外文翻译--带式输送机技术的最新发展中文版

桂林电子科技大学毕业设计（译文）用纸 第 23页 共24 页带式输送机技术的最新发展M. A. AlspaughOverland Conveyor Co., Inc.MINExpo 2004拉斯维加斯, 内华达州，美国 ，9，27, 2004摘要粒状材料运输要求带式输送机具有更远的输送距离、更复杂的输送路线和更大的输送量。为了适应社会的发展，输送机需要在系统设计、系统分析、数值仿真领域向更高层次发展。传统水平曲线和现代中间驱动的应用改变和扩大了带式输送机发展的可能性。本文回顾了为保证输送机的可靠性和可用性而运用数字工具的一些复杂带式输送机。前言虽然这篇文章的标题表明在皮带输送机技术中将提出“新”发展，但是提到的大多思想和方法都已存在很长时间了。 我们不怀疑被提出一些部件或想法将是“新”的对你们大部分人来说。所谓的“新”就是利用成熟的技术和部件组成特别的、复杂的系统； “新”就是利用系统设计工具和方法，汇集一些部件组成独特的输送机系统，并解决大量粒状原料的装卸问题；“新”就是在第一次系统试验(委任)之前利用日益成熟的计算机技术进行准确节能计算机模拟。同样，本文的重点是特定复杂系统设计及满足长距离输送的要求。这四个具体课题将覆盖： l 托辊阻力l 节能l 动力分散l 分析与仿真节能减小设备整体电力消费是所有项目的一个重要方面，皮带输送机是也不例外。 虽然与其他运输方法比较皮带输送机总是运输大吨位高效率的手段，但是减少带式输送机的功率消耗的方法还是很多的。 皮带输送机的主要阻力组成部分有：l 托辊阻力l 托辊与皮带的摩擦力l 材料或输送带弯曲下垂引起的阻力l 重力这些阻力加上一些混杂阻力组成输送材料所需的力。在一台输送长度400米的典型短距离输送机中,力可以分为如图1所示的几个部分，图中可以看出提升力所占比例最大，而阻力还是占绝大部分。 图1在高倾斜输送带中如矿用露天倾斜输送带，所受力可分解为图2所示的几个部分，其中提升力仍占巨大比例。由于重力是无法避免的，因此没有好的方法减少倾斜式输送机所受力。 图 2但是在长距离陆上输送机中，所受力更趋向图3所示的几个部分，不难看出摩擦力几乎是所受力的全部。这种情况下考虑主要受力才是最重要的。 图 3力量演算具体是超出本文的范围之外，但是值得一提的是，在过去几年对所有四个区域橡胶凹进、对准线和材料或者传送带弯曲等方面的重要研究都在进行。 并且，虽然在处理每特定区域时大家有不同意见，通常对整体项目经济是必要和重要的是被大家被接受的。在2004个SME年会上，MAN Takraf的Walter Kung介绍了题为“Henderson粗糙矿石输送系统回顾组装、起动和操作”2。 这个项目在1999年12月被实施并且包括一个24公里(3飞行)陆上转达的系统替换地下矿碾碎路轨货车使用系统。 图4 Henderson PC2到PC3调动站最长的传动机在这个系统(PC2)是16.28公里长与475m升距。最重要的系统事实是提供的功率(4000千瓦在1783 mtph 和4.6 m/s)的50% 被要求用来转动一条空载的带子，因此输送系统的效率是很重要的。需密切注意托辊、传送带盖子橡胶和对准线。用文件说明有关的效率的差别是的一种方法， 使用相等的摩擦系数f的22101标准定义作为比较主要抵抗的总数的另一种方法。过去，象这样典型输送装置的综合设计噪音系数大约是0.016f。MAN Takraf正估计他们对力的敏感达到到0.011的f，超过30%的削减。这在减少设备建造成本上做出了重大贡献。通过六次的实际动态测量显示价值是0.0075，甚至比期望值低30%。 Kung先生强调这将在仅仅用电费用一项上每年减少费用10万美元。 线路优化图5 中国天津水平适应性当然最高效率的材料运输方式是从一点到下一点的直线输送。 但是，由于自然和认为障碍的存在，我们在长距离输送过程中直接直线输送的可能性越来越小。第一台水平弯曲输送机已在很多年前安装使用，但它今天似乎关于安装的每台陆上传动机在方向至少有一个水平变化。并且今天的技术允许设计师相对地容易地调整这些曲线。 图5和图6显示的是把煤从蕴藏地运输到中国天津港口管理处的陆上输送装置。这套运输机由E.J. ODonovan & Associates设计，由 Continental Conveyor Ltd of Australia 公司承建，长达9千米的输送距离4台1500千万电机驱动运输能力达6000 mtph 。 图6 天津输送线平面图Wyodak矿位于美国怀俄明州粉河流域，是记录中最古老的连续经营的煤矿，自1923年运营至今。它一般运用坡面(图7)从新的矿坑到装置756m (2,482 ft)与700m (2,300 ft)水平的半径。 这表明由于水平轮的应用输送机不需要设计太长3。 图7 Wyodak 煤矿隧道式如通过没有水平曲线线路，另一项产业，隧道挖掘，就不能使用带式输送机了。 隧道就想象废水和运输那样的基础设施在全世界有。 移动隧道粪肥的最有效率的方法通过把推进的输送装置和隧道机器的后部连结起来。但是这些隧道极少是直的。 这里有一个例子，西班牙10.9m直径隧道的在巴塞罗那之下作为地铁(火车)引伸项目一部分。大陆输送机机有限公司安装了前4.7km传动机如图8和9所显示和最近接受合同安装第二台8.39公里输送机。 图8 巴塞罗那隧道平面图图 9 隧道内部另一个例子， 肯珀建设边境时，建设一个直径3.6米长6.18公里的隧道作为大都市圣路易斯的下水道区。鲍姆加特纳隧道(图10)将装有600毫米宽的用4个中间运动用带子系住的6.1 公里输送装置。图10 鲍姆加特纳隧道平面图管状输送装置如果常规输送机不能满足必须的输送要求，带式输送机的一种管状输送机会是不错的选择。 图11 管状输送装置它最简单的描述，管状输送机就是由管状橡胶管和空转辊组成。这种设计具有其他传送方式的优点，更有自己的特点。托辊可以在各个方向传力允许更复杂的曲线输送。这些曲线可以是水平或垂直或混合形式。这样的输送机输送带与托辊之间的重力和摩擦力保证原料在输送管道内。 图12管状输送机的另一个好处可以输送粉状原料并且可以减少溢出浪费，因为材料是在管道内部。一个典型的例子是环境效益和适应性特好的美国犹他州地平线矿（图12）。这个长3.38公里的管状输送机由ThyssenKrupp Robins 安装通过一个国家森林并且横断了22个水平段和45个垂直段。Metso 绳索输送机另一种由常规衍变来的是Mesto 绳索输送机（MRC），通常以缆绳传送带著名。这个产品以长途输送著名，在距澳大利亚30.4公里的沃斯利铝土矿上应用的输送带是最长的单个飞行输送机。在钢绳输送机上，驱动装置和运载媒介是分离的。 图13 MRC-平直的部分这种驱动与输送装置的分离允许输送有小半径的水平弯曲，这种设计优于根距张紧力和地势的传统设计。图14 MRC与常规输送机水平曲线的不同图15 位于加拿大 Line Creek的MRC图15显示的是位于加拿大Line Creek河畔的一条长10.4公里水平半径430米的缆绳输送带立式输送装置有时材料需要被提升或下降而常规输送机被限制在1618度附近的倾斜角度内。但是带式输送机的非传统衍变不管是在增加角度还是平直方面都是相当成功的。 大角度输送机 第一台大角度输送机由Continental Conveyor & Equipment Co.公司生产，非常利用常规输送机零部件（图16）构成。当原料在两条带子之间输送时，被称为三明治输送装置。 图16Continental 公司的第100套大倾角输送装置采用独特的可平移式设计，作为Mexican de Canenea的堆过滤垫（图17）。 图 17垂直式输送装置第二种立式输送装置展现的是一种非常规的带式装置，它可以实现垂直输送（图18）。 这种Mesto 垂直输送机，2001年由Frontier Kemper 安装在白县煤矿Pattiki 2矿（图19），将煤由273米深的矿井输出并达到1,818 mtph的输送能力。 图18图19 Pattiki 2矿动力分散 在最近过去的一段时间里，一种最有趣的发展是电力沿输送道路的分配。看到输送机驱动装置安装在收尾末端，让尾端驱动完成输送带的拉紧输送工作。但是现在的发展观念是把驱动安装在任何需要的位置。 在带式输送机上多个位置安装动力源的想法已经存在很长一段时间了。第一次应用是1974年安装在美国Kaiser煤矿。紧接着是在地下煤矿中得到应用，而且长臂开采法也越来越体现它的优越性。采矿设备的效率和能力也得到巨大改善。矿工们也开始寻找大的矿区从而减少移动大型采矿设备的次数及时间。矿井宽度和矿井分格长度都得到增加。 当矿井分格长度增加后，输送问题开始出现。接近4-5千米的输送长度所需要的电力和输送带的强度比以前地下煤矿需要的大很多。问题是大号的高电力驱动装置安装及移动困难。虽然胶带技术能够满足胶带所需强度要求，它意味着需要比钢铁更重要的强度及加硫处理。由于长臂开采法的盘区传动机经常推进和后退，矿工需要经常增加或取消滚筒的正传与逆转。而且硫化结合需要长期维护以保证强度，因而失去的产品生产时间在一个完全盘区中是很严重的。现在需要超过风险，并且中间驱动的应用限制了输送带的伸长及张紧这样就允许纤维胶带在长距离输送机中应用。 现今，中间驱动技术被很好的接受并越来越广泛的应用于地下煤矿中。世界范围内的许多矿把这项技术整合到现在和未来矿业计划当中来增加他们的整体采矿效率和效益6。表20所示的张紧图显示了中间驱动的重大好处。这种平面前驱的输送机有简单的皮带张力分布如黑色线条所示。虽然平均皮带张力在每个周期期间只约为最大值的40%，但必须围绕最大估量值附近。黑色线条的急剧回落表示顶头滑轮要求的总扭矩和力量来启动输送机。 将受力分解到两个地点（红线），当总功率基本相同的情况下，皮带张力差不多减少40%。因此更小的输送带和更小的电源组可以得到运用。为了进一步扩展这种方式，增加第二中间驱动（绿线），皮带峰顶张力进一步下降。 隧道产业也迅速采用这种技术并且把这项技术提高到更好的水平，更复杂更先进。但挖隧道最需要的是水平曲线的进步。 通过中间驱动（图21）的一种应用例如Baumgartner 隧道如前图10所描述，皮带张紧力可以通过在重要的地点安装战略驱动来控制，从而实现输送带的小曲线换向。 图20图21在图22中，绿色投影区域代表弯曲结构的地点。蓝色线条代表输送带运载面，粉红色线条代表输送带返回面。可以发现在弯曲半径最小750米时输送带运载面和返回面所受张紧力均达到最小。 图22尽管到目前为止，这项技术陆上输送机中没有广泛的应用，一些倾向于水平曲线的技术却得到发展。图23显示了南美洲的一条长8.5千米硬岩层输送带，它需要4个中间驱动来实现4段2000米半径的曲线转向。 图23 平面图图24显示在弯曲段有与没有驱动时输送带的张紧力比较。分散驱动的优点在MRC缆绳输送带中也得到应用。然而张紧运载的绳索有别于负载传送带，安装中间驱动更加容易，输送的原料不用离开运载输送带的表面。张紧运载的绳索与输送带分开足够的距离，便利在安装中间驱动后继续工作。图24 张紧曲线分析与仿真许多人在争论我们建造以上描述的复杂输送机的能力时，归因于许多分析和仿真工具的发展。组件制造商可以通过测试他的产品以保证符合规格；然而系统工程师很少能测试完成的系统，知道它在站点完成。所以计算方法和工具在模仿各种各样不同学科和组分上的作用是绝对重要的。 动态开始和停止当进行开始和停止试验时，假设所有的质量单元同时加速；也就是把输送带看做一个刚体（非弹性体）。实际上，推进扭矩通过滑轮产生的压力波传递给输送带，并通过压力波的传播带动输送带运行。压力在输送带上传播时发生由阻碍输送带运行的阻抗产生的纵波引起的变化。7从1959开始许多出版物都指出弹性输送带的大输送量、长距离输送机在停止和启动时会导致传动装置、驱动装置、张紧装置的选择等错误。对弹性瞬变响应的疏忽可能导致不精确的后果： l 输送带最大压力l 滑轮上的最大压力l 输送带的最小压力及原料泄漏l 提升压力要求l 提升行程和速度要求l 驱动轮 l 启动转矩l 制动转矩 l 各驱动间的负载分担 l 原料在斜面上的稳定性为了长期应用，通过数学模型对弹性输送带在开始和停止时的状态进行模拟是非常重要的。 一部完整输送机系统的模型可通过划分输送机为一系列的有限元素来实现。每个元素由一个质量和一个流变弹簧组成，如图25所示。 图 25许多分析输送带无力性能的方法都在研究，如把它看做一个流变弹簧，而且大量的技术也被用来这方面的研究。一个合适的模型需要包含以下几个方面： （1）传送带纵向拉伸量的弹性模数（2）对从属运动的阻抗（3）凹陷处的粘弹性损失（4）由于输送带的下垂引起的输送带模数变动因为纯数学解决这些动态问题是非常复杂的，它的目标不是详述基础的动态理论分析。相反，它的目的是让长距离输送、水平弯曲、分散驱动在输送机上更普遍，对传送带停止和开始进行弹性动态分析的重要性是开发适当的控制算法。 转运站的质流运用中间驱动和链板输送能长期使用的一个原因就是消除转运站。许多最困难的问题在带式输送机装货和卸载附近集中。传送溜槽通常选在输送机高效维护区域，同时重大生产风险在这里集中。 l 堵塞l 输送带和滑道损伤和磨蚀物质退化 l 粉尘l 装货/溢出偏心过去，没有分析工具，反复试验和经验是设计工程师唯一可用的设计方法；现在，数值仿真方法的存在允许设计师在制造之前测试他们的设计。 数字仿真是根据一个实际的物理系统设计的模型，并在计算机上模拟和分析结果。仿真体现在实践中学习的精神。为了了解现实及其复杂性，我们在计算机上建立虚拟物体并动态的观察它们间的相互作用。 分离元素法是解决工程学和应用科学如粒状材料流等不连续的机械行为问题的一种数字模拟技术。值得注意的是，由非连续行为引起的行为不能依靠传统基基于计算机的连续流塑造方法例如有限元素分析、有限差规程和甚而计算流体动力学(CFD)的来进行模拟。 DEM系统模仿每个部件或微粒的动态行为和机械互作用，并提供分析期间每个部件和微粒的位置、速度、和力量的详细描述。8 在分析过程中，微粒被塑造成有形状的物体，这些物体之间及于界限表面、运载表面互相作用，这些物体接触和碰撞形成他们之间法向、切向力. 正常接触分力在碰撞过程中引起一个线性有弹性恢复的组分和一个粘阻力来模拟能量损失。线性有弹性组分系数根据自身属性确定，正常粘滞系数可以根据一个等效恢复系数的弹簧来塑造（图26）。 图26图27显示颗粒下落通过传送带溜槽。图示中颗粒的颜色代表他们的速度。红色代表零速度，而绿色代表最高速度。也许这些工具的最大好处就是一位老练的工程师能通过形象化表示设计施工前有个行像的表现。有了这个形象的感觉在施工过程中可以尽量减少不必要的工作。 其他定量数据也可能被隐藏包括在输送带或滑道墙壁的冲击和剪切力。 图27前景更大的带式输送机本文提到了一台最长的唯一飞行常规输送机，长16.26公里的Henderson PC2。但一台19.1公里的输送机在美国正在建设中，并且一台23.5公里的飞行式输送机在澳洲被设计。其他长30-40公里的输送机在世界其他地区讨论研究。当定量凹进的方式为人所知，输送带制造商开发了低辗压抗压储力10-15%的橡胶输送带。与改进的设施方法和对准线一起作用，节能是可以实现的。地下煤矿和隧道承包商将继续使用已经证明对他们有好处的分散驱动方式；至少有两种在表面输送机中安装中间驱动的输送机在2005年运行。在德国，RWE Rheinbraun 使煤矿用输送机输送量达到30,000 tph ，并且其他表面煤矿也在有计划的接近这个输送量。随着输送两的增加，输送带的速度也在增加，这样就要求更好的设备、工艺公差、阻力和动力分析。我们希望输送机能够更远、更宽、更高、更快，采用所有分析工具来分析系统性能。因为每台输送机都是独特的，我们唯一的预见方式就是外面的数据分析和模仿工具。因此由于外面的目标越来越大，我们有必要改进设计工具。 机械手简介机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业 机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构 造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业 的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 随着工业自动化的发展, 出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时, 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序, 通常仍采用人工操作或 传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低; 后者因设计复杂, 需较 多继电器,接线繁杂, 易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问 题。可编程序控制器 PLC 控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、 具有较强的抗干扰能力, 保证了系统运行的可靠性,降低了维修率, 提高了工作效 率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术 和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手的概述 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多 个自由度， 可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 在工资水平较低的中国， 塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子 和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现 在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开 始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及为工人 交工伤费带来的挑战。 随着我国工业生产的飞跃发展， 特别是改革开发以后， 自动化程度的迅速提高， 实现工件的装卸、转向、输送或操作钎焊、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作 业自化，已愈来愈引起我们重视。 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、 搬运或操作的自动机械装置。 在现实生活中，你是否会发现这样一个问题。在机械工厂里，加工零件装料的 时候是不是很烦的，劳动生产率不高，生产成本大，有时候还会发生一些人为事故，导致加工者受伤。 想想看用什么可以来代替呢， 加工的时候只要有几个人巡视一下， 且可以二十四个小时饱和运作， 人行吗？回答是肯定的， 但是机械手可以来代替它。 生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率;可以减轻劳动强 度、保证产品质量、实现安全生产；尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易 爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中能够代替人进行正常的工作。想到这里我就 很想设计一个机械手，来用于生产实际中。 为什么选着设计机械手用气动来提供动力：气动机械手是指以压缩空气为动力 源驱动的机械手。用气压驱动与其他能源驱动比较有以下优点：1.空气取之不竭， 用过之后排入大气，不需要回收和处理，不污染环境。 （环保的概念）2.空气的沾 性很小，管路中压力损失也很小（一般气路阻力损失不到油路的千分之一） ，便于 远距离输送。3.压缩空气的工作压力较低(一般为 48 公斤/每平方厘米)，因此对 动元件的材质和制造精度要求可以降低。 4.与液压传动相比， 它的动作和反应都快， 这是气动突出的优点之一。5.空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞。但是也 有它美中不足的地方：1.由于空气的可压缩性，致使气动工作的稳定性差，因而造 成执行机构运动速度和定为精度不易控制。2.由于使用气压较低，输出力不可能太 大，为了增加输出力，必然使整个气动系统的结构尺寸加大。 用气压驱动与用其他能源驱动比较有以下优点： 空气取之不竭，用过之后排入大气，不需回收和处理，不污染环境。偶然的或 少量的泄漏不致对生产发生严重的影响。 空气的粘性很小，管路中压力损失也就很小，便于远距离输送。 压缩空气的工作压力较低，因此对气动元件的材质和制造精度要求可以降低。 一般说来，往复运动推力在 12 吨以下采用气动经济性较好。 与液压传动相比，它的动作和反应都快，这是气动的突出优点之一。 空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞。 它可安全地应用在易燃、易爆和粉尘大的场合。又便于实现过载自动保护. 二机械手的组成 机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形 式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。 1. 执行机构 机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的 元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支 撑手臂，也可以根据需要做成移动。 2. 传动系统 执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压 传动、气压传动和电力传动等几种形式。 3. 控制系统 机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进 行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控 制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作动作复杂的 机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。 三 机械手的分类和特点 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立 的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的 操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机 械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过 操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工 业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动 机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为 “Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序 一般是固定的，因此是专用的。 主要特点： (1) 机械手（上下料机械手、装配机械手、搬运机械手、堆垛机械手、助力机 械手、真空搬运机、 真空吸吊机、省力吊具、气动平衡器等）。 (2) 悬臂起重机（悬臂吊、电动环链葫芦吊、气动平衡吊等） (3) 导轨式搬运系统（悬挂轨道、轻型轨道、单梁起重机、双梁起重机） (4) 工业机械手的应用 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域 内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知 疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门 的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如： (1) 机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 (2) 在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机 械行业中它可以用来组装零部件。 (3) 可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。 (4) 可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。 (5) 宇宙及海洋的开发。 (6) 军事工程及生物医学方面的研究和试验。 助力机械手:又称平衡器、平衡吊、省力吊具、手动移载机等，是一种无重力 化手动承载系统，一种新颖的、用于物料搬运时省力化操作的助力设备,属于一种 非标设计的系列化产品。针对客户应用需求，量身定制的个案创作。 一种模拟人手操作的自动机械，它可按固定程序抓取搬运物件或操持工具完 成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调重复或繁重的体力劳动，实现 生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人 身安全。20 世纪 40 年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性 材料，人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50 年代以后，机械手逐步推广 到工业生产部门，用于在高温污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床 的辅助装置在自动机床自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取 放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手 部机构随使用场合和操作对象而不同，常见的有夹持托持和吸附等类型。运动机构一般由液压气动电气装置驱动。机械手可独立地实现伸缩旋转和昇降等运 动，一般有 23个自由度。机械手广泛用于机械製造冶金轻工和原子能等部 门。 能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具 的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害 环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子 能等部门。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也 常称为机械手。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化 装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着 电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内 迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地 实现与机械化和自动化的有机结合。 机械手能代替人类完成危险、 重复枯燥的工作， 减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行 业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、 组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单 元 FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔 性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑， 而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新 适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业 机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平 低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术 上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。简易机械手及控制随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快,人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善,使机械手技术快速发展,其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点,已渗透到工业领域的各个部门,在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作,能放置在各种不同的生产线或物流流水线中,使零件搬运、货物运输更快捷、便利。一.四轴联动简易机械手的结构及动作过程机械手结构如下图1所示,有气控机械手(1)、XY轴丝杠组(2)、转盘机构(3)、旋转基座(4)等组成。 图28 机械手结构其工作过程为：当货物到达时,机械手系统开始动作;步进电机控制开始向下运动,同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动;伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处,然后充气,机械手夹住货物。 步进电机驱动纵轴上升,另一个步进电机驱动横轴开始向前走;转盘直流电机转动使机械手整体运动,转到货物接收处;步进电机再次驱动纵轴下降,到达指定位置后,气阀放气,机械手松开货物;系统回位准备下一次动作。二.控制器件选型为达到精确控制的目的,根据市场情况,对各种关键器件选型如下：1.步进电机及其驱动器机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机,步距角为0.9/1.8,电流1.5A。M1是横轴电机,带动机械手机构伸、缩;M2是纵轴电机,带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型,该驱动器采用1040V直流供电,H桥双极性恒相电流驱动,最大3A的8种输出电流可选,最大64细分的7种细分模式可选,输入信号光电隔离,标准单脉冲接口,有脱机保持功能,半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境,提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计,保证了驱动器可适应较宽的电压范围,用户可根据各自情况在1040VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩,但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为3A/相(峰值),通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7，三位可组合出8种状态,对应8种输出电流,从0.9A到3A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式,利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3，三位可组合出不同的状态2.伺服电机及其驱动器机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZA1G,其额定输出50W、100/200V共用,旋转编码器规格为增量式(脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线);有油封,无制动器,轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法,使速度频率响应提高2倍,达到500Hz;定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能,可弥补机械的刚性不足,从而实现高速定位,也可通过外接高精度的光栅尺,构成全闭环控制,进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式,还配有RS-485、RS-232C通信口,使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A,适用于小惯量电动机。3.直流电机可回旋360的转盘机构有直流无刷电机带动,系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机,其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器,其采用2448V直流供电,有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护,且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。4.旋转编码器在可回旋360的转盘机构上,安装有OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器,编码器将信号传给PLC,实现转盘机构的精确定位。5. PLC的选型根据系统的设计要求,选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能,包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A的CPU单元又是一个独立单元,能处理广泛的机械控制应用问题,所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRON PC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。三.软件编程1.软件流程图流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出流程图,才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表,最终完成程序的设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计首先要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求,绘制流程图如图2所示。 图29.软件流程图2.程序部分由于论文篇幅有限,这里只列出了开始两段程序,供读者参阅,见图3。图30 程序列表