機(jī)械手設(shè)計(jì)論文匯總十篇

序論：好文章的創(chuàng)作是一個(gè)不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇機(jī)械手設(shè)計(jì)論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

一、 選題的目的和意義

據(jù)統(tǒng)計(jì),我國60 歲以上的老年人已有1.12 億。伴隨老齡化過程中明顯的生理衰退就是老年人四肢的靈活性不斷下降，進(jìn)而對日常的生活產(chǎn)生了種種不利的影響。此外，由于各種疾病而引起的肢體運(yùn)動性障礙的病人也在顯著增加，與之相對的是通過人工或簡單的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行的康復(fù)理療已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足患者的要求。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這個(gè)特殊群體已得到更多人的關(guān)注，治療康復(fù)和服務(wù)于他們的產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量也在相應(yīng)地提高，因此服務(wù)于四肢的康復(fù)機(jī)器人的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。

目前世界上手功能康復(fù)機(jī)器人的研究出于剛起步狀態(tài)，各種機(jī)器人產(chǎn)品更是少之又少，在國內(nèi)該領(lǐng)域中尚處于空白狀態(tài)，臨床應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)，因此對手功能康復(fù)機(jī)器人的研究有廣闊的應(yīng)用前景和重要的科學(xué)意義。

目前大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備存在以下一些問題：康復(fù)訓(xùn)練過程中，缺乏對關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度的觀測和康復(fù)力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復(fù)治療過程的力位信息和康復(fù)效果不能建立起有效地評價(jià)。本課題針對以上問題，采用氣動人工肌肉驅(qū)動的手指康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人實(shí)現(xiàn)手指康復(fù)訓(xùn)練的多自由度運(yùn)動，不僅降低了設(shè)備成本，更重要的是提高了系統(tǒng)對人類自身的安全性和柔順性，且具有體積小，運(yùn)動的強(qiáng)度和速度易調(diào)整等特點(diǎn)。

課題的研究思想符合實(shí)際國情和康復(fù)機(jī)器人對系統(tǒng)柔順性、安全性、輕巧性的高要求 。它將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于患者的手部運(yùn)動功能康復(fù)，研究一種柔順舒適、可穿戴的手功能康復(fù)機(jī)器人，輔助患者完成手部運(yùn)動功能的重復(fù)訓(xùn)練，其輕便經(jīng)濟(jì)、穿卸方便，尤其適于家庭使用，既可為患者提供有效的康復(fù)訓(xùn)練，又不增加臨床醫(yī)療人員的負(fù)擔(dān)和衛(wèi)生保健。

綜上所述，氣動人工肌肉驅(qū)動手指康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)是氣壓驅(qū)動與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的新應(yīng)用，具有重要的科學(xué)意義。

二、 國內(nèi)外研究動態(tài)

2.1 國外研究動態(tài)

美國是研究氣動肌肉機(jī)構(gòu)最多的國家，主要集中在大學(xué)。

華盛頓大學(xué)的生物機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室從生物學(xué)角度對氣動肌肉的特性作了深入研究，從等效做功角度建模，并進(jìn)行失效機(jī)理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射運(yùn)動控制研究。

vanderbilt 大學(xué)認(rèn)知機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室(cognitive robotics lab, crl)研制了首個(gè)采用氣動肌肉驅(qū)動的爬墻機(jī)器人，并應(yīng)用于驅(qū)動智能機(jī)器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。

伊利諾伊大學(xué)香檳分校的貝克曼研究所對圖像定位的5自由度soft arm 機(jī)械手采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高精度位置控制和軌跡規(guī)劃。亞利桑那州立大學(xué)設(shè)計(jì)了并聯(lián)彈簧的新結(jié)構(gòu)氣動肌肉驅(qū)動器，可以同時(shí)得到收縮力和推力，并與工業(yè)界合作開發(fā)了多種用于不同部位肌肉康復(fù)訓(xùn)練的小型醫(yī)療設(shè)備。

英國salford 大學(xué)高級機(jī)器人研究中心對氣動肌肉的應(yīng)用作了長期的系統(tǒng)研究，開發(fā)了用于核工業(yè)的操作手、靈巧手、仿人手臂以及便攜式氣源和集成化氣動肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的遠(yuǎn)程控制。

法國國立應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了氣動肌肉的動靜態(tài)性能和多種控制策略，目前正在研制新型驅(qū)動源的人工肌肉以及在遠(yuǎn)程醫(yī)療上的應(yīng)用。

比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)制作了新型的折疊式氣動肌肉用于驅(qū)動兩足步行機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動控制。

日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又發(fā)明了多種不同結(jié)構(gòu)的氣動肌肉。德國festoon 公司發(fā)明了適合工業(yè)應(yīng)用的氣動肌腱fluidic muscle，壽命可達(dá)1000萬次以上，同時(shí)還對氣動肌肉的應(yīng)用作了許多令人耳目一新的工作。英國shadow 公司研制了目前世界上最先進(jìn)的仿人手。美國的kinetic muscles 公司與亞利桑那州立大學(xué)合作開發(fā)了多種用于肌肉康復(fù)訓(xùn)練的小型醫(yī)療設(shè)備。

lilly采用基于滑動模的參數(shù)自適應(yīng)控制策略，實(shí)現(xiàn)了單氣動肌肉驅(qū)動的關(guān)節(jié)位置控制。

2.2 國內(nèi)研究動態(tài)

自20 世紀(jì)90 年代以來，我國陸續(xù)開始了氣動肌肉的研究。

北京航空航天大學(xué)的宗光華較早開始?xì)鈩蛹∪獾难芯浚治隽似浞蔷€性特性、橡膠管彈性及其自身摩擦對驅(qū)動模型的影響，并應(yīng)用于五連桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過剛度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)柔順控制。

上海交通大學(xué)的田社平等運(yùn)用零極點(diǎn)配置自適應(yīng)預(yù)測控制、非線性逆系統(tǒng)控制以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，實(shí)現(xiàn)單自由度關(guān)節(jié)的快速、高精度位置控制。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王祖溫等分析了氣動肌肉結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響、氣動肌肉的靜動態(tài)剛度特性以及與生物肌肉的比較，提出將氣動肌肉等效為變剛度彈簧，設(shè)計(jì)了氣動肌肉驅(qū)動的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反饋數(shù)據(jù)手套和6 足機(jī)器人，采用輸入整形法解決關(guān)節(jié)階躍響應(yīng)殘余震蕩問題。

北京理工大學(xué)的彭光正等先后進(jìn)行了單根人工肌肉、單個(gè)運(yùn)動關(guān)節(jié)以及3 自由度球面并聯(lián)機(jī)器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種智能控制算法，并設(shè)計(jì)了6 足爬行機(jī)器人和17 自由度仿人五指靈巧手。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)氣動中心的隋立明博士也通過實(shí)驗(yàn)得到了氣動人工肌肉的一個(gè)更簡潔的修正模型和經(jīng)驗(yàn)公式并對兩根氣動人工肌肉組成的一個(gè)簡單關(guān)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模和采用位置閉環(huán)的控制方法進(jìn)一步驗(yàn)證氣動人工肌肉的模型。

上海交通大學(xué)的林良明也對氣動人工肌肉的軌跡學(xué)習(xí)控制進(jìn)行了仿真研究給出了學(xué)習(xí)的收斂性的初步結(jié)論為下一步的學(xué)習(xí)控制奠定了基礎(chǔ)。其中田社平通過對氣動人工肌肉收縮在頻率域上的數(shù)學(xué)模型并對它的結(jié)構(gòu)及其靜動態(tài)特性進(jìn)行了理論分析建立了相應(yīng)的靜態(tài)力學(xué)方程。

2003年付大鵬等，以機(jī)械手抓取物體為分析對象，采用矩陣法來描述機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)問題，以四階方陣變換三維空間點(diǎn)的齊次坐標(biāo)為基礎(chǔ)，將運(yùn)動、變換和映射與矩陣計(jì)算聯(lián)系起來建立了機(jī)械手的運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，并提出了機(jī)械手運(yùn)動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法，這種方法對機(jī)械手的精密設(shè)計(jì)和計(jì)算具有普遍適用意義。

2005年車仁煒，呂廣明，陸念力對5自由度的康復(fù)機(jī)械手進(jìn)行了動力學(xué)分析，將等效有限元的方法應(yīng)用到開式的5自由度的康復(fù)機(jī)械手的動力分析中，這種方法比傳統(tǒng)的分析方法建模效率高、簡單快捷，極其適合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展，的除了機(jī)械臂的動力響應(yīng)曲線，為機(jī)械手的優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制提供理論依據(jù)。

2008年北京聯(lián)合大學(xué)張麗霞，楊成志根據(jù)拿取非規(guī)則物品的任務(wù)要求，采用轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了五指型機(jī)器手，手指彎曲電機(jī)與指間平衡電機(jī)耦合驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器手的多角度張開、抓握運(yùn)動方式,對實(shí)用型仿人機(jī)器手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有參考意義。

2009年楊玉維等人對輪式懸架移動2連桿柔性機(jī)械手進(jìn)行了動力學(xué)研究與仿真，。采用經(jīng)典瑞利.里茲法和浮動坐標(biāo)法描述機(jī)械手彈性變形與參考運(yùn)動間的動力學(xué)耦合問題， 綜合利用拉格朗日原理和牛頓.歐拉方程并在笛卡爾坐標(biāo)系下，以矩陣、矢量簡潔的形式構(gòu)建了該移動柔性機(jī)械手系統(tǒng)的完整動力學(xué)模型并進(jìn)行仿真。

2009年羅志增，顧培民研究設(shè)計(jì)了一種單電機(jī)驅(qū)動多指多關(guān)節(jié)機(jī)械手，能夠很好的實(shí)現(xiàn)靈巧、穩(wěn)妥的抓取物體，這個(gè)機(jī)械手共有4指12個(gè)關(guān)節(jié)。每個(gè)手指有3個(gè)指節(jié)，由兩個(gè)平行四邊形的指節(jié)結(jié)構(gòu)確保手指末端做平移運(yùn)動，這種設(shè)計(jì)方案很好的實(shí)現(xiàn)了控制簡單、抓握可靠的目的。

從目前來看，國內(nèi)對氣動人工肌肉的研究仍處于剛起步的階段。有關(guān)氣動人工肌肉的研究與國外還有相當(dāng)?shù)牟罹鄬鈩尤斯ぜ∪庵械脑S多問題，還沒有進(jìn)行深入的研究。此外，采用氣動人工肌肉作為機(jī)器人驅(qū)動器的研究還不成熟。

三、 主要研究內(nèi)容和解決的主要問題

目前大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備存在以下一些問題:康復(fù)訓(xùn)練過程中，缺乏對關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度的觀測和康復(fù)力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復(fù)治療過程的力位信息和康復(fù)效果不能建立起有效地評價(jià)。為此，課題主要研究內(nèi)容：設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單，易于穿戴，并且安全、柔順、低成本，使用方便的氣動手功能康復(fù)設(shè)備。對氣動手指康復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析、用mat lab軟件對康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的康復(fù)治療過程的力位信息進(jìn)行仿真分析。

要實(shí)現(xiàn)上述的目標(biāo)，系統(tǒng)中需要著重解決的關(guān)鍵技術(shù)有：

(1)基于已有上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)，對手指康復(fù)訓(xùn)練方法分析和提煉。 主要包括：人手部的手指彎曲抓握動作分析，氣壓驅(qū)動關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的優(yōu)化配置。使機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)手指的彎曲、物體的抓握等手部癱瘓患者不能實(shí)現(xiàn)的動作。

(2)對機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析。主要包括：氣壓驅(qū)動的手指關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析。

(3)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的力位信息仿真。主要包括：用mat lab軟件進(jìn)行機(jī)器人氣壓驅(qū)動終端的力位信息 仿真。

根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)以及工作量的要求，外附骨骼機(jī)械手系統(tǒng)是上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的一部分，本文主要是研究手指康復(fù)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析工作。

四、論文工作計(jì)劃與方案

論文工作計(jì)劃安排：

2010年9月——2011年6月準(zhǔn)備課題階段：

主要工作：學(xué)習(xí)當(dāng)今最先進(jìn)的機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù);學(xué)習(xí)用matlab軟件進(jìn)行計(jì)算仿真及優(yōu)化，查閱國內(nèi)外的資料，對康復(fù)機(jī)械手作初步了解。

2011年7月——2011年9月課題前期階段

主要工作：課題方案設(shè)計(jì)，擬寫開題報(bào)告，開題。

2011年10月——2012年7月課題中期階段

主要工作：開始具體課題研究工作，根據(jù)已有上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)，對手指康復(fù)訓(xùn)練方法分析和提煉。研究手指康復(fù)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析工作。

2012年8月——2012年12月課題后期階段

主要工作：對手指康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行模擬仿真，對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善課題。

2013年1月——2013年4月結(jié)束課題階段

主要工作：整理相關(guān)資料，撰寫論文，準(zhǔn)備進(jìn)行畢業(yè)論文答辯。

2013年5月——2013年6月論文答辯階段

主要工作方案：

1. 完成學(xué)位課與非學(xué)位課學(xué)習(xí)的同時(shí)，進(jìn)行市場調(diào)研，對手指康復(fù)機(jī)械手作初步了解。

2. 查閱資料，了解氣動手指康復(fù)機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。

3. 分析已有上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計(jì)。

4. 對現(xiàn)有手指康復(fù)訓(xùn)練方法設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和提煉，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

篇（2）

前 言：

氣動機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。氣動機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、可靠、節(jié)能、不污染環(huán)境、可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于汽車制造業(yè)、食品和藥品包裝行業(yè)、化工行業(yè)、精密儀器制造業(yè)和軍事工業(yè)等。

在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)應(yīng)用的氣動機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)4個(gè)自由度的運(yùn)動，其各自的自由度的驅(qū)動全部由氣動肌肉來實(shí)現(xiàn)。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動肌肉的驅(qū)動實(shí)現(xiàn)各自關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，使物品在空間上運(yùn)動，根據(jù)合理的控制，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動作要求。氣動機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂的設(shè)計(jì)主要是選擇合適的控制閥，設(shè)計(jì)合理的氣動控制回路，通過控制和調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作。

1.氣動機(jī)械手的原理

氣壓傳動機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。它巧妙地應(yīng)用力的平衡原理，使操作者對重物進(jìn)行相應(yīng)的位移，就可在空間內(nèi)平衡移動定位負(fù)荷。重物在提升或下降時(shí)形成浮動狀態(tài)，靠氣路實(shí)現(xiàn)微重力的物料位移，操作力受工件重量影響。無需熟練的點(diǎn)動操作，操作者用手推拉重物，就可以把重物正確地放到空間中的任何位置，或者通過操作臺控制工件的位移可完成以下動作：送料、預(yù)夾緊、手臂上升、手臂旋轉(zhuǎn)、小臂伸長、手腕旋轉(zhuǎn)。

圖1：氣動機(jī)械手系統(tǒng)工作原理圖

氣壓傳動機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)：（1）不用增速機(jī)構(gòu)就能獲得較高的運(yùn)動速度，這是簡易機(jī)械手的一項(xiàng)主要性能，其可適應(yīng)各種快速自動搬運(yùn)的工作。（2）能源方便，工廠都有壓縮工作站。（3）空氣泄漏基本無害。（4）適應(yīng)易爆、易燃等惡劣環(huán)境。

（5）結(jié)構(gòu)、保養(yǎng)都簡單，成本低。（6）可將直線風(fēng)缸和擺動風(fēng)缸做成手臂的一部分，結(jié)構(gòu)簡單，剛性好。

2.氣動機(jī)械手的主要部件和設(shè)計(jì)要求

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，機(jī)械手的各模塊化機(jī)構(gòu)分別為：立柱、手臂、小臂、手腕和手爪幾個(gè)部分。論文選擇圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，木設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有3個(gè)自由度：手臂伸縮；機(jī)身回轉(zhuǎn)；機(jī)身升降。木設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要由3個(gè)大部件和3個(gè)氣缸組成：手部，采用一個(gè)氣爪，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手爪的運(yùn)動。臂部，采用直線缸來實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮。機(jī)身，采用一個(gè)直線缸和一個(gè)回轉(zhuǎn)缸來實(shí)現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。

機(jī)械手的手部是機(jī)械手上承擔(dān)抓取工件的機(jī)構(gòu)，由于被抓取物件（炮彈）的形狀近似于圓臺，所以，其手爪采用特殊的V字型結(jié)構(gòu)，即手爪的內(nèi)表而設(shè)計(jì)成與圓臺斜度相同的斜而，即保證了抓取的穩(wěn)定又不會因“線接觸”而影響炮彈的表而質(zhì)量。通過對平衡氣缸內(nèi)空氣壓力快速精確的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對某一重量范圍內(nèi)工件的實(shí)時(shí)平衡狀態(tài)。機(jī)械手可選擇定制功能：平衡系統(tǒng)；垂直提升；負(fù)載平衡。設(shè)備回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)置剎車系統(tǒng)，可在任意所需要的位置剎車，使機(jī)械手可以長期或定期保持需要的狀態(tài)。翻轉(zhuǎn)90度、翻轉(zhuǎn)180度和翻轉(zhuǎn)任意角度（MAX270°）；斷氣保護(hù)：設(shè)備被意外斷氣時(shí)，設(shè)備上的儲氣罐裝置可保證工人正常完成一個(gè)循環(huán)工作，然后進(jìn)入剎車狀態(tài)指不功能：負(fù)載指示、到位指示。誤操作保護(hù)功能：工件在懸空時(shí)不可被釋放。人性化操作手柄：控制按鈕和人性化防滑手柄集成一體，讓操作人更便捷操縱機(jī)體。工件表面保護(hù)：夾具接觸工件部位裝置保護(hù)物件，保證工件表而不會被刮傷。高效率工作：夾具設(shè)置抓取導(dǎo)向，讓工件的拾取更高效。

控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。分離存儲是將各種控制因素的信息分別存儲于兩種以上的存儲裝置中，如順序信息存儲于插銷板、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi)；位置信息存儲于時(shí)間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等；集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲于一種存儲裝置內(nèi)，如磁帶、磁鼓等這種方式使用于順序、位置、時(shí)間、速度等必須同時(shí)控制的場合，即連續(xù)控制的情況下使用。

3.機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

篇（3）

末端執(zhí)行器

結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TB47　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　文章編號：1672-3791(2012)02(a)-0001-01

1　水果收獲機(jī)器人的概念和研究意義

水果收獲機(jī)器人主要分為兩部分：機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)部分和控制部分。其中，本體結(jié)構(gòu)部分又可分為：機(jī)械手，末端執(zhí)行器，底部平臺，有的還有視覺系統(tǒng)。

在中國，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和不斷調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，水果栽培面積，例如蘋果、柑橘和葡萄，達(dá)到自199 3年以來的900萬公頃，占世界上水果種植面積總數(shù)的四分之一。然而，水果收割任務(wù)中50％到70％的勞動力還是靠體力勞動。因?yàn)檗r(nóng)業(yè)人口正在減少，收獲自動化亟待普及。此外，由于果樹是高個(gè)子，收割工作需要使用梯子，使手工收獲危險(xiǎn)高和效率低下。所以，農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械化亟待普及。因?yàn)樗旧硪讚p傷和生長環(huán)境的復(fù)雜等因素的制約，現(xiàn)階段的各種水果收獲機(jī)器人都有各種不足。本文就近幾年來的有關(guān)論文進(jìn)行研究學(xué)習(xí)及對本地柑橘的生長環(huán)境的調(diào)研，擬設(shè)計(jì)了一種適合本地柑橘機(jī)械采摘的簡易機(jī)械臂及末端執(zhí)行器。

2　本地柑橘的自然采摘環(huán)境

浙江大部分都是山地地貌，并且大都種植了柑橘、蘆柑、胡柚等柑橘屬的植物。雖然浙江的氣候、土壤等都適宜于柑橘的生長，但是浙江的山地地貌也給采摘和運(yùn)輸帶來了一定的難度。每年的采摘季節(jié)，需要大批的勞動力，而于此相反的是，本地的勞動力日漸下降，全都去城鎮(zhèn)務(wù)工了。因此，針對柑橘的采摘機(jī)器人呼之欲出。柑橘果實(shí)外有一層較厚的果皮，它能很好的減輕柑橘間的碰撞沖擊力。

3　本設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器及機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)

3.1　采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)

與工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手不何，果蔬果實(shí)收獲機(jī)器人的機(jī)械手，所處的外部環(huán)境是復(fù)雜的、多變的、非結(jié)構(gòu)的，并且與果實(shí)的栽培方式有很大關(guān)系。因此，設(shè)計(jì)機(jī)械手應(yīng)在考慮栽培方式的基礎(chǔ)上，使果實(shí)處于其作業(yè)空間內(nèi)，并且能夠避免障礙物(葉子、莖稈等)，準(zhǔn)確地抓取到果實(shí)。對于柑橘、蘋果等樹冠高大的果樹，機(jī)械手需要較大的作業(yè)空間。為此，本設(shè)計(jì)采用三個(gè)關(guān)節(jié)的折疊臂使達(dá)到所需的作業(yè)空間，并且可以折疊便于攜帶。

具體三維模型見圖1。

3.2　末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

目前各地研究的收獲機(jī)械手的末端執(zhí)行器大多為：先由機(jī)械手爪抓住果實(shí)，然后通過機(jī)械手爪轉(zhuǎn)動來扭斷果柄；或者在手爪抓住果實(shí)后，用另一個(gè)剪刀去剪斷呆柄，然后機(jī)械臂把水果運(yùn)輸?shù)街付c(diǎn)，手爪放開。這樣的設(shè)計(jì)一定程度上降低了收獲機(jī)械人的收獲效率。

本設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器主要由支架，動力部分，傳動部分，果梗剪斷器，果實(shí)傳送部分五個(gè)部分組成，具體看圖2。此末端執(zhí)行器由電機(jī)通過齒輪驅(qū)動果梗剪斷器剪斷果梗，同時(shí)果實(shí)掉入果梗剪斷器下方的柔性導(dǎo)管中，果實(shí)通過柔性導(dǎo)管被馬上運(yùn)輸?shù)街付c(diǎn)。

本設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器和普通的執(zhí)行器相比，不但從減少電機(jī)的數(shù)量，并且提高收獲機(jī)械人的工作效率。其中圖2中的柔性軟管不僅代替了普通的末端執(zhí)行器的手爪功能，從而減去了一個(gè)被驅(qū)動元件，還能直接把采摘得果實(shí)直接運(yùn)送到指定點(diǎn)，進(jìn)而大大提高了收獲效率。但由于運(yùn)輸過程中有一定碰撞，所以此末端執(zhí)行器一般適用于柑橘等柑橘屬的水果。

此外，由于不同品種的柑橘的果梗粗細(xì)不同，果實(shí)的直徑大小不同，我們可以根據(jù)采摘對象的不同，更換不同的果梗剪斷器，不同直徑的柔性管道，甚至整個(gè)末端執(zhí)行器也可更換。

3.3　建立實(shí)物模型，檢驗(yàn)實(shí)際效果

根據(jù)三維建模的相關(guān)數(shù)據(jù)及考慮現(xiàn)實(shí)的取材便利，我們用輕質(zhì)不銹鋼做為主材料，直流電機(jī)為動力部分，齒輪為傳動部件，塑料管做為柔性管道制造出了四自由度的柑橘采摘機(jī)械手模型(圖3)。并且，在實(shí)驗(yàn)室里，模擬運(yùn)行了此機(jī)械手的采摘功能。在實(shí)驗(yàn)室里，該柑橘采摘機(jī)械手模型在人的控制下基本能實(shí)現(xiàn)在豎直空間上的上下自由運(yùn)動。并且順利剪斷果梗，使果實(shí)順利掉入由塑料管充當(dāng)?shù)娜嵝怨艿乐小Ｗ罱K，果實(shí)順著柔性管道順利到達(dá)指定位置。

4　結(jié)語

對于目前水果收獲機(jī)器人的機(jī)械手和末端執(zhí)行器存在的問題。本文提出了自己的見解：因機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與果蔬的生長狀態(tài)有關(guān)，可采用關(guān)節(jié)型的折疊機(jī)構(gòu)。對于水果收獲機(jī)器人只能針對一種對象進(jìn)行作業(yè)的現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)提出了一套適合柑橘屬果實(shí)采摘的末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，即只需要更換末端執(zhí)行器，這樣收獲機(jī)器人的利用率將大大提高。另外，柔性的管道節(jié)省去了機(jī)械臂把水果放回地面的時(shí)間，從而大大提高了機(jī)器人的采摘效率。

當(dāng)然，本設(shè)計(jì)的也還存在一些不足。如缺少在自然環(huán)境中的測試，還不能很好的利用到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中。機(jī)械臂的設(shè)計(jì)有些過于簡單，有待進(jìn)一步優(yōu)化。

篇（4）

隨著礦山設(shè)備的發(fā)展，礦用車輛輪胎機(jī)械手也不斷更新發(fā)展，逐漸向大型化，自動化方向發(fā)展，這給輪胎機(jī)械手的設(shè)計(jì)帶來了諸多的挑戰(zhàn)和難題。設(shè)計(jì)一種能夠代替人力，操作簡單，安全實(shí)用，適用于大型輪胎拆裝、搬運(yùn)需求的設(shè)備成為當(dāng)務(wù)之急。這有利于提高生產(chǎn)效率，降低勞動強(qiáng)度，保證作用安全。研究表明85%的輪胎機(jī)械手的破壞發(fā)生在連桿機(jī)構(gòu)，這種破壞主要是連桿機(jī)構(gòu)在動態(tài)載荷下發(fā)生的疲勞失效或者應(yīng)力屈服破壞。為了解決輪胎機(jī)械手連桿機(jī)構(gòu)的破壞難題，本文將對該連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)應(yīng)力仿真，考場連桿機(jī)構(gòu)在動態(tài)載荷的作用下連桿所發(fā)生的變化，并提出連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1、輪胎機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r

國外的輪胎機(jī)械手的發(fā)展已經(jīng)十分成熟。第一臺輪胎機(jī)械手由美國佩蒂伯恩公司生產(chǎn)的Super 20型輪胎夾裝機(jī)，該機(jī)械手具備更換運(yùn)輸卡車和重型設(shè)備輪胎的作用，還可以當(dāng)做叉車使用；該設(shè)備顯著的特點(diǎn)是高效，大量減少勞動量。改型輪胎機(jī)械手主要由以下幾個(gè)部分組成：前伸式夾持裝置，四輪驅(qū)動裝置，四輪空氣制動裝置和一臺GM型柴油機(jī)組成。該裝置的最大夾持承載能力在伸出時(shí)為4309kg，縮回時(shí)為6804kg，夾持裝置能夠向兩側(cè)轉(zhuǎn)動45°，叉架能夠左右移動127mm，以準(zhǔn)確完成輪胎的定位。此裝置能夠平穩(wěn)的夾起輪胎，并將輪胎準(zhǔn)確的定位在輪轂螺栓上。

同國外相比，國內(nèi)輪胎機(jī)械手發(fā)展起步比較晚，還處于生產(chǎn)小型輪胎拆裝機(jī)階段，對于大型輪胎拆裝設(shè)備的研發(fā)還很少。廣西柳工集團(tuán)生產(chǎn)的ZL40B型裝載機(jī)，使用規(guī)格為20.5-25的輪胎，充氣后質(zhì)量為0.4t，最大直徑為1.55m。該型裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)可以完成動臂的提升和鏟斗的旋轉(zhuǎn)動作。拆下鏟斗，在動臂斗銷的位置上安裝水平放置的兩只夾持臂。兩只夾持臂由液壓缸提供動力，可以實(shí)現(xiàn)張開和閉合動作。這樣，裝載機(jī)自身動臂的提升、鏟斗的旋轉(zhuǎn)外加夾持臂的開合動作就可以滿足輪胎拆裝的需求，具有操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2、ADMAS軟件的介紹

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。目前，ADAMS己經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。

3、輪胎機(jī)械手結(jié)構(gòu)組成

輪胎機(jī)械手的主要功能是實(shí)現(xiàn)礦山大型車輛輪胎的拆裝和搬運(yùn)。動力源為液壓缸，并要求液壓動力在適當(dāng)?shù)暮奢d下運(yùn)作，才能使液壓工作件高效、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的完成液壓元件的各項(xiàng)操作動作；而且液壓動力源的各項(xiàng)操作可以通過電液伺服控制技術(shù)使提高該系統(tǒng)的自動化控制水平。輪胎機(jī)械手可以安裝在裝載機(jī)或叉車上，利用裝載機(jī)和叉車可以將物體舉高的現(xiàn)有動作實(shí)現(xiàn)垂直地面方向的移動，輪胎機(jī)械手自身可以完成對輪胎的夾持、水平移動和兩個(gè)方向的翻轉(zhuǎn)動作以滿足大型輪胎的拆裝和搬運(yùn)過程中所需的各種動作。輪胎機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)大致由手盤、手臂、轉(zhuǎn)動架、平動架和固定板組成。

4、輪胎機(jī)械手工作原理

輪胎機(jī)械手的執(zhí)行是通過手臂上的兩支液壓缸的伸縮，產(chǎn)生一定的夾緊力同時(shí)對兩支手臂同步完成手臂的張開和閉合動作，其中最大的夾緊重量為5900kg，夾持距離為1092mm~4060mm；另外手臂上的手盤能夠在360°的范圍內(nèi)帶動負(fù)載以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)力矩和要求轉(zhuǎn)速由安裝在手臂的液壓馬達(dá)經(jīng)過減速器產(chǎn)生，要求旋轉(zhuǎn)過程不能發(fā)生打滑現(xiàn)象；同樣轉(zhuǎn)動架以2r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)360°，且旋轉(zhuǎn)所需的力矩是由安裝在平動架上的液壓馬達(dá)提供；而平動架在水平左右移動所需的動力又安裝在平動架和固定板之間的平動液壓缸提供，并且可以在300mm的范圍里移動；最后，整個(gè)裝置由固定板安裝在裝載機(jī)或叉車上。

5、動態(tài)應(yīng)力仿真

由研究表明，85%的輪胎機(jī)械手主要在連桿機(jī)構(gòu)處發(fā)生破壞，而破壞的原因主要是因?yàn)閯虞d荷受力不均勻，導(dǎo)致連桿機(jī)構(gòu)疲勞失效和破壞。針對連桿機(jī)構(gòu)的在動載荷下的破壞，探究桿件在受到動載荷時(shí)桿件的應(yīng)力情況。動態(tài)應(yīng)力仿真的步驟是：首先建立輪胎機(jī)械手的虛擬樣機(jī)模型；然后導(dǎo)入到動態(tài)分析軟件ADAMS中，對樣機(jī)模型進(jìn)行約束、驅(qū)動使模型模擬整個(gè)機(jī)械手的運(yùn)動；最后在ADAMS中記錄模型在受到動載荷下，模型的運(yùn)動狀況以及桿件所產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力。

通過動態(tài)軟件ADAMS仿真可以直觀的輪胎機(jī)械手的動作過程，通過修改參數(shù)可以看出該機(jī)械手的連桿機(jī)構(gòu)在不同載荷下所受到的動應(yīng)力，根據(jù)該動應(yīng)力的情況設(shè)計(jì)合理的連桿機(jī)構(gòu)，同時(shí)對改進(jìn)輪胎機(jī)械手提供了依據(jù)。同時(shí)仿真模型和運(yùn)動過程參數(shù)可以為整個(gè)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)，繼而為快速、準(zhǔn)確方便的設(shè)計(jì)和制造物理樣機(jī)奠定基礎(chǔ)。

同國外相比，國內(nèi)輪胎機(jī)械手發(fā)展起步比較晚，還處于生產(chǎn)小型輪胎拆裝機(jī)階段，對于大型輪胎機(jī)械手的研發(fā)還很少。主要原因是國內(nèi)輪胎機(jī)械手的設(shè)計(jì)中，很少考慮連桿機(jī)構(gòu)在動態(tài)載荷下的應(yīng)力變化情況，在對輪胎機(jī)械手的改進(jìn)和研究過程中我們要充分考慮動態(tài)載荷情況，根據(jù)動態(tài)載荷運(yùn)用動態(tài)仿真軟件來模擬其實(shí)際情況，這樣能節(jié)約成本，縮短開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)：

篇（5）

 

1無氧澆注技術(shù)

鋼水從盛鋼桶注入中間罐、或者從中間罐注入結(jié)晶器的過程中，不可避免地要與空氣接觸而發(fā)生氧化反應(yīng)和吸收氣體。如果不采取措施，即使連鑄鋼水經(jīng)過了各種處理，鋼水的純度很高，也還是會前功盡棄，結(jié)果往往在鑄坯、鋼板和成品加工過程中出現(xiàn)種種表面或內(nèi)部缺陷，使鋼坯的機(jī)械性能變壞。因此，在連鑄過程中必須使鋼水與空氣隔絕，這就是無氧澆注技術(shù)。

長水口機(jī)械手機(jī)構(gòu)就是通過各種動作把長水口的上端與大包滑動水口相接，下口伸入中間罐鋼水內(nèi)，從而使鋼水流通過長水口注入中間罐，用長水口將注流與空氣隔絕。。為了防止從上水口與大包滑動水口的連接處吸入空氣，選用Ar氣體密封。這也是無氧澆注中大包與中間罐之間保護(hù)形式的一種，是品種鋼澆鑄的必要技術(shù)。

2改造前長水口機(jī)械手的工作條件和應(yīng)用狀況

某鋼廠連鑄用鋼包自重130噸，公稱容量為300噸，最大容量為325噸。最大容量時(shí)鋼水高度為4707mm。

圖1

鋼水液比重6.8t/m3，上口直徑φ4623mm，鋼水罐總高5445mm，凈空高度504mm（300噸時(shí)）吹氬壓力4kgf。耐材自重93-100kg。液壓系統(tǒng)工作壓力100-150bar，最大壓力210bar。液壓缸主要參數(shù)為φ50/φ28，行程200，由于液壓缸的位置限制不能使水口向上抬的很高，雖然能夠降得很低，但不能有效地利用行程，不能滿足大包升降的機(jī)械要求。液壓系統(tǒng)的工作情況如圖1所示。現(xiàn)有機(jī)構(gòu)無法安全牢靠的把持長水口，經(jīng)常中斷連鑄的順利進(jìn)行，無法保證煉鋼質(zhì)量。

3長水口機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

長水口機(jī)械手的升降運(yùn)動包括配重控制和液壓閥塊控制；在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上有依靠人工操作和利用蝸輪蝸桿減速機(jī)傳動兩種方式。配重式機(jī)械手在操作過程中笨拙、沉重且不能有效的保證長水口需要的預(yù)緊力。現(xiàn)在的長水口機(jī)械手設(shè)計(jì)常采用液壓控制，利用鑄機(jī)主泵站供油，選擇在系統(tǒng)壓力范圍內(nèi)有效工作的液壓缸，不必配置獨(dú)立的液壓站。在機(jī)械臂的支撐上有一點(diǎn)支撐和通過旋轉(zhuǎn)臂兩點(diǎn)支撐這兩種支撐方式。

4長水口機(jī)械手的工作原理

4.1液壓缸的設(shè)計(jì)依據(jù)

長水口機(jī)械手的升降動作主要依靠液壓缸的動作來完成。液壓缸可分為有桿腔工作和無桿腔工作兩種情況，無桿腔進(jìn)油推力大速度小，有桿腔進(jìn)油推力小速度快。或者說在同樣負(fù)載下，無桿腔進(jìn)油需要的壓力小，有桿腔進(jìn)油需要的壓力大。

根據(jù)長水口機(jī)械手的工作要求，現(xiàn)場需要?jiǎng)幼鞯姆秶M(jìn)行設(shè)計(jì)，為某鋼廠改造的該機(jī)構(gòu)工作位置如圖2所示。

圖2

O點(diǎn)為液壓缸的支點(diǎn)，A點(diǎn)為液壓缸最短行程位置，C點(diǎn)為最大行程位置，通過力距的分解與計(jì)算，可以選擇一定行程的液壓缸，保證機(jī)構(gòu)升降需要達(dá)到的位置。通過分析可知，圖示位置和行程完全可以提起所要求的角度。。該機(jī)構(gòu)是可靠的。

4.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用下置式蝸輪減速機(jī)，傳動比40：1。。根據(jù)輸出軸軸端許用負(fù)載選擇蝸輪軸的轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)矩。

輸出軸軸端徑向許用負(fù)荷FR=FL·R（其中FL為速度系數(shù)，R為徑向載荷系數(shù)）

輸出軸軸端軸向許用負(fù)荷FA=FL·A（其中FL為速度系數(shù)，A為軸向載荷系數(shù)）

蝸輪減速機(jī)在啟動機(jī)器之前，要正確加注蝸輪減速機(jī)專用油N220-N680，不能使用其他油。新減速機(jī)第一次使用時(shí)，經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)7~14天（150~300小時(shí)）的磨合期后，必須更換新油。使用至三個(gè)月時(shí)必須第二次更換新油。在以后的使用過程中，應(yīng)定期檢查油質(zhì)，必須隨時(shí)更換含有雜質(zhì)、污染，或已分解、老化的變質(zhì)油品，確保減速機(jī)的使用性能，從而保證長水口機(jī)械手機(jī)構(gòu)靈活、安全的回轉(zhuǎn)。

5、使用狀況

該長水口機(jī)械手機(jī)構(gòu)在現(xiàn)場使用過程中轉(zhuǎn)動靈活，操作簡單，工作可靠，達(dá)到了鋼廠的使用要求。

根據(jù)某鋼廠板坯澆鑄機(jī)生產(chǎn)實(shí)績統(tǒng)計(jì)，在鋼包與中間罐間敞開澆注，中間罐內(nèi)鋼水平均增氮20ppm；采用長水口密封澆注，平均增氮約12ppm；在長水口頂部與滑動水口連接處通過Ar密封，鋼液增氮平均僅為2ppm。

篇（6）

中圖分類號: TP241.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-0432(2010)-10-0120-1

四自由度采摘機(jī)械臂可以看成是由一系列通過活動聯(lián)接連接起來的桿件組成的。

1 三維空間中的附體坐標(biāo)系和總體坐標(biāo)系

為了便于處理機(jī)械臂復(fù)雜的幾何參數(shù),機(jī)械臂各桿件的運(yùn)動可在總體坐標(biāo)系中描述,在每個(gè)桿件處建立一個(gè)附體坐標(biāo)系。運(yùn)動學(xué)問題便歸結(jié)為尋求聯(lián)系附體坐標(biāo)系和總體坐標(biāo)系的變換矩陣。如圖1所示,參考坐標(biāo)系Oxyz是三維空間中的固定坐標(biāo)系,在機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)中將其作為總體坐標(biāo)系,把Ouvω看成是附體坐標(biāo)系。

圖1 總體坐標(biāo)系和附體坐標(biāo)系

2 建立附體坐標(biāo)系和總體坐標(biāo)系的規(guī)則

Denavit和Hatenberg(1955)提出了一種為關(guān)節(jié)鏈中的每一桿件建立附體坐標(biāo)系的D-H矩陣方法。對于每個(gè)桿件來說,在關(guān)節(jié)軸處可建立一個(gè)正規(guī)的笛卡兒坐標(biāo)系(xi,yi,zi),i=1,2,3,4,再加上機(jī)座坐標(biāo)系。建立在關(guān)節(jié)i+1處的坐標(biāo)(xi,yi,zi)是固聯(lián)在桿件i上的。當(dāng)關(guān)節(jié)驅(qū)動器推動關(guān)節(jié)i時(shí),桿件i將相對于桿件i-1運(yùn)動。機(jī)座坐標(biāo)定義為第0號坐標(biāo)(x0,y0,z0),它也是機(jī)械臂的慣性坐標(biāo)系。確定和建立每個(gè)坐標(biāo)系應(yīng)根據(jù)下面3條規(guī)則:

(1)zi-1軸沿著第i關(guān)節(jié)的運(yùn)動軸;

(2)xi軸垂直于zi-1軸和zi軸并指向離開zi-1軸的方向;

(3)yi軸按右手坐標(biāo)系的要求建立。

按照這些規(guī)則,第0號坐標(biāo)系在機(jī)座上的位置和方向可任選,只要z0軸沿著第1關(guān)節(jié)的運(yùn)動軸運(yùn)動。

3 四自由度采摘機(jī)械臂坐標(biāo)系的關(guān)系參數(shù)

根據(jù)上述坐標(biāo)系的定義,描述四自由度采摘機(jī)械臂相鄰坐標(biāo)系之間的關(guān)系可歸結(jié)為如下4個(gè)參數(shù):

θi 繞zi-1軸(右手規(guī)則)由xi-1軸向xi軸的關(guān)節(jié)角;

di 從第i-1坐標(biāo)系的原點(diǎn)到zi-1軸和xi軸的交點(diǎn)沿zi-1軸的距離;

ai 從zi-1軸和xi的交點(diǎn)到第i坐標(biāo)系原點(diǎn)沿xi軸的偏置距離;

αi 繞xi軸(右手規(guī)則)由zi-1軸轉(zhuǎn)向zi軸的偏角。

對于四自由度采摘機(jī)械臂來說,di,ai,αi是關(guān)節(jié)參數(shù),θi是關(guān)節(jié)變量。根據(jù)上述三條規(guī)則以及各參數(shù)的解釋,可以求得四自由度采摘機(jī)械臂的四個(gè)參數(shù),結(jié)果見表1。

4 循環(huán)法建立坐標(biāo)系

除了上述D-H矩陣方法以外,也可以通過以下6個(gè)步驟為四自由度采摘機(jī)械臂建立一組相容的標(biāo)準(zhǔn)正交坐標(biāo)系。

(1)建立機(jī)座坐標(biāo)系。在機(jī)座上建立右手正交坐標(biāo)系(x0,y0,z0),使z0軸沿關(guān)節(jié)1的運(yùn)動軸,x0和y0軸與z0垂直,但方向可任選;

(2)初始化和循環(huán)。對每一個(gè)i,i=1,2,3,完成步驟(3)至(6);

(3)建立關(guān)節(jié)軸。把zi軸與關(guān)節(jié)i+1的轉(zhuǎn)動軸對準(zhǔn);

(4)建立第i個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)。將第i個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)放在zi和zi-1軸的交點(diǎn)處,或放在它們的公垂線與zi軸的交點(diǎn)處;

(5)建立xi軸。使xi=±(zi-1×zi)/||xi=±(zi-1×zi)/||,如果zi-1與zi平行,就使xi沿它們的公垂線;

(6)建立yi軸。令yi=±(zi×xi)/||zi×xi||,使(xi,yi,zi)成為右手坐標(biāo)系。建立好的坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 四自由度采摘機(jī)械臂連桿坐標(biāo)系

參考文獻(xiàn)

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[2] 畢諸明.六自由度操作手的逆運(yùn)動學(xué)問題[J].機(jī)器人. 1994,3(16):92-95.

[3] 高銳.草莓收獲機(jī)器人的初步研究[D].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.

篇（7）

1 圓盤式刀庫大端面刀換刀問題分析和設(shè)計(jì)

首先，圓盤式刀庫換刀只需要將目標(biāo)刀與主軸到交換，它不同與斗笠式刀庫必須處理還刀，所以為縮短換刀找刀時(shí)間可用T碼命令先讓刀庫備好刀，程序執(zhí)行到換刀名令時(shí)直接就可以進(jìn)行換刀動作。程序T碼控制刀盤將目標(biāo)刀找到并將到套倒下來。當(dāng)程序遇到M06命令時(shí)，Z軸回到第二參考點(diǎn)主軸準(zhǔn)停定位->機(jī)械手刀臂旋轉(zhuǎn)抓刀->氣缸松刀->刀臂旋轉(zhuǎn)換刀->汽缸緊刀->刀臂回原點(diǎn)->換刀完成。

其次，隨機(jī)找刀、機(jī)械手換刀控制基本原理：Txx代碼激活刀庫控制。PLC根據(jù)編程刀具號計(jì)算出該刀具所在的刀套位置，以及就近找刀的方向。位置通過PLC指令[S.ATC K1]方向?qū)ふ遥ㄟ^指令[S.ROT K1]尋找。由PLC程序控制刀庫按就近方向轉(zhuǎn)動到編程刀具所在的位置，等待換刀。最后，M06啟動PLC換刀，換刀過程說明：步驟一：刀套倒刀；步驟二：機(jī)械手扣刀；步驟三：主軸松刀；步驟四：機(jī)械手交換刀具；步驟五：主軸緊刀；步驟六：機(jī)械手回原點(diǎn)；步驟七：刀套回刀，換刀步驟通過PLC程序控制，刀具交換通過[S.ATC K4]指令。

2 大小刀的換刀控制的分析研究

由于用戶在使用機(jī)床時(shí)常會用到端面飛刀等大直徑的刀具（簡稱大刀），這些刀具裝入刀庫后左右相臨的刀套內(nèi)就無法放入刀具。圓盤式（機(jī)械手）刀庫采用的是隨機(jī)換刀，刀具所在的刀套并不固定，如果換大直徑的刀就有可能和相臨的刀具發(fā)生碰撞，所以PLC需要對此種情況進(jìn)行處理。PLC程序設(shè)計(jì)思路和解決方法：要解決此問題最關(guān)鍵的就是要讓大刀兩側(cè)的刀位空出來，當(dāng)換刀時(shí)首先把大刀放入兩側(cè)是空刀的刀套里。本次設(shè)計(jì)的刀庫為24把刀的圓盤式刀庫，由于大刀要占用左右的刀套位，極限情況下24位可以裝下11把刀，但由于實(shí)際使用中幾乎不會要使用到如此多的大刀，故本次設(shè)計(jì)最大大刀容量為9九把（可修改成11把）刀庫容量也可以增加。PLC定義T0～T24為小刀刀號，T51～T59為大刀刀號，刀套空位為99。刀號的設(shè)定須在刀庫登錄表里，刀庫登錄表根據(jù)實(shí)際使用情況設(shè)置。特別注意：允許的大刀最大直徑必須小于刀庫允許普通刀具直徑的的兩倍（目前使用的刀具都小于允許直徑的兩倍），否則大刀與大刀之間交換會發(fā)生碰撞，刀具重量不能超過刀庫允許重量。大刀交換規(guī)則：小刀可放進(jìn)大刀的刀套內(nèi)，大刀不可放進(jìn)小刀刀套內(nèi)。換刀情況分析有以下四種：主軸小刀和刀庫小刀交換，一次性換刀；主軸小刀和刀庫大刀交換，一次性換刀，主軸小刀放進(jìn)大刀刀套中；主軸大刀和刀庫小刀交換，先將原大刀刀套中的小刀換到主軸上，在將小刀與小刀交換；主軸大刀和刀庫大刀交換，一次性換刀。換刀相關(guān)保護(hù)和報(bào)警①換刀前判斷刀臂是否在原點(diǎn)，否則報(bào)警不執(zhí)行換刀。②刀套和打刀缸的動作受到PLC監(jiān)控，超出時(shí)間會發(fā)出報(bào)警，終止換刀。③檢查刀庫表中刀號與主軸刀號是否重復(fù)，發(fā)出報(bào)警信號。④大刀換刀時(shí)檢查大刀刀套兩側(cè)是否為空刀位，如果不是則發(fā)出報(bào)警，終止換刀。⑤檢查當(dāng)前刀套內(nèi)的刀號是否是空刀位，是則不進(jìn)行換刀，發(fā)出報(bào)警。換刀刀號判斷PLC說明。通過D60中的T碼與K實(shí)數(shù)進(jìn)行比較，把比較的結(jié)果送入M1000～M1008。利用比較的結(jié)果M1000～M1008判斷目前換刀的狀態(tài)，將結(jié)果送入M600～M603。M600：T碼小刀與主軸小刀交換；M601：T碼小刀與主軸大刀交換；M602：T碼大刀與主軸小刀交換；M604：T碼大刀與主軸大刀交換；通過判斷的換刀狀態(tài)按照PLC程序框圖的方式執(zhí)行。

3 結(jié)語

用戶在使用機(jī)床時(shí)常會用到端面飛刀等大直徑的刀具，這些刀具裝入刀庫后左右相臨的刀套內(nèi)就無法放入刀具。根據(jù)公司項(xiàng)目要求并兼顧成本和機(jī)床功能，通過系統(tǒng)控制解決了大端面刀等大直徑刀具的換刀問題，為客戶提高生產(chǎn)效率，從而提高其經(jīng)濟(jì)效益做出了一定的貢獻(xiàn)。圓盤式（機(jī)械手）刀庫采用的是隨機(jī)換刀，刀具所在的刀套并不固定，如果換大直徑的刀就有可能和相臨的刀具發(fā)生碰撞，所以PLC需要對此種情況進(jìn)行處理。要解決此問題最關(guān)鍵的就是要讓大刀兩側(cè)的刀位空出來，當(dāng)換刀時(shí)首先把大刀放入兩側(cè)是空刀的刀套里，然后再進(jìn)行換刀。在此設(shè)計(jì)中還為客戶完善了使用過程中的一些輔助功能，使客戶使用更方便、更安全，得到了客戶的認(rèn)可。通過三菱圓盤式（機(jī)械手）刀庫加工中心開發(fā)過程，使我收獲頗多，為了讓更多人分享享我的經(jīng)驗(yàn)所得，特寫這篇論文，供大家參考學(xué)習(xí)。

[參考文獻(xiàn)]

篇（8）

中圖分類號：G712文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1006-5962（2013）02-0027-02

高職機(jī)電一體化專業(yè)課程設(shè)置的培養(yǎng)目標(biāo)是：面向工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，電氣控制系統(tǒng)制造公司、機(jī)電設(shè)備制造公司、機(jī)電設(shè)備、電氣設(shè)備、工控設(shè)備制造公司或公司、科技開發(fā)公司，培養(yǎng)適應(yīng)社會需要，全面發(fā)展，適應(yīng)本專業(yè)相對應(yīng)職業(yè)崗位的高等技術(shù)應(yīng)用性專門人才，主要崗位群定位是自動化設(shè)備安裝員、自動化設(shè)備調(diào)試員、中高級維修電工等，本專業(yè)有五個(gè)主干學(xué)科：電氣工程、電子工程、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與工程，都是為了崗位需要設(shè)置的專業(yè)知識。其中《自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試》作為一門核心專業(yè)課在第四學(xué)期進(jìn)行了貫穿和綜合。

1自動化生產(chǎn)線的課程設(shè)置

機(jī)電一體化專業(yè)人才培養(yǎng)能力有：識圖繪圖能力、機(jī)電安裝調(diào)試維修能力、電控系統(tǒng)調(diào)試檢修能力、自動線調(diào)試維護(hù)能力、機(jī)電設(shè)備管理能力及機(jī)電產(chǎn)品營銷能力等。《自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試》前序課程有PLC技術(shù)、傳感器技術(shù)、電機(jī)與控制，后序課程有機(jī)床維修等。在我們所要實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)中知識目標(biāo)涉及到：機(jī)械手工作原理、握機(jī)械手控制原理、機(jī)械手氣動原理、熟悉安全操作規(guī)程；能力目標(biāo)有：對已安裝的機(jī)械手機(jī)械部件進(jìn)行測量；對機(jī)械手的氣路進(jìn)行基本調(diào)試；根據(jù)故障現(xiàn)象判斷故障部位；檢查分析、找到故障點(diǎn)并分析解決故障；遵守安全操作規(guī)程；素質(zhì)目標(biāo)有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)穆殬I(yè)態(tài)度、規(guī)范的操作習(xí)慣、創(chuàng)新精神、團(tuán)結(jié)協(xié)作精神、自主學(xué)習(xí)精神及溝通能力。

此核心課程以項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)開展課程教學(xué)，提升學(xué)生的職業(yè)能力，以具體自動化生產(chǎn)線為載體，融合認(rèn)知、安裝、調(diào)試和檢測等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、做、評一體化教學(xué)，突出課程的職業(yè)性、實(shí)踐性和開放性。以學(xué)生為主體，采取多樣化教學(xué)方法。以自動化設(shè)備改造為工作過程，涉及電路圖分析、電氣圖設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、設(shè)備組裝、設(shè)備運(yùn)行調(diào)試、設(shè)備檢測、設(shè)備維護(hù)等行動領(lǐng)域，設(shè)置六個(gè)學(xué)習(xí)情境：零配件拆裝、傳感器檢測、氣路檢測、異步電機(jī)檢測、步進(jìn)電機(jī)檢測、整體檢測調(diào)試，分成20個(gè)任務(wù)。

項(xiàng)目一：供料站的安裝，有機(jī)械拆裝、氣路拆裝、電器拆裝三個(gè)任務(wù)；項(xiàng)目二：加工站的安裝，設(shè)計(jì)任務(wù)有加工站組裝、光電傳感器檢測、限位傳感器檢測三個(gè)任務(wù)；項(xiàng)目三：裝配站的安裝，設(shè)計(jì)任務(wù)有裝配站組裝、電磁閥檢測、氣缸檢測三個(gè)任務(wù)；項(xiàng)目四 ：分揀站的安裝，設(shè)計(jì)任務(wù)有分揀站組裝、傳送帶的檢測、異步電機(jī)的檢測、變頻器的檢測四個(gè)任務(wù)；項(xiàng)目五：輸送站的安裝，設(shè)計(jì)任務(wù)有輸送站組裝、光纖傳感器檢測、機(jī)械手檢測、步進(jìn)電機(jī)的檢測、溜板檢測四個(gè)任務(wù)；項(xiàng)目六：整體運(yùn)行調(diào)試，有PLC控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、程序編寫、綜合調(diào)試三個(gè)任務(wù)。

2自動化生產(chǎn)線的教學(xué)方法與評價(jià)設(shè)計(jì)

2.1教學(xué)方法。

（1）講授法：講解項(xiàng)目任務(wù)，傳授項(xiàng)目任務(wù)相關(guān)的知識點(diǎn)，針對學(xué)生實(shí)施過程中出現(xiàn)的不足進(jìn)行知識點(diǎn)的說明。

（2）現(xiàn)場教學(xué)法：在符合生產(chǎn)要求的工作環(huán)境中進(jìn)行操作技能和維修應(yīng)用能力實(shí)踐，提高職業(yè)氛圍，在工作過程中提升學(xué)生的職業(yè)道德、職業(yè)素養(yǎng)和崗位適應(yīng)能力。

（3）任務(wù)驅(qū)動法：將教學(xué)過程融入項(xiàng)目任務(wù)中，讓學(xué)生自主討論分析實(shí)施，學(xué)生在工作過程中得到知識。

（4）小組討論法：學(xué)生每六～八人為一個(gè)小組，小組討論分析，討論解決，分工協(xié)作完成項(xiàng)目任務(wù)。

六步教學(xué)實(shí)施：明確任務(wù)、討論分析、制定方案、檢測故障、檢驗(yàn)效果、總結(jié)分析。老師交代目標(biāo)，注意觀察和記錄小組對現(xiàn)象分析情況，解答學(xué)生提出的問題，對跟主題分析偏離太遠(yuǎn)的小組予以引導(dǎo)，讓學(xué)生自行摸索，在后期對學(xué)生可能會引起事故或損壞設(shè)備和工具的異常操作給予糾正，最后老師組織小組進(jìn)行故障排除工作匯報(bào)，互評，并對每組進(jìn)行考核評價(jià)，再引導(dǎo)學(xué)生自行總結(jié)。

2.2評價(jià)設(shè)計(jì)。

課程采用過程考核與期終考核相結(jié)合、企業(yè)考核與校內(nèi)項(xiàng)目考核相結(jié)合、教師考核與學(xué)生考核相結(jié)合的多元化考核方式，利于理論聯(lián)系實(shí)際，有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)創(chuàng)新和思考，更督促他們到實(shí)際中去發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)，去尋找合適自己的項(xiàng)目和課題。

課程考核為：校內(nèi)項(xiàng)目，企業(yè)，綜合實(shí)訓(xùn)三大類。當(dāng)堂課的考核有：教師考核、小組互評、小組自評；教師考核內(nèi)容為五項(xiàng)：任務(wù)分析情況，實(shí)施方案制定，任務(wù)完成質(zhì)量、分工協(xié)作精神、故障檢測手段、安全操作規(guī)范、小組總結(jié)。

和很多專業(yè)課一樣，多種教學(xué)方法和全面的評價(jià)方案，有效保證了教學(xué)效果。

3相關(guān)課教學(xué)

3.1電機(jī)與電氣控制的教學(xué)。

本課程以發(fā)電機(jī)為主題，以工作任務(wù)為導(dǎo)向，以工廠實(shí)用型電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試與維護(hù)情景教學(xué)為主線貫穿全課程，用實(shí)物進(jìn)行直觀性教學(xué)，使學(xué)生感性認(rèn)識強(qiáng)，理性認(rèn)識夠。

典型的教學(xué)任務(wù)有三相異步電動機(jī)全壓啟動、三相異步電動機(jī)長動控制、三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制、三相異步電動機(jī)延時(shí)啟動控制（或三相異步電動機(jī)Y-降壓啟動）、機(jī)械手控制等。

課程特色是學(xué)生充分利用所學(xué)知識、網(wǎng)絡(luò)資源、閑瑕時(shí)間作為期三個(gè)月的“繼電控制課程設(shè)計(jì)”。任務(wù)書要求能夠根據(jù)功能要求選擇個(gè)元器件的類型及其型號；了解個(gè)元器件的工作原理和使用方法；把各元器件連接起來實(shí)現(xiàn)本課程設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求：兩臺電動機(jī)都存在重載啟動的可能，任何一級傳送帶停止工作時(shí)，其他傳送帶都必須停止工作，控制線路有必要的保護(hù)環(huán)節(jié)，有故障報(bào)警裝置。課程設(shè)計(jì)書要有課題介紹、題目、摘要、總體方案設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)目的、控制要求、設(shè)計(jì)要求、 硬件選型、主電路原理圖的設(shè)計(jì)、 控制電路原理圖的設(shè)計(jì)、重載保護(hù)電路設(shè)計(jì)、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)、總結(jié)。

3.2PLC教學(xué)。

PLC是可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的簡稱，早期是一種開關(guān)邏輯控制裝置，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，其控制核心采用微處理器，功能有了極大擴(kuò)展，除了最廣泛的取代傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制的開關(guān)量邏輯控制外，還有過程控制，數(shù)據(jù)處理，通信聯(lián)網(wǎng)與顯示打印，PLC接口采用光電隔離，實(shí)現(xiàn)了PLC的內(nèi)部電路與外部電路的電氣隔離，減小了電磁干擾。

PLC有5種編程語言：

（1）順序功能圖（SFC）。

順序功能圖常用來編制順序控制類程序，包含步、動作、轉(zhuǎn)換三個(gè)要素。順序功能編程法是將一個(gè)復(fù)雜的控制過程分解為小的工作狀態(tài)，這些狀態(tài)按順序連接組合成整體的控制程序。

（2）梯形圖（LD）。

梯形圖沿襲了繼電器控制電路的形式，是在常用的繼電器、接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上簡化了符號演變而來的，形象、直觀、實(shí)用，電氣技術(shù)人員容易接受，要求用帶CRT屏幕顯示的圖形編程器才能輸入圖形符號，是目前用得最多的一種PLC編程語言。

（3）功能塊圖（FBD）。

功能圖編程語言是用邏輯功能符號組成的功能塊來表達(dá)命令的圖形語言，與數(shù)字電路中的邏輯圖一樣，極易表現(xiàn)條件與結(jié)果之間的邏輯功能。

（4）指令表（IL）。

采用經(jīng)濟(jì)便攜的編程器將程序輸入到可編程控制器就用指令表，使用的指令語句類似微機(jī)中的匯編語言。指令表程序較難閱讀，其中的邏輯關(guān)系很難一眼看出，所以在設(shè)計(jì)時(shí)一般使用梯形圖語言。如果使用手持式編程器，必須將梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表后再寫入PLC，在用戶程序存儲器中，指令按步序號順序排列。

（5）結(jié)構(gòu)文本（ST）是文字語言。

編程語言的學(xué)習(xí)是PLC教學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，中間加以不同的應(yīng)用實(shí)例：順序控制電路、常閉觸點(diǎn)輸入信號的處理，使用多個(gè)定時(shí)器接力定時(shí)的時(shí)序控制電路、三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路、鉆床刀架運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，LED數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)，還經(jīng)常根據(jù)繼電器電路圖設(shè)計(jì)梯形圖。

增加的學(xué)習(xí)情境還常有如下任務(wù)：洗手間的沖水清洗控制、進(jìn)庫物品的統(tǒng)計(jì)、競賽搶答器裝置設(shè)計(jì)、彩燈或噴泉PLC控制；尋找數(shù)組最大值并求和運(yùn)算、電熱水爐溫度控制等。

3.3單片機(jī)。

單片微型計(jì)算機(jī)就是將CPU、RAM、ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。用于示波器、報(bào)警系統(tǒng)、移動電話、彩電等日常方面，在智能儀器儀表、工業(yè)控制、家用電器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域、醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域、工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域也都有廣泛應(yīng)用。

數(shù)據(jù)大都在單片機(jī)內(nèi)部傳送，運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，微型單片化集成了如看門狗、AD/DA等更多的其它資源。教學(xué)內(nèi)容以80C51為核心講授單片機(jī)的的引腳、存儲器組織結(jié)構(gòu)、典型語句，以實(shí)例應(yīng)用為線索：單燈受控閃爍、P1口外接8只LED發(fā)光二極管模擬彩燈、單片機(jī)做加、減、乘、除運(yùn)算等項(xiàng)目。各子任務(wù)都作硬件電路及工作原理分析、主程序流程圖設(shè)計(jì)、源程序的編輯、編譯、下載、單片機(jī)的I/O接口分配及連接。

教學(xué)采用ISP-4單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，可以完成大量的單片機(jī)學(xué)習(xí)、開發(fā)實(shí)驗(yàn)，對學(xué)習(xí)單片機(jī)有極大的幫助。該板采用在線可編程的AT89S51單片機(jī)，有程序下載功能，可將編輯、編譯、調(diào)試好的單片機(jī)代碼下載到AT89S51單片機(jī)中。

3.4變頻器技術(shù)及應(yīng)用。

變頻技術(shù)讓學(xué)生熟練掌握各種電力電子器件的工作原理、主要參數(shù)、驅(qū)動電路與保護(hù)技術(shù)；掌握交-直-交變頻器、交-交變頻器、諧振型變頻的工作原理和應(yīng)用范圍；掌握脈寬調(diào)制控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等先進(jìn)技術(shù)；了解變頻器與感應(yīng)電動機(jī)組成變頻調(diào)速系統(tǒng)、變頻器與雙饋電機(jī)組成調(diào)速系統(tǒng)、變頻器與同步電動機(jī)組成變頻調(diào)速系統(tǒng)，掌握電力電子電機(jī)系統(tǒng)的組成、工作原理、控制方法、運(yùn)行特性等，是強(qiáng)電應(yīng)用和現(xiàn)代技術(shù)推廣的有力體現(xiàn)。

3.5傳感器與自動檢測技術(shù)。

傳感器技術(shù)代替人的感觀，在各種環(huán)境下應(yīng)用，檢測技術(shù)是一套有效的反應(yīng)體系，包括信息的獲得、測量方法、信號的變換、處理和顯示、誤差的分析以及干擾的抑制、可靠性問題等。因此掌握常用傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、性能，并能正確選用，了解傳感器的基本概念和自動檢測系統(tǒng)的組成，對常用檢測系統(tǒng)有相應(yīng)的分析與維護(hù)能力。對工業(yè)生產(chǎn)過程中主要工藝參數(shù)的測量能提出合理的檢測方案，能正確選用傳感器及測量轉(zhuǎn)換電路組成實(shí)用檢測系統(tǒng)的初步能力。

教學(xué)過程進(jìn)行小論文制作，讓學(xué)生提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平，使學(xué)生從文字處理水平提高到辦公處理水平。對分節(jié)、目錄、文獻(xiàn)標(biāo)識作嚴(yán)格要求。題目如數(shù)字顯示電子稱、基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速表、單片機(jī)電子秤研究、光纖測溫儀、煙霧報(bào)警器、小車尋跡設(shè)計(jì)、電熨斗自動恒溫系統(tǒng)、電渦流探傷、電感測厚儀等。

4畢業(yè)論文指導(dǎo)分析

畢業(yè)論文專業(yè)聯(lián)系實(shí)際，通常小型自動化系統(tǒng)以單片機(jī)為主，大型自動化生產(chǎn)線以PLC為主，系統(tǒng)運(yùn)行動力離不開電機(jī)，觀察離不開傳感器，調(diào)速可用變頻器，綜合所學(xué)，學(xué)生的論文涉及廣泛，有效教學(xué)可對應(yīng)從如下方面?zhèn)戎刂笇?dǎo)。

4.1立意選題。

根據(jù)實(shí)際和研究方向做好側(cè)重和體現(xiàn)，如“觸摸屏控制的堿液配置系統(tǒng)”和“兩種液體混合裝置的PLC控制系統(tǒng)”的系統(tǒng)性和方向性，“車庫自動門的PLC自動控制”和“測速雷達(dá)信號處理系統(tǒng)”的檢測指標(biāo)要求等。

4.2材料整合。

在任務(wù)要求明確的基礎(chǔ)上，首先確定相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，對應(yīng)查找并列出論文結(jié)構(gòu)，一份畢業(yè)論文至少含有三到五門課的內(nèi)容，對應(yīng)于研究方向進(jìn)行相應(yīng)編排和取舍。

4.3技術(shù)處理。

所搜集圖片的背景往往有水印，要去掉，圖片按要求進(jìn)行不同方向的剪切。圖表里的文字應(yīng)是五號或小五，注意表格標(biāo)題要單獨(dú)標(biāo)出等等格式要求。流程圖、梯形圖的設(shè)計(jì)與表現(xiàn)。

多種教學(xué)方法和理論聯(lián)系實(shí)際教出具有學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的學(xué)生，系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用創(chuàng)造練就出具有競爭力的學(xué)生，專業(yè)課的有效教學(xué)和畢業(yè)論文的順利設(shè)計(jì)將顯示本專業(yè)沉甸甸的含金量。

參考文獻(xiàn)

[1]呂景全.《自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試》，中國鐵道出版社，2010年7月

[2]馬玉春.《電機(jī)與電氣控制》，北京交通大學(xué)出版社，2011年1月

篇（9）

1引言

近年來，各國為達(dá)到提高系統(tǒng)的定位精度以適應(yīng)工業(yè)需要，嘗試了各種控制方式和控制策略，并對氣動伺服系統(tǒng)做了大量工作。當(dāng)臨時(shí)需要對各個(gè)單元進(jìn)行新的分配任務(wù)或產(chǎn)品變化時(shí)，可以很方便的改動或重新設(shè)計(jì)其新部件，當(dāng)位置改變時(shí)，只要重新編程，就能很快地投產(chǎn)，從而降低了安裝和轉(zhuǎn)換工作的費(fèi)用。模塊化生產(chǎn)培訓(xùn)系統(tǒng)（MPS，ModularProductiontrainingSystem）是一種模擬自動化生產(chǎn)加工單元，它由德國FESTO公司結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的特點(diǎn)開發(fā)研制而成。它可以大量代替單調(diào)往復(fù)或高精度的工作，用以滿足前沿產(chǎn)品和自動化設(shè)備更新的需要。本文所研究的內(nèi)容，國際上以德國、日本、韓國等最具代表性，技術(shù)上已經(jīng)趨于成熟，但其產(chǎn)品價(jià)格昂貴，且在技術(shù)上對用戶封鎖，致使用戶無法結(jié)合自己的需要進(jìn)行二次開發(fā)。

目前，國內(nèi)已有幾家教學(xué)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)開始仿造國外的MPS部分產(chǎn)品，主要有上海英集斯自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的“MPS/FMS模塊化生產(chǎn)培訓(xùn)系統(tǒng)”；浙江亞龍教儀有限公司生產(chǎn)的“亞龍YL－MPS模塊化生產(chǎn)培訓(xùn)系統(tǒng)”。本文將采用上海英集斯自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MPS教學(xué)設(shè)備，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室（國家示范性中央財(cái)政支持重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室）的實(shí)際需求，給出了基于PLC的MPS上料檢測單元PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整解決方案。

2上料檢測單元的結(jié)構(gòu)、功能與氣動控制回路

上料檢測單元可作為MPS系統(tǒng)中的起始單元，向系統(tǒng)中的其它單元提供原料。

2.1上料檢測單元的結(jié)構(gòu)、功能

上料檢測單元主要由I/O接線端口、料盤模塊、氣源處理組件、工件檢測組件、提升模塊等部件組成。它的具體功能是：將放置在料盤中的待加工工件按照需要自動地取出，并檢測出工件的黑白顏色，最后將其提升到輸出工位，等待下一個(gè)工作單元來取。

2.2上料檢測單元的氣動控制回路

上料檢測單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣動控制系統(tǒng)，其方向控制閥的控制方式為手動控制或電磁控制。在上料檢測單元的氣動控制原理圖中，1A為雙作用提升氣缸；1Y1為雙作用氣缸電磁閥的控制信號；1B1和1B2為磁感應(yīng)式接近開關(guān)。氣動控制回路如圖1所示。

圖1上料檢測單元?dú)鈩涌刂苹芈?/p>

3基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統(tǒng)的控制任務(wù)設(shè)計(jì)：接通設(shè)備電源與氣源、運(yùn)行PLC后，首先執(zhí)行復(fù)位動作，即提升氣缸驅(qū)動的工件平臺下降到位。料盤旋轉(zhuǎn)輸出工件，當(dāng)料盤檢測到工件平臺中有工件后停止旋轉(zhuǎn)，提升氣缸動作，將工件平臺提升至輸出工位，檢測工件的顏色并保存下來。按下“特殊”按鈕，表示工件被取走。隨后工件平臺下降到位，料盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)輸出工件，重復(fù)以上流程。

下面介紹該方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1分配上料檢測單元PLC輸入輸出地址

PLC的輸入輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1上料檢測單元PLC輸入輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系

3.2編寫程序并調(diào)試

上料檢測單元的手動控制程序框圖如圖2所示。

圖2上料檢測單元的手動控制程序框圖

上料檢測單元的PLC梯形圖程序如圖3所示。

圖3上料檢測單元的PLC梯形圖程序

經(jīng)調(diào)試，該程序能順利完成本單元的控制任務(wù)。

4結(jié)束語

本文對上料檢測單元的結(jié)構(gòu)與功能、氣動控制回路分別進(jìn)行了詳細(xì)分析，然后對上料檢測單元的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，首先編寫了PLC輸入、輸出分配表，進(jìn)而編寫出其程序流程圖及梯形圖，最后上機(jī)調(diào)試，驗(yàn)證了基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統(tǒng)的二次設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的可行性。并總結(jié)出兩點(diǎn)結(jié)論：（1）在設(shè)計(jì)各單元的控制任務(wù)時(shí)，要根據(jù)各單元的基本功能，編寫符合實(shí)際的控制任務(wù)，最大限度的合理開發(fā)其使用功能，但一定要符合其機(jī)械設(shè)計(jì)，否則會讓設(shè)備之間發(fā)生沖突，造成元器件的損壞；（2）在設(shè)計(jì)梯形圖程序時(shí)，移位指令和數(shù)據(jù)傳送指令的合理配合使用，以及RS觸發(fā)器指令的巧妙使用，會大大縮短梯形圖程序設(shè)計(jì)時(shí)間，又會達(dá)到良好的控制效果。從而快速對上料檢測單元的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

1 工業(yè)機(jī)械手編寫組編. 工業(yè)機(jī)械手-機(jī)械結(jié)構(gòu). 上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1978:5-7.

2 宋旦鋒. 模塊化氣動裝卸機(jī)械手的研究與開發(fā). 南京:南京理工大學(xué),2004:6-8.

篇（10）

中圖分類號： F407 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

1 引言

隨著微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，微電子集成芯片在尺寸、種類、形態(tài)結(jié)構(gòu)以及制造周期方面有了很大變化。由于電子行業(yè)對電子產(chǎn)品小型化的要求，高集成度IC一般都采用表面貼裝形式。SMT(表面貼裝技術(shù)Surface Mount Technology)是目前電子貼裝行業(yè)里面的主流技術(shù)，被譽(yù)為電子組裝技術(shù)的一次革命。當(dāng)前發(fā)達(dá)國家在計(jì)算機(jī)、通信、軍事、工業(yè)自動化、消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，幾乎都采用了SMT技術(shù)。因此自主開發(fā) SMT生產(chǎn)設(shè)備不僅是發(fā)展我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的需要，也是我國國民經(jīng)濟(jì)健康、持續(xù)發(fā)展的迫切需求。

SMT生產(chǎn)線中的主要設(shè)備由滴膠機(jī)、絲印機(jī)、貼片機(jī)、回流焊機(jī)、清洗機(jī)和檢測機(jī)等組成，同時(shí)還配備了如上下料機(jī)、接駁臺、涂敷設(shè)備、周轉(zhuǎn)設(shè)備等輔助設(shè)備。貼片機(jī)、滴膠機(jī)、絲印機(jī)和檢測機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備，其中貼片機(jī)是SMT生產(chǎn)線設(shè)備當(dāng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，它的技術(shù)含量最高、價(jià)格最昂貴。圖1是典型的SMT工藝流程圖：

圖1 smt工藝流程圖

Fig. 1 Smt flow chart

2 貼片機(jī)的運(yùn)動控制分析

由前面的貼片機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析可知，控制技術(shù)是核心問題，也是本文要研究的主要問題。貼片機(jī)的控制問題主要是對貼片機(jī)的運(yùn)動控制研究。

貼片機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了手動、半自動、全自動貼片機(jī)三個(gè)時(shí)期，目前絕大多數(shù)正在使用的貼片機(jī)都屬于全自動貼片機(jī)類型。全自動貼片機(jī)是機(jī)-電-光及自動控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用。它通過拾取、移動、定位、貼裝等功能，將表面貼裝器件(SMD)快速而準(zhǔn)確地貼裝到PCB板指定的焊盤位置上。貼片機(jī)對所有元件的貼裝是按順序進(jìn)行的：拾取/貼裝頭先移動到指定的喂料器位置上拾取要貼裝的元件，再通過視覺處理系統(tǒng)對貼裝元件進(jìn)行檢測和對中，最后移動到PCB板上的指定焊盤位置上貼裝元件；在這一過程結(jié)束后，拾取貼裝頭又移動到喂料器拾取下一批元件、再進(jìn)行識別、貼裝操作，如此周而復(fù)始，直到所有元件都貼裝完。整個(gè)流程完全由計(jì)算機(jī)控制自動完成，無需人力介入。所以，對運(yùn)動控制部分的速度、精度等都提出了很高的要求。

根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行編程，主要任務(wù)有三項(xiàng)[8] ：

(1) 對每個(gè)需要貼裝的元器件，按照元器件軌道設(shè)置文件進(jìn)行裝料，并安放于分配到的元器件供料軌道上。

(2) 根據(jù)待加工PCB的寬度將貼片機(jī)傳輸軌道調(diào)整到相應(yīng)的寬度。

(3) 依據(jù)貼片任務(wù)需要來設(shè)定吸嘴配置，進(jìn)行相應(yīng)的吸嘴更換。其次，等這些準(zhǔn)備工作結(jié)束后，就進(jìn)入PCB坐標(biāo)識別步驟，對PCB定位處理。若該塊PCB的基準(zhǔn)點(diǎn)不能夠被識別，就放棄貼片，并傳送到輸出端軌道處；若該塊PCB通過視覺系統(tǒng)的判別，則它就被正確定位于貼片工作區(qū)。旋轉(zhuǎn)頭按照加工程序到相應(yīng)的供料軌道上取料，然后到指定的貼片位置進(jìn)行貼裝。如果在貼片過程中發(fā)生故障，如元器件供料軌道、機(jī)器驅(qū)動及氣路等控制有問題，機(jī)器會做出相應(yīng)的報(bào)警提示。假如排故成功可繼續(xù)貼片，直至完成所有的元器件的貼裝，否則退出貼片作業(yè)，PCB傳輸?shù)捷敵龆塑壍郎稀σ粔KPCB貼片作業(yè)完成后，自動進(jìn)入下一個(gè)PCB作業(yè)循環(huán)。

3 貼片機(jī)的各軸組成和運(yùn)動方式

圖2 貼片機(jī)運(yùn)動各軸組成

Fig. 2 Mounter movement various axes composition

表1 各軸功能表

Tablet 1 Various axes function table

各個(gè)軸需要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動控制方式分為基本運(yùn)動和組合運(yùn)動，基本運(yùn)動包括所有軸的原點(diǎn)復(fù)位、恒速運(yùn)動、以給定的加速度，速度運(yùn)動到目標(biāo)位置；組合運(yùn)動包括X、Y軸的直線插補(bǔ)運(yùn)動、勻加速的之字形運(yùn)動；Z、PU軸的勻加速上下運(yùn)動；R、W軸的勻加速正反運(yùn)動等。運(yùn)動控制的種類如圖3所示。

圖3 各軸的運(yùn)動控制種類

Fig. 3 Various axes movement control type

4 貼片頭運(yùn)動控制模型的建立

貼片頭可以看成四個(gè)自由度的機(jī)械手，其動態(tài)特性具有高度的非線性。其驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)由伺服電動機(jī)來完成。本論文研究的貼片頭驅(qū)動機(jī)構(gòu)為直流伺服電機(jī)。

由于機(jī)械零部件比較復(fù)雜，例如機(jī)械部件可能因承受負(fù)載而彎曲，關(guān)節(jié)可能具有彈性及機(jī)械摩擦等等，所以在實(shí)際上不可能建立準(zhǔn)確的模型。一般采用近似模型，在設(shè)計(jì)模型時(shí)，假設(shè)貼片頭機(jī)械手各段是理想剛體，因此所有關(guān)節(jié)都是理想的，不存在摩擦和間隙。

4.1直流傳動系統(tǒng)的建模

在建立貼片頭機(jī)械手控制模型之前，我們有必要研究一下機(jī)械手運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)-直流伺服電動機(jī)的模型。

圖4表示具有減速齒輪和旋轉(zhuǎn)負(fù)載的直流電動機(jī)工作原理圖。

圖4 直流電動機(jī)工作原理圖

Fig. 4 Direct current motor work schematic diagram

圖中伺服電動機(jī)的參數(shù)規(guī)定如下：

―勵(lì)磁回路電阻與電感；

―勵(lì)磁回路電流與電壓；

―電樞回路電阻與電感；

―電樞回路電流與電壓；

―電樞（轉(zhuǎn)子）角位移與轉(zhuǎn)速；

―電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量及粘滯摩擦系數(shù)；

―電動機(jī)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

―電動機(jī)反電勢常數(shù)；

―負(fù)載角位移與轉(zhuǎn)速；

―減速比；

―負(fù)載轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量及粘滯摩擦系數(shù)；

首先求出電樞控制直流伺服電機(jī)傳遞函數(shù)。我們可以建立以下方程式子

(4-1)

(4-2)

(4-3)

式中 ，分別表示傳動系統(tǒng)對轉(zhuǎn)動軸的總轉(zhuǎn)動慣量和總粘滯摩擦系數(shù)。對上述三式進(jìn)行拉氏變換，則變?yōu)椋?/p>

(4-4)

(4-5)

(4-6)

其等效方框圖見圖5。

圖5 電樞控制直流電機(jī)傳遞函數(shù)框圖

Fig. 5 Armature control direct current machine transfer function diagram

根據(jù)式(4-4)至(4-6)可以得到電動機(jī)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下：

(4-7)

2.2貼片頭位置控制的基本結(jié)構(gòu)

貼片頭的位置控制結(jié)構(gòu)可以采用以下兩種形式，即關(guān)節(jié)空間控制和直角坐標(biāo)控制結(jié)構(gòu)，分別如圖6 (a)，(b)所示。

圖6 貼片頭的位置控制基本結(jié)構(gòu)

Fig. 6 Mount-header the position control basic structure

在圖(a)中，是期望的關(guān)節(jié)位置矢量，別是期望的關(guān)節(jié)速度矢量和加速度矢量，是實(shí)際關(guān)節(jié)位置矢量和速度矢量。是關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩矢量，是相應(yīng)的控制矢量。

在圖(b)中，是期望的工具位姿，其中表示期望的工具的位置，表示期望的工具的姿態(tài)。，其中是期望的工具線速度，是期望的工具角速度，是期望的工具加速度，是實(shí)際的工具位置和工具速度。

本文采用第一種控制結(jié)構(gòu)來研究和設(shè)計(jì)貼片頭的控制系統(tǒng)。這種控制結(jié)構(gòu)的期望軌跡是關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度，因而比較容易實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的伺服控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐大林.表面貼裝工藝(SMT),其趨勢和未來[J].電子器件,1999,22(2):104-109.

[2] 羅磊,王石剛.表面貼裝關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2003,2:70-72.

[3] 滕應(yīng)杰.面向21世紀(jì)的表面安裝技術(shù)[J].電子工藝技術(shù),1999,20(6):253-255.

[4] 鮮飛.表面貼裝技術(shù)的新發(fā)展[J].電子元件與材料,2002,21(5):31-34.

[5] 王曉黎,白波.表面貼裝領(lǐng)域中的可制造性設(shè)計(jì)技術(shù)[J].電子工藝技術(shù),2005,25(3):115-118.