人市場的時間大大縮短，增強產(chǎn)品的市場競爭能力。

三、并行工程技術的應用

并行工程管理模式已越來越多地應用于企業(yè)的生產(chǎn)管理中。參考文獻圖論述了并行管理模式在模具生產(chǎn)管理中的應用，即如何在保證模具質量的前提下，以最低的成本和最短的周期，將模具提交給用戶。并行工程以CIMS的信息技術為基礎，通過項目小組的工作方式，改進模具開發(fā)流程。同時利用面向制造的設計(DFM)和面向裝配的設計(DFA)等工具，達到縮短模具開發(fā)周期，保證模具質量，并降低模具開發(fā)成本的目標。模具生產(chǎn)從產(chǎn)品決策到制造的全過程，每一套模具都具有一定的獨立性，為了很好地完成這種設計任務，必須采取項目小組的工作方式，小組成員由來自模具開發(fā)各階段的人員組成，也包括用戶代表。模具企業(yè)為了適應市場需求和吸引客戶，必須滿足客戶對質量和交貨期的苛刻要求，為此需要實行并行的過程管理。在模具的開發(fā)過程中，設計所占的時間相當長，約占整個開發(fā)周期的1/3。要縮短模具的開發(fā)周期，設計過程必須并行進行。面向制造的設計(DFM)和面向裝配的設計(DFA)是并行設計的重要內容，其目的在于能夠在設計的早期階段就考慮與制造和裝配有關的問題，減少和盡早發(fā)現(xiàn)設計錯誤，以便縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低成本。在模具設計過程中，采用DFM、DFA技術能有效地縮短設計時間，降低成本。另外，在模具的生產(chǎn)管理和質量控制等方面也都需在并行的工作方式下進行。實踐表明在模具生產(chǎn)管理中很好地應用并行工程管理模式可以為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。參考文獻〔3]論述了在并行工程環(huán)境下如何解決實際存在的沖突問題。在并行工程產(chǎn)品開發(fā)過程中存在著大量的沖突，有效地解決沖突是并行工程順利實施的一個重要關鍵。由于沖突往往涉及并行工程多功能小組中的多個成員，沖突解決往往需要以協(xié)商的形式進行，而協(xié)商是一個多次循環(huán)反復互助的過程，協(xié)商中需要考慮的目標、約束較多，在計算、推理、評價、決策過程中難免出錯，而改正錯誤的過程往往是一個回溯過程，即需要重復許多先前的工作，這使得協(xié)商非常低效。但在工程實踐中存在大量的沖突實例，通過找出與當前沖突相似的實例，把該實例應用于沖突解決過程，能有效地解決當前的沖突問題，充分發(fā)揮過去的設計實驗的作用。這就避免了協(xié)商過程中的許多循環(huán)、交互過程，加快了協(xié)商過程，提高了協(xié)商效率。文中給出了沖突解決實例的知識表達和知識管理模式以及相似實例的檢索方式。基于實例的沖突解決技術是并行工程實施中的一項關鍵支持技術，它為多功能小組中各方面專家的協(xié)作提供了重要的技術支持，為各領域專家提供了一種記錄、保存、利用豐富的工程實踐經(jīng)驗的一種知識處理工具，是并行工程技術得以順利實施的重要保證。