机械臂范文

导语：如何才能写好一篇机械臂，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

机械臂的模型仿真采用MatLab平台下的RoboticsToolbox工具箱，从而可以很方便地对机械臂运动学的理论进行学习和验证。工具箱内部包含了很多机械臂运动学方面的功能函数，如机械臂的坐标变换及机械臂正逆运动等。通过调用Link和Robot两个功能函数，利用Denavit－Hartenberg参数表来描述机械臂各个连杆间的位移关系，可以在三维空间为机械臂的每一个连杆建立一个坐标系或相对于机械臂底座的相对坐标系，进而确定每一个杆件的位置和方向。在建立多个运动坐标的时候，为了方便，一般建立一张关节和连杆参数的D－H参数表。根据图4所示的结构模型建立的参数如表1所示。利用表1建立的D－H参数表来进行机械臂数学模型的运动仿真，在Matlab中将6个关节初始角度按照表1设置为θ1=90°、θ2=0°、θ3=0°、θ4=－90°、θ5=90°、θ6=0°。通过调节工具箱中每个自由度对应的活动范围可以实现机械臂任一关节的位姿运动。

2机械臂控制系统硬件实现

采摘机械臂要实现其特定的动作离不开控制系统的支持，其控制系统主要由AVR主控板和舵机控制扩展板组成，此外还有一些辅助的硬件模块。例如，使其系统稳定工作的开关电源模块、调整工作姿态的键盘模块、实现人机对话的显示模块和语音播报模块。同时，为了实现在上位机上的监控，设计了基于MAX232的串行通信接口。

3机械臂控制系统软件实现

机械臂控制系统软件主要由主控板控制程序和上位机监控程序两部分组成。采摘机械臂主程序流程如图8所示。整个程序主要是通过键盘模块上按键的控制来切换操作模式，也可以在上位机设计的监控软件中来进行模式的选择判断。主程序主要由单自由度功能模式、多自由度功能模式、轨迹规划功能模式这3种工作模式组成，通过这3种工作模式，可以完整的展示采摘机械臂的整体自由度配合情况。为了在上位机上实现对机械臂的监控，借助于Labview软件设计了机械臂上位机控制系统。Labview使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式［6］。根据需求选择合适的控件并进行合理的布局，就可以构建一个美观的仪器仪表界面。设计的控制界面如图9所示，该界面包含有六个舵机的数据监控转盘、串口通讯设置、速度调节滑块、按键模块。通过RS232通信协议该监控软件可以实时的实现对六个自由度转角和方向的控制，其中舵机转盘上的数值代表脉宽值，其可调整的范围为500～2500μs，代表舵机相应的角度为0°～180°。在上位机上的控制信号发送给AVR主控制板，主控制板对接收到的上位机数据进行分析处理，将需要的运动形式及参数发送给舵机控制板，各个舵机根据接收到的控制数据进行相应的动作响应。

4结语

篇2

>> 一种新型林地采育作业臂的设计与优化 一种多关节智能机械手臂控制系统设计 一种新型高速数显表的设计与实现 一种电力巡检系统的设计与实现 一种企业服务总线的设计与实现 一种属性权威系统的设计与实现 一种口令加密工具的设计与实现 一种用于农业果实采摘的机械臂的改良及应用检验 一种仿生机械臂空间位置反馈方法的研究 一种用于化工厂排爆的组合机械臂 一种电梯曳引机制动器制动臂与基座连接方式的设计缺陷浅析 一种钩臂车后支撑架的焊接工装设计 一种RFID中间件设计与实现 一种用户注册登录系统设计与实现 一种时延设计方法与DSP实现 一种简单实用的检错与纠错算法设计与实现 一种靶场测速系统校准方法与装置的设计与实现 一种人脸检测与识别方法的设计与实现 一种简易汉字加密与解密算法的设计与实现 一种设计新颖的教学论坛的实现 常见问题解答 当前所在位置：l，2015-02-27/2016-12-16.梁嘉琪.把3D打印机改成书写机器人替人手写信件[DB/OL].

[8]高宇馨.这有一只差生机器人[N].好奇心日报，2015-06-10.

[9]陈华.“世界杯”让机器人话题大热[N].工人日报，2015-07-24（001）.

[10]杨亮，李慧蓝，辉龙.董明珠：格力机器人，要做成极品[N].南方都市报，2015-12-16.

[11]蔡汉明，钱永恒. Dobot型机器人运动学分析与仿真[J].机电工程，2016，33（10）：1217-1220.

[12]牛立刚，张月莹，胡志勇，等.基于Arduino的USARTHMI智能串口触摸屏的应用[J].机电信息，2016（15）：122-123.

[13]谭秀腾，郭小定，李小龙，等.基于ARM的桌面型3D打印机控制系统设计[J].应用科技，2014，41（5）：57-66.

篇3

关键词:果蔬;采摘;机械臂;自由度

中图分类号: TP241.2 文献标识码:A 文章编号:1674-0432(2010)-10-0119-1

在果蔬生产作业中,采摘作业约占整个作业量的40%。采摘作业质量的好坏直接影响到后续的储存、加工和销售。由于采摘作业的复杂性,其自动化程度仍然很低,目前国内采摘作业基本上都是手工进行,研究采摘机械臂不仅具有巨大的应用价值,而且具有深远的理论意义。

早在20世纪70年代,欧美国家和日本就开始了对苹果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等采摘机械臂的研究。1983年,美国研制出了第一台番茄采摘机械臂。随着农业机械化的发展,各个国家对采摘机械臂进行了更加深入的研究。

1 多功能黄瓜采摘机械臂

1996年,荷兰农业环境工程研究所研制出一种多功能黄瓜采摘机械臂。研究是在荷兰2hm2的温室里进行,整个机械臂由行走车、机械臂和末端执行器组成,末端执行器则由机械臂爪和切割器构成,行走车上装有完成采摘任务的全部硬件和软件。为采摘任务的完成提供最初的定位服务。此采摘机械臂有7个自由度,采用三菱RV-E2型6自由度机械臂,在底座增加了一个线性滑动自由度。温室中黄瓜种植方式为高拉线缠绕方式吊挂生长。在采摘过程中,机械臂对单个黄瓜进行采摘,采摘成熟黄瓜过程中不伤害其它未成熟的黄瓜。

2 全自动番茄采摘机械臂

2004年,美国加利福尼亚番茄机械公司推出了两台全自动番茄采摘机械臂。这类采摘机械臂首先将番茄连枝带叶割倒后卷入分选仓,仓内有能识别红色的光谱分选设备,可以挑选出红色的番茄,并将其通过输送带送入货舱内。这类番茄采摘机械臂每分钟可采摘1吨多番茄,1小时可采摘70吨番茄。

3 柑桔采摘机械臂

西班牙研究人员发明了一种柑桔采摘机械臂,它是由一台装有计算机的拖拉机、一套视觉系统和一个机械臂组成,能够从柑桔的大小、形状和颜色判断出是否成熟。这类机械臂每分钟可摘柑桔60个,并且摘下来的柑桔能够按大小马上分类。

4 关节型机械臂

日本早在20世纪80年代也开始了对采摘机械臂的研究。1984年,日本Kyoto大学开始了对番茄采摘机械臂的研究,并研制出了一个5自由度的关节型机械臂。1993年,日本Kondo等人研制的番茄采摘机械臂具有7个自由度,其末端执行器由两个机械手指和一个吸盘组成,视觉传感器主要由彩色摄像机来寻找和识别成熟果实,利用双目视觉方法对目标进行定位,行走装置采用4轮结构。与此同时,Kondo等人还针对草莓的高架栽培模式和传统模型研制出了相应的草莓采摘机械臂。该机械臂具有5个自由度,视觉系统与番茄采摘机械臂类似,末端执行器采用真空系统加螺旋加速切割器。

5 草莓采摘机械臂

国内对采摘机械臂方面的研究始于20世纪90年代中期,相对于发达国家起步较晚,目前还处在起步阶段,并且集中在高等院校和研究所进行研究。

中国农业大学张铁中等在草莓采摘机械臂方面已取得喜人的成果;此外,中国农业大学通过综合运用机器视觉、Bayes分类判别模式识别、机械设计、传感器等技术,对温室黄瓜采摘机械臂的视觉系统及末端执行器也做了大量试验性的研究。

6 视觉技术番茄采摘机械臂

南京农业大学的张瑞合等运用双目立体视觉技术对红色番茄进行定位,将成熟番茄与周围干扰环境分开,在番茄采摘机械臂的视觉方面取得了很大的成绩。

江苏大学的陈树人等人提出了基于神经网络的番茄采摘机器人双目视觉空间定位方法,构建了采摘机器人双目视觉实验硬件系统,通过神经网络计算建立了从图像坐标到世界坐标的复杂映射关系的双目视觉定位模型,而且针对重叠和被枝叶部分遮挡的成熟番茄以及受光照影响或成熟程度不同引起的边界缺失,导致目标空间定位误差过大的问题,通过引入主动视觉和仿生学思想,区别传统的番茄定位中所采用边缘轮廓特征信息的配准方法,提出了使用三维番茄表面信息的定位方法,满足了机械臂采摘番茄的定位精度要求。

7 基于神经网络的采摘机械臂

华南农业大学在室内模拟环境下对直径大于4cm的红色和黄色类果实图像进行了去噪、灰度变换、边缘提取、图像分割等操作,定量分析了各种颜色特征在分割中的表现,找到了果实图像分割的最合适的特征;除此之外,还建立了图像处理系统的界面,并且将BP神经网络用于CCD摄像机标定,确定了神经网络中的各个参数,使系统根据采集到的左右图像中目标的形心坐标直接得出其空间坐标。

8 结语

目前研制成功的采摘机械臂除了上述几种以外,还有葡萄采摘机械臂、蘑菇采摘机械臂、西瓜采摘机械臂和茄子采摘机械臂等。

参考文献

[1] 方建军.移动式采摘机器人研究现状与进展[J].农业工程学报, 2004,2(20):273-275.

[2] 宋健,等.果蔬采摘机器人研究进展与展望[J].农业机械学报,2006,5(37):158-160.

[3] 赵匀,等.农业机器人的研究进展及存在的问题[J].农业工程学报,2003,1(19):20-23.

篇4

【关键词】机器人;运动学正解;运动学逆解

Abstract：For the purpose of making trajectory plan research on puma560 robot，in the MATLAB environment，the kinematic parameters of the robot were designed. Kinematic model was established by Robotics Toolbox compiled the simple programming statements，the difference was discussed between the standard D-H parameters，and the trajectory planning was simulated，the joints trajectory curve were smooth and continuous，Simulation shows the designed parameters are correct，thus achieved the goal. The tool has higher economic and practical value for the research and development of robot.

Key words：robot;trajectory planning;MTALAB;simulation

1.前言

机器人是当代新科技的代表产物，随着计算机技术的发展，机器人科学与技术得到了迅猛的发展，在机器人的研究中，由于其价格较昂贵，进行普及型实验难度较大，隐刺机器人仿真实验变得十分重要。对机器人进行软件仿真，从运动图像和动态曲线表，可以模拟机器人的动态特性，更加直观的显示了机器人的运动状况，从而可以分析许多重要的信息。

对机器人的运动学仿真，很多学者都进行了研究。文献2以一个死自由度机器人为例，利用MATLAB软件绘制了其三维运动轨迹;文献4对一种柱面机械手为对象，对机械手模型的手动控制和轨迹规划进行了仿真;但上述各种方法建立的机器人模型只适合特定的机械臂模型。一种通用的，经过简单修改便可用于任何一种机械臂的仿真方法显得尤为重要。

2.机器人运动学简介

机器人学中关于运动学和动力学最常用的描述方法是矩阵法，这种数学描述是以四阶方阵变换三维空间的齐次坐标为基础的。矩阵法、齐次变换等概念是机器人学研究中最重要的数学基础。利用MATLAB Robotics Toolbox工具箱中的transl、rotx、roty和rotz函数可以非常容易的实现用其次变换矩阵表示平移变换和旋转变换。例如机器人在X轴方向平移了0.5米的其次坐标变换可表示为：

>>T=transl（0.5，0.0，0.0）

绕Y轴旋转90°可以表示为：

>>T=roty（pi/2）

符合变换可以由若干个简单变换直接相乘得到，例如让物体绕Z轴旋转90°，接着绕Y轴旋转-90°，再沿X轴方向平移4个单位，则对应的齐次变换可表示为：

>>T=transl（4，0，0）*roty（-pi/2）*rotz （pi/2）

3.构建机器人对象

使用计算机对机器人运动的仿真研究，首先需建立相应的机器人对象。在机器人学中通常把机械手看做是由一系列关节连接起来的连杆构成。为描述响铃按键之间平移和转动的关系，Denavit和Hartenberg在1955年提出了一种通用的方法，这种方法是在机器人的每个连杆上建立附属坐标系，然后用4*4矩阵来描述相邻两连杆的空间关系的方法，通过依次变换可最终推导出末端执行器相对于基坐标系的位姿，从而建立机器人的运动学方程。通常称为D-H参数法。

在Robotics Toolbox中，构建机器人对象主要在于构建各个关节，而构建关节时，会用到LINK函数，其一般形式为：

L=LINK（[alpha Atheta D sigma]，CONVENTION）其中CONVENTION可以取‘standard’和‘modified’，其中‘standard’代表采用标准的D-H参数，‘modified’代表采用改进的D-H参数。参数’alpha’带包扭转角，参数‘A’代表连杆长度，参数‘theta’代表关节角，参数‘D’代表偏距，参数‘sigma’代表关节类型：0代表旋转关节，非0代表平动关节。

这样，只需指定相应的D-H参数，我们便可以对任意机械臂进行建模。通过Robotics Toolbox扩展了plot函数还可将创建好的机械人在三维空间中显示出来。

图1 puma560机械臂三维模型

机器人运动学是主要研究关节变量空间和机器人末端执行器位置以及姿态之间的关系。常见的机器人运动学问题可分为两类：

1）运动学正解：对一给定的机器人，已知杆件几何形状参数和关节角度矢量，求机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态;

2）运动学逆解：给定机器人杆件的几何参数，给定机器人末端执行器相对于参考基坐标系的所需位置和姿态，求解各关节姿态，及判断机器人能否使其末端执行器达到这个所需的位姿。

下面用puma560型机械臂为例，演示运用Robotics Toolbox进行正运动学和逆运动学求解。利用Robotics Toolbox编写的控制程序，对运动学正解，逆解，轨迹规划等问题进行仿真研究。

定义puma560型机器人，其有两个特殊的位姿配置：所有关节变量为0的qz状态，以及表示”READY“状态的qr状态。如我们要求解所有关节变量为0时的末端机械手状态，则相应正运动学可由下述语句求解：

>>puma560;

>>fkine（p560，qz）

Ans =

1.0000 0 0 0.4521

0 1.0000 0 -0.1500

0 0 1.0000 0.4318

0 0 0 1.0000

得到的即为末端机械手位姿所对应的齐次变换矩阵。

图2 正运动学研究

如图2是起点[0 0 0 0 0 0]到终点[0 pi/2 -pi/2 0 0 0]的正运动学研究。

逆运动学问题则是通过一个给定的其次变换矩阵，求解对应的关节变量。例如，假定机械手终点为transl（0.4，0.5，0.2）。

图3 逆运动学研究

仿真得到腰关节、肩关节、肘关节关节坐标如图3所示。

4.结论

通过MATLAB Robotics Toolbox工具箱对puma560机械臂进行建模与仿真，研究其正运动学及逆运动学特性，得到了比较理想的仿真结果，为空间直线，曲线轨迹规划提供了实验数据基础。通过MATLAB变成进行的运动学正反解的运算，实现了对工作空间任意直线，曲线的拟合插值运算，从而为机械臂的变成算法与运动研究提供了理论与实验基础。另外，该工具箱还可以对机器人动力学、基于simulink的机械人动态仿真等许多机器人学的相关内容进行仿真与分析。

参考文献

[1]蔡自兴.机器人学基础[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]李延富.CINCINNATI机器人运动学和动力学的研究与仿真分析[D].沈阳：东北大学，2005.

[3]马如奇，郝双晖，郑伟峰，等.基于MATLAB玉ADAMS 的机械臂联合仿真研究[J].机械设计制造，2010（4）：93-95.

作者简介：

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关键词：液压机械臂连杆；有限元分析；模态分析

【中图分类号】TH132【文献标识码】A【文章编号】2236-1879（2017）24-0123-01

在液压机械臂当中，连杆是其中非常关键的零部件，其能够起到连接关节的作用。如果采用质量不错的连杆，那么在生产期间就不会形成较高的惯性力，这样一来就能够降低机械臂的轴承负荷。不过使用传统的设计方式，很难让连杆达到理想的要求。所以经过长时间的研究发现，而采用有限元分析，则能够很好的改善这一问题。那么下面我们就来具体的讨论一下相关的话题。

一、液压机械臂连杆有限元静力分析

1.1线弹有限元静力分析基本原理。

在表现均匀、连接、应变等关系的时候，就要用到弹性力学基本公式。所以其便成为了运算结构强度的重要依据。

1.1.1平衡方程。

2.3液压机械臂连杆有限元模态分析结果。

对液压机械臂连杆的有限元模态的求解，通常不用算出振动系统的频率，只是能够算出几价低阶模态即可。之所以采取这样的形式，主要是由于低价模态能够对振动系统形成一定的干扰，而且阶数越低，干扰程度就越大，所以通常情况下会采用5阶到10阶的范围。而下面我们就来列举一下前10阶模态固有频率。

1阶，那么频率就是0.46246HZ，2阶，频率就是2.5055HZ，3阶，频率则为6.1566HZ，4阶，频率则为7.9601HZ，5阶，频率就为10.832；6阶的，频率为16.448HZ；7阶，频率为18.283；8阶，频率为21.315HZ；9阶，频率为21.419HZ；10阶，频率为22.691HZ。

【结束语】采用有限元分析，能够降低机械臂的轴承负荷，同时还能够准确的体现出所有点的受力状况，而且也能够采取静态分析，运算连杆的最大应力、位移等情况，这样一来就能够给连杆结构的优化分析创建充足的依据。所以在今后的工作中，相关工作人员一定要重视这方面的工作。

参考文献 

[1] 侯振忠. 液压驱动机械臂设计及其仿真研究[D].长安大学，2017. 

[2] 程京华. 车载液压机械臂动态设计与研究[D].辽宁工业大学，2016. 

[3] 苗新强. 有限元结构分析多层并行算法研究及应用[D].上海交通大学，2015. 

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关键词： 四轴码垛机械臂； OpenGL； DSP； MFC

中图分类号： TN876?34； TM417 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）19?0174?05

Abstract： With the rapid development of technology， the production capacity of enterprises is increased substantially. The traditional manual palletizing can′t meet the logistics demand of enterprises， so the palletizing robot technology comes into being. The efficient palletizing can save logistics time and improve working efficiency greatly. The simulation control software of four?axis palletizing robot arm is used to control a small four?axis palletizing robot arm with joints. The servo is taken as the actuator of four?axis palletizing robot arm， and DSP is taken as the controller to control the servo moving. The simulation control software is used to calculate the angle of servo moving in palletizing process according to the planning route， and pass the angle data to DSP through the serial ports. The DSP can control servo running and drive the palletizing robot arm for palletizing function realization.

Keywords： four?axis palletizing robot arm； OpenGL； DSP； MFC

0 引 言

人工码垛存在效率较低，浪费大量人力资源，机械地重复性劳动损害身体健康等缺点。码垛机器人技术集许多学科于一体，包括机械、信息、电子、计算机科学、智能技术等[1]，它在提高劳动生产效率、解决劳动力不足、降低工人劳动强度、改善生产环境、降低生产成本等方面具有重要意义。

本文主要研究了关节型四轴码垛机械臂，利用MFC应用程序平台设计了一款四轴码垛机械臂的控制软件，通过OpenGL三维函数库绘制码垛机械臂的三维图形。软件有友好的交互界面，操作者通过输入码垛的基本信息，如码垛层数、每层的码垛方式、码垛数量、物块大小信息、码盘放置位置等数据，软件就会设计好机械臂的运动路径和操作方式，并以三维动画的形式对码垛过程进行演示，让操作者方便地了解机械臂的运行情况，并做出判断是否需要修改数据。同时软件还可以把每个关节转动的角度以串口传输的方式传递给机械臂的控制器DSP，控制码垛机械臂上的5个舵机旋转，完成码垛过程。5个舵机分别控制了机械臂底座、下臂、上臂、腕部的旋转以及末端夹持器的开合。

1 四轴码垛机械臂仿真控制软件设计

为了用户能够方便地操作软件，仿真控制软件在设计时采用了多个界面输入的操作方式。软件模拟了一个四轴码垛机械臂码垛的过程，通过设定码垛的参数和码放的方式，软件规划出码垛路径，把货物从流水线上按码垛路径码放到托盘上。 软件共分为五个部分：定义工作区域、定义工作台、设定码垛方式、设定运动路径和动画演示。

1.1 功能选择界面

功能选择界面是基于对话框资源创建的，5个功能选项分别调用了5个按钮控件。四轴码垛机械臂仿真控制软件共调用了13个对话框资源，通过这些对话框资源使得软件变得友好、易操作。对话框是重要的用户界面元素之一，是用户交互的重要手段。对话框在创建后可以通过控件编辑器添加各种控件，包括编辑框、滑动条、静态文本、按钮等，这些控件在程序运行过程中可用于捕捉用户的输入信息或数据，每个控件都可以添加消息响应函数，便于优化用户体验。这些控件的使用使得仿真控制软件界面更加方便操作，不再需要程序设计人员进行操作，或对操作人员进行复杂的培训，经过简单的说明介绍，普通用户也可以方便的使用。

1.2 物体拖拽功能实现

在设定工作台界面中实现了物块拖拽的功能。为了确定物块在码盘上的起始位置，可以将流水线上的物块模型用鼠标左键拖拽到码盘上，再利用码垛设置对话框对码盘起始点进行微调。 物块拖拽功能实际上就是物块随着鼠标的移动而重画的过程。主要在函数OnMouseMove（UINT nFlags， CPoint point）中实现，当鼠标移动时程序就会调用这个函数 。函数有两个参数值，nFlags代表各种虚拟按键是否按下 ，此参数可以是任何下列值：

MK_CONTROL 当CTRL键按下时；

MK_LBUTTON当鼠标左键按下时；

MK_MBUTTON当鼠标中键按下时；

MK_RBUTTON当鼠标右键按下时；

MK_SHIFT当SHIFT按下时。

另一个参数point，是鼠标的坐标，point.x代表[x]方向坐标，point.y代表[y]方向坐标，这个坐标是鼠标距离截获该消息的窗口左上角的位置，是一个相对位置而不是在屏幕像素上的绝对位置，因此在使用时要注意将坐标位置和像素进行转换。在程序中获得鼠标的坐标信息以后，在画图函数OnPaint（）中对物块图形进行重绘，就会显示出物块被鼠标拖拽的效果。

1.3 设定码垛方式界面

码垛方式界面设计图如图2所示，分为左右两部分。左侧界面的下方是托盘的俯视图，上方是层数、旋转角度编辑框，以及预览添加按钮。右侧界面是托盘的前视图。在左侧页面上的层数编辑框单击下拉菜单，从第一层到最高层，选择需要码垛的层数，这里的码垛层数信息是由定义工作区界面设定的，每设置完一层的码垛信息后就顺序选择下一层。然后双击界面左侧托盘上方的示例物块，第一个物块就会自动出现在“设置工作区域”界面在托盘上设置好的初始位置上，在托盘上单击鼠标右键，在出现的对话框里选择需要码放物块的个数，即长×宽的个数，并可以选择正向码放还是旋转90°后纵向码放，选择好后单击确定键，相应个数的物块就会出现在托盘里。想要在这一层继续码放物块的话，就一直按住鼠标左键把示例物块拖拽到托盘上任何想要摆放的位置，然后放开鼠标左键并单击右键，在出现的对话框里选择要码放物块的个数。重复操作上面的信息直至确定好一层要码放的物块，最后单击添加按钮，该层码放的所有物块会以前视图的方式添加到右侧页面的托盘里。选择下一个码垛的层数，重复之前的操作，直至完成所有层数的物块设置。单击预览按钮，右侧界面的托盘上会出现码放整齐的每一层的物块的摆放方式，操作者可以直观地观测到产品码放后的方式，方便操作者进行修改或下一步操作。

图2为两层码垛的操作，第一层放置了6个物块，其中2[×]2个物块正向码放，2[×]1个物块旋转90°纵向码放，第二层放置了4个物块，以2[×]2的方式正向码放。在单击预览按钮后，右侧屏幕显示了两层码垛的示意图。

设定码垛方式界面对对话框窗口进行分割。当用户需要同时对窗口的不同部分进行编辑时常常会用到切分窗口。切分窗口分为动态切分窗口和静态切分窗口，本文选择的是静态切分窗口的方式。 窗口分割的程序写在窗口创建函数OnCreate（）中，调用CreateStatic（）函数产生静态切分。调用 CreateView（）函数产生每个视图窗口。

1.4 设定运动路径界面

在前面的设计中，流水线的位置和高度、码盘的位置和高度以及物块摆放的位置、物块码放的方式和顺序已经确定，但码垛机械臂的运动路径还没有确定。设定运动路径界面就是为了确定四轴码垛机械臂码放产品的运动过程。设定运动路径界面设置图如图3所示。机械臂码垛过程共有六个运动步骤，如下所示：

（1） 四轴码垛机械臂运动到流水线上物块的位置，打开末端夹持器，然后闭合夹持器从流水线拾取物块。

（2） 四轴码垛机械臂用末端夹持器抬起物块，运动到流水线正上方某位置，停顿1 s。

（3） 四轴码垛机械臂用末端夹持器抓住物块，从流水线上方移动到物块要码放在码盘位置的正上方，停顿1 s。

（4） 四轴码垛机械臂移动到托盘要码放物块的位置，打开末端夹持器把物块放到托盘上。

（5） 四轴码垛机械臂打开夹持器空载到托盘正上方，闭合末端夹持器。

（6） 四轴码垛机械臂空载移动到流水线正上方。完成一次码垛流程，然后重复这六个运动步骤。

设定运动路径界面的左侧有一个路径示意图，示意的就是四轴码垛机械臂码垛过程所经历的6个位置，按照1?2?3?4?5?6?1的顺序循环反复。位置1是流水线上物块的位置，位置2和位置6是流水线的上方，位置3和位置5在舵盘的上方，位置4是舵盘上物块要摆放的位置。根据前三个功能界面的设置，位置1和位置4的坐标已经确定，通过设定运动路径界面可以确定其他四个位置的[y]方向坐标，[x]方向坐标和[z]方向坐标，默认和位置1或位置4相同，即位置3，5在位置1的正上方，位置2，6在位置4的正上方，但距离可以设定。设定方式在界面的左侧，有四个编辑框分别对应着位置2，3，5，6的[y]方向坐标，仿真控制软件默认设置距离为1个单位，通过编辑框右侧的+，-按钮可以对几个位置的[y]坐标进行增加或降低的修改。修改完成后退出界面，确定了四轴码垛机械臂的完整码垛路径。

2 四轴码垛机械臂硬件设计

2.1 DSP程序的编译

DSP控制程序主要涉及定时器中断和串口通信两部分。舵机的控制信号是周期为20 ms，频率为50 Hz的PWM波，占空比在2.5%～12.5%之间。飞思卡尔mc56f8013型DSP拥有6路PWM通道，但可以输出PWM波的最小频率值高于50 Hz，因此选择定时器中断的方式产生PWM波。 首先设定一个10 μs的定时器，定时器中断2 000次就是10 μs×2 000=20 ms，也就是舵机控制信号的一个周期。当定时器中断的前1 000次，控制输出端口输出高电平，定时器中断的后1 000次，输出端口输出低电平时，就产生了一个占空比为50%的PWM波，当改变输出高电平和输出低电平的中断次数时，PWM波的占空比也随之改变，舵机就会输出不同的角度，从而带动四轴码垛机械臂转动。当高电平的中断次数为50次时，此时的占空比为[502 000=]2.5%，舵机转动0°；当高电平的中断次数为250次时，占空比为[2502 000=]12.5%，舵机转动180°。

在CodeWarrior平台的专家处理模块添加定时器的嵌入豆，定义定时器的时间为10 μs。添加5个I/O接口的嵌入豆，用于输出5路PWM波控制舵机。添加一个串口通信的嵌入豆，接收四轴码垛机械臂控制软件发送的串口数据，这些串口数据已经在软件编程中转化成高电平的定时器中断次数，方便了DSP的编程操作。

定时器中断程序的流程图如图4所示。

2.2 硬件电路设计

控制器采用ms56f8013最小系统，系统包含了程序传输、串口通信、电流驱动等基本模块。

其中舵机电路原理图如图5所示。图中所示的是一个舵机与DSP的连接图，舵机的控制信号线与DSP的输出端口相连结，端口输出PWM控制信号。为了保证为舵机提供足够大的功率，舵机和DSP分开供电。

实验时采用双路稳压稳流电源为舵机和DSP分别供电。DSP最小系统上有电压转换功能，把5 V电压转成3.3 V为DSP芯片供电。舵机的供电电压可选择在4.8～6 V之间，系统选择5.5 V为舵机供电。

3 系统测试

在实际运行四轴码垛机械臂时，首先通过下载器把在CodeWarrior IDE中编译的DSP程序下载到DSP中，程序下载成功后，把计算机和DSP通过RS 232串口连接线连接起来，实现上位机和下位机的串口通信。舵机的三条线分别是电源线、地线和控制信号线，DSP的端口1到端口5分别输出五个舵机的控制信号PWM波形，把舵机的控制信号线和DSP相应的端口连接起来，实现DSP对执行器舵机的控制。DSP和舵机分别供电，把地线相连接。上位机和下位机连接好后，开始对系统运行情况进行测试。测试内容是四轴码垛机械臂把一个物块从流水线的位置码放到托盘位置，即软件测试中第一个物块的码放情况。由1.4小节可知，四轴码垛机械臂码放一次物块要经过6个位置，仿真控制软件计算出的底座、下臂、上臂舵机在6个位置所旋转的角度如表1所示。折线图如图6所示。

四轴码垛机械臂在运行过程中的底座舵机控制信号图如图7所示。

由舵机原理可知，高电平的时长为0.5 ms时输出角度为0°，高电平时长为1 ms时输出角度为45°，高电平时长为2.5 ms时输出角度为180°。图7是机械臂底座舵机运行在位置3，4，5时的控制信号图，此时舵机的旋转角度大约为90°，信号频率为50 Hz，符合舵机的控制要求。

由测试可得，四轴码垛机械臂的DSP可以通过RS 232串口通信模块接收控制软件传递的舵机角度数据，同时DSP可以对舵机进行控制，使舵机能够按照仿真控制软件计算的角度旋转，实现关节型四轴码垛机械臂的码垛功能。

4 结 论

工业机器人码垛技术越来越受到人们的重视，它在提高生产效率、降低事故发生概率、改善生产环境等方面都有重要作用，本文完成了四轴码垛机械臂仿真控制软件的设计。软件可以根据用户输入的产品信息、位置信息、码垛方式信息等规划好机械臂的运动路线，利用三维动画的方式显示机械臂码垛的实时过程。软件通过串口通信模块把机械臂码垛过程中各个关节的角度值传递给DSP。机械臂系统采用DSP作为控制器，舵机作为机械臂的执行机构，用DSP控制舵机运动，实现四轴码垛机械臂实物的码垛过程。

四轴码垛机械臂控制系统基本实现了预期功能，可以通过软件对机械臂系统进行控制和三维动画仿真，并且实现了机械臂实物的码垛过程。可以在仿真控制软件中实现多种机械臂的整合。后期改进可以把对其他类型机械臂的控制和仿真添加到软件中，实现一款软件对多种工业机器人的控制，使得软件的利用率更高，使用更方便，同时也降低开发成本。

参考文献

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关键词：机械臂；解剖约束条件；数据手套

中图分类号：TP242.6文献标识码：A文章编号：10053824（2013）04001807

0引言

数据手套校正技术伴随着数据手套的发展而发展，国内外许多研究者也致力于对手套设备数据存在的误差进行校正，并取得了一些成果。目前应用十分广泛的CyberGlove和5DT Data Glove都为用户提供了简单的线性校正，但简单的线性校正无法满足各种复杂手势动作的需要，最为典型的一个例子是虚拟手的拇指无法和小指或无名指的指尖进行接触。Chou通过外部视觉设备采用线性回归方法，建立了从CyberGlove每个单独传感器到虚拟手关节角度的映射关系[1]，这种方法虽然能够提供高精度的虚拟手运动状态，但是它需要借助视觉设备，所以并不具有一般的推广性。与此同时，Fischer采用机器人立体视觉系统计算人手指尖三维空间位置，记录用手套得到的对应手指关节角度[2]，采用神经网络方法预测实际指尖位置，把平均精度提高到0.2 mm，但机器人立体视觉系统只有4个手指，也限制了这种方法的推广。Turner和Griffin仅利用数据手套的手指自由度间的对应关系建立虚拟手运动模型，采用最小二次线性回归方法校正手套数据[3]。Menon通过收集不同手势的数据手套关节自由度数据[4]，也是采用线性回归方法建立传感器数据与手势数据值间的映射关系，但他没有处理传感器之间存在的交叉耦合关系，只是单纯地对所有的传感器都采用线性处理方法。结合上述对各种数据手套数据误差校正方法，再根据数据手套的设计原理，本文提出了一种新的数据手套的校正方法：基于解剖约束条件的数据手套校正方法。

1基于解剖约束条件的数据手套校正

1.1解剖约束条件

通过数据手套获得人手的运动信息后，要将人手的运动信息映射到机械手臂上去，有两方面的问题需要解决[5]：一是应通过数据手套获得相对精确的人手运动信息，从而满足远程操作机械臂的精度要求；二是寻找合适的映射方法，把人手的运动信息转换为机械臂的运动，从而实现对机械臂的遥操作。本文针对第一个问题进行了研究，在分析人手解剖约束条件的基础上，提出了基于解剖约束条件的数据手套校正方法，其主要目的是根据人手解剖约束条件对数据手套中的独立传感器和交叉―耦合传感器进行校正，从而获得相对精确的人手运动信息。在正常情况下，人手各关节的自然运动是受到约束的，人手的运动必须符合正常手的运动范围约束，手指的运动受到关节、骨骼、肌腱和肌肉等的条件约束限制；另一方面，由于数据手套的本身的限制，手套中的传感器设备无法测量手的每个关节和每个自由度，再加上数据手套采集到的数字信息还存在正确性和精确性的问题，从这些约束条件出发，对数据手套进行校正，能够有效地弥补手套设备的不足。从手指的运动角度来分析，手指的运动会受到静态和动态2种约束[6]，静态约束是指在解剖结构的限制下，手指做出不同手势时各关节自由活动所能达到的角度的最大运动范围，包括静态角度和动态角度。静态角度是指当手处在某种手势状态下角度的最大运动范围，动态角度指的是手指关节自由度在受到相邻手指自由度影响下，人手运动过程中处于某种特定的手势状态下时所能达到的运动范围。

5）中指的MPJ关节的内收/外展角度可忽略，即有：abd（θ中指MPJ）=0（9）手指运动除了受到静态约束外，还受到动态约束。动态约束指的是在手运动过程中，运动角度因为关节之间相互影响而受到的限制约束，这种约束包括单个手指各关节之间的运动约束以及不同手指不同关节之间存在的运动约束。例如，当中指的MPJ关节屈曲时，中指的PIJ关节和DIJ关节也会发生一定程度的屈曲，这种现象就是单个手指各个关节之间存在的运动约束，与此同时，与中指相邻的食指和无名指的MPJ关节也会发生一定程度的屈曲，同时这2根手指的内收/外展角度也会发生变化相应的变化，这种现象就是不同手指不同关节之间的运动约束。

1.2基于解剖约束条件的独立传感器校正方法

基于解剖约束条件的数据手套校正方法的实质是利用相关的解剖约束条件来具体分析手套中独立传感器和交叉耦合传感器，对其测量得到的数据采用不同的校正方法进行校正，使之满足控制系统的需要。

独立传感器是指该传感器的取值不受到其他传感器读数影响的传感器，一般认为4个手指的MPJ、PIJ及DIJ关节的屈曲/延展自由度，还有拇指IJ和TMJ关节的屈曲/延展自由度这些关节所对应的传感器为独立传感器。

对于独立传感器的校正，本文还是采取了常规的线性校正方法。我们结合上节中根据解剖结构得到的手指各关节实际运动时的最大和最小角度值，再根据采集到的传感器读数的最大值和最小值，我们建立了如下的线性映射关系：θout=Valueout-ValueminValuemax-Valuemin×（θmax-θmin）+θmin（16）式中θout为校正后的输出角度值，Valueout为当前电压输出值，Valuemin为手指不运动时的电压值，Valuemax为手指弯曲到最大角度时的电压值，θmax和θmin对应关节自由度实际运动范围的最大和最小角度值。

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【关键词】装卸臂 紧急脱离装置 必要性 技术要求

装有液化气、油品以及有毒有害的化工品介质的货轮在装卸时通常使用船用装卸臂来完成。紧急脱离装置是装卸臂上的安全装置，它的现代化程度及安全性对于码头、船舶和作业人员的安全事关重大。紧急脱离装置具有手动自动等操作功能，结构精巧，可靠性高，制造成本低等优点。

1 装卸臂的结构与工作原理

船用装卸臂的结构如下图1所示：

船用装卸臂通过快速连接器、岸端连接法兰分别于货轮和储罐工艺管线连接实现介质传输的目的。为了满足货轮在水中升沉、漂移的不固定状态，整台装卸臂合理的运用了六个旋转结构，使装卸臂自身的工艺管线可以与货轮随动。从而满足船岸连接使达到介质装卸的任务。

2 紧急脱离装置的结构与工作原理

当达到脱离条件，控制系统自动或手动触发脱离信号，控制电磁换向阀实现液压驱动装置的油路通断、换向，从而驱动上下两个工艺阀门的关闭，以及驱动夹紧机构的打开，使上下阀体分开，货轮与装卸臂快速分离。复位时，将上下阀体正确对接，还原夹紧机构，打开两个工艺阀门，复原相应连锁机制。

3 装卸臂使用紧急脱离装置的必要性

3.1 危险环境中必备的安全措施

（1）介质储运管道发生介质泄露，需要立即中断船岸管线连接；

（2）靠泊货轮发生失火、泄露等危险时需要立即中断船岸管线连接；

（3）码头泊位发生失火、泄露等危险时需要立即中断船岸管线连接；

（4）因风浪或是缆绳断裂等不可测原因造成货轮飘移出装卸臂的设计包络范围时需要立即中断船岸管线连接。

为了能及时切断危险的蔓延，缩小损失，或是保护装卸臂本身的需要，应在装卸臂上安装紧急脱离装置。以实现靠泊货轮与码头泊位的迅速脱离。2005年7月20日靠泊xx港62#泊位的“普罗旺斯”号油轮是由于缆绳的断裂造成油轮漂移出作业区，将与其对接的27Z2、27Z3、 27Z4三台装卸臂拉坏，造成直接经济损失约五千多万元人民币。如果这三台装卸臂安装了紧急脱离装置就可以完全避免如此恶劣的安全事故。

3.2 国内与装卸臂相关的规范中也对紧急脱离装置的使用做出了规定说明

（1）GB/T 15626-1999《散装液体化工产品港口装卸技术要求》中明确规定，输油臂宜具备与船舶的紧急脱离装置，以备异常情况时船舶尽快逃离码头。

（2）HG/T 21608-2012《装卸臂规范》中的第4.7.1条，明确规定输送原油、轻油、液化烃、可燃液体、腐蚀性液体介质、有毒液体介质或低温液体介质的液体装卸臂，应配备液压操纵的紧急脱离系统。

（3）JTS165-8-2007《石油化工码头装卸工艺设计规范》中的第6.1.6条，明确规定装卸甲A类和极度危害物料装卸臂前应设置紧急脱离装置。

（4）SYT5298-2002《港口装卸用输油臂》中的第4.1.2条，明确规定输油臂接船端应具有快速连接和快速脱离装置

4 紧急脱离装置的通用技术要求

在对设计制造积累的经验和长时间使用过程中反馈问题的研究，以及对国内外相关规范的学习，总结出紧急脱离系统的一些通用技术要求如下

4.1 结构要求

（2）紧急脱离系统的强度应根据内部设计压力和由最苛刻的装卸臂姿态及外部轴向载荷、弯曲扭矩和剪切载荷在紧急脱离接头处的组合载荷确定的最大设计载荷决定。紧急脱离系统在两倍的设计载荷下不应产生泄漏、变形及失效。

（3）紧急脱离装置宜安装在三维接头的垂直管段。减少脱离后装卸臂外臂与货轮上设备钩挂的可能。

（4）紧急脱离接头应有正确对接的机械确认标识。

（5）紧急脱离接头应含有一根或多根机械安全销钉以提供意外启动时的防护。

（6）紧急脱离系统与油轮联接的部件在紧急脱离后在集油管旋转接头处应设有一个挡块以防止因过度旋转而引起与甲板的碰撞。

4.2 控制要求

（1）紧急脱离装置应由下列途径启动：

①当装卸臂到达规定的报警位置时自动启动。即在装卸臂包络范围的脱离区域。

②在中央控制台由手动按钮操作启动。按钮应设有误操作防护功能。

③在供电中断的情况下，中央控制台具有UPS系统可以满足手动按钮操作启；或是可以手动直接操作电磁换向阀以启动紧急脱离装置但应设有防意外手动操作电磁换向阀以启动紧急脱离系统的防护措施。

④按业主的要求在其它地点设置手动按钮操作启动，按钮具备误操作防护功能。

⑤第三方报警信号触发启动，例如火灾二级报警信号；但必须设定触发延迟时间或设定确认按钮。

（2）紧急脱离装置应不能在装卸臂的收拢状态或对位操作过程中启动。同样不能在日常维护的维修放置位置启动。然而应能够定期在维修位置对紧急脱离系统进行试验。

（3）在工艺阀门完全关闭以前不能进行紧急脱离接头动作；紧急脱离接头脱离后不能进行工艺阀门打开动作。

（4）在紧急脱离接头分离时，装卸臂外臂应抬起约2米的位置并制动，平均速度为0.15m/s；随后系统处于驱动状态。

（5）紧急脱离接头应尽可能快速开启。在正常情况下夹紧式接头可瞬间开启。建议的开启时间为1秒钟，并且所有部件应在2秒钟内完全释放并远离连接的管端。上述时间要求主要根据货轮漂移的速度和装卸臂包络范围中规定的脱离距离决定的。

（6）液压系统需需设置双机双泵系统，一用一备（在线备用）。

（7）在发生紧急情况时，液压泵站应能自动启动，且应在第一级预警时启动；在液压泵站失效不能启动的情况下，蓄能器应能够作为后备能源。

（8）当多台装卸臂同时作业时，应为每台装卸臂的紧急脱离系统提供一个专用的蓄能器，它将提供存贮的液压能量允许在液压泵无法正常工作的情况下由仍可以启动紧急脱离系统。蓄能器应提供压力值检测和低压声光报警功能。

（9）紧急脱离装置的液压驱动装置具有独立的液压控制回路。4.3 性能要求

（1）在任何作业条件下紧急脱离系统应允许在装卸臂设计的脱离位置确实、安全地依次完成关闭紧急脱离系统的两个工艺阀门和打开并释放紧急脱离接头，最终将装卸臂与油轮分离。

（2）在液压系统渗漏，失效以及断电的情况下，无脱离触发依然保持机械连接状态。

（3）在两个工艺阀门之间的容积应最小以限制脱离后的泄漏量。

（4）在任何作业条件下紧急脱离系统的连接处均应保持密封。

（5）设计压力应与相配套的装卸臂的设计压力相同。

（6）在任何作业条件下紧急脱离接头应能够被从船上或是装卸臂上拆下或装上。

4.4 技术参数

紧急脱离装置的技术参数与相配套的装卸臂技术参数基本相同见表1：

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关键词：LNG船用装卸臂；旋转接头；紧急脱离装置（ERC）；液压QC/DC；国产化 文献标识码：A

中图分类号：U664 文章编号：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.

1 概述

随着我国对能源需求的不断增长，引进和生产液化天然气对优化我国的能源结构，有效解决能源供应、安全、生态环保保护，实现经济社会的可持续发展将发挥重要的作用。从2006年首座液化天然气接收站在深圳大鹏建成投产以来，相续建成（包括在建）20多座，其中码头选用的关键设备――船用装卸臂一直被欧美国家所垄断，价格高、交货期长、服务不及时。无疑地对LNG码头的生产及操作的安全性带来一定的约束性。

而国内类似设备的设计与生产厂家已在常温，乃至低温乙烯装卸设备的设计与生产控制方面取得了巨大的成绩，常温装卸臂完全取代了进口产品，低温乙烯装卸臂在五年前成功打破了垄断的格局，并逐渐实现常温装卸臂一样完全取代进口产品。所以，我们已与综合实力较强的生产厂（上海冠卓）合作组成LNG装卸设备研发小组，经过近三年的不懈努力，终于成功设计、生产制造出了完全适宜LNG装卸的设备，经试验证明其主要部件的性能超过了国外同类产品。

2 LNG装卸臂技术与工艺分析

2.1 LNG装卸臂主体结构计算分析

为了全面分析整个冷却过程的影响，多个不同体系的分析被进行，包括使用四个非常详细的有限元模型进行的稳态热、稳态半耦合热力和瞬态半耦合热力分析等。使用FEMAP软件、应用计算机模拟设计，研究在各种瞬态温度荷载作用下输送臂的性能。

2.1.1 在-163℃的环境下，把液化气从海岸传输到轮船或从轮船传输到海岸，现在正面临着许多问题。这主要是因为传输设备上存在着热冲击和冰块的堆积。为了评估液化气输送臂能在寒冷的工况及变暖环境过程中的材料变化，使用FEMAP软件进行分析设计。并通过使用FEMAP software，浅析地证明，在寒冷条件下新的设计完全能满足低温工况的各种状态，而且对主要构件没有任何有害的影响。

2.1.2 输送臂的装配。整个管道装配的三维模型用来模拟系统的整个行为。这个非常复杂的模型和分析过程，同时分析了热和结构荷载的影响。所获得的结果证实了在冷却过程中构件内的收缩量和应力值，并突出了使用局部模型进行进一步分析的重要性。

2.1.3 码头基架立柱。基架、转轴箱、旋转接头和回转支承的三维模型，在周围的构件上研究管道的冷却效应，使用一个保守的稳态热分析对流和传导效应。

2.1.4 支承支架。支承支架的三维模型，研究了由于周围刚性约束引起的冷却和热应力的程度。虽然不容易遭受热冲击（因为板是薄的），但是支架也很容易产生一个温度梯度。因此，需要对支架进行进一步的设计和建模，来改进它们的性能。

2.2 主要部件的深冷处理方案

LNG装卸臂的主要部件有旋转接头（内圈、外圈、法兰、密封圈等）、紧急脱离装置（ERC，阀、阀体、阀座、抱箍、密封件等）、液压快速接头（EDC/DC）以及弯头等；为了确保这些部件在-196℃状态下能保持相同的收缩率，必需在加工前期及加工过程在特定的低温处理设备，按照OCMIF、BS 6364-1998《低温阀门》和BS EN 1474-1-2008《LNG输送臂》的标准要求进行2～3次的深冷处理，处理方案如下：

将需要深冷的零件放至装有低温容器中进行深冷处理，深冷处理温度应低于使用温度，冷处理分为冷却、保温和放冷三个阶段进行，保冷1～2小时，然后将零件取出放冷至常温，重复循环2次其结果符合BS EN 1474-1-2008要求。

2.3 LNG装卸臂的旋转接头

2.3.1 旋转接头的结构分析。对旋转接头的轴对称结构建模，研究在各种瞬态温度荷载作用下它的性能。温度荷载给出了随时间变化的温度分布和温度应力。结果，对选择的节点，温度时程图、von-Mises等效应力图和相对轴向位移图，很容易地显示了冷却过程中各个阶段的不同，并帮助评估密封是否能保持产品在冷却和加载期间的密封性。

为了让旋转接头在整个装卸过程中能保持干燥并旋转灵活，改变其常温操作的结构，增加氮气吹扫系统，以便将在操作过程中产生的潮气及水蒸汽带走，防止结冰，无法转动或损坏密封圈。

2.3.2 热分析（冷却的时间）。旋转接头的二维瞬态热分析显示了，由于相对的质量和构造，凸起部分比凹陷部分冷却的更快。为了评估不同的冷却选项，在最高应力部分上最大的Von-Mises等效应力图被绘制，并在随后的图形中显示。

红色曲线：假设没有进行冷却处理就引入了液化天然气液体，分析显示了预先进行冷却处理的必要性。对选择的材料，应力超过了许用值。

蓝色曲线：使用氮气和液化天然气蒸汽的混合物，进行2个小时的深冷却处理（在现用的输送臂上进行）。当进行纯液化天然气输送时，在旋转接头产生的应力最小。

绿色曲线：一个小时的冷却处理，包括首先进行15分钟的氮气和液化天然气的混合物冷却，随后进行45分钟的液化天然气蒸汽冷却。但是当进行液化天然气输送时，所产生的最大应力也会相应地增加大约20%。

粉红色曲线：仅使用液化天然气蒸汽进行1个小时的冷却处理，此时得到的结果是最理想的。冷却处理时间更快，然而初始的应力是最大，当进行液化天然气输送时，应力峰值只会比2个小时冷却处理所引起的应力稍大。因此推荐使用此选项。

通过使用FEMAP软件，计算机模拟设计，不但能够证实或调整他们的设计，以确保使用最好的设计，而且也能够给他们的客户提供完全的信心――所采用的设计将提供无故障运转以及延长使用期限。

2.3.3 低温旋转接头试验。

第一，在试验温度下，当旋转接头内允许温差±5℃，充氮气待压力升至0.6MPa或更高的规定压力下，电机转动频率为0.1赫兹，旋转时进行泄漏试验，试验时间持续30分钟，采用气体定量测漏仪测量。

第二，旋转接头内部温度降至规定温度，放掉氮气，充氦气，待压力升至规定压力，试验按HG/T 21608.6标准规定的方法，再按BS EN 1474-1-2008标准规定步骤分段进行试验，该试验应符合下列规定：（1）在1.5倍当量设计载荷加内部设计压力下任一处压溃宽度不得超过滚珠或滚柱直径的8%；（2）在2倍当量设计载荷加内部设计压力下旋转接头不应产生泄漏及泄压；（3）对于常规液体作业，在3.5倍当量设计载荷下不产生任何结构失效破坏；（4）对于液化气作业的旋转接头，在4倍当量设计载荷下不产生任何结构失效破坏，每1cm密封直径上，在0℃0.1MPa时其泄漏率应不超过17.5cc/分钟。采用气体定量测漏仪测量。

2.4 低温紧急脱离装置

2.4.1 性能要求。

第一，对于液相式装置应先关闭球阀，再松开夹紧机构以实现脱离。

第二，用于液相式装置的球阀应在成装前对壳体进行常温条件下的强度和密封性试验，试验结果应符合BSEN1474-1-2008标准中要求；用于液相式装置的球阀应在整体装置成装后在低温条件下采用0.6MPa公称压力的氮气进行密封试验，保压5分钟，软密封应无可见泄漏。

第三，用于气相式装置的阀门成装前应进行常温条件下的密封性试验，试验结果应符合GB/T13927要求；用于气相式装置的阀门组应在整体成装后在低温条件下采用0.6MPa公称压力的氮气进行密封试验，保压5分钟，应无可见泄漏。

第四，紧急脱离装置夹紧机构采用弹性夹紧，夹紧应保证密封和锁紧可靠；紧急脱离装置成装后应进行壳体常温耐水压试验，试验压力为设计压力的1.5倍，应无可见渗漏。

第五，在低温条件下试验紧急脱离过程的可靠性：（1）在实验平台上进行紧急脱离装置的低温试验。分离试验应至少重复3次，可靠性达100%；（2）先用氮气检验紧急脱离装置及试验装置无可见泄漏；（3）将液氮输入紧急脱离装置中，待温度降至使用温度，待压力升至设计压力时进行脱离试验，脱开后的阀门密封面应无可见泄漏。

第六，常温条件下试验紧急脱离过程的可靠性：（1）在输油臂上进行脱离试验，当电液控制系统发生一级报警后，介质泵关闭，液压泵启动，系统转为驱动状态；（2）发生二级报警到装置完全分离，时间应在5秒以内。响应时间需由供应商详细计算后确定；（3）紧急脱离装置分离后，装卸臂的分离端立即开始上升，上升高度应在2m以上实现液压制动。分离试验应至少重复3次，可靠性达100%。

第七，紧急脱离接头释放机构在结冰的情况下蓄能系统应确保切实的脱离。

2.4.2 安装要求。

第一，采用不锈钢螺栓。

第二，拧紧螺栓时用力矩扳手，保持螺栓受力一致，力矩大小参照表1，过24小时再拧第二次。

第三，低温试验前用氮气将阀腔、管道内脱脂并吹扫干净。

2.4.3 低温紧急脱离装置试验。

第一，对于液相式装置的球阀壳体强度和密封性试验：按GB/T13927的规定进行，低温密封试验采用保冷法。

第二，紧急脱离装置的低温分离试验在试验平台上进行

2.5 EQC/DC《快速接头》

2.5.1 产品用途及结构。快速接头是安装在输油臂末端，与槽船歧管法兰联接的装置，它通过电气控制系统控制液压系统使输油臂与槽船歧管法兰实现自动、快速、可靠联接。

其结构主要由阀体合件3、回转支撑2、组合拉杆1、推杆5、加力弹簧6、卡爪7、液压缸4、液压系统和电器控制系统等九个主要零、部件组成。液压系统、电气控制系统附于输油臂相关系统之中（见图表1，图中电气液压系统未绘制）。

2.5.2 快速联接装置工作原理。联接装置在电气液压系统的控制下，卡爪处在最大开启状态，用人工（或用遥控器）操纵快速接装置将联接装置下端导向块与槽船管线法兰对正，使两法兰面贴紧。通过电液控制系统控制，启动油缸推动回转环旋转，从而推动4个压紧机构的上端一起旋转，带动压紧机构推动卡爪绕销轴转动，使卡口贴紧槽船法兰端面，回转环的进一步旋转引起压紧机构弹簧的压缩，使卡爪对法兰端面产生压紧力，当压紧机构的轴线与阀体轴线重合时，弹簧载荷最大。当压紧机构轴线相对卡爪稍过中心线3°～5°角（使压紧机构处在自锁状态）时，回转环停止旋转。此时，弹簧产生的载荷，通过卡爪的卡口端面加在法兰上的力≥法兰在操作状态下所需的密封圈的压紧力与操作状态下所需的螺栓载荷之和，整个锁紧就完成了。在该位置回转环将在机械式定位装置下限制转动。

当工作结束时，先关闭阀门，切断槽船管线与输油臂管线之间的介质流动，启动旋转油缸反方向推动回转环旋转，转动初始，使弹簧卸载，继续旋转回转环，通过压紧机构带动卡爪旋转，使卡爪脱开并开到位。此时输油臂带动快速联接装置一起与槽船管线分离。

2.5.3 压力等级应与装卸臂压力等级相同。

2.5.4 快换接头的设计能适应集油管法兰的公差带，夹紧机构的设计必须完全满足使用要求。

2.5.5 快换接头的强度符合BSEN1474-1-2008标准中要求，即强度应根据内部设计压力和由装卸臂姿态、外部轴向载荷、弯曲扭矩和剪切载荷的最荷刻的组合下确定的最大设计当量载荷计算；在2倍的设计当量载荷加内部设计压力下快换接头不应泄漏、变形及失效。这应适用于在弯曲拉伸时使用最少的夹紧块的情况。

2.5.6 快换接头应提供机械锁紧装置以防止由于压力或振动而意外松脱。锁紧装置的操纵应简便易行。

2.5.7 快换接头应有一个法兰盖，当用户要求时法兰盖上可有一个螺纹孔并装一螺塞。

2.5.8 连接法兰、锁紧件等在精加工前作两次深冷处理。

2.5.9 快换接头应在有试验压力及试验负荷Pct情况下进行试验。

以上结构的液压快速接头（DC/DC）由上海冠卓公司设计、生产制造，其结构较欧美国家FMC、SVT的结构简单，经实践证明不仅完全满足各种温度、各种工况下技术要求，而且操作方便、易维护。

2.6 低温臂操作试验

在LNG装卸臂整体装配完成后，需进行整机试验，首先进行强度试验（水压试验），试验程序与常温装卸臂一致，在水压试验后所有零件均应干燥，运行操作之前应用氮气或干燥的空气进行皂泡检漏试验。试验过程和结果应符合BSEN1474-1-2008标准的要求。然后进行旋转接头的氮气吹扫系统应进行功能试验。在装卸臂竖立在试验台上时，进行如下试验：

2.6.1 操纵试验。

第一，装卸臂包括液压控制单元在装卸臂竖立起来时进行下列试验，其结果应符合BSEN1474-1-2008标准有关要求。

第二，试验项目：（1）平衡试验；（2）空载装卸臂操纵到其包络范围内能达到的最大极限位置，包括在最高的槽船护拦上操作及在其维修位置，并应检验所有的报警设定；（3）如果有快换接头，应当在正常操作条件下试验释放性能；（4）装卸臂应当在空载及满载时用假集油管模拟并在包络范围内移动进行阶段报警和作紧急脱离的试验；（5）在紧急脱离系统释放后，满载的装卸臂应从抬起位置到收拢状态且外臂应抬起高于水平线；（6）重新对接需在空臂时进行；（7）装卸臂应从静止位置进一步试验：采用控制板上的按钮；采用蓄能器模拟供电中断。

第三，试验应演示下列内容：完整的液压系统；控制及报警系统；紧急脱离系统阀门及紧急脱离接头动作时间；装卸臂及紧急脱离系统的安全操作；各种联锁的操作；控制台及遥控操作；在码头平面的作业包络范围；规格一致性检验；由蓄能器压力下降及阶段报警启动的液压泵自动运行

2.6.2 低温试验。

第一，进行低温乙烯装卸臂的试验目的。检验LNG装卸臂在规定低温（-163℃）状态下紧急脱离装置能否安全脱离且双球阀安全关闭，同时检验脱离整机的平衡状态。

第二，低温乙烯装卸臂试验步骤：（1）安装液压管线、电器控制及氮气吹扫系统；（2）在功能性试验满足要求后，将装卸臂调整至工作状态（模拟），如下图所示，安装底部盲板法兰、连接好集管法兰、氮气管线、液氮管线（与低温槽罐车），并仔细检查各接头的连接是否可靠；（3）打开液氮罐阀门，将液氮从装卸臂顶部入口法兰处通到低温整机的内部，然后将底部的排空阀门打开，保持开启状态，将乙烯臂整机进行低温冷却；（4）当温度降至规定的试验温度（-163℃左右）、整机处于结霜状态时，关液氮阀门，将装卸臂设置为浮动状态，然后人力或采用叉车分别按左、右及正前方拉动装卸臂，检验在试验温度时装卸臂是否能正常运动；（5）给紧急脱离装置驱动信号，打开液压泵站的电磁阀，使紧急脱离液压缸开始工作，在推杆机构的作用下两球阀关闭，然后脱离接头夹紧机构打开，实现脱离装置脱离，此时外臂应按规定上升，但很快处于平衡状态；（6）脱离后的下球阀内部压力快速上升，需立即打开脱离装置下球阀处的排空阀门，排出液氮；（7）检查脱离装置双球阀的关闭情况，并做好记录；（8）低温乙烯装卸臂功能性及低温脱离试验结束，让整机在常温状态下慢慢升温至常温。

3 结语

总上所述，我们与冠卓联合技术开发小组是利用原有的常温装卸臂的技术为基础，结合超低温装卸过程中对设备的要求，通过改变原主要部件的材质及进行特殊的工艺处理，对密封结构及性能的调整、使其完全满足在超低温状态下的工作工况，获得两项专利，且经实践证明其密封性及操作的灵活性超过了进口的欧美产品，而生产成本较进口产品低了许多，更重要的是令操作人员一直头痛的服务问题彻底得到了保证。如果该装卸臂在行业中落到实处地得到推广的话，可实现节约成本、减少项目建设投资的目的，使作业的连续性、稳定性、安全性均得到保证。

参考文献

[1] OCMIF.Design and Construction Specification for Marine Loading ArmsThird Edition.1999.

篇10

【关键词】：微机械悬臂梁 机械噪声 噪声控制

此次研究分析工作，以微电子机械系统为基础，其具备响应速度快，灵敏度理想，功耗低的特点，可以在微机械元件发生环境变化的时候，产生敏感的反应，也就是噪声。在此基础上建立微机械热机械噪声理论模型，为开展机械噪声影响因素的研究打开局面。

一、微机械悬臂梁的理论概况

1.1悬臂梁机械噪声的基本情况

悬臂梁是微电子机械系统的重要组成部分，在很多元件构成上都采用了悬臂梁这样的敏感材质，如原子力显微镜探针，生化传感器等。其分辨率和稳定性均可以达到此部位效能的要求，是因为其造成控制处理在合理范围内。基于这样的概念认识，去开展研究工作，可以保证其更加具备针对性。

1.2理论模型中的基础概念

在理论模型构建的过程中，会涉及到以下几个基础性概念：其一，热机械噪声，在微电子机械系统体系中，尺寸和质量减少的状态下，其热运动会对于悬臂梁造成十分明显的影响，主要表现为空气分子与悬臂梁的碰撞，悬臂梁与晶格之间的振动。其二，温漂噪声，由于悬臂梁体积比较小，其比热很小，在进行声子速率吸收或者释放的时候，存在瞬间差异，在这样的情况下回使得悬臂梁产生温度变化，以此因此声音抖动和频率的变化。其三，吸附-脱附噪声，由于悬臂梁有着比较大的比表面积，在对于空气分子进行吸收和脱附的时候，也会出现瞬间差别，从而使得质量变化，谐振漂移，在此基础上就形成相应的吸附-脱附噪声。

二、微机械悬臂梁中机械噪声机制的分析

以上述理论模型为基础，找到噪声机制对于微机械悬臂梁静态额动态性能的影响因子，是本次研究工作的主要目的。具体来讲，可以分为以下几个层次来进行探析：

2.1从器件振幅稳定性的角度来看

从理论上来讲，悬臂梁静态振幅噪声公式的计算公式为以下内容： 。在上述公式中反映出这样的规律：悬臂梁固有的谐振频率和弹性系数越大，其长度就会越小，相应的宽度和厚度也不断变大，振幅噪声也会在这样的条件下变小。另外，相对于宽度对于悬臂梁振幅噪声的影响程度，悬臂梁长度和厚度变化会对于振幅噪声产生更加明显。以悬臂梁质量块结构加速度为例子，去探析振幅噪声对于器件性能造成的影响，在此过程中的加速度分辨率将成为比较关键的性能，在进行噪声分析和设计过程中需要关注这样的问题。因为从理论上来讲，加速度分辨率的改善，需要以监督固有频率，或者提高质量的方式来实现。

2.2从谐振频率稳定性的角度来看

在研究谐振频率稳定性影响程序研究的过程中，假设悬臂梁的长宽厚，以及测试带宽是一定的，依据相应的理论公式得出谐振频率抖动和固有谐振频率，温度和气压三者之间的关系，在此基础上研究静态和动态性能的影响。

对于热机械噪声引起的谐振频率抖动和谐振频率成线性关系的统计结果来看，前者与后者并没有存在依赖关系。温漂噪声导致的谐振频率抖动会在频率不断增加的基础上，出现增大的情况，而在此时频率抖动的影响程度低于其对于吸附-脱附噪声。在谐振频率擦超过一定界限的时候，吸附-脱附噪声成为主要的噪声源。简单来讲，微机械悬臂梁尺寸的缩小，会使得其表面积增大，表面吸附和脱附能力会不断展现出来，由此慢慢占据主导地位，是很符合现实情况的。

以各个噪声机制引起的谐振频率抖动和温度关系的示意图来看，热机械噪声与温漂噪声引起的谐振频率抖动与温度之间报出正比例关系，也就是说，温度越高，其抖动会更加厉害。相对来讲，温度与吸附-脱附噪声的谐振频率抖动成反比关系，温度越高，其抖动频率越低。也就是说，在温度不断升高的情况下，热运动和温漂效应占据主导，是噪声的主要来源，此时的吸附脱附噪声并没有表现出比较高的抖动频率。但是当谐振频率超过10mhz的时候，吸附脱附噪声会占据主导地位，并且超越热机械噪声，成为主要的噪声机制，此时其与温度之间的关系依然保持着反比例关系。

以各个噪声机制引起谐振频率抖动与气压关系的示意图来看，得出以下结论：其一，热机械噪声引起的谐振频率抖动与气压保持着正比例的关系，气压不断增加，其抖动的情况更加严重。与此相反，温漂噪声变化与气压层正比例关系，也就是随着气压的不断增加，其噪声谐振频率抖动的越发严重；其二，微机械结构的热导的不断征集，会使得其环境发生变化，由此使得温漂噪声失去了赖以生存的环境；其三，吸附-脱附噪声会随着气压的不断变化产生极值现象，并且会在微机结构表面产生反应，当达到一定范围的时候，就会产生相应的极大值；其四，当气压达到一定水平的时候，热机械噪声会占据主导，此时的频率抖动与气压之间保持着正比例关系。

下图为最小可检测质量与频率变化的示意图。从下图中可以得出以下结论：谐振频率抖动会随着频率的增加出现不断增长的情况，而质量检测分辨率会随着其增加出现降低的情况。简单来讲，悬臂梁尺寸越小，其谐振频率就越高，其可检测的最小质量变化也相对较小。

三、结束语

综上所述，以噪声模型为基础，以能量统计分析的方式切进行模型的扩展研究，的确可以有效的找到影响微机械悬臂梁机械噪声影响因子。在这样研究理论的基础上，其引导微机械悬臂梁的设计工作，使得其朝着高性能，高质量，高科技水平的方向发展和进步。

参考文献：

[1] 谢汝峰. 液压泵噪声研究的进展[J]. 流体传动与控制. 2008（03）

[2] 薛玮飞，陈进，李加庆，张桂才，雷宣扬. 机械噪声故障特征提取的波叠加法[J]. 机械科学与技术. 2006（09）

[3] 刘永超，邓兆祥，王攀，王厚记. 内燃机机械噪声与燃烧噪声识别[J]. 现代制造工程. 2009（11）