仿真機械手臂設計范文

導語：如何才能寫好一篇仿真機械手臂設計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：鍛造機械手；建模；虛擬裝配；ADAMS仿真

機械手（機器人）是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現代制造業重要的自動化裝備[1]。機器人的誕生能夠顯著提高生產率以及改善工作環境等。因此對機械手的研究具有重大的意義。國內外許多學者已對機械手建模、優化設計、控制、運動學及動力學仿真等方面做了大量的研究工作[2-6]。其中，張明輝等人[2]對并聯機械手動力學仿真進行了研究并通過運動學和動力學仿真模型，為進一步對機械手的設計與分析奠定了基礎。文獻[3]針對五自由度機械手，通過UG建立實體仿真模型，然后將模型導入ADAMS中建立了虛擬樣機，并且進行了動力學仿真，分析了末端機械手速度對各關節力矩、角速度和角加速度的影響，這對提高機械手的設計性能及機械手的控制分析等打下了基礎。總體來說，對機器人相關的研究方面取得了一些進展，但對機械手（機器人）的研究還有待進一步深入下去。文章的研究正是基于某企業鍛造流水線對機械手的功能需求而進行開展的，首先對裝配機械手的總體功能進行了分析。然后對各個部分進行了三維建模及虛擬裝配，并對部分關鍵零件進行強度校核。最后，運用ADAMS進行仿真分析，結果表明所建立模型正確性與合理性，為下一步研究機械手的智能控制提供了設計參數。

1 應用背景及功能分析

根據某鍛造企業的需求，鍛造時，鍛件按特定的位置放在鍛造爐中進行加熱；鍛造爐門通過PLC控制其開放和關閉狀態。當機械手臂靠近爐門時，通過PLC控制其打開，待機械手臂抓取鍛件取出后，爐門被再次被控制而關閉。取出后的鍛件被機械手臂夾取而放在鍛臺固定位置后進行鍛造的第一個沖壓工序。同樣的道理對爐中的鍛件逐一進行工序一的加工過程；待工序一完成后，再次通過PLC對機械手臂進行控制使其進行抓取以滿足工序一過程后進行的工序二的模具要求，直至鍛件被加工完成。

2 裝配機械手的三維建模

鍛造機械手的結構設計要考慮到傳動件的定位、零件之間的空間位置等等，同時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，對各個部分結構設計及建模分別如圖1-圖5所示。最終建立鍛造機械的三維裝配模型如圖6所示。

圖1 底座 圖2 轉動軸 圖3 轉向臺

圖4 轉動臂 圖5 傳動軸 圖6 鍛造機械手

另外，對關鍵零部件進行了校核，包括內部傳動直齒錐齒輪的齒面接觸疲勞強度、齒根彎曲疲勞強度、圓柱蝸桿傳動的齒面接觸疲勞強度、蝸輪齒根彎曲疲勞強度、蝸桿的剛度等都滿足強度或剛度的要求。

3 基于ADAMS的鍛造機械手的仿真

利用UG軟件強大的建模功能對所設計的鍛造機械手進行三維實體建模，然后通過UG和ADAMS良好的數據接口將模型數據直接導人ADAMS，根據實際設計要求添加相關約束，在此基礎上進行運動仿真，研究機械手各機構關節的運動，測量各個關節的角位移、角速度和角加速度的變化情況，以驗證設計的合理性。

在保證鍛造機械實現功能的前提下，首先對其三維實體模型進行了簡化，如圖7所示。

注：1、工件輸入帶；2、鍛造臺1；3、機械手；4、鍛造臺2；5、工件輸出帶

圖7 基于UG軟件的機械手簡化三維模型

然后，將三維模型導入到ADAMS中，添加相應的運動副約束和驅動約束，如圖8所示。

圖8 ADAMS環境下的鍛造機械手仿真模型

最后得出各個關節的角位移、角速度和角加速度的變化曲線分別如圖9，圖10和圖11所示。

通過觀察各個關節的角位移、角速度和角加速度的變化曲線可以看出，各關節的角位移、角加速度、角加速度平穩，驗證了所設計的五自由度送料機械手的合理性。

4 結束語

結合對自動化工業鍛造流水線的應用對象，選定了機械手所要實現的功能。首先，對該鍛造機械手具體結構進行了建模、虛擬裝配，并對部分關鍵零件進行強度校核。然后利用ADAMS軟件對機械手模型進行運動學仿真，并生成各角位移、角速度、角加速度的變化曲線，通過觀察各曲線，驗證了機械手的合理性。為下一步機械手的智能控制提供了一定的參考。

參考文獻

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關鍵詞 UG；ADAMS；焊接機器人；建模；聯合仿真

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1671―7597（2013）031-060-02

隨著人類社會進步的加快，科學技術水平的不斷提高，人們對產品的要求也越來越高。這就需要提高產品質量，同時縮短開發周期。此時以仿真技術和系統建模為核心的虛擬樣機技術得到了的廣泛應用，在真實的產品沒有真正生產出以前就對它進行仿真模擬，這樣的話防止各種設計缺陷的存在。其中一款具有代表性的軟件系統：機械系統動態仿真軟件ADAMS，這一款軟件包括了高效的求解器、可視界面、各種簡便的建造模型的工具和具有強大功能的后處理模塊等，利用ADAMS軟件來對機械系統的結構進行分析，在物理樣機設計之前就可以對數控玻璃磨邊機產品的各種性能進行測評，不僅能夠降低開發費用，而且能夠減少開發周期，很大的提高了機械系統仿真的效率。ADAMS在機械系統運動學、動力學和靜力學仿真方面的功能十分的強大，但是當ADAMS軟件建立一些比較復雜機械系統的時候，就會比較困難。這方面常見的就是使用UG軟件和ADAMS軟件結合來開發復雜的機械系統的虛擬樣機。

1 UG軟件和ADAMS軟件的介紹

UG（Unigraphics NX）是一個產品工程的解決方案，它是由Siemens PLM Software公司出品的一款軟件，它為用戶的加工過程及產品設計提供了數字化模型和檢驗的手段。UG Unigraphics NX根據用戶的工藝設計和虛擬產品設計的要求，提供了解決方案，這種解決方案是經過實踐驗證的。UG具有三個設計層次，即子系統設計、組件設計和結構設計。所有的信息被分布于各子系統之間。

本論文使用的運動仿真軟件是由美國MDI公司進行開發設計的ADAMS軟件，這款軟件是現在最具權威性的機械系統運動學與動力學仿真的軟件。它的求解器是使用的拉格郎日方程來進行建立系統運動學和動力學方程，對虛擬的機械系統進行運動學和動力學的分析，并且在分析之后輸出加速度、反作用力、速度和位移的曲線，整個運動的過程是通過在計算機上建立虛擬樣機來模擬復雜的機械系統的。其中ADAMS軟件的核心模塊包括ADAMS/View和ADAMS/Solver。

2 ADAMS和UG的運動聯合仿真

在利用ADAMS和UG進行運動聯合仿真設計的時候，通常我們現在先在UG軟件當中建立三維模型，建立模型的過程：首先通過二維圖紙在UG軟件中建立三維零件模型，然后在將零件進行裝配同時進行干涉檢查，最后將建立的三維裝配圖形導入到 ADAMS軟件當中，在ADAMS軟件中首先對三維裝配圖形的仿真參數進行設定，這樣就產生了參數化的機構模型，最后進行運動學和動力學的仿真。下圖1所示的就是一般情況下的聯合仿真設計流程。

3 焊接機器人聯合仿真分析

3.1 UG三維建模

焊接機器人主要有底座、軀干、肩、手臂、手腕、機械手6部分組成。在UG中建立焊接機器人的各零部件，裝配后得到焊接機器人實體模型，見圖2所示。

3.2 三維模型導入ADAMS

在UG中，選擇“文件”“導出”Parasolid，然后打開ADAMS，選擇FileImport，彈出文件導入對話框，在File Type下拉框中選Parasolid類型，然后在File To Read選擇欄中點右鍵選擇Browse，最后選擇讀入UG輸出的文件。三維圖導入到ADAMS中如圖3所示。

3.3 ADAMS運動仿真

導入模型之后，首先要給焊接機器人添加約束副，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、手腕和機械手之間添加旋轉副。然后給所有旋轉副添加旋轉驅動，肩和手臂之間旋轉副的驅動參數為15d*sin（180d*time-90d）+15d，手臂和手腕之間旋轉副的驅動參數為-15d*sin（180d*time-90d）-15d，底座和軀干之間旋轉副的驅動參數為180d*time，其它旋轉副的驅動參數為0d*time。至此，已完成整個樣機約束的添加如圖4所示。

停止仿真運動，右鍵點擊機械手，在下拉菜單中選擇measure，出現對話框，在characteristic中選擇選項，輸出機械手在X，Y軸方向的位移、速度、加速度曲線。如圖5-圖10所示。

從上面圖中可以看出，機械手的運行曲線平滑且有規律，說明該機構的整個運動過程平穩無沖擊震蕩現象，通過觀察機構仿真運動并結合曲線，可以證實該機構的運行曲線與實際情況相符。

4 結束語

ADAMS軟件和UG軟件作為動力學仿真分析領域和三維建模領域的優勢產品，二者的聯合仿真廣泛應用于產品開發、工程校驗、機械設計等過程中。本文通過UG和ADAMS之間的無縫接口程序，將在UG中創建的焊接機器人三維模型成功導入到ADAMS中，并通過在ADAMS中進行運動學仿真分析，根據仿真分析的結果，驗證了將UG與ADAMS軟件相結合的建模設計和運動學仿真方法的可行性，不僅提高了數據轉換的可靠性，還大大提高了仿真效率，是虛擬樣機技術研究中的嶄新應用，促進了虛擬仿真的發展，對于教學和實踐具有廣泛的意義。

參考文獻

[1]張磊.UG NX6.0后處理技術培訓教程[M].北京：清華大學出版社，2009.

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

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關鍵詞：數控機床; 設計流程;機械行業

隨著工業自動化程度的提高，工業現場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產以及輕工業生產中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費時費力，又影響效率。為此，我們把上下料機械手作為我們研究的課題。我國在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。

1 機械手的優勢和應用

機械手實施方案具有速度快、工作效率高、負載能力強、移位精度高及故障出現頻率低等諸多方面的優點。機械手在DK050機床上的成功運用，是數控機床柔性輸送方面的一大創新。在今后的數控機床的生產過程中，機械手的開發和運用將會得到前所未有的發揮，同時為廣大用戶提供了極大地方便，能夠產生較大的生產效益和經濟效益。

2 機械手手爪架構的設計

機械手手爪的類型較多，其主要用于作業的操作和裝置，按照不同的作業方法和操作，可以將手爪分為測量式手爪、加工式手爪及搬用式手爪等。所謂搬用式手爪，即為多種類型的夾持裝置，其主要用于對物體的搬用和抓取；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機械手附加設備，其主要用于對作業的加工；所謂測量式手爪，即為附有傳感器的一種附加設備，其主要用于對作業的檢驗和測量。在機械手手爪的設計過程中，應當遵循以下幾個方面的要求：其一，根據機械手作業的具體要求對機械手手爪進行相應的設計和開發；其二，機械手手爪的專用性和萬能型之間存在一定的矛盾。萬能手的架構設計比較繁瑣，有時還會出現無法實現的現象，以工業的實際應用為出發點，將重點應放在對各類專用的、工作效率較高的機械手的研究和設計上，確保工業機械手的所有工作性能的實現和健全，在這里，我們不贊成通過一個萬能手來完成所有工作，應當考慮機械手在設計過程中所發揮的一些經濟效益；其三，確保手爪的通用性。所謂機械手爪的通用性，即為通過數量有限的手爪來適應不同要求的機械手，這就給末端執行器提出了一定的要求，即要求其末端配置一個標準的機械接口，保證末端執行器能夠標準化運用。

3 控制方式的設計及流程分析

3.1 控制方式和要求。 由于機械手手臂運動為直線運動，且考慮到搬運工件的重量較大(質量達30KG)，以及機械手的動態性能及運動的穩定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅動方式，通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執行運動件，因此不用再額外設計執行件，而且液壓缸實現直線運動，控制簡單，易于實現計算機的控制。

同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的直徑來增大剛度，是不能滿足系統剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩定性，比較好的解決了結構、穩定性的問題。

3.2 工藝流程與設計。 機械手的動作有腰座的旋轉、垂直手臂的升降、水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與松開。手臂垂直升降和水平伸縮由液壓實現驅動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現；腰座旋轉通過步進電動機與齒輪來實現。實現執行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線圈的電磁閥(夾緊電磁閥)來控制，當線圈不通電時，柱塞缸不工作，當線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。當機械手旋轉到機床上方，并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在機床停止工作并發出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業，同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。

本設計通過對機械設計制造理論知識及實踐進行整合，完成一個特定功能、滿足特殊要求的數控機床上下料機械手的設計，比較好地體現機械設計制造及其自動化專業畢業生的理論研究水平、實踐動手能力以及專業精神和態度，具有較強的針對性和明確的實施目標，實現了理論和實踐的有機結合。機械手采用可編程序控制器控制，可以實行手動調整、手動及自動控制；系統結構緊湊、工作可靠，設計周期短且造價較低；PLC有較高的靈活性，當機械手工藝流程改變時，只要對I／O點的接線稍作修改，或對I／0重新分配，在控制程序中作簡單修改，補充擴展即可。經過重新編制相應的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。

4 結束語

目前，國內外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現狀和大體趨勢如下：機械結構向模塊化、可重構化發展；工業機械手控制系統向基于PLC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，結構小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統的可靠性、易操作性，而且維修方便；機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發展；關節式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機械手產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機械手開發，柔性仿形復合機構開發，仿形伺服軸軌跡規劃研究，控制系統開發；焊接、搬運、裝配、切割等作業的工業機械手產品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統動態仿真。

參考文獻

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關鍵詞：PLC實踐應用　項目教學　控制實例

中圖分類號：G63　文獻標識碼：A　文章編號：1007-3973(2011)005-166-02

PLC(可編程控制器)在工業控制中應用非常廣泛，是機電一體化專業中的核心課程，具有非常強的實踐應用性，課程目的是培養編程實踐性人才。課程內容主要是了解PLC基本運用原理、控制指令及掌握基本程序設計方法，培養學生實踐動手能力，為社會輸送具備PLC高級技能的應用型人才。

1.　中職課程教學PLC實踐應用重要性

早在2006年，國家勞動和社會保障部就了目前國內12個緊缺型人才需求，PLC系統編程設計師崗位就位列其中，根據有關部門預測顯示，到2011年止，PLC技術型人才缺口將達到15.4萬。國內人才市場對專業PLC技術人才的需求也越來越大。所以，各大高職、中職院校要加大電氣自動化、機電等專業的PLC實踐應用教學的力度，強調理論與實踐相結合的教學模式。

目前，國內很多的中職院校對PLC的實踐應用教學非常重視，但是由于學生對理論知識的掌握程度有限，這些院校自動化專業畢業學生大多數都從事自動化設備的維護以及設備的自動化改造方面，而真正涉及PLC程序開發應用的專業人才卻非常少。但是PLC程序設計屬于緊缺型人才，教學結果與社會需求產生了矛盾。因此，各中職院校在PLC理論課程教學中，加強PLC的應用實踐課程的教學，從而達到培養專業的應用型人才的目的，使學生不僅具有較強的理論知識，同時也具備應用實踐能力，最終為社會輸送PLC程序設計專業型人才，為科技的發展做出貢獻。

2.　PLC實踐在教學中的實施

在中職院校傳統的PLC教學課程當中，都采用傳統的教學方式開展該課程的教學任務。在進行課程教學的PIE教材編寫時，一般是按照基本原理、基本指令、基本應用以及基本操作等四個獨立的章節來完成的。教材也按照結構的嚴謹性進行編寫，在課程開始時，教師也按照教材的順序進行教學，首先進行基本理論的學習，接著學習基本指令，最后才開始應用的教學。這樣一來當學生學習到應用課程時，前面的理論知識已經發生脫節，然后又要開始重新的理論學習，導致了學PLC實踐應用學習效果不高，應用能力也得不到提高。

2.1　PLC在機械加工教學中的具體應用

在PLC課程的開始前，先準備好機械手本體、氣動控制系統以及PC-PLC監控系統，機械手臂主要由基座、手臂以及手爪等幾部分組成，在實踐時分別要求完成機械手臂的扭轉、升降、手爪翻轉、手臂伸縮和手爪夾持等動作。上述動作的實現是由氣缸驅動完成的，由PLC的遠程控制實現電磁閥的動作，操作界面按鈕通過用戶程序與PLC以及各電磁閥的線圈相連接，實現遠程汽缸控制動作。每個氣缸控制按鈕數量與電磁閥的線圈數是對應的，比如：三位五通閥有三個控制按鈕、二位五通閥有兩個控制按鈕。機械手機的控制信號則是通過與PLC進行的實時數據交換得到的，也就是PLC的端子的實時工作狀態。同時，在界面顯示區，顯示機械手臂運動氣缸的活塞桿位置狀態，觀察其是否到達了左右極限。從而達到機械手臂的上移、下移、夾緊等動作的實現。

2.2　PLC課程的學習模式

根據實踐應用與理論知識相結合的方式進行PLC的知識講學，這樣既可以使學生掌握理論知識，又可以在實踐中掌握設計技能。PLC一個重要的特點就是其綜合性，一個實際的自動化系統結構是非常復雜的，往往包含了機、電、液、氣等內容，而且具體的控制要求也根據其行業的不同而不同，有些在理論上可以實現的控制程序運用到實際中不一定可行。但是，如果采取了實踐應用與理論知識相結合的教學模式進行，起到的教學效果就完全不同。中職院校在進行PLC的教學時可以結合實際的工程案例進行，讓學生在實際應用中，學會PLC的工程實際設計方法，從而掌握了PLC技術在實際工程中的應用，提高其技術水平與應用能力，真正實現畢業生PLC應用技術的實踐教學任務。同時，也可以培養學生的創新意識，根據具體的工程實例進行具有自身特色的實際應用，從而實現才人的創新需求。

2.3　PLC課程的教學模式

在PLC實踐應用教學模式中，教師可以利用現有的PLC實驗室進行一體化教學。在實PLC應用實踐教學過程中，首先由教師講解模擬系統的控制要求以及預備知識，并對編程思路進行分析，然后交給學生自己上機設計調試程序，最后，再由教師進行程序的指導、修正。讓學生學習到了理論知識所無法學習到的寶貴經驗，對PLC的理論知識更加理性化、明細化。這種PLC應用實踐教學不僅可以充分的挖掘學生的學習熱情，更能培養學生的實踐動手能力以及應變能力。

3.　如何實現PLC實踐應用與課程教學有機結合

3.1　改革傳統教學模式，實施項目教學方法教學

在實施PLC項目教學過程中，教師可以具體的給出PLC控制的相關要求，讓學生進行積極的動手及操作，例如：采用三菱FX系列PLC實現機械手臂的控制，所提出的要求有：實現機械手臂的上移、下移、夾緊等控制以及實現機械手臂故障警報控制。采用實際案例進行項目教學，其根本目的是當學生在完成這些教學任務后，可以更加熟悉的運用PLC在進行實際應用的中的控制，并且在教學任務中掌握其基本的位操作指令，以及掌握基本元器件型號選擇。最終掌握PLC的基本控制操作步驟。針對以上教學要求及任務，教師可以制定以下的教學實踐步驟：

(1)進行分組討論。將學生按小組進行項目的討論，并根據要求設計出方案。同時教師也應參與以便了解學生的實際情況，并指導學生進行設計PLC控制的基本步驟，如怎樣分配I／O口；怎樣設計電氣原理圖以及程序編制過程中應注意的問題等，并由小組提出自己的方案設計意見。

(2)實踐項目的計劃與安排。根據各個小組所制定的方案，對各小組進行分工，并對各項控制項目的開展做出計劃步驟。

(3)實踐項目具體實施。根據各小組做出的計劃與方案安排，進行具體任務的實施工作。

(4)項目完成過程中的質量控制。在整個項目進行過程中，教師要對操作設計過程進行全程的跟蹤控制，及時的分析與解決學生碰到的難點，讓學生自己判斷問題的根本原因，并動手解決實際碰到的問題，培養學生自主實踐與問題分析的能力。

3.2　結合院校網絡，實行遠程監控

PLC輸入輸出信號之間的關系可以通過仿真軟件的界面中直接體現，但是對于較復雜的程序來說，就不能在仿真軟件界面直接顯示了，比如數模轉換、步進電機的轉速監測等信息，這就需要用到遠程監控技術了。隨著PLC技術的不斷完

善及發展，PLC與其他的工業控制計算機網絡相結合，形成大型的網絡控制系統是可編程控制器技術的發展方向，所以，在PLC應用實踐教學過程中，要解除時間及空間的限制，借助中職院校的校園網絡平臺，形成大范圍的遠程監控系統。運用現場總線與以太網相互結合的通信方式，將PLC教學過程中的現場數據高速傳至監控計算機進行分析與管理。主站運用PLC控制模塊，運用以太網模塊來完成主站的控制與連接，以達到遠程控制PLC設備、調速變頻器設備以及伺服電機設備的目的。數據將通過以太網送到上位機監控系統，該系統將對數據進行分析，同時，可將上位機監控系統發出的各類指令傳送至對應設備，進行控制。

3.3　改善考核方法，開展實際活動

對學生考核成績的擬定，要根據理論分與實踐分數相結合的方式進行，特別是對于PLC這種實踐性很強的課程，不能僅僅掌握理論知識，而忽視動手實踐能力。因此，必將改進學生考核制度，將實踐設計考核列入考核范圍，對專業技能考核一定要在教師選題范圍之內進行，并根據題目的具體要求，來完成程序的設計、編寫、運行、調試等步驟，從而達到PLC應用實踐的考核目的。PLC專業教師也應該經常開設一些興趣小組以及科研活動，并要求學生參加學校組織的工廠實踐活動等，讓學生真正了解到PLC設計者的工作環境以及崗位實際需要等。

4.　結束語

中職院校PLC專業教學的目的，是培養學生集維護、安裝、設計等相結合的技能性人才。采用PLC應用實踐教學方法，讓學生真正了解到PLC設計的實際步驟，在實踐中完成理論知識的消化與吸收，不僅激發了學生的學習熱情，而且培養了學生的實踐動手能力，優化了教學過程，培養了PLC專業實踐型人才。

參考文獻：

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[2]武思明，可編程序控制器的新發展[J]，儀器儀表與分析監測，1985年01期.

[3]王讓定，陳華輝，薛春陽，一個組態系統的設計與實現[J]，微機發展，2000年01期.

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【關鍵詞】機器人；手臂關節；機械設計

1.引言

從機械手臂投入商用起，已經有了幾十年的應用和發展歷史。將模塊化的設計思路與理念引入機械手臂的設計中，能夠充分發揮其靈活、可拆分、可組合的特點，并將其應用于更多的場合，包括服務機器人，工業生產制造領域、醫療領域等等。本文結合機械臂設計的模塊化理念，著重對其進行系統分析和設計，包括旋轉關節、傳動系統、減速系統進行實現，具有比較好的理論價值與實踐意義。

2.機器人手臂關節機械設計

2.1手臂關節模塊

手臂關節模塊包含了許多零部件，主要有旋轉電機、減速器和反饋單元等。在手臂關節的內部固定了控制單元和傳動系統，以二級減速傳動作為傳動模式，即齒輪減速傳動與諧波減速傳動，這種傳動模式可以支持手臂關節自由度之內的回轉運動。下面具體闡述其設計方案：

(l)模塊外殼方案

手臂關節的外殼能夠為電機、制動器、滾動軸承提供必要的機械支撐，并起到必要的保護作用。在手臂關節運動的過程中，模塊的外殼也承受了期間多產生的種種應力，因此模塊的外殼必須滿足一定的剛度。模塊外殼的主要構成部分包括：底蓋、電機、齒輪蓋、主殼體、軸承、制動器等。其中，底蓋位于結構的底端，其作用是為整個旋轉模塊的各個部件提供支撐與連接；主殼體構成此部件單元的外殼，對單元當中的電機、制動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單元之上，起到保護和連接作用，而且能夠支持諧波齒輪減速器的安裝。為保證機械臂有足夠的強度，模塊外殼選取的制作材料為鋁合金，并將壁體設計為圓桶狀的抗壓結構，為防止氧化與腐蝕，表面結果特殊處理。

(2)減速齒輪方案

減速齒輪方案的主要構成部分包括：電機連接齒輪、中心齒輪、中心軸以及制動連接齒輪等。其實現方式簡述如下：通過小齒輪來連接直流電機的輸出端，然后通過與小齒輪相咬合的中心齒輪互相連接；同理，通過另一個小齒輪來連接斷電制動器的輸出端，然后通過與小齒輪相咬合的中心齒輪互相連接。在這種嚙合模式下，當減速齒輪單元加電后，便由系統的電機來作為動力源輸出，而當減速齒輪單元端電后，便由系統的制動器來作為阻力源輸出。考慮到機械臂的關節在不同運動時，會使減速齒輪持續維持高速轉動狀態，因此必須有足量的劑。又因為該減速齒輪不是封閉結構，因此本文以滑脂來起到齒輪的作用。

(3)中軸傳動方案

中軸的傳動方案是整個機械臂設計中非常關鍵的一個組成部分。中軸傳動的作用是，首先支持來自中心齒輪的動力，其次還要為波發射器高效傳遞動力。考慮到中軸會承接一定比例的來自軸向的受力和很大比例的徑向應力，因此為支持中軸，引入了角接觸軸承。中軸傳動單元主要由旋轉模塊、斷電制動器、卡簧、角接觸軸承、中心齒輪、主軸、連接法蘭以及波發射器組成。

因為中軸傳動單元在設計上要求同軸度與圓柱度都在較高的水準，因此尤其應注重其材料選擇和參數控制。本研究所設計的中軸用以45號鋼才作為原料，并在成型后淬火，從而保證單元在表面具備一定的硬度。

在中軸傳動方案中，最關鍵的是旋轉模塊的結構設計。旋轉模塊的設計思路是：將其轉軸與中心軸線重合，并以電機驅動。在模塊上部署有電磁編碼器，用于周期性地檢測角位移和角速度。將之與直流伺服電機相聯。結合具體的應用環境與需求，直流伺服電機也可以加裝起到減速增力作用的行星減速箱，共同起到動力輸出的作用。而后通過小齒輪與中心齒輪的咬合，以正齒輪傳動方式來實現系統的減速增力功能。

斷電制動器的結構設計也是中軸傳動方案中的關鍵，斷電制動器有兩方面的作用，首先在旋轉模塊進行位置搜索時能夠起到保持作用，其次，在旋轉模塊因故失去電源之后也能發揮保護的功能。在中軸中，當旋轉單元加電，并處于轉動狀態的時候，斷電制動單元便會隨著系統的小齒輪單元傳遞過來的中心齒輪作用而轉動，而在斷電制動器運動的時候，其輸出軸的動力也來自小齒輪單元。在本文所涉及的機械臂中，電機與制動器全部布置于電機底座，并且將電機底也作為旋轉單元外殼的一部分，其好處在于保護內部零部件。

2.2連接件模塊

連接件的主要功能是在機械臂中連接旋轉關節不同的單元，因此是機械臂的重要組合部分，對機械臂的組合與功能的發揮均有著不容忽視的作用。由于機械臂的各個模塊單元是相對獨立的關系，因此只要將不同的模塊單元互相組合，起可以發揮機器人的機械臂基本功能。因此本文結合具體的需求，設計開發了數種類型不同的連接結構。

機器人的機械臂在實際操作中，連接件實現了不同部件單元之間的力矩傳遞，而其質量的大小也關系到機械臂整體重量和輕便程度，因此在實際設計中，一方面應保證改模塊單元具有足夠的機械強度，另一方面也應考慮到減輕其質量。本文在設計中，考慮到鋁合金屬于高強度低密度的材料，同時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

考慮到機械臂必須部署在一個可以移動的平臺上，來在現場抓取物體，因此模塊手抓單元的末端執行器是其中最重要的組件。為了滿足這個系統的模塊化的設計，末端執行器必須具備一定的應用和擴展功能。假若模塊手抓單元附加多指靈巧手，其實能夠抓取更多類型的對象，本課題的研究只需模塊手抓單元能夠抓取簡單對象，因此使用了圖中的簡單的夾鉗手抓，其優點是結構簡單、容易控制。

3.結束語

機器人的機械臂設計與開發屬于機電一體化領域的高精尖課題。考慮到機械臂的結構具有比較高的復雜性，本文闡述的設計方案充分顧及了模塊設計的標準化與產品的通用性，從而能夠良好的滿足模塊之間的替代性特征需求，因而也能夠保障機器人的機械臂在實際應用中能夠滿足用戶的要求。

參考文獻

[1]郭立新，趙明揚，張國忠.空間冗余度機器人最小關節力矩的軌跡規劃.東北大學學報(自然科學版 ).2010:512-515

[2]馬江.六自由度機械臂控制系統設計與運動學仿真.北京工業大學碩士學位論文,2009:3-10

篇6

關鍵詞:機械設計；自由度；機械

中圖分類號：TU85文獻標識碼： A

科學技術的進行帶動了各行各業，創新技術在機械行業方面的應用尤為突出，比如機器人技術的上市，整個社會發生了翻天履地的變化，其在工業、軍事、日常生活中的積極意義值得肯定。對于機械行業來講，像機械手可以模仿人手臂

動作功能進行工作，在一定的技術力量支持之下，機械手能夠按照固定程序進行抓取、搬運、自動操作相應工具等，從而代替了一部分人工繁重的、危險的勞動程序，真正意義上實現了工業的機械化和自動化，機械手也算是機器人系統中的重要組成部分。目前，盡管在理念研究方面，國內外學者都做出了許多努力，不斷構建六自由度機械手運動學模型，但是復雜環境中工作中仍然面臨難題，像排爆機械手在工作時，難以提前預知抓取物體的具置，導致抓取物體的速度緩慢，甚至不準確。因此，必須對此類機械手運動軌跡進行控制，探討機械設計中運動機構自由度的控制問題將是當前機械行業研究的難點和重點。

一、機械設計概述

機械行業不同于其他行業，它有自身獨特的一面，主要對機械設計領域的內容要求極高，在各種各樣有所限定的條件下，機械行業力求設計出最理想的機械，比如：材料加工能力方面的相關知識，不同材料尺寸的相關計算手段等等。換句話說，只要從事機械設計，不管是在哪種類別的機械行業，大家都有一個共同的目標，就是要充分發揮自己的想象力將機械設計工作做得精通，直至天衣無縫，所以，在實際工作中，一定要綜合考慮機械行業中存在的各種技術要求。通常來說，最優化的設計占有絕對優勢，它大大滿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，細細觀察這些要求，似乎互相矛盾，但是它們之間的關聯密不可分，而且在機械設計的整個環節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，都會根據機械種類和用途的不同而存在差異。當然，作為一名優秀的機械設計人員，無論在哪種機械行業中，他們必須明確自己的主要任務，必須進行具體問題具體分析，以各種各樣的復雜情況為依據，盡量堅持“縱覽全局、統籌兼顧”的原則，工作時要權衡輕重，確保機械設計內容具有綜合技術經濟效果，并且使之達到最大化。

二、機械行業中的自由度及其計算

2.1關于機構自由度

機構自由度，指的是依據機械學原理，確定機構具體的運動時，有必要為之提供獨立運動參數的數目，也就是說，給定機械獨立的廣義坐標數目，可以確定使機構的確切位置。其中，給定的數目表示：如果一個構件組合體自由度F>0時，則它就是一個機構，同時表明各個構件之間可以有的相對運動；如果一個構件組合體自由度F=0，則它就是一個結構，同時表明它已退化為一個構件。此外，機構自由度還可以細分，主要包括平面機構自由度和空間機構自由度。

2.1.1平面機構自由度

所謂平面機構的自由度，指的是一個剛體桿件可以由平面上任意一點A 的坐標（X，Y），以及通過 A點的垂線 AB與橫坐標軸的夾角這三個個參數來決定，即它的桿件擁有3個自由度。

2.1.2空間機構自由度

所謂空間機構的自由度，指的是一個剛體桿件完全不受空間約束，而且在三個正交方向上可以平行移動，甚至可以在三個正交方向上以軸為中心而進行轉動，即它的桿件就擁有6個自由度。

由此可見，在平面上，桿件只存在3個自由度，一個自由度表現為面的旋轉，另兩個自由度表現為前后、左右2個角度進行移動；在立體空間中存在6個自由度，三個自由度表現為前后、上下、左右三個角度進行移動，另三個自由度表現為前后、上下、左右三個面進行旋轉。簡言之，就是沿著三個坐標軸移動，以及繞三個坐標軸轉動，構建相對的獨立運動參數數目稱作構件自由度。

2.2自由度的計算法

一般來說，對于自由度進行計算，主要表現為：一旦增加約束時，自由度就會減少，而且機構自由度等于組合而成的桿件自由度之和減掉運動副的約束。

三、平面機構自由度的分析

3.1分析構件的自由度

在平面機構運動過程中，作為一個單元體，構件屬于組成機械設計中運動機構自由度的控制。作為機構的基本要素之一，構件自由度是構件在機械運動過程中可能會發生的一項獨立運動。與此同時，對于任意一個構件來說，它在空間進行自由運動時，都會存在6個自由度，它具體地表現為：在直角坐標系內，沿著三個坐標軸進行移動，或者繞三個坐標軸進行轉動;對于一個在平面上進行運動的構件來說，僅有3個自由度，即構件AB在XOY平面內,不但可以在任一點M處 繞著Z軸進行轉動，而且還可以沿著X軸、Y軸方向進行移動。

3.2分析平面機構的自由度

在平面機構中，每個平面都有低副，即轉動副和移動副，并且都需要引入2個約束數，使構件同時失去2個自由度，然后只保留其中1個自由度；每個平面都有高副，即齒輪副和凸輪副，并且都需要引入的約束數為1個，讓構件失去1個自由度，只留下2個自由度。不難發現，在某個平面機構中，假如含有N個可動構件，即機架僅作為參考坐標，相對進行固定，未用運動副聯接前，這些可以運動的構件自由度總數應當是3N；當各個構件用運動副連接后，運動副引入約束而減少構件自由度；如果機構中存在PL個低副PH個高副，那么所有運動副引入約束數可以表示為2PL加上PH。因此，自由度的計算公式也可以表現為：可移動構件自由度的總數減去所引入約束的總數來計算平面機構。

四、關于六自由度機械手復雜運動的控制

為了探討機械設計中運動機構自由度的控制，本文主要針對六自由度機械手復雜運動的控制進行分析，為了挖掘其內在規律和有效對策。大體地說，在實際應用過程中，如果六自由度機械手的某些關節發生故障，機械系統將會鎖定該關節在當前角度，直接導致六自由度機械手無法順利工作，嚴重阻礙了六自由度機械手作用的正常發揮，往往呈現五自由度機械手，即欠自由度機械手等不良現象。

毫無疑問，針對欠自由度機械手問題來說，有效的運動控制和軌跡規劃尤為重要，只有這樣，才能保證其完成預期任務。比如：在航空航天工業領域內，要是某航天飛行器所載的六自由度機械手的一個關節發生故障，從而變為欠自由度機械手，極易導致此機械手無法再正常工作，即影響飛行任務，這種現象在其它方面亦如此。

此外，在工作空間中，欠自由度機械手只能達到全部或部分定位，而對于軌跡規劃的中間位姿點沒有對應的逆解。在實際應用中，機械設計師經常采用向量代數線性變換法，而由關節故障形成的欠自由度機械手可用容錯性能的機械手位置進行逆解，而且算法實用。因此，容錯性能的機械手位置逆解法在探究機械設計中運動機構自由度的控制方面具有很高的研究價值。

結束語：

總之，通過對機械設計中運動機構自由度的控制進行探討，在一定程度上豐富了機器人運動學的相關理論，經過分析六自由度機器人在復雜運動中的控制問題，對目前機械行業中各種復雜軌跡的設計工作提供了有價值的技術支持。展望未來，更多結構六自由度機器人的應用將越來越廣泛，不同方式下的復雜運動控制值得深入研究，需不斷優化和拓展其仿真易用性，努力實現更加理想的自由度控制方式，將復雜控制簡單化。

參考文獻：

[1]趙軍華，袁世先.機械設計中運動機構自由度的控制［J］.煤炭技術.2013，（4）.

篇7

關鍵詞:光機電一體化;實訓裝置;理實一體化教學;項目化教學;模塊化教學

中圖法分類號:TP3 文獻標識碼:A 文章編號: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

職業教育的核心是提高學生的實踐動手能力和分析解決實際問題的能力。傳統的職業教育模式是專業理論課和實訓課分開進行,其弊端是理論和實踐相分離,重理論而輕實踐,教師教學缺乏新意,上課枯燥乏味,學生聽課不感興趣,上課昏昏欲睡,這樣直接造成的后果就是培養的學生動手能力差,解決實際問題的能力差,課程教學難以達到職業教育培養目標的要求。解決該問題的關鍵是適當引入實訓設備,探索理實一體化教學模式。

理實一體化教學作為職業院校專業教學中探索創新的一種教學模式,它強調充分發揮教師的主導作用,將理論學習和實際訓練緊密結合起來,注重培養學生的動手能力,全程構建素質和技能培養框架,豐富課堂教學和實踐教學環節,提高教學質量。理實一體化教學要求學校建立專業教室,配備相應的專業設備和計算機輔助教學設施,將有關專業設備和教學設備同置一室,將專業理論課和生產實習等實踐性教學環節安排在專業教室中進行教學[1-2]。

高職高專機電類課程教學大多需要實驗實訓設備的支撐。傳統的教學儀器設備主要為了滿足某門課程驗證性實驗的需要,缺乏對學生實踐動手能力和創新能力的培養。光機電一體化實訓裝置融合了機械、電氣、PLC、氣動、傳感等多種技術,采用了開放式和模塊式結構,可滿足《電氣控制與PLC》、《機電一體化設備安裝與維護》等多門課程理論實踐一體化教學的需要。正是基于以上考慮,我校在省財政的支持下,面向機電一體化、數控技術、電氣自動化等專業課程教學的需要,引入了光機電一體化實訓裝置和模塊化生產線等設備,并積極探索理實一體化教學模式,取得了初步成效,顯著提高了學生的實踐動手能力和社會競爭力。

2 光機電一體化實訓裝置的基本構成

2.1 光機電一體化實訓裝置的總體結構

光機電一體化實訓裝置由型材導軌式實訓臺、典型機電一體化設備機械部件、PLC模塊、變頻器模塊、按鈕模塊、電源模塊、低壓電器模塊、模擬生產設備實訓模塊(包含上料機構、搬運機械手、皮帶輸送線、物件分揀等)、接線端子排、各種傳感器、警示燈和氣動電磁閥等組成。整體結構采用開放式和拆裝式設計,學生可以組裝、接線、編程和調試由上料機構、搬運機械手機構、皮帶輸送線和物料分揀組成的光機電一體化設備。裝置的總體結構示意圖如圖1所示。

2.2 裝置主要模塊的基本組成

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

2) 變頻器模塊:采用西門子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;具備過電壓、欠電壓保護,電機過熱保護,短路保護等。提供調速電位器,所有接口均采用安全插連接。

3) 電機模塊:包括三相交流異步電動機,步進電機和步進電機驅動器等。

4) 低壓電器模塊:配備了交流接觸器、熱繼電器、電子式時間繼電器、中間繼電器、變壓器、整流電路、能耗制動電阻、帶燈按鈕、斷路器、熔斷器、行程開關、組合開關、轉換開關、速度繼電器、磁性開關、急停按鈕、復位按鈕、自鎖按鈕等低壓電器。

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

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

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

2.3 裝置主要部件的工作原理[3]

1) 機械手搬運機構

當存放料臺檢測光電傳感器檢測物料到位后,機械手手臂前伸,手臂伸出限位傳感器檢測到位后,延時0.5秒,手爪氣缸下降,手爪下降限位傳感器檢測到位后,延時0.5秒,氣動手爪抓取物料,手爪夾緊限位傳感器檢測到夾緊信號后;延時0.5秒,手爪氣缸上升,手爪提升限位傳感器檢測到位后,手臂氣缸縮回,手臂縮回限位傳感器檢測到位后;手臂向右旋轉,手臂旋轉一定角度后,手臂前伸,手臂伸出限位傳感器檢測到位后,手爪氣缸下降,手爪下降限位傳感器檢測到位后,延時0.5秒,氣動手爪放開物料,手爪氣缸上升,手爪提升限位傳感器檢測到位后,手臂氣缸縮回,手臂縮回限位傳感器檢測到位后,手臂向左旋轉,等待下一個物料到位,重復上面的動作。在分揀氣缸完成分揀后,再將物料放入輸送線上。

2) 物料分揀機構

當入料口光電傳感器檢測到物料時,變頻器接收啟動信號,三相交流異步電機以30HZ的頻率正轉運行,皮帶開始輸送工件,當料槽一到位檢測傳感器檢測到金屬物料時,推料一氣缸動作,將金屬物料推入一號料槽,料槽檢測傳感器檢測到有工件經過時,電動機停止;當料槽二檢測傳感器檢測到白色物料時,旋轉氣缸動作,將白色物料導入二號料槽,料槽檢測傳感器檢測到有工件經過時,旋轉氣缸轉回原位,同時電動機停止;當物料為黑色物料直接導入三號料槽,料槽檢測傳感器檢測到有工件經過時,電動機停止。

3 基于實訓裝置的課程模塊與項目設計

光機電一體化實訓裝置融合了機械、電氣、電動機、PLC、氣動、傳感等多項技術,并面向職業教育發展的需要,采用了開放式和拆裝式結構,可根據課程內容需要選用不同的模塊組合,滿足《電氣控制與PLC》、《液壓與氣動控制》、《變頻調速技術》、《檢測與傳感技術》、《機電一體化設備安裝與維護》等多門課程理實一體化教學的需要。表1為利用該實訓裝置開發的課程模塊和教學項目。

4 基于實訓裝置的理實一體化教學

4.1 理實一體化教學場地安排

傳統的職業教育模式是理論教學和實踐教學分開進行,造成理論與實踐分離,而且實驗實訓室功能單一,設備利用率低。為了改變這種現狀,突出職業教育的實踐性,我校引入了光機電一體化實訓裝置,并根據現場化教學的需要,將教學環境設計為現場教學模式, 建立理論與實踐一體化教學的專業教室,融教室、實訓、實驗、考工于一體, 使專業教室具有傳統教學、多媒體教學、實物展示、演練實訓、考工強化訓練和考工等多種功能, 營造出良好的職業氛圍和環境。整個一體化實訓室面積達150m2,室內配備了九臺光機電一體化實訓裝置,一套MPS模塊化生產線實訓裝置,以及46臺電腦和投影、音響教學設備,配備了統一的實驗桌椅、黑板、儀器柜等,可滿足單班課程現場化教學的需要,實現課程教學做于一體,教學場地布置如圖2所示。

電腦與操作臺區屬于基礎教學部分,主要用于知識講解、課程討論、軟件編程、低壓電器實訓等。實驗桌上安裝了網孔板,既用于液晶顯示器的保護,又可固定常用的低壓電器,作電工實訓用。光機電一體化實訓區屬于應用部分,既可用于單門課程的實訓需要,也可滿足課程綜合教學的需要,如PLC實訓、變頻調速實訓、機電設備安裝與調試操作等。模塊化生產線區屬于高級擴展部分,配備了自動傳輸、立體倉庫、三坐標測量、模擬加工等八個模塊,模塊與模塊之間采用了以太網和現場總線進行相互連接,側重于生產線的總體控制實訓等。

4.2 《電氣控制與PLC》理實一體化教學思路

我校的《電氣控制與PLC》課程在2005年被確定為省級精品課程,四年來項目組老師根據我校學生的特點探索了多種現代化教學方法,其中效果最顯著的當屬基于光機電一體化實訓裝置的理實一體化教學模式。以下為實施該教學模式而采取的一些有效措施:

1) 課前根據實訓裝置的特點,合理設計教學項目,編寫教學講義,制作多媒體教學課件和仿真動畫,以提高課程教學的實用性和針對性,提高學生學習的積極性和趣味性。這部分工作是關鍵所在,直接關系到理實一體化教學模式能否順利進行。

2) 在課程教學之初,組織學生到校工程訓練中心進行參觀,增加感性知識,了解普通車床、銑床、鉆床的工作原理和控制要求,以及實際的電氣控制電路;了解常用低壓電器、PLC在數控車床、數控銑床、加工中心、電梯控制系統中的應用等。

3) 在講解電氣控制部分時,每個實驗桌上放一套常用的低壓電器和電工工具,方便學生了解各種低壓電器的結構,學習基本控制電路的安裝、調試方法等。

4) 在講解PLC基礎部分時,每個實驗桌上放一個PLC和一套常用的低壓電器,方便學生了解PLC的結構、接線方法等;方便學生自己動手設計、調試基于PLC的電機控制電路等。

5) 根據學生的特點,實行分類教學,充分發揮學生間的傳、幫、帶作用。對于平時表現優秀的學生,給與較高的要求,安排較難的設計任務,并要求不光自己學會設計和操作,還需要幫助組內的同學完成設計任務。對于平時表現一般的學生,需要加強引導和督促,適當加以鼓勵,激發學生的學習興趣和求知欲。對于平時表現較差的學生,則需要給予較多的關注,必要時采用強制措施,迫使他們掌握本課程的基礎知識和基本技能。

6) 加強中間過程考核和期末實踐考核,增添答辯環節,提高學生的口頭表達能力,強化學生綜合技能的培養。對教學過程中的每個項目組織考核,并根據學生的表現進行打分,計入平時成績。在期末再安排一次實踐考核,隨機抽取平時訓練過的項目任務,并給予評分,計入總評成績。在實際操作過程中,這一招對平時不太愛學習的學生有很大的促進作用。

5 結束語

將光機電一體化實訓裝置引入課程教學,實現理論與實踐一體,不僅提高了學生的學習興趣和實踐動手能力,同時也提高了教師的教學業務能力。整個實訓裝置包括了機械、電氣、PLC、組態設計、氣壓、傳感器等多項知識,不僅要求教師要有過硬的理論知識,更重要是具備綜合運用知識和解決問題的能力,隨時解決學生在操作中碰到的各種問題。另外新的實訓設備引入,也需要教師根據實訓裝置編寫合適的講義,探索新的教學模式,這樣對教師個人能力的培養也有很大的促進作用。

參考文獻:

篇8

【關鍵詞】嵌入式單片機;機器人;防爆排雷;電路;藍牙通信

隨著微電子軟硬件技術和先進制造技術的飛速發展，嵌入式單片機應用的日新月異，機器人時代的悄然到來，機器人已被廣泛應用于工業和農業生產、國防、航天、科研、社會服務等各個方面。在許許多領域里機器人承擔了人類繁重、枯燥、危險的工作，特別是在超出人類生存極限的環境下機器人更是大顯身手，執行人類無法親自去完成的工作任務，機器人綜合了多學科的發展成果，代表了高技術的前沿發展，它正在改變人類的作業和生活方式，成為人類生活中不可缺少的成員。

一、作品介紹

在自動控制的嵌入式單片機應用系統中，往往將單片機作為一個核心部件，結合具體的硬件結構，讓單片機發揮其實際的作用。本作品防爆排雷機器人的研究與設計，主要是基于32位嵌入式單片機STM32F103C8T6為核心芯片，以嵌入式單片機最小系統為基礎，外加BMX-02藍牙串口通信模塊，電機驅動電路L298芯片，穩壓電源LM2596和MIC5205BM5電路，LED發光二極管，前進后退電機、機械手臂電機，開關電路等，對防爆排雷機器人的控制器進行研究、設計與制作。使用Altium_Designer9進行電路原理圖和PCB雙面板圖的設計，利用雕刻機制作出電路板后進行電子板元件的焊接安裝，利用Keil uVision4軟件編程和仿真和調試。使用手機藍牙通信進行遙控，實現防爆排雷機器人（小車）的前進、后退、轉彎、抓取、拆卸物件等排雷功能。該防爆排雷機器人精致小巧，布局美觀，成本低廉，實用性強，能夠按照要求利用手機進行遙控，實現無人接觸拆裝危險物體。

圖1 防爆排雷機器人電路原理圖

二、工作原理、設計與制作

（一）硬件電路工作原理圖設計與制作

1.防爆排雷機器人電路原理圖（如圖1所示）

2.防爆排雷機器人PCB板圖設計與制作

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、安裝與焊接過程注意事項：

（1）元件安裝與焊接：PCB板上32位嵌入式單片機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STM32F103C8T6時，先定位焊接對角兩個管腳，確定位置無誤后采用手工拖焊的焊接方法;對于0603封裝元件，先在其中一個焊盤鍍錫，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上，然后再焊接另外一端。

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

（3）PCB電路板的設計：在設計PCB板時，由于電機驅動電路L298芯片、穩壓電源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之外，其它電路線路不能在電機驅動電路L298芯片、穩壓電源LM2596芯片的貼面底部走過。

（4）電路板安裝、焊接：安裝前，要先檢查PCB光身板，確定電路板無短路、無開路現象后方可安裝和焊接;手工焊接要嚴格控制焊接時間，每個焊點時間不能超過3秒，防止元件熱損壞，焊接后要用萬用表檢查電路板，排除因焊接出現的短路現象。

（二）系統軟件設計

軟件設計是實現機器人智能化運轉的關鍵所在，相當于人類大腦的思維活動。通過軟件控制硬件電路，產生相應的動作反應。在小車運行的過程中，采用藍牙通訊實現手機對小車的智能控制。本次設計采用Keil uvision4進行軟件開發。

1.軟件設計

根據總體設計的思路和本系統需要實現的功能，以及STM32F103C8T6具有的定時器和USART串行接收/發送器等功能，完成了軟件程序設計。由于C語言具有編程靈活，可移植性強等特點，本設計采用C語言進行程序編寫實現各部分功能。

（1）程序結構及功能

整個系統的程序由主程序和各子程序構成，主程序調用了3個子程序，分別是藍牙通訊子程序、舵機驅動子程序、電機驅動子程序。

①藍牙通信子程序：將藍牙模塊與手機藍牙配對，手機中按下的不同鍵值使小車實現前進、后退、左轉、右轉、變速、手臂升降等功能。

②電機驅動子程序：配置電機用到的I/O端口，使能輸出引腳，驅動電機工作。

③舵機驅動子程序：在手機中拖動steer進度條，控制手爪旋轉角度、手臂升降角度、前輪轉向舵機左右轉向的角度。

（2）主程序設計流程（如圖3所示）

圖3 主程序設計流程圖

（3）子程序的設計

①藍牙通信子程序：本函數采用USART1全雙工模式實現串口通信。單片機根據通訊協議對手機發送過來的數據進行判斷，校驗無誤后才會將數據在主程序中加以運用，由手機中按下的不同鍵值使小車實現前進、后退、左轉、右轉、變速、手臂升降等功能。

②電機驅動子程序：配置電機用到的I/O端口，通過SetBits和ReSetBits兩個庫函數讓電機動起來實現前進和后退功能;引入PWM（TIM4定時器產生）波，運用TIM_SetCompare函數改變PWM占空比實現對電機轉速的控制。

③舵機驅動：用TIM3定時器產生PWM波，找出轉動角度與PWM波占空比對應關系，運用TIM_SetCompare函數改變PWM占空比來控制舵機轉動的角度。不同的引腳占用不同的時鐘和通道，在設計程序時庫函數一定要調用準確。

2.電路調試

電路板元器件安裝、焊接完成，經檢測無短路和開路現象，把上述按要求編好的軟件控制程序通過USB接口下載到硬件電路板，在安卓手機上安裝遙控程序，通過手機遙控進行硬件電路的調試驗證，直至防爆排雷機器人符合各項功能要求。

三、防爆排雷機器人的功能特點

本機器人整體外觀布局緊湊、整齊。其功能特點如下：

1.前進后退功能：由安裝在小車后輪的兩個電機MOTORA、MOTORB提供動力，動力強勁。

2.轉向功能：由安裝在前輪底盤下面的舵機控制前輪實現轉向，轉向靈活。

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

4.遙控功能：機器人的進退停止、轉向、拆裝物件全部在手機上控制，利用藍牙通信實現遙控。

四、結束語

由于該防爆排雷機器人活動精度高、活動線路靈活，精致小巧，布局美觀，成本低廉，實用性強，能夠利用手機進行遙控，實現無人接觸拆裝危險物體。讀者可以根據這一設計思路和不同適用場合的要求，設計出滿足社會需求、功能類似的實用遙控機器人。

參考文獻

[1]王承啟.小型遠程探測機器人設計[J].2013（03）.

篇9

關鍵詞：無線傳感器網絡；混合定位技術；TDOA；基于測距定位；基于非測距定位

中圖分類號：TN91934；TP212文獻標識碼：A文章編號：1004373X（2012）18006004

引言

無線傳感器網絡在應用過程中還存在一些挑戰性課題有待研究，提高節點定位效果就是其中之一。目前各種單一的定位技術都有各自的優缺點和明確的適用范圍，不存在一種能滿足任何應用需求的完美的定位技術[12]。在許多實際應用中，定位系統各個區域對定位精度、實時性等指標的具體要求往往也不同，這時采用單一定位技術很難滿足整體應用需求。如在工業生產中，生產線上需要采用高精度高實時性的定位技術引導機械手臂或者其他執行機構完成特定的生產裝配任務，這時往往需要定位系統提供厘米級甚至更高的定位精度；在運輸環節，一些AGV（AutomatedGuidedVehicle）導航執行機構要求定位系統具備米級的定位精度和較高的定位效率；而在倉儲物流環節，物流管理系統只需要知道貨物存放的大致位置，此時定位系統提供大概的位置信息即可，誤差幾米左右都能滿足應用需求。在復雜的實際應用中，單一定位技術往往在性能指標和設計成本方面難以達到要求。

本文結合現有無線傳感器網絡定位的現狀[36]，提出了無線傳感器網絡混合定位思想，通過多種定位技術的融合，以混合定位的方式克服單一定位方法的不足，取長補短，達到更好的定位性能。相關的仿真和實驗表明，本文實現了TDOA、基于RSSI測距以及DVhop等定位技術的融合，有效地提高了復雜大規模無線傳感器網絡的定位精度，有利于推動定位技術的實用化。

篇10

飛翔之夢

飛翔是人類一個永恒的夢想，幾乎所有的科幻類卡通片都會出現各種各樣的飛行工具。《魔女宅急便》中神奇的飛天掃帚，《機器貓》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于《噴氣之子》中的飛行汽車了，這種在摩天大樓之間穿梭不息的汽車形狀飛行物，幾乎成為未來世界的標志。在現實世界里，被堵車弄得心煩意燥的我們，是多么盼望自己的車能夠拔地而起，把身后的汽車長龍統統甩在身后。2001年的“9.11”事件中成千上萬的人無助地被困在即將崩塌的世貿大廈里，如果有垂直起降的飛行器，也許就能避免悲劇……

如今，飛行汽車成為現實。不久前，美國Terrafugia公司推出了Transition，這個有著可伸縮側翼的汽車，在公路上行駛時看似一輛普通的汽車，但打開兩邊的側翼之后就能在城市上空自由翱翔。妮夢•馬科斯集團公司（Neiman Marcus Group Inc）也開始預售全球第一輛4座飛行汽車，這輛外形酷似星際戰斗機的節能型汽車，在空中飛行的最高時速可達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的荷蘭公司更是設計出只有3個車輪的PAL-V（即私人空陸兩用車），PAL-V在拐彎傾斜時很像摩托車，因此操控性非常好。不過，這些飛行汽車價格不菲――都在300萬美元以上，要想坐上“經濟型”的飛行汽車，平時能隨便開著上下班、出門購物，估計還得等上一段日子。

相對行汽車，日本漫畫家藤子不二雄覺得把自己塞在一個盒子里才能飛行太麻煩了，就讓他筆下的卡通人物機器貓從未來帶來一樣寶貝 ――“竹蜻蜓”，這也成為卡通片《機器貓》里出現頻率最高的道具。一遇到上課快遲到，機器貓小叮當和大雄倆兒就頭戴這個長相似螺旋槳的玩意，像直升飛機般飛向目的地。雖然在現實中讓真人飛起來的難度太大，但機器貓卻真的飛起來了。日本的一家玩具廠推出一種遙控飛行機器貓玩具。這個機器貓頭頂的竹蜻蜓，采用“二重反轉式旋翼” ――一種運用在前蘇聯軍用直升機的精密結構。充上幾分鐘的電之后，機器貓就能飛到幾層樓那么高。關鍵是，這只會飛的機器貓售價才49美元，比飛行汽車可便宜多了。

小叮當的寶貝

除了竹蜻蜓，《機器貓》里還有好多讓人過目不忘的好玩意。當大雄受到大胖和強夫欺負時，小叮當總是會給他一把空氣槍，只要把槍管套在手指上，對準目標說聲“砰”，那些壞孩子就被打得人仰馬翻。這個令人艷羨得手癢癢的武器，如今你隨隨便便都能買到。這款名字為“AirZooka”的空氣槍，看起來像個小小的電吹風，只要輕輕拖動它上面的一個小按鈕，就能產生強大的氣流，攻擊6米之內的任何人，但可以保證的是，它的空氣彈是絕對沒有任何危險的。只要掏出13美元，你就能在eBay上買到這個能讓你在朋友面前顯擺的玩意。

“房屋機械人”也離我們越來越近。在迪拜，有10%的新建筑中都裝備有“智能房屋”系統。只要裝上一個計算機中心控制系統，與埋設在房屋墻壁內的電器線纜連接，手握遙控器，就能輕輕松松讓房屋里的電器自覺工作。而在回家的路上，給家里的熱水器發一條信息，讓它開始燒水，迎接主人洗澡，已是成天在我們的電視里播放的廣告了。

在《機器貓》里，“隱形液” 是一種類似于噴霧劑的東西，噴上之后目標物體就會變成視覺看不到的狀態。現在倒是有一種汽車車牌隱形噴劑，能在被噴車牌表面形成一層具有反光作用的透明保護膜，當警用測速相機（雷達）或電子眼的高倍閃光燈投射到車牌時，車牌會呈現白茫茫的一片，測不到任何數字。這雖是雕蟲小技，卻是一個讓技術誤入歧途的典型。然而，不知是出于對“透明”還是“隱藏”的追求，人類對隱形技術的探索從未停歇。英國和美國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，這種材料能避開光線和物體周圍其他形式的電磁輻射。在旁觀者眼里，物體就似乎變得不存在了，在視覺上實現了隱身。

機器貓、機器恐龍，還有什么

不僅機器貓的道具正越來越多地成為現實，機器貓自己也出現在現實世界里了。不過，它有了另外一個名字――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器人寵物貓，它身上的人工皮毛貓摸起來就像真貓一樣，并在全身裝置了多種聽覺、視覺、觸覺傳感器。人一摸它的頭，尼克羅就會立刻撒嬌；打它也會生氣并叫出聲音；它還會告訴主人它想睡覺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。雖然歐姆龍公司認為尼克羅已經夠完美了，但是想想《機器貓》中那個愛吃銅鑼燒、甚至會被蚊子叮的小叮當，這只機器貓還差得很遠。

幾乎每個二三十歲的中國人都是在“變形金剛，隨時變形狀……”的歌聲中長大的，那時他們一放學就沖到電視機前收看卡通片《變形金剛》，一上街就吵嚷著要父母買一個變形金剛玩具。然而大多數人擁有的變形金剛只是一個手動的模型，但著名機器人設計師Dr. Mark W. Tilden去年設計的Roboraptor機器恐龍玩具則是一只真正的機器恐龍。跟尼克羅一樣，RoboRaptor身上也有多個先進感應器，它會用眼睛“看”，用耳朵“聽”，并對外界的接觸與互動做出不同的反應，還會發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在國內已上市，售價不低――3680元人民幣，你自己考慮考慮吧。

除了希望有機器貓、變形金剛之類的機器人的幫助，人類也常常幻想自己擁有超凡的能力。在《星球大戰之帝國反擊戰》中，天行者盧克在云城與Darth Vader用幻化光刀交戰時失去了右手，但最后在杰迪歸來的時刻，天行者完成了機械手，并用它切開了Darth Vader的防護。在現實中，長期以來傷殘人士只能戴上一個沒有知覺的假肢，并不能指望用它來干多少事情。但波士頓數字手臂系統公司將可以令傷殘人士擁有天行者那樣活動自如的機械手，該公司生產的LTI智能假肢可以利用板上微處理器來控制機器假肢。英國的研究人員則更進一步，希望生產出直接受思想控制的機器肢體，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，一些殘疾人已經開始試用這類產品。

控制假肢也只是人類幻想中的小兒科了，人類最渴望的莫過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所不能，而日立制作所研發的一項技術也能讓你當一回穆先生：比如，你想看電視時，念頭一閃，電視就開了。原理就是將一個帽子狀的血流測定器連接在頭部，用電腦測定出人在思考時大腦內部血流量的微妙變化，然后將腦部活動信號傳輸到電子器械上。這項技術主要針對身體癱瘓者等殘障人士，可以應用到電動床、輪椅等殘障人士使用的器械上，但對一些懶人也有著莫大的吸引力。日立的下一步研發計劃是，不僅做到“想看就看”, 還要實現“想看什么臺就看什么臺”。

柯南的道具

雖是一個偵探卡通片，《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，便一直以小學生“江戶川柯南”的身份，破解了一個又一個的疑難案件。在片中出現次數達135次的蝴蝶結形變聲器，是柯南在講述案件推理時隱瞞自己真實身份最關鍵的道具。柯南只需在調節旋鈕后對著蝴蝶結講話，便可以模仿他貪吃貪喝但又可愛的“叔叔”毛利小五郎的聲音。這個看似神秘的東西，其實在中關村的科技市場里就能買到。麻將牌大小，幾十塊錢一個，可以裝在手機或固定電話上。原理很簡單，就是改變聲音的頻率，雖然不能像柯南的變聲蝴蝶結那樣可以模仿任何人的聲音，但還是可以將通話者的聲音在男女老少間隨意變換。這對于獨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，但大多數時候我們不知道這種變聲器會被用在什么地方，這只會讓這個不確定的世界變得更加不確定。