導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇仿真機(jī)械手臂設(shè)計(jì)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：鍛造機(jī)械手；建模；虛擬裝配；ADAMS仿真

機(jī)械手（機(jī)器人）是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備[1]。機(jī)器人的誕生能夠顯著提高生產(chǎn)率以及改善工作環(huán)境等。因此對(duì)機(jī)械手的研究具有重大的意義。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)機(jī)械手建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真等方面做了大量的研究工作[2-6]。其中，張明輝等人[2]對(duì)并聯(lián)機(jī)械手動(dòng)力學(xué)仿真進(jìn)行了研究并通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真模型，為進(jìn)一步對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與分析奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[3]針對(duì)五自由度機(jī)械手，通過(guò)UG建立實(shí)體仿真模型，然后將模型導(dǎo)入ADAMS中建立了虛擬樣機(jī)，并且進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，分析了末端機(jī)械手速度對(duì)各關(guān)節(jié)力矩、角速度和角加速度的影響，這對(duì)提高機(jī)械手的設(shè)計(jì)性能及機(jī)械手的控制分析等打下了基礎(chǔ)?？傮w來(lái)說(shuō)，對(duì)機(jī)器人相關(guān)的研究方面取得了一些進(jìn)展，但對(duì)機(jī)械手（機(jī)器人）的研究還有待進(jìn)一步深入下去。文章的研究正是基于某企業(yè)鍛造流水線(xiàn)對(duì)機(jī)械手的功能需求而進(jìn)行開(kāi)展的，首先對(duì)裝配機(jī)械手的總體功能進(jìn)行了分析。然后對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行了三維建模及虛擬裝配，并對(duì)部分關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。最后，運(yùn)用ADAMS進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明所建立模型正確性與合理性，為下一步研究機(jī)械手的智能控制提供了設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 應(yīng)用背景及功能分析

根據(jù)某鍛造企業(yè)的需求，鍛造時(shí)，鍛件按特定的位置放在鍛造爐中進(jìn)行加熱；鍛造爐門(mén)通過(guò)PLC控制其開(kāi)放和關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械手臂靠近爐門(mén)時(shí)，通過(guò)PLC控制其打開(kāi)，待機(jī)械手臂抓取鍛件取出后，爐門(mén)被再次被控制而關(guān)閉。取出后的鍛件被機(jī)械手臂夾取而放在鍛臺(tái)固定位置后進(jìn)行鍛造的第一個(gè)沖壓工序。同樣的道理對(duì)爐中的鍛件逐一進(jìn)行工序一的加工過(guò)程；待工序一完成后，再次通過(guò)PLC對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行控制使其進(jìn)行抓取以滿(mǎn)足工序一過(guò)程后進(jìn)行的工序二的模具要求，直至鍛件被加工完成。

2 裝配機(jī)械手的三維建模

鍛造機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮到傳動(dòng)件的定位、零件之間的空間位置等等，同時(shí)還要考慮到裝配和加工工藝的可行性。基于以上的功能要求等，對(duì)各個(gè)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模分別如圖1-圖5所示。最終建立鍛造機(jī)械的三維裝配模型如圖6所示。

圖1 底座 圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)軸 圖3 轉(zhuǎn)向臺(tái)

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)臂 圖5 傳動(dòng)軸 圖6 鍛造機(jī)械手

另外，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了校核，包括內(nèi)部傳動(dòng)直齒錐齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度、圓柱蝸桿傳動(dòng)的齒面接觸疲勞強(qiáng)度、蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度、蝸桿的剛度等都滿(mǎn)足強(qiáng)度或剛度的要求。

3 基于ADAMS的鍛造機(jī)械手的仿真

利用UG軟件強(qiáng)大的建模功能對(duì)所設(shè)計(jì)的鍛造機(jī)械手進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后通過(guò)UG和ADAMS良好的數(shù)據(jù)接口將模型數(shù)據(jù)直接導(dǎo)人ADAMS，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求添加相關(guān)約束，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，研究機(jī)械手各機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，測(cè)量各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移、角速度和角加速度的變化情況，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

在保證鍛造機(jī)械實(shí)現(xiàn)功能的前提下，首先對(duì)其三維實(shí)體模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如圖7所示。

注：1、工件輸入帶；2、鍛造臺(tái)1；3、機(jī)械手；4、鍛造臺(tái)2；5、工件輸出帶

圖7 基于UG軟件的機(jī)械手簡(jiǎn)化三維模型

然后，將三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副約束和驅(qū)動(dòng)約束，如圖8所示。

圖8 ADAMS環(huán)境下的鍛造機(jī)械手仿真模型

最后得出各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移、角速度和角加速度的變化曲線(xiàn)分別如圖9，圖10和圖11所示。

通過(guò)觀察各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移、角速度和角加速度的變化曲線(xiàn)可以看出，各關(guān)節(jié)的角位移、角加速度、角加速度平穩(wěn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的五自由度送料機(jī)械手的合理性。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合對(duì)自動(dòng)化工業(yè)鍛造流水線(xiàn)的應(yīng)用對(duì)象，選定了機(jī)械手所要實(shí)現(xiàn)的功能。首先，對(duì)該鍛造機(jī)械手具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模、虛擬裝配，并對(duì)部分關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。然后利用ADAMS軟件對(duì)機(jī)械手模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并生成各角位移、角速度、角加速度的變化曲線(xiàn)，通過(guò)觀察各曲線(xiàn)，驗(yàn)證了機(jī)械手的合理性。為下一步機(jī)械手的智能控制提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]黃金風(fēng).MSRS和ODE環(huán)境下POWERCUBE模塊化機(jī)械手的仿真研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2010.

[2]張明輝，禚寶海.Diamond并聯(lián)機(jī)械手動(dòng)力學(xué)仿真的Simulink實(shí)現(xiàn)[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，29（1）：90-94.

[3]劉淑英，張明路，韓慧伶.五自由度機(jī)械手動(dòng)力學(xué)分析與仿真[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38（2）：32-36.

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[5]Muller A， Hufnagel T. Model-based control of redundantly actuated parallel manipulators in redundant coordinates. Robotics and Autonomous Systems， 2012，60（1）：563-71.

篇2

關(guān)鍵詞 UG；ADAMS；焊接機(jī)器人；建模；聯(lián)合仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671―7597（2013）031-060-02

隨著人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的加快，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人們對(duì)產(chǎn)品的要求也越來(lái)越高。這就需要提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)縮短開(kāi)發(fā)周期。此時(shí)以仿真技術(shù)和系統(tǒng)建模為核心的虛擬樣機(jī)技術(shù)得到了的廣泛應(yīng)用，在真實(shí)的產(chǎn)品沒(méi)有真正生產(chǎn)出以前就對(duì)它進(jìn)行仿真模擬，這樣的話(huà)防止各種設(shè)計(jì)缺陷的存在。其中一款具有代表性的軟件系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件ADAMS，這一款軟件包括了高效的求解器、可視界面、各種簡(jiǎn)便的建造模型的工具和具有強(qiáng)大功能的后處理模塊等，利用ADAMS軟件來(lái)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在物理樣機(jī)設(shè)計(jì)之前就可以對(duì)數(shù)控玻璃磨邊機(jī)產(chǎn)品的各種性能進(jìn)行測(cè)評(píng)，不僅能夠降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，而且能夠減少開(kāi)發(fā)周期，很大的提高了機(jī)械系統(tǒng)仿真的效率。ADAMS在機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)仿真方面的功能十分的強(qiáng)大，但是當(dāng)ADAMS軟件建立一些比較復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的時(shí)候，就會(huì)比較困難。這方面常見(jiàn)的就是使用UG軟件和ADAMS軟件結(jié)合來(lái)開(kāi)發(fā)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。

1 UG軟件和ADAMS軟件的介紹

UG（Unigraphics NX）是一個(gè)產(chǎn)品工程的解決方案，它是由Siemens PLM Software公司出品的一款軟件，它為用戶(hù)的加工過(guò)程及產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了數(shù)字化模型和檢驗(yàn)的手段。UG Unigraphics NX根據(jù)用戶(hù)的工藝設(shè)計(jì)和虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，提供了解決方案，這種解決方案是經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證的。UG具有三個(gè)設(shè)計(jì)層次，即子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所有的信息被分布于各子系統(tǒng)之間。

本論文使用的運(yùn)動(dòng)仿真軟件是由美國(guó)MDI公司進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的ADAMS軟件，這款軟件是現(xiàn)在最具權(quán)威性的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真的軟件。它的求解器是使用的拉格郎日方程來(lái)進(jìn)行建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析，并且在分析之后輸出加速度、反作用力、速度和位移的曲線(xiàn)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程是通過(guò)在計(jì)算機(jī)上建立虛擬樣機(jī)來(lái)模擬復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)的。其中ADAMS軟件的核心模塊包括ADAMS/View和ADAMS/Solver。

2 ADAMS和UG的運(yùn)動(dòng)聯(lián)合仿真

在利用ADAMS和UG進(jìn)行運(yùn)動(dòng)聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)的時(shí)候，通常我們現(xiàn)在先在UG軟件當(dāng)中建立三維模型，建立模型的過(guò)程：首先通過(guò)二維圖紙?jiān)赨G軟件中建立三維零件模型，然后在將零件進(jìn)行裝配同時(shí)進(jìn)行干涉檢查，最后將建立的三維裝配圖形導(dǎo)入到 ADAMS軟件當(dāng)中，在ADAMS軟件中首先對(duì)三維裝配圖形的仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，這樣就產(chǎn)生了參數(shù)化的機(jī)構(gòu)模型，最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的仿真。下圖1所示的就是一般情況下的聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)流程。

3 焊接機(jī)器人聯(lián)合仿真分析

3.1 UG三維建模

焊接機(jī)器人主要有底座、軀干、肩、手臂、手腕、機(jī)械手6部分組成。在UG中建立焊接機(jī)器人的各零部件，裝配后得到焊接機(jī)器人實(shí)體模型，見(jiàn)圖2所示。

3.2 三維模型導(dǎo)入ADAMS

在UG中，選擇“文件”“導(dǎo)出”P(pán)arasolid，然后打開(kāi)ADAMS，選擇FileImport，彈出文件導(dǎo)入對(duì)話(huà)框，在File Type下拉框中選Parasolid類(lèi)型，然后在File To Read選擇欄中點(diǎn)右鍵選擇Browse，最后選擇讀入U(xiǎn)G輸出的文件。三維圖導(dǎo)入到ADAMS中如圖3所示。

3.3 ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真

導(dǎo)入模型之后，首先要給焊接機(jī)器人添加約束副，給底座與大地之間添加固定副，分別在底座與軀干、軀干和肩、肩和手臂、手臂和手腕、手腕和機(jī)械手之間添加旋轉(zhuǎn)副。然后給所有旋轉(zhuǎn)副添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，肩和手臂之間旋轉(zhuǎn)副的驅(qū)動(dòng)參數(shù)為15d*sin（180d*time-90d）+15d，手臂和手腕之間旋轉(zhuǎn)副的驅(qū)動(dòng)參數(shù)為-15d*sin（180d*time-90d）-15d，底座和軀干之間旋轉(zhuǎn)副的驅(qū)動(dòng)參數(shù)為180d*time，其它旋轉(zhuǎn)副的驅(qū)動(dòng)參數(shù)為0d*time。至此，已完成整個(gè)樣機(jī)約束的添加如圖4所示。

停止仿真運(yùn)動(dòng)，右鍵點(diǎn)擊機(jī)械手，在下拉菜單中選擇measure，出現(xiàn)對(duì)話(huà)框，在characteristic中選擇選項(xiàng)，輸出機(jī)械手在X，Y軸方向的位移、速度、加速度曲線(xiàn)。如圖5-圖10所示。

從上面圖中可以看出，機(jī)械手的運(yùn)行曲線(xiàn)平滑且有規(guī)律，說(shuō)明該機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)無(wú)沖擊震蕩現(xiàn)象，通過(guò)觀察機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)并結(jié)合曲線(xiàn)，可以證實(shí)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)行曲線(xiàn)與實(shí)際情況相符。

4 結(jié)束語(yǔ)

ADAMS軟件和UG軟件作為動(dòng)力學(xué)仿真分析領(lǐng)域和三維建模領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品，二者的聯(lián)合仿真廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工程校驗(yàn)、機(jī)械設(shè)計(jì)等過(guò)程中。本文通過(guò)UG和ADAMS之間的無(wú)縫接口程序，將在UG中創(chuàng)建的焊接機(jī)器人三維模型成功導(dǎo)入到ADAMS中，并通過(guò)在ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，根據(jù)仿真分析的結(jié)果，驗(yàn)證了將UG與ADAMS軟件相結(jié)合的建模設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真方法的可行性，不僅提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的可靠性，還大大提高了仿真效率，是虛擬樣機(jī)技術(shù)研究中的嶄新應(yīng)用，促進(jìn)了虛擬仿真的發(fā)展，對(duì)于教學(xué)和實(shí)踐具有廣泛的意義。

參考文獻(xiàn)

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[2]孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

篇3

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床; 設(shè)計(jì)流程;機(jī)械行業(yè)

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動(dòng)場(chǎng)合必將由機(jī)器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。例如，目前在我國(guó)的許多中小型汽車(chē)生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又影響效率。為此，我們把上下料機(jī)械手作為我們研究的課題。我國(guó)在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。

1 機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用

機(jī)械手實(shí)施方案具有速度快、工作效率高、負(fù)載能力強(qiáng)、移位精度高及故障出現(xiàn)頻率低等諸多方面的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械手在DK050機(jī)床上的成功運(yùn)用，是數(shù)控機(jī)床柔性輸送方面的一大創(chuàng)新。在今后的數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用將會(huì)得到前所未有的發(fā)揮，同時(shí)為廣大用戶(hù)提供了極大地方便，能夠產(chǎn)生較大的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 機(jī)械手手爪架構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手手爪的類(lèi)型較多，其主要用于作業(yè)的操作和裝置，按照不同的作業(yè)方法和操作，可以將手爪分為測(cè)量式手爪、加工式手爪及搬用式手爪等。所謂搬用式手爪，即為多種類(lèi)型的夾持裝置，其主要用于對(duì)物體的搬用和抓??；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機(jī)械手附加設(shè)備，其主要用于對(duì)作業(yè)的加工；所謂測(cè)量式手爪，即為附有傳感器的一種附加設(shè)備，其主要用于對(duì)作業(yè)的檢驗(yàn)和測(cè)量。在機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)遵循以下幾個(gè)方面的要求：其一，根據(jù)機(jī)械手作業(yè)的具體要求對(duì)機(jī)械手手爪進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)；其二，機(jī)械手手爪的專(zhuān)用性和萬(wàn)能型之間存在一定的矛盾。萬(wàn)能手的架構(gòu)設(shè)計(jì)比較繁瑣，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象，以工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，將重點(diǎn)應(yīng)放在對(duì)各類(lèi)專(zhuān)用的、工作效率較高的機(jī)械手的研究和設(shè)計(jì)上，確保工業(yè)機(jī)械手的所有工作性能的實(shí)現(xiàn)和健全，在這里，我們不贊成通過(guò)一個(gè)萬(wàn)能手來(lái)完成所有工作，應(yīng)當(dāng)考慮機(jī)械手在設(shè)計(jì)過(guò)程中所發(fā)揮的一些經(jīng)濟(jì)效益；其三，確保手爪的通用性。所謂機(jī)械手爪的通用性，即為通過(guò)數(shù)量有限的手爪來(lái)適應(yīng)不同要求的機(jī)械手，這就給末端執(zhí)行器提出了一定的要求，即要求其末端配置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口，保證末端執(zhí)行器能夠標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)用。

3 控制方式的設(shè)計(jì)及流程分析

3.1 控制方式和要求。 由于機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，且考慮到搬運(yùn)工件的重量較大(質(zhì)量達(dá)30KG)，以及機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，因此不用再額外設(shè)計(jì)執(zhí)行件，而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。

同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過(guò)增大液壓缸的直徑來(lái)增大剛度，是不能滿(mǎn)足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過(guò)增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問(wèn)題。

3.2 工藝流程與設(shè)計(jì)。 機(jī)械手的動(dòng)作有腰座的旋轉(zhuǎn)、垂直手臂的升降、水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與松開(kāi)。手臂垂直升降和水平伸縮由液壓實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)；手爪的夾緊與放松，通過(guò)柱塞缸與齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)；腰座旋轉(zhuǎn)通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)執(zhí)行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線(xiàn)圈的電磁閥(夾緊電磁閥)來(lái)控制，當(dāng)線(xiàn)圈不通電時(shí)，柱塞缸不工作，當(dāng)線(xiàn)圈通電時(shí)，柱塞缸工作沖程，手爪張開(kāi)，柱塞缸工作回程，手爪閉合。當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到機(jī)床上方，并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時(shí)，為了確保安全，必須在機(jī)床停止工作并發(fā)出上下料命令時(shí)，才允許機(jī)械手下降進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)，從工件料架上抓取工件時(shí)，也要先判斷料架上有無(wú)工件可取。

本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造理論知識(shí)及實(shí)踐進(jìn)行整合，完成一個(gè)特定功能、滿(mǎn)足特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實(shí)踐動(dòng)手能力以及專(zhuān)業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手采用可編程序控制器控制，可以實(shí)行手動(dòng)調(diào)整、手動(dòng)及自動(dòng)控制；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，設(shè)計(jì)周期短且造價(jià)較低；PLC有較高的靈活性，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時(shí)，只要對(duì)I／O點(diǎn)的接線(xiàn)稍作修改，或?qū)／0重新分配，在控制程序中作簡(jiǎn)單修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。經(jīng)過(guò)重新編制相應(yīng)的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類(lèi)似的加工情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外各種機(jī)械手和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢(shì)如下：機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于PLC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，結(jié)構(gòu)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便；機(jī)械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進(jìn)了視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、接觸覺(jué)傳感器，使其向智能化方向發(fā)展；關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門(mén)式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)械手開(kāi)發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線(xiàn)示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。

參考文獻(xiàn)

篇4

關(guān)鍵詞：PLC實(shí)踐應(yīng)用　項(xiàng)目教學(xué)　控制實(shí)例

中圖分類(lèi)號(hào)：G63　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　文章編號(hào)：1007-3973(2011)005-166-02

PLC(可編程控制器)在工業(yè)控制中應(yīng)用非常廣泛，是機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)中的核心課程，具有非常強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用性，課程目的是培養(yǎng)編程實(shí)踐性人才。課程內(nèi)容主要是了解PLC基本運(yùn)用原理、控制指令及掌握基本程序設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，為社會(huì)輸送具備PLC高級(jí)技能的應(yīng)用型人才。

1.　中職課程教學(xué)PLC實(shí)踐應(yīng)用重要性

早在2006年，國(guó)家勞動(dòng)和社會(huì)保障部就了目前國(guó)內(nèi)12個(gè)緊缺型人才需求，PLC系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)師崗位就位列其中，根據(jù)有關(guān)部門(mén)預(yù)測(cè)顯示，到2011年止，PLC技術(shù)型人才缺口將達(dá)到15.4萬(wàn)。國(guó)內(nèi)人才市場(chǎng)對(duì)專(zhuān)業(yè)PLC技術(shù)人才的需求也越來(lái)越大。所以，各大高職、中職院校要加大電氣自動(dòng)化、機(jī)電等專(zhuān)業(yè)的PLC實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)的力度，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式。

目前，國(guó)內(nèi)很多的中職院校對(duì)PLC的實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)非常重視，但是由于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度有限，這些院校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)學(xué)生大多數(shù)都從事自動(dòng)化設(shè)備的維護(hù)以及設(shè)備的自動(dòng)化改造方面，而真正涉及PLC程序開(kāi)發(fā)應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)人才卻非常少。但是PLC程序設(shè)計(jì)屬于緊缺型人才，教學(xué)結(jié)果與社會(huì)需求產(chǎn)生了矛盾。因此，各中職院校在PLC理論課程教學(xué)中，加強(qiáng)PLC的應(yīng)用實(shí)踐課程的教學(xué)，從而達(dá)到培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用型人才的目的，使學(xué)生不僅具有較強(qiáng)的理論知識(shí)，同時(shí)也具備應(yīng)用實(shí)踐能力，最終為社會(huì)輸送PLC程序設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)型人才，為科技的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

2.　PLC實(shí)踐在教學(xué)中的實(shí)施

在中職院校傳統(tǒng)的PLC教學(xué)課程當(dāng)中，都采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式開(kāi)展該課程的教學(xué)任務(wù)。在進(jìn)行課程教學(xué)的PIE教材編寫(xiě)時(shí)，一般是按照基本原理、基本指令、基本應(yīng)用以及基本操作等四個(gè)獨(dú)立的章節(jié)來(lái)完成的。教材也按照結(jié)構(gòu)的嚴(yán)謹(jǐn)性進(jìn)行編寫(xiě)，在課程開(kāi)始時(shí)，教師也按照教材的順序進(jìn)行教學(xué)，首先進(jìn)行基本理論的學(xué)習(xí)，接著學(xué)習(xí)基本指令，最后才開(kāi)始應(yīng)用的教學(xué)。這樣一來(lái)當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)到應(yīng)用課程時(shí)，前面的理論知識(shí)已經(jīng)發(fā)生脫節(jié)，然后又要開(kāi)始重新的理論學(xué)習(xí)，導(dǎo)致了學(xué)PLC實(shí)踐應(yīng)用學(xué)習(xí)效果不高，應(yīng)用能力也得不到提高。

2.1　PLC在機(jī)械加工教學(xué)中的具體應(yīng)用

在PLC課程的開(kāi)始前，先準(zhǔn)備好機(jī)械手本體、氣動(dòng)控制系統(tǒng)以及PC-PLC監(jiān)控系統(tǒng)，機(jī)械手臂主要由基座、手臂以及手爪等幾部分組成，在實(shí)踐時(shí)分別要求完成機(jī)械手臂的扭轉(zhuǎn)、升降、手爪翻轉(zhuǎn)、手臂伸縮和手爪夾持等動(dòng)作。上述動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)是由氣缸驅(qū)動(dòng)完成的，由PLC的遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)電磁閥的動(dòng)作，操作界面按鈕通過(guò)用戶(hù)程序與PLC以及各電磁閥的線(xiàn)圈相連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程汽缸控制動(dòng)作。每個(gè)氣缸控制按鈕數(shù)量與電磁閥的線(xiàn)圈數(shù)是對(duì)應(yīng)的，比如：三位五通閥有三個(gè)控制按鈕、二位五通閥有兩個(gè)控制按鈕。機(jī)械手機(jī)的控制信號(hào)則是通過(guò)與PLC進(jìn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換得到的，也就是PLC的端子的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。同時(shí)，在界面顯示區(qū)，顯示機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)氣缸的活塞桿位置狀態(tài)，觀察其是否到達(dá)了左右極限。從而達(dá)到機(jī)械手臂的上移、下移、夾緊等動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。

2.2　PLC課程的學(xué)習(xí)模式

根據(jù)實(shí)踐應(yīng)用與理論知識(shí)相結(jié)合的方式進(jìn)行PLC的知識(shí)講學(xué)，這樣既可以使學(xué)生掌握理論知識(shí)，又可以在實(shí)踐中掌握設(shè)計(jì)技能。PLC一個(gè)重要的特點(diǎn)就是其綜合性，一個(gè)實(shí)際的自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，往往包含了機(jī)、電、液、氣等內(nèi)容，而且具體的控制要求也根據(jù)其行業(yè)的不同而不同，有些在理論上可以實(shí)現(xiàn)的控制程序運(yùn)用到實(shí)際中不一定可行。但是，如果采取了實(shí)踐應(yīng)用與理論知識(shí)相結(jié)合的教學(xué)模式進(jìn)行，起到的教學(xué)效果就完全不同。中職院校在進(jìn)行PLC的教學(xué)時(shí)可以結(jié)合實(shí)際的工程案例進(jìn)行，讓學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中，學(xué)會(huì)PLC的工程實(shí)際設(shè)計(jì)方法，從而掌握了PLC技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，提高其技術(shù)水平與應(yīng)用能力，真正實(shí)現(xiàn)畢業(yè)生PLC應(yīng)用技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)任務(wù)。同時(shí)，也可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，根據(jù)具體的工程實(shí)例進(jìn)行具有自身特色的實(shí)際應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)才人的創(chuàng)新需求。

2.3　PLC課程的教學(xué)模式

在PLC實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)模式中，教師可以利用現(xiàn)有的PLC實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一體化教學(xué)。在實(shí)PLC應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，首先由教師講解模擬系統(tǒng)的控制要求以及預(yù)備知識(shí)，并對(duì)編程思路進(jìn)行分析，然后交給學(xué)生自己上機(jī)設(shè)計(jì)調(diào)試程序，最后，再由教師進(jìn)行程序的指導(dǎo)、修正。讓學(xué)生學(xué)習(xí)到了理論知識(shí)所無(wú)法學(xué)習(xí)到的寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)PLC的理論知識(shí)更加理性化、明細(xì)化。這種PLC應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)不僅可以充分的挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)熱情，更能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力以及應(yīng)變能力。

3.　如何實(shí)現(xiàn)PLC實(shí)踐應(yīng)用與課程教學(xué)有機(jī)結(jié)合

3.1　改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)方法教學(xué)

在實(shí)施PLC項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程中，教師可以具體的給出PLC控制的相關(guān)要求，讓學(xué)生進(jìn)行積極的動(dòng)手及操作，例如：采用三菱FX系列PLC實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的控制，所提出的要求有：實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的上移、下移、夾緊等控制以及實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂故障警報(bào)控制。采用實(shí)際案例進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)，其根本目的是當(dāng)學(xué)生在完成這些教學(xué)任務(wù)后，可以更加熟悉的運(yùn)用PLC在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的中的控制，并且在教學(xué)任務(wù)中掌握其基本的位操作指令，以及掌握基本元器件型號(hào)選擇。最終掌握PLC的基本控制操作步驟。針對(duì)以上教學(xué)要求及任務(wù)，教師可以制定以下的教學(xué)實(shí)踐步驟：

(1)進(jìn)行分組討論。將學(xué)生按小組進(jìn)行項(xiàng)目的討論，并根據(jù)要求設(shè)計(jì)出方案。同時(shí)教師也應(yīng)參與以便了解學(xué)生的實(shí)際情況，并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)PLC控制的基本步驟，如怎樣分配I／O口；怎樣設(shè)計(jì)電氣原理圖以及程序編制過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題等，并由小組提出自己的方案設(shè)計(jì)意見(jiàn)。

(2)實(shí)踐項(xiàng)目的計(jì)劃與安排。根據(jù)各個(gè)小組所制定的方案，對(duì)各小組進(jìn)行分工，并對(duì)各項(xiàng)控制項(xiàng)目的開(kāi)展做出計(jì)劃步驟。

(3)實(shí)踐項(xiàng)目具體實(shí)施。根據(jù)各小組做出的計(jì)劃與方案安排，進(jìn)行具體任務(wù)的實(shí)施工作。

(4)項(xiàng)目完成過(guò)程中的質(zhì)量控制。在整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中，教師要對(duì)操作設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行全程的跟蹤控制，及時(shí)的分析與解決學(xué)生碰到的難點(diǎn)，讓學(xué)生自己判斷問(wèn)題的根本原因，并動(dòng)手解決實(shí)際碰到的問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)踐與問(wèn)題分析的能力。

3.2　結(jié)合院校網(wǎng)絡(luò)，實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控

PLC輸入輸出信號(hào)之間的關(guān)系可以通過(guò)仿真軟件的界面中直接體現(xiàn)，但是對(duì)于較復(fù)雜的程序來(lái)說(shuō)，就不能在仿真軟件界面直接顯示了，比如數(shù)模轉(zhuǎn)換、步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)等信息，這就需要用到遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)了。隨著PLC技術(shù)的不斷完

善及發(fā)展，PLC與其他的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，形成大型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向，所以，在PLC應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，要解除時(shí)間及空間的限制，借助中職院校的校園網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，形成大范圍的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與以太網(wǎng)相互結(jié)合的通信方式，將PLC教學(xué)過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)高速傳至監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析與管理。主站運(yùn)用PLC控制模塊，運(yùn)用以太網(wǎng)模塊來(lái)完成主站的控制與連接，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制PLC設(shè)備、調(diào)速變頻器設(shè)備以及伺服電機(jī)設(shè)備的目的。數(shù)據(jù)將通過(guò)以太網(wǎng)送到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)，可將上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的各類(lèi)指令傳送至對(duì)應(yīng)設(shè)備，進(jìn)行控制。

3.3　改善考核方法，開(kāi)展實(shí)際活動(dòng)

對(duì)學(xué)生考核成績(jī)的擬定，要根據(jù)理論分與實(shí)踐分?jǐn)?shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行，特別是對(duì)于PLC這種實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，不能僅僅掌握理論知識(shí)，而忽視動(dòng)手實(shí)踐能力。因此，必將改進(jìn)學(xué)生考核制度，將實(shí)踐設(shè)計(jì)考核列入考核范圍，對(duì)專(zhuān)業(yè)技能考核一定要在教師選題范圍之內(nèi)進(jìn)行，并根據(jù)題目的具體要求，來(lái)完成程序的設(shè)計(jì)、編寫(xiě)、運(yùn)行、調(diào)試等步驟，從而達(dá)到PLC應(yīng)用實(shí)踐的考核目的。PLC專(zhuān)業(yè)教師也應(yīng)該經(jīng)常開(kāi)設(shè)一些興趣小組以及科研活動(dòng)，并要求學(xué)生參加學(xué)校組織的工廠實(shí)踐活動(dòng)等，讓學(xué)生真正了解到PLC設(shè)計(jì)者的工作環(huán)境以及崗位實(shí)際需要等。

4.　結(jié)束語(yǔ)

中職院校PLC專(zhuān)業(yè)教學(xué)的目的，是培養(yǎng)學(xué)生集維護(hù)、安裝、設(shè)計(jì)等相結(jié)合的技能性人才。采用PLC應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)方法，讓學(xué)生真正了解到PLC設(shè)計(jì)的實(shí)際步驟，在實(shí)踐中完成理論知識(shí)的消化與吸收，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，而且培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，優(yōu)化了教學(xué)過(guò)程，培養(yǎng)了PLC專(zhuān)業(yè)實(shí)踐型人才。

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篇5

【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(guò)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(mǎn)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(guò)小齒輪來(lái)連接直流電機(jī)的輸出端，然后通過(guò)與小齒輪相咬合的中心齒輪互相連接；同理，通過(guò)另一個(gè)小齒輪來(lái)連接斷電制動(dòng)器的輸出端，然后通過(guò)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(lái)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(lái)作為阻力源輸出?？紤]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(lái)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(lái)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(lái)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(xiàn)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(guò)小齒輪與中心齒輪的咬合，以正齒輪傳動(dòng)方式來(lái)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(guò)來(lái)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(lái)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(kāi)發(fā)了數(shù)種類(lèi)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(lái)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(mǎn)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(lèi)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(yǔ)

機(jī)器人的機(jī)械臂設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)屬于機(jī)電一體化領(lǐng)域的高精尖課題?？紤]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(mǎn)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(mǎn)足用戶(hù)的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]郭立新，趙明揚(yáng)，張國(guó)忠.空間冗余度機(jī)器人最小關(guān)節(jié)力矩的軌跡規(guī)劃.東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 ).2010:512-515

[2]馬江.六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真.北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009:3-10

篇6

關(guān)鍵詞:機(jī)械設(shè)計(jì)；自由度；機(jī)械

中圖分類(lèi)號(hào)：TU85文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)行帶動(dòng)了各行各業(yè)，創(chuàng)新技術(shù)在機(jī)械行業(yè)方面的應(yīng)用尤為突出，比如機(jī)器人技術(shù)的上市，整個(gè)社會(huì)發(fā)生了翻天履地的變化，其在工業(yè)、軍事、日常生活中的積極意義值得肯定。對(duì)于機(jī)械行業(yè)來(lái)講，像機(jī)械手可以模仿人手臂

動(dòng)作功能進(jìn)行工作，在一定的技術(shù)力量支持之下，機(jī)械手能夠按照固定程序進(jìn)行抓取、搬運(yùn)、自動(dòng)操作相應(yīng)工具等，從而代替了一部分人工繁重的、危險(xiǎn)的勞動(dòng)程序，真正意義上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)的機(jī)械化和自動(dòng)化，機(jī)械手也算是機(jī)器人系統(tǒng)中的重要組成部分。目前，盡管在理念研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都做出了許多努力，不斷構(gòu)建六自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，但是復(fù)雜環(huán)境中工作中仍然面臨難題，像排爆機(jī)械手在工作時(shí)，難以提前預(yù)知抓取物體的具置，導(dǎo)致抓取物體的速度緩慢，甚至不準(zhǔn)確。因此，必須對(duì)此類(lèi)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制，探討機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的控制問(wèn)題將是當(dāng)前機(jī)械行業(yè)研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

一、機(jī)械設(shè)計(jì)概述

機(jī)械行業(yè)不同于其他行業(yè)，它有自身獨(dú)特的一面，主要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的內(nèi)容要求極高，在各種各樣有所限定的條件下，機(jī)械行業(yè)力求設(shè)計(jì)出最理想的機(jī)械，比如：材料加工能力方面的相關(guān)知識(shí)，不同材料尺寸的相關(guān)計(jì)算手段等等。換句話(huà)說(shuō)，只要從事機(jī)械設(shè)計(jì)，不管是在哪種類(lèi)別的機(jī)械行業(yè)，大家都有一個(gè)共同的目標(biāo)，就是要充分發(fā)揮自己的想象力將機(jī)械設(shè)計(jì)工作做得精通，直至天衣無(wú)縫，所以，在實(shí)際工作中，一定要綜合考慮機(jī)械行業(yè)中存在的各種技術(shù)要求。通常來(lái)說(shuō)，最優(yōu)化的設(shè)計(jì)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，它大大滿(mǎn)足了最好的工作性能、最低成本、最小尺寸，以及最低消耗、最少污染等方面的基本要求，細(xì)細(xì)觀察這些要求，似乎互相矛盾，但是它們之間的關(guān)聯(lián)密不可分，而且在機(jī)械設(shè)計(jì)的整個(gè)環(huán)節(jié)上占有著舉足輕重的地位。另外，每種要求都有其重要的一面，都會(huì)根據(jù)機(jī)械種類(lèi)和用途的不同而存在差異。當(dāng)然，作為一名優(yōu)秀的機(jī)械設(shè)計(jì)人員，無(wú)論在哪種機(jī)械行業(yè)中，他們必須明確自己的主要任務(wù)，必須進(jìn)行具體問(wèn)題具體分析，以各種各樣的復(fù)雜情況為依據(jù)，盡量堅(jiān)持“縱覽全局、統(tǒng)籌兼顧”的原則，工作時(shí)要權(quán)衡輕重，確保機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容具有綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，并且使之達(dá)到最大化。

二、機(jī)械行業(yè)中的自由度及其計(jì)算

2.1關(guān)于機(jī)構(gòu)自由度

機(jī)構(gòu)自由度，指的是依據(jù)機(jī)械學(xué)原理，確定機(jī)構(gòu)具體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，有必要為之提供獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，也就是說(shuō)，給定機(jī)械獨(dú)立的廣義坐標(biāo)數(shù)目，可以確定使機(jī)構(gòu)的確切位置。其中，給定的數(shù)目表示：如果一個(gè)構(gòu)件組合體自由度F>0時(shí)，則它就是一個(gè)機(jī)構(gòu)，同時(shí)表明各個(gè)構(gòu)件之間可以有的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；如果一個(gè)構(gòu)件組合體自由度F=0，則它就是一個(gè)結(jié)構(gòu)，同時(shí)表明它已退化為一個(gè)構(gòu)件。此外，機(jī)構(gòu)自由度還可以細(xì)分，主要包括平面機(jī)構(gòu)自由度和空間機(jī)構(gòu)自由度。

2.1.1平面機(jī)構(gòu)自由度

所謂平面機(jī)構(gòu)的自由度，指的是一個(gè)剛體桿件可以由平面上任意一點(diǎn)A 的坐標(biāo)（X，Y），以及通過(guò) A點(diǎn)的垂線(xiàn) AB與橫坐標(biāo)軸的夾角這三個(gè)個(gè)參數(shù)來(lái)決定，即它的桿件擁有3個(gè)自由度。

2.1.2空間機(jī)構(gòu)自由度

所謂空間機(jī)構(gòu)的自由度，指的是一個(gè)剛體桿件完全不受空間約束，而且在三個(gè)正交方向上可以平行移動(dòng)，甚至可以在三個(gè)正交方向上以軸為中心而進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，即它的桿件就擁有6個(gè)自由度。

由此可見(jiàn)，在平面上，桿件只存在3個(gè)自由度，一個(gè)自由度表現(xiàn)為面的旋轉(zhuǎn)，另兩個(gè)自由度表現(xiàn)為前后、左右2個(gè)角度進(jìn)行移動(dòng)；在立體空間中存在6個(gè)自由度，三個(gè)自由度表現(xiàn)為前后、上下、左右三個(gè)角度進(jìn)行移動(dòng)，另三個(gè)自由度表現(xiàn)為前后、上下、左右三個(gè)面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)言之，就是沿著三個(gè)坐標(biāo)軸移動(dòng)，以及繞三個(gè)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)建相對(duì)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)目稱(chēng)作構(gòu)件自由度。

2.2自由度的計(jì)算法

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于自由度進(jìn)行計(jì)算，主要表現(xiàn)為：一旦增加約束時(shí)，自由度就會(huì)減少，而且機(jī)構(gòu)自由度等于組合而成的桿件自由度之和減掉運(yùn)動(dòng)副的約束。

三、平面機(jī)構(gòu)自由度的分析

3.1分析構(gòu)件的自由度

在平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，作為一個(gè)單元體，構(gòu)件屬于組成機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的控制。作為機(jī)構(gòu)的基本要素之一，構(gòu)件自由度是構(gòu)件在機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生的一項(xiàng)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，對(duì)于任意一個(gè)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，它在空間進(jìn)行自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，都會(huì)存在6個(gè)自由度，它具體地表現(xiàn)為：在直角坐標(biāo)系內(nèi)，沿著三個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行移動(dòng)，或者繞三個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng);對(duì)于一個(gè)在平面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，僅有3個(gè)自由度，即構(gòu)件AB在XOY平面內(nèi),不但可以在任一點(diǎn)M處 繞著Z軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，而且還可以沿著X軸、Y軸方向進(jìn)行移動(dòng)。

3.2分析平面機(jī)構(gòu)的自由度

在平面機(jī)構(gòu)中，每個(gè)平面都有低副，即轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，并且都需要引入2個(gè)約束數(shù)，使構(gòu)件同時(shí)失去2個(gè)自由度，然后只保留其中1個(gè)自由度；每個(gè)平面都有高副，即齒輪副和凸輪副，并且都需要引入的約束數(shù)為1個(gè)，讓構(gòu)件失去1個(gè)自由度，只留下2個(gè)自由度。不難發(fā)現(xiàn)，在某個(gè)平面機(jī)構(gòu)中，假如含有N個(gè)可動(dòng)構(gòu)件，即機(jī)架僅作為參考坐標(biāo)，相對(duì)進(jìn)行固定，未用運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接前，這些可以運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件自由度總數(shù)應(yīng)當(dāng)是3N；當(dāng)各個(gè)構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副連接后，運(yùn)動(dòng)副引入約束而減少構(gòu)件自由度；如果機(jī)構(gòu)中存在PL個(gè)低副P(pán)H個(gè)高副，那么所有運(yùn)動(dòng)副引入約束數(shù)可以表示為2PL加上PH。因此，自由度的計(jì)算公式也可以表現(xiàn)為：可移動(dòng)構(gòu)件自由度的總數(shù)減去所引入約束的總數(shù)來(lái)計(jì)算平面機(jī)構(gòu)。

四、關(guān)于六自由度機(jī)械手復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的控制

為了探討機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的控制，本文主要針對(duì)六自由度機(jī)械手復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的控制進(jìn)行分析，為了挖掘其內(nèi)在規(guī)律和有效對(duì)策。大體地說(shuō)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如果六自由度機(jī)械手的某些關(guān)節(jié)發(fā)生故障，機(jī)械系統(tǒng)將會(huì)鎖定該關(guān)節(jié)在當(dāng)前角度，直接導(dǎo)致六自由度機(jī)械手無(wú)法順利工作，嚴(yán)重阻礙了六自由度機(jī)械手作用的正常發(fā)揮，往往呈現(xiàn)五自由度機(jī)械手，即欠自由度機(jī)械手等不良現(xiàn)象。

毫無(wú)疑問(wèn)，針對(duì)欠自由度機(jī)械手問(wèn)題來(lái)說(shuō)，有效的運(yùn)動(dòng)控制和軌跡規(guī)劃尤為重要，只有這樣，才能保證其完成預(yù)期任務(wù)。比如：在航空航天工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，要是某航天飛行器所載的六自由度機(jī)械手的一個(gè)關(guān)節(jié)發(fā)生故障，從而變?yōu)榍纷杂啥葯C(jī)械手，極易導(dǎo)致此機(jī)械手無(wú)法再正常工作，即影響飛行任務(wù)，這種現(xiàn)象在其它方面亦如此。

此外，在工作空間中，欠自由度機(jī)械手只能達(dá)到全部或部分定位，而對(duì)于軌跡規(guī)劃的中間位姿點(diǎn)沒(méi)有對(duì)應(yīng)的逆解。在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械設(shè)計(jì)師經(jīng)常采用向量代數(shù)線(xiàn)性變換法，而由關(guān)節(jié)故障形成的欠自由度機(jī)械手可用容錯(cuò)性能的機(jī)械手位置進(jìn)行逆解，而且算法實(shí)用。因此，容錯(cuò)性能的機(jī)械手位置逆解法在探究機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的控制方面具有很高的研究?jī)r(jià)值。

結(jié)束語(yǔ)：

總之，通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的控制進(jìn)行探討，在一定程度上豐富了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)理論，經(jīng)過(guò)分析六自由度機(jī)器人在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中的控制問(wèn)題，對(duì)目前機(jī)械行業(yè)中各種復(fù)雜軌跡的設(shè)計(jì)工作提供了有價(jià)值的技術(shù)支持。展望未來(lái)，更多結(jié)構(gòu)六自由度機(jī)器人的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，不同方式下的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制值得深入研究，需不斷優(yōu)化和拓展其仿真易用性，努力實(shí)現(xiàn)更加理想的自由度控制方式，將復(fù)雜控制簡(jiǎn)單化。

參考文獻(xiàn)：

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關(guān)鍵詞:光機(jī)電一體化;實(shí)訓(xùn)裝置;理實(shí)一體化教學(xué);項(xiàng)目化教學(xué);模塊化教學(xué)

中圖法分類(lèi)號(hào):TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2010)01-254-03

Application of the Opto-Mechatronics Practice Training Equipment in Course Teaching of Mechanical Specialty

FANG Gui-sheng, SUN Ping

(Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College, Hangzhou 310018, China)

Abstract: The traditional teaching equipment is mainly used to verification experimental teaching. It is deficient to foster students practical ability and creativity. The opto-mechatronics practice training equipment which adopts open architecture and modular structure, applies various technologies, such as mechanical technology, electrical control technology, PLC technology, pneumatic technology, sensing technology to train students comprehensive ability. In this paper basic structure and main functions of the opto-mechatronics practice training equipment are introduced. Some course modules and course projects of mechanical specialty are designed based on the equipment. Finally, by making an example in the electrical control and PLC course teaching, the teaching method combining theory with practice is described.

Key words: opto-mechatronics; practice training equipment; teaching combining theory with practice; project teaching; modular teaching

1 概述

職業(yè)教育的核心是提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。傳統(tǒng)的職業(yè)教育模式是專(zhuān)業(yè)理論課和實(shí)訓(xùn)課分開(kāi)進(jìn)行,其弊端是理論和實(shí)踐相分離,重理論而輕實(shí)踐,教師教學(xué)缺乏新意,上課枯燥乏味,學(xué)生聽(tīng)課不感興趣,上課昏昏欲睡,這樣直接造成的后果就是培養(yǎng)的學(xué)生動(dòng)手能力差,解決實(shí)際問(wèn)題的能力差,課程教學(xué)難以達(dá)到職業(yè)教育培養(yǎng)目標(biāo)的要求。解決該問(wèn)題的關(guān)鍵是適當(dāng)引入實(shí)訓(xùn)設(shè)備,探索理實(shí)一體化教學(xué)模式。

理實(shí)一體化教學(xué)作為職業(yè)院校專(zhuān)業(yè)教學(xué)中探索創(chuàng)新的一種教學(xué)模式,它強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用,將理論學(xué)習(xí)和實(shí)際訓(xùn)練緊密結(jié)合起來(lái),注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力,全程構(gòu)建素質(zhì)和技能培養(yǎng)框架,豐富課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),提高教學(xué)質(zhì)量。理實(shí)一體化教學(xué)要求學(xué)校建立專(zhuān)業(yè)教室,配備相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)設(shè)備和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)設(shè)施,將有關(guān)專(zhuān)業(yè)設(shè)備和教學(xué)設(shè)備同置一室,將專(zhuān)業(yè)理論課和生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)安排在專(zhuān)業(yè)教室中進(jìn)行教學(xué)[1-2]。

高職高專(zhuān)機(jī)電類(lèi)課程教學(xué)大多需要實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的支撐。傳統(tǒng)的教學(xué)儀器設(shè)備主要為了滿(mǎn)足某門(mén)課程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的需要,缺乏對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置融合了機(jī)械、電氣、PLC、氣動(dòng)、傳感等多種技術(shù),采用了開(kāi)放式和模塊式結(jié)構(gòu),可滿(mǎn)足《電氣控制與PLC》、《機(jī)電一體化設(shè)備安裝與維護(hù)》等多門(mén)課程理論實(shí)踐一體化教學(xué)的需要。正是基于以上考慮,我校在省財(cái)政的支持下,面向機(jī)電一體化、數(shù)控技術(shù)、電氣自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)的需要,引入了光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置和模塊化生產(chǎn)線(xiàn)等設(shè)備,并積極探索理實(shí)一體化教學(xué)模式,取得了初步成效,顯著提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置的基本構(gòu)成

2.1 光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置的總體結(jié)構(gòu)

光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置由型材導(dǎo)軌式實(shí)訓(xùn)臺(tái)、典型機(jī)電一體化設(shè)備機(jī)械部件、PLC模塊、變頻器模塊、按鈕模塊、電源模塊、低壓電器模塊、模擬生產(chǎn)設(shè)備實(shí)訓(xùn)模塊(包含上料機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)機(jī)械手、皮帶輸送線(xiàn)、物件分揀等)、接線(xiàn)端子排、各種傳感器、警示燈和氣動(dòng)電磁閥等組成。整體結(jié)構(gòu)采用開(kāi)放式和拆裝式設(shè)計(jì),學(xué)生可以組裝、接線(xiàn)、編程和調(diào)試由上料機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)、皮帶輸送線(xiàn)和物料分揀組成的光機(jī)電一體化設(shè)備。裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 裝置主要模塊的基本組成

1) PLC主機(jī):采用了CPU226 AC/DC/晶體管(24路數(shù)字量輸入/16路晶體管輸出)、兩個(gè)RS-485通信口、EM222(8路數(shù)字量輸出),在PLC的每個(gè)輸入端均有開(kāi)關(guān),PLC主機(jī)的輸入/輸出接口均已連到面板上,方便用戶(hù)使用。

2) 變頻器模塊:采用西門(mén)子MM420變頻器,三相380V供電,輸出功率0.75KW。集成RS-485通訊接口,提供BOP操作面板;集成3路數(shù)字量輸入/1路繼電器輸出,1路模擬量輸入/1路模擬量輸出;具備過(guò)電壓、欠電壓保護(hù),電機(jī)過(guò)熱保護(hù),短路保護(hù)等。提供調(diào)速電位器,所有接口均采用安全插連接。

3) 電機(jī)模塊:包括三相交流異步電動(dòng)機(jī),步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。

4) 低壓電器模塊:配備了交流接觸器、熱繼電器、電子式時(shí)間繼電器、中間繼電器、變壓器、整流電路、能耗制動(dòng)電阻、帶燈按鈕、斷路器、熔斷器、行程開(kāi)關(guān)、組合開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、速度繼電器、磁性開(kāi)關(guān)、急停按鈕、復(fù)位按鈕、自鎖按鈕等低壓電器。

5) 氣動(dòng)模塊:包括了靜音氣泵、單桿氣缸、雙桿氣缸、氣動(dòng)手爪、單控電磁閥、雙控電磁閥、旋轉(zhuǎn)氣缸等。

6) 傳感器模塊:具備了電感傳感器、漫反射式光電傳感器、對(duì)射式光電傳感器、光纖傳感器,可區(qū)分金屬物料和非金屬物料、不同顏色的物料。

7) 觸摸屏與組態(tài)模塊:配備了深圳步科EVIEW MT4200工業(yè)觸摸屏和EV5000組態(tài)編程軟件。

2.3 裝置主要部件的工作原理[3]

1) 機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)

當(dāng)存放料臺(tái)檢測(cè)光電傳感器檢測(cè)物料到位后,機(jī)械手手臂前伸,手臂伸出限位傳感器檢測(cè)到位后,延時(shí)0.5秒,手爪氣缸下降,手爪下降限位傳感器檢測(cè)到位后,延時(shí)0.5秒,氣動(dòng)手爪抓取物料,手爪夾緊限位傳感器檢測(cè)到夾緊信號(hào)后;延時(shí)0.5秒,手爪氣缸上升,手爪提升限位傳感器檢測(cè)到位后,手臂氣缸縮回,手臂縮回限位傳感器檢測(cè)到位后;手臂向右旋轉(zhuǎn),手臂旋轉(zhuǎn)一定角度后,手臂前伸,手臂伸出限位傳感器檢測(cè)到位后,手爪氣缸下降,手爪下降限位傳感器檢測(cè)到位后,延時(shí)0.5秒,氣動(dòng)手爪放開(kāi)物料,手爪氣缸上升,手爪提升限位傳感器檢測(cè)到位后,手臂氣缸縮回,手臂縮回限位傳感器檢測(cè)到位后,手臂向左旋轉(zhuǎn),等待下一個(gè)物料到位,重復(fù)上面的動(dòng)作。在分揀氣缸完成分揀后,再將物料放入輸送線(xiàn)上。

2) 物料分揀機(jī)構(gòu)

當(dāng)入料口光電傳感器檢測(cè)到物料時(shí),變頻器接收啟動(dòng)信號(hào),三相交流異步電機(jī)以30HZ的頻率正轉(zhuǎn)運(yùn)行,皮帶開(kāi)始輸送工件,當(dāng)料槽一到位檢測(cè)傳感器檢測(cè)到金屬物料時(shí),推料一氣缸動(dòng)作,將金屬物料推入一號(hào)料槽,料槽檢測(cè)傳感器檢測(cè)到有工件經(jīng)過(guò)時(shí),電動(dòng)機(jī)停止;當(dāng)料槽二檢測(cè)傳感器檢測(cè)到白色物料時(shí),旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作,將白色物料導(dǎo)入二號(hào)料槽,料槽檢測(cè)傳感器檢測(cè)到有工件經(jīng)過(guò)時(shí),旋轉(zhuǎn)氣缸轉(zhuǎn)回原位,同時(shí)電動(dòng)機(jī)停止;當(dāng)物料為黑色物料直接導(dǎo)入三號(hào)料槽,料槽檢測(cè)傳感器檢測(cè)到有工件經(jīng)過(guò)時(shí),電動(dòng)機(jī)停止。

3 基于實(shí)訓(xùn)裝置的課程模塊與項(xiàng)目設(shè)計(jì)

光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置融合了機(jī)械、電氣、電動(dòng)機(jī)、PLC、氣動(dòng)、傳感等多項(xiàng)技術(shù),并面向職業(yè)教育發(fā)展的需要,采用了開(kāi)放式和拆裝式結(jié)構(gòu),可根據(jù)課程內(nèi)容需要選用不同的模塊組合,滿(mǎn)足《電氣控制與PLC》、《液壓與氣動(dòng)控制》、《變頻調(diào)速技術(shù)》、《檢測(cè)與傳感技術(shù)》、《機(jī)電一體化設(shè)備安裝與維護(hù)》等多門(mén)課程理實(shí)一體化教學(xué)的需要。表1為利用該實(shí)訓(xùn)裝置開(kāi)發(fā)的課程模塊和教學(xué)項(xiàng)目。

4 基于實(shí)訓(xùn)裝置的理實(shí)一體化教學(xué)

4.1 理實(shí)一體化教學(xué)場(chǎng)地安排

傳統(tǒng)的職業(yè)教育模式是理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)分開(kāi)進(jìn)行,造成理論與實(shí)踐分離,而且實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室功能單一,設(shè)備利用率低。為了改變這種現(xiàn)狀,突出職業(yè)教育的實(shí)踐性,我校引入了光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)化教學(xué)的需要,將教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)為現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)模式, 建立理論與實(shí)踐一體化教學(xué)的專(zhuān)業(yè)教室,融教室、實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)、考工于一體, 使專(zhuān)業(yè)教室具有傳統(tǒng)教學(xué)、多媒體教學(xué)、實(shí)物展示、演練實(shí)訓(xùn)、考工強(qiáng)化訓(xùn)練和考工等多種功能, 營(yíng)造出良好的職業(yè)氛圍和環(huán)境。整個(gè)一體化實(shí)訓(xùn)室面積達(dá)150m2,室內(nèi)配備了九臺(tái)光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置,一套MPS模塊化生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)訓(xùn)裝置,以及46臺(tái)電腦和投影、音響教學(xué)設(shè)備,配備了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)桌椅、黑板、儀器柜等,可滿(mǎn)足單班課程現(xiàn)場(chǎng)化教學(xué)的需要,實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)做于一體,教學(xué)場(chǎng)地布置如圖2所示。

電腦與操作臺(tái)區(qū)屬于基礎(chǔ)教學(xué)部分,主要用于知識(shí)講解、課程討論、軟件編程、低壓電器實(shí)訓(xùn)等。實(shí)驗(yàn)桌上安裝了網(wǎng)孔板,既用于液晶顯示器的保護(hù),又可固定常用的低壓電器,作電工實(shí)訓(xùn)用。光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)區(qū)屬于應(yīng)用部分,既可用于單門(mén)課程的實(shí)訓(xùn)需要,也可滿(mǎn)足課程綜合教學(xué)的需要,如PLC實(shí)訓(xùn)、變頻調(diào)速實(shí)訓(xùn)、機(jī)電設(shè)備安裝與調(diào)試操作等。模塊化生產(chǎn)線(xiàn)區(qū)屬于高級(jí)擴(kuò)展部分,配備了自動(dòng)傳輸、立體倉(cāng)庫(kù)、三坐標(biāo)測(cè)量、模擬加工等八個(gè)模塊,模塊與模塊之間采用了以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行相互連接,側(cè)重于生產(chǎn)線(xiàn)的總體控制實(shí)訓(xùn)等。

4.2 《電氣控制與PLC》理實(shí)一體化教學(xué)思路

我校的《電氣控制與PLC》課程在2005年被確定為省級(jí)精品課程,四年來(lái)項(xiàng)目組老師根據(jù)我校學(xué)生的特點(diǎn)探索了多種現(xiàn)代化教學(xué)方法,其中效果最顯著的當(dāng)屬基于光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置的理實(shí)一體化教學(xué)模式。以下為實(shí)施該教學(xué)模式而采取的一些有效措施:

1) 課前根據(jù)實(shí)訓(xùn)裝置的特點(diǎn),合理設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目,編寫(xiě)教學(xué)講義,制作多媒體教學(xué)課件和仿真動(dòng)畫(huà),以提高課程教學(xué)的實(shí)用性和針對(duì)性,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和趣味性。這部分工作是關(guān)鍵所在,直接關(guān)系到理實(shí)一體化教學(xué)模式能否順利進(jìn)行。

2) 在課程教學(xué)之初,組織學(xué)生到校工程訓(xùn)練中心進(jìn)行參觀,增加感性知識(shí),了解普通車(chē)床、銑床、鉆床的工作原理和控制要求,以及實(shí)際的電氣控制電路;了解常用低壓電器、PLC在數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床、加工中心、電梯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用等。

3) 在講解電氣控制部分時(shí),每個(gè)實(shí)驗(yàn)桌上放一套常用的低壓電器和電工工具,方便學(xué)生了解各種低壓電器的結(jié)構(gòu),學(xué)習(xí)基本控制電路的安裝、調(diào)試方法等。

4) 在講解PLC基礎(chǔ)部分時(shí),每個(gè)實(shí)驗(yàn)桌上放一個(gè)PLC和一套常用的低壓電器,方便學(xué)生了解PLC的結(jié)構(gòu)、接線(xiàn)方法等;方便學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)、調(diào)試基于PLC的電機(jī)控制電路等。

5) 根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn),實(shí)行分類(lèi)教學(xué),充分發(fā)揮學(xué)生間的傳、幫、帶作用。對(duì)于平時(shí)表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生,給與較高的要求,安排較難的設(shè)計(jì)任務(wù),并要求不光自己學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)和操作,還需要幫助組內(nèi)的同學(xué)完成設(shè)計(jì)任務(wù)。對(duì)于平時(shí)表現(xiàn)一般的學(xué)生,需要加強(qiáng)引導(dǎo)和督促,適當(dāng)加以鼓勵(lì),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。對(duì)于平時(shí)表現(xiàn)較差的學(xué)生,則需要給予較多的關(guān)注,必要時(shí)采用強(qiáng)制措施,迫使他們掌握本課程的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能。

6) 加強(qiáng)中間過(guò)程考核和期末實(shí)踐考核,增添答辯環(huán)節(jié),提高學(xué)生的口頭表達(dá)能力,強(qiáng)化學(xué)生綜合技能的培養(yǎng)。對(duì)教學(xué)過(guò)程中的每個(gè)項(xiàng)目組織考核,并根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行打分,計(jì)入平時(shí)成績(jī)。在期末再安排一次實(shí)踐考核,隨機(jī)抽取平時(shí)訓(xùn)練過(guò)的項(xiàng)目任務(wù),并給予評(píng)分,計(jì)入總評(píng)成績(jī)。在實(shí)際操作過(guò)程中,這一招對(duì)平時(shí)不太愛(ài)學(xué)習(xí)的學(xué)生有很大的促進(jìn)作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

將光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)裝置引入課程教學(xué),實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐一體,不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐動(dòng)手能力,同時(shí)也提高了教師的教學(xué)業(yè)務(wù)能力。整個(gè)實(shí)訓(xùn)裝置包括了機(jī)械、電氣、PLC、組態(tài)設(shè)計(jì)、氣壓、傳感器等多項(xiàng)知識(shí),不僅要求教師要有過(guò)硬的理論知識(shí),更重要是具備綜合運(yùn)用知識(shí)和解決問(wèn)題的能力,隨時(shí)解決學(xué)生在操作中碰到的各種問(wèn)題。另外新的實(shí)訓(xùn)設(shè)備引入,也需要教師根據(jù)實(shí)訓(xùn)裝置編寫(xiě)合適的講義,探索新的教學(xué)模式,這樣對(duì)教師個(gè)人能力的培養(yǎng)也有很大的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn):

篇8

【關(guān)鍵詞】嵌入式單片機(jī);機(jī)器人;防爆排雷;電路;藍(lán)牙通信

隨著微電子軟硬件技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式單片機(jī)應(yīng)用的日新月異，機(jī)器人時(shí)代的悄然到來(lái)，機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、航天、科研、社會(huì)服務(wù)等各個(gè)方面。在許許多領(lǐng)域里機(jī)器人承擔(dān)了人類(lèi)繁重、枯燥、危險(xiǎn)的工作，特別是在超出人類(lèi)生存極限的環(huán)境下機(jī)器人更是大顯身手，執(zhí)行人類(lèi)無(wú)法親自去完成的工作任務(wù)，機(jī)器人綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的前沿發(fā)展，它正在改變?nèi)祟?lèi)的作業(yè)和生活方式，成為人類(lèi)生活中不可缺少的成員。

一、作品介紹

在自動(dòng)控制的嵌入式單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，往往將單片機(jī)作為一個(gè)核心部件，結(jié)合具體的硬件結(jié)構(gòu)，讓單片機(jī)發(fā)揮其實(shí)際的作用。本作品防爆排雷機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)，主要是基于32位嵌入式單片機(jī)STM32F103C8T6為核心芯片，以嵌入式單片機(jī)最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，外加BMX-02藍(lán)牙串口通信模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L298芯片，穩(wěn)壓電源LM2596和MIC5205BM5電路，LED發(fā)光二極管，前進(jìn)后退電機(jī)、機(jī)械手臂電機(jī)，開(kāi)關(guān)電路等，對(duì)防爆排雷機(jī)器人的控制器進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)與制作。使用Altium_Designer9進(jìn)行電路原理圖和PCB雙面板圖的設(shè)計(jì)，利用雕刻機(jī)制作出電路板后進(jìn)行電子板元件的焊接安裝，利用Keil uVision4軟件編程和仿真和調(diào)試。使用手機(jī)藍(lán)牙通信進(jìn)行遙控，實(shí)現(xiàn)防爆排雷機(jī)器人（小車(chē)）的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、抓取、拆卸物件等排雷功能。該防爆排雷機(jī)器人精致小巧，布局美觀，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)，能夠按照要求利用手機(jī)進(jìn)行遙控，實(shí)現(xiàn)無(wú)人接觸拆裝危險(xiǎn)物體。

圖1 防爆排雷機(jī)器人電路原理圖

二、工作原理、設(shè)計(jì)與制作

（一）硬件電路工作原理圖設(shè)計(jì)與制作

1.防爆排雷機(jī)器人電路原理圖（如圖1所示）

2.防爆排雷機(jī)器人PCB板圖設(shè)計(jì)與制作

PCB板定制為110mmX65mm的雙面板（如圖2所示）。

圖2 防爆排雷機(jī)器人PCB板圖

3.電路板制作、元器件的安裝與焊接

電路板制作、安裝與焊接過(guò)程注意事項(xiàng)：

（1）元件安裝與焊接：PCB板上32位嵌入式單片機(jī)STM32F103C8T6的管腳距離非常小，小于0.254mm;許多阻容元件封裝為0603，元件體積小，管腳間距小。這些問(wèn)題造成手工安裝和焊接的難度非常大。

解決方法：安裝焊接嵌入式單片機(jī)STM32F103C8T6時(shí)，先定位焊接對(duì)角兩個(gè)管腳，確定位置無(wú)誤后采用手工拖焊的焊接方法;對(duì)于0603封裝元件，先在其中一個(gè)焊盤(pán)鍍錫，左手用鑷子夾住元件，右手拿電烙鐵，把元件先固定焊接到鍍錫的焊盤(pán)上，然后再焊接另外一端。

（2）PCB板的制作：在雕刻機(jī)上制作PCB雙面電路板，由于電路上很多線(xiàn)路非常細(xì)，最小為0.254mm，并且線(xiàn)的密度比較大，為了減少電路出現(xiàn)短路現(xiàn)象，在雕刻板子時(shí)，需要把用不到的銅膜全部刻掉。

（3）PCB電路板的設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L298芯片、穩(wěn)壓電源LM2596芯片屬于貼片元件，且它們的地面（貼面）屬于接地的金屬散熱片，因此除了電路的地接線(xiàn)之外，其它電路線(xiàn)路不能在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L298芯片、穩(wěn)壓電源LM2596芯片的貼面底部走過(guò)。

（4）電路板安裝、焊接：安裝前，要先檢查PCB光身板，確定電路板無(wú)短路、無(wú)開(kāi)路現(xiàn)象后方可安裝和焊接;手工焊接要嚴(yán)格控制焊接時(shí)間，每個(gè)焊點(diǎn)時(shí)間不能超過(guò)3秒，防止元件熱損壞，焊接后要用萬(wàn)用表檢查電路板，排除因焊接出現(xiàn)的短路現(xiàn)象。

（二）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵所在，相當(dāng)于人類(lèi)大腦的思維活動(dòng)。通過(guò)軟件控制硬件電路，產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作反應(yīng)。在小車(chē)運(yùn)行的過(guò)程中，采用藍(lán)牙通訊實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)小車(chē)的智能控制。本次設(shè)計(jì)采用Keil uvision4進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。

1.軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)的思路和本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，以及STM32F103C8T6具有的定時(shí)器和USART串行接收/發(fā)送器等功能，完成了軟件程序設(shè)計(jì)。由于C語(yǔ)言具有編程靈活，可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)各部分功能。

（1）程序結(jié)構(gòu)及功能

整個(gè)系統(tǒng)的程序由主程序和各子程序構(gòu)成，主程序調(diào)用了3個(gè)子程序，分別是藍(lán)牙通訊子程序、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序。

①藍(lán)牙通信子程序：將藍(lán)牙模塊與手機(jī)藍(lán)牙配對(duì)，手機(jī)中按下的不同鍵值使小車(chē)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、變速、手臂升降等功能。

②電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序：配置電機(jī)用到的I/O端口，使能輸出引腳，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。

③舵機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序：在手機(jī)中拖動(dòng)steer進(jìn)度條，控制手爪旋轉(zhuǎn)角度、手臂升降角度、前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)左右轉(zhuǎn)向的角度。

（2）主程序設(shè)計(jì)流程（如圖3所示）

圖3 主程序設(shè)計(jì)流程圖

（3）子程序的設(shè)計(jì)

①藍(lán)牙通信子程序：本函數(shù)采用USART1全雙工模式實(shí)現(xiàn)串口通信。單片機(jī)根據(jù)通訊協(xié)議對(duì)手機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，校驗(yàn)無(wú)誤后才會(huì)將數(shù)據(jù)在主程序中加以運(yùn)用，由手機(jī)中按下的不同鍵值使小車(chē)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、變速、手臂升降等功能。

②電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序：配置電機(jī)用到的I/O端口，通過(guò)SetBits和ReSetBits兩個(gè)庫(kù)函數(shù)讓電機(jī)動(dòng)起來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退功能;引入PWM（TIM4定時(shí)器產(chǎn)生）波，運(yùn)用TIM_SetCompare函數(shù)改變PWM占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

③舵機(jī)驅(qū)動(dòng)：用TIM3定時(shí)器產(chǎn)生PWM波，找出轉(zhuǎn)動(dòng)角度與PWM波占空比對(duì)應(yīng)關(guān)系，運(yùn)用TIM_SetCompare函數(shù)改變PWM占空比來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。不同的引腳占用不同的時(shí)鐘和通道，在設(shè)計(jì)程序時(shí)庫(kù)函數(shù)一定要調(diào)用準(zhǔn)確。

2.電路調(diào)試

電路板元器件安裝、焊接完成，經(jīng)檢測(cè)無(wú)短路和開(kāi)路現(xiàn)象，把上述按要求編好的軟件控制程序通過(guò)USB接口下載到硬件電路板，在安卓手機(jī)上安裝遙控程序，通過(guò)手機(jī)遙控進(jìn)行硬件電路的調(diào)試驗(yàn)證，直至防爆排雷機(jī)器人符合各項(xiàng)功能要求。

三、防爆排雷機(jī)器人的功能特點(diǎn)

本機(jī)器人整體外觀布局緊湊、整齊。其功能特點(diǎn)如下：

1.前進(jìn)后退功能：由安裝在小車(chē)后輪的兩個(gè)電機(jī)MOTORA、MOTORB提供動(dòng)力，動(dòng)力強(qiáng)勁。

2.轉(zhuǎn)向功能：由安裝在前輪底盤(pán)下面的舵機(jī)控制前輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向靈活。

3.拆裝功能：由一個(gè)升降手臂和一個(gè)手爪共同完成，升降手臂和手爪分別各有各自的控制舵機(jī)。手臂升降自如，手爪反轉(zhuǎn)靈活。

4.遙控功能：機(jī)器人的進(jìn)退停止、轉(zhuǎn)向、拆裝物件全部在手機(jī)上控制，利用藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)遙控。

四、結(jié)束語(yǔ)

由于該防爆排雷機(jī)器人活動(dòng)精度高、活動(dòng)線(xiàn)路靈活，精致小巧，布局美觀，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)，能夠利用手機(jī)進(jìn)行遙控，實(shí)現(xiàn)無(wú)人接觸拆裝危險(xiǎn)物體。讀者可以根據(jù)這一設(shè)計(jì)思路和不同適用場(chǎng)合的要求，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足社會(huì)需求、功能類(lèi)似的實(shí)用遙控機(jī)器人。

參考文獻(xiàn)

[1]王承啟.小型遠(yuǎn)程探測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].2013（03）.

篇9

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；混合定位技術(shù)；TDOA；基于測(cè)距定位；基于非測(cè)距定位

中圖分類(lèi)號(hào)：TN91934；TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004373X（2012）18006004

引言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用過(guò)程中還存在一些挑戰(zhàn)性課題有待研究，提高節(jié)點(diǎn)定位效果就是其中之一。目前各種單一的定位技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和明確的適用范圍，不存在一種能滿(mǎn)足任何應(yīng)用需求的完美的定位技術(shù)[12]。在許多實(shí)際應(yīng)用中，定位系統(tǒng)各個(gè)區(qū)域?qū)Χㄎ痪?、?shí)時(shí)性等指標(biāo)的具體要求往往也不同，這時(shí)采用單一定位技術(shù)很難滿(mǎn)足整體應(yīng)用需求。如在工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)線(xiàn)上需要采用高精度高實(shí)時(shí)性的定位技術(shù)引導(dǎo)機(jī)械手臂或者其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成特定的生產(chǎn)裝配任務(wù)，這時(shí)往往需要定位系統(tǒng)提供厘米級(jí)甚至更高的定位精度；在運(yùn)輸環(huán)節(jié)，一些AGV（AutomatedGuidedVehicle）導(dǎo)航執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求定位系統(tǒng)具備米級(jí)的定位精度和較高的定位效率；而在倉(cāng)儲(chǔ)物流環(huán)節(jié)，物流管理系統(tǒng)只需要知道貨物存放的大致位置，此時(shí)定位系統(tǒng)提供大概的位置信息即可，誤差幾米左右都能滿(mǎn)足應(yīng)用需求。在復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用中，單一定位技術(shù)往往在性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)成本方面難以達(dá)到要求。

本文結(jié)合現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的現(xiàn)狀[36]，提出了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)混合定位思想，通過(guò)多種定位技術(shù)的融合，以混合定位的方式克服單一定位方法的不足，取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到更好的定位性能。相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)表明，本文實(shí)現(xiàn)了TDOA、基于RSSI測(cè)距以及DVhop等定位技術(shù)的融合，有效地提高了復(fù)雜大規(guī)模無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位精度，有利于推動(dòng)定位技術(shù)的實(shí)用化。

篇10

飛翔之夢(mèng)

飛翔是人類(lèi)一個(gè)永恒的夢(mèng)想，幾乎所有的科幻類(lèi)卡通片都會(huì)出現(xiàn)各種各樣的飛行工具?！赌北恪分猩衿娴娘w天掃帚，《機(jī)器貓》里輕巧的竹蜻蜓，《超人》中緊握雙拳騰空而起的超人，而最具科幻色彩的莫過(guò)于《噴氣之子》中的飛行汽車(chē)了，這種在摩天大樓之間穿梭不息的汽車(chē)形狀飛行物，幾乎成為未來(lái)世界的標(biāo)志。在現(xiàn)實(shí)世界里，被堵車(chē)弄得心煩意燥的我們，是多么盼望自己的車(chē)能夠拔地而起，把身后的汽車(chē)長(zhǎng)龍統(tǒng)統(tǒng)甩在身后。2001年的“9.11”事件中成千上萬(wàn)的人無(wú)助地被困在即將崩塌的世貿(mào)大廈里，如果有垂直起降的飛行器，也許就能避免悲劇……

如今，飛行汽車(chē)成為現(xiàn)實(shí)。不久前，美國(guó)Terrafugia公司推出了Transition，這個(gè)有著可伸縮側(cè)翼的汽車(chē)，在公路上行駛時(shí)看似一輛普通的汽車(chē)，但打開(kāi)兩邊的側(cè)翼之后就能在城市上空自由翱翔。妮夢(mèng)•馬科斯集團(tuán)公司（Neiman Marcus Group Inc）也開(kāi)始預(yù)售全球第一輛4座飛行汽車(chē)，這輛外形酷似星際戰(zhàn)斗機(jī)的節(jié)能型汽車(chē)，在空中飛行的最高時(shí)速可達(dá)560公里，而使用的燃料是不排放任何有害氣體的酒精。最近，一家名叫PAL-V歐洲BV的荷蘭公司更是設(shè)計(jì)出只有3個(gè)車(chē)輪的PAL-V（即私人空陸兩用車(chē)），PAL-V在拐彎傾斜時(shí)很像摩托車(chē)，因此操控性非常好。不過(guò)，這些飛行汽車(chē)價(jià)格不菲――都在300萬(wàn)美元以上，要想坐上“經(jīng)濟(jì)型”的飛行汽車(chē)，平時(shí)能隨便開(kāi)著上下班、出門(mén)購(gòu)物，估計(jì)還得等上一段日子。

相對(duì)行汽車(chē)，日本漫畫(huà)家藤子不二雄覺(jué)得把自己塞在一個(gè)盒子里才能飛行太麻煩了，就讓他筆下的卡通人物機(jī)器貓從未來(lái)帶來(lái)一樣寶貝 ――“竹蜻蜓”，這也成為卡通片《機(jī)器貓》里出現(xiàn)頻率最高的道具。一遇到上課快遲到，機(jī)器貓小叮當(dāng)和大雄倆兒就頭戴這個(gè)長(zhǎng)相似螺旋槳的玩意，像直升飛機(jī)般飛向目的地。雖然在現(xiàn)實(shí)中讓真人飛起來(lái)的難度太大，但機(jī)器貓卻真的飛起來(lái)了。日本的一家玩具廠推出一種遙控飛行機(jī)器貓玩具。這個(gè)機(jī)器貓頭頂?shù)闹耱唑?，采用“二重反轉(zhuǎn)式旋翼” ――一種運(yùn)用在前蘇聯(lián)軍用直升機(jī)的精密結(jié)構(gòu)。充上幾分鐘的電之后，機(jī)器貓就能飛到幾層樓那么高。關(guān)鍵是，這只會(huì)飛的機(jī)器貓售價(jià)才49美元，比飛行汽車(chē)可便宜多了。

小叮當(dāng)?shù)膶氊?/p>

除了竹蜻蜓，《機(jī)器貓》里還有好多讓人過(guò)目不忘的好玩意。當(dāng)大雄受到大胖和強(qiáng)夫欺負(fù)時(shí)，小叮當(dāng)總是會(huì)給他一把空氣槍?zhuān)灰褬尮芴自谑种干?，?duì)準(zhǔn)目標(biāo)說(shuō)聲“砰”，那些壞孩子就被打得人仰馬翻。這個(gè)令人艷羨得手癢癢的武器，如今你隨隨便便都能買(mǎi)到。這款名字為“AirZooka”的空氣槍?zhuān)雌饋?lái)像個(gè)小小的電吹風(fēng)，只要輕輕拖動(dòng)它上面的一個(gè)小按鈕，就能產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，攻擊6米之內(nèi)的任何人，但可以保證的是，它的空氣彈是絕對(duì)沒(méi)有任何危險(xiǎn)的。只要掏出13美元，你就能在eBay上買(mǎi)到這個(gè)能讓你在朋友面前顯擺的玩意。

“房屋機(jī)械人”也離我們?cè)絹?lái)越近。在迪拜，有10%的新建筑中都裝備有“智能房屋”系統(tǒng)。只要裝上一個(gè)計(jì)算機(jī)中心控制系統(tǒng)，與埋設(shè)在房屋墻壁內(nèi)的電器線(xiàn)纜連接，手握遙控器，就能輕輕松松讓房屋里的電器自覺(jué)工作。而在回家的路上，給家里的熱水器發(fā)一條信息，讓它開(kāi)始燒水，迎接主人洗澡，已是成天在我們的電視里播放的廣告了。

在《機(jī)器貓》里，“隱形液” 是一種類(lèi)似于噴霧劑的東西，噴上之后目標(biāo)物體就會(huì)變成視覺(jué)看不到的狀態(tài)。現(xiàn)在倒是有一種汽車(chē)車(chē)牌隱形噴劑，能在被噴車(chē)牌表面形成一層具有反光作用的透明保護(hù)膜，當(dāng)警用測(cè)速相機(jī)（雷達(dá)）或電子眼的高倍閃光燈投射到車(chē)牌時(shí)，車(chē)牌會(huì)呈現(xiàn)白茫茫的一片，測(cè)不到任何數(shù)字。這雖是雕蟲(chóng)小技，卻是一個(gè)讓技術(shù)誤入歧途的典型。然而，不知是出于對(duì)“透明”還是“隱藏”的追求，人類(lèi)對(duì)隱形技術(shù)的探索從未停歇。英國(guó)和美國(guó)的研究人員透露他們已掌握了一種制造隱形衣的特殊材料，這種材料能避開(kāi)光線(xiàn)和物體周?chē)渌问降碾姶泡椛?。在旁觀者眼里，物體就似乎變得不存在了，在視覺(jué)上實(shí)現(xiàn)了隱身。

機(jī)器貓、機(jī)器恐龍，還有什么

不僅機(jī)器貓的道具正越來(lái)越多地成為現(xiàn)實(shí)，機(jī)器貓自己也出現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)世界里了。不過(guò)，它有了另外一個(gè)名字――NeCoRo（尼克羅）。這是日本歐姆龍公司（OMRON Corporation）近期推出的完全仿真的機(jī)器人寵物貓，它身上的人工皮毛貓摸起來(lái)就像真貓一樣，并在全身裝置了多種聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)傳感器。人一摸它的頭，尼克羅就會(huì)立刻撒嬌；打它也會(huì)生氣并叫出聲音；它還會(huì)告訴主人它想睡覺(jué)了或要求主人抱抱它；與主人相處久了，它能記住主人的聲音和自己的名字。雖然歐姆龍公司認(rèn)為尼克羅已經(jīng)夠完美了，但是想想《機(jī)器貓》中那個(gè)愛(ài)吃銅鑼燒、甚至?xí)晃米佣５男《．?dāng)，這只機(jī)器貓還差得很遠(yuǎn)。

幾乎每個(gè)二三十歲的中國(guó)人都是在“變形金剛，隨時(shí)變形狀……”的歌聲中長(zhǎng)大的，那時(shí)他們一放學(xué)就沖到電視機(jī)前收看卡通片《變形金剛》，一上街就吵嚷著要父母買(mǎi)一個(gè)變形金剛玩具。然而大多數(shù)人擁有的變形金剛只是一個(gè)手動(dòng)的模型，但著名機(jī)器人設(shè)計(jì)師Dr. Mark W. Tilden去年設(shè)計(jì)的Roboraptor機(jī)器恐龍玩具則是一只真正的機(jī)器恐龍。跟尼克羅一樣，RoboRaptor身上也有多個(gè)先進(jìn)感應(yīng)器，它會(huì)用眼睛“看”，用耳朵“聽(tīng)”，并對(duì)外界的接觸與互動(dòng)做出不同的反應(yīng)，還會(huì)發(fā)出像真恐龍般的吼叫聲，你還可以用雙桿遙控器控制它的行為。RoboRaptor在國(guó)內(nèi)已上市，售價(jià)不低――3680元人民幣，你自己考慮考慮吧。

除了希望有機(jī)器貓、變形金剛之類(lèi)的機(jī)器人的幫助，人類(lèi)也常?；孟胱约簱碛谐驳哪芰ΑＴ凇缎乔虼髴?zhàn)之帝國(guó)反擊戰(zhàn)》中，天行者盧克在云城與Darth Vader用幻化光刀交戰(zhàn)時(shí)失去了右手，但最后在杰迪歸來(lái)的時(shí)刻，天行者完成了機(jī)械手，并用它切開(kāi)了Darth Vader的防護(hù)。在現(xiàn)實(shí)中，長(zhǎng)期以來(lái)傷殘人士只能戴上一個(gè)沒(méi)有知覺(jué)的假肢，并不能指望用它來(lái)干多少事情。但波士頓數(shù)字手臂系統(tǒng)公司將可以令傷殘人士擁有天行者那樣活動(dòng)自如的機(jī)械手，該公司生產(chǎn)的LTI智能假肢可以利用板上微處理器來(lái)控制機(jī)器假肢。英國(guó)的研究人員則更進(jìn)一步，希望生產(chǎn)出直接受思想控制的機(jī)器肢體，他們從鹿角中得到一些靈感，將活肢體與金屬植入物直接連在一起，一些殘疾人已經(jīng)開(kāi)始試用這類(lèi)產(chǎn)品。

控制假肢也只是人類(lèi)幻想中的小兒科了，人類(lèi)最渴望的莫過(guò)于用自己的意念主宰一切，所謂“心想事成”。在《圣斗士》中，白羊座穆先生的意念就無(wú)所不能，而日立制作所研發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)也能讓你當(dāng)一回穆先生：比如，你想看電視時(shí)，念頭一閃，電視就開(kāi)了。原理就是將一個(gè)帽子狀的血流測(cè)定器連接在頭部，用電腦測(cè)定出人在思考時(shí)大腦內(nèi)部血流量的微妙變化，然后將腦部活動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)诫娮悠餍瞪?。這項(xiàng)技術(shù)主要針對(duì)身體癱瘓者等殘障人士，可以應(yīng)用到電動(dòng)床、輪椅等殘障人士使用的器械上，但對(duì)一些懶人也有著莫大的吸引力。日立的下一步研發(fā)計(jì)劃是，不僅做到“想看就看”, 還要實(shí)現(xiàn)“想看什么臺(tái)就看什么臺(tái)”。

柯南的道具

雖是一個(gè)偵探卡通片，《名偵探柯南》里也有好多讓人為之向往的小玩意。工藤新一本來(lái)是一名高中生偵探，由于被壞人灌下毒藥而身體縮小，便一直以小學(xué)生“江戶(hù)川柯南”的身份，破解了一個(gè)又一個(gè)的疑難案件。在片中出現(xiàn)次數(shù)達(dá)135次的蝴蝶結(jié)形變聲器，是柯南在講述案件推理時(shí)隱瞞自己真實(shí)身份最關(guān)鍵的道具。柯南只需在調(diào)節(jié)旋鈕后對(duì)著蝴蝶結(jié)講話(huà)，便可以模仿他貪吃貪喝但又可愛(ài)的“叔叔”毛利小五郎的聲音。這個(gè)看似神秘的東西，其實(shí)在中關(guān)村的科技市場(chǎng)里就能買(mǎi)到。麻將牌大小，幾十塊錢(qián)一個(gè)，可以裝在手機(jī)或固定電話(huà)上。原理很簡(jiǎn)單，就是改變聲音的頻率，雖然不能像柯南的變聲蝴蝶結(jié)那樣可以模仿任何人的聲音，但還是可以將通話(huà)者的聲音在男女老少間隨意變換。這對(duì)于獨(dú)自在家的老人和孩子倒比較安全，可以用一壯年男子的聲音嚇唬嚇唬壞人，但大多數(shù)時(shí)候我們不知道這種變聲器會(huì)被用在什么地方，這只會(huì)讓這個(gè)不確定的世界變得更加不確定。