机械臂的设计方案

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机械臂的设计方案范文第1篇

[关键词]PLC；涂料机械手；系统设计

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）44-0114-02

0 引言

应用机械手代替人手进行工作，直接减少了很多的劳动力，同时由于机械手可以连续地工作，从某种角度上讲也是对人力资源的一种节省。因此，在综合加工自动生产线上，机械手变得随处可见。而本文设计的涂料机械手也使得生产自动化程度大大提高，而且也降低了工厂的成本，并且促进了生产线的柔性化或和集成化，更有利于提高产品的质量、数量和市场竞争力。

1 涂料机械手总体设计

1.1 涂料机械手的结构和工作原理

涂料机械手属于六个自由度和一个旋转的机械手。可以完成机械手转臂旋转、机械手主臂升降、机械手夹紧及松开工件和机械手转臂在卸料安装新料棒处停转6个自由度的运动。

该机械手属于气动机械手，其主要由固定支撑作用的主轴、主臂、横臂、转臂和夹紧器五部分组成。

具体工作原理是：从初始位置开始旋转

（1）A接近Y（定位）A执行涂料工艺动作；

（2）B接近Z（并定位）B执行淋沙工艺动作；

（3）C接近X（并定位）C执行装卸动作（完成一个动作的循环）。

1.2 涂料机械手工艺流程

本机械手有三个工位，分别为人工工位、涂料工位、淋砂工位。

人工工位是拆卸已完成的工件，安装新料棒，然后按下运行按钮。

涂料工艺动作：初始时，主臂上位，转臂在高位，一切到位后，转臂开始向低位转，主臂向下位运行，同时夹紧器旋转，20秒后，主臂到达下位。然后主臂向上运行，同时转臂向高位运行，20秒后，主臂到达上位。随后主臂向下，转臂向低，此时加紧器反向旋转，13秒后，主臂到达下位。然后主臂向上运行，同时转臂向高位运行，7秒后，此时，主臂、转臂到中间工位，旋转电机停止。完成一个循环。工艺流程图如图2所示。

2 涂料机械手硬件设计

在设计硬件电路时，主要用到的元器件是接近开关、电磁阀、减压阀、气缸。

本次设计采用的是三位五通带中位功能电磁阀。型号为4V330C-10。电压电流为AC220V，5.5A。每个臂2个，共用6个。三位电磁阀的阀芯有三个工作位置，平时不通电，处于微启状态，阀门关阀。阀门还带有手动装置，使得长期关阀时也不需耗电。其采用特殊工业加工，摩擦阻力小，启动气压低，使用寿命长，无需加油，附设手动装置，利于安装调试。三位电磁阀可视为一种结构更为紧凑的双联电磁阀，它很方便地实现三位调节，得到了很多应用。

本设计使用的是三线制直流型接近开关，每个臂6个，共12个。其型号为LJ12A3-4-Z/BX，NPN常开，工作电压为6-36V（DC），动作距离为4（2）mm，最大输出电流为300mA。其通电时所产生的电压降为0.3V左右，主要是输出晶体管导通时的晶体管本身所产生的电压降三线制“开关”静态消耗电流1-2mA。其中接近开关的引线长度在200米以内，以免电压压降过大。

3 涂料机械手软件设计

涂料机械手软件设计方案如下：

方案一：采用以转换为中心的编程方式。这种编程方式与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时，会有很大帮助。

方案二：使用起保停电路的编程方式。使用一些辅助继电器，虽具有易阅读和易差错修改的特点，但它存在着自保护触点，编写的程序复杂且较长。

方案三：采用STL指令的编程方式。STL指令（步进梯形指令）是专门用于步进控制的指令。使用该指令可以使编制顺序控制程序更加方、清晰、直观，而且易于调试和维护，且代码较短。

故本次设计采用的就是STL指令的编程方法，即步进顺控。状态转移图如图3所示：

4 结论

机械手控制系统采用PLC进行控制，大大提高了该系统的自动化程度，减少了大量的交流接触器和硬件接线，且提高了控制系统的可靠性。同时，使用PLC进行控制，可方便更改生产流程，增强控制功能。可以根据工件变化的需要及工艺流程的要求随时更改相关参数，实现控制系统的不同工作需求，也为教学和科研提供了比较理想的平台。

参考文献

机械臂的设计方案范文第2篇

关键词：挖掘机器人； 液压机械复合系统； 虚拟样机

挖掘机器人是机液一体化的机械装备， 对挖掘机的开发涉及到机械和液压等学科领域的技术。传统的物理样机开发模式存在开发周期长、成本高、修改困难等多方面的问题。应用数字化虚拟样机技术能有效地克服传统物理样机开发模式的缺陷， 加快产品开发速度， 节约开发成本， 为机） 液复合系统设计、产品复合性能评价提供了一种有效的手段。借此技术，工程设计人员可在建造物理样机之前， 在计算机上建立虚拟样机模型， 伴之以三维可视化处理， 模拟现实环境下系统的运动和动力特性， 并根据仿真结果对各种设计方案进行快速优化对比， 在设计早期就能确定关键的设计参数， 预测产品系统性能， 以减少产品开发阶段， 物理样机的试制、试验次数， 节省设计经费， 缩短设计周期， 提高产品质量及产品系统性能。

一、机械系统建模

利用三维实体建模软件Pro/ E 和机械系统动力学仿真分析软件ADAMS/View 联合建立挖掘机机械系统模型。

1.1 Pro/ E 环境建模与装配

机械系统模型的准确性是决定所设计的液压系统是否具有实用性的前提条件， 所以， 建立的机械系统模型应尽可能准确， 但考虑到仿真实时性要求， 模型在基本适合所要求工况的前提下还应尽可能简单。根据研究目的， 建模时将挖掘机结构进行了合理的简化和抽象， 按照是否存在相对运动（ 暂不考虑行走运动） 将挖掘机器人划分为： 转台1、动臂2、斗杆3、铲斗4、铲斗摇杆5、铲斗连杆6、动臂液压缸体7、动臂液压活塞杆8、斗杆液压缸体9、斗杆液压活塞杆10、铲斗液压缸体11、铲斗液压活塞杆12 共十二个大运动部件.

挖掘机三维实体建模包括所有零件的三维实体模型建立及整机装配。利用Pro/ E 特征选项里的拉伸、旋转、剪切、混合扫描等操作命令建立各零部件； 然后按照挖掘机工作装置的各零部件间装配与配合关系，对各零件的三维实体模型进行装配， 得到挖掘机整机的三维实体装配模型。

1. 2 机械系统模型从Pro/ E 传到ADAMS/View 中

ADAMS 提供了与Pro/ E 软件的数据交换接口Mechanism/ Pro， Mechanism/ Pro 是MSC 公司为ADAMS开发的与Pro/ E 软件的专用接口程序， 作为一个菜单，挂接在Pro/ E 环境中。该模块是连接Pro/ E 与ADAMS之间的桥梁。二者采用无缝连接的方式， 使用户不需要退出Pro/ E 应用环境， 就可以将装配完毕的总成传送到ADAMS/ View 中。利用该接口模块解决了ADAMS 环境中不易构建复杂模型的缺点， 使用户可以在其熟悉的CAD 中建立三维机械系统模型， 通过一个按键操作， 就可将数据传到ADAMS 环境中， 提高了工作效率。

三维实体模型进入ADAMS/ View 后， 各零部件之间是毫无联系地独立存在于ADAMS/ View 环境中。这种状态下即使全部零部件都已导入， 也不能构成一台具有现实意义的虚拟样机。只有在此基础上， 借助ADAMS 软件再添加适当的连接、载荷、运动约束和力等模型特性， 才能建立仿真模型即虚拟样机。动臂下铰点铰接在转台上， 利用动臂油缸的伸缩， 使动臂绕动臂下铰点转动， 依靠斗杆油缸使斗杆绕动臂的上铰点摆动。

二、液压系统建模

本文根据需要对液压油路进行了简化， 并按功能划分为结构相似的动臂、斗杆、铲斗、回转、行走五个工作回路. 挖掘机举升机构， 即动臂的液压工作回路， 其是简化的执行元件为液压缸的典型液压回路， 其它几个回路与此类似。当换向阀4 由中位移至左位（ 下） 时， 压力油经单向阀3 进入液压缸底部， 液压缸上腔里的液压油回到油箱， 活塞向上运动； 反之， 当换向阀4 由中位移至右位（ 上） 时， 液压油直接进入液压缸上腔， 使活塞向下运动， 从液压缸下腔流出的油通过阀6 回到油箱，如达到一定压力， 则向液压缸上腔补油。当换向阀处于中位时， 阀5 和阀6 均关闭， 活塞双向锁止， 动臂处于某一固定位置。以下为基于流体传动理论， 利用ADAMS 提供的数值算法和函数， 创建液压元件和液压系统模型的过程。

2. 1 压力源（ 泵） 及油箱

压力源是为整个液压系统提供动力的元件。根据液压系统的设计， 压力源的初始压力设为11. 4MPa。一般情况下， 液压系统工作时压力源的压力变化不大，故认为该压力为定值， 并将压力变化函数设置为与初始压力相同的数值， 即设为定值； 油箱被认为是一个很大容积的蓄能器， 压力可维持不变， 故油箱模型只需设置压力参数即可。

2. 2 方向控制阀（ 三位四通阀）

方向控制阀为整个系统的控制中枢。由操作人员直接控制， 实现液压缸的往复运动。所需设置的参数有阀芯的初始位置、阀开启及关闭所需的时间、阀的泄漏系数和因阀所造成的压力损失等。

2. 3 止回阀（ 单向阀）

止回阀在液压系统中起到正向流通， 反向截止的作用。对于止回阀来说， 需要设置关闭时阀芯两端的压力差及流量， 阀口心截面积变化率以及泄漏系数和响应时间等。

2. 4背压阀

背压阀在液压系统中主要起保压和稳压作用。在背压阀属性对话框中， 需要设置阀口流通截面面积变化率、阀口初始位置、阀的泄漏系数和响应时间等参数。

机械臂的设计方案范文第3篇

Abstract： The rescue robot control system design is for the design of mechanical broken arm and mechanical shearing arm， mainly realizing the pick-and-place， uniform and stable operation of the hydraulic system of mechanical broken are and mechanical shearing arm. The whole system is composed of hydraulic system and electric control system. The design of hydraulic system is portable， simple， reliable， efficient and scalable. It adopts parallel circuit control system without mutual interference， and it is stable. The user can accurately select micro hydraulic pressure， operation interface is convenient and easy to use. The system has the advantages such as simple， easy maintenance， low cost， novel originality. It is in line with the development trend of hydraulic system， has the very good use value and popularization.

关键词： 液压系统；电路控制；微操作；定量取值

Key words： hydraulic system；circuit control；micromanipulation；quantitative determination

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）11-0019-02

0 引言

地震救援除了需要人员以外，必要的辅助救援设备也是必不可少的。在这两次的救援中发现有一些救援不能靠人力或简单的设备完成，尤其是一些需要高强度剪切、高强度破碎、高冲击性打孔的时候，现有的设备无法完成这些工作，耽误了救援的时间，而大型设备因为体积庞大且运动缓慢，这给救援工作带来了很多的不便。地震多功能辅助救援机器人就是为了更好完成这项工作而设计。地震多功能辅助救援机器人主要采用小型液压循环系统，液压油循环后冷却可以连续不间断的使用，同时还设计了带有液压转换为风压的功能，可以很好地解决救援中救援风袋的使用。机械剪切臂和机械破碎臂在救援中都要进行微操作，保障救援的准确和避免救援的二次伤害，有必要对救援机器人的为操作液压系统进行设计。

1 设计方案

本系统主要由液压系统、机电一体化及控制系统系统组成，通过时间继电器控制耐酸泵的运行时间达到定量出液的效果，通过液压缸的运动准确定位。

设计中较多的使用标准化部件且不仅限于此的注重设备的通用性、可扩展性和与外部设备的可扩展性。

1.1 液压系统设计方案 液压系统由液压油罐、耐酸泵、单向阀、喷头、软管构成。各液压系统组件按照液压系统图安装，管件之间采用过盈配合。液压部件按照机架及摆杆的设计进行安装和固定。

液压缸部分：破碎臂、剪切臂液压缸采用大孔径液压管，入口部孔径略小于PE软管，使油液以连续流出的方式出液；风泵部使用小孔径，使风量均匀、稳定输出风量用于救援袋的使用。

液压系统与液压油接触部分材料均采用聚乙烯（PE）树脂。所用材料均符合国家相关标准[4]对于其技术及可靠性要求。

其他组件使用较耐高温、潮湿、腐蚀材料；泵体外壳完全密封，以适应恶劣环境中的使用。

1.2 机电控制系统设计

1.2.1 供电及控制电路设计 供电采用AC 220V / 50Hz 市电供电，机电一体化部分采用DC 12V作为工作电压。使用Out DC 12V稳压开关电源对供电电源进行处理，开关电源同时具有一定的宽容性，以保证系统在外部电网供电质量较差的环境下稳定工作和延长使用寿命。

阀控、泵控液压伺服系统的研究与应用[5，6]已较成熟。本系统控制电路采用3组互不干扰的并联回路，保证在某一组发生故障时，其他组可以继续稳定工作。同时并联回路的控制电路设计符合设备总体设计要求具有良好的可扩展性的要求。其表现为工作组数量可扩展和外部智能控制可扩展。

继电器的失效率对系统的失效有着重大的影响[7]，继电器的触点、电磁、机械等部分[8]均与电参数有关，因此使用精确定量控制OMRON DH48S-1Z型多段预置式限时继电器来。其电气控制精度可达0.01秒，控制范围最高可达连续工作99小时，性能、寿命均可达到设计寿命。

1.2.2 继电器安装与控制系统接线 Protel是众人熟悉的电子CAD软件[9]，使用Protel绘制。设计考虑设备的通用性以及部件故障替换的便捷，故继电器采用8孔国标PF083A露出型底座。继电器机身使用开放式安装，即保证必要的安装强度，又易于清洁与维护。

2 工作原理及性能分析

2.1 工作原理 液压油自重力注入油罐下部耐酸泵泵腔。

接通电源后通过按键输入所需液量与液压缸的对应时间。按下对应的开关按钮，计数器复位并开始计数，并同时接通耐酸泵电源。

耐酸泵工作，将液压油压入出液管路并冲开单向阀，液压油流至液压缸，经机械臂的运动实现规定的动作。

2.2 操作步骤

2.3 性能分析 根据对的测试、试验和使用体验。该装置完全实现设计要求和功能。

使用中达到了设计中要求的精确定量、液压缸微量动作。

设计采用了两个液面高度差：耐酸泵位于容器下方，耐酸泵可以靠液体重力和大气压力自动注液，实现“即装即用”；

耐酸泵根据设计和使用环境，间歇性工作，散热良好。电源设置散热外壳并接地保护，保障连续工作的稳定性和安全性。

装置整体设计寿命5至10年。内部组件机械寿命五百万次，电器寿命一百万次。液压罐可就实际使用情况进行清洁和更换。

3 结语

电路传动系统采用了OMRON时间继电器控制耐酸泵，精度可达0.01s，系统采用并联控制系统，继电器和耐酸泵都采用12V的电压等级，将220V电源电压降为12V，统一供电。

液压系统采用了两个液面高度差。耐酸泵位于容器下方，耐酸泵可以靠液体重力和大气压力自动注液；

本系统结构简单，便于操作，节约资源，动作准确。具有很高的经济效益和应用前景，应用推广价值巨大。

参考文献：

[1]葛正浩，梁金生，蔡小霞，等.SolidWorks 2008典型机械零件设计实训教程[M].北京：化学T业出版社，2008.

[2]徐格宁，孙占营，陶元芳.基于组件对象模型的Solidworks三维参数化建模方法[J].中国工程机械学报，2004，2（3）：263.269.

[3]吴文根.基于SolidWorks的产品设计专用系统的研究与开发[D].武汉：武汉理工大学，2007：13.

[4]中华人民共和国国家标准GB/T 1115―2009 聚乙烯（PE）树脂. 2009.

[5]Jen Y， Lee C. Robust Speed Contro l o f a pump ～ Contro lled M otor System [J]. I EEE proceed i ng D. 1992，139（6）：503-510.

[6]Thayer WJ . Redundant d lectrohydraulic servoactuators pumps [J].SAE 871863.

[7]万里浩.国外大电流断路器机构特点[D].中国电工技术学会低压电器专业委员会第十二届学术年会论文集，2005.

机械臂的设计方案范文第4篇

关键词：辅助变速器；改进设计；人机工程

中图分类号：S219.07 文献标识码：A

1 我国中小型拖拉机变速器和使用者关系的发展现状

以常州东风农机集团有限公司的304A型号的产品为例，自生产以来，拖拉机的操作变速机构就很少有进行改进设计和升级（如图1）仍然是采用纵置后驱的手动挡车型挡把直接与变速箱壳体相连接，且变速器设置在人机操作的次要位置（中间部位），从客观上来说，这种变速机构有自身的优点，简单的操作机构，生产商和使用者都得到了经济实惠，但是，作为使用者没有反馈，不能改变就只能去适应，因此，在我国，使用者一直在适应变速器的操作。

2 “东风304A”变速机构所存在的人机问题

2.1 变速箱操作挡把振动过大，导致操作手感疲劳度上升

以“东风304A”中小型轮式拖拉机变速机构为例，此类型车都是采用纵置后驱的手动挡车型挡把，直接与变速箱壳体相连，驾驶者往往会感觉到比较大的抖动，其原因是变速挡把通过拨叉直接与变速箱中央传动齿轮组刚性相接处，因此，发动机的振动（出厂数据36～41.6Hz）通过中央传动齿轮组直接传递到变速杆挡把上，造成操作挡把振动频率（约为发动机振动频率的1/3，8～14Hz）过高，从而导致操作疲劳度上升。

2.2 由变速杆上、下臂比值导致的换挡施加作用力过大

经测量“东风304A”变速杆上臂为L2=220mm，下臂为L1=80mm，比值为L2/L1=2.75，挂挡时作用力在F2=80～150N左右，而我国农用拖拉机的变速杆上、下臂的比值多在2.5～3.5之间，变速杆的最优操作力为20～140N，变速杆上下臂的比值增加使得操纵更省力，但引起变速杆顶端挡把手柄行程过大，一般变速杆顶端挡把手柄向前和向后的行程之和不超过120mm[5]。因此，这说明东风304A的变速杆上、下臂的比值2.75，相对来说比值较小，其主要原因是变速杆顶端手柄行程空间范围有限。

2.3 变速杆顶端手柄与操作界面缝隙狭小，挂前挡时容易对手指造成伤害

变速杆挂前挡为1挡，顶端手柄几乎与操作界面相接触，不够大拇指的缝隙（15mm），而挂前挡是个抬升变速杆挡把的过程，我们习惯性的握住手柄，大拇指都是在抬升一侧的上方，也就是手柄与操作界面间隙的一侧，因此，挂前挡时极容易对大拇指造成伤害。

2.4 该手柄的施力点不符合人机施力的最佳范围，挡把设置的位置不符合人机操作习惯，影响上下车

“东风304A”挂前挡是一个抬升变速杆的过程，挂后挡是个向后斜下压的过程，需要集中肩部和手臂的力量来挂后挡，相对挂档舒适性较差（如图2），测试过程中被测人员（长期从事拖拉机驾驶人员，测量人数为30人，操作舒适性测验调查研究）一致反映，若操纵杆能置于身体右侧，则位置最佳。但考虑到目前拖拉机具体结构，做试验时主要还是测量变速杆放在两腿中间的位置。被测人员还反映变速杆右置符合手的运动速度规律和习惯，同时，根据生物力学可知，杆向后移时驾驶员右臂肘部不应超出通过驾驶员肩部的垂直横向平面，否则驾驶员作用在杆上的力明显减小。

3 解决措施与辅助变速器的设计方案

3.1 解决措施

如果把变速杆设置在人右手一侧最灵敏、反应最快、用力更强的位置上，那就要改变变速箱的内部结构，很有可能还要改变传动结构，牵一发而动全身，这样工程量大大增加，成本倍增。因此，核心的解决措施就是将变速杆设置在右手活动最优的位置时，将投入成本控制在最低标准。

3.2 辅助变速器的设计方案

辅助变速器设计方案在使用方式上与普通机动车变速杆的使用方式相一致，仍然采用向前推杆、向后拉杆、左中右摆杆的形式进行挂档和排挡。挡位与“东风304A”之前设置的挡位和操作顺序相同，分为1、2、3、4、R（倒挡）5个挡位，可通过高低速挡把变换为4个高速挡和4个低速挡，前挂为2、3、1三个挡位，中间为空挡，后挂为4挡和R挡（倒挡）。前推杆挂2、3、1三个档位，左中右摆杆为左空挡、中空挡、右空挡，合称为一个空挡，后拉杆挂4和R挡（倒挡）（如图3）。

图3 辅助变速器原理图

3.3 辅助变速器设计

辅助变速器设计主要采用杠杆原理和曲柄滑块原理，采用杠杆原理主要是为了省力，采用曲柄滑块原理是确保前挂挡和后挂挡运动的实现（如图3）。黑色实线处于前挂挡状态，A点为变速杆挡把手柄，前推A点，使得B点驱动D点（助推滑动连杆）向前移动进行挂前挡。A、B、C三点所在的连杆是以C点为支点的杠杆，C、B、D三点间的关系是以CB为曲柄半径，连杆BD驱动滑块（助推滑动连杆）使得辅助变速器实现前、后挂挡。图3侧视图所示，是左、中、右空挡摆杆，由于D滑块（助推滑动连杆）处采用花键滑动连接或普通键滑动连接，可以使得助推滑动连杆随变速杆的左、中、右摆动而左右转动，灵活实现1、2、3、4、R（倒挡）挡的变换。在设计过程中，由于变速杆设置到右手操作最优范围内，变速杆顶端手柄的前后活动范围较大，经过测量，“东风304A”右手操控最佳作用力空间范围为：左右距离为220mm，前后距离为330mm。因此，变速杆上臂AC=L3可取320～340mm，下臂BC=L1可取90～100mm，上下臂比值在L3/L4=3.2～3.56，由于“东风304A”变速杆比值为L2/L1=2.75，挂挡作用力为F2=80～150N，因此变速杆的底端接触拨叉部位的受力为F4=F1=F2·L2/L1=80N·2.75～150N·2.75=220N～412.5N，而辅助变速杆的挂档作用力为：F3=F4/L3/L4=220N/3.2～412.5N/3.56=68.75N～116N，与原变速杆相比作用力减少F2-F3=11.25～34N。下面的助推滑动连杆前后滑动通过旋转铰链与主变速杆下臂顶端相连（如图3），为实现主变速杆的活动自由度，连接方式可采用多旋转铰链连接或球铰链连接，这样可以有力避免约束所产生的硬力。

4 结语

基于“东风304A”设计的辅助变速器，由于变速杆上下臂比值在3.2～3.56，使得挂挡时作用力大约减小11.25～34N，相对来说更加省力。其设置的位置在人右手一侧最灵敏、反应最快、用力更强的位置上，符合人的生理操作习惯，是右手操作最佳范围内，且不影响上下车。又因为辅助变速器是一个独立的操作机构，通过旋转活动铰链与主变速杆相连接，可将变速杆的垂直振动频率控制在4～8Hz以内，水平振动频率控制在1～2Hz以内，因此提高了操作舒适性，且不会因为挂挡时的缝隙对手指造成伤害，设计相对更趋于人性化，同时，将工程量压缩到最小，设计生产成本压缩到最低。

参考文献

[1] 洛阳拖拉机研究所.拖拉机设计设计手册[S].机械工业出版社，1994.

[2] 童时中.人机工程设计与应用手册[S].中国标准出版社，2007.

[3] 郑文伟，郑克坚.机械原理（第1册）[M].高等教育出版社，1996.

[4] 洛阳拖拉机研究所译.农林拖拉机国际标准译文集[M].洛阳拖拉机研究所印刷出版，1983.

机械臂的设计方案范文第5篇

关键词：STC89C52；电阻应变压力传感器；24位AD转换；硬币分拣

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.119

1 引言

硬币以其成本低，流通次数多、耐磨损、易回收等无可替代的优势将占领小面额货币市场是大势所趋。在目前国内的小面值货币流通的领域，硬币分拣大多为人工操作，生产率低，浪费劳动成本。部分采用机械式硬币分拣系统，具有系统体积庞大，成本高的缺点。

本文旨在设计以STC89C52单片机为核心的电子式金属硬币分拣装置能够快速清分不同种类的金属硬币，通过 LCD显示硬币种类数量，同时加入了语音播报功能，使得系统的具有智能化、人性化的特色。

2 系统设计方案

由于各个金属硬币重量不同（1角硬币3.2克，5角硬币3.8克，1元硬币6.1克），故系统使用电阻应变压力传感器，对于不同的硬币数值通过HX711芯片将动态变化的阻值进行AD转换，然后驱动步进电机旋转机械臂相应的角度，并通过电磁铁吸合金属硬币至指定出口槽，并通过LCD12864显示硬币类型及数量，以及语音播报。系统方案框图如1：

3 系统电路说明

（1）压力传感器及24位AD：压力传感器采用高精度电阻应变式压力传感器（750g），其主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，通过HX711芯片（24位AD）可以获得精度在0.1g的重量数值。为了尽量避免外界电磁干扰对24位AD转换数值的影响，选择带金属屏蔽罩的HX711芯片，实测情况良好。

（2）STC89C52单片机：该单片机是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线， 3个16 位定时器/计数器，5个中断源，1个全双工串行口，为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

（3）步进电机及驱动器：采用两相四线42步进电机，驱动电压12V，电流2A。采用THB6128步进电机驱动器，可以很方便实现对电机的正反转、停转、以及调速控制。通过拨码开关可以灵活调节细分数（8档）控制以及电机电流（6档）控制，使电机转动平稳、噪音小、震动小。

（4）蓝马语音模块：对分拣结果实现语音播报功能。

（5）电磁铁：与步进电机连接的机械臂连接，用于吸合金属硬币，旋转一定角度至指定金属币槽。电磁铁通过继电器控制其导通与关闭。

（6）LCD12864：4行字符液晶，可以显示汉字，带字库，用于显示分拣结果，包括币种、数量等信息。总电路图如2：

随机选择多枚1角、5角、1元硬币测量， 其结果如下：单种硬币测量：每种测量5次，每次20枚，共100枚，准确率100%；混合硬币测量：每种测量5次，每次20枚，共100枚，准确率99%，优化算法，可以达到99.9%以上。

4 结束语

本文所设计的电子式硬币分拣装置，摒弃传统的手工硬币分拣或机械式分拣，结合电阻应变压力传感器、24位AD转换器、步进电机、电磁铁等结构实现电子分拣硬币，具有体积小，识别速度快，识别率高等优点。同时具有分拣结果LCD显示、语音播报等实用功能，具有一定的市场应用前景。

参考文献：

[1]张毅刚.单片机原理及接口技术[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[2]单成祥.传感器理论设计基础及其应用[M].北京：国防工业出版社，2010.

机械臂的设计方案范文第6篇

关键词：校园餐厅；智能化；自动化

1 引言

食堂是学生学校生活必不可少的一个部分，但学校食堂就餐高峰期，打饭拥挤、排队时间长，随意插队，与打饭师傅发生争执等问题经常发生，一个整齐、有秩序的就餐环境，是每一位就餐人的心声。同时，由于食堂就餐人数多，食堂工作人员的劳动强度也非常大，不仅需要炒菜、盛菜，还需要收集、清洗使用过的餐具。因此，本文提出了一种校园智能餐厅的整体设计方案，通过智能化控制，结合互联网技术，就餐人员只要点好菜，坐在餐桌前，等待系统处理，饭菜就会通过自动输送系统，快速送到就餐者的面前。

2 整体结构设计

本文所设计的校园智能餐厅由就餐区域、配菜区域、输送系统、餐具清洗分拣系统、点餐系统、控制系统等组成。该校园智能餐厅的整体布局如图1所示。

本设计的具体工作原理是：就餐者通过点餐系统选择需要的饭菜品种，到达就餐区域选好位置后，控制系统在接收到就餐信息后，将座位号及点菜信息反馈给配菜人员，配菜人员根据信息进行配菜，完成配菜后，将餐盘放置在输送系统的传送带上，每一个餐盘都配有信息条，输送系统将每个餐盘送到指定的就餐位置，通过机械臂将餐盘从桌子底部抬升至桌面上，就餐完成后，餐盘通过传送带，经升降机构，输送至餐具清洗分拣系统，完成清洗分拣后，自动运送至配菜区域。

2.1 点餐系统

点餐系统利用互联网技术，使用App软件，通过后台服务器处理，完成点餐过程。就餐者使用手机App软件，登陆账号后，进入点餐界面进行点餐，并进行网上支付，到达餐厅后，随意坐下，扫一下桌面上的二维码，确认就餐，点餐系统接受信息后，发送配送菜信息至控制系统。

2.2 就餐区域

为方便餐具输送，提高输送效率和空间利用率，就餐区域的座位采用条状布置，每一个座位都有一个固定的编号，以方便餐盘的定点配送，所有的输送机构都布置在桌子内部及走道的暗槽内，实现人机分离，保证人员的就餐安全。

2.3 配菜区域

在配菜区域，工作人员根据控制系统反馈的配菜信息，将每一位就餐者选择的菜品进行装盘，每一个餐盘都配有信息条，用于餐盘识别。配菜区域空间采用封闭恒温布置，以保证食物的干净卫生。

2.4 餐具清洗分拣系统

该系统由碗盘分离、残渣收集、综合清洗、烘干消毒、循环使用五大机构组成。其中残渣收集机构采用螺旋式进给装置，利用重力原理收集残渣；综合清洗机构分为初洗、精洗、喷淋，最后自动运送装置将碗盘回送至配菜区域供循环使用。

2.5 输送系统

输送系统用于联系配菜区域、就餐区域以及餐具清洗分拣系统。输送系统由机架、传送带、换向机构、餐盘托举机构、餐盘回收升降机构等组成。

换向机构用于餐盘运送过程中的转向，在到达转向节点时，通过扫描餐盘上的信息条，确定目标桌位后，启动平行四杆式换向机构，平稳换向到目标桌位；餐盘托举机构通过机械臂将餐盘从桌子底部抬升至桌面上；餐盘回收升降机构则是在就餐结束后餐盘经传送带，运送到链条式升降机构，通过智能感应启动托臂机构托住餐盘，同时链条式升降机构下降，托臂机构打开，利用滚轴机构有序进入清洁分拣系统。

3 控制系统设计

3.1 控制系统总体设计

为了实现从点餐、配菜、传送至指定餐桌、餐盘自动回收清洗分拣、餐盘回送至配菜区的整个工作流程的自动化运行，本系统使用了可编程控制器PLC作为控制部件，它具有功能强、体积小、性价比高的优点。该控制系统配有后台服务器，用于处理手机App的信息，并将处理后的信息反馈至控制系统，控制系统根据反馈的信息进行相应的部件控制，该系统的控制流程见图2。

3.2 系统硬件O计

点餐系统采用互联网手机App软件点餐系统，需要配置一台服务器用于处理点餐软件的信息及费用支付；配菜区域，需要通过显示器实时显示每一位就餐者的菜单内容，对餐盘进行扫码，需要配置触摸屏及扫码器；餐具清洗分拣系统涉及到分拣、清洗、烘干、传送功能，需要配置电机、清洗水泵、加热器、鼓风机等；输送系统涉及到直线输送、转弯、抬升动作以及定位、扫码功能，需要配置电机、气动元件、位置传感器、扫码器等。

3.3 系统工作流程设计

以PLC为核心，根据接受的信息，驱动执行元件动作，完成智能餐厅的整个工作过程。根据该工作过程，设计了系统的工作流程，如图3所示。

机械臂的设计方案范文第7篇

关键词：轮胎机械手 ADMAS 工作原理 动态仿真

随着矿山设备的发展，矿用车辆轮胎机械手也不断更新发展，逐渐向大型化，自动化方向发展，这给轮胎机械手的设计带来了诸多的挑战和难题。设计一种能够代替人力，操作简单，安全实用，适用于大型轮胎拆装、搬运需求的设备成为当务之急。这有利于提高生产效率，降低劳动强度，保证作用安全。研究表明85%的轮胎机械手的破坏发生在连杆机构，这种破坏主要是连杆机构在动态载荷下发生的疲劳失效或者应力屈服破坏。为了解决轮胎机械手连杆机构的破坏难题，本文将对该连杆机构进行动态应力仿真，考场连杆机构在动态载荷的作用下连杆所发生的变化，并提出连杆机构的优化设计方案。

1、轮胎机械手发展状况

国外的轮胎机械手的发展已经十分成熟。第一台轮胎机械手由美国佩蒂伯恩公司生产的Super 20型轮胎夹装机，该机械手具备更换运输卡车和重型设备轮胎的作用，还可以当做叉车使用；该设备显著的特点是高效，大量减少劳动量。改型轮胎机械手主要由以下几个部分组成：前伸式夹持装置，四轮驱动装置，四轮空气制动装置和一台GM型柴油机组成。该装置的最大夹持承载能力在伸出时为4309kg，缩回时为6804kg，夹持装置能够向两侧转动45°，叉架能够左右移动127mm，以准确完成轮胎的定位。此装置能够平稳的夹起轮胎，并将轮胎准确的定位在轮毂螺栓上。

同国外相比，国内轮胎机械手发展起步比较晚，还处于生产小型轮胎拆装机阶段，对于大型轮胎拆装设备的研发还很少。广西柳工集团生产的ZL40B型装载机，使用规格为20.5-25的轮胎，充气后质量为0.4t，最大直径为1.55m。该型装载机的工作机构可以完成动臂的提升和铲斗的旋转动作。拆下铲斗，在动臂斗销的位置上安装水平放置的两只夹持臂。两只夹持臂由液压缸提供动力，可以实现张开和闭合动作。这样，装载机自身动臂的提升、铲斗的旋转外加夹持臂的开合动作就可以满足轮胎拆装的需求，具有操作方便、结构简单、安全可靠等优点。

2、ADMAS软件的介绍

ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

3、轮胎机械手结构组成

轮胎机械手的主要功能是实现矿山大型车辆轮胎的拆装和搬运。动力源为液压缸，并要求液压动力在适当的荷载下运作，才能使液压工作件高效、平稳、准确的完成液压元件的各项操作动作；而且液压动力源的各项操作可以通过电液伺服控制技术使提高该系统的自动化控制水平。轮胎机械手可以安装在装载机或叉车上，利用装载机和叉车可以将物体举高的现有动作实现垂直地面方向的移动，轮胎机械手自身可以完成对轮胎的夹持、水平移动和两个方向的翻转动作以满足大型轮胎的拆装和搬运过程中所需的各种动作。轮胎机械手执行机构大致由手盘、手臂、转动架、平动架和固定板组成。

4、轮胎机械手工作原理

轮胎机械手的执行是通过手臂上的两支液压缸的伸缩，产生一定的夹紧力同时对两支手臂同步完成手臂的张开和闭合动作，其中最大的夹紧重量为5900kg，夹持距离为1092mm~4060mm；另外手臂上的手盘能够在360°的范围内带动负载以额定转速旋转，旋转力矩和要求转速由安装在手臂的液压马达经过减速器产生，要求旋转过程不能发生打滑现象；同样转动架以2r/min的转速旋转360°，且旋转所需的力矩是由安装在平动架上的液压马达提供；而平动架在水平左右移动所需的动力又安装在平动架和固定板之间的平动液压缸提供，并且可以在300mm的范围里移动；最后，整个装置由固定板安装在装载机或叉车上。

5、动态应力仿真

由研究表明，85%的轮胎机械手主要在连杆机构处发生破坏，而破坏的原因主要是因为动载荷受力不均匀，导致连杆机构疲劳失效和破坏。针对连杆机构的在动载荷下的破坏，探究杆件在受到动载荷时杆件的应力情况。动态应力仿真的步骤是：首先建立轮胎机械手的虚拟样机模型；然后导入到动态分析软件ADAMS中，对样机模型进行约束、驱动使模型模拟整个机械手的运动；最后在ADAMS中记录模型在受到动载荷下，模型的运动状况以及杆件所产生的动态应力。

通过动态软件ADAMS仿真可以直观的轮胎机械手的动作过程，通过修改参数可以看出该机械手的连杆机构在不同载荷下所受到的动应力，根据该动应力的情况设计合理的连杆机构，同时对改进轮胎机械手提供了依据。同时仿真模型和运动过程参数可以为整个机构的优化提供理论依据，继而为快速、准确方便的设计和制造物理样机奠定基础。

同国外相比，国内轮胎机械手发展起步比较晚，还处于生产小型轮胎拆装机阶段，对于大型轮胎机械手的研发还很少。主要原因是国内轮胎机械手的设计中，很少考虑连杆机构在动态载荷下的应力变化情况，在对轮胎机械手的改进和研究过程中我们要充分考虑动态载荷情况，根据动态载荷运用动态仿真软件来模拟其实际情况，这样能节约成本，缩短开发周期。

参考文献：

[1]冯亮,孔德文,孙建军.轮胎机械手动态应力仿真研究[J].煤矿机械, 2011 ,07 .

机械臂的设计方案范文第8篇

一、引言

在挖掘机结构设计中，特别是设计具有运动功能的工作装置，除进行一般的强度分析外，还必须考虑运动机构的完整性、几何运动的兼容性及动力作用的可靠性。挖掘机结构件的重量占整机重量的60%～80%，因此，挖掘机结构优化设计对其减轻机重、降低成本、提高可靠性和作业效率，都有着重要的意义，特别是工作装置，针对这种具有运动能力的结构件设计，可靠性分析以及优化显得尤为重要。

二、挖掘机工作装置

挖掘机工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗以及动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸组成。该机构在某种特定的条件下完成铲斗的挖掘和卸料、斗杆的收放和动臂的收放等功能，具有不同工作状况，在此类部件的结构设计中，除了满足结构强度和刚度的要求外，还应满足以下要求。

（1）考虑运动机构的完整性。要使机构在特定的条件下能够成为几何可变的结构，这就要求结构中的构件连接轴间要配合恰当，以保证在提供的连接约束条件下实现其几何可变模式。

（2）保证几何运动的兼容性。在机构完成全部功能的各个历程位置，既要确保本结构之间互不干扰，还要保证与其它结构之间也互不干扰，这样才有可能实现各历程位置的结构功能。

（3）保证动力作用的可靠性。由于运动机构是在不同作业状况下完成不同的功能，即机构是随时处于运动状态中的，因此要考虑结构构件惯性力的作用，进而再进行静力和动力的强度分析。

三、工作装置设计的工作流程

使用SolidWorks进行挖掘机工作装置设计的主要步骤：参数化实体建模结构件装配机构分析结构件强度分析生成工程图，根据机构分析的结构细化实体模型，再由结构强度分析的结果进一步修改实体模型，直到获得满意的结果。

1.参数化实体建模

工作装置是通过板材下料焊接而成，如果从零件建模开始进行装配，很难达到理想的效果；因此在进行建模时建议使用布局法进行自顶向下设计。首先进行结构搭建，然后参考布局完善模型建模。

2.结构件装配

在装配过程中首先添加底座并固定其位置，这里需要注意坐标系的建立和选取，最好和系统坐标系保持一致，这样便于对分析结果进行处理，然后添加其它零部件。其它零件在装配时根据功能添加相应的连接约束，从而限制相应的自由度。装配过程的所有设置都可以在以后的分析中反复修改并实时观看修改结果，也可采用添加多种配置的方式将不同的修改结果保存在装配体中。在装配过程中可以进行干涉检查和模型分析。

3.机构分析

装配连接后转入机构分析模块：SolidWorks Motion。在机构分析中设定零部件之间的运动范围、参照及相对位置等，以限制它的运动，更好地模拟实际工作状况。机构的运动是靠主动件的驱动来实现的，这里的驱动主要是通过添加马达来实现的，马达可以控制一个构件在一段时间的运动状况，马达分为旋转马达和线性马达，根据构件运动的不同选择相对应的马达类型。马达的各项参数可以设定并根据需要进行修改。在工作装置仿真中，需要为动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸添加马达，并按照需要设定其运动参数，主要是油缸的行程参数和运动时间顺序。

4.结构强度分析

当机构分析获得系统静态和动态载荷后，就可以确定其典型工况下的受力情况并进行结构的强度分析。这里主要应用SolidWorks Simulation结构分析模块，如图6所示。具体步骤是：创建算例应用材料添加约束施加载荷划分网格运行分析分析结果。

5.生成工程图

经过以上步骤的反复分析，得到满意的工作装置结构设计后，就可以应用SolidWorks软件的工程图功能生成工程图了。