《机电一体化创新设计项目》实验教学大纲(一)
一、课程简介
课程名称： 机电一体化创新设计项目
Creative Design of Electromechanical Integration
课 程 代 码： 112010
学分和总学时： 3学分 72学时
实验（上机）学时： 30学时
开课单位： 机电工程学院
选课对象： 机械设计制造及其自动化专业
二、课程内容与实验目的：
本项目课程以德国慧鱼公司生产的机电产品模型为对象，学生通过装配机电设备模型，对设备进行较为细致的观察和分析，从而完成综合性的设计训练过程。虽然用模型学生可装配出各种各样的产品，但学生学习的重点是选定其中一个产品进行分析研究；对产品进行编程运行，检验其功能、性能等效果；初步掌握开发、设计一个产品的有关过程；学习查阅资料，为自己的设计和分析提供理论依据。加强实践教学，培养学生的动手能力，在一定程度上改变工科教学重理论教学，轻实践环节的现状，使学生生动活泼地进行学习，较全面地掌握各类机械机构，机电一体化机构、计算机编程等基本知识。
本课程的任务是，在简明扼要的介绍各类装置之后，对指定装置进行测绘，学生完成所有零件图、部件图、最后完成总装图设计。根据学生的能力，还可进行相关的改进设计、动画设计等。在设计过程中，学生还可接触到机械装备的控制、驱动、传动的技术，学习机械制造中的工艺、工装、测量等知识。
三、实验教材与实验考核
本课程通过对指定的装置或模型进行测绘和设计，设计时采用三维设计软件，使学生对设备的结构和组成等获得较为丰富的感性认识，对机械装置的设计过程和设计要点有基本概念，为完成后面的设计任务，以及完成将来的学习任务提供思维源泉。
实验教材有实验指导书、实验设备供学生使用。项目过程中学生要自学Solidworks等三维设计软件，独立的完成课程内容。
实验考核评分参考平时成绩和实验报告成绩，设计图纸的质量，以及答辩的情况给定。比例基本参考如下：平时成绩10%，实验报告成绩10%，设计图纸的质量40%，答辩的情况40%。
四、实验项目内容
实验前，要求学生掌握与之相关的基础知识，并在实验老师的指导下，学习相关的实践知识，熟悉所用仪器设备的正确操作方法。实验时，学生必须自己动手，完成本实验指导书规定的实验内容。
实验学生以班为单位，三人为一小组 。每组学生在规定的学时数内根据老师指定，自行完成机械装置的模型的拼装搭建及其它工作。然后以电子版和书面的形式提交：机械结构设计建模；完成指定轨迹规划的控制程序编程；不少于1000字的设计、编程分析报告。
实验项目明细表
注：本课程实验总计 40 学时，安排 6 次实验，其中普通实验占 20 %，综合性实验占 30 %，设计性实验占 50 %。
一、实验目的
1、提高学生的动手能力以及空间想象力；
2、进一步加深对相关机械结构以及元件的工作原理的理解，深入研究其作用。
3、加深机电一体化含义的理解，以机械机构为主，辅之以相关的控制结构，两者之间的相互配合共同完成机械的相关动作。
4、区分开关的两个不同的作用，一是限位，二是作为计数器使用。
二、实验要求
1、实验前，先参观包装袋的成型剪裁机器，了解其相关的工作原理，以及所使用的电动机和传感器，开关的作用。
2、完成两个机器的组装，并编写相关的实验报告和草图，三维图。
3、明确自己所在小组所作的工作，以及自己所做的工作。
三、项目内容
1、所在小组完成的是柱式机器人，该机器人主要用于对物件的搬运，实现物件的水平移动，上下移动以及圆周运动。所用到的主要机械零件是齿轮，利用齿轮之间的相互配合传动来实现搬运。该柱式机器人所用到的电动机有4个，分别用于控制圆盘的旋转，升降臂的运动，以及臂的前后运动和夹紧运动。所用到8个传感器，分别用于限位开关和计数器。限位开关是主要用于限制相关机械结构的运动位置，包括圆盘的旋转位置，臂的前后和上下运动，防止运动过位，出现控制问题。起计数器作用的传感器臂的上升，以及机械手的夹取动作，实现相关的运动要求。由相关的机械零件的相互配合，实现开关计数器的工作，通过其工作带动相关部件的工作。该机器人利用直齿圆柱齿轮以及锥齿轮等机械零件来实现运动的传递，再配合以电动机，传感器和计算机的控制，来完成机械运动。体现了机电一体化技术的运用。
2、我在小组中所完成的工作是：机械手柱机构装置的设计，包括主要是上升机构的运动以及整个装置的支撑。在这个结构中，有一个电动机，用于悬伸臂竖直方向上的直线运动。还有2个传感器，分别起到计数器和限位的作用。限位开关主要是用于控制悬伸梁上升到最高位置的限位作用；计数器用的开关主要是用于由其发出脉冲，控制悬伸梁竖直方向的直线运动，实现点动控制。中间通过一根螺杆来控制悬伸臂的竖直方向运动。螺杆的不断旋转，悬伸臂也随之运动。
四、机械手简介
mechanical hand，也被称为自动手，auto hand能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。
五 、实验的机械手模型说明
1、机械手简介
查找相关资料得知实验室所提供的模型是“四自由度机械手”慧鱼模型，又称之为4D 机械人，它能够实现四个自由度分别是底座的旋转、机械手的前后移动、机械臂的上下移动和机械手部的夹紧和放松。因此操作范围大，灵活性好。该机械手四需要驱动个地方均采用的动力源为直流电机。
该机械手是通过计算机LLwine控制软件，按照轨迹规划，编辑模型的指令程序，指令程序实现定时等信号的输出，再经过信号接口盒，转变输出较强电信号，足以驱动电机，同时可以控制电机的正反转和通电时间，从而控制机器模型进行正确的运动状态。
该系统电机只需要恒定的速度转动，通过电信号来控制电机实现。加速度不需要控制，正常启动电机即可。在位移控制上，机械手的所有运动都有行程限位开关控制推杆前后移动的极限位移。
2、本人主要负责的机械手柱机构设计
（1）总设计图
（2）主要部分说明
限位开关主要是用于控制悬伸梁上升到最高位置时的限位作用；
计数器用的开关主要是用于由其发出脉冲，控制悬伸梁竖直方向的直线运动，实现点动控制。
悬伸梁的上升下降主要靠螺杆与螺母的的旋转运动配合下完成。
（3）柱式机械手总装配图
结合其他组员的模型，完成总装配图。
六、设计内容和方案的说明
结合前面对实验室机器人模型的说明，我们可以得出本次实验所拼接的机械手，其具有能在水平面上绕底座转动，机械手能够做里外伸缩移动并在垂直平面上实现摆动。
机器手具有四个自由度，有旋转台转动的自由度、手臂支架前后移动的自由度、机械手臂上下摆动的自由度和机械手夹紧（放松），总共四个自由度，所以需要四个电机进行驱动。
因此设计主要是根据实验室里的四自由度机械手所实现的功能进行仿真设计的，一开始先参照实验室模型画出整体的结构原理图，再根据原理图进行零部件的设计与建模。
机械手先放松，通过机械手臂上下移动机构下降到限定的高度，机械支架向前移动到指定的位置；然后机械手夹紧工件，机械手臂向上移动到安全的高度，机械支架向后移动到指定位置；通过旋转台转动到指定的位置，然后手臂向下移动，手指放松把工件放到指定位置。
机械手爪的设计：
1、机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。 2、机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。 3、机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口，使末端执行器实现标准化。 4、机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。
机械手腕的设计：
1、由于手腕安装在机械手末端，因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。 2、根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。一般情况下，自由度数目愈多，腕部的灵活性愈高，对作业的适应能力也愈强。但自由度的增加，必然使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。 3、为实现腕部的通用性，要求有标准的连接，以便于和不同的机械手手爪进行连接。 4、为保证工作时力的传递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。 5、要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。 6、手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。
机械手臂的设计：
1、工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应合理，一般满足其工作空间即可。 2、为了提高机械手运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。 3、应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于控制。 4、机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。 5、为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡。
机械手的底座：
1、由于腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手腰座的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力，且腰座是机械手的第一个回转关节，它对机械手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度。 2、腰部结构要便于安装、调整。要有可靠的定位基准面和调整机构。且腰座要安装在足够大的基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。 3、腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。 4、为了减轻机械手运动部分的惯量，提高控制精度，要求回转运动部分由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。
七、设计小结
在这个课程设计中，我们这个团队一起完成了对整个柱式机械手机构的模型组装，通过连接运行之后确定了这个柱式机械手的可运行性。然后我们根据这个模型画出原理图，通过讨论改良之后确定机械手的设计，在各方面都尽可能优化，努力做到更好。
在模型调试中也出现了很多问题，例如没有弄清楚电动机的插线位置，造成机械手的移动出现问题，没有按预定的方位去夹紧和放下工件。后来经过老师的教导，我们明白了电动机的运行方向弄错。所以我们做课程设计时必须要每个细节都要仔细去做，清楚机械手的运动原理，这样才能避免出现更多的问题。
通过这次课程设计，我对以前所学的理论知识有了更进一步的了解，同时能更加合理的查阅及利用资料，未达到课题要求而对在大学期间所学习的课程进行了全面、综合的巩固和加深。
这次课程设计不用与以往任何一次课程设计，它耗时更长，合作性更高，要求更加严格细致。它不仅要求我们能充分利用在校期间所学的课程的专业知识，同时也要求我们有良好的理解力、掌握力和实际运用的灵活度。我们能先通过模型的组装运行对课题有深刻理解，然后才画图优化模型方案，让我们能充分发挥自己的创新能力和实践能力。我们团队都大大提高了自己独立查阅科技资料的能力、动手能力以及分析问题能力，并体会到科技制作的乐趣。
八、参考文献
1、《机电一体化系统设计》 张建民等编著 北京理工大学出版社 1996年8月
2、《机械系统的微机控制》 陈强、解云龙等编著 清华大学出版社 1999年8月
3、（参考：慧鱼技术实验系列——机器人技术软件手册，Fischertechnik）。