導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇機械手設計論文，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內容能為您提供靈感和參考。

篇1

1.1安全性

對于手持式醫(yī)療器械而言，日常應用廣泛的原因在于，該項產(chǎn)品具有較高的安全性。醫(yī)療器械的應用領域非常廣泛，對醫(yī)護人員、對殘障患者、對醫(yī)療領域的研究工作，都具有較大的積極意義，并且能夠在客觀上改變醫(yī)療工作的現(xiàn)狀以及患者的生活方式，使其達到一個新的高度。手持式醫(yī)療器械作為醫(yī)療器械領域中的一個重點部分，其安全性是有嚴格規(guī)范的。第一，手持式醫(yī)療器械在出現(xiàn)故障時，必須能夠保證使用人員的人身安全，而不是造成意外事故。第二，手持式醫(yī)療器械在日常使用過程中，出現(xiàn)損壞時，應以突出的部位顯示，告知患者醫(yī)療器械出現(xiàn)問題，避免患者繼續(xù)應用。第三，手持式醫(yī)療器械的日常接觸部位是使用人員的手部，因此必須提高對手部的保障措施，避免磨損、劃傷等情況的出現(xiàn)。

1.2復雜性

現(xiàn)代醫(yī)療器械融合了多學科的研究成果，功能復雜化、模塊多樣化。同時醫(yī)療器械的使用者也具有復雜性，手持式醫(yī)療器械的使用者并不全是專業(yè)的醫(yī)護人員，圍繞著手持式醫(yī)療器械產(chǎn)品的用戶環(huán)境也并不僅僅只有醫(yī)護人員。如家庭環(huán)境下，使用者多為非醫(yī)護專業(yè)人員，甚至可能是病人本身。他們并不具備基本的醫(yī)學背常識和醫(yī)療器械操作知識。從圖1來看，手持式醫(yī)療器械所具有的復雜性，是手持式醫(yī)療器械的核心部分，其復雜特性不僅決定了其他特點的表現(xiàn)，同時對該類型醫(yī)療器械的實際應用也產(chǎn)生了較大的影響。本研究認為，手持式醫(yī)療器械的復雜性并不容易把握，在今后的工作中，一方面要降低復雜特點，提高其他的特性，幫助手持式醫(yī)療器械獲得更多的功能；另一方面要把握好復雜性帶來的影響，盡量不要影響到手持式醫(yī)療器械的設計和研發(fā)工作。

2手持式醫(yī)療器械的設計要點

2.1安全性

手持式醫(yī)療器械的市場非常廣泛，為了能夠進一步滿足廣大患者的需求，手持式醫(yī)療器械在設計過程中，必須滿足固定的要求，也就是日常說的設計要點，同時還要在設計要點方面實現(xiàn)更大的突破，否則很難滿足現(xiàn)實工作中的需求。經(jīng)過長期的探究發(fā)現(xiàn)，手持式醫(yī)療器械的設計要點之一在于安全性。圖2為脈搏血氧儀。該產(chǎn)品由深圳市杰納瑞公司生產(chǎn)，該儀器在設計中充分考慮到了以下安全性：第一，使用可充電鎳氫電池：可以避免在患者使用的過程中，人體接觸到市電220V的可能，提高安全性能，另外鎳氫電池非常穩(wěn)定，存儲時間也比較長，能夠長期安全使用；第二，連接人體的血氧探頭，均使用符合生物兼容性的材料，避免人體長時間接觸可能產(chǎn)生的過敏反應；第三，考慮靜電防護，通過國家檢測要求，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和安全性。由此可見，產(chǎn)品的安全性關系到具體使用和對患者的效果，必須加以重視起來。

2.2造型設計

手持式醫(yī)療器械區(qū)別于其他醫(yī)療器械的一個重點在于，該類型的醫(yī)療器械所占有的空間非常小，主要是通過手來進行操作，并且較小的醫(yī)療器械在操作過程中，細節(jié)操作往往決定了最終的結果。因此，手持式醫(yī)療器械的造型設計是非常重要的。第一，手持式醫(yī)療器械的造型必須小巧，能夠讓操作人員及時的分辨出該類型醫(yī)療器械的作用。在總體的造型方面，要有突出的表現(xiàn)，能夠在眾多的醫(yī)療器械當中及時找到。第二，手持式醫(yī)療器械的色彩要分明，不同的顏色代表的含義不同，并且要考慮到實際應用的情況。倘若燈光昏暗，手持式醫(yī)療器械的設計則要用鮮艷顏色來突出；倘若燈光明亮，則要應用柔和色彩。最終要的是，一旦遇到色盲的特殊人員，色彩所表達的意義則有很大區(qū)別，因此在色彩的把握上，必須考慮到多種情況。第三，手持式醫(yī)療器械的造型設計，還要便于實際操作。由于該類型醫(yī)療產(chǎn)品主要是用于精細手術、患者傷殘應用等領域，操作性能必須達到一個較高的水準，同時還要具備抗污染、抗腐蝕等特點，保證不會對患者、醫(yī)護人員造成傷害。

2.3觸覺設計

篇2

關鍵詞：機械手 模塊設計 控制系統(tǒng)

機械手主要應用于勞動密集型的加工行業(yè)，代替人類完成單調重復的勞動，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。機械手的應用擴大了人的手足和大腦功能，使人類避免從事危險、有害、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作[1]。目前已廣泛應用于汽車制造、家具制造、服裝加工等領域。

1 機械手機構設計

1.1 底座結構設計 底座是用于安裝手臂、動力源、控制器和驅動機構的支架。本機械手底座支架裝有一個減速電機和一個智能控制器，如圖1所示：

1.2 手臂結構設計 手臂是連接底座和手部的中間部分，有無關節(jié)臂和有關節(jié)臂之分，目前采用的手臂大多為無關節(jié)臂[2]，本文采用有關節(jié)臂。

手臂的作用是引導手部準確的抓住物體，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠準確的工作手臂的三個自由度都要準確的定位。本機械手手臂結構采用三個SR-403P舵機及其相關卡口工件組成，三個自由度可使機械手手臂結構更加自由靈活地運動，手臂結構如圖2所示：

1.3 手部結構設計 手部安裝在手臂的前端。手部由兩個舵機控制，從而實現(xiàn)手腕的反轉和手指的關閉。

機械手手部的構造系模仿人的手指，分為無關節(jié)、固定關節(jié)和自由關節(jié)三種[3]。手指的數(shù)量又可分為二指、三

指、四指等，其中以二指用的最多，設計時采用的二指結構，其中一指固定，另一指由舵機控制。手指可根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般是指真空吸盤或磁性吸盤。機械手手部結構包含兩個自由度，一個自由度用于夾持物件，另一個自由度用于反轉手腕，兩個自由度均由HS-7955TG舵機實現(xiàn)，手部結構如圖3所示：

機械手裝配完成后的整體設計效果圖如圖4所示：

2 機械手臂驅動設計

常見的驅動機構主要液壓驅動、氣壓驅動和電氣驅動。其中以液壓驅動、氣壓驅動應用的最多，而電動驅動應用的比較少。液壓驅動主要是通過缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。具有體積小、作用力大，動作平緩，調速方便等優(yōu)點，但需要配備油泵等動力設備，系統(tǒng)復雜，成本較高。氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。以空氣作為動力傳遞媒介，具有維護簡單、方便，運行清潔，但因空氣的可壓縮性比價高，一般難以線性控制。電氣驅動采用的不多，一般以電機作為動力源，用大減速比減速器來驅動執(zhí)行機構，系統(tǒng)簡單，維護方便，但因電機功率原因，很難達到較高的功率輸出，不適合高負荷野外工作。

2.1 機械手驅動方式的選擇與設計 因為本文所設計的六自由度機械手為實驗室內部研究使用，故不需考慮能源供給和功率問題，反觀液壓驅動和氣壓驅動都需要龐大的配套系統(tǒng)來支撐驅動，所以本文采用電氣驅動方式。驅動元件主要包括減速電機和舵機。圖1中的減速電機采用OpenCS5A/8A智能驅動器進行控制，實現(xiàn)其速度控制和位置控制。OpenCS5A/8A是一款應用最新的DSP控制技術開發(fā)的集運動控制、驅動、PLC功能于一體的智能控制

與數(shù)字伺服驅動器，內嵌高級運動控制語言（TML），使其易于實現(xiàn)無刷直流，無刷交流（矢量控制）旋轉或直線，有刷伺服電機的單軸與多軸控制。機械手的其余關節(jié)使用舵機控制，舵機是一種位置伺服的驅動器，控制信號是PWM信號[4]，利用占空比的變化改變舵機的位置。舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分的脈寬一般在0.5ms-2.5ms范圍內，其實是利用調節(jié)固定周期內的占空比來控制角度的變化。具有控制簡單，安裝方便等優(yōu)點。

2.2 機械手控制系統(tǒng)通信設計 機械手的控制系統(tǒng)設計主要包括驅動機構（減速電機和舵機）的控制、上位機控制界面的設計以及上、下位機之間的串口通信等。機械手控制算法經(jīng)上位機解算后將控制信息經(jīng)串口發(fā)給下位機MCU，下位機根據(jù)位置信息分別控制各個減速電機，從而實現(xiàn)機械手的精確控制[5]。

3 基于VC++的控制界面設計

上位機控制界面主要包括五路舵機控制區(qū)、一路電機控制區(qū)、機械手運行示意圖等幾個部分，如圖5所示。

舵機控制采用滾動條的方式，并將每個舵機轉動的角度實時顯示在右側的編輯框內；電機控制采用速度控制，主要包括電機的正轉、反轉、停止等；機械手運行示意圖顯示機械手的運動情況，當某個舵機或電機運行時，示意圖上相對應的舵機或電機位置將會加亮，表示這一舵機或電機正在運行[6]。

4 結論

論文主要提供了一種機械手的設計思路，進行硬件制作和控制系統(tǒng)的設計，最終實現(xiàn)機械手的實時控制。解決了減速電機控制、多路舵機控制和上、下位機之間串口通信等難點問題，為實驗室機械手位置控制算法的研究提供了實驗研究基礎，為實驗室研究機械手更加精確而又復雜的控制算法提供了實驗平臺。

參考文獻：

[1]范小蘭，趙春鋒.基于PLC的機械手控制在MCGS中的實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2012，34（18）：6-8，25.

[2]關明，周希倫，馬立靜，宋蔚.基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設計[J].煤礦機械，2012，34（14）：120-121，142.

[3]張普行，嚴軍輝，賈秋玲.六自由度機械手的運動學分析[J].制造業(yè)自動化，2011，33（20）：68-71.

篇3

末端執(zhí)行器

結構優(yōu)化

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

1　水果收獲機器人的概念和研究意義

水果收獲機器人主要分為兩部分：機器人的本體結構部分和控制部分。其中，本體結構部分又可分為：機械手，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)濟的快速發(fā)展和不斷調整種植結構，水果栽培面積，例如蘋果、柑橘和葡萄，達到自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，水果收割任務中50％到70％的勞動力還是靠體力勞動。因為農(nóng)業(yè)人口正在減少，收獲自動化亟待普及。此外，由于果樹是高個子，收割工作需要使用梯子，使手工收獲危險高和效率低下。所以，農(nóng)業(yè)收獲機械化亟待普及。因為水果本身易損傷和生長環(huán)境的復雜等因素的制約，現(xiàn)階段的各種水果收獲機器人都有各種不足。本文就近幾年來的有關論文進行研究學習及對本地柑橘的生長環(huán)境的調研，擬設計了一種適合本地柑橘機械采摘的簡易機械臂及末端執(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)務工了。因此，針對柑橘的采摘機器人呼之欲出。柑橘果實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　本設計的末端執(zhí)行器及機械臂的結構

3.1　采摘機械手的設計

與工業(yè)機器人機械手不何，果蔬果實收獲機器人的機械手，所處的外部環(huán)境是復雜的、多變的、非結構的，并且與果實的栽培方式有很大關系。因此，設計機械手應在考慮栽培方式的基礎上，使果實處于其作業(yè)空間內，并且能夠避免障礙物(葉子、莖稈等)，準確地抓取到果實。對于柑橘、蘋果等樹冠高大的果樹，機械手需要較大的作業(yè)空間。為此，本設計采用三個關節(jié)的折疊臂使達到所需的作業(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)行器的設計

目前各地研究的收獲機械手的末端執(zhí)行器大多為：先由機械手爪抓住果實，然后通過機械手爪轉動來扭斷果柄；或者在手爪抓住果實后，用另一個剪刀去剪斷呆柄，然后機械臂把水果運輸?shù)街付c，手爪放開。這樣的設計一定程度上降低了收獲機械人的收獲效率。

本設計的末端執(zhí)行器主要由支架，動力部分，傳動部分，果梗剪斷器，果實傳送部分五個部分組成，具體看圖2。此末端執(zhí)行器由電機通過齒輪驅動果梗剪斷器剪斷果梗，同時果實掉入果梗剪斷器下方的柔性導管中，果實通過柔性導管被馬上運輸?shù)街付c。

本設計的末端執(zhí)行器和普通的執(zhí)行器相比，不但從減少電機的數(shù)量，并且提高收獲機械人的工作效率。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，從而減去了一個被驅動元件，還能直接把采摘得果實直接運送到指定點，進而大大提高了收獲效率。但由于運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不同，果實的直徑大小不同，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，甚至整個末端執(zhí)行器也可更換。

3.3　建立實物模型，檢驗實際效果

根據(jù)三維建模的相關數(shù)據(jù)及考慮現(xiàn)實的取材便利，我們用輕質不銹鋼做為主材料，直流電機為動力部分，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械手模型(圖3)。并且，在實驗室里，模擬運行了此機械手的采摘功能。在實驗室里，該柑橘采摘機械手模型在人的控制下基本能實現(xiàn)在豎直空間上的上下自由運動。并且順利剪斷果梗，使果實順利掉入由塑料管充當?shù)娜嵝怨艿乐?。最終，果實順著柔性管道順利到達指定位置。

4　結語

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

當然，本設計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)實生產(chǎn)過程中。機械臂的設計有些過于簡單，有待進一步優(yōu)化。

篇4

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0009-01

光機電一體化實訓平臺是根據(jù)自動化工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場而設計的集存儲、加工、裝配與輸送等結構為一體的實訓教學模塊，該實訓平臺模擬真實的工業(yè)現(xiàn)場，采用西門子PLC控制，通過設定變頻器與伺服驅動器動作參數(shù)，進行自動化操作，最終實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場的仿真教學。學生通過實訓，能夠了解工業(yè)現(xiàn)場的自動化控制，同時，在無法到達工業(yè)現(xiàn)場或大大降低實訓成本的情況下，鍛煉學生的動手能力、編程思想以及控制理念。

1 物料輸送結構的組成

物料抓取輸送結構主要由抓取機械手裝置、輸送單元、機械手升降裝置、PLC控制模塊和接線端口以及按鈕指示燈等部件組成。其中輸送單元結構如圖1所示、抓取機械手裝置如圖2所示。其功能為：驅動機械手裝置準確定位到相關單元的物料臺上，在其對應的物料臺上抓取工件，最后把工件輸送到指定地方后放下。

2 物料輸送結構的PLC控制

2.1 物料輸送結構控制要求

物料輸送結構單站運行的目標是測試設備輸送工件的功能。要求另外幾個工作單元先正常工作。而且在物料推出裝置的物料臺上放好了工件。具體控制要求如下：

抓取機械手從物料推出裝置物料臺抓取工件。抓取動作完成后，步進電機驅動抓取機械手向物料加工單元移動，移動速度大于等于3m/s；機械手移動到物料加工站料臺的正前方后，把工件放到加工站物料臺上。動作完成1秒后，抓取機械手裝置執(zhí)行抓取工件的操作。抓取的順序與物料推出站抓取工件的順序相同。抓取動作完成后，步進電機驅動機械手裝置移動到物料裝配單元料臺的正前方。然后把工件放到物料裝配單元的物料臺上。放下工件動作完成 1 秒后，抓取機械手裝置執(zhí)行抓取物料裝配站工件的操作。執(zhí)行完動作1秒之后，再把工件移動到物料分揀單元。

2.2 PLC的輸入輸出點分配及系統(tǒng)接線

物料輸送單元所需的輸入和輸出點較多。其中，輸入信號主要包含按鈕與指示燈模塊中的開關與按鈕等主令信號，檢測氣缸和物料的傳感器信號等：輸出信號包含輸出到機械手裝置中各電磁閥的控制信號和輸出到伺服電機驅動器的脈沖和方向信號?；谛枰敵鲵寗铀欧筒竭M電機的高速脈沖，實訓平臺上的PLC采用晶體管輸出型。因此選用西門子S7-200CPU226型PLC，共24點輸入，16點輸出。

2.3 物料輸送結構PLC控制流程圖

物料輸送控制是按照一定動作流程實現(xiàn)的，因此在程序編寫中采用順序控制法來完成，其步進控制流程圖如圖3所示：

3 結語

光機電一體化實訓平臺物料輸送結構采用的是模塊化設計，無論是機械結構還是控制系統(tǒng)都具有良好的擴展性、高度的柔性和靈活性。該實訓裝置已成功地使用于本課程的實訓教學中，具有一定的推廣應用價值。

參考文獻

[1]何用輝.自動化生產(chǎn)線安裝與調試[M].機械工業(yè)出版社，2015.

篇5

中圖分類號：S225.92 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）09-2248-04

目前，中國農(nóng)業(yè)機械化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻率僅為17%，與發(fā)達國家存在很大的差距[1]。加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程，實施精確農(nóng)業(yè)，廣泛應用農(nóng)業(yè)機器人，以提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動強度，提高經(jīng)濟效率已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[2，3]。果蔬的采收方法有手工采收、機械輔助采收和機械化采收3種[4，5]，世界蘿卜的總產(chǎn)量為4 900萬t/年，其中中國680萬t/年，國內的采摘作業(yè)基本上都是手工進行的，收獲作業(yè)勞動強度大。隨著農(nóng)業(yè)設施的發(fā)展和作業(yè)機械化的要求，對蘿卜種植模式要求也越來越高，種植、管理和收獲的勞動量也越來越大，亟需研究開發(fā)果蔬收獲機器人，實現(xiàn)果蔬的機械化、自動化與智能化收獲[6，7]，為此，通過對蘿卜種植與采收情況的調研，設計了一款蘿卜采收機械手，以期為蘿卜的自動化采收打下一定的基礎。

1 蘿卜采收機總體設計

根據(jù)蘿卜采收過程的特殊性，為了提升蘿卜采收的工作效率，所設計的是一種農(nóng)業(yè)機械中的收獲機械手，由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，其組成示意圖如圖1。

2 蘿卜采收機械手關鍵部位機械設計

蘿卜采收機械手的關鍵部位主要包括：1）手爪部位。手爪部位的主要工作是對蘿卜進行抓取，為了減少手部由于慣性帶來的不平穩(wěn)性，此部位采用回轉的形式，而手爪只用兩根手指代替；2）手腕部位。手腕是連接手爪部位和手臂部位的關鍵地方，其主要工作是調整蘿卜的方位，使蘿卜被抓的時候可以進行擺動和回轉，輔助蘿卜采收過程的連貫性；3）手臂部位。手臂部位的主要作用就是支承，在采收過程中帶動其他部件運轉，并按照采收要求將蘿卜搬運到指定的位置，設計時只需要實現(xiàn)手臂部位的升降與擺動即可。此次設計機械手應實現(xiàn)的功能：蘿卜的挖掘、被挖掘的蘿卜轉移到指定位置，圖2為機械手的機構形式簡圖。

2.1 機械手基本技術參數(shù)的選定

由于蘿卜生長的自然環(huán)境決定了蘿卜采摘過程中所需要的拔取力，故需要對不同地方生長的蘿卜進行采收力的測定。把細繩系在蘿卜的莖葉或者根莖部位，細繩的末端連接計力器材，多次讀取并記錄最大拉力。圖3為湖北省長陽和沙洋兩個地區(qū)分組測試蘿卜拔取力的試驗結果，現(xiàn)取5組數(shù)據(jù)平均值F=80 N，蘿卜重量約為0.5kg，故重力G=5 N，摩擦系數(shù)f=0.2，夾緊力N=0.5 G/f，得N=12.5 N。

機械手手臂上下行程為500 mm，手腕旋轉角度90°，手臂旋轉角度90°，按照循環(huán)步驟安排確定每個動作的時間，從而確定各動作的運動速度。各動作的時間分配要考慮多方面的因素，包括總的循環(huán)時間的長短，各動作之間順序是依序進行還是同時進行等[8]，此次設計各動作依序進行，為保證蘿卜的質量必須限制采摘速度及加速度，采摘速度初步定在小于1 m/s，此速度由各關節(jié)液壓缸流量控制保證。

2.2 機械手末端執(zhí)行機構的設計

手部是用來直接握持蘿卜的部件，由于被握持蘿卜的形狀、尺寸大小、重量、表面狀況等的不同，根據(jù)實際要求，設計采用夾鉗式的手部結構。夾鉗式手部結構由手指、傳動機構和驅動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀的物體具有較大的適應性，常見的傳動機構往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機構實現(xiàn)夾緊或放松[9]。由于抓取尺寸約為90 mm×240 mm的圓柱體，故采用夾鉗式平面指形結構較為合適。

設計中機械手手爪在夾持蘿卜時，其夾握力分析簡圖如圖4。為了增大夾握力，采取以下兩種方法：①設計鏟刀角度170°，以增加手指和蘿卜的接觸面積；②增大手指和蘿卜間的摩擦系數(shù)，為此采用較寬手指與蘿卜接觸，故此處f取0.2，將上述數(shù)值代入得：

N=■G=■×5=12.5N 公式（1）

式中，N為夾持蘿卜時所需要的握力；G為工件重量轉化的重力； f為摩擦系數(shù)。

考慮到在傳送過程中還會產(chǎn)生慣性力、振動以及受到傳力機構效率等的影響，故實際握力還應按公式（2）計算[10]：

N實≥N?■ 公式（2）

式中，η為手部的機械效率，一般取0.85～0.95；k1為安全系數(shù)，一般取1.2～2.0；k2為工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，按公式（3）估算[10，11]：

k2=1+a/g公式（3）

其中，a為抓取工件傳送過程中的最大加速度，g為重力加速度。

若取η=0.9，k1=1.5，k2按a=g/2計算，k2=1+a/g=1.5，則

N實≥N?■=12.5×■≈32 N 公式（4）

2.3 機械手腕部位的設計

機械手腕與機械手臂連接在一起，手臂運動結束后調整手腕的位置狀態(tài)，以此來提高蘿卜采收過程的拔取率。手腕部位的機械結構設計應該力求扎實緊湊，且轉動慣性小。手腕也是末端執(zhí)行部位與機械手臂之間的橋梁，處于手臂部位的前端，手爪的末端，因此其承受載荷的性能直接關系到蘿卜的采收過程，在設計的過程中還要考慮其機械強度與剛度，并且要讓其布局合理。結合設計要求，設計出腕部位的結構如圖5，其為典型腕部結構中具有一個自由度的回轉缸驅動的腕部結構，直接用回轉液壓缸驅動實現(xiàn)腕部的回轉運動。

2.4 機械手臂部位的設計

機械手的手臂部位是實現(xiàn)機械手末端手爪進行大尺度位姿變換的關鍵部件，即把末端手爪部分移動到空間的指定地點。手臂部位的驅動形式主要有液壓傳動式和機械傳動式兩種，由于手臂部位的大尺度工作范圍，以及工作中也需承受腕部和手爪部位的動力載荷，而且其姿態(tài)調整的靈活性影響到機械手的定位精度，因此手臂部位采用液壓回轉缸的形式實現(xiàn)手臂的大尺度旋轉動作，如圖6所示的手臂結構，采用一個回轉液壓缸，實現(xiàn)小臂的旋轉運動。從A-A剖視圖上可以看出，回轉葉片用鍵和轉軸連接在一起，定片和缸體用銷釘和螺釘連接，壓力油由左油孔進入和右油孔壓出，以此來實現(xiàn)手臂部位的旋轉。

3 蘿卜采收機械手液壓驅動系統(tǒng)設計及PLC控制設計

3.1 液壓驅動系統(tǒng)的設計

從蘿卜采收的工藝過程可以得出，機械手運動的時候液壓系統(tǒng)中液壓油的壓力和流量不需要太高，設計使用電磁換向閥的液壓回路可以較好地提高采收過程的自動化程度。從降低供油壓力的角度來分析，機械手的液壓系統(tǒng)可以采用單泵供油，而手臂部位的旋轉和位姿的調整等相關機構采用并聯(lián)供油。為了防止多缸的運動系統(tǒng)在運動的過程中產(chǎn)生干涉和保證運動過程中實現(xiàn)非同步運動或者是同步運動，油路中的換向閥使用中位“O”型換向閥，夾緊缸換向選用二位三通電磁閥，其他缸全部選用“O”型三位四通電磁換向閥[12，13]。機械手臂位姿調整的過程中要求行程可變，在液壓缸的起動和停止的過程中也需要緩沖，但由于回轉缸內空間狹小，且回轉缸為小流量泵供油，故本系統(tǒng)沒有在回轉缸換向回路中采用緩沖回路，僅在大流量直動液壓缸中采用緩沖回路。

在上述主要液壓回路定好后，再加上其他功用的輔助油路（如卸荷、測壓等油路）就可以進行合并，完善為完整的液壓系統(tǒng)，并編制液壓系統(tǒng)動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表，其中液壓原理圖如圖7。

3.2 PLC控制設計

為了讓機械手工作時可靠且有較強的穩(wěn)定性，控制部分的設計思路是讓該機械手的部件順序動作，所以，在任一時間該機械手都只有一個部件被驅動，而各個部件的運動方式和運動范圍都是受其結構限制的[14，15]。PLC的狀態(tài)流程簡圖如圖8所示，機械手在自動運動狀態(tài)時每一個周期需要完成以下動作：蘿卜采摘開始時，機械手被設定在準備狀態(tài)，第一步為手臂下降；下降完成后，手爪扎入地下指定深度，進行第二步手爪夾緊；為完成挖蘿卜動作，手腕帶動手爪及蘿卜旋轉90°；完成上述動作后，機械手臂向上提升完成拔去動作；手臂擺動90°，以實現(xiàn)對蘿卜的轉移；最后手臂回擺，手腕回擺，機械手回到初始狀態(tài)。

4 小結

通過對機器人技術及機械手結構的分析，對蘿卜采收的過程進行了研究，確定蘿卜采收機械手的整體方案結構，設計蘿卜采收機械手的關鍵結構。蘿卜采收機械手能配合蘿卜采收機依次完成蘿卜的拔取、翻轉、轉位等動作，但該機械手在結構及工作性能的穩(wěn)定性方面還需在田間進行試驗，控制方案有待根據(jù)不同地區(qū)的種植情況進行優(yōu)化。

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篇6

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

四自由度采摘機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系和總體坐標系

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

圖1 總體坐標系和附體坐標系

2 建立附體坐標系和總體坐標系的規(guī)則

Denavit和Hatenberg(1955)提出了一種為關節(jié)鏈中的每一桿件建立附體坐標系的D-H矩陣方法。對于每個桿件來說,在關節(jié)軸處可建立一個正規(guī)的笛卡兒坐標系(xi,yi,zi),i=1,2,3,4,再加上機座坐標系。建立在關節(jié)i+1處的坐標(xi,yi,zi)是固聯(lián)在桿件i上的。當關節(jié)驅動器推動關節(jié)i時,桿件i將相對于桿件i-1運動。機座坐標定義為第0號坐標(x0,y0,z0),它也是機械臂的慣性坐標系。確定和建立每個坐標系應根據(jù)下面3條規(guī)則:

(1)zi-1軸沿著第i關節(jié)的運動軸;

(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軸按右手坐標系的要求建立。

按照這些規(guī)則,第0號坐標系在機座上的位置和方向可任選,只要z0軸沿著第1關節(jié)的運動軸運動。

3 四自由度采摘機械臂坐標系的關系參數(shù)

根據(jù)上述坐標系的定義,描述四自由度采摘機械臂相鄰坐標系之間的關系可歸結為如下4個參數(shù):

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

di 從第i-1坐標系的原點到zi-1軸和xi軸的交點沿zi-1軸的距離;

ai 從zi-1軸和xi的交點到第i坐標系原點沿xi軸的偏置距離;

αi 繞xi軸(右手規(guī)則)由zi-1軸轉向zi軸的偏角。

對于四自由度采摘機械臂來說,di,ai,αi是關節(jié)參數(shù),θi是關節(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械臂的四個參數(shù),結果見表1。

4 循環(huán)法建立坐標系

除了上述D-H矩陣方法以外,也可以通過以下6個步驟為四自由度采摘機械臂建立一組相容的標準正交坐標系。

(1)建立機座坐標系。在機座上建立右手正交坐標系(x0,y0,z0),使z0軸沿關節(jié)1的運動軸,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i,i=1,2,3,完成步驟(3)至(6);

(3)建立關節(jié)軸。把zi軸與關節(jié)i+1的轉動軸對準;

(4)建立第i個坐標系的原點。將第i個坐標系的原點放在zi和zi-1軸的交點處,或放在它們的公垂線與zi軸的交點處;

(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)成為右手坐標系。建立好的坐標系如圖2所示。

圖2 四自由度采摘機械臂連桿坐標系

參考文獻

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篇7

中圖分類號：TN42 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）001-043-03

1引言

在集成電氣元件的設計中，微動開關以其觸點間距小、動作行程短、按動力小、通斷迅速的優(yōu)點，被廣泛的應用于家用電器、軍用產(chǎn)品當中。但與此同時，由于微動開關體積小重量輕，結構多變而復雜，目前，在國內微動開關的安裝主要是依靠手工安裝，因而大批量安裝效果并不理想，難以保證精度，工作效率低，勞動強度大，因此實現(xiàn)微動開關的自動化裝配是一項十分重要的實用化工程，關系到電子電氣產(chǎn)品的成本和質量。

微動開關自動化裝配線是通過振動分料使微動開關姿態(tài)統(tǒng)一，并由后續(xù)傳動裝置將其送至安裝平臺，由機械手對其進行抓持并最終安裝到電路板上。其為可循環(huán)使用的設備，完全取代了人力完成的所有工序。由此可見，此裝配系統(tǒng)應有機械本體，驅動傳動系統(tǒng)，信號采集傳遞和控制系統(tǒng)組成，其中振動分料的效率，抓持機械手的精度以及控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是此裝配線設計的核心部分。目前，國內對于微小元件安裝的研究并不是很廣泛，只有少數(shù)的論文提及，并沒有完整的可行性方案。

值得說明的是，微動開關內部結構種類繁多，本文以依靠兩側支腳固定于電路板上的微動開關為研究對象。其結構特點是金屬簧片觸點在零件中間，兩側有帶有倒鉤的支腳，并向外形成一定的角度。安裝時需將兩個支腳插入電路板上相應的孔中，依靠支腳上的倒鉤和其向外的角度固定在電路板上，結構視圖如圖1。

2振動分料機的結構與原理

因為微動開關體積小質量輕且多個微動開關常不規(guī)則的牽連在一起不易分離，所以微動開關振動分料機在提高裝配效率方面的作用要大于用于微動開關抓持與安裝的機械手。振動分料機主要由振動分料盤，分料導軌以及送回傳送帶組成，在分料盤，導軌以及基座上分別固定偏心電機產(chǎn)生振動。其主要功能是將姿態(tài)不符合要求的微動開關剔出分料軌道，重新送回分料盤進行振動分料。振動分料的結果是將所有符合要求的微動開關通過后續(xù)的傳送裝置間隔的傳輸?shù)綑C械手抓持的工作臺上。在整個分料過程中一定要盡量保證相對數(shù)量多的微動開關是符合姿態(tài)要求的從而不會影響到后續(xù)的工作。

微動開關的姿態(tài)可以分為三大類五小類。第一大類是幾個開關牽連在一起或者單個微動開關發(fā)生變形出現(xiàn)不規(guī)則形狀而產(chǎn)生的不規(guī)則姿態(tài)。第二大類與第三大類都是規(guī)則姿態(tài)，其中第二大類是微動開關支腳朝上，第三大類是微動開關支腳朝下，且規(guī)則姿態(tài)的兩大類又分支腳靠左（相對分料導軌）與支腳靠右兩小類。我們通過實驗發(fā)現(xiàn)支腳朝上的微動開關因為重心較低，所以大多數(shù)從分料盤上振落下來的微動開關都是支腳朝上的。在支腳朝上的兩小類姿態(tài)中我們選擇支腳朝上且靠右的微動開關為我們預期的輸出姿態(tài)，這樣能夠保證盡可能多的微動開關符合我們的姿態(tài)要求。

分料主要分為三個步驟，第一步是將成堆的微動開關放到帶有孔的分料盤上，所有微動開關隨著振動連續(xù)進行微小位移，當振動到孔中則掉落下來進入分料導軌。通過第一步驟成堆的微動開關將間隔掉落下來，而且部分牽連在一起的微動開關也會在從孔中掉落或落到分料導軌的過程中因為振動和撞擊分離。微動開關在分料導軌中會因為振動與導軌的斜度繼續(xù)向前運動而且會因為導軌變細側向運動。分料的第二步是在導軌中設置一個封閉口，如圖2。根據(jù)測量，支腳朝上的微動開關要比支腳朝下的微動開關在高度上少1mm左右，通過對封閉口高度的恰當設置，支腳朝下的微動開關將不能通過封閉口而是從一側掉出分料軌道，形狀不規(guī)則的微動開關同樣無法通過封閉口。所有掉出分料軌道的微動開關將會由送回傳送帶重新送至分料盤。分料的第三步是在軌道上的右側設置導槽且軌道本身有一個向左的傾角，如圖3。剩下的兩個姿態(tài)的微動開關中支腳靠右的微動開關的支腳會進入導槽，而靠左的會因為導軌的斜度從一側滑出軌道。最終只有支腳朝上且靠右的微動開關可以順利通過分料導軌進入后續(xù)的傳送裝置。

3 抓持機械手的結構與原理

此類帶有支腳的微動開關在抓持與裝配的過程中不僅需要對其穩(wěn)定的抓持，同樣需要對其支腳的角度進行調整以便順利插入電路板的孔中。我們設計的機械手的結構簡圖如圖4所示。其主要由基座1，夾持塊2，彈簧3以及兩塊下?lián)醢?和5組成。在基座的滑槽下表面及夾持塊上加工出直圓孔，將彈簧嵌入。夾持塊整體放置于基座1的滑槽內；兩個與基座以螺釘固連的下?lián)醢鍖A持塊進行限位。整個機械手與運動機構連接實現(xiàn)相關運動。經(jīng)過力學分析，只要選擇合適的材料與型號，夾持塊的應力以及彈簧的回復力完全可以滿足工程需要。

機械手對微動開關的抓持是依靠可移動的夾持塊實現(xiàn)的。具體抓持過程如下：機械手下降使微動開關的兩側支腳進入夾持塊的狹縫中，直至開關支腳頂端與下?lián)醢宓耐蛊鹣嘟佑|，避免開關兩支腳完全進入狹縫，便于安裝。微動開關支腳進入夾持塊的狹縫即完成了對微動開關的抓持同樣將其支腳角度束縛至九十度左右。夾起微動開關后進行安裝時，微動開關的支腳露在外面的部分首先進入電路板的孔中，機械手繼續(xù)下降接觸電路板，由于受到外力作用，位于圓孔中的彈簧發(fā)生壓縮，夾持塊與下?lián)醢灏l(fā)生相對運動，下?lián)醢鍖⑽娱_關下壓，使微動開關的支腳完全進入電路板的孔中，隨著微動開關與夾持塊的分離，支腳又恢復其原有角度。最終微動開關依靠支腳的角度以及支腳上的倒鉤固定在電路板中。隨著機械手的上升，微動開關與機械手完全分離，夾持塊也在彈簧力作用下恢復原始狀態(tài)，完成一次安裝。具體流程如圖5所示。

4 控制系統(tǒng)

我們設計的微動開關自動裝配設備的原理機利用慧魚公司開發(fā)的控制電路，其采用COM端口與計算機進行通信。該電路有2個模擬輸入接口，8個數(shù)字輸入接口，4個輸出接口。8個數(shù)字輸入接口可以連接行程開關等，檢測開關的開斷情況。4個輸出接口可連接4個電機?？刂齐娐放涮椎木幊誊浖荓Lwin 2.1，使用該軟件可以檢測和監(jiān)控原理機各開關和電機的運行情況，并通過編程控制電機運動。

微動開關自動裝配設備的控制系統(tǒng)主要是控制振動分料機以及抓持機械手上的電機從而實現(xiàn)振動分料機的振動以及機械手的升降、旋轉、前進后退等運動。抓持機械手的運動主要包括微動開關定位，微動開關抓取，電路板定位，安裝微動開關等運動，其一個控制周期運動如圖6所示。

LLwin 2.1軟件是一種圖形化的編程軟件，比較類似流程圖。我們利用并行程序同時控制多個電機以提高工作效率。每個主程序可以實現(xiàn)子程序的調用控制具體電機的運動。圖7為并行主程序與調用的一個子程序的示例。

5結論

本文介紹了一種實用的微動開關自動化裝配設備的設計，解決了目前微動開關手工安裝的問題。該裝配設備具有結構簡單、抓持精度高、運動靈活、適應性強等特點，對抓持機械手局部結構進行調整就可以完成不同結構的微動開關的裝配。目前，微動開關自動裝配設備的原理機已經(jīng)驗證了設計方案的可行性，具備了應用于工業(yè)生產(chǎn)線的前提條件。

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篇8

中圖分類號：F407.472 文獻標識碼：A 文章編號：

一.引言

焊接是現(xiàn)代機械制造業(yè)中一種必要的工藝方法應用，焊接技術的先進水平做為衡量一個國家工業(yè)發(fā)達程度的重要指標已逐漸為大眾公認，同樣焊接技術的發(fā)達程度也是衡量工業(yè)企業(yè)技術水平高低的重要標志。由于受我國相關工業(yè)的制約， 在使用焊接機械手的過程中，必須采用與西方發(fā)達國家不同的、適合我國國情的靈活的使用方式，才能保證焊接機械手在我國相關產(chǎn)業(yè)不配套的情況下正常使用。

二. 機車車輛工業(yè)焊接的主要用料。

目前， 在機車車輛上所采用的主要是碳素結構鋼、低合金結構鋼（包括耐候鋼） 等具有良好的焊接性能的材料， 一些零部件采用鑄鋼或鍛鋼制造， 其材質本身有較好的焊接性能，但因構件結構復雜， 在焊接過程中有些需要采用適當?shù)妮o助工藝手段。鋁合金型材由于其質量輕， 能減輕運輸設備的自重，在客車及一些特種車輛的制造中應用范圍逐漸擴大。鋁合金、不銹鋼及各種復合材料隨著先進焊接技術的運用，將在機車車輛工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。

三.鐵路工業(yè)涉及的焊接方法。

焊條電弧焊。

焊條電弧焊曾廣泛應用于機車車輛工廠的制造與修理部門。隨著二氧化碳氣體保護焊、混合氣體保護焊、埋弧焊、焊接機械手等新技術、新工藝的推廣， 焊條電弧焊在鐵路機車車輛工廠的使用逐年下降， 其焊縫長度比例在機車車輛制造業(yè)目前大約僅占5%左右。在機車車輛修理業(yè)用得還比較多，其焊縫總長度大約占30%-50%左右。此比例還將逐年下降， 集中檢修的配件多采用了二氧化碳氣體保護焊與埋弧焊等焊接方法。如對鐵路貨車上、下心盤檢修，采用二氧化碳氣體保護焊技術進行堆焊、車鉤鉤舌的檢修采用埋弧焊技術堆焊。各工廠對檢修機車車輛中的新制配件，已普遍采用了二氧化碳氣體保護焊技術。

二氧化碳氣體保護焊接技術的應用。

二氧化碳氣體保護焊與富氬混合氣體保護焊焊接電流大，相應電流密度大，電弧熱量利用率較高， 熔敷速度比焊條電弧焊快，焊接時熔深大，可以減小坡口， 減少填充金屬；焊接速度是焊條電弧焊的1-2倍；節(jié)能，其耗電量僅是交流焊條電弧焊的1/2左右；工作輔助時間少，特別是在富氬混合氣體保護焊中幾乎不必清渣， 節(jié)省了時間， 提高了效率； 明弧焊接，操作方便，適合全位置焊接。二氧化碳氣體保護焊技術廣泛應用于機車車輛各種大型構件的連接焊縫及工件的堆焊等方面。特別是“七五”、“八五” 以來，二氧化碳氣體保護焊技術已在機車車輛工業(yè)系統(tǒng)普遍采用。1996年5月27日，鐵道部了TB/T1582-1995《機車車輛二氧化碳氣體保護焊技術條件》， 使我國鐵路二氧化碳氣體保護焊技術逐步實現(xiàn)與國際接軌?，F(xiàn)在，在機車車輛制造中， 一些重要焊縫如在車輛制造中的中、枕、橫梁焊接都采用了二氧化碳氣體保護焊工藝，南方匯通股份有限公司在.C64T提速貨車的制造中，用二氧化碳氣體保護焊焊接枕、橫梁及車體底架各連接焊縫， 焊接質量與生產(chǎn)效率明顯提高。南方匯通股份有限公司在ZD240型鑄錠車制造中，全面使用二氧化碳氣體保護焊，焊縫長度達98%以上，北京二七車輛廠在NX等型平車上使用二氧化碳氣體保護焊，焊縫長度達90%以上。

埋弧焊技術的應用。

由于埋弧焊焊接電流大， 相應電流密度大（是同直徑焊條電弧焊的3-5倍)倍），同時有焊劑和熔渣的隔熱作用， 電弧熱量利用率較高， 焊接時熔深大， 可減小坡口與填充金屬量；焊接速度是焊條電弧焊的5-6倍，焊接時焊接參數(shù)自動調節(jié)保持穩(wěn)定，又有焊劑的保護，焊接質量穩(wěn)定可靠，無弧光照射、勞動條件較好。在機車車輛的制造與修理工作中， 埋弧焊技術廣泛應用于各種大型構件主要焊縫的焊接及工件的堆焊。如南方匯通股份有限公司應用埋弧焊技術， 焊接新造C64T、C64K等鐵路提速貨車的中梁，堆焊鐵路貨車磨耗的輪緣等部件。

電阻焊技術的應用。

電阻焊技術主要在客車工廠使用， 原來主要用于薄板及小配件的連接，隨著城際快速列車的發(fā)展， 在要求車體自重特別輕的城際快速列車上得到較好的應用。長春客車廠在為重慶市生產(chǎn)的城際快速列車上，使用從英國引進的350KV，10萬A的電阻焊設備，進行鋁合金裙板、端板等的焊接。另外，在京津城際快速列車上， 使用從英國、韓國引進的側架、底架、車頂?shù)?2套專用大型龍門點焊機械手,進行不銹鋼車體各部件的焊接。

焊接機械手、焊接工作站的應用。

鐵路實施“客運提速，貨運重載”，要求鐵路機、客、貨車具有更好的結構強度， 有更輕的質量， 毫無疑問地給鐵路機車車輛焊接技術的新發(fā)展帶來了機遇。從1992年株洲電力機車廠引進焊接機器人工作站后， 長春、四方、浦鎮(zhèn)等客車廠，齊齊哈爾、武昌、二七等貨車車輛廠也先后從德國、奧地利、日本、法國、美國等發(fā)達國家引進了焊接機器人工作站、焊接機械手等先進設備， 并在引進消化吸收的基礎上，與國內有關部門合作， 自行開發(fā)了機器人焊接程序及適應我國鐵路機車車輛焊接技術需要的機械手、工作站等設備， 逐步縮小了與發(fā)達國家的差距。

6. 新型結構材料在鐵路機車車輛上應用。

隨著鐵路“ 提速重載” 與跨越式發(fā)展戰(zhàn)略的實施， 原有的碳素結構鋼已遠遠不能滿足鐵路機車車輛工業(yè)的使用要求。目前國內已開始生產(chǎn)微合金控軋鋼， 其鋼種具有良好的焊接性能； 正在研制的超細晶粒鋼， 其強度和使用壽命將比現(xiàn)有結構鋼提高一倍， 其鋼種特點是超細晶粒、超潔凈度、高均勻性， 性價比更加合理。同時， 各種不銹鋼、鋁合金、中低合金鋼等耐蝕材料的應用也將成為主流。這些高性能鋼種的應用， 必將進一步推動鐵路機車車輛焊接技術的發(fā)展。

四.鐵路機車車輛工業(yè)焊接技術發(fā)展前景。

鐵路機車車輛工業(yè)焊接技術發(fā)展前景焊接生產(chǎn)過程的機械化和自動化是工業(yè)現(xiàn)代化的必由之路。世界工業(yè)發(fā)達國家焊接機械化和自動化的程度都已達到60%以上，西歐和美國已達到70%以上，而日本已經(jīng)達到80%以上。我國各工業(yè)部門焊接生產(chǎn)的機械化和自動化程度還相對較低，平均30%左右，而且大部分僅是自動化程度較低的機械焊機。我國大型骨干企業(yè)機械化和自動化程度已達到60%-65%。如汽車制造業(yè)，已經(jīng)普遍采用了弧焊機器人、點焊機器人和機器人自動焊接生產(chǎn)線； 我國船舶制造企業(yè)焊接機械化和自動化程度已達61%左右。伴隨鐵路“客運提速， 貨運重載”， “九五”以來，鐵路部門焊接技術的機械化和自動化程度雖然有了較大的提高， 但與我國汽車制造企業(yè)、船舶制造企業(yè)、軍工企業(yè)等工業(yè)系統(tǒng)相比，還存在較大的差距。

五．結束語

隨著提高質量和效率的焊接機械化和自動化水平的不斷提高，焊接機械手、機器人工作站等的推廣應用， 焊接工藝及焊接裝備的現(xiàn)代化， 必將推進我國鐵路機車車輛制造業(yè)的現(xiàn)代化進程，也必將提升我國鐵路機車車輛工廠與國際鐵路供應商競爭的實力。對于新的應用鋼種和工藝方法， 必須要有相匹配的焊接材料，從發(fā)展趨勢看， 藥芯焊絲、燒結焊劑、低飛濺氣體保護焊實芯焊絲、高強鋼用焊材、低溫鋼用焊材、耐熱鋼用焊材、不銹鋼用焊材等高技術含量產(chǎn)品是鐵路機車車輛用焊接材料的主要方向。

參考文獻：

[1] 王振民 換熱器管板的全位置自動化焊接工藝 [期刊論文] 《華南理工大學學報》2010年5期

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1引言

近年來，各國為達到提高系統(tǒng)的定位精度以適應工業(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。當臨時需要對各個單元進行新的分配任務或產(chǎn)品變化時，可以很方便的改動或重新設計其新部件，當位置改變時，只要重新編程，就能很快地投產(chǎn)，從而降低了安裝和轉換工作的費用。模塊化生產(chǎn)培訓系統(tǒng)（MPS，ModularProductiontrainingSystem）是一種模擬自動化生產(chǎn)加工單元，它由德國FESTO公司結合現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的特點開發(fā)研制而成。它可以大量代替單調往復或高精度的工作，用以滿足前沿產(chǎn)品和自動化設備更新的需要。本文所研究的內容，國際上以德國、日本、韓國等最具代表性，技術上已經(jīng)趨于成熟，但其產(chǎn)品價格昂貴，且在技術上對用戶封鎖，致使用戶無法結合自己的需要進行二次開發(fā)。

目前，國內已有幾家教學設備生產(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有限公司生產(chǎn)的“MPS/FMS模塊化生產(chǎn)培訓系統(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)培訓系統(tǒng)”。本文將采用上海英集斯自動化技術有限公司生產(chǎn)的MPS教學設備，結合本實驗室（國家示范性中央財政支持重點建設實驗室）的實際需求，給出了基于PLC的MPS上料檢測單元PLC控制系統(tǒng)設計的完整解決方案。

2上料檢測單元的結構、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上料檢測單元的結構、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)行機構是氣動控制系統(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為磁感應式接近開關。氣動控制回路如圖1所示。

圖1上料檢測單元氣動控制回路

3基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統(tǒng)的設計方案

基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統(tǒng)的控制任務設計：接通設備電源與氣源、運行PLC后，首先執(zhí)行復位動作，即提升氣缸驅動的工件平臺下降到位。料盤旋轉輸出工件，當料盤檢測到工件平臺中有工件后停止旋轉，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)旋轉輸出工件，重復以上流程。

下面介紹該方案的關鍵環(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)行機構的對應關系如表1所示。

表1上料檢測單元PLC輸入輸出與執(zhí)行機構的對應關系

3.2編寫程序并調試

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)調試，該程序能順利完成本單元的控制任務。

4結束語

本文對上料檢測單元的結構與功能、氣動控制回路分別進行了詳細分析，然后對上料檢測單元的PLC控制系統(tǒng)進行二次設計與實現(xiàn)，首先編寫了PLC輸入、輸出分配表，進而編寫出其程序流程圖及梯形圖，最后上機調試，驗證了基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統(tǒng)的二次設計與實現(xiàn)的可行性。并總結出兩點結論：（1）在設計各單元的控制任務時，要根據(jù)各單元的基本功能，編寫符合實際的控制任務，最大限度的合理開發(fā)其使用功能，但一定要符合其機械設計，否則會讓設備之間發(fā)生沖突，造成元器件的損壞；（2）在設計梯形圖程序時，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計時間，又會達到良好的控制效果。從而快速對上料檢測單元的PLC控制系統(tǒng)進行二次設計與實現(xiàn)。

參考文獻

1 工業(yè)機械手編寫組編. 工業(yè)機械手-機械結構. 上海:上?？茖W技術出版社,1978:5-7.

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

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中圖分類號：TQ172.681 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）05-0178-02

預燒料生產(chǎn)作為鋼鐵行業(yè)延伸產(chǎn)業(yè)之一發(fā)展前景較好[1]，成品的包裝作為后道環(huán)節(jié)也是關鍵環(huán)節(jié)目前全部依靠半自動包裝方式，也成為制約其快速發(fā)展的一個瓶頸，自動定量包裝系統(tǒng)目前主要用于食品、醫(yī)藥、糧食、化工等行業(yè)，自動定量包裝系統(tǒng)主要以PLC或其他控制設備為整個系統(tǒng)控制核心，以外部操作按鈕或觸摸屏裝置為系統(tǒng)的輸入單元，通過通訊網(wǎng)絡或總線技術實現(xiàn)各單元之間的通信，完成對各單元設備的控制。

1 設計要求及基本條件

1.1 物料基本特性（表1）

1.2 包裝能力及精度要求

根據(jù)磁性材料廠預燒料產(chǎn)品年生產(chǎn)量、客戶對包裝標準（25公斤/包）及精度的要求（±50克），綜合考慮設備有效作業(yè)率和日常檢修、年修等要素，對包裝能力及精度設計要求如表2所示。

2 系統(tǒng)設計過程

2.1 設計概述

自動包裝生產(chǎn)線實現(xiàn)功能基本一致，一般分為以下幾個關鍵環(huán)節(jié)：自動上袋—自動稱重—自動裝袋—自動縫包—自動輸送—自動重量檢測—自動噴碼—自動剔除，其工藝流程為：物料從成品料倉進入包裝秤系統(tǒng)，下料與計量裝置通過粗細兩種不同加料方式互相配合實現(xiàn)精確定量下料控制，一旦物料重量增加到設定值范圍內時，稱重系統(tǒng)發(fā)出粗加料方式停止指令，等待細加料方式下加料裝置中物料落入到秤斗中之后表示此次稱重過程完成[2][3]。

在自動稱重環(huán)節(jié)完成以后，包裝秤系統(tǒng)并不是立即進行物料下料機包裝，而是需要系統(tǒng)對其發(fā)出“投料”的指令才能進行下料和包裝，而判定系統(tǒng)是否下達“投料”指令的條件之一就是自動上袋動作已經(jīng)完成，在完成此動作基礎上系統(tǒng)才會發(fā)出相關控制指令要求稱重下料單元閥門打開，閥門打開以后，物料由稱重斗下放至包裝袋內，下料動作完成后系統(tǒng)發(fā)出指令將下料閥門關閉，裝袋機底部設計了拍打敲擊裝置，通過多次敲擊和拍打使得物料包裝過程更加緊湊，便于后道各工序更好地完成相關作業(yè)，此工序完成后，安裝在裝袋機上的夾袋裝置被打開，裝有成品物料的包裝袋一路經(jīng)過夾口整形裝置、立袋輸送裝置，按次序以及設定速率緩緩進入折邊裝置中。

當折邊動作完成后，裝有物料的包裝袋進行自動縫包裝置中，在自動縫包裝置旁安裝有相應的檢測設施，一旦檢測裝置檢測到目標時，自動縫紉裝置開始進入縫制狀態(tài)，縫制結束后包裝袋離開縫紉設備進入下一道工序：自動倒袋整形工序，接著進入復秤裝置中，如果檢測不合格，此包物料將在最后碼垛時由碼垛機械手自動放置到剔除單元中完成剔除，對于復秤合格的物料則順利經(jīng)過復秤裝置繼續(xù)向前輸送，再經(jīng)噴墨打印設備進入自動碼垛單元，噴墨打印設備主要功能是按照各單位出廠要求及客戶要求打印上相關的產(chǎn)品信息，如：生產(chǎn)日期、批號以及國家標準等，經(jīng)復秤不合格的產(chǎn)品則省去此環(huán)節(jié)。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)的硬件配置包含三種類型：國外進口設備以及國內制造設備、還有部分為非標設備為自行設計和委托加工，國外進口設備主要包括上袋機、縫包機、噴碼機以及機械手等，在其中由于上袋機、機械手等設備動作較多，相對而言較為復雜可以自成系統(tǒng)，為保證匹配性特地選用進口方要求選用三菱公司FX2N系列PLC，對于其他設備（小袋輸送、倒包機、校驗秤、指示燈、碼垛機等）在控制設備的選型上則采用目前行業(yè)內比較認可的西門子S7系列PLC。

2.2.1 硬件架構及主控制器選型

本系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC，包括CPU、存儲器、電源以及模擬量和數(shù)字量輸入輸出模塊，整個硬件系統(tǒng)包括檢測元件、控制單元、人機操作界面以及執(zhí)行元件四大部分，檢測元件主要包含接近開關、光電開關以及真空開關等，控制單元（PLC系統(tǒng)）主要采用數(shù)字量控制方式，包括CPU、存儲器、電源模塊以及輸入輸出模塊，執(zhí)行元件主要為電機及氣缸等。

2.2.2 電氣硬件接線及設計圖（圖1，圖2）

2.3 控制程序設計

2.3.1 系統(tǒng)程序主體設計架構（圖3）

2.3.2 系統(tǒng)時序邏輯圖（圖4）

3 應用及展望

自動定量包裝生產(chǎn)線位于整個生產(chǎn)過程的尾端，也是預燒料生產(chǎn)自動化程度最高的一部分，本文通過預燒料生產(chǎn)工藝的分析，闡述了自動定量包裝控制技術和產(chǎn)品的國內外研究現(xiàn)狀，討論了預燒料的物料特性、包裝能力、精度及碼垛設計要求，對自動定量包裝系統(tǒng)做了研究、設計及開發(fā)，對系統(tǒng)在使用中暴露出來的問題通過理論分析結合實驗研究方法進行了改進，達到了預期的效果。

參考文獻