時(shí)間：2022-09-27 21:23:32
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇機(jī)械臂設(shè)計(jì)論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
【關(guān)鍵詞】機(jī)器人；手臂關(guān)節(jié)；機(jī)械設(shè)計(jì)
1.引言
從機(jī)械手臂投入商用起，已經(jīng)有了幾十年的應(yīng)用和發(fā)展歷史。將模塊化的設(shè)計(jì)思路與理念引入機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)中，能夠充分發(fā)揮其靈活、可拆分、可組合的特點(diǎn)，并將其應(yīng)用于更多的場(chǎng)合，包括服務(wù)機(jī)器人，工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域等等。本文結(jié)合機(jī)械臂設(shè)計(jì)的模塊化理念，著重對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)，包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、傳動(dòng)系統(tǒng)、減速系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，具有比較好的理論價(jià)值與實(shí)踐意義。
2.機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)機(jī)械設(shè)計(jì)
2.1手臂關(guān)節(jié)模塊
手臂關(guān)節(jié)模塊包含了許多零部件，主要有旋轉(zhuǎn)電機(jī)、減速器和反饋單元等。在手臂關(guān)節(jié)的內(nèi)部固定了控制單元和傳動(dòng)系統(tǒng)，以二級(jí)減速傳動(dòng)作為傳動(dòng)模式，即齒輪減速傳動(dòng)與諧波減速傳動(dòng)，這種傳動(dòng)模式可以支持手臂關(guān)節(jié)自由度之內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。下面具體闡述其設(shè)計(jì)方案：
(l)模塊外殼方案
手臂關(guān)節(jié)的外殼能夠?yàn)殡姍C(jī)、制動(dòng)器、滾動(dòng)軸承提供必要的機(jī)械支撐，并起到必要的保護(hù)作用。在手臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的過程中，模塊的外殼也承受了期間多產(chǎn)生的種種應(yīng)力，因此模塊的外殼必須滿足一定的剛度。模塊外殼的主要構(gòu)成部分包括：底蓋、電機(jī)、齒輪蓋、主殼體、軸承、制動(dòng)器等。其中，底蓋位于結(jié)構(gòu)的底端，其作用是為整個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊的各個(gè)部件提供支撐與連接；主殼體構(gòu)成此部件單元的外殼，對(duì)單元當(dāng)中的電機(jī)、制動(dòng)器等子單元起到連接和支撐作用；齒輪蓋覆蓋于模塊的齒輪傳動(dòng)單元之上，起到保護(hù)和連接作用，而且能夠支持諧波齒輪減速器的安裝。為保證機(jī)械臂有足夠的強(qiáng)度，模塊外殼選取的制作材料為鋁合金，并將壁體設(shè)計(jì)為圓桶狀的抗壓結(jié)構(gòu)，為防止氧化與腐蝕，表面結(jié)果特殊處理。
(2)減速齒輪方案
減速齒輪方案的主要構(gòu)成部分包括：電機(jī)連接齒輪、中心齒輪、中心軸以及制動(dòng)連接齒輪等。其實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)述如下：通過小齒輪來連接直流電機(jī)的輸出端，然后通過與小齒輪相咬合的中心齒輪互相連接；同理，通過另一個(gè)小齒輪來連接斷電制動(dòng)器的輸出端，然后通過與小齒輪相咬合的中心齒輪互相連接。在這種嚙合模式下，當(dāng)減速齒輪單元加電后，便由系統(tǒng)的電機(jī)來作為動(dòng)力源輸出，而當(dāng)減速齒輪單元端電后，便由系統(tǒng)的制動(dòng)器來作為阻力源輸出。考慮到機(jī)械臂的關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使減速齒輪持續(xù)維持高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，因此必須有足量的劑。又因?yàn)樵摐p速齒輪不是封閉結(jié)構(gòu)，因此本文以滑脂來起到齒輪的作用。
(3)中軸傳動(dòng)方案
中軸的傳動(dòng)方案是整個(gè)機(jī)械臂設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個(gè)組成部分。中軸傳動(dòng)的作用是，首先支持來自中心齒輪的動(dòng)力，其次還要為波發(fā)射器高效傳遞動(dòng)力。考慮到中軸會(huì)承接一定比例的來自軸向的受力和很大比例的徑向應(yīng)力，因此為支持中軸，引入了角接觸軸承。中軸傳動(dòng)單元主要由旋轉(zhuǎn)模塊、斷電制動(dòng)器、卡簧、角接觸軸承、中心齒輪、主軸、連接法蘭以及波發(fā)射器組成。
因?yàn)橹休S傳動(dòng)單元在設(shè)計(jì)上要求同軸度與圓柱度都在較高的水準(zhǔn)，因此尤其應(yīng)注重其材料選擇和參數(shù)控制。本研究所設(shè)計(jì)的中軸用以45號(hào)鋼才作為原料，并在成型后淬火，從而保證單元在表面具備一定的硬度。
在中軸傳動(dòng)方案中，最關(guān)鍵的是旋轉(zhuǎn)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。旋轉(zhuǎn)模塊的設(shè)計(jì)思路是：將其轉(zhuǎn)軸與中心軸線重合，并以電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在模塊上部署有電磁編碼器，用于周期性地檢測(cè)角位移和角速度。將之與直流伺服電機(jī)相聯(lián)。結(jié)合具體的應(yīng)用環(huán)境與需求，直流伺服電機(jī)也可以加裝起到減速增力作用的行星減速箱，共同起到動(dòng)力輸出的作用。而后通過小齒輪與中心齒輪的咬合，以正齒輪傳動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的減速增力功能。
斷電制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是中軸傳動(dòng)方案中的關(guān)鍵，斷電制動(dòng)器有兩方面的作用，首先在旋轉(zhuǎn)模塊進(jìn)行位置搜索時(shí)能夠起到保持作用，其次，在旋轉(zhuǎn)模塊因故失去電源之后也能發(fā)揮保護(hù)的功能。在中軸中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)單元加電，并處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候，斷電制動(dòng)單元便會(huì)隨著系統(tǒng)的小齒輪單元傳遞過來的中心齒輪作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，而在斷電制動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，其輸出軸的動(dòng)力也來自小齒輪單元。在本文所涉及的機(jī)械臂中，電機(jī)與制動(dòng)器全部布置于電機(jī)底座，并且將電機(jī)底也作為旋轉(zhuǎn)單元外殼的一部分，其好處在于保護(hù)內(nèi)部零部件。
2.2連接件模塊
連接件的主要功能是在機(jī)械臂中連接旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不同的單元，因此是機(jī)械臂的重要組合部分，對(duì)機(jī)械臂的組合與功能的發(fā)揮均有著不容忽視的作用。由于機(jī)械臂的各個(gè)模塊單元是相對(duì)獨(dú)立的關(guān)系，因此只要將不同的模塊單元互相組合，起可以發(fā)揮機(jī)器人的機(jī)械臂基本功能。因此本文結(jié)合具體的需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了數(shù)種類型不同的連接結(jié)構(gòu)。
機(jī)器人的機(jī)械臂在實(shí)際操作中，連接件實(shí)現(xiàn)了不同部件單元之間的力矩傳遞，而其質(zhì)量的大小也關(guān)系到機(jī)械臂整體重量和輕便程度，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一方面應(yīng)保證改模塊單元具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，另一方面也應(yīng)考慮到減輕其質(zhì)量。本文在設(shè)計(jì)中，考慮到鋁合金屬于高強(qiáng)度低密度的材料，同時(shí)具有比較好的可塑性，因此以鋁合金作為連接件的制作材料。
2.3模塊手抓單元
考慮到機(jī)械臂必須部署在一個(gè)可以移動(dòng)的平臺(tái)上，來在現(xiàn)場(chǎng)抓取物體，因此模塊手抓單元的末端執(zhí)行器是其中最重要的組件。為了滿足這個(gè)系統(tǒng)的模塊化的設(shè)計(jì)，末端執(zhí)行器必須具備一定的應(yīng)用和擴(kuò)展功能。假若模塊手抓單元附加多指靈巧手，其實(shí)能夠抓取更多類型的對(duì)象，本課題的研究只需模塊手抓單元能夠抓取簡(jiǎn)單對(duì)象，因此使用了圖中的簡(jiǎn)單的夾鉗手抓，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制。
3.結(jié)束語
機(jī)器人的機(jī)械臂設(shè)計(jì)與開發(fā)屬于機(jī)電一體化領(lǐng)域的高精尖課題。考慮到機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)具有比較高的復(fù)雜性，本文闡述的設(shè)計(jì)方案充分顧及了模塊設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品的通用性，從而能夠良好的滿足模塊之間的替代性特征需求，因而也能夠保障機(jī)器人的機(jī)械臂在實(shí)際應(yīng)用中能夠滿足用戶的要求。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：采摘機(jī)械手臂；蘋果；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
引言
水果采摘季節(jié)性強(qiáng)、費(fèi)用高且勞動(dòng)量大[1]。加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，實(shí)施“精確”農(nóng)業(yè)，廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人，提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效率將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。研究采摘機(jī)械人，對(duì)于降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和采摘成本、保證水果適時(shí)采收，具有重大的意義[2]。我國從上世紀(jì)70年代開始研究水果蔬菜類的采摘機(jī)械，并且也逐漸起步，如上海交通大學(xué)已經(jīng)開始了對(duì)黃瓜采摘機(jī)器人的研制[3]，浙江大學(xué)對(duì)番茄采摘機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的優(yōu)化[4]，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)采摘機(jī)器人的視覺識(shí)別裝置進(jìn)行了研究[5]。目前，我國研究的采摘機(jī)器人還有西紅柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘機(jī)器人等[6-8]。文章對(duì)蘋果采摘機(jī)械手臂進(jìn)行選型，進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
1 機(jī)械人機(jī)構(gòu)選型及自由度的確定
由于采摘機(jī)械人的作業(yè)對(duì)象是蘋果，質(zhì)量輕，體積小，故而可選擇較為簡(jiǎn)單、靈活、緊湊的結(jié)構(gòu)形式。
根據(jù)機(jī)械人手臂的動(dòng)作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可將機(jī)械人手臂部分分為以下四類[9]：直角坐標(biāo)型機(jī)械手；圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)械手；多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。采摘機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)型式選取主要取決于機(jī)械人的活動(dòng)范圍、靈活性、重復(fù)定位精度、持重能力和控制難易等要求。以上四種型式，它們的活動(dòng)范圍和靈活度逐漸增大。經(jīng)過對(duì)蘋果采摘空間的研究，結(jié)果表明，蘋果樹樹冠和底部的蘋果分布極少，大多分布在樹冠中部，大約有80%以上的蘋果分布在距地面垂直高度1-2m、距樹干左右方向1-2m的空間范圍內(nèi)，且陰陽兩面的蘋果分布率并無明顯的差異。這就要求采摘機(jī)械手應(yīng)當(dāng)具有較大的工作空間，因此選用多關(guān)節(jié)型機(jī)械手較為合適，且其占地面積較小，更加適合蘋果采摘作業(yè)。
實(shí)際中，蘋果生長位置隨機(jī)分布，這就要求機(jī)械臂的末端執(zhí)行器能夠以準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)移動(dòng)到指定點(diǎn)，因此，采摘機(jī)械人還應(yīng)具有一定數(shù)量的自由度。機(jī)械臂的自由度是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)目應(yīng)該與所要完成的任務(wù)相匹配。一般來說，自由度數(shù)量越多，機(jī)械臂的靈活性、避障能力越好，通用性也越廣，但增加一個(gè)自由度就相當(dāng)于增加了一級(jí)驅(qū)動(dòng)，會(huì)使得機(jī)器人的成本上升，而對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人而言，成本高將會(huì)大大的減緩其機(jī)械商品化實(shí)用化進(jìn)程，同時(shí)增加自由度會(huì)相應(yīng)增加機(jī)器人的控制難度，降低機(jī)器人的可靠性。綜合考慮，將自由度數(shù)目定為六個(gè)，這樣不僅能夠使得末端執(zhí)行器具有較為完善的功能，而且到達(dá)采摘空間中的任意位置，而且不會(huì)出現(xiàn)冗余問題。
2 采摘機(jī)械臂工作原理
圖1 機(jī)械人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖1是本次設(shè)計(jì)的球類水果采摘機(jī)械人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該結(jié)構(gòu)為六自由度機(jī)構(gòu)，可劃分為底座、大臂、小臂、腕部和手五個(gè)部分。機(jī)械臂的底座通過舵機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。其中的各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)均是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋絲桿來實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)機(jī)械臂的傳動(dòng)如下：（1）底座旋轉(zhuǎn)。確定與底座平面互相垂直的目標(biāo)采摘物所在的平面。（2）大臂轉(zhuǎn)動(dòng)。移動(dòng)至目標(biāo)采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂轉(zhuǎn)動(dòng)。將采摘機(jī)械手送至目標(biāo)采摘物的附近。（4）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)。調(diào)整機(jī)械手末端采摘機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，使其處于一個(gè)合適的位置，保證采摘任務(wù)能夠合理完成。（5）手夾緊放松，完成對(duì)目標(biāo)采摘物的采摘任務(wù)。此外，將末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)為關(guān)節(jié)型的兩只手指，通過舵機(jī)6（舵機(jī)分配情況見圖2）、齒輪的嚙合及連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)采摘物的夾緊與放松。
由以上分析得出：機(jī)械手的空間位姿由各個(gè)關(guān)節(jié)的空間坐標(biāo)來決定，即當(dāng)機(jī)械手的各個(gè)舵機(jī)的坐標(biāo)確定的時(shí)候，就可以確定機(jī)械手的空間位姿。而決定舵機(jī)坐標(biāo)的因素就是臂長及臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，而在這兩個(gè)參數(shù)中，設(shè)計(jì)結(jié)束后臂長是確定的常量，角度為變量。在模型當(dāng)中，舵機(jī)1、2的相對(duì)位置固定不變，控制末端執(zhí)行器的舵機(jī)6用來調(diào)整手的姿態(tài)，因此可以先忽略舵機(jī)1、6，將舵機(jī)2軸線中心的位置設(shè)為坐標(biāo)系原點(diǎn)。
圖2 舵機(jī)分配方框圖
3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
首先用Pro/E軟件中的零件模塊對(duì)機(jī)械人各個(gè)零件進(jìn)行繪制，然后再對(duì)零件進(jìn)行自下而上的裝配，以及進(jìn)行零件圖及裝配圖的繪制。大臂、小臂和腕部、機(jī)械手零件圖以及裝配圖分別見圖3、圖4、圖5、圖6和圖7（單位均為mm）。
4 試驗(yàn)臺(tái)搭建與抓取效果實(shí)驗(yàn)
根據(jù)零件圖及裝配圖進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)搭建。由于設(shè)計(jì)尺寸較大，故將整體尺寸縮小4倍來進(jìn)行搭建。實(shí)物如圖8所示。通過操作上位機(jī)控制軟件指令信號(hào)，可給伺服舵機(jī)控制器發(fā)送控制指令信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械人在空間中精確作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)械人能夠較為平穩(wěn)、準(zhǔn)確地對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行夾取、移動(dòng)、放置等任務(wù)。證明設(shè)計(jì)合理，試驗(yàn)臺(tái)搭建正確。
5 結(jié)束語
通過對(duì)水果采摘作業(yè)的分析，設(shè)計(jì)了一套六自由度關(guān)節(jié)型采摘機(jī)械人。其運(yùn)動(dòng)范圍覆蓋了水果果實(shí)的分布范圍，末端執(zhí)行器能夠執(zhí)行對(duì)水果的采摘任務(wù)。在采摘過程中，只需對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，在一定程度上降低了控制的難度和復(fù)雜性。當(dāng)然，設(shè)計(jì)中也存在不足，例如缺少對(duì)果實(shí)的切割裝置，而且對(duì)葡萄等較小、較軟的果實(shí)采摘技術(shù)不成熟，有待進(jìn)一步的改善。
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關(guān)鍵詞：輪胎機(jī)械手 ADMAS 工作原理 動(dòng)態(tài)仿真
隨著礦山設(shè)備的發(fā)展，礦用車輛輪胎機(jī)械手也不斷更新發(fā)展，逐漸向大型化，自動(dòng)化方向發(fā)展，這給輪胎機(jī)械手的設(shè)計(jì)帶來了諸多的挑戰(zhàn)和難題。設(shè)計(jì)一種能夠代替人力，操作簡(jiǎn)單，安全實(shí)用，適用于大型輪胎拆裝、搬運(yùn)需求的設(shè)備成為當(dāng)務(wù)之急。這有利于提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，保證作用安全。研究表明85%的輪胎機(jī)械手的破壞發(fā)生在連桿機(jī)構(gòu)，這種破壞主要是連桿機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下發(fā)生的疲勞失效或者應(yīng)力屈服破壞。為了解決輪胎機(jī)械手連桿機(jī)構(gòu)的破壞難題，本文將對(duì)該連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真，考場(chǎng)連桿機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷的作用下連桿所發(fā)生的變化，并提出連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
1、輪胎機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r
國外的輪胎機(jī)械手的發(fā)展已經(jīng)十分成熟。第一臺(tái)輪胎機(jī)械手由美國佩蒂伯恩公司生產(chǎn)的Super 20型輪胎夾裝機(jī)，該機(jī)械手具備更換運(yùn)輸卡車和重型設(shè)備輪胎的作用，還可以當(dāng)做叉車使用；該設(shè)備顯著的特點(diǎn)是高效，大量減少勞動(dòng)量。改型輪胎機(jī)械手主要由以下幾個(gè)部分組成：前伸式夾持裝置，四輪驅(qū)動(dòng)裝置，四輪空氣制動(dòng)裝置和一臺(tái)GM型柴油機(jī)組成。該裝置的最大夾持承載能力在伸出時(shí)為4309kg，縮回時(shí)為6804kg，夾持裝置能夠向兩側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)45°，叉架能夠左右移動(dòng)127mm，以準(zhǔn)確完成輪胎的定位。此裝置能夠平穩(wěn)的夾起輪胎，并將輪胎準(zhǔn)確的定位在輪轂螺栓上。
同國外相比，國內(nèi)輪胎機(jī)械手發(fā)展起步比較晚，還處于生產(chǎn)小型輪胎拆裝機(jī)階段，對(duì)于大型輪胎拆裝設(shè)備的研發(fā)還很少。廣西柳工集團(tuán)生產(chǎn)的ZL40B型裝載機(jī)，使用規(guī)格為20.5-25的輪胎，充氣后質(zhì)量為0.4t，最大直徑為1.55m。該型裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)可以完成動(dòng)臂的提升和鏟斗的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。拆下鏟斗，在動(dòng)臂斗銷的位置上安裝水平放置的兩只夾持臂。兩只夾持臂由液壓缸提供動(dòng)力，可以實(shí)現(xiàn)張開和閉合動(dòng)作。這樣，裝載機(jī)自身動(dòng)臂的提升、鏟斗的旋轉(zhuǎn)外加夾持臂的開合動(dòng)作就可以滿足輪胎拆裝的需求，具有操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。
2、ADMAS軟件的介紹
ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。目前，ADAMS己經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。
3、輪胎機(jī)械手結(jié)構(gòu)組成
輪胎機(jī)械手的主要功能是實(shí)現(xiàn)礦山大型車輛輪胎的拆裝和搬運(yùn)。動(dòng)力源為液壓缸，并要求液壓動(dòng)力在適當(dāng)?shù)暮奢d下運(yùn)作，才能使液壓工作件高效、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的完成液壓元件的各項(xiàng)操作動(dòng)作；而且液壓動(dòng)力源的各項(xiàng)操作可以通過電液伺服控制技術(shù)使提高該系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平。輪胎機(jī)械手可以安裝在裝載機(jī)或叉車上，利用裝載機(jī)和叉車可以將物體舉高的現(xiàn)有動(dòng)作實(shí)現(xiàn)垂直地面方向的移動(dòng)，輪胎機(jī)械手自身可以完成對(duì)輪胎的夾持、水平移動(dòng)和兩個(gè)方向的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作以滿足大型輪胎的拆裝和搬運(yùn)過程中所需的各種動(dòng)作。輪胎機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)大致由手盤、手臂、轉(zhuǎn)動(dòng)架、平動(dòng)架和固定板組成。
4、輪胎機(jī)械手工作原理
輪胎機(jī)械手的執(zhí)行是通過手臂上的兩支液壓缸的伸縮，產(chǎn)生一定的夾緊力同時(shí)對(duì)兩支手臂同步完成手臂的張開和閉合動(dòng)作，其中最大的夾緊重量為5900kg，夾持距離為1092mm~4060mm；另外手臂上的手盤能夠在360°的范圍內(nèi)帶動(dòng)負(fù)載以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)力矩和要求轉(zhuǎn)速由安裝在手臂的液壓馬達(dá)經(jīng)過減速器產(chǎn)生，要求旋轉(zhuǎn)過程不能發(fā)生打滑現(xiàn)象；同樣轉(zhuǎn)動(dòng)架以2r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)360°，且旋轉(zhuǎn)所需的力矩是由安裝在平動(dòng)架上的液壓馬達(dá)提供；而平動(dòng)架在水平左右移動(dòng)所需的動(dòng)力又安裝在平動(dòng)架和固定板之間的平動(dòng)液壓缸提供，并且可以在300mm的范圍里移動(dòng)；最后，整個(gè)裝置由固定板安裝在裝載機(jī)或叉車上。
5、動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真
由研究表明，85%的輪胎機(jī)械手主要在連桿機(jī)構(gòu)處發(fā)生破壞，而破壞的原因主要是因?yàn)閯?dòng)載荷受力不均勻，導(dǎo)致連桿機(jī)構(gòu)疲勞失效和破壞。針對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的在動(dòng)載荷下的破壞，探究桿件在受到動(dòng)載荷時(shí)桿件的應(yīng)力情況。動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真的步驟是：首先建立輪胎機(jī)械手的虛擬樣機(jī)模型；然后導(dǎo)入到動(dòng)態(tài)分析軟件ADAMS中，對(duì)樣機(jī)模型進(jìn)行約束、驅(qū)動(dòng)使模型模擬整個(gè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)；最后在ADAMS中記錄模型在受到動(dòng)載荷下，模型的運(yùn)動(dòng)狀況以及桿件所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。
通過動(dòng)態(tài)軟件ADAMS仿真可以直觀的輪胎機(jī)械手的動(dòng)作過程，通過修改參數(shù)可以看出該機(jī)械手的連桿機(jī)構(gòu)在不同載荷下所受到的動(dòng)應(yīng)力，根據(jù)該動(dòng)應(yīng)力的情況設(shè)計(jì)合理的連桿機(jī)構(gòu)，同時(shí)對(duì)改進(jìn)輪胎機(jī)械手提供了依據(jù)。同時(shí)仿真模型和運(yùn)動(dòng)過程參數(shù)可以為整個(gè)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)，繼而為快速、準(zhǔn)確方便的設(shè)計(jì)和制造物理樣機(jī)奠定基礎(chǔ)。
同國外相比，國內(nèi)輪胎機(jī)械手發(fā)展起步比較晚，還處于生產(chǎn)小型輪胎拆裝機(jī)階段，對(duì)于大型輪胎機(jī)械手的研發(fā)還很少。主要原因是國內(nèi)輪胎機(jī)械手的設(shè)計(jì)中，很少考慮連桿機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下的應(yīng)力變化情況，在對(duì)輪胎機(jī)械手的改進(jìn)和研究過程中我們要充分考慮動(dòng)態(tài)載荷情況，根據(jù)動(dòng)態(tài)載荷運(yùn)用動(dòng)態(tài)仿真軟件來模擬其實(shí)際情況，這樣能節(jié)約成本，縮短開發(fā)周期。
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關(guān)鍵詞：動(dòng)臂塔式起重機(jī) 關(guān)鍵技術(shù) 濟(jì)南論文 開題報(bào)告
一、選題的來源及依據(jù)
選題題目 動(dòng)臂塔式起重機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究
1.文獻(xiàn)綜述(選題的依據(jù)，課題研究的主要內(nèi)容和目的，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)，主要參考文獻(xiàn))
1.1 選題的依據(jù)
動(dòng)臂式塔機(jī)是歷史上最早出現(xiàn)的塔式起重機(jī)，其經(jīng)歷過輝煌的時(shí)代，從20世紀(jì)70年代開始，小車變幅塔式起重機(jī)取代了動(dòng)臂式塔機(jī)。
然而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑樓群的密集，使塔機(jī)的工作空間受限。基于高層建筑的發(fā)展，新制定的領(lǐng)空權(quán)許可制度及跨占鄰居領(lǐng)地產(chǎn)生的糾紛等因素，迫使人們改變已有的傳統(tǒng)觀念，從小車變幅改為臂架俯仰。
之所以動(dòng)臂式從新受到人們的歡迎和重視，是因?yàn)閯?dòng)臂塔機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：
(1)起升高度明顯提高。與小車變幅相比，動(dòng)臂塔機(jī)的起升高度不止塔身高度，其臂架俯仰時(shí)，臂架對(duì)起升高度有一定的貢獻(xiàn)量。
(2)回轉(zhuǎn)半徑小。當(dāng)其俯仰角比較大時(shí)回轉(zhuǎn)半徑大幅度縮小，回轉(zhuǎn)靈活。
(3)可以避開別人的領(lǐng)空，避免由于跨占鄰居領(lǐng)空領(lǐng)地而產(chǎn)生的糾紛。
(4)適應(yīng)狹小空間。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建筑樓群越來越密集，塔機(jī)的工作空間不在像過去那樣寬闊，而是越來越窄小，動(dòng)臂塔機(jī)由于其獨(dú)特的變幅方式，可以在狹小的工作空間靈活運(yùn)作。
然而目前動(dòng)臂塔機(jī)一個(gè)突出的問題就是，同噸位的動(dòng)臂塔機(jī)要比小車變幅塔機(jī)貴很多、重很多。原因如下：
對(duì)于動(dòng)臂塔機(jī)來講，其俯仰變幅過程中，起重臂的重心也在變化，這樣和小車變幅相比其對(duì)塔身產(chǎn)生了一個(gè)變化的附加彎矩，使得塔身的受力更加復(fù)雜， 尤其對(duì)于大塔，起重臂的自重非常大，由此產(chǎn)生的附加彎矩迫使塔身做的很粗壯;不但浪費(fèi)材料，增加了整機(jī)的自重，極大限制了起重能力，還給塔機(jī)的安裝運(yùn)輸和拆卸帶來極大地不便。以山東富友公司的125動(dòng)臂塔機(jī)為例，在最小工作幅度5.5米(仰角83o)時(shí)起重臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的力矩為68410n.m，最大工作幅度50米(仰角50)時(shí)起重臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的力矩為932910 n.m，也就是由起重臂本身的俯仰產(chǎn)生的力矩變化為864500 n.m是本機(jī)的最大起重力矩(1350000 n.m)的0.64倍。
對(duì)動(dòng)臂塔機(jī)而言，平衡由起重臂俯仰變幅產(chǎn)生的附加力矩會(huì)大大提高塔機(jī)的起重能力。在機(jī)械上的解決方法就是采用移動(dòng)配重技術(shù)，即吊臂仰起時(shí)，使配重移向塔身;吊臂俯降時(shí)，使配重遠(yuǎn)離塔身。這樣做的好處是動(dòng)臂產(chǎn)生的靜載力矩可由移動(dòng)的配重抵消。然而，如果采用移動(dòng)配重，又往往會(huì)使設(shè)計(jì)及生產(chǎn)成本大大提高。本課題研究目標(biāo)就是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)成本又低的活動(dòng)配重結(jié)構(gòu)，并對(duì)其優(yōu)化，使塔身承受的力矩變化最小，所需用料最省，并結(jié)合有限元方法對(duì)塔身的優(yōu)化方法進(jìn)行研究，尋求一種快捷有效的塔身及其他結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，使塔身的結(jié)構(gòu)最優(yōu)，使整機(jī)的自重再次減輕，成本再次降低。
1.2 課題研究的主要內(nèi)容和及目的
課題研究的內(nèi)容
1)分析不同形式動(dòng)臂塔機(jī)的優(yōu)劣并進(jìn)行選型作為研究對(duì)象，包括：塔帽形式的選擇，動(dòng)臂臂根鉸點(diǎn)的位置選擇等。
2) 根據(jù)選擇好的機(jī)型，對(duì)移動(dòng)配重的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行方案確定和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使塔身受到的來自動(dòng)臂的附加力矩最小。
3) 根據(jù)2)中優(yōu)化好的方案本著以塔身受力最小的原則進(jìn)行力矩曲線繪制方法的確定。
4) 通過有限元軟件ansys和可視化編程軟件vb的結(jié)合，生成專門的軟件，對(duì)塔身進(jìn)行優(yōu)化，尋找一種塔身的最快最佳優(yōu)化流程，使塔身既滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求又能使塔身的用料最省，并且使優(yōu)化過程簡(jiǎn)單快捷，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
課題研究的目的
1) 是設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抵消由起重臂俯仰變幅產(chǎn)生的靜載附加力矩，并對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其對(duì)附加力矩的抵消效果最佳，從而使動(dòng)臂塔機(jī)的塔身受到的彎矩最小。從而使塔身材料最省，自重最輕，提高整機(jī)的起重性能。
2) 確定更科學(xué)的力矩曲線的繪制方法，使力矩曲線更加準(zhǔn)確的反應(yīng)塔機(jī)的起重特性
3)在ansys和vb的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)專門軟件，能自動(dòng)生成動(dòng)臂塔機(jī)塔身的有限元優(yōu)化文件，并設(shè)計(jì)好優(yōu)化流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔身的有效快捷優(yōu)化，再次降低塔身的自重和成本。
1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)
1.3.1 現(xiàn)有的采用移動(dòng)配重方式的動(dòng)臂塔機(jī)，其功能實(shí)現(xiàn)主要有以下幾種方式：
(1) 鋼絲繩移動(dòng)配重方式
這是最早采用的配重移動(dòng)形式，即將配重通過鋼絲繩與臂架相連接，鋼絲繩的總長是一定的，隨著臂架的俯仰，配重即跟著前后移動(dòng)。通常這種情況會(huì)設(shè)置配重小車和專門的移動(dòng)滑道，滑道的傾斜角度、長度以及鋼絲繩的路徑等都是根據(jù)該結(jié)構(gòu)配重重心位置隨臂架仰角的變化規(guī)律設(shè)計(jì)的。典型的采用鋼絲繩移動(dòng)配重方式的動(dòng)臂塔機(jī)有pecco公司的sn系列塔機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式如圖所示。
(2) 連桿機(jī)構(gòu)
由于鋼絲繩在使用過程中容易磨損，移動(dòng)配重技術(shù)緊跟著又出現(xiàn)了連桿機(jī)構(gòu)移動(dòng)方式。即將臂架作為主動(dòng)連架桿，配重懸掛在搖桿的末端，并且為使配重保持平動(dòng)，不宜將其與搖桿固定連接。這種實(shí)現(xiàn)方式不需設(shè)置配重小車及其滑道，也不需另外增加輔助動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。典型的采用連桿機(jī)構(gòu)移動(dòng)配重方式的動(dòng)臂塔機(jī)有利勃海爾的500hc系列塔機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式如圖2.2所示。
(3)在塔吊后臂上設(shè)有軌道，軌道中設(shè)置滾輪，配重通過滾輪與后臂相接。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)思想就是將塔吊后臂上原有固定不變的配重，改變成為可在后臂上往復(fù)移動(dòng)的配重。這樣，當(dāng)塔吊起吊重物時(shí)，將配重移動(dòng)到與起吊重物相匹配的平衡位置;當(dāng)塔吊不工作時(shí)，可將配重移動(dòng)到后臂的緊靠塔身一端，以最大限度地減輕配重對(duì)塔吊的偏沉負(fù)重作用。由此使原有的固定配重變成了塔吊移動(dòng)平衡尾陀。在這種結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的工作方式下，就可以使塔吊時(shí)刻保持平衡狀態(tài)，既保證了塔吊工作時(shí)的穩(wěn)定性，又消除了塔吊不工作時(shí)的負(fù)重偏沉狀態(tài)，并使塔吊的工作機(jī)理更為合理，使用壽命得以延長。
(4)在起重臂上鉸接一連桿，連桿的另一端與搖桿鉸接，搖桿中部與平衡臂鉸接，另一端聯(lián)結(jié)平衡臂框架，由起重臂、連桿、搖桿和平衡臂組成一鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，起重臂即為主動(dòng)連架桿，搖桿為從動(dòng)連架桿，平衡臂為機(jī)架，當(dāng)起重臂做俯仰動(dòng)作時(shí)，搖桿繞其與平衡臂聯(lián)結(jié)的鉸鏈搖動(dòng)，平衡臂的位置隨搖桿的搖動(dòng)而做相應(yīng)改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)平衡臂的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。
(5)無基礎(chǔ)自動(dòng)配重全自動(dòng)塔吊裝置
(6)除了以上幾種方式，還有就是專門增加一個(gè)輔助的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)配重的移動(dòng)。通常這種型式成本高，需要額外的檢查及維護(hù)保養(yǎng)，機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。
1.3.2 關(guān)于動(dòng)臂塔機(jī)力矩曲線繪制的研究現(xiàn)狀
(1) 對(duì)于沒有移動(dòng)配重的動(dòng)臂塔機(jī)的力矩曲線方程：
(q+t)r=c
其中q：吊重
t：變幅滑輪組、起重臂、吊具和鋼絲繩在臂端的積重
r：幅度
c：恒力矩
(2)對(duì)于有移動(dòng)配重的動(dòng)臂塔機(jī)的力矩曲線，根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)方式，其確定的方法不同，而且都不成熟，值得探討。力矩曲線的確定于力矩限制器的選用有直接關(guān)系，本次論文擬采用恒力矩力矩限制器，所以確定力矩曲線的方法應(yīng)該采用保證恒力矩的方法。
1.3.3 關(guān)于動(dòng)臂塔機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究
文獻(xiàn)【10】論述了用ansys的adpl語言進(jìn)行動(dòng)臂塔機(jī)優(yōu)化的方法，但其只是將設(shè)計(jì)變量參數(shù)化，對(duì)其他已定的尺寸，例如塔身寬度，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度等并沒有參數(shù)化，這樣處理ansys優(yōu)化的常規(guī)做法。這樣做的缺陷是，生成優(yōu)化文件的過程比較復(fù)雜，對(duì)形式類似的塔機(jī)需要重復(fù)性的編寫優(yōu)化文件，比較耗時(shí)。本研究課題擬在借鑒文獻(xiàn)【10】的基礎(chǔ)上，不但將設(shè)計(jì)變量參數(shù)化，而且將非設(shè)計(jì)變量也參數(shù)化，對(duì)于不同形式的塔身都做成專門的adpl程序模塊，生成專門的軟件，工程師只需要根據(jù)塔身的形式在對(duì)應(yīng)的截面輸入非設(shè)計(jì)變量的參數(shù)，即可生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的優(yōu)化文件
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【10】劉洪波 指導(dǎo)教師：林貴瑜 動(dòng)臂塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文
2.學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路、擬解決的關(guān)鍵技術(shù)
本課題針對(duì)目前動(dòng)臂塔機(jī)存在的問題進(jìn)行分析，突出表現(xiàn)就是同等噸位的動(dòng)臂塔機(jī)比小車變幅塔機(jī)自重大，成本高。對(duì)此問題本質(zhì)進(jìn)行分析，總結(jié)其原因是動(dòng)臂引起的附加力矩迫使塔身必須粗壯才能滿足要求，解決此矛盾的思路可以有兩方面：一是減小動(dòng)臂引起的附加力矩，二是對(duì)塔身本身進(jìn)行更合理的優(yōu)化，使其材料最省并且滿足強(qiáng)度要求。
要解決的關(guān)鍵技術(shù)就是用最低的成本實(shí)現(xiàn)配重的移動(dòng)，來平衡動(dòng)臂的附加力矩。并且利用有限元方法設(shè)計(jì)一種更有效的塔身的優(yōu)化流程，使塔身既滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，又不浪費(fèi)材料。
3.所閱文獻(xiàn)的查閱范圍及手段
本課題的文獻(xiàn)檢索是在校圖書館網(wǎng)站的以下數(shù)據(jù)庫完成
1)萬方數(shù)據(jù)期刊全文
2)自建特色數(shù)據(jù)庫：碩士論文庫
3)中宏數(shù)據(jù)庫 教育版
4)中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(萬方)
5)讀秀知識(shí)庫
6)中國期刊全文數(shù)據(jù)庫(清華同方)
7)中國年鑒全文數(shù)據(jù)庫
8)維普數(shù)據(jù)庫
9)萬方科技文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫
10)中國重要會(huì)議論文集全文數(shù)據(jù)
關(guān)鍵詞 動(dòng)臂 力矩限制器 移動(dòng)配重
二、選題的理論意義、推廣價(jià)值及預(yù)期成果
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑樓群的密集，使塔機(jī)的工作空間受限。目前高層建筑越來越多，新制定的領(lǐng)空權(quán)許可制度及跨占鄰居領(lǐng)地產(chǎn)生的糾紛等因素，使得動(dòng)臂塔機(jī)的角色越來越重要，然而同樣噸位的塔機(jī)，動(dòng)臂變幅的比小車變幅的制作費(fèi)用要高，很大程度上是因?yàn)橛捎谄鹬乇鄹┭霎a(chǎn)生的附加彎矩使得塔身較大，如果用移動(dòng)配重，結(jié)構(gòu)又比較復(fù)雜，使得動(dòng)臂變幅塔機(jī)的費(fèi)用降不下來。
本課題研究意義就在于使同等噸位動(dòng)臂塔機(jī)和小車變幅塔機(jī)之間的成本差降到最低，使動(dòng)臂塔機(jī)的發(fā)展不再受到成本的限制，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮得更加充分，對(duì)動(dòng)臂塔機(jī)的推廣有著重要意義。
預(yù)期成果：
1)設(shè)計(jì)出更加簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)配重的移動(dòng)，較好的平衡掉動(dòng)臂產(chǎn)生的附加力矩。使動(dòng)臂塔機(jī)的起重能力大大提高。
2)尋找到一種更加快捷有效的塔身優(yōu)化方法，并有可能將這種優(yōu)化方法應(yīng)用到其他結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。
3)對(duì)動(dòng)臂塔機(jī)的其他設(shè)計(jì)問題的成功解決。
三、選題的可行性分析
1.擬采取的研究方法、技術(shù)路線、研究方案及可行性分析
本課題是在山東富友公司技術(shù)部完成，以現(xiàn)有圖紙的結(jié)構(gòu)為參考進(jìn)行理論研究，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討并且設(shè)計(jì)自己的結(jié)構(gòu)，對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并采用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的驗(yàn)證。并且將有限元分析軟件ansys和可視化編程軟件vb結(jié)合，通過編程實(shí)現(xiàn)塔身及其他結(jié)構(gòu)的優(yōu)化文件的自動(dòng)生成。
可行性分析：
(1)本課題是在導(dǎo)師宋世軍老師和副導(dǎo)師王積永老師以及山東富友公司技術(shù)部經(jīng)理毛閏年老師的指導(dǎo)下，在富友公司技術(shù)部和學(xué)校實(shí)驗(yàn)室完成，有強(qiáng)大的技術(shù)支持，該公司已經(jīng)有十余年的塔機(jī)研發(fā)經(jīng)歷和有著多年研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的工程師隊(duì)伍，為本課題的研究提供了技術(shù)支持。
(2)本課題涉及到的金屬結(jié)構(gòu)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)及有限元分析等方面的知識(shí)，經(jīng)過前段時(shí)間的學(xué)習(xí)已基本具備。
2.所需實(shí)驗(yàn)手段、研究條件和實(shí)驗(yàn)條件(開展課題研究的地點(diǎn)、可利用的設(shè)備等)
實(shí)驗(yàn)手段是用有限元方法進(jìn)行驗(yàn)證，研究條件是實(shí)驗(yàn)室和計(jì)算機(jī)以及相關(guān)的技術(shù)支持。
開展課題研究的地點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)室和富友技術(shù)部，可利用的設(shè)備是計(jì)算機(jī)和參考圖紙。
3.所需經(jīng)費(fèi)，包含經(jīng)費(fèi)來源、開支預(yù)算(工程設(shè)備、材料須填寫名稱、規(guī)格、數(shù)量)
估計(jì)所需費(fèi)用大約2萬塊錢，包括：
試驗(yàn)差旅費(fèi)：8000
會(huì)議資料費(fèi)：7000
調(diào)研費(fèi)：3000
其它費(fèi)用：2000
針對(duì)“雨水自動(dòng)感應(yīng)晾衣架”，在百度學(xué)術(shù)中可以搜索到多篇碩士學(xué)術(shù)論文，有的甚至洋洋灑灑七八十頁。解決方案中大多運(yùn)用到單片機(jī)、運(yùn)放等小學(xué)生甚至中學(xué)生都無法厘清的概念和內(nèi)容。如何讓這個(gè)項(xiàng)目“落地”成為小學(xué)生“跳”一下能夠到的案例，一直是我腦中縈繞的問題。Arduino開源硬件與眾多傳感器的絕佳組合讓這個(gè)“落地”問題迎刃而解。Arduino開源硬件不需要學(xué)生懂得單片機(jī)、運(yùn)放的原理，只需大致了解傳感器的種類用途即可。某碩士論文涉及的電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、按鍵電路等可以一概忽略。當(dāng)然，每個(gè)問題的解決都不會(huì)一帆風(fēng)順，期間曲曲折折在所難免。
曲折之一：方案如何優(yōu)化細(xì)化
課堂上，我事先作了“翻轉(zhuǎn)”設(shè)計(jì)，課前拋出問題讓學(xué)生百度各種解決方案，包括淘寶上的成品自動(dòng)雨水感應(yīng)晾衣架，然后在課堂上集思廣益，比一比誰的方案能在眾多方案里勝出？還是需要優(yōu)勢(shì)組合？最終學(xué)生們形成的設(shè)計(jì)預(yù)案如下。
設(shè)計(jì)一個(gè)雨水感應(yīng)自動(dòng)收衣裝置，當(dāng)雨水感應(yīng)器上滴到雨滴或者天色明顯變暗時(shí)，啟動(dòng)機(jī)械臂把衣服收進(jìn)陽臺(tái)。如果雨水感應(yīng)器上的水滴被曬干（雨轉(zhuǎn)多云），光線又足夠亮?xí)r，衣服再次曬出。主人可以設(shè)置預(yù)約收衣時(shí)間。并且對(duì)是否雨后重新曬出作出預(yù)設(shè)。S4A控制畫面同步運(yùn)行。
以上要求進(jìn)一步分解后具體要達(dá)到以下控制：（1）有雨或者光線明顯變暗時(shí)，收衣服。（2）當(dāng)天空放晴、光線變亮，且傳感器上雨水被曬干時(shí)，衣服重新曬出。（3）主人可以預(yù)設(shè)收衣時(shí)間。此時(shí)無論天氣如何，衣服強(qiáng)制收回。（4）主人可以手動(dòng)收衣或者定r收衣，此兩種模式收好衣服后不再晾出。
此環(huán)節(jié)的產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計(jì)思維訓(xùn)練得到了充分的體現(xiàn)，學(xué)生要針對(duì)在自己周圍每天都要發(fā)生的問題模擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)及分解。
曲折之二：機(jī)械傳動(dòng)如何設(shè)計(jì)
學(xué)生在設(shè)計(jì)方案時(shí)碰到的第一個(gè)攔路虎，不是來自電子線路，而是機(jī)械傳動(dòng)部分。圖1所示開窗器按供電模式分有24V直流、220V交流兩種，其中按開窗器機(jī)械臂行程長短又有100mm到1500mm等不同種類。本例所有24V直流電，當(dāng)正接時(shí)機(jī)械臂伸出，反之縮回。
圖2看似簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，是社團(tuán)學(xué)生溝通、爭(zhēng)論了很久才有的結(jié)果。首先，淘寶上對(duì)開窗器的介紹寥寥數(shù)字，很多具體問題需要直接跟淘寶店主溝通。比如，產(chǎn)品大都與配套的升降（或開合）控制盒一起銷售，能否拆分購買等具體問題；沒有控制盒，Arduino 又如何擔(dān)當(dāng)起智能控制的重任？
曲折之三：S4A控制的畫面如何同步變化
下載3DMAX陽臺(tái)模型（可直接使用軟件包中模型）、衣架模型后，利用標(biāo)準(zhǔn)基本體構(gòu)建衣架及開窗器機(jī)械臂模型。由于MAX模型中的元素較多，建議按圖3所示對(duì)衣架進(jìn)行“成組”操作。
按F10對(duì)衣架運(yùn)動(dòng)中的幾個(gè)關(guān)鍵幀分別渲染，注意本例下載的模型須安裝V-RAY插件，并在公用―指定渲染器中選擇V-RAY渲染器。
曲折之四：如何實(shí)現(xiàn)開窗器機(jī)械手的伸縮
當(dāng)了解到24V直流電機(jī)正負(fù)極倒置后伸縮方向即相反后，有學(xué)生搜索關(guān)鍵詞“直流電機(jī)正反轉(zhuǎn) 繼電器”繪制出圖4所示控制線路。經(jīng)反復(fù)推演各種可能，均不會(huì)造成短路事故。
曲折之五：開窗機(jī)的電機(jī)本身沒有到位后自動(dòng)停止功能，如果開窗或者貫穿機(jī)械臂到位后繼續(xù)加電，將對(duì)電機(jī)造成傷害，此問題如何破解
有學(xué)生稱可以設(shè)置時(shí)間，但是馬上又有學(xué)生質(zhì)疑，當(dāng)掛的衣服重量不同時(shí)，造成的阻力不同，時(shí)間不是一個(gè)定量。后來有學(xué)生詢問淘寶商家后找到了解決辦法，如圖5在數(shù)字口2、3分別安裝兩個(gè)磁感應(yīng)開關(guān)，相關(guān)的動(dòng)臂上安裝永磁鐵。當(dāng)檢測(cè)到機(jī)械臂運(yùn)作到位后，立即停止供電。
曲折之六：腳本如何設(shè)計(jì)
曬衣部分腳本：當(dāng)綠旗被點(diǎn)擊時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到接在模擬口0的光線傳感器數(shù)值大于800，光線充足，并且接在模擬口5的雨水傳感器上無水滴，數(shù)值小于50，則廣播曬衣服。
收衣部分腳本：分三個(gè)條件語句，第一是檢測(cè)光線數(shù)值小于150則收衣。第二是檢測(cè)雨水傳感器數(shù)值大于100則收衣。第三是按鈕傳感器大于1000即接通狀態(tài)則自動(dòng)收衣。
預(yù)約收衣部分腳本：當(dāng)綠旗被點(diǎn)擊時(shí)，先詢問預(yù)約多少小時(shí)后收衣，然后將輸入值賦予變量t，計(jì)時(shí)器歸零。計(jì)時(shí)器單位為秒，因此變量t須乘3600。當(dāng)計(jì)時(shí)器數(shù)值大于預(yù)設(shè)時(shí)間，廣播收衣服。
曲折之七：學(xué)生開始編制腳本時(shí)發(fā)現(xiàn)繼電器反復(fù)被觸發(fā)，“噠噠”聲不斷，這對(duì)繼電器及控制終端都不是好事，如何解決
為了防止繼電器反復(fù)被觸發(fā)，損傷電機(jī)及其他器件，分別設(shè)置變量k、m，當(dāng)條件已符合時(shí)分別設(shè)定為1。然后將相關(guān)變量不等于1，即等于1不成立，作為條件語句的必備條件之一。
當(dāng)曬衣觸發(fā)時(shí)，變量K為1，當(dāng)收衣觸發(fā)時(shí)變量M為1。如果系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)事件依次觸發(fā)一遍。如果不對(duì)相關(guān)變量清零，則造成太陽出來后或者下雨了系統(tǒng)不再有響應(yīng)。所以要對(duì)K賦值1的同時(shí)，要對(duì)M清零。反之也一樣。
由于手動(dòng)收衣及定時(shí)收衣要求之后即使符合曬衣條件時(shí)也不再觸發(fā)，所以不再對(duì)M清零操作。為保險(xiǎn)起見，建議在對(duì)K賦值1的同時(shí)，添加給變量M賦值1的語句。
美國機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義是：一種可以重新設(shè)定程序、多功能的機(jī)械手，經(jīng)由事先設(shè)計(jì)好的各種可變動(dòng)作，搬運(yùn)材料、零件、工具或其他特殊裝置，以執(zhí)行不同的工作任務(wù)。機(jī)器人在面對(duì)變化與不確定的工作環(huán)境與程序時(shí)，具有一定的判斷能力。從這個(gè)機(jī)器人的定義上看，“雨水感應(yīng)收衣裝置”也可以視為一個(gè)機(jī)器人項(xiàng)目。學(xué)生在這個(gè)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過程中遇到的問題事實(shí)上遠(yuǎn)不止以上所列，但是在教學(xué)一線將會(huì)感受到學(xué)生的潛力遠(yuǎn)超你的想象：沒有短接線，學(xué)生將廢舊網(wǎng)絡(luò)線“開膛破肚”，開窗器沒有電源，學(xué)生搬來家里的鋰電池，機(jī)械手沒人愿意接手加工，學(xué)生找到親戚幫忙。有的學(xué)生在家里是“專業(yè)”負(fù)責(zé)淘寶的，因此跟店家的“旺旺”交流使問題“豁然開朗”，比如，磁感應(yīng)裝置就是學(xué)生從“店小二”那里問來的。當(dāng)然，在“工作坊”教學(xué)模式下，教師必要的協(xié)助與引導(dǎo)，也會(huì)如及時(shí)雨般解決問題。
關(guān)鍵詞：三菱M60S；加工中心；盤式刀庫；機(jī)械手；大直徑刀；換刀
1 圓盤式刀庫大端面刀換刀問題分析和設(shè)計(jì)
首先，圓盤式刀庫換刀只需要將目標(biāo)刀與主軸到交換，它不同與斗笠式刀庫必須處理還刀，所以為縮短換刀找刀時(shí)間可用T碼命令先讓刀庫備好刀，程序執(zhí)行到換刀名令時(shí)直接就可以進(jìn)行換刀動(dòng)作。程序T碼控制刀盤將目標(biāo)刀找到并將到套倒下來。當(dāng)程序遇到M06命令時(shí)，Z軸回到第二參考點(diǎn)主軸準(zhǔn)停定位->機(jī)械手刀臂旋轉(zhuǎn)抓刀->氣缸松刀->刀臂旋轉(zhuǎn)換刀->汽缸緊刀->刀臂回原點(diǎn)->換刀完成。
其次，隨機(jī)找刀、機(jī)械手換刀控制基本原理：Txx代碼激活刀庫控制。PLC根據(jù)編程刀具號(hào)計(jì)算出該刀具所在的刀套位置，以及就近找刀的方向。位置通過PLC指令[S.ATC K1]方向?qū)ふ遥ㄟ^指令[S.ROT K1]尋找。由PLC程序控制刀庫按就近方向轉(zhuǎn)動(dòng)到編程刀具所在的位置，等待換刀。最后，M06啟動(dòng)PLC換刀，換刀過程說明：步驟一：刀套倒刀；步驟二：機(jī)械手扣刀；步驟三：主軸松刀；步驟四：機(jī)械手交換刀具；步驟五：主軸緊刀；步驟六：機(jī)械手回原點(diǎn)；步驟七：刀套回刀，換刀步驟通過PLC程序控制，刀具交換通過[S.ATC K4]指令。
2 大小刀的換刀控制的分析研究
由于用戶在使用機(jī)床時(shí)常會(huì)用到端面飛刀等大直徑的刀具（簡(jiǎn)稱大刀），這些刀具裝入刀庫后左右相臨的刀套內(nèi)就無法放入刀具。圓盤式（機(jī)械手）刀庫采用的是隨機(jī)換刀，刀具所在的刀套并不固定，如果換大直徑的刀就有可能和相臨的刀具發(fā)生碰撞，所以PLC需要對(duì)此種情況進(jìn)行處理。PLC程序設(shè)計(jì)思路和解決方法：要解決此問題最關(guān)鍵的就是要讓大刀兩側(cè)的刀位空出來，當(dāng)換刀時(shí)首先把大刀放入兩側(cè)是空刀的刀套里。本次設(shè)計(jì)的刀庫為24把刀的圓盤式刀庫，由于大刀要占用左右的刀套位，極限情況下24位可以裝下11把刀，但由于實(shí)際使用中幾乎不會(huì)要使用到如此多的大刀，故本次設(shè)計(jì)最大大刀容量為9九把（可修改成11把）刀庫容量也可以增加。PLC定義T0～T24為小刀刀號(hào)，T51～T59為大刀刀號(hào)，刀套空位為99。刀號(hào)的設(shè)定須在刀庫登錄表里，刀庫登錄表根據(jù)實(shí)際使用情況設(shè)置。特別注意：允許的大刀最大直徑必須小于刀庫允許普通刀具直徑的的兩倍（目前使用的刀具都小于允許直徑的兩倍），否則大刀與大刀之間交換會(huì)發(fā)生碰撞，刀具重量不能超過刀庫允許重量。大刀交換規(guī)則：小刀可放進(jìn)大刀的刀套內(nèi)，大刀不可放進(jìn)小刀刀套內(nèi)。換刀情況分析有以下四種：主軸小刀和刀庫小刀交換，一次性換刀；主軸小刀和刀庫大刀交換，一次性換刀，主軸小刀放進(jìn)大刀刀套中；主軸大刀和刀庫小刀交換，先將原大刀刀套中的小刀換到主軸上，在將小刀與小刀交換；主軸大刀和刀庫大刀交換，一次性換刀。換刀相關(guān)保護(hù)和報(bào)警①換刀前判斷刀臂是否在原點(diǎn)，否則報(bào)警不執(zhí)行換刀。②刀套和打刀缸的動(dòng)作受到PLC監(jiān)控，超出時(shí)間會(huì)發(fā)出報(bào)警，終止換刀。③檢查刀庫表中刀號(hào)與主軸刀號(hào)是否重復(fù)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。④大刀換刀時(shí)檢查大刀刀套兩側(cè)是否為空刀位，如果不是則發(fā)出報(bào)警，終止換刀。⑤檢查當(dāng)前刀套內(nèi)的刀號(hào)是否是空刀位，是則不進(jìn)行換刀，發(fā)出報(bào)警。換刀刀號(hào)判斷PLC說明。通過D60中的T碼與K實(shí)數(shù)進(jìn)行比較，把比較的結(jié)果送入M1000～M1008。利用比較的結(jié)果M1000～M1008判斷目前換刀的狀態(tài)，將結(jié)果送入M600～M603。M600：T碼小刀與主軸小刀交換；M601：T碼小刀與主軸大刀交換；M602：T碼大刀與主軸小刀交換；M604：T碼大刀與主軸大刀交換；通過判斷的換刀狀態(tài)按照PLC程序框圖的方式執(zhí)行。
3 結(jié)語
用戶在使用機(jī)床時(shí)常會(huì)用到端面飛刀等大直徑的刀具，這些刀具裝入刀庫后左右相臨的刀套內(nèi)就無法放入刀具。根據(jù)公司項(xiàng)目要求并兼顧成本和機(jī)床功能，通過系統(tǒng)控制解決了大端面刀等大直徑刀具的換刀問題，為客戶提高生產(chǎn)效率，從而提高其經(jīng)濟(jì)效益做出了一定的貢獻(xiàn)。圓盤式（機(jī)械手）刀庫采用的是隨機(jī)換刀，刀具所在的刀套并不固定，如果換大直徑的刀就有可能和相臨的刀具發(fā)生碰撞，所以PLC需要對(duì)此種情況進(jìn)行處理。要解決此問題最關(guān)鍵的就是要讓大刀兩側(cè)的刀位空出來，當(dāng)換刀時(shí)首先把大刀放入兩側(cè)是空刀的刀套里，然后再進(jìn)行換刀。在此設(shè)計(jì)中還為客戶完善了使用過程中的一些輔助功能，使客戶使用更方便、更安全，得到了客戶的認(rèn)可。通過三菱圓盤式（機(jī)械手）刀庫加工中心開發(fā)過程，使我收獲頗多，為了讓更多人分享享我的經(jīng)驗(yàn)所得，特寫這篇論文，供大家參考學(xué)習(xí)。
[參考文獻(xiàn)]
[1]張俊勇，趙小剛.刀庫合理布置在加工中心的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù). 2009（06）.
關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)工作裝置 比擬法 極限位置 Soildworks實(shí)體建模
中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）02（c）-00-02
一方面隨著我國國民經(jīng)濟(jì)、建筑機(jī)械和生產(chǎn)力水平的不斷提高，正鏟液壓挖掘機(jī)在大型土木建設(shè)、大自然改造事業(yè)中與反鏟挖掘機(jī)一樣得到了廣泛應(yīng)用。另一方面CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)及制造中不斷發(fā)展。該技術(shù)能夠提高設(shè)計(jì)效率，縮短開發(fā)周期有很大的幫助，同時(shí)又能大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，可靠性和穩(wěn)定性。最終對(duì)整個(gè)機(jī)械行業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生極大的影響.本文便是以比擬法、極限位置分析和據(jù)水平推壓力三種方法結(jié)合計(jì)算出挖掘機(jī)的尺寸，然后在SOILDWORKS中進(jìn)行實(shí)體建模，再與樣機(jī)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證該分析方法的正確性。如圖1，液壓正鏟挖掘機(jī)的工作裝置主要由1-動(dòng)臂，2-斗桿，3-鏟斗，4-動(dòng)臂油缸，5-斗桿油缸，6-鏟斗油缸組成。如圖1所示。
為了方便工作裝置的計(jì)算，現(xiàn)把工作裝置簡(jiǎn)化為圖2，并建立了以水平地面為橫坐標(biāo)，回轉(zhuǎn)中心線為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系，各個(gè)絞點(diǎn)符號(hào)分別由A、B、C、D、E、G、H、I、J表示，θ1、θ2、θ3分別表示動(dòng)臂相對(duì)水平面的轉(zhuǎn)角，動(dòng)臂和斗桿的夾角，斗桿和鏟斗之間的夾角。得到液壓正鏟挖掘機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。如圖2所示。
1.1 比擬法確定工作裝置部分尺寸
比擬法：是借助于已有的大型液壓正鏟挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以相似理論為基礎(chǔ)，確定要設(shè)計(jì)的尺寸。相似原理是通過對(duì)樣機(jī)進(jìn)行放大或縮小以及模型試驗(yàn)來確定實(shí)物結(jié)構(gòu)參數(shù)、系列化產(chǎn)品的理論基礎(chǔ)。
設(shè)
已知美國某公司的挖掘機(jī)的整機(jī)質(zhì)量為63 t，備有前卸式（斗容量q為3.8 m）鏟斗，通過比擬法可以求解出
斗容量q為4 m時(shí)，挖掘機(jī)的整機(jī)質(zhì)量為66.3 t。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法：在概率統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上得出的以機(jī)重為基本參數(shù)的一系列經(jīng)驗(yàn)公式，公式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)可從相關(guān)資料上中查得，線型參數(shù)比例關(guān)系由此可以確定正鏟臂長、斗桿長，即
臂長kl1=（1.1～1.3）取1.2 解得LAB=4.85（m）
斗桿長kl2=（0.8～0.95）取0.9解得LBG=3.645
1.2 由經(jīng)驗(yàn)公式確定鏟斗參數(shù)
已知斗容量q、鏟斗挖掘半徑Lgj和平均斗寬b、鏟斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角存在如下的關(guān)系
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可得LGJ=1.656此外LGI值的選擇原則是要滿足挖掘力要求的情況下，使鏟斗有足夠大的轉(zhuǎn)角范圍，同時(shí)還應(yīng)保證鏟斗的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，避免鏟斗連桿機(jī)構(gòu)的干涉。所以取LGI=（0.3～0.38）×LGJ=0.579
1.3 由極限位置確定尺寸
鉸鏈A點(diǎn)位置可通過AF與水平面的夾角I11和LAF的長度確定。取而且考慮到在轉(zhuǎn)臺(tái)上的布置，由相關(guān)樣機(jī)參考可得LAF=1.02。
另外，LAF的長度對(duì)動(dòng)臂液壓缸的作用力矩有影響，相應(yīng)的提升力矩、閉鎖力矩也有變化.長度取LAF=（0.5～0.6）L1 min.所以L1 min=1.863。如圖可以根據(jù)工作參數(shù)確定下列極限位置的幾何
關(guān)系。
斗桿轉(zhuǎn)角可以由最大挖掘半徑確定。最大挖掘半徑是指：斗桿油缸全縮，使達(dá)到最大值，此時(shí)A、G兩點(diǎn)的距離最遠(yuǎn)，再令A(yù)、G、J三點(diǎn)所在直線平行于水平地面。最大挖掘半徑的各絞點(diǎn)位置示意圖由圖3（A）所示。在圖3（A）中，由可以得知θ2max應(yīng)大于下式。
圖3 極限位置關(guān)系
為最大挖掘半徑取9.06 m代入解得θ2max=115 °。同理可以根據(jù)最小挖掘半徑求出θ2MIN=43 ° L2 min=2.392、L2 max=4.00
根據(jù)最大挖掘高度求得LAGMAX=7.19、θ1MAX=82.3 °
根據(jù)最大挖掘深度求得θ1MAX=64.9 °
2.由水平推壓力確定LBE的尺寸
假設(shè)挖掘機(jī)的工況作業(yè)為水平推壓，及鏟斗斗底緊貼地面沿停機(jī)面向前運(yùn)動(dòng)。首先隔離斗桿和鏟斗，如圖
圖4 挖掘機(jī)受水平推壓力
對(duì)F點(diǎn)取力矩建立平衡方程：
F2e2+F’3e’3=Far2
式中Fa為斗桿挖掘力（推壓力）由經(jīng)驗(yàn)算得，F(xiàn)a=393.7。F2為斗桿液壓缸推力，其值等于缸徑乘以系統(tǒng)壓力，算得F2=1039.8然后隔離鏟斗，對(duì)Q點(diǎn)建立力矩平衡方程：F’3e’3=Far3sinγ
兩式消去F’3，得到推壓力Fa的計(jì)算公式：
式中：r2=3.645 r3=1.27 e3=0.445
解得e’3=LBE=1.47。這樣挖掘機(jī)所有的工作裝置的尺寸都已經(jīng)選用完畢。
3 基于Solidworks裝配模型的驗(yàn)證
Solidworks是一套采用Parasolid圖形核心、基于Windows平臺(tái)、采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)的CAD/CAM/CAE桌面集成系統(tǒng)。此軟件容易操作，功能強(qiáng)度，可以完成包括很復(fù)雜的曲面建模、三維造型和轉(zhuǎn)配在內(nèi)的操作，并能輕松的生成零件轉(zhuǎn)配圖。能滿足用戶的需求，所以在全球的使用非常廣泛。
圖5 挖掘機(jī)轉(zhuǎn)配圖
如圖，根據(jù)以上所計(jì)算得到的尺寸值在Solidworks建立三維裝配圖模型，并附上適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)副，通過鼠標(biāo)移動(dòng)挖掘機(jī)的各個(gè)部件位置即可大致檢測(cè)出設(shè)計(jì)的工作尺寸是否合理。通過已有的樣機(jī)的對(duì)比，該設(shè)計(jì)的尺寸與樣機(jī)的尺寸相差不多。由此可知此設(shè)計(jì)的方法較為合理。
4 結(jié)語
結(jié)合參照樣機(jī)比擬法算出挖掘機(jī)大體尺寸、在給定極限位置的幾何關(guān)系分析和再根據(jù)水平推壓力的大小、力矩平衡的三種理論方法設(shè)計(jì)挖掘機(jī)。以上方法綜合了挖掘機(jī)各方面的考慮（包括推壓力、極限位置和已有的樣機(jī)尺寸），最終設(shè)計(jì)出挖掘機(jī)工作裝置的尺寸。
并且借助Solidworks三維造型技術(shù)、計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，觀察設(shè)計(jì)的整體效果。為正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置尺寸的初步設(shè)計(jì)與驗(yàn)證其合理性提供了理論指導(dǎo)。
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[關(guān)鍵詞]液壓缸 拉桿 放氣 溢流閥
中圖分類號(hào)：U653 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1009-914X（2016）25-0346-02
斗輪取料機(jī)是散貨裝卸的重要設(shè)備，作為一種連續(xù)的散料裝卸機(jī)械在港口、電廠、礦山以及很多的儲(chǔ)煤基地得到廣泛的應(yīng)用。它最早是在德國、日本、英國等發(fā)達(dá)國家發(fā)展起來的，在我國上世紀(jì)50年代開始使用，大規(guī)模的應(yīng)用主要還是上世紀(jì)七十年代在秦皇島、天津、青島等北方的港口上使用。由于散貨能源物流的快速發(fā)展，而參與物流行業(yè)的大型企業(yè)基本上都是國家的主要經(jīng)濟(jì)支柱。這些大企業(yè)在國際經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的大環(huán)境下要求企業(yè)的發(fā)展是規(guī)模化、自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，而對(duì)散貨裝卸的主要設(shè)備的取料機(jī)要求也是如此，因此斗輪取料機(jī)在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中越來越被廣泛的應(yīng)用，而且對(duì)取料機(jī)的主要性能要求也越來越高。然而，由于國內(nèi)取料機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)范和設(shè)計(jì)單位的技術(shù)水平和國外的還有很大的一段差距，雖然國內(nèi)的取料機(jī)設(shè)計(jì)單位制造單位意識(shí)到國內(nèi)這個(gè)大的市場(chǎng)需求，但是由于質(zhì)量和安全的考慮，目前還是選擇國外設(shè)計(jì)、國內(nèi)制造的建設(shè)模式。這種模式由于設(shè)計(jì)是在國外、而制造在國內(nèi)，這樣在用戶和設(shè)計(jì)及制造方之間就容易出現(xiàn)很多關(guān)于產(chǎn)品技術(shù)和產(chǎn)品使用等溝通脫節(jié)的問題，再加上國內(nèi)一般對(duì)工程工期的要求比較緊、使用管理等問題，造成設(shè)備存在的問題和缺陷較多，導(dǎo)致產(chǎn)品的修改量加大，產(chǎn)品存在的問題偏多。黃驊港煤碼頭一期工程就是在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來的，作為國家北煤南運(yùn)的第二大億噸輸出大港――黃驊港，黃驊港煤碼頭現(xiàn)有3000T/H取料機(jī)4臺(tái)、6000T/H取料機(jī)7臺(tái)、6000T/H堆取料機(jī)2臺(tái)、4400T/H堆料機(jī)6臺(tái)8000T/H裝船機(jī)4臺(tái)、6000T/H裝船機(jī)7臺(tái)、3000T/H裝船機(jī)1臺(tái)以及11臺(tái)翻車機(jī)以及90公里的皮帶機(jī)，這些設(shè)備在我國北煤南運(yùn)市場(chǎng)中發(fā)揮了重要作用，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。
取料機(jī)主要由行走機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、斗輪機(jī)構(gòu)、懸臂皮帶機(jī)等組成，其俯仰變幅機(jī)構(gòu)是四連桿形式，采用液壓缸或鋼絲繩卷筒驅(qū)動(dòng)。懸臂皮帶機(jī)尾部通過兩個(gè)鉸點(diǎn)和主機(jī)相連接，懸臂皮帶機(jī)中部和頭部通過大小拉桿與配重尾架相連。通過液壓缸的伸縮使懸臂機(jī)構(gòu)繞安裝在鉸點(diǎn)位置的關(guān)節(jié)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，臂架頭部斗輪裝置才能上升或下降，臂架俯仰范圍在-12°～+12°，屬于低速，重負(fù)荷作業(yè)。目前黃驊港一期取料機(jī)懸臂已經(jīng)運(yùn)行15年，完成煤炭裝卸超過4億噸，經(jīng)過長期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，懸臂尾部鉸點(diǎn)關(guān)節(jié)軸承異響嚴(yán)重，同時(shí)引起整機(jī)振動(dòng)，給取料機(jī)整機(jī)增加沖擊載荷，經(jīng)過判斷和分析，俯仰過程中的異響和震動(dòng)主要來自臂架俯仰鉸點(diǎn)處的軸承，為了避免大的隱患發(fā)生，需要對(duì)其進(jìn)行改造。
黃驊港煤一期6000T/h斗輪堆取料機(jī)的懸臂俯仰機(jī)構(gòu)采用雙液壓缸同步升降來實(shí)現(xiàn)臂架的支承和提升的。其中一個(gè)液壓缸導(dǎo)向套密封件有磨損，造成油缸漏油，因此需要更換液壓缸。此液壓缸單根重達(dá)7噸，吊裝高度大概28m，斗輪堆取料機(jī)總重量是1100t，作業(yè)難度比較大。
斗輪取料機(jī)的應(yīng)用在我國起步較晚，最早的斗輪取料機(jī)設(shè)計(jì)可以追溯到1966年。當(dāng)時(shí)國內(nèi)部分鋼廠、碼頭急需使用此類設(shè)備，為滿足當(dāng)時(shí)的社會(huì)需要我國開發(fā)了第一代斗輪取料機(jī)。這標(biāo)志著我國己具有制造大型散料輸送機(jī)械的能力。20世紀(jì)80年代，由于電力和鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，斗輪取料機(jī)發(fā)展迅猛，在電力部門、港口使用量劇增。20世紀(jì)90年代，國內(nèi)斗輪取料機(jī)已經(jīng)向更廣的方向發(fā)展。在鋼鐵企業(yè)、電廠、各大港口到處都可以看到斗輪取料機(jī)。但是國內(nèi)的設(shè)計(jì)和研究水平有限，為了縮短與國際先進(jìn)國家的差距，采取進(jìn)口和合作制造的方式。進(jìn)口和引進(jìn)的國家有日本、美國、德國、奧地利、意大利等國家。國內(nèi)生產(chǎn)的第一臺(tái)用于高寒地區(qū)的斗輪堆取料機(jī)是DQL1600/1600.35，目前正運(yùn)行于內(nèi)蒙古的霍林河礦區(qū)。國內(nèi)現(xiàn)在已開始了關(guān)于斗輪取料機(jī)自動(dòng)控制方面的研究，控制水平已經(jīng)達(dá)到20世紀(jì)70年代國際水平。另外，為了使斗輪取料機(jī)工作時(shí)更加穩(wěn)定、安全、可靠，在設(shè)計(jì)過程中引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，圖象處理技術(shù)，故障檢測(cè)技術(shù)等各種信息技術(shù)。
這些技術(shù)的引用將使我國在斗輪取料機(jī)的設(shè)計(jì)和研發(fā)盡快趕上世界先進(jìn)水平
其更換步驟是首先將機(jī)器停在檢修錨定位置，把懸臂回轉(zhuǎn)角度選好以方便吊車起吊液壓缸等其他吊件，把斗輪懸臂放置最低，在需要更換的液壓缸旁各有2個(gè)吊耳，把兩個(gè)檢修拉桿（隨機(jī)備件，堆取料機(jī)安裝俯仰液壓缸時(shí)用的）借用80t吊車和電動(dòng)或手動(dòng)操控2個(gè)液壓缸做上升下降動(dòng)作使檢修拉桿與上下兩個(gè)吊耳通過軸銷（φ110×234）相連接。然后再關(guān)閉液壓缸閥塊上面的A口和B口截止閥，同時(shí)把A口的插裝式溢流閥旋鈕逆時(shí)針調(diào)至最外面，把液壓缸無桿腔和有桿腔中油液的壓力釋放到零，并使用壓力表檢測(cè)一下A、B兩處還有有無壓力，這樣兩根檢修拉桿都處在受壓狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)將該液壓缸的外接管路及壓力傳感器等保護(hù)裝置全部拆除，并將管路的接頭處嚴(yán)格包扎，防塵密封。
這種大型復(fù)雜的設(shè)備結(jié)構(gòu)，一般需要通過理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備檢測(cè)相結(jié)合。
考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)的安全性和和設(shè)備改造后再進(jìn)行持續(xù)改造的困難程度，必須保證設(shè)備改造后的100%的安全可靠，通過此次對(duì)取料機(jī)回轉(zhuǎn)支撐的研究以及有效解決，為其他6000T/H取料機(jī)出現(xiàn)類似問題的研究和解決提供技術(shù)支持和依據(jù)，對(duì)該類設(shè)備的安全使用和維護(hù)提供參考和借鑒。就目前黃驊港取料機(jī)軌道（QU120）出現(xiàn)的開裂、塌陷這種問題，在秦皇島煤港取料機(jī)上面也是經(jīng)常出現(xiàn)，國內(nèi)的解決辦法主要就是每年對(duì)其壞的QU120部分鋼軌進(jìn)行原軌簡(jiǎn)單的更換，更換后使用的時(shí)間也就保料機(jī)車輪強(qiáng)度要求的前提下減小車輪的直徑以減輕取料機(jī)高度和自重，但是整個(gè)機(jī)器的臺(tái)車造價(jià)太高，而且經(jīng)過分析，臺(tái)車造價(jià)高、周期長，在實(shí)施過程中風(fēng)險(xiǎn)性很大，增加了很多不安全因素，所以實(shí)施性不強(qiáng)。出現(xiàn)軌道變形或開裂，主要是一個(gè)壓力跟強(qiáng)度的問題，通過改造臺(tái)車增加輪子數(shù)量、減小輪子直在臺(tái)車輪壓不變的情況下，單獨(dú)改進(jìn)軌道的性能，增加軌道的抗拉強(qiáng)度，提高其自身所能承受的壓力，或把兩種方法結(jié)合在一塊也是可行的。下面就是黃驊港綜合研究和分析之后采用改進(jìn)軌道，主要是針對(duì)目前使用QU120改為A150的方案。6000T/H取料機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。
拆裝液壓缸時(shí)，利用千斤頂、拉馬等工具將液壓缸上下兩端的銷軸按順序拆出，安裝新液壓缸（提前給液壓缸兩個(gè)腔注滿液壓油）時(shí)，先安裝無桿腔這頭的軸銷（φ260×695），然后把新的液壓缸上面閥塊的A口、B口和T口與拆卸的3根液壓管相連接并把新液壓缸上面閥塊上面的2個(gè)截止閥打開。再次利用俯仰液壓系統(tǒng)的手動(dòng)裝置來調(diào)節(jié)新液壓缸的長度，以使液壓缸另外一端吊耳和軸銷（φ220×405）順利就位，同時(shí)再手動(dòng)打壓使兩液壓缸受力從而使兩檢修拉桿卸掉載荷，拆卸檢修拉桿和拉桿軸銷。
新液壓缸就位后，就可以把限位開關(guān)等保護(hù)裝置恢復(fù)，系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，檢查泵站油箱的油位，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充。通過俯仰、回轉(zhuǎn)、行走的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，將機(jī)器駛離錨定位置。繼續(xù)使懸臂在全部正常工作范圍內(nèi)做俯仰運(yùn)動(dòng)，利用液壓缸兩腔頭部的放氣閥對(duì)2個(gè)液壓缸的無桿腔和有桿腔進(jìn)行排氣，直至噴出霧化油液為止。最后進(jìn)行系統(tǒng)的全面測(cè)試和調(diào)整泵閥等元件的參數(shù)，包括液壓缸的壓力值、電機(jī)的電流、泵的排量等。
該工藝要點(diǎn)是：①新液壓缸安裝完成后調(diào)試時(shí)需要對(duì)有桿和無桿腔進(jìn)行徹底排氣以防止液壓缸爬行工作。②對(duì)于整體俯仰式的大型斗輪堆取料機(jī)，液壓缸更換的位置最好是使懸臂回轉(zhuǎn)角度約90°處，這樣在俯仰機(jī)構(gòu)的兩側(cè)都能停放大型的吊車進(jìn)行吊裝。并且其臂架最好放在最低位置盡量使檢修拉桿受壓而不受拉，保證維修的安全性，這需要提前設(shè)計(jì)好拉桿的長度。③液壓缸同步回路應(yīng)設(shè)截止閥，以便于逐個(gè)更換液壓缸。④液壓缸銷軸應(yīng)該拆裝方便，如設(shè)計(jì)銷軸端面蓋板，利用蓋板螺絲孔來為頂推銷軸的千斤頂提供支座的安裝條件。⑤建議在液壓缸的缸桿外露表面設(shè)置防塵套，在拆裝過程中嚴(yán)防硬物砸傷液壓缸活塞桿表面。⑥保持清潔，嚴(yán)禁異物進(jìn)入油管接頭處。
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頂驅(qū)全稱為頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置TDS（TOPDRVIEDRILL⁃INGSYSTEM），常用于頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)可從井架上部空間直接旋轉(zhuǎn)鉆桿，沿專用導(dǎo)軌向下送進(jìn)，完成鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，循環(huán)鉆井液，接立柱，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作。
2頂驅(qū)液壓系統(tǒng)裝置的組成及優(yōu)點(diǎn)
2.1頂驅(qū)液壓系統(tǒng)裝置的組成部分
根據(jù)其工作原理可知，頂驅(qū)液壓系統(tǒng)裝置的組成雖然型號(hào)較多，但其主要的組成結(jié)構(gòu)是相同的。第一，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置。該部分的組成主要為一臺(tái)至兩臺(tái)交流、直流電機(jī)或者馬達(dá)，運(yùn)行過程是在行星齒輪機(jī)構(gòu)的減速阻力下，達(dá)到提供鉆井動(dòng)力的目的。第二，傾斜裝置。該裝置的組成部分主要有：吊環(huán)、機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這其中又是由氣動(dòng)及液動(dòng)組成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要運(yùn)作流程是由氣囊或液缸來帶動(dòng)吊環(huán)擺動(dòng)。第三，管子處理裝置。這個(gè)組成部分是整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置中最具設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)的，是由扭矩鉗、內(nèi)防噴控制閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。運(yùn)作原理是扭矩鉗在液壓作用的指導(dǎo)下，能夠進(jìn)行無時(shí)間及方向限制的卸扣作業(yè)；而內(nèi)防噴控制閥在停泵時(shí)，能夠進(jìn)行機(jī)械臂開關(guān)的自動(dòng)調(diào)控，從而能夠?qū)崿F(xiàn)井控的目的。第四，扭矩管、平衡系統(tǒng)即冷卻系統(tǒng)。這其中扭矩管的主要作用是在裝置運(yùn)行過程中，為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供軌道，便于其進(jìn)行上下滑動(dòng)，具有扶正驅(qū)動(dòng)裝置的作用；平衡系統(tǒng)的作用是對(duì)雙液壓平衡液缸進(jìn)行控制；冷卻系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)機(jī)電運(yùn)行時(shí)的降溫步驟，主要有鼓風(fēng)機(jī)、交流電機(jī)及導(dǎo)管組成。第五，控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是頂驅(qū)液壓裝置的總控制樞紐，操作人員主要運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行司鉆控制及儀表控制。
2.2頂驅(qū)液壓鉆井裝置的優(yōu)點(diǎn)
第一，實(shí)現(xiàn)接單根時(shí)間的減少。該優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的原理是轉(zhuǎn)盤在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)，推動(dòng)了方鉆桿的同步旋轉(zhuǎn)，同時(shí)又可以帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤上的方補(bǔ)芯向下運(yùn)動(dòng)。頂驅(qū)液壓裝置在銜接兩根單根方面無需取下鉆桿，采用的是方鉆桿以及立根鉆進(jìn)的方式，從而節(jié)省了接單根交替的時(shí)間。第二，倒戈眼能夠防止卡鉆。立根倒戈眼由于其裝置較長，在運(yùn)行結(jié)束后，可在不起鉆的情況下將循環(huán)旋轉(zhuǎn)著的鉆具提出井眼，而且在鉆具提出井眼后，鉆桿上的卸扣裝置此時(shí)也可以輔助在井架中間進(jìn)行卸扣操作，這種作業(yè)手法能夠在定向鉆井中減少倒戈眼的起鉆時(shí)間，從而節(jié)省總的施工工期。第三，下鉆劃眼方面的優(yōu)勢(shì)。此裝置的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在節(jié)省了接方鉆桿過沙橋及縮徑點(diǎn)的工序，特別是在運(yùn)用TDS進(jìn)行下鉆時(shí)，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成鉆柱對(duì)接，從而可以立即進(jìn)行劃眼操作，下井劃眼節(jié)省了鉆井施工程序，大幅度避免了卡鉆幾率。第四，定向鉆進(jìn)及取芯鉆進(jìn)的效率高。頂驅(qū)液壓裝置的施工距離標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到28米，在通過該距離的立根循環(huán)后，能夠減少定向鉆進(jìn)時(shí)馬達(dá)的規(guī)定時(shí)限；而取芯鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)則是在起鉆次數(shù)降低的情況下提升其成功率。第五，能夠額外增加載荷。頂驅(qū)液壓裝置不同于常規(guī)鉆井裝置還有一點(diǎn)就是載荷量的控制，一般的鉆井在控制鉆頭重量時(shí)，主要是通過剎把的操作，而頂驅(qū)鉆井則可運(yùn)用液壓缸增加額外的載重量，從而實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)作。
3頂驅(qū)液壓系統(tǒng)的分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)
頂驅(qū)液壓裝置運(yùn)行原理簡(jiǎn)單來說就是將各個(gè)組件有機(jī)地組合起來，并實(shí)現(xiàn)有目的性的傳動(dòng)，最源頭的運(yùn)行步驟是通過發(fā)電機(jī)將動(dòng)力源轉(zhuǎn)化為液壓來傳送，再經(jīng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)液壓轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程，從而達(dá)到頂驅(qū)多樣鉆井的目的。井下頂驅(qū)鉆井的作業(yè)環(huán)境相對(duì)較為復(fù)雜，因此該系統(tǒng)在運(yùn)作時(shí)應(yīng)該符合以下要求：
3.1鉆井工藝要求
第一，對(duì)吊環(huán)的要求，應(yīng)保證在放置及取下單根及立根時(shí)，吊環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)前傾及后傾速度的自動(dòng)化調(diào)控，實(shí)現(xiàn)其平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。第二，保證回轉(zhuǎn)頭能夠向兩個(gè)方向調(diào)整旋轉(zhuǎn)，并且做到速度的可控。第三，為防止鉆柱反彈釋放扭矩松脫，鉆具需剎車機(jī)構(gòu)對(duì)主電機(jī)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行制動(dòng)操作。第四，要求遇到井涌及井噴現(xiàn)象時(shí)，裝置能夠進(jìn)行快速的鉆桿銜接，并對(duì)內(nèi)防噴器進(jìn)行遙控，做到及時(shí)關(guān)閉鉆柱通道。第五，在拆卸及銜接單根或者立根時(shí)，要求背鉗液壓缸能夠?qū)嵭秀@桿加緊動(dòng)作，控制主電機(jī)進(jìn)行崩扣或者上扣操作。第六，平衡機(jī)構(gòu)的作用是當(dāng)主電機(jī)卸扣或上扣時(shí)，平衡液壓缸起液壓支撐作用托起頂驅(qū)裝置主體重量，以免在上、卸扣時(shí)由于主體重量而引起絲扣的磨損。
3.2環(huán)境要求
第一，頂驅(qū)液壓裝置要能夠適應(yīng)石油鉆井工程的復(fù)雜地質(zhì)情況，而且要能應(yīng)對(duì)負(fù)載變化較為激烈，防火、防爆及防腐蝕等特殊施工情況。第二，應(yīng)能夠適應(yīng)野外環(huán)境，提升抗風(fēng)沙及抗污染能力，并且不受晝夜溫差大的影響。
4結(jié)語
【摘要】隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的作用也越來越明顯。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以有效地提高教學(xué)的質(zhì)量和效率。本論文通過闡論虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的虛擬仿真機(jī)器人機(jī)械臂模型用到的三維建模技術(shù)及軟件（如Maya、Max等）、原理以及虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)，從而研究它的價(jià)值和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益，并探析了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】虛擬仿真技術(shù)/平臺(tái)；虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)；實(shí)訓(xùn)教學(xué)
一、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的三維建模技術(shù)及軟件研究
虛擬仿真系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)在它可以讓使用者借助于專用的視、聽、觸覺等具有感知功能的設(shè)備，進(jìn)入仿真系統(tǒng)制造的虛擬空間，并且還能夠與虛擬環(huán)境中的人和物體進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，從而感知和操作虛擬環(huán)境中的各種對(duì)象，最終達(dá)到身臨其境的效果。它的組成主要是把計(jì)算機(jī)作為主要的部分，其次綜合利用三維圖形、多媒體、仿真等技術(shù)構(gòu)建起一個(gè)逼真的虛擬系統(tǒng)。從它的組成部分和應(yīng)用程序來看，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)三維圖形的利用還是十分頻繁的，因此我們應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)研究。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用設(shè)計(jì)主要是利用三維建模軟件，通過虛擬現(xiàn)實(shí)標(biāo)準(zhǔn)語言建立虛擬環(huán)境中的實(shí)體模型表現(xiàn)出來，最后通過描述它們之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，快速、真實(shí)地顯示三維虛擬工業(yè)機(jī)器人，并為工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)提供一個(gè)研究觀察平臺(tái)。本段主要通過對(duì)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的三維建模技術(shù)及軟件研究，來發(fā)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和研究其未來的發(fā)展方向。
Maya軟件是美國Autodesk公司出品的世界頂級(jí)的三維動(dòng)畫軟件，通過對(duì)Maya軟件的運(yùn)用，能夠使虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在一定程度上提高制作三維動(dòng)畫的效率和品質(zhì)，調(diào)節(jié)出仿真的角色動(dòng)畫，使其得出更加真實(shí)的效果。這是因?yàn)镸aya軟件不僅僅包括一般三維和視覺效果制作的功能，而且還能夠和世界上最先進(jìn)的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染、運(yùn)動(dòng)匹配技術(shù)相結(jié)合，使得虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)所創(chuàng)造出的畫面更加真實(shí)有立體感。
二、虛擬仿真技術(shù)在各領(lǐng)域內(nèi)的作用
隨著科技的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在一些高科技等高端領(lǐng)域的地位越來越凸顯出來，地位與作用也逐漸提升。尤其是在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與開發(fā)、手機(jī)游戲設(shè)計(jì)及其所用到的一些主流引擎甚至高端引擎方面的價(jià)值更為突出。
Maya軟件是虛擬仿真技術(shù)的一種，它應(yīng)用的對(duì)象是專業(yè)的影視廣告，角色動(dòng)畫，電影特技等。它能夠在工作的過程中展現(xiàn)的比較靈活，易學(xué)易用，制作出動(dòng)畫的效率非常高，渲染出畫面的真實(shí)效果比較強(qiáng)，它對(duì)畫面中角色動(dòng)作的捕捉尤為清晰，與畫面角色的綁定的聯(lián)系性也十分緊密，是虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中一個(gè)比較不錯(cuò)的系統(tǒng)軟件。MAX軟件它最開始的應(yīng)用是在電腦游戲中的動(dòng)畫制作，后來又進(jìn)一步的開始參與影視片的特效制作，MAX軟件還被廣泛地應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)以及工程可視化等領(lǐng)域，也就是虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)當(dāng)中。它強(qiáng)大的立體三維功能被新媒體、影視動(dòng)畫、游戲動(dòng)畫等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。
三、虛擬仿真技術(shù)為機(jī)器智能實(shí)驗(yàn)課帶來的好處
虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用為現(xiàn)代化的社會(huì)帶來了許多的方便，讓機(jī)器實(shí)驗(yàn)課、項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來越豐富化。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以有效地提高教學(xué)的質(zhì)量和效率。通過對(duì)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，使得上級(jí)和下級(jí)、老師和學(xué)生的客戶信息以及實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)、模擬操作、技能測(cè)評(píng)等等的信息存儲(chǔ)在管理信息庫中，與此同時(shí)，上級(jí)和下級(jí)或是老師和學(xué)生之間就可以通過客戶機(jī)對(duì)下級(jí)或者學(xué)生之間的實(shí)訓(xùn)進(jìn)行遠(yuǎn)程的指導(dǎo)與管理。
隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，虛擬仿真技術(shù)在在現(xiàn)代職業(yè)技能教學(xué)中的作用也越來越明顯。虛擬仿真技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，將為機(jī)器智能實(shí)驗(yàn)課等實(shí)訓(xùn)課程帶來更多的方便和益處。由于它能夠?yàn)槿藗兲峁┮环N高級(jí)的人機(jī)接口，具備交互性、想象性、沉浸性等特點(diǎn)，所以它主要的應(yīng)用領(lǐng)域在政府、企業(yè)、學(xué)校等這些需要實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)環(huán)境的地方。
四、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)
作為一項(xiàng)新興的科學(xué)技術(shù)，虛擬仿真技術(shù)還處在一個(gè)不斷探索前進(jìn)與不斷完善的階段當(dāng)中，其發(fā)展趨勢(shì)呈一個(gè)不斷上升的大幅增長的趨勢(shì)。從目前來看，雖然目前政府、教育部門、學(xué)校、教師都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了虛擬仿真技術(shù)對(duì)于職業(yè)教育實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的重要作用和發(fā)展前景，但在實(shí)際中，依然存在著許多問題亟待解決，因此虛擬仿真技術(shù)正在與教育、培訓(xùn)等領(lǐng)域不斷地相適應(yīng)和匹配。
其次，雖然目前政府、教育部門、學(xué)校、教師都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了虛擬仿真技術(shù)對(duì)于職業(yè)教育實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的重要作用和發(fā)展前景，但在實(shí)際中，依然存在著許多問題亟待解決。雖然目前政府、教育部門、學(xué)校、教師都認(rèn)識(shí)到了虛擬仿真技術(shù)對(duì)于職業(yè)教育實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的重要作用和發(fā)展前景，但在實(shí)際中，依然存在著許多問題亟待解決。例如：虛擬仿真技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)及相關(guān)硬件的要求比較高，但是這些方面的發(fā)展不能夠滿足人們對(duì)虛擬仿真技術(shù)的需要，虛擬仿真軟件數(shù)據(jù)是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫，三維立體仿真軟件的應(yīng)用對(duì)顯卡和顯示器等也有很高的要求，也就是說，虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)硬件的要求較高。因此需要對(duì)計(jì)算機(jī)及相關(guān)硬件的發(fā)展有一個(gè)更高的要求。最后，教學(xué)類虛擬仿真軟件的質(zhì)量還有待提高、對(duì)虛擬仿真技術(shù)的研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一和對(duì)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用不夠廣泛等等，這些都是需要發(fā)展改善的地方，也是未來虛擬仿真技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大的趨勢(shì)。
五、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的價(jià)值和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益
虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)作為一個(gè)高端的科技系統(tǒng)，對(duì)政府、企業(yè)、學(xué)校等的發(fā)展，起到了至關(guān)重要的作用，并為其創(chuàng)造了更大的價(jià)值。同時(shí)虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，也在打開了市場(chǎng)，擴(kuò)大了市場(chǎng)份額的同時(shí)為市場(chǎng)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)利益。
在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)為主導(dǎo)的今天，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)也為市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做了一定的貢獻(xiàn)，為市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展添磚加瓦，在自己發(fā)展得同時(shí)也促進(jìn)了市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，我們應(yīng)當(dāng)不斷地發(fā)展虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，使其深入到更多的地方，讓更多的地方和人們體會(huì)到虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為人們帶來的價(jià)值。
總結(jié)
虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的日漸完善，使得人們的生活也不斷的豐富活躍起來，政府、企業(yè)、學(xué)校等地方對(duì)其的應(yīng)用，也促進(jìn)了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的發(fā)展。本論文通過闡論虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的虛擬仿真機(jī)器人機(jī)械臂模型用到的三維建模技術(shù)及軟件（如Maya、Max等）、原理以及虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)的研究，探討了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的價(jià)值和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)也為虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
[1]劉仲波 李瑞濤 《擬仿真技術(shù)在城市軌道交通工程實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用》 吉林大學(xué)交通學(xué)院、吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2012年第12期
關(guān)鍵詞：塔吊，安全監(jiān)控，管理
近年來，隨著城市化進(jìn)程地不斷加快，各地高大建筑興建速度也不斷提升，作為主要擔(dān)負(fù)垂直輸送任務(wù)的塔吊在建筑施工中得到廣泛使用，塔吊具有覆蓋面廣、起升高度大、效率比較高等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)，因?yàn)槠渥陨碇匦母叩脑蛞步o施工帶來了較大危險(xiǎn)，每年各地由于塔吊引起的建筑事故頻繁發(fā)生，這不僅造成了人民財(cái)產(chǎn)的損失，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致群死群傷等重特大事故。因此，加強(qiáng)對(duì)施工過程中塔吊的安裝、使用和拆卸等環(huán)節(jié)的安全監(jiān)控，對(duì)于保證施工人員的生命安全，減少建筑工程的事故隱患意義重大，影響深遠(yuǎn)。
綜合分析多年來塔吊事故頻發(fā)的原因，主要存在以下問題：一是塔吊質(zhì)量良莠不齊，有些施工單位為了節(jié)省經(jīng)費(fèi)，圖省事，對(duì)塔吊的質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)，維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)，給施工帶來了重大安全隱患。二是塔吊的操作、管理和指揮等人員素質(zhì)參差不齊，缺乏必要的安全意識(shí)，操作過程中經(jīng)常有違章違規(guī)現(xiàn)象發(fā)生，管理人員責(zé)任不明確，不能做到令行禁止等。三是行業(yè)監(jiān)督力度不夠，監(jiān)管單位管理不嚴(yán)，經(jīng)常性監(jiān)督工作不到位。免費(fèi)論文。針對(duì)以上塔吊安全管理存在的安全隱患，應(yīng)重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)對(duì)塔吊的安全監(jiān)控管理。
一、選用塔吊要嚴(yán)把質(zhì)量監(jiān)控關(guān)
從源頭上分析，塔吊的生產(chǎn)企業(yè)首先應(yīng)對(duì)生產(chǎn)塔吊的原材料索取詳細(xì)的材質(zhì)證明，生產(chǎn)過程中所使用的配套件與各部件必須符合塔吊整體設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，并能做到對(duì)質(zhì)量的全權(quán)負(fù)責(zé)。除此之外，生產(chǎn)廠家還應(yīng)向購買單位出具有關(guān)技術(shù)文件。生產(chǎn)廠家如需為用戶免費(fèi)安裝，還應(yīng)有相應(yīng)的拆裝專業(yè)承包資質(zhì)。
施工單位在選用塔吊時(shí)，要優(yōu)先選擇那些參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)的自升塔吊。在塔吊的全部參數(shù)中，主參數(shù)是最重要的，它包括幅度、起升高度和最大幅度起重量。但是，在主參數(shù)確定后，還應(yīng)根據(jù)建筑要求確定使用哪種形式的塔吊，按照不同劃分標(biāo)準(zhǔn)，塔吊可分為內(nèi)爬式和附著式，又可分為俯仰變幅動(dòng)臂式和小車變幅水平臂架式，究竟選擇哪種形式應(yīng)根據(jù)該建筑的自身要求和施工單位的經(jīng)濟(jì)實(shí)力而定。實(shí)踐表明，1臺(tái)40·tm級(jí)的內(nèi)爬塔吊具有和1臺(tái)80·tm級(jí)的附著式塔吊幾乎一樣的功能。如果使用附著式塔吊，不但要配用較多塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，另外還需必需數(shù)量的附著桿和錨固件，從經(jīng)濟(jì)效益的長遠(yuǎn)角度考慮，為節(jié)省資金，建議施工單位選用內(nèi)爬式塔吊。
施工單位在選好塔吊后，應(yīng)將塔吊的相關(guān)資質(zhì)證件，包括生產(chǎn)許可證、產(chǎn)品合格證、出廠檢驗(yàn)報(bào)告、設(shè)備使用說明書、拆裝許可證、特種設(shè)備制造許可證等報(bào)給塔吊檢測(cè)中心，經(jīng)檢測(cè)合格后，才能得到安全使用證。在塔吊安裝完畢后必須同項(xiàng)目經(jīng)理進(jìn)行交接并作相應(yīng)記錄，在完成塔吊的購買后，必須及時(shí)將上述過程中涉及到的材料按要求整理歸檔，嚴(yán)格按照一臺(tái)塔吊建立一檔臺(tái)帳的要求，把好質(zhì)量監(jiān)控這一關(guān)。
二、對(duì)塔吊拆裝應(yīng)實(shí)行重點(diǎn)監(jiān)控
歷年來因塔吊拆裝不當(dāng)引發(fā)的事故十分頻繁，這個(gè)階段也是事故的高發(fā)階段，必須提高警惕，實(shí)行重點(diǎn)監(jiān)控。按照拆裝順序的先后，安裝前對(duì)相關(guān)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行登記和備案是首先要做好的工作，建設(shè)行政部門對(duì)進(jìn)場(chǎng)施工的單位要進(jìn)行相關(guān)資格審查，尤其是塔吊基礎(chǔ)，必須驗(yàn)收合格后才能進(jìn)行安裝，經(jīng)驗(yàn)表明，基礎(chǔ)是塔吊穩(wěn)定的根本，基礎(chǔ)不牢，將影響到整個(gè)塔吊的穩(wěn)固。有些單位為了加快工程施工進(jìn)度，盲目搶工期，在澆固混凝土?xí)r忽視混凝土的強(qiáng)度，造成地基不牢，有些單位是沒有認(rèn)真考慮地基的地耐力，還有在地基附近挖溝或有積水，造成地基移位或沉降，類似這樣的現(xiàn)象，都會(huì)為安全帶來嚴(yán)重隱患。其次，安裝時(shí)要編制安裝項(xiàng)目方案，針對(duì)可能引起安全事故的技術(shù)措施進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，比如對(duì)塔機(jī)的一些吊鉤吊具、金屬結(jié)構(gòu)、聯(lián)結(jié)螺栓等進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)需要維修和報(bào)廢的部件，預(yù)先處理。
塔吊在安裝完畢后，進(jìn)入使用階段。這個(gè)階段的監(jiān)控重點(diǎn)應(yīng)首先放在管理制度的完善上。使用過程中應(yīng)有完整的檢修并對(duì)檢修結(jié)果進(jìn)行記錄，相關(guān)操作人員必須進(jìn)行安全技術(shù)交底。這里要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)一下對(duì)塔吊司機(jī)的管理，因?yàn)樗醯氖褂檬怯伤跛緳C(jī)直接完成的。司機(jī)一旦上崗，整個(gè)操作過程的安全就全部系于司機(jī)一身。這就要求司機(jī)首先要有一個(gè)健康的身體條件，不能有恐高癥等疾病，這需要有醫(yī)院的體檢證明來把關(guān)。此外，司機(jī)還有相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)考核等上崗證件，對(duì)塔吊的機(jī)械構(gòu)造和工作原理了然于胸。在上塔吊進(jìn)行操作前，必須經(jīng)過項(xiàng)目部安全監(jiān)控人員的安全技術(shù)交底，接受后，應(yīng)簽署自己的姓名。塔吊開始使用后要經(jīng)常進(jìn)行檢查和維護(hù)，檢查維護(hù)不能流于形式，必須嚴(yán)格按照安全操作規(guī)程進(jìn)行 檢修和保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)隱患要立即排除，并進(jìn)行記錄登記，如果遇到特殊情況不能及時(shí)排除，要暫停使用，等專業(yè)人員解決問題后，方能繼續(xù)使用。
塔機(jī)的拆除也應(yīng)遵循安全流程，首先是編制拆除方案，根據(jù)方案進(jìn)行作業(yè)，參與拆除人員也應(yīng)具備相關(guān)資格證書，進(jìn)行拆卸時(shí)必須系安全帶。對(duì)于塔吊使用年限雖然各地區(qū)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)那些年久失修的塔吊必須進(jìn)行嚴(yán)格鑒定，對(duì)于不符合要求的必須淘汰。近年來，有些生產(chǎn)廠家為了追求利益最大化，對(duì)搭吊的高度或起重臂隨便加長，給施工的安全管理增加了許多不安全的因素。免費(fèi)論文。對(duì)于這種現(xiàn)象，必須嚴(yán)格監(jiān)控，力爭(zhēng)杜絕此類現(xiàn)象，把事故消滅在未發(fā)之時(shí)。
三、加大行業(yè)監(jiān)控管理力度
塔吊的安全管理不應(yīng)該僅僅局限于生產(chǎn)企業(yè)和使用單位，還應(yīng)該不斷加強(qiáng)第三方，也就是各級(jí)安全監(jiān)督機(jī)構(gòu)和行政主管部門的監(jiān)控管理力度。免費(fèi)論文。在有些監(jiān)管部門中，相關(guān)檢查人員安全意識(shí)不強(qiáng)，檢查監(jiān)督存在“走過場(chǎng)”現(xiàn)象，對(duì)于一些安全隱患睜一只眼，閉一只眼，得過且過，為了大家面子上好看或者礙于被檢企業(yè)的“熱情款待”，大事化小，小事化了，也為事故的發(fā)生埋下了隱患，這些都是行業(yè)監(jiān)管不力的表現(xiàn)。為此，應(yīng)對(duì)相關(guān)職能部門加大監(jiān)管力度，克服自身存在的問題，把安全工作放到首位，只有嚴(yán)格檢查，才是對(duì)生產(chǎn)企業(yè)真正負(fù)責(zé)的表現(xiàn)。
在檢查過程中，相關(guān)部門要把經(jīng)常性檢查和不定時(shí)檢查結(jié)合起來，一旦發(fā)現(xiàn)有不符合技術(shù)指標(biāo)和塔吊使用安全性能的，應(yīng)責(zé)令其立即停止使用，在規(guī)定期限內(nèi)進(jìn)行整改，如果整改后仍不符合要求，則堅(jiān)決撤出施工現(xiàn)場(chǎng)。企業(yè)管理部門有使用塔吊前必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)。不具備檢驗(yàn)資質(zhì)的，要委托有合法資質(zhì)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)。受委托方對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果負(fù)全責(zé)，一旦發(fā)生事故，要承擔(dān)相應(yīng)法律責(zé)任。對(duì)重大責(zé)任事故的處理，除對(duì)相關(guān)責(zé)任人進(jìn)行嚴(yán)肅處理外，必須嚴(yán)格追究第一責(zé)任人責(zé)任。
小結(jié)
一臺(tái)塔吊從設(shè)計(jì)制造到出廠，從安裝、使用到報(bào)廢是要經(jīng)歷一個(gè)比較漫長時(shí)間過程的，在此期間，塔吊從時(shí)間和空間上都會(huì)有很大跨越，要確保塔吊能夠始終安全地工作，需要我們?cè)诟鱾€(gè)環(huán)節(jié)都要做好安全監(jiān)控管理工作，只要能夠按照上述要求嚴(yán)格執(zhí)行，才能最大限度地降低事故的發(fā)生概率，才能保障施工單位和人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。
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關(guān)鍵詞：直線壓電驅(qū)動(dòng)器 尺蠖原理 箝位機(jī)構(gòu)；發(fā)展現(xiàn)狀 關(guān)鍵技術(shù)
中圖分類號(hào)：TH112 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）02-0105-03
1 引言
驅(qū)動(dòng)器是機(jī)電系統(tǒng)與自動(dòng)化裝備的重要器件之一，其性能直接影響系統(tǒng)的可靠性、可控性。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種驅(qū)動(dòng)器也向著小型化、易控制化、精密化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器重量較重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難、頻率響應(yīng)不高，在很大程度無法滿足現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)的需求，因此以壓電材料為代表的新型功能材料驅(qū)動(dòng)器引起關(guān)注。根據(jù)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)制成的壓電驅(qū)動(dòng)器與其他新型驅(qū)動(dòng)器相比，具有定位精度高、響應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出力大、不發(fā)熱和不受磁場(chǎng)影響等特性。壓電驅(qū)動(dòng)器大多基于尺蠖原理設(shè)計(jì)的，即通過模仿自然界中昆蟲的運(yùn)動(dòng)，將壓電元件的單步位移轉(zhuǎn)換為輸出機(jī)構(gòu)的位移。根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式，直線型壓電驅(qū)動(dòng)器有蠕動(dòng)式、推動(dòng)式和蠕動(dòng)-推動(dòng)式三種類型。本文將重點(diǎn)說明蠕動(dòng)式和推動(dòng)式尺蠖壓電驅(qū)動(dòng)器的研究現(xiàn)狀、實(shí)現(xiàn)方式及關(guān)鍵技術(shù)。
2 蠕動(dòng)式尺蠖壓電驅(qū)動(dòng)器
蠕動(dòng)式直線尺蠖驅(qū)動(dòng)器本質(zhì)上更接近于自然界的尺蠖，模仿了爬蟲等動(dòng)物的爬行方式，即將壓電疊堆的微小步距累加，可實(shí)現(xiàn)較大行程、高速度的雙向蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)，在精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域運(yùn)用廣泛，由箝位機(jī)構(gòu)A、C、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)B和導(dǎo)軌組成，圖1為其運(yùn)行原理圖，采用“箝位-驅(qū)動(dòng)-箝位”的方式運(yùn)行，通過改變所加電壓信號(hào)的時(shí)序，可實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)，通過改變控制信號(hào)的頻率或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)B中壓電疊堆的數(shù)目來控制驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行速度。這種驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，易控制，因此該類型驅(qū)動(dòng)器相關(guān)樣機(jī)也較多。
第一個(gè)管狀蠕動(dòng)型尺蠖驅(qū)動(dòng)器于1968年誕生，用于精密加工中的材料定位。前蘇聯(lián)在1972年研制了第一個(gè)完全意義上的蠕動(dòng)型尺蠖驅(qū)動(dòng)器，并用于精密定位，后來的許多設(shè)計(jì)都以此為原形，圖2所示，是較為典型的構(gòu)型，用層疊的壓電片使結(jié)構(gòu)緊湊，也增加了承載能力、提高了運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到微米級(jí)的精度，運(yùn)動(dòng)速度最高可達(dá)每分鐘幾百毫米。1988年，美國首次利用柔性機(jī)構(gòu)放大了壓電致動(dòng)器的位移，實(shí)現(xiàn)箝位機(jī)構(gòu)的夾持作用。美國維吉尼亞州理工大學(xué)在驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)中采用柔性放大機(jī)構(gòu)，以此來放大中間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的步距，提高驅(qū)動(dòng)器的速度，如圖4，該驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)較為新穎，值得借鑒。韓國也研制了一種結(jié)構(gòu)新穎的驅(qū)動(dòng)器，其中間結(jié)構(gòu)為橢圓形，箝位機(jī)構(gòu)能同時(shí)用來箝位和驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)器實(shí)用性更強(qiáng)。2004年，加拿大Tenzer etal等人提出另外一種內(nèi)部嵌入鉗位壓電疊堆和驅(qū)動(dòng)壓電疊堆的蠕動(dòng)式尺鑊型壓電直線驅(qū)動(dòng)器，并且在驅(qū)動(dòng)器端部安裝了預(yù)緊機(jī)構(gòu)和傳感裝置，如圖3，使得驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)精度有了一定的提高。
國內(nèi)較早研究蠕動(dòng)式直線驅(qū)動(dòng)器的是廣東工學(xué)院機(jī)器人研究室的楊宜民教授，楊教授提出了仿生型步進(jìn)式直線驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器由導(dǎo)軌、可動(dòng)件、輸出軸等組成，可動(dòng)件左右端的抓爪上貼有摩擦材料，增加了可動(dòng)件和導(dǎo)軌間的摩擦力，從而提高驅(qū)動(dòng)器的帶載能力，運(yùn)行的參數(shù)為：步距0.1-16um、步距誤差
3 推動(dòng)式尺蠖壓電驅(qū)動(dòng)器
推動(dòng)式尺蠖壓電驅(qū)動(dòng)器的箝位機(jī)構(gòu)是尺蠖步進(jìn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，箝位機(jī)構(gòu)與輸出軸之間要有大的箝位力，箝位力決定驅(qū)動(dòng)器的輸出力大小，箝位穩(wěn)定性決定驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性與精度，工作原理如圖8，首先對(duì)箝位機(jī)構(gòu)A加正電壓讓其壓緊輸出軸，箝位機(jī)構(gòu)A與輸出軸之間產(chǎn)生大的摩擦力，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)B伸長的作用下會(huì)推動(dòng)箝位機(jī)構(gòu)A，箝位機(jī)構(gòu)A帶動(dòng)輸出軸一起向左移動(dòng)，對(duì)箝位機(jī)構(gòu)C加正電壓信號(hào)時(shí)，會(huì)伸長壓緊輸出軸，可使運(yùn)動(dòng)停止。該類型尺蠖驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不產(chǎn)生振動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)范圍大，推動(dòng)式尺蠖壓電驅(qū)動(dòng)器也是目前唯一商業(yè)化的尺蠖驅(qū)動(dòng)器。
1975年，Bizzigotti和May設(shè)計(jì)第一個(gè)推動(dòng)式型的馬達(dá)。之后，Haraetal等人在1986年，以壓電疊堆為驅(qū)動(dòng)元件，設(shè)計(jì)仿照了Bizzigotti設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器開發(fā)了一種尺鑊壓電驅(qū)動(dòng)器，電壓工作范圍0-200v。1998年，F(xiàn)urutanital等開發(fā)的推動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器，采用了壓電陶瓷堆對(duì)直線動(dòng)子單側(cè)箱位，并用驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷堆驅(qū)動(dòng)直線動(dòng)子的方式，使驅(qū)動(dòng)器輸出性能穩(wěn)定，更實(shí)用。2005年，加拿大Concordia大學(xué)的J.Li研制的推動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器，采用特制的圓管狀壓電材料配合特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，3個(gè)柔性臂、2個(gè)支撐環(huán)及2個(gè)蓋片組成箝位機(jī)構(gòu)，如圖9所示，支撐環(huán)和蓋片將3個(gè)柔性臂合成一體，成120°對(duì)稱，將壓電疊堆的軸向變形放大為橫向變形，為了保持較大的接觸面積，柔性夾持臂上的凹槽與輸出軸嚴(yán)格配合，其箝位力為60N，載荷為55N。德國PI公司的直線壓電驅(qū)動(dòng)器已實(shí)現(xiàn)模塊化，可以將兩個(gè)單自由度的直線模塊組裝到一起，而實(shí)現(xiàn)精密的二維直線驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)器行程達(dá)20mm，速度達(dá)800um/s，分辨率小于0.1um，承受載荷達(dá)0.5kg。
國內(nèi)的推動(dòng)式壓電驅(qū)動(dòng)器研究狀況，2004年天津大學(xué)研制了一種基于步進(jìn)運(yùn)動(dòng)原理的大行程納米級(jí)步距壓電驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)壓電電動(dòng)機(jī)的連續(xù)勻速輸出，且位移是線性的，在驅(qū)動(dòng)電壓300v時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)12um/s，最小步距小于6nm，行程大于10mm，該驅(qū)動(dòng)器分辨率較高。清華大學(xué)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器，采用周向分布式杠桿放大柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行箝位，如圖10所示，整個(gè)輸出軸被箝位機(jī)構(gòu)抱死，輸出力大于30N，但結(jié)構(gòu)過大。清華大學(xué)1992年首次提出用電流變材料（簡(jiǎn)稱ER液體）來箝位的尺蠖驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)行速度為1.5um/s，負(fù)載為2.45N，該驅(qū)動(dòng)器箝位穩(wěn)定，磨損、沖擊的問題不明顯，無需高精密加工，但也顯示出一些不足，如輸出力小、響應(yīng)速度慢、受溫度影響大等。
4 直線壓電驅(qū)動(dòng)器研究中的關(guān)鍵技術(shù)
雖然壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)相比其優(yōu)勢(shì)明顯，其應(yīng)用也越來越廣泛，但是為進(jìn)一步推動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)器技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用，仍需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)，主要涉及結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)、構(gòu)件加工精度和控制方法等。
在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方面，由于壓電陶瓷的一些固有特性，如伸長量小，壓電疊堆的輸出位移僅為其本身長度的千分之一左右，通常不超過100um，這就對(duì)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)、壓電驅(qū)動(dòng)元件的加工精度等都提出了很高的要求，軸孔配合精度要求也很高，尤其是微小零件，加工工藝難度較大。可采用柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，柔性機(jī)構(gòu)能夠在一定程度上放大機(jī)構(gòu)輸出機(jī)構(gòu)的位移，但是輸出剛度和輸出力會(huì)減小。如何根據(jù)不同結(jié)構(gòu)類型需要，進(jìn)一步從動(dòng)力學(xué)角度改善柔性機(jī)構(gòu)的性能，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證剛度的情況下，盡量減小對(duì)輸出力和輸出精度的影響，是直線壓電驅(qū)動(dòng)器研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。
對(duì)于直接驅(qū)動(dòng)箝位機(jī)構(gòu)的尺蠖壓電驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)的性能受到加工精度的影響較大，法向作用力和摩擦系數(shù)決定了箝位機(jī)構(gòu)摩擦力的大小，對(duì)輸出軸與箝位機(jī)構(gòu)的接觸表面施加預(yù)緊或增加接觸表面的粗糙度均可增大摩擦力，但兩接觸面的自由移動(dòng)卻受限，因此一般保證兩個(gè)接觸面間隙在10um左右。一般，直接驅(qū)動(dòng)可比采用柔性放大的輸出力更大，盡管如此，壓電尺蠖驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)輸出力仍限制在200N左右，傳統(tǒng)的增大法向夾持力和接觸面積的方法無法滿足需要，因此，迫切需要研制提高摩擦力的方法或者更好的替代方案。
此外，箝位機(jī)構(gòu)除采用壓電疊堆箝位，還可采用其他新型材料，如利用電流變流體（ER流體）進(jìn)行箝位，ER流體能夠在電場(chǎng)作用下，瞬間、可逆的變?yōu)楣虘B(tài)，可利用ER變流體的該特性來實(shí)現(xiàn)尺蠖驅(qū)動(dòng)器的箝位功能，能克服現(xiàn)有壓電驅(qū)動(dòng)器的磨損和沖擊問題，無需高精密加工工藝，顯示出一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)；還可以采用MEMS技術(shù)在摩擦表面產(chǎn)生微齒，利用微齒的互鎖替代傳統(tǒng)的摩擦箝位，輸出力大，并且定位精度高，這類新材料或者結(jié)構(gòu)的尺蠖驅(qū)動(dòng)器應(yīng)引起關(guān)注，應(yīng)用前景廣闊。
另外，由于壓電陶瓷本身存在遲滯、蠕變、非線性等特點(diǎn)，以及考慮周圍環(huán)境（溫度、振動(dòng)等）、驅(qū)動(dòng)器構(gòu)件的加工誤差、孔軸配合精度等一系列因素對(duì)尺蠖壓電驅(qū)動(dòng)器的精度和穩(wěn)定性的影響，可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)器自身特點(diǎn)采用位移監(jiān)測(cè)裝置和相應(yīng)的控制方法。常用的位移監(jiān)測(cè)方式有電阻式、電感式和激光干涉式等，同時(shí)選用閉環(huán)壓電驅(qū)動(dòng)電源或者用閉環(huán)控制方法對(duì)其輸出位移進(jìn)行補(bǔ)償。
總之，在保證微精細(xì)加工和精密測(cè)試的基礎(chǔ)上，合理的壓電驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、控制及遲滯補(bǔ)償方法，都能夠在一定程度上尺蠖驅(qū)動(dòng)器的輸出精度、響應(yīng)頻率，從而改善系統(tǒng)的輸出性能。
5 結(jié)語
直線壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的領(lǐng)域十分廣泛，包括機(jī)械電子、生物醫(yī)藥、航空航天、精密光學(xué)等，極具發(fā)展?jié)摿ΓS著壓電驅(qū)動(dòng)器各項(xiàng)技術(shù)的突破，也必將在微驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。但是，綜合國內(nèi)外壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的研究現(xiàn)狀可發(fā)現(xiàn)，還尚缺乏對(duì)尺蠖壓電驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的研究，現(xiàn)階段大多只是進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能測(cè)試，由于受加工精度及其他一些關(guān)鍵技術(shù)的限制，研制出的樣機(jī)能商業(yè)應(yīng)用的很少，并且我國在這方面的研究與歐美、日韓差距較大，因此，對(duì)直線壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的研究任重而道遠(yuǎn)。
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