[00147314]集装箱转锁机械手设计与仿真研究

1．任务来源　　交通部重点科技项目计划，项目编号：95－06－02－272．应用领域及技术原理　　技术原理：该项目充分分析和研究了工业机械手应用工程技术的特点及当前集装箱码头生产作业环境，并针对当前集装箱转锁装卸作业环节存在的问题，分析了采用工业机械手技术实现集装箱转锁装卸自动化的可行性与先进性，综合应用机械工程技术、微电子技术、计算机技术、液压技术、自动控制技术、测试技术以及传感技术等许多个学科的知识，设计了能够自动完成集装箱转锁装卸的机械手；探索了一种先进的集装箱装卸自动化方案。应用领域：该项目研究成果适用于实现集装箱转锁装卸自动化作业，可以极大地提高集装箱装卸效率，减轻作业强度。3．性能指标与完成情况　　性能指标：　　1）提出了三种设计方案：　　①吊具机械手开、闭和装、卸集装箱转锁；　　②船上人工开、闭集装箱转锁，岸边机械手装、卸集装箱转锁；　　③采用两套机械手完成转锁的装卸工作：集装箱吊具机械手开、闭集装箱转锁，岸边机械手装、卸集装箱转锁。对各种方案的优缺点进行了分析与比较，并且确定以第三种方案为框架，展开项目的详细设计与研究；设计了能够自动完成集装箱转锁（F3和F6型）装卸的机械手；提出了一种先进的可行的集装箱装卸自动化方案。　　2）实验研究及软件开发工作，实现了一套具有完全自主版权的中文界面的Windows应用软件，完成了集装箱转锁机械手的虚拟设计及计算机仿真，并附有详细的设计计算说明书。　　完成情况：　　（1）集装箱转锁装卸机械手方案及结构设计　　完成了方案中对F3和F6类型转锁的机械手设计。对机械手的动作顺序进行了规划，设计了机械手的整体设计方案；充分分析了各转锁机构的动作原理，完成了机械手的机械结构设计，并对主要的零部件进行了强度和刚度验算；给出了整体装配图、部件装图和零件图。对整个系统的控制方案进行了设计；编写了详细的设计说明书。整个方案采用模块化、标准化的设计，符合环境的要求。 　　（2）液压驱动系统的设计　　系统的驱动方式采用液压驱动，以保证必要的刚度和系统控制精度要求。完成了整个液压控制系统方案设计；针对机械手转锁的液压管路设计，借助基于组态的仿真建模方法，设计了一组液压管路设计及仿真的组件套件，实现了基于拖拽式的设计平台的液压管路系统的快速设计与仿真。 　　（3）PLC控制系统的设计　　完成了整个系统的控制方案及其软、硬件设计，包括：PLC的选型，控制程序的编制，PLC之间以及PLC与上位机PC的网络通讯；开发了基于多线程技术的上位机实时监控系统，对机械手的作业状态进行实时监控，实现对PLC进行高级管理；软、硬件通过调试，运行稳定可靠。　　（4）转锁识别系统的设计　　由于集装箱转锁的型式与规格的多样性，各种类型的转锁的装、卸过程亦存在很大的差别，因此如何自动识别转锁的型式以切换机械手的操作程序是其中的关键问题。该项目利用图像处理技术，实现了转锁型式的计算机自动识别。系统采用视觉传感技术，实现了计算机识别算法，并找到了一种可以改善边缘检测效果的特殊算子，通过视觉传感器将转锁的图象传到上位PC，再由PC实现转锁类型的自动识别，从而自动切换机械手的操作程序。　　（5）仿真技术　　建立了转锁以及机械手各零件的三维模型，并对机械手的运动轨迹和操作过程进行了计算与三维仿真，主要包括：　　①转锁动作原理（F3型转锁、F6型转锁）；　　②机械手装锁、卸锁动作原理；　　③机械手取锁动作原理；　　④机械手整体运动仿真.4．与国内外同类技术比较　　科技查新报告表明：　　在国内：关于机器人动力学建模、控制策略和计算机仿真技术有较多的文献报导，但该课题研究的“集装箱转锁机械手设计与仿真”未见相关报导。　　在国外：关于机器人动力学模型与计算机仿真方面，有较多的文献报导，但在所检索文献中未见“集装箱转锁机械手虚拟设计与仿真”的相关报导；在所检索文献中，已有关于机械手在集装箱搬运中的一般应用情况的报导，但未见关于“集装箱转锁机械手”的相关报导。5．成果的创造性、先进性　　该项目在集装箱转锁装卸机械手的模块化虚拟设计、虚拟仿真等方面的研究及其应用属于国际先进水平。6．作用意义　　该课题针对当前集装箱转锁装卸作业环节存在的问题，提出了有自主知识产权的先进的集装箱装卸自动化方案，为机械手在集装箱转锁装卸中的开发与应用奠定了基础。　　该课题在“集装箱转锁机械手的设计和仿真”方面的研究，为集装箱转锁装卸机械手的实际设计提供了一种实用的模式，所采用的虚拟仿真技术为机械手（机器人）的数字化设计提供了新的途径。