導(dǎo)言：作為寫作愛好者，不可錯(cuò)過為您精心挑選的10篇機(jī)械手設(shè)計(jì)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(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

1.1安全性

對(duì)于手持式醫(yī)療器械而言，日常應(yīng)用廣泛的原因在于，該項(xiàng)產(chǎn)品具有較高的安全性。醫(yī)療器械的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，對(duì)醫(yī)護(hù)人員、對(duì)殘障患者、對(duì)醫(yī)療領(lǐng)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(dá)到一個(gè)新的高度。手持式醫(yī)療器械作為醫(yī)療器械領(lǐng)域中的一個(gè)重點(diǎn)部分，其安全性是有嚴(yán)格規(guī)范的。第一，手持式醫(yī)療器械在出現(xiàn)故障時(shí)，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(shí)，應(yīng)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(yīng)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(duì)手部的保障措施，避免磨損、劃傷等情況的出現(xiàn)。

1.2復(fù)雜性

現(xiàn)代醫(yī)療器械融合了多學(xué)科的研究成果，功能復(fù)雜化、模塊多樣化。同時(shí)醫(yī)療器械的使用者也具有復(fù)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(hù)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(hù)人員。如家庭環(huán)境下，使用者多為非醫(yī)護(hù)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(xué)背常識(shí)和醫(yī)療器械操作知識(shí)。從圖1來看，手持式醫(yī)療器械所具有的復(fù)雜性，是手持式醫(yī)療器械的核心部分，其復(fù)雜特性不僅決定了其他特點(diǎn)的表現(xiàn)，同時(shí)對(duì)該類型醫(yī)療器械的實(shí)際應(yīng)用也產(chǎn)生了較大的影響。本研究認(rèn)為，手持式醫(yī)療器械的復(fù)雜性并不容易把握，在今后的工作中，一方面要降低復(fù)雜特點(diǎn)，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(fù)雜性帶來的影響，盡量不要影響到手持式醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。

2手持式醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1安全性

手持式醫(yī)療器械的市場(chǎng)非常廣泛，為了能夠進(jìn)一步滿足廣大患者的需求，手持式醫(yī)療器械在設(shè)計(jì)過程中，必須滿足固定的要求，也就是日常說的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，同時(shí)還要在設(shè)計(jì)要點(diǎn)方面實(shí)現(xiàn)更大的突破，否則很難滿足現(xiàn)實(shí)工作中的需求。經(jīng)過長(zhǎng)期的探究發(fā)現(xiàn)，手持式醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(shè)計(jì)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(chǔ)時(shí)間也比較長(zhǎng)，能夠長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間接觸可能產(chǎn)生的過敏反應(yīng)；第三，考慮靜電防護(hù)，通過國(guó)家檢測(cè)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(guān)系到具體使用和對(duì)患者的效果，必須加以重視起來。

2.2造型設(shè)計(jì)

手持式醫(yī)療器械區(qū)別于其他醫(yī)療器械的一個(gè)重點(diǎn)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(jìn)行操作，并且較小的醫(yī)療器械在操作過程中，細(xì)節(jié)操作往往決定了最終的結(jié)果。因此，手持式醫(yī)療器械的造型設(shè)計(jì)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(shí)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(dāng)中及時(shí)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(shí)際應(yīng)用的情況。倘若燈光昏暗，手持式醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)則要用鮮艷顏色來突出；倘若燈光明亮，則要應(yīng)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(dá)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(shè)計(jì)，還要便于實(shí)際操作。由于該類型醫(yī)療產(chǎn)品主要是用于精細(xì)手術(shù)、患者傷殘應(yīng)用等領(lǐng)域，操作性能必須達(dá)到一個(gè)較高的水準(zhǔn)，同時(shí)還要具備抗污染、抗腐蝕等特點(diǎn)，保證不會(huì)對(duì)患者、醫(yī)護(hù)人員造成傷害。

2.3觸覺設(shè)計(jì)

篇2

關(guān)鍵詞：機(jī)械手 模塊設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)

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

1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 底座是用于安裝手臂、動(dòng)力源、控制器和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的支架。本機(jī)械手底座支架裝有一個(gè)減速電機(jī)和一個(gè)智能控制器，如圖1所示：

1.2 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手臂是連接底座和手部的中間部分，有無關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分，目前采用的手臂大多為無關(guān)節(jié)臂[2]，本文采用有關(guān)節(jié)臂。

手臂的作用是引導(dǎo)手部準(zhǔn)確的抓住物體，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠準(zhǔn)確的工作手臂的三個(gè)自由度都要準(zhǔn)確的定位。本機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)采用三個(gè)SR-403P舵機(jī)及其相關(guān)卡口工件組成，三個(gè)自由度可使機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)更加自由靈活地運(yùn)動(dòng)，手臂結(jié)構(gòu)如圖2所示：

1.3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手部安裝在手臂的前端。手部由兩個(gè)舵機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)手腕的反轉(zhuǎn)和手指的關(guān)閉。

機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)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(shè)計(jì)時(shí)采用的二指結(jié)構(gòu)，其中一指固定，另一指由舵機(jī)控制。手指可根據(jù)夾持對(duì)象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)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(jī)械手手部結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)自由度，一個(gè)自由度用于夾持物件，另一個(gè)自由度用于反轉(zhuǎn)手腕，兩個(gè)自由度均由HS-7955TG舵機(jī)實(shí)現(xiàn)，手部結(jié)構(gòu)如圖3所示：

機(jī)械手裝配完成后的整體設(shè)計(jì)效果圖如圖4所示：

2 機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

常見的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)。其中以液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的最多，而電動(dòng)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的比較少。液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。具有體積小、作用力大，動(dòng)作平緩，調(diào)速方便等優(yōu)點(diǎn)，但需要配備油泵等動(dòng)力設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。以空氣作為動(dòng)力傳遞媒介，具有維護(hù)簡(jiǎn)單、方便，運(yùn)行清潔，但因空氣的可壓縮性比價(jià)高，一般難以線性控制。電氣驅(qū)動(dòng)采用的不多，一般以電機(jī)作為動(dòng)力源，用大減速比減速器來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，但因電機(jī)功率原因，很難達(dá)到較高的功率輸出，不適合高負(fù)荷野外工作。

2.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇與設(shè)計(jì) 因?yàn)楸疚乃O(shè)計(jì)的六自由度機(jī)械手為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部研究使用，故不需考慮能源供給和功率問題，反觀液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)都需要龐大的配套系統(tǒng)來支撐驅(qū)動(dòng)，所以本文采用電氣驅(qū)動(dòng)方式。驅(qū)動(dòng)元件主要包括減速電機(jī)和舵機(jī)。圖1中的減速電機(jī)采用OpenCS5A/8A智能驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)其速度控制和位置控制。OpenCS5A/8A是一款應(yīng)用最新的DSP控制技術(shù)開發(fā)的集運(yùn)動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)、PLC功能于一體的智能控制

與數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)嵌高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言（TML），使其易于實(shí)現(xiàn)無刷直流，無刷交流（矢量控制）旋轉(zhuǎn)或直線，有刷伺服電機(jī)的單軸與多軸控制。機(jī)械手的其余關(guān)節(jié)使用舵機(jī)控制，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，控制信號(hào)是PWM信號(hào)[4]，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)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(nèi)，其實(shí)是利用調(diào)節(jié)固定周期內(nèi)的占空比來控制角度的變化。具有控制簡(jiǎn)單，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)通信設(shè)計(jì) 機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（減速電機(jī)和舵機(jī)）的控制、上位機(jī)控制界面的設(shè)計(jì)以及上、下位機(jī)之間的串口通信等。機(jī)械手控制算法經(jīng)上位機(jī)解算后將控制信息經(jīng)串口發(fā)給下位機(jī)MCU，下位機(jī)根據(jù)位置信息分別控制各個(gè)減速電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的精確控制[5]。

3 基于VC++的控制界面設(shè)計(jì)

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

舵機(jī)控制采用滾動(dòng)條的方式，并將每個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度實(shí)時(shí)顯示在右側(cè)的編輯框內(nèi)；電機(jī)控制采用速度控制，主要包括電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等；機(jī)械手運(yùn)行示意圖顯示機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)情況，當(dāng)某個(gè)舵機(jī)或電機(jī)運(yùn)行時(shí)，示意圖上相對(duì)應(yīng)的舵機(jī)或電機(jī)位置將會(huì)加亮，表示這一舵機(jī)或電機(jī)正在運(yùn)行[6]。

4 結(jié)論

論文主要提供了一種機(jī)械手的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行硬件制作和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的實(shí)時(shí)控制。解決了減速電機(jī)控制、多路舵機(jī)控制和上、下位機(jī)之間串口通信等難點(diǎn)問題，為實(shí)驗(yàn)室機(jī)械手位置控制算法的研究提供了實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)，為實(shí)驗(yàn)室研究機(jī)械手更加精確而又復(fù)雜的控制算法提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]關(guān)明，周希倫，馬立靜，宋蔚.基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2012，34（14）：120-121，142.

[3]張普行，嚴(yán)軍輝，賈秋玲.六自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（20）：68-71.

篇3

末端執(zhí)行器

結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TB47　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　文章編號(hào)：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(tái)，有的還有視覺系統(tǒng)。

在中國(guó)，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(wàn)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(dòng)力還是靠體力勞動(dòng)。因?yàn)檗r(nóng)業(yè)人口正在減少，收獲自動(dòng)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(zhǎng)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(duì)本地柑橘的生長(zhǎng)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(jiǎn)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(zhǎng)，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(dòng)力，而于此相反的是，本地的勞動(dòng)力日漸下降，全都去城鎮(zhèn)務(wù)工了。因此，針對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)力部分，傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)力部分，齒輪為傳動(dòng)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(dòng)。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?。最終，果實(shí)順著柔性管道順利到達(dá)指定位置。

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)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(zhǎng)狀態(tài)有關(guān)，可采用關(guān)節(jié)型的折疊機(jī)構(gòu)。對(duì)于水果收獲機(jī)器人只能針對(duì)一種對(duì)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(cè)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(jiǎn)單，有待進(jìn)一步優(yōu)化。

篇4

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）06-0009-01

光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是根據(jù)自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)而設(shè)計(jì)的集存儲(chǔ)、加工、裝配與輸送等結(jié)構(gòu)為一體的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊，該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)模擬真實(shí)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，采用西門子PLC控制，通過設(shè)定變頻器與伺服驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)化操作，最終實(shí)現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的仿真教學(xué)。學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)，能夠了解工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化控制，同時(shí)，在無法到達(dá)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或大大降低實(shí)訓(xùn)成本的情況下，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、編程思想以及控制理念。

1 物料輸送結(jié)構(gòu)的組成

物料抓取輸送結(jié)構(gòu)主要由抓取機(jī)械手裝置、輸送單元、機(jī)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(jié)構(gòu)如圖1所示、抓取機(jī)械手裝置如圖2所示。其功能為：驅(qū)動(dòng)機(jī)械手裝置準(zhǔn)確定位到相關(guān)單元的物料臺(tái)上，在其對(duì)應(yīng)的物料臺(tái)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(jié)構(gòu)的PLC控制

2.1 物料輸送結(jié)構(gòu)控制要求

物料輸送結(jié)構(gòu)單站運(yùn)行的目標(biāo)是測(cè)試設(shè)備輸送工件的功能。要求另外幾個(gè)工作單元先正常工作。而且在物料推出裝置的物料臺(tái)上放好了工件。具體控制要求如下：

抓取機(jī)械手從物料推出裝置物料臺(tái)抓取工件。抓取動(dòng)作完成后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)抓取機(jī)械手向物料加工單元移動(dòng)，移動(dòng)速度大于等于3m/s；機(jī)械手移動(dòng)到物料加工站料臺(tái)的正前方后，把工件放到加工站物料臺(tái)上。動(dòng)作完成1秒后，抓取機(jī)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(dòng)作完成后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手裝置移動(dòng)到物料裝配單元料臺(tái)的正前方。然后把工件放到物料裝配單元的物料臺(tái)上。放下工件動(dòng)作完成 1 秒后，抓取機(jī)械手裝置執(zhí)行抓取物料裝配站工件的操作。執(zhí)行完動(dòng)作1秒之后，再把工件移動(dòng)到物料分揀單元。

2.2 PLC的輸入輸出點(diǎn)分配及系統(tǒng)接線

物料輸送單元所需的輸入和輸出點(diǎn)較多。其中，輸入信號(hào)主要包含按鈕與指示燈模塊中的開關(guān)與按鈕等主令信號(hào)，檢測(cè)氣缸和物料的傳感器信號(hào)等：輸出信號(hào)包含輸出到機(jī)械手裝置中各電磁閥的控制信號(hào)和輸出到伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖和方向信號(hào)?；谛枰敵鲵?qū)動(dòng)伺服和步進(jìn)電機(jī)的高速脈沖，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)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(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出。

2.3 物料輸送結(jié)構(gòu)PLC控制流程圖

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

3 結(jié)語(yǔ)

光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)物料輸送結(jié)構(gòu)采用的是模塊化設(shè)計(jì)，無論是機(jī)械結(jié)構(gòu)還是控制系統(tǒng)都具有良好的擴(kuò)展性、高度的柔性和靈活性。該實(shí)訓(xùn)裝置已成功地使用于本課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]何用輝.自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

篇5

中圖分類號(hào)：S225.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）09-2248-04

目前，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)率僅為17%，與發(fā)達(dá)國(guó)家存在很大的差距[1]。加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，實(shí)施精確農(nóng)業(yè)，廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人，以提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效率已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[2，3]。果蔬的采收方法有手工采收、機(jī)械輔助采收和機(jī)械化采收3種[4，5]，世界蘿卜的總產(chǎn)量為4 900萬(wàn)t/年，其中中國(guó)680萬(wàn)t/年，國(guó)內(nèi)的采摘作業(yè)基本上都是手工進(jìn)行的，收獲作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著農(nóng)業(yè)設(shè)施的發(fā)展和作業(yè)機(jī)械化的要求，對(duì)蘿卜種植模式要求也越來越高，種植、管理和收獲的勞動(dòng)量也越來越大，亟需研究開發(fā)果蔬收獲機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)果蔬的機(jī)械化、自動(dòng)化與智能化收獲[6，7]，為此，通過對(duì)蘿卜種植與采收情況的調(diào)研，設(shè)計(jì)了一款蘿卜采收機(jī)械手，以期為蘿卜的自動(dòng)化采收打下一定的基礎(chǔ)。

1 蘿卜采收機(jī)總體設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)的是一種農(nóng)業(yè)機(jī)械中的收獲機(jī)械手，由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)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(jī)械手關(guān)鍵部位機(jī)械設(shè)計(jì)

蘿卜采收機(jī)械手的關(guān)鍵部位主要包括：1）手爪部位。手爪部位的主要工作是對(duì)蘿卜進(jìn)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(zhuǎn)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(guān)鍵地方，其主要工作是調(diào)整蘿卜的方位，使蘿卜被抓的時(shí)候可以進(jìn)行擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)，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(dòng)其他部件運(yùn)轉(zhuǎn)，并按照采收要求將蘿卜搬運(yùn)到指定的位置，設(shè)計(jì)時(shí)只需要實(shí)現(xiàn)手臂部位的升降與擺動(dòng)即可。此次設(shè)計(jì)機(jī)械手應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能：蘿卜的挖掘、被挖掘的蘿卜轉(zhuǎn)移到指定位置，圖2為機(jī)械手的機(jī)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖。

2.1 機(jī)械手基本技術(shù)參數(shù)的選定

由于蘿卜生長(zhǎng)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(duì)不同地方生長(zhǎng)的蘿卜進(jìn)行采收力的測(cè)定。把細(xì)繩系在蘿卜的莖葉或者根莖部位，細(xì)繩的末端連接計(jì)力器材，多次讀取并記錄最大拉力。圖3為湖北省長(zhǎng)陽(yáng)和沙洋兩個(gè)地區(qū)分組測(cè)試蘿卜拔取力的試驗(yàn)結(jié)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(jī)械手手臂上下行程為500 mm，手腕旋轉(zhuǎn)角度90°，手臂旋轉(zhuǎn)角度90°，按照循環(huán)步驟安排確定每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，從而確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度。各動(dòng)作的時(shí)間分配要考慮多方面的因素，包括總的循環(huán)時(shí)間的長(zhǎng)短，各動(dòng)作之間順序是依序進(jìn)行還是同時(shí)進(jìn)行等[8]，此次設(shè)計(jì)各動(dòng)作依序進(jìn)行，為保證蘿卜的質(zhì)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(guān)節(jié)液壓缸流量控制保證。

2.2 機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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(shí)際要求，設(shè)計(jì)采用夾鉗式的手部結(jié)構(gòu)。夾鉗式手部結(jié)構(gòu)由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成，它對(duì)抓取各種形狀的物體具有較大的適應(yīng)性，常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機(jī)構(gòu)實(shí)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(jié)構(gòu)較為合適。

設(shè)計(jì)中機(jī)械手手爪在夾持蘿卜時(shí)，其夾握力分析簡(jiǎn)圖如圖4。為了增大夾握力，采取以下兩種方法：①設(shè)計(jì)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(shí)所需要的握力；G為工件重量轉(zhuǎn)化的重力； f為摩擦系數(shù)。

考慮到在傳送過程中還會(huì)產(chǎn)生慣性力、振動(dòng)以及受到傳力機(jī)構(gòu)效率等的影響，故實(shí)際握力還應(yīng)按公式（2）計(jì)算[10]：

N實(shí)≥N?■ 公式（2）

式中，η為手部的機(jī)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(jì)算，k2=1+a/g=1.5，則

N實(shí)≥N?■=12.5×■≈32 N 公式（4）

2.3 機(jī)械手腕部位的設(shè)計(jì)

機(jī)械手腕與機(jī)械手臂連接在一起，手臂運(yùn)動(dòng)結(jié)束后調(diào)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該力求扎實(shí)緊湊，且轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小。手腕也是末端執(zhí)行部位與機(jī)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(guān)系到蘿卜的采收過程，在設(shè)計(jì)的過程中還要考慮其機(jī)械強(qiáng)度與剛度，并且要讓其布局合理。結(jié)合設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出腕部位的結(jié)構(gòu)如圖5，其為典型腕部結(jié)構(gòu)中具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)，直接用回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.4 機(jī)械手臂部位的設(shè)計(jì)

機(jī)械手的手臂部位是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手末端手爪進(jìn)行大尺度位姿變換的關(guān)鍵部件，即把末端手爪部分移動(dòng)到空間的指定地點(diǎn)。手臂部位的驅(qū)動(dòng)形式主要有液壓傳動(dòng)式和機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)力載荷，而且其姿態(tài)調(diào)整的靈活性影響到機(jī)械手的定位精度，因此手臂部位采用液壓回轉(zhuǎn)缸的形式實(shí)現(xiàn)手臂的大尺度旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，如圖6所示的手臂結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸，實(shí)現(xiàn)小臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從A-A剖視圖上可以看出，回轉(zhuǎn)葉片用鍵和轉(zhuǎn)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(jìn)入和右油孔壓出，以此來實(shí)現(xiàn)手臂部位的旋轉(zhuǎn)。

3 蘿卜采收機(jī)械手液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及PLC控制設(shè)計(jì)

3.1 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

從蘿卜采收的工藝過程可以得出，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的時(shí)候液壓系統(tǒng)中液壓油的壓力和流量不需要太高，設(shè)計(jì)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(dòng)化程度。從降低供油壓力的角度來分析，機(jī)械手的液壓系統(tǒng)可以采用單泵供油，而手臂部位的旋轉(zhuǎn)和位姿的調(diào)整等相關(guān)機(jī)構(gòu)采用并聯(lián)供油。為了防止多缸的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)的過程中產(chǎn)生干涉和保證運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)非同步運(yùn)動(dòng)或者是同步運(yùn)動(dòng)，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(jī)械手臂位姿調(diào)整的過程中要求行程可變，在液壓缸的起動(dòng)和停止的過程中也需要緩沖，但由于回轉(zhuǎn)缸內(nèi)空間狹小，且回轉(zhuǎn)缸為小流量泵供油，故本系統(tǒng)沒有在回轉(zhuǎn)缸換向回路中采用緩沖回路，僅在大流量直動(dòng)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(cè)壓等油路）就可以進(jìn)行合并，完善為完整的液壓系統(tǒng)，并編制液壓系統(tǒng)動(dòng)作循環(huán)及電磁鐵動(dòng)作順序表，其中液壓原理圖如圖7。

3.2 PLC控制設(shè)計(jì)

為了讓機(jī)械手工作時(shí)可靠且有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，控制部分的設(shè)計(jì)思路是讓該機(jī)械手的部件順序動(dòng)作，所以，在任一時(shí)間該機(jī)械手都只有一個(gè)部件被驅(qū)動(dòng)，而各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)范圍都是受其結(jié)構(gòu)限制的[14，15]。PLC的狀態(tài)流程簡(jiǎn)圖如圖8所示，機(jī)械手在自動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)每一個(gè)周期需要完成以下動(dòng)作：蘿卜采摘開始時(shí)，機(jī)械手被設(shè)定在準(zhǔn)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(jìn)行第二步手爪夾緊；為完成挖蘿卜動(dòng)作，手腕帶動(dòng)手爪及蘿卜旋轉(zhuǎn)90°；完成上述動(dòng)作后，機(jī)械手臂向上提升完成拔去動(dòng)作；手臂擺動(dòng)90°，以實(shí)現(xiàn)對(duì)蘿卜的轉(zhuǎn)移；最后手臂回?cái)[，手腕回?cái)[，機(jī)械手回到初始狀態(tài)。

4 小結(jié)

通過對(duì)機(jī)器人技術(shù)及機(jī)械手結(jié)構(gòu)的分析，對(duì)蘿卜采收的過程進(jìn)行了研究，確定蘿卜采收機(jī)械手的整體方案結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)蘿卜采收機(jī)械手的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。蘿卜采收機(jī)械手能配合蘿卜采收機(jī)依次完成蘿卜的拔取、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等動(dòng)作，但該機(jī)械手在結(jié)構(gòu)及工作性能的穩(wěn)定性方面還需在田間進(jìn)行試驗(yàn)，控制方案有待根據(jù)不同地區(qū)的種植情況進(jìn)行優(yōu)化。

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篇6

中圖分類號(hào): TP241.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)器推動(dòng)關(guān)節(jié)i時(shí),桿件i將相對(duì)于桿件i-1運(yùn)動(dòng)。機(jī)座坐標(biāo)定義為第0號(hào)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(dòng)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(hào)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(dòng)軸運(yùn)動(dòng)。

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(duì)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(dòng)軸,x0和y0軸與z0垂直,但方向可任選;

(2)初始化和循環(huán)。對(duì)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(dòng)軸對(duì)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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篇7

中圖分類號(hào)：TN42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）001-043-03

1引言

在集成電氣元件的設(shè)計(jì)中，微動(dòng)開關(guān)以其觸點(diǎn)間距小、動(dòng)作行程短、按動(dòng)力小、通斷迅速的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于家用電器、軍用產(chǎn)品當(dāng)中。但與此同時(shí)，由于微動(dòng)開關(guān)體積小重量輕，結(jié)構(gòu)多變而復(fù)雜，目前，在國(guó)內(nèi)微動(dòng)開關(guān)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(dòng)強(qiáng)度大，因此實(shí)現(xiàn)微動(dòng)開關(guān)的自動(dòng)化裝配是一項(xiàng)十分重要的實(shí)用化工程，關(guān)系到電子電氣產(chǎn)品的成本和質(zhì)量。

微動(dòng)開關(guān)自動(dòng)化裝配線是通過振動(dòng)分料使微動(dòng)開關(guān)姿態(tài)統(tǒng)一，并由后續(xù)傳動(dòng)裝置將其送至安裝平臺(tái)，由機(jī)械手對(duì)其進(jìn)行抓持并最終安裝到電路板上。其為可循環(huán)使用的設(shè)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(yīng)有機(jī)械本體，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，信號(hào)采集傳遞和控制系統(tǒng)組成，其中振動(dòng)分料的效率，抓持機(jī)械手的精度以及控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是此裝配線設(shè)計(jì)的核心部分。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)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(dòng)開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)種類繁多，本文以依靠?jī)蓚?cè)支腳固定于電路板上的微動(dòng)開關(guān)為研究對(duì)象。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是金屬簧片觸點(diǎn)在零件中間，兩側(cè)有帶有倒鉤的支腳，并向外形成一定的角度。安裝時(shí)需將兩個(gè)支腳插入電路板上相應(yīng)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(jié)構(gòu)視圖如圖1。

2振動(dòng)分料機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理

因?yàn)槲?dòng)開關(guān)體積小質(zhì)量輕且多個(gè)微動(dòng)開關(guān)常不規(guī)則的牽連在一起不易分離，所以微動(dòng)開關(guān)振動(dòng)分料機(jī)在提高裝配效率方面的作用要大于用于微動(dòng)開關(guān)抓持與安裝的機(jī)械手。振動(dòng)分料機(jī)主要由振動(dòng)分料盤，分料導(dǎo)軌以及送回傳送帶組成，在分料盤，導(dǎo)軌以及基座上分別固定偏心電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。其主要功能是將姿態(tài)不符合要求的微動(dòng)開關(guān)剔出分料軌道，重新送回分料盤進(jìn)行振動(dòng)分料。振動(dòng)分料的結(jié)果是將所有符合要求的微動(dòng)開關(guān)通過后續(xù)的傳送裝置間隔的傳輸?shù)綑C(jī)械手抓持的工作臺(tái)上。在整個(gè)分料過程中一定要盡量保證相對(duì)數(shù)量多的微動(dòng)開關(guān)是符合姿態(tài)要求的從而不會(huì)影響到后續(xù)的工作。

微動(dòng)開關(guān)的姿態(tài)可以分為三大類五小類。第一大類是幾個(gè)開關(guān)牽連在一起或者單個(gè)微動(dòng)開關(guān)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(dòng)開關(guān)支腳朝上，第三大類是微動(dòng)開關(guān)支腳朝下，且規(guī)則姿態(tài)的兩大類又分支腳靠左（相對(duì)分料導(dǎo)軌）與支腳靠右兩小類。我們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)支腳朝上的微動(dòng)開關(guān)因?yàn)橹匦妮^低，所以大多數(shù)從分料盤上振落下來的微動(dòng)開關(guān)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(dòng)開關(guān)為我們預(yù)期的輸出姿態(tài)，這樣能夠保證盡可能多的微動(dòng)開關(guān)符合我們的姿態(tài)要求。

分料主要分為三個(gè)步驟，第一步是將成堆的微動(dòng)開關(guān)放到帶有孔的分料盤上，所有微動(dòng)開關(guān)隨著振動(dòng)連續(xù)進(jìn)行微小位移，當(dāng)振動(dòng)到孔中則掉落下來進(jìn)入分料導(dǎo)軌。通過第一步驟成堆的微動(dòng)開關(guān)將間隔掉落下來，而且部分牽連在一起的微動(dòng)開關(guān)也會(huì)在從孔中掉落或落到分料導(dǎo)軌的過程中因?yàn)檎駝?dòng)和撞擊分離。微動(dòng)開關(guān)在分料導(dǎo)軌中會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)與導(dǎo)軌的斜度繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)而且會(huì)因?yàn)閷?dǎo)軌變細(xì)側(cè)向運(yùn)動(dòng)。分料的第二步是在導(dǎo)軌中設(shè)置一個(gè)封閉口，如圖2。根據(jù)測(cè)量，支腳朝上的微動(dòng)開關(guān)要比支腳朝下的微動(dòng)開關(guān)在高度上少1mm左右，通過對(duì)封閉口高度的恰當(dāng)設(shè)置，支腳朝下的微動(dòng)開關(guān)將不能通過封閉口而是從一側(cè)掉出分料軌道，形狀不規(guī)則的微動(dòng)開關(guān)同樣無法通過封閉口。所有掉出分料軌道的微動(dòng)開關(guān)將會(huì)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(cè)設(shè)置導(dǎo)槽且軌道本身有一個(gè)向左的傾角，如圖3。剩下的兩個(gè)姿態(tài)的微動(dòng)開關(guān)中支腳靠右的微動(dòng)開關(guān)的支腳會(huì)進(jìn)入導(dǎo)槽，而靠左的會(huì)因?yàn)閷?dǎo)軌的斜度從一側(cè)滑出軌道。最終只有支腳朝上且靠右的微動(dòng)開關(guān)可以順利通過分料導(dǎo)軌進(jìn)入后續(xù)的傳送裝置。

3 抓持機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與原理

此類帶有支腳的微動(dòng)開關(guān)在抓持與裝配的過程中不僅需要對(duì)其穩(wěn)定的抓持，同樣需要對(duì)其支腳的角度進(jìn)行調(diào)整以便順利插入電路板的孔中。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(nèi)；兩個(gè)與基座以螺釘固連的下?lián)醢鍖?duì)夾持塊進(jìn)行限位。整個(gè)機(jī)械手與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過力學(xué)分析，只要選擇合適的材料與型號(hào)，夾持塊的應(yīng)力以及彈簧的回復(fù)力完全可以滿足工程需要。

機(jī)械手對(duì)微動(dòng)開關(guān)的抓持是依靠可移動(dòng)的夾持塊實(shí)現(xiàn)的。具體抓持過程如下：機(jī)械手下降使微動(dòng)開關(guān)的兩側(cè)支腳進(jìn)入夾持塊的狹縫中，直至開關(guān)支腳頂端與下?lián)醢宓耐蛊鹣嘟佑|，避免開關(guān)兩支腳完全進(jìn)入狹縫，便于安裝。微動(dòng)開關(guān)支腳進(jìn)入夾持塊的狹縫即完成了對(duì)微動(dòng)開關(guān)的抓持同樣將其支腳角度束縛至九十度左右。夾起微動(dòng)開關(guān)后進(jìn)行安裝時(shí)，微動(dòng)開關(guān)的支腳露在外面的部分首先進(jìn)入電路板的孔中，機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)，下?lián)醢鍖⑽?dòng)開關(guān)下壓，使微動(dòng)開關(guān)的支腳完全進(jìn)入電路板的孔中，隨著微動(dòng)開關(guān)與夾持塊的分離，支腳又恢復(fù)其原有角度。最終微動(dòng)開關(guān)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(jī)械手的上升，微動(dòng)開關(guān)與機(jī)械手完全分離，夾持塊也在彈簧力作用下恢復(fù)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?cè)O(shè)計(jì)的微動(dòng)開關(guān)自動(dòng)裝配設(shè)備的原理機(jī)利用慧魚公司開發(fā)的控制電路，其采用COM端口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。該電路有2個(gè)模擬輸入接口，8個(gè)數(shù)字輸入接口，4個(gè)輸出接口。8個(gè)數(shù)字輸入接口可以連接行程開關(guān)等，檢測(cè)開關(guān)的開斷情況。4個(gè)輸出接口可連接4個(gè)電機(jī)?？刂齐娐放涮椎木幊誊浖荓Lwin 2.1，使用該軟件可以檢測(cè)和監(jiān)控原理機(jī)各開關(guān)和電機(jī)的運(yùn)行情況，并通過編程控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

微動(dòng)開關(guān)自動(dòng)裝配設(shè)備的控制系統(tǒng)主要是控制振動(dòng)分料機(jī)以及抓持機(jī)械手上的電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)分料機(jī)的振動(dòng)以及機(jī)械手的升降、旋轉(zhuǎn)、前進(jìn)后退等運(yùn)動(dòng)。抓持機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)主要包括微動(dòng)開關(guān)定位，微動(dòng)開關(guān)抓取，電路板定位，安裝微動(dòng)開關(guān)等運(yùn)動(dòng)，其一個(gè)控制周期運(yùn)動(dòng)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(shí)控制多個(gè)電機(jī)以提高工作效率。每個(gè)主程序可以實(shí)現(xiàn)子程序的調(diào)用控制具體電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。圖7為并行主程序與調(diào)用的一個(gè)子程序的示例。

5結(jié)論

本文介紹了一種實(shí)用的微動(dòng)開關(guān)自動(dòng)化裝配設(shè)備的設(shè)計(jì)，解決了目前微動(dòng)開關(guān)手工安裝的問題。該裝配設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抓持精度高、運(yùn)動(dòng)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)抓持機(jī)械手局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整就可以完成不同結(jié)構(gòu)的微動(dòng)開關(guān)的裝配。目前，微動(dòng)開關(guān)自動(dòng)裝配設(shè)備的原理機(jī)已經(jīng)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，具備了應(yīng)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(hào)：F407.472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

一.引言

焊接是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中一種必要的工藝方法應(yīng)用，焊接技術(shù)的先進(jìn)水平做為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)達(dá)程度的重要指標(biāo)已逐漸為大眾公認(rèn)，同樣焊接技術(shù)的發(fā)達(dá)程度也是衡量工業(yè)企業(yè)技術(shù)水平高低的重要標(biāo)志。由于受我國(guó)相關(guān)工業(yè)的制約， 在使用焊接機(jī)械手的過程中，必須采用與西方發(fā)達(dá)國(guó)家不同的、適合我國(guó)國(guó)情的靈活的使用方式，才能保證焊接機(jī)械手在我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)不配套的情況下正常使用。

二. 機(jī)車車輛工業(yè)焊接的主要用料。

目前， 在機(jī)車車輛上所采用的主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)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(zhì)本身有較好的焊接性能，但因構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 在焊接過程中有些需要采用適當(dāng)?shù)妮o助工藝手段。鋁合金型材由于其質(zhì)量輕， 能減輕運(yùn)輸設(shè)備的自重，在客車及一些特種車輛的制造中應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。鋁合金、不銹鋼及各種復(fù)合材料隨著先進(jìn)焊接技術(shù)的運(yùn)用，將在機(jī)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(yīng)用于機(jī)車車輛工廠的制造與修理部門。隨著二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、混合氣體保護(hù)焊、埋弧焊、焊接機(jī)械手等新技術(shù)、新工藝的推廣， 焊條電弧焊在鐵路機(jī)車車輛工廠的使用逐年下降， 其焊縫長(zhǎng)度比例在機(jī)車車輛制造業(yè)目前大約僅占5%左右。在機(jī)車車輛修理業(yè)用得還比較多，其焊縫總長(zhǎng)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?xì)怏w保護(hù)焊與埋弧焊等焊接方法。如對(duì)鐵路貨車上、下心盤檢修，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊技術(shù)進(jìn)行堆焊、車鉤鉤舌的檢修采用埋弧焊技術(shù)堆焊。各工廠對(duì)檢修機(jī)車車輛中的新制配件，已普遍采用了二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊技術(shù)。

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接技術(shù)的應(yīng)用。

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊與富氬混合氣體保護(hù)焊焊接電流大，相應(yīng)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(shí)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?jī)H是交流焊條電弧焊的1/2左右；工作輔助時(shí)間少，特別是在富氬混合氣體保護(hù)焊中幾乎不必清渣， 節(jié)省了時(shí)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?xì)怏w保護(hù)焊技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)車車輛各種大型構(gòu)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?xì)怏w保護(hù)焊技術(shù)已在機(jī)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(jī)車車輛二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊技術(shù)條件》， 使我國(guó)鐵路二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)與國(guó)際接軌?，F(xiàn)在，在機(jī)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?xì)怏w保護(hù)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?xì)怏w保護(hù)焊焊接枕、橫梁及車體底架各連接焊縫， 焊接質(zhì)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?xì)怏w保護(hù)焊，焊縫長(zhǎng)度達(dá)98%以上，北京二七車輛廠在NX等型平車上使用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊縫長(zhǎng)度達(dá)90%以上。

埋弧焊技術(shù)的應(yīng)用。

由于埋弧焊焊接電流大， 相應(yīng)電流密度大（是同直徑焊條電弧焊的3-5倍)倍），同時(shí)有焊劑和熔渣的隔熱作用， 電弧熱量利用率較高， 焊接時(shí)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(shí)焊接參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)保持穩(wěn)定，又有焊劑的保護(hù)，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，無弧光照射、勞動(dòng)條件較好。在機(jī)車車輛的制造與修理工作中， 埋弧焊技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種大型構(gòu)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(yīng)用埋弧焊技術(shù)， 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(shù)的應(yīng)用。

電阻焊技術(shù)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(yīng)用。長(zhǎng)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(guó)引進(jìn)的350KV，10萬(wàn)A的電阻焊設(shè)備，進(jìn)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(guó)、韓國(guó)引進(jìn)的側(cè)架、底架、車頂?shù)?2套專用大型龍門點(diǎn)焊機(jī)械手,進(jìn)行不銹鋼車體各部件的焊接。

焊接機(jī)械手、焊接工作站的應(yīng)用。

鐵路實(shí)施“客運(yùn)提速，貨運(yùn)重載”，要求鐵路機(jī)、客、貨車具有更好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度， 有更輕的質(zhì)量， 毫無疑問地給鐵路機(jī)車車輛焊接技術(shù)的新發(fā)展帶來了機(jī)遇。從1992年株洲電力機(jī)車廠引進(jìn)焊接機(jī)器人工作站后， 長(zhǎng)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(guó)、奧地利、日本、法國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)了焊接機(jī)器人工作站、焊接機(jī)械手等先進(jìn)設(shè)備， 并在引進(jìn)消化吸收的基礎(chǔ)上，與國(guó)內(nèi)有關(guān)部門合作， 自行開發(fā)了機(jī)器人焊接程序及適應(yīng)我國(guó)鐵路機(jī)車車輛焊接技術(shù)需要的機(jī)械手、工作站等設(shè)備， 逐步縮小了與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。

6. 新型結(jié)構(gòu)材料在鐵路機(jī)車車輛上應(yīng)用。

隨著鐵路“ 提速重載” 與跨越式發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施， 原有的碳素結(jié)構(gòu)鋼已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足鐵路機(jī)車車輛工業(yè)的使用要求。目前國(guó)內(nèi)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(xì)晶粒鋼， 其強(qiáng)度和使用壽命將比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)鋼提高一倍， 其鋼種特點(diǎn)是超細(xì)晶粒、超潔凈度、高均勻性， 性價(jià)比更加合理。同時(shí)， 各種不銹鋼、鋁合金、中低合金鋼等耐蝕材料的應(yīng)用也將成為主流。這些高性能鋼種的應(yīng)用， 必將進(jìn)一步推動(dòng)鐵路機(jī)車車輛焊接技術(shù)的發(fā)展。

四.鐵路機(jī)車車輛工業(yè)焊接技術(shù)發(fā)展前景。

鐵路機(jī)車車輛工業(yè)焊接技術(shù)發(fā)展前景焊接生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動(dòng)化是工業(yè)現(xiàn)代化的必由之路。世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家焊接機(jī)械化和自動(dòng)化的程度都已達(dá)到60%以上，西歐和美國(guó)已達(dá)到70%以上，而日本已經(jīng)達(dá)到80%以上。我國(guó)各工業(yè)部門焊接生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化程度還相對(duì)較低，平均30%左右，而且大部分僅是自動(dòng)化程度較低的機(jī)械焊機(jī)。我國(guó)大型骨干企業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化程度已達(dá)到60%-65%。如汽車制造業(yè)，已經(jīng)普遍采用了弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和機(jī)器人自動(dòng)焊接生產(chǎn)線； 我國(guó)船舶制造企業(yè)焊接機(jī)械化和自動(dòng)化程度已達(dá)61%左右。伴隨鐵路“客運(yùn)提速， 貨運(yùn)重載”， “九五”以來，鐵路部門焊接技術(shù)的機(jī)械化和自動(dòng)化程度雖然有了較大的提高， 但與我國(guó)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(jié)束語(yǔ)

隨著提高質(zhì)量和效率的焊接機(jī)械化和自動(dòng)化水平的不斷提高，焊接機(jī)械手、機(jī)器人工作站等的推廣應(yīng)用， 焊接工藝及焊接裝備的現(xiàn)代化， 必將推進(jìn)我國(guó)鐵路機(jī)車車輛制造業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程，也必將提升我國(guó)鐵路機(jī)車車輛工廠與國(guó)際鐵路供應(yīng)商競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力。對(duì)于新的應(yīng)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(shì)看， 藥芯焊絲、燒結(jié)焊劑、低飛濺氣體保護(hù)焊實(shí)芯焊絲、高強(qiáng)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(shù)含量產(chǎn)品是鐵路機(jī)車車輛用焊接材料的主要方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王振民 換熱器管板的全位置自動(dòng)化焊接工藝 [期刊論文] 《華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)》2010年5期

篇9

1引言

近年來，各國(guó)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(duì)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)做了大量工作。當(dāng)臨時(shí)需要對(duì)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(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)加工單元，它由德國(guó)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(dòng)化設(shè)備更新的需要。本文所研究的內(nèi)容，國(guó)際上以德國(guó)、日本、韓國(guó)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(duì)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(guó)內(nèi)已有幾家教學(xué)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)開始仿造國(guó)外的MPS部分產(chǎn)品，主要有上海英集斯自動(dòng)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(dòng)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(guó)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(cè)單元PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整解決方案。

2上料檢測(cè)單元的結(jié)構(gòu)、功能與氣動(dòng)控制回路

上料檢測(cè)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(cè)單元的結(jié)構(gòu)、功能

上料檢測(cè)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(cè)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(dòng)地取出，并檢測(cè)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(cè)單元的氣動(dòng)控制回路

上料檢測(cè)單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣動(dòng)控制系統(tǒng)，其方向控制閥的控制方式為手動(dòng)控制或電磁控制。在上料檢測(cè)單元的氣動(dòng)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(hào)；1B1和1B2為磁感應(yīng)式接近開關(guān)。氣動(dòng)控制回路如圖1所示。

圖1上料檢測(cè)單元?dú)鈩?dòng)控制回路

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

基于PLC的MPS上料檢測(cè)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(dòng)作，即提升氣缸驅(qū)動(dòng)的工件平臺(tái)下降到位。料盤旋轉(zhuǎn)輸出工件，當(dāng)料盤檢測(cè)到工件平臺(tái)中有工件后停止旋轉(zhuǎn)，提升氣缸動(dòng)作，將工件平臺(tái)提升至輸出工位，檢測(cè)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(tái)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(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

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

3.2編寫程序并調(diào)試

上料檢測(cè)單元的手動(dòng)控制程序框圖如圖2所示。

圖2上料檢測(cè)單元的手動(dòng)控制程序框圖

上料檢測(cè)單元的PLC梯形圖程序如圖3所示。

圖3上料檢測(cè)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(yǔ)

本文對(duì)上料檢測(cè)單元的結(jié)構(gòu)與功能、氣動(dòng)控制回路分別進(jìn)行了詳細(xì)分析，然后對(duì)上料檢測(cè)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(cè)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(huì)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(huì)大大縮短梯形圖程序設(shè)計(jì)時(shí)間，又會(huì)達(dá)到良好的控制效果。從而快速對(duì)上料檢測(cè)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?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1978:5-7.

2 宋旦鋒. 模塊化氣動(dòng)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(hào)：TQ172.681 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2013）05-0178-02

預(yù)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(guān)鍵環(huán)節(jié)目前全部依靠半自動(dòng)包裝方式，也成為制約其快速發(fā)展的一個(gè)瓶頸，自動(dòng)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(dòng)定量包裝系統(tǒng)主要以PLC或其他控制設(shè)備為整個(gè)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(luò)或總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)各單元之間的通信，完成對(duì)各單元設(shè)備的控制。

1 設(shè)計(jì)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(yù)燒料產(chǎn)品年生產(chǎn)量、客戶對(duì)包裝標(biāo)準(zhǔn)（25公斤/包）及精度的要求（±50克），綜合考慮設(shè)備有效作業(yè)率和日常檢修、年修等要素，對(duì)包裝能力及精度設(shè)計(jì)要求如表2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

2.1 設(shè)計(jì)概述

自動(dòng)包裝生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)功能基本一致，一般分為以下幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：自動(dòng)上袋—自動(dòng)稱重—自動(dòng)裝袋—自動(dòng)縫包—自動(dòng)輸送—自動(dòng)重量檢測(cè)—自動(dòng)噴碼—自動(dòng)剔除，其工藝流程為：物料從成品料倉(cāng)進(jìn)入包裝秤系統(tǒng)，下料與計(jì)量裝置通過粗細(xì)兩種不同加料方式互相配合實(shí)現(xiàn)精確定量下料控制，一旦物料重量增加到設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，稱重系統(tǒng)發(fā)出粗加料方式停止指令，等待細(xì)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(dòng)稱重環(huán)節(jié)完成以后，包裝秤系統(tǒng)并不是立即進(jìn)行物料下料機(jī)包裝，而是需要系統(tǒng)對(duì)其發(fā)出“投料”的指令才能進(jìn)行下料和包裝，而判定系統(tǒng)是否下達(dá)“投料”指令的條件之一就是自動(dòng)上袋動(dòng)作已經(jīng)完成，在完成此動(dòng)作基礎(chǔ)上系統(tǒng)才會(huì)發(fā)出相關(guān)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(nèi)，下料動(dòng)作完成后系統(tǒng)發(fā)出指令將下料閥門關(guān)閉，裝袋機(jī)底部設(shè)計(jì)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(guān)作業(yè)，此工序完成后，安裝在裝袋機(jī)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(shè)定速率緩緩進(jìn)入折邊裝置中。

當(dāng)折邊動(dòng)作完成后，裝有物料的包裝袋進(jìn)行自動(dòng)縫包裝置中，在自動(dòng)縫包裝置旁安裝有相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)施，一旦檢測(cè)裝置檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)，自動(dòng)縫紉裝置開始進(jìn)入縫制狀態(tài)，縫制結(jié)束后包裝袋離開縫紉設(shè)備進(jìn)入下一道工序：自動(dòng)倒袋整形工序，接著進(jìn)入復(fù)秤裝置中，如果檢測(cè)不合格，此包物料將在最后碼垛時(shí)由碼垛機(jī)械手自動(dòng)放置到剔除單元中完成剔除，對(duì)于復(fù)秤合格的物料則順利經(jīng)過復(fù)秤裝置繼續(xù)向前輸送，再經(jīng)噴墨打印設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)碼垛單元，噴墨打印設(shè)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(guān)的產(chǎn)品信息，如：生產(chǎn)日期、批號(hào)以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等，經(jīng)復(fù)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(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件配置包含三種類型：國(guó)外進(jìn)口設(shè)備以及國(guó)內(nèi)制造設(shè)備、還有部分為非標(biāo)設(shè)備為自行設(shè)計(jì)和委托加工，國(guó)外進(jìn)口設(shè)備主要包括上袋機(jī)、縫包機(jī)、噴碼機(jī)以及機(jī)械手等，在其中由于上袋機(jī)、機(jī)械手等設(shè)備動(dòng)作較多，相對(duì)而言較為復(fù)雜可以自成系統(tǒng)，為保證匹配性特地選用進(jìn)口方要求選用三菱公司FX2N系列PLC，對(duì)于其他設(shè)備（小袋輸送、倒包機(jī)、校驗(yàn)秤、指示燈、碼垛機(jī)等）在控制設(shè)備的選型上則采用目前行業(yè)內(nèi)比較認(rèn)可的西門子S7系列PLC。

2.2.1 硬件架構(gòu)及主控制器選型

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

2.2.2 電氣硬件接線及設(shè)計(jì)圖（圖1，圖2）

2.3 控制程序設(shè)計(jì)

2.3.1 系統(tǒng)程序主體設(shè)計(jì)架構(gòu)（圖3）

2.3.2 系統(tǒng)時(shí)序邏輯圖（圖4）

3 應(yīng)用及展望

自動(dòng)定量包裝生產(chǎn)線位于整個(gè)生產(chǎn)過程的尾端，也是預(yù)燒料生產(chǎn)自動(dòng)化程度最高的一部分，本文通過預(yù)燒料生產(chǎn)工藝的分析，闡述了自動(dòng)定量包裝控制技術(shù)和產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，討論了預(yù)燒料的物料特性、包裝能力、精度及碼垛設(shè)計(jì)要求，對(duì)自動(dòng)定量包裝系統(tǒng)做了研究、設(shè)計(jì)及開發(fā)，對(duì)系統(tǒng)在使用中暴露出來的問題通過理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究方法進(jìn)行了改進(jìn)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)