導(dǎo)語：如何才能寫好一篇機械臂，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

機械臂的模型仿真采用MatLab平臺下的RoboticsToolbox工具箱，從而可以很方便地對機械臂運動學(xué)的理論進(jìn)行學(xué)習(xí)和驗證。工具箱內(nèi)部包含了很多機械臂運動學(xué)方面的功能函數(shù)，如機械臂的坐標(biāo)變換及機械臂正逆運動等。通過調(diào)用Link和Robot兩個功能函數(shù)，利用Denavit－Hartenberg參數(shù)表來描述機械臂各個連桿間的位移關(guān)系，可以在三維空間為機械臂的每一個連桿建立一個坐標(biāo)系或相對于機械臂底座的相對坐標(biāo)系，進(jìn)而確定每一個桿件的位置和方向。在建立多個運動坐標(biāo)的時候，為了方便，一般建立一張關(guān)節(jié)和連桿參數(shù)的D－H參數(shù)表。根據(jù)圖4所示的結(jié)構(gòu)模型建立的參數(shù)如表1所示。利用表1建立的D－H參數(shù)表來進(jìn)行機械臂數(shù)學(xué)模型的運動仿真，在Matlab中將6個關(guān)節(jié)初始角度按照表1設(shè)置為θ1=90°、θ2=0°、θ3=0°、θ4=－90°、θ5=90°、θ6=0°。通過調(diào)節(jié)工具箱中每個自由度對應(yīng)的活動范圍可以實現(xiàn)機械臂任一關(guān)節(jié)的位姿運動。

2機械臂控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

采摘機械臂要實現(xiàn)其特定的動作離不開控制系統(tǒng)的支持，其控制系統(tǒng)主要由AVR主控板和舵機控制擴(kuò)展板組成，此外還有一些輔助的硬件模塊。例如，使其系統(tǒng)穩(wěn)定工作的開關(guān)電源模塊、調(diào)整工作姿態(tài)的鍵盤模塊、實現(xiàn)人機對話的顯示模塊和語音播報模塊。同時，為了實現(xiàn)在上位機上的監(jiān)控，設(shè)計了基于MAX232的串行通信接口。

3機械臂控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

機械臂控制系統(tǒng)軟件主要由主控板控制程序和上位機監(jiān)控程序兩部分組成。采摘機械臂主程序流程如圖8所示。整個程序主要是通過鍵盤模塊上按鍵的控制來切換操作模式，也可以在上位機設(shè)計的監(jiān)控軟件中來進(jìn)行模式的選擇判斷。主程序主要由單自由度功能模式、多自由度功能模式、軌跡規(guī)劃功能模式這3種工作模式組成，通過這3種工作模式，可以完整的展示采摘機械臂的整體自由度配合情況。為了在上位機上實現(xiàn)對機械臂的監(jiān)控，借助于Labview軟件設(shè)計了機械臂上位機控制系統(tǒng)。Labview使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式［6］。根據(jù)需求選擇合適的控件并進(jìn)行合理的布局，就可以構(gòu)建一個美觀的儀器儀表界面。設(shè)計的控制界面如圖9所示，該界面包含有六個舵機的數(shù)據(jù)監(jiān)控轉(zhuǎn)盤、串口通訊設(shè)置、速度調(diào)節(jié)滑塊、按鍵模塊。通過RS232通信協(xié)議該監(jiān)控軟件可以實時的實現(xiàn)對六個自由度轉(zhuǎn)角和方向的控制，其中舵機轉(zhuǎn)盤上的數(shù)值代表脈寬值，其可調(diào)整的范圍為500～2500μs，代表舵機相應(yīng)的角度為0°～180°。在上位機上的控制信號發(fā)送給AVR主控制板，主控制板對接收到的上位機數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將需要的運動形式及參數(shù)發(fā)送給舵機控制板，各個舵機根據(jù)接收到的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的動作響應(yīng)。

4結(jié)語

篇2

>> 一種新型林地采育作業(yè)臂的設(shè)計與優(yōu)化 一種多關(guān)節(jié)智能機械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計 一種新型高速數(shù)顯表的設(shè)計與實現(xiàn) 一種電力巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 一種企業(yè)服務(wù)總線的設(shè)計與實現(xiàn) 一種屬性權(quán)威系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 一種口令加密工具的設(shè)計與實現(xiàn) 一種用于農(nóng)業(yè)果實采摘的機械臂的改良及應(yīng)用檢驗 一種仿生機械臂空間位置反饋方法的研究 一種用于化工廠排爆的組合機械臂 一種電梯曳引機制動器制動臂與基座連接方式的設(shè)計缺陷淺析 一種鉤臂車后支撐架的焊接工裝設(shè)計 一種RFID中間件設(shè)計與實現(xiàn) 一種用戶注冊登錄系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 一種時延設(shè)計方法與DSP實現(xiàn) 一種簡單實用的檢錯與糾錯算法設(shè)計與實現(xiàn) 一種靶場測速系統(tǒng)校準(zhǔn)方法與裝置的設(shè)計與實現(xiàn) 一種人臉檢測與識別方法的設(shè)計與實現(xiàn) 一種簡易漢字加密與解密算法的設(shè)計與實現(xiàn) 一種設(shè)計新穎的教學(xué)論壇的實現(xiàn) 常見問題解答 當(dāng)前所在位置：l，2015-02-27/2016-12-16.梁嘉琪.把3D打印機改成書寫機器人替人手寫信件[DB/OL].

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篇3

關(guān)鍵詞:果蔬;采摘;機械臂;自由度

中圖分類號: TP241.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-0432(2010)-10-0119-1

在果蔬生產(chǎn)作業(yè)中,采摘作業(yè)約占整個作業(yè)量的40%。采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到后續(xù)的儲存、加工和銷售。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性,其自動化程度仍然很低,目前國內(nèi)采摘作業(yè)基本上都是手工進(jìn)行,研究采摘機械臂不僅具有巨大的應(yīng)用價值,而且具有深遠(yuǎn)的理論意義。

早在20世紀(jì)70年代,歐美國家和日本就開始了對蘋果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等采摘機械臂的研究。1983年,美國研制出了第一臺番茄采摘機械臂。隨著農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展,各個國家對采摘機械臂進(jìn)行了更加深入的研究。

1 多功能黃瓜采摘機械臂

1996年,荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所研制出一種多功能黃瓜采摘機械臂。研究是在荷蘭2hm2的溫室里進(jìn)行,整個機械臂由行走車、機械臂和末端執(zhí)行器組成,末端執(zhí)行器則由機械臂爪和切割器構(gòu)成,行走車上裝有完成采摘任務(wù)的全部硬件和軟件。為采摘任務(wù)的完成提供最初的定位服務(wù)。此采摘機械臂有7個自由度,采用三菱RV-E2型6自由度機械臂,在底座增加了一個線性滑動自由度。溫室中黃瓜種植方式為高拉線纏繞方式吊掛生長。在采摘過程中,機械臂對單個黃瓜進(jìn)行采摘,采摘成熟黃瓜過程中不傷害其它未成熟的黃瓜。

2 全自動番茄采摘機械臂

2004年,美國加利福尼亞番茄機械公司推出了兩臺全自動番茄采摘機械臂。這類采摘機械臂首先將番茄連枝帶葉割倒后卷入分選倉,倉內(nèi)有能識別紅色的光譜分選設(shè)備,可以挑選出紅色的番茄,并將其通過輸送帶送入貨艙內(nèi)。這類番茄采摘機械臂每分鐘可采摘1噸多番茄,1小時可采摘70噸番茄。

3 柑桔采摘機械臂

西班牙研究人員發(fā)明了一種柑桔采摘機械臂,它是由一臺裝有計算機的拖拉機、一套視覺系統(tǒng)和一個機械臂組成,能夠從柑桔的大小、形狀和顏色判斷出是否成熟。這類機械臂每分鐘可摘柑桔60個,并且摘下來的柑桔能夠按大小馬上分類。

4 關(guān)節(jié)型機械臂

日本早在20世紀(jì)80年代也開始了對采摘機械臂的研究。1984年,日本Kyoto大學(xué)開始了對番茄采摘機械臂的研究,并研制出了一個5自由度的關(guān)節(jié)型機械臂。1993年,日本Kondo等人研制的番茄采摘機械臂具有7個自由度,其末端執(zhí)行器由兩個機械手指和一個吸盤組成,視覺傳感器主要由彩色攝像機來尋找和識別成熟果實,利用雙目視覺方法對目標(biāo)進(jìn)行定位,行走裝置采用4輪結(jié)構(gòu)。與此同時,Kondo等人還針對草莓的高架栽培模式和傳統(tǒng)模型研制出了相應(yīng)的草莓采摘機械臂。該機械臂具有5個自由度,視覺系統(tǒng)與番茄采摘機械臂類似,末端執(zhí)行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。

5 草莓采摘機械臂

國內(nèi)對采摘機械臂方面的研究始于20世紀(jì)90年代中期,相對于發(fā)達(dá)國家起步較晚,目前還處在起步階段,并且集中在高等院校和研究所進(jìn)行研究。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中等在草莓采摘機械臂方面已取得喜人的成果;此外,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)通過綜合運用機器視覺、Bayes分類判別模式識別、機械設(shè)計、傳感器等技術(shù),對溫室黃瓜采摘機械臂的視覺系統(tǒng)及末端執(zhí)行器也做了大量試驗性的研究。

6 視覺技術(shù)番茄采摘機械臂

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合等運用雙目立體視覺技術(shù)對紅色番茄進(jìn)行定位,將成熟番茄與周圍干擾環(huán)境分開,在番茄采摘機械臂的視覺方面取得了很大的成績。

江蘇大學(xué)的陳樹人等人提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的番茄采摘機器人雙目視覺空間定位方法,構(gòu)建了采摘機器人雙目視覺實驗硬件系統(tǒng),通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算建立了從圖像坐標(biāo)到世界坐標(biāo)的復(fù)雜映射關(guān)系的雙目視覺定位模型,而且針對重疊和被枝葉部分遮擋的成熟番茄以及受光照影響或成熟程度不同引起的邊界缺失,導(dǎo)致目標(biāo)空間定位誤差過大的問題,通過引入主動視覺和仿生學(xué)思想,區(qū)別傳統(tǒng)的番茄定位中所采用邊緣輪廓特征信息的配準(zhǔn)方法,提出了使用三維番茄表面信息的定位方法,滿足了機械臂采摘番茄的定位精度要求。

7 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的采摘機械臂

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)在室內(nèi)模擬環(huán)境下對直徑大于4cm的紅色和黃色類果實圖像進(jìn)行了去噪、灰度變換、邊緣提取、圖像分割等操作,定量分析了各種顏色特征在分割中的表現(xiàn),找到了果實圖像分割的最合適的特征;除此之外,還建立了圖像處理系統(tǒng)的界面,并且將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于CCD攝像機標(biāo)定,確定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的各個參數(shù),使系統(tǒng)根據(jù)采集到的左右圖像中目標(biāo)的形心坐標(biāo)直接得出其空間坐標(biāo)。

8 結(jié)語

目前研制成功的采摘機械臂除了上述幾種以外,還有葡萄采摘機械臂、蘑菇采摘機械臂、西瓜采摘機械臂和茄子采摘機械臂等。

參考文獻(xiàn)

[1] 方建軍.移動式采摘機器人研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2004,2(20):273-275.

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[3] 趙勻,等.農(nóng)業(yè)機器人的研究進(jìn)展及存在的問題[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2003,1(19):20-23.

篇4

【關(guān)鍵詞】機器人;運動學(xué)正解;運動學(xué)逆解

Abstract：For the purpose of making trajectory plan research on puma560 robot，in the MATLAB environment，the kinematic parameters of the robot were designed. Kinematic model was established by Robotics Toolbox compiled the simple programming statements，the difference was discussed between the standard D-H parameters，and the trajectory planning was simulated，the joints trajectory curve were smooth and continuous，Simulation shows the designed parameters are correct，thus achieved the goal. The tool has higher economic and practical value for the research and development of robot.

Key words：robot;trajectory planning;MTALAB;simulation

1.前言

機器人是當(dāng)代新科技的代表產(chǎn)物，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，機器人科學(xué)與技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，在機器人的研究中，由于其價格較昂貴，進(jìn)行普及型實驗難度較大，隱刺機器人仿真實驗變得十分重要。對機器人進(jìn)行軟件仿真，從運動圖像和動態(tài)曲線表，可以模擬機器人的動態(tài)特性，更加直觀的顯示了機器人的運動狀況，從而可以分析許多重要的信息。

對機器人的運動學(xué)仿真，很多學(xué)者都進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)2以一個死自由度機器人為例，利用MATLAB軟件繪制了其三維運動軌跡;文獻(xiàn)4對一種柱面機械手為對象，對機械手模型的手動控制和軌跡規(guī)劃進(jìn)行了仿真;但上述各種方法建立的機器人模型只適合特定的機械臂模型。一種通用的，經(jīng)過簡單修改便可用于任何一種機械臂的仿真方法顯得尤為重要。

2.機器人運動學(xué)簡介

機器人學(xué)中關(guān)于運動學(xué)和動力學(xué)最常用的描述方法是矩陣法，這種數(shù)學(xué)描述是以四階方陣變換三維空間的齊次坐標(biāo)為基礎(chǔ)的。矩陣法、齊次變換等概念是機器人學(xué)研究中最重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。利用MATLAB Robotics Toolbox工具箱中的transl、rotx、roty和rotz函數(shù)可以非常容易的實現(xiàn)用其次變換矩陣表示平移變換和旋轉(zhuǎn)變換。例如機器人在X軸方向平移了0.5米的其次坐標(biāo)變換可表示為：

>>T=transl（0.5，0.0，0.0）

繞Y軸旋轉(zhuǎn)90°可以表示為：

>>T=roty（pi/2）

符合變換可以由若干個簡單變換直接相乘得到，例如讓物體繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°，接著繞Y軸旋轉(zhuǎn)-90°，再沿X軸方向平移4個單位，則對應(yīng)的齊次變換可表示為：

>>T=transl（4，0，0）*roty（-pi/2）*rotz （pi/2）

3.構(gòu)建機器人對象

使用計算機對機器人運動的仿真研究，首先需建立相應(yīng)的機器人對象。在機器人學(xué)中通常把機械手看做是由一系列關(guān)節(jié)連接起來的連桿構(gòu)成。為描述響鈴按鍵之間平移和轉(zhuǎn)動的關(guān)系，Denavit和Hartenberg在1955年提出了一種通用的方法，這種方法是在機器人的每個連桿上建立附屬坐標(biāo)系，然后用4*4矩陣來描述相鄰兩連桿的空間關(guān)系的方法，通過依次變換可最終推導(dǎo)出末端執(zhí)行器相對于基坐標(biāo)系的位姿，從而建立機器人的運動學(xué)方程。通常稱為D-H參數(shù)法。

在Robotics Toolbox中，構(gòu)建機器人對象主要在于構(gòu)建各個關(guān)節(jié)，而構(gòu)建關(guān)節(jié)時，會用到LINK函數(shù)，其一般形式為：

L=LINK（[alpha Atheta D sigma]，CONVENTION）其中CONVENTION可以取‘standard’和‘modified’，其中‘standard’代表采用標(biāo)準(zhǔn)的D-H參數(shù)，‘modified’代表采用改進(jìn)的D-H參數(shù)。參數(shù)’alpha’帶包扭轉(zhuǎn)角，參數(shù)‘A’代表連桿長度，參數(shù)‘theta’代表關(guān)節(jié)角，參數(shù)‘D’代表偏距，參數(shù)‘sigma’代表關(guān)節(jié)類型：0代表旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，非0代表平動關(guān)節(jié)。

這樣，只需指定相應(yīng)的D-H參數(shù)，我們便可以對任意機械臂進(jìn)行建模。通過Robotics Toolbox擴(kuò)展了plot函數(shù)還可將創(chuàng)建好的機械人在三維空間中顯示出來。

圖1 puma560機械臂三維模型

機器人運動學(xué)是主要研究關(guān)節(jié)變量空間和機器人末端執(zhí)行器位置以及姿態(tài)之間的關(guān)系。常見的機器人運動學(xué)問題可分為兩類：

1）運動學(xué)正解：對一給定的機器人，已知桿件幾何形狀參數(shù)和關(guān)節(jié)角度矢量，求機器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài);

2）運動學(xué)逆解：給定機器人桿件的幾何參數(shù)，給定機器人末端執(zhí)行器相對于參考基坐標(biāo)系的所需位置和姿態(tài)，求解各關(guān)節(jié)姿態(tài)，及判斷機器人能否使其末端執(zhí)行器達(dá)到這個所需的位姿。

下面用puma560型機械臂為例，演示運用Robotics Toolbox進(jìn)行正運動學(xué)和逆運動學(xué)求解。利用Robotics Toolbox編寫的控制程序，對運動學(xué)正解，逆解，軌跡規(guī)劃等問題進(jìn)行仿真研究。

定義puma560型機器人，其有兩個特殊的位姿配置：所有關(guān)節(jié)變量為0的qz狀態(tài)，以及表示”READY“狀態(tài)的qr狀態(tài)。如我們要求解所有關(guān)節(jié)變量為0時的末端機械手狀態(tài)，則相應(yīng)正運動學(xué)可由下述語句求解：

>>puma560;

>>fkine（p560，qz）

Ans =

1.0000 0 0 0.4521

0 1.0000 0 -0.1500

0 0 1.0000 0.4318

0 0 0 1.0000

得到的即為末端機械手位姿所對應(yīng)的齊次變換矩陣。

圖2 正運動學(xué)研究

如圖2是起點[0 0 0 0 0 0]到終點[0 pi/2 -pi/2 0 0 0]的正運動學(xué)研究。

逆運動學(xué)問題則是通過一個給定的其次變換矩陣，求解對應(yīng)的關(guān)節(jié)變量。例如，假定機械手終點為transl（0.4，0.5，0.2）。

圖3 逆運動學(xué)研究

仿真得到腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)坐標(biāo)如圖3所示。

4.結(jié)論

通過MATLAB Robotics Toolbox工具箱對puma560機械臂進(jìn)行建模與仿真，研究其正運動學(xué)及逆運動學(xué)特性，得到了比較理想的仿真結(jié)果，為空間直線，曲線軌跡規(guī)劃提供了實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過MATLAB變成進(jìn)行的運動學(xué)正反解的運算，實現(xiàn)了對工作空間任意直線，曲線的擬合插值運算，從而為機械臂的變成算法與運動研究提供了理論與實驗基礎(chǔ)。另外，該工具箱還可以對機器人動力學(xué)、基于simulink的機械人動態(tài)仿真等許多機器人學(xué)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行仿真與分析。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

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關(guān)鍵詞：液壓機械臂連桿；有限元分析；模態(tài)分析

【中圖分類號】TH132【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】2236-1879（2017）24-0123-01

在液壓機械臂當(dāng)中，連桿是其中非常關(guān)鍵的零部件，其能夠起到連接關(guān)節(jié)的作用。如果采用質(zhì)量不錯的連桿，那么在生產(chǎn)期間就不會形成較高的慣性力，這樣一來就能夠降低機械臂的軸承負(fù)荷。不過使用傳統(tǒng)的設(shè)計方式，很難讓連桿達(dá)到理想的要求。所以經(jīng)過長時間的研究發(fā)現(xiàn)，而采用有限元分析，則能夠很好的改善這一問題。那么下面我們就來具體的討論一下相關(guān)的話題。

一、液壓機械臂連桿有限元靜力分析

1.1線彈有限元靜力分析基本原理。

在表現(xiàn)均勻、連接、應(yīng)變等關(guān)系的時候，就要用到彈性力學(xué)基本公式。所以其便成為了運算結(jié)構(gòu)強度的重要依據(jù)。

1.1.1平衡方程。

2.3液壓機械臂連桿有限元模態(tài)分析結(jié)果。

對液壓機械臂連桿的有限元模態(tài)的求解，通常不用算出振動系統(tǒng)的頻率，只是能夠算出幾價低階模態(tài)即可。之所以采取這樣的形式，主要是由于低價模態(tài)能夠?qū)φ駝酉到y(tǒng)形成一定的干擾，而且階數(shù)越低，干擾程度就越大，所以通常情況下會采用5階到10階的范圍。而下面我們就來列舉一下前10階模態(tài)固有頻率。

1階，那么頻率就是0.46246HZ，2階，頻率就是2.5055HZ，3階，頻率則為6.1566HZ，4階，頻率則為7.9601HZ，5階，頻率就為10.832；6階的，頻率為16.448HZ；7階，頻率為18.283；8階，頻率為21.315HZ；9階，頻率為21.419HZ；10階，頻率為22.691HZ。

【結(jié)束語】采用有限元分析，能夠降低機械臂的軸承負(fù)荷，同時還能夠準(zhǔn)確的體現(xiàn)出所有點的受力狀況，而且也能夠采取靜態(tài)分析，運算連桿的最大應(yīng)力、位移等情況，這樣一來就能夠給連桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析創(chuàng)建充足的依據(jù)。所以在今后的工作中，相關(guān)工作人員一定要重視這方面的工作。

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關(guān)鍵詞： 四軸碼垛機械臂； OpenGL； DSP； MFC

中圖分類號： TN876?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0174?05

Abstract： With the rapid development of technology， the production capacity of enterprises is increased substantially. The traditional manual palletizing can′t meet the logistics demand of enterprises， so the palletizing robot technology comes into being. The efficient palletizing can save logistics time and improve working efficiency greatly. The simulation control software of four?axis palletizing robot arm is used to control a small four?axis palletizing robot arm with joints. The servo is taken as the actuator of four?axis palletizing robot arm， and DSP is taken as the controller to control the servo moving. The simulation control software is used to calculate the angle of servo moving in palletizing process according to the planning route， and pass the angle data to DSP through the serial ports. The DSP can control servo running and drive the palletizing robot arm for palletizing function realization.

Keywords： four?axis palletizing robot arm； OpenGL； DSP； MFC

0 引 言

人工碼垛存在效率較低，浪費大量人力資源，機械地重復(fù)性勞動損害身體健康等缺點。碼垛機器人技術(shù)集許多學(xué)科于一體，包括機械、信息、電子、計算機科學(xué)、智能技術(shù)等[1]，它在提高勞動生產(chǎn)效率、解決勞動力不足、降低工人勞動強度、改善生產(chǎn)環(huán)境、降低生產(chǎn)成本等方面具有重要意義。

本文主要研究了關(guān)節(jié)型四軸碼垛機械臂，利用MFC應(yīng)用程序平臺設(shè)計了一款四軸碼垛機械臂的控制軟件，通過OpenGL三維函數(shù)庫繪制碼垛機械臂的三維圖形。軟件有友好的交互界面，操作者通過輸入碼垛的基本信息，如碼垛層數(shù)、每層的碼垛方式、碼垛數(shù)量、物塊大小信息、碼盤放置位置等數(shù)據(jù)，軟件就會設(shè)計好機械臂的運動路徑和操作方式，并以三維動畫的形式對碼垛過程進(jìn)行演示，讓操作者方便地了解機械臂的運行情況，并做出判斷是否需要修改數(shù)據(jù)。同時軟件還可以把每個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度以串口傳輸?shù)姆绞絺鬟f給機械臂的控制器DSP，控制碼垛機械臂上的5個舵機旋轉(zhuǎn)，完成碼垛過程。5個舵機分別控制了機械臂底座、下臂、上臂、腕部的旋轉(zhuǎn)以及末端夾持器的開合。

1 四軸碼垛機械臂仿真控制軟件設(shè)計

為了用戶能夠方便地操作軟件，仿真控制軟件在設(shè)計時采用了多個界面輸入的操作方式。軟件模擬了一個四軸碼垛機械臂碼垛的過程，通過設(shè)定碼垛的參數(shù)和碼放的方式，軟件規(guī)劃出碼垛路徑，把貨物從流水線上按碼垛路徑碼放到托盤上。 軟件共分為五個部分：定義工作區(qū)域、定義工作臺、設(shè)定碼垛方式、設(shè)定運動路徑和動畫演示。

1.1 功能選擇界面

功能選擇界面是基于對話框資源創(chuàng)建的，5個功能選項分別調(diào)用了5個按鈕控件。四軸碼垛機械臂仿真控制軟件共調(diào)用了13個對話框資源，通過這些對話框資源使得軟件變得友好、易操作。對話框是重要的用戶界面元素之一，是用戶交互的重要手段。對話框在創(chuàng)建后可以通過控件編輯器添加各種控件，包括編輯框、滑動條、靜態(tài)文本、按鈕等，這些控件在程序運行過程中可用于捕捉用戶的輸入信息或數(shù)據(jù)，每個控件都可以添加消息響應(yīng)函數(shù)，便于優(yōu)化用戶體驗。這些控件的使用使得仿真控制軟件界面更加方便操作，不再需要程序設(shè)計人員進(jìn)行操作，或?qū)Σ僮魅藛T進(jìn)行復(fù)雜的培訓(xùn)，經(jīng)過簡單的說明介紹，普通用戶也可以方便的使用。

1.2 物體拖拽功能實現(xiàn)

在設(shè)定工作臺界面中實現(xiàn)了物塊拖拽的功能。為了確定物塊在碼盤上的起始位置，可以將流水線上的物塊模型用鼠標(biāo)左鍵拖拽到碼盤上，再利用碼垛設(shè)置對話框?qū)Υa盤起始點進(jìn)行微調(diào)。 物塊拖拽功能實際上就是物塊隨著鼠標(biāo)的移動而重畫的過程。主要在函數(shù)OnMouseMove（UINT nFlags， CPoint point）中實現(xiàn)，當(dāng)鼠標(biāo)移動時程序就會調(diào)用這個函數(shù) 。函數(shù)有兩個參數(shù)值，nFlags代表各種虛擬按鍵是否按下 ，此參數(shù)可以是任何下列值：

MK_CONTROL 當(dāng)CTRL鍵按下時；

MK_LBUTTON當(dāng)鼠標(biāo)左鍵按下時；

MK_MBUTTON當(dāng)鼠標(biāo)中鍵按下時；

MK_RBUTTON當(dāng)鼠標(biāo)右鍵按下時；

MK_SHIFT當(dāng)SHIFT按下時。

另一個參數(shù)point，是鼠標(biāo)的坐標(biāo)，point.x代表[x]方向坐標(biāo)，point.y代表[y]方向坐標(biāo)，這個坐標(biāo)是鼠標(biāo)距離截獲該消息的窗口左上角的位置，是一個相對位置而不是在屏幕像素上的絕對位置，因此在使用時要注意將坐標(biāo)位置和像素進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在程序中獲得鼠標(biāo)的坐標(biāo)信息以后，在畫圖函數(shù)OnPaint（）中對物塊圖形進(jìn)行重繪，就會顯示出物塊被鼠標(biāo)拖拽的效果。

1.3 設(shè)定碼垛方式界面

碼垛方式界面設(shè)計圖如圖2所示，分為左右兩部分。左側(cè)界面的下方是托盤的俯視圖，上方是層數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度編輯框，以及預(yù)覽添加按鈕。右側(cè)界面是托盤的前視圖。在左側(cè)頁面上的層數(shù)編輯框單擊下拉菜單，從第一層到最高層，選擇需要碼垛的層數(shù)，這里的碼垛層數(shù)信息是由定義工作區(qū)界面設(shè)定的，每設(shè)置完一層的碼垛信息后就順序選擇下一層。然后雙擊界面左側(cè)托盤上方的示例物塊，第一個物塊就會自動出現(xiàn)在“設(shè)置工作區(qū)域”界面在托盤上設(shè)置好的初始位置上，在托盤上單擊鼠標(biāo)右鍵，在出現(xiàn)的對話框里選擇需要碼放物塊的個數(shù)，即長×寬的個數(shù)，并可以選擇正向碼放還是旋轉(zhuǎn)90°后縱向碼放，選擇好后單擊確定鍵，相應(yīng)個數(shù)的物塊就會出現(xiàn)在托盤里。想要在這一層繼續(xù)碼放物塊的話，就一直按住鼠標(biāo)左鍵把示例物塊拖拽到托盤上任何想要擺放的位置，然后放開鼠標(biāo)左鍵并單擊右鍵，在出現(xiàn)的對話框里選擇要碼放物塊的個數(shù)。重復(fù)操作上面的信息直至確定好一層要碼放的物塊，最后單擊添加按鈕，該層碼放的所有物塊會以前視圖的方式添加到右側(cè)頁面的托盤里。選擇下一個碼垛的層數(shù)，重復(fù)之前的操作，直至完成所有層數(shù)的物塊設(shè)置。單擊預(yù)覽按鈕，右側(cè)界面的托盤上會出現(xiàn)碼放整齊的每一層的物塊的擺放方式，操作者可以直觀地觀測到產(chǎn)品碼放后的方式，方便操作者進(jìn)行修改或下一步操作。

圖2為兩層碼垛的操作，第一層放置了6個物塊，其中2[×]2個物塊正向碼放，2[×]1個物塊旋轉(zhuǎn)90°縱向碼放，第二層放置了4個物塊，以2[×]2的方式正向碼放。在單擊預(yù)覽按鈕后，右側(cè)屏幕顯示了兩層碼垛的示意圖。

設(shè)定碼垛方式界面對對話框窗口進(jìn)行分割。當(dāng)用戶需要同時對窗口的不同部分進(jìn)行編輯時常常會用到切分窗口。切分窗口分為動態(tài)切分窗口和靜態(tài)切分窗口，本文選擇的是靜態(tài)切分窗口的方式。 窗口分割的程序?qū)懺诖翱趧?chuàng)建函數(shù)OnCreate（）中，調(diào)用CreateStatic（）函數(shù)產(chǎn)生靜態(tài)切分。調(diào)用 CreateView（）函數(shù)產(chǎn)生每個視圖窗口。

1.4 設(shè)定運動路徑界面

在前面的設(shè)計中，流水線的位置和高度、碼盤的位置和高度以及物塊擺放的位置、物塊碼放的方式和順序已經(jīng)確定，但碼垛機械臂的運動路徑還沒有確定。設(shè)定運動路徑界面就是為了確定四軸碼垛機械臂碼放產(chǎn)品的運動過程。設(shè)定運動路徑界面設(shè)置圖如圖3所示。機械臂碼垛過程共有六個運動步驟，如下所示：

（1） 四軸碼垛機械臂運動到流水線上物塊的位置，打開末端夾持器，然后閉合夾持器從流水線拾取物塊。

（2） 四軸碼垛機械臂用末端夾持器抬起物塊，運動到流水線正上方某位置，停頓1 s。

（3） 四軸碼垛機械臂用末端夾持器抓住物塊，從流水線上方移動到物塊要碼放在碼盤位置的正上方，停頓1 s。

（4） 四軸碼垛機械臂移動到托盤要碼放物塊的位置，打開末端夾持器把物塊放到托盤上。

（5） 四軸碼垛機械臂打開夾持器空載到托盤正上方，閉合末端夾持器。

（6） 四軸碼垛機械臂空載移動到流水線正上方。完成一次碼垛流程，然后重復(fù)這六個運動步驟。

設(shè)定運動路徑界面的左側(cè)有一個路徑示意圖，示意的就是四軸碼垛機械臂碼垛過程所經(jīng)歷的6個位置，按照1?2?3?4?5?6?1的順序循環(huán)反復(fù)。位置1是流水線上物塊的位置，位置2和位置6是流水線的上方，位置3和位置5在舵盤的上方，位置4是舵盤上物塊要擺放的位置。根據(jù)前三個功能界面的設(shè)置，位置1和位置4的坐標(biāo)已經(jīng)確定，通過設(shè)定運動路徑界面可以確定其他四個位置的[y]方向坐標(biāo)，[x]方向坐標(biāo)和[z]方向坐標(biāo)，默認(rèn)和位置1或位置4相同，即位置3，5在位置1的正上方，位置2，6在位置4的正上方，但距離可以設(shè)定。設(shè)定方式在界面的左側(cè)，有四個編輯框分別對應(yīng)著位置2，3，5，6的[y]方向坐標(biāo)，仿真控制軟件默認(rèn)設(shè)置距離為1個單位，通過編輯框右側(cè)的+，-按鈕可以對幾個位置的[y]坐標(biāo)進(jìn)行增加或降低的修改。修改完成后退出界面，確定了四軸碼垛機械臂的完整碼垛路徑。

2 四軸碼垛機械臂硬件設(shè)計

2.1 DSP程序的編譯

DSP控制程序主要涉及定時器中斷和串口通信兩部分。舵機的控制信號是周期為20 ms，頻率為50 Hz的PWM波，占空比在2.5%～12.5%之間。飛思卡爾mc56f8013型DSP擁有6路PWM通道，但可以輸出PWM波的最小頻率值高于50 Hz，因此選擇定時器中斷的方式產(chǎn)生PWM波。 首先設(shè)定一個10 μs的定時器，定時器中斷2 000次就是10 μs×2 000=20 ms，也就是舵機控制信號的一個周期。當(dāng)定時器中斷的前1 000次，控制輸出端口輸出高電平，定時器中斷的后1 000次，輸出端口輸出低電平時，就產(chǎn)生了一個占空比為50%的PWM波，當(dāng)改變輸出高電平和輸出低電平的中斷次數(shù)時，PWM波的占空比也隨之改變，舵機就會輸出不同的角度，從而帶動四軸碼垛機械臂轉(zhuǎn)動。當(dāng)高電平的中斷次數(shù)為50次時，此時的占空比為[502 000=]2.5%，舵機轉(zhuǎn)動0°；當(dāng)高電平的中斷次數(shù)為250次時，占空比為[2502 000=]12.5%，舵機轉(zhuǎn)動180°。

在CodeWarrior平臺的專家處理模塊添加定時器的嵌入豆，定義定時器的時間為10 μs。添加5個I/O接口的嵌入豆，用于輸出5路PWM波控制舵機。添加一個串口通信的嵌入豆，接收四軸碼垛機械臂控制軟件發(fā)送的串口數(shù)據(jù)，這些串口數(shù)據(jù)已經(jīng)在軟件編程中轉(zhuǎn)化成高電平的定時器中斷次數(shù)，方便了DSP的編程操作。

定時器中斷程序的流程圖如圖4所示。

2.2 硬件電路設(shè)計

控制器采用ms56f8013最小系統(tǒng)，系統(tǒng)包含了程序傳輸、串口通信、電流驅(qū)動等基本模塊。

其中舵機電路原理圖如圖5所示。圖中所示的是一個舵機與DSP的連接圖，舵機的控制信號線與DSP的輸出端口相連結(jié)，端口輸出PWM控制信號。為了保證為舵機提供足夠大的功率，舵機和DSP分開供電。

實驗時采用雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源為舵機和DSP分別供電。DSP最小系統(tǒng)上有電壓轉(zhuǎn)換功能，把5 V電壓轉(zhuǎn)成3.3 V為DSP芯片供電。舵機的供電電壓可選擇在4.8～6 V之間，系統(tǒng)選擇5.5 V為舵機供電。

3 系統(tǒng)測試

在實際運行四軸碼垛機械臂時，首先通過下載器把在CodeWarrior IDE中編譯的DSP程序下載到DSP中，程序下載成功后，把計算機和DSP通過RS 232串口連接線連接起來，實現(xiàn)上位機和下位機的串口通信。舵機的三條線分別是電源線、地線和控制信號線，DSP的端口1到端口5分別輸出五個舵機的控制信號PWM波形，把舵機的控制信號線和DSP相應(yīng)的端口連接起來，實現(xiàn)DSP對執(zhí)行器舵機的控制。DSP和舵機分別供電，把地線相連接。上位機和下位機連接好后，開始對系統(tǒng)運行情況進(jìn)行測試。測試內(nèi)容是四軸碼垛機械臂把一個物塊從流水線的位置碼放到托盤位置，即軟件測試中第一個物塊的碼放情況。由1.4小節(jié)可知，四軸碼垛機械臂碼放一次物塊要經(jīng)過6個位置，仿真控制軟件計算出的底座、下臂、上臂舵機在6個位置所旋轉(zhuǎn)的角度如表1所示。折線圖如圖6所示。

四軸碼垛機械臂在運行過程中的底座舵機控制信號圖如圖7所示。

由舵機原理可知，高電平的時長為0.5 ms時輸出角度為0°，高電平時長為1 ms時輸出角度為45°，高電平時長為2.5 ms時輸出角度為180°。圖7是機械臂底座舵機運行在位置3，4，5時的控制信號圖，此時舵機的旋轉(zhuǎn)角度大約為90°，信號頻率為50 Hz，符合舵機的控制要求。

由測試可得，四軸碼垛機械臂的DSP可以通過RS 232串口通信模塊接收控制軟件傳遞的舵機角度數(shù)據(jù)，同時DSP可以對舵機進(jìn)行控制，使舵機能夠按照仿真控制軟件計算的角度旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)關(guān)節(jié)型四軸碼垛機械臂的碼垛功能。

4 結(jié) 論

工業(yè)機器人碼垛技術(shù)越來越受到人們的重視，它在提高生產(chǎn)效率、降低事故發(fā)生概率、改善生產(chǎn)環(huán)境等方面都有重要作用，本文完成了四軸碼垛機械臂仿真控制軟件的設(shè)計。軟件可以根據(jù)用戶輸入的產(chǎn)品信息、位置信息、碼垛方式信息等規(guī)劃好機械臂的運動路線，利用三維動畫的方式顯示機械臂碼垛的實時過程。軟件通過串口通信模塊把機械臂碼垛過程中各個關(guān)節(jié)的角度值傳遞給DSP。機械臂系統(tǒng)采用DSP作為控制器，舵機作為機械臂的執(zhí)行機構(gòu)，用DSP控制舵機運動，實現(xiàn)四軸碼垛機械臂實物的碼垛過程。

四軸碼垛機械臂控制系統(tǒng)基本實現(xiàn)了預(yù)期功能，可以通過軟件對機械臂系統(tǒng)進(jìn)行控制和三維動畫仿真，并且實現(xiàn)了機械臂實物的碼垛過程?？梢栽诜抡婵刂栖浖袑崿F(xiàn)多種機械臂的整合。后期改進(jìn)可以把對其他類型機械臂的控制和仿真添加到軟件中，實現(xiàn)一款軟件對多種工業(yè)機器人的控制，使得軟件的利用率更高，使用更方便，同時也降低開發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)

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篇7

關(guān)鍵詞：機械臂；解剖約束條件；數(shù)據(jù)手套

中圖分類號：TP242.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：10053824（2013）04001807

0引言

數(shù)據(jù)手套校正技術(shù)伴隨著數(shù)據(jù)手套的發(fā)展而發(fā)展，國內(nèi)外許多研究者也致力于對手套設(shè)備數(shù)據(jù)存在的誤差進(jìn)行校正，并取得了一些成果。目前應(yīng)用十分廣泛的CyberGlove和5DT Data Glove都為用戶提供了簡單的線性校正，但簡單的線性校正無法滿足各種復(fù)雜手勢動作的需要，最為典型的一個例子是虛擬手的拇指無法和小指或無名指的指尖進(jìn)行接觸。Chou通過外部視覺設(shè)備采用線性回歸方法，建立了從CyberGlove每個單獨傳感器到虛擬手關(guān)節(jié)角度的映射關(guān)系[1]，這種方法雖然能夠提供高精度的虛擬手運動狀態(tài)，但是它需要借助視覺設(shè)備，所以并不具有一般的推廣性。與此同時，F(xiàn)ischer采用機器人立體視覺系統(tǒng)計算人手指尖三維空間位置，記錄用手套得到的對應(yīng)手指關(guān)節(jié)角度[2]，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測實際指尖位置，把平均精度提高到0.2 mm，但機器人立體視覺系統(tǒng)只有4個手指，也限制了這種方法的推廣。Turner和Griffin僅利用數(shù)據(jù)手套的手指自由度間的對應(yīng)關(guān)系建立虛擬手運動模型，采用最小二次線性回歸方法校正手套數(shù)據(jù)[3]。Menon通過收集不同手勢的數(shù)據(jù)手套關(guān)節(jié)自由度數(shù)據(jù)[4]，也是采用線性回歸方法建立傳感器數(shù)據(jù)與手勢數(shù)據(jù)值間的映射關(guān)系，但他沒有處理傳感器之間存在的交叉耦合關(guān)系，只是單純地對所有的傳感器都采用線性處理方法。結(jié)合上述對各種數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)誤差校正方法，再根據(jù)數(shù)據(jù)手套的設(shè)計原理，本文提出了一種新的數(shù)據(jù)手套的校正方法：基于解剖約束條件的數(shù)據(jù)手套校正方法。

1基于解剖約束條件的數(shù)據(jù)手套校正

1.1解剖約束條件

通過數(shù)據(jù)手套獲得人手的運動信息后，要將人手的運動信息映射到機械手臂上去，有兩方面的問題需要解決[5]：一是應(yīng)通過數(shù)據(jù)手套獲得相對精確的人手運動信息，從而滿足遠(yuǎn)程操作機械臂的精度要求；二是尋找合適的映射方法，把人手的運動信息轉(zhuǎn)換為機械臂的運動，從而實現(xiàn)對機械臂的遙操作。本文針對第一個問題進(jìn)行了研究，在分析人手解剖約束條件的基礎(chǔ)上，提出了基于解剖約束條件的數(shù)據(jù)手套校正方法，其主要目的是根據(jù)人手解剖約束條件對數(shù)據(jù)手套中的獨立傳感器和交叉―耦合傳感器進(jìn)行校正，從而獲得相對精確的人手運動信息。在正常情況下，人手各關(guān)節(jié)的自然運動是受到約束的，人手的運動必須符合正常手的運動范圍約束，手指的運動受到關(guān)節(jié)、骨骼、肌腱和肌肉等的條件約束限制；另一方面，由于數(shù)據(jù)手套的本身的限制，手套中的傳感器設(shè)備無法測量手的每個關(guān)節(jié)和每個自由度，再加上數(shù)據(jù)手套采集到的數(shù)字信息還存在正確性和精確性的問題，從這些約束條件出發(fā)，對數(shù)據(jù)手套進(jìn)行校正，能夠有效地彌補手套設(shè)備的不足。從手指的運動角度來分析，手指的運動會受到靜態(tài)和動態(tài)2種約束[6]，靜態(tài)約束是指在解剖結(jié)構(gòu)的限制下，手指做出不同手勢時各關(guān)節(jié)自由活動所能達(dá)到的角度的最大運動范圍，包括靜態(tài)角度和動態(tài)角度。靜態(tài)角度是指當(dāng)手處在某種手勢狀態(tài)下角度的最大運動范圍，動態(tài)角度指的是手指關(guān)節(jié)自由度在受到相鄰手指自由度影響下，人手運動過程中處于某種特定的手勢狀態(tài)下時所能達(dá)到的運動范圍。

5）中指的MPJ關(guān)節(jié)的內(nèi)收/外展角度可忽略，即有：abd（θ中指MPJ）=0（9）手指運動除了受到靜態(tài)約束外，還受到動態(tài)約束。動態(tài)約束指的是在手運動過程中，運動角度因為關(guān)節(jié)之間相互影響而受到的限制約束，這種約束包括單個手指各關(guān)節(jié)之間的運動約束以及不同手指不同關(guān)節(jié)之間存在的運動約束。例如，當(dāng)中指的MPJ關(guān)節(jié)屈曲時，中指的PIJ關(guān)節(jié)和DIJ關(guān)節(jié)也會發(fā)生一定程度的屈曲，這種現(xiàn)象就是單個手指各個關(guān)節(jié)之間存在的運動約束，與此同時，與中指相鄰的食指和無名指的MPJ關(guān)節(jié)也會發(fā)生一定程度的屈曲，同時這2根手指的內(nèi)收/外展角度也會發(fā)生變化相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象就是不同手指不同關(guān)節(jié)之間的運動約束。

1.2基于解剖約束條件的獨立傳感器校正方法

基于解剖約束條件的數(shù)據(jù)手套校正方法的實質(zhì)是利用相關(guān)的解剖約束條件來具體分析手套中獨立傳感器和交叉耦合傳感器，對其測量得到的數(shù)據(jù)采用不同的校正方法進(jìn)行校正，使之滿足控制系統(tǒng)的需要。

獨立傳感器是指該傳感器的取值不受到其他傳感器讀數(shù)影響的傳感器，一般認(rèn)為4個手指的MPJ、PIJ及DIJ關(guān)節(jié)的屈曲/延展自由度，還有拇指IJ和TMJ關(guān)節(jié)的屈曲/延展自由度這些關(guān)節(jié)所對應(yīng)的傳感器為獨立傳感器。

對于獨立傳感器的校正，本文還是采取了常規(guī)的線性校正方法。我們結(jié)合上節(jié)中根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)得到的手指各關(guān)節(jié)實際運動時的最大和最小角度值，再根據(jù)采集到的傳感器讀數(shù)的最大值和最小值，我們建立了如下的線性映射關(guān)系：θout=Valueout-ValueminValuemax-Valuemin×（θmax-θmin）+θmin（16）式中θout為校正后的輸出角度值，Valueout為當(dāng)前電壓輸出值，Valuemin為手指不運動時的電壓值，Valuemax為手指彎曲到最大角度時的電壓值，θmax和θmin對應(yīng)關(guān)節(jié)自由度實際運動范圍的最大和最小角度值。

篇8

【關(guān)鍵詞】裝卸臂 緊急脫離裝置 必要性 技術(shù)要求

裝有液化氣、油品以及有毒有害的化工品介質(zhì)的貨輪在裝卸時通常使用船用裝卸臂來完成。緊急脫離裝置是裝卸臂上的安全裝置，它的現(xiàn)代化程度及安全性對于碼頭、船舶和作業(yè)人員的安全事關(guān)重大。緊急脫離裝置具有手動自動等操作功能，結(jié)構(gòu)精巧，可靠性高，制造成本低等優(yōu)點。

1 裝卸臂的結(jié)構(gòu)與工作原理

船用裝卸臂的結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

船用裝卸臂通過快速連接器、岸端連接法蘭分別于貨輪和儲罐工藝管線連接實現(xiàn)介質(zhì)傳輸?shù)哪康?。為了滿足貨輪在水中升沉、漂移的不固定狀態(tài)，整臺裝卸臂合理的運用了六個旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，使裝卸臂自身的工藝管線可以與貨輪隨動。從而滿足船岸連接使達(dá)到介質(zhì)裝卸的任務(wù)。

2 緊急脫離裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

當(dāng)達(dá)到脫離條件，控制系統(tǒng)自動或手動觸發(fā)脫離信號，控制電磁換向閥實現(xiàn)液壓驅(qū)動裝置的油路通斷、換向，從而驅(qū)動上下兩個工藝閥門的關(guān)閉，以及驅(qū)動夾緊機構(gòu)的打開，使上下閥體分開，貨輪與裝卸臂快速分離。復(fù)位時，將上下閥體正確對接，還原夾緊機構(gòu)，打開兩個工藝閥門，復(fù)原相應(yīng)連鎖機制。

3 裝卸臂使用緊急脫離裝置的必要性

3.1 危險環(huán)境中必備的安全措施

（1）介質(zhì)儲運管道發(fā)生介質(zhì)泄露，需要立即中斷船岸管線連接；

（2）靠泊貨輪發(fā)生失火、泄露等危險時需要立即中斷船岸管線連接；

（3）碼頭泊位發(fā)生失火、泄露等危險時需要立即中斷船岸管線連接；

（4）因風(fēng)浪或是纜繩斷裂等不可測原因造成貨輪飄移出裝卸臂的設(shè)計包絡(luò)范圍時需要立即中斷船岸管線連接。

為了能及時切斷危險的蔓延，縮小損失，或是保護(hù)裝卸臂本身的需要，應(yīng)在裝卸臂上安裝緊急脫離裝置。以實現(xiàn)靠泊貨輪與碼頭泊位的迅速脫離。2005年7月20日靠泊xx港62#泊位的“普羅旺斯”號油輪是由于纜繩的斷裂造成油輪漂移出作業(yè)區(qū)，將與其對接的27Z2、27Z3、 27Z4三臺裝卸臂拉壞，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約五千多萬元人民幣。如果這三臺裝卸臂安裝了緊急脫離裝置就可以完全避免如此惡劣的安全事故。

3.2 國內(nèi)與裝卸臂相關(guān)的規(guī)范中也對緊急脫離裝置的使用做出了規(guī)定說明

（1）GB/T 15626-1999《散裝液體化工產(chǎn)品港口裝卸技術(shù)要求》中明確規(guī)定，輸油臂宜具備與船舶的緊急脫離裝置，以備異常情況時船舶盡快逃離碼頭。

（2）HG/T 21608-2012《裝卸臂規(guī)范》中的第4.7.1條，明確規(guī)定輸送原油、輕油、液化烴、可燃液體、腐蝕性液體介質(zhì)、有毒液體介質(zhì)或低溫液體介質(zhì)的液體裝卸臂，應(yīng)配備液壓操縱的緊急脫離系統(tǒng)。

（3）JTS165-8-2007《石油化工碼頭裝卸工藝設(shè)計規(guī)范》中的第6.1.6條，明確規(guī)定裝卸甲A類和極度危害物料裝卸臂前應(yīng)設(shè)置緊急脫離裝置。

（4）SYT5298-2002《港口裝卸用輸油臂》中的第4.1.2條，明確規(guī)定輸油臂接船端應(yīng)具有快速連接和快速脫離裝置

4 緊急脫離裝置的通用技術(shù)要求

在對設(shè)計制造積累的經(jīng)驗和長時間使用過程中反饋問題的研究，以及對國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的學(xué)習(xí)，總結(jié)出緊急脫離系統(tǒng)的一些通用技術(shù)要求如下

4.1 結(jié)構(gòu)要求

（2）緊急脫離系統(tǒng)的強度應(yīng)根據(jù)內(nèi)部設(shè)計壓力和由最苛刻的裝卸臂姿態(tài)及外部軸向載荷、彎曲扭矩和剪切載荷在緊急脫離接頭處的組合載荷確定的最大設(shè)計載荷決定。緊急脫離系統(tǒng)在兩倍的設(shè)計載荷下不應(yīng)產(chǎn)生泄漏、變形及失效。

（3）緊急脫離裝置宜安裝在三維接頭的垂直管段。減少脫離后裝卸臂外臂與貨輪上設(shè)備鉤掛的可能。

（4）緊急脫離接頭應(yīng)有正確對接的機械確認(rèn)標(biāo)識。

（5）緊急脫離接頭應(yīng)含有一根或多根機械安全銷釘以提供意外啟動時的防護(hù)。

（6）緊急脫離系統(tǒng)與油輪聯(lián)接的部件在緊急脫離后在集油管旋轉(zhuǎn)接頭處應(yīng)設(shè)有一個擋塊以防止因過度旋轉(zhuǎn)而引起與甲板的碰撞。

4.2 控制要求

（1）緊急脫離裝置應(yīng)由下列途徑啟動：

①當(dāng)裝卸臂到達(dá)規(guī)定的報警位置時自動啟動。即在裝卸臂包絡(luò)范圍的脫離區(qū)域。

②在中央控制臺由手動按鈕操作啟動。按鈕應(yīng)設(shè)有誤操作防護(hù)功能。

③在供電中斷的情況下，中央控制臺具有UPS系統(tǒng)可以滿足手動按鈕操作啟；或是可以手動直接操作電磁換向閥以啟動緊急脫離裝置但應(yīng)設(shè)有防意外手動操作電磁換向閥以啟動緊急脫離系統(tǒng)的防護(hù)措施。

④按業(yè)主的要求在其它地點設(shè)置手動按鈕操作啟動，按鈕具備誤操作防護(hù)功能。

⑤第三方報警信號觸發(fā)啟動，例如火災(zāi)二級報警信號；但必須設(shè)定觸發(fā)延遲時間或設(shè)定確認(rèn)按鈕。

（2）緊急脫離裝置應(yīng)不能在裝卸臂的收攏狀態(tài)或?qū)ξ徊僮鬟^程中啟動。同樣不能在日常維護(hù)的維修放置位置啟動。然而應(yīng)能夠定期在維修位置對緊急脫離系統(tǒng)進(jìn)行試驗。

（3）在工藝閥門完全關(guān)閉以前不能進(jìn)行緊急脫離接頭動作；緊急脫離接頭脫離后不能進(jìn)行工藝閥門打開動作。

（4）在緊急脫離接頭分離時，裝卸臂外臂應(yīng)抬起約2米的位置并制動，平均速度為0.15m/s；隨后系統(tǒng)處于驅(qū)動狀態(tài)。

（5）緊急脫離接頭應(yīng)盡可能快速開啟。在正常情況下夾緊式接頭可瞬間開啟。建議的開啟時間為1秒鐘，并且所有部件應(yīng)在2秒鐘內(nèi)完全釋放并遠(yuǎn)離連接的管端。上述時間要求主要根據(jù)貨輪漂移的速度和裝卸臂包絡(luò)范圍中規(guī)定的脫離距離決定的。

（6）液壓系統(tǒng)需需設(shè)置雙機雙泵系統(tǒng)，一用一備（在線備用）。

（7）在發(fā)生緊急情況時，液壓泵站應(yīng)能自動啟動，且應(yīng)在第一級預(yù)警時啟動；在液壓泵站失效不能啟動的情況下，蓄能器應(yīng)能夠作為后備能源。

（8）當(dāng)多臺裝卸臂同時作業(yè)時，應(yīng)為每臺裝卸臂的緊急脫離系統(tǒng)提供一個專用的蓄能器，它將提供存貯的液壓能量允許在液壓泵無法正常工作的情況下由仍可以啟動緊急脫離系統(tǒng)。蓄能器應(yīng)提供壓力值檢測和低壓聲光報警功能。

（9）緊急脫離裝置的液壓驅(qū)動裝置具有獨立的液壓控制回路。4.3 性能要求

（1）在任何作業(yè)條件下緊急脫離系統(tǒng)應(yīng)允許在裝卸臂設(shè)計的脫離位置確實、安全地依次完成關(guān)閉緊急脫離系統(tǒng)的兩個工藝閥門和打開并釋放緊急脫離接頭，最終將裝卸臂與油輪分離。

（2）在液壓系統(tǒng)滲漏，失效以及斷電的情況下，無脫離觸發(fā)依然保持機械連接狀態(tài)。

（3）在兩個工藝閥門之間的容積應(yīng)最小以限制脫離后的泄漏量。

（4）在任何作業(yè)條件下緊急脫離系統(tǒng)的連接處均應(yīng)保持密封。

（5）設(shè)計壓力應(yīng)與相配套的裝卸臂的設(shè)計壓力相同。

（6）在任何作業(yè)條件下緊急脫離接頭應(yīng)能夠被從船上或是裝卸臂上拆下或裝上。

4.4 技術(shù)參數(shù)

緊急脫離裝置的技術(shù)參數(shù)與相配套的裝卸臂技術(shù)參數(shù)基本相同見表1：

篇9

關(guān)鍵詞：LNG船用裝卸臂；旋轉(zhuǎn)接頭；緊急脫離裝置（ERC）；液壓QC/DC；國產(chǎn)化 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U664 文章編號：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.

1 概述

隨著我國對能源需求的不斷增長，引進(jìn)和生產(chǎn)液化天然氣對優(yōu)化我國的能源結(jié)構(gòu)，有效解決能源供應(yīng)、安全、生態(tài)環(huán)保保護(hù)，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展將發(fā)揮重要的作用。從2006年首座液化天然氣接收站在深圳大鵬建成投產(chǎn)以來，相續(xù)建成（包括在建）20多座，其中碼頭選用的關(guān)鍵設(shè)備――船用裝卸臂一直被歐美國家所壟斷，價格高、交貨期長、服務(wù)不及時。無疑地對LNG碼頭的生產(chǎn)及操作的安全性帶來一定的約束性。

而國內(nèi)類似設(shè)備的設(shè)計與生產(chǎn)廠家已在常溫，乃至低溫乙烯裝卸設(shè)備的設(shè)計與生產(chǎn)控制方面取得了巨大的成績，常溫裝卸臂完全取代了進(jìn)口產(chǎn)品，低溫乙烯裝卸臂在五年前成功打破了壟斷的格局，并逐漸實現(xiàn)常溫裝卸臂一樣完全取代進(jìn)口產(chǎn)品。所以，我們已與綜合實力較強的生產(chǎn)廠（上海冠卓）合作組成LNG裝卸設(shè)備研發(fā)小組，經(jīng)過近三年的不懈努力，終于成功設(shè)計、生產(chǎn)制造出了完全適宜LNG裝卸的設(shè)備，經(jīng)試驗證明其主要部件的性能超過了國外同類產(chǎn)品。

2 LNG裝卸臂技術(shù)與工藝分析

2.1 LNG裝卸臂主體結(jié)構(gòu)計算分析

為了全面分析整個冷卻過程的影響，多個不同體系的分析被進(jìn)行，包括使用四個非常詳細(xì)的有限元模型進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)熱、穩(wěn)態(tài)半耦合熱力和瞬態(tài)半耦合熱力分析等。使用FEMAP軟件、應(yīng)用計算機模擬設(shè)計，研究在各種瞬態(tài)溫度荷載作用下輸送臂的性能。

2.1.1 在-163℃的環(huán)境下，把液化氣從海岸傳輸?shù)捷喆驈妮喆瑐鬏數(shù)胶０?，現(xiàn)在正面臨著許多問題。這主要是因為傳輸設(shè)備上存在著熱沖擊和冰塊的堆積。為了評估液化氣輸送臂能在寒冷的工況及變暖環(huán)境過程中的材料變化，使用FEMAP軟件進(jìn)行分析設(shè)計。并通過使用FEMAP software，淺析地證明，在寒冷條件下新的設(shè)計完全能滿足低溫工況的各種狀態(tài)，而且對主要構(gòu)件沒有任何有害的影響。

2.1.2 輸送臂的裝配。整個管道裝配的三維模型用來模擬系統(tǒng)的整個行為。這個非常復(fù)雜的模型和分析過程，同時分析了熱和結(jié)構(gòu)荷載的影響。所獲得的結(jié)果證實了在冷卻過程中構(gòu)件內(nèi)的收縮量和應(yīng)力值，并突出了使用局部模型進(jìn)行進(jìn)一步分析的重要性。

2.1.3 碼頭基架立柱?；?、轉(zhuǎn)軸箱、旋轉(zhuǎn)接頭和回轉(zhuǎn)支承的三維模型，在周圍的構(gòu)件上研究管道的冷卻效應(yīng)，使用一個保守的穩(wěn)態(tài)熱分析對流和傳導(dǎo)效應(yīng)。

2.1.4 支承支架。支承支架的三維模型，研究了由于周圍剛性約束引起的冷卻和熱應(yīng)力的程度。雖然不容易遭受熱沖擊（因為板是薄的），但是支架也很容易產(chǎn)生一個溫度梯度。因此，需要對支架進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計和建模，來改進(jìn)它們的性能。

2.2 主要部件的深冷處理方案

LNG裝卸臂的主要部件有旋轉(zhuǎn)接頭（內(nèi)圈、外圈、法蘭、密封圈等）、緊急脫離裝置（ERC，閥、閥體、閥座、抱箍、密封件等）、液壓快速接頭（EDC/DC）以及彎頭等；為了確保這些部件在-196℃狀態(tài)下能保持相同的收縮率，必需在加工前期及加工過程在特定的低溫處理設(shè)備，按照OCMIF、BS 6364-1998《低溫閥門》和BS EN 1474-1-2008《LNG輸送臂》的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行2～3次的深冷處理，處理方案如下：

將需要深冷的零件放至裝有低溫容器中進(jìn)行深冷處理，深冷處理溫度應(yīng)低于使用溫度，冷處理分為冷卻、保溫和放冷三個階段進(jìn)行，保冷1～2小時，然后將零件取出放冷至常溫，重復(fù)循環(huán)2次其結(jié)果符合BS EN 1474-1-2008要求。

2.3 LNG裝卸臂的旋轉(zhuǎn)接頭

2.3.1 旋轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)分析。對旋轉(zhuǎn)接頭的軸對稱結(jié)構(gòu)建模，研究在各種瞬態(tài)溫度荷載作用下它的性能。溫度荷載給出了隨時間變化的溫度分布和溫度應(yīng)力。結(jié)果，對選擇的節(jié)點，溫度時程圖、von-Mises等效應(yīng)力圖和相對軸向位移圖，很容易地顯示了冷卻過程中各個階段的不同，并幫助評估密封是否能保持產(chǎn)品在冷卻和加載期間的密封性。

為了讓旋轉(zhuǎn)接頭在整個裝卸過程中能保持干燥并旋轉(zhuǎn)靈活，改變其常溫操作的結(jié)構(gòu)，增加氮氣吹掃系統(tǒng)，以便將在操作過程中產(chǎn)生的潮氣及水蒸汽帶走，防止結(jié)冰，無法轉(zhuǎn)動或損壞密封圈。

2.3.2 熱分析（冷卻的時間）。旋轉(zhuǎn)接頭的二維瞬態(tài)熱分析顯示了，由于相對的質(zhì)量和構(gòu)造，凸起部分比凹陷部分冷卻的更快。為了評估不同的冷卻選項，在最高應(yīng)力部分上最大的Von-Mises等效應(yīng)力圖被繪制，并在隨后的圖形中顯示。

紅色曲線：假設(shè)沒有進(jìn)行冷卻處理就引入了液化天然氣液體，分析顯示了預(yù)先進(jìn)行冷卻處理的必要性。對選擇的材料，應(yīng)力超過了許用值。

藍(lán)色曲線：使用氮氣和液化天然氣蒸汽的混合物，進(jìn)行2個小時的深冷卻處理（在現(xiàn)用的輸送臂上進(jìn)行）。當(dāng)進(jìn)行純液化天然氣輸送時，在旋轉(zhuǎn)接頭產(chǎn)生的應(yīng)力最小。

綠色曲線：一個小時的冷卻處理，包括首先進(jìn)行15分鐘的氮氣和液化天然氣的混合物冷卻，隨后進(jìn)行45分鐘的液化天然氣蒸汽冷卻。但是當(dāng)進(jìn)行液化天然氣輸送時，所產(chǎn)生的最大應(yīng)力也會相應(yīng)地增加大約20%。

粉紅色曲線：僅使用液化天然氣蒸汽進(jìn)行1個小時的冷卻處理，此時得到的結(jié)果是最理想的。冷卻處理時間更快，然而初始的應(yīng)力是最大，當(dāng)進(jìn)行液化天然氣輸送時，應(yīng)力峰值只會比2個小時冷卻處理所引起的應(yīng)力稍大。因此推薦使用此選項。

通過使用FEMAP軟件，計算機模擬設(shè)計，不但能夠證實或調(diào)整他們的設(shè)計，以確保使用最好的設(shè)計，而且也能夠給他們的客戶提供完全的信心――所采用的設(shè)計將提供無故障運轉(zhuǎn)以及延長使用期限。

2.3.3 低溫旋轉(zhuǎn)接頭試驗。

第一，在試驗溫度下，當(dāng)旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)允許溫差±5℃，充氮氣待壓力升至0.6MPa或更高的規(guī)定壓力下，電機轉(zhuǎn)動頻率為0.1赫茲，旋轉(zhuǎn)時進(jìn)行泄漏試驗，試驗時間持續(xù)30分鐘，采用氣體定量測漏儀測量。

第二，旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部溫度降至規(guī)定溫度，放掉氮氣，充氦氣，待壓力升至規(guī)定壓力，試驗按HG/T 21608.6標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，再按BS EN 1474-1-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定步驟分段進(jìn)行試驗，該試驗應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）在1.5倍當(dāng)量設(shè)計載荷加內(nèi)部設(shè)計壓力下任一處壓潰寬度不得超過滾珠或滾柱直徑的8%；（2）在2倍當(dāng)量設(shè)計載荷加內(nèi)部設(shè)計壓力下旋轉(zhuǎn)接頭不應(yīng)產(chǎn)生泄漏及泄壓；（3）對于常規(guī)液體作業(yè)，在3.5倍當(dāng)量設(shè)計載荷下不產(chǎn)生任何結(jié)構(gòu)失效破壞；（4）對于液化氣作業(yè)的旋轉(zhuǎn)接頭，在4倍當(dāng)量設(shè)計載荷下不產(chǎn)生任何結(jié)構(gòu)失效破壞，每1cm密封直徑上，在0℃0.1MPa時其泄漏率應(yīng)不超過17.5cc/分鐘。采用氣體定量測漏儀測量。

2.4 低溫緊急脫離裝置

2.4.1 性能要求。

第一，對于液相式裝置應(yīng)先關(guān)閉球閥，再松開夾緊機構(gòu)以實現(xiàn)脫離。

第二，用于液相式裝置的球閥應(yīng)在成裝前對殼體進(jìn)行常溫條件下的強度和密封性試驗，試驗結(jié)果應(yīng)符合BSEN1474-1-2008標(biāo)準(zhǔn)中要求；用于液相式裝置的球閥應(yīng)在整體裝置成裝后在低溫條件下采用0.6MPa公稱壓力的氮氣進(jìn)行密封試驗，保壓5分鐘，軟密封應(yīng)無可見泄漏。

第三，用于氣相式裝置的閥門成裝前應(yīng)進(jìn)行常溫條件下的密封性試驗，試驗結(jié)果應(yīng)符合GB/T13927要求；用于氣相式裝置的閥門組應(yīng)在整體成裝后在低溫條件下采用0.6MPa公稱壓力的氮氣進(jìn)行密封試驗，保壓5分鐘，應(yīng)無可見泄漏。

第四，緊急脫離裝置夾緊機構(gòu)采用彈性夾緊，夾緊應(yīng)保證密封和鎖緊可靠；緊急脫離裝置成裝后應(yīng)進(jìn)行殼體常溫耐水壓試驗，試驗壓力為設(shè)計壓力的1.5倍，應(yīng)無可見滲漏。

第五，在低溫條件下試驗緊急脫離過程的可靠性：（1）在實驗平臺上進(jìn)行緊急脫離裝置的低溫試驗。分離試驗應(yīng)至少重復(fù)3次，可靠性達(dá)100%；（2）先用氮氣檢驗緊急脫離裝置及試驗裝置無可見泄漏；（3）將液氮輸入緊急脫離裝置中，待溫度降至使用溫度，待壓力升至設(shè)計壓力時進(jìn)行脫離試驗，脫開后的閥門密封面應(yīng)無可見泄漏。

第六，常溫條件下試驗緊急脫離過程的可靠性：（1）在輸油臂上進(jìn)行脫離試驗，當(dāng)電液控制系統(tǒng)發(fā)生一級報警后，介質(zhì)泵關(guān)閉，液壓泵啟動，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為驅(qū)動狀態(tài)；（2）發(fā)生二級報警到裝置完全分離，時間應(yīng)在5秒以內(nèi)。響應(yīng)時間需由供應(yīng)商詳細(xì)計算后確定；（3）緊急脫離裝置分離后，裝卸臂的分離端立即開始上升，上升高度應(yīng)在2m以上實現(xiàn)液壓制動。分離試驗應(yīng)至少重復(fù)3次，可靠性達(dá)100%。

第七，緊急脫離接頭釋放機構(gòu)在結(jié)冰的情況下蓄能系統(tǒng)應(yīng)確保切實的脫離。

2.4.2 安裝要求。

第一，采用不銹鋼螺栓。

第二，擰緊螺栓時用力矩扳手，保持螺栓受力一致，力矩大小參照表1，過24小時再擰第二次。

第三，低溫試驗前用氮氣將閥腔、管道內(nèi)脫脂并吹掃干凈。

2.4.3 低溫緊急脫離裝置試驗。

第一，對于液相式裝置的球閥殼體強度和密封性試驗：按GB/T13927的規(guī)定進(jìn)行，低溫密封試驗采用保冷法。

第二，緊急脫離裝置的低溫分離試驗在試驗平臺上進(jìn)行

2.5 EQC/DC《快速接頭》

2.5.1 產(chǎn)品用途及結(jié)構(gòu)。快速接頭是安裝在輸油臂末端，與槽船歧管法蘭聯(lián)接的裝置，它通過電氣控制系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)使輸油臂與槽船歧管法蘭實現(xiàn)自動、快速、可靠聯(lián)接。

其結(jié)構(gòu)主要由閥體合件3、回轉(zhuǎn)支撐2、組合拉桿1、推桿5、加力彈簧6、卡爪7、液壓缸4、液壓系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)等九個主要零、部件組成。液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)附于輸油臂相關(guān)系統(tǒng)之中（見圖表1，圖中電氣液壓系統(tǒng)未繪制）。

2.5.2 快速聯(lián)接裝置工作原理。聯(lián)接裝置在電氣液壓系統(tǒng)的控制下，卡爪處在最大開啟狀態(tài)，用人工（或用遙控器）操縱快速接裝置將聯(lián)接裝置下端導(dǎo)向塊與槽船管線法蘭對正，使兩法蘭面貼緊。通過電液控制系統(tǒng)控制，啟動油缸推動回轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)，從而推動4個壓緊機構(gòu)的上端一起旋轉(zhuǎn)，帶動壓緊機構(gòu)推動卡爪繞銷軸轉(zhuǎn)動，使卡口貼緊槽船法蘭端面，回轉(zhuǎn)環(huán)的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)引起壓緊機構(gòu)彈簧的壓縮，使卡爪對法蘭端面產(chǎn)生壓緊力，當(dāng)壓緊機構(gòu)的軸線與閥體軸線重合時，彈簧載荷最大。當(dāng)壓緊機構(gòu)軸線相對卡爪稍過中心線3°～5°角（使壓緊機構(gòu)處在自鎖狀態(tài)）時，回轉(zhuǎn)環(huán)停止旋轉(zhuǎn)。此時，彈簧產(chǎn)生的載荷，通過卡爪的卡口端面加在法蘭上的力≥法蘭在操作狀態(tài)下所需的密封圈的壓緊力與操作狀態(tài)下所需的螺栓載荷之和，整個鎖緊就完成了。在該位置回轉(zhuǎn)環(huán)將在機械式定位裝置下限制轉(zhuǎn)動。

當(dāng)工作結(jié)束時，先關(guān)閉閥門，切斷槽船管線與輸油臂管線之間的介質(zhì)流動，啟動旋轉(zhuǎn)油缸反方向推動回轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動初始，使彈簧卸載，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)環(huán)，通過壓緊機構(gòu)帶動卡爪旋轉(zhuǎn)，使卡爪脫開并開到位。此時輸油臂帶動快速聯(lián)接裝置一起與槽船管線分離。

2.5.3 壓力等級應(yīng)與裝卸臂壓力等級相同。

2.5.4 快換接頭的設(shè)計能適應(yīng)集油管法蘭的公差帶，夾緊機構(gòu)的設(shè)計必須完全滿足使用要求。

2.5.5 快換接頭的強度符合BSEN1474-1-2008標(biāo)準(zhǔn)中要求，即強度應(yīng)根據(jù)內(nèi)部設(shè)計壓力和由裝卸臂姿態(tài)、外部軸向載荷、彎曲扭矩和剪切載荷的最荷刻的組合下確定的最大設(shè)計當(dāng)量載荷計算；在2倍的設(shè)計當(dāng)量載荷加內(nèi)部設(shè)計壓力下快換接頭不應(yīng)泄漏、變形及失效。這應(yīng)適用于在彎曲拉伸時使用最少的夾緊塊的情況。

2.5.6 快換接頭應(yīng)提供機械鎖緊裝置以防止由于壓力或振動而意外松脫。鎖緊裝置的操縱應(yīng)簡便易行。

2.5.7 快換接頭應(yīng)有一個法蘭蓋，當(dāng)用戶要求時法蘭蓋上可有一個螺紋孔并裝一螺塞。

2.5.8 連接法蘭、鎖緊件等在精加工前作兩次深冷處理。

2.5.9 快換接頭應(yīng)在有試驗壓力及試驗負(fù)荷Pct情況下進(jìn)行試驗。

以上結(jié)構(gòu)的液壓快速接頭（DC/DC）由上海冠卓公司設(shè)計、生產(chǎn)制造，其結(jié)構(gòu)較歐美國家FMC、SVT的結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)實踐證明不僅完全滿足各種溫度、各種工況下技術(shù)要求，而且操作方便、易維護(hù)。

2.6 低溫臂操作試驗

在LNG裝卸臂整體裝配完成后，需進(jìn)行整機試驗，首先進(jìn)行強度試驗（水壓試驗），試驗程序與常溫裝卸臂一致，在水壓試驗后所有零件均應(yīng)干燥，運行操作之前應(yīng)用氮氣或干燥的空氣進(jìn)行皂泡檢漏試驗。試驗過程和結(jié)果應(yīng)符合BSEN1474-1-2008標(biāo)準(zhǔn)的要求。然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)接頭的氮氣吹掃系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行功能試驗。在裝卸臂豎立在試驗臺上時，進(jìn)行如下試驗：

2.6.1 操縱試驗。

第一，裝卸臂包括液壓控制單元在裝卸臂豎立起來時進(jìn)行下列試驗，其結(jié)果應(yīng)符合BSEN1474-1-2008標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)要求。

第二，試驗項目：（1）平衡試驗；（2）空載裝卸臂操縱到其包絡(luò)范圍內(nèi)能達(dá)到的最大極限位置，包括在最高的槽船護(hù)攔上操作及在其維修位置，并應(yīng)檢驗所有的報警設(shè)定；（3）如果有快換接頭，應(yīng)當(dāng)在正常操作條件下試驗釋放性能；（4）裝卸臂應(yīng)當(dāng)在空載及滿載時用假集油管模擬并在包絡(luò)范圍內(nèi)移動進(jìn)行階段報警和作緊急脫離的試驗；（5）在緊急脫離系統(tǒng)釋放后，滿載的裝卸臂應(yīng)從抬起位置到收攏狀態(tài)且外臂應(yīng)抬起高于水平線；（6）重新對接需在空臂時進(jìn)行；（7）裝卸臂應(yīng)從靜止位置進(jìn)一步試驗：采用控制板上的按鈕；采用蓄能器模擬供電中斷。

第三，試驗應(yīng)演示下列內(nèi)容：完整的液壓系統(tǒng)；控制及報警系統(tǒng)；緊急脫離系統(tǒng)閥門及緊急脫離接頭動作時間；裝卸臂及緊急脫離系統(tǒng)的安全操作；各種聯(lián)鎖的操作；控制臺及遙控操作；在碼頭平面的作業(yè)包絡(luò)范圍；規(guī)格一致性檢驗；由蓄能器壓力下降及階段報警啟動的液壓泵自動運行

2.6.2 低溫試驗。

第一，進(jìn)行低溫乙烯裝卸臂的試驗?zāi)康?。檢驗LNG裝卸臂在規(guī)定低溫（-163℃）狀態(tài)下緊急脫離裝置能否安全脫離且雙球閥安全關(guān)閉，同時檢驗脫離整機的平衡狀態(tài)。

第二，低溫乙烯裝卸臂試驗步驟：（1）安裝液壓管線、電器控制及氮氣吹掃系統(tǒng)；（2）在功能性試驗滿足要求后，將裝卸臂調(diào)整至工作狀態(tài)（模擬），如下圖所示，安裝底部盲板法蘭、連接好集管法蘭、氮氣管線、液氮管線（與低溫槽罐車），并仔細(xì)檢查各接頭的連接是否可靠；（3）打開液氮罐閥門，將液氮從裝卸臂頂部入口法蘭處通到低溫整機的內(nèi)部，然后將底部的排空閥門打開，保持開啟狀態(tài)，將乙烯臂整機進(jìn)行低溫冷卻；（4）當(dāng)溫度降至規(guī)定的試驗溫度（-163℃左右）、整機處于結(jié)霜狀態(tài)時，關(guān)液氮閥門，將裝卸臂設(shè)置為浮動狀態(tài)，然后人力或采用叉車分別按左、右及正前方拉動裝卸臂，檢驗在試驗溫度時裝卸臂是否能正常運動；（5）給緊急脫離裝置驅(qū)動信號，打開液壓泵站的電磁閥，使緊急脫離液壓缸開始工作，在推桿機構(gòu)的作用下兩球閥關(guān)閉，然后脫離接頭夾緊機構(gòu)打開，實現(xiàn)脫離裝置脫離，此時外臂應(yīng)按規(guī)定上升，但很快處于平衡狀態(tài)；（6）脫離后的下球閥內(nèi)部壓力快速上升，需立即打開脫離裝置下球閥處的排空閥門，排出液氮；（7）檢查脫離裝置雙球閥的關(guān)閉情況，并做好記錄；（8）低溫乙烯裝卸臂功能性及低溫脫離試驗結(jié)束，讓整機在常溫狀態(tài)下慢慢升溫至常溫。

3 結(jié)語

總上所述，我們與冠卓聯(lián)合技術(shù)開發(fā)小組是利用原有的常溫裝卸臂的技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合超低溫裝卸過程中對設(shè)備的要求，通過改變原主要部件的材質(zhì)及進(jìn)行特殊的工藝處理，對密封結(jié)構(gòu)及性能的調(diào)整、使其完全滿足在超低溫狀態(tài)下的工作工況，獲得兩項專利，且經(jīng)實踐證明其密封性及操作的靈活性超過了進(jìn)口的歐美產(chǎn)品，而生產(chǎn)成本較進(jìn)口產(chǎn)品低了許多，更重要的是令操作人員一直頭痛的服務(wù)問題徹底得到了保證。如果該裝卸臂在行業(yè)中落到實處地得到推廣的話，可實現(xiàn)節(jié)約成本、減少項目建設(shè)投資的目的，使作業(yè)的連續(xù)性、穩(wěn)定性、安全性均得到保證。

參考文獻(xiàn)

[1] OCMIF.Design and Construction Specification for Marine Loading ArmsThird Edition.1999.

篇10

【關(guān)鍵詞】：微機械懸臂梁 機械噪聲 噪聲控制

此次研究分析工作，以微電子機械系統(tǒng)為基礎(chǔ)，其具備響應(yīng)速度快，靈敏度理想，功耗低的特點，可以在微機械元件發(fā)生環(huán)境變化的時候，產(chǎn)生敏感的反應(yīng)，也就是噪聲。在此基礎(chǔ)上建立微機械熱機械噪聲理論模型，為開展機械噪聲影響因素的研究打開局面。

一、微機械懸臂梁的理論概況

1.1懸臂梁機械噪聲的基本情況

懸臂梁是微電子機械系統(tǒng)的重要組成部分，在很多元件構(gòu)成上都采用了懸臂梁這樣的敏感材質(zhì)，如原子力顯微鏡探針，生化傳感器等。其分辨率和穩(wěn)定性均可以達(dá)到此部位效能的要求，是因為其造成控制處理在合理范圍內(nèi)?；谶@樣的概念認(rèn)識，去開展研究工作，可以保證其更加具備針對性。

1.2理論模型中的基礎(chǔ)概念

在理論模型構(gòu)建的過程中，會涉及到以下幾個基礎(chǔ)性概念：其一，熱機械噪聲，在微電子機械系統(tǒng)體系中，尺寸和質(zhì)量減少的狀態(tài)下，其熱運動會對于懸臂梁造成十分明顯的影響，主要表現(xiàn)為空氣分子與懸臂梁的碰撞，懸臂梁與晶格之間的振動。其二，溫漂噪聲，由于懸臂梁體積比較小，其比熱很小，在進(jìn)行聲子速率吸收或者釋放的時候，存在瞬間差異，在這樣的情況下回使得懸臂梁產(chǎn)生溫度變化，以此因此聲音抖動和頻率的變化。其三，吸附-脫附噪聲，由于懸臂梁有著比較大的比表面積，在對于空氣分子進(jìn)行吸收和脫附的時候，也會出現(xiàn)瞬間差別，從而使得質(zhì)量變化，諧振漂移，在此基礎(chǔ)上就形成相應(yīng)的吸附-脫附噪聲。

二、微機械懸臂梁中機械噪聲機制的分析

以上述理論模型為基礎(chǔ)，找到噪聲機制對于微機械懸臂梁靜態(tài)額動態(tài)性能的影響因子，是本次研究工作的主要目的。具體來講，可以分為以下幾個層次來進(jìn)行探析：

2.1從器件振幅穩(wěn)定性的角度來看

從理論上來講，懸臂梁靜態(tài)振幅噪聲公式的計算公式為以下內(nèi)容： 。在上述公式中反映出這樣的規(guī)律：懸臂梁固有的諧振頻率和彈性系數(shù)越大，其長度就會越小，相應(yīng)的寬度和厚度也不斷變大，振幅噪聲也會在這樣的條件下變小。另外，相對于寬度對于懸臂梁振幅噪聲的影響程度，懸臂梁長度和厚度變化會對于振幅噪聲產(chǎn)生更加明顯。以懸臂梁質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)加速度為例子，去探析振幅噪聲對于器件性能造成的影響，在此過程中的加速度分辨率將成為比較關(guān)鍵的性能，在進(jìn)行噪聲分析和設(shè)計過程中需要關(guān)注這樣的問題。因為從理論上來講，加速度分辨率的改善，需要以監(jiān)督固有頻率，或者提高質(zhì)量的方式來實現(xiàn)。

2.2從諧振頻率穩(wěn)定性的角度來看

在研究諧振頻率穩(wěn)定性影響程序研究的過程中，假設(shè)懸臂梁的長寬厚，以及測試帶寬是一定的，依據(jù)相應(yīng)的理論公式得出諧振頻率抖動和固有諧振頻率，溫度和氣壓三者之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上研究靜態(tài)和動態(tài)性能的影響。

對于熱機械噪聲引起的諧振頻率抖動和諧振頻率成線性關(guān)系的統(tǒng)計結(jié)果來看，前者與后者并沒有存在依賴關(guān)系。溫漂噪聲導(dǎo)致的諧振頻率抖動會在頻率不斷增加的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)增大的情況，而在此時頻率抖動的影響程度低于其對于吸附-脫附噪聲。在諧振頻率擦超過一定界限的時候，吸附-脫附噪聲成為主要的噪聲源。簡單來講，微機械懸臂梁尺寸的縮小，會使得其表面積增大，表面吸附和脫附能力會不斷展現(xiàn)出來，由此慢慢占據(jù)主導(dǎo)地位，是很符合現(xiàn)實情況的。

以各個噪聲機制引起的諧振頻率抖動和溫度關(guān)系的示意圖來看，熱機械噪聲與溫漂噪聲引起的諧振頻率抖動與溫度之間報出正比例關(guān)系，也就是說，溫度越高，其抖動會更加厲害。相對來講，溫度與吸附-脫附噪聲的諧振頻率抖動成反比關(guān)系，溫度越高，其抖動頻率越低。也就是說，在溫度不斷升高的情況下，熱運動和溫漂效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，是噪聲的主要來源，此時的吸附脫附噪聲并沒有表現(xiàn)出比較高的抖動頻率。但是當(dāng)諧振頻率超過10mhz的時候，吸附脫附噪聲會占據(jù)主導(dǎo)地位，并且超越熱機械噪聲，成為主要的噪聲機制，此時其與溫度之間的關(guān)系依然保持著反比例關(guān)系。

以各個噪聲機制引起諧振頻率抖動與氣壓關(guān)系的示意圖來看，得出以下結(jié)論：其一，熱機械噪聲引起的諧振頻率抖動與氣壓保持著正比例的關(guān)系，氣壓不斷增加，其抖動的情況更加嚴(yán)重。與此相反，溫漂噪聲變化與氣壓層正比例關(guān)系，也就是隨著氣壓的不斷增加，其噪聲諧振頻率抖動的越發(fā)嚴(yán)重；其二，微機械結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)的不斷征集，會使得其環(huán)境發(fā)生變化，由此使得溫漂噪聲失去了賴以生存的環(huán)境；其三，吸附-脫附噪聲會隨著氣壓的不斷變化產(chǎn)生極值現(xiàn)象，并且會在微機結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生反應(yīng)，當(dāng)達(dá)到一定范圍的時候，就會產(chǎn)生相應(yīng)的極大值；其四，當(dāng)氣壓達(dá)到一定水平的時候，熱機械噪聲會占據(jù)主導(dǎo)，此時的頻率抖動與氣壓之間保持著正比例關(guān)系。

下圖為最小可檢測質(zhì)量與頻率變化的示意圖。從下圖中可以得出以下結(jié)論：諧振頻率抖動會隨著頻率的增加出現(xiàn)不斷增長的情況，而質(zhì)量檢測分辨率會隨著其增加出現(xiàn)降低的情況。簡單來講，懸臂梁尺寸越小，其諧振頻率就越高，其可檢測的最小質(zhì)量變化也相對較小。

三、結(jié)束語

綜上所述，以噪聲模型為基礎(chǔ)，以能量統(tǒng)計分析的方式切進(jìn)行模型的擴(kuò)展研究，的確可以有效的找到影響微機械懸臂梁機械噪聲影響因子。在這樣研究理論的基礎(chǔ)上，其引導(dǎo)微機械懸臂梁的設(shè)計工作，使得其朝著高性能，高質(zhì)量，高科技水平的方向發(fā)展和進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

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