机械手设计论文模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇机械手设计论文，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

篇1

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

篇2

关键词：机械手 模块设计 控制系统

机械手主要应用于劳动密集型的加工行业，代替人类完成单调重复的劳动，提高生产效率和产品合格率。机械手的应用扩大了人的手足和大脑功能，使人类避免从事危险、有害、低温和高热等恶劣环境中的工作[1]。目前已广泛应用于汽车制造、家具制造、服装加工等领域。

1 机械手机构设计

1.1 底座结构设计 底座是用于安装手臂、动力源、控制器和驱动机构的支架。本机械手底座支架装有一个减速电机和一个智能控制器，如图1所示：

1.2 手臂结构设计 手臂是连接底座和手部的中间部分，有无关节臂和有关节臂之分，目前采用的手臂大多为无关节臂[2]，本文采用有关节臂。

手臂的作用是引导手部准确的抓住物体，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够准确的工作手臂的三个自由度都要准确的定位。本机械手手臂结构采用三个SR-403P舵机及其相关卡口工件组成，三个自由度可使机械手手臂结构更加自由灵活地运动，手臂结构如图2所示：

1.3 手部结构设计 手部安装在手臂的前端。手部由两个舵机控制，从而实现手腕的反转和手指的关闭。

机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种[3]。手指的数量又可分为二指、三

指、四指等，其中以二指用的最多，设计时采用的二指结构，其中一指固定，另一指由舵机控制。手指可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般是指真空吸盘或磁性吸盘。机械手手部结构包含两个自由度，一个自由度用于夹持物件，另一个自由度用于反转手腕，两个自由度均由HS-7955TG舵机实现，手部结构如图3所示：

机械手装配完成后的整体设计效果图如图4所示：

2 机械手臂驱动设计

常见的驱动机构主要液压驱动、气压驱动和电气驱动。其中以液压驱动、气压驱动应用的最多，而电动驱动应用的比较少。液压驱动主要是通过缸、阀、油泵和油箱等实现传动。具有体积小、作用力大，动作平缓，调速方便等优点，但需要配备油泵等动力设备，系统复杂，成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。以空气作为动力传递媒介，具有维护简单、方便，运行清洁，但因空气的可压缩性比价高，一般难以线性控制。电气驱动采用的不多，一般以电机作为动力源，用大减速比减速器来驱动执行机构，系统简单，维护方便，但因电机功率原因，很难达到较高的功率输出，不适合高负荷野外工作。

2.1 机械手驱动方式的选择与设计 因为本文所设计的六自由度机械手为实验室内部研究使用，故不需考虑能源供给和功率问题，反观液压驱动和气压驱动都需要庞大的配套系统来支撑驱动，所以本文采用电气驱动方式。驱动元件主要包括减速电机和舵机。图1中的减速电机采用OpenCS5A/8A智能驱动器进行控制，实现其速度控制和位置控制。OpenCS5A/8A是一款应用最新的DSP控制技术开发的集运动控制、驱动、PLC功能于一体的智能控制

与数字伺服驱动器，内嵌高级运动控制语言（TML），使其易于实现无刷直流，无刷交流（矢量控制）旋转或直线，有刷伺服电机的单轴与多轴控制。机械手的其余关节使用舵机控制，舵机是一种位置伺服的驱动器，控制信号是PWM信号[4]，利用占空比的变化改变舵机的位置。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分的脉宽一般在0.5ms-2.5ms范围内，其实是利用调节固定周期内的占空比来控制角度的变化。具有控制简单，安装方便等优点。

2.2 机械手控制系统通信设计 机械手的控制系统设计主要包括驱动机构（减速电机和舵机）的控制、上位机控制界面的设计以及上、下位机之间的串口通信等。机械手控制算法经上位机解算后将控制信息经串口发给下位机MCU，下位机根据位置信息分别控制各个减速电机，从而实现机械手的精确控制[5]。

3 基于VC++的控制界面设计

上位机控制界面主要包括五路舵机控制区、一路电机控制区、机械手运行示意图等几个部分，如图5所示。

舵机控制采用滚动条的方式，并将每个舵机转动的角度实时显示在右侧的编辑框内；电机控制采用速度控制，主要包括电机的正转、反转、停止等；机械手运行示意图显示机械手的运动情况，当某个舵机或电机运行时，示意图上相对应的舵机或电机位置将会加亮，表示这一舵机或电机正在运行[6]。

4 结论

论文主要提供了一种机械手的设计思路，进行硬件制作和控制系统的设计，最终实现机械手的实时控制。解决了减速电机控制、多路舵机控制和上、下位机之间串口通信等难点问题，为实验室机械手位置控制算法的研究提供了实验研究基础，为实验室研究机械手更加精确而又复杂的控制算法提供了实验平台。

参考文献：

[1]范小兰，赵春锋.基于PLC的机械手控制在MCGS中的实现[J].制造业自动化，2012，34（18）：6-8，25.

[2]关明，周希伦，马立静，宋蔚.基于PLC的机械手控制系统设计[J].煤矿机械，2012，34（14）：120-121，142.

[3]张普行，严军辉，贾秋玲.六自由度机械手的运动学分析[J].制造业自动化，2011，33（20）：68-71.

篇3

末端执行器

结构优化

中图分类号：TB47　文献标识码：A　文章编号：1672-3791(2012)02(a)-0001-01

1　水果收获机器人的概念和研究意义

水果收获机器人主要分为两部分：机器人的本体结构部分和控制部分。其中，本体结构部分又可分为：机械手，末端执行器，底部平台，有的还有视觉系统。

在中国，随着农村经济的快速发展和不断调整种植结构，水果栽培面积，例如苹果、柑橘和葡萄，达到自199 3年以来的900万公顷，占世界上水果种植面积总数的四分之一。然而，水果收割任务中50％到70％的劳动力还是靠体力劳动。因为农业人口正在减少，收获自动化亟待普及。此外，由于果树是高个子，收割工作需要使用梯子，使手工收获危险高和效率低下。所以，农业收获机械化亟待普及。因为水果本身易损伤和生长环境的复杂等因素的制约，现阶段的各种水果收获机器人都有各种不足。本文就近几年来的有关论文进行研究学习及对本地柑橘的生长环境的调研，拟设计了一种适合本地柑橘机械采摘的简易机械臂及末端执行器。

2　本地柑橘的自然采摘环境

浙江大部分都是山地地貌，并且大都种植了柑橘、芦柑、胡柚等柑橘属的植物。虽然浙江的气候、土壤等都适宜于柑橘的生长，但是浙江的山地地貌也给采摘和运输带来了一定的难度。每年的采摘季节，需要大批的劳动力，而于此相反的是，本地的劳动力日渐下降，全都去城镇务工了。因此，针对柑橘的采摘机器人呼之欲出。柑橘果实外有一层较厚的果皮，它能很好的减轻柑橘间的碰撞冲击力。

3　本设计的末端执行器及机械臂的结构

3.1　采摘机械手的设计

与工业机器人机械手不何，果蔬果实收获机器人的机械手，所处的外部环境是复杂的、多变的、非结构的，并且与果实的栽培方式有很大关系。因此，设计机械手应在考虑栽培方式的基础上，使果实处于其作业空间内，并且能够避免障碍物(叶子、茎秆等)，准确地抓取到果实。对于柑橘、苹果等树冠高大的果树，机械手需要较大的作业空间。为此，本设计采用三个关节的折叠臂使达到所需的作业空间，并且可以折叠便于携带。

具体三维模型见图1。

3.2　末端执行器的设计

目前各地研究的收获机械手的末端执行器大多为：先由机械手爪抓住果实，然后通过机械手爪转动来扭断果柄；或者在手爪抓住果实后，用另一个剪刀去剪断呆柄，然后机械臂把水果运输到指定点，手爪放开。这样的设计一定程度上降低了收获机械人的收获效率。

本设计的末端执行器主要由支架，动力部分，传动部分，果梗剪断器，果实传送部分五个部分组成，具体看图2。此末端执行器由电机通过齿轮驱动果梗剪断器剪断果梗，同时果实掉入果梗剪断器下方的柔性导管中，果实通过柔性导管被马上运输到指定点。

本设计的末端执行器和普通的执行器相比，不但从减少电机的数量，并且提高收获机械人的工作效率。其中图2中的柔性软管不仅代替了普通的末端执行器的手爪功能，从而减去了一个被驱动元件，还能直接把采摘得果实直接运送到指定点，进而大大提高了收获效率。但由于运输过程中有一定碰撞，所以此末端执行器一般适用于柑橘等柑橘属的水果。

此外，由于不同品种的柑橘的果梗粗细不同，果实的直径大小不同，我们可以根据采摘对象的不同，更换不同的果梗剪断器，不同直径的柔性管道，甚至整个末端执行器也可更换。

3.3　建立实物模型，检验实际效果

根据三维建模的相关数据及考虑现实的取材便利，我们用轻质不锈钢做为主材料，直流电机为动力部分，齿轮为传动部件，塑料管做为柔性管道制造出了四自由度的柑橘采摘机械手模型(图3)。并且，在实验室里，模拟运行了此机械手的采摘功能。在实验室里，该柑橘采摘机械手模型在人的控制下基本能实现在竖直空间上的上下自由运动。并且顺利剪断果梗，使果实顺利掉入由塑料管充当的柔性管道中。最终，果实顺着柔性管道顺利到达指定位置。

4　结语

对于目前水果收获机器人的机械手和末端执行器存在的问题。本文提出了自己的见解：因机械手的结构与果蔬的生长状态有关，可采用关节型的折叠机构。对于水果收获机器人只能针对一种对象进行作业的现状，本设计提出了一套适合柑橘属果实采摘的末端执行器的设计，即只需要更换末端执行器，这样收获机器人的利用率将大大提高。另外，柔性的管道节省去了机械臂把水果放回地面的时间，从而大大提高了机器人的采摘效率。

当然，本设计的也还存在一些不足。如缺少在自然环境中的测试，还不能很好的利用到现实生产过程中。机械臂的设计有些过于简单，有待进一步优化。

篇4

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.

篇5

中图分类号：S225.92 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）09-2248-04

目前，中国农业机械化对农业生产的贡献率仅为17%，与发达国家存在很大的差距[1]。加速农业现代化进程，实施精确农业，广泛应用农业机器人，以提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率已成为现代农业发展的必然趋势[2，3]。果蔬的采收方法有手工采收、机械辅助采收和机械化采收3种[4，5]，世界萝卜的总产量为4 900万t/年，其中中国680万t/年，国内的采摘作业基本上都是手工进行的，收获作业劳动强度大。随着农业设施的发展和作业机械化的要求，对萝卜种植模式要求也越来越高，种植、管理和收获的劳动量也越来越大，亟需研究开发果蔬收获机器人，实现果蔬的机械化、自动化与智能化收获[6，7]，为此，通过对萝卜种植与采收情况的调研，设计了一款萝卜采收机械手，以期为萝卜的自动化采收打下一定的基础。

1 萝卜采收机总体设计

根据萝卜采收过程的特殊性，为了提升萝卜采收的工作效率，所设计的是一种农业机械中的收获机械手，由执行系统、驱动系统和控制系统组成，其组成示意图如图1。

2 萝卜采收机械手关键部位机械设计

萝卜采收机械手的关键部位主要包括：1）手爪部位。手爪部位的主要工作是对萝卜进行抓取，为了减少手部由于惯性带来的不平稳性，此部位采用回转的形式，而手爪只用两根手指代替；2）手腕部位。手腕是连接手爪部位和手臂部位的关键地方，其主要工作是调整萝卜的方位，使萝卜被抓的时候可以进行摆动和回转，辅助萝卜采收过程的连贯性；3）手臂部位。手臂部位的主要作用就是支承，在采收过程中带动其他部件运转，并按照采收要求将萝卜搬运到指定的位置，设计时只需要实现手臂部位的升降与摆动即可。此次设计机械手应实现的功能：萝卜的挖掘、被挖掘的萝卜转移到指定位置，图2为机械手的机构形式简图。

2.1 机械手基本技术参数的选定

由于萝卜生长的自然环境决定了萝卜采摘过程中所需要的拔取力，故需要对不同地方生长的萝卜进行采收力的测定。把细绳系在萝卜的茎叶或者根茎部位，细绳的末端连接计力器材，多次读取并记录最大拉力。图3为湖北省长阳和沙洋两个地区分组测试萝卜拔取力的试验结果，现取5组数据平均值F=80 N，萝卜重量约为0.5kg，故重力G=5 N，摩擦系数f=0.2，夹紧力N=0.5 G/f，得N=12.5 N。

机械手手臂上下行程为500 mm，手腕旋转角度90°，手臂旋转角度90°，按照循环步骤安排确定每个动作的时间，从而确定各动作的运动速度。各动作的时间分配要考虑多方面的因素，包括总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等[8]，此次设计各动作依序进行，为保证萝卜的质量必须限制采摘速度及加速度，采摘速度初步定在小于1 m/s，此速度由各关节液压缸流量控制保证。

2.2 机械手末端执行机构的设计

手部是用来直接握持萝卜的部件，由于被握持萝卜的形状、尺寸大小、重量、表面状况等的不同，根据实际要求，设计采用夹钳式的手部结构。夹钳式手部结构由手指、传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的物体具有较大的适应性，常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或放松[9]。由于抓取尺寸约为90 mm×240 mm的圆柱体，故采用夹钳式平面指形结构较为合适。

设计中机械手手爪在夹持萝卜时，其夹握力分析简图如图4。为了增大夹握力，采取以下两种方法：①设计铲刀角度170°，以增加手指和萝卜的接触面积；②增大手指和萝卜间的摩擦系数，为此采用较宽手指与萝卜接触，故此处f取0.2，将上述数值代入得：

N=■G=■×5=12.5N 公式（1）

式中，N为夹持萝卜时所需要的握力；G为工件重量转化的重力； f为摩擦系数。

考虑到在传送过程中还会产生惯性力、振动以及受到传力机构效率等的影响，故实际握力还应按公式（2）计算[10]：

N实≥N・■ 公式（2）

式中，η为手部的机械效率，一般取0.85～0.95；k1为安全系数，一般取1.2～2.0；k2为工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，按公式（3）估算[10，11]：

k2=1+a/g公式（3）

其中，a为抓取工件传送过程中的最大加速度，g为重力加速度。

若取η=0.9，k1=1.5，k2按a=g/2计算，k2=1+a/g=1.5，则

N实≥N・■=12.5×■≈32 N 公式（4）

2.3 机械手腕部位的设计

机械手腕与机械手臂连接在一起，手臂运动结束后调整手腕的位置状态，以此来提高萝卜采收过程的拔取率。手腕部位的机械结构设计应该力求扎实紧凑，且转动惯性小。手腕也是末端执行部位与机械手臂之间的桥梁，处于手臂部位的前端，手爪的末端，因此其承受载荷的性能直接关系到萝卜的采收过程，在设计的过程中还要考虑其机械强度与刚度，并且要让其布局合理。结合设计要求，设计出腕部位的结构如图5，其为典型腕部结构中具有一个自由度的回转缸驱动的腕部结构，直接用回转液压缸驱动实现腕部的回转运动。

2.4 机械手臂部位的设计

机械手的手臂部位是实现机械手末端手爪进行大尺度位姿变换的关键部件，即把末端手爪部分移动到空间的指定地点。手臂部位的驱动形式主要有液压传动式和机械传动式两种，由于手臂部位的大尺度工作范围，以及工作中也需承受腕部和手爪部位的动力载荷，而且其姿态调整的灵活性影响到机械手的定位精度，因此手臂部位采用液压回转缸的形式实现手臂的大尺度旋转动作，如图6所示的手臂结构，采用一个回转液压缸，实现小臂的旋转运动。从A-A剖视图上可以看出，回转叶片用键和转轴连接在一起，定片和缸体用销钉和螺钉连接，压力油由左油孔进入和右油孔压出，以此来实现手臂部位的旋转。

3 萝卜采收机械手液压驱动系统设计及PLC控制设计

3.1 液压驱动系统的设计

从萝卜采收的工艺过程可以得出，机械手运动的时候液压系统中液压油的压力和流量不需要太高，设计使用电磁换向阀的液压回路可以较好地提高采收过程的自动化程度。从降低供油压力的角度来分析，机械手的液压系统可以采用单泵供油，而手臂部位的旋转和位姿的调整等相关机构采用并联供油。为了防止多缸的运动系统在运动的过程中产生干涉和保证运动过程中实现非同步运动或者是同步运动，油路中的换向阀使用中位“O”型换向阀，夹紧缸换向选用二位三通电磁阀，其他缸全部选用“O”型三位四通电磁换向阀[12，13]。机械手臂位姿调整的过程中要求行程可变，在液压缸的起动和停止的过程中也需要缓冲，但由于回转缸内空间狭小，且回转缸为小流量泵供油，故本系统没有在回转缸换向回路中采用缓冲回路，仅在大流量直动液压缸中采用缓冲回路。

在上述主要液压回路定好后，再加上其他功用的辅助油路（如卸荷、测压等油路）就可以进行合并，完善为完整的液压系统，并编制液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表，其中液压原理图如图7。

3.2 PLC控制设计

为了让机械手工作时可靠且有较强的稳定性，控制部分的设计思路是让该机械手的部件顺序动作，所以，在任一时间该机械手都只有一个部件被驱动，而各个部件的运动方式和运动范围都是受其结构限制的[14，15]。PLC的状态流程简图如图8所示，机械手在自动运动状态时每一个周期需要完成以下动作：萝卜采摘开始时，机械手被设定在准备状态，第一步为手臂下降；下降完成后，手爪扎入地下指定深度，进行第二步手爪夹紧；为完成挖萝卜动作，手腕带动手爪及萝卜旋转90°；完成上述动作后，机械手臂向上提升完成拔去动作；手臂摆动90°，以实现对萝卜的转移；最后手臂回摆，手腕回摆，机械手回到初始状态。

4 小结

通过对机器人技术及机械手结构的分析，对萝卜采收的过程进行了研究，确定萝卜采收机械手的整体方案结构，设计萝卜采收机械手的关键结构。萝卜采收机械手能配合萝卜采收机依次完成萝卜的拔取、翻转、转位等动作，但该机械手在结构及工作性能的稳定性方面还需在田间进行试验，控制方案有待根据不同地区的种植情况进行优化。

参考文献：

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[3] 赵 匀，武传宇，胡旭东，等.农业机器人的研究进展及存在的问题[J].农业工程学报，2003，19（1）：20-24.

[4] 高焕文.农业机械化生产学（上册）[M].北京：中国农业出版社，2002.

[5] 李宝筏.农业机械学[M].北京：中国农业出版社，2003.

[6] 刘小勇.番茄收获机械手机构分析及双目定位系统的研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2006.

[7] 李增强，章 军，刘光元.苹果被动抓取柔性机械手的结构与分析[J].包装工程，2011，32（15）：14-17.

[8] 李建新.可编程序控制器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2004.

[9] 姚璐璐.陆地钻机立柱式钻杆排放系统设计[D].兰州：兰州理工大学，2012.

[10] 陈 红.气动机械手系统设计[D].长春：长春理工大学，2010.

[11] 天津大学《工业机械手设计基础》编写组.工业机械手设计基础[M].天津：天津科学技术出版社，1985.

[12] 王 敏，王 华.PLC在液压实验台上的应用及仿真程序设计[J].长春工程学院学报（自然科学版），2002，3（3）：57-59.

篇6

中图分类号: TP241.2 文献标识码:A 文章编号:1674-0432(2010)-10-0120-1

四自由度采摘机械臂可以看成是由一系列通过活动联接连接起来的杆件组成的。

1 三维空间中的附体坐标系和总体坐标系

为了便于处理机械臂复杂的几何参数,机械臂各杆件的运动可在总体坐标系中描述,在每个杆件处建立一个附体坐标系。运动学问题便归结为寻求联系附体坐标系和总体坐标系的变换矩阵。如图1所示,参考坐标系Oxyz是三维空间中的固定坐标系,在机械臂运动学中将其作为总体坐标系,把Ouvω看成是附体坐标系。

图1 总体坐标系和附体坐标系

2 建立附体坐标系和总体坐标系的规则

Denavit和Hatenberg(1955)提出了一种为关节链中的每一杆件建立附体坐标系的D-H矩阵方法。对于每个杆件来说,在关节轴处可建立一个正规的笛卡儿坐标系(xi,yi,zi),i=1,2,3,4,再加上机座坐标系。建立在关节i+1处的坐标(xi,yi,zi)是固联在杆件i上的。当关节驱动器推动关节i时,杆件i将相对于杆件i-1运动。机座坐标定义为第0号坐标(x0,y0,z0),它也是机械臂的惯性坐标系。确定和建立每个坐标系应根据下面3条规则:

(1)zi-1轴沿着第i关节的运动轴;

(2)xi轴垂直于zi-1轴和zi轴并指向离开zi-1轴的方向;

(3)yi轴按右手坐标系的要求建立。

按照这些规则,第0号坐标系在机座上的位置和方向可任选,只要z0轴沿着第1关节的运动轴运动。

3 四自由度采摘机械臂坐标系的关系参数

根据上述坐标系的定义,描述四自由度采摘机械臂相邻坐标系之间的关系可归结为如下4个参数:

θi 绕zi-1轴(右手规则)由xi-1轴向xi轴的关节角;

di 从第i-1坐标系的原点到zi-1轴和xi轴的交点沿zi-1轴的距离;

ai 从zi-1轴和xi的交点到第i坐标系原点沿xi轴的偏置距离;

αi 绕xi轴(右手规则)由zi-1轴转向zi轴的偏角。

对于四自由度采摘机械臂来说,di,ai,αi是关节参数,θi是关节变量。根据上述三条规则以及各参数的解释,可以求得四自由度采摘机械臂的四个参数,结果见表1。

4 循环法建立坐标系

除了上述D-H矩阵方法以外,也可以通过以下6个步骤为四自由度采摘机械臂建立一组相容的标准正交坐标系。

(1)建立机座坐标系。在机座上建立右手正交坐标系(x0,y0,z0),使z0轴沿关节1的运动轴,x0和y0轴与z0垂直,但方向可任选;

(2)初始化和循环。对每一个i,i=1,2,3,完成步骤(3)至(6);

(3)建立关节轴。把zi轴与关节i+1的转动轴对准;

(4)建立第i个坐标系的原点。将第i个坐标系的原点放在zi和zi-1轴的交点处,或放在它们的公垂线与zi轴的交点处;

(5)建立xi轴。使xi=±(zi-1×zi)/||xi=±(zi-1×zi)/||,如果zi-1与zi平行,就使xi沿它们的公垂线;

(6)建立yi轴。令yi=±(zi×xi)/||zi×xi||,使(xi,yi,zi)成为右手坐标系。建立好的坐标系如图2所示。

图2 四自由度采摘机械臂连杆坐标系

参考文献

[1] 朱梅.具有五自由度及张合气爪的液压机械手[J].机床与液压, 2006,1:96-97.

[2] 毕诸明.六自由度操作手的逆运动学问题[J].机器人. 1994,3(16):92-95.

[3] 高锐.草莓收获机器人的初步研究[D].中国农业大学硕士学位论文,2004.

篇7

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.

篇8

中图分类号：F407.472 文献标识码：A 文章编号：

一.引言

焊接是现代机械制造业中一种必要的工艺方法应用，焊接技术的先进水平做为衡量一个国家工业发达程度的重要指标已逐渐为大众公认，同样焊接技术的发达程度也是衡量工业企业技术水平高低的重要标志。由于受我国相关工业的制约， 在使用焊接机械手的过程中，必须采用与西方发达国家不同的、适合我国国情的灵活的使用方式，才能保证焊接机械手在我国相关产业不配套的情况下正常使用。

二. 机车车辆工业焊接的主要用料。

目前， 在机车车辆上所采用的主要是碳素结构钢、低合金结构钢（包括耐候钢） 等具有良好的焊接性能的材料， 一些零部件采用铸钢或锻钢制造， 其材质本身有较好的焊接性能，但因构件结构复杂， 在焊接过程中有些需要采用适当的辅助工艺手段。铝合金型材由于其质量轻， 能减轻运输设备的自重，在客车及一些特种车辆的制造中应用范围逐渐扩大。铝合金、不锈钢及各种复合材料随着先进焊接技术的运用，将在机车车辆工业生产中发挥更大的作用。

三.铁路工业涉及的焊接方法。

焊条电弧焊。

焊条电弧焊曾广泛应用于机车车辆工厂的制造与修理部门。随着二氧化碳气体保护焊、混合气体保护焊、埋弧焊、焊接机械手等新技术、新工艺的推广， 焊条电弧焊在铁路机车车辆工厂的使用逐年下降， 其焊缝长度比例在机车车辆制造业目前大约仅占5%左右。在机车车辆修理业用得还比较多，其焊缝总长度大约占30%-50%左右。此比例还将逐年下降， 集中检修的配件多采用了二氧化碳气体保护焊与埋弧焊等焊接方法。如对铁路货车上、下心盘检修，采用二氧化碳气体保护焊技术进行堆焊、车钩钩舌的检修采用埋弧焊技术堆焊。各工厂对检修机车车辆中的新制配件，已普遍采用了二氧化碳气体保护焊技术。

二氧化碳气体保护焊接技术的应用。

二氧化碳气体保护焊与富氩混合气体保护焊焊接电流大，相应电流密度大，电弧热量利用率较高， 熔敷速度比焊条电弧焊快，焊接时熔深大，可以减小坡口， 减少填充金属；焊接速度是焊条电弧焊的1-2倍；节能，其耗电量仅是交流焊条电弧焊的1/2左右；工作辅助时间少，特别是在富氩混合气体保护焊中几乎不必清渣， 节省了时间， 提高了效率； 明弧焊接，操作方便，适合全位置焊接。二氧化碳气体保护焊技术广泛应用于机车车辆各种大型构件的连接焊缝及工件的堆焊等方面。特别是“七五”、“八五” 以来，二氧化碳气体保护焊技术已在机车车辆工业系统普遍采用。1996年5月27日，铁道部了TB/T1582-1995《机车车辆二氧化碳气体保护焊技术条件》， 使我国铁路二氧化碳气体保护焊技术逐步实现与国际接轨。现在，在机车车辆制造中， 一些重要焊缝如在车辆制造中的中、枕、横梁焊接都采用了二氧化碳气体保护焊工艺，南方汇通股份有限公司在.C64T提速货车的制造中，用二氧化碳气体保护焊焊接枕、横梁及车体底架各连接焊缝， 焊接质量与生产效率明显提高。南方汇通股份有限公司在ZD240型铸锭车制造中，全面使用二氧化碳气体保护焊，焊缝长度达98%以上，北京二七车辆厂在NX等型平车上使用二氧化碳气体保护焊，焊缝长度达90%以上。

埋弧焊技术的应用。

由于埋弧焊焊接电流大， 相应电流密度大（是同直径焊条电弧焊的3-5倍)倍），同时有焊剂和熔渣的隔热作用， 电弧热量利用率较高， 焊接时熔深大， 可减小坡口与填充金属量；焊接速度是焊条电弧焊的5-6倍，焊接时焊接参数自动调节保持稳定，又有焊剂的保护，焊接质量稳定可靠，无弧光照射、劳动条件较好。在机车车辆的制造与修理工作中， 埋弧焊技术广泛应用于各种大型构件主要焊缝的焊接及工件的堆焊。如南方汇通股份有限公司应用埋弧焊技术， 焊接新造C64T、C64K等铁路提速货车的中梁，堆焊铁路货车磨耗的轮缘等部件。

电阻焊技术的应用。

电阻焊技术主要在客车工厂使用， 原来主要用于薄板及小配件的连接，随着城际快速列车的发展， 在要求车体自重特别轻的城际快速列车上得到较好的应用。长春客车厂在为重庆市生产的城际快速列车上，使用从英国引进的350KV，10万A的电阻焊设备，进行铝合金裙板、端板等的焊接。另外，在京津城际快速列车上， 使用从英国、韩国引进的侧架、底架、车顶等12套专用大型龙门点焊机械手,进行不锈钢车体各部件的焊接。

焊接机械手、焊接工作站的应用。

铁路实施“客运提速，货运重载”，要求铁路机、客、货车具有更好的结构强度， 有更轻的质量， 毫无疑问地给铁路机车车辆焊接技术的新发展带来了机遇。从1992年株洲电力机车厂引进焊接机器人工作站后， 长春、四方、浦镇等客车厂，齐齐哈尔、武昌、二七等货车车辆厂也先后从德国、奥地利、日本、法国、美国等发达国家引进了焊接机器人工作站、焊接机械手等先进设备， 并在引进消化吸收的基础上，与国内有关部门合作， 自行开发了机器人焊接程序及适应我国铁路机车车辆焊接技术需要的机械手、工作站等设备， 逐步缩小了与发达国家的差距。

6. 新型结构材料在铁路机车车辆上应用。

随着铁路“ 提速重载” 与跨越式发展战略的实施， 原有的碳素结构钢已远远不能满足铁路机车车辆工业的使用要求。目前国内已开始生产微合金控轧钢， 其钢种具有良好的焊接性能； 正在研制的超细晶粒钢， 其强度和使用寿命将比现有结构钢提高一倍， 其钢种特点是超细晶粒、超洁净度、高均匀性， 性价比更加合理。同时， 各种不锈钢、铝合金、中低合金钢等耐蚀材料的应用也将成为主流。这些高性能钢种的应用， 必将进一步推动铁路机车车辆焊接技术的发展。

四.铁路机车车辆工业焊接技术发展前景。

铁路机车车辆工业焊接技术发展前景焊接生产过程的机械化和自动化是工业现代化的必由之路。世界工业发达国家焊接机械化和自动化的程度都已达到60%以上，西欧和美国已达到70%以上，而日本已经达到80%以上。我国各工业部门焊接生产的机械化和自动化程度还相对较低，平均30%左右，而且大部分仅是自动化程度较低的机械焊机。我国大型骨干企业机械化和自动化程度已达到60%-65%。如汽车制造业，已经普遍采用了弧焊机器人、点焊机器人和机器人自动焊接生产线； 我国船舶制造企业焊接机械化和自动化程度已达61%左右。伴随铁路“客运提速， 货运重载”， “九五”以来，铁路部门焊接技术的机械化和自动化程度虽然有了较大的提高， 但与我国汽车制造企业、船舶制造企业、军工企业等工业系统相比，还存在较大的差距。

五．结束语

随着提高质量和效率的焊接机械化和自动化水平的不断提高，焊接机械手、机器人工作站等的推广应用， 焊接工艺及焊接装备的现代化， 必将推进我国铁路机车车辆制造业的现代化进程，也必将提升我国铁路机车车辆工厂与国际铁路供应商竞争的实力。对于新的应用钢种和工艺方法， 必须要有相匹配的焊接材料，从发展趋势看， 药芯焊丝、烧结焊剂、低飞溅气体保护焊实芯焊丝、高强钢用焊材、低温钢用焊材、耐热钢用焊材、不锈钢用焊材等高技术含量产品是铁路机车车辆用焊接材料的主要方向。

参考文献：

[1] 王振民 换热器管板的全位置自动化焊接工艺 [期刊论文] 《华南理工大学学报》2010年5期

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1引言

近年来，各国为达到提高系统的定位精度以适应工业需要，尝试了各种控制方式和控制策略，并对气动伺服系统做了大量工作。当临时需要对各个单元进行新的分配任务或产品变化时，可以很方便的改动或重新设计其新部件，当位置改变时，只要重新编程，就能很快地投产，从而降低了安装和转换工作的费用。模块化生产培训系统（MPS，ModularProductiontrainingSystem）是一种模拟自动化生产加工单元，它由德国FESTO公司结合现代工业企业的特点开发研制而成。它可以大量代替单调往复或高精度的工作，用以满足前沿产品和自动化设备更新的需要。本文所研究的内容，国际上以德国、日本、韩国等最具代表性，技术上已经趋于成熟，但其产品价格昂贵，且在技术上对用户封锁，致使用户无法结合自己的需要进行二次开发。

目前，国内已有几家教学设备生产企业开始仿造国外的MPS部分产品，主要有上海英集斯自动化技术有限公司生产的“MPS/FMS模块化生产培训系统”；浙江亚龙教仪有限公司生产的“亚龙YL－MPS模块化生产培训系统”。本文将采用上海英集斯自动化技术有限公司生产的MPS教学设备，结合本实验室（国家示范性中央财政支持重点建设实验室）的实际需求，给出了基于PLC的MPS上料检测单元PLC控制系统设计的完整解决方案。

2上料检测单元的结构、功能与气动控制回路

上料检测单元可作为MPS系统中的起始单元，向系统中的其它单元提供原料。

2.1上料检测单元的结构、功能

上料检测单元主要由I/O接线端口、料盘模块、气源处理组件、工件检测组件、提升模块等部件组成。它的具体功能是：将放置在料盘中的待加工工件按照需要自动地取出，并检测出工件的黑白颜色，最后将其提升到输出工位，等待下一个工作单元来取。

2.2上料检测单元的气动控制回路

上料检测单元的执行机构是气动控制系统，其方向控制阀的控制方式为手动控制或电磁控制。在上料检测单元的气动控制原理图中，1A为双作用提升气缸；1Y1为双作用气缸电磁阀的控制信号；1B1和1B2为磁感应式接近开关。气动控制回路如图1所示。

图1上料检测单元气动控制回路

3基于PLC的MPS上料检测单元控制系统的设计方案

基于PLC的MPS上料检测单元控制系统的控制任务设计：接通设备电源与气源、运行PLC后，首先执行复位动作，即提升气缸驱动的工件平台下降到位。料盘旋转输出工件，当料盘检测到工件平台中有工件后停止旋转，提升气缸动作，将工件平台提升至输出工位，检测工件的颜色并保存下来。按下“特殊”按钮，表示工件被取走。随后工件平台下降到位，料盘继续旋转输出工件，重复以上流程。

下面介绍该方案的关键环节。

3.1分配上料检测单元PLC输入输出地址

PLC的输入输出与执行机构的对应关系如表1所示。

表1上料检测单元PLC输入输出与执行机构的对应关系

3.2编写程序并调试

上料检测单元的手动控制程序框图如图2所示。

图2上料检测单元的手动控制程序框图

上料检测单元的PLC梯形图程序如图3所示。

图3上料检测单元的PLC梯形图程序

经调试，该程序能顺利完成本单元的控制任务。

4结束语

本文对上料检测单元的结构与功能、气动控制回路分别进行了详细分析，然后对上料检测单元的PLC控制系统进行二次设计与实现，首先编写了PLC输入、输出分配表，进而编写出其程序流程图及梯形图，最后上机调试，验证了基于PLC的MPS上料检测单元控制系统的二次设计与实现的可行性。并总结出两点结论：（1）在设计各单元的控制任务时，要根据各单元的基本功能，编写符合实际的控制任务，最大限度的合理开发其使用功能，但一定要符合其机械设计，否则会让设备之间发生冲突，造成元器件的损坏；（2）在设计梯形图程序时，移位指令和数据传送指令的合理配合使用，以及RS触发器指令的巧妙使用，会大大缩短梯形图程序设计时间，又会达到良好的控制效果。从而快速对上料检测单元的PLC控制系统进行二次设计与实现。

参考文献

1 工业机械手编写组编. 工业机械手-机械结构. 上海:上海科学技术出版社,1978:5-7.

2 宋旦锋. 模块化气动装卸机械手的研究与开发. 南京:南京理工大学,2004:6-8.

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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