機械臂范文

導語：如何才能寫好一篇機械臂，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

機械臂的模型仿真采用MatLab平臺下的RoboticsToolbox工具箱，從而可以很方便地對機械臂運動學的理論進行學習和驗證。工具箱內部包含了很多機械臂運動學方面的功能函數，如機械臂的坐標變換及機械臂正逆運動等。通過調用Link和Robot兩個功能函數，利用Denavit－Hartenberg參數表來描述機械臂各個連桿間的位移關系，可以在三維空間為機械臂的每一個連桿建立一個坐標系或相對于機械臂底座的相對坐標系，進而確定每一個桿件的位置和方向。在建立多個運動坐標的時候，為了方便，一般建立一張關節和連桿參數的D－H參數表。根據圖4所示的結構模型建立的參數如表1所示。利用表1建立的D－H參數表來進行機械臂數學模型的運動仿真，在Matlab中將6個關節初始角度按照表1設置為θ1=90°、θ2=0°、θ3=0°、θ4=－90°、θ5=90°、θ6=0°。通過調節工具箱中每個自由度對應的活動范圍可以實現機械臂任一關節的位姿運動。

2機械臂控制系統硬件實現

采摘機械臂要實現其特定的動作離不開控制系統的支持，其控制系統主要由AVR主控板和舵機控制擴展板組成，此外還有一些輔助的硬件模塊。例如，使其系統穩定工作的開關電源模塊、調整工作姿態的鍵盤模塊、實現人機對話的顯示模塊和語音播報模塊。同時，為了實現在上位機上的監控，設計了基于MAX232的串行通信接口。

3機械臂控制系統軟件實現

機械臂控制系統軟件主要由主控板控制程序和上位機監控程序兩部分組成。采摘機械臂主程序流程如圖8所示。整個程序主要是通過鍵盤模塊上按鍵的控制來切換操作模式，也可以在上位機設計的監控軟件中來進行模式的選擇判斷。主程序主要由單自由度功能模式、多自由度功能模式、軌跡規劃功能模式這3種工作模式組成，通過這3種工作模式，可以完整的展示采摘機械臂的整體自由度配合情況。為了在上位機上實現對機械臂的監控，借助于Labview軟件設計了機械臂上位機控制系統。Labview使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式［6］。根據需求選擇合適的控件并進行合理的布局，就可以構建一個美觀的儀器儀表界面。設計的控制界面如圖9所示，該界面包含有六個舵機的數據監控轉盤、串口通訊設置、速度調節滑塊、按鍵模塊。通過RS232通信協議該監控軟件可以實時的實現對六個自由度轉角和方向的控制，其中舵機轉盤上的數值代表脈寬值，其可調整的范圍為500～2500μs，代表舵機相應的角度為0°～180°。在上位機上的控制信號發送給AVR主控制板，主控制板對接收到的上位機數據進行分析處理，將需要的運動形式及參數發送給舵機控制板，各個舵機根據接收到的控制數據進行相應的動作響應。

4結語

篇2

>> 一種新型林地采育作業臂的設計與優化 一種多關節智能機械手臂控制系統設計 一種新型高速數顯表的設計與實現 一種電力巡檢系統的設計與實現 一種企業服務總線的設計與實現 一種屬性權威系統的設計與實現 一種口令加密工具的設計與實現 一種用于農業果實采摘的機械臂的改良及應用檢驗 一種仿生機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械臂 一種電梯曳引機制動器制動臂與基座連接方式的設計缺陷淺析 一種鉤臂車后支撐架的焊接工裝設計 一種RFID中間件設計與實現 一種用戶注冊登錄系統設計與實現 一種時延設計方法與DSP實現 一種簡單實用的檢錯與糾錯算法設計與實現 一種靶場測速系統校準方法與裝置的設計與實現 一種人臉檢測與識別方法的設計與實現 一種簡易漢字加密與解密算法的設計與實現 一種設計新穎的教學論壇的實現 常見問題解答 當前所在位置：l，2015-02-27/2016-12-16.梁嘉琪.把3D打印機改成書寫機器人替人手寫信件[DB/OL].

[8]高宇馨.這有一只差生機器人[N].好奇心日報，2015-06-10.

[9]陳華.“世界杯”讓機器人話題大熱[N].工人日報，2015-07-24（001）.

[10]楊亮，李慧藍，輝龍.董明珠：格力機器人，要做成極品[N].南方都市報，2015-12-16.

[11]蔡漢明，錢永恒. Dobot型機器人運動學分析與仿真[J].機電工程，2016，33（10）：1217-1220.

[12]牛立剛，張月瑩，胡志勇，等.基于Arduino的USARTHMI智能串口觸摸屏的應用[J].機電信息，2016（15）：122-123.

[13]譚秀騰，郭小定，李小龍，等.基于ARM的桌面型3D打印機控制系統設計[J].應用科技，2014，41（5）：57-66.

篇3

關鍵詞:果蔬;采摘;機械臂;自由度

中圖分類號: TP241.2 文獻標識碼:A 文章編號:1674-0432(2010)-10-0119-1

在果蔬生產作業中,采摘作業約占整個作業量的40%。采摘作業質量的好壞直接影響到后續的儲存、加工和銷售。由于采摘作業的復雜性,其自動化程度仍然很低,目前國內采摘作業基本上都是手工進行,研究采摘機械臂不僅具有巨大的應用價值,而且具有深遠的理論意義。

早在20世紀70年代,歐美國家和日本就開始了對蘋果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等采摘機械臂的研究。1983年,美國研制出了第一臺番茄采摘機械臂。隨著農業機械化的發展,各個國家對采摘機械臂進行了更加深入的研究。

1 多功能黃瓜采摘機械臂

1996年,荷蘭農業環境工程研究所研制出一種多功能黃瓜采摘機械臂。研究是在荷蘭2hm2的溫室里進行,整個機械臂由行走車、機械臂和末端執行器組成,末端執行器則由機械臂爪和切割器構成,行走車上裝有完成采摘任務的全部硬件和軟件。為采摘任務的完成提供最初的定位服務。此采摘機械臂有7個自由度,采用三菱RV-E2型6自由度機械臂,在底座增加了一個線性滑動自由度。溫室中黃瓜種植方式為高拉線纏繞方式吊掛生長。在采摘過程中,機械臂對單個黃瓜進行采摘,采摘成熟黃瓜過程中不傷害其它未成熟的黃瓜。

2 全自動番茄采摘機械臂

2004年,美國加利福尼亞番茄機械公司推出了兩臺全自動番茄采摘機械臂。這類采摘機械臂首先將番茄連枝帶葉割倒后卷入分選倉,倉內有能識別紅色的光譜分選設備,可以挑選出紅色的番茄,并將其通過輸送帶送入貨艙內。這類番茄采摘機械臂每分鐘可采摘1噸多番茄,1小時可采摘70噸番茄。

3 柑桔采摘機械臂

西班牙研究人員發明了一種柑桔采摘機械臂,它是由一臺裝有計算機的拖拉機、一套視覺系統和一個機械臂組成,能夠從柑桔的大小、形狀和顏色判斷出是否成熟。這類機械臂每分鐘可摘柑桔60個,并且摘下來的柑桔能夠按大小馬上分類。

4 關節型機械臂

日本早在20世紀80年代也開始了對采摘機械臂的研究。1984年,日本Kyoto大學開始了對番茄采摘機械臂的研究,并研制出了一個5自由度的關節型機械臂。1993年,日本Kondo等人研制的番茄采摘機械臂具有7個自由度,其末端執行器由兩個機械手指和一個吸盤組成,視覺傳感器主要由彩色攝像機來尋找和識別成熟果實,利用雙目視覺方法對目標進行定位,行走裝置采用4輪結構。與此同時,Kondo等人還針對草莓的高架栽培模式和傳統模型研制出了相應的草莓采摘機械臂。該機械臂具有5個自由度,視覺系統與番茄采摘機械臂類似,末端執行器采用真空系統加螺旋加速切割器。

5 草莓采摘機械臂

國內對采摘機械臂方面的研究始于20世紀90年代中期,相對于發達國家起步較晚,目前還處在起步階段,并且集中在高等院校和研究所進行研究。

中國農業大學張鐵中等在草莓采摘機械臂方面已取得喜人的成果;此外,中國農業大學通過綜合運用機器視覺、Bayes分類判別模式識別、機械設計、傳感器等技術,對溫室黃瓜采摘機械臂的視覺系統及末端執行器也做了大量試驗性的研究。

6 視覺技術番茄采摘機械臂

南京農業大學的張瑞合等運用雙目立體視覺技術對紅色番茄進行定位,將成熟番茄與周圍干擾環境分開,在番茄采摘機械臂的視覺方面取得了很大的成績。

江蘇大學的陳樹人等人提出了基于神經網絡的番茄采摘機器人雙目視覺空間定位方法,構建了采摘機器人雙目視覺實驗硬件系統,通過神經網絡計算建立了從圖像坐標到世界坐標的復雜映射關系的雙目視覺定位模型,而且針對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,導致目標空間定位誤差過大的問題,通過引入主動視覺和仿生學思想,區別傳統的番茄定位中所采用邊緣輪廓特征信息的配準方法,提出了使用三維番茄表面信息的定位方法,滿足了機械臂采摘番茄的定位精度要求。

7 基于神經網絡的采摘機械臂

華南農業大學在室內模擬環境下對直徑大于4cm的紅色和黃色類果實圖像進行了去噪、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,找到了果實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的界面,并且將BP神經網絡用于CCD攝像機標定,確定了神經網絡中的各個參數,使系統根據采集到的左右圖像中目標的形心坐標直接得出其空間坐標。

8 結語

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

參考文獻

[1] 方建軍.移動式采摘機器人研究現狀與進展[J].農業工程學報, 2004,2(20):273-275.

[2] 宋健,等.果蔬采摘機器人研究進展與展望[J].農業機械學報,2006,5(37):158-160.

[3] 趙勻,等.農業機器人的研究進展及存在的問題[J].農業工程學報,2003,1(19):20-23.

篇4

【關鍵詞】機器人;運動學正解;運動學逆解

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

機器人是當代新科技的代表產物，隨著計算機技術的發展，機器人科學與技術得到了迅猛的發展，在機器人的研究中，由于其價格較昂貴，進行普及型實驗難度較大，隱刺機器人仿真實驗變得十分重要。對機器人進行軟件仿真，從運動圖像和動態曲線表，可以模擬機器人的動態特性，更加直觀的顯示了機器人的運動狀況，從而可以分析許多重要的信息。

對機器人的運動學仿真，很多學者都進行了研究。文獻2以一個死自由度機器人為例，利用MATLAB軟件繪制了其三維運動軌跡;文獻4對一種柱面機械手為對象，對機械手模型的手動控制和軌跡規劃進行了仿真;但上述各種方法建立的機器人模型只適合特定的機械臂模型。一種通用的，經過簡單修改便可用于任何一種機械臂的仿真方法顯得尤為重要。

2.機器人運動學簡介

機器人學中關于運動學和動力學最常用的描述方法是矩陣法，這種數學描述是以四階方陣變換三維空間的齊次坐標為基礎的。矩陣法、齊次變換等概念是機器人學研究中最重要的數學基礎。利用MATLAB Robotics Toolbox工具箱中的transl、rotx、roty和rotz函數可以非常容易的實現用其次變換矩陣表示平移變換和旋轉變換。例如機器人在X軸方向平移了0.5米的其次坐標變換可表示為：

>>T=transl（0.5，0.0，0.0）

繞Y軸旋轉90°可以表示為：

>>T=roty（pi/2）

符合變換可以由若干個簡單變換直接相乘得到，例如讓物體繞Z軸旋轉90°，接著繞Y軸旋轉-90°，再沿X軸方向平移4個單位，則對應的齊次變換可表示為：

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

3.構建機器人對象

使用計算機對機器人運動的仿真研究，首先需建立相應的機器人對象。在機器人學中通常把機械手看做是由一系列關節連接起來的連桿構成。為描述響鈴按鍵之間平移和轉動的關系，Denavit和Hartenberg在1955年提出了一種通用的方法，這種方法是在機器人的每個連桿上建立附屬坐標系，然后用4*4矩陣來描述相鄰兩連桿的空間關系的方法，通過依次變換可最終推導出末端執行器相對于基坐標系的位姿，從而建立機器人的運動學方程。通常稱為D-H參數法。

在Robotics Toolbox中，構建機器人對象主要在于構建各個關節，而構建關節時，會用到LINK函數，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’代表采用標準的D-H參數，‘modified’代表采用改進的D-H參數。參數’alpha’帶包扭轉角，參數‘A’代表連桿長度，參數‘theta’代表關節角，參數‘D’代表偏距，參數‘sigma’代表關節類型：0代表旋轉關節，非0代表平動關節。

這樣，只需指定相應的D-H參數，我們便可以對任意機械臂進行建模。通過Robotics Toolbox擴展了plot函數還可將創建好的機械人在三維空間中顯示出來。

圖1 puma560機械臂三維模型

機器人運動學是主要研究關節變量空間和機器人末端執行器位置以及姿態之間的關系。常見的機器人運動學問題可分為兩類：

1）運動學正解：對一給定的機器人，已知桿件幾何形狀參數和關節角度矢量，求機器人末端執行器相對于參考坐標系的位置和姿態;

2）運動學逆解：給定機器人桿件的幾何參數，給定機器人末端執行器相對于參考基坐標系的所需位置和姿態，求解各關節姿態，及判斷機器人能否使其末端執行器達到這個所需的位姿。

下面用puma560型機械臂為例，演示運用Robotics Toolbox進行正運動學和逆運動學求解。利用Robotics Toolbox編寫的控制程序，對運動學正解，逆解，軌跡規劃等問題進行仿真研究。

定義puma560型機器人，其有兩個特殊的位姿配置：所有關節變量為0的qz狀態，以及表示”READY“狀態的qr狀態。如我們要求解所有關節變量為0時的末端機械手狀態，則相應正運動學可由下述語句求解：

>>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

得到的即為末端機械手位姿所對應的齊次變換矩陣。

圖2 正運動學研究

如圖2是起點[0 0 0 0 0 0]到終點[0 pi/2 -pi/2 0 0 0]的正運動學研究。

逆運動學問題則是通過一個給定的其次變換矩陣，求解對應的關節變量。例如，假定機械手終點為transl（0.4，0.5，0.2）。

圖3 逆運動學研究

仿真得到腰關節、肩關節、肘關節關節坐標如圖3所示。

4.結論

通過MATLAB Robotics Toolbox工具箱對puma560機械臂進行建模與仿真，研究其正運動學及逆運動學特性，得到了比較理想的仿真結果，為空間直線，曲線軌跡規劃提供了實驗數據基礎。通過MATLAB變成進行的運動學正反解的運算，實現了對工作空間任意直線，曲線的擬合插值運算，從而為機械臂的變成算法與運動研究提供了理論與實驗基礎。另外，該工具箱還可以對機器人動力學、基于simulink的機械人動態仿真等許多機器人學的相關內容進行仿真與分析。

參考文獻

[1]蔡自興.機器人學基礎[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]李延富.CINCINNATI機器人運動學和動力學的研究與仿真分析[D].沈陽：東北大學，2005.

[3]馬如奇，郝雙暉，鄭偉峰，等.基于MATLAB玉ADAMS 的機械臂聯合仿真研究[J].機械設計制造，2010（4）：93-95.

作者簡介：

篇5

關鍵詞：液壓機械臂連桿；有限元分析；模態分析

【中圖分類號】TH132【文獻標識碼】A【文章編號】2236-1879（2017）24-0123-01

在液壓機械臂當中，連桿是其中非常關鍵的零部件，其能夠起到連接關節的作用。如果采用質量不錯的連桿，那么在生產期間就不會形成較高的慣性力，這樣一來就能夠降低機械臂的軸承負荷。不過使用傳統的設計方式，很難讓連桿達到理想的要求。所以經過長時間的研究發現，而采用有限元分析，則能夠很好的改善這一問題。那么下面我們就來具體的討論一下相關的話題。

一、液壓機械臂連桿有限元靜力分析

1.1線彈有限元靜力分析基本原理。

在表現均勻、連接、應變等關系的時候，就要用到彈性力學基本公式。所以其便成為了運算結構強度的重要依據。

1.1.1平衡方程。

2.3液壓機械臂連桿有限元模態分析結果。

對液壓機械臂連桿的有限元模態的求解，通常不用算出振動系統的頻率，只是能夠算出幾價低階模態即可。之所以采取這樣的形式，主要是由于低價模態能夠對振動系統形成一定的干擾，而且階數越低，干擾程度就越大，所以通常情況下會采用5階到10階的范圍。而下面我們就來列舉一下前10階模態固有頻率。

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。

【結束語】采用有限元分析，能夠降低機械臂的軸承負荷，同時還能夠準確的體現出所有點的受力狀況，而且也能夠采取靜態分析，運算連桿的最大應力、位移等情況，這樣一來就能夠給連桿結構的優化分析創建充足的依據。所以在今后的工作中，相關工作人員一定要重視這方面的工作。

參考文獻 

[1] 侯振忠. 液壓驅動機械臂設計及其仿真研究[D].長安大學，2017. 

[2] 程京華. 車載液壓機械臂動態設計與研究[D].遼寧工業大學，2016. 

[3] 苗新強. 有限元結構分析多層并行算法研究及應用[D].上海交通大學，2015. 

篇6

關鍵詞： 四軸碼垛機械臂； OpenGL； DSP； MFC

中圖分類號： TN876?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 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，浪費大量人力資源，機械地重復性勞動損害身體健康等缺點。碼垛機器人技術集許多學科于一體，包括機械、信息、電子、計算機科學、智能技術等[1]，它在提高勞動生產效率、解決勞動力不足、降低工人勞動強度、改善生產環境、降低生產成本等方面具有重要意義。

本文主要研究了關節型四軸碼垛機械臂，利用MFC應用程序平臺設計了一款四軸碼垛機械臂的控制軟件，通過OpenGL三維函數庫繪制碼垛機械臂的三維圖形。軟件有友好的交互界面，操作者通過輸入碼垛的基本信息，如碼垛層數、每層的碼垛方式、碼垛數量、物塊大小信息、碼盤放置位置等數據，軟件就會設計好機械臂的運動路徑和操作方式，并以三維動畫的形式對碼垛過程進行演示，讓操作者方便地了解機械臂的運行情況，并做出判斷是否需要修改數據。同時軟件還可以把每個關節轉動的角度以串口傳輸的方式傳遞給機械臂的控制器DSP，控制碼垛機械臂上的5個舵機旋轉，完成碼垛過程。5個舵機分別控制了機械臂底座、下臂、上臂、腕部的旋轉以及末端夾持器的開合。

1 四軸碼垛機械臂仿真控制軟件設計

為了用戶能夠方便地操作軟件，仿真控制軟件在設計時采用了多個界面輸入的操作方式。軟件模擬了一個四軸碼垛機械臂碼垛的過程，通過設定碼垛的參數和碼放的方式，軟件規劃出碼垛路徑，把貨物從流水線上按碼垛路徑碼放到托盤上。 軟件共分為五個部分：定義工作區域、定義工作臺、設定碼垛方式、設定運動路徑和動畫演示。

1.1 功能選擇界面

功能選擇界面是基于對話框資源創建的，5個功能選項分別調用了5個按鈕控件。四軸碼垛機械臂仿真控制軟件共調用了13個對話框資源，通過這些對話框資源使得軟件變得友好、易操作。對話框是重要的用戶界面元素之一，是用戶交互的重要手段。對話框在創建后可以通過控件編輯器添加各種控件，包括編輯框、滑動條、靜態文本、按鈕等，這些控件在程序運行過程中可用于捕捉用戶的輸入信息或數據，每個控件都可以添加消息響應函數，便于優化用戶體驗。這些控件的使用使得仿真控制軟件界面更加方便操作，不再需要程序設計人員進行操作，或對操作人員進行復雜的培訓，經過簡單的說明介紹，普通用戶也可以方便的使用。

1.2 物體拖拽功能實現

在設定工作臺界面中實現了物塊拖拽的功能。為了確定物塊在碼盤上的起始位置，可以將流水線上的物塊模型用鼠標左鍵拖拽到碼盤上，再利用碼垛設置對話框對碼盤起始點進行微調。 物塊拖拽功能實際上就是物塊隨著鼠標的移動而重畫的過程。主要在函數OnMouseMove（UINT nFlags， CPoint point）中實現，當鼠標移動時程序就會調用這個函數 。函數有兩個參數值，nFlags代表各種虛擬按鍵是否按下 ，此參數可以是任何下列值：

MK_CONTROL 當CTRL鍵按下時；

MK_LBUTTON當鼠標左鍵按下時；

MK_MBUTTON當鼠標中鍵按下時；

MK_RBUTTON當鼠標右鍵按下時；

MK_SHIFT當SHIFT按下時。

另一個參數point，是鼠標的坐標，point.x代表[x]方向坐標，point.y代表[y]方向坐標，這個坐標是鼠標距離截獲該消息的窗口左上角的位置，是一個相對位置而不是在屏幕像素上的絕對位置，因此在使用時要注意將坐標位置和像素進行轉換。在程序中獲得鼠標的坐標信息以后，在畫圖函數OnPaint（）中對物塊圖形進行重繪，就會顯示出物塊被鼠標拖拽的效果。

1.3 設定碼垛方式界面

碼垛方式界面設計圖如圖2所示，分為左右兩部分。左側界面的下方是托盤的俯視圖，上方是層數、旋轉角度編輯框，以及預覽添加按鈕。右側界面是托盤的前視圖。在左側頁面上的層數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，這里的碼垛層數信息是由定義工作區界面設定的，每設置完一層的碼垛信息后就順序選擇下一層。然后雙擊界面左側托盤上方的示例物塊，第一個物塊就會自動出現在“設置工作區域”界面在托盤上設置好的初始位置上，在托盤上單擊鼠標右鍵，在出現的對話框里選擇需要碼放物塊的個數，即長×寬的個數，并可以選擇正向碼放還是旋轉90°后縱向碼放，選擇好后單擊確定鍵，相應個數的物塊就會出現在托盤里。想要在這一層繼續碼放物塊的話，就一直按住鼠標左鍵把示例物塊拖拽到托盤上任何想要擺放的位置，然后放開鼠標左鍵并單擊右鍵，在出現的對話框里選擇要碼放物塊的個數。重復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以前視圖的方式添加到右側頁面的托盤里。選擇下一個碼垛的層數，重復之前的操作，直至完成所有層數的物塊設置。單擊預覽按鈕，右側界面的托盤上會出現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到產品碼放后的方式，方便操作者進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個物塊，其中2[×]2個物塊正向碼放，2[×]1個物塊旋轉90°縱向碼放，第二層放置了4個物塊，以2[×]2的方式正向碼放。在單擊預覽按鈕后，右側屏幕顯示了兩層碼垛的示意圖。

設定碼垛方式界面對對話框窗口進行分割。當用戶需要同時對窗口的不同部分進行編輯時常常會用到切分窗口。切分窗口分為動態切分窗口和靜態切分窗口，本文選擇的是靜態切分窗口的方式。 窗口分割的程序寫在窗口創建函數OnCreate（）中，調用CreateStatic（）函數產生靜態切分。調用 CreateView（）函數產生每個視圖窗口。

1.4 設定運動路徑界面

在前面的設計中，流水線的位置和高度、碼盤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確定，但碼垛機械臂的運動路徑還沒有確定。設定運動路徑界面就是為了確定四軸碼垛機械臂碼放產品的運動過程。設定運動路徑界面設置圖如圖3所示。機械臂碼垛過程共有六個運動步驟，如下所示：

（1） 四軸碼垛機械臂運動到流水線上物塊的位置，打開末端夾持器，然后閉合夾持器從流水線拾取物塊。

（2） 四軸碼垛機械臂用末端夾持器抬起物塊，運動到流水線正上方某位置，停頓1 s。

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

（4） 四軸碼垛機械臂移動到托盤要碼放物塊的位置，打開末端夾持器把物塊放到托盤上。

（5） 四軸碼垛機械臂打開夾持器空載到托盤正上方，閉合末端夾持器。

（6） 四軸碼垛機械臂空載移動到流水線正上方。完成一次碼垛流程，然后重復這六個運動步驟。

設定運動路徑界面的左側有一個路徑示意圖，示意的就是四軸碼垛機械臂碼垛過程所經歷的6個位置，按照1?2?3?4?5?6?1的順序循環反復。位置1是流水線上物塊的位置，位置2和位置6是流水線的上方，位置3和位置5在舵盤的上方，位置4是舵盤上物塊要擺放的位置。根據前三個功能界面的設置，位置1和位置4的坐標已經確定，通過設定運動路徑界面可以確定其他四個位置的[y]方向坐標，[x]方向坐標和[z]方向坐標，默認和位置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，但距離可以設定。設定方式在界面的左側，有四個編輯框分別對應著位置2，3，5，6的[y]方向坐標，仿真控制軟件默認設置距離為1個單位，通過編輯框右側的+，-按鈕可以對幾個位置的[y]坐標進行增加或降低的修改。修改完成后退出界面，確定了四軸碼垛機械臂的完整碼垛路徑。

2 四軸碼垛機械臂硬件設計

2.1 DSP程序的編譯

DSP控制程序主要涉及定時器中斷和串口通信兩部分。舵機的控制信號是周期為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，因此選擇定時器中斷的方式產生PWM波。 首先設定一個10 μs的定時器，定時器中斷2 000次就是10 μs×2 000=20 ms，也就是舵機控制信號的一個周期。當定時器中斷的前1 000次，控制輸出端口輸出高電平，定時器中斷的后1 000次，輸出端口輸出低電平時，就產生了一個占空比為50%的PWM波，當改變輸出高電平和輸出低電平的中斷次數時，PWM波的占空比也隨之改變，舵機就會輸出不同的角度，從而帶動四軸碼垛機械臂轉動。當高電平的中斷次數為50次時，此時的占空比為[502 000=]2.5%，舵機轉動0°；當高電平的中斷次數為250次時，占空比為[2502 000=]12.5%，舵機轉動180°。

在CodeWarrior平臺的專家處理模塊添加定時器的嵌入豆，定義定時器的時間為10 μs。添加5個I/O接口的嵌入豆，用于輸出5路PWM波控制舵機。添加一個串口通信的嵌入豆，接收四軸碼垛機械臂控制軟件發送的串口數據，這些串口數據已經在軟件編程中轉化成高電平的定時器中斷次數，方便了DSP的編程操作。

定時器中斷程序的流程圖如圖4所示。

2.2 硬件電路設計

控制器采用ms56f8013最小系統，系統包含了程序傳輸、串口通信、電流驅動等基本模塊。

其中舵機電路原理圖如圖5所示。圖中所示的是一個舵機與DSP的連接圖，舵機的控制信號線與DSP的輸出端口相連結，端口輸出PWM控制信號。為了保證為舵機提供足夠大的功率，舵機和DSP分開供電。

實驗時采用雙路穩壓穩流電源為舵機和DSP分別供電。DSP最小系統上有電壓轉換功能，把5 V電壓轉成3.3 V為DSP芯片供電。舵機的供電電壓可選擇在4.8～6 V之間，系統選擇5.5 V為舵機供電。

3 系統測試

在實際運行四軸碼垛機械臂時，首先通過下載器把在CodeWarrior IDE中編譯的DSP程序下載到DSP中，程序下載成功后，把計算機和DSP通過RS 232串口連接線連接起來，實現上位機和下位機的串口通信。舵機的三條線分別是電源線、地線和控制信號線，DSP的端口1到端口5分別輸出五個舵機的控制信號PWM波形，把舵機的控制信號線和DSP相應的端口連接起來，實現DSP對執行器舵機的控制。DSP和舵機分別供電，把地線相連接。上位機和下位機連接好后，開始對系統運行情況進行測試。測試內容是四軸碼垛機械臂把一個物塊從流水線的位置碼放到托盤位置，即軟件測試中第一個物塊的碼放情況。由1.4小節可知，四軸碼垛機械臂碼放一次物塊要經過6個位置，仿真控制軟件計算出的底座、下臂、上臂舵機在6個位置所旋轉的角度如表1所示。折線圖如圖6所示。

四軸碼垛機械臂在運行過程中的底座舵機控制信號圖如圖7所示。

由舵機原理可知，高電平的時長為0.5 ms時輸出角度為0°，高電平時長為1 ms時輸出角度為45°，高電平時長為2.5 ms時輸出角度為180°。圖7是機械臂底座舵機運行在位置3，4，5時的控制信號圖，此時舵機的旋轉角度大約為90°，信號頻率為50 Hz，符合舵機的控制要求。

由測試可得，四軸碼垛機械臂的DSP可以通過RS 232串口通信模塊接收控制軟件傳遞的舵機角度數據，同時DSP可以對舵機進行控制，使舵機能夠按照仿真控制軟件計算的角度旋轉，實現關節型四軸碼垛機械臂的碼垛功能。

4 結 論

工業機器人碼垛技術越來越受到人們的重視，它在提高生產效率、降低事故發生概率、改善生產環境等方面都有重要作用，本文完成了四軸碼垛機械臂仿真控制軟件的設計。軟件可以根據用戶輸入的產品信息、位置信息、碼垛方式信息等規劃好機械臂的運動路線，利用三維動畫的方式顯示機械臂碼垛的實時過程。軟件通過串口通信模塊把機械臂碼垛過程中各個關節的角度值傳遞給DSP。機械臂系統采用DSP作為控制器，舵機作為機械臂的執行機構，用DSP控制舵機運動，實現四軸碼垛機械臂實物的碼垛過程。

四軸碼垛機械臂控制系統基本實現了預期功能，可以通過軟件對機械臂系統進行控制和三維動畫仿真，并且實現了機械臂實物的碼垛過程。可以在仿真控制軟件中實現多種機械臂的整合。后期改進可以把對其他類型機械臂的控制和仿真添加到軟件中，實現一款軟件對多種工業機器人的控制，使得軟件的利用率更高，使用更方便，同時也降低開發成本。

參考文獻

[1] 劉揚，高志慧，O超，等.混聯碼垛機器人運動學分析與仿真[J].機械與電子，2010（3）：57?60.

[2] 張岳.基于實時以太網的碼垛機械手控制平臺研究[D].濟南：山東大學，2013.

[3] 張聰.基于Internet的六自由度機械臂遠程控制系統[D].北京：北京郵電大學，2011.

[4] 冀亮，錢正洪，白茹.基于四元數的四軸無人機姿態的估計和控制[J].現代電子技術，2015，38（11）：112?116.

[5] BLOSS R. Telepresence and delta style robots come of age at latest combined automate and promat shows [J]. Industrial robot， 2012， 39（1）： 12?16.

[6] HOLUBEK R， KOSTAL P， PECHACEK F. Incorporation， programming and use of an ABB robot for the operations of palle?tizing and depalletizing at an academic research oriented to intelligent manufacturing cell [J]. Applied mechanics and mate?rials， 2013， 309： 62?68.

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關鍵詞：機械臂；解剖約束條件；數據手套

中圖分類號：TP242.6文獻標識碼：A文章編號：10053824（2013）04001807

0引言

數據手套校正技術伴隨著數據手套的發展而發展，國內外許多研究者也致力于對手套設備數據存在的誤差進行校正，并取得了一些成果。目前應用十分廣泛的CyberGlove和5DT Data Glove都為用戶提供了簡單的線性校正，但簡單的線性校正無法滿足各種復雜手勢動作的需要，最為典型的一個例子是虛擬手的拇指無法和小指或無名指的指尖進行接觸。Chou通過外部視覺設備采用線性回歸方法，建立了從CyberGlove每個單獨傳感器到虛擬手關節角度的映射關系[1]，這種方法雖然能夠提供高精度的虛擬手運動狀態，但是它需要借助視覺設備，所以并不具有一般的推廣性。與此同時，Fischer采用機器人立體視覺系統計算人手指尖三維空間位置，記錄用手套得到的對應手指關節角度[2]，采用神經網絡方法預測實際指尖位置，把平均精度提高到0.2 mm，但機器人立體視覺系統只有4個手指，也限制了這種方法的推廣。Turner和Griffin僅利用數據手套的手指自由度間的對應關系建立虛擬手運動模型，采用最小二次線性回歸方法校正手套數據[3]。Menon通過收集不同手勢的數據手套關節自由度數據[4]，也是采用線性回歸方法建立傳感器數據與手勢數據值間的映射關系，但他沒有處理傳感器之間存在的交叉耦合關系，只是單純地對所有的傳感器都采用線性處理方法。結合上述對各種數據手套數據誤差校正方法，再根據數據手套的設計原理，本文提出了一種新的數據手套的校正方法：基于解剖約束條件的數據手套校正方法。

1基于解剖約束條件的數據手套校正

1.1解剖約束條件

通過數據手套獲得人手的運動信息后，要將人手的運動信息映射到機械手臂上去，有兩方面的問題需要解決[5]：一是應通過數據手套獲得相對精確的人手運動信息，從而滿足遠程操作機械臂的精度要求；二是尋找合適的映射方法，把人手的運動信息轉換為機械臂的運動，從而實現對機械臂的遙操作。本文針對第一個問題進行了研究，在分析人手解剖約束條件的基礎上，提出了基于解剖約束條件的數據手套校正方法，其主要目的是根據人手解剖約束條件對數據手套中的獨立傳感器和交叉―耦合傳感器進行校正，從而獲得相對精確的人手運動信息。在正常情況下，人手各關節的自然運動是受到約束的，人手的運動必須符合正常手的運動范圍約束，手指的運動受到關節、骨骼、肌腱和肌肉等的條件約束限制；另一方面，由于數據手套的本身的限制，手套中的傳感器設備無法測量手的每個關節和每個自由度，再加上數據手套采集到的數字信息還存在正確性和精確性的問題，從這些約束條件出發，對數據手套進行校正，能夠有效地彌補手套設備的不足。從手指的運動角度來分析，手指的運動會受到靜態和動態2種約束[6]，靜態約束是指在解剖結構的限制下，手指做出不同手勢時各關節自由活動所能達到的角度的最大運動范圍，包括靜態角度和動態角度。靜態角度是指當手處在某種手勢狀態下角度的最大運動范圍，動態角度指的是手指關節自由度在受到相鄰手指自由度影響下，人手運動過程中處于某種特定的手勢狀態下時所能達到的運動范圍。

5）中指的MPJ關節的內收/外展角度可忽略，即有：abd（θ中指MPJ）=0（9）手指運動除了受到靜態約束外，還受到動態約束。動態約束指的是在手運動過程中，運動角度因為關節之間相互影響而受到的限制約束，這種約束包括單個手指各關節之間的運動約束以及不同手指不同關節之間存在的運動約束。例如，當中指的MPJ關節屈曲時，中指的PIJ關節和DIJ關節也會發生一定程度的屈曲，這種現象就是單個手指各個關節之間存在的運動約束，與此同時，與中指相鄰的食指和無名指的MPJ關節也會發生一定程度的屈曲，同時這2根手指的內收/外展角度也會發生變化相應的變化，這種現象就是不同手指不同關節之間的運動約束。

1.2基于解剖約束條件的獨立傳感器校正方法

基于解剖約束條件的數據手套校正方法的實質是利用相關的解剖約束條件來具體分析手套中獨立傳感器和交叉耦合傳感器，對其測量得到的數據采用不同的校正方法進行校正，使之滿足控制系統的需要。

獨立傳感器是指該傳感器的取值不受到其他傳感器讀數影響的傳感器，一般認為4個手指的MPJ、PIJ及DIJ關節的屈曲/延展自由度，還有拇指IJ和TMJ關節的屈曲/延展自由度這些關節所對應的傳感器為獨立傳感器。

對于獨立傳感器的校正，本文還是采取了常規的線性校正方法。我們結合上節中根據解剖結構得到的手指各關節實際運動時的最大和最小角度值，再根據采集到的傳感器讀數的最大值和最小值，我們建立了如下的線性映射關系：θout=Valueout-ValueminValuemax-Valuemin×（θmax-θmin）+θmin（16）式中θout為校正后的輸出角度值，Valueout為當前電壓輸出值，Valuemin為手指不運動時的電壓值，Valuemax為手指彎曲到最大角度時的電壓值，θmax和θmin對應關節自由度實際運動范圍的最大和最小角度值。

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【關鍵詞】裝卸臂 緊急脫離裝置 必要性 技術要求

裝有液化氣、油品以及有毒有害的化工品介質的貨輪在裝卸時通常使用船用裝卸臂來完成。緊急脫離裝置是裝卸臂上的安全裝置，它的現代化程度及安全性對于碼頭、船舶和作業人員的安全事關重大。緊急脫離裝置具有手動自動等操作功能，結構精巧，可靠性高，制造成本低等優點。

1 裝卸臂的結構與工作原理

船用裝卸臂的結構如下圖1所示：

船用裝卸臂通過快速連接器、岸端連接法蘭分別于貨輪和儲罐工藝管線連接實現介質傳輸的目的。為了滿足貨輪在水中升沉、漂移的不固定狀態，整臺裝卸臂合理的運用了六個旋轉結構，使裝卸臂自身的工藝管線可以與貨輪隨動。從而滿足船岸連接使達到介質裝卸的任務。

2 緊急脫離裝置的結構與工作原理

當達到脫離條件，控制系統自動或手動觸發脫離信號，控制電磁換向閥實現液壓驅動裝置的油路通斷、換向，從而驅動上下兩個工藝閥門的關閉，以及驅動夾緊機構的打開，使上下閥體分開，貨輪與裝卸臂快速分離。復位時，將上下閥體正確對接，還原夾緊機構，打開兩個工藝閥門，復原相應連鎖機制。

3 裝卸臂使用緊急脫離裝置的必要性

3.1 危險環境中必備的安全措施

（1）介質儲運管道發生介質泄露，需要立即中斷船岸管線連接；

（2）靠泊貨輪發生失火、泄露等危險時需要立即中斷船岸管線連接；

（3）碼頭泊位發生失火、泄露等危險時需要立即中斷船岸管線連接；

（4）因風浪或是纜繩斷裂等不可測原因造成貨輪飄移出裝卸臂的設計包絡范圍時需要立即中斷船岸管線連接。

為了能及時切斷危險的蔓延，縮小損失，或是保護裝卸臂本身的需要，應在裝卸臂上安裝緊急脫離裝置。以實現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”號油輪是由于纜繩的斷裂造成油輪漂移出作業區，將與其對接的27Z2、27Z3、 27Z4三臺裝卸臂拉壞，造成直接經濟損失約五千多萬元人民幣。如果這三臺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 國內與裝卸臂相關的規范中也對緊急脫離裝置的使用做出了規定說明

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

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

（3）JTS165-8-2007《石油化工碼頭裝卸工藝設計規范》中的第6.1.6條，明確規定裝卸甲A類和極度危害物料裝卸臂前應設置緊急脫離裝置。

（4）SYT5298-2002《港口裝卸用輸油臂》中的第4.1.2條，明確規定輸油臂接船端應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要求

在對設計制造積累的經驗和長時間使用過程中反饋問題的研究，以及對國內外相關規范的學習，總結出緊急脫離系統的一些通用技術要求如下

4.1 結構要求

（2）緊急脫離系統的強度應根據內部設計壓力和由最苛刻的裝卸臂姿態及外部軸向載荷、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計載荷決定。緊急脫離系統在兩倍的設計載荷下不應產生泄漏、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備鉤掛的可能。

（4）緊急脫離接頭應有正確對接的機械確認標識。

（5）緊急脫離接頭應含有一根或多根機械安全銷釘以提供意外啟動時的防護。

（6）緊急脫離系統與油輪聯接的部件在緊急脫離后在集油管旋轉接頭處應設有一個擋塊以防止因過度旋轉而引起與甲板的碰撞。

4.2 控制要求

（1）緊急脫離裝置應由下列途徑啟動：

①當裝卸臂到達規定的報警位置時自動啟動。即在裝卸臂包絡范圍的脫離區域。

②在中央控制臺由手動按鈕操作啟動。按鈕應設有誤操作防護功能。

③在供電中斷的情況下，中央控制臺具有UPS系統可以滿足手動按鈕操作啟；或是可以手動直接操作電磁換向閥以啟動緊急脫離裝置但應設有防意外手動操作電磁換向閥以啟動緊急脫離系統的防護措施。

④按業主的要求在其它地點設置手動按鈕操作啟動，按鈕具備誤操作防護功能。

⑤第三方報警信號觸發啟動，例如火災二級報警信號；但必須設定觸發延遲時間或設定確認按鈕。

（2）緊急脫離裝置應不能在裝卸臂的收攏狀態或對位操作過程中啟動。同樣不能在日常維護的維修放置位置啟動。然而應能夠定期在維修位置對緊急脫離系統進行試驗。

（3）在工藝閥門完全關閉以前不能進行緊急脫離接頭動作；緊急脫離接頭脫離后不能進行工藝閥門打開動作。

（4）在緊急脫離接頭分離時，裝卸臂外臂應抬起約2米的位置并制動，平均速度為0.15m/s；隨后系統處于驅動狀態。

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

（6）液壓系統需需設置雙機雙泵系統，一用一備（在線備用）。

（7）在發生緊急情況時，液壓泵站應能自動啟動，且應在第一級預警時啟動；在液壓泵站失效不能啟動的情況下，蓄能器應能夠作為后備能源。

（8）當多臺裝卸臂同時作業時，應為每臺裝卸臂的緊急脫離系統提供一個專用的蓄能器，它將提供存貯的液壓能量允許在液壓泵無法正常工作的情況下由仍可以啟動緊急脫離系統。蓄能器應提供壓力值檢測和低壓聲光報警功能。

（9）緊急脫離裝置的液壓驅動裝置具有獨立的液壓控制回路。4.3 性能要求

（1）在任何作業條件下緊急脫離系統應允許在裝卸臂設計的脫離位置確實、安全地依次完成關閉緊急脫離系統的兩個工藝閥門和打開并釋放緊急脫離接頭，最終將裝卸臂與油輪分離。

（2）在液壓系統滲漏，失效以及斷電的情況下，無脫離觸發依然保持機械連接狀態。

（3）在兩個工藝閥門之間的容積應最小以限制脫離后的泄漏量。

（4）在任何作業條件下緊急脫離系統的連接處均應保持密封。

（5）設計壓力應與相配套的裝卸臂的設計壓力相同。

（6）在任何作業條件下緊急脫離接頭應能夠被從船上或是裝卸臂上拆下或裝上。

4.4 技術參數

緊急脫離裝置的技術參數與相配套的裝卸臂技術參數基本相同見表1：

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關鍵詞：LNG船用裝卸臂；旋轉接頭；緊急脫離裝置（ERC）；液壓QC/DC；國產化 文獻標識碼：A

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

1 概述

隨著我國對能源需求的不斷增長，引進和生產液化天然氣對優化我國的能源結構，有效解決能源供應、安全、生態環保保護，實現經濟社會的可持續發展將發揮重要的作用。從2006年首座液化天然氣接收站在深圳大鵬建成投產以來，相續建成（包括在建）20多座，其中碼頭選用的關鍵設備――船用裝卸臂一直被歐美國家所壟斷，價格高、交貨期長、服務不及時。無疑地對LNG碼頭的生產及操作的安全性帶來一定的約束性。

而國內類似設備的設計與生產廠家已在常溫，乃至低溫乙烯裝卸設備的設計與生產控制方面取得了巨大的成績，常溫裝卸臂完全取代了進口產品，低溫乙烯裝卸臂在五年前成功打破了壟斷的格局，并逐漸實現常溫裝卸臂一樣完全取代進口產品。所以，我們已與綜合實力較強的生產廠（上海冠卓）合作組成LNG裝卸設備研發小組，經過近三年的不懈努力，終于成功設計、生產制造出了完全適宜LNG裝卸的設備，經試驗證明其主要部件的性能超過了國外同類產品。

2 LNG裝卸臂技術與工藝分析

2.1 LNG裝卸臂主體結構計算分析

為了全面分析整個冷卻過程的影響，多個不同體系的分析被進行，包括使用四個非常詳細的有限元模型進行的穩態熱、穩態半耦合熱力和瞬態半耦合熱力分析等。使用FEMAP軟件、應用計算機模擬設計，研究在各種瞬態溫度荷載作用下輸送臂的性能。

2.1.1 在-163℃的環境下，把液化氣從海岸傳輸到輪船或從輪船傳輸到海岸，現在正面臨著許多問題。這主要是因為傳輸設備上存在著熱沖擊和冰塊的堆積。為了評估液化氣輸送臂能在寒冷的工況及變暖環境過程中的材料變化，使用FEMAP軟件進行分析設計。并通過使用FEMAP software，淺析地證明，在寒冷條件下新的設計完全能滿足低溫工況的各種狀態，而且對主要構件沒有任何有害的影響。

2.1.2 輸送臂的裝配。整個管道裝配的三維模型用來模擬系統的整個行為。這個非常復雜的模型和分析過程，同時分析了熱和結構荷載的影響。所獲得的結果證實了在冷卻過程中構件內的收縮量和應力值，并突出了使用局部模型進行進一步分析的重要性。

2.1.3 碼頭基架立柱?；?、轉軸箱、旋轉接頭和回轉支承的三維模型，在周圍的構件上研究管道的冷卻效應，使用一個保守的穩態熱分析對流和傳導效應。

2.1.4 支承支架。支承支架的三維模型，研究了由于周圍剛性約束引起的冷卻和熱應力的程度。雖然不容易遭受熱沖擊（因為板是薄的），但是支架也很容易產生一個溫度梯度。因此，需要對支架進行進一步的設計和建模，來改進它們的性能。

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接頭（內圈、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℃狀態下能保持相同的收縮率，必需在加工前期及加工過程在特定的低溫處理設備，按照OCMIF、BS 6364-1998《低溫閥門》和BS EN 1474-1-2008《LNG輸送臂》的標準要求進行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行深冷處理，深冷處理溫度應低于使用溫度，冷處理分為冷卻、保溫和放冷三個階段進行，保冷1～2小時，然后將零件取出放冷至常溫，重復循環2次其結果符合BS EN 1474-1-2008要求。

2.3 LNG裝卸臂的旋轉接頭

2.3.1 旋轉接頭的結構分析。對旋轉接頭的軸對稱結構建模，研究在各種瞬態溫度荷載作用下它的性能。溫度荷載給出了隨時間變化的溫度分布和溫度應力。結果，對選擇的節點，溫度時程圖、von-Mises等效應力圖和相對軸向位移圖，很容易地顯示了冷卻過程中各個階段的不同，并幫助評估密封是否能保持產品在冷卻和加載期間的密封性。

為了讓旋轉接頭在整個裝卸過程中能保持干燥并旋轉靈活，改變其常溫操作的結構，增加氮氣吹掃系統，以便將在操作過程中產生的潮氣及水蒸汽帶走，防止結冰，無法轉動或損壞密封圈。

2.3.2 熱分析（冷卻的時間）。旋轉接頭的二維瞬態熱分析顯示了，由于相對的質量和構造，凸起部分比凹陷部分冷卻的更快。為了評估不同的冷卻選項，在最高應力部分上最大的Von-Mises等效應力圖被繪制，并在隨后的圖形中顯示。

紅色曲線：假設沒有進行冷卻處理就引入了液化天然氣液體，分析顯示了預先進行冷卻處理的必要性。對選擇的材料，應力超過了許用值。

藍色曲線：使用氮氣和液化天然氣蒸汽的混合物，進行2個小時的深冷卻處理（在現用的輸送臂上進行）。當進行純液化天然氣輸送時，在旋轉接頭產生的應力最小。

綠色曲線：一個小時的冷卻處理，包括首先進行15分鐘的氮氣和液化天然氣的混合物冷卻，隨后進行45分鐘的液化天然氣蒸汽冷卻。但是當進行液化天然氣輸送時，所產生的最大應力也會相應地增加大約20%。

粉紅色曲線：僅使用液化天然氣蒸汽進行1個小時的冷卻處理，此時得到的結果是最理想的。冷卻處理時間更快，然而初始的應力是最大，當進行液化天然氣輸送時，應力峰值只會比2個小時冷卻處理所引起的應力稍大。因此推薦使用此選項。

通過使用FEMAP軟件，計算機模擬設計，不但能夠證實或調整他們的設計，以確保使用最好的設計，而且也能夠給他們的客戶提供完全的信心――所采用的設計將提供無故障運轉以及延長使用期限。

2.3.3 低溫旋轉接頭試驗。

第一，在試驗溫度下，當旋轉接頭內允許溫差±5℃，充氮氣待壓力升至0.6MPa或更高的規定壓力下，電機轉動頻率為0.1赫茲，旋轉時進行泄漏試驗，試驗時間持續30分鐘，采用氣體定量測漏儀測量。

第二，旋轉接頭內部溫度降至規定溫度，放掉氮氣，充氦氣，待壓力升至規定壓力，試驗按HG/T 21608.6標準規定的方法，再按BS EN 1474-1-2008標準規定步驟分段進行試驗，該試驗應符合下列規定：（1）在1.5倍當量設計載荷加內部設計壓力下任一處壓潰寬度不得超過滾珠或滾柱直徑的8%；（2）在2倍當量設計載荷加內部設計壓力下旋轉接頭不應產生泄漏及泄壓；（3）對于常規液體作業，在3.5倍當量設計載荷下不產生任何結構失效破壞；（4）對于液化氣作業的旋轉接頭，在4倍當量設計載荷下不產生任何結構失效破壞，每1cm密封直徑上，在0℃0.1MPa時其泄漏率應不超過17.5cc/分鐘。采用氣體定量測漏儀測量。

2.4 低溫緊急脫離裝置

2.4.1 性能要求。

第一，對于液相式裝置應先關閉球閥，再松開夾緊機構以實現脫離。

第二，用于液相式裝置的球閥應在成裝前對殼體進行常溫條件下的強度和密封性試驗，試驗結果應符合BSEN1474-1-2008標準中要求；用于液相式裝置的球閥應在整體裝置成裝后在低溫條件下采用0.6MPa公稱壓力的氮氣進行密封試驗，保壓5分鐘，軟密封應無可見泄漏。

第三，用于氣相式裝置的閥門成裝前應進行常溫條件下的密封性試驗，試驗結果應符合GB/T13927要求；用于氣相式裝置的閥門組應在整體成裝后在低溫條件下采用0.6MPa公稱壓力的氮氣進行密封試驗，保壓5分鐘，應無可見泄漏。

第四，緊急脫離裝置夾緊機構采用彈性夾緊，夾緊應保證密封和鎖緊可靠；緊急脫離裝置成裝后應進行殼體常溫耐水壓試驗，試驗壓力為設計壓力的1.5倍，應無可見滲漏。

第五，在低溫條件下試驗緊急脫離過程的可靠性：（1）在實驗平臺上進行緊急脫離裝置的低溫試驗。分離試驗應至少重復3次，可靠性達100%；（2）先用氮氣檢驗緊急脫離裝置及試驗裝置無可見泄漏；（3）將液氮輸入緊急脫離裝置中，待溫度降至使用溫度，待壓力升至設計壓力時進行脫離試驗，脫開后的閥門密封面應無可見泄漏。

第六，常溫條件下試驗緊急脫離過程的可靠性：（1）在輸油臂上進行脫離試驗，當電液控制系統發生一級報警后，介質泵關閉，液壓泵啟動，系統轉為驅動狀態；（2）發生二級報警到裝置完全分離，時間應在5秒以內。響應時間需由供應商詳細計算后確定；（3）緊急脫離裝置分離后，裝卸臂的分離端立即開始上升，上升高度應在2m以上實現液壓制動。分離試驗應至少重復3次，可靠性達100%。

第七，緊急脫離接頭釋放機構在結冰的情況下蓄能系統應確保切實的脫離。

2.4.2 安裝要求。

第一，采用不銹鋼螺栓。

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

第三，低溫試驗前用氮氣將閥腔、管道內脫脂并吹掃干凈。

2.4.3 低溫緊急脫離裝置試驗。

第一，對于液相式裝置的球閥殼體強度和密封性試驗：按GB/T13927的規定進行，低溫密封試驗采用保冷法。

第二，緊急脫離裝置的低溫分離試驗在試驗平臺上進行

2.5 EQC/DC《快速接頭》

2.5.1 產品用途及結構。快速接頭是安裝在輸油臂末端，與槽船歧管法蘭聯接的裝置，它通過電氣控制系統控制液壓系統使輸油臂與槽船歧管法蘭實現自動、快速、可靠聯接。

其結構主要由閥體合件3、回轉支撐2、組合拉桿1、推桿5、加力彈簧6、卡爪7、液壓缸4、液壓系統和電器控制系統等九個主要零、部件組成。液壓系統、電氣控制系統附于輸油臂相關系統之中（見圖表1，圖中電氣液壓系統未繪制）。

2.5.2 快速聯接裝置工作原理。聯接裝置在電氣液壓系統的控制下，卡爪處在最大開啟狀態，用人工（或用遙控器）操縱快速接裝置將聯接裝置下端導向塊與槽船管線法蘭對正，使兩法蘭面貼緊。通過電液控制系統控制，啟動油缸推動回轉環旋轉，從而推動4個壓緊機構的上端一起旋轉，帶動壓緊機構推動卡爪繞銷軸轉動，使卡口貼緊槽船法蘭端面，回轉環的進一步旋轉引起壓緊機構彈簧的壓縮，使卡爪對法蘭端面產生壓緊力，當壓緊機構的軸線與閥體軸線重合時，彈簧載荷最大。當壓緊機構軸線相對卡爪稍過中心線3°～5°角（使壓緊機構處在自鎖狀態）時，回轉環停止旋轉。此時，彈簧產生的載荷，通過卡爪的卡口端面加在法蘭上的力≥法蘭在操作狀態下所需的密封圈的壓緊力與操作狀態下所需的螺栓載荷之和，整個鎖緊就完成了。在該位置回轉環將在機械式定位裝置下限制轉動。

當工作結束時，先關閉閥門，切斷槽船管線與輸油臂管線之間的介質流動，啟動旋轉油缸反方向推動回轉環旋轉，轉動初始，使彈簧卸載，繼續旋轉回轉環，通過壓緊機構帶動卡爪旋轉，使卡爪脫開并開到位。此時輸油臂帶動快速聯接裝置一起與槽船管線分離。

2.5.3 壓力等級應與裝卸臂壓力等級相同。

2.5.4 快換接頭的設計能適應集油管法蘭的公差帶，夾緊機構的設計必須完全滿足使用要求。

2.5.5 快換接頭的強度符合BSEN1474-1-2008標準中要求，即強度應根據內部設計壓力和由裝卸臂姿態、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計當量載荷計算；在2倍的設計當量載荷加內部設計壓力下快換接頭不應泄漏、變形及失效。這應適用于在彎曲拉伸時使用最少的夾緊塊的情況。

2.5.6 快換接頭應提供機械鎖緊裝置以防止由于壓力或振動而意外松脫。鎖緊裝置的操縱應簡便易行。

2.5.7 快換接頭應有一個法蘭蓋，當用戶要求時法蘭蓋上可有一個螺紋孔并裝一螺塞。

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 快換接頭應在有試驗壓力及試驗負荷Pct情況下進行試驗。

以上結構的液壓快速接頭（DC/DC）由上海冠卓公司設計、生產制造，其結構較歐美國家FMC、SVT的結構簡單，經實踐證明不僅完全滿足各種溫度、各種工況下技術要求，而且操作方便、易維護。

2.6 低溫臂操作試驗

在LNG裝卸臂整體裝配完成后，需進行整機試驗，首先進行強度試驗（水壓試驗），試驗程序與常溫裝卸臂一致，在水壓試驗后所有零件均應干燥，運行操作之前應用氮氣或干燥的空氣進行皂泡檢漏試驗。試驗過程和結果應符合BSEN1474-1-2008標準的要求。然后進行旋轉接頭的氮氣吹掃系統應進行功能試驗。在裝卸臂豎立在試驗臺上時，進行如下試驗：

2.6.1 操縱試驗。

第一，裝卸臂包括液壓控制單元在裝卸臂豎立起來時進行下列試驗，其結果應符合BSEN1474-1-2008標準有關要求。

第二，試驗項目：（1）平衡試驗；（2）空載裝卸臂操縱到其包絡范圍內能達到的最大極限位置，包括在最高的槽船護攔上操作及在其維修位置，并應檢驗所有的報警設定；（3）如果有快換接頭，應當在正常操作條件下試驗釋放性能；（4）裝卸臂應當在空載及滿載時用假集油管模擬并在包絡范圍內移動進行階段報警和作緊急脫離的試驗；（5）在緊急脫離系統釋放后，滿載的裝卸臂應從抬起位置到收攏狀態且外臂應抬起高于水平線；（6）重新對接需在空臂時進行；（7）裝卸臂應從靜止位置進一步試驗：采用控制板上的按鈕；采用蓄能器模擬供電中斷。

第三，試驗應演示下列內容：完整的液壓系統；控制及報警系統；緊急脫離系統閥門及緊急脫離接頭動作時間；裝卸臂及緊急脫離系統的安全操作；各種聯鎖的操作；控制臺及遙控操作；在碼頭平面的作業包絡范圍；規格一致性檢驗；由蓄能器壓力下降及階段報警啟動的液壓泵自動運行

2.6.2 低溫試驗。

第一，進行低溫乙烯裝卸臂的試驗目的。檢驗LNG裝卸臂在規定低溫（-163℃）狀態下緊急脫離裝置能否安全脫離且雙球閥安全關閉，同時檢驗脫離整機的平衡狀態。

第二，低溫乙烯裝卸臂試驗步驟：（1）安裝液壓管線、電器控制及氮氣吹掃系統；（2）在功能性試驗滿足要求后，將裝卸臂調整至工作狀態（模擬），如下圖所示，安裝底部盲板法蘭、連接好集管法蘭、氮氣管線、液氮管線（與低溫槽罐車），并仔細檢查各接頭的連接是否可靠；（3）打開液氮罐閥門，將液氮從裝卸臂頂部入口法蘭處通到低溫整機的內部，然后將底部的排空閥門打開，保持開啟狀態，將乙烯臂整機進行低溫冷卻；（4）當溫度降至規定的試驗溫度（-163℃左右）、整機處于結霜狀態時，關液氮閥門，將裝卸臂設置為浮動狀態，然后人力或采用叉車分別按左、右及正前方拉動裝卸臂，檢驗在試驗溫度時裝卸臂是否能正常運動；（5）給緊急脫離裝置驅動信號，打開液壓泵站的電磁閥，使緊急脫離液壓缸開始工作，在推桿機構的作用下兩球閥關閉，然后脫離接頭夾緊機構打開，實現脫離裝置脫離，此時外臂應按規定上升，但很快處于平衡狀態；（6）脫離后的下球閥內部壓力快速上升，需立即打開脫離裝置下球閥處的排空閥門，排出液氮；（7）檢查脫離裝置雙球閥的關閉情況，并做好記錄；（8）低溫乙烯裝卸臂功能性及低溫脫離試驗結束，讓整機在常溫狀態下慢慢升溫至常溫。

3 結語

總上所述，我們與冠卓聯合技術開發小組是利用原有的常溫裝卸臂的技術為基礎，結合超低溫裝卸過程中對設備的要求，通過改變原主要部件的材質及進行特殊的工藝處理，對密封結構及性能的調整、使其完全滿足在超低溫狀態下的工作工況，獲得兩項專利，且經實踐證明其密封性及操作的靈活性超過了進口的歐美產品，而生產成本較進口產品低了許多，更重要的是令操作人員一直頭痛的服務問題徹底得到了保證。如果該裝卸臂在行業中落到實處地得到推廣的話，可實現節約成本、減少項目建設投資的目的，使作業的連續性、穩定性、安全性均得到保證。

參考文獻

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

篇10

【關鍵詞】：微機械懸臂梁 機械噪聲 噪聲控制

此次研究分析工作，以微電子機械系統為基礎，其具備響應速度快，靈敏度理想，功耗低的特點，可以在微機械元件發生環境變化的時候，產生敏感的反應，也就是噪聲。在此基礎上建立微機械熱機械噪聲理論模型，為開展機械噪聲影響因素的研究打開局面。

一、微機械懸臂梁的理論概況

1.1懸臂梁機械噪聲的基本情況

懸臂梁是微電子機械系統的重要組成部分，在很多元件構成上都采用了懸臂梁這樣的敏感材質，如原子力顯微鏡探針，生化傳感器等。其分辨率和穩定性均可以達到此部位效能的要求，是因為其造成控制處理在合理范圍內?；谶@樣的概念認識，去開展研究工作，可以保證其更加具備針對性。

1.2理論模型中的基礎概念

在理論模型構建的過程中，會涉及到以下幾個基礎性概念：其一，熱機械噪聲，在微電子機械系統體系中，尺寸和質量減少的狀態下，其熱運動會對于懸臂梁造成十分明顯的影響，主要表現為空氣分子與懸臂梁的碰撞，懸臂梁與晶格之間的振動。其二，溫漂噪聲，由于懸臂梁體積比較小，其比熱很小，在進行聲子速率吸收或者釋放的時候，存在瞬間差異，在這樣的情況下回使得懸臂梁產生溫度變化，以此因此聲音抖動和頻率的變化。其三，吸附-脫附噪聲，由于懸臂梁有著比較大的比表面積，在對于空氣分子進行吸收和脫附的時候，也會出現瞬間差別，從而使得質量變化，諧振漂移，在此基礎上就形成相應的吸附-脫附噪聲。

二、微機械懸臂梁中機械噪聲機制的分析

以上述理論模型為基礎，找到噪聲機制對于微機械懸臂梁靜態額動態性能的影響因子，是本次研究工作的主要目的。具體來講，可以分為以下幾個層次來進行探析：

2.1從器件振幅穩定性的角度來看

從理論上來講，懸臂梁靜態振幅噪聲公式的計算公式為以下內容： 。在上述公式中反映出這樣的規律：懸臂梁固有的諧振頻率和彈性系數越大，其長度就會越小，相應的寬度和厚度也不斷變大，振幅噪聲也會在這樣的條件下變小。另外，相對于寬度對于懸臂梁振幅噪聲的影響程度，懸臂梁長度和厚度變化會對于振幅噪聲產生更加明顯。以懸臂梁質量塊結構加速度為例子，去探析振幅噪聲對于器件性能造成的影響，在此過程中的加速度分辨率將成為比較關鍵的性能，在進行噪聲分析和設計過程中需要關注這樣的問題。因為從理論上來講，加速度分辨率的改善，需要以監督固有頻率，或者提高質量的方式來實現。

2.2從諧振頻率穩定性的角度來看

在研究諧振頻率穩定性影響程序研究的過程中，假設懸臂梁的長寬厚，以及測試帶寬是一定的，依據相應的理論公式得出諧振頻率抖動和固有諧振頻率，溫度和氣壓三者之間的關系，在此基礎上研究靜態和動態性能的影響。

對于熱機械噪聲引起的諧振頻率抖動和諧振頻率成線性關系的統計結果來看，前者與后者并沒有存在依賴關系。溫漂噪聲導致的諧振頻率抖動會在頻率不斷增加的基礎上，出現增大的情況，而在此時頻率抖動的影響程度低于其對于吸附-脫附噪聲。在諧振頻率擦超過一定界限的時候，吸附-脫附噪聲成為主要的噪聲源。簡單來講，微機械懸臂梁尺寸的縮小，會使得其表面積增大，表面吸附和脫附能力會不斷展現出來，由此慢慢占據主導地位，是很符合現實情況的。

以各個噪聲機制引起的諧振頻率抖動和溫度關系的示意圖來看，熱機械噪聲與溫漂噪聲引起的諧振頻率抖動與溫度之間報出正比例關系，也就是說，溫度越高，其抖動會更加厲害。相對來講，溫度與吸附-脫附噪聲的諧振頻率抖動成反比關系，溫度越高，其抖動頻率越低。也就是說，在溫度不斷升高的情況下，熱運動和溫漂效應占據主導，是噪聲的主要來源，此時的吸附脫附噪聲并沒有表現出比較高的抖動頻率。但是當諧振頻率超過10mhz的時候，吸附脫附噪聲會占據主導地位，并且超越熱機械噪聲，成為主要的噪聲機制，此時其與溫度之間的關系依然保持著反比例關系。

以各個噪聲機制引起諧振頻率抖動與氣壓關系的示意圖來看，得出以下結論：其一，熱機械噪聲引起的諧振頻率抖動與氣壓保持著正比例的關系，氣壓不斷增加，其抖動的情況更加嚴重。與此相反，溫漂噪聲變化與氣壓層正比例關系，也就是隨著氣壓的不斷增加，其噪聲諧振頻率抖動的越發嚴重；其二，微機械結構的熱導的不斷征集，會使得其環境發生變化，由此使得溫漂噪聲失去了賴以生存的環境；其三，吸附-脫附噪聲會隨著氣壓的不斷變化產生極值現象，并且會在微機結構表面產生反應，當達到一定范圍的時候，就會產生相應的極大值；其四，當氣壓達到一定水平的時候，熱機械噪聲會占據主導，此時的頻率抖動與氣壓之間保持著正比例關系。

下圖為最小可檢測質量與頻率變化的示意圖。從下圖中可以得出以下結論：諧振頻率抖動會隨著頻率的增加出現不斷增長的情況，而質量檢測分辨率會隨著其增加出現降低的情況。簡單來講，懸臂梁尺寸越小，其諧振頻率就越高，其可檢測的最小質量變化也相對較小。

三、結束語

綜上所述，以噪聲模型為基礎，以能量統計分析的方式切進行模型的擴展研究，的確可以有效的找到影響微機械懸臂梁機械噪聲影響因子。在這樣研究理論的基礎上，其引導微機械懸臂梁的設計工作，使得其朝著高性能，高質量，高科技水平的方向發展和進步。

參考文獻：

[1] 謝汝峰. 液壓泵噪聲研究的進展[J]. 流體傳動與控制. 2008（03）

[2] 薛瑋飛，陳進，李加慶，張桂才，雷宣揚. 機械噪聲故障特征提取的波疊加法[J]. 機械科學與技術. 2006（09）

[3] 劉永超，鄧兆祥，王攀，王厚記. 內燃機機械噪聲與燃燒噪聲識別[J]. 現代制造工程. 2009（11）