机械手设计论文大全11篇

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引言

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。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的优点，尤其体现了人的智能和适应性，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手：它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定（有时可调）程序，使用大批量的自动生产。通用机械手：它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。本文介绍的机械手属于包装机取料垛料的专用机械手。

1 包装机的介绍

包装机主要用于将堆放杂乱的板材整齐装箱并包装。通过取料机械手将杂乱的料运到辊道上，辊道运行，经过上下清刷辊清洗上下表面，板材继续前行，行至出料区端部规定位置，接近开关发讯，辊道电机减速运转，停止开关探测到板材，则辊道停止转动，停止开关发讯给顶升装置，将板材顶起，防止对中过程中板材下表面划伤。对中装置带动对中挡板进行宽度定位（对中），长度挡板处的反推气缸将板材推至满行程（150mm），反推限位开关发讯给出料机械手，机械手把板材吊运到旁边平车上的包装箱内后并返回到原位。一个工艺流程结束。

2 机械手的结构

本文所针对的机械手属于直角坐标式，用于包装机上铝及铝合金板材的表面处理后的取料、垛料工序。该设备主要由钢结构框架、真空吸盘吊升降机构、横移传送小车、行程检测与控制装置、真空泵、吸盘、气动定位系统、电控及PLC控制系统等部分组成。

3 本系统的控制方案

整套包装机通过PLC系统控制，其中垛料机械手有35路输入信号，23路输出信号，根据设备维护的通用性及性价比原则，采用西门子S7-300 PLC即可满足要求，并通过profibus总线协议与现场机械设备组成控制回路，可以根据上游工位生产情况调整设备本身工作模式，并将设备情况反馈给上游工位，以确保生产安全。

（1）机械手的手动控制过程。按下“停止”按钮，将自动运行中的吸盘机停止，真空泵停止。再将“自动/手动”旋钮拨至手动位。“行车 前进/返回”旋钮，即行车前进至放料工位，返回到取板工位；当移动到工作位时行车自动停止。“机械手 上升/下降”旋钮，即机械手上升跟下降。当吸附板材后，绿灯闪烁才可以上升，搬运板材。“真空 吸/释放”旋钮，即机械手下降到位后，对板的吸附与卸板。卸板时，旋动旋钮，等待3秒，完成卸板。 “真空 吸/释放”旋钮，即机械手下降到位后，对板的吸附与卸板。卸板时，旋动旋钮，等待3秒，完成卸板。“真空泵”按钮，即启动真空泵，每次开机启动一次，按下“停止”按钮，真空泵停止工作。“停止”按钮，将自动运行中的机械手停止，真空泵停止。“紧急停止”按钮，当在自动运行中，发生误动作时，可迅速的按下此按钮，停止动作。再按下“停止”按钮，将自动运行中的机械手停止，通过手动控制旋钮，让机械手返回原始位。

（2）机械手的自动控制过程。将“手动/自动”旋钮拨至自动位，此时机械手应处于起始位置，真空泵处于释放状态，否则将无法工作；若未处于起始位置，必须手动控制旋钮，让机械手返回原始位。机列准备就绪后，启动真空泵，达到工作压力。接收到总控发出的“反推到位”与“小车到位信号”后，机械手下降吸料。机械手自动下降到板面后停止，开始吸附，当达到吸附压力后，输出压力达到信号。反推和对中挡板回位后，接受到“可以上升信号”，机械手上升。机械手上升到位后，定位气缸缩回，行车开始前进。行车行驶到放板工位停止，定位气缸顶出，机械手开始下降。机械手下降到位后，真空释放，并打开吹气阀，向吸盘吹气。延时1秒后机械手上升。机械手上升到位后，定位气缸缩回，行车返回，行车返回到原位，定位气缸顶出，一次循环完成，等待下接受下一次信号。以此循环工作，按下“停止”按钮，自动循环停止。

结语

在简单介绍工业机械手的基础上，对基于PLC的机械手控制系统的构成进行了详尽的论述。（1）本论文机械手采用气动和电动合理结合，具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单等特点；（2）用PLC作为控制器，优化了机械手的控制系统，机械手能够自动运行或手动运行。

参考文献

[1]西门子（中国）有限公司.http：//.cn.

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末端执行器

结构优化

中图分类号：TB47　文献标识码：A　文章编号：1672-3791(2012)02(a)-0001-01

1　水果收获机器人的概念和研究意义

水果收获机器人主要分为两部分：机器人的本体结构部分和控制部分。其中，本体结构部分又可分为：机械手，末端执行器，底部平台，有的还有视觉系统。

在中国，随着农村经济的快速发展和不断调整种植结构，水果栽培面积，例如苹果、柑橘和葡萄，达到自199 3年以来的900万公顷，占世界上水果种植面积总数的四分之一。然而，水果收割任务中50％到70％的劳动力还是靠体力劳动。因为农业人口正在减少，收获自动化亟待普及。此外，由于果树是高个子，收割工作需要使用梯子，使手工收获危险高和效率低下。所以，农业收获机械化亟待普及。因为水果本身易损伤和生长环境的复杂等因素的制约，现阶段的各种水果收获机器人都有各种不足。本文就近几年来的有关论文进行研究学习及对本地柑橘的生长环境的调研，拟设计了一种适合本地柑橘机械采摘的简易机械臂及末端执行器。

2　本地柑橘的自然采摘环境

浙江大部分都是山地地貌，并且大都种植了柑橘、芦柑、胡柚等柑橘属的植物。虽然浙江的气候、土壤等都适宜于柑橘的生长，但是浙江的山地地貌也给采摘和运输带来了一定的难度。每年的采摘季节，需要大批的劳动力，而于此相反的是，本地的劳动力日渐下降，全都去城镇务工了。因此，针对柑橘的采摘机器人呼之欲出。柑橘果实外有一层较厚的果皮，它能很好的减轻柑橘间的碰撞冲击力。

3　本设计的末端执行器及机械臂的结构

3.1　采摘机械手的设计

与工业机器人机械手不何，果蔬果实收获机器人的机械手，所处的外部环境是复杂的、多变的、非结构的，并且与果实的栽培方式有很大关系。因此，设计机械手应在考虑栽培方式的基础上，使果实处于其作业空间内，并且能够避免障碍物(叶子、茎秆等)，准确地抓取到果实。对于柑橘、苹果等树冠高大的果树，机械手需要较大的作业空间。为此，本设计采用三个关节的折叠臂使达到所需的作业空间，并且可以折叠便于携带。

具体三维模型见图1。

3.2　末端执行器的设计

目前各地研究的收获机械手的末端执行器大多为：先由机械手爪抓住果实，然后通过机械手爪转动来扭断果柄；或者在手爪抓住果实后，用另一个剪刀去剪断呆柄，然后机械臂把水果运输到指定点，手爪放开。这样的设计一定程度上降低了收获机械人的收获效率。

本设计的末端执行器主要由支架，动力部分，传动部分，果梗剪断器，果实传送部分五个部分组成，具体看图2。此末端执行器由电机通过齿轮驱动果梗剪断器剪断果梗，同时果实掉入果梗剪断器下方的柔性导管中，果实通过柔性导管被马上运输到指定点。

本设计的末端执行器和普通的执行器相比，不但从减少电机的数量，并且提高收获机械人的工作效率。其中图2中的柔性软管不仅代替了普通的末端执行器的手爪功能，从而减去了一个被驱动元件，还能直接把采摘得果实直接运送到指定点，进而大大提高了收获效率。但由于运输过程中有一定碰撞，所以此末端执行器一般适用于柑橘等柑橘属的水果。

此外，由于不同品种的柑橘的果梗粗细不同，果实的直径大小不同，我们可以根据采摘对象的不同，更换不同的果梗剪断器，不同直径的柔性管道，甚至整个末端执行器也可更换。

3.3　建立实物模型，检验实际效果

根据三维建模的相关数据及考虑现实的取材便利，我们用轻质不锈钢做为主材料，直流电机为动力部分，齿轮为传动部件，塑料管做为柔性管道制造出了四自由度的柑橘采摘机械手模型(图3)。并且，在实验室里，模拟运行了此机械手的采摘功能。在实验室里，该柑橘采摘机械手模型在人的控制下基本能实现在竖直空间上的上下自由运动。并且顺利剪断果梗，使果实顺利掉入由塑料管充当的柔性管道中。最终，果实顺着柔性管道顺利到达指定位置。

4　结语

对于目前水果收获机器人的机械手和末端执行器存在的问题。本文提出了自己的见解：因机械手的结构与果蔬的生长状态有关，可采用关节型的折叠机构。对于水果收获机器人只能针对一种对象进行作业的现状，本设计提出了一套适合柑橘属果实采摘的末端执行器的设计，即只需要更换末端执行器，这样收获机器人的利用率将大大提高。另外，柔性的管道节省去了机械臂把水果放回地面的时间，从而大大提高了机器人的采摘效率。

当然，本设计的也还存在一些不足。如缺少在自然环境中的测试，还不能很好的利用到现实生产过程中。机械臂的设计有些过于简单，有待进一步优化。

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随着改革开放的深入和国家“十一五”计划的实施，压力容器向大型化发展的速度越来越快。化工、化肥设备中高压多层包扎设备从60年代的DN500、DN600等系列发展到DN1200~DN2000等系列，产品重量和直径都翻了几倍。目前，国内企业使用的捆扎式包扎工艺制作压容器制造中,深厚环焊缝焊接困难、检测困难,需经多次热处理,制造周期长、成本高等缺点已不能满足设备大型化发展的需要。“卡钳式多层包扎容器工艺装备设计”正是为适应制作大型化高压设备而设计的。整体多层包扎式高压容器工艺是继多层包扎、多层绕板、多层热套、多层绕带和多层螺旋绕板后的一种新型多层容器的结构工艺，是适合我国国情的一种新型多层高压容器结构。HG3129-1998《整体多层夹紧式高压容器》制造工艺特点是:各层层板的纵环焊缝相互错开,避免了大厚度的焊接、探伤和热处理;材料利用率高,选材面广;机械化程度高,层板夹紧装置操作灵活,夹紧力可控;④制造周期短,成本低。它综合了现有多层容器的优点，具有结构设计合理、制造工艺先进、成本低以及安全可靠等特点。该包扎式工艺可广泛适用于化工、化肥、能源及冶金的高压容器领域。它在制造技术以及安全和经济效益的提高上都具有十分明显的优势。

一、工艺组成组成：

本设备由单臂架、夹紧机械手、浮动装置、三组预拉紧装置、行走机构、顶升装置、YZ-326液压系统、电器控制、操作台及轨道等组成，其工作原理见下图。

二、设备用途特点：

1、单臂架采用单臂钢架结构，是其它组成部分支承和连接不可缺少的结构，可不受机架刚度和产品重量的影响，同时产品吊装不受机架自身影响。本设备可夹紧φ800~φ2400mm的多层高压容器，层板厚度为δ6~16mm，层板宽度为600~2400mm。通过行走机构在轨道上的运动，容器包扎长度可不受限制，夹紧后的质量完全能达到HG3129-1998的行业标准。

2、夹紧机械手的动作采用液压控制和电器控制，其油缸可以同步往返也可单独往返移动，缸径为φ140，行程为250mm，最高工作压力达到15Mpa。且增设了远程和近程电控装置。

3、预紧装置的上、下拉紧采用液压控制和电器控制，其油缸上、下可以同步往返也可单独往返移动，单个行程700mm，油缸最高工作压力为15Mpa，缸径φ63中国学术期刊网。采用竖向液压预紧用多种长度的钢丝绳来满足不同直径规格产品的包扎，运行动作快且预紧力大，工作效率高；

4、夹紧机械通过浮动装置来满足机械手在夹紧过程中所产生的位移高度，同时方便机械手手指更好的对位于层板工艺孔；在夹紧机械手设置电器控制，机械手的上、下移动（微调）操作方便；能确保机械手升降灵活，快速，并增设有一道安全保障措施。

5、顶升装置有利于层板轻松套入整体内筒；在相关结构上增加远程控制压力容器，从而减轻劳动强度和提高工作效率。

7、液压站设计在单臂架下部，油压调节和维修更为方便。

四、安全性及其环保：

1、 设备起吊安全性较好。该包扎机的整体结构为单臂架，自身结构稳定性较好；设备在吊装时不会影响单臂架。

2、 浮动装置上的配重采用钢丝绳连接，为防止钢丝绳在使用中产生疲劳断裂，特增设2根钢丝绳以保证其安全性。

3、此设备运行采用液压控制，整个过程安全可靠，无噪音。

4、设备的使用和维护方便。

综上所述，本装置属是一种新型多层高压包扎工艺装置。它是资源节约型装备（如：层板下精料、筒节不再车两端面焊接坡口、深槽焊等），从而提高了产品的安全性和经济性；也是环境友好型（如：人性化操作，减轻劳动强度，操作方便且安全可靠），从而提高了生产率。整体包扎式高压容器的研制、实验操作过程分析：各部分机构运行正常；操作简单、方便；包扎层板层间间隙≤0.3mm、松动面积符合HG3129-1998标准要求；包扎效率较高。这种新型容器通过拉紧层板并产生微量伸长产生一定预应力消除层间间隙，利用层间摩擦力的特性，能保证容器安全使用。利用液压机械手制作，操作灵活、方便，自动化程度高，生产周期短，制造成本低。包扎筒体纵、环缝相互错开，无深环焊缝，同时减少了焊接，探伤、返片时间。筒体选材范围增大（壁厚6~16mm，板宽600~2400mm），从而减少了包扎层数，好降低了材料单价。对大型容器可现场组焊制作，避免了运输困难，因此，设备选用整体多层夹紧式容器结构有非常明显的优越性，它为我国大型高压容器国产化开辟了一条新途径；同时它具有很好的经济和社会效益，值得大力推广。

参考文献：

1、HG3129-1998 整体多层夹紧式高压容器

2、朱孝钦,吴京生,陈国理;整体多层夹紧式高压容器研制及应用[J];石油化工设备;1999年04期

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随着自动化控制领域的不断发展，智能机械手的不断推新，机器人手臂的智能化程度不断提升，连续多角度控制的机器人手臂的出现，给机械手的教学带来了新的挑战。原来的教学机械手均以两维空间模拟仿真教学为主。自2007年全国电工电子技能大赛以来，三维空间的机械手的教学需求尤为突出。

一、三维机械手的硬件结构

图1所示是该三维机械手的实物图。整个三维机械手能完成八个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪紧松。手爪提升气缸采用双向电控气阀控制，气缸伸出或缩回可任意定位。磁性传感器用来检测手爪提升气缸处于伸出或缩回位置。手爪抓取物料由单向电控气阀控制，当单向电控气阀得电，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，单向电控气阀断电，手爪松开。旋转气缸用来控制机械手臂的正反转，由双向电控气阀控制。接近传感器用来判断机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出。双杆气缸用来控制机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制。气缸上装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置。缓冲器对旋转气缸高速正转和反转到位时，起缓冲减速作用。

二、三维机械手的动作过程

图2所示是该三维机械手的动作示意图。当需将工件有右工作台搬至左工作台时，在按下启动的时候，右工作台传感器判断有无工作，若有机械手动作，若无，机械手停止。当机械手左旋并前伸到位准备下降时，为了确保安全，必须在左工作台上无工件时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到左工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降。

图1 三维机械手实物图 图2三维机械手动作示意图

三维机械手的工作过程为：（1）从原点开始前伸；（原点位置为机械手右旋到限位，手臂缩回，手爪上升到上限位，手爪放松）（2）到前限位后开始下降；（3）倒下限位后，机械手加紧工件，延时2s；（4）上升；（5）到上限位后，缩回；（6）到后限位后，左旋；（7）到左限位后，前伸；（8）到前限位后，下降；（9）到下限位后，机械手松开，延时2s；（10）上升；（11）到上限位后，缩回；（12）到后限位后，右旋，返回原点。

根据三维机械手的工作过程及要求，可以画出机械手的动作流程图，如图3所示。

图3 机械手动作流程图 图4机械手状态转移图

三、PLC硬件的选择和I/O点分配

PLC的种类非常多，根据三维机械手的控制要求，由于其输入、输出节点少，要求电气控制部分体积较小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，故选用日本三菱（MITSUBISHI）公司生产的多功能小型FX1N-40MR-001主机。该机型合计有输入输出点40个，其中24个输入点和16个输出点，采用继电器方式有触点输出，能交流、直流负载两用。内部主要有：辅助继电器1280个，其殊功能辅助继电器256个，断电保持辅助继电器1152个；状态继电器1000个；定时继电器256个；计数继电器256个；数据寄存器8256个。

根据图3所示的三维机械手动作流程图，确定电气控制系统的I/O点分配，如表1所示。

根据图3流程图和表1的I/O分配表，可以编制出机械手的状态转移图，如图4所示。

四、控制程序的设计方法及编程运行

常用的PLC程序设计方法有经验法和顺序功能法。根据图4状态转移图，编制的步进梯形图程序如图5所示。

表1 三维机械手控制I/O分配表

输入

输出

名称

输入点

名称

输出点

停止

SB1

X0

手爪紧/松气缸阀

YV1

Y1

启动

SB2

X1

手臂气缸伸出阀

YV2

Y2

物品检测传感器

SQ0

X2

手臂气缸缩回阀

YV3

Y3

气动手爪传感器

SQ1

X3

提升气缸下降阀

YV4

Y4

旋转左限位接近传感器

SQ2

X4

提升气缸上升阀

YV5

Y5

旋转右限位接近传感器

SQ3

X5

旋转气缸左移阀

YV6

Y6

伸出臂前点限位传感器

SQ4

X6

旋转气缸右移阀

YV7

Y7

缩回臂后点限位传感器

SQ5

X7

提升气缸上限位传感器

SQ6

X10

提升气缸下限位传感器

SQ7

X11

图5 步进控制梯形图

图5中，M8044是用作原点条件，判断机械手是否在原点开始工作。

如果要实现断电保护，在图5的步进控制梯形图中，将普通辅助/计时/状态继电器均换成断电保护型。

上电后，直接初始状态继电器S0，在满足原点条件继电器M8044下，按下启动按钮SB2，X1得电，进入等待状态继电器S20；此时物品检测传感器SQ0检测到上料端有料，X2得电，进入机械手臂伸出状态S21；机械手伸出Y2得电，机械手前伸到前限位时，进入机械手下降状态；机械手下降Y4得电，机械手下降到下限位时，进入机械手抓料延时状态；机械手抓紧并延时，延时时间到，进入机械手上升状态…………如此，每当该步动作到位，限位条件满足时，状态转移进入下一工作步，进行动作。

需要停止时，按下停止按钮SB1,X0得电，停止标志继电器M0得电并自锁，当机械手右旋到有限位时，如果停止标志有信号，则机械手回到初始状态，如果停止标志没有信号，则机械手进行下一周期的搬运工作。

五、结束语

本文以三维机械手为例介绍了日本三菱MITSUBISHI公司生产的FX1N系列微型可编程控制器在步进控制中的设计应用。阐述了三维机械手的动作原理，设计要求，程序设计方法等。本文介绍的程序在实际生产和各届各级电工电子技能大赛中获得成功的应用。

参考文献

[1] FX1N series Programmable Controllers Hardware Manual，Mitsubishi electric corporation，1999

[2] MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION 三菱微型可编程控制器MELSEC-F FX1N使用手册 2007.11.

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中图分类号: TP241.2 文献标识码:A 文章编号:1674-0432(2010)-10-0120-1

四自由度采摘机械臂可以看成是由一系列通过活动联接连接起来的杆件组成的。

1 三维空间中的附体坐标系和总体坐标系

为了便于处理机械臂复杂的几何参数,机械臂各杆件的运动可在总体坐标系中描述,在每个杆件处建立一个附体坐标系。运动学问题便归结为寻求联系附体坐标系和总体坐标系的变换矩阵。如图1所示,参考坐标系Oxyz是三维空间中的固定坐标系,在机械臂运动学中将其作为总体坐标系,把Ouvω看成是附体坐标系。

图1 总体坐标系和附体坐标系

2 建立附体坐标系和总体坐标系的规则

Denavit和Hatenberg(1955)提出了一种为关节链中的每一杆件建立附体坐标系的D-H矩阵方法。对于每个杆件来说,在关节轴处可建立一个正规的笛卡儿坐标系(xi,yi,zi),i=1,2,3,4,再加上机座坐标系。建立在关节i+1处的坐标(xi,yi,zi)是固联在杆件i上的。当关节驱动器推动关节i时,杆件i将相对于杆件i-1运动。机座坐标定义为第0号坐标(x0,y0,z0),它也是机械臂的惯性坐标系。确定和建立每个坐标系应根据下面3条规则:

(1)zi-1轴沿着第i关节的运动轴;

(2)xi轴垂直于zi-1轴和zi轴并指向离开zi-1轴的方向;

(3)yi轴按右手坐标系的要求建立。

按照这些规则,第0号坐标系在机座上的位置和方向可任选,只要z0轴沿着第1关节的运动轴运动。

3 四自由度采摘机械臂坐标系的关系参数

根据上述坐标系的定义,描述四自由度采摘机械臂相邻坐标系之间的关系可归结为如下4个参数:

θi 绕zi-1轴(右手规则)由xi-1轴向xi轴的关节角;

di 从第i-1坐标系的原点到zi-1轴和xi轴的交点沿zi-1轴的距离;

ai 从zi-1轴和xi的交点到第i坐标系原点沿xi轴的偏置距离;

αi 绕xi轴(右手规则)由zi-1轴转向zi轴的偏角。

对于四自由度采摘机械臂来说,di,ai,αi是关节参数,θi是关节变量。根据上述三条规则以及各参数的解释,可以求得四自由度采摘机械臂的四个参数,结果见表1。

4 循环法建立坐标系

除了上述D-H矩阵方法以外,也可以通过以下6个步骤为四自由度采摘机械臂建立一组相容的标准正交坐标系。

(1)建立机座坐标系。在机座上建立右手正交坐标系(x0,y0,z0),使z0轴沿关节1的运动轴,x0和y0轴与z0垂直,但方向可任选;

(2)初始化和循环。对每一个i,i=1,2,3,完成步骤(3)至(6);

(3)建立关节轴。把zi轴与关节i+1的转动轴对准;

(4)建立第i个坐标系的原点。将第i个坐标系的原点放在zi和zi-1轴的交点处,或放在它们的公垂线与zi轴的交点处;

(5)建立xi轴。使xi=±(zi-1×zi)/||xi=±(zi-1×zi)/||,如果zi-1与zi平行,就使xi沿它们的公垂线;

(6)建立yi轴。令yi=±(zi×xi)/||zi×xi||,使(xi,yi,zi)成为右手坐标系。建立好的坐标系如图2所示。

图2 四自由度采摘机械臂连杆坐标系

参考文献

[1] 朱梅.具有五自由度及张合气爪的液压机械手[J].机床与液压, 2006,1:96-97.

[2] 毕诸明.六自由度操作手的逆运动学问题[J].机器人. 1994,3(16):92-95.

[3] 高锐.草莓收获机器人的初步研究[D].中国农业大学硕士学位论文,2004.

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可编程控制器（PLC）是自动控制技术、微计算机技术和通信技术相结合的通用工业控制装置，目前已被广泛地应用于机电一体化、工业自动化控制等各个领域，被誉为现代化工业生产自动化的三大支柱（PLC技术、机器人、计算机辅助设计和制造）之一。基于PLC广阔的发展空间，PLC课程已成为高职院校的机电、电气类等专业的核心课程。

PLC课程实践性、应用性较强，强调理论知识和技能训练并重。传统的教学方式是依照教材，按基本工作原理、基本指令、基本应用、基本操作的顺序进行理论讲授和实验训练。一方面由于高职生整体学习能力较弱，另一方面由于指令多而抽象，大多学生在学习过程中学了后面的就忘了前面的，对各指令的功能混淆不清，不能正确地理解与应用，学生学习的主动性和积极性差。为了改变这一状况，采用“项目导向，任务驱动”的项目式教学，通过师生共同完成学习项目和学习任务，有效地提高了学生的实践动手能力、分析问题和解决问题的能力，提高了教学效果与教学质量。

一、PLC课程项目教学法的整体设计

（一）确定设计思路

课程整体设计充分体现项目导向，任务驱动的思想，依据企业需求和岗位技能需求，遵循学生认知规律，将课程的教学活动分解设计成若干由简单到复杂的项目和任务，以项目为单位组织教学，以典型任务为载体，引出相关专业理论知识，使学生在实践操作过程中加深对专业知识、技能的理解和应用，培养学生的综合职业能力。

（二）明确教学目标

确定PLC课程知识目标与能力目标，这是PLC教学的出发点，也是PLC教学的归宿。具备PLC控制系统维护能力以及PLC程序设计能力是PLC岗位对PLC技术人员的核心能力要求。依据这一要求，高职PLC课程的知识目标是：使学生掌握可编程控制器技术的基本组成、工作原理及PLC编程软件的使用，掌握PLC基本指令、应用指令及编程规则，掌握PLC基于梯形图的常用的设计方法，掌握PLC应用系统的设计、安装、调试和维护，并具备PLC的通信与网络的基本知识。能力目标是：培养学生具备PLC安装能力、硬件接线能力、常用指令的分析应用能力、PLC程序设计与调试能力、PLC控制系统设计、安装、接线、调试及故障排除能力。进而实现培养学生学习的能力、分析问题和解决问题的能力及沟通协作的能力。

（三）设计教学项目与任务

PLC课程的项目与任务的设计即是教学内容的设计，它是课程设计思路和教学目标的具体体现。它即要符合企业和岗位技能需求，具有针对性，又要保持PLC知识的系统性与完整性。因此，可以将PLC课程按项目教学模式分为五个学习项目，即PLC基础、基本指令及应用、常用应用指令及应用、PLC控制系统的设计、PLC的通信与网络。然后详细分解每个学习项目所包含的知识点和能力点，形成具体的学习任务。例如在项目四“PLC控制系统的设计”中，按逻辑设计法、时序图设计法、经验设计法、继电器控制电路图转换设计法、顺序控制设计法分别设计一个学习任务。任务有时也被称为子项目。任务的选取要注意三点：一是尽量采用学生易懂的三相电动机控制及易演示的彩灯（交通灯）控制和机械手控制；二是尽量按由简到繁、循序渐进的方式安排任务顺序，并注意控制PLC课程的整体难度；三是各任务针对性要强，要能充分体现相应知识点的学习和相关能力的培养。

二、项目教学的组织与实施

科学地组织项目教学是实现教学目标的有效途径。坚持项目导向，任务驱动的教学思路，按照“任务目标－任务分析－关联知识－任务实施－扩展知识－能力测试－效果评估”的顺序组织教学，实现完整的“教、学、做”一体化。以项目四中的任务“搬运机械手控制设计”为例，教学活动组织过程可以分成三个阶段：

（一）准备阶段

在一项新的学习任务启动之初，首先要明确任务的目标，它决定着本次任务的教学方向，指引着师生教与学活动的开展。第二步是确定任务载体，任务载体应是实现任务目标最直接、最有效的途径。在“搬运机械手控制”学习任务中，任务目标是掌握顺序控制设计法，考虑到在搬运机械手手动、单步自动、单周期自动、连续自动多种工作方式中，连续自动控制最能突出顺序控制设计的特点，所以选择搬运机械手连续自动控制作为任务的载体。第三步任务分析，针对机械手连续自动控制，细致地分析机械手的工作方式、机械手每个工作步的控制要求及应禁止的误操作，绘制出机械手自动工作流程图。工作流程图是顺序功能图的基础，因此是这一步教学活动的重点内容。第四步是关联知识即顺序功能图知识的学习，这是学生运用顺序控制设计法实现机械手自动控制的理论基础，学习的内容包括顺序功能图的组成、结构类型、顺序功能图与梯形图的对应关系、根据顺序功能图画梯形图的方法等。

在准备阶段，为保证知识的完整性，同时兼顾时间限制，任务讯息（任务目标、任务载体、任务分析）与相关知识主要由教师讲授，教师是这一阶段的活动主体，时间安排为2个课时。需要说明的是，如果将机械手每个工作步骤、自动流程图、顺序功能图制作成动画，用多媒体进行演示，将增加授课的趣味性、直观性，提高教学效果。

（二）实施阶段

在任务实施阶段，学生是活动的主体。首先学生按2－4人一组，根据机械手控制要求确定输入输出元件，进行I/O点分配，设计外部接线，绘制机械手自动控制顺序功能图，初步设计PLC控制程序，这些活动由学生课外完成。教师负责布置任务，提供咨询。第二步学生汇报，教师检查评价。教学活动主要以师生共同讨论的方式展开，着重对比置位复位指令、位移位指令、步进指令三种编程方案。步进指令在项目三“常用应用指令及应用”中有过初步的学习，大多学生可能并不熟悉，但不排除有好学的学生会应用它来编程。采用置位复位指令和步进指令编程的程序会较长，但逻辑关系清楚，而运用位移位指令编程的程序则显得紧凑而简捷，而且位移位指令在这里的妙用对学生更具吸引力。学生设计的每一种方案都应该得到教师的鼓励，即使不完整或有明显的错误。师生讨论的主要目的在于确定方案、完善程序，时间安排为2个课时。第三步是程序输入与调试。学生分组上机操作，教师进行指点和检查。时间安排也为2个课时。对于提前完成的小组，可以安排他们先进入下一个环节，即机械手手动控制、单步自动、单周期自动控制设计。上机操作完成后，学生在课外完成程序设计与调试报告。第四步扩展知识的学习。在熟悉掌握机械手连续自动控制设计后，机械手手动控制、单步自动、单周期自动控制设计在教师指导下，也可以较快地被学生掌握，时间安排为1个课时。至此用顺序控制设计法实现的完整的搬运机械手控制的学习基本完成，总计7个课时。对于学习能力较强的学生，教师还可以指导其将中断指令应用于机械手控制中。

在任务实施阶段，教师主要是营造学习氛围，创设学习情境，提供帮助与咨询，引导教学过程顺利进行。

（三）评价阶段

在这个阶段里，需要做个能力测试检查评估任务目标完成情况。教师可以布置用顺序功能图实现某些简易的顺序控制的作业由学生分组完成，根据学生作业评定成绩。这一阶段的师生活动均安排在课外。

由上所述，每个任务教学过程划分为任务的准备、实施与评价三个阶段，每个阶段又细分为子阶段，每个子阶段所要进行的具体的教学活动不同，师生在各个阶段所处的地位与作用也有所不同。

在PLC课程项目教学组织与实施过程中，教师还要注意三点：一是要选择既能体现项目教学理念，又适合学校实验实训条件的教材，必要时可以自编教材；二是要充分利用现场教学、多媒体技术等方式生动直观地进行讲授和指导，使枯燥、抽象的PLC硬件系统学习形象化，使复杂、难以理解的PLC控制任务趣味化，有效地激发学生学习的兴趣。三是项目教学中，学生不再是被动的接受者，不确定的因素会有所增加，如教学进度的减慢、学生掌握程度不一、专业知识涉及面扩大等，教师只有不断提高教学能力和业务水平，才能较好地运用项目教学法。

三、项目教学的考核与评价

PLC课程项目教学的考核与评价是检验教学目标是否实现，判定教学效果是否达到预期的重要环节。在PLC课程结束时进行综合项目考核，依据PLC项目实现的功能是否完整、设计方案是否最优、I/O接线是否正确、联机调试是否按时完成、技术报告是否规范等五项指标，考核评定学生实践动手能力、分析问题和解决问题的能力。但综合项目的考核成绩并不是学生学习PLC课程的最终成绩，它在总成绩里所占的比例是40%，另有60%是平时成绩。PLC项目教学的评价坚持以下几个原则：

（一）过程评价与结果评价相结合的原则。评价的活动渗透在教学的整个过程之中，课堂表现、活动小组中的表现、操作技能水平、各项任务完成程度等都是教师平时采分的内容。

（二）小组评价与个人评价相结合的原则。教师对小组的整体评价在于鼓励团队协作能力的培养，教师对小组成员个人的评价在于督促个人学习自觉性的培养。

篇（7）

引言

在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流。国外的汽车、电子电器、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品的质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。机械手是最普遍的一种机器人，是机械技术、电子技术、自动控制技术结合的产物。自1959年美国人英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人起，在过去的半个世纪里，机器人技术取得了长足的发展。美国、日本、德国等国较早对机器人开展研究并加以应用[1-3]，近年来中国也步入了机器人发展的快车道[4-7]。

我公司主营业务为磁性材料、磁器件、磁分离及相关配套设备研发、生产与销售。在以往的生产模式中，经锻压后的磁器件主要由人工操作取出，这种模式效率低下且存在安全隐患。特别是伴随着人力资源的短缺、劳务支出成本的增加、机器人技术的不断提升以及价格不断下降，采用一款合适的取出机械手来替代人工操作变得日趋重要。在此背景下，经过公司的多次调研论证，选用了杭州史宾纳机械设备有限公司的磁性材料湿压液压机取出机械手，生产实践表明，机械手的引用有效的提高了公司的生产效率、改善了产品质量、节约了生产成本。

1 机械结构组成

取出机械手系统机械部分主要由主机和收放纸系统构成（如图1所示）。主机包括框架，吸取部，检测部和传送带部等。收放纸系统由放纸部和收纸部两部份组成。

框架结构采用型材焊接，与液压机相连接。吸取部进出机构采用导轨、齿轮、齿条进行传动，伺服电机控制其进出速度和位置。检测部分利用传感器检测模具上有无剩余磁性材料（以下简称材料）。为了生产的方便和减小机器的占地空间，把收放纸系统安装在液压机前后两侧，随着液压机模具一起上升或下降，用电机驱动。

图1 系统结构总图

1.液压机 2.收纸部 3.放纸部 4.吸取部 5.传送带部 6.框架

2 工作原理

当液压机部分完成工作以后，向上移动产生一个开模高度，开模高度必须满足机械手的工作要求，本产品的最小开模高度150mm。通过伺服电机驱动取出部移动至产品上方，真空泵产生真空，利用吸盘的内外产生压力差抓取材料。对于抓取物体的真空吸盘部分，需要配备真空发生器，由于真空吸盘是抓取物体的关键部分，为了防止物体脱落，真空发生器所产生的吸力必须大于或者等于物体的重力。

真空发生器的吸引公式为：

其中：F为真空发生器所产生的吸力； 为真空度； 为吸盘的有效面积； 为吸头个数； 为安全系数，一般来说采用标准吸盘时 。

假设吸盘所抓取的物体最大质量为1kg，吸头的个数 为6个，有效面积 。通过上述公式计算出 。

检测部对液压机模具进行检测是否有剩余材料，如果有剩余重复上述运动过程。当模具上所有材料均被抓取时，取出部向外移动到目标位置，然后下降，将材料放置在传送带上，最后上升到初始高度。上升、下降的两个过程由四个气缸进行驱动，通过电磁阀对气缸进行控制。

当材料取出并放置到传送带上后，传送带下降到一定目标位置，为下一模产品叠放做准备。当叠放数量到达后，传送带向外移出一定距离，然后再上升到上限传感器的位置后停止，开始重新叠层。传送带采用螺旋升降机及四导柱方式完成传送带的上下移动。取出部的整个取出、放置和传送带的下降的工作周期为8秒，材料叠放层数设计为三层。压力模具每次工作后由喷雾部分进行清洗，脱模剂桶内的压力一般设为0.4MPa。

图2 运动过程简图

1.齿轮 2.排气阀 3.吸头 4.真空泵 5.传送带磁环检测传感器

6.传送带上下传动装置 7.带轮 8.传送带 9.剩余磁环检查传感器

10.清扫部 11.气缸

3 控制系统

控制系统一般由计算机和伺服驱动器组成，前者发出指令协调各运动驱动器之间的运动。同时完成编程和其他环境状况（传感器信息）、工艺要求、外部相关设备（吸头装置等）之间的信息传递和协调工作，后者控制各个运动的控制器，使各部分按照一定的速度、加速度和位置要求进行运动。

3.1 整体方案

本系统选用三菱公司生产的可编程控制器（PLC）FXIN-485-BD进行控制，其中取出机械手横向的输入输出部分采用电机控制，为了使取出机械手的精确定位，采用伺服电机进行控制，电机通过联轴器带动齿轮，从而带动机械手沿直线导轨横入横出，而取出机械手的上下行，抓取部分则采用气动控制，PLC通过继电器对电磁阀加以控制，而电磁阀通过控制气缸从而控制取出机械手的上下行动作。关于传送带的上下运动部分采用电机进行控制，电机通过减速器和联轴器与丝杠连接，从而带动传送的上下运动。传送带的输出部分采用电机驱动，电机于带轮通过键连，驱动带轮转动。收放纸系统部分同样采用电机用驱动，电机通过联轴器和纸筒转轴以键连接进行驱动。此外，同时采用触摸屏进行人机对话，直观且便于操作。

图3 结构图

3.2 电机系统

考虑机械手的横向运动有着负重大，移动速度快等特点，如果采用气缸驱动很容易产生气缸密封圈泄露等现象，所以采用伺服电机驱动。

PLC通过所发脉冲的频率和数量控制机械手部伺服电机和传送带的电机以控制其速度和位置，脉冲信号通过信号分配在经过功率放大驱动电机带动负载工作。

3.3 气动系统

气动控制系统的I/O接线图如图4所示，由PLC控制电磁阀的通断从而实现吸取部分的上下行动作。根据实际的工作需要吸取部分的上行动作负重较大采用动力较好的气缸并且减小其行程。下行部分负重较小，可采用普通气缸。

图4 PLC的I/O接线图

4 软件设计

4.1 PLC程序设计

PLC的整体结构包括手动、自动程序，原点复位程序，公用程序四个部分。其中自动程序包括系统在全自动模式下的程序和系统在单循环模式下的程序。PLC的程序流程图如图5。

图5 PLC程序流程图

4.2 触摸屏设计

触摸屏的软件设计包括创建换面和变量的设计，并将之与PLC连接。画面的创建包括输入/输出区域组态，指示灯组态，功能键组态和文本显示等格式，根据机械手的要求设计出所需要的画面。所设定的变量就是把触摸屏的组态功能与PLC相应的I/O接点及存储单元之间建立联系，实现触摸屏敏感元件对PLC参数的输入，PLC当前值及报警系统向触摸屏的输出。

5 结论

本文所介绍的取出机械手可以广泛的应用于磁性材料生产。实践表明，该产品可以快速、准确的对控制要求作出反应。并且具有工作效率高，性能稳定且噪音小等一系列优点。

参考文献：

[1]ThangN Nguyen，Harry E Stephanou.Intelligent Robot Prehension [M]， USA： Kluwer Academic Publishers，1993.

[2]Roman H T，Pellegrino B A，Sigrist W R.Pipe craw ling inspection robots：an overview[J].IEEE Transaction on Energy Conversion，1993（08）.

[3]DuskoKatic， Miomir Vukobratovic.Survey of Intelligent Control Techniques for Humanoid Robots[J].Journal of Intelligent and Robotic Systems，2003（06）.

[4]肖雄军，蔡自兴.服务机器人的发展[J].自动化博览，2004（06）.

篇（8）

1引言

近年来，各国为达到提高系统的定位精度以适应工业需要，尝试了各种控制方式和控制策略，并对气动伺服系统做了大量工作。当临时需要对各个单元进行新的分配任务或产品变化时，可以很方便的改动或重新设计其新部件，当位置改变时，只要重新编程，就能很快地投产，从而降低了安装和转换工作的费用。模块化生产培训系统（MPS，ModularProductiontrainingSystem）是一种模拟自动化生产加工单元，它由德国FESTO公司结合现代工业企业的特点开发研制而成。它可以大量代替单调往复或高精度的工作，用以满足前沿产品和自动化设备更新的需要。本文所研究的内容，国际上以德国、日本、韩国等最具代表性，技术上已经趋于成熟，但其产品价格昂贵，且在技术上对用户封锁，致使用户无法结合自己的需要进行二次开发。

目前，国内已有几家教学设备生产企业开始仿造国外的MPS部分产品，主要有上海英集斯自动化技术有限公司生产的“MPS/FMS模块化生产培训系统”；浙江亚龙教仪有限公司生产的“亚龙YL－MPS模块化生产培训系统”。本文将采用上海英集斯自动化技术有限公司生产的MPS教学设备，结合本实验室（国家示范性中央财政支持重点建设实验室）的实际需求，给出了基于PLC的MPS上料检测单元PLC控制系统设计的完整解决方案。

2上料检测单元的结构、功能与气动控制回路

上料检测单元可作为MPS系统中的起始单元，向系统中的其它单元提供原料。

2.1上料检测单元的结构、功能

上料检测单元主要由I/O接线端口、料盘模块、气源处理组件、工件检测组件、提升模块等部件组成。它的具体功能是：将放置在料盘中的待加工工件按照需要自动地取出，并检测出工件的黑白颜色，最后将其提升到输出工位，等待下一个工作单元来取。

2.2上料检测单元的气动控制回路

上料检测单元的执行机构是气动控制系统，其方向控制阀的控制方式为手动控制或电磁控制。在上料检测单元的气动控制原理图中，1A为双作用提升气缸；1Y1为双作用气缸电磁阀的控制信号；1B1和1B2为磁感应式接近开关。气动控制回路如图1所示。

图1上料检测单元气动控制回路

3基于PLC的MPS上料检测单元控制系统的设计方案

基于PLC的MPS上料检测单元控制系统的控制任务设计：接通设备电源与气源、运行PLC后，首先执行复位动作，即提升气缸驱动的工件平台下降到位。料盘旋转输出工件，当料盘检测到工件平台中有工件后停止旋转，提升气缸动作，将工件平台提升至输出工位，检测工件的颜色并保存下来。按下“特殊”按钮，表示工件被取走。随后工件平台下降到位，料盘继续旋转输出工件，重复以上流程。

下面介绍该方案的关键环节。

3.1分配上料检测单元PLC输入输出地址

PLC的输入输出与执行机构的对应关系如表1所示。

表1上料检测单元PLC输入输出与执行机构的对应关系

3.2编写程序并调试

上料检测单元的手动控制程序框图如图2所示。

图2上料检测单元的手动控制程序框图

上料检测单元的PLC梯形图程序如图3所示。

图3上料检测单元的PLC梯形图程序

经调试，该程序能顺利完成本单元的控制任务。

4结束语

本文对上料检测单元的结构与功能、气动控制回路分别进行了详细分析，然后对上料检测单元的PLC控制系统进行二次设计与实现，首先编写了PLC输入、输出分配表，进而编写出其程序流程图及梯形图，最后上机调试，验证了基于PLC的MPS上料检测单元控制系统的二次设计与实现的可行性。并总结出两点结论：（1）在设计各单元的控制任务时，要根据各单元的基本功能，编写符合实际的控制任务，最大限度的合理开发其使用功能，但一定要符合其机械设计，否则会让设备之间发生冲突，造成元器件的损坏；（2）在设计梯形图程序时，移位指令和数据传送指令的合理配合使用，以及RS触发器指令的巧妙使用，会大大缩短梯形图程序设计时间，又会达到良好的控制效果。从而快速对上料检测单元的PLC控制系统进行二次设计与实现。

参考文献

1 工业机械手编写组编. 工业机械手-机械结构. 上海:上海科学技术出版社,1978:5-7.

2 宋旦锋. 模块化气动装卸机械手的研究与开发. 南京:南京理工大学,2004:6-8.

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中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671―7597（2013）031-060-02

随着人类社会进步的加快，科学技术水平的不断提高，人们对产品的要求也越来越高。这就需要提高产品质量，同时缩短开发周期。此时以仿真技术和系统建模为核心的虚拟样机技术得到了的广泛应用，在真实的产品没有真正生产出以前就对它进行仿真模拟，这样的话防止各种设计缺陷的存在。其中一款具有代表性的软件系统：机械系统动态仿真软件ADAMS，这一款软件包括了高效的求解器、可视界面、各种简便的建造模型的工具和具有强大功能的后处理模块等，利用ADAMS软件来对机械系统的结构进行分析，在物理样机设计之前就可以对数控玻璃磨边机产品的各种性能进行测评，不仅能够降低开发费用，而且能够减少开发周期，很大的提高了机械系统仿真的效率。ADAMS在机械系统运动学、动力学和静力学仿真方面的功能十分的强大，但是当ADAMS软件建立一些比较复杂机械系统的时候，就会比较困难。这方面常见的就是使用UG软件和ADAMS软件结合来开发复杂的机械系统的虚拟样机。

1 UG软件和ADAMS软件的介绍

UG（Unigraphics NX）是一个产品工程的解决方案，它是由Siemens PLM Software公司出品的一款软件，它为用户的加工过程及产品设计提供了数字化模型和检验的手段。UG Unigraphics NX根据用户的工艺设计和虚拟产品设计的要求，提供了解决方案，这种解决方案是经过实践验证的。UG具有三个设计层次，即子系统设计、组件设计和结构设计。所有的信息被分布于各子系统之间。

本论文使用的运动仿真软件是由美国MDI公司进行开发设计的ADAMS软件，这款软件是现在最具权威性的机械系统运动学与动力学仿真的软件。它的求解器是使用的拉格郎日方程来进行建立系统运动学和动力学方程，对虚拟的机械系统进行运动学和动力学的分析，并且在分析之后输出加速度、反作用力、速度和位移的曲线，整个运动的过程是通过在计算机上建立虚拟样机来模拟复杂的机械系统的。其中ADAMS软件的核心模块包括ADAMS/View和ADAMS/Solver。

2 ADAMS和UG的运动联合仿真

在利用ADAMS和UG进行运动联合仿真设计的时候，通常我们现在先在UG软件当中建立三维模型，建立模型的过程：首先通过二维图纸在UG软件中建立三维零件模型，然后在将零件进行装配同时进行干涉检查，最后将建立的三维装配图形导入到 ADAMS软件当中，在ADAMS软件中首先对三维装配图形的仿真参数进行设定，这样就产生了参数化的机构模型，最后进行运动学和动力学的仿真。下图1所示的就是一般情况下的联合仿真设计流程。

3 焊接机器人联合仿真分析

3.1 UG三维建模

焊接机器人主要有底座、躯干、肩、手臂、手腕、机械手6部分组成。在UG中建立焊接机器人的各零部件，装配后得到焊接机器人实体模型，见图2所示。

3.2 三维模型导入ADAMS

在UG中，选择“文件”“导出”Parasolid，然后打开ADAMS，选择FileImport，弹出文件导入对话框，在File Type下拉框中选Parasolid类型，然后在File To Read选择栏中点右键选择Browse，最后选择读入UG输出的文件。三维图导入到ADAMS中如图3所示。

3.3 ADAMS运动仿真

导入模型之后，首先要给焊接机器人添加约束副，给底座与大地之间添加固定副，分别在底座与躯干、躯干和肩、肩和手臂、手臂和手腕、手腕和机械手之间添加旋转副。然后给所有旋转副添加旋转驱动，肩和手臂之间旋转副的驱动参数为15d*sin（180d*time-90d）+15d，手臂和手腕之间旋转副的驱动参数为-15d*sin（180d*time-90d）-15d，底座和躯干之间旋转副的驱动参数为180d*time，其它旋转副的驱动参数为0d*time。至此，已完成整个样机约束的添加如图4所示。

停止仿真运动，右键点击机械手，在下拉菜单中选择measure，出现对话框，在characteristic中选择选项，输出机械手在X，Y轴方向的位移、速度、加速度曲线。如图5-图10所示。

从上面图中可以看出，机械手的运行曲线平滑且有规律，说明该机构的整个运动过程平稳无冲击震荡现象，通过观察机构仿真运动并结合曲线，可以证实该机构的运行曲线与实际情况相符。

4 结束语

ADAMS软件和UG软件作为动力学仿真分析领域和三维建模领域的优势产品，二者的联合仿真广泛应用于产品开发、工程校验、机械设计等过程中。本文通过UG和ADAMS之间的无缝接口程序，将在UG中创建的焊接机器人三维模型成功导入到ADAMS中，并通过在ADAMS中进行运动学仿真分析，根据仿真分析的结果，验证了将UG与ADAMS软件相结合的建模设计和运动学仿真方法的可行性，不仅提高了数据转换的可靠性，还大大提高了仿真效率，是虚拟样机技术研究中的崭新应用，促进了虚拟仿真的发展，对于教学和实践具有广泛的意义。

参考文献

[1]张磊.UG NX6.0后处理技术培训教程[M].北京：清华大学出版社，2009.

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关键词： 虚拟样机技术；论文统计；计量分析

Key words： virtual prototyping technology；paper statistics；quantitative analysis

中图分类号：C53 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）09-0312-02

0 引言

虚拟样机技术是上世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。设计人员在计算机上建立能够反映产品特性的样机模型，用样机模型代替物理样机在各种工况下进行仿真试验和分析，测试和评估产品的整体性能，进而不断改进和优化样机模型的设计，直至获得最优设计方案后，再制造物理样机[1]。虚拟样机技术改变了传统的产品研发和设计思想，极大地降低了产品研发和设计的技术风险和开发成本，缩短了研发周期，提高了产品性能，加速了新技术向产品转化的开发、研制与使用过程。进入21世纪以来，虚拟样机技术及其应用在发达国家已经获得重大进展，被广泛地应用于各个不同领域。世界众多著名的制造公司在生产开发过程中都广泛采用虚拟样机技术，设计、装机、测试都在计算机中模拟完成，保证了产品一次试制成功[2]。虚拟样机技术的应用，使企业能够以最低的成本快速推出产品，迅速抢占国际市场，提高了企业的市场竞争力，为企业带来巨大的经济效益和社会效益。

本文依托“维普中文科技期刊数据库”这一平台，通过对2003～2012年10年期间与虚拟样机技术相关的期刊论文的检索，采用论文计量学方法，对虚拟样机技术的应用研究论文进行统计分析，概括和总结我国虚拟样机技术的应用研究状况，以期为虚拟样机技术今后在我国更广泛地推广应用提供参考。

1 数据来源及分析方法

本文以维普中文科技期刊数据库收录的期刊论文为统计分析源，以2003～2012年为时间条件，以“全部期刊”为期刊范围，以“虚拟样机”为题名或关键词进行全部专业论文的检索，经过整理汇总，删除重复论文后共计2508篇。通过EXCEL将整理后的论文数据套录成数据库，采用论文计量学方法对论文的发表年份、涉及领域、研究机构以及第一作者等四个方面进行统计分析，概括和总结近10年来我国虚拟样机技术的应用研究状况[3]。

2 统计分析结果

2.1 虚拟样机技术应用研究论文年份统计分析 从图1和表1可以看出我国虚拟样机技术应用研究论文数量的增长态势。2003年至2009年期间，论文数量逐年增加，2004年和2005年，论文数量增加的幅度最大，之后增加幅度在逐年减小，2009年论文数量达到顶峰。这表明，2003年至2009年，我国虚拟样机技术应用研究发展得比较快，并取得了大量的研究成果。但是，从2010年开始，论文数量较大幅度减少，特别是2012年，论文数量减少到152篇。产生这种现象的原因有可能是近三年对虚拟样机技术相关的应用研究力度减小，也有可能是相关研究论文的产出以及中国学术期刊库的收录有一定时滞性[4]。

2.2 虚拟样机技术应用研究涉及领域统计分析 笔者对研究主题涉及到我国航空航天、国防军工、汽车与发动机、工程机械、矿产机械、农业机械、机器人与机械手、教育等领域的论文数量进行统计，结果显示，我国虚拟样机技术应用研究涉及各个领域，部分论文同时涉及多个领域，论文涉及领域分布情况见图2。论文产出居前三位的领域是汽车、工程机械、机器人，这表明，随着汽车、工程机械、机器人领域近十年来的迅猛发展，虚拟样机技术应用研究在这些领域中也取得了不斐的成果。

2.3 虚拟样机技术应用研究机构统计分析 在2508篇论文中，没有署名作者单位的共有23篇。笔者将论文作者的工作单位分为本科院校、科研院所、企业和大专院校四类研究机构，统计结果见表2。发文数量最多的机构是本科院校，为2145篇，科研院所、企业和大专院校发文数量分别为419篇、368篇、117篇，其中科研院所、企业、大专院校与本科院校作者合著的论文数量分别为280篇、244篇、46篇，本科院校的发文数量远远高于其他机构。这充分显示，本科院校是虚拟样机技术应用研究的主要机构。

2.4 虚拟样机技术应用研究论文作者统计分析 根据论文第一作者发文数量的统计结果可知，无作者数据的论文10篇，大部分作者1至2篇，发文数量排列前10位的作者见表3，其中，七位是本科院校的教授或讲师，二位是博士研究生，只有一位是科研院所的高级工程师，由此可见，本科院校的教授和教师是虚拟样机技术应用研究的中坚力量。

3 结论与建议

从“中国学术期刊网络出版总库”检索及分析结果可以看出，2003～2012年10年期间，我国虚拟样机技术应用研究发展迅速，至2009年达到顶峰，近年又逐渐回落；应用研究涉及领域极为广泛，研究成果比较多的是汽车、工程机械、机器人领域；应用研究的主要机构是本科院校，应用研究的主要群体是本科院校的学者和教师。本文的检索分析结果不一定能够全面反映我国虚拟样机技术应用研究状况，但从一个侧面反映了我国虚拟样机技术的应用研究机构和群体比较单一。

虚拟样机技术问世之后，得到许多发达国家制造商的高度重视，立即将这一先进制造技术引入企业的产品开发中，取得了很好的经济效益。我国是一个制造大国，虚拟样机技术的应用研究，不应仅在本科院校，不应仅有本科院校的学者和教师，更应广泛推广到企业和科研院所，让广大企业和科研院所的技术人员参与研究和应用。

面对日益激烈的市场竞争，我国企业应积极主动充分利用虚拟样机技术，减小产品的技术风险，缩短产品的研发周期，降低产品研发的成本，提高产品的性能，从而增强企业的产品开发能力，提高我国企业在世界制造业中的地位和市场竞争力。此外，虚拟样机技术的研究专家也应加强向企业推广虚拟样机技术，推动这一先进制造技术在我国企业和科研院所的普及和应用。

参考文献：

[1]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

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1引言

毕业设计是高等学校应届毕业生在毕业前接受课题任务，在教师指导下独立进行科学研究或工程实践，获得基本训练并取得成果的过程，它是评估学业成绩的一个重要方式，也是提高学生综合素质与创新能力的关键一环[1]。作者结合广东工业大学的实际,从科学选题、落实开题环节、保证毕业设计论文质量等关键环节提出了改进毕业设计工作的措施。

2科学选题

选题是毕业设计工作的龙头，选题质量是影响毕业设计质量的重要因素，精心挑选毕业设计题目，是搞好毕业设计的第一步。但是选题目前存在着一些问题：有的选题缺乏综合性、新颖性,深广度不够；有的选题对学生显得难度较高,工作量过大；有的选题虽然有较高的研究价值，但学生由于怕难或者因就业等原因而不愿选；另外，系与系之间和各系内部之间的设计题目在难度和分量上也存在一定差异。

针对以上问题,可以从三个方面综合考虑选题。

(1)毕业设计选题要尽可能联系工程应用、生产实际和科学研究。这样有利于调动学生的积极性,由于是真做实干,他们就会主动去了解、熟悉有关科研情况,分析解决问题的方法和途径,使能力得到提高。因此,我们在为2003级机械制造及自动化专业的学生选题时,选择了“旋转超声主轴振动系统研制”，“三座标工业机械手的设计”，“防伪矿泉水瓶盖的设计”,“自动门PLC控制系统设计”，“适合于电感的微点焊系统研制”等新颖又结合科研实际的课题,尽量反映当代科技发展水平,让学生能了解、把握国内外在该研究领域的最新成果和发展动态,结果学生更加乐于参与到科研课题的研究中。

(2)要考虑完成课题的客观条件。学校毕业设计经费、教学试验条件都有限,不是任何来自科研实际的课题都可用做毕业设计,必须根据客观条件来选择设计题目,这些条件主要包括:可查资料库源,试验设施和足够的经费等,因此我们在选题时,一般选用能为学生提供可用的仪器设备,试验场地等条件的科研课题,例如“微细特种加工中心”试验样机在我们教研室已经搭建好，“线切割机床、电火花机床、超声抛光装置”等设备可以为学生做毕业设计时提供可以直接操作，锻炼自己的动手能力的机会。

(3)要有适当的难度和深度。举例说我们选择“旋转超声主轴振动系统研制”课题时,考虑到该课题涉及了声学,机械振动学,电力电子学,数电，模电等多个领域,涉及的知识面较广,设计工作量较大,有一定的深度,学生可以通过综合应用所学的基础理论和专业知识,在规定的时间内得到充分的锻炼,但是考虑到本课题有一定的难度,为了保证学生在有限的毕业设计工作时间内,经过努力能完成任务或做出阶段性结果,我们安排了两个同学参加,在掌握总体设计思路的基础上,分别进行硬件结构设计、驱动电路等不同部分的,有侧重点地进行研究,经过分工合作,完成了整个课题的设计任务,效果良好。

3落实开题环节

为提高毕业论文设计教学质量和探索出适用于毕业论文设计全环节教学质量监控的方法,可借鉴研究生创新能力培养方法,在本科毕业论文设计教学中新增开题环节,以强化学生包括查阅文献资料广泛获取信息,提出问题、拟定实验研究方案和设计方案,科学实验与测试,数据整理与分析,撰写实验论文,书面表达和口头表述等能力在内的基本创新能力。

（1）开题环节的必要性。开题的意义在于完善论文设计方案,使论文设计方案更加系统化，收集信息，听取各方意见，明确思路以坚定论文设计者的信心。一般说来，将思考的东西正式地讲出来和写出来，会比原来所思考的更有升华的意味，因为从“思”到“说”和“写”,其间加入了逻辑的创造过程。通过撰写开题报告,要求学生讲清题目的来龙去脉,从而使学生明确毕业设计课题的目的和要求，对题目有更深刻理解与认识，会使原来的论文设计思路更加完善和系统，对自己的工作做到“胸有成竹”，减少盲目性,避免出现不知从何处入手的尴尬局面。

（2）开题环节的组织在开题会之前,每个学生按规范书写了开题报告。学生持经指导老师签字同意的选题报告书、任务书及其它相关资料上台汇报选题的目标和意义、拟采取的技术路线和方法、工作基础、预期成果和工作计划等内容10分钟。评审小组根据学生自述和选题报告书及其它文本内容,对学生论文设计是否达到专业培养目标要求和完成论文设计的可行性进行考核,并对论文设计广度、深度、贴切度、重点和难点等提出具体的修改意见。

4保证毕业设计答辩的质量

答辩是毕业设计(论文)工作的最后一个环节,是全面检查和评估毕业设计(论文)质量的重要手段。严格的答辩将有利于学生树立良好的学风,促进学生认真做好毕业设计(论文)。学院可根据本院及所属各系的具体情况成立若干答辩分委会,分委会下辖若干个答辩小组。分委会主任和答辩小组组长均由副高职称以上教师担任。答辩前应认真审查学生的答辩资格,毕业设计(论文)应由除指导教师外的答辩小组1名以上教师认真评阅,写出评阅意见与评分,评分不及格者不得参加答辩。凡毕业设计(论文)拟评“优秀”的学生,都必须参加各系答辩分委会组织的集中答辩。对毕业设计平时不认真、小组答辩成绩较差的学生,由相关分委会组织复答辩后视情况决定是否给予通过。答辩时间应控制在学生汇报15-20分钟,教师提问20分钟为宜。毕业设计成绩评定必须坚持标准,严格要求。“优秀”的比例应严格控制在本专业参加答辩总人数的20%以内,优良比例应严格控制在60%以内。对毕业设计(论文)的质量,除了本身的学术水平、应用价值外,还应考察学生解决实际问题的能力、对知识的综合应用能力、在工作中查阅处理信息和应用各种工具的能力、撰定科研报告和表达交流的能力以及在工作中的团队协作能力等。答辩委员会要办事公正,治学严谨,严把质量关,对毕业设计(论文)达不到教学要求的,决不姑息。

5结论