時(shí)間:2023-04-01 10:06:37
導(dǎo)語:在機(jī)械手設(shè)計(jì)論文的撰寫旅程中,學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑,好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文,愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感,引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
指導(dǎo)老師:戴勝坤
設(shè)計(jì)要求:1、安裝資料及要求。包括:平面圖;用電負(fù)荷情況;供電電源情況;氣象及水文資料等。
2、選子:位置、型號的選擇
3、土建施工
4、設(shè)備安裝
課題二、小電流接地系統(tǒng)的故障選線的研究
指導(dǎo)老師:戴勝坤 地故障時(shí),故障特點(diǎn)不是非常明顯,故障選線就顯得很有必要,所以,要求學(xué)生
比較詳細(xì)的了解國內(nèi)外小電流接地系統(tǒng)故障選線的研究現(xiàn)狀和研究方法,對現(xiàn)有
的選線方法進(jìn)行總結(jié)并加以改進(jìn),找到適合的故障選線的方法;3、 利用ATP的仿真軟件對小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行仿真;4、撰寫畢業(yè)論文。
課題三、64點(diǎn)溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
指導(dǎo)老師:游佳
設(shè)計(jì)內(nèi)容:64點(diǎn)溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)針對室溫環(huán)境下的溫度監(jiān)控,如大型機(jī)組的軸溫,大型變壓器油溫,化學(xué)反應(yīng)過程,環(huán)境測試等??刂坪诵牟捎梦⑻幚砥骰騿纹瑱C(jī),監(jiān)測64點(diǎn)溫度,溫度范圍0~100℃,采用半導(dǎo)體溫度傳感器AD590,按矩陣方式切換輸入信號。輸出8路開關(guān)控制信號和2路PWM模擬信號(具備PID控制能力)。同時(shí)要求利用微處理器或單片機(jī)的已有通訊接口或其它工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和控制。
設(shè)計(jì)要求:1.總體方案設(shè)計(jì),需要提出至少兩種切實(shí)可行的方案,并加以比較,選擇一種最優(yōu)方案;
2.根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)硬件電路,需要有理論依據(jù),有分析計(jì)算過程,選擇的主要元件要有原理和說明,所有元件必須有型號和參數(shù);
3.軟件設(shè)計(jì),使用匯編語言或C語言編成。主要軟件必須能在設(shè)計(jì)制作的硬件電路上正確運(yùn)行 ,且能夠顯示被測試對象的溫度;
4.制作硬件電路,調(diào)試硬件和軟件,完成溫度檢測與測試點(diǎn)切換,實(shí)現(xiàn)溫度上傳并在屏幕上顯示或存盤;
5.撰寫畢業(yè)論文,嚴(yán)格按照畢業(yè)論文標(biāo)準(zhǔn),論文引用其它文章和相關(guān)技術(shù)資料不得多于40%。
課題四、 用8051單片機(jī)設(shè)計(jì)一交通信號燈模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
指導(dǎo)老師:潘紋
一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求:
用單片機(jī)8051設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的紅、綠、黃交通信號燈控制系統(tǒng),要求如下:
1)用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作信號燈??紤]到學(xué)生設(shè)計(jì)時(shí)的難度,只考慮一條道路相對的兩個(gè)方向,每個(gè)方向有紅、綠、黃三個(gè)燈。紅燈亮禁止通行,綠燈亮允許通行,每隔30秒紅綠燈交替變化。在每次由綠燈亮變成紅燈亮或者由紅燈亮變成綠燈亮的交替變化轉(zhuǎn)換時(shí)要求黃燈閃爍5秒,給行駛中的車輛有時(shí)間??康浇芯€之外。
2)能實(shí)現(xiàn)正常的計(jì)時(shí)顯示功能。用倒計(jì)時(shí)方法顯示紅燈、綠燈、黃燈還需亮的時(shí)間。
3)能實(shí)現(xiàn)控制器總清零功能。 按下某個(gè)鍵后,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總清零,計(jì)數(shù)器由初始狀態(tài)開始計(jì)數(shù),對應(yīng)狀態(tài)的指示燈亮。 二、根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求:畫出設(shè)計(jì)總電路圖,寫出設(shè)計(jì)程序。
課題五、單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師:游佳
設(shè)計(jì)要求:1.用MCS-51單片機(jī),通過軟件編程,設(shè)計(jì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器。要求能對步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)及速度控制,同時(shí)能對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位置控制,即能控制步進(jìn)電機(jī)從一個(gè)位置精確地運(yùn)行到另一個(gè)位置。
課題六、傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展的研究
指導(dǎo)老師:周小薇
論文要求:1.了解傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用及地位
2.機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的類型、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及用途等
3.如何為機(jī)電一體化系統(tǒng)選擇傳感器(舉例說明)
4.機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展
相關(guān)知識:本課題要求學(xué)生綜合《傳感器技術(shù)》《機(jī)電一體化技術(shù)》《控制電機(jī)》等相關(guān)知識進(jìn)行編寫。
課題七、水輪機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
指導(dǎo)老師:周小薇
設(shè)計(jì)要求:
掌握一定的電氣控制技術(shù)的基礎(chǔ)知識,可以利用PLC進(jìn)行編程,并且對氣壓傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)有一定的了解。還要求能夠運(yùn)用基本的繪圖軟件進(jìn)行繪圖。
設(shè)計(jì)內(nèi)容:
本設(shè)計(jì)共有三個(gè)部分:電氣控制部分、流體控制部分、PLC編程部分。
(一)電氣控制部分設(shè)計(jì)任務(wù): 2.24點(diǎn)制動(dòng)閘動(dòng)作后向PLC發(fā)出制動(dòng)成功或復(fù)位信號
3.壓力站氣路壓力數(shù)顯示向PLC發(fā)出4~20mA的模擬信號
4.根據(jù)PLC傳送來的4~20mA的模擬信號,顯示相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。
(二)流體控制部分設(shè)計(jì)任務(wù):
采用節(jié)流閥控制流量,水份分離器凈化空氣,兩個(gè)三通換向閥分別控制汽缸的上、下腔;氣液混用三通球閥進(jìn)行氣、油的轉(zhuǎn)換控制,多塊壓力表可直接讀數(shù)等。
(三)PLC編程部分設(shè)計(jì)任務(wù):
根據(jù)給出的梯形圖進(jìn)行編程。
課題八、畢業(yè)設(shè)計(jì)題目:恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師:黃衛(wèi)庭
構(gòu)成:PLC系統(tǒng)、變頻器、檢測保護(hù)電路、轉(zhuǎn)速測量等環(huán)節(jié)
要求:1、采用PWM變頻調(diào)速
2、有具體結(jié)構(gòu)圖及外形圖
3、選用元器件合適
4、有控制電路圖、主電路原理圖、PLC程序框圖和清單
[注意:選題要結(jié)合實(shí)際供水工作。要求寫明本設(shè)計(jì)所涉及的分析方法或技術(shù)手段(如定性、定量分析的方法);要求有學(xué)生獨(dú)立的見解,設(shè)計(jì)內(nèi)容要詳細(xì)寫明具體步驟]。
課題九、兩種液體混合的設(shè)計(jì)
指導(dǎo)老師:葉俊 一、控制要求
1.初始狀
此時(shí)各閥門關(guān)閉,容器是空的。 SL1=SL2=SL3=OFF
M=OFF
二、起動(dòng)操作
按下起動(dòng)按鈕,開始下列操作: (2)液體B流入,液面達(dá)到SL1時(shí),YV2=OFF,M=ON,開始攪拌;
(3)混合液體攪拌均勻后(設(shè)時(shí)間為l0s),M=OFF,YV3=ON,放出混合液體;
(4)當(dāng)液體下降到名 SL2時(shí),SL2從ON變?yōu)镺FF,再過20s后容器放空,關(guān)閉YV3,YV3=OFF,完成一個(gè)操作周期;
(5)只要沒按停止按鈕,則自動(dòng)進(jìn)入下一操作周期?!?/p>
三、停止操作
按一下停止按鈕,則在當(dāng)前混合操作周期結(jié)束后,才停止操作,使系統(tǒng)停止于初始狀態(tài)。
四、要求:用歐姆龍型PLC技術(shù)設(shè)計(jì)
課題十、機(jī)械手控制的設(shè)計(jì)
指導(dǎo)老師:葉俊
一、機(jī)械手工作過程,且每次循環(huán)動(dòng)作均從原位開始。
二、控制要求
1.在傳輸帶A端部,安裝了光電開關(guān)PS,用以檢測物品的到來。當(dāng)光電開關(guān)檢測到物品時(shí)為ON狀態(tài)。
2.機(jī)械手在原位時(shí),按下起動(dòng)按鈕,系統(tǒng)起動(dòng),傳送帶A運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開關(guān)檢測到物品后,傳送帶A停。
3.傳輸帶A停止后,機(jī)械手進(jìn)行一次循環(huán)動(dòng)作,把物品從傳送帶A上搬到傳送帶B(連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn))上。
4.機(jī)械手返回原位后,自動(dòng)再起動(dòng)傳送帶A運(yùn)轉(zhuǎn),進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。
5.按下停止按鈕后,應(yīng)等到整個(gè)循環(huán)完成后,才能使機(jī)械手返回原位,停止工作。
6.機(jī)械手的上升/下降和左移/右移的執(zhí)行結(jié)構(gòu)均采用雙線圈的二位電磁閥驅(qū)動(dòng)液壓裝置實(shí)現(xiàn),每個(gè)線圈完成一個(gè)動(dòng)作。
7.抓緊/放松由單線圈二位電磁閥驅(qū)動(dòng)液壓裝置完成,線圈通電時(shí)執(zhí)行抓緊動(dòng)作,線圈斷電時(shí)執(zhí)行放松動(dòng)作。
8.機(jī)械手的上升、下降、左移、右移動(dòng)作均由極限開關(guān)控制。
9.抓緊動(dòng)作由壓力繼電器控制,當(dāng)抓緊時(shí),壓力繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)閉合。放松動(dòng)作為時(shí)間控制(設(shè)為2s)。
要求:用歐姆龍型PLC技術(shù)設(shè)計(jì)
課題十一、建立機(jī)械全自動(dòng)洗衣機(jī)的工作電路模型
指導(dǎo)老師:方瑋
結(jié)構(gòu):由電動(dòng)程控器、水位開關(guān)、安全開關(guān)(蓋開關(guān))、排水選擇開關(guān)、 不排水停機(jī)開關(guān)、貯水開關(guān)、漂洗選擇開關(guān)、洗滌選擇開關(guān)等組成。工作原理:通過各種開關(guān)組成控制電路,來控制電動(dòng)機(jī)、進(jìn)水閥、排水電磁鐵及蜂鳴器的電壓輸出,使洗衣機(jī)實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)轉(zhuǎn)。
主要內(nèi)容:進(jìn)水控制電路,電動(dòng)機(jī)控制電路,排水系統(tǒng)電路等。
要求:結(jié)合洗衣機(jī)的工作過程,給出以上電路模型號并說明原理,論文不少于5000字
課題十二、工廠變配電所的設(shè)計(jì)
指導(dǎo)老師:居劍文
一、設(shè)計(jì)的要求
根據(jù)設(shè)計(jì)課題的技術(shù)指標(biāo)和給定條件,能夠獨(dú)立而正確地進(jìn)行方案認(rèn)證和設(shè)計(jì)計(jì)算,要求概念清楚,方案合理,方法正確,步驟完整。
要求會(huì)查閱有關(guān)參考資料和手冊等
要求學(xué)會(huì)選擇有關(guān)元件和參數(shù)
要求學(xué)會(huì)編制有關(guān)電氣系統(tǒng)圖和編制元件明細(xì)表
要求學(xué)會(huì)編寫設(shè)計(jì)說明書
二、設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容
負(fù)荷計(jì)算及無功功率補(bǔ)償計(jì)算。
變配電所所址和型式的選擇。
變電所主變壓器臺數(shù)、容量及類型的選擇(配電所設(shè)計(jì)不含此內(nèi)容)。
變電所主結(jié)線方案的設(shè)計(jì)
短路電流的計(jì)算
變配電所一次設(shè)備的選擇
變配電所二次回路方案的選擇及繼電保護(hù)裝置的選擇與整定
變電所防雷保護(hù)與接地裝置的設(shè)計(jì)
編寫設(shè)計(jì)說明書及主要設(shè)備材料清單
10、繪制變電所主結(jié)線圖、平面圖和必要的剖線圖、二次回路圖及其它的施工圖樣。
課題十三、電纜-架空混合線路的繼電保護(hù)問題的研究
指導(dǎo)老師:方瑋 研究現(xiàn)狀,了解目前電纜-架空混合線路的保護(hù)的配置的方法,優(yōu)缺點(diǎn),并根據(jù)
電纜的特點(diǎn),架空線路的特點(diǎn),提出適合于混合線路的保護(hù)的方案;
3、 提出適合于電纜-架空混合線路的繼電保護(hù)的方案; 4、撰寫畢業(yè)論文。
課題十四、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析
指導(dǎo)老師:潘紋
設(shè)計(jì)任務(wù)與要求
1)對鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)三種基
本類型的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。
2)每種類型各舉一個(gè)日常生活中常見的實(shí)例,畫出其基本圖表。對每種
類型要求用falsh或者authorware等做一個(gè)能動(dòng)的形象逼真的例子。如吊起重物的起重機(jī)、運(yùn)動(dòng)的火車的機(jī)輪、橢圓儀、翻箱機(jī)、機(jī)械手爪等。
課題十五、數(shù)控銑床及加工中心產(chǎn)品加工工藝設(shè)計(jì)
指導(dǎo)老師:倪祥明 課題十六、機(jī)械手直線運(yùn)動(dòng)液壓系統(tǒng)的制作
指導(dǎo)教師:黃國祥
目的:實(shí)現(xiàn)機(jī)械手水平、垂直兩個(gè)方向的機(jī)械運(yùn)動(dòng)
任務(wù):1、系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與計(jì)算;液壓泵、液壓閥等技術(shù)參數(shù)的選擇;液壓輔助部件的選擇與購買。
2、液壓缸的加工制作。
3、液壓系統(tǒng)的安裝與調(diào)試。
4、電路系統(tǒng)的安裝。
5、技術(shù)資料整理與電子文檔的制作。
要求: 1、分組布置任務(wù),每組可以是1人以上。
2、電子文檔要求打印,字?jǐn)?shù)不少于5000字。
3、現(xiàn)場展覽制作產(chǎn)品,參加答辯。
課題十七、“中國結(jié)”造型設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師:張蓉
1.畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)
著重提高在CAD/CAM軟件應(yīng)用方面的實(shí)踐技能,樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng),培養(yǎng)綜合運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力。通過創(chuàng)建中國結(jié)造型設(shè)計(jì)、市場推廣、資料整理等環(huán)節(jié),初步掌握應(yīng)用CAD/CAM進(jìn)行工業(yè)造型設(shè)計(jì)的方法和基本技能。
2.畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本要求
通過畢業(yè)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的實(shí)踐,應(yīng)達(dá)到如下要求:
靈活運(yùn)用所學(xué)Pro/e軟件創(chuàng)建“中國結(jié)”,打印出造型設(shè)計(jì)步驟和造型圖;
對造型出來的“中國結(jié)”進(jìn)行包裝設(shè)計(jì)。如用Photoshop或3dmax等軟件進(jìn)行包裝,打印出用于市場推廣的效果圖;
寫出500字左右的論文小結(jié)
培養(yǎng)一定自學(xué)能力和獨(dú)立分析問題、解決問題能力;
通過畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐,樹立嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、實(shí)事求是的工作作風(fēng),并培養(yǎng)自己具有一定的生產(chǎn)觀點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)、全面觀點(diǎn)及團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。
3.“中國結(jié)”造型參考圖:
(造形和尺寸自定義)
課題十八、“福娃”造型設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師:羅進(jìn)生
1.畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)
著重提高在CAD/CAM軟件應(yīng)用方面的實(shí)踐技能,樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng),培養(yǎng)綜合運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力。通過創(chuàng)建“福娃”造型設(shè)計(jì)、市場推廣、資料整理等環(huán)節(jié),初步掌握應(yīng)用CAD/CAM進(jìn)行工業(yè)造型設(shè)計(jì)的方法和基本技能。
2.畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本要求
通過畢業(yè)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的實(shí)踐,應(yīng)達(dá)到如下要求:
靈活運(yùn)用所學(xué)Pro/e軟件創(chuàng)建“福娃”,打印出造型設(shè)計(jì)步驟和造型圖;
對造型出來的“福娃”進(jìn)行包裝設(shè)計(jì)。如用Photoshop或3dmax等軟件進(jìn)行包裝,打印出用于市場推廣的效果圖;
寫出500字左右的論文小結(jié);
培養(yǎng)一定自學(xué)能力和獨(dú)立分析問題、解決問題能力;
通過畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐,樹立嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、實(shí)事求是的工作作風(fēng),并培養(yǎng)自己具有一定的生產(chǎn)觀點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)、全面觀點(diǎn)及團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。
3.“福娃”造型參考圖:
課題十九、大功率高頻直流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)
指導(dǎo)老師: 倪濤
通過該題目的設(shè)計(jì),加強(qiáng)電力電子的學(xué)習(xí)和理解,系統(tǒng)學(xué)習(xí)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法,綜合運(yùn)所學(xué)過的知識,培養(yǎng)獨(dú)立工作,解決實(shí)際問題的能力,為走向工作崗位打一定的基礎(chǔ)
內(nèi)容:
按技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)一臺直流開關(guān)電源
主要技術(shù)參數(shù):
輸入電壓:三相交流380V 輸入頻率:50HZ
輸 出:恒流50安 輸出電流變動(dòng)范圍:0---50安連續(xù)可調(diào)
輸出電壓:0—60伏
要求:
1.按要求分階段寫文字材料;
2. 3.論文要按要求格式打印;
4.獨(dú)立完成
設(shè)計(jì)步驟:
1.閱讀國內(nèi)外有關(guān) 2.選定開關(guān)電源集成控制器,學(xué)習(xí)其工作原理、應(yīng)用方法;
3.主電路方案選擇,要有技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較;
4.主電路設(shè)計(jì);
5.元器件的設(shè)計(jì)、計(jì)算、選擇;
6.控制電路、保護(hù)電路的設(shè)計(jì);
7.打印論文
課題二十、三層樓電梯PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試
指導(dǎo)老師:倪濤
設(shè)計(jì)內(nèi)容: 1、不允許同時(shí)有兩層樓要求停電梯;
2、當(dāng)二層不需要停時(shí),能越過二層直接到達(dá)所需樓層。
要求:
分階段寫文字材料;
2、 3、論文要按要求格式打??;
4、獨(dú)立完成
步驟:
1、設(shè)計(jì)I/O配線表。
2、設(shè)計(jì)出電梯控制的梯形圖。
3、寫出指令表。
4、用編程器輸入指令。
調(diào)試運(yùn)行。
課題二十一、車輛出入庫管理PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)
指導(dǎo)老師:楊芳
內(nèi)容:編制一個(gè)用PLC控制的車輛出入庫管理梯形圖控制程序,控制要求如下:
1、入庫車輛前進(jìn)時(shí),計(jì)數(shù)器加1,后退則減1.
2、出庫車輛前進(jìn)時(shí)計(jì)數(shù)器減1,后退則加1.
3、要求有顯示屏指示車庫內(nèi)車輛的實(shí)際數(shù)目.
要求:
1.根據(jù)題意設(shè)計(jì)顯示電路,并按圖連接。
2.畫PLCI/O接口連線圖,并按圖連接。
3.編制梯形圖及指令語句表。
4.完成系統(tǒng)調(diào)試,實(shí)現(xiàn)控制要求。
課題二十二、水塔水位控制PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)
指導(dǎo)老師:楊芳
內(nèi)容:1、保持水池的水位在S3——S4之間,當(dāng)水位低于S3,則打開閥門進(jìn)水,水位到達(dá)S4時(shí),則關(guān)閉閥門。 水塔水位控制面板
要求:1.根據(jù)題意設(shè)計(jì)顯示電路,并按圖連接。
2.畫PLCI/O接口連線圖,并按圖連接。
3.編制梯形圖及指令語句表。
4.完成系統(tǒng)調(diào)試,實(shí)現(xiàn)控制要求。
課題二十三、用PRO/E軟件進(jìn)行玩具造型設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師:羅進(jìn)生
要求:利用軟件進(jìn)行實(shí)體造型,寫出具體造型步驟。步驟清晰合理,造型思路明確。可以自己設(shè)計(jì)玩具形狀,分析所設(shè)計(jì)玩具市場前景。
參考圖樣:
課題二十四、基于PROE軟件的機(jī)械制圖三維模型庫開發(fā)及應(yīng)用
指導(dǎo)老師:李廣坤
關(guān)鍵詞:機(jī)械手;PLC;液壓伺服定位;電液系統(tǒng)
目 錄
第1章 前言............................................................. 1
1.1 選題背景. 1
1.2 設(shè)計(jì)目的. 1
1.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢. 1
第2章 機(jī)械手各部件的設(shè)計(jì). 3
2.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì). 3
2.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型. 3
2.1.2 具體設(shè)計(jì)方案. 4
2.2機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì). 4
2.2.1 設(shè)計(jì)要求. 4
2.2.2 驅(qū)動(dòng)方式. 5
2.2.3 典型結(jié)構(gòu). 5
2.2.4 具體設(shè)計(jì)方案. 6
2.3機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì). 7
2.3.1 手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求. 7
2.3.2 具體設(shè)計(jì)方案. 7
2.4機(jī)械手手臂構(gòu)的設(shè)計(jì). 8
2.4.1 手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求. 8
2.4.2 具體設(shè)計(jì)方案. 8
2.5機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì). 9
2.5.1 腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求. 9
2.5.2 具體設(shè)計(jì)方案. 9
2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì). 10
2.6.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題. 10
2.6.2 常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式. 10
2.6.3 具體設(shè)計(jì)方案. 11
2.7機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 12
2.7.1 常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其特點(diǎn). 12
2.7.2 具體設(shè)計(jì)方案. 12
2.8機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì). 12
2.8.1 平衡機(jī)構(gòu)的形式. 12
2.8.2 具體設(shè)計(jì)方案. 13
第3章 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算. 14
3.1電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算. 14
3.1.1 有關(guān)參數(shù)的計(jì)算. 14
3.1.2 電機(jī)型號的選擇. 16
3.2液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算. 18
3.2.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案. 18
3.2.2 擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路. 19
3.2.3 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 19
3.2.4 繪制液壓系統(tǒng)圖. 20
3.2.5 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù). 21
3.2.6 計(jì)算和選擇液壓元件. 26
第4章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 28
4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì). 28
4.1.1 操作面板布置. 28
4.1.2 工藝過程與控制要求. 28
4.1.3 作業(yè)流程. 29
4.1.4 控制器的選型. 30
4.1.5 控制系統(tǒng)原理分析. 31
4.1.6 PLC外部接線設(shè)計(jì). 31
4.1.7 I/O地址分配. 32
4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì). 33
4.2.1 控制主程序流程圖. 33
4.2.2 控制程序設(shè)計(jì). 34
結(jié)論. 51
致謝................................................................52
參考文獻(xiàn).......................................................... 53
第一章 前言
1.1選題背景
由于工業(yè)自動(dòng)化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高,對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動(dòng)化的要求,因此,必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動(dòng)化機(jī)械以取代人的勞動(dòng),滿足工業(yè)自動(dòng)化的需求。其中機(jī)械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一,它不僅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)的效率,還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作,減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度,可以說是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中,機(jī)械手越來越廣泛的得到應(yīng)用,它可用于零部件的組裝,加工工件的搬運(yùn)、裝卸,特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目前,機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元,可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置,結(jié)構(gòu)緊湊,而且適應(yīng)性很強(qiáng)。但目前我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離,應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低,機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高,從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此,進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)具有重要意義。
1.2設(shè)計(jì)目的
目前,我國大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成,其勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低,而且具有一定的危險(xiǎn)性,已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求,針對具體生產(chǎn)工藝,結(jié)合機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu),利用機(jī)械手技術(shù),設(shè)計(jì)用一臺上下料機(jī)械手代替人工工作,以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化和無人化。
1.3發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
目前,國內(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)狀和大體趨勢如下:
一.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。
二.工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(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。
三.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、聽覺、接觸覺傳感器,使其向智能化方向發(fā)展。
四.關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(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)械手開發(fā),柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā),仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究,控制系統(tǒng)開發(fā);
五.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;以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。
總的來說,大體是兩個(gè)方向:其一是機(jī)械手的智能化,多傳感器、多控制器,先進(jìn)的控制算法,復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng);其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系,性價(jià)比高,在滿足工作要求的基礎(chǔ)上,追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠,大量采用工業(yè)控制器,市場化、模塊化的元件。
第二章機(jī)械手各部件的設(shè)計(jì)
2.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
2.1.1機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型
工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有四種:直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu),圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu),球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn),分別介紹如下:
1.直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,如圖2-1.a。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制,因此,其運(yùn)動(dòng)位置精度高,但此種類型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對較小,如要達(dá)到較大運(yùn)動(dòng)空間,則要求機(jī)械手的尺寸足夠大。直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長方體,主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)。直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式,龍門式,天車式三種結(jié)構(gòu)。
2.圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,如圖2-1.b。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單,精度相對較高,常用于搬運(yùn)作業(yè)。
3.球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,如圖2-1.c。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,但精度不很高,主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。
4.關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的,如圖2-1.d。相對機(jī)械手本體尺寸,其工作空間比較大,動(dòng)作靈活,結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛,如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手又分為水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
2.1.2具體采用方案
如圖2-2所示機(jī)械手模擬工作布局圖,根據(jù)實(shí)際操作的需要,該機(jī)械手在工作中需要3種運(yùn)動(dòng),其中手臂的伸縮和立柱升降為直線運(yùn)動(dòng),另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),因此其自由度數(shù)目為3,綜合考慮,應(yīng)選擇圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)簡單,工作范圍相對較大,且有較高的精度,滿足設(shè)計(jì)要求。
2.2機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.1設(shè)計(jì)要求
手爪是用來進(jìn)行操作及作業(yè)的裝置,其種類很多,根據(jù)操作及作業(yè)方式的不同,分為搬運(yùn)用、加工用、測量用等。搬運(yùn)用手爪是指各種夾持裝置,用來抓取或吸附被搬運(yùn)的物體;加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)械手附加裝置,用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè);測量用手爪是裝有測量頭或傳感器的附加裝置,用來進(jìn)行測量及檢驗(yàn)作業(yè)。
機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)有如下要求:
1、機(jī)械手手爪是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。既根據(jù)其應(yīng)用場合設(shè)計(jì)手爪,在滿足作業(yè)要求的前提下,機(jī)械手手爪還要求體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。
2、機(jī)械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜,甚至很難實(shí)現(xiàn),從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā),應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)械手手爪,加之以快速更換裝置,以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的多種作業(yè)功能,而不主張用一個(gè)萬能的手爪去完成多種作業(yè),以考慮設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。
3、機(jī)械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪,可適用于不同的機(jī)械手,這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口(如法蘭),使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。
4、機(jī)械手手爪要便于安裝和維修,易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。
2.2.2驅(qū)動(dòng)方式
一般工業(yè)機(jī)械手手爪,多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式,可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型;按夾持方式來分,有外夾式和內(nèi)撐式兩種。
機(jī)械手夾持器(手爪)的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種:
1.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式
這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向,用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低,所以氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外,由于氣體的可壓縮性,使氣動(dòng)手爪的抓取運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性,這一點(diǎn)是抓取動(dòng)作十分需要的。
2.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪,一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī),并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)力和力矩。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是,這種驅(qū)動(dòng)方式不能用于有防爆要求的條件下,因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。
3.液壓驅(qū)動(dòng)方式
液壓驅(qū)動(dòng)方式是利用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制,傳動(dòng)剛度大,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。
2.2.3典型結(jié)構(gòu)
機(jī)械手手爪的典型結(jié)構(gòu)有以下五種:
1.楔塊杠桿式手爪
利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開,來實(shí)現(xiàn)抓取工件。
2.滑槽式手爪
當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí),滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并,產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力,當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí),手爪松開。這種手爪開合行程較大,適應(yīng)抓取大小不同的物體。
3.連桿杠桿式手爪
在活塞的推力下,連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊(放松)運(yùn)動(dòng),由于杠桿的力放大作用,這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。
4.齒輪齒條式手爪
通過活塞推動(dòng)齒條,齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。
5.平行杠桿式手爪
采用平行四邊形機(jī)構(gòu),因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng),且比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小得多。
2.2.4具體設(shè)計(jì)方案
結(jié)合具體的工作情況,本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)移動(dòng),通過活塞桿端部齒條,中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為50mm來設(shè)計(jì)。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2-3所示:
2.3機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
機(jī)械手手腕是機(jī)械手操作機(jī)的最末端,與手爪相連接,它與機(jī)械手手臂配合,使手爪在空間運(yùn)動(dòng),完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。
2.3.1 手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求
1、由于手腕安裝在機(jī)械手末端,因此要求手腕設(shè)計(jì)應(yīng)盡量小巧輕盈,結(jié)構(gòu)緊湊。
2、根據(jù)作業(yè)需要,設(shè)計(jì)機(jī)械手手腕的自由度。一般情況下,自由度數(shù)目愈多,腕部的靈活性愈高,對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但自由度的增加,必然使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,控制更困難,成本也會(huì)相應(yīng)增加。因此,手腕的自由度數(shù),應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來確定。
3、為實(shí)現(xiàn)腕部的通用性,要求有標(biāo)準(zhǔn)的連接法蘭,以便于和不同的機(jī)械手手爪進(jìn)行連接。
4、為保證工作時(shí)力的傳遞和運(yùn)動(dòng)的連貫,腕部結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度。
5、要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu),以減小空回間隙,提高傳動(dòng)精度。
6、手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開關(guān),并設(shè)置硬限位,以防止超限造成機(jī)械損壞。
2.3.2具體設(shè)計(jì)方案
通過對數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析,考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)的具體要求,在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性,為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單,降低控制的難度,本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度,實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的,3個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕(手臂手爪聯(lián)結(jié)梁)結(jié)構(gòu)見圖2-4。
2.4機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.4.1手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求
機(jī)械手的手臂在工作時(shí),要承受一定的載荷,且其運(yùn)動(dòng)本身具有一定的速度,因此,機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)需要遵循以下設(shè)計(jì)要求:
1、工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長度,手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系,因此手臂尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)合理,一般滿足其工作空間即可。
2、為了提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度,應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下,盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。
3、應(yīng)盡可能使機(jī)械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行;相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn),這樣可以使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡化,有利于機(jī)械手的控制。
4、機(jī)械手各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小,以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。
5、為提高機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度、減小電機(jī)負(fù)載,機(jī)械手的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡。
2.4.2具體設(shè)計(jì)方案
由于機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)為直線運(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)直線運(yùn)動(dòng),控制簡單,易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。
由于液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力,因此驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都較容易實(shí)現(xiàn),其關(guān)鍵在于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的設(shè)計(jì)。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是液壓缸的直徑取得大一點(diǎn)(在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下),再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。
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,若僅僅通過增大液壓缸的直徑來增大剛度,是不能滿足系統(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)定性的問題。
2.5機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.5.1腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求
機(jī)械手的腰座,就是機(jī)械手的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),承受了機(jī)械手的全部重量。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)時(shí),有以下設(shè)計(jì)要求:
1、由于腰座要承受機(jī)械手全部的重量和載荷,因此,機(jī)械手腰座的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度,以保證其承載能力,且腰座是機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),它對機(jī)械手末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大,因此,在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度。
2、腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。要有可靠的定位基準(zhǔn)面和調(diào)整機(jī)構(gòu)。且腰座要安裝在足夠大的基面,以保證機(jī)械手在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。
3、腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置,它包括驅(qū)動(dòng)器及減速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器,以及制動(dòng)器。
4、為了減輕機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部分的慣量,提高控制精度,要求回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分由比重較小的鋁合金材料制成,而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。
2.5.2具體設(shè)計(jì)方案
腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式主要有兩種,一是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),二是通過擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)??紤]到腰座是機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),對機(jī)械手的最終精度影響大,故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)殡妱?dòng)方式控制的精度高,結(jié)構(gòu)緊湊,不用額外設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)及其輔助元件。由于電機(jī)都不能直接驅(qū)動(dòng),并考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求,故采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。由于齒輪傳動(dòng)存在著齒側(cè)間隙,影響傳動(dòng)精度,故僅采用一級齒輪傳動(dòng),采用大的傳動(dòng)比(大于100),同時(shí)為了減小傳動(dòng)誤差,齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料,高精度加工制造。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2-5所示:
2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.6.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題
由于傳動(dòng)部件直接影響著機(jī)械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力,因此,在設(shè)計(jì)機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)要注意以下問題:
1、機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,體積小,以提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度及控制精度。并在傳動(dòng)鏈及運(yùn)動(dòng)副中采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu),以減小反向空回所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。
2、盡量減少系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的靜摩擦力,而正摩擦力為盡可能小的正斜率,以消除爬行現(xiàn)象,增加系統(tǒng)壽命。
3、盡量縮短傳動(dòng)鏈,提高傳動(dòng)與支承剛度。
4、選用最佳傳動(dòng)比,以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,盡可能提高加速能力。
5、適當(dāng)?shù)淖枘岜?。阻尼比越大,零件產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)最大振幅越小,衰減越快。但大的阻尼會(huì)使系統(tǒng)誤差增大,精度降低。故應(yīng)采取合適的阻尼比。
2.6.2常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式
常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)等。
1.螺旋傳動(dòng)
它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。有傳遞能量為主的,如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?;有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的,如機(jī)床工作臺的進(jìn)給絲杠。
2.齒輪傳動(dòng)
在機(jī)械手中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有圓柱齒輪,圓錐齒輪,諧波齒輪,擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。
齒輪傳動(dòng)部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器,用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個(gè)力矩變換器。齒輪傳動(dòng)時(shí),齒輪傳動(dòng)形式及其傳動(dòng)比必須是最佳匹配,應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求,其輸入電動(dòng)機(jī)為高轉(zhuǎn)速,低轉(zhuǎn)矩,而輸出則為低轉(zhuǎn)速,高轉(zhuǎn)矩,且系統(tǒng)要有足夠的剛度。同時(shí),為保證在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí),其加速度響應(yīng)最大,還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小。為使系統(tǒng)穩(wěn)定,不產(chǎn)生傳動(dòng)死區(qū),要盡量采用齒側(cè)間隙小,精度高的齒輪,并采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙,從而提高傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低成本。
3.鏈傳動(dòng)
在機(jī)械手中鏈傳動(dòng)多用于腕傳動(dòng)上,為了減輕機(jī)械手末端的重量,一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機(jī)距離被傳動(dòng)的腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn),故采用精密套筒滾子鏈來傳動(dòng)。
4.同步帶傳動(dòng)
同步帶傳動(dòng)是綜合了普通帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)。為保證帶和帶輪作無滑動(dòng)的同步傳動(dòng),在帶的工作面及帶輪外周上均制有采用承載后無彈性變形的高強(qiáng)力材料制成嚙合齒,通過齒間嚙合進(jìn)行傳動(dòng)。其特點(diǎn)是傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高(可達(dá)98%)、節(jié)能效果好;能吸振、噪聲低、不需要;傳動(dòng)平穩(wěn),能高速傳動(dòng)(可達(dá)40m/s)、傳動(dòng)比可達(dá)10,結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),故在機(jī)械手中使用很多。
2.6.3具體設(shè)計(jì)方案
因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械手的手臂,它既是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),又是動(dòng)力單元,因此不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu),既簡化了結(jié)構(gòu),又提高了精度。而其腰座的回轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),而電動(dòng)機(jī)不能作為直接驅(qū)動(dòng)元件,因此為取得較大的轉(zhuǎn)矩,經(jīng)分析比較,選擇圓柱齒輪傳動(dòng)。為了保證比較高的精度,盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差;同時(shí)大大增大扭矩,以較大的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速,使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),動(dòng)態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動(dòng),采用大的傳動(dòng)比(大于100),齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料,高精度加工制造。
2.7機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.7.1常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其特點(diǎn)
工業(yè)常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。根據(jù)需要也可將這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。
1.液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
具有動(dòng)力大、力(或力矩)與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)、精度高等特點(diǎn)。適合于在承載能力大,慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)械手。
2.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
具有速度快,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)械手中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制,多用于程序控制的機(jī)械手中。
3.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
具有使用方便,噪聲較低,控制靈活等特點(diǎn)。這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換,但大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
2.7.2具體設(shè)計(jì)方案
在分析了具體工作要求后,綜合考慮各個(gè)因素,機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要一定的定位控制精度,因此采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。由于手臂采用液壓缸,故用液壓驅(qū)動(dòng)。隨著機(jī)床加工的工件的不同,手臂伸出長度不同,要求手臂具有伺服定位能力,故采用電液伺服液壓缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實(shí)現(xiàn),即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。
2.8 機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)械手可以通過合理布局,優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),使得手臂本身可能達(dá)到平衡。關(guān)節(jié)機(jī)械手手臂一般都需要平衡裝置,以減小驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷,同時(shí)縮短啟動(dòng)時(shí)間。
2.8.1平衡機(jī)構(gòu)的形式
1.配重平衡機(jī)構(gòu)
這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單,平衡效果好,易于調(diào)整,工作可靠,但增加了機(jī)械手手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機(jī)械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。
2.彈簧平衡機(jī)構(gòu)
彈簧平衡機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)簡單、造價(jià)低、工作可靠、平衡效果好、易維修,因此應(yīng)用廣泛。
3.活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)
活塞式平衡系統(tǒng)分為兩種,一是液壓平衡系統(tǒng),二是氣動(dòng)平衡系統(tǒng)。其中液壓平衡系統(tǒng)平衡力大,體積小,有一定的阻尼作用;而氣動(dòng)平衡系統(tǒng),具有很好的阻尼作用,但體積比較大?;钊狡胶庑枰鋫溆袑iT的液壓或氣動(dòng)裝置,系統(tǒng)復(fù)雜,因此造價(jià)高,設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都增加了難度,但是平衡效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。
2.8.2具體設(shè)計(jì)方案
因?yàn)楸緳C(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu),而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問題,通過合理布局,優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿足,則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。
第3章 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算
3.1.1有關(guān)參數(shù)的計(jì)算
1.若傳動(dòng)負(fù)載作直線運(yùn)動(dòng)(通過滾珠絲杠)則有
具體到本設(shè)計(jì),因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是驅(qū)動(dòng)腰部的回轉(zhuǎn),傳遞運(yùn)動(dòng)形式屬于第二種。下面進(jìn)行具體的計(jì)算。
因?yàn)檠炕剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只存在摩擦力矩,在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩,則在回轉(zhuǎn)軸上有;
3.1.2電機(jī)型號的選擇
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,并綜合考慮各方面因素,決定選擇北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司(原北京四通電機(jī)公司)的步進(jìn)電機(jī),具體型號為:
110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301,該步進(jìn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩,低振動(dòng),綜合性能很好,各項(xiàng)參數(shù)如表3-2。
其中 110BYG550B-SAKRMA-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。如圖3-3所示
驅(qū)動(dòng)方式為升頻升壓 ,步距角為0.36°。同時(shí)因?yàn)檠魁X輪傳動(dòng)比為1:120,步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸,回轉(zhuǎn)軸實(shí)際的步距角將為電機(jī)實(shí)際步距角的1/120(理論上),雖然實(shí)際上存在著間隙和齒輪傳動(dòng)非線性誤差,實(shí)際回轉(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的,故其精度相當(dāng)高,完全滿足機(jī)械手的定位精度要求。
3.2液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1確定液壓系統(tǒng)基本方案
液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達(dá),液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng),液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。二者的特點(diǎn)及適用場合見表3-1:
因?yàn)闄C(jī)械手設(shè)計(jì)為圓柱坐標(biāo)形式,且具有3個(gè)自由度,一個(gè)為腰座的轉(zhuǎn)動(dòng),兩個(gè)為手臂的移動(dòng)自由度。同時(shí)考慮機(jī)械手的工作環(huán)境和載荷對其布局和定位精度的要求,以及計(jì)算機(jī)的控制的因素,腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn),機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸,來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
3.2.2擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路
液壓執(zhí)行元件確定后,其運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的控制是液壓回路的核心問題。
速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)速方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速;方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實(shí)現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng),通過換向閥的有機(jī)組合來實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。對高壓大流量的系統(tǒng),多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來實(shí)現(xiàn)。
本設(shè)計(jì)的速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速,利用用比較簡單的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn),而方向控制采用電磁換向閥來實(shí)現(xiàn)。
3.2.3液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供,液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油,在無其他輔助油源的情況下,液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量,多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱,溢流閥同時(shí)起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多用變量泵供油,用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。
油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。一般泵的入口要裝粗濾油器,進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求,通過精濾油器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱,可在回油路上設(shè)置磁過濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處的環(huán)境及對溫升的要求,還要考慮加熱、冷卻等措施。
本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油,由溢流閥V1來調(diào)定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈,避免液壓油帶入污染物,故在油泵的入口安裝粗過濾器,而在油泵的出口安裝精過濾器對循環(huán)的液壓油進(jìn)行凈化。
3.2.4繪制液壓系統(tǒng)圖
本機(jī)械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3-2所示(詳見圖紙第四頁),
它擁有垂直手臂的上升、下降,水平手臂的前伸、后縮,以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
其中,泵由三相交流異步電動(dòng)機(jī)M拖動(dòng);系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調(diào)定;1DT的得失電決定了動(dòng)力源的投入與摘除。
考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開,系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個(gè)單向節(jié)流閥。當(dāng)5DT得電時(shí),工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進(jìn)入柱塞缸,實(shí)現(xiàn)手爪的輕緩抓緊;當(dāng)6DT失電時(shí),工作液體進(jìn)入柱塞缸中,實(shí)現(xiàn)手爪迅速松開。
另外,由于機(jī)械手垂直升降缸在工作時(shí)其下降方向與負(fù)荷重力作用方向一致,下降時(shí)有使運(yùn)動(dòng)速度加快的趨勢,為使運(yùn)動(dòng)過程的平穩(wěn),同時(shí)盡量減小沖擊、振動(dòng),保證系統(tǒng)的安全性,采用V2構(gòu)成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓,以平衡重力負(fù)載。
3.2.5確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量,他們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng),選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷,流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。
1.計(jì)算液壓缸的總機(jī)械載荷
3.液壓缸主要參數(shù)的確定
考慮到機(jī)械手的特點(diǎn),系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此,先從剛度角度進(jìn)行液壓缸缸徑的選擇,以盡量優(yōu)先保證機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度,放在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段,通過外部的液壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過仔細(xì)分析,綜合考慮各方面的因素,初步確定各液壓缸的基本參數(shù)如下;
因?yàn)樯炜s缸的作用主要是實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng),在其軸向上并不承受顯性的工作載荷(因?yàn)槭肿A持工件,受力方向?yàn)榇怪狈较颍?,軸向主要是克服摩擦力矩,其所受的載荷主要是徑向載荷,載荷性質(zhì)為彎矩,使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因?yàn)闄C(jī)械手要求具有一定的柔性,水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。同時(shí)具有比較大的彎矩和比較長的行程,這對液壓缸的穩(wěn)定性和剛度有較高的要求。
因此,在水平伸縮缸的設(shè)計(jì)上,一是增大其抗彎能力,二是通過合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì),使其具有盡量大的剛度。為了達(dá)到這個(gè)目的,設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)導(dǎo)向桿,以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導(dǎo)向問題。另一方面,為增大結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性,將兩個(gè)導(dǎo)向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式,以增大抗彎截面模量,也大大增加了液壓缸的工作剛度。
因?yàn)榇怪币簤焊姿惺艿妮d荷方式既有一定的軸向載荷,又存在著比較大的傾覆力矩(由加工工件的重力引起的)。作為液壓執(zhí)行元件,滿足此處的驅(qū)動(dòng)力要求是輕而易舉的,要解決的關(guān)鍵問題仍然是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同樣采用了導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu),圍繞垂直升降缸設(shè)置四根導(dǎo)桿,較好的解決了這一問題。
4.液壓缸強(qiáng)度的較核
(1)活塞桿直徑的較核
3.2.6計(jì)算和選擇液壓元件
1. 控制元件的選擇
根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量,在標(biāo)準(zhǔn)元件的產(chǎn)品樣本中選取各控制元件。
2. 液壓泵的計(jì)算
第4章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1硬件設(shè)計(jì)
4.1.1操作面板布置
操作面板布置如圖4-2所示:
機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種。
1.手動(dòng)操作:就是用按鈕作機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)的控制。當(dāng)選擇升/降按鈕時(shí),按下啟動(dòng)按鈕,機(jī)械手上升;按下停止按鈕時(shí),機(jī)械手上升。當(dāng)選擇正轉(zhuǎn)/逆轉(zhuǎn)按鈕時(shí),按下啟動(dòng)按鈕,機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),而按下停止按鈕時(shí),機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同理,當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時(shí),按下啟動(dòng)按鈕,機(jī)械手爪夾緊,而按下停止按鈕時(shí),手爪松開。
2.自動(dòng)操作:機(jī)械手從原點(diǎn)開始,按下啟動(dòng)按鈕,機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕,機(jī)械手將繼續(xù)完成一個(gè)周期動(dòng)作后,回到原點(diǎn)位置。
4.1.2工藝過程與控制要求
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。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,通過柱塞缸與齒輪來實(shí)現(xiàn);腰座旋轉(zhuǎn)通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與齒輪來實(shí)現(xiàn)。
其中,液壓缸由相應(yīng)的電磁閥控制,升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制,當(dāng)下降電磁閥通電時(shí),機(jī)械手下降;斷電時(shí),機(jī)械手下降停止;當(dāng)上升電磁閥通電時(shí),機(jī)械手上升;斷電時(shí),機(jī)械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅(qū)動(dòng)器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
實(shí)現(xiàn)執(zhí)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(dāng)線圈不通電時(shí),柱塞缸不工作,當(dāng)線圈通電時(shí),柱塞缸工作沖程,手爪張開,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工件可取。
4.1.3作業(yè)流程
機(jī)械手工作流程如圖4-1所示:
從原點(diǎn)開始,按下啟動(dòng)鍵,且有上下料命令,則水平液壓缸開始前伸并進(jìn)行伺服定位,前伸到位后,停止前伸; 下降電磁閥通電,同時(shí)手爪柱塞缸電磁閥也通電,機(jī)械手下降,同時(shí)張開手爪,下降到位后碰到下限行程開關(guān),下降電磁閥斷電,下降停止,同時(shí)手爪夾緊,抓住工件; 上升電磁閥通電,機(jī)械手開始上升,上升到位后,碰到上限位開關(guān),上升電磁閥斷電,上升停止; PLC開始輸出高速脈沖,驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后,PLC停止輸出脈沖,機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng); 接著下降電磁閥通電,機(jī)械手下降,下降到位后,碰到下限行程開關(guān),下降電磁閥斷電,下降停止,機(jī)械手到達(dá)卡盤中心高度; 機(jī)械手開始水平定位后縮,將工件裝入機(jī)床卡盤; 當(dāng)工件裝入到位后,卡盤收緊; 機(jī)械手松開手爪,準(zhǔn)備離開; 接著上升電磁閥通電,機(jī)械手開始上升,上升到位后,碰到上限位開關(guān),上升電磁閥斷電,上升停止; PLC啟動(dòng)高速脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后,PLC停止輸出脈沖,機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng),機(jī)械手回到原點(diǎn)待命; 機(jī)床進(jìn)行加工。
當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工完一個(gè)工件時(shí),發(fā)送下料命令給機(jī)械手,機(jī)械手接到命令后,PLC馬上輸出脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后,PLC停止輸出脈沖,機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng); 下降電磁閥通電,同時(shí)手爪柱塞缸電磁閥也通電,機(jī)械手下降且張開手爪,下降到位后碰到下限行程開關(guān),下降電磁閥斷電,下降停止且手爪夾緊,夾緊已加工好的工件;機(jī)床卡盤松開; 機(jī)械手開始前伸,將工件從機(jī)床上取出,準(zhǔn)備運(yùn)走; 上升電磁閥通電,機(jī)械手開始上升,上升到位后,碰到上限位開關(guān),上升電磁閥斷電,上升停止; PLC輸出高速脈沖,驅(qū)動(dòng)機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后,PLC停止輸出脈沖,機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng); 下降電磁閥通電,機(jī)械手下降,下降到位后碰到下限行程開關(guān),下降電磁閥斷電,下降停止; 接著手爪柱塞缸電磁閥通電,手爪張開,放下工件準(zhǔn)備離開; 接著上升電磁閥通電,機(jī)械手開始上升,上升到位后,碰到上限位開關(guān),上升電磁閥斷電,上升停止同時(shí)手爪也閉合復(fù)原; 接著機(jī)械手水平手臂開始后縮,準(zhǔn)備回原點(diǎn),當(dāng)后縮到位時(shí),后縮停止,機(jī)械手回到原點(diǎn),一個(gè)上下料過程結(jié)束; 機(jī)械手在原點(diǎn)等待命令,準(zhǔn)備下一個(gè)工作循環(huán)。
機(jī)械手的每次循環(huán)都從原點(diǎn)位置開始動(dòng)作。
4.1.4控制器的選型
機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上考慮到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性,控制器應(yīng)選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)開發(fā)的工業(yè)控制器---PLC,故選擇在國內(nèi)應(yīng)用較多的西門子S7-200型PLC。具體型號為SIMATIC S7-200 CPU224。如圖4-3所示:
該P(yáng)LC集成14,輸入/10,輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn),可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊,最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn),具有16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器,2路獨(dú)立的20KHz高速脈沖輸出,具有PID控制器。1個(gè)RS485通訊/編程口,具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。
4.1.5控制系統(tǒng)原理分析
由于機(jī)械手作業(yè)時(shí),取、放工件和裝、卸工件都有較高的定位精度要求,所以在機(jī)械手控制中,除了要對垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進(jìn)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開環(huán)控制外,還要對水平手臂進(jìn)行閉環(huán)伺服控制。
為了減少PLC的I/O點(diǎn)數(shù),以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點(diǎn)。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端,給定的輸入信號和反饋信號進(jìn)行比較后形成的控制信號經(jīng)過PID調(diào)節(jié)和功率放大后,驅(qū)動(dòng)電液伺服閥對液壓缸進(jìn)行伺服定位。PLC將上位機(jī)輸入的給定信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,輸出至伺服放大器,由伺服放大器作為閉環(huán)比較點(diǎn),組成模擬控制系統(tǒng),如圖4-4所示:
這種方案使得PLC控制量少(尤其是模擬量),節(jié)省了系統(tǒng)資源,而且編程簡單,不必過多考慮控制算法等優(yōu)點(diǎn),也是完全能滿足工作要求的。
4.1.6 PLC外部接線設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)水平手臂液壓缸伺服定位的控制要求,利用西門子SIMATIC S7-200 (CPU224)PLC,考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量,因此增加一個(gè)模擬量輸出模塊EM232。鑒于伺服放大器和位移傳感器對輸入的要求,PLC的模擬量采用-10V~ +10V輸入輸出,各輸入輸出點(diǎn)及其接線如圖4-5所示。
PLC的具體硬件接線圖如下圖所示(詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)見圖紙)
4.1.7 I/O地址分配
詳細(xì)參見表4-1、4-2:
4.2軟件設(shè)計(jì)
4.2.1控制主程序流程圖
機(jī)械手控制主程序流程圖如圖4-6所示:
結(jié) 論
本設(shè)計(jì)通過對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年所學(xué)知識進(jìn)行整合,完成一個(gè)特定功能、滿足特殊要求的數(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)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度,具有較強(qiáng)的針對性和明確的實(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I/O點(diǎn)的接線稍作修改,或?qū)/O重新分配,在控制程序中作簡單修改,補(bǔ)充擴(kuò)展即可。經(jīng)過重新編制相應(yīng)的控制程序,就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。
綜上,經(jīng)過資料的收集、方案的選擇比較和論證,到分析計(jì)算,再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的撰寫等各個(gè)環(huán)節(jié),我對大學(xué)四本科階段的知識有了一個(gè)整體的深層次的理解,同時(shí)對工程的理解更加深刻和準(zhǔn)確。因此,通過畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。
致 謝
經(jīng)過一段時(shí)間的努力,本次畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成。在這段時(shí)間里,我運(yùn)用大學(xué)所學(xué)知識,通過對本設(shè)計(jì)的論證、計(jì)算以及圖紙的繪制,對大學(xué)所學(xué)知識進(jìn)行了一次系統(tǒng)的整合,使自己的理論和實(shí)際動(dòng)手能力有了很大提高。
此次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成,我得到了很多老師和同學(xué)的幫助和支持,在此向他們表示感謝。在此畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中,尤其要感謝我的指導(dǎo)老師,他給我很多專業(yè)方面的幫助,讓我少走很多彎路。還有在大學(xué)里所有的任課老師和圖書館的管理老師,也謝謝你們,是你們給我知識,謝謝!
此外,由于個(gè)人知識能力水平有限,論文中難免有紕漏錯(cuò)誤指出,懇請各位老師批評指正,謝謝!
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目前存在的主要問題我院機(jī)械類專業(yè)含機(jī)電、機(jī)械、數(shù)控、模具、汽車等相關(guān)專業(yè)。目前,畢業(yè)設(shè)計(jì)中存在的主要問題有以下幾種:
1.關(guān)注點(diǎn)不一樣,學(xué)校和學(xué)生意見分歧由于教育行政部門每年都要對畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))進(jìn)行抽檢評優(yōu),所以學(xué)校很緊張,萬一結(jié)果不好,影響學(xué)校的聲譽(yù)。但現(xiàn)狀是,機(jī)械類專業(yè)絕大多數(shù)學(xué)生從第5學(xué)期中后期開始進(jìn)行頂崗實(shí)習(xí),而且大部分從事的是機(jī)床操作和產(chǎn)品檢驗(yàn)、包裝等工種,沒有太多的技術(shù)含量,與“設(shè)計(jì)”無緣。少部分學(xué)生在產(chǎn)品銷售崗位實(shí)習(xí),還有部分在售后服務(wù)崗位實(shí)習(xí),與“設(shè)計(jì)”關(guān)系都不大,學(xué)生看不到畢業(yè)設(shè)計(jì)對他們將來的工作有多大作用,他們更關(guān)注的是就業(yè)。因此,沒有太大的動(dòng)力去認(rèn)真地搞畢業(yè)設(shè)計(jì)。由于學(xué)校對老師有要求,老師本意當(dāng)然想認(rèn)真地指導(dǎo)學(xué)生,可是學(xué)生在頂崗實(shí)習(xí)階段,不能與老師經(jīng)常見面,有的根本見不了面,只能通過電話、網(wǎng)絡(luò)溝通,學(xué)生上網(wǎng)不便,郵件也說不清楚,老師只能過一段時(shí)間督促一下,指導(dǎo)效果大打折扣。
2.畢業(yè)設(shè)計(jì)所需信息和資料難以搜集,影響進(jìn)度畢業(yè)設(shè)計(jì)階段,學(xué)生都在企業(yè)頂崗實(shí)習(xí),企業(yè)沒有專門的提供給學(xué)生的圖書館、機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)、實(shí)驗(yàn)室等畢業(yè)設(shè)計(jì)所必須的基本條件。學(xué)生對相關(guān)專業(yè)資料的搜集、分析、利用等能力相對較弱,這些資源的缺乏令學(xué)生在選題、開題和具體實(shí)施階段顯得無從下手,只能胡亂參照往年或網(wǎng)上資料相關(guān)題目。例如,機(jī)械類專業(yè)學(xué)生中期檢查交上來的題目大多是軸類、箱體類、圓盤類零件的加工工藝及數(shù)控編程、各種零件的模具設(shè)計(jì)、各種普通機(jī)床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造、電梯和機(jī)械手、水位、各種生產(chǎn)線等的PLC控制、機(jī)床夾具設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)備的故障診斷與維修等等,題目有的大而空,有的是課程設(shè)計(jì)內(nèi)容,有的是教材上的實(shí)例。學(xué)生撰寫論文時(shí)參考教材或網(wǎng)絡(luò)公開資料過多,沒有什么數(shù)據(jù)支撐,也沒有什么自己的觀點(diǎn)和實(shí)際作品,談不上論文的質(zhì)量及學(xué)生水平的提高。
3.學(xué)生方面的原因江蘇省這幾年的高職招生,有提前單招,有注冊入學(xué),還有中職對口單招,最后,通過真正參加高考錄取的考生,所占比例已經(jīng)較少了。即使是這些學(xué)生,錄取的分?jǐn)?shù)也很低。而且,江蘇省錄取的總?cè)藬?shù)已經(jīng)超過了報(bào)考學(xué)生總數(shù),基本上只要想上學(xué),都能上。所以招進(jìn)來的學(xué)生的知識基礎(chǔ)較差,學(xué)習(xí)興趣不高,水平和能力又參差不齊。畢業(yè)設(shè)計(jì)和頂崗實(shí)習(xí)時(shí)間重疊,絕大部分學(xué)生是自己通過人才市場選擇的實(shí)習(xí)企業(yè),崗位要求學(xué)生和正式用工一樣的工作時(shí)間和強(qiáng)度,學(xué)生每天上8小時(shí)甚至12小時(shí)的班,有的企業(yè)兩班倒,有的三班倒,沒有精力再去搞畢業(yè)設(shè)計(jì)。另一方面,在學(xué)校的前兩年,也沒有好好學(xué)習(xí)專業(yè)知識,造成很多學(xué)生不知道畢業(yè)設(shè)計(jì)要做什么,怎么做。老師給學(xué)生的課題,學(xué)生做不了,學(xué)生自己定的題目,又很不恰當(dāng)。勉強(qiáng)寫出的論文不規(guī)范,文字欠通順,表述設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)方案邏輯性不強(qiáng),質(zhì)量很低,有的直接抄襲論文或干脆購買,沒有起到培養(yǎng)綜合能力和科研水平的目的。
4.指導(dǎo)老師方面的原因由于學(xué)生多而專業(yè)教師少,教師的指導(dǎo)工作量過大,一般平均每位專業(yè)教師要承擔(dān)十多個(gè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo),學(xué)生遠(yuǎn)在四處各地,老師無法對學(xué)生進(jìn)行細(xì)致、系統(tǒng)和及時(shí)的指導(dǎo)和檢查。而且本身又有繁重的教學(xué)工作,老師的精力跟不上。另外,各個(gè)學(xué)校重點(diǎn)關(guān)注的是招生就業(yè),使得老師可能不太重視畢業(yè)設(shè)計(jì)工作,不愿多花時(shí)間與精力。從教師本身來看,高職院校的年輕教師很多是剛從學(xué)校畢業(yè)的,沒有實(shí)踐環(huán)節(jié),只能照本宣科;年長教師,沒有知識更新的再教育環(huán)節(jié),對新技術(shù)不太了解。老師自己實(shí)踐水平不高,給學(xué)生的選題,為回避實(shí)踐環(huán)節(jié),很多選擇了與工程實(shí)際相脫離的綜述類題目或計(jì)算機(jī)仿真題目。這些都使畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)工作難度增大,難以保證質(zhì)量。
二、對策分析
1.提前啟動(dòng)畢業(yè)設(shè)計(jì)工作在人才培養(yǎng)方案中,將各主要專業(yè)課程向前兩學(xué)年轉(zhuǎn)移,減少第三學(xué)年的計(jì)劃課程。第五學(xué)期初開始畢業(yè)設(shè)計(jì),包括落實(shí)任務(wù)、查閱資料,掌握畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本程序、要求,完成畢業(yè)論文的總體框架設(shè)計(jì)。學(xué)生在校完成畢業(yè)論文總體框架后,到企業(yè)、實(shí)習(xí)基地邊實(shí)習(xí)邊做畢業(yè)設(shè)計(jì),更有針對性,學(xué)生不再感到茫然。
2.充分利用畢業(yè)頂崗實(shí)習(xí)到用人單位進(jìn)行半年以上頂崗實(shí)習(xí),是高職院校落實(shí)《教育部關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》(教高[2006]16號)文件精神,大力推行“校企合作、工學(xué)結(jié)合”,突出高職教育特色,改革人才培養(yǎng)模式的重要舉措。這幾年,我院機(jī)械類學(xué)生的頂崗實(shí)習(xí)已提前至第5學(xué)期的下半學(xué)期,由于企業(yè)對技能型人才的需求較旺,所以,絕大部分學(xué)生自己都能較容易找到相關(guān)實(shí)習(xí)崗位。學(xué)生帶著各自初擬的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題,分散到不同地方、不同部門進(jìn)行畢業(yè)實(shí)習(xí),這種分散實(shí)習(xí)的方式不會(huì)影響企業(yè)的生產(chǎn)秩序,比較容易被企業(yè)接受;還有部分學(xué)生,在第3或者第4學(xué)期已經(jīng)選擇了進(jìn)入與學(xué)校簽有合作培養(yǎng)協(xié)議的“訂單班”學(xué)習(xí),我系有“上海鴻得利”、“富士康”、“億滋”、“無錫松下”等眾多訂單班,學(xué)生完成基本專業(yè)知識學(xué)習(xí)后直接進(jìn)入這些單位頂崗實(shí)習(xí)。畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容與實(shí)際所從事的崗位聯(lián)系,如果與初擬的框架有沖突,可再作研究內(nèi)容和方法的調(diào)整,甚至重新開展課題研究。做到理論聯(lián)系實(shí)際,提高學(xué)生的解決實(shí)際問題能力,提高畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。
3.校企共同指導(dǎo)學(xué)校自己聘請公司的技術(shù)人員做企業(yè)兼職指導(dǎo)教師,實(shí)現(xiàn)校企共同指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)。校內(nèi)指導(dǎo)教師主要負(fù)責(zé)畢業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范化指導(dǎo),負(fù)責(zé)過程管理,制定畢業(yè)設(shè)計(jì)流程,對畢業(yè)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)督檢查,對后期的畢業(yè)論文的撰寫進(jìn)行指導(dǎo)和審核。保持與企業(yè)指導(dǎo)教師、畢業(yè)生的聯(lián)系與溝通。企業(yè)的指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)具體的技術(shù)、內(nèi)容指導(dǎo),提供企業(yè)相關(guān)資料以及學(xué)生與實(shí)習(xí)企業(yè)合作環(huán)境的協(xié)調(diào)。學(xué)校應(yīng)支付企業(yè)導(dǎo)師一定報(bào)酬,同時(shí),企業(yè)導(dǎo)師參與答辯要占到一定比例。我院建立了頂崗實(shí)習(xí)管理平臺,要求學(xué)生頂崗實(shí)習(xí)期間至少每周寫一次周記,每個(gè)周記提出一個(gè)工作問題,解決一個(gè)工作問題,學(xué)習(xí)一個(gè)工作中需要的新知識點(diǎn),詳細(xì)記錄,并報(bào)告指導(dǎo)教師,指導(dǎo)老師進(jìn)行點(diǎn)評、指導(dǎo),隨時(shí)關(guān)注學(xué)生動(dòng)態(tài),及時(shí)解決學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中遇到的問題。另外,學(xué)生還要完成手寫的實(shí)習(xí)報(bào)告,也按周填寫,學(xué)生的企業(yè)指導(dǎo)老師,對學(xué)生一周的工作進(jìn)行評價(jià)、總結(jié).
4.豐富畢業(yè)設(shè)計(jì)課題來源
(1)指導(dǎo)教師的科研課題。此類型題目所占比例呈逐年上升趨勢。原因主要是近幾年學(xué)校科研環(huán)境的改善及本系教師隊(duì)伍的完善,科研項(xiàng)目逐漸增多,項(xiàng)目層次包括院級、市級、省級、國家級。
(2)依托技能競賽及各級各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽開展畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐活動(dòng)。鼓勵(lì)學(xué)生積級申報(bào)江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目,參加大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)大賽、自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試、汽車維修、汽車營銷、數(shù)控操作大賽、大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽、職業(yè)規(guī)劃大賽等。畢業(yè)設(shè)計(jì)開始時(shí)間可以依據(jù)競賽時(shí)間進(jìn)行調(diào)整,畢業(yè)設(shè)計(jì)可以以綜合性競賽項(xiàng)目實(shí)物作為成果,由競賽輔導(dǎo)教師兼任畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師,對學(xué)生在前期創(chuàng)新過程中的作品進(jìn)行完善和理論升華。通過技能競賽學(xué)生熟練了技能,樹立了競爭意識、團(tuán)隊(duì)意識,更嘗到了學(xué)習(xí)技能、精通技能的甜頭。
(3)學(xué)生自己確立的課題。題目主要來自畢業(yè)頂崗實(shí)習(xí)或者將要就業(yè)的單位,收集與實(shí)際工作相關(guān)的資料,在導(dǎo)師的指導(dǎo)下確定畢業(yè)設(shè)計(jì)題目。這說明學(xué)生下企業(yè)頂崗實(shí)習(xí)為畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題提供了大量的專業(yè)實(shí)踐機(jī)會(huì)。對于部分搞不了設(shè)計(jì)的學(xué)生,要求他們將實(shí)習(xí)體會(huì)寫下來,形成實(shí)習(xí)報(bào)告。
(4)模具、數(shù)控、機(jī)械、機(jī)電專業(yè)跨專業(yè)整合,開展任務(wù)驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目導(dǎo)向的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題探索,使學(xué)生綜合能力與素質(zhì)得到全面提升。
(5)參與教師的教學(xué)活動(dòng)。學(xué)生參與教學(xué)課件的制作,如機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、液壓與氣動(dòng)技術(shù)、夾具設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、模具設(shè)計(jì)等課程中的動(dòng)畫、視頻的制作。既鞏固了所學(xué)專業(yè)知識,又熟練掌握常用軟件的操作,為將來的工作打下了良好的基礎(chǔ)。
(6)不斷完善畢業(yè)設(shè)計(jì)課題類型,開設(shè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)課程。經(jīng)過這幾年的實(shí)踐總結(jié),我們大體上把機(jī)械類高職畢業(yè)設(shè)計(jì)的類型分為以下幾類,同時(shí),我院已開設(shè)指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)課程或講座。1)工藝夾具類。此類主要完成各種零件的加工工藝編制及加工零件所需夾具的設(shè)計(jì)。2)數(shù)控編程類。主要完成零件的加工工藝編制及數(shù)控編程,可以和機(jī)械設(shè)計(jì)類結(jié)合,以團(tuán)隊(duì)的形式,完成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)零件的數(shù)控編程、加工。3)注塑、沖壓模具類。主要完成各種注塑、沖壓模具設(shè)計(jì)。4)機(jī)械設(shè)計(jì)類。減速器、機(jī)器人、機(jī)械手、各種泵、控制裝備、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車、液壓系統(tǒng)及各種設(shè)備的設(shè)計(jì)。5)機(jī)床類。機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、鉆床、銑床、組合機(jī)床設(shè)計(jì),也可以利用學(xué)校的金工實(shí)習(xí)車間進(jìn)行各類機(jī)床的拆裝、測繪訓(xùn)練。6)機(jī)械類課程圖形庫、動(dòng)畫庫、試題庫建設(shè)。7)機(jī)電一體化類普通車床數(shù)控化改造及各種設(shè)備的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。8)機(jī)電設(shè)備或生產(chǎn)線故障分析與診斷。
(7)答辯形式多樣化。答辯可以采取多種形式,答辯地點(diǎn)可以選擇校內(nèi)的多媒體教室、實(shí)訓(xùn)室,也可以搬到校外學(xué)生頂崗實(shí)習(xí)的企業(yè)現(xiàn)場,邀請企業(yè)指導(dǎo)老師、技術(shù)人員、學(xué)生的同事一起參加答辯;答辯形式可以是陳述性答辯,也可以是作品展示性答辯;團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目,可指定一人進(jìn)行答辯。要保證各類形式如實(shí)習(xí)報(bào)告類、調(diào)查報(bào)告類、市場調(diào)研類、創(chuàng)業(yè)計(jì)劃類、售后報(bào)告分析類、設(shè)計(jì)類都可以參加答辯。
三、總結(jié)
根據(jù)上面分析,現(xiàn)在的畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量較難保證,而現(xiàn)有國情下高職畢業(yè)設(shè)計(jì)暫時(shí)無法替代。但是,畢業(yè)設(shè)計(jì)也應(yīng)隨著形勢的發(fā)展進(jìn)行較大程度的改革,否則,不能發(fā)揮起應(yīng)有的過渡橋梁作用,有以下幾點(diǎn)值得思考:
(1)是否能強(qiáng)化課程綜合實(shí)訓(xùn)和課程設(shè)計(jì),淡化畢業(yè)設(shè)計(jì)。例如機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程結(jié)合CAD/CAM課程進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn);液壓與氣動(dòng)技術(shù)、機(jī)械制造基礎(chǔ)、PLC等進(jìn)行課程設(shè)計(jì);數(shù)控編程與操作理論課程結(jié)合實(shí)訓(xùn)進(jìn)行典型零件的數(shù)控編程與加工訓(xùn)練。這樣的訓(xùn)練更扎實(shí),更有實(shí)效。
(2)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程要增強(qiáng)學(xué)生對畢業(yè)設(shè)計(jì)的認(rèn)識、讓學(xué)生明確其目的和意義。
(3)畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合訓(xùn)練的環(huán)節(jié)。完整的畢業(yè)設(shè)計(jì)過程應(yīng)該包括專業(yè)實(shí)習(xí)、文獻(xiàn)檢索、題目選擇、資料收集整理、大綱擬定、試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取、理論計(jì)算、論文寫作與論文答辯等環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)能使學(xué)生受到完成一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目所必需的綜合基本訓(xùn)練,對學(xué)生將來的工作和可能情況下的深造意義非凡。
(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,溫州 325035)
(Wenzhou Vocational & Technical College,Wenzhou 325035,China)
摘要: 優(yōu)化設(shè)計(jì)是將最優(yōu)化理論和計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域,為工程設(shè)計(jì)提供優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。MATLAB優(yōu)化工具箱具有編程工作量少、語法符合工程設(shè)計(jì)習(xí)慣的特點(diǎn),本文應(yīng)用MATLAB軟件,以RV減速器一級齒輪傳動(dòng)體積最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例,與原設(shè)計(jì)方案相比,取得了良好的優(yōu)化效果。
Abstract: Optimization design is to apply optimum theory and computing technology into the field of mechanical design to provide the optimization design methods for engineering design. MATLAB optimization toolbox has many characteristics, such as the programming workload is less, the grammar conforms to engineering design practice and so on. MATLAB software is applied in this article, the minimum transmission volume of the first RV reducer gear as the objective function to optimize design and put forward the optimal design example. Compared with the original design scheme, it achieves good optimization effect.
關(guān)鍵詞 : MATLAB優(yōu)化設(shè)計(jì);目標(biāo)函數(shù);約束函數(shù);RV減速器
Key words: MATLAB optimization design;objective function;constraint function;RV reducer
中圖分類號:TG457.23文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-4311(2015)25-0085-03
基金項(xiàng)目:溫州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:G20120011)“基于救援機(jī)器人的RV減速器研發(fā)”的階段研究成果。
作者簡介:鄭紅(1968-),女,江西南昌人,溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系副教授,研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。
0 引言
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是最優(yōu)化方法與機(jī)械設(shè)計(jì)的結(jié)合,設(shè)計(jì)工具是計(jì)算機(jī)軟件及計(jì)算程序,設(shè)計(jì)方法是最優(yōu)化數(shù)學(xué)方法。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì),就是在給定載荷及工作環(huán)境條件基礎(chǔ)上,在機(jī)械產(chǎn)品的性態(tài)、幾何尺寸關(guān)系或其他因素的限制(約束)的范圍內(nèi),根據(jù)設(shè)計(jì)要求及目標(biāo),選定設(shè)計(jì)變量、建立目標(biāo)函數(shù),并使其獲得最優(yōu)值,設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)可靠的機(jī)械產(chǎn)品。
換句話說,也就是在滿足一定約束的前提下,尋找一組設(shè)計(jì)參數(shù),使機(jī)械產(chǎn)品單項(xiàng)或多項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)因其目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)普遍呈非線性的特點(diǎn),設(shè)計(jì)步驟為先根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)問題建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)需要應(yīng)用專業(yè)知識確定設(shè)計(jì)的限制條件和所追求的目標(biāo),確定設(shè)計(jì)變量之間的相互關(guān)系等,并使之滿足強(qiáng)度、剛度及運(yùn)動(dòng)學(xué)等約束條件。數(shù)學(xué)模型一旦建立,優(yōu)化設(shè)計(jì)問題就變成了一個(gè)數(shù)學(xué)求解問題,應(yīng)用優(yōu)化理論,設(shè)計(jì)優(yōu)化程序,以計(jì)算機(jī)為載體計(jì)算得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。
美國可口可樂公司是全球最大的飲料公司,擁有全球市場48%的占有率,為降低生產(chǎn)成本,提升品牌競爭力,可口可樂瓶有一段優(yōu)化設(shè)計(jì)的佳話,優(yōu)化處理后的可口可樂瓶重只有原重量的80%,而瓶子的容量、性能卻絲毫未受影響,僅此一舉就節(jié)省了可觀的材料費(fèi)用,帶來了可觀的利潤。
近年來制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、國家推出“機(jī)器換人”工程,把機(jī)器人、高端數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用推向了,但基于機(jī)器人的RV減速器一直是個(gè)技術(shù)難題,直接影響到機(jī)器人的工作性能指標(biāo)。
RV減速器產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上由一級漸開線齒輪傳動(dòng)和一級擺線針輪行星傳動(dòng)串聯(lián)構(gòu)成,漸開線齒輪傳動(dòng)構(gòu)成第一級傳動(dòng),擺線齒輪行星傳動(dòng)構(gòu)成第二級傳動(dòng)。RV減速器是一款剛度最高、振動(dòng)最低的機(jī)器人用減速器,能夠提高機(jī)器人工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性,減小傳動(dòng)回差,而且還具有體積小重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比范圍大、承載能力大、運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
RV減速器廣泛應(yīng)用在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床行業(yè),傳統(tǒng)設(shè)計(jì)全由設(shè)計(jì)人員手工完成,但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、體積或質(zhì)量更小的指標(biāo)要求下,希望能從一系列可行的設(shè)計(jì)方案中精選最優(yōu),傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法做不到,因而有必要采用優(yōu)化方法來確定其設(shè)計(jì)參數(shù)。
RV減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)要解決的問題,與其使用場合的具體要求有關(guān)。在保證傳動(dòng)能力的條件下要求齒輪傳動(dòng)及針擺傳動(dòng)體積最小或質(zhì)量最??;在要求較高時(shí),需要優(yōu)選齒輪的幾何參數(shù)使齒輪副具有形成油膜的最佳條件;優(yōu)化齒輪傳動(dòng)的慣性質(zhì)量分配,以便最大限度地減少工作時(shí)間的振動(dòng)和噪聲,以及傳動(dòng)功率最大和工作壽命最長等。
對于不同類型的RV減速器,其優(yōu)化設(shè)計(jì)具有各自的特點(diǎn),設(shè)計(jì)變量一般選擇齒輪傳動(dòng)的基本幾何參數(shù)或性能參數(shù),如齒數(shù)、模數(shù)、齒寬系數(shù)、傳動(dòng)比、螺旋角、變位系數(shù)和中心距等。
根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同,RV減速器設(shè)計(jì)可以有多種最優(yōu)化方案,本文討論的是在滿足齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度、剛度和壽命條件下,使RV減速器轉(zhuǎn)矩最大、體積最小或質(zhì)量最小。
基于RV減速器的機(jī)器人抓握機(jī)械手工況條件,8小時(shí)工作,正反轉(zhuǎn),輕載平穩(wěn),空載起動(dòng),室內(nèi)工作,使用壽命5年,在溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)中心單件生產(chǎn),機(jī)器人機(jī)械手轉(zhuǎn)矩T3=20 N·m,轉(zhuǎn)速n3=5rpm,為優(yōu)化設(shè)計(jì)對象,要求在保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度的條件下,獲得轉(zhuǎn)矩最大、體積最小、重量最輕的傳動(dòng)裝置。應(yīng)用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對電機(jī)轉(zhuǎn)矩做最大值優(yōu)化,即應(yīng)用fmincon函數(shù)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化,優(yōu)化的目的是求出在轉(zhuǎn)矩最大的情況下,齒輪傳動(dòng)體積最小,實(shí)際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。因此以轉(zhuǎn)矩最大為優(yōu)化目標(biāo),建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。
1 目標(biāo)函數(shù)
①工作載荷計(jì)算功率P3。
因?yàn)門3=9550*P3′/n3 ,代入得20=9550*P3′/5,所以P3′=0.01kW,把P3′打上機(jī)器工作載荷系數(shù)K=1.5,得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②應(yīng)用針擺傳動(dòng)效率η2=97%,計(jì)算第二級針擺傳動(dòng)功率P2,得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③應(yīng)用漸開線齒輪傳動(dòng)效率η1=95%,計(jì)算第一級齒輪傳動(dòng)功率P1,得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④應(yīng)用電機(jī)傳動(dòng)效率η=99%,計(jì)算電機(jī)功率P,得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩。
因?yàn)镽V減速器總傳動(dòng)比為i=-Z2/Z1*Zb,則電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=i*n3=5*(-Z2/Z1*Zb),
所以電機(jī)轉(zhuǎn)矩為T=9550*P/n=(9550*0.018)/(5*((Z2/Z1)*Zb))N·m
對于第二級針擺傳動(dòng),設(shè)計(jì)采用一齒差擺線針輪行星傳動(dòng),因此針齒齒數(shù)Zb必須為偶數(shù),Zb用數(shù)學(xué)表達(dá)式來表達(dá),即Zb=2*k,而10≤k≤50,則電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為
T=(9550*0.018)/(5*((Z2/Z1)*(2*k)))N·m。
所以,電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式有3個(gè)變量Z1、Z2、k,即X=[x1,x2,x3]T=[Z1,Z2,k]T,表達(dá)式變?yōu)門=(9550*0.018)/(5*((x(2)/x(1))*(2*x(3))))。
機(jī)械手的工作要求是轉(zhuǎn)矩足夠大,而MATLAB軟件的fmincon函數(shù)只能進(jìn)行最小值優(yōu)化,所以對電機(jī)轉(zhuǎn)矩求倒數(shù),對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)作最小值優(yōu)化,即
1/T=(5*((x(2)/x(1))*(2*x(3))))/(9550*0.018),
所以在MATLAB中,目標(biāo)函數(shù)f(x)=(5*((x(2)/x(1))*(2*x(3))))/(9550*0.018)。
2 非線性約束條件
①非線性約束條件1。
根據(jù)機(jī)器人抓握機(jī)械手工況條件、載荷條件,可以判定齒輪幾何尺寸不大,模數(shù)較小,初定為0.5或1mm;轉(zhuǎn)矩也不大,約為20N·m,電機(jī)轉(zhuǎn)矩理論上應(yīng)該可以控制在1 N·m以內(nèi),即T=(9550*0.018)/(5*((x(2)/x(1))*(2*x(3))))≤1,則
1/T=(5*((x(2)/x(1))*(2*x(3))))/(9550*0.018)≥1
所以1-(5*((x(2)/x(1))*(2*x(3))))/(9550*0.018)≤0構(gòu)成非線性約束條件1。
②非線性約束條件2、非線性約束條件3。
RV減速器對總傳動(dòng)比有范圍要求,140≤i≤180,即
140≤((x(2)/x(1))*2*x(3))≤180,展成兩個(gè)表達(dá)式,即
140-((x(2)/x(1))*2*x(3))≤0,((x(2)/x(1))*2*x(3))-180≤0,整理后140-(x(2)/x(1))*2*x(3)≤0及(x(2)/x(1))*2*x(3)-180≤0構(gòu)成非線性約束條件2、3。
綜上,非線性約束條件共3個(gè),
1-(5*((x(2)/x(1))*(2*x(3))))/(9550*0.018)≤0
140- (x(2)/x(1))*2*x(3)≤0
(x(2)/x(1))*2*x(3)-180≤0
3 線性約束條件
①線性約束條件1、線性約束條件2。
為使RV減速器偏心軸軸承與擺線輪之間的作用力不至過大,漸開線齒輪傳動(dòng)中心距a應(yīng)是針齒基圓半徑R的0.35~0.65倍,這個(gè)可歸為結(jié)構(gòu)尺寸條件。
因?yàn)橐O(shè)計(jì)出在轉(zhuǎn)矩最大前提下,體積最小質(zhì)量最輕的RV減速器,必須使齒輪傳動(dòng)的中心距最小,RV減速器的結(jié)構(gòu)緊湊,所以初定針齒基圓半徑R=(30~40)mm,所以
a=(0.35~0.65)*R=(0.35~0.65)*(30~40)=(10.5~26)mm,取整后11≤a≤26。因?yàn)?/p>
a=1/2*m*(Z2+Z1),因?yàn)槟?shù)越小,齒輪的幾何尺寸就越小,所以模數(shù)取0.5,則
a=1/2*0.5*(Z2+Z1)=0.25*(Z2+Z1),所以11≤0.25*(Z2+Z1)≤26,即
11≤0.25*(x(2)+x(1))≤26,展成兩個(gè)表達(dá)式,
-0.25*x(1)-0.25*x(2)≤11及0.25*x(1)+0.25*x(2)≤26構(gòu)成線性約束條件1、2。
②線性約束條件3、線性約束條件4。
為使第二級擺線針輪行星傳動(dòng)部分輸入轉(zhuǎn)矩不至過大,第一級漸開線齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比必須控制為i≥1.5,但單級齒輪傳動(dòng)比又不宜大于5,所以1.5≤Z2/Z1≤5,即
1.5≤x(2)/x(1)≤5,展成兩個(gè)表達(dá)式,
1.5*x(1)-x(2)≤0及-5*x(1)+x(2)≤0構(gòu)成線性約束條件3、4。
③線性約束條件5、6、7。
小齒輪齒數(shù)的取值范圍8≤Z1≤20,展成兩個(gè)表達(dá)式,-Z1≤-8,Z1≤20,即
-x(1)≤-8及x(1)≤20構(gòu)成線性約束條件5、6。
大齒輪齒數(shù)的取值范圍Z2≤100,即x(2)≤100構(gòu)成線性約束條件7。
④線性約束條件8、9。
因?yàn)閆b必須為偶數(shù),所以Zb用數(shù)學(xué)表達(dá)式來表達(dá),即Zb=2*k,10≤k≤50,展成兩個(gè)表達(dá)式,-k≤-10,k≤50,即-x(3)≤-10及x(3)≤50構(gòu)成線性約束條件8、9。
把9個(gè)線性約束條件寫矩陣表達(dá)式,即
-0.25 * x(1)- 0.25 * x(2) ≤-11
0.25 * x(1)+ 0.25 * x(2) ≤26
1.5 * x(1)- x(2) ≤0
-5 * x(1)+ x(2) ≤0
-x(1) ≤-8
x(1) ≤20
x(2) ≤100
-x(3)≤-10
x(3) ≤50
4 MATLAB編程
把上述計(jì)算過程編寫成MATLAB程序,應(yīng)用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對電機(jī)轉(zhuǎn)矩做最大值優(yōu)化,即應(yīng)用fmincon函數(shù)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的倒數(shù)求最小值優(yōu)化,優(yōu)化的目的是求出在轉(zhuǎn)矩最大的情況下,RV減速器中心距最小,實(shí)際上就是求齒輪齒數(shù)的取值。
該數(shù)學(xué)模型為3個(gè)設(shè)計(jì)變量、12個(gè)約束條件的多元函數(shù)最小值問題,采用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱求解最優(yōu)結(jié)果,進(jìn)行非線性有約束多元函數(shù)最小值計(jì)算,命令函數(shù)為fmincon,主程序如圖1,非線性約束條件如圖2,程序運(yùn)行結(jié)果如圖3。
程序經(jīng)過6次迭代計(jì)算,MATLAB計(jì)算優(yōu)化結(jié)果:
Z1 =9.7009,Z2=34.8305,k=19.4962,1/T=4.0721,
即T=0.24 N·m。
5 數(shù)據(jù)優(yōu)化處理
因?yàn)辇X數(shù)一定為整數(shù),所以取Z1=10,Z2=36,i1=36/9=4。
又因?yàn)閆1<17,齒輪會(huì)產(chǎn)生根切現(xiàn)象,但齒輪傳動(dòng)的中心距又必須控制,所以略加大齒數(shù),采用變位齒輪,取Z1=12,所以Z2=i1*Z1=4*12=48。
因?yàn)辇X輪模數(shù)m=0.5mm,所以齒輪傳動(dòng)中心距a=0.5*m*(Z2+Z1)=0.5*0.5*(48+12)=15mm,滿足初定的齒輪傳動(dòng)中心距取值范圍11~26mm。
用優(yōu)化處理的參數(shù)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩的最大值T=0.24 N·m。
6 比較與結(jié)論
RV減速器齒輪傳動(dòng)原設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為0.2N·m,中心距為20mm,經(jīng)過MATLAB軟件優(yōu)化工具箱優(yōu)化處理,電機(jī)轉(zhuǎn)矩增至0.24N·m,中心距降為15mm,滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件和齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件,在保證傳動(dòng)能力的前提下減速器體積減少了約30%,效能非??捎^。
參考文獻(xiàn):
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特別是在2015年5月19日,國務(wù)院中國制造2025規(guī)劃之后,更是將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)提升到新的高度。規(guī)劃指出,圍繞汽車、機(jī)械、電子、危險(xiǎn)品制造、國防軍工、化工、輕工等工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人,以及醫(yī)療健康、家庭服務(wù)、教育娛樂等服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用需求,積極研發(fā)新產(chǎn)品,促進(jìn)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展。擴(kuò)大市場應(yīng)用。突破機(jī)器人本體、減速器、伺服電機(jī)、控制器、傳感器與驅(qū)動(dòng)器等關(guān)鍵零部件及系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)制造等技術(shù)瓶頸。對此,業(yè)內(nèi)分析,機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將迎來利好,獲得黃金發(fā)展周期。
為推進(jìn)陜西省“兩化融合”進(jìn)程和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展,提升陜西省科技創(chuàng)新能力與產(chǎn)業(yè)競爭力,陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成立于西安交通大學(xué),并依托西安交通大學(xué)的優(yōu)勢,開展智能機(jī)器人的研究與應(yīng)用工作。
尖端團(tuán)隊(duì)助力機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展
目前,陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有約41臺(套)實(shí)驗(yàn)用儀器設(shè)備,總價(jià)值約2000萬元。實(shí)驗(yàn)室還擁有固定人員35人,其中高級職稱19人,占比為54.3%;博士學(xué)位26人,占比為74.3%,長江學(xué)者1名。如今,實(shí)驗(yàn)室已形成了一支以中國科學(xué)院院士丁漢為學(xué)術(shù)委員會(huì)主任,長江學(xué)者梅雪松教授為實(shí)驗(yàn)室主任,武通海教授、王飛副教授為實(shí)驗(yàn)室副主任,以及呂毅教授、馮祖仁教授、徐光華教授、陳花玲教授、張小棟教授、王朝暉教授、賈書海教授、徐海波教授、姜歌東教授、李兵教授等為學(xué)術(shù)帶頭人的專業(yè)團(tuán)隊(duì),致力于機(jī)械工程、自動(dòng)控制等領(lǐng)域的研究。
多年來,陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室還致力于人才的培養(yǎng),目前擁有在讀博士研究生32名、碩士研究生63名;近5年來其培養(yǎng)出博士研究生26名、碩士研究生120余名,為我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)作出了重要的貢獻(xiàn)。
梅雪松教授介紹,陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),主要為了解決機(jī)器人在符合陜西省行業(yè)特點(diǎn)的開發(fā)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問題,為陜西省機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐和引導(dǎo),實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)成果的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用?!拔覀兊哪康木褪菍?shí)驗(yàn)室建成國內(nèi)知名的具備原創(chuàng)能力的研發(fā)基地及機(jī)器人技術(shù)高層次人才培養(yǎng)基地?!泵费┧山淌谡f道。
目前,陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要涉及機(jī)器人智能運(yùn)動(dòng)控制理論與自主決策、機(jī)器人核心功能部件失效機(jī)理與評價(jià)、多信息融合的機(jī)器人智能感知與人機(jī)交互及機(jī)器人仿生學(xué)研究與機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)四個(gè)方向的研究。
在機(jī)器人智能運(yùn)動(dòng)控制理論與自主決策方面,陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要研究機(jī)器學(xué)習(xí)理論與實(shí)現(xiàn);機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)的智能優(yōu)化與自適應(yīng)調(diào)整;機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃與行為自主決策及工業(yè)機(jī)器人多種作業(yè)的智能末端執(zhí)行器作業(yè)一體化系統(tǒng)原理。在這一方面,實(shí)驗(yàn)室提出了典型機(jī)器人智能運(yùn)動(dòng)控制理論與自主決策方法,開發(fā)機(jī)器人智能化實(shí)際應(yīng)用技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)集成機(jī)、電、液、氣、光等多種接口的智能末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及智能末端執(zhí)行器的作業(yè)規(guī)劃與控制技術(shù)。
在機(jī)器人核心功能部件失效機(jī)理與評價(jià)方面,實(shí)驗(yàn)室主要研究機(jī)器人減速器失效機(jī)理研究;工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行部運(yùn)動(dòng)精度的檢測與評價(jià);高精度機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器性能檢測與評價(jià)及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與性能評價(jià)。在這一方面,實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出了優(yōu)化與協(xié)同制造出高精度、長壽命、大剛度的機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器,開發(fā)出了總線和碼盤協(xié)議兼容性好、抗干擾能力強(qiáng)的高速高精度工業(yè)機(jī)器人專用伺服控制系統(tǒng)。
在多信息融合的機(jī)器人智能感知與人機(jī)交互方面,實(shí)驗(yàn)室主要研究多傳感信息融合的機(jī)器視覺與感知技術(shù);人一機(jī)器人交互理論研究與應(yīng)用及基于多源生物信號的機(jī)電系統(tǒng)控制理論與應(yīng)用。宴驗(yàn)室將通過研究多傳感器感知技術(shù),生機(jī)電協(xié)同控制與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù),實(shí)現(xiàn)人機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)協(xié)同,初步實(shí)現(xiàn)基于腦機(jī)接口的服務(wù)機(jī)器人原型樣機(jī),如:上肢和下肢康復(fù)機(jī)器人、助老伴行機(jī)器人、救援機(jī)器人及超微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人、ICU重癥護(hù)理機(jī)器人產(chǎn)品。
而在機(jī)器人仿生學(xué)研究與機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面,實(shí)驗(yàn)室主要研究行走機(jī)理與動(dòng)物視覺的仿生實(shí)現(xiàn)理論與方法;機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及機(jī)器人仿生驅(qū)動(dòng)與實(shí)現(xiàn)。在這一方面。實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了基于柔性智能材料驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人,爬行軟體機(jī)器人系統(tǒng)。在這一領(lǐng)域,實(shí)驗(yàn)室通過研究軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)非線性建模及分析方法,形成了“材料-結(jié)構(gòu)-運(yùn)動(dòng)-傳感”一體化的軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)方法。
專注、專業(yè),機(jī)器人領(lǐng)域顯身手
憑借著專業(yè)的科研團(tuán)隊(duì)及依托西安交通大學(xué)的優(yōu)勢,陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室取得了許多令人矚目的科研成果。
在機(jī)器人基礎(chǔ)科學(xué)與共性技術(shù)上,實(shí)驗(yàn)室完成了介電彈性體材料的研究、石墨烯智能機(jī)器人光致驅(qū)動(dòng)效應(yīng)、石墨烯智能機(jī)器人的仿生應(yīng)用研究、關(guān)于智能感知的研究、腦機(jī)接口技術(shù)研究、機(jī)器人控制技術(shù)研究、機(jī)器人在線測試研究、機(jī)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究、機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器研究。關(guān)于介電彈性體材料DE的介電特性研究,實(shí)驗(yàn)室主要圍繞DE材料的介電性能展開了基礎(chǔ)性研究,研究了介電常數(shù)、介電損耗、電導(dǎo)率等因素對該材料介電特性的影響規(guī)律;在石墨烯智能機(jī)器人光致驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的研究上,實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了聚合物雙層微致動(dòng)器結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)光致驅(qū)動(dòng)器。研究了石墨烯智能機(jī)器人光致驅(qū)動(dòng)機(jī)理及驅(qū)動(dòng)性能,建立了光-機(jī)-電-力耦合驅(qū)動(dòng)模型;在石墨烯智能機(jī)器人的仿生應(yīng)用研究上,實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了光致驅(qū)動(dòng)的仿生魚平臺;關(guān)于智能感知的研究,實(shí)驗(yàn)室面向復(fù)雜環(huán)境的視覺應(yīng)用的多目標(biāo)檢測、識別及追蹤以及立體匹配的計(jì)算模型方面獲得了一批國際水平的研究成果;同時(shí),實(shí)驗(yàn)室采用視覺芯片技術(shù),解決視覺、視頻和圖像分析處理中所面臨的并行計(jì)算依賴和存儲(chǔ)效率限制等難題;在腦機(jī)接口技術(shù)研究上,實(shí)驗(yàn)室提出了基于牛頓環(huán)的穩(wěn)態(tài)振蕩運(yùn)動(dòng)刺激范式,構(gòu)建了穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位提取算法。還提出了相應(yīng)的頭皮腦電信號噪聲去除、微弱癲癇波檢測以及癲癇發(fā)作先兆捕捉方法。并構(gòu)建運(yùn)動(dòng)想象控制小球運(yùn)動(dòng)的腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)范式;在機(jī)器人控制技術(shù)研究上,實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了可用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的開放式運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器:在機(jī)器人在線測試技術(shù)研究,實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了機(jī)器人綜合動(dòng)態(tài)特性在線測試系統(tǒng),該測試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)西門子、NUM、海德漢等機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中各軸位置、速度、電流信號的在線實(shí)時(shí)測量,可用于機(jī)器人末端誤差溯源與分離、伺服優(yōu)化、裝配情況評估等;在機(jī)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究上,實(shí)驗(yàn)室利用二維內(nèi)力流建模方法分析了平板結(jié)構(gòu)中內(nèi)力渦流的形成與傳遞規(guī)律,并對載荷傳遞路徑的數(shù)值構(gòu)造原理進(jìn)行論證??偨Y(jié)歸納了承力生物體的典型結(jié)構(gòu)特征,基于等應(yīng)力定律提出了仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并應(yīng)用于仿生機(jī)器人的優(yōu)化再設(shè)計(jì)當(dāng)中;在機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器研究上,實(shí)驗(yàn)室研究了諧波減速器關(guān)鍵零件柔輪的變形與應(yīng)力分布,傳動(dòng)誤差和摩擦信息提取方法:研制開發(fā)了用于系列諧波減速器性能測試試驗(yàn)臺的測試系統(tǒng)。
在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用上,實(shí)驗(yàn)室研究出了基于工業(yè)機(jī)器人的纖維鋪放系統(tǒng),固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層自動(dòng)粘貼機(jī)器人技術(shù),基于自動(dòng)機(jī)械手的汽車旁通閥自動(dòng)裝配線設(shè)計(jì)單腿跳躍機(jī)器人、關(guān)節(jié)式機(jī)械手、并聯(lián)機(jī)器人及巡檢機(jī)器人。關(guān)于基于工業(yè)機(jī)器人的纖維鋪放系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)室研制了7自由度機(jī)器人式纖維鋪放系統(tǒng);提出紫外光/電子束原位固化,提高制造效率30%;無需熱壓罐、降低制造成本15%,降低能耗60%,電子束固化微波強(qiáng)化復(fù)合材料層間強(qiáng)度,層間剪切強(qiáng)度提高15%;實(shí)驗(yàn)室研制的自動(dòng)粘貼機(jī)器人能完成各種尺寸型號的固體火箭內(nèi)壁絕熱層的粘貼,不僅能夠完成粘貼的任務(wù),而且對粘貼工藝的研究提供了條件;實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的單腿跳躍機(jī)器人、關(guān)節(jié)式機(jī)械手、并聯(lián)機(jī)器人等設(shè)計(jì)與開發(fā),完成了系統(tǒng)的自行設(shè)計(jì)、制造以及組裝,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)位姿或位珞的運(yùn)動(dòng)控制;實(shí)驗(yàn)室研制的本巡檢機(jī)器人,可運(yùn)用于特殊工作環(huán)境下的巡檢。
在服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域,實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)了智能輪椅、基于腦機(jī)接口的康復(fù)機(jī)器人、腦控假肢、基于運(yùn)動(dòng)想象的機(jī)械手控制、外骨骼機(jī)器人、助老伴行機(jī)器人、無人機(jī)飛控系統(tǒng)平臺及手術(shù)機(jī)器人。智能輪椅是基于SSVEP和P300的智能輪椅控制導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā),實(shí)現(xiàn)腦電信號對輪椅的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等的精確控制。同時(shí),實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的智能輪椅實(shí)現(xiàn)了基于SSVEP和P300的智能輪椅控制導(dǎo)航系統(tǒng);基于腦機(jī)接口的康復(fù)機(jī)器人是針對生物運(yùn)動(dòng)視覺刺激誘發(fā)的混合BcI康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)展開研究,深入探討并研究及試驗(yàn)構(gòu)建了各種視覺刺激腦機(jī)接口新范式設(shè)計(jì);腦控假肢是基于PC的BCI驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)義肢手驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),開發(fā)出的基于E-MOTIVE便攜腦電采集系統(tǒng)的智能腦控假肢系統(tǒng);通過開展腦肌多源信息的運(yùn)動(dòng)意圖、位姿感知認(rèn)知、交互控制和生機(jī)電一體化系統(tǒng)集成技術(shù)的研究,實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出了外骨骼機(jī)器人。
面對未來,創(chuàng)新不止
2015年,在西安交通大學(xué)王樹國校長和鄭南寧院士的支持下,西安交通大學(xué)的智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室成為陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,這使實(shí)驗(yàn)室成為陜西在機(jī)器人領(lǐng)域最權(quán)威的研發(fā)機(jī)構(gòu)。但實(shí)驗(yàn)室主任梅雪松教授卻表示:“我們雖然取得了一定的成就,但我們并不會(huì)因此而止步。我們未來的目標(biāo)是,2020年成為省級示范單位,2025年成為國內(nèi)領(lǐng)先的創(chuàng)新研究中心?!?/p>
關(guān)鍵詞:熱成型;工藝;設(shè)備
1. 壓機(jī)生產(chǎn)線描述
1.1 生產(chǎn)線內(nèi)容
1.1.1 整體簡介
壓機(jī)生產(chǎn)線包含以下主要內(nèi)容:1臺料片拆垛裝置,附帶2個(gè)料架,使用1臺Destacker進(jìn)行拆垛、打標(biāo)記、傳送料片進(jìn)入加熱爐,高溫加熱爐,1臺給壓機(jī)上料的SpeedFeeder,1套換模系統(tǒng),使用2個(gè)平臺進(jìn)行快速、節(jié)省空間的操作,1臺帶有高速蓄能系統(tǒng)的液壓機(jī),1臺下料的SpeedFeeder,1條成形零件的退出傳送帶,熱成形模具水冷卻的監(jiān)控模塊和管道系統(tǒng),料片/零件溫度測量系統(tǒng),帶有2臺高溫?zé)岢上駜x,控制系統(tǒng)(Siemens),帶有1個(gè)主控制面板對整條生產(chǎn)線進(jìn)行控制。
1.1.2 料片信息
系統(tǒng)能夠處理大范圍的汽車車身零件的料片,尺寸如下:
最大料片尺寸:L=1500mm × W=2000mm 最小料片尺寸:L=300mm × W=265mm
料片厚度:0.8 – 2.5mm 最大重量:28 kg (1張、2張或4張料片)
最大料片堆垛高度:500mm 材料:Mn22B5(無鍍層)和22MnB5-AlSi (有鍍層)
1.2 沖壓設(shè)備
1.2.1 整體簡介
在機(jī)架上方的中心部分,使用厚板作為滑塊油缸的安裝基座。機(jī)架的下部安放液壓墊和臺面。滑塊的導(dǎo)向是通過機(jī)架中的四個(gè)淬火鋼制導(dǎo)向裝置來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)架的上、下部分都裝有起吊裝置?;瑝K運(yùn)行是由雙動(dòng)油缸控制的。
1.2.2 液壓系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)安裝在機(jī)座的上方后部,并擁有先進(jìn)的設(shè)計(jì)。多路液壓系統(tǒng)是參照DIN標(biāo)準(zhǔn)制造。插裝閥提供一個(gè)特快速、可靠、無沖擊的液壓系統(tǒng)。通過使用多路結(jié)構(gòu),管道工作的數(shù)量被保持在一個(gè)最小數(shù)量。系統(tǒng)能夠做到基本無泄漏,而且液壓元件便于調(diào)整和維護(hù)。低噪音運(yùn)行的軸向柱塞泵驅(qū)動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)。每個(gè)泵配備了電驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備和比例控制壓力和流量調(diào)節(jié)單元。壓力和流量可以獨(dú)立控制調(diào)節(jié)。通過一個(gè)比例流量閥,壓機(jī)控制系統(tǒng)可以對每個(gè)油缸進(jìn)行個(gè)別調(diào)節(jié)。
1.3 自動(dòng)化設(shè)備
1.3.1 上料
使用鏟車將料片放入料架中。復(fù)位安全圍欄后,F(xiàn)eeder就開始拆垛料片了。當(dāng)一個(gè)料架清空后,F(xiàn)eeder會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向另一個(gè)料架進(jìn)行工作。抓好的料片會(huì)被打鋼印和進(jìn)行雙料片檢測。如果被檢測到有雙料,此料片就會(huì)被堆放在打鋼印和爐口間的區(qū)域。正常的料片會(huì)放在傳送皮帶上傳送至爐內(nèi)。
1.3.2 出料
一個(gè)輸出傳送皮帶用來傳送成型料片。這個(gè)傳送帶有一個(gè)帶滾輪的剛架,易于傳送。傳送帶尾部裝有一個(gè)操作盒。這個(gè)盒子包括一個(gè)急停按鈕和一個(gè)選擇模式開關(guān)。位于出料位置的傳感器系統(tǒng)用來檢測傳送帶上是否清空才能進(jìn)行卸料。另一個(gè)傳感器系統(tǒng)用來檢測輸出尾部是否有料片。如果任意一個(gè)傳感器檢測到有料片,整線將會(huì)自動(dòng)停止直至傳感器檢測到無料。
1.4 加熱設(shè)備
1.4.1 描述
加熱平面料片的高溫加熱爐的加熱范圍大致從20℃至930℃。在沒有保護(hù)氣氛的情況下,最大加熱溫度可達(dá)980℃??梢酝ㄟ^可選的ENDO氣體發(fā)生器與安全設(shè)備獲得高效的保護(hù)氣氛。加熱爐可選用A)天然氣加空氣或B)甲醇-氮?dú)鈬娚湎到y(tǒng)之一。高質(zhì)量的輥輪輸送系統(tǒng)將料片傳送通過加熱爐膛直至爐外的對。加熱爐的加熱段長度為24米,爐膛寬度2.3米,可以加熱1個(gè)、2個(gè)B柱,或并排4個(gè)零件。這種料片的布置方案在隨后的文中稱為一“批”。
2. 工藝要點(diǎn)
2.1 拆垛裝置
在拆垛裝置所需要的一些特殊工藝要求有:
1. 實(shí)現(xiàn)高速全自動(dòng)換模,即要求有兩臺料片堆垛裝置,一臺用于生產(chǎn)時(shí),一臺可用于人工裝載料片。
2. Destacker運(yùn)載料片采用真空發(fā)生器裝置,采用吸盤形式,真空度是考核最關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn),整個(gè)系統(tǒng)對于真空度有嚴(yán)格監(jiān)測,嚴(yán)格防止料片沒有吸牢,吸盤損壞,機(jī)械手損壞等情況發(fā)生。
2.2 加熱裝置
在加熱裝置所需要的一些特殊工藝要求有:
1. 加熱爐設(shè)備在斷電模式下,要立刻進(jìn)入后備電源保護(hù)模式,滾輪處于運(yùn)轉(zhuǎn)階段,但是其他設(shè)備處于斷電模式。因?yàn)橥蝗粩嚯妼τ跐L輪和加熱元件有致命損傷,所以備用方案尤為重要。
2. 加熱設(shè)備需要密封性優(yōu)良,且高溫加熱需要恒溫恒定,在小范圍內(nèi)波動(dòng)。這就需要加熱輻射管燃燒次序上的選擇排列;同時(shí)保護(hù)氣氛(95%氮?dú)?5%天燃?xì)猓┑某淙肟梢允範(fàn)t內(nèi)無氧氣或者多余少量氧氣的燃燒消耗。爐內(nèi)沒有氧氣就意味著料片上面沒有氧化皮,保證零件質(zhì)量。
3. 對采用finger形式,對已經(jīng)加熱到930℃的料片進(jìn)行快速對中定位,采用Festo的氣動(dòng)伺服氣缸系統(tǒng)控制。
2.3 壓機(jī)裝置
1. 滑塊的迅速下滑,成形,回程是壓機(jī)要素,采用PCH技術(shù)可以達(dá)到800mm/s是國際領(lǐng)先水平。
2. 對于模具內(nèi)的料片成形,可選擇的cushion中墊可以達(dá)到完美的成形效果。
3. 壓機(jī)冷卻速度要求高,一般冷卻時(shí)間約6s。提高SPM故需要PCH技術(shù)支持。
4. 整個(gè)液壓系統(tǒng)采用伺服閥,比例閥控制,都是采用國際知名品牌力士樂Rexroth或者M(jìn)OOG。所以精確的液壓控制和位置反饋使得液壓系統(tǒng)快速,準(zhǔn)確,穩(wěn)定。
2.4 Feeder裝置
1. 采用三軸即X軸(橫向)Y軸(縱向)Z軸(上下方向)機(jī)械手伺服系統(tǒng)控制,達(dá)到快速,準(zhǔn)確定位的要求。從而滿足料片能夠迅速進(jìn)入壓機(jī)進(jìn)行冷卻和準(zhǔn)確抓料的要求。
2. Load Feeder和Unload Feeder采用耦合同步方式,目的是防止兩機(jī)械手碰撞出錯(cuò)。
2.5 水冷機(jī)裝置
機(jī)器人競賽
機(jī)器人競賽是一項(xiàng)很好的科技創(chuàng)新活動(dòng),形式繁多,內(nèi)容豐富。設(shè)計(jì)方案的開放性,也為學(xué)生的創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。參賽者可以用不同的方法實(shí)現(xiàn)同一個(gè)項(xiàng)目,通過比賽,激發(fā)其對機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣,引導(dǎo)他們積極探索機(jī)器人新科技,為其自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供良好的平臺。中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽:1999年,在RoboCup國際委員的支持和授權(quán)下,首屆中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽在中國重慶舉辦,目前是中國機(jī)器人最具影響力的賽事,比賽共設(shè)立12類65項(xiàng)賽事。機(jī)器人競賽種類多、規(guī)模大、水平高,為大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)提供了很好的平臺?!拔磥砘锇椤北袊悄軝C(jī)器人大賽(暨國際機(jī)器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽),是中國人工智能機(jī)器人專業(yè)委員會(huì)等多個(gè)單位主辦的一項(xiàng)全國性賽事。大賽包含機(jī)器人救火大賽、機(jī)器人足球比賽、機(jī)器人創(chuàng)新大賽、機(jī)器人搜救大賽、機(jī)器人擂臺賽和機(jī)器人舞蹈戲劇大賽等6個(gè)主題項(xiàng)目。其中機(jī)器人救火大賽是國際賽制機(jī)器人滅火比賽(暨國際機(jī)器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽)。“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽,由教育部委托高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦。競賽分競速賽與創(chuàng)意賽兩類比賽。自2006年首次舉辦以來,“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽已經(jīng)成功舉辦了6屆。
機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的具體實(shí)施
機(jī)器人競賽、創(chuàng)新實(shí)踐是一項(xiàng)很好的科技創(chuàng)新活動(dòng),機(jī)器人的趣味性易于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的興趣,同時(shí)將創(chuàng)新實(shí)踐、競賽引入教學(xué)過程,使學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)和研究?!皺C(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)法”的一般教學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示:“項(xiàng)目教學(xué)法”最顯著的特點(diǎn)是“以項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”,改變了以往“教師講,學(xué)生聽”被動(dòng)的教學(xué)模式,創(chuàng)造了學(xué)生主動(dòng)參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。本文以參加2012年中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽的醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人組的項(xiàng)目為例,在比賽初期確定人員,將不同專業(yè)和不同年級的學(xué)生組成一個(gè)競賽小組,研究競賽規(guī)則、制定項(xiàng)目方案、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、程序調(diào)試,學(xué)生分工合作,過程中集思廣益、取長補(bǔ)短、團(tuán)結(jié)協(xié)作。這種在探索中學(xué)習(xí)的過程是其他教學(xué)環(huán)節(jié)無法實(shí)現(xiàn)的,對于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力非常重要。本文以一種醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法,按照以下六個(gè)教學(xué)步驟進(jìn)行:
1.項(xiàng)目的申請
本學(xué)院主要參加了醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人、機(jī)器人游中國、擂臺等機(jī)器人項(xiàng)目,學(xué)生可以針對感興趣的比賽項(xiàng)目,或者根據(jù)江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃,申報(bào)項(xiàng)目,填寫申請書。教師針對學(xué)生申報(bào)的項(xiàng)目,分析學(xué)生的實(shí)際情況,建議選擇項(xiàng)目規(guī)模和難度適中的項(xiàng)目。中國已經(jīng)進(jìn)入了老齡化社會(huì),而且在今后幾年內(nèi)老齡人口數(shù)量將會(huì)呈上升趨勢,老齡化將更加嚴(yán)重。老齡化使社會(huì)的勞動(dòng)力減少,一些老年人不僅不能參加勞動(dòng),而且有的甚至失去了自理能力,需要人照顧,這就增加了他們的子女以及社會(huì)的負(fù)擔(dān)。年輕人為了工作日益繁忙,在目前服務(wù)行業(yè)工作者稀缺的背景下,在醫(yī)院時(shí)不時(shí)會(huì)有行動(dòng)不便的病人需要護(hù)士和家人的攙扶。而在沒有人幫助的情況下,行動(dòng)不便的病人寸步難行,稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學(xué)生選擇參加醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作賽項(xiàng),設(shè)計(jì)一種醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更好的服務(wù)病人。
2.項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的建立
建立學(xué)生團(tuán)隊(duì),營造互相競爭、互相幫助的學(xué)習(xí)氛圍,學(xué)生在做項(xiàng)目過程中攜手合作,彌補(bǔ)相互間的不足,遇到問題大家一起討論解決,這讓學(xué)生體會(huì)到團(tuán)隊(duì)的重要性,做到共同進(jìn)步。同時(shí),團(tuán)隊(duì)的學(xué)生分工明確,每人負(fù)責(zé)項(xiàng)目的某一部分,使學(xué)生真正參與到項(xiàng)目中,整個(gè)項(xiàng)目的完成,離不開每一個(gè)學(xué)生,學(xué)生為使項(xiàng)目不會(huì)因?yàn)樽约贺?fù)責(zé)的部分沒有完成而主動(dòng)學(xué)習(xí),主動(dòng)查資料,可以培養(yǎng)和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)生團(tuán)隊(duì)的建立,應(yīng)考慮學(xué)生的專業(yè),年紀(jì),特長等因素。教師確定一名隊(duì)長,根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn),隊(duì)長可以自己招學(xué)生,實(shí)現(xiàn)學(xué)生管理學(xué)生。參加醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作賽項(xiàng),筆者選擇了5名學(xué)生,隊(duì)長由09級的一名學(xué)生擔(dān)任,該生組織能力比較強(qiáng),專業(yè)能力也比較脫出,由他負(fù)責(zé)整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展,匯報(bào)工作。其他學(xué)生分別是1名2009級的,2名2010級的,1名2011級的,專業(yè)分別是自動(dòng)化、測控、電氣。
3.項(xiàng)目任務(wù)、計(jì)劃的制定
團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人制定機(jī)器人項(xiàng)目工作計(jì)劃,確定工作步驟。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)于一體的智能儀器。本次設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人由小組討論決定,醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人外形像輪椅,病人能夠獨(dú)自駕駛?cè)セ?yàn)室拿取報(bào)告,去門診找醫(yī)生復(fù)診,降低護(hù)士工作量及病人家屬的負(fù)擔(dān)。為使醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更好的服務(wù)病人,該團(tuán)隊(duì)為機(jī)器人設(shè)置了兩種模式:座椅模式和病床模式,免去了病人就診、休息時(shí)需要被移動(dòng)到病床上的麻煩。機(jī)器人將現(xiàn)場鍵盤控制和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)護(hù)士對病人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù),機(jī)器人在前進(jìn)過程中,檢測到前方有障礙物時(shí)就會(huì)立刻停下,減少不必要的事故。同時(shí)機(jī)器人配備了機(jī)械手,可以幫助病人取物品,最大程度幫助病人。根據(jù)團(tuán)隊(duì)中學(xué)生的專業(yè)、特長等分配任務(wù),負(fù)責(zé)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)生需要畫圖紙、電焊等來完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)械手的設(shè)計(jì);電路設(shè)計(jì)的學(xué)生制作包括單片機(jī)電路、電源穩(wěn)壓電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、紅外避障電路、鍵盤輸入電路;測控專業(yè)的學(xué)生負(fù)責(zé)電路的測試、場地的制作等工作;程序編寫的學(xué)生,完成程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試;控制界面的設(shè)計(jì)由另外一個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé),主要是VB編寫上位機(jī)、WIFI攝像頭的調(diào)試、藍(lán)牙通信的調(diào)試。根據(jù)機(jī)器人項(xiàng)目的特點(diǎn),學(xué)生在制作過程中可適當(dāng)?shù)刈饕恍┱{(diào)整。根據(jù)項(xiàng)目完成的時(shí)間確定工作步驟,進(jìn)行時(shí)間分配。最終得到教師的認(rèn)可才能執(zhí)行。
4.項(xiàng)目制作
學(xué)生自己確定各自在小組中的分工,然后按照已確立的工作步驟和程序工作?;跈C(jī)器人項(xiàng)目的作品成果形式多種多樣,可以是調(diào)查報(bào)告、實(shí)物模型、演講稿、論文等。通過展示作品成果,可反映學(xué)生在項(xiàng)目完成過程中所掌握的技能。本次設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人成果包括機(jī)器人模型一個(gè)、機(jī)器人設(shè)計(jì)與使用說明書一份、演講稿一份。在本項(xiàng)目比賽結(jié)束后,指導(dǎo)學(xué)生按照他們設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人撰寫論文、申請專利。
5.項(xiàng)目檢查評估
整個(gè)項(xiàng)目檢查評估采用答辯的形式向教師匯報(bào),首先由隊(duì)長對整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行匯報(bào)總結(jié),再由隊(duì)員對自己負(fù)責(zé)的工作進(jìn)行匯報(bào)和自我評估,并且對設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行展示,教師根據(jù)團(tuán)隊(duì)成員的表現(xiàn)、研究成果表述和作品的展示進(jìn)行檢查,為到現(xiàn)場比賽作準(zhǔn)備。針對項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題,師生共同討論,教師引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考問題,解決問題。學(xué)生通過對比師生評價(jià)結(jié)果,找出造成結(jié)果差異的原因
6.項(xiàng)目資料歸檔或應(yīng)用
為使學(xué)生養(yǎng)成良好的習(xí)慣,項(xiàng)目結(jié)束后,教師監(jiān)督學(xué)生將項(xiàng)目工作資料整理歸檔,材料包括項(xiàng)目申報(bào)書、進(jìn)度表、機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖、程序設(shè)計(jì)流程、機(jī)器人控制程序、項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)書、項(xiàng)目報(bào)告講義等。
機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的成果
機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐是一個(gè)綜合性、高難度的科技制作過程,有利于提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。在教師指導(dǎo)下,學(xué)生通過自己查閱資料、提出有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)方案,選擇合適的元件,設(shè)計(jì)、焊接電路,編程、測試程序等,充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性,發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力,使學(xué)生在實(shí)踐中進(jìn)一步提高自己的綜合能力。有助于將學(xué)生的興趣應(yīng)用到教師的科研中,使學(xué)生們熱愛科技,投身科技,在學(xué)校形成良好的科技學(xué)術(shù)氣氛。本校參加機(jī)器人競賽源于2010年,當(dāng)時(shí)參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽、中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽、江蘇省機(jī)器人大賽、“未來伙伴”杯機(jī)器人競賽,并因此開設(shè)了機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐與競賽等公共選修課;制定了《大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目負(fù)責(zé)制實(shí)施辦法》,針對項(xiàng)目采取一系列措施,保證學(xué)生能在項(xiàng)目的過程中鍛煉自己的能力,同時(shí)能保證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的創(chuàng)新性。實(shí)踐教學(xué)效果顯著,本校代表隊(duì)在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區(qū)比賽中,獲得攝像頭組第一名,晉級參加全國決賽的隊(duì)伍,獲得全國攝像頭組特等獎(jiǎng)。2012年中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽獲得3項(xiàng)季軍,2010年“未來伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍,受邀參加在美國舉辦的國際機(jī)器人滅火比賽。
關(guān)鍵詞:機(jī)器人競賽;創(chuàng)新實(shí)踐;項(xiàng)目教學(xué)法
作者簡介:毛麗民(1981-),男,江蘇常熟人,常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,講師;劉叔軍(1962-),男,黑龍江寶清人,常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,教授。(江蘇 常熟 215500)
基金項(xiàng)目:本文系國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號:61273312)、江蘇省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號:BK2010261)的研究成果。
中圖分類號:G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-0079(2013)01-0148-03
在國外院校,學(xué)生本科階段就開設(shè)了機(jī)器人啟蒙課程,使學(xué)生對機(jī)器人能夠有普遍地了解,研究生階段開設(shè)關(guān)于機(jī)器人的更深層次的課程,而國內(nèi)高校本科階段開設(shè)機(jī)器人課程的相對較少。
機(jī)器人教學(xué)與其他學(xué)科教學(xué)的最大不同之處在于,機(jī)器人教學(xué)在學(xué)習(xí)上充分滲透了研究性學(xué)習(xí)的思想,而且機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐性非常強(qiáng)。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力,培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。高校要把實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)擺在同等重要的位置,要不斷改革實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容,改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方法。以機(jī)器人競賽、創(chuàng)新實(shí)踐為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法研究,對大學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)教育具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
一、項(xiàng)目教學(xué)方法
“給你55分鐘,你可以造一座橋嗎?”這是德國教育專家弗雷德·海因里希教授在“德國及歐美國家素質(zhì)教育報(bào)告演示會(huì)”上介紹“項(xiàng)目教學(xué)法”的一個(gè)實(shí)例。首先由學(xué)生或教師在現(xiàn)實(shí)中選取一個(gè)“造一座橋”的項(xiàng)目,學(xué)生分組對項(xiàng)目進(jìn)行討論,并寫出各自的計(jì)劃書;接著正式實(shí)施項(xiàng)目——利用一種被稱為“造就一代工程師偉業(yè)”的“慧魚”模型拼裝橋梁;然后演示項(xiàng)目結(jié)果,由學(xué)生闡述設(shè)計(jì)思想和構(gòu)造機(jī)理;最后由教師對學(xué)生的作品進(jìn)行評估。通過以上步驟,可以充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能,培養(yǎng)和提高他們的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力、分析能力和綜合能力。
以機(jī)器人競賽、創(chuàng)新實(shí)踐為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法研究,就是要將項(xiàng)目教學(xué)法應(yīng)用到機(jī)器人的創(chuàng)新實(shí)踐中,把各項(xiàng)理論知識和實(shí)踐技能有機(jī)地結(jié)合,將機(jī)器人的項(xiàng)目分解成多個(gè)明確的目標(biāo)任務(wù),讓學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間里獨(dú)立完成相應(yīng)的任務(wù),其目的在于充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能,提高學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力。通過實(shí)踐探索出一種能提高學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力,全方位調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性的機(jī)器人教學(xué)模式。在實(shí)施“機(jī)器人競賽、創(chuàng)新實(shí)踐為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法”時(shí),重視機(jī)器人項(xiàng)目的選擇、機(jī)器人具體成果展示、教師的評估與總結(jié)、充分利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有資源并使之與現(xiàn)代化教學(xué)相結(jié)合,這是搞好“項(xiàng)目教學(xué)法”的關(guān)鍵。
二、機(jī)器人競賽
機(jī)器人競賽是一項(xiàng)很好的科技創(chuàng)新活動(dòng),形式繁多,內(nèi)容豐富。設(shè)計(jì)方案的開放性,也為學(xué)生的創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。參賽者可以用不同的方法實(shí)現(xiàn)同一個(gè)項(xiàng)目,通過比賽,激發(fā)其對機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣,引導(dǎo)他們積極探索機(jī)器人新科技,為其自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供良好的平臺。
中國機(jī)器人大賽暨RoboCup 公開賽:1999年,在RoboCup 國際委員的支持和授權(quán)下,首屆中國機(jī)器人大賽暨RoboCup 公開賽在中國重慶舉辦,目前是中國機(jī)器人最具影響力的賽事,比賽共設(shè)立12類65項(xiàng)賽事。機(jī)器人競賽種類多、規(guī)模大、水平高,為大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)提供了很好的平臺。
“未來伙伴”杯中國智能機(jī)器人大賽(暨國際機(jī)器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽),是中國人工智能機(jī)器人專業(yè)委員會(huì)等多個(gè)單位主辦的一項(xiàng)全國性賽事。大賽包含機(jī)器人救火大賽、機(jī)器人足球比賽、機(jī)器人創(chuàng)新大賽、機(jī)器人搜救大賽、機(jī)器人擂臺賽和機(jī)器人舞蹈戲劇大賽等6個(gè)主題項(xiàng)目。其中機(jī)器人救火大賽是國際賽制機(jī)器人滅火比賽(暨國際機(jī)器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽)。
“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽,由教育部委托高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦。競賽分競速賽與創(chuàng)意賽兩類比賽。自2006年首次舉辦以來,“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽已經(jīng)成功舉辦了6屆。
三、機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的具體實(shí)施
機(jī)器人競賽、創(chuàng)新實(shí)踐是一項(xiàng)很好的科技創(chuàng)新活動(dòng),機(jī)器人的趣味性易于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的興趣,同時(shí)將創(chuàng)新實(shí)踐、競賽引入教學(xué)過程,使學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)和研究。
“機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)法”的一般教學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示:
“項(xiàng)目教學(xué)法”最顯著的特點(diǎn)是“以項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”,改變了以往“教師講,學(xué)生聽”被動(dòng)的教學(xué)模式,創(chuàng)造了學(xué)生主動(dòng)參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。
本文以參加2012年中國機(jī)器人大賽暨RoboCup 公開賽的醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人組的項(xiàng)目為例,在比賽初期確定人員,將不同專業(yè)和不同年級的學(xué)生組成一個(gè)競賽小組,研究競賽規(guī)則、制定項(xiàng)目方案、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、程序調(diào)試,學(xué)生分工合作,過程中集思廣益、取長補(bǔ)短、團(tuán)結(jié)協(xié)作。這種在探索中學(xué)習(xí)的過程是其他教學(xué)環(huán)節(jié)無法實(shí)現(xiàn)的,對于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力非常重要。本文以一種醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法,按照以下六個(gè)教學(xué)步驟進(jìn)行:
1.項(xiàng)目的申請
根據(jù)學(xué)院參加機(jī)器人競賽的實(shí)際情況,中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽,作為全國最具影響力的機(jī)器人比賽。本學(xué)院主要參加了醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人、機(jī)器人游中國、擂臺等機(jī)器人項(xiàng)目,學(xué)生可以針對感興趣的比賽項(xiàng)目,或者根據(jù)江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃,申報(bào)項(xiàng)目,填寫申請書。教師針對學(xué)生申報(bào)的項(xiàng)目,分析學(xué)生的實(shí)際情況,建議選擇項(xiàng)目規(guī)模和難度適中的項(xiàng)目。
中國已經(jīng)進(jìn)入了老齡化社會(huì),而且在今后幾年內(nèi)老齡人口數(shù)量將會(huì)呈上升趨勢,老齡化將更加嚴(yán)重。老齡化使社會(huì)的勞動(dòng)力減少,一些老年人不僅不能參加勞動(dòng),而且有的甚至失去了自理能力,需要人照顧,這就增加了他們的子女以及社會(huì)的負(fù)擔(dān)。年輕人為了工作日益繁忙,在目前服務(wù)行業(yè)工作者稀缺的背景下,在醫(yī)院時(shí)不時(shí)會(huì)有行動(dòng)不便的病人需要護(hù)士和家人的攙扶。而在沒有人幫助的情況下,行動(dòng)不便的病人寸步難行,稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學(xué)生選擇參加醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作賽項(xiàng),設(shè)計(jì)一種醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更好的服務(wù)病人。
2.項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的建立
建立學(xué)生團(tuán)隊(duì),營造互相競爭、互相幫助的學(xué)習(xí)氛圍,學(xué)生在做項(xiàng)目過程中攜手合作,彌補(bǔ)相互間的不足,遇到問題大家一起討論解決,這讓學(xué)生體會(huì)到團(tuán)隊(duì)的重要性,做到共同進(jìn)步。同時(shí),團(tuán)隊(duì)的學(xué)生分工明確,每人負(fù)責(zé)項(xiàng)目的某一部分,使學(xué)生真正參與到項(xiàng)目中,整個(gè)項(xiàng)目的完成,離不開每一個(gè)學(xué)生,學(xué)生為使項(xiàng)目不會(huì)因?yàn)樽约贺?fù)責(zé)的部分沒有完成而主動(dòng)學(xué)習(xí),主動(dòng)查資料,可以培養(yǎng)和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)生團(tuán)隊(duì)的建立,應(yīng)考慮學(xué)生的專業(yè),年紀(jì),特長等因素。教師確定一名隊(duì)長,根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn),隊(duì)長可以自己招學(xué)生,實(shí)現(xiàn)學(xué)生管理學(xué)生。
參加醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作賽項(xiàng),筆者選擇了5名學(xué)生,隊(duì)長由09級的一名學(xué)生擔(dān)任,該生組織能力比較強(qiáng),專業(yè)能力也比較脫出,由他負(fù)責(zé)整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展,匯報(bào)工作。其他學(xué)生分別是1名2009級的,2名2010級的,1名2011級的,專業(yè)分別是自動(dòng)化、測控、電氣。
3.項(xiàng)目任務(wù)、計(jì)劃的制定
團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人制定機(jī)器人項(xiàng)目工作計(jì)劃,確定工作步驟。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)于一體的智能儀器。本次設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人由小組討論決定,醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人外形像輪椅,病人能夠獨(dú)自駕駛?cè)セ?yàn)室拿取報(bào)告,去門診找醫(yī)生復(fù)診,降低護(hù)士工作量及病人家屬的負(fù)擔(dān)。為使醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更好的服務(wù)病人,該團(tuán)隊(duì)為機(jī)器人設(shè)置了兩種模式:座椅模式和病床模式,免去了病人就診、休息時(shí)需要被移動(dòng)到病床上的麻煩。機(jī)器人將現(xiàn)場鍵盤控制和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)護(hù)士對病人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù),機(jī)器人在前進(jìn)過程中,檢測到前方有障礙物時(shí)就會(huì)立刻停下,減少不必要的事故。同時(shí)機(jī)器人配備了機(jī)械手,可以幫助病人取物品,最大程度幫助病人。
根據(jù)團(tuán)隊(duì)中學(xué)生的專業(yè)、特長等分配任務(wù),負(fù)責(zé)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)生需要畫圖紙、電焊等來完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)械手的設(shè)計(jì);電路設(shè)計(jì)的學(xué)生制作包括單片機(jī)電路、電源穩(wěn)壓電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、紅外避障電路、鍵盤輸入電路;測控專業(yè)的學(xué)生負(fù)責(zé)電路的測試、場地的制作等工作;程序編寫的學(xué)生,完成程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試;控制界面的設(shè)計(jì)由另外一個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé),主要是VB編寫上位機(jī)、WIFI攝像頭的調(diào)試、藍(lán)牙通信的調(diào)試。
根據(jù)機(jī)器人項(xiàng)目的特點(diǎn),學(xué)生在制作過程中可適當(dāng)?shù)刈饕恍┱{(diào)整。根據(jù)項(xiàng)目完成的時(shí)間確定工作步驟,進(jìn)行時(shí)間分配。最終得到教師的認(rèn)可才能執(zhí)行。
4.項(xiàng)目制作
學(xué)生自己確定各自在小組中的分工,然后按照已確立的工作步驟和程序工作?;跈C(jī)器人項(xiàng)目的作品成果形式多種多樣,可以是調(diào)查報(bào)告、實(shí)物模型、演講稿、論文等。通過展示作品成果,可反映學(xué)生在項(xiàng)目完成過程中所掌握的技能。本次設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人成果包括機(jī)器人模型一個(gè)、機(jī)器人設(shè)計(jì)與使用說明書一份、演講稿一份。在本項(xiàng)目比賽結(jié)束后,指導(dǎo)學(xué)生按照他們設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人撰寫論文、申請專利。
5.項(xiàng)目檢查評估
整個(gè)項(xiàng)目檢查評估采用答辯的形式向教師匯報(bào),首先由隊(duì)長對整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行匯報(bào)總結(jié),再由隊(duì)員對自己負(fù)責(zé)的工作進(jìn)行匯報(bào)和自我評估,并且對設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行展示,教師根據(jù)團(tuán)隊(duì)成員的表現(xiàn)、研究成果表述和作品的展示進(jìn)行檢查,為到現(xiàn)場比賽作準(zhǔn)備。
針對項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題,師生共同討論,教師引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考問題,解決問題。學(xué)生通過對比師生評價(jià)結(jié)果,找出造成結(jié)果差異的原因
6.項(xiàng)目資料歸檔或應(yīng)用
為使學(xué)生養(yǎng)成良好的習(xí)慣,項(xiàng)目結(jié)束后,教師監(jiān)督學(xué)生將項(xiàng)目工作資料整理歸檔,材料包括項(xiàng)目申報(bào)書、進(jìn)度表、機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖、程序設(shè)計(jì)流程、機(jī)器人控制程序、項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)書、項(xiàng)目報(bào)告講義等。
四、機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)的成果
機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐是一個(gè)綜合性、高難度的科技制作過程,有利于提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。在教師指導(dǎo)下,學(xué)生通過自己查閱資料、提出有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)方案,選擇合適的元件,設(shè)計(jì)、焊接電路,編程、測試程序等,充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性,發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力,使學(xué)生在實(shí)踐中進(jìn)一步提高自己的綜合能力。有助于將學(xué)生的興趣應(yīng)用到教師的科研中,使學(xué)生們熱愛科技,投身科技,在學(xué)校形成良好的科技學(xué)術(shù)氣氛。
本校參加機(jī)器人競賽源于2010年,當(dāng)時(shí)參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽、中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽、江蘇省機(jī)器人大賽、“未來伙伴”杯機(jī)器人競賽,并因此開設(shè)了機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐與競賽等公共選修課;制定了《大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目負(fù)責(zé)制實(shí)施辦法》,針對項(xiàng)目采取一系列措施,保證學(xué)生能在項(xiàng)目的過程中鍛煉自己的能力,同時(shí)能保證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的創(chuàng)新性。實(shí)踐教學(xué)效果顯著,本校代表隊(duì)在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區(qū)比賽中,獲得攝像頭組第一名,晉級參加全國決賽的隊(duì)伍,獲得全國攝像頭組特等獎(jiǎng)。2012年中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽獲得3項(xiàng)季軍,2010年“未來伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍,受邀參加在美國舉辦的國際機(jī)器人滅火比賽。
五、結(jié)論
實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力,培養(yǎng)創(chuàng)新精神和初步的科學(xué)研究能力。機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)以其高度的實(shí)踐性被越來越多的高校引入實(shí)踐教學(xué)。本校自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的具體實(shí)施,促進(jìn)了學(xué)院各學(xué)科綜合發(fā)展,提高了教師的理論、實(shí)踐教學(xué)水平和科研水平,使學(xué)生對機(jī)器人相關(guān)課程融會(huì)貫通,提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和團(tuán)隊(duì)合作等綜合能力,推動(dòng)了學(xué)院實(shí)踐教學(xué)體系的發(fā)展和完善。
參考文獻(xiàn):
[1]戰(zhàn)強(qiáng),閆彩霞.機(jī)器人教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2010,(3):144-146.
[2]劉景福,鐘志賢.基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式(PBL)研究[J].外國教育研究,2002,(11):18-22.
[3]王旭仁,何花,等.深入完善“智能機(jī)器人”實(shí)踐課程體系促進(jìn)教學(xué)實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育,2009,(11):116-118.
關(guān)鍵詞:過程裝備與控制工程專業(yè);理論力學(xué);卓越工程師
作者簡介:劉學(xué)武(1974-),男,黑龍江牡丹江人,大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院,副教授;代玉強(qiáng)(1978-),男,山東濰坊人,大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院,副教授。(遼寧 大連 116024)
基金項(xiàng)目:本文系大連理工大學(xué)教學(xué)改革基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:MS201223)的研究成果。
中圖分類號:G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-0079(2013)07-0133-02
“理論力學(xué)”是高等院校工科必修的重要技術(shù)基礎(chǔ)課,是“材料力學(xué)”、“結(jié)構(gòu)力學(xué)”、“機(jī)械設(shè)計(jì)原理及過程機(jī)械”等主干課程的基礎(chǔ)內(nèi)容。[1]對于大連理工大學(xué)(以下簡稱“我校”)的過程裝備與控制工程專業(yè),講授的“理論力學(xué)”有別于其他專業(yè),稱之為“理論力學(xué)C”,在授課內(nèi)容、授課側(cè)重點(diǎn)、授課方式及學(xué)時(shí)方面,與其他專業(yè)有明顯區(qū)別。通過近幾屆的教學(xué)改革,無論是教學(xué)方式還是教學(xué)內(nèi)容,都進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整,有了較大變化,使教學(xué)質(zhì)量有了較大提高。
但同時(shí)也應(yīng)看到,隨著高等教育理念的改變,特別是最近幾年教育部提出了“卓越工程師”培養(yǎng)計(jì)劃,為適應(yīng)其培養(yǎng)計(jì)劃與目標(biāo),“理論力學(xué)”教學(xué)方式也需要得到進(jìn)一步的改進(jìn)。特別是要根據(jù)“理論力學(xué)”課程邏輯性、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn),結(jié)合本專業(yè)對化工設(shè)備、成套裝備的要求,對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行相應(yīng)的改革,最大限度地提高教學(xué)效果,達(dá)到“卓越工程師”人才培養(yǎng)的要求,這就需要授課講師在教學(xué)方法方面仍需探索與研究。
一、“理論力學(xué)”教改重要性
“理論力學(xué)”的發(fā)展已經(jīng)有多年,內(nèi)容體系比較成熟,傳統(tǒng)的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)是經(jīng)典的三部分授課內(nèi)容,其理論性、邏輯性和系統(tǒng)性都很好。同時(shí),各個(gè)高校不同專業(yè)的授課內(nèi)容也極為接近,基礎(chǔ)知識、理論框架及結(jié)構(gòu)體系都相似。這樣的教學(xué)布置優(yōu)點(diǎn)在于有利于教師之間的交流與合作,缺點(diǎn)在于無法體現(xiàn)出專業(yè)特色。特別是教材中的例題、習(xí)題都是抽象化后的力學(xué)模型,缺少過程裝備與控制工程專業(yè)相關(guān)的工程例子,這樣的教學(xué)內(nèi)容教師講得費(fèi)勁、學(xué)生聽得迷糊,難以調(diào)動(dòng)學(xué)生聽課的積極性,不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。
近年來,各高校對眾多課程進(jìn)行了調(diào)整,增加了大量的限選課、選修課,但總學(xué)時(shí)并沒有變化,因此很多主干課程的學(xué)時(shí)相應(yīng)就被壓縮。過程裝備與控制工程專業(yè)的“理論力學(xué)”課時(shí)減少,且學(xué)生課后用于該課程的學(xué)習(xí)時(shí)間也大為減少,同時(shí),“理論力學(xué)”課程內(nèi)容也有不足,比如在授課內(nèi)容的安排上,比較重視經(jīng)典規(guī)律與內(nèi)容,忽視近現(xiàn)代取得的成果;重視計(jì)算過程、輕視力學(xué)模型的建立,極少考慮與實(shí)際工程的差別。在教學(xué)方法上,由于“理論力學(xué)”內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少,普遍采用教師講授的方式,很少有學(xué)生直接參與。這些不足,就使學(xué)生知識積累和解決問題能力相互脫節(jié),達(dá)不到培養(yǎng)“卓越工程師”的目的。因此,為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要,培養(yǎng)出具有工程素養(yǎng)的“卓越工程師”型人才,有必要對“理論力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進(jìn)行改革與完善。
二、“理論力學(xué)”教學(xué)改革內(nèi)容與措施
過程裝備與控制工程專業(yè)“理論力學(xué)”教學(xué)改革的內(nèi)容,主要思路是強(qiáng)化基礎(chǔ)知識、重點(diǎn)闡述基本概念與定理、改變傳統(tǒng)教學(xué)方式、增加實(shí)踐環(huán)節(jié),大量增加有本專業(yè)工程背景的例子,所講授的例題、習(xí)題盡量與本專業(yè)的工程實(shí)際相結(jié)合。同時(shí)要按照“卓越工程師”培養(yǎng)計(jì)劃和培養(yǎng)要求,以及授課教師在以往教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題,結(jié)合個(gè)人教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和他人的教學(xué)改革成果,[2-6]對過程裝備與控制工程專業(yè)理論力學(xué)教學(xué)改革提出如下幾點(diǎn)內(nèi)容與措施。
1.更新傳統(tǒng)教學(xué)手段
傳統(tǒng)教學(xué)模式主要是板書形式,內(nèi)容過于單一,無法形象表示出“理論力學(xué)”研究對象的特點(diǎn),這對于學(xué)生的理解是不利的。因此,在現(xiàn)代的教學(xué)活動(dòng)中引用多媒體技術(shù)進(jìn)行課堂教學(xué)已是大勢所趨,但如何充分發(fā)揮其合理作用仍然值得深思。
多媒體教學(xué),不僅僅是指把教學(xué)內(nèi)容做成幻燈片,還應(yīng)該包括運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)例演示、動(dòng)畫演示,甚至于一些實(shí)驗(yàn)過程都可以在課堂上播放。這對于本專業(yè)的“理論力學(xué)”教學(xué)只有48學(xué)時(shí)的情況是非常有利的,可節(jié)省大量的在黑板上推導(dǎo)一些繁雜公式和求解過程的時(shí)間,可使整個(gè)課堂的教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容突出,易于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。同時(shí),運(yùn)用多媒體技術(shù)可以演示例題、習(xí)題所涉及的機(jī)械運(yùn)動(dòng),也可以播放一些工程實(shí)例,這些都有助于工程概念淡薄的學(xué)生理解課堂內(nèi)容,在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)也有利于教師的授課。但要注意,多媒體教學(xué)畢竟也只是一種教學(xué)手段,要注意其使用的方式、程度,過量的教學(xué)信息、頻繁的換屏、花哨的布局,反而會(huì)降低學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的關(guān)注。因此,利用傳統(tǒng)的黑板推導(dǎo)一些重要公式和求解過程,仍然是現(xiàn)代教學(xué)中不可替代的教學(xué)方式,要充分結(jié)合板書與多媒體技術(shù),最大程度地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,從而提高教學(xué)效果。
2.優(yōu)化教學(xué)模式
傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式都是以教為中心的,授課教師在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)為完成教學(xué)任務(wù)會(huì)不自覺地采取滿堂灌、填鴨式的教學(xué)方式,尤其是目前多媒體技術(shù)普遍應(yīng)用的情況下,授課教師在增加信息量的同時(shí),也會(huì)不自覺地加快授課速度,這將使很多學(xué)生只是表面上對一些概念和定理聽懂了、了解了,但實(shí)際上并沒有真正吸收并為自己所用,因此做起習(xí)題來還是感覺無處下手、感覺很難、甚至一頭霧水,這從測試中就能看出來。
因此,教師在授課過程中要注意調(diào)整教與學(xué)的關(guān)系,充分尊重教學(xué)特點(diǎn),遵循學(xué)生是教學(xué)活動(dòng)的主體,體現(xiàn)出以學(xué)生為本的教學(xué)理念。教師在教學(xué)過程中,既是知識的傳授者,又是學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者,要著重培養(yǎng)學(xué)生分析“理論力學(xué)”中所包含的科學(xué)問題和解決這些問題所需要的能力,從而不斷激發(fā)出學(xué)生學(xué)習(xí)“理論力學(xué)”的主動(dòng)性和積極性,為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
(1)啟發(fā)式教學(xué)?,F(xiàn)代教育要與現(xiàn)代大學(xué)生的特點(diǎn)相適應(yīng),改變以往填鴨式的教學(xué)方法,倡導(dǎo)啟發(fā)式的教學(xué)方式、教學(xué)理念,激發(fā)學(xué)生求知欲,提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。教師在授課過程中,要引導(dǎo)學(xué)生深入了解事物內(nèi)部的本質(zhì)規(guī)律,反映在“理論力學(xué)”的教學(xué)中就是如何具體應(yīng)用靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的基本定律來解決構(gòu)件或者機(jī)構(gòu)的受力特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)形式及所受外力。在這個(gè)過程中,如何一步步引導(dǎo)學(xué)生,由簡入繁、由表及里的考慮問題,使之掌握思考事物內(nèi)部本質(zhì)、探求自然規(guī)律并能合理利用的能力,就需要在授課過程中不斷努力并實(shí)踐。這樣,逐步形成在教師指導(dǎo)下的、以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)過程,也就是說,要體現(xiàn)出以學(xué)生為本的教學(xué)理念,強(qiáng)調(diào)“學(xué)生是教學(xué)活動(dòng)主體”的原則。
(2)討論式教學(xué)。在課堂教學(xué)中引入討論式的教學(xué)形式也是一種嘗試,這是學(xué)生合作學(xué)習(xí)和教師指導(dǎo)相結(jié)合的一種新的教學(xué)方式。主要過程是:教師提前給學(xué)生布置要討論的授課內(nèi)容,學(xué)生之間、學(xué)生和授課教師之間圍繞與其相關(guān)的問題相互討論及交流信息,學(xué)生和教師共同參與到教學(xué)活動(dòng)中,學(xué)生要表述對相關(guān)內(nèi)容的理解,同時(shí)也可以充當(dāng)教師的角色來引導(dǎo)討論的進(jìn)行,這對學(xué)生也是極大的挑戰(zhàn),要求他們必須對授課內(nèi)容有一定的理解。由于本專業(yè)上課的人數(shù)過多(每學(xué)期都在110~120人),往往很難集中在一起進(jìn)行討論。針對這種情況可采取不同時(shí)間段分成小班的形式進(jìn)行討論,每個(gè)小班的人數(shù)控制在20人左右,這樣可使每個(gè)學(xué)生都有表述問題的機(jī)會(huì),當(dāng)然,這就要求授課教師付出更多的時(shí)間與精力。該種教學(xué)形式,可發(fā)揮學(xué)生的積極作用,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)過程,在獲得知識、解決問題的過程中更能培養(yǎng)其合作精神、創(chuàng)新能力及概括總結(jié)能力。
(3)布置小論文?!袄碚摿W(xué)”有很多貫穿前后課程的知識點(diǎn),對于這些知識點(diǎn),可以提前布置給學(xué)生做小論文,題目應(yīng)該有多個(gè),使學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式來進(jìn)行,鼓勵(lì)學(xué)生上網(wǎng)查找資料,小論文成績可作為期末考試的一部分。對這些布置的內(nèi)容,在檢查的時(shí)候,應(yīng)該以學(xué)生為主,讓學(xué)生來講解團(tuán)隊(duì)作小論文時(shí)的整體思路,求解過程中遇到的問題、解決的方式,以及通過小論文學(xué)到的知識點(diǎn)。而教師的角色主要起到提示、引領(lǐng)及總結(jié)的作用,培養(yǎng)學(xué)生一題多解的發(fā)散思維方式、掌握知識的關(guān)鍵要點(diǎn)及綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力。當(dāng)然,小論文的選則還可以適當(dāng)增加難度,如:與當(dāng)今重要工程問題相關(guān)的例題和習(xí)題,用運(yùn)動(dòng)合成與分解來分析火箭與衛(wèi)星分離過程、機(jī)械手臂各關(guān)節(jié)間運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度等;增加應(yīng)用專題內(nèi)容,如簡單剛體型機(jī)械手臂的動(dòng)力學(xué)建模與運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo),簡單太空機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)路徑建模與動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)。
(4)建立學(xué)習(xí)網(wǎng)站。在學(xué)校的大力支持下,建立了本專業(yè)的“理論力學(xué)”授課網(wǎng)站,通過該網(wǎng)絡(luò)平臺可實(shí)現(xiàn)師生間的資源共享。在課程網(wǎng)站上,具有課程介紹、授課內(nèi)容、重點(diǎn)例題講解、課件內(nèi)容、典型習(xí)題分析、答疑解惑、心得與討論及虛擬實(shí)驗(yàn)室等幾項(xiàng)內(nèi)容,對這些內(nèi)容還要及時(shí)更新,并盡量做到在線解答問題,能對學(xué)生學(xué)習(xí)、作業(yè)過程中遇到的各種問題進(jìn)行及時(shí)解答。這對于在課堂上沒有及時(shí)聽講,或者思路跟不上的學(xué)生,具有極大的意義,相當(dāng)于開設(shè)了第二課堂。
3.構(gòu)建合理的考核體系
過程裝備與控制工程專業(yè)的“理論力學(xué)”考試,改變了以往的單純靠期末考試取得最終成績的方式,采用新的多種考核形式,如最終成績按平時(shí)考核與期末考試成績之和,二者的權(quán)重分別占30%和70%。平時(shí)成績可包括基本的三部分,如果有實(shí)驗(yàn)還需要加上實(shí)驗(yàn)的成績:作業(yè)成績,知識點(diǎn)很多,且每次課都布置相關(guān)作業(yè),一學(xué)期的作業(yè)量非常大,要求學(xué)生獨(dú)立完成;組織3~5次的測驗(yàn),對靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)每部分都要有測驗(yàn),可放在該部分內(nèi)容結(jié)束的時(shí)候,考查學(xué)生掌握概念、定律的熟悉程度,分析問題、解決問題的能力。通過這種測驗(yàn),極大督促了學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性,能提前對學(xué)過的內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí),不至于把問題都留在期末;課堂討論表現(xiàn),這與“討論式教學(xué)”相關(guān),根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)給出相應(yīng)的成績。上述這些考核方式,可有效督促學(xué)生平時(shí)就要認(rèn)真對待理論力學(xué)課程,而不是把所有問題都推到期末來解決。
4.引入數(shù)學(xué)工程軟件
由于“理論力學(xué)”對數(shù)學(xué)技巧的要求比較高,有時(shí)甚至?xí)箤W(xué)生顛倒理論和習(xí)題、基本原理和技巧的關(guān)系,忽視對基本理論的學(xué)習(xí)。因此,在教學(xué)活動(dòng)中適當(dāng)引入相關(guān)的數(shù)學(xué)工程軟件,可一定程度上減輕學(xué)生的負(fù)擔(dān),甚至于提高學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程的興趣。
例如在動(dòng)力學(xué)分析中,運(yùn)動(dòng)微分方程是重點(diǎn)內(nèi)容,但卻沒有講授運(yùn)動(dòng)微分方程組的求解問題,大部分問題是在特殊情況下,利用質(zhì)點(diǎn)系普遍定理進(jìn)行求解的。因此,在課堂授課過程中可適當(dāng)引用Maple數(shù)學(xué)軟件求解微分方程數(shù)值解,達(dá)到直觀分析運(yùn)動(dòng)的目的。這種將抽象的微分方程轉(zhuǎn)化為圖像顯示的授課內(nèi)容,使學(xué)生有一種興趣感、參與感,直接促進(jìn)了學(xué)生對運(yùn)動(dòng)微分方程的理解。Maple 軟件在符號(解析)運(yùn)算方面目前是最優(yōu)秀的,計(jì)算過程中幾乎不需要聲明變量類型,解決一般的數(shù)學(xué)問題不需要復(fù)雜的編程,且具有自動(dòng)繪圖的功能,在“理論力學(xué)”的教學(xué)中使用Maple將會(huì)得到意想不到的效果。
如何生動(dòng)描述力學(xué)問題的物理圖像,這也是進(jìn)行教學(xué)改革應(yīng)該思考的問題,比如,利用Maple軟件可對傅科擺問題進(jìn)行演示,在各種初始條件下對傅科擺的運(yùn)動(dòng)微分方程直接進(jìn)行求數(shù)值解,同時(shí)直觀地展示出傅科擺在水平面上的相對運(yùn)動(dòng)軌跡。在課堂的授課中初步表明,應(yīng)用該方式對一些特殊問題進(jìn)行求解,可引起學(xué)生學(xué)習(xí)的極大興趣。因此,在課堂教學(xué)中,根據(jù)學(xué)時(shí)的多少,盡量安排一些利用Maple軟件進(jìn)行分析的題目,作為平時(shí)考核成績的一部分,對一些學(xué)有余力的學(xué)生,可適當(dāng)增加難度,作為選學(xué)內(nèi)容。
5.開展實(shí)踐性教學(xué)活動(dòng)
過程裝備與控制工程專業(yè)開設(shè)的“理論力學(xué)”,和大部分課程相似,存在教學(xué)中重理論而輕實(shí)踐的問題,教學(xué)大綱中只講授理論而無實(shí)踐性環(huán)節(jié)。但由于“理論力學(xué)”本身包含大量的概念、公理、定律以及相關(guān)的力學(xué)模型,理論性相比于其他課程來講是比較強(qiáng)的。對于剛進(jìn)入大二的學(xué)生,難以很好理解抽象的內(nèi)容,僅僅依靠課堂講授教學(xué)效果較差。
因此,在“理論力學(xué)”教學(xué)中,各專業(yè)可根據(jù)總學(xué)時(shí)的安排,開設(shè)幾個(gè)常規(guī)的“理論力學(xué)”實(shí)驗(yàn),增加學(xué)生對運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的認(rèn)識。在開設(shè)實(shí)驗(yàn)的過程中,可以考慮如下幾種方式:由任課教師與實(shí)驗(yàn)工程師準(zhǔn)備,根據(jù)教學(xué)內(nèi)容提前準(zhǔn)備3~5個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn),可以是3大部分的單獨(dú)實(shí)驗(yàn),也可以是綜合性的實(shí)驗(yàn);學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),教師提供實(shí)驗(yàn)所需要的器材、場地,再由學(xué)生完成實(shí)驗(yàn),可考慮開設(shè)1~2個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn);現(xiàn)場教學(xué)的形式,利用2~4學(xué)時(shí),帶領(lǐng)學(xué)生參觀校內(nèi)工廠或者相關(guān)企業(yè),使學(xué)生能觀察到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及相關(guān)的約束形式。也可以利用flash等軟件,做一些動(dòng)畫,模擬實(shí)際機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程,在課堂授課過程中,有意安排播放。過程裝備與控制工程專業(yè),已著手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方面的教學(xué)研究,考慮通過網(wǎng)絡(luò)開展一些虛擬實(shí)驗(yàn),如虛擬摩擦系數(shù)測定、虛擬靜力學(xué)分析、虛擬運(yùn)動(dòng)學(xué)和虛擬動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。
三、結(jié)語
過程裝備與控制工程專業(yè)的“理論力學(xué)”課程從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式、課程體系建立等多方面出發(fā),持續(xù)進(jìn)行了多年的教學(xué)改革,取得了較好的教學(xué)效果。學(xué)生是教學(xué)的對象,是課程教學(xué)的根本,只有學(xué)生發(fā)自內(nèi)心地喜愛“理論力學(xué)”,積極主動(dòng)地學(xué)習(xí),課程教學(xué)才能順利地進(jìn)行下去。總之,教學(xué)改革應(yīng)該秉承“培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)、提高分析問題與解決問題能力”的教學(xué)理念,不斷進(jìn)行改革、創(chuàng)新教學(xué)方法,以真正適應(yīng)“卓越工程師”人才培養(yǎng)要求,為最終培養(yǎng)創(chuàng)新型與研究型復(fù)合人才奠定基礎(chǔ)。
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