導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇機(jī)械臂，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

機(jī)械臂的模型仿真采用MatLab平臺(tái)下的RoboticsToolbox工具箱，從而可以很方便地對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論進(jìn)行學(xué)習(xí)和驗(yàn)證。工具箱內(nèi)部包含了很多機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的功能函數(shù)，如機(jī)械臂的坐標(biāo)變換及機(jī)械臂正逆運(yùn)動(dòng)等。通過(guò)調(diào)用Link和Robot兩個(gè)功能函數(shù)，利用Denavit－Hartenberg參數(shù)表來(lái)描述機(jī)械臂各個(gè)連桿間的位移關(guān)系，可以在三維空間為機(jī)械臂的每一個(gè)連桿建立一個(gè)坐標(biāo)系或相對(duì)于機(jī)械臂底座的相對(duì)坐標(biāo)系，進(jìn)而確定每一個(gè)桿件的位置和方向。在建立多個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的時(shí)候，為了方便，一般建立一張關(guān)節(jié)和連桿參數(shù)的D－H參數(shù)表。根據(jù)圖4所示的結(jié)構(gòu)模型建立的參數(shù)如表1所示。利用表1建立的D－H參數(shù)表來(lái)進(jìn)行機(jī)械臂數(shù)學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)仿真，在Matlab中將6個(gè)關(guān)節(jié)初始角度按照表1設(shè)置為θ1=90°、θ2=0°、θ3=0°、θ4=－90°、θ5=90°、θ6=0°。通過(guò)調(diào)節(jié)工具箱中每個(gè)自由度對(duì)應(yīng)的活動(dòng)范圍可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂任一關(guān)節(jié)的位姿運(yùn)動(dòng)。

2機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

采摘機(jī)械臂要實(shí)現(xiàn)其特定的動(dòng)作離不開(kāi)控制系統(tǒng)的支持，其控制系統(tǒng)主要由AVR主控板和舵機(jī)控制擴(kuò)展板組成，此外還有一些輔助的硬件模塊。例如，使其系統(tǒng)穩(wěn)定工作的開(kāi)關(guān)電源模塊、調(diào)整工作姿態(tài)的鍵盤(pán)模塊、實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)的顯示模塊和語(yǔ)音播報(bào)模塊。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)上的監(jiān)控，設(shè)計(jì)了基于MAX232的串行通信接口。

3機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟件主要由主控板控制程序和上位機(jī)監(jiān)控程序兩部分組成。采摘機(jī)械臂主程序流程如圖8所示。整個(gè)程序主要是通過(guò)鍵盤(pán)模塊上按鍵的控制來(lái)切換操作模式，也可以在上位機(jī)設(shè)計(jì)的監(jiān)控軟件中來(lái)進(jìn)行模式的選擇判斷。主程序主要由單自由度功能模式、多自由度功能模式、軌跡規(guī)劃功能模式這3種工作模式組成，通過(guò)這3種工作模式，可以完整的展示采摘機(jī)械臂的整體自由度配合情況。為了在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的監(jiān)控，借助于Labview軟件設(shè)計(jì)了機(jī)械臂上位機(jī)控制系統(tǒng)。Labview使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式［6］。根據(jù)需求選擇合適的控件并進(jìn)行合理的布局，就可以構(gòu)建一個(gè)美觀的儀器儀表界面。設(shè)計(jì)的控制界面如圖9所示，該界面包含有六個(gè)舵機(jī)的數(shù)據(jù)監(jiān)控轉(zhuǎn)盤(pán)、串口通訊設(shè)置、速度調(diào)節(jié)滑塊、按鍵模塊。通過(guò)RS232通信協(xié)議該監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)對(duì)六個(gè)自由度轉(zhuǎn)角和方向的控制，其中舵機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)上的數(shù)值代表脈寬值，其可調(diào)整的范圍為500～2500μs，代表舵機(jī)相應(yīng)的角度為0°～180°。在上位機(jī)上的控制信號(hào)發(fā)送給AVR主控制板，主控制板對(duì)接收到的上位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將需要的運(yùn)動(dòng)形式及參數(shù)發(fā)送給舵機(jī)控制板，各個(gè)舵機(jī)根據(jù)接收到的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作響應(yīng)。

4結(jié)語(yǔ)

篇2

>> 一種新型林地采育作業(yè)臂的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 一種多關(guān)節(jié)智能機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一種新型高速數(shù)顯表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 一種電力巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 一種企業(yè)服務(wù)總線(xiàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 一種屬性權(quán)威系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 一種口令加密工具的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 一種用于農(nóng)業(yè)果實(shí)采摘的機(jī)械臂的改良及應(yīng)用檢驗(yàn) 一種仿生機(jī)械臂空間位置反饋方法的研究 一種用于化工廠排爆的組合機(jī)械臂 一種電梯曳引機(jī)制動(dòng)器制動(dòng)臂與基座連接方式的設(shè)計(jì)缺陷淺析 一種鉤臂車(chē)后支撐架的焊接工裝設(shè)計(jì) 一種RFID中間件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 一種用戶(hù)注冊(cè)登錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 一種時(shí)延設(shè)計(jì)方法與DSP實(shí)現(xiàn) 一種簡(jiǎn)單實(shí)用的檢錯(cuò)與糾錯(cuò)算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 一種靶場(chǎng)測(cè)速系統(tǒng)校準(zhǔn)方法與裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 一種人臉檢測(cè)與識(shí)別方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 一種簡(jiǎn)易漢字加密與解密算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 一種設(shè)計(jì)新穎的教學(xué)論壇的實(shí)現(xiàn) 常見(jiàn)問(wèn)題解答 當(dāng)前所在位置：l，2015-02-27/2016-12-16.梁嘉琪.把3D打印機(jī)改成書(shū)寫(xiě)機(jī)器人替人手寫(xiě)信件[DB/OL].

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篇3

關(guān)鍵詞:果蔬;采摘;機(jī)械臂;自由度

中圖分類(lèi)號(hào): TP241.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-0432(2010)-10-0119-1

在果蔬生產(chǎn)作業(yè)中,采摘作業(yè)約占整個(gè)作業(yè)量的40%。采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到后續(xù)的儲(chǔ)存、加工和銷(xiāo)售。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性,其自動(dòng)化程度仍然很低,目前國(guó)內(nèi)采摘作業(yè)基本上都是手工進(jìn)行,研究采摘機(jī)械臂不僅具有巨大的應(yīng)用價(jià)值,而且具有深遠(yuǎn)的理論意義。

早在20世紀(jì)70年代,歐美國(guó)家和日本就開(kāi)始了對(duì)蘋(píng)果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等采摘機(jī)械臂的研究。1983年,美國(guó)研制出了第一臺(tái)番茄采摘機(jī)械臂。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展,各個(gè)國(guó)家對(duì)采摘機(jī)械臂進(jìn)行了更加深入的研究。

1 多功能黃瓜采摘機(jī)械臂

1996年,荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所研制出一種多功能黃瓜采摘機(jī)械臂。研究是在荷蘭2hm2的溫室里進(jìn)行,整個(gè)機(jī)械臂由行走車(chē)、機(jī)械臂和末端執(zhí)行器組成,末端執(zhí)行器則由機(jī)械臂爪和切割器構(gòu)成,行走車(chē)上裝有完成采摘任務(wù)的全部硬件和軟件。為采摘任務(wù)的完成提供最初的定位服務(wù)。此采摘機(jī)械臂有7個(gè)自由度,采用三菱RV-E2型6自由度機(jī)械臂,在底座增加了一個(gè)線(xiàn)性滑動(dòng)自由度。溫室中黃瓜種植方式為高拉線(xiàn)纏繞方式吊掛生長(zhǎng)。在采摘過(guò)程中,機(jī)械臂對(duì)單個(gè)黃瓜進(jìn)行采摘,采摘成熟黃瓜過(guò)程中不傷害其它未成熟的黃瓜。

2 全自動(dòng)番茄采摘機(jī)械臂

2004年,美國(guó)加利福尼亞番茄機(jī)械公司推出了兩臺(tái)全自動(dòng)番茄采摘機(jī)械臂。這類(lèi)采摘機(jī)械臂首先將番茄連枝帶葉割倒后卷入分選倉(cāng),倉(cāng)內(nèi)有能識(shí)別紅色的光譜分選設(shè)備,可以挑選出紅色的番茄,并將其通過(guò)輸送帶送入貨艙內(nèi)。這類(lèi)番茄采摘機(jī)械臂每分鐘可采摘1噸多番茄,1小時(shí)可采摘70噸番茄。

3 柑桔采摘機(jī)械臂

西班牙研究人員發(fā)明了一種柑桔采摘機(jī)械臂,它是由一臺(tái)裝有計(jì)算機(jī)的拖拉機(jī)、一套視覺(jué)系統(tǒng)和一個(gè)機(jī)械臂組成,能夠從柑桔的大小、形狀和顏色判斷出是否成熟。這類(lèi)機(jī)械臂每分鐘可摘柑桔60個(gè),并且摘下來(lái)的柑桔能夠按大小馬上分類(lèi)。

4 關(guān)節(jié)型機(jī)械臂

日本早在20世紀(jì)80年代也開(kāi)始了對(duì)采摘機(jī)械臂的研究。1984年,日本Kyoto大學(xué)開(kāi)始了對(duì)番茄采摘機(jī)械臂的研究,并研制出了一個(gè)5自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。1993年,日本Kondo等人研制的番茄采摘機(jī)械臂具有7個(gè)自由度,其末端執(zhí)行器由兩個(gè)機(jī)械手指和一個(gè)吸盤(pán)組成,視覺(jué)傳感器主要由彩色攝像機(jī)來(lái)尋找和識(shí)別成熟果實(shí),利用雙目視覺(jué)方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位,行走裝置采用4輪結(jié)構(gòu)。與此同時(shí),Kondo等人還針對(duì)草莓的高架栽培模式和傳統(tǒng)模型研制出了相應(yīng)的草莓采摘機(jī)械臂。該機(jī)械臂具有5個(gè)自由度,視覺(jué)系統(tǒng)與番茄采摘機(jī)械臂類(lèi)似,末端執(zhí)行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。

5 草莓采摘機(jī)械臂

國(guó)內(nèi)對(duì)采摘機(jī)械臂方面的研究始于20世紀(jì)90年代中期,相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚,目前還處在起步階段,并且集中在高等院校和研究所進(jìn)行研究。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中等在草莓采摘機(jī)械臂方面已取得喜人的成果;此外,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)通過(guò)綜合運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)、Bayes分類(lèi)判別模式識(shí)別、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器等技術(shù),對(duì)溫室黃瓜采摘機(jī)械臂的視覺(jué)系統(tǒng)及末端執(zhí)行器也做了大量試驗(yàn)性的研究。

6 視覺(jué)技術(shù)番茄采摘機(jī)械臂

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合等運(yùn)用雙目立體視覺(jué)技術(shù)對(duì)紅色番茄進(jìn)行定位,將成熟番茄與周?chē)蓴_環(huán)境分開(kāi),在番茄采摘機(jī)械臂的視覺(jué)方面取得了很大的成績(jī)。

江蘇大學(xué)的陳樹(shù)人等人提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的番茄采摘機(jī)器人雙目視覺(jué)空間定位方法,構(gòu)建了采摘機(jī)器人雙目視覺(jué)實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng),通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算建立了從圖像坐標(biāo)到世界坐標(biāo)的復(fù)雜映射關(guān)系的雙目視覺(jué)定位模型,而且針對(duì)重疊和被枝葉部分遮擋的成熟番茄以及受光照影響或成熟程度不同引起的邊界缺失,導(dǎo)致目標(biāo)空間定位誤差過(guò)大的問(wèn)題,通過(guò)引入主動(dòng)視覺(jué)和仿生學(xué)思想,區(qū)別傳統(tǒng)的番茄定位中所采用邊緣輪廓特征信息的配準(zhǔn)方法,提出了使用三維番茄表面信息的定位方法,滿(mǎn)足了機(jī)械臂采摘番茄的定位精度要求。

7 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的采摘機(jī)械臂

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)在室內(nèi)模擬環(huán)境下對(duì)直徑大于4cm的紅色和黃色類(lèi)果實(shí)圖像進(jìn)行了去噪、灰度變換、邊緣提取、圖像分割等操作,定量分析了各種顏色特征在分割中的表現(xiàn),找到了果實(shí)圖像分割的最合適的特征;除此之外,還建立了圖像處理系統(tǒng)的界面,并且將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于CCD攝像機(jī)標(biāo)定,確定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)參數(shù),使系統(tǒng)根據(jù)采集到的左右圖像中目標(biāo)的形心坐標(biāo)直接得出其空間坐標(biāo)。

8 結(jié)語(yǔ)

目前研制成功的采摘機(jī)械臂除了上述幾種以外,還有葡萄采摘機(jī)械臂、蘑菇采摘機(jī)械臂、西瓜采摘機(jī)械臂和茄子采摘機(jī)械臂等。

參考文獻(xiàn)

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篇4

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人;運(yùn)動(dòng)學(xué)正解;運(yùn)動(dòng)學(xué)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

機(jī)器人是當(dāng)代新科技的代表產(chǎn)物，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人科學(xué)與技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，在機(jī)器人的研究中，由于其價(jià)格較昂貴，進(jìn)行普及型實(shí)驗(yàn)難度較大，隱刺機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)變得十分重要。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軟件仿真，從運(yùn)動(dòng)圖像和動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)表，可以模擬機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，更加直觀的顯示了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀況，從而可以分析許多重要的信息。

對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，很多學(xué)者都進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)2以一個(gè)死自由度機(jī)器人為例，利用MATLAB軟件繪制了其三維運(yùn)動(dòng)軌跡;文獻(xiàn)4對(duì)一種柱面機(jī)械手為對(duì)象，對(duì)機(jī)械手模型的手動(dòng)控制和軌跡規(guī)劃進(jìn)行了仿真;但上述各種方法建立的機(jī)器人模型只適合特定的機(jī)械臂模型。一種通用的，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修改便可用于任何一種機(jī)械臂的仿真方法顯得尤為重要。

2.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)介

機(jī)器人學(xué)中關(guān)于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)最常用的描述方法是矩陣法，這種數(shù)學(xué)描述是以四階方陣變換三維空間的齊次坐標(biāo)為基礎(chǔ)的。矩陣法、齊次變換等概念是機(jī)器人學(xué)研究中最重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。利用MATLAB Robotics Toolbox工具箱中的transl、rotx、roty和rotz函數(shù)可以非常容易的實(shí)現(xiàn)用其次變換矩陣表示平移變換和旋轉(zhuǎn)變換。例如機(jī)器人在X軸方向平移了0.5米的其次坐標(biāo)變換可表示為：

>>T=transl（0.5，0.0，0.0）

繞Y軸旋轉(zhuǎn)90°可以表示為：

>>T=roty（pi/2）

符合變換可以由若干個(gè)簡(jiǎn)單變換直接相乘得到，例如讓物體繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°，接著繞Y軸旋轉(zhuǎn)-90°，再沿X軸方向平移4個(gè)單位，則對(duì)應(yīng)的齊次變換可表示為：

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

3.構(gòu)建機(jī)器人對(duì)象

使用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的仿真研究，首先需建立相應(yīng)的機(jī)器人對(duì)象。在機(jī)器人學(xué)中通常把機(jī)械手看做是由一系列關(guān)節(jié)連接起來(lái)的連桿構(gòu)成。為描述響鈴按鍵之間平移和轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)系，Denavit和Hartenberg在1955年提出了一種通用的方法，這種方法是在機(jī)器人的每個(gè)連桿上建立附屬坐標(biāo)系，然后用4*4矩陣來(lái)描述相鄰兩連桿的空間關(guān)系的方法，通過(guò)依次變換可最終推導(dǎo)出末端執(zhí)行器相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿，從而建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。通常稱(chēng)為D-H參數(shù)法。

在Robotics Toolbox中，構(gòu)建機(jī)器人對(duì)象主要在于構(gòu)建各個(gè)關(guān)節(jié)，而構(gòu)建關(guān)節(jié)時(shí)，會(huì)用到LINK函數(shù)，其一般形式為：

L=LINK（[alpha Atheta D sigma]，CONVENTION）其中CONVENTION可以取‘standard’和‘modified’，其中‘standard’代表采用標(biāo)準(zhǔn)的D-H參數(shù)，‘modified’代表采用改進(jìn)的D-H參數(shù)。參數(shù)’alpha’帶包扭轉(zhuǎn)角，參數(shù)‘A’代表連桿長(zhǎng)度，參數(shù)‘theta’代表關(guān)節(jié)角，參數(shù)‘D’代表偏距，參數(shù)‘sigma’代表關(guān)節(jié)類(lèi)型：0代表旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，非0代表平動(dòng)關(guān)節(jié)。

這樣，只需指定相應(yīng)的D-H參數(shù)，我們便可以對(duì)任意機(jī)械臂進(jìn)行建模。通過(guò)Robotics Toolbox擴(kuò)展了plot函數(shù)還可將創(chuàng)建好的機(jī)械人在三維空間中顯示出來(lái)。

圖1 puma560機(jī)械臂三維模型

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)是主要研究關(guān)節(jié)變量空間和機(jī)器人末端執(zhí)行器位置以及姿態(tài)之間的關(guān)系。常見(jiàn)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題可分為兩類(lèi)：

1）運(yùn)動(dòng)學(xué)正解：對(duì)一給定的機(jī)器人，已知桿件幾何形狀參數(shù)和關(guān)節(jié)角度矢量，求機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài);

2）運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解：給定機(jī)器人桿件的幾何參數(shù)，給定機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于參考基坐標(biāo)系的所需位置和姿態(tài)，求解各關(guān)節(jié)姿態(tài)，及判斷機(jī)器人能否使其末端執(zhí)行器達(dá)到這個(gè)所需的位姿。

下面用puma560型機(jī)械臂為例，演示運(yùn)用Robotics Toolbox進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。利用Robotics Toolbox編寫(xiě)的控制程序，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，逆解，軌跡規(guī)劃等問(wèn)題進(jìn)行仿真研究。

定義puma560型機(jī)器人，其有兩個(gè)特殊的位姿配置：所有關(guān)節(jié)變量為0的qz狀態(tài)，以及表示”READY“狀態(tài)的qr狀態(tài)。如我們要求解所有關(guān)節(jié)變量為0時(shí)的末端機(jī)械手狀態(tài)，則相應(yīng)正運(yùn)動(dòng)學(xué)可由下述語(yǔ)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

得到的即為末端機(jī)械手位姿所對(duì)應(yīng)的齊次變換矩陣。

圖2 正運(yùn)動(dòng)學(xué)研究

如圖2是起點(diǎn)[0 0 0 0 0 0]到終點(diǎn)[0 pi/2 -pi/2 0 0 0]的正運(yùn)動(dòng)學(xué)研究。

逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題則是通過(guò)一個(gè)給定的其次變換矩陣，求解對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)變量。例如，假定機(jī)械手終點(diǎn)為transl（0.4，0.5，0.2）。

圖3 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)研究

仿真得到腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)坐標(biāo)如圖3所示。

4.結(jié)論

通過(guò)MATLAB Robotics Toolbox工具箱對(duì)puma560機(jī)械臂進(jìn)行建模與仿真，研究其正運(yùn)動(dòng)學(xué)及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，得到了比較理想的仿真結(jié)果，為空間直線(xiàn)，曲線(xiàn)軌跡規(guī)劃提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)MATLAB變成進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作空間任意直線(xiàn)，曲線(xiàn)的擬合插值運(yùn)算，從而為機(jī)械臂的變成算法與運(yùn)動(dòng)研究提供了理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。另外，該工具箱還可以對(duì)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、基于simulink的機(jī)械人動(dòng)態(tài)仿真等許多機(jī)器人學(xué)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行仿真與分析。

參考文獻(xiàn)

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[2]李延富.CINCINNATI機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究與仿真分析[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2005.

[3]馬如奇，郝雙暉，鄭偉峰，等.基于MATLAB玉ADAMS 的機(jī)械臂聯(lián)合仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)制造，2010（4）：93-95.

作者簡(jiǎn)介：

篇5

關(guān)鍵詞：液壓機(jī)械臂連桿；有限元分析；模態(tài)分析

【中圖分類(lèi)號(hào)】TH132【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】2236-1879（2017）24-0123-01

在液壓機(jī)械臂當(dāng)中，連桿是其中非常關(guān)鍵的零部件，其能夠起到連接關(guān)節(jié)的作用。如果采用質(zhì)量不錯(cuò)的連桿，那么在生產(chǎn)期間就不會(huì)形成較高的慣性力，這樣一來(lái)就能夠降低機(jī)械臂的軸承負(fù)荷。不過(guò)使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，很難讓連桿達(dá)到理想的要求。所以經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究發(fā)現(xiàn)，而采用有限元分析，則能夠很好的改善這一問(wèn)題。那么下面我們就來(lái)具體的討論一下相關(guān)的話(huà)題。

一、液壓機(jī)械臂連桿有限元靜力分析

1.1線(xiàn)彈有限元靜力分析基本原理。

在表現(xiàn)均勻、連接、應(yīng)變等關(guān)系的時(shí)候，就要用到彈性力學(xué)基本公式。所以其便成為了運(yùn)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要依據(jù)。

1.1.1平衡方程。

2.3液壓機(jī)械臂連桿有限元模態(tài)分析結(jié)果。

對(duì)液壓機(jī)械臂連桿的有限元模態(tài)的求解，通常不用算出振動(dòng)系統(tǒng)的頻率，只是能夠算出幾價(jià)低階模態(tài)即可。之所以采取這樣的形式，主要是由于低價(jià)模態(tài)能夠?qū)φ駝?dòng)系統(tǒng)形成一定的干擾，而且階數(shù)越低，干擾程度就越大，所以通常情況下會(huì)采用5階到10階的范圍。而下面我們就來(lái)列舉一下前10階模態(tài)固有頻率。

1階，那么頻率就是0.46246HZ，2階，頻率就是2.5055HZ，3階，頻率則為6.1566HZ，4階，頻率則為7.9601HZ，5階，頻率就為10.832；6階的，頻率為16.448HZ；7階，頻率為18.283；8階，頻率為21.315HZ；9階，頻率為21.419HZ；10階，頻率為22.691HZ。

【結(jié)束語(yǔ)】采用有限元分析，能夠降低機(jī)械臂的軸承負(fù)荷，同時(shí)還能夠準(zhǔn)確的體現(xiàn)出所有點(diǎn)的受力狀況，而且也能夠采取靜態(tài)分析，運(yùn)算連桿的最大應(yīng)力、位移等情況，這樣一來(lái)就能夠給連桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析創(chuàng)建充足的依據(jù)。所以在今后的工作中，相關(guān)工作人員一定要重視這方面的工作。

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[2] 程京華. 車(chē)載液壓機(jī)械臂動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與研究[D].遼寧工業(yè)大學(xué)，2016. 

[3] 苗新強(qiáng). 有限元結(jié)構(gòu)分析多層并行算法研究及應(yīng)用[D].上海交通大學(xué)，2015. 

篇6

關(guān)鍵詞： 四軸碼垛機(jī)械臂； OpenGL； DSP； MFC

中圖分類(lèi)號(hào)： TN876?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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

人工碼垛存在效率較低，浪費(fèi)大量人力資源，機(jī)械地重復(fù)性勞動(dòng)損害身體健康等缺點(diǎn)。碼垛機(jī)器人技術(shù)集許多學(xué)科于一體，包括機(jī)械、信息、電子、計(jì)算機(jī)科學(xué)、智能技術(shù)等[1]，它在提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、解決勞動(dòng)力不足、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善生產(chǎn)環(huán)境、降低生產(chǎn)成本等方面具有重要意義。

本文主要研究了關(guān)節(jié)型四軸碼垛機(jī)械臂，利用MFC應(yīng)用程序平臺(tái)設(shè)計(jì)了一款四軸碼垛機(jī)械臂的控制軟件，通過(guò)OpenGL三維函數(shù)庫(kù)繪制碼垛機(jī)械臂的三維圖形。軟件有友好的交互界面，操作者通過(guò)輸入碼垛的基本信息，如碼垛層數(shù)、每層的碼垛方式、碼垛數(shù)量、物塊大小信息、碼盤(pán)放置位置等數(shù)據(jù)，軟件就會(huì)設(shè)計(jì)好機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑和操作方式，并以三維動(dòng)畫(huà)的形式對(duì)碼垛過(guò)程進(jìn)行演示，讓操作者方便地了解機(jī)械臂的運(yùn)行情況，并做出判斷是否需要修改數(shù)據(jù)。同時(shí)軟件還可以把每個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以串口傳輸?shù)姆绞絺鬟f給機(jī)械臂的控制器DSP，控制碼垛機(jī)械臂上的5個(gè)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，完成碼垛過(guò)程。5個(gè)舵機(jī)分別控制了機(jī)械臂底座、下臂、上臂、腕部的旋轉(zhuǎn)以及末端夾持器的開(kāi)合。

1 四軸碼垛機(jī)械臂仿真控制軟件設(shè)計(jì)

為了用戶(hù)能夠方便地操作軟件，仿真控制軟件在設(shè)計(jì)時(shí)采用了多個(gè)界面輸入的操作方式。軟件模擬了一個(gè)四軸碼垛機(jī)械臂碼垛的過(guò)程，通過(guò)設(shè)定碼垛的參數(shù)和碼放的方式，軟件規(guī)劃出碼垛路徑，把貨物從流水線(xiàn)上按碼垛路徑碼放到托盤(pán)上。 軟件共分為五個(gè)部分：定義工作區(qū)域、定義工作臺(tái)、設(shè)定碼垛方式、設(shè)定運(yùn)動(dòng)路徑和動(dòng)畫(huà)演示。

1.1 功能選擇界面

功能選擇界面是基于對(duì)話(huà)框資源創(chuàng)建的，5個(gè)功能選項(xiàng)分別調(diào)用了5個(gè)按鈕控件。四軸碼垛機(jī)械臂仿真控制軟件共調(diào)用了13個(gè)對(duì)話(huà)框資源，通過(guò)這些對(duì)話(huà)框資源使得軟件變得友好、易操作。對(duì)話(huà)框是重要的用戶(hù)界面元素之一，是用戶(hù)交互的重要手段。對(duì)話(huà)框在創(chuàng)建后可以通過(guò)控件編輯器添加各種控件，包括編輯框、滑動(dòng)條、靜態(tài)文本、按鈕等，這些控件在程序運(yùn)行過(guò)程中可用于捕捉用戶(hù)的輸入信息或數(shù)據(jù)，每個(gè)控件都可以添加消息響應(yīng)函數(shù)，便于優(yōu)化用戶(hù)體驗(yàn)。這些控件的使用使得仿真控制軟件界面更加方便操作，不再需要程序設(shè)計(jì)人員進(jìn)行操作，或?qū)Σ僮魅藛T進(jìn)行復(fù)雜的培訓(xùn)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的說(shuō)明介紹，普通用戶(hù)也可以方便的使用。

1.2 物體拖拽功能實(shí)現(xiàn)

在設(shè)定工作臺(tái)界面中實(shí)現(xiàn)了物塊拖拽的功能。為了確定物塊在碼盤(pán)上的起始位置，可以將流水線(xiàn)上的物塊模型用鼠標(biāo)左鍵拖拽到碼盤(pán)上，再利用碼垛設(shè)置對(duì)話(huà)框?qū)Υa盤(pán)起始點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)。 物塊拖拽功能實(shí)際上就是物塊隨著鼠標(biāo)的移動(dòng)而重畫(huà)的過(guò)程。主要在函數(shù)OnMouseMove（UINT nFlags， CPoint point）中實(shí)現(xiàn)，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)程序就會(huì)調(diào)用這個(gè)函數(shù) 。函數(shù)有兩個(gè)參數(shù)值，nFlags代表各種虛擬按鍵是否按下 ，此參數(shù)可以是任何下列值：

MK_CONTROL 當(dāng)CTRL鍵按下時(shí)；

MK_LBUTTON當(dāng)鼠標(biāo)左鍵按下時(shí)；

MK_MBUTTON當(dāng)鼠標(biāo)中鍵按下時(shí)；

MK_RBUTTON當(dāng)鼠標(biāo)右鍵按下時(shí)；

MK_SHIFT當(dāng)SHIFT按下時(shí)。

另一個(gè)參數(shù)point，是鼠標(biāo)的坐標(biāo)，point.x代表[x]方向坐標(biāo)，point.y代表[y]方向坐標(biāo)，這個(gè)坐標(biāo)是鼠標(biāo)距離截獲該消息的窗口左上角的位置，是一個(gè)相對(duì)位置而不是在屏幕像素上的絕對(duì)位置，因此在使用時(shí)要注意將坐標(biāo)位置和像素進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在程序中獲得鼠標(biāo)的坐標(biāo)信息以后，在畫(huà)圖函數(shù)OnPaint（）中對(duì)物塊圖形進(jìn)行重繪，就會(huì)顯示出物塊被鼠標(biāo)拖拽的效果。

1.3 設(shè)定碼垛方式界面

碼垛方式界面設(shè)計(jì)圖如圖2所示，分為左右兩部分。左側(cè)界面的下方是托盤(pán)的俯視圖，上方是層數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度編輯框，以及預(yù)覽添加按鈕。右側(cè)界面是托盤(pán)的前視圖。在左側(cè)頁(yè)面上的層數(shù)編輯框單擊下拉菜單，從第一層到最高層，選擇需要碼垛的層數(shù)，這里的碼垛層數(shù)信息是由定義工作區(qū)界面設(shè)定的，每設(shè)置完一層的碼垛信息后就順序選擇下一層。然后雙擊界面左側(cè)托盤(pán)上方的示例物塊，第一個(gè)物塊就會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)在“設(shè)置工作區(qū)域”界面在托盤(pán)上設(shè)置好的初始位置上，在托盤(pán)上單擊鼠標(biāo)右鍵，在出現(xiàn)的對(duì)話(huà)框里選擇需要碼放物塊的個(gè)數(shù)，即長(zhǎng)×寬的個(gè)數(shù)，并可以選擇正向碼放還是旋轉(zhuǎn)90°后縱向碼放，選擇好后單擊確定鍵，相應(yīng)個(gè)數(shù)的物塊就會(huì)出現(xiàn)在托盤(pán)里。想要在這一層繼續(xù)碼放物塊的話(huà)，就一直按住鼠標(biāo)左鍵把示例物塊拖拽到托盤(pán)上任何想要擺放的位置，然后放開(kāi)鼠標(biāo)左鍵并單擊右鍵，在出現(xiàn)的對(duì)話(huà)框里選擇要碼放物塊的個(gè)數(shù)。重復(fù)操作上面的信息直至確定好一層要碼放的物塊，最后單擊添加按鈕，該層碼放的所有物塊會(huì)以前視圖的方式添加到右側(cè)頁(yè)面的托盤(pán)里。選擇下一個(gè)碼垛的層數(shù)，重復(fù)之前的操作，直至完成所有層數(shù)的物塊設(shè)置。單擊預(yù)覽按鈕，右側(cè)界面的托盤(pán)上會(huì)出現(xiàn)碼放整齊的每一層的物塊的擺放方式，操作者可以直觀地觀測(cè)到產(chǎn)品碼放后的方式，方便操作者進(jìn)行修改或下一步操作。

圖2為兩層碼垛的操作，第一層放置了6個(gè)物塊，其中2[×]2個(gè)物塊正向碼放，2[×]1個(gè)物塊旋轉(zhuǎn)90°縱向碼放，第二層放置了4個(gè)物塊，以2[×]2的方式正向碼放。在單擊預(yù)覽按鈕后，右側(cè)屏幕顯示了兩層碼垛的示意圖。

設(shè)定碼垛方式界面對(duì)對(duì)話(huà)框窗口進(jìn)行分割。當(dāng)用戶(hù)需要同時(shí)對(duì)窗口的不同部分進(jìn)行編輯時(shí)常常會(huì)用到切分窗口。切分窗口分為動(dòng)態(tài)切分窗口和靜態(tài)切分窗口，本文選擇的是靜態(tài)切分窗口的方式。 窗口分割的程序?qū)懺诖翱趧?chuàng)建函數(shù)OnCreate（）中，調(diào)用CreateStatic（）函數(shù)產(chǎn)生靜態(tài)切分。調(diào)用 CreateView（）函數(shù)產(chǎn)生每個(gè)視圖窗口。

1.4 設(shè)定運(yùn)動(dòng)路徑界面

在前面的設(shè)計(jì)中，流水線(xiàn)的位置和高度、碼盤(pán)的位置和高度以及物塊擺放的位置、物塊碼放的方式和順序已經(jīng)確定，但碼垛機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑還沒(méi)有確定。設(shè)定運(yùn)動(dòng)路徑界面就是為了確定四軸碼垛機(jī)械臂碼放產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。設(shè)定運(yùn)動(dòng)路徑界面設(shè)置圖如圖3所示。機(jī)械臂碼垛過(guò)程共有六個(gè)運(yùn)動(dòng)步驟，如下所示：

（1） 四軸碼垛機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到流水線(xiàn)上物塊的位置，打開(kāi)末端夾持器，然后閉合夾持器從流水線(xiàn)拾取物塊。

（2） 四軸碼垛機(jī)械臂用末端夾持器抬起物塊，運(yùn)動(dòng)到流水線(xiàn)正上方某位置，停頓1 s。

（3） 四軸碼垛機(jī)械臂用末端夾持器抓住物塊，從流水線(xiàn)上方移動(dòng)到物塊要碼放在碼盤(pán)位置的正上方，停頓1 s。

（4） 四軸碼垛機(jī)械臂移動(dòng)到托盤(pán)要碼放物塊的位置，打開(kāi)末端夾持器把物塊放到托盤(pán)上。

（5） 四軸碼垛機(jī)械臂打開(kāi)夾持器空載到托盤(pán)正上方，閉合末端夾持器。

（6） 四軸碼垛機(jī)械臂空載移動(dòng)到流水線(xiàn)正上方。完成一次碼垛流程，然后重復(fù)這六個(gè)運(yùn)動(dòng)步驟。

設(shè)定運(yùn)動(dòng)路徑界面的左側(cè)有一個(gè)路徑示意圖，示意的就是四軸碼垛機(jī)械臂碼垛過(guò)程所經(jīng)歷的6個(gè)位置，按照1?2?3?4?5?6?1的順序循環(huán)反復(fù)。位置1是流水線(xiàn)上物塊的位置，位置2和位置6是流水線(xiàn)的上方，位置3和位置5在舵盤(pán)的上方，位置4是舵盤(pán)上物塊要擺放的位置。根據(jù)前三個(gè)功能界面的設(shè)置，位置1和位置4的坐標(biāo)已經(jīng)確定，通過(guò)設(shè)定運(yùn)動(dòng)路徑界面可以確定其他四個(gè)位置的[y]方向坐標(biāo)，[x]方向坐標(biāo)和[z]方向坐標(biāo)，默認(rèn)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，但距離可以設(shè)定。設(shè)定方式在界面的左側(cè)，有四個(gè)編輯框分別對(duì)應(yīng)著位置2，3，5，6的[y]方向坐標(biāo)，仿真控制軟件默認(rèn)設(shè)置距離為1個(gè)單位，通過(guò)編輯框右側(cè)的+，-按鈕可以對(duì)幾個(gè)位置的[y]坐標(biāo)進(jìn)行增加或降低的修改。修改完成后退出界面，確定了四軸碼垛機(jī)械臂的完整碼垛路徑。

2 四軸碼垛機(jī)械臂硬件設(shè)計(jì)

2.1 DSP程序的編譯

DSP控制程序主要涉及定時(shí)器中斷和串口通信兩部分。舵機(jī)的控制信號(hào)是周期為20 ms，頻率為50 Hz的PWM波，占空比在2.5%～12.5%之間。飛思卡爾mc56f8013型DSP擁有6路PWM通道，但可以輸出PWM波的最小頻率值高于50 Hz，因此選擇定時(shí)器中斷的方式產(chǎn)生PWM波。 首先設(shè)定一個(gè)10 μs的定時(shí)器，定時(shí)器中斷2 000次就是10 μs×2 000=20 ms，也就是舵機(jī)控制信號(hào)的一個(gè)周期。當(dāng)定時(shí)器中斷的前1 000次，控制輸出端口輸出高電平，定時(shí)器中斷的后1 000次，輸出端口輸出低電平時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)占空比為50%的PWM波，當(dāng)改變輸出高電平和輸出低電平的中斷次數(shù)時(shí)，PWM波的占空比也隨之改變，舵機(jī)就會(huì)輸出不同的角度，從而帶動(dòng)四軸碼垛機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)高電平的中斷次數(shù)為50次時(shí)，此時(shí)的占空比為[502 000=]2.5%，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0°；當(dāng)高電平的中斷次數(shù)為250次時(shí)，占空比為[2502 000=]12.5%，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180°。

在CodeWarrior平臺(tái)的專(zhuān)家處理模塊添加定時(shí)器的嵌入豆，定義定時(shí)器的時(shí)間為10 μs。添加5個(gè)I/O接口的嵌入豆，用于輸出5路PWM波控制舵機(jī)。添加一個(gè)串口通信的嵌入豆，接收四軸碼垛機(jī)械臂控制軟件發(fā)送的串口數(shù)據(jù)，這些串口數(shù)據(jù)已經(jīng)在軟件編程中轉(zhuǎn)化成高電平的定時(shí)器中斷次數(shù)，方便了DSP的編程操作。

定時(shí)器中斷程序的流程圖如圖4所示。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

控制器采用ms56f8013最小系統(tǒng)，系統(tǒng)包含了程序傳輸、串口通信、電流驅(qū)動(dòng)等基本模塊。

其中舵機(jī)電路原理圖如圖5所示。圖中所示的是一個(gè)舵機(jī)與DSP的連接圖，舵機(jī)的控制信號(hào)線(xiàn)與DSP的輸出端口相連結(jié)，端口輸出PWM控制信號(hào)。為了保證為舵機(jī)提供足夠大的功率，舵機(jī)和DSP分開(kāi)供電。

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源為舵機(jī)和DSP分別供電。DSP最小系統(tǒng)上有電壓轉(zhuǎn)換功能，把5 V電壓轉(zhuǎn)成3.3 V為DSP芯片供電。舵機(jī)的供電電壓可選擇在4.8～6 V之間，系統(tǒng)選擇5.5 V為舵機(jī)供電。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)際運(yùn)行四軸碼垛機(jī)械臂時(shí)，首先通過(guò)下載器把在CodeWarrior IDE中編譯的DSP程序下載到DSP中，程序下載成功后，把計(jì)算機(jī)和DSP通過(guò)RS 232串口連接線(xiàn)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的串口通信。舵機(jī)的三條線(xiàn)分別是電源線(xiàn)、地線(xiàn)和控制信號(hào)線(xiàn)，DSP的端口1到端口5分別輸出五個(gè)舵機(jī)的控制信號(hào)PWM波形，把舵機(jī)的控制信號(hào)線(xiàn)和DSP相應(yīng)的端口連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)執(zhí)行器舵機(jī)的控制。DSP和舵機(jī)分別供電，把地線(xiàn)相連接。上位機(jī)和下位機(jī)連接好后，開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容是四軸碼垛機(jī)械臂把一個(gè)物塊從流水線(xiàn)的位置碼放到托盤(pán)位置，即軟件測(cè)試中第一個(gè)物塊的碼放情況。由1.4小節(jié)可知，四軸碼垛機(jī)械臂碼放一次物塊要經(jīng)過(guò)6個(gè)位置，仿真控制軟件計(jì)算出的底座、下臂、上臂舵機(jī)在6個(gè)位置所旋轉(zhuǎn)的角度如表1所示。折線(xiàn)圖如圖6所示。

四軸碼垛機(jī)械臂在運(yùn)行過(guò)程中的底座舵機(jī)控制信號(hào)圖如圖7所示。

由舵機(jī)原理可知，高電平的時(shí)長(zhǎng)為0.5 ms時(shí)輸出角度為0°，高電平時(shí)長(zhǎng)為1 ms時(shí)輸出角度為45°，高電平時(shí)長(zhǎng)為2.5 ms時(shí)輸出角度為180°。圖7是機(jī)械臂底座舵機(jī)運(yùn)行在位置3，4，5時(shí)的控制信號(hào)圖，此時(shí)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度大約為90°，信號(hào)頻率為50 Hz，符合舵機(jī)的控制要求。

由測(cè)試可得，四軸碼垛機(jī)械臂的DSP可以通過(guò)RS 232串口通信模塊接收控制軟件傳遞的舵機(jī)角度數(shù)據(jù)，同時(shí)DSP可以對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，使舵機(jī)能夠按照仿真控制軟件計(jì)算的角度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)型四軸碼垛機(jī)械臂的碼垛功能。

4 結(jié) 論

工業(yè)機(jī)器人碼垛技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，它在提高生產(chǎn)效率、降低事故發(fā)生概率、改善生產(chǎn)環(huán)境等方面都有重要作用，本文完成了四軸碼垛機(jī)械臂仿真控制軟件的設(shè)計(jì)。軟件可以根據(jù)用戶(hù)輸入的產(chǎn)品信息、位置信息、碼垛方式信息等規(guī)劃好機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)，利用三維動(dòng)畫(huà)的方式顯示機(jī)械臂碼垛的實(shí)時(shí)過(guò)程。軟件通過(guò)串口通信模塊把機(jī)械臂碼垛過(guò)程中各個(gè)關(guān)節(jié)的角度值傳遞給DSP。機(jī)械臂系統(tǒng)采用DSP作為控制器，舵機(jī)作為機(jī)械臂的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用DSP控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四軸碼垛機(jī)械臂實(shí)物的碼垛過(guò)程。

四軸碼垛機(jī)械臂控制系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，可以通過(guò)軟件對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行控制和三維動(dòng)畫(huà)仿真，并且實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂實(shí)物的碼垛過(guò)程。可以在仿真控制軟件中實(shí)現(xiàn)多種機(jī)械臂的整合。后期改進(jìn)可以把對(duì)其他類(lèi)型機(jī)械臂的控制和仿真添加到軟件中，實(shí)現(xiàn)一款軟件對(duì)多種工業(yè)機(jī)器人的控制，使得軟件的利用率更高，使用更方便，同時(shí)也降低開(kāi)發(fā)成本。

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篇7

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；解剖約束條件；數(shù)據(jù)手套

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10053824（2013）04001807

0引言

數(shù)據(jù)手套校正技術(shù)伴隨著數(shù)據(jù)手套的發(fā)展而發(fā)展，國(guó)內(nèi)外許多研究者也致力于對(duì)手套設(shè)備數(shù)據(jù)存在的誤差進(jìn)行校正，并取得了一些成果。目前應(yīng)用十分廣泛的CyberGlove和5DT Data Glove都為用戶(hù)提供了簡(jiǎn)單的線(xiàn)性校正，但簡(jiǎn)單的線(xiàn)性校正無(wú)法滿(mǎn)足各種復(fù)雜手勢(shì)動(dòng)作的需要，最為典型的一個(gè)例子是虛擬手的拇指無(wú)法和小指或無(wú)名指的指尖進(jìn)行接觸。Chou通過(guò)外部視覺(jué)設(shè)備采用線(xiàn)性回歸方法，建立了從CyberGlove每個(gè)單獨(dú)傳感器到虛擬手關(guān)節(jié)角度的映射關(guān)系[1]，這種方法雖然能夠提供高精度的虛擬手運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但是它需要借助視覺(jué)設(shè)備，所以并不具有一般的推廣性。與此同時(shí)，F(xiàn)ischer采用機(jī)器人立體視覺(jué)系統(tǒng)計(jì)算人手指尖三維空間位置，記錄用手套得到的對(duì)應(yīng)手指關(guān)節(jié)角度[2]，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測(cè)實(shí)際指尖位置，把平均精度提高到0.2 mm，但機(jī)器人立體視覺(jué)系統(tǒng)只有4個(gè)手指，也限制了這種方法的推廣。Turner和Griffin僅利用數(shù)據(jù)手套的手指自由度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立虛擬手運(yùn)動(dòng)模型，采用最小二次線(xiàn)性回歸方法校正手套數(shù)據(jù)[3]。Menon通過(guò)收集不同手勢(shì)的數(shù)據(jù)手套關(guān)節(jié)自由度數(shù)據(jù)[4]，也是采用線(xiàn)性回歸方法建立傳感器數(shù)據(jù)與手勢(shì)數(shù)據(jù)值間的映射關(guān)系，但他沒(méi)有處理傳感器之間存在的交叉耦合關(guān)系，只是單純地對(duì)所有的傳感器都采用線(xiàn)性處理方法。結(jié)合上述對(duì)各種數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)誤差校正方法，再根據(jù)數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)原理，本文提出了一種新的數(shù)據(jù)手套的校正方法：基于解剖約束條件的數(shù)據(jù)手套校正方法。

1基于解剖約束條件的數(shù)據(jù)手套校正

1.1解剖約束條件

通過(guò)數(shù)據(jù)手套獲得人手的運(yùn)動(dòng)信息后，要將人手的運(yùn)動(dòng)信息映射到機(jī)械手臂上去，有兩方面的問(wèn)題需要解決[5]：一是應(yīng)通過(guò)數(shù)據(jù)手套獲得相對(duì)精確的人手運(yùn)動(dòng)信息，從而滿(mǎn)足遠(yuǎn)程操作機(jī)械臂的精度要求；二是尋找合適的映射方法，把人手的運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)換為機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的遙操作。本文針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究，在分析人手解剖約束條件的基礎(chǔ)上，提出了基于解剖約束條件的數(shù)據(jù)手套校正方法，其主要目的是根據(jù)人手解剖約束條件對(duì)數(shù)據(jù)手套中的獨(dú)立傳感器和交叉―耦合傳感器進(jìn)行校正，從而獲得相對(duì)精確的人手運(yùn)動(dòng)信息。在正常情況下，人手各關(guān)節(jié)的自然運(yùn)動(dòng)是受到約束的，人手的運(yùn)動(dòng)必須符合正常手的運(yùn)動(dòng)范圍約束，手指的運(yùn)動(dòng)受到關(guān)節(jié)、骨骼、肌腱和肌肉等的條件約束限制；另一方面，由于數(shù)據(jù)手套的本身的限制，手套中的傳感器設(shè)備無(wú)法測(cè)量手的每個(gè)關(guān)節(jié)和每個(gè)自由度，再加上數(shù)據(jù)手套采集到的數(shù)字信息還存在正確性和精確性的問(wèn)題，從這些約束條件出發(fā)，對(duì)數(shù)據(jù)手套進(jìn)行校正，能夠有效地彌補(bǔ)手套設(shè)備的不足。從手指的運(yùn)動(dòng)角度來(lái)分析，手指的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種約束[6]，靜態(tài)約束是指在解剖結(jié)構(gòu)的限制下，手指做出不同手勢(shì)時(shí)各關(guān)節(jié)自由活動(dòng)所能達(dá)到的角度的最大運(yùn)動(dòng)范圍，包括靜態(tài)角度和動(dòng)態(tài)角度。靜態(tài)角度是指當(dāng)手處在某種手勢(shì)狀態(tài)下角度的最大運(yùn)動(dòng)范圍，動(dòng)態(tài)角度指的是手指關(guān)節(jié)自由度在受到相鄰手指自由度影響下，人手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中處于某種特定的手勢(shì)狀態(tài)下時(shí)所能達(dá)到的運(yùn)動(dòng)范圍。

5）中指的MPJ關(guān)節(jié)的內(nèi)收/外展角度可忽略，即有：abd（θ中指MPJ）=0（9）手指運(yùn)動(dòng)除了受到靜態(tài)約束外，還受到動(dòng)態(tài)約束。動(dòng)態(tài)約束指的是在手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)角度因?yàn)殛P(guān)節(jié)之間相互影響而受到的限制約束，這種約束包括單個(gè)手指各關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)約束以及不同手指不同關(guān)節(jié)之間存在的運(yùn)動(dòng)約束。例如，當(dāng)中指的MPJ關(guān)節(jié)屈曲時(shí)，中指的PIJ關(guān)節(jié)和DIJ關(guān)節(jié)也會(huì)發(fā)生一定程度的屈曲，這種現(xiàn)象就是單個(gè)手指各個(gè)關(guān)節(jié)之間存在的運(yùn)動(dòng)約束，與此同時(shí)，與中指相鄰的食指和無(wú)名指的MPJ關(guān)節(jié)也會(huì)發(fā)生一定程度的屈曲，同時(shí)這2根手指的內(nèi)收/外展角度也會(huì)發(fā)生變化相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象就是不同手指不同關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)約束。

1.2基于解剖約束條件的獨(dú)立傳感器校正方法

基于解剖約束條件的數(shù)據(jù)手套校正方法的實(shí)質(zhì)是利用相關(guān)的解剖約束條件來(lái)具體分析手套中獨(dú)立傳感器和交叉耦合傳感器，對(duì)其測(cè)量得到的數(shù)據(jù)采用不同的校正方法進(jìn)行校正，使之滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的需要。

獨(dú)立傳感器是指該傳感器的取值不受到其他傳感器讀數(shù)影響的傳感器，一般認(rèn)為4個(gè)手指的MPJ、PIJ及DIJ關(guān)節(jié)的屈曲/延展自由度，還有拇指IJ和TMJ關(guān)節(jié)的屈曲/延展自由度這些關(guān)節(jié)所對(duì)應(yīng)的傳感器為獨(dú)立傳感器。

對(duì)于獨(dú)立傳感器的校正，本文還是采取了常規(guī)的線(xiàn)性校正方法。我們結(jié)合上節(jié)中根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)得到的手指各關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大和最小角度值，再根據(jù)采集到的傳感器讀數(shù)的最大值和最小值，我們建立了如下的線(xiàn)性映射關(guān)系：θout=Valueout-ValueminValuemax-Valuemin×（θmax-θmin）+θmin（16）式中θout為校正后的輸出角度值，Valueout為當(dāng)前電壓輸出值，Valuemin為手指不運(yùn)動(dòng)時(shí)的電壓值，Valuemax為手指彎曲到最大角度時(shí)的電壓值，θmax和θmin對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)自由度實(shí)際運(yùn)動(dòng)范圍的最大和最小角度值。

篇8

【關(guān)鍵詞】裝卸臂 緊急脫離裝置 必要性 技術(shù)要求

裝有液化氣、油品以及有毒有害的化工品介質(zhì)的貨輪在裝卸時(shí)通常使用船用裝卸臂來(lái)完成。緊急脫離裝置是裝卸臂上的安全裝置，它的現(xiàn)代化程度及安全性對(duì)于碼頭、船舶和作業(yè)人員的安全事關(guān)重大。緊急脫離裝置具有手動(dòng)自動(dòng)等操作功能，結(jié)構(gòu)精巧，可靠性高，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 裝卸臂的結(jié)構(gòu)與工作原理

船用裝卸臂的結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

船用裝卸臂通過(guò)快速連接器、岸端連接法蘭分別于貨輪和儲(chǔ)罐工藝管線(xiàn)連接實(shí)現(xiàn)介質(zhì)傳輸?shù)哪康?。為了滿(mǎn)足貨輪在水中升沉、漂移的不固定狀態(tài)，整臺(tái)裝卸臂合理的運(yùn)用了六個(gè)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，使裝卸臂自身的工藝管線(xiàn)可以與貨輪隨動(dòng)。從而滿(mǎn)足船岸連接使達(dá)到介質(zhì)裝卸的任務(wù)。

2 緊急脫離裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

當(dāng)達(dá)到脫離條件，控制系統(tǒng)自動(dòng)或手動(dòng)觸發(fā)脫離信號(hào)，控制電磁換向閥實(shí)現(xiàn)液壓驅(qū)動(dòng)裝置的油路通斷、換向，從而驅(qū)動(dòng)上下兩個(gè)工藝閥門(mén)的關(guān)閉，以及驅(qū)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)的打開(kāi)，使上下閥體分開(kāi)，貨輪與裝卸臂快速分離。復(fù)位時(shí)，將上下閥體正確對(duì)接，還原夾緊機(jī)構(gòu)，打開(kāi)兩個(gè)工藝閥門(mén)，復(fù)原相應(yīng)連鎖機(jī)制。

3 裝卸臂使用緊急脫離裝置的必要性

3.1 危險(xiǎn)環(huán)境中必備的安全措施

（1）介質(zhì)儲(chǔ)運(yùn)管道發(fā)生介質(zhì)泄露，需要立即中斷船岸管線(xiàn)連接；

（2）靠泊貨輪發(fā)生失火、泄露等危險(xiǎn)時(shí)需要立即中斷船岸管線(xiàn)連接；

（3）碼頭泊位發(fā)生失火、泄露等危險(xiǎn)時(shí)需要立即中斷船岸管線(xiàn)連接；

（4）因風(fēng)浪或是纜繩斷裂等不可測(cè)原因造成貨輪飄移出裝卸臂的設(shè)計(jì)包絡(luò)范圍時(shí)需要立即中斷船岸管線(xiàn)連接。

為了能及時(shí)切斷危險(xiǎn)的蔓延，縮小損失，或是保護(hù)裝卸臂本身的需要，應(yīng)在裝卸臂上安裝緊急脫離裝置。以實(shí)現(xiàn)靠泊貨輪與碼頭泊位的迅速脫離。2005年7月20日靠泊xx港62#泊位的“普羅旺斯”號(hào)油輪是由于纜繩的斷裂造成油輪漂移出作業(yè)區(qū)，將與其對(duì)接的27Z2、27Z3、 27Z4三臺(tái)裝卸臂拉壞，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約五千多萬(wàn)元人民幣。如果這三臺(tái)裝卸臂安裝了緊急脫離裝置就可以完全避免如此惡劣的安全事故。

3.2 國(guó)內(nèi)與裝卸臂相關(guān)的規(guī)范中也對(duì)緊急脫離裝置的使用做出了規(guī)定說(shuō)明

（1）GB/T 15626-1999《散裝液體化工產(chǎn)品港口裝卸技術(shù)要求》中明確規(guī)定，輸油臂宜具備與船舶的緊急脫離裝置，以備異常情況時(shí)船舶盡快逃離碼頭。

（2）HG/T 21608-2012《裝卸臂規(guī)范》中的第4.7.1條，明確規(guī)定輸送原油、輕油、液化烴、可燃液體、腐蝕性液體介質(zhì)、有毒液體介質(zhì)或低溫液體介質(zhì)的液體裝卸臂，應(yīng)配備液壓操縱的緊急脫離系統(tǒng)。

（3）JTS165-8-2007《石油化工碼頭裝卸工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》中的第6.1.6條，明確規(guī)定裝卸甲A類(lèi)和極度危害物料裝卸臂前應(yīng)設(shè)置緊急脫離裝置。

（4）SYT5298-2002《港口裝卸用輸油臂》中的第4.1.2條，明確規(guī)定輸油臂接船端應(yīng)具有快速連接和快速脫離裝置

4 緊急脫離裝置的通用技術(shù)要求

在對(duì)設(shè)計(jì)制造積累的經(jīng)驗(yàn)和長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中反饋問(wèn)題的研究，以及對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的學(xué)習(xí)，總結(jié)出緊急脫離系統(tǒng)的一些通用技術(shù)要求如下

4.1 結(jié)構(gòu)要求

（2）緊急脫離系統(tǒng)的強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)內(nèi)部設(shè)計(jì)壓力和由最苛刻的裝卸臂姿態(tài)及外部軸向載荷、彎曲扭矩和剪切載荷在緊急脫離接頭處的組合載荷確定的最大設(shè)計(jì)載荷決定。緊急脫離系統(tǒng)在兩倍的設(shè)計(jì)載荷下不應(yīng)產(chǎn)生泄漏、變形及失效。

（3）緊急脫離裝置宜安裝在三維接頭的垂直管段。減少脫離后裝卸臂外臂與貨輪上設(shè)備鉤掛的可能。

（4）緊急脫離接頭應(yīng)有正確對(duì)接的機(jī)械確認(rèn)標(biāo)識(shí)。

（5）緊急脫離接頭應(yīng)含有一根或多根機(jī)械安全銷(xiāo)釘以提供意外啟動(dòng)時(shí)的防護(hù)。

（6）緊急脫離系統(tǒng)與油輪聯(lián)接的部件在緊急脫離后在集油管旋轉(zhuǎn)接頭處應(yīng)設(shè)有一個(gè)擋塊以防止因過(guò)度旋轉(zhuǎn)而引起與甲板的碰撞。

4.2 控制要求

（1）緊急脫離裝置應(yīng)由下列途徑啟動(dòng)：

①當(dāng)裝卸臂到達(dá)規(guī)定的報(bào)警位置時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。即在裝卸臂包絡(luò)范圍的脫離區(qū)域。

②在中央控制臺(tái)由手動(dòng)按鈕操作啟動(dòng)。按鈕應(yīng)設(shè)有誤操作防護(hù)功能。

③在供電中斷的情況下，中央控制臺(tái)具有UPS系統(tǒng)可以滿(mǎn)足手動(dòng)按鈕操作啟；或是可以手動(dòng)直接操作電磁換向閥以啟動(dòng)緊急脫離裝置但應(yīng)設(shè)有防意外手動(dòng)操作電磁換向閥以啟動(dòng)緊急脫離系統(tǒng)的防護(hù)措施。

④按業(yè)主的要求在其它地點(diǎn)設(shè)置手動(dòng)按鈕操作啟動(dòng)，按鈕具備誤操作防護(hù)功能。

⑤第三方報(bào)警信號(hào)觸發(fā)啟動(dòng)，例如火災(zāi)二級(jí)報(bào)警信號(hào)；但必須設(shè)定觸發(fā)延遲時(shí)間或設(shè)定確認(rèn)按鈕。

（2）緊急脫離裝置應(yīng)不能在裝卸臂的收攏狀態(tài)或?qū)ξ徊僮鬟^(guò)程中啟動(dòng)。同樣不能在日常維護(hù)的維修放置位置啟動(dòng)。然而應(yīng)能夠定期在維修位置對(duì)緊急脫離系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）在工藝閥門(mén)完全關(guān)閉以前不能進(jìn)行緊急脫離接頭動(dòng)作；緊急脫離接頭脫離后不能進(jìn)行工藝閥門(mén)打開(kāi)動(dòng)作。

（4）在緊急脫離接頭分離時(shí)，裝卸臂外臂應(yīng)抬起約2米的位置并制動(dòng)，平均速度為0.15m/s；隨后系統(tǒng)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。

（5）緊急脫離接頭應(yīng)盡可能快速開(kāi)啟。在正常情況下夾緊式接頭可瞬間開(kāi)啟。建議的開(kāi)啟時(shí)間為1秒鐘，并且所有部件應(yīng)在2秒鐘內(nèi)完全釋放并遠(yuǎn)離連接的管端。上述時(shí)間要求主要根據(jù)貨輪漂移的速度和裝卸臂包絡(luò)范圍中規(guī)定的脫離距離決定的。

（6）液壓系統(tǒng)需需設(shè)置雙機(jī)雙泵系統(tǒng)，一用一備（在線(xiàn)備用）。

（7）在發(fā)生緊急情況時(shí)，液壓泵站應(yīng)能自動(dòng)啟動(dòng)，且應(yīng)在第一級(jí)預(yù)警時(shí)啟動(dòng)；在液壓泵站失效不能啟動(dòng)的情況下，蓄能器應(yīng)能夠作為后備能源。

（8）當(dāng)多臺(tái)裝卸臂同時(shí)作業(yè)時(shí)，應(yīng)為每臺(tái)裝卸臂的緊急脫離系統(tǒng)提供一個(gè)專(zhuān)用的蓄能器，它將提供存貯的液壓能量允許在液壓泵無(wú)法正常工作的情況下由仍可以啟動(dòng)緊急脫離系統(tǒng)。蓄能器應(yīng)提供壓力值檢測(cè)和低壓聲光報(bào)警功能。

（9）緊急脫離裝置的液壓驅(qū)動(dòng)裝置具有獨(dú)立的液壓控制回路。4.3 性能要求

（1）在任何作業(yè)條件下緊急脫離系統(tǒng)應(yīng)允許在裝卸臂設(shè)計(jì)的脫離位置確實(shí)、安全地依次完成關(guān)閉緊急脫離系統(tǒng)的兩個(gè)工藝閥門(mén)和打開(kāi)并釋放緊急脫離接頭，最終將裝卸臂與油輪分離。

（2）在液壓系統(tǒng)滲漏，失效以及斷電的情況下，無(wú)脫離觸發(fā)依然保持機(jī)械連接狀態(tài)。

（3）在兩個(gè)工藝閥門(mén)之間的容積應(yīng)最小以限制脫離后的泄漏量。

（4）在任何作業(yè)條件下緊急脫離系統(tǒng)的連接處均應(yīng)保持密封。

（5）設(shè)計(jì)壓力應(yīng)與相配套的裝卸臂的設(shè)計(jì)壓力相同。

（6）在任何作業(yè)條件下緊急脫離接頭應(yīng)能夠被從船上或是裝卸臂上拆下或裝上。

4.4 技術(shù)參數(shù)

緊急脫離裝置的技術(shù)參數(shù)與相配套的裝卸臂技術(shù)參數(shù)基本相同見(jiàn)表1：

篇9

關(guān)鍵詞：LNG船用裝卸臂；旋轉(zhuǎn)接頭；緊急脫離裝置（ERC）；液壓QC/DC；國(guó)產(chǎn)化 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：U664 文章編號(hào)：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.

1 概述

隨著我國(guó)對(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng)，引進(jìn)和生產(chǎn)液化天然氣對(duì)優(yōu)化我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，有效解決能源供應(yīng)、安全、生態(tài)環(huán)保保護(hù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展將發(fā)揮重要的作用。從2006年首座液化天然氣接收站在深圳大鵬建成投產(chǎn)以來(lái)，相續(xù)建成（包括在建）20多座，其中碼頭選用的關(guān)鍵設(shè)備――船用裝卸臂一直被歐美國(guó)家所壟斷，價(jià)格高、交貨期長(zhǎng)、服務(wù)不及時(shí)。無(wú)疑地對(duì)LNG碼頭的生產(chǎn)及操作的安全性帶來(lái)一定的約束性。

而國(guó)內(nèi)類(lèi)似設(shè)備的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)廠家已在常溫，乃至低溫乙烯裝卸設(shè)備的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)控制方面取得了巨大的成績(jī)，常溫裝卸臂完全取代了進(jìn)口產(chǎn)品，低溫乙烯裝卸臂在五年前成功打破了壟斷的格局，并逐漸實(shí)現(xiàn)常溫裝卸臂一樣完全取代進(jìn)口產(chǎn)品。所以，我們已與綜合實(shí)力較強(qiáng)的生產(chǎn)廠（上海冠卓）合作組成LNG裝卸設(shè)備研發(fā)小組，經(jīng)過(guò)近三年的不懈努力，終于成功設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造出了完全適宜LNG裝卸的設(shè)備，經(jīng)試驗(yàn)證明其主要部件的性能超過(guò)了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。

2 LNG裝卸臂技術(shù)與工藝分析

2.1 LNG裝卸臂主體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

為了全面分析整個(gè)冷卻過(guò)程的影響，多個(gè)不同體系的分析被進(jìn)行，包括使用四個(gè)非常詳細(xì)的有限元模型進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)熱、穩(wěn)態(tài)半耦合熱力和瞬態(tài)半耦合熱力分析等。使用FEMAP軟件、應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)，研究在各種瞬態(tài)溫度荷載作用下輸送臂的性能。

2.1.1 在-163℃的環(huán)境下，把液化氣從海岸傳輸?shù)捷喆驈妮喆瑐鬏數(shù)胶０?，現(xiàn)在正面臨著許多問(wèn)題。這主要是因?yàn)閭鬏斣O(shè)備上存在著熱沖擊和冰塊的堆積。為了評(píng)估液化氣輸送臂能在寒冷的工況及變暖環(huán)境過(guò)程中的材料變化，使用FEMAP軟件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。并通過(guò)使用FEMAP software，淺析地證明，在寒冷條件下新的設(shè)計(jì)完全能滿(mǎn)足低溫工況的各種狀態(tài)，而且對(duì)主要構(gòu)件沒(méi)有任何有害的影響。

2.1.2 輸送臂的裝配。整個(gè)管道裝配的三維模型用來(lái)模擬系統(tǒng)的整個(gè)行為。這個(gè)非常復(fù)雜的模型和分析過(guò)程，同時(shí)分析了熱和結(jié)構(gòu)荷載的影響。所獲得的結(jié)果證實(shí)了在冷卻過(guò)程中構(gòu)件內(nèi)的收縮量和應(yīng)力值，并突出了使用局部模型進(jìn)行進(jìn)一步分析的重要性。

2.1.3 碼頭基架立柱。基架、轉(zhuǎn)軸箱、旋轉(zhuǎn)接頭和回轉(zhuǎn)支承的三維模型，在周?chē)臉?gòu)件上研究管道的冷卻效應(yīng)，使用一個(gè)保守的穩(wěn)態(tài)熱分析對(duì)流和傳導(dǎo)效應(yīng)。

2.1.4 支承支架。支承支架的三維模型，研究了由于周?chē)鷦傂约s束引起的冷卻和熱應(yīng)力的程度。雖然不容易遭受熱沖擊（因?yàn)榘迨潜〉模?，但是支架也很容易產(chǎn)生一個(gè)溫度梯度。因此，需要對(duì)支架進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和建模，來(lái)改進(jìn)它們的性能。

2.2 主要部件的深冷處理方案

LNG裝卸臂的主要部件有旋轉(zhuǎn)接頭（內(nèi)圈、外圈、法蘭、密封圈等）、緊急脫離裝置（ERC，閥、閥體、閥座、抱箍、密封件等）、液壓快速接頭（EDC/DC）以及彎頭等；為了確保這些部件在-196℃狀態(tài)下能保持相同的收縮率，必需在加工前期及加工過(guò)程在特定的低溫處理設(shè)備，按照OCMIF、BS 6364-1998《低溫閥門(mén)》和BS EN 1474-1-2008《LNG輸送臂》的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行2～3次的深冷處理，處理方案如下：

將需要深冷的零件放至裝有低溫容器中進(jìn)行深冷處理，深冷處理溫度應(yīng)低于使用溫度，冷處理分為冷卻、保溫和放冷三個(gè)階段進(jìn)行，保冷1～2小時(shí)，然后將零件取出放冷至常溫，重復(fù)循環(huán)2次其結(jié)果符合BS EN 1474-1-2008要求。

2.3 LNG裝卸臂的旋轉(zhuǎn)接頭

2.3.1 旋轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)分析。對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭的軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)建模，研究在各種瞬態(tài)溫度荷載作用下它的性能。溫度荷載給出了隨時(shí)間變化的溫度分布和溫度應(yīng)力。結(jié)果，對(duì)選擇的節(jié)點(diǎn)，溫度時(shí)程圖、von-Mises等效應(yīng)力圖和相對(duì)軸向位移圖，很容易地顯示了冷卻過(guò)程中各個(gè)階段的不同，并幫助評(píng)估密封是否能保持產(chǎn)品在冷卻和加載期間的密封性。

為了讓旋轉(zhuǎn)接頭在整個(gè)裝卸過(guò)程中能保持干燥并旋轉(zhuǎn)靈活，改變其常溫操作的結(jié)構(gòu)，增加氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)，以便將在操作過(guò)程中產(chǎn)生的潮氣及水蒸汽帶走，防止結(jié)冰，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)或損壞密封圈。

2.3.2 熱分析（冷卻的時(shí)間）。旋轉(zhuǎn)接頭的二維瞬態(tài)熱分析顯示了，由于相對(duì)的質(zhì)量和構(gòu)造，凸起部分比凹陷部分冷卻的更快。為了評(píng)估不同的冷卻選項(xiàng)，在最高應(yīng)力部分上最大的Von-Mises等效應(yīng)力圖被繪制，并在隨后的圖形中顯示。

紅色曲線(xiàn)：假設(shè)沒(méi)有進(jìn)行冷卻處理就引入了液化天然氣液體，分析顯示了預(yù)先進(jìn)行冷卻處理的必要性。對(duì)選擇的材料，應(yīng)力超過(guò)了許用值。

藍(lán)色曲線(xiàn)：使用氮?dú)夂鸵夯烊粴庹羝幕旌衔?，進(jìn)行2個(gè)小時(shí)的深冷卻處理（在現(xiàn)用的輸送臂上進(jìn)行）。當(dāng)進(jìn)行純液化天然氣輸送時(shí)，在旋轉(zhuǎn)接頭產(chǎn)生的應(yīng)力最小。

綠色曲線(xiàn)：一個(gè)小時(shí)的冷卻處理，包括首先進(jìn)行15分鐘的氮?dú)夂鸵夯烊粴獾幕旌衔锢鋮s，隨后進(jìn)行45分鐘的液化天然氣蒸汽冷卻。但是當(dāng)進(jìn)行液化天然氣輸送時(shí)，所產(chǎn)生的最大應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)地增加大約20%。

粉紅色曲線(xiàn)：僅使用液化天然氣蒸汽進(jìn)行1個(gè)小時(shí)的冷卻處理，此時(shí)得到的結(jié)果是最理想的。冷卻處理時(shí)間更快，然而初始的應(yīng)力是最大，當(dāng)進(jìn)行液化天然氣輸送時(shí)，應(yīng)力峰值只會(huì)比2個(gè)小時(shí)冷卻處理所引起的應(yīng)力稍大。因此推薦使用此選項(xiàng)。

通過(guò)使用FEMAP軟件，計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)，不但能夠證實(shí)或調(diào)整他們的設(shè)計(jì)，以確保使用最好的設(shè)計(jì)，而且也能夠給他們的客戶(hù)提供完全的信心――所采用的設(shè)計(jì)將提供無(wú)故障運(yùn)轉(zhuǎn)以及延長(zhǎng)使用期限。

2.3.3 低溫旋轉(zhuǎn)接頭試驗(yàn)。

第一，在試驗(yàn)溫度下，當(dāng)旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)允許溫差±5℃，充氮?dú)獯龎毫ι?.6MPa或更高的規(guī)定壓力下，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為0.1赫茲，旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)30分鐘，采用氣體定量測(cè)漏儀測(cè)量。

第二，旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部溫度降至規(guī)定溫度，放掉氮?dú)?，充氦氣，待壓力升至?guī)定壓力，試驗(yàn)按HG/T 21608.6標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，再按BS EN 1474-1-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定步驟分段進(jìn)行試驗(yàn)，該試驗(yàn)應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）在1.5倍當(dāng)量設(shè)計(jì)載荷加內(nèi)部設(shè)計(jì)壓力下任一處壓潰寬度不得超過(guò)滾珠或滾柱直徑的8%；（2）在2倍當(dāng)量設(shè)計(jì)載荷加內(nèi)部設(shè)計(jì)壓力下旋轉(zhuǎn)接頭不應(yīng)產(chǎn)生泄漏及泄壓；（3）對(duì)于常規(guī)液體作業(yè)，在3.5倍當(dāng)量設(shè)計(jì)載荷下不產(chǎn)生任何結(jié)構(gòu)失效破壞；（4）對(duì)于液化氣作業(yè)的旋轉(zhuǎn)接頭，在4倍當(dāng)量設(shè)計(jì)載荷下不產(chǎn)生任何結(jié)構(gòu)失效破壞，每1cm密封直徑上，在0℃0.1MPa時(shí)其泄漏率應(yīng)不超過(guò)17.5cc/分鐘。采用氣體定量測(cè)漏儀測(cè)量。

2.4 低溫緊急脫離裝置

2.4.1 性能要求。

第一，對(duì)于液相式裝置應(yīng)先關(guān)閉球閥，再松開(kāi)夾緊機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)脫離。

第二，用于液相式裝置的球閥應(yīng)在成裝前對(duì)殼體進(jìn)行常溫條件下的強(qiáng)度和密封性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合BSEN1474-1-2008標(biāo)準(zhǔn)中要求；用于液相式裝置的球閥應(yīng)在整體裝置成裝后在低溫條件下采用0.6MPa公稱(chēng)壓力的氮?dú)膺M(jìn)行密封試驗(yàn)，保壓5分鐘，軟密封應(yīng)無(wú)可見(jiàn)泄漏。

第三，用于氣相式裝置的閥門(mén)成裝前應(yīng)進(jìn)行常溫條件下的密封性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合GB/T13927要求；用于氣相式裝置的閥門(mén)組應(yīng)在整體成裝后在低溫條件下采用0.6MPa公稱(chēng)壓力的氮?dú)膺M(jìn)行密封試驗(yàn)，保壓5分鐘，應(yīng)無(wú)可見(jiàn)泄漏。

第四，緊急脫離裝置夾緊機(jī)構(gòu)采用彈性?shī)A緊，夾緊應(yīng)保證密封和鎖緊可靠；緊急脫離裝置成裝后應(yīng)進(jìn)行殼體常溫耐水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍，應(yīng)無(wú)可見(jiàn)滲漏。

第五，在低溫條件下試驗(yàn)緊急脫離過(guò)程的可靠性：（1）在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行緊急脫離裝置的低溫試驗(yàn)。分離試驗(yàn)應(yīng)至少重復(fù)3次，可靠性達(dá)100%；（2）先用氮?dú)鈾z驗(yàn)緊急脫離裝置及試驗(yàn)裝置無(wú)可見(jiàn)泄漏；（3）將液氮輸入緊急脫離裝置中，待溫度降至使用溫度，待壓力升至設(shè)計(jì)壓力時(shí)進(jìn)行脫離試驗(yàn)，脫開(kāi)后的閥門(mén)密封面應(yīng)無(wú)可見(jiàn)泄漏。

第六，常溫條件下試驗(yàn)緊急脫離過(guò)程的可靠性：（1）在輸油臂上進(jìn)行脫離試驗(yàn)，當(dāng)電液控制系統(tǒng)發(fā)生一級(jí)報(bào)警后，介質(zhì)泵關(guān)閉，液壓泵啟動(dòng)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為驅(qū)動(dòng)狀態(tài)；（2）發(fā)生二級(jí)報(bào)警到裝置完全分離，時(shí)間應(yīng)在5秒以?xún)?nèi)。響應(yīng)時(shí)間需由供應(yīng)商詳細(xì)計(jì)算后確定；（3）緊急脫離裝置分離后，裝卸臂的分離端立即開(kāi)始上升，上升高度應(yīng)在2m以上實(shí)現(xiàn)液壓制動(dòng)。分離試驗(yàn)應(yīng)至少重復(fù)3次，可靠性達(dá)100%。

第七，緊急脫離接頭釋放機(jī)構(gòu)在結(jié)冰的情況下蓄能系統(tǒng)應(yīng)確保切實(shí)的脫離。

2.4.2 安裝要求。

第一，采用不銹鋼螺栓。

第二，擰緊螺栓時(shí)用力矩扳手，保持螺栓受力一致，力矩大小參照表1，過(guò)24小時(shí)再擰第二次。

第三，低溫試驗(yàn)前用氮?dú)鈱㈤y腔、管道內(nèi)脫脂并吹掃干凈。

2.4.3 低溫緊急脫離裝置試驗(yàn)。

第一，對(duì)于液相式裝置的球閥殼體強(qiáng)度和密封性試驗(yàn)：按GB/T13927的規(guī)定進(jìn)行，低溫密封試驗(yàn)采用保冷法。

第二，緊急脫離裝置的低溫分離試驗(yàn)在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行

2.5 EQC/DC《快速接頭》

2.5.1 產(chǎn)品用途及結(jié)構(gòu)?？焖俳宇^是安裝在輸油臂末端，與槽船歧管法蘭聯(lián)接的裝置，它通過(guò)電氣控制系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)使輸油臂與槽船歧管法蘭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、快速、可靠聯(lián)接。

其結(jié)構(gòu)主要由閥體合件3、回轉(zhuǎn)支撐2、組合拉桿1、推桿5、加力彈簧6、卡爪7、液壓缸4、液壓系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)等九個(gè)主要零、部件組成。液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)附于輸油臂相關(guān)系統(tǒng)之中（見(jiàn)圖表1，圖中電氣液壓系統(tǒng)未繪制）。

2.5.2 快速聯(lián)接裝置工作原理。聯(lián)接裝置在電氣液壓系統(tǒng)的控制下，卡爪處在最大開(kāi)啟狀態(tài)，用人工（或用遙控器）操縱快速接裝置將聯(lián)接裝置下端導(dǎo)向塊與槽船管線(xiàn)法蘭對(duì)正，使兩法蘭面貼緊。通過(guò)電液控制系統(tǒng)控制，啟動(dòng)油缸推動(dòng)回轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)4個(gè)壓緊機(jī)構(gòu)的上端一起旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)推動(dòng)卡爪繞銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使卡口貼緊槽船法蘭端面，回轉(zhuǎn)環(huán)的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)引起壓緊機(jī)構(gòu)彈簧的壓縮，使卡爪對(duì)法蘭端面產(chǎn)生壓緊力，當(dāng)壓緊機(jī)構(gòu)的軸線(xiàn)與閥體軸線(xiàn)重合時(shí)，彈簧載荷最大。當(dāng)壓緊機(jī)構(gòu)軸線(xiàn)相對(duì)卡爪稍過(guò)中心線(xiàn)3°～5°角（使壓緊機(jī)構(gòu)處在自鎖狀態(tài)）時(shí)，回轉(zhuǎn)環(huán)停止旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，彈簧產(chǎn)生的載荷，通過(guò)卡爪的卡口端面加在法蘭上的力≥法蘭在操作狀態(tài)下所需的密封圈的壓緊力與操作狀態(tài)下所需的螺栓載荷之和，整個(gè)鎖緊就完成了。在該位置回轉(zhuǎn)環(huán)將在機(jī)械式定位裝置下限制轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)工作結(jié)束時(shí)，先關(guān)閉閥門(mén)，切斷槽船管線(xiàn)與輸油臂管線(xiàn)之間的介質(zhì)流動(dòng)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)油缸反方向推動(dòng)回轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)初始，使彈簧卸載，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)環(huán)，通過(guò)壓緊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)卡爪旋轉(zhuǎn)，使卡爪脫開(kāi)并開(kāi)到位。此時(shí)輸油臂帶動(dòng)快速聯(lián)接裝置一起與槽船管線(xiàn)分離。

2.5.3 壓力等級(jí)應(yīng)與裝卸臂壓力等級(jí)相同。

2.5.4 快換接頭的設(shè)計(jì)能適應(yīng)集油管法蘭的公差帶，夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須完全滿(mǎn)足使用要求。

2.5.5 快換接頭的強(qiáng)度符合BSEN1474-1-2008標(biāo)準(zhǔn)中要求，即強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)內(nèi)部設(shè)計(jì)壓力和由裝卸臂姿態(tài)、外部軸向載荷、彎曲扭矩和剪切載荷的最荷刻的組合下確定的最大設(shè)計(jì)當(dāng)量載荷計(jì)算；在2倍的設(shè)計(jì)當(dāng)量載荷加內(nèi)部設(shè)計(jì)壓力下快換接頭不應(yīng)泄漏、變形及失效。這應(yīng)適用于在彎曲拉伸時(shí)使用最少的夾緊塊的情況。

2.5.6 快換接頭應(yīng)提供機(jī)械鎖緊裝置以防止由于壓力或振動(dòng)而意外松脫。鎖緊裝置的操縱應(yīng)簡(jiǎn)便易行。

2.5.7 快換接頭應(yīng)有一個(gè)法蘭蓋，當(dāng)用戶(hù)要求時(shí)法蘭蓋上可有一個(gè)螺紋孔并裝一螺塞。

2.5.8 連接法蘭、鎖緊件等在精加工前作兩次深冷處理。

2.5.9 快換接頭應(yīng)在有試驗(yàn)壓力及試驗(yàn)負(fù)荷Pct情況下進(jìn)行試驗(yàn)。

以上結(jié)構(gòu)的液壓快速接頭（DC/DC）由上海冠卓公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造，其結(jié)構(gòu)較歐美國(guó)家FMC、SVT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)實(shí)踐證明不僅完全滿(mǎn)足各種溫度、各種工況下技術(shù)要求，而且操作方便、易維護(hù)。

2.6 低溫臂操作試驗(yàn)

在LNG裝卸臂整體裝配完成后，需進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)，首先進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)（水壓試驗(yàn)），試驗(yàn)程序與常溫裝卸臂一致，在水壓試驗(yàn)后所有零件均應(yīng)干燥，運(yùn)行操作之前應(yīng)用氮?dú)饣蚋稍锏目諝膺M(jìn)行皂泡檢漏試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果應(yīng)符合BSEN1474-1-2008標(biāo)準(zhǔn)的要求。然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)接頭的氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)應(yīng)進(jìn)行功能試驗(yàn)。在裝卸臂豎立在試驗(yàn)臺(tái)上時(shí)，進(jìn)行如下試驗(yàn)：

2.6.1 操縱試驗(yàn)。

第一，裝卸臂包括液壓控制單元在裝卸臂豎立起來(lái)時(shí)進(jìn)行下列試驗(yàn)，其結(jié)果應(yīng)符合BSEN1474-1-2008標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)要求。

第二，試驗(yàn)項(xiàng)目：（1）平衡試驗(yàn)；（2）空載裝卸臂操縱到其包絡(luò)范圍內(nèi)能達(dá)到的最大極限位置，包括在最高的槽船護(hù)攔上操作及在其維修位置，并應(yīng)檢驗(yàn)所有的報(bào)警設(shè)定；（3）如果有快換接頭，應(yīng)當(dāng)在正常操作條件下試驗(yàn)釋放性能；（4）裝卸臂應(yīng)當(dāng)在空載及滿(mǎn)載時(shí)用假集油管模擬并在包絡(luò)范圍內(nèi)移動(dòng)進(jìn)行階段報(bào)警和作緊急脫離的試驗(yàn)；（5）在緊急脫離系統(tǒng)釋放后，滿(mǎn)載的裝卸臂應(yīng)從抬起位置到收攏狀態(tài)且外臂應(yīng)抬起高于水平線(xiàn)；（6）重新對(duì)接需在空臂時(shí)進(jìn)行；（7）裝卸臂應(yīng)從靜止位置進(jìn)一步試驗(yàn)：采用控制板上的按鈕；采用蓄能器模擬供電中斷。

第三，試驗(yàn)應(yīng)演示下列內(nèi)容：完整的液壓系統(tǒng)；控制及報(bào)警系統(tǒng)；緊急脫離系統(tǒng)閥門(mén)及緊急脫離接頭動(dòng)作時(shí)間；裝卸臂及緊急脫離系統(tǒng)的安全操作；各種聯(lián)鎖的操作；控制臺(tái)及遙控操作；在碼頭平面的作業(yè)包絡(luò)范圍；規(guī)格一致性檢驗(yàn)；由蓄能器壓力下降及階段報(bào)警啟動(dòng)的液壓泵自動(dòng)運(yùn)行

2.6.2 低溫試驗(yàn)。

第一，進(jìn)行低溫乙烯裝卸臂的試驗(yàn)?zāi)康?。檢驗(yàn)LNG裝卸臂在規(guī)定低溫（-163℃）狀態(tài)下緊急脫離裝置能否安全脫離且雙球閥安全關(guān)閉，同時(shí)檢驗(yàn)脫離整機(jī)的平衡狀態(tài)。

第二，低溫乙烯裝卸臂試驗(yàn)步驟：（1）安裝液壓管線(xiàn)、電器控制及氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)；（2）在功能性試驗(yàn)滿(mǎn)足要求后，將裝卸臂調(diào)整至工作狀態(tài)（模擬），如下圖所示，安裝底部盲板法蘭、連接好集管法蘭、氮?dú)夤芫€(xiàn)、液氮管線(xiàn)（與低溫槽罐車(chē)），并仔細(xì)檢查各接頭的連接是否可靠；（3）打開(kāi)液氮罐閥門(mén)，將液氮從裝卸臂頂部入口法蘭處通到低溫整機(jī)的內(nèi)部，然后將底部的排空閥門(mén)打開(kāi)，保持開(kāi)啟狀態(tài)，將乙烯臂整機(jī)進(jìn)行低溫冷卻；（4）當(dāng)溫度降至規(guī)定的試驗(yàn)溫度（-163℃左右）、整機(jī)處于結(jié)霜狀態(tài)時(shí)，關(guān)液氮閥門(mén)，將裝卸臂設(shè)置為浮動(dòng)狀態(tài)，然后人力或采用叉車(chē)分別按左、右及正前方拉動(dòng)裝卸臂，檢驗(yàn)在試驗(yàn)溫度時(shí)裝卸臂是否能正常運(yùn)動(dòng)；（5）給緊急脫離裝置驅(qū)動(dòng)信號(hào)，打開(kāi)液壓泵站的電磁閥，使緊急脫離液壓缸開(kāi)始工作，在推桿機(jī)構(gòu)的作用下兩球閥關(guān)閉，然后脫離接頭夾緊機(jī)構(gòu)打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)脫離裝置脫離，此時(shí)外臂應(yīng)按規(guī)定上升，但很快處于平衡狀態(tài)；（6）脫離后的下球閥內(nèi)部壓力快速上升，需立即打開(kāi)脫離裝置下球閥處的排空閥門(mén)，排出液氮；（7）檢查脫離裝置雙球閥的關(guān)閉情況，并做好記錄；（8）低溫乙烯裝卸臂功能性及低溫脫離試驗(yàn)結(jié)束，讓整機(jī)在常溫狀態(tài)下慢慢升溫至常溫。

3 結(jié)語(yǔ)

總上所述，我們與冠卓聯(lián)合技術(shù)開(kāi)發(fā)小組是利用原有的常溫裝卸臂的技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合超低溫裝卸過(guò)程中對(duì)設(shè)備的要求，通過(guò)改變?cè)饕考牟馁|(zhì)及進(jìn)行特殊的工藝處理，對(duì)密封結(jié)構(gòu)及性能的調(diào)整、使其完全滿(mǎn)足在超低溫狀態(tài)下的工作工況，獲得兩項(xiàng)專(zhuān)利，且經(jīng)實(shí)踐證明其密封性及操作的靈活性超過(guò)了進(jìn)口的歐美產(chǎn)品，而生產(chǎn)成本較進(jìn)口產(chǎn)品低了許多，更重要的是令操作人員一直頭痛的服務(wù)問(wèn)題徹底得到了保證。如果該裝卸臂在行業(yè)中落到實(shí)處地得到推廣的話(huà)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本、減少項(xiàng)目建設(shè)投資的目的，使作業(yè)的連續(xù)性、穩(wěn)定性、安全性均得到保證。

參考文獻(xiàn)

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

篇10

【關(guān)鍵詞】：微機(jī)械懸臂梁 機(jī)械噪聲 噪聲控制

此次研究分析工作，以微電子機(jī)械系統(tǒng)為基礎(chǔ)，其具備響應(yīng)速度快，靈敏度理想，功耗低的特點(diǎn)，可以在微機(jī)械元件發(fā)生環(huán)境變化的時(shí)候，產(chǎn)生敏感的反應(yīng)，也就是噪聲。在此基礎(chǔ)上建立微機(jī)械熱機(jī)械噪聲理論模型，為開(kāi)展機(jī)械噪聲影響因素的研究打開(kāi)局面。

一、微機(jī)械懸臂梁的理論概況

1.1懸臂梁機(jī)械噪聲的基本情況

懸臂梁是微電子機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，在很多元件構(gòu)成上都采用了懸臂梁這樣的敏感材質(zhì)，如原子力顯微鏡探針，生化傳感器等。其分辨率和穩(wěn)定性均可以達(dá)到此部位效能的要求，是因?yàn)槠湓斐煽刂铺幚碓诤侠矸秶鷥?nèi)?；谶@樣的概念認(rèn)識(shí)，去開(kāi)展研究工作，可以保證其更加具備針對(duì)性。

1.2理論模型中的基礎(chǔ)概念

在理論模型構(gòu)建的過(guò)程中，會(huì)涉及到以下幾個(gè)基礎(chǔ)性概念：其一，熱機(jī)械噪聲，在微電子機(jī)械系統(tǒng)體系中，尺寸和質(zhì)量減少的狀態(tài)下，其熱運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)于懸臂梁造成十分明顯的影響，主要表現(xiàn)為空氣分子與懸臂梁的碰撞，懸臂梁與晶格之間的振動(dòng)。其二，溫漂噪聲，由于懸臂梁體積比較小，其比熱很小，在進(jìn)行聲子速率吸收或者釋放的時(shí)候，存在瞬間差異，在這樣的情況下回使得懸臂梁產(chǎn)生溫度變化，以此因此聲音抖動(dòng)和頻率的變化。其三，吸附-脫附噪聲，由于懸臂梁有著比較大的比表面積，在對(duì)于空氣分子進(jìn)行吸收和脫附的時(shí)候，也會(huì)出現(xiàn)瞬間差別，從而使得質(zhì)量變化，諧振漂移，在此基礎(chǔ)上就形成相應(yīng)的吸附-脫附噪聲。

二、微機(jī)械懸臂梁中機(jī)械噪聲機(jī)制的分析

以上述理論模型為基礎(chǔ)，找到噪聲機(jī)制對(duì)于微機(jī)械懸臂梁靜態(tài)額動(dòng)態(tài)性能的影響因子，是本次研究工作的主要目的。具體來(lái)講，可以分為以下幾個(gè)層次來(lái)進(jìn)行探析：

2.1從器件振幅穩(wěn)定性的角度來(lái)看

從理論上來(lái)講，懸臂梁靜態(tài)振幅噪聲公式的計(jì)算公式為以下內(nèi)容： 。在上述公式中反映出這樣的規(guī)律：懸臂梁固有的諧振頻率和彈性系數(shù)越大，其長(zhǎng)度就會(huì)越小，相應(yīng)的寬度和厚度也不斷變大，振幅噪聲也會(huì)在這樣的條件下變小。另外，相對(duì)于寬度對(duì)于懸臂梁振幅噪聲的影響程度，懸臂梁長(zhǎng)度和厚度變化會(huì)對(duì)于振幅噪聲產(chǎn)生更加明顯。以懸臂梁質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)加速度為例子，去探析振幅噪聲對(duì)于器件性能造成的影響，在此過(guò)程中的加速度分辨率將成為比較關(guān)鍵的性能，在進(jìn)行噪聲分析和設(shè)計(jì)過(guò)程中需要關(guān)注這樣的問(wèn)題。因?yàn)閺睦碚撋蟻?lái)講，加速度分辨率的改善，需要以監(jiān)督固有頻率，或者提高質(zhì)量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2從諧振頻率穩(wěn)定性的角度來(lái)看

在研究諧振頻率穩(wěn)定性影響程序研究的過(guò)程中，假設(shè)懸臂梁的長(zhǎng)寬厚，以及測(cè)試帶寬是一定的，依據(jù)相應(yīng)的理論公式得出諧振頻率抖動(dòng)和固有諧振頻率，溫度和氣壓三者之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上研究靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的影響。

對(duì)于熱機(jī)械噪聲引起的諧振頻率抖動(dòng)和諧振頻率成線(xiàn)性關(guān)系的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，前者與后者并沒(méi)有存在依賴(lài)關(guān)系。溫漂噪聲導(dǎo)致的諧振頻率抖動(dòng)會(huì)在頻率不斷增加的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)增大的情況，而在此時(shí)頻率抖動(dòng)的影響程度低于其對(duì)于吸附-脫附噪聲。在諧振頻率擦超過(guò)一定界限的時(shí)候，吸附-脫附噪聲成為主要的噪聲源。簡(jiǎn)單來(lái)講，微機(jī)械懸臂梁尺寸的縮小，會(huì)使得其表面積增大，表面吸附和脫附能力會(huì)不斷展現(xiàn)出來(lái)，由此慢慢占據(jù)主導(dǎo)地位，是很符合現(xiàn)實(shí)情況的。

以各個(gè)噪聲機(jī)制引起的諧振頻率抖動(dòng)和溫度關(guān)系的示意圖來(lái)看，熱機(jī)械噪聲與溫漂噪聲引起的諧振頻率抖動(dòng)與溫度之間報(bào)出正比例關(guān)系，也就是說(shuō)，溫度越高，其抖動(dòng)會(huì)更加厲害。相對(duì)來(lái)講，溫度與吸附-脫附噪聲的諧振頻率抖動(dòng)成反比關(guān)系，溫度越高，其抖動(dòng)頻率越低。也就是說(shuō)，在溫度不斷升高的情況下，熱運(yùn)動(dòng)和溫漂效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，是噪聲的主要來(lái)源，此時(shí)的吸附脫附噪聲并沒(méi)有表現(xiàn)出比較高的抖動(dòng)頻率。但是當(dāng)諧振頻率超過(guò)10mhz的時(shí)候，吸附脫附噪聲會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，并且超越熱機(jī)械噪聲，成為主要的噪聲機(jī)制，此時(shí)其與溫度之間的關(guān)系依然保持著反比例關(guān)系。

以各個(gè)噪聲機(jī)制引起諧振頻率抖動(dòng)與氣壓關(guān)系的示意圖來(lái)看，得出以下結(jié)論：其一，熱機(jī)械噪聲引起的諧振頻率抖動(dòng)與氣壓保持著正比例的關(guān)系，氣壓不斷增加，其抖動(dòng)的情況更加嚴(yán)重。與此相反，溫漂噪聲變化與氣壓層正比例關(guān)系，也就是隨著氣壓的不斷增加，其噪聲諧振頻率抖動(dòng)的越發(fā)嚴(yán)重；其二，微機(jī)械結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)的不斷征集，會(huì)使得其環(huán)境發(fā)生變化，由此使得溫漂噪聲失去了賴(lài)以生存的環(huán)境；其三，吸附-脫附噪聲會(huì)隨著氣壓的不斷變化產(chǎn)生極值現(xiàn)象，并且會(huì)在微機(jī)結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生反應(yīng)，當(dāng)達(dá)到一定范圍的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的極大值；其四，當(dāng)氣壓達(dá)到一定水平的時(shí)候，熱機(jī)械噪聲會(huì)占據(jù)主導(dǎo)，此時(shí)的頻率抖動(dòng)與氣壓之間保持著正比例關(guān)系。

下圖為最小可檢測(cè)質(zhì)量與頻率變化的示意圖。從下圖中可以得出以下結(jié)論：諧振頻率抖動(dòng)會(huì)隨著頻率的增加出現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的情況，而質(zhì)量檢測(cè)分辨率會(huì)隨著其增加出現(xiàn)降低的情況。簡(jiǎn)單來(lái)講，懸臂梁尺寸越小，其諧振頻率就越高，其可檢測(cè)的最小質(zhì)量變化也相對(duì)較小。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，以噪聲模型為基礎(chǔ)，以能量統(tǒng)計(jì)分析的方式切進(jìn)行模型的擴(kuò)展研究，的確可以有效的找到影響微機(jī)械懸臂梁機(jī)械噪聲影響因子。在這樣研究理論的基礎(chǔ)上，其引導(dǎo)微機(jī)械懸臂梁的設(shè)計(jì)工作，使得其朝著高性能，高質(zhì)量，高科技水平的方向發(fā)展和進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 劉永超，鄧兆祥，王攀，王厚記. 內(nèi)燃機(jī)機(jī)械噪聲與燃燒噪聲識(shí)別[J]. 現(xiàn)代制造工程. 2009（11）