机械手设计论文范文

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第1篇

1手持式医疗器械的特点

1.1安全性

对于手持式医疗器械而言，日常应用广泛的原因在于，该项产品具有较高的安全性。医疗器械的应用领域非常广泛，对医护人员、对残障患者、对医疗领域的研究工作，都具有较大的积极意义，并且能够在客观上改变医疗工作的现状以及患者的生活方式，使其达到一个新的高度。手持式医疗器械作为医疗器械领域中的一个重点部分，其安全性是有严格规范的。第一，手持式医疗器械在出现故障时，必须能够保证使用人员的人身安全，而不是造成意外事故。第二，手持式医疗器械在日常使用过程中，出现损坏时，应以突出的部位显示，告知患者医疗器械出现问题，避免患者继续应用。第三，手持式医疗器械的日常接触部位是使用人员的手部，因此必须提高对手部的保障措施，避免磨损、划伤等情况的出现。

1.2复杂性

现代医疗器械融合了多学科的研究成果，功能复杂化、模块多样化。同时医疗器械的使用者也具有复杂性，手持式医疗器械的使用者并不全是专业的医护人员，围绕着手持式医疗器械产品的用户环境也并不仅仅只有医护人员。如家庭环境下，使用者多为非医护专业人员，甚至可能是病人本身。他们并不具备基本的医学背常识和医疗器械操作知识。从图1来看，手持式医疗器械所具有的复杂性，是手持式医疗器械的核心部分，其复杂特性不仅决定了其他特点的表现，同时对该类型医疗器械的实际应用也产生了较大的影响。本研究认为，手持式医疗器械的复杂性并不容易把握，在今后的工作中，一方面要降低复杂特点，提高其他的特性，帮助手持式医疗器械获得更多的功能；另一方面要把握好复杂性带来的影响，尽量不要影响到手持式医疗器械的设计和研发工作。

2手持式医疗器械的设计要点

2.1安全性

手持式医疗器械的市场非常广泛，为了能够进一步满足广大患者的需求，手持式医疗器械在设计过程中，必须满足固定的要求，也就是日常说的设计要点，同时还要在设计要点方面实现更大的突破，否则很难满足现实工作中的需求。经过长期的探究发现，手持式医疗器械的设计要点之一在于安全性。图2为脉搏血氧仪。该产品由深圳市杰纳瑞公司生产，该仪器在设计中充分考虑到了以下安全性：第一，使用可充电镍氢电池：可以避免在患者使用的过程中，人体接触到市电220V的可能，提高安全性能，另外镍氢电池非常稳定，存储时间也比较长，能够长期安全使用；第二，连接人体的血氧探头，均使用符合生物兼容性的材料，避免人体长时间接触可能产生的过敏反应；第三，考虑静电防护，通过国家检测要求，提高了产品的稳定性和安全性。由此可见，产品的安全性关系到具体使用和对患者的效果，必须加以重视起来。

2.2造型设计

手持式医疗器械区别于其他医疗器械的一个重点在于，该类型的医疗器械所占有的空间非常小，主要是通过手来进行操作，并且较小的医疗器械在操作过程中，细节操作往往决定了最终的结果。因此，手持式医疗器械的造型设计是非常重要的。第一，手持式医疗器械的造型必须小巧，能够让操作人员及时的分辨出该类型医疗器械的作用。在总体的造型方面，要有突出的表现，能够在众多的医疗器械当中及时找到。第二，手持式医疗器械的色彩要分明，不同的颜色代表的含义不同，并且要考虑到实际应用的情况。倘若灯光昏暗，手持式医疗器械的设计则要用鲜艳颜色来突出；倘若灯光明亮，则要应用柔和色彩。最终要的是，一旦遇到色盲的特殊人员，色彩所表达的意义则有很大区别，因此在色彩的把握上，必须考虑到多种情况。第三，手持式医疗器械的造型设计，还要便于实际操作。由于该类型医疗产品主要是用于精细手术、患者伤残应用等领域，操作性能必须达到一个较高的水准，同时还要具备抗污染、抗腐蚀等特点，保证不会对患者、医护人员造成伤害。

2.3触觉设计

除了上述的两项设计要点以外，手持式医疗器械的触觉设计，也是非常重要的一个方面。触觉设计主要是让操作人员能够明确的感受到自己在操作医疗器械，同时在感觉上比较明显，避免力度过大或者是力度过小而造成不必要的影响。触觉设计一直都是手持式医疗器械设计的重要方面，常常作为设计的瓶颈进行突破。例如，薄膜按键已经成为轻型触觉控制器的主要类型。脉搏血氧仪薄膜按键上的功能不仅有应用于动力供应中的开/关控制功能，还有用于其他开与关的转换功能：同时具有步进控制功能。以脉搏血氧仪plus为例，受脉搏血氧仪设备本身结构功能的影响，薄膜按键设计应满足单手持握的操作规程，控制键应可使用单个手指操作，应保证控制键排布不易造成误操作的发生。从以上的表述来看，触觉设计将会直接影响手持式医疗器械的日常使用、修理、优化等工作，并且会对使用者产生较大的影响。在今后的工作中，触觉设计必须更加人性化，一方面提升触觉的灵敏度，另一方面增加失误操作的禁止功能，即便是出现错误操作，依靠触觉设计，也能够在第一时间，对所有将要发生的问题予以制止。结语本研究对手持式医疗器械的设计要点进行分析，就现有的手持式医疗器械而言，在很大程度上已经满足了医护人员及患者的需求，但由于患者数量的增多，以及特殊案例的出现，部分手持式医疗器械在性能上显得有些不足，今后需要进一步设计。

第2篇

关键词：上肢康复训练机器人 青岛大学硕士开题报告范文 青岛论文 开题报告

一、 选题的目的和意义

据统计,我国60 岁以上的老年人已有1.12 亿。伴随老龄化过程中明显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而对日常的生活产生了种种不利的影响。此外，由于各种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人也在显著增加，与之相对的是通过人工或简单的医疗设备进行的康复理疗已经远不能满足患者的要求。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到更多人的关注，治疗康复和服务于他们的产品技术和质量也在相应地提高，因此服务于四肢的康复机器人的研究和应用有着广阔的发展前景。

目前世界上手功能康复机器人的研究出于刚起步状态，各种机器人产品更是少之又少，在国内该领域中尚处于空白状态，临床应用任重而道远，因此对手功能康复机器人的研究有广阔的应用前景和重要的科学意义。

目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题：康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。本课题针对以上问题，采用气动人工肌肉驱动的手指康复训练机器人实现手指康复训练的多自由度运动，不仅降低了设备成本，更重要的是提高了系统对人类自身的安全性和柔顺性，且具有体积小，运动的强度和速度易调整等特点。

课题的研究思想符合实际国情和康复机器人对系统柔顺性、安全性、轻巧性的高要求 。它将机器人技术应用于患者的手部运动功能康复，研究一种柔顺舒适、可穿戴的手功能康复机器人，辅助患者完成手部运动功能的重复训练，其轻便经济、穿卸方便，尤其适于家庭使用，既可为患者提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健。

综上所述，气动人工肌肉驱动手指康复训练机器人的设计是气压驱动与机器人技术相结合在康复医学领域内的新应用，具有重要的科学意义。

二、 国内外研究动态

2.1 国外研究动态

美国是研究气动肌肉机构最多的国家，主要集中在大学。

华盛顿大学的生物机器人实验室从生物学角度对气动肌肉的特性作了深入研究，从等效做功角度建模，并进行失效机理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射运动控制研究。

vanderbilt 大学认知机器人实验室(cognitive robotics lab, crl)研制了首个采用气动肌肉驱动的爬墙机器人，并应用于驱动智能机器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。

伊利诺伊大学香槟分校的贝克曼研究所对图像定位的5自由度soft arm 机械手采用神经网络进行高精度位置控制和轨迹规划。亚利桑那州立大学设计了并联弹簧的新结构气动肌肉驱动器，可以同时得到收缩力和推力，并与工业界合作开发了多种用于不同部位肌肉康复训练的小型医疗设备。

英国salford 大学高级机器人研究中心对气动肌肉的应用作了长期的系统研究，开发了用于核工业的操作手、灵巧手、仿人手臂以及便携式气源和集成化气动肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的远程控制。

法国国立应用科学学院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了气动肌肉的动静态性能和多种控制策略，目前正在研制新型驱动源的人工肌肉以及在远程医疗上的应用。

比利时布鲁塞尔自由大学制作了新型的折叠式气动肌肉用于驱动两足步行机器人，实现了运动控制。

日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又发明了多种不同结构的气动肌肉。德国festoon 公司发明了适合工业应用的气动肌腱fluidic muscle，寿命可达1000万次以上，同时还对气动肌肉的应用作了许多令人耳目一新的工作。英国shadow 公司研制了目前世界上最先进的仿人手。美国的kinetic muscles 公司与亚利桑那州立大学合作开发了多种用于肌肉康复训练的小型医疗设备。

lilly采用基于滑动模的参数自适应控制策略，实现了单气动肌肉驱动的关节位置控制。

2.2 国内研究动态

自20 世纪90 年代以来，我国陆续开始了气动肌肉的研究。

北京航空航天大学的宗光华较早开始气动肌肉的研究，分析了其非线性特性、橡胶管弹性及其自身摩擦对驱动模型的影响，并应用于五连杆并联机构，通过刚度调节实现柔顺控制。

上海交通大学的田社平等运用零极点配置自适应预测控制、非线性逆系统控制以及基于神经网络方法，实现单自由度关节的快速、高精度位置控制。

哈尔滨工业大学的王祖温等分析了气动肌肉结构参数对性能的影响、气动肌肉的静动态刚度特性以及与生物肌肉的比较，提出将气动肌肉等效为变刚度弹簧，设计了气动肌肉驱动的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反馈数据手套和6 足机器人，采用输入整形法解决关节阶跃响应残余震荡问题。

北京理工大学的彭光正等先后进行了单根人工肌肉、单个运动关节以及3 自由度球面并联机器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神经网络等多种智能控制算法，并设计了6 足爬行机器人和17 自由度仿人五指灵巧手。

哈尔滨工业大学气动中心的隋立明博士也通过实验得到了气动人工肌肉的一个更简洁的修正模型和经验公式并对两根气动人工肌肉组成的一个简单关节系统进行实验建模和采用位置闭环的控制方法进一步验证气动人工肌肉的模型。

上海交通大学的林良明也对气动人工肌肉的轨迹学习控制进行了仿真研究给出了学习的收敛性的初步结论为下一步的学习控制奠定了基础。其中田社平通过对气动人工肌肉收缩在频率域上的数学模型并对它的结构及其静动态特性进行了理论分析建立了相应的静态力学方程。

2003年付大鹏等，以机械手抓取物体为分析对象，采用矩阵法来描述机械手的运动学和动力学问题，以四阶方阵变换三维空间点的齐次坐标为基础，将运动、变换和映射与矩阵计算联系起来建立了机械手的运动数学模型，并提出了机械手运动系统优化设计的新方法，这种方法对机械手的精密设计和计算具有普遍适用意义。

2005年车仁炜，吕广明，陆念力对5自由度的康复机械手进行了动力学分析，将等效有限元的方法应用到开式的5自由度的康复机械手的动力分析中，这种方法比传统的分析方法建模效率高、简单快捷，极其适合现代计算机的发展，的除了机械臂的动力响应曲线，为机械手的优化设计及控制提供理论依据。

2008年北京联合大学张丽霞，杨成志根据拿取非规则物品的任务要求，采用转动机构和连杆机构相结合，设计了五指型机器手，手指弯曲电机与指间平衡电机耦合驱动，实现了机器手的多角度张开、抓握运动方式,对实用型仿人机器手的机构设计有参考意义。

2009年杨玉维等人对轮式悬架移动2连杆柔性机械手进行了动力学研究与仿真，。采用经典瑞利.里兹法和浮动坐标法描述机械手弹性变形与参考运动间的动力学耦合问题， 综合利用拉格朗日原理和牛顿.欧拉方程并在笛卡尔坐标系下，以矩阵、矢量简洁的形式构建了该移动柔性机械手系统的完整动力学模型并进行仿真。

2009年罗志增，顾培民研究设计了一种单电机驱动多指多关节机械手，能够很好的实现灵巧、稳妥的抓取物体，这个机械手共有4指12个关节。每个手指有3个指节，由两个平行四边形的指节结构确保手指末端做平移运动，这种设计方案很好的实现了控制简单、抓握可靠的目的。

从目前来看，国内对气动人工肌肉的研究仍处于刚起步的阶段。有关气动人工肌肉的研究与国外还有相当的差距对气动人工肌肉中的许多问题，还没有进行深入的研究。此外，采用气动人工肌肉作为机器人驱动器的研究还不成熟。

三、 主要研究内容和解决的主要问题

目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题:康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。为此，课题主要研究内容：设计一种结构简单，易于穿戴，并且安全、柔顺、低成本，使用方便的气动手功能康复设备。对气动手指康复系统进行机构运动学分析、用mat lab软件对康复训练机器人的康复治疗过程的力位信息进行仿真分析。

要实现上述的目标，系统中需要着重解决的关键技术有：

(1)基于已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分的设计，对手指康复训练方法分析和提炼。 主要包括：人手部的手指弯曲抓握动作分析，气压驱动关节机构自由度的优化配置。使机械手能够实现手指的弯曲、物体的抓握等手部瘫痪患者不能实现的动作。

(2)对机器人机械机构的运动学分析。主要包括：气压驱动的手指关节外骨骼机械机构的运动学分析。

(3)机器人机构的力位信息仿真。主要包括：用mat lab软件进行机器人气压驱动终端的力位信息 仿真。

根据总体方案设计以及工作量的要求，外附骨骼机械手系统是上肢康复训练机器人的一部分，本文主要是研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。

四、论文工作计划与方案

论文工作计划安排：

2010年9月——2011年6月准备课题阶段：

主要工作：学习当今最先进的机器人设计技术;学习用matlab软件进行计算仿真及优化，查阅国内外的资料，对康复机械手作初步了解。

2011年7月——2011年9月课题前期阶段

主要工作：课题方案设计，拟写开题报告，开题。

2011年10月——2012年7月课题中期阶段

主要工作：开始具体课题研究工作，根据已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分设计，对手指康复训练方法分析和提炼。研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。

2012年8月——2012年12月课题后期阶段

主要工作：对手指康复机器人进行模拟仿真，对设计进行优化，并在此基础上进一步完善课题。

2013年1月——2013年4月结束课题阶段

主要工作：整理相关资料，撰写论文，准备进行毕业论文答辩。

2013年5月——2013年6月论文答辩阶段

主要工作方案：

1. 完成学位课与非学位课学习的同时，进行市场调研，对手指康复机械手作初步了解。

2. 查阅资料，了解气动手指康复机器人的国内外发展现状。

3. 分析已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构的部分设计。

4. 对现有手指康复训练方法设计进行分析和提炼，分析其优缺点。

5. 开始具体设计工作。

第3篇

【关键词】可编程控制器（PLC） 机械手 梯形图

引言

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器的优点，尤其体现了人的智能和适应性，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手：它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定（有时可调）程序，使用大批量的自动生产。通用机械手：它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。本文介绍的机械手属于包装机取料垛料的专用机械手。

1 包装机的介绍

包装机主要用于将堆放杂乱的板材整齐装箱并包装。通过取料机械手将杂乱的料运到辊道上，辊道运行，经过上下清刷辊清洗上下表面，板材继续前行，行至出料区端部规定位置，接近开关发讯，辊道电机减速运转，停止开关探测到板材，则辊道停止转动，停止开关发讯给顶升装置，将板材顶起，防止对中过程中板材下表面划伤。对中装置带动对中挡板进行宽度定位（对中），长度挡板处的反推气缸将板材推至满行程（150mm），反推限位开关发讯给出料机械手，机械手把板材吊运到旁边平车上的包装箱内后并返回到原位。一个工艺流程结束。

2 机械手的结构

本文所针对的机械手属于直角坐标式，用于包装机上铝及铝合金板材的表面处理后的取料、垛料工序。该设备主要由钢结构框架、真空吸盘吊升降机构、横移传送小车、行程检测与控制装置、真空泵、吸盘、气动定位系统、电控及PLC控制系统等部分组成。

3 本系统的控制方案

整套包装机通过PLC系统控制，其中垛料机械手有35路输入信号，23路输出信号，根据设备维护的通用性及性价比原则，采用西门子S7-300 PLC即可满足要求，并通过profibus总线协议与现场机械设备组成控制回路，可以根据上游工位生产情况调整设备本身工作模式，并将设备情况反馈给上游工位，以确保生产安全。

（1）机械手的手动控制过程。按下“停止”按钮，将自动运行中的吸盘机停止，真空泵停止。再将“自动/手动”旋钮拨至手动位。“行车 前进/返回”旋钮，即行车前进至放料工位，返回到取板工位；当移动到工作位时行车自动停止。“机械手 上升/下降”旋钮，即机械手上升跟下降。当吸附板材后，绿灯闪烁才可以上升，搬运板材。“真空 吸/释放”旋钮，即机械手下降到位后，对板的吸附与卸板。卸板时，旋动旋钮，等待3秒，完成卸板。 “真空 吸/释放”旋钮，即机械手下降到位后，对板的吸附与卸板。卸板时，旋动旋钮，等待3秒，完成卸板。“真空泵”按钮，即启动真空泵，每次开机启动一次，按下“停止”按钮，真空泵停止工作。“停止”按钮，将自动运行中的机械手停止，真空泵停止。“紧急停止”按钮，当在自动运行中，发生误动作时，可迅速的按下此按钮，停止动作。再按下“停止”按钮，将自动运行中的机械手停止，通过手动控制旋钮，让机械手返回原始位。

（2）机械手的自动控制过程。将“手动/自动”旋钮拨至自动位，此时机械手应处于起始位置，真空泵处于释放状态，否则将无法工作；若未处于起始位置，必须手动控制旋钮，让机械手返回原始位。机列准备就绪后，启动真空泵，达到工作压力。接收到总控发出的“反推到位”与“小车到位信号”后，机械手下降吸料。机械手自动下降到板面后停止，开始吸附，当达到吸附压力后，输出压力达到信号。反推和对中挡板回位后，接受到“可以上升信号”，机械手上升。机械手上升到位后，定位气缸缩回，行车开始前进。行车行驶到放板工位停止，定位气缸顶出，机械手开始下降。机械手下降到位后，真空释放，并打开吹气阀，向吸盘吹气。延时1秒后机械手上升。机械手上升到位后，定位气缸缩回，行车返回，行车返回到原位，定位气缸顶出，一次循环完成，等待下接受下一次信号。以此循环工作，按下“停止”按钮，自动循环停止。

结语

在简单介绍工业机械手的基础上，对基于PLC的机械手控制系统的构成进行了详尽的论述。（1）本论文机械手采用气动和电动合理结合，具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单等特点；（2）用PLC作为控制器，优化了机械手的控制系统，机械手能够自动运行或手动运行。

参考文献

[1]西门子（中国）有限公司.http：//.cn.

[2]殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护.北京：机械工业出版社，2006：181-200.

第4篇

关键词：PLC 光机电一体化 物料输送结构

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0009-01

光机电一体化实训平台是根据自动化工业生产现场而设计的集存储、加工、装配与输送等结构为一体的实训教学模块，该实训平台模拟真实的工业现场，采用西门子PLC控制，通过设定变频器与伺服驱动器动作参数，进行自动化操作，最终实现了工业现场的仿真教学。学生通过实训，能够了解工业现场的自动化控制，同时，在无法到达工业现场或大大降低实训成本的情况下，锻炼学生的动手能力、编程思想以及控制理念。

1 物料输送结构的组成

物料抓取输送结构主要由抓取机械手装置、输送单元、机械手升降装置、PLC控制模块和接线端口以及按钮指示灯等部件组成。其中输送单元结构如图1所示、抓取机械手装置如图2所示。其功能为：驱动机械手装置准确定位到相关单元的物料台上，在其对应的物料台上抓取工件，最后把工件输送到指定地方后放下。

2 物料输送结构的PLC控制

2.1 物料输送结构控制要求

物料输送结构单站运行的目标是测试设备输送工件的功能。要求另外几个工作单元先正常工作。而且在物料推出装置的物料台上放好了工件。具体控制要求如下：

抓取机械手从物料推出装置物料台抓取工件。抓取动作完成后，步进电机驱动抓取机械手向物料加工单元移动，移动速度大于等于3m/s；机械手移动到物料加工站料台的正前方后，把工件放到加工站物料台上。动作完成1秒后，抓取机械手装置执行抓取工件的操作。抓取的顺序与物料推出站抓取工件的顺序相同。抓取动作完成后，步进电机驱动机械手装置移动到物料装配单元料台的正前方。然后把工件放到物料装配单元的物料台上。放下工件动作完成 1 秒后，抓取机械手装置执行抓取物料装配站工件的操作。执行完动作1秒之后，再把工件移动到物料分拣单元。

2.2 PLC的输入输出点分配及系统接线

物料输送单元所需的输入和输出点较多。其中，输入信号主要包含按钮与指示灯模块中的开关与按钮等主令信号，检测气缸和物料的传感器信号等：输出信号包含输出到机械手装置中各电磁阀的控制信号和输出到伺服电机驱动器的脉冲和方向信号。基于需要输出驱动伺服和步进电机的高速脉冲，实训平台上的PLC采用晶体管输出型。因此选用西门子S7-200CPU226型PLC，共24点输入，16点输出。

2.3 物料输送结构PLC控制流程图

物料输送控制是按照一定动作流程实现的，因此在程序编写中采用顺序控制法来完成，其步进控制流程图如图3所示：

3 结语

光机电一体化实训平台物料输送结构采用的是模块化设计，无论是机械结构还是控制系统都具有良好的扩展性、高度的柔性和灵活性。该实训装置已成功地使用于本课程的实训教学中，具有一定的推广应用价值。

参考文献

[1]何用辉.自动化生产线安装与调试[M].机械工业出版社，2015.

[2]徐沛.自动生产线应用技术[M].北京邮电大学出版社，2015.

第5篇

关键词：轮胎机械手 ADMAS 工作原理 动态仿真

随着矿山设备的发展，矿用车辆轮胎机械手也不断更新发展，逐渐向大型化，自动化方向发展，这给轮胎机械手的设计带来了诸多的挑战和难题。设计一种能够代替人力，操作简单，安全实用，适用于大型轮胎拆装、搬运需求的设备成为当务之急。这有利于提高生产效率，降低劳动强度，保证作用安全。研究表明85%的轮胎机械手的破坏发生在连杆机构，这种破坏主要是连杆机构在动态载荷下发生的疲劳失效或者应力屈服破坏。为了解决轮胎机械手连杆机构的破坏难题，本文将对该连杆机构进行动态应力仿真，考场连杆机构在动态载荷的作用下连杆所发生的变化，并提出连杆机构的优化设计方案。

1、轮胎机械手发展状况

国外的轮胎机械手的发展已经十分成熟。第一台轮胎机械手由美国佩蒂伯恩公司生产的Super 20型轮胎夹装机，该机械手具备更换运输卡车和重型设备轮胎的作用，还可以当做叉车使用；该设备显著的特点是高效，大量减少劳动量。改型轮胎机械手主要由以下几个部分组成：前伸式夹持装置，四轮驱动装置，四轮空气制动装置和一台GM型柴油机组成。该装置的最大夹持承载能力在伸出时为4309kg，缩回时为6804kg，夹持装置能够向两侧转动45°，叉架能够左右移动127mm，以准确完成轮胎的定位。此装置能够平稳的夹起轮胎，并将轮胎准确的定位在轮毂螺栓上。

同国外相比，国内轮胎机械手发展起步比较晚，还处于生产小型轮胎拆装机阶段，对于大型轮胎拆装设备的研发还很少。广西柳工集团生产的ZL40B型装载机，使用规格为20.5-25的轮胎，充气后质量为0.4t，最大直径为1.55m。该型装载机的工作机构可以完成动臂的提升和铲斗的旋转动作。拆下铲斗，在动臂斗销的位置上安装水平放置的两只夹持臂。两只夹持臂由液压缸提供动力，可以实现张开和闭合动作。这样，装载机自身动臂的提升、铲斗的旋转外加夹持臂的开合动作就可以满足轮胎拆装的需求，具有操作方便、结构简单、安全可靠等优点。

2、ADMAS软件的介绍

ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

3、轮胎机械手结构组成

轮胎机械手的主要功能是实现矿山大型车辆轮胎的拆装和搬运。动力源为液压缸，并要求液压动力在适当的荷载下运作，才能使液压工作件高效、平稳、准确的完成液压元件的各项操作动作；而且液压动力源的各项操作可以通过电液伺服控制技术使提高该系统的自动化控制水平。轮胎机械手可以安装在装载机或叉车上，利用装载机和叉车可以将物体举高的现有动作实现垂直地面方向的移动，轮胎机械手自身可以完成对轮胎的夹持、水平移动和两个方向的翻转动作以满足大型轮胎的拆装和搬运过程中所需的各种动作。轮胎机械手执行机构大致由手盘、手臂、转动架、平动架和固定板组成。

4、轮胎机械手工作原理

轮胎机械手的执行是通过手臂上的两支液压缸的伸缩，产生一定的夹紧力同时对两支手臂同步完成手臂的张开和闭合动作，其中最大的夹紧重量为5900kg，夹持距离为1092mm~4060mm；另外手臂上的手盘能够在360°的范围内带动负载以额定转速旋转，旋转力矩和要求转速由安装在手臂的液压马达经过减速器产生，要求旋转过程不能发生打滑现象；同样转动架以2r/min的转速旋转360°，且旋转所需的力矩是由安装在平动架上的液压马达提供；而平动架在水平左右移动所需的动力又安装在平动架和固定板之间的平动液压缸提供，并且可以在300mm的范围里移动；最后，整个装置由固定板安装在装载机或叉车上。

5、动态应力仿真

由研究表明，85%的轮胎机械手主要在连杆机构处发生破坏，而破坏的原因主要是因为动载荷受力不均匀，导致连杆机构疲劳失效和破坏。针对连杆机构的在动载荷下的破坏，探究杆件在受到动载荷时杆件的应力情况。动态应力仿真的步骤是：首先建立轮胎机械手的虚拟样机模型；然后导入到动态分析软件ADAMS中，对样机模型进行约束、驱动使模型模拟整个机械手的运动；最后在ADAMS中记录模型在受到动载荷下，模型的运动状况以及杆件所产生的动态应力。

通过动态软件ADAMS仿真可以直观的轮胎机械手的动作过程，通过修改参数可以看出该机械手的连杆机构在不同载荷下所受到的动应力，根据该动应力的情况设计合理的连杆机构，同时对改进轮胎机械手提供了依据。同时仿真模型和运动过程参数可以为整个机构的优化提供理论依据，继而为快速、准确方便的设计和制造物理样机奠定基础。

同国外相比，国内轮胎机械手发展起步比较晚，还处于生产小型轮胎拆装机阶段，对于大型轮胎机械手的研发还很少。主要原因是国内轮胎机械手的设计中，很少考虑连杆机构在动态载荷下的应力变化情况，在对轮胎机械手的改进和研究过程中我们要充分考虑动态载荷情况，根据动态载荷运用动态仿真软件来模拟其实际情况，这样能节约成本，缩短开发周期。

参考文献：

[1]冯亮,孔德文,孙建军.轮胎机械手动态应力仿真研究[J].煤矿机械, 2011 ,07 .

第6篇

论文关键词：PLC,三维机械手,步进控制

随着自动化控制领域的不断发展，智能机械手的不断推新，机器人手臂的智能化程度不断提升，连续多角度控制的机器人手臂的出现，给机械手的教学带来了新的挑战。原来的教学机械手均以两维空间模拟仿真教学为主。自2007年全国电工电子技能大赛以来，三维空间的机械手的教学需求尤为突出。

一、三维机械手的硬件结构

图1所示是该三维机械手的实物图。整个三维机械手能完成八个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪紧松。手爪提升气缸采用双向电控气阀控制，气缸伸出或缩回可任意定位。磁性传感器用来检测手爪提升气缸处于伸出或缩回位置。手爪抓取物料由单向电控气阀控制，当单向电控气阀得电，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，单向电控气阀断电，手爪松开。旋转气缸用来控制机械手臂的正反转，由双向电控气阀控制。接近传感器用来判断机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出。双杆气缸用来控制机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制。气缸上装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置。缓冲器对旋转气缸高速正转和反转到位时，起缓冲减速作用。

二、三维机械手的动作过程

图2所示是该三维机械手的动作示意图。当需将工件有右工作台搬至左工作台时，在按下启动的时候，右工作台传感器判断有无工作，若有机械手动作，若无，机械手停止。当机械手左旋并前伸到位准备下降时，为了确保安全，必须在左工作台上无工件时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到左工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降。

图1 三维机械手实物图 图2三维机械手动作示意图

三维机械手的工作过程为：（1）从原点开始前伸；（原点位置为机械手右旋到限位，手臂缩回，手爪上升到上限位，手爪放松）（2）到前限位后开始下降；（3）倒下限位后，机械手加紧工件，延时2s；（4）上升；（5）到上限位后，缩回；（6）到后限位后，左旋；（7）到左限位后，前伸；（8）到前限位后，下降；（9）到下限位后，机械手松开，延时2s；（10）上升；（11）到上限位后，缩回；（12）到后限位后，右旋，返回原点。

根据三维机械手的工作过程及要求，可以画出机械手的动作流程图，如图3所示。

图3 机械手动作流程图 图4机械手状态转移图

三、PLC硬件的选择和I/O点分配

PLC的种类非常多，根据三维机械手的控制要求，由于其输入、输出节点少，要求电气控制部分体积较小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，故选用日本三菱（MITSUBISHI）公司生产的多功能小型FX1N-40MR-001主机。该机型合计有输入输出点40个，其中24个输入点和16个输出点，采用继电器方式有触点输出，能交流、直流负载两用。内部主要有：辅助继电器1280个，其殊功能辅助继电器256个，断电保持辅助继电器1152个；状态继电器1000个；定时继电器256个；计数继电器256个；数据寄存器8256个。

根据图3所示的三维机械手动作流程图，确定电气控制系统的I/O点分配，如表1所示。

根据图3流程图和表1的I/O分配表，可以编制出机械手的状态转移图，如图4所示。

四、控制程序的设计方法及编程运行

常用的PLC程序设计方法有经验法和顺序功能法。根据图4状态转移图，编制的步进梯形图程序如图5所示。

表1 三维机械手控制I/O分配表

输入

输出

名称

输入点

名称

输出点

停止

SB1

X0

手爪紧/松气缸阀

YV1

Y1

启动

SB2

X1

手臂气缸伸出阀

YV2

Y2

物品检测传感器

SQ0

X2

手臂气缸缩回阀

YV3

Y3

气动手爪传感器

SQ1

X3

提升气缸下降阀

YV4

Y4

旋转左限位接近传感器

SQ2

X4

提升气缸上升阀

YV5

Y5

旋转右限位接近传感器

SQ3

X5

旋转气缸左移阀

YV6

Y6

伸出臂前点限位传感器

SQ4

X6

旋转气缸右移阀

YV7

Y7

缩回臂后点限位传感器

SQ5

X7

提升气缸上限位传感器

SQ6

X10

提升气缸下限位传感器

SQ7

X11

图5 步进控制梯形图

图5中，M8044是用作原点条件，判断机械手是否在原点开始工作。

如果要实现断电保护，在图5的步进控制梯形图中，将普通辅助/计时/状态继电器均换成断电保护型。

上电后，直接初始状态继电器S0，在满足原点条件继电器M8044下，按下启动按钮SB2，X1得电，进入等待状态继电器S20；此时物品检测传感器SQ0检测到上料端有料，X2得电，进入机械手臂伸出状态S21；机械手伸出Y2得电，机械手前伸到前限位时，进入机械手下降状态；机械手下降Y4得电，机械手下降到下限位时，进入机械手抓料延时状态；机械手抓紧并延时，延时时间到，进入机械手上升状态…………如此，每当该步动作到位，限位条件满足时，状态转移进入下一工作步，进行动作。

需要停止时，按下停止按钮SB1,X0得电，停止标志继电器M0得电并自锁，当机械手右旋到有限位时，如果停止标志有信号，则机械手回到初始状态，如果停止标志没有信号，则机械手进行下一周期的搬运工作。

五、结束语

本文以三维机械手为例介绍了日本三菱MITSUBISHI公司生产的FX1N系列微型可编程控制器在步进控制中的设计应用。阐述了三维机械手的动作原理，设计要求，程序设计方法等。本文介绍的程序在实际生产和各届各级电工电子技能大赛中获得成功的应用。

参考文献

[1] FX1N series Programmable Controllers Hardware Manual，Mitsubishi electric corporation，1999

[2] MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION 三菱微型可编程控制器MELSEC-F FX1N使用手册 2007.11.

[3] 亚龙YL-235A型光机电一体化实训考核装置实训指导书.亚龙科技集团.2008.

第7篇

关键词：微动开关 自动化 分料 抓持 安装

中图分类号：TN42 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）001-043-03

1引言

在集成电气元件的设计中，微动开关以其触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速的优点，被广泛的应用于家用电器、军用产品当中。但与此同时，由于微动开关体积小重量轻，结构多变而复杂，目前，在国内微动开关的安装主要是依靠手工安装，因而大批量安装效果并不理想，难以保证精度，工作效率低，劳动强度大，因此实现微动开关的自动化装配是一项十分重要的实用化工程，关系到电子电气产品的成本和质量。

微动开关自动化装配线是通过振动分料使微动开关姿态统一，并由后续传动装置将其送至安装平台，由机械手对其进行抓持并最终安装到电路板上。其为可循环使用的设备，完全取代了人力完成的所有工序。由此可见，此装配系统应有机械本体，驱动传动系统，信号采集传递和控制系统组成，其中振动分料的效率，抓持机械手的精度以及控制系统的稳定性是此装配线设计的核心部分。目前，国内对于微小元件安装的研究并不是很广泛，只有少数的论文提及，并没有完整的可行性方案。

值得说明的是，微动开关内部结构种类繁多，本文以依靠两侧支脚固定于电路板上的微动开关为研究对象。其结构特点是金属簧片触点在零件中间，两侧有带有倒钩的支脚，并向外形成一定的角度。安装时需将两个支脚插入电路板上相应的孔中，依靠支脚上的倒钩和其向外的角度固定在电路板上，结构视图如图1。

2振动分料机的结构与原理

因为微动开关体积小质量轻且多个微动开关常不规则的牵连在一起不易分离，所以微动开关振动分料机在提高装配效率方面的作用要大于用于微动开关抓持与安装的机械手。振动分料机主要由振动分料盘，分料导轨以及送回传送带组成，在分料盘，导轨以及基座上分别固定偏心电机产生振动。其主要功能是将姿态不符合要求的微动开关剔出分料轨道，重新送回分料盘进行振动分料。振动分料的结果是将所有符合要求的微动开关通过后续的传送装置间隔的传输到机械手抓持的工作台上。在整个分料过程中一定要尽量保证相对数量多的微动开关是符合姿态要求的从而不会影响到后续的工作。

微动开关的姿态可以分为三大类五小类。第一大类是几个开关牵连在一起或者单个微动开关发生变形出现不规则形状而产生的不规则姿态。第二大类与第三大类都是规则姿态，其中第二大类是微动开关支脚朝上，第三大类是微动开关支脚朝下，且规则姿态的两大类又分支脚靠左（相对分料导轨）与支脚靠右两小类。我们通过实验发现支脚朝上的微动开关因为重心较低，所以大多数从分料盘上振落下来的微动开关都是支脚朝上的。在支脚朝上的两小类姿态中我们选择支脚朝上且靠右的微动开关为我们预期的输出姿态，这样能够保证尽可能多的微动开关符合我们的姿态要求。

分料主要分为三个步骤，第一步是将成堆的微动开关放到带有孔的分料盘上，所有微动开关随着振动连续进行微小位移，当振动到孔中则掉落下来进入分料导轨。通过第一步骤成堆的微动开关将间隔掉落下来，而且部分牵连在一起的微动开关也会在从孔中掉落或落到分料导轨的过程中因为振动和撞击分离。微动开关在分料导轨中会因为振动与导轨的斜度继续向前运动而且会因为导轨变细侧向运动。分料的第二步是在导轨中设置一个封闭口，如图2。根据测量，支脚朝上的微动开关要比支脚朝下的微动开关在高度上少1mm左右，通过对封闭口高度的恰当设置，支脚朝下的微动开关将不能通过封闭口而是从一侧掉出分料轨道，形状不规则的微动开关同样无法通过封闭口。所有掉出分料轨道的微动开关将会由送回传送带重新送至分料盘。分料的第三步是在轨道上的右侧设置导槽且轨道本身有一个向左的倾角，如图3。剩下的两个姿态的微动开关中支脚靠右的微动开关的支脚会进入导槽，而靠左的会因为导轨的斜度从一侧滑出轨道。最终只有支脚朝上且靠右的微动开关可以顺利通过分料导轨进入后续的传送装置。

3 抓持机械手的结构与原理

此类带有支脚的微动开关在抓持与装配的过程中不仅需要对其稳定的抓持，同样需要对其支脚的角度进行调整以便顺利插入电路板的孔中。我们设计的机械手的结构简图如图4所示。其主要由基座1，夹持块2，弹簧3以及两块下挡板4和5组成。在基座的滑槽下表面及夹持块上加工出直圆孔，将弹簧嵌入。夹持块整体放置于基座1的滑槽内；两个与基座以螺钉固连的下挡板对夹持块进行限位。整个机械手与运动机构连接实现相关运动。经过力学分析，只要选择合适的材料与型号，夹持块的应力以及弹簧的回复力完全可以满足工程需要。

机械手对微动开关的抓持是依靠可移动的夹持块实现的。具体抓持过程如下：机械手下降使微动开关的两侧支脚进入夹持块的狭缝中，直至开关支脚顶端与下挡板的凸起相接触，避免开关两支脚完全进入狭缝，便于安装。微动开关支脚进入夹持块的狭缝即完成了对微动开关的抓持同样将其支脚角度束缚至九十度左右。夹起微动开关后进行安装时，微动开关的支脚露在外面的部分首先进入电路板的孔中，机械手继续下降接触电路板，由于受到外力作用，位于圆孔中的弹簧发生压缩，夹持块与下挡板发生相对运动，下挡板将微动开关下压，使微动开关的支脚完全进入电路板的孔中，随着微动开关与夹持块的分离，支脚又恢复其原有角度。最终微动开关依靠支脚的角度以及支脚上的倒钩固定在电路板中。随着机械手的上升，微动开关与机械手完全分离，夹持块也在弹簧力作用下恢复原始状态，完成一次安装。具体流程如图5所示。

4 控制系统

我们设计的微动开关自动装配设备的原理机利用慧鱼公司开发的控制电路，其采用COM端口与计算机进行通信。该电路有2个模拟输入接口，8个数字输入接口，4个输出接口。8个数字输入接口可以连接行程开关等，检测开关的开断情况。4个输出接口可连接4个电机。控制电路配套的编程软件是LLwin 2.1，使用该软件可以检测和监控原理机各开关和电机的运行情况，并通过编程控制电机运动。

微动开关自动装配设备的控制系统主要是控制振动分料机以及抓持机械手上的电机从而实现振动分料机的振动以及机械手的升降、旋转、前进后退等运动。抓持机械手的运动主要包括微动开关定位，微动开关抓取，电路板定位，安装微动开关等运动，其一个控制周期运动如图6所示。

LLwin 2.1软件是一种图形化的编程软件，比较类似流程图。我们利用并行程序同时控制多个电机以提高工作效率。每个主程序可以实现子程序的调用控制具体电机的运动。图7为并行主程序与调用的一个子程序的示例。

5结论

本文介绍了一种实用的微动开关自动化装配设备的设计，解决了目前微动开关手工安装的问题。该装配设备具有结构简单、抓持精度高、运动灵活、适应性强等特点，对抓持机械手局部结构进行调整就可以完成不同结构的微动开关的装配。目前，微动开关自动装配设备的原理机已经验证了设计方案的可行性，具备了应用于工业生产线的前提条件。

参考文献：

[1] 吕仲文.机械创新设计[M].北京：机械工业出版社，2004：74-165.

[2] 郭卫东.机械原理[M].北京：科学出版社，2010.

[3] 丁学恭.机器人控制研究[M].杭州：浙江大学出版社，2006：16-63.

[4] 张立勋，张今瑜，杨勇.机电一体化系统设计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2004.

[5] 万百五.自动化（专业）概论[M].武汉：武汉理工大学出版社，2010：50-94.

[6] 余德忠，唐建祥，徐向纮.混合机构空间机器人运动性能分析及仿真研究[J].机械科学与技术，2012（5）：847-850.

第8篇

关键词：三菱M60S；加工中心；盘式刀库；机械手；大直径刀；换刀

1 圆盘式刀库大端面刀换刀问题分析和设计

首先，圆盘式刀库换刀只需要将目标刀与主轴到交换，它不同与斗笠式刀库必须处理还刀，所以为缩短换刀找刀时间可用T码命令先让刀库备好刀，程序执行到换刀名令时直接就可以进行换刀动作。程序T码控制刀盘将目标刀找到并将到套倒下来。当程序遇到M06命令时，Z轴回到第二参考点主轴准停定位->机械手刀臂旋转抓刀->气缸松刀->刀臂旋转换刀->汽缸紧刀->刀臂回原点->换刀完成。

其次，随机找刀、机械手换刀控制基本原理：Txx代码激活刀库控制。PLC根据编程刀具号计算出该刀具所在的刀套位置，以及就近找刀的方向。位置通过PLC指令[S.ATC K1]方向寻找，通过指令[S.ROT K1]寻找。由PLC程序控制刀库按就近方向转动到编程刀具所在的位置，等待换刀。最后，M06启动PLC换刀，换刀过程说明：步骤一：刀套倒刀；步骤二：机械手扣刀；步骤三：主轴松刀；步骤四：机械手交换刀具；步骤五：主轴紧刀；步骤六：机械手回原点；步骤七：刀套回刀，换刀步骤通过PLC程序控制，刀具交换通过[S.ATC K4]指令。

2 大小刀的换刀控制的分析研究

由于用户在使用机床时常会用到端面飞刀等大直径的刀具（简称大刀），这些刀具装入刀库后左右相临的刀套内就无法放入刀具。圆盘式（机械手）刀库采用的是随机换刀，刀具所在的刀套并不固定，如果换大直径的刀就有可能和相临的刀具发生碰撞，所以PLC需要对此种情况进行处理。PLC程序设计思路和解决方法：要解决此问题最关键的就是要让大刀两侧的刀位空出来，当换刀时首先把大刀放入两侧是空刀的刀套里。本次设计的刀库为24把刀的圆盘式刀库，由于大刀要占用左右的刀套位，极限情况下24位可以装下11把刀，但由于实际使用中几乎不会要使用到如此多的大刀，故本次设计最大大刀容量为9九把（可修改成11把）刀库容量也可以增加。PLC定义T0～T24为小刀刀号，T51～T59为大刀刀号，刀套空位为99。刀号的设定须在刀库登录表里，刀库登录表根据实际使用情况设置。特别注意：允许的大刀最大直径必须小于刀库允许普通刀具直径的的两倍（目前使用的刀具都小于允许直径的两倍），否则大刀与大刀之间交换会发生碰撞，刀具重量不能超过刀库允许重量。大刀交换规则：小刀可放进大刀的刀套内，大刀不可放进小刀刀套内。换刀情况分析有以下四种：主轴小刀和刀库小刀交换，一次性换刀；主轴小刀和刀库大刀交换，一次性换刀，主轴小刀放进大刀刀套中；主轴大刀和刀库小刀交换，先将原大刀刀套中的小刀换到主轴上，在将小刀与小刀交换；主轴大刀和刀库大刀交换，一次性换刀。换刀相关保护和报警①换刀前判断刀臂是否在原点，否则报警不执行换刀。②刀套和打刀缸的动作受到PLC监控，超出时间会发出报警，终止换刀。③检查刀库表中刀号与主轴刀号是否重复，发出报警信号。④大刀换刀时检查大刀刀套两侧是否为空刀位，如果不是则发出报警，终止换刀。⑤检查当前刀套内的刀号是否是空刀位，是则不进行换刀，发出报警。换刀刀号判断PLC说明。通过D60中的T码与K实数进行比较，把比较的结果送入M1000～M1008。利用比较的结果M1000～M1008判断目前换刀的状态，将结果送入M600～M603。M600：T码小刀与主轴小刀交换；M601：T码小刀与主轴大刀交换；M602：T码大刀与主轴小刀交换；M604：T码大刀与主轴大刀交换；通过判断的换刀状态按照PLC程序框图的方式执行。

3 结语

用户在使用机床时常会用到端面飞刀等大直径的刀具，这些刀具装入刀库后左右相临的刀套内就无法放入刀具。根据公司项目要求并兼顾成本和机床功能，通过系统控制解决了大端面刀等大直径刀具的换刀问题，为客户提高生产效率，从而提高其经济效益做出了一定的贡献。圆盘式（机械手）刀库采用的是随机换刀，刀具所在的刀套并不固定，如果换大直径的刀就有可能和相临的刀具发生碰撞，所以PLC需要对此种情况进行处理。要解决此问题最关键的就是要让大刀两侧的刀位空出来，当换刀时首先把大刀放入两侧是空刀的刀套里，然后再进行换刀。在此设计中还为客户完善了使用过程中的一些辅助功能，使客户使用更方便、更安全，得到了客户的认可。通过三菱圆盘式（机械手）刀库加工中心开发过程，使我收获颇多，为了让更多人分享享我的经验所得，特写这篇论文，供大家参考学习。

[参考文献]

[1]张俊勇，赵小刚.刀库合理布置在加工中心的应用[J].装备制造技术. 2009（06）.

第9篇

【关键词】磁性材料；PLC；取出机械手

引言

在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流。国外的汽车、电子电器、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品的质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。机械手是最普遍的一种机器人，是机械技术、电子技术、自动控制技术结合的产物。自1959年美国人英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人起，在过去的半个世纪里，机器人技术取得了长足的发展。美国、日本、德国等国较早对机器人开展研究并加以应用[1-3]，近年来中国也步入了机器人发展的快车道[4-7]。

我公司主营业务为磁性材料、磁器件、磁分离及相关配套设备研发、生产与销售。在以往的生产模式中，经锻压后的磁器件主要由人工操作取出，这种模式效率低下且存在安全隐患。特别是伴随着人力资源的短缺、劳务支出成本的增加、机器人技术的不断提升以及价格不断下降，采用一款合适的取出机械手来替代人工操作变得日趋重要。在此背景下，经过公司的多次调研论证，选用了杭州史宾纳机械设备有限公司的磁性材料湿压液压机取出机械手，生产实践表明，机械手的引用有效的提高了公司的生产效率、改善了产品质量、节约了生产成本。

1 机械结构组成

取出机械手系统机械部分主要由主机和收放纸系统构成（如图1所示）。主机包括框架，吸取部，检测部和传送带部等。收放纸系统由放纸部和收纸部两部份组成。

框架结构采用型材焊接，与液压机相连接。吸取部进出机构采用导轨、齿轮、齿条进行传动，伺服电机控制其进出速度和位置。检测部分利用传感器检测模具上有无剩余磁性材料（以下简称材料）。为了生产的方便和减小机器的占地空间，把收放纸系统安装在液压机前后两侧，随着液压机模具一起上升或下降，用电机驱动。

图1 系统结构总图

1.液压机 2.收纸部 3.放纸部 4.吸取部 5.传送带部 6.框架

2 工作原理

当液压机部分完成工作以后，向上移动产生一个开模高度，开模高度必须满足机械手的工作要求，本产品的最小开模高度150mm。通过伺服电机驱动取出部移动至产品上方，真空泵产生真空，利用吸盘的内外产生压力差抓取材料。对于抓取物体的真空吸盘部分，需要配备真空发生器，由于真空吸盘是抓取物体的关键部分，为了防止物体脱落，真空发生器所产生的吸力必须大于或者等于物体的重力。

真空发生器的吸引公式为：

其中：F为真空发生器所产生的吸力； 为真空度； 为吸盘的有效面积； 为吸头个数； 为安全系数，一般来说采用标准吸盘时 。

假设吸盘所抓取的物体最大质量为1kg，吸头的个数 为6个，有效面积 。通过上述公式计算出 。

检测部对液压机模具进行检测是否有剩余材料，如果有剩余重复上述运动过程。当模具上所有材料均被抓取时，取出部向外移动到目标位置，然后下降，将材料放置在传送带上，最后上升到初始高度。上升、下降的两个过程由四个气缸进行驱动，通过电磁阀对气缸进行控制。

当材料取出并放置到传送带上后，传送带下降到一定目标位置，为下一模产品叠放做准备。当叠放数量到达后，传送带向外移出一定距离，然后再上升到上限传感器的位置后停止，开始重新叠层。传送带采用螺旋升降机及四导柱方式完成传送带的上下移动。取出部的整个取出、放置和传送带的下降的工作周期为8秒，材料叠放层数设计为三层。压力模具每次工作后由喷雾部分进行清洗，脱模剂桶内的压力一般设为0.4MPa。

图2 运动过程简图

1.齿轮 2.排气阀 3.吸头 4.真空泵 5.传送带磁环检测传感器

6.传送带上下传动装置 7.带轮 8.传送带 9.剩余磁环检查传感器

10.清扫部 11.气缸

3 控制系统

控制系统一般由计算机和伺服驱动器组成，前者发出指令协调各运动驱动器之间的运动。同时完成编程和其他环境状况（传感器信息）、工艺要求、外部相关设备（吸头装置等）之间的信息传递和协调工作，后者控制各个运动的控制器，使各部分按照一定的速度、加速度和位置要求进行运动。

3.1 整体方案

本系统选用三菱公司生产的可编程控制器（PLC）FXIN-485-BD进行控制，其中取出机械手横向的输入输出部分采用电机控制，为了使取出机械手的精确定位，采用伺服电机进行控制，电机通过联轴器带动齿轮，从而带动机械手沿直线导轨横入横出，而取出机械手的上下行，抓取部分则采用气动控制，PLC通过继电器对电磁阀加以控制，而电磁阀通过控制气缸从而控制取出机械手的上下行动作。关于传送带的上下运动部分采用电机进行控制，电机通过减速器和联轴器与丝杠连接，从而带动传送的上下运动。传送带的输出部分采用电机驱动，电机于带轮通过键连，驱动带轮转动。收放纸系统部分同样采用电机用驱动，电机通过联轴器和纸筒转轴以键连接进行驱动。此外，同时采用触摸屏进行人机对话，直观且便于操作。

图3 结构图

3.2 电机系统

考虑机械手的横向运动有着负重大，移动速度快等特点，如果采用气缸驱动很容易产生气缸密封圈泄露等现象，所以采用伺服电机驱动。

PLC通过所发脉冲的频率和数量控制机械手部伺服电机和传送带的电机以控制其速度和位置，脉冲信号通过信号分配在经过功率放大驱动电机带动负载工作。

3.3 气动系统

气动控制系统的I/O接线图如图4所示，由PLC控制电磁阀的通断从而实现吸取部分的上下行动作。根据实际的工作需要吸取部分的上行动作负重较大采用动力较好的气缸并且减小其行程。下行部分负重较小，可采用普通气缸。

图4 PLC的I/O接线图

4 软件设计

4.1 PLC程序设计

PLC的整体结构包括手动、自动程序，原点复位程序，公用程序四个部分。其中自动程序包括系统在全自动模式下的程序和系统在单循环模式下的程序。PLC的程序流程图如图5。

图5 PLC程序流程图

4.2 触摸屏设计

触摸屏的软件设计包括创建换面和变量的设计，并将之与PLC连接。画面的创建包括输入/输出区域组态，指示灯组态，功能键组态和文本显示等格式，根据机械手的要求设计出所需要的画面。所设定的变量就是把触摸屏的组态功能与PLC相应的I/O接点及存储单元之间建立联系，实现触摸屏敏感元件对PLC参数的输入，PLC当前值及报警系统向触摸屏的输出。

5 结论

本文所介绍的取出机械手可以广泛的应用于磁性材料生产。实践表明，该产品可以快速、准确的对控制要求作出反应。并且具有工作效率高，性能稳定且噪音小等一系列优点。

参考文献：

[1]ThangN Nguyen，Harry E Stephanou.Intelligent Robot Prehension [M]， USA： Kluwer Academic Publishers，1993.

[2]Roman H T，Pellegrino B A，Sigrist W R.Pipe craw ling inspection robots：an overview[J].IEEE Transaction on Energy Conversion，1993（08）.

[3]DuskoKatic， Miomir Vukobratovic.Survey of Intelligent Control Techniques for Humanoid Robots[J].Journal of Intelligent and Robotic Systems，2003（06）.

[4]肖雄军，蔡自兴.服务机器人的发展[J].自动化博览，2004（06）.

[5]张家梁，吕恬生，宋立博，王钧功.电动连续式爬缆机器人设计理论分析与试验[J].上海交通大学学报，2003（01）.

第10篇

关键词：预烧料 定量 自动包装 PLC

中图分类号：TQ172.681 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）05-0178-02

预烧料生产作为钢铁行业延伸产业之一发展前景较好[1]，成品的包装作为后道环节也是关键环节目前全部依靠半自动包装方式，也成为制约其快速发展的一个瓶颈，自动定量包装系统目前主要用于食品、医药、粮食、化工等行业，自动定量包装系统主要以PLC或其他控制设备为整个系统控制核心，以外部操作按钮或触摸屏装置为系统的输入单元，通过通讯网络或总线技术实现各单元之间的通信，完成对各单元设备的控制。

1 设计要求及基本条件

1.1 物料基本特性（表1）

1.2 包装能力及精度要求

根据磁性材料厂预烧料产品年生产量、客户对包装标准（25公斤/包）及精度的要求（±50克），综合考虑设备有效作业率和日常检修、年修等要素，对包装能力及精度设计要求如表2所示。

2 系统设计过程

2.1 设计概述

自动包装生产线实现功能基本一致，一般分为以下几个关键环节：自动上袋—自动称重—自动装袋—自动缝包—自动输送—自动重量检测—自动喷码—自动剔除，其工艺流程为：物料从成品料仓进入包装秤系统，下料与计量装置通过粗细两种不同加料方式互相配合实现精确定量下料控制，一旦物料重量增加到设定值范围内时，称重系统发出粗加料方式停止指令，等待细加料方式下加料装置中物料落入到秤斗中之后表示此次称重过程完成[2][3]。

在自动称重环节完成以后，包装秤系统并不是立即进行物料下料机包装，而是需要系统对其发出“投料”的指令才能进行下料和包装，而判定系统是否下达“投料”指令的条件之一就是自动上袋动作已经完成，在完成此动作基础上系统才会发出相关控制指令要求称重下料单元阀门打开，阀门打开以后，物料由称重斗下放至包装袋内，下料动作完成后系统发出指令将下料阀门关闭，装袋机底部设计了拍打敲击装置，通过多次敲击和拍打使得物料包装过程更加紧凑，便于后道各工序更好地完成相关作业，此工序完成后，安装在装袋机上的夹袋装置被打开，装有成品物料的包装袋一路经过夹口整形装置、立袋输送装置，按次序以及设定速率缓缓进入折边装置中。

当折边动作完成后，装有物料的包装袋进行自动缝包装置中，在自动缝包装置旁安装有相应的检测设施，一旦检测装置检测到目标时，自动缝纫装置开始进入缝制状态，缝制结束后包装袋离开缝纫设备进入下一道工序：自动倒袋整形工序，接着进入复秤装置中，如果检测不合格，此包物料将在最后码垛时由码垛机械手自动放置到剔除单元中完成剔除，对于复秤合格的物料则顺利经过复秤装置继续向前输送，再经喷墨打印设备进入自动码垛单元，喷墨打印设备主要功能是按照各单位出厂要求及客户要求打印上相关的产品信息，如：生产日期、批号以及国家标准等，经复秤不合格的产品则省去此环节。

2.2 控制系统硬件设计

控制系统的硬件配置包含三种类型：国外进口设备以及国内制造设备、还有部分为非标设备为自行设计和委托加工，国外进口设备主要包括上袋机、缝包机、喷码机以及机械手等，在其中由于上袋机、机械手等设备动作较多，相对而言较为复杂可以自成系统，为保证匹配性特地选用进口方要求选用三菱公司FX2N系列PLC，对于其他设备（小袋输送、倒包机、校验秤、指示灯、码垛机等）在控制设备的选型上则采用目前行业内比较认可的西门子S7系列PLC。

2.2.1 硬件架构及主控制器选型

本系统采用西门子S7-200PLC，包括CPU、存储器、电源以及模拟量和数字量输入输出模块，整个硬件系统包括检测元件、控制单元、人机操作界面以及执行元件四大部分，检测元件主要包含接近开关、光电开关以及真空开关等，控制单元（PLC系统）主要采用数字量控制方式，包括CPU、存储器、电源模块以及输入输出模块，执行元件主要为电机及气缸等。

2.2.2 电气硬件接线及设计图（图1，图2）

2.3 控制程序设计

2.3.1 系统程序主体设计架构（图3）

2.3.2 系统时序逻辑图（图4）

3 应用及展望

自动定量包装生产线位于整个生产过程的尾端，也是预烧料生产自动化程度最高的一部分，本文通过预烧料生产工艺的分析，阐述了自动定量包装控制技术和产品的国内外研究现状，讨论了预烧料的物料特性、包装能力、精度及码垛设计要求，对自动定量包装系统做了研究、设计及开发，对系统在使用中暴露出来的问题通过理论分析结合实验研究方法进行了改进，达到了预期的效果。

参考文献

[1]陈建强.梅山氧化铁红生产线扩建工艺设计[J].梅山科技，2004，1.

第11篇

关键词：SMT；机械手；运动控制

中图分类号： F407 文献标识码： A

1 引言

随着微电子产业的发展，微电子集成芯片在尺寸、种类、形态结构以及制造周期方面有了很大变化。由于电子行业对电子产品小型化的要求，高集成度IC一般都采用表面贴装形式。SMT(表面贴装技术Surface Mount Technology)是目前电子贴装行业里面的主流技术，被誉为电子组装技术的一次革命。当前发达国家在计算机、通信、军事、工业自动化、消费类电子产品中，几乎都采用了SMT技术。因此自主开发 SMT生产设备不仅是发展我国半导体产业的需要，也是我国国民经济健康、持续发展的迫切需求。

SMT生产线中的主要设备由滴胶机、丝印机、贴片机、回流焊机、清洗机和检测机等组成，同时还配备了如上下料机、接驳台、涂敷设备、周转设备等辅助设备。贴片机、滴胶机、丝印机和检测机是关键设备，其中贴片机是SMT生产线设备当中最关键的设备，它的技术含量最高、价格最昂贵。图1是典型的SMT工艺流程图：

图1 smt工艺流程图

Fig. 1 Smt flow chart

2 贴片机的运动控制分析

由前面的贴片机关键技术分析可知，控制技术是核心问题，也是本文要研究的主要问题。贴片机的控制问题主要是对贴片机的运动控制研究。

贴片机的发展经历了手动、半自动、全自动贴片机三个时期，目前绝大多数正在使用的贴片机都属于全自动贴片机类型。全自动贴片机是机-电-光及自动控制、计算机技术的综合应用。它通过拾取、移动、定位、贴装等功能，将表面贴装器件(SMD)快速而准确地贴装到PCB板指定的焊盘位置上。贴片机对所有元件的贴装是按顺序进行的：拾取/贴装头先移动到指定的喂料器位置上拾取要贴装的元件，再通过视觉处理系统对贴装元件进行检测和对中，最后移动到PCB板上的指定焊盘位置上贴装元件；在这一过程结束后，拾取贴装头又移动到喂料器拾取下一批元件、再进行识别、贴装操作，如此周而复始，直到所有元件都贴装完。整个流程完全由计算机控制自动完成，无需人力介入。所以，对运动控制部分的速度、精度等都提出了很高的要求。

根据生产任务在计算机上进行编程，主要任务有三项[8] ：

(1) 对每个需要贴装的元器件，按照元器件轨道设置文件进行装料，并安放于分配到的元器件供料轨道上。

(2) 根据待加工PCB的宽度将贴片机传输轨道调整到相应的宽度。

(3) 依据贴片任务需要来设定吸嘴配置，进行相应的吸嘴更换。其次，等这些准备工作结束后，就进入PCB坐标识别步骤，对PCB定位处理。若该块PCB的基准点不能够被识别，就放弃贴片，并传送到输出端轨道处；若该块PCB通过视觉系统的判别，则它就被正确定位于贴片工作区。旋转头按照加工程序到相应的供料轨道上取料，然后到指定的贴片位置进行贴装。如果在贴片过程中发生故障，如元器件供料轨道、机器驱动及气路等控制有问题，机器会做出相应的报警提示。假如排故成功可继续贴片，直至完成所有的元器件的贴装，否则退出贴片作业，PCB传输到输出端轨道上。对一块PCB贴片作业完成后，自动进入下一个PCB作业循环。

3 贴片机的各轴组成和运动方式

图2 贴片机运动各轴组成

Fig. 2 Mounter movement various axes composition

表1 各轴功能表

Tablet 1 Various axes function table

各个轴需要实现的运动控制方式分为基本运动和组合运动，基本运动包括所有轴的原点复位、恒速运动、以给定的加速度，速度运动到目标位置；组合运动包括X、Y轴的直线插补运动、匀加速的之字形运动；Z、PU轴的匀加速上下运动；R、W轴的匀加速正反运动等。运动控制的种类如图3所示。

图3 各轴的运动控制种类

Fig. 3 Various axes movement control type

4 贴片头运动控制模型的建立

贴片头可以看成四个自由度的机械手，其动态特性具有高度的非线性。其驱动执行机构由伺服电动机来完成。本论文研究的贴片头驱动机构为直流伺服电机。

由于机械零部件比较复杂，例如机械部件可能因承受负载而弯曲，关节可能具有弹性及机械摩擦等等，所以在实际上不可能建立准确的模型。一般采用近似模型，在设计模型时，假设贴片头机械手各段是理想刚体，因此所有关节都是理想的，不存在摩擦和间隙。

4.1直流传动系统的建模

在建立贴片头机械手控制模型之前，我们有必要研究一下机械手运动的执行机构-直流伺服电动机的模型。

图4表示具有减速齿轮和旋转负载的直流电动机工作原理图。

图4 直流电动机工作原理图

Fig. 4 Direct current motor work schematic diagram

图中伺服电动机的参数规定如下：

―励磁回路电阻与电感；

―励磁回路电流与电压；

―电枢回路电阻与电感；

―电枢回路电流与电压；

―电枢（转子）角位移与转速；

―电动机转子转动惯量及粘滞摩擦系数；

―电动机转矩及转矩常数；

―电动机反电势常数；

―负载角位移与转速；

―减速比；

―负载转子转动惯量及粘滞摩擦系数；

首先求出电枢控制直流伺服电机传递函数。我们可以建立以下方程式子

(4-1)

(4-2)

(4-3)

式中 ，分别表示传动系统对转动轴的总转动惯量和总粘滞摩擦系数。对上述三式进行拉氏变换，则变为：

(4-4)

(4-5)

(4-6)

其等效方框图见图5。

图5 电枢控制直流电机传递函数框图

Fig. 5 Armature control direct current machine transfer function diagram

根据式(4-4)至(4-6)可以得到电动机的开环传递函数如下：

(4-7)

2.2贴片头位置控制的基本结构

贴片头的位置控制结构可以采用以下两种形式，即关节空间控制和直角坐标控制结构，分别如图6 (a)，(b)所示。

图6 贴片头的位置控制基本结构

Fig. 6 Mount-header the position control basic structure

在图(a)中，是期望的关节位置矢量，别是期望的关节速度矢量和加速度矢量，是实际关节位置矢量和速度矢量。是关节驱动力矩矢量，是相应的控制矢量。

在图(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态。，其中是期望的工具线速度，是期望的工具角速度，是期望的工具加速度，是实际的工具位置和工具速度。

本文采用第一种控制结构来研究和设计贴片头的控制系统。这种控制结构的期望轨迹是关节的位置、速度和加速度，因而比较容易实现关节的伺服控制。

参考文献

[1] 徐大林.表面贴装工艺(SMT),其趋势和未来[J].电子器件,1999,22(2):104-109.

[2] 罗磊,王石刚.表面贴装关键技术综述[J].组合机床与自动化加工技术,2003,2:70-72.

[3] 滕应杰.面向21世纪的表面安装技术[J].电子工艺技术,1999,20(6):253-255.

[4] 鲜飞.表面贴装技术的新发展[J].电子元件与材料,2002,21(5):31-34.

[5] 王晓黎,白波.表面贴装领域中的可制造性设计技术[J].电子工艺技术,2005,25(3):115-118.

[6] 彭占勇.影响表面贴装产品质量的因素及其控制方法[J].电子工艺技术,2000,21(1):27-29.

第12篇

Abstract： Through the statistical analysis on four aspects of papers' published year， involving fields， research agencies and the first author which is related to study virtual prototype technology application included in Chinese sci-tech periodical database of VIP， this paper summarized the research condition of application of virtual prototype technology in nearly 10 years， and found that the research institutions of application of virtual prototype technology focus on colleges and universities， and suggested enterprise should apply virtual prototype technology actively to improve their market competitiveness.

关键词： 虚拟样机技术；论文统计；计量分析

Key words： virtual prototyping technology；paper statistics；quantitative analysis

中图分类号：C53 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）09-0312-02

0 引言

虚拟样机技术是上世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。设计人员在计算机上建立能够反映产品特性的样机模型，用样机模型代替物理样机在各种工况下进行仿真试验和分析，测试和评估产品的整体性能，进而不断改进和优化样机模型的设计，直至获得最优设计方案后，再制造物理样机[1]。虚拟样机技术改变了传统的产品研发和设计思想，极大地降低了产品研发和设计的技术风险和开发成本，缩短了研发周期，提高了产品性能，加速了新技术向产品转化的开发、研制与使用过程。进入21世纪以来，虚拟样机技术及其应用在发达国家已经获得重大进展，被广泛地应用于各个不同领域。世界众多著名的制造公司在生产开发过程中都广泛采用虚拟样机技术，设计、装机、测试都在计算机中模拟完成，保证了产品一次试制成功[2]。虚拟样机技术的应用，使企业能够以最低的成本快速推出产品，迅速抢占国际市场，提高了企业的市场竞争力，为企业带来巨大的经济效益和社会效益。

本文依托“维普中文科技期刊数据库”这一平台，通过对2003～2012年10年期间与虚拟样机技术相关的期刊论文的检索，采用论文计量学方法，对虚拟样机技术的应用研究论文进行统计分析，概括和总结我国虚拟样机技术的应用研究状况，以期为虚拟样机技术今后在我国更广泛地推广应用提供参考。

1 数据来源及分析方法

本文以维普中文科技期刊数据库收录的期刊论文为统计分析源，以2003～2012年为时间条件，以“全部期刊”为期刊范围，以“虚拟样机”为题名或关键词进行全部专业论文的检索，经过整理汇总，删除重复论文后共计2508篇。通过EXCEL将整理后的论文数据套录成数据库，采用论文计量学方法对论文的发表年份、涉及领域、研究机构以及第一作者等四个方面进行统计分析，概括和总结近10年来我国虚拟样机技术的应用研究状况[3]。

2 统计分析结果

2.1 虚拟样机技术应用研究论文年份统计分析 从图1和表1可以看出我国虚拟样机技术应用研究论文数量的增长态势。2003年至2009年期间，论文数量逐年增加，2004年和2005年，论文数量增加的幅度最大，之后增加幅度在逐年减小，2009年论文数量达到顶峰。这表明，2003年至2009年，我国虚拟样机技术应用研究发展得比较快，并取得了大量的研究成果。但是，从2010年开始，论文数量较大幅度减少，特别是2012年，论文数量减少到152篇。产生这种现象的原因有可能是近三年对虚拟样机技术相关的应用研究力度减小，也有可能是相关研究论文的产出以及中国学术期刊库的收录有一定时滞性[4]。

2.2 虚拟样机技术应用研究涉及领域统计分析 笔者对研究主题涉及到我国航空航天、国防军工、汽车与发动机、工程机械、矿产机械、农业机械、机器人与机械手、教育等领域的论文数量进行统计，结果显示，我国虚拟样机技术应用研究涉及各个领域，部分论文同时涉及多个领域，论文涉及领域分布情况见图2。论文产出居前三位的领域是汽车、工程机械、机器人，这表明，随着汽车、工程机械、机器人领域近十年来的迅猛发展，虚拟样机技术应用研究在这些领域中也取得了不斐的成果。

2.3 虚拟样机技术应用研究机构统计分析 在2508篇论文中，没有署名作者单位的共有23篇。笔者将论文作者的工作单位分为本科院校、科研院所、企业和大专院校四类研究机构，统计结果见表2。发文数量最多的机构是本科院校，为2145篇，科研院所、企业和大专院校发文数量分别为419篇、368篇、117篇，其中科研院所、企业、大专院校与本科院校作者合著的论文数量分别为280篇、244篇、46篇，本科院校的发文数量远远高于其他机构。这充分显示，本科院校是虚拟样机技术应用研究的主要机构。

2.4 虚拟样机技术应用研究论文作者统计分析 根据论文第一作者发文数量的统计结果可知，无作者数据的论文10篇，大部分作者1至2篇，发文数量排列前10位的作者见表3，其中，七位是本科院校的教授或讲师，二位是博士研究生，只有一位是科研院所的高级工程师，由此可见，本科院校的教授和教师是虚拟样机技术应用研究的中坚力量。

3 结论与建议

从“中国学术期刊网络出版总库”检索及分析结果可以看出，2003～2012年10年期间，我国虚拟样机技术应用研究发展迅速，至2009年达到顶峰，近年又逐渐回落；应用研究涉及领域极为广泛，研究成果比较多的是汽车、工程机械、机器人领域；应用研究的主要机构是本科院校，应用研究的主要群体是本科院校的学者和教师。本文的检索分析结果不一定能够全面反映我国虚拟样机技术应用研究状况，但从一个侧面反映了我国虚拟样机技术的应用研究机构和群体比较单一。

虚拟样机技术问世之后，得到许多发达国家制造商的高度重视，立即将这一先进制造技术引入企业的产品开发中，取得了很好的经济效益。我国是一个制造大国，虚拟样机技术的应用研究，不应仅在本科院校，不应仅有本科院校的学者和教师，更应广泛推广到企业和科研院所，让广大企业和科研院所的技术人员参与研究和应用。

面对日益激烈的市场竞争，我国企业应积极主动充分利用虚拟样机技术，减小产品的技术风险，缩短产品的研发周期，降低产品研发的成本，提高产品的性能，从而增强企业的产品开发能力，提高我国企业在世界制造业中的地位和市场竞争力。此外，虚拟样机技术的研究专家也应加强向企业推广虚拟样机技术，推动这一先进制造技术在我国企业和科研院所的普及和应用。

参考文献：

[1]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[2]熊光楞，李伯虎，柴旭东.虚拟样机技术[J].系统仿真学报，2001，（1）：114-117.

第13篇

[关键词]电工技师论文论文撰写要求

一、电工技师论文的作用及分类

电工技师(高级技师)论文是其在总结研究本职业(工种)领域中的有关技术或业务问题时，表达其工作或研究过程及其成果的综合实用性文章，是维修电工技师从事本职业(工种)的学识、技术能力的基本反映，是科学研究成果和工作经验总结的文字体现，也是个人劳动成果、经验和智慧的升华。技师专业论文是社会实践活动的产物，是撰写者在长期的社会生产实践中不断总结经验，努力学习理论知识，不断追求和探索所取得的研究成果的文字存在形式，撰写技师专业论文是培养人才、选拔人才和保证人才质量的重要途径之一。

按电类技师本身的内容和性质不同，一般电类技师论文分为：专题型、论辩型、综述型和综合型。按电类技师论文具体涉及内容的主要有：维修电气经验总结类、技术革新类、新产品开发类和四新技术推广类。

二、电工技师论文撰写的要求

撰写电工技师专业论文，既是一个艰苦的思考、探究和再学习的过程，又是一种复杂的创造性劳动，需要对工作实践、技术革新和技术改造等做出客观的评价。

1.注意论文的科学性。科学性是指电工技师专业论文的基本观点和内容能够反映事物内在的基本规律。电工技师专业论文的科学性来自对客观事物周密而详实的调查研究，掌握大量丰富而切合实际的材料，使之成为研究论述的基础。

2.注意论文的翔实性。电工技师专业论文要求作者所提出的观点、见解确实是属于自己的。那么，要使自己的观点能够得到普遍的承认，就一定要拿出有说服力的论据来证明自己的观点是正确的。这样，就应该在已掌握的大量材料中选择具有典型性、代表性的关键证据来证明。

3.内容正确、语言简明。撰写技师专业论文应当力求言简意赅，无多余的字句。对论文的内容不要进行艺术性渲染和夸张；切忌不适当地夸大个人在技术革新和技术改造中的贡献；更不能将技术问题的争论引入政治观点。同时，在撰写技师论文时，要注意按照撰写格式进行撰写，并熟练应用。

三、电工技师毕业设计论文的选题

论文的选题必须立足于总结工作成果与实践紧密联系上。在对已获得的大量素材进行分析、归纳和研究的基础上，提出问题，确定写作的基本方向。

1.论文的选题原则：准确恰当、提高创新和可行实用。

(1)准确恰当。论文的选题要提得准确恰当，面向实际，着眼于社会的需要，确实是生产实践中亟需解决的问题。选题一定要与生产实践相结合，与自己的工作领域相结合。

(2)提高创新。创新性原则是指选题要有新颖性、先进性，有所发明，有所发现，以推动本职业(工种)的发展。遵循这一原则，选题时必须注意选择位居本职业(工种)较前沿的并具有普遍意义的课题；选择填补空白的课题；选择补充前人学说的课题；选择突破禁区的课题；选择借他山之石可以攻玉的课题，即借用其他学科的新理论、新技术、新工艺和新材料，从新的角度进行研究、验证或论证来解决本职业(工种)中的老问题或疑难问题的课题。

(3)可行实用。可行实用性原则是指要选择有利于发挥个人的聪明才智，有完成的把握，同时也符合自己的志趣、适合个人能力的论题。

2.论文的选题方法

(1)选择能发挥本人特长的论题。申报电工技师(高级技师)的人员，都具有相当长的本职业(工种)专业工作的经历，在理论与实践的结合上有自己的独到之处和技术特长；而预备技师在学校学习4～5年，理论知识特别是新技术的知识非常充实，但实践经验欠缺。

(2)选择具有突破性的论题。申报电工技师(高级技师)的人员长期工作在第一线，对于生产实践中出现的问题最有发言权。如果敏锐地抓住问题的关键处，加以研究，就能形成应用性极强的专业论文。

(3)选择具有普遍性的论题。所谓具有普遍性的论题是指在生产实践中有广泛的用武之地的课题。例如，用现代电气技术改造机床的电气控制问题、变频技术在中央空调系统的应用问题及电梯的技术改造和维修技术问题等。有些问题看似简单，但实际上有很多需要进一步研究总结的内容，这些都属于具有普遍意义的论题。

3.论文的推荐选题

(1)典型PLC控制系统的设计、安装与调试。机械手的PLC控制系统设计、安装与调试；组合机床PLC控制系统设计、安装与调试；立体车库控制系统设计、安装与调试；材料分拣装置的PLC控制系统设计、安装与调试。(2)典型低压电气柜的设计。两台三相异步电动机动力控制电气柜的设计、安装与调试；变频调速控制柜的设计、安装与调试；总计量配电箱设计、安装与调试。(3)供配电系统的设计。某通用机械厂供配电系统的电气设计、安装与调试；某学校生活区配电系统设计、安装与调试。(4)电子技术应用设计。三相正弦波变频电源的设计、安装与调试；晶闸管串级调速系统的设计、安装与调试。(5)典型单片机控制系统的设计。基于单片机和LCD的电子钟的设计；数字钟的设计与制作等。(6)机床电气控制系统改造。Z3050型摇臂钻床PLC改造；M1432A型万能外圆磨床PLC改造；T68型卧式镗床PLC改造；B2012A型龙门刨床PLC、变频器改造等。(7)楼宇自动化技术及维修。电梯控制线路的安装与维修；无塔供水系统控制线路的安装与维修等。

总之，加强对电工技师毕业论文的指导，可使他们通过论文的写作，在以后的工作岗位上更好地发挥技术带头人的作用，为高层次实践经验和科研成果转化成现实生产力打下坚实的基础。

参考文献: 

[1]王建.国家职业资格证书取证问答[M].机械工业出版社,2006,3. 

[2]机械工业技师考评培训教材编审委员会[M].维修电工技师培训教材.机械工业出版社,2001,3. 

第14篇

 

一、研究背景

 

针对独立学院机电类专业实践内容不具体，相对较空，理论与实际缺乏紧密联系，双师型教师的匮乏、学生动手能力、创新精神[1-2]不强等问题，通过产、学、研相结合，将学院工程训练中心教师承担的国家级科研项目——结合我院实际条件和机电设备厂的加工能力，由教师设计、工厂加工制作完成的放射源取样机作为机电类专业实践课程教学内容中的教学载体，与实践教学各环节紧密结合，构建起“产品驱动式”实践教学新模式，将实践教学内容任务化。

 

按照此“产品驱动式”实践教学人才培养模式，将为核工业西南物理研究院设计制作的放射源取样机的回转系统、升降系统、抓取系统逐步进行结构改进、工艺优化，并由工程训练中心进行工艺规程制订，由学院机电设备厂实施加工，将完成的6台放射源取样机为机电类专业的实践教学载体，与机电类专业教学计划紧密结合，充分利用工程训练中心搭建的实践教学平台，使学生在完成教学载体训练的内容的同时，能够进行整个机电系统设计、三维建模、组件装配、绘制工程图、加工工艺规程设计、虚拟制造、仿真加工、制造检测、安装检查等，实现大学阶段实践技能技能逐步培养，加强训练的连续性。

 

通过实践教学载体，构建起了较完整的实践教学体系和工程训练课程体系，全面培养学生的动手实践和创新能力，使学生在学校实践教学过程中就能掌握在企业实际工作所需要掌握的能力，能够迅速适应社会和企业的需求。

 

二、主要做法

 

(一)教学与科研相结合，形成实际教学载体，建立完善的实践教学体系。随着工程训练中心硬件平台建设完成，学院加大实践教学的改革，将科研项目和实践教学紧密结合，把科研项目——放射源取样机这一成果引入实践教学环节，学院工厂和工程训练中心共同加工完成6台放射源取样机，并将其作为为教学载体，加强学生实践动手能力和创新能力的培养。

 

在实践教学体系的构建中，以抓取机械手为载体，紧密结合机电类专业教学计划，明确训练方案，形成了由低级到高级的多层次分阶段的训练体系。

 

以抓取机械手为工程素质教育认知对象，进行工程认知训练;以典型回转零件进行工程绘图训练、数字化设计与仿真加工训练、产品加工训练、材料性能分析训练、先进加工成型训练和柔性制造训练等专业技能训练;选取抓取机械手典型零部件及整个装置进行工艺规程编制训练、机电系统综合创新训练、产品综合技能训练、机械加工工装设计训练、电气设计及控制等综合与创新训练，每个训练环节都可以对应不同教学载体，使学生从方案设计设计、工艺设计、制造、安装、检测等工程训练各环节得到充分的锻炼，提高学生的动手实践本领和操作技能。我院学生将能够极大地满足市场对应用型人才的需求。

 

(二)引入科研项目成果，更新实践教学培养模式。以核工业西南物理研究院的科研项目成果——放射源取样机，作为机电类专业实践教学过程中的教学对象，构建起“产品驱动式”实践教学人才培养模式，将实践教学内容产品化，以最终完成机电类产品为最终的教学目标，分成机电两条线进行，分别运用到机电类专业实践教学过程中。将放射源取样机这一产品贯穿到实践教学过程中，通过边学边做的教学模式，极大地提高了我院学生的动手实践能力和创新设计能力。

 

(三)加强实践教学硬件投入，着力打造教学、科研一体化平台。我院工程训练中心，在学院的大力建设下，加强实践教学硬件投入，着力打造教学、科研平台，下设七个技能训练部，四大实践教学平台，建成具有一定的先进性和示范性，多学科、多层次、现代化、高标准，以综合训练、科研开发、创新创业为主体的教学科研平台，我院建成的省级实验教学示范中心成为强化实践教学技能和科研开发的现代化硬件平台，在三本中将具有极强的先进性和示范性。

 

(四)按照企业实际生产加工过程训练，强化学生工作适应能力。以放射源取样机为载体，按照企业实际生产加工过程训练，经过大学四年时间，三个层次的训练，使每个学生在学校实践教学过程中就掌握了零件设计、工艺编制、生产加工、组件装配、安装调试等能力，这些能力正是在企业实际工作必备的，使学生走出校门能够迅速适应社会和企业需求。

 

三、结语

 

针对独立学院机电类专业实践教学的诸多问题，提出的以放射源取样机作为实践教学载体，与实践教学各环节紧密结合，构建起“产品驱动式”实践教学人才培养模式，将实践教学内容产品化，形成完整的实践教学体系和工程训练课程体系，全面培养学生的动手实践和创新能力[3-4]，取得了良好的教学效果，在实践中不断应用和推广。

 

作者：王振玉 雷永锋 杨斌 来源：亚太教育 2016年20期

第15篇

Abstract： Optimization design is to apply optimum theory and computing technology into the field of mechanical design to provide the optimization design methods for engineering design. MATLAB optimization toolbox has many characteristics， such as the programming workload is less， the grammar conforms to engineering design practice and so on. MATLAB software is applied in this article， the minimum transmission volume of the first RV reducer gear as the objective function to optimize design and put forward the optimal design example. Compared with the original design scheme， it achieves good optimization effect.

关键词： MATLAB优化设计；目标函数；约束函数；RV减速器

Key words： MATLAB optimization design；objective function；constraint function；RV reducer

中图分类号：TG457.23 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）25-0085-03

0 引言

机械优化设计是最优化方法与机械设计的结合，设计工具是计算机软件及计算程序，设计方法是最优化数学方法。机械优化设计，就是在给定载荷及工作环境条件基础上，在机械产品的性态、几何尺寸关系或其他因素的限制（约束）的范围内，根据设计要求及目标，选定设计变量、建立目标函数，并使其获得最优值，设计出经济可靠的机械产品。

换句话说，也就是在满足一定约束的前提下，寻找一组设计参数，使机械产品单项或多项设计指标达到最优。机械优化设计因其目标函数和约束函数普遍呈非线性的特点，设计步骤为先根据实际的设计问题建立相应的数学模型，在建立数学模型时需要应用专业知识确定设计的限制条件和所追求的目标，确定设计变量之间的相互关系等，并使之满足强度、刚度及运动学等约束条件。数学模型一旦建立，优化设计问题就变成了一个数学求解问题，应用优化理论，设计优化程序，以计算机为载体计算得到最优化设计参数。

美国可口可乐公司是全球最大的饮料公司，拥有全球市场48%的占有率，为降低生产成本，提升品牌竞争力，可口可乐瓶有一段优化设计的佳话，优化处理后的可口可乐瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能却丝毫未受影响，仅此一举就节省了可观的材料费用，带来了可观的利润。

近年来制造业转型升级、国家推出“机器换人”工程，把机器人、高端数控设备的应用推向了，但基于机器人的RV减速器一直是个技术难题，直接影响到机器人的工作性能指标。

RV减速器产品在结构上由一级渐开线齿轮传动和一级摆线针轮行星传动串联构成，渐开线齿轮传动构成第一级传动，摆线齿轮行星传动构成第二级传动。RV减速器是一款刚度最高、振动最低的机器人用减速器，能够提高机器人工作时的动态特性，减小传动回差，而且还具有体积小重量轻、结构紧凑、传动比范围大、承载能力大、运动精度高、传动效率高等优点。

RV减速器广泛应用在机器人、数控机床行业，传统设计全由设计人员手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、体积或质量更小的指标要求下，希望能从一系列可行的设计方案中精选最优，传统的设计方法做不到，因而有必要采用优化方法来确定其设计参数。

RV减速器优化设计要解决的问题，与其使用场合的具体要求有关。在保证传动能力的条件下要求齿轮传动及针摆传动体积最小或质量最小；在要求较高时，需要优选齿轮的几何参数使齿轮副具有形成油膜的最佳条件；优化齿轮传动的惯性质量分配，以便最大限度地减少工作时间的振动和噪声，以及传动功率最大和工作寿命最长等。

对于不同类型的RV减速器，其优化设计具有各自的特点，设计变量一般选择齿轮传动的基本几何参数或性能参数，如齿数、模数、齿宽系数、传动比、螺旋角、变位系数和中心距等。

根据优化目标的不同，RV减速器设计可以有多种最优化方案，本文讨论的是在满足齿轮传动强度、刚度和寿命条件下，使RV减速器转矩最大、体积最小或质量最小。

基于RV减速器的机器人抓握机械手工况条件，8小时工作，正反转，轻载平稳，空载起动，室内工作，使用寿命5年，在温州职业技术学院工业中心单件生产，机器人机械手转矩T3=20 N・m，转速n3=5rpm，为优化设计对象，要求在保证齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度的条件下，获得转矩最大、体积最小、重量最轻的传动装置。应用MATLAB软件优化工具箱对电机转矩做最大值优化，即应用fmincon函数对电机转矩的倒数求最小值优化，优化的目的是求出在转矩最大的情况下，齿轮传动体积最小，实际上就是求齿轮齿数的取值。因此以转矩最大为优化目标，建立优化设计数学模型。

1 目标函数

①工作载荷计算功率P3。

因为T3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上机器工作载荷系数K=1.5，得

P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW

②应用针摆传动效率η2=97%，计算第二级针摆传动功率P2，得

P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW

③应用渐开线齿轮传动效率η1=95%，计算第一级齿轮传动功率P1，得

P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW

④应用电机传动效率η=99%，计算电机功率P，得

P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW

⑤计算电机转矩。

因为RV减速器总传动比为i=-Z2/Z1*Zb，则电机转速为n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），

所以电机转矩为T=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N・m

对于第二级针摆传动，设计采用一齿差摆线针轮行星传动，因此针齿齿数Zb必须为偶数，Zb用数学表达式来表达，即Zb=2*k，而10≤k≤50，则电机转矩表达式为

T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N・m。

所以，电机转矩表达式有3个变量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表达式变为T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。

机械手的工作要求是转矩足够大，而MATLAB软件的fmincon函数只能进行最小值优化，所以对电机转矩求倒数，对电机转矩的倒数作最小值优化，即

1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018），

所以在MATLAB中，目标函数f（x）=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）。

2 非线性约束条件

①非线性约束条件1。

根据机器人抓握机械手工况条件、载荷条件，可以判定齿轮几何尺寸不大，模数较小，初定为0.5或1mm；转矩也不大，约为20N・m，电机转矩理论上应该可以控制在1 N・m以内，即T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））≤1，则

1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≥1

所以1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0构成非线性约束条件1。

②非线性约束条件2、非线性约束条件3。

RV减速器对总传动比有范围要求，140≤i≤180，即

140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成两个表达式，即

140-（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤0，（（x（2）/x（1））*2*x（3））-180≤0，整理后140-（x（2）/x（1））*2*x（3）≤0及（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0构成非线性约束条件2、3。

综上，非线性约束条件共3个，

1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0140- （x（2）/x（1））*2*x（3）≤0（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0

3 线性约束条件

①线性约束条件1、线性约束条件2。

为使RV减速器偏心轴轴承与摆线轮之间的作用力不至过大，渐开线齿轮传动中心距a应是针齿基圆半径R的0.35～0.65倍，这个可归为结构尺寸条件。

因为要设计出在转矩最大前提下，体积最小质量最轻的RV减速器，必须使齿轮传动的中心距最小，RV减速器的结构紧凑，所以初定针齿基圆半径R=（30～40）mm，所以

a=（0.35～0.65）*R=（0.35～0.65）*（30～40）=（10.5～26）mm，取整后11≤a≤26。因为

a=1/2*m*（Z2+Z1），因为模数越小，齿轮的几何尺寸就越小，所以模数取0.5，则

a=1/2*0.5*（Z2+Z1）=0.25*（Z2+Z1），所以11≤0.25*（Z2+Z1）≤26，即

11≤0.25*（x（2）+x（1））≤26，展成两个表达式，

-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26构成线性约束条件1、2。

②线性约束条件3、线性约束条件4。

为使第二级摆线针轮行星传动部分输入转矩不至过大，第一级渐开线齿轮传动的传动比必须控制为i≥1.5，但单级齿轮传动比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即

1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成两个表达式，

1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0构成线性约束条件3、4。

③线性约束条件5、6、7。

小齿轮齿数的取值范围8≤Z1≤20，展成两个表达式，-Z1≤-8，Z1≤20，即

-x（1）≤-8及x（1）≤20构成线性约束条件5、6。

大齿轮齿数的取值范围Z2≤100，即x（2）≤100构成线性约束条件7。

④线性约束条件8、9。

因为Zb必须为偶数，所以Zb用数学表达式来表达，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成两个表达式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50构成线性约束条件8、9。

把9个线性约束条件写矩阵表达式，即

-0.25 * x（1）- 0.25 * x（2） ≤-11

0.25 * x（1）+ 0.25 * x（2） ≤26

1.5 * x（1）- x（2） ≤0

-5 * x（1）+ x（2） ≤0

-x（1） ≤-8

x（1） ≤20

x（2） ≤100

-x（3） ≤-10

x（3） ≤50

4 MATLAB编程

把上述计算过程编写成MATLAB程序，应用MATLAB软件优化工具箱对电机转矩做最大值优化，即应用fmincon函数对电机转矩的倒数求最小值优化，优化的目的是求出在转矩最大的情况下，RV减速器中心距最小，实际上就是求齿轮齿数的取值。

该数学模型为3个设计变量、12个约束条件的多元函数最小值问题，采用MATLAB软件优化工具箱求解最优结果，进行非线性有约束多元函数最小值计算，命令函数为fmincon，主程序如图1，非线性约束条件如图2，程序运行结果如图3。

程序经过6次迭代计算，MATLAB计算优化结果：

Z1 =9.7009，Z2=34.8305，k=19.4962，1/T=4.0721，

即T=0.24 N・m。

5 数据优化处理

因为齿数一定为整数，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。

又因为Z1

因为齿轮模数m=0.5mm，所以齿轮传动中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，满足初定的齿轮传动中心距取值范围11～26mm。

用优化处理的参数计算电机转矩的最大值T=0.24 N・m。

6 比较与结论

RV减速器齿轮传动原设计电机转矩为0.2N・m，中心距为20mm，经过MATLAB软件优化工具箱优化处理，电机转矩增至0.24N・m，中心距降为15mm，满足齿根弯曲疲劳强度条件和齿面接触疲劳强度条件，在保证传动能力的前提下减速器体积减少了约30%，效能非常可观。

参考文献：

[1]郑宝乾.ZD型减速器整体结构有限元模态分析[J].煤炭技术，2010，12（18）.

[2]席平原.应用MATLAB工具箱实现机械优化设计[J].机械设计与研究，2003，19（3）：40-42.