机械臂的设计方案范文

导语：如何才能写好一篇机械臂的设计方案，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

Liao Shengwen Wang Yuqin Zhang Xiaoying Wu Na Yang Jian

（ChaoHu University Chaohu city 238000）

Abstract： Fischertechnik model based on the conceptual design of the mechanical arm. Design of the main content including the overall design of the mechanical arm， complete mechanical system scheme design and model making， of mechanical arm in the process of cargo handling the operation parameters of the overall planning， the final preparation of the completed the overall control program and debugging. The experimental results show that the structure of the system is simple and feasible.

Key words： Fischer Technology；mechanical arm；control program

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）10-0270-02

引言

近年来，随着科技发展迅速，人们的生活节奏不断加快，越来越多的人不想从事体力劳动，进而企业出现“用工荒”的问题。在高校教学过程中，由于部分理论知识较抽象，教师讲解较难，学生理解掌握起来也较难，这样就达不到想要的教学效果。本次设计的机械手臂在生活中应用较广，如建筑工地上的旋转升降型机械手臂、吊臂，企业在生产制造过程中使用的机械手臂等。这些机械手臂在结构和控制上都比较复杂，所以我们在教学过程中的讲解就有一定的困难。机械手臂模型方案是基于慧鱼技术进行设计的，它的主要功能是将物品从某一位置移到另一位置，在这个过程中机械手臂共完成了对物品的夹起、移动、升降和旋转等动作。从某方面来说，机械手臂的出现代替了劳动力，进而为现代企业解决用工荒的难题。该模型与常见的机构相比具有体积小且易于移动，故灵活性强，可以在教学中的典型机构与它相结合演示给学生看，通过演示更深入理解各个结构之间是如何运转，采用理论与实践相结合的方法，让学生学习理论课程更具有生动性和形象性，达到掌握该课程理论知识的目的。

慧鱼创意组合模型是一个技术含量很高的工程技术类趣味拼装模型，其主要部件尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装并不影响模型结合的精确度。它为应用型高校在教学过程中创新教育和创新实验提供了很好的实践平台。总体来说，慧鱼模型的使用，既让学生融汇贯通各学科多领域的综合知识，将其应用于实践过程中，又培养了创新的意识，最重要的是给予学生实现创新的平台。为此设计并制作拼接了机械手臂，文章主要对机械手臂的机械系统与控制系统进行了组装设计讲解。

一、机械系统设计方案

机械手臂的主要功能是将物品从某一位置移到另一位置，即：机械手臂从起始位置到物品所在位置后将物品夹起，再到指定位置把物品放下，最后返回原位准备进行下一动作。根据它的功能目标机械手臂的机械系统主要有旋转机构、伸缩机构、升降机构以及开合机构四大部分组成，模型实物如图1所示，该模型体积较小，各个机构的运转可清楚的看见，方便教师携带，可将其模型展示给学生观看，便于学生理解和巩固。

图1 机械手臂

Fig.1 multi-function robot arm

1.机械手臂的旋转装置

机械手臂的旋转功能在方案中是通过齿轮啮合传动实现的，并在起始位置和终止位置中放置行程开关来控制机械手臂的移动范围和旋转方向的变换。其传动简图如图1.1所示。图中小齿轮是主动轮，便于对旋转速度的控制。

（a）旋转装置简图

1―转盘 2―小齿轮 3―齿轮箱 4―马达箱图

1.1 实际旋转机构图

Fig 1.1 Actual rotating mechanism chart

2.机械手臂的伸缩机构

通过利用蜗轮蜗杆、齿轮之间的传动以及连杆与滑块杆之间的滑动来进行实现机械手臂的伸缩功能。并通过齿轮箱来控制它的速度。实现这一功能的意义在于，可以增大其工作范围，通过它的伸缩功能，机械手臂可以不用移动就能到达指定位置，其传动简图如图1.2所示。

（a）伸缩装置简图

1―马达 2―齿轮箱 3―蜗杆 4―连杆

图1.2 实际伸缩机构图

Fig 1.2 Actual rotating mechanism chart

3.机械手臂的升降机构

机械手臂的升降功能则是通过链传动和涡轮蜗杆传动之间的相互连接来进行实现的。它的传动简图如图1.3所示。

（a）链传动机构简图

1―小齿轮；2―链条

图1.3 实际升降机构图

Fig 1.3 Actual lifting mechanism chart

4.机械手臂的开合机构

物品的夹起与放开都是通过机械手臂的开合来完成，在设计过程中，选用涡轮蜗杆的结构作为运转的机构。将涡轮蜗杆固定在机械手臂的中间，通过马达带动蜗杆的转动，涡轮与手臂之间的衔接物会带动手臂向两侧张开或夹紧，实现机械手臂对物品的夹紧和放下的功能。

（a）夹紧机构简图

1-开关；2-销；3-机械手臂；4-涡轮；5-蜗杆

图1.4 实际夹紧机构图

Fig 1.4 Actual clamping mechanism

二、控制系统设计方案

1.总体运行过程

假设机械手臂现处于张开状态，且在最底层，手臂未发生移动，将物品放置于某一位置，高度与机械手臂高度一致。运行过程如下：一开始，先转动转盘至某一角度，由马达M2控制，其位置在小齿轮的齿轮箱旁边， 顺时针为正转。然后将机械手臂向前伸出一定距离，使其恰能触碰到物品，由马达M3控制，其位置在移动机构中远离机械手臂的一侧，顺时针时伸缩装置向前运动。接下来，用机械手臂夹紧物品，由马达M4控制，逆时针为手臂闭合。夹住物品后，利用升降结构将物品升至同货架高度一致的位置，由马达M1控制，逆时针为上升。接着，调节物品与货架之间的距离，通过向前或后退移动一定距离，直至两者之间距离为零，再通过旋转功能，旋转到货架上面，最后控制夹手张开，将物品放置在货架上，完成运输功能。系统的总体运行程序如图2所示。

图2 总体控制程序图

Fig 2 Overall control chart

（1）旋转功能介绍。物品的转移可以通过偏置一定的角度，使物品到达指定的地点，可通过编程控制马达M2实现旋转，顺时针旋转为正转。

（2）伸缩功能介绍。要想精确的定位重物在哪个位置放置，可通过移动装置，实现机械手臂的伸缩功能，编程控制马达M3实现机械手臂的伸缩，顺时针旋转为向前移动。

（3）升降功能介绍。要使物品放到货架上，则需要调节物品的高度不得高于货架且不能过低，装置通过链条传动，利用小齿轮将链条带动，然后控制涡轮蜗杆的升降，从而实现物品的升降，编程控制马达M1实现升降，逆时针旋转为物品上升。

（4）开合功能介绍。物品的夹取是在运输过程中的重要环节，通过涡轮蜗杆机构，编程控制马达M4实现夹手的张开与闭合功能，顺时针旋转为夹手张开状态。

三、结语

篇2

【关键词】控制系统 联合仿真 协同优化

针对机械臂而言，其机械系统和控制系统是密切相关的，两个系统的性能共同决定了机械臂的整体性能，最根本的体现就是在机械臂末端的重复定位精度上。

为了优化机械结构以提升机械系统性能指标，满足设计要求，结构优化设计的概念被提出。结构优化设计就是在工程设计的过程中，不再局限的依靠设计者给定具体的设计方案，而是结合最优化理论的数学思想，在设计变量的取值范围内寻找最优的设计方案，大大缩短了设计周期，提升了设计效率和质量。

目前，利用结构优化设计方法来完成机器人的结构设计工作被越来越多的设计人员所采用，并取得了大量的研究成果。根据设计变量的不同，可以将机器人的结构优化设计分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次。

就机械臂而言，其拓扑优化设计主要包括两方面的研究内容：

（1）对于机械臂机构，在机器人概念设计初期，在初始设计空间，根据设计指标，对机器人整体机构形式进行拓扑优化设计；

（2）对于机械臂零件，在零件所受载荷确定的情况下，对其拓扑结构进行优化设计。拓扑优化在优化过程中改变拓扑构型的同时也改变了尺寸及形状参数，与尺寸优化和形状优化相比具有更大的自由度。

结构拓扑优化设计由设计变量、约束条件和目标函数三要素组成。拓扑优化是选取结构单元的有无作为设计变量，目的是寻求结构刚度在设计空间的最佳分布形式，达到材料的合理分配，以优化结构的某些特性或减轻结构的重量，在产品概念设计阶段，寻求产品最优的拓扑结构具有重要的意义。

尽管经历了三十多年的研究发展，拓扑结构优化技术已经有了长足发展，也在工程上被越来越多的人所重视和利用起来。但是受到其自身分析求解规模大、优化结果难以识别、拓扑构型难以定量描述或参数化等问题的限制，使得结构拓扑优化技术的应用更多的体现在构件及简单工况的层面上，较多的应用在概念设计阶段。

控制系统是决定机械臂功能和性能的主要因素之一，在一定程度上制约着机器人技术的发展。它的主要任务就是控制机械臂在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。机械臂控制系统的优劣，直接影响到机械臂的速度、精度与可靠性。而机械臂控制系统的参数调节过程就是优化控制系统的一项基本步骤。

目前机器人控制系统参数调节过程主要依靠工程经验和简化数学模型进行调节，然后再实物样机上进行调试，调节流程复杂，调节周期长，效率低下。

机械系统从根本上限制了机械臂末端重复定位精度可以达到的最优程度。而关节伺服控制系统直接决定了机械臂末端的跟随误差。两者综合作用共同决定了机械臂末端的重复定位精度，两者不应被单独割裂开来进行分析。

基于上述论述，本文提出了一种基于Simulink&ADAMS联合仿真的机械臂机械结构&控制系统参数的协同优化研究方法。

1 运动学分析

1.1 正运动学分析

1.1.1 \动学数学模型的建立

根据实际的六自由度轻型机械臂构型，建立该机械臂的机构简图，并利用标准D-H参数法建立机械臂的D-H坐标系，如图1所示。其中机械臂末端的坐标系{O6}的原点与坐标系{O5}的原点重合。对应的机械臂D-H参数见表1。

2 轨迹规划

2.1 工作空间分析

机械臂各关节均采用了内部走线方式，设计的机械臂各关节均可达到-180°～180°的运动范围。得到的机械臂工作空间如图2中绿色包络面所示。

2.2 笛卡尔空间圆周轨迹规划

拟让机械臂末端在笛卡尔坐标下沿着空间圆周轨迹运动。选取圆周轨迹的圆心为（500，50，400），半径250mm，空间圆周所在平面的法向量为（0，4，3） 。

经上述规划得到的圆周轨迹方程为：

经校验，上述规划的圆周轨迹在机器人的工作空间内，如图2中红色圆周曲线即为规划的末端工作轨迹。

2.3 关节空间各关节轨迹规划

将上述在笛卡尔空间中规划的圆周轨迹，通过机械臂逆运动学求解方法，转化成机械臂关节空间中各关节的关节角度轨迹的三次样条拟合曲线，如图3-图8所示，其中0-5s内的各关节运动轨迹曲线是机械臂从初始状态运动到轨迹起始点的关节轨迹曲线。各关节轨迹的角度插值点见表2所示。

3 关节系统控制参数的协同优化

对于大关节而言，后续的机械臂关节、臂杆、末端执行器及工作负载均是其有效负载，是一个与机械臂位置、姿态及各关节运动状态相关的变量。单纯的在Matlab中考虑机械臂的动力学特性比较复杂、计算时间长。利用专业的动力学建模分析软件Adams，在Adams中解决机械臂的动力学问题，利用Simulink-Adams联合仿真，解决机械臂任务级伺服系统仿真。

将上述优化完成的大臂杆模型导入到ADAMS中并建立柔性体，进行Simulink-ADAMS联合仿真，如图9、图10所示。

4 结果验证

对比协同优化前后的机器人系统实现相同工作路径时机械臂末端的位置误差，验证协同优化方法对提升机器人末端重复定位精度的有效性

表3中列出了优化前后机械臂末端原点最大偏差对比数据，各方向上的最大偏差量均有较大幅度的减小，其中主要受力方向―Z方向（即竖直方向）的最大偏差量减小了69.23%。

表明了本文提出的协同优化方法对提升机械臂重复定位精度的有效性。

5 结论

本文提出了一种基于Simulink-Adams联合仿真模型的控制系统协同优化方法。考虑了机械臂机械系统柔性，传动链间隙及关节传动链刚度等影响因素，使仿真结果更加准确可靠，使得调节后的控制参数更加接近真实最优值。协同优化后机械臂末端的重复定位精度有明显的提升，证明了该方法的有效性，对机械臂的后续研究更具指导意义。

参考文献

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[4]Liu L，Wang G D，Xiao R Y，et al. Optimization of the Method to Palletize Firebricks by Robot Based on Pareto Genetic Algorithm[J].Applied Mechanics & Materials，2014，620：337-342.

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[9]Sigmund O，Maute K.Topology optimization approaches[J]. Structural & Multidisciplinary Optimization，2013，48（06）：1031-1055.

作者介

姜迪开（1987-），现为北京精密机电控制设备研究所工程师。

篇3

关键词：结构设计 柔性 承载结构 力学分析

中图分类号：TE92 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0092-03

井下牵引器胀闸结构是实现运动的保障，胀闸结构要提供足够的胀紧力，同时要保证与井壁的接触力足够大，这样才可以保证牵引器达到需要的牵引力。传统的设计方案为四杆结构[1～2]，采用平行四边形的支撑结构来实现胀闸机构的胀紧和收缩，使得机构简单可靠，但是四杆结构占据的空间较大。所以在传统的设计方案上提出一种全新的设计方案，即柔性支臂结构，该结构只是由弹簧片构成支撑臂，结构简单，保证牵引器始终处于正中位置时，由于具有柔性，在胀紧时，弹簧片与井壁充分接触，防止相对井壁产生滑动。所以综合以上所述，本设计选择柔性的胀闸结构。

1 胀闸结构设计

1.1 牵引器原理设计

该牵引器基于伸缩往复运动，主要包括：前后两个胀闸机构和中间的一个伸缩驱动机构。运动原理如图1所示。（图1）a为初始状态，两个胀闸模块的支撑臂撑开压紧管壁。开始工作之后胀闸模块1工作锁止，同时胀闸模块2收回。然后伸缩驱动机构展开，如（图1）b所示直到最大行程，之后胀闸模块1收回，胀闸模块2工作锁止，拖动后面装置向前运动如图1c所示，继而恢复到（图1）a状态。此时系统已经向前运行了一段距离，反复进行从（图1）a到（图1）c运动过程，牵引器就能够不断前进，直到到达目的地。

1.2 胀闸模块设计

柔性的胀闸结构就是采用具有一定弯曲性能的柔性臂[3]，如图2所示，该结构由弹簧片、液压缸、滑套、连杆等组成。开始工作时，柔性臂处于收缩状态，一旦受到压力时，柔性臂会产生弯曲，像灯笼一样胀满井内，与井壁紧紧地接触。由于柔性臂与井壁接触的端面有自锁装置，或者经过特殊的处理，会产生很大的摩擦力，使得牵引器整体被锁住。这种胀闸机构的动力源与四杆机构胀闸是类似的，通过液力装置提供驱动力，进而通过滑套带动柔性臂两端靠近或者远离实现胀闸的胀紧和收缩。

2 胀闸结构有限元力学分析

根据胀闸结构在实际工作中承载的特点，将井壁简化成一个长方体。弹簧片的柔性行走机构的简化模型（如图3）。在井壁的简化实体下端面施加全位移约束，弹簧片一端固定，施加全位移约束，弹簧片另一端铰支，施加Y方向和Z方向的约束。将液压缸的动力转化为等效面载荷，均匀施加到弹簧片铰支一端的截面上，然后进行求解运算。

弹簧片的尺寸参数（见表1），力学性能参数（见表2）。

弹簧片与井壁接触所产生的应力云图（图4a、c、e），可以看出开始接触时，是一个区域与井壁接触，随着载荷的增加，接触应力随之增大，弹簧片与井壁的接触面积增加，接触面积逐渐由一个区域变成两个区域，并由中间向两边进行扩散，同时接触应力大小也有短暂的趋于平稳，这是因为刚开始时，是一个区域接触，当分散成两个区域时，这两个区域就分担了总的接触应力，所以接触应力数值会维持在50 MPa，当两个区域接触处趋于平稳时，接触应力也随之增加。从接触面所产生的应力云图（图4b、d、f），可以看出井壁所受的应力开始也是集中在一个区域，后来逐渐由一个区域变成两个区域，并且接触应力也是随着载荷的增加而增大，在变化的过程中所受的接触应力维持在30 MPa，弹簧片的接触应力值与井壁所受的应力数值不相等，主要是因为两者在材料属性选择上不同造成的。

接触应力随载荷变化的图像（图5）显示载荷小于650 N时接触应力为0 MPa，这是因为根据井下牵引器实际运行的情况，弹簧片与井壁有一定的间隙，载荷小于650 N时，两者还没有接触，当载荷达到650 N时，弹簧片与井壁开始接触，接触应力随载荷的增加而增大。

接触压力随载荷变化的图像如图6所示，接触压力随载荷的增大呈非线性的增加。根据该设计的要求，弹簧片与井壁之间的接触压力应该为5000 N，依据（图5）与（图6）知，当载荷为5300 N时，接触压力为5000 N，接触应力为189.25 MPa，弹簧片的材料为65 Mn，屈服强度为690 MPa，弹簧片的接触应力小于65 Mn的屈服强度，满足强度要求。

3 结论

本文对井下牵引器胀闸结构进行了合理的设计，在支撑臂构件上，采用弹簧片创新性的设计，运用ANSYS分析软件，根据实际情况对物理模型进行简化，建立仿真模型，正确施加荷载与约束的情况下，进行求解分析，满足实际要求，由以上分析可知，在设计要求下，载荷加载到最大值时，弹簧片等关键性构件满足强度要求。

参考文献

[1] 常玉连，邵守君，高胜.石油工业中管道机器人技术的发展与应用前景[J].石油机械，2006，34（9）：122-126.

篇4

关键词：掘进机 截割臂 整体强度 优化设计

The research of EBZ230 roadheader cutting arm design

Song Yuchen

Jiamusi coal-mining machinery Co.，Ltd, Heilongjiang Jiamusi 154003

Abstract: The EBZ230 roadheader of semi-coal rock and soft rock tunnel。cutting arm was formed by integral welding technology。 Using this technique, each component could be independently formed, It was easy to realize more complex structure through assembling block, there were also many problems with integral welding structure，such as processing technology and assembly process were not perfect, and the strength was low。

Keywords: roadheader cutting arm strength optimization design

半煤岩、软岩巷道掘进机在矿井下进行掘进作业时的环境非常恶劣，有些岩层节理不发育，软硬程度不一，结构很复杂，普氏硬度能达到6～8，强度和韧性较高，掘进机工作时截割部所承受的冲击、扭转、折弯强度非常大。所以对掘进机的破坏程度也非常大的，特别是对截割臂的法兰面与外筒壁联接处破坏最大，稍有焊接缺陷，在焊口处就可能出现撕裂，针对此问题我特地去了我们掘进机用户（鸡西东海煤矿605井）进行实地考查研究，有针对性的对截割臂在工作时的状态及受力情况进行了分析。

1、掘进机选型

我公司研制的掘进机功率越来越大，对掘进机各结构件的强度要求也就越来越高，而煤矿岩巷截面积不可能无限增大，这就要求我们在设计掘进机的时候既要提高掘进机功率，结构上又不能成倍放大尺寸，同时其强度又要能满足客户的使用寿命要求。基于此等诸多设计要求，我去了鸡西东海煤矿605井，选择EBZ230掘进机作为突破口，进行调查。

2、截割臂改进设计概述

EBZ230型掘进机在该矿井下作业，由于其岩层节理发育不完全，比较硬，强度和韧性较高，机器振动非常强烈，这样除了对截齿磨损大之外，对整个截割部的强度都有很大的冲击。由于掘进机在截割一个巷道断面时是连续工作的，截割部工作时升降和回转两个动作时常会同时完成，所以特别对截割臂与减速机的联接法兰处的弯曲强度造成的冲击最大。基于对上述问题的解决，我对掘进机的截割臂从设计、材料、工艺上进行优化设计，采取以下改进方案：(1)保持原截割臂的整体结构形式，外筒体采用整体铸造工艺成型，最大限度加大可能存在应力集中处的圆角；(2)内喷雾给水方式由前方给水改为后方给水；(3)临时支护座板采用焊接工艺完成。

3、截割臂的改进措施

3.1 措施一：外筒体的改进

截割臂的整体结构形式不变，外筒体采用整体铸造工艺成型，筒体和法兰面联接处采用大圆角过渡，避免大的弯曲力造成的应力集中现象，使整个截割臂抗弯曲强度提高20%。

3.2 措施二：内喷雾的给水方式由前方给水改为后方给水

原焊接式外筒体采用的是前方给水的方式，整个水道以焊接工艺固定在外筒体的外表面，把水输送到前面的浮动密封架，通过密封架流到截割头轴，再传输到截割头。新的给水方式是在截割臂的后端将水输送到截割头轴，再传输到截割头，这样既减化了工艺又避免内喷雾水直接渗漏到轴承内腔，从而避免了渗漏水对轴承的腐蚀。

3.3 措施三：临时支护座板采用焊接工艺完成

由于在截割部要安装临时支护和外喷雾架体，所以外筒体在整体铸造成型后还要以焊接工艺把临时支护座板和外喷雾架焊接在上面，采用整体铸造和焊接工艺相结合的设计方案一是可以保证截割臂的整体强度的需要，二是可以更容易地做到复杂结构的成型。

图1 改进设计前结构 图2 改进设计后结构

4、结语

新型截割臂的掘进机经过井下进行实际工作，总结得出以下结论；(1)EBZ230掘进机整体式截割臂相比焊接结构的截割臂在强度上可以提高20%以上，机加工工艺性有所提高；(2)EBZ230内喷雾漏水对轴承的腐蚀现象得到解决；(3)EBZ230掘进机的截割部整体强度得到加强；(4)EBZ230截割臂改进设计思路可以在别的机型上推而广之。

参考文献

[1]王启广,李柄文,黄嘉兴.采掘机械与支护设备.徐州:中国矿业大学出版社,2006.4.

[2]周志鸿,马飞,张文明,毛纪陵.地下凿岩设备.北京:冶金工业出版社,2004.11.

[3]李晓豁.掘进机截割的关键技术研究.北京:机械机械工业出版社,2007.10.

[4]李贵轩.掘进机械设计.阜新:阜新矿业学院,1992.10.

篇5

目前，化学发光免疫分析仪以分立式结构最为典型。分立式结构的工作原理[1]与手工操作相似，样品与试剂按特定比例被添加到彼此分立的反应杯或试管中完成混合、孵育和检测等过程。各个样品在分析过程中是互不掺杂的，因此交叉污染率相对较低。本文提出一种新型的化学发光免疫分析仪的结构设计方案，重点介绍了存储模块、加样模块、传送模块等结构，在传统分析仪结构设计的基础上进行了一些改进设计，有效地提高了工作效率和空间利用率。

1分析仪工作流程分析

在本文的结构方案设计中，全自动化学发光免疫分析仪的工作流程（如图1所示）为：加样模块中的加样针先后吸取待测样品与配套的两种试剂并将其加入到反应杯中混合，然后反应杯进入孵育区进行免疫反应。免疫反应完成后，去除反应杯内的干扰物并加入发光底物，随后对发光强度进行检测。将所得数据与标准品测出的标准曲线进行对照，计算分析得出待测物的浓度。

2分析仪各模块结构与功能

2.1存储模块

样品、试剂存储模块主要用于存放待测样品及各种相关试剂，同时可以将样品和试剂传送到加样位置上。如图3所示为化学发光免疫分析仪存储模块结构图。存储模块由两个样品转盘和一个试剂转盘组成。样品转盘和试剂转盘均设计为圆环形盘状结构，其圆周上均匀布置用于放置样品、试剂容器的收容腔。样品转盘用于放置盛放待测样品的试管，并通过转动将待测样品依次传送到加样位置，等待加样模块进行加样操作。试剂转盘同圆心地布置于样品转盘的内侧，可通过转动将所用试剂传送到加样位置。用于实验检测的两种配套的试剂分别放置于试剂转盘的内、外圈收容腔内。当待测样品较多时，备用样品转盘可用于放置样品。此时，加载模块可将样品转盘已检测完毕的样品卸载到备用样品转盘上的废弃位置，并将待测样品加载到样品转盘上的收容腔内。分析仪的存储模块采用转盘式结构，可使分析仪整体布局更加紧凑，也可以简化该部分的传动结构。同时，存储模块还可以直接完成将样品和试剂传送到加样位置的动作，无需增加其他传动结构。相比于同类分析仪样品、试剂分块式布局的方式[6]，本文中的存储模块结构实现了样品和试剂的传送操作，减小了加样模块进行加样操作的行程，进而有效地提高了分析仪的加样效率。另外，采用转盘式结构无需额外增加机械结构，即可在转动过程中，完成有磁珠标记抗体的混匀。

2.2加样模块

加样模块的主要功能是根据预先规划的运动轨迹控制加样单元准确运动，按照特定的顺序将酶标记抗原、待测样品、磁珠标记抗体加入到反应杯中，完成加样操作。化学发光免疫分析仪加样模块结构如图4所示。加样模块由直线导轨、加样单元（包含加样针）、清洗槽等部分组成。直线导轨将加样单元限定在一直线轨迹上运动，可分别控制三个加样单元到达不同的加样位置。加样模块采用三个加样单元分别携带加样针，可同时吸取存储模块中的样品和试剂，依次加入到反应杯中进行反应，有效避免交叉污染；并且在清洗操作时，能够同时对三根加样针进行清洗。加样模块的操作方式可大幅节省样品、试剂吸取和加样针清洗时的操作时间，有效地提高加样操作的效率。同时，分析仪可通过控制存储模块中的样品转盘、试剂转盘和传送模块的反应盘，使得待测样品、配套试剂、反应杯的加样位置位于直线导轨正下方，因此加样单元只需进行直线移动，相比较常见的三自由度直线式加样臂[7]和平面关节式加样臂[2,3]，加样模块对加样单元的移动行程减小，定位精度的控制也更加简便。

2.3传送模块

分析仪的传送模块的主要功能是将反应杯传送到加样位置上，同时能够控制反应杯在发光检测分析过程中的位置。传送模块起到了串联整体仪器的作用，在实验检测过程中实现反应杯位置的改变——反应杯经过加样位置、孵育位置、清洗位置、加底物位置和检测位置，并最终被回收——使分析仪的各个工作流程能够连续进行。如图5所示为化学发光免疫分析仪传送模块结构图。图5(a)为传动模块俯视图。传动模块主要由底盘和四个反应盘组成。每个反应盘上有若干均布于圆周上的反应杯位，反应杯可放置于反应杯位中。四个反应盘均匀地布置于底盘圆周上。当反应杯需要加样时，反应盘转动一定角度到达加样位置，即进行“自转”。当加样操作完成后，反应盘再次转动一定角度，使下一个位置的反应杯到达加样位置，等待下一次加样操作的进行，依此类推。当分析仪对一个反应盘上所有的反应杯均完成加样操作后，传送模块进行“公转”：转盘带动四个反应盘转动90°，“公转”过程中反应盘保持静止。传动模块的“自转”与“公转”的相互转换，可通过布置于转盘下方的传动系统来实现。该传动模块设计的特点在于：1）在反应杯数目满足实验的孵育时长和高通量的条件下，将反应杯平均布置于四个反应盘上，可有效减小传动模块的占用面积，并且结构简单；2）在“自转”过程中，四个反应盘同步转动，同时可以保证每个反应盘的操作相互独立，互不干扰；3）反应盘模块化设计，当一个反应盘完成发光检测后，可更换新的反应盘到转盘相应位置，保证实验检测的连续性。

2.4加载模块

分析仪的加载模块由一个机械臂构成，其结构如图6所示。机械臂由移动关节、大臂、小臂和末端夹取装置组成，其自由度数为3。末端夹取装置的开合可以通过电磁铁通断电情况来控制：当电磁铁通电时，夹取装置张开；当电磁铁断电时，夹取装置闭合。加载模块主要有两个功能：更换反应盘；更换样品试管。在反应盘中心位置开有一个夹取用孔。当一个反应盘上所有位置的反应杯均完成发光检测操作后，将机械臂夹持装置的末端伸入该反应盘的夹取用孔中，电磁铁通电后，夹取装置张开，撑住孔内壁，将使用过的反应盘移动到回收位置。之后，将备用的反应盘移动到相应的反应盘位置上，完成反应盘的更换。此操作示意如图7(a)所示。同理，将机械臂夹持装置的末端伸入已完成加样的样品试管中，夹取装置张开，末端撑住样品试管内壁，可以完成样品试管的更换操作。此操作示意如图7(b)所示。利用分析仪加载模块，可以完成备用实验用品的更换操作，使得实验测试能够连续不断地进行，进而增加实验的测试通量和仪器工作效率。同时，采用机械臂进行相关操作，提高了分析仪的自动化程度，减少了实验人员的人工干预。另外，末端夹取装置通过电磁铁进行控制，减少了电机的数目，利于控制操作过程。

3结束语

篇6

关键词:工作机构;运动学;动力学铲运机

中图分类号:TH132文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)04-0040-03

对铲运机工作机构进行运动学和动力学分析是铲运机设计工作中的重要一环。铲运机的构件是用来传递载荷或能量的,这些部件的强度、刚度、稳定性和破坏是设计中必须要考虑的。使用现代结构分析方法将铲运机结构设计从规范和经验设计向仿真设计转变,使设计者在设计阶段就能从仿真分析中形象地了解整个结构在受载后的应力、变形以及动力特性,评估设计质量,寻找最佳设计方案,将使铲运机结构设计质量发生质的飞跃。图1是三立方米铲运机工作机构虚拟模型:

一、运动学及动力学分析

1.动臂的受力状况。工作装置的动臂是整个工作装置的承力构件和运动基础,它的受力状态历来受到设计者的高度重视。在装载过程中转斗油缸及举升油缸运动特性如图2和图3所示。动臂与铲斗、举升油缸活塞杆、前车架三个铰销处铰销的受力仿真结果比较如图4至图6所示:

仿真结果表明:(1)动臂与前车架、举升油缸活塞杆、铲斗三铰点所受到的最大峰值载荷均出现在动臂举升到最高处物料卸载前的瞬间,此时动臂与铲斗铰销处峰值载荷为2.30×106 N,铲斗与动臂铰销处所受峰值应力为3.64×108 Pa;动臂与前车架铰销的峰值载荷为2.92×106 N,动臂与前车架铰销的峰值应力为3.11×108 Pa;动臂与举升油缸活塞杆铰销处的峰值载荷为5.74×106 N,该处的峰值应力为9.00×108 Pa;(2)动臂与前车架、举升油缸活塞杆、铲斗三铰点受力变化规律基本一致,出现的三个峰值的时间完全一样,分别为转斗的瞬间、铲斗处于最高的卸载位置、铲斗前倾物料即将卸载前的瞬间;(3)在地下铲运机工作装置的整个工作过程中,动臂与举升缸铰点处的受力变化波动幅度最大,而动臂与铲斗铰点受力变化波动幅度最小。

2.拉杆。拉杆与铲斗铰销的受力仿真结果如图7所示, 拉杆与摇臂铰销的受力变化如图8所示:

仿真结果表明:拉杆的受力状况比较复杂,出现四个较大的峰值区即转斗的瞬间、转斗结束的瞬间、铲斗处于最高的卸载位置处、物料卸载区;特别是物料卸载时,连杆的受力最为恶劣。连杆与铲斗铰接处铰销最大受力为2.30×106 N,3.66×108 Pa;而拉杆杆与摇臂铰销所受的力为2.30×106 N,其峰值应力为3.62×108 Pa。

3.转斗油缸活塞杆。转斗油缸是铲斗实现转斗动作必可少的一个部件,转斗油缸活塞杆的受力及应力变化仿真结果如图9所示:

仿真结果表明:转斗油缸活塞杆的最大受力发生在铲斗卸载前的瞬间,其峰值载荷为2.87×106 N,其峰值应力为4.50×108 Pa。

4.转斗油缸缸体与前车架铰销处的受力状况。转斗油缸与前车架的受力变化如图10所示。仿真结果表明:转斗油缸缸体与前车架铰销处的最大受力发生在铲斗卸载前的瞬间,其峰值载荷为2.87×106 N,该处最大应力为4.50×108 Pa。

5.举升油缸。举升油缸是工作装置实现从装载位置到最高卸载位置运动必不可少的部件,它的受力状况仿真结果如图11所示:

仿真结果表明:举升油缸受力变化也出现了三个较大的峰值,即转斗的瞬间、铲斗处于最高卸载位置、铲斗中物料卸载前的瞬间。其最大受力发生在动臂处于最高的卸载位置铲斗中物料卸载前的瞬间,所受到的最大外力为5.71×106 N,其峰值应力为9.00×108 Pa。

6.举升油缸与前车架铰销。举升油缸与前车架铰的受力与应力变化情况仿真结果如图12所示:

仿真结果表明:举升油缸最大受力发生在动臂处于最高的卸载位置铲斗中物料卸载前的瞬间,所受到的最大外力为5.71×106 N,其峰值应力为9.00×108 Pa。

7.摇臂与动臂铰销。摇臂与动臂铰销受力及应力变化情况仿真结果如图13所示:

仿真结果表明:举升油缸最大受力发生在动臂处于最高的卸载位置铲斗中物料卸载前的瞬间,所受到的最大外力为5.18×106 N,其峰值应力为6.60×108 Pa。

二、解决方案

从上面的力学分析来看,各销轴的受力情况都在设计安全范围之内。但是在实际的运动过程中,大臂与前车架及铲斗与大臂处铰销经常发生咬死,经分析是由于不充分所致,销轴与套的配合以前用的是H8/f7,现在改为了H8/e7,使销轴与套间隙增大,并在油出口处加工了一道油槽,使更加充分。结构改进后从为发生过咬死的情况。图14与图15分别是改进前的销轴结构及改进后的销轴结构。

三、结论

随着计算机技术的发展,人们对一些复杂运动机构的运动学分析及动力学分析显得越来越迫切,对铲运机工作机构进行运动学分析及动力学分析,能得到各铰销的峰值载荷发生的瞬间及载荷的大小,给工程设计提供了数据支持,并得到了大臂与前车架及铲斗与大臂处铰销咬死的原因是由于铰销设计不合理,导致了不够充分。

参考文献

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[2]张栋林.地下铲运机[M].北京:冶金工业出版社,2002.

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[6]姚践歉,李政菊,彭才忠.装载机铲斗插入铲取机理与阻力[J].工程机械,1993,(3).

篇7

关键词：重载铁路 接触网 设计 研究

中图分类号：U21 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（c）-0126-02

重载铁路大秦线全长653 km，设计之初按牵引质量1万吨、年运量1亿吨设计1992年全线开通运营。

大秦2亿吨扩能改造工程，为既有电化线路改造，AT供电方式，接触网线条较多，且与10 kV电力线合架。在2004年施工过程中要完成1.5亿吨的运输任务。设计过程中克服了技术要求高、站前和站后工程交叉设计的困难。针对重载铁路牵引电流大、多机多弓牵引和既有设备限制的特点。经过方案研究、论证，确定技术可靠、经济合理的设计方案。

1 改造前接触网状况及存在问题

1.1 接触网悬挂类型

区间及站场正线采用GJ-100+TCG-110、站线采用GJ-70+TCG-85全补偿简单链形悬挂。结构高度一般为1100 mm。正馈线采用LJ-185或LJ-240，保护线、架空地线采用LGJ-70。

接触悬挂持续载流量，已不满足列车取流需要，随着运量的持续增长，列车编组方式的变化，该问题更为突出；另外，在桥上及风口地段支柱间跨距较大，接触网稳定性较差，曾发生阵风将接触线吹起造成打弓事故。

1.2 支柱

区间腕臂柱采用环形等径预应力钢筋混凝土支柱，站场软横跨柱及桥钢柱一般采用涂漆防腐。支柱使用情况较好，但部分混凝土支柱存在裂纹现象。

1.3 支持装置

腕臂结构一般为斜腕臂+水平拉杆形式；站场一般采用软横跨结构；隧道内一般采用吊柱支持结构。从运行情况来看，区间接触网稳定性较差，在阵风作用下，造成接触网受流质量差，严重时造成弓网故障；部分隧道漏水严重，冬季时常发生结冰现象，造成正馈线接地短路事故。

1.4 接触网零部件

大秦线既有接触网主要受力件一般采用铸铁件，导致接触网的可靠性较差，接触网维护工作量大，曾发生零件断裂现象。

2 接触网设计方案研究

大秦线2亿吨牵引供电系统扩能改造工程接触网的改造特点是：

投资紧张：本次改造工程，需更换接触悬挂1996条公里、附加悬挂3315条公里，增加和更换各种支柱6186根、更换软横跨1841组，更换腕臂及定位装置24376套，以及既有设施拆除等。接触网改造投资只有5.48亿元。

设计周期短：整个改造工程设计时间只有90天。设计文件必须满足施工进度要求，同时还要结合站前改造方案和既有接触网的现状情况，进行方案优化。尽量减少过渡工程。

改造范围大：除保留部分支柱保留外，接触网其他所有设备均需拆除、更新。

质量要求高：开行2万吨列车与开行1万吨列车有着本质的区别。多机多弓牵引，对接触网受流质量要求高。

根据以上特点，接触网设计时，结合现场调查情况，对以下问题进行论证、分析。

2.1 弓网关系模拟研究

根据多机多弓的牵引特点，为了实现单元列车2万吨，电力牵引需要多机牵引，也就是需要多个受电弓同时取流。接触网从被迫振动到恢复到静止状态需要一定的时间，当多个受电弓同时运行取流时，由于前弓造成的接触网的振动可能还未恢复到静止状态，后弓已运行到该处，后弓的受流质量会受到接触网余振的影响，同时也会加大该处接触线的抬升。多弓运行时，弓网间的动态关系不同于单弓运行，严重时会引起多弓共振，严重恶化受流质量。多弓运行时，受流质量不仅取决于受电弓和接触网，还取决于弓间距及弓间距和接触网跨距的配合关系。

受电弓间距。

根据大秦线试验机车DJ1的特点，要实现2万吨机车牵引需要四机牵引。如果四机连挂并且都升弓运行，弓间距如下：

35.3m+35.3m+35.3m+35.3m

接触网主要技术参数如下。

跨距：65 m；

接触线：CTA-150 mm2，张力15 kN；

承力索：JTM-150 mm2，张力；15 kN；

2.1.1 四机连挂模拟结果

列车速度：80 km/h。

受电弓型号：因未知受电弓具体数学模型，以相近受电弓模拟计算。

2.1.2 双机连挂模拟结果

如果牵引方式为列车头尾牵引，即在列车头有两台机车，中间有两台机车，因为两万吨列车较长，前面两台机车造成的接触网振动不会影响中间的两台机车的运行状况。因此只研究相邻两台机车的受流状况。当采用相同的条件时，模拟结果如表1， 表2所示。

2.1.3 弓网模拟结论

从模拟结果表1，2可知，不管四机连挂，还是双机连挂，第一个受电弓的抬升相差不大，但四机连挂时由于受电弓间的互相影响，第二个弓的动态抬升要大于两机连挂时，并且四机连挂时的第三个和第四个的受电弓的抬升也比第一个受电弓大。因此整体上来说，四机连挂时接触线的动态抬升量比双机牵引大。多弓运行时，由于受电弓间互相影响，弓网间关系变得更加复杂，比如：接触线动态抬升偏大。如果在设计时不注意这些变化，会恶化弓网关系。因此，在具体设计之前应根据机车布置方式和受电弓的类型详细研究，根据计算结果指导接触网的设计。

2.2 主要设计原则确定

2.2.1 悬挂类型确定（含附加导线）

由于AT供电方式接触网线材数量多、结构复杂，不仅要考虑线材机械强度要求，还要对牵引网网络的电流分布关系进行系统的分析和计算。从技术及经济的角度合理地选择线材截面、材质，使线材中的电流分布与线材的截面的选择达到最佳效果。

经方案比选，确定接触网悬挂类型为：正线采用JTM150+CTA-150全补偿简单链形悬挂、车站到发线有效长为2800 m时采用JTMH95+CTA-120全补偿简单链形悬挂、车站到发线有效长为1700 m时采用JTMH70+CTA-85全补偿简单链形悬挂。为了满足载流量的要求，正线承力索为低镁含量镁铜合金绞线（150 mm2、Mg0.2%），其导电率不小于80%IACS。接触悬挂载流量不能满足的区段，采用加强线进行电流加强。

为了提高接触网可靠性，采用钢芯铝绞线；隧道内正馈线拟采用胶联聚乙烯绝缘抗冰导线。牵引变电所、AT所供电线采用2×LGJ-300/15钢芯铝绞线，分区所供电线采用2×LGJ-240/30钢芯铝绞线，正馈线根据载流需要分别采用2×LGJ-185/10、1×LGJ-240/30钢芯铝绞线，保护线采用LGJ-95/15钢芯铝绞线。

2.3 主要设备及金具选择

2.3.1 支柱

腕臂柱支柱类型维持Φ400等经圆杆不变，只对容量不够和支柱裂纹严重的支柱进行更换。新增的接触网钢柱采用热浸镀锌防腐。

对软横跨容量不够的支柱进行更换。为节约投资，对部分拆除的接触网钢柱在满足使用要求时，进行涂漆后利旧使用。

对桥上60 m以上的大跨距，按增加支柱减小跨距处理，以增强接触网的稳定性。

2.3.2 支持装置

全线腕臂结构改为平腕臂，腕臂采用5 mm壁厚的无缝钢管，以提供腕臂强度及刚度。并设腕臂支撑，正定位及反定位均增加定位管支撑以增强接触网的稳定性；车站的悬挂采用软横跨方式。

隧道外腕臂绝缘子采用高强度瓷质棒式绝缘子（12 kN），隧道内采用复合绝缘子（12 kN）。绝缘子泄漏距离为1200 mm，上下行分段绝缘子泄漏距离为1600 mm。

2.3.3 接触网零件的研究

由于150 mm2的接触线、承力索在国内电气化铁路上是第一次使用，与之配套的16种（定位线夹、吊弦线夹、接触线中心锚结线夹、承力索支撑线夹、终端锚固线夹、定位器、电连接线夹等）关键接触网零件的设计、研究。引入有限元分析的手段，提高科学性、合理性及可靠性；在制造工艺上尽量采用金属模锻造、金属模铸造等先进工艺。

根据弓网关系模拟结果，确定态包络线为水平摆动左右200 mm，动态抬升120 mm，接触网定位器采用钢材质。经过近4年的运行证明弓网状态良好。

2.3.4 相关技术数据的确定

结构高度

根据既有支柱条件和接触悬挂方式，确定区间接触网结构高度一般为1400 mm，隧道内一般为800 mm。

跨距选择

根据既有跨距，确定最大跨距为65m，曲线区段根据计算确定。桥梁上（风口地段）跨距布置，对大于60 m的跨距，采取在跨中桥墩上增加支柱的设计方案。

锚段长度

正线接触网锚段长度一般不超过1600 m，困难时不超过1700 m；站线接触网锚段长度一般不超过1800 m，困难时不超过1900 m；附加导线锚段长度一般不超过2000 m。

3 对既有材料利旧使用

为节约工程投资，避免浪费既有材料，对符合使用要求的材料进行利旧使用。其主要内容为：腕臂、正馈线、保护线肩架再镀锌后可利旧使用，对因站场改造拆除的软横跨钢柱，重新涂漆后利旧使用，对下锚拉杆利旧使用，抗弯8 kN的棒式绝缘子等，对利旧材料需结合荷载变化进行检算、检验、试验才能使用。通过材料利旧，共节约工程投资约1000万元。

4 接触网与其他专业的配合

4.1 接触网与车站设计的配合

大秦线2亿吨扩能改造工程中，有11个车站到发线有效长为2800 m，车站股道数量为4～27股，这样长的车站在国内也是第一次采用，有技术作业的车站每隔700 m在两股道间设有一处腰岔（渡线）。对接触网平面布置提出了新的要求。如按正常的站场设计方案，接触网在每股道需设2～3个锚段，加之腰岔处的单独下锚的锚支锚段，使车站内接触网的工作支、非工作支的交叉非常多。为保证接触悬挂的正常下锚角度，锚支的过渡长度会很长，在股道和腰岔较多的车站会使接触网的平面布置非常复杂，不但造成接触网工程投资的增加、施工和运营维护难度大，当接触网发生事故时影响范围将扩大，同时也影响整个站场的美观。

为此，接触网专业在设计过程中，给站场专业提出改进修改设计建议，要求站场专业在进行站场设计时每隔4～5股道留一个6.5 m的线间距，以方便接触网锚柱立杆。

4.2 接触网与其他专业的配合

在桥梁设计过程中，接触网专业将需要配合桥墩接触网支柱的荷载及支柱安装尺寸提供给桥梁专业，由桥梁专业设计预埋接触网托架。

5 多渡线区段的特殊设计

柳村南站到发线有效长2800 m，共27股道，且大部分为小半径曲线，由于技术作业的需要，在线间设置了近百组腰岔，一股到发线要由3～4个锚段组成，需设2～3个锚段关节。如按常规设计，腰岔处每条渡线需单独设置一个锚段，腰岔区段接触网的平面布置会非常复杂。

在设计中经过研究、论证，确定采用线岔过渡代替锚段关节的设计方案，不仅使接触网的平面布置更加简化，而且能够节省大量投资。将锚段关节由线岔替代渡线成“V”形状下锚。此布置形式对施工技术要求更高，在线岔调整时仔细、认真，以期达到最佳效果，否则将会影响弓网等关系。采用线岔过渡代替锚段关节后，节约了下锚支柱约150根、接触悬挂架设约15 km及接触网相关配件，节约工程投资约400万元。而且缩短了施工周期、减少了施工过程对运输的干扰，使接触网布置更美观。也为以后类似工程的开展积攒了宝贵经验。

6 结语

经过对设计方案的研究论证，满足了2万吨列车的开行条件，并适当留出余量。工程竣工已有8年多时间，因设计方案与运营实际情况相匹配，在运营中得到了实践验证，未发生因接触网的不适应引起的行车故障。在工程实践中，取得了多项自主创新成果，为今后重载铁路的设计积累了宝贵经验。经济和社会效益增加十分明显。

大秦线2亿吨扩能改造后牵引质量为2万吨、轴重为25 t。在通过特大桥时对桥墩产生的振动时间、振动幅度相对加大，影响接触网的稳定性，对此问题还需进一步研究解决。

参考文献

篇8

关键词： 物联网； 智能机器人； 远程控制； 太能； STC11F32E

中图分类号： TN915?34； TN923； TP399 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0073?04

Design of IOT intelligent robot

TANG Lili1， WANG Jinyong1， HUANG Wei2

（1. Zhixing College， Hubei University， Wuhan 430011， China； 2. System Design Institute of Hubei Aerospace Technology Academy， Wuhan 430040， China）

Abstract： The network intelligence robot system was developed on the basis of STC11F32E MCU， TCP / IP network communication protocols and Android. The system is composed of video capture module， WiFi transmission module， PC upper computer software， Android mobile client， robot， intelligent control module， etc. The system can utilize PC or mobile phone APP to make robot switch among following mode， obstacle avoidance mode or intelligent tracking mode according to the needs of different environments， and control the robot′s movement direction and action. It can make the real?time picture taking， data acquisition and display throughout the course of the operation. Of cause， the operator can also control the robot to complete the set task. The experiment result indicates that the network intelligence robot is basically completed， and the predicted functions have realized.

Keywords： Internet of Things； intelligent robot； remote control； solar energy； STC11F32E

物联网智能机器人是机器人家族中的一种，具有智能跟踪、环境监控、数据测试、远程操作、跟踪拍摄、路线循迹等功能，可以通过电脑上位机或手机客户端远程控制电视、空调等。也可以实现传统的智能自动跟踪、自动循迹和自动避障。在整个运作过程中可以实时拍摄周围视频资料，创新云台设计，实现全方位无死角拍摄。

当前我国大力提倡节能减排，创新驱动发展，为了响应国家号召，在设计物联网机器人时创新加入太阳能充电装置，虽然充电效率不高，但太阳能是最环保、有很大前景的能源。

1 总体设计方案

物联网智能机器人的总体设计方案如图1所示。

图1中有两种控制模式，一种是组成机器人控制局域网，将上位机PC端，手机客户端APP和智能机器人连接起来，实现上位机PC端或手机APP客户端控制机器人和显示视频数据的目的；另一种远程控制方案是将机器人通过网络和互联网相连，再将上位机PC端或手机APP客户端通过数据线连入互联网，可以实现远程终端通过互联网和机器人相连，进而实现控制机器人和视频传输。这两种设计方案的核心技术相同，都是通过网络地址和端口号的设定，再通过指令传输和视频数据传输，进而达到控制的目的。由于考虑到演示的效果和方便操作，本设计用局域网机器人控制的方式进行分析说明。

从数据传输方面来说，无线路由器是手机APP客户端、上位机PC端和下位机的数据核心，终端可以通过一个套接字编程，建立网络接口，进而与无线路由器进行连接，智能机器人便可以通过一个网口转串口的WiFi模块，再将机器人的串口数据通过这个模块转变成WiFi信号，就可以实现和无线路由器进行数据传输。其中，手机客户端APP、上位机PC端和下位机都有相应的局域IP地址。通过设置正确的IP地址，就可以实现数据的传输。

从控制的方面来说，手机客户端APP和上位机PC端是智能机器人的控制中心[1]，这两者可以通过按键，发出相应的指令给智能机器人，智能机器人解说到对应的指令后给上位机，再由上位机将接收到的指令进行解析，并执行相应的程序，完成对应的动作。

1.1 上位机PC端软件设计

上位机PC端[2]的功能是控制机器人的运动，控制机械手的动作，显示机器人当前的速度，采集机器人所在环境的温湿度，控制云台方向，显示机器人周围的视频数据。同时，可以在上位机PC端上切换智能机器人的工作模式，其中机器人的工作模式有：循迹模式、红外避障模式、雷达避障模式、智能模式等，可以根据环境的需要切换不同的模式，也可以通过上位机PC端发送对应的指令，控制家用电器如电视、空调等。上位机PC端软件设计如图2所示。

图2中的功能实现主要由两个流程完成：第一个流程核心任务是完成从机器人端传过来的视频数据和音频数据，而这部分的技术主要是DirectShow；第二个流程核心任务是完成从机器人端传输过来的机器人当前速度和温湿度等信息，选择当前机器人的工作模式，以及完成在上位机PC端和机器人之间的指令传输，实现机器人的向前、向后、向左、向右、加速、减速、停止、开灯和鸣笛等[3]功能。在上位机PC端上有控制机械手的进度条，可以远程控制机械手的操作完成相应的动作，也可以设置机械手和云台舵机的初始状态，避免开机时烧坏舵机。在雷达模式下，上位机PC端可以显示当前有无障碍物，并会做出转向的动作避开障碍物。在整个运动过程中上位机PC端都可以显示拍摄的视频画面，可以用鼠标在上位机视频显示区控制云台，实现机器人无死角拍摄。且两个流程都设置有各自互不干扰的套接字，第一个流程与机器人的摄像头模块完成数据传输，第二个流程与机器人网口转串口模块完成数据交互。

1.2 手机客户端APP软件设计

本文中的手机APP客户端采用Android系统，在Eclipse平台上用Java语言编写开发的[4]。可以通过APP手机客户端完成的设置和操作有：设置机器人的运动方向指令；设置网络地址、视频存储和拍照存储地址；设置是否用触摸屏控制云台；显示视频画面；控制摄像头方位和机械臂动作角度；重力控制机器人。

手机APP客户端软件控制设计流程如图3所示。

1.3 下位机软件设计

下位机设计是机器人核心处理器程序的设计。其设计内容主要包含视频传输控制、云台操作控制、温湿度采集、红外对管模块和红外控制家电的设置，以及采集到的视频数据和控制指令互传等。在设计过程中每部分都是分模块编写的，都有相应的程序模块，再由主函数将所有模块综合起来，当下位机程序接收到上位机PC端或手机客户端APP的相关指令后，就调用相对应的程序模块，执行设定好的动作，并将完成的结果发送给终端，其设计流程如图4所示[5]。

下位机能够完成上位机PC端或手机客户端APP指令，并做出相对应的动作的核心是机器人中有网口转串口模块。机器人将代码指令通过串口转网口模块，再以WiFi的形式传出去，上位机PC端或手机客户端APP便可以接收到下位机发出的指令，通过解析并显示出来，为机器人的下一步动作做好准备。使用模块时必须设置正确的IP地址以及端口号，只有对应的设置正确了，上位机PC端、手机客户端和下位机才能进行数据传输。

2 设计方案特点及扩展说明

2.1 特点介绍

本设计是以PC软件、安卓软件、网络通信、物联网以及单片机技术为基础，结合当今提倡的利用环保型能源，创新的构想设计出来的。从机器人处理器的选型，各个模块的选取，通信协议方案的制定，以及上位机PC端、手机客户端APP的设计都与现有的“机器人”有较大的区别。本设计利用当前最普通的处理器，完成不同寻常的动作，其特点总结如下：摄像头全方位拍摄； 上位机PC端和APP客户端可以显示视频画面，并可以实现控制；上位机PC端可以控制云台，检查机器人状态； 上位机PC端、APP手机客户端和机器人上位机可以指示小车的运动状态[6]；可以实现远程操作机械手； 可以实现遥控家用电器如电视、空调等；可以用太阳能给蓄电池充电，并有指示灯显示蓄电池电量；可以接收上位机的控制指令，实现控制，上位机亦可接收反馈指令和视频的数据流。

其中本设计中的通信方式利用的是TCP/IP协议，采用无线网络技术实现对机器人的控制。只要设置好IP地址和端口号后就可实现连接，可以实现局域网内机器人的控制，也可以实现超远程对机器人的控制。另外上位机PC端软件和手机客户端APP软件，控制模式多样，应用领域广泛，符合当前机器人的发展趋势，为当前机器人的发展提供可行方案。

2.2 扩展说明

物联网智能机器人不仅可以完成上文介绍的功能，还可以扩展以下功能[7]：带有指示灯显示运动方向并能够实现通过重力感应对机器人的控制；带有GPS全球定位功能在危机时刻或者必要时可以发送信息；太阳能电池板减轻重量，实现对机器人供电补给；语音功能，可以实现语音播放；可以利用机器人无线设备上网，打电话等。

3 方案难点及关键技术

本设计方案难点在于：

（1） 上位机PC端在操作控制机器人时，对数据传输的实时性要求很高，并要用相应的表盘显示出来，且对数据传输的稳定性要求更高，网络通信实现不间断传输更是困难；

（2） 手机客户端APP通过触屏控制云台，并显示拍摄视频画面。显示视频就很困难，而通过触摸屏幕不同方位，控制云台方向更是困难；

（3） 视频处理是利用M?JPEG格式图片，在规定时间内传输一定张数，显示出视频画面。如果对DierctShow技术内部细节掌握不够，处理视频时就会很困难。关键技术有：下位机程序模块化编写；上位机PC端软件编写；手机客户端APP的编写；TCP/IP通信协议的设定；机器人作为无线网接入网络；机器人智能模式的完成。

4 系统仿真与结果分析

4.1 物联网智能机器人整体外观

物联网智能机器人外观设计见图5，整个设计主要分为上位机PC端、手机客户端APP和机器人三个部分。

4.2 系统整体调试

机器人调试主要包括上位机PC端的调试、手机客户端APP调试和机器人整体调试。其中机器人整体调试包括机械手调试，太阳能板调试，智能传感器模块调试，智能控制电视、空调调试、视频显示调试等。

4.2.1 上位机PC端调试

上位机PC端界面可以设置网络连接模式，显示视频、温湿度和速度等，并实现对机器人运动控制、云台控制、机械手控制以及对应的功能调试，如图6所示。

（1） 网络连接。网络连接IP地址为192.168.1.1，端口号为2001。其中此IP地址和端口号分别为机器人的网络地址和 WiFi模块默认的端口号。上位机设置成以上地址和端口号后就可以实现连接了。这里着重调试通信协议，通信指令按照之前设定好的代码，当发送相应的代码，机器人就可以做出相应的动作。

（2） 机器人的运动。机器人上位机PC端连接好网络后，用键盘就可以控制机器人的运动。分别点击W，S，A，D是向前、向后、向左、向右的运动，当拖动鼠标时就可以控制云台，进而控制摄像头方位。

为了能更清晰地指示当前机器人的运动状态。在机器人的上端设置有指示灯，当机器人向前运动时，向前的指示灯亮；当向后时，向后的指示灯亮；向左、向右情况相同。并且机器人运动的方位不同，指示灯显示的颜色不同。智能机器人在上位机PC端可以设置不同的控制模式，在不同的应用领域应采用不同的模式。不同的控制模式和控制模式命令代码分别为：FF130100FF，FF130200FF，FF130300FF，FF130400FF，FF130000FF，FF50000XFF。

（3） 遥控电视。智能机器人可以通过红外控制家中电器电视和空调等。首先通过上位机PC端发送FF500001FF，让智能机器人学习一个“频道加”按钮，之后再通过上位机PC端发送FF510001FF就可以使用智能机器人来控制家中电视“频道加”。

4.2.2 手机客户端APP调试

（1） 网络连接。在APP端上可以设置网络地址为192.168.1.1，再设置端口号为2001。确认连接后，即可以显示机器人拍摄的画面。

（2） 机器人运动。在APP上可以通过遥感、按钮控制机器人，也可以通过手机的重力感应控制机器人。同时亦可通过控制机械臂进度条来控制机械手，实现机械手的操作自如。

（3） 视频显示。在整个控制过程中，可以实时显示拍摄的视频画面。在进行超远程控制时，画面仍然可以传输回来，且能清晰显示。另外在调试时发现，设置波特率时不能调的特别大，不然显示的画面不清晰。

5 结 语

在经过多次调试和反复修改程序，物联网智能机器人基本完成，实现了预期的功能。视频传输和指令传输正常，系统稳定，机器人各个控制功能都可以完成，电量显示的灵敏性，数据采集的准确性，太阳能充电的能量利用率都达到要求，且无论是在局域网还是超远程互联网中都可以对机器人操控，其系统的可靠性和稳定性可以和近距离控制相比。

本设计将PC软件技术、安卓手机APP、通信技术、传感器技术和单片机技术有机地结合起来，顺应了当今电子行业的发展趋势，扩展了物联网的应用领域。本设计应用领域广泛，有很大的市场价值，另外，机器人还可以扩展GPS全球定位、无线上网、语音对话等。

参考文献

[1] 崔更申，孙安青.ARM嵌入式系统开发与实践[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2] 梁伟.Visual C++网络编程经典案例详解[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3] 李艳红.单片机I/O口不宜用作直接驱动出口[J].电站设备自动化，2003（2）：23.

[4] 杨丰盛.Android应用开发揭秘[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.

篇9

关键词：机械手；PLC；液压伺服定位；电液系统

目 录

第1章 前言............................................................. 1

1.1　选题背景. 1

1.2　设计目的. 1

1.3　发展现状和趋势. 1

第2章 机械手各部件的设计. 3

2.1机械手的总体设计. 3

2.1.1　机械手总体结构的类型. 3

2.1.2　具体设计方案. 4

2.2机械手手爪结构的设计. 4

2.2.1　设计要求. 4

2.2.2　驱动方式. 5

2.2.3　典型结构. 5

2.2.4　具体设计方案. 6

2.3机械手手腕结构的设计. 7

2.3.1　手腕结构的设计要求. 7

2.3.2　具体设计方案. 7

2.4机械手手臂构的设计. 8

2.4.1　手臂结构的设计要求. 8

2.4.2　具体设计方案. 8

2.5机械手腰座结构的设计. 9

2.5.1　腰座结构的设计要求. 9

2.5.2　具体设计方案. 9

2.6机械手的机械传动机构的设计. 10

2.6.1　传动机构设计应注意的问题. 10

2.6.2　常用的传动机构形式. 10

2.6.3　具体设计方案. 11

2.7机械手驱动系统的设计. 12

2.7.1　常用驱动系统及其特点. 12

2.7.2　具体设计方案. 12

2.8机械手手臂的平衡机构设计. 12

2.8.1　平衡机构的形式. 12

2.8.2　具体设计方案. 13

第3章 理论分析和设计计算. 14

3.1电机选型有关参数计算. 14

3.1.1　有关参数的计算. 14

3.1.2　电机型号的选择. 16

3.2液压传动系统设计计算. 18

3.2.1 确定液压系统基本方案. 18

3.2.2 拟定液压执行元件运动控制回路. 19

3.2.3　液压源系统的设计. 19

3.2.4　绘制液压系统图. 20

3.2.5　确定液压系统的主要参数. 21

3.2.6　计算和选择液压元件. 26

第4章 机械手控制系统的设计. 28

4.1系统硬件设计. 28

4.1.1 操作面板布置. 28

4.1.2 工艺过程与控制要求. 28

4.1.3 作业流程. 29

4.1.4 控制器的选型. 30

4.1.5 控制系统原理分析. 31

4.1.6 PLC外部接线设计. 31

4.1.7 I/O地址分配. 32

4.2系统软件设计. 33

4.2.1　控制主程序流程图. 33

4.2.2　控制程序设计. 34

结论. 51

致谢................................................................52

参考文献.......................................................... 53

第一章 前言

1.1选题背景

由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。

1.2设计目的

目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动化生产的要求，针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。

1.3发展现状和趋势

目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：

一．机械结构向模块化、可重构化发展。

二．工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。

三．机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展。

四．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；

五．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

总的来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

第二章机械手各部件的设计

2.1机械手的总体设计

2.1.1机械手总体结构的类型

工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：

1.直角坐标机械手结构特点

直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1.a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

2.圆柱坐标机械手结构特点

圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。

3.球坐标机械手结构特点

球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。

4.关节型机械手结构特点

关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。

2.1.2具体采用方案

如图2-2所示机械手模拟工作布局图，根据实际操作的需要，该机械手在工作中需要3种运动，其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动，另一个为手臂的回转运动，因此其自由度数目为3，综合考虑，应选择圆柱坐标机械手结构，其结构简单，工作范围相对较大，且有较高的精度，满足设计要求。

2.2机械手手爪结构设计

2.2.1设计要求

手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。

机械手手爪设计有如下要求：

1、机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。

2、机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。

3、机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。

4、机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。

2.2.2驱动方式

一般工业机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型；按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。

机械手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种：

1.气动驱动方式

这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。

2.电动驱动方式

电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。

3.液压驱动方式

液压驱动方式是利用液压系统进行控制，传动刚度大，可实现连续位置控制。

2.2.3典型结构

机械手手爪的典型结构有以下五种：

1.楔块杠杆式手爪

利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。

2.滑槽式手爪

当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。

3.连杆杠杆式手爪

在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。

4.齿轮齿条式手爪

通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。

5.平行杠杆式手爪

采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，且比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小得多。

2.2.4具体设计方案

结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构形式如图2-3所示：

2.3机械手手腕结构的设计

机械手手腕是机械手操作机的最末端，与手爪相连接，它与机械手手臂配合，使手爪在空间运动，完成所需要的作业动作。

2.3.1 手腕结构的设计要求

1、由于手腕安装在机械手末端，因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。

2、根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。一般情况下，自由度数目愈多，腕部的灵活性愈高，对对作业的适应能力也愈强。但自由度的增加，必然使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。

3、为实现腕部的通用性，要求有标准的连接法兰，以便于和不同的机械手手爪进行连接。

4、为保证工作时力的传递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。

5、要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。

6、手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。

2.3.2具体设计方案

通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）结构见图2-4。

2.4机械手手臂结构的设计

2.4.1手臂结构的设计要求

机械手的手臂在工作时，要承受一定的载荷，且其运动本身具有一定的速度，因此，机械手手臂的设计需要遵循以下设计要求：

1、工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应合理，一般满足其工作空间即可。

2、为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。

3、应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。

4、机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。

5、为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡。

2.4.2具体设计方案

由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件的重量较大（质量达30KG），以及机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性和较高的刚度要求，因此选择液压驱动方式。通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。

由于液压系统能提供很大的驱动力，因此驱动力和结构的强度都较容易实现，其关键在于机械手运动的稳定性和刚度的设计。因此手臂液压缸的设计原则是液压缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。

同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的直径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。

2.5机械手腰座结构的设计

2.5.1腰座结构的设计要求

机械手的腰座，就是机械手的回转基座。它是机械手的第一个回转关节，承受了机械手的全部重量。因此在设计机械手腰座结构时，有以下设计要求：

1、由于腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手腰座的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力，且腰座是机械手的第一个回转关节，它对机械手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度。

2、腰部结构要便于安装、调整。要有可靠的定位基准面和调整机构。且腰座要安装在足够大的基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。

3、腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。

4、为了减轻机械手运动部分的惯量，提高控制精度，要求回转运动部分由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。

2.5.2具体设计方案

腰座回转的驱动形式主要有两种，一是电机通过减速机构来实现，二是通过摆动液压缸或液压马达来实现。考虑到腰座是机械手的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。因为电动方式控制的精度高，结构紧凑，不用额外设计液压系统及其辅助元件。由于电机都不能直接驱动，并考虑到转速以及扭矩的具体要求，故采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。由于齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故仅采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小传动误差，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具体结构如图2-5所示：

2.6机械手的机械传动机构设计

2.6.1传动机构设计应注意的问题

由于传动部件直接影响着机械手的精度、稳定性和快速响应能力，因此，在设计机械手的传动机构时要注意以下问题：

1、机械手的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小，以提高机械手的运动速度及控制精度。并在传动链及运动副中采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差。

2、尽量减少系统运动部件的静摩擦力，而正摩擦力为尽可能小的正斜率，以消除爬行现象，增加系统寿命。

3、尽量缩短传动链，提高传动与支承刚度。

4、选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。

5、适当的阻尼比。阻尼比越大，零件产生振动时最大振幅越小，衰减越快。但大的阻尼会使系统误差增大，精度降低。故应采取合适的阻尼比。

2.6.2常用的传动机构形式

常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、链传动、同步带传动等。

1.螺旋传动

它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。

2.齿轮传动

在机械手中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。

齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器，用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动时，齿轮传动形式及其传动比必须是最佳匹配，应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出则为低转速，高转矩，且系统要有足够的刚度。同时，为保证在同一驱动功率时，其加速度响应最大，还要求其转动惯量尽量小。为使系统稳定，不产生传动死区，要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮，并采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性，降低成本。

3.链传动

在机械手中链传动多用于腕传动上，为了减轻机械手末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。

4.同步带传动

同步带传动是综合了普通带传动和链传动优点的一种新型传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，在带的工作面及带轮外周上均制有采用承载后无弹性变形的高强力材料制成啮合齿，通过齿间啮合进行传动。其特点是传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机械手中使用很多。

2.6.3具体设计方案

因为选用了液压缸作为机械手的手臂，它既是关节结构，又是动力单元，因此不需要中间传动机构，既简化了结构，又提高了精度。而其腰座的回转采用步进电动机驱动，而电动机不能作为直接驱动元件，因此为取得较大的转矩，经分析比较，选择圆柱齿轮传动。为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，以较大的降低电机转速，使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。

2.7机械手驱动系统设计

2.7.1常用驱动系统及其特点

工业常用驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。

1.液压驱动系统

具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动、精度高等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机械手。

2.气动驱动系统

具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机械手中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中。

3.电动驱动系统

具有使用方便，噪声较低，控制灵活等特点。这类驱动系统不需要能量转换，但大多数电机后面需安装精密的传动机构。

2.7.2具体设计方案

在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素，机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，因此采用步进电动机来实现。由于手臂采用液压缸，故用液压驱动。随着机床加工的工件的不同，手臂伸出长度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。而手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。

2.8 机械手手臂的平衡机构设计

直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机械手可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。关节机械手手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。

2.8.1平衡机构的形式

1.配重平衡机构

这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机械手手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机械手手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。

2.弹簧平衡机构

弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。

3.活塞推杆平衡机构

活塞式平衡系统分为两种，一是液压平衡系统，二是气动平衡系统。其中液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；而气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。

2.8.2具体设计方案

因为本机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机构进行平衡。

第3章 理论分析和设计计算

3.1电机选型有关参数计算

3.1.1有关参数的计算

1.若传动负载作直线运动（通过滚珠丝杠）则有

具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。

因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；

3.1.2电机型号的选择

根据以上计算结果，并综合考虑各方面因素，决定选择北京和利时电机技术有限公司（原北京四通电机公司）的步进电机，具体型号为：

110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301，该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好，各项参数如表3-2。

其中 110BYG550B-SAKRMA-0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。如图3-3所示

驱动方式为升频升压 ，步距角为0.36°。同时因为腰部齿轮传动比为1：120，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的1/120（理论上），虽然实际上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相当高，完全满足机械手的定位精度要求。

3.2液压传动系统设计计算

3.2.1确定液压系统基本方案

液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，液压缸实现直线运动，液压马达实现回转运动。二者的特点及适用场合见表3-1：

因为机械手设计为圆柱坐标形式，且具有3个自由度，一个为腰座的转动，两个为手臂的移动自由度。同时考虑机械手的工作环境和载荷对其布局和定位精度的要求，以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。

3.2.2拟定液压执行元件运动控制回路

液压执行元件确定后，其运动速度和运动方向的控制是液压回路的核心问题。

速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速；方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。

本设计的速度的控制主要采用节流调速，利用用比较简单的节流阀来实现，而方向控制采用电磁换向阀来实现。

3.2.3液压源系统的设计

液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。

油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。

本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀V1来调定系统压力。为了保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。

3.2.4绘制液压系统图

本机械手的液压系统图如图3-2所示（详见图纸第四页），

它拥有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。

其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。

考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5DT得电时，工作液体经由节流阀V5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。

另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用V2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。

3.2.5确定液压系统的主要参数

液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。

1.计算液压缸的总机械载荷

3.液压缸主要参数的确定

考虑到机械手的特点，系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此，先从刚度角度进行液压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性和安全性。至于液压缸的工作压力和缸的工作速度，放在液压系统设计阶段，通过外部的液压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑各方面的因素，初步确定各液压缸的基本参数如下；

因为伸缩缸的作用主要是实现直线运动，在其轴向上并不承受显性的工作载荷（因为手爪夹持工件，受力方向为垂直方向），轴向主要是克服摩擦力矩，其所受的载荷主要是径向载荷，载荷性质为弯矩，使其产生弯曲变形。而且因为机械手要求具有一定的柔性，水平液压缸活塞杆要求具有比较大的工作行程。同时具有比较大的弯矩和比较长的行程，这对液压缸的稳定性和刚度有较高的要求。

因此，在水平伸缩缸的设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理的结构布局设计，使其具有尽量大的刚度。为了达到这个目的，设计中采用了两个导向杆，以满足长行程活塞杆的稳定性和导向问题。另一方面，为增大结构的刚度和稳定性，将两个导向杆与活塞杆布局成等边三角形的截面形式，以增大抗弯截面模量，也大大增加了液压缸的工作刚度。

因为垂直液压缸所承受的载荷方式既有一定的轴向载荷，又存在着比较大的倾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作为液压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。这里同样采用了导向杆机构，围绕垂直升降缸设置四根导杆，较好的解决了这一问题。

4.液压缸强度的较核

（1）活塞杆直径的较核

3.2.6计算和选择液压元件

1. 控制元件的选择

根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。

2. 液压泵的计算

第4章 机械手控制系统的设计

4.1硬件设计

4.1.1操作面板布置

操作面板布置如图4-2所示：

机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。

1.手动操作：就是用按钮作机械手的每一步运动进行单独的控制。当选择升／降按钮时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手上升。当选择正转/逆转按钮时，按下启动按钮，机械手顺时针转动，而按下停止按钮时，机械手逆时针转动。同理，当选择夹紧/放松按钮时，按下启动按钮，机械手爪夹紧，而按下停止按钮时，手爪松开。

2.自动操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手的动作将自动的、连续的周期性循环。在工作中若按下停止按钮，机械手将继续完成一个周期动作后，回到原点位置。

4.1.2工艺过程与控制要求

机械手的动作有腰座的旋转，垂直手臂的升降，水平手臂的伸缩及手爪的夹紧与松开。手臂垂直升降和水平伸缩由液压实现驱动；手爪的夹紧与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现；腰座旋转通过步进电动机与齿轮来实现。

其中，液压缸由相应的电磁阀控制，升降分别由双线圈的两位电磁阀控制，当下降电磁阀通电时，机械手下降；断电时，机械手下降停止；当上升电磁阀通电时，机械手上升；断电时，机械手上升停止。而水平方向的伸缩主要由电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器构成的回路进行调节控制。

实现执行手爪夹紧与放松的柱塞缸，由单线圈的电磁阀（夹紧电磁阀）来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，手爪闭合。

当机械手旋转到机床上方，并准备下降进行上下料工作时，为了确保安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才允许机械手下降进行作业。同时，从工件料架上抓取工件时，也要先判断料架上有无工件可取。

4.1.3作业流程

机械手工作流程如图4-1所示：

从原点开始，按下启动键，且有上下料命令，则水平液压缸开始前伸并进行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同时张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同时手爪夹紧，抓住工件； 上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止； PLC开始输出高速脉冲，驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动； 接着下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后，碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，机械手到达卡盘中心高度； 机械手开始水平定位后缩，将工件装入机床卡盘； 当工件装入到位后，卡盘收紧； 机械手松开手爪，准备离开； 接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止； PLC启动高速脉冲驱动机械手作顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动，机械手回到原点待命； 机床进行加工。

当数控机床加工完一个工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，PLC马上输出脉冲驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动； 下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降且张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止且手爪夹紧，夹紧已加工好的工件；机床卡盘松开； 机械手开始前伸，将工件从机床上取出，准备运走； 上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止； PLC输出高速脉冲，驱动机械手顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动； 下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止； 接着手爪柱塞缸电磁阀通电，手爪张开，放下工件准备离开； 接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同时手爪也闭合复原； 接着机械手水平手臂开始后缩，准备回原点，当后缩到位时，后缩停止，机械手回到原点，一个上下料过程结束； 机械手在原点等待命令，准备下一个工作循环。

机械手的每次循环都从原点位置开始动作。

4.1.4控制器的选型

机械手控制系统的硬件设计上考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元件连接的灵活性和方便性，控制器应选择有极高可靠性、专门面向恶劣的工业环境设计开发的工业控制器---PLC，故选择在国内应用较多的西门子S7-200型PLC。具体型号为SIMATIC S7-200 CPU224。如图4－3所示：

该PLC集成14，输入/10，输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，具有16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。

4.1.5控制系统原理分析

由于机械手作业时，取、放工件和装、卸工件都有较高的定位精度要求，所以在机械手控制中，除了要对垂直手臂、执行手爪液压缸和腰部步进驱动进行开环控制外，还要对水平手臂进行闭环伺服控制。

为了减少PLC的I/O点数，以伺服放大器作为闭环的比较点。伺服放大器具有传感器反馈输入端，给定的输入信号和反馈信号进行比较后形成的控制信号经过PID调节和功率放大后，驱动电液伺服阀对液压缸进行伺服定位。PLC将上位机输入的给定信号转换为电压信号，输出至伺服放大器，由伺服放大器作为闭环比较点，组成模拟控制系统，如图4-4所示：

这种方案使得PLC控制量少（尤其是模拟量），节省了系统资源，而且编程简单，不必过多考虑控制算法等优点，也是完全能满足工作要求的。

4.1.6 PLC外部接线设计

为实现水平手臂液压缸伺服定位的控制要求，利用西门子SIMATIC S7-200 （CPU224）PLC，考虑到位移传感器和伺服放大器工作采用的都为模拟量，因此增加一个模拟量输出模块EM232。鉴于伺服放大器和位移传感器对输入的要求，PLC的模拟量采用-10V~ +10V输入输出，各输入输出点及其接线如图4-5所示。

PLC的具体硬件接线图如下图所示（详细的硬件设计见图纸）

4.1.7 I/O地址分配

详细参见表4-1、4-2：

4.2软件设计

4.2.1控制主程序流程图

机械手控制主程序流程图如图4-6所示：

结 论

本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。

机械手采用可编程序控制器控制，可以实行手动调整、手动及自动控制。系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对I/O点的接线稍作修改，或对I/O重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

综上，经过资料的收集、方案的选择比较和论证，到分析计算，再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大学四本科阶段的知识有了一个整体的深层次的理解，同时对工程的理解更加深刻和准确。因此，通过毕业设计实现了预期目标。

致 谢

经过一段时间的努力，本次毕业设计终于完成。在这段时间里，我运用大学所学知识，通过对本设计的论证、计算以及图纸的绘制，对大学所学知识进行了一次系统的整合，使自己的理论和实际动手能力有了很大提高。

此次毕业设计能够顺利完成，我得到了很多老师和同学的帮助和支持，在此向他们表示感谢。在此毕业设计过程中，尤其要感谢我的指导老师，他给我很多专业方面的帮助，让我少走很多弯路。还有在大学里所有的任课老师和图书馆的管理老师，也谢谢你们，是你们给我知识，谢谢！

此外，由于个人知识能力水平有限，论文中难免有纰漏错误指出，恳请各位老师批评指正，谢谢！

参考文献

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12．张启玲， 何玉安. PLC在气动控制称量包装装置中的应用. 液压与气动. 2005， (1): 31~33

篇10

一、现代制造技术概述

先进制造技术是以提高综合效益为目的，以人为主体，以计算机技术为支柱，综合应用信息、材料、能源、环保等高新技术以及现代系统管理技术，研究并改造传统制造过程作用于产品整个寿命周期的所有实用技术的总称。先进制造技术有如下特点:1.先进制造技术不是一成不变的，而是个动态技术。它要不断吸收各种高新技术成果，将其渗透到产品的设计、制造、生产管理及市场营销的所有领域及其全部过程。2.先进制造技术并不摒弃传统技术，而是不断用新技术、新手段去研究它，并运用科技新成果去改造它，充实它。3.先进制造技术特别强调计算机作用和人的主体作用，强调人、技术、管理三者的有机结合。4.先进制造技术不是一项具体技术，它是利用系统工程技术将各种相关技术集成为一个有机整体，强调各专业学科之间的相互渗透和融合。先进制造技术的体系结构包括三大主体技术群和一个支撑技术群。三大主体技术群为现代制造系统管理技术群、面向制造的工程设计技术群和物流技术群。支撑技术群包括大、中、小型计算机及其网络通信系统、工程数据库、专家系统以及各种应用软件等。

二、并行工程技术

并行工程技术是现代制造系统管理技术群的主要组成部分。长期以来，新产品的开发和投资已经形成一套固定的模式。产品开发的各个阶段呈顺序方式:市场调研、产品计划、产品设计、试制样机、修改设计、工艺准备、正式投产。在这种开发模式中，在产品计划和产品设计阶段，尽管设计人员也考虑到产品的制造问题，但这种考虑是零碎的，不系统的。设计人员考虑的主要是如何满足产品的功能问题。尽管实践证明，对于批量较大、市场寿命较长的产品而言，这是一种行之有效的开发模式。但对于批量不大，更新换代又快的产品，这种模式就远远不能满足要求了。于是，在八十年代末期，人们提出并行工程的概念。所谓并行工程，就是集成地、并行地设计产品及其零部件和相关各种过程的一种系统方法。这种方法要求产品开发人员与其他人员共同工作，在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的要求。并行工程具有如下特点:1.强调团队工作精神和工作方式一个人的能力总是有限的，他不可能同时精通产品从设计到售后服务各个方面的知识，少也不可能掌握各个方面的最新情报。因此，为了设计出便于加工、便于装配、便于维修、便于回收、便于使用的产品，就必须将产品寿命循环各个方面的专家集中起来，形成专门的工作小组，大家共同工作，随时对设计出的产品和零件从各个方面进行审查，力求设计出便于加工、便于装配、便于维修、便于运送、便于使用的产品。在计算机及网络通信技术高度发达的今天，工作小组完全可以通过计算机网络来工作。2.强调设计过程的并行性并行性有两方面的含义:其一是在设计过程中通过专家把关，同时考虑产品寿命循环的各个方面;其二是在设计阶段就可同时进行工艺(包括加工工艺、装配工艺和检验工艺)过程设计，并对工艺设计的结果进行计算机仿真，直至用快速原形法产生出产品的样件。这种方式与传统的设计在设计部门进行，工艺在工艺部门进行已大不相同。3。强调设计过程的系统性设计、制造、管理过程不再是一些相互独立的单元，而是将它们纳人一个系统来考虑。设计过程不仅出图纸和其他设计资料，还要进行质量控制、成本换算等。4.强调设计过程的快速“短”反馈并行工程强调对设计结果及时进行审查，并及时反馈给设计人员。这样可以大大缩短设计时间，可以将错误消灭在萌芽状态。先进的管理技术和设计方法一定会带来巨大的经济效益，并行工程技术正是如此。并行工程技术可从以下几点为企业带来经济效益:(l)降低成本并行工程可在三个方面降低成本。首先，它可以将错误限制在设计阶段。众所周知，错误发现得愈晚，造成的损失就愈大。其次，并行工程不同于传统的“反复试制样机”的作法，强调“一次性达到目的”。这种一次性达到目的是靠软件仿真和快速样件生成实现的，省去了昂贵的样机试制。其三，由于在设计时就考虑到加工、装配、检验、维修等因素，产品在丧市前的成本将会降低，同时，在上市后的运行费用也会降低。(2)提高质量采用并行工程技术，尽可能将所有质量问题消灭在设计阶段，使所设计的产品便于制造、易于维护。这就为产品的“零缺陷”提供了基础，使得制造出来的产品甚至用不着检验就可上市。因为，根据现代质量控制理论，质量首先是设计出来的，其次才是制造出来的，而不是检验出来的。检验只能去除废品，而不能提高质量。(3)保证了功能的实用性由于在设计过程中，同时有销售人员参加，有时甚至还包括顾客，这样的设计方法反映了用户的要求，能保证去除冗余功能，降低设备的复杂性，提高产品的可靠性和实用性。(4)缩短产品投放市场的时间并行工程技术的主要特点就是可以大大缩短产品开发和生产准备时间，使新产品从设计到投人市场的时间大大缩短，增强产品的市场竞争能力。

三、并行工程技术的应用

并行工程管理模式已越来越多地应用于企业的生产管理中。参考文献图论述了并行管理模式在模具生产管理中的应用，即如何在保证模具质量的前提下，以最低的成本和最短的周期，将模具提交给用户。并行工程以CIMS的信息技术为基础，通过项目小组的工作方式，改进模具开发流程。同时利用面向制造的设计(DFM)和面向装配的设计(DFA)等工具，达到缩短模具开发周期，保证模具质量，并降低模具开发成本的目标。模具生产从产品决策到制造的全过程，每一套模具都具有一定的独立性，为了很好地完成这种设计任务，必须采取项目小组的工作方式，小组成员由来自模具开发各阶段的人员组成，也包括用户代表。模具企业为了适应市场需求和吸引客户，必须满足客户对质量和交货期的苛刻要求，为此需要实行并行的过程管理。在模具的开发过程中，设计所占的时间相当长，约占整个开发周期的1/3。要缩短模具的开发周期，设计过程必须并行进行。面向制造的设计(DFM)和面向装配的设计(DFA)是并行设计的重要内容，其目的在于能够在设计的早期阶段就考虑与制造和装配有关的问题，减少和尽早发现设计错误，以便缩短产品开发周期和降低成本。在模具设计过程中，采用DFM、DFA技术能有效地缩短设计时间，降低成本。另外，在模具的生产管理和质量控制等方面也都需在并行的工作方式下进行。实践表明在模具生产管理中很好地应用并行工程管理模式可以为企业带来巨大的经济效益。参考文献〔3]论述了在并行工程环境下如何解决实际存在的冲突问题。在并行工程产品开发过程中存在着大量的冲突，有效地解决冲突是并行工程顺利实施的一个重要关键。由于冲突往往涉及并行工程多功能小组中的多个成员，冲突解决往往需要以协商的形式进行，而协商是一个多次循环反复互助的过程，协商中需要考虑的目标、约束较多，在计算、推理、评价、决策过程中难免出错，而改正错误的过程往往是一个回溯过程，即需要重复许多先前的工作，这使得协商非常低效。但在工程实践中存在大量的冲突实例，通过找出与当前冲突相似的实例，把该实例应用于冲突解决过程，能有效地解决当前的冲突问题，充分发挥过去的设计实验的作用。这就避免了协商过程中的许多循环、交互过程，加快了协商过程，提高了协商效率。文中给出了冲突解决实例的知识表达和知识管理模式以及相似实例的检索方式。基于实例的冲突解决技术是并行工程实施中的一项关键支持技术，它为多功能小组中各方面专家的协作提供了重要的技术支持，为各领域专家提供了一种记录、保存、利用丰富的工程实践经验的一种知识处理工具，是并行工程技术得以顺利实施的重要保证。