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慧鱼机器人1






1.《机电一体化创新设计项目》实验教学大纲 1.1 课程内容与实验目的 1.2 实验要求 1 1.3 实验教材与实验考核 1.4 实验项目内容 2 2.慧鱼机器人模型 2.1 机器人的组成 3 2.2 机器人的工作空间形式 4 2.3 机器人的机械运动形态和变换控制 5 2.4 机器人的位移、速度的控制方法 2.5 机器人的轨迹规划 8 3.机电一体化系统创新设计分析 8 3.1 分析慧鱼机器人模型的不合理设计 8 3.2 构思设备和模型的机构创新的优化设计 8 4.总结与体会 7 3 1 1

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1.《机电一体化创新设计项目》实验教学大纲 《机电一体化创新设计项目》
1.1 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。

1.2 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。

1.3 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。
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实验教材有实验指导书、实验设备供学生使用。项目过程中学生要用 UG 三 维设计软件,独立的完成课程内容。

1.4 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 2000 字的设计、编程分析报告。 实验项目明细表
项 目 序 号 1 2 3 4 5 6 7 是否 必选 实验所需主要仪 器设备名称
德国慧鱼公司生产 的机电产品模型 德国慧鱼公司生产 的机电产品模型 德国慧鱼公司生产 的机电产品模型 德国慧鱼公司生产 的机电产品模型 德国慧鱼公司生产 的机电产品模型 德国慧鱼公司生产 的机电产品模型 德国慧鱼公司生产 的机电产品模型

实验项目名称

实验属性

实验内容

实验学时

机械本体装配 传动机构分析 驱动部件认识 传感器作用分 析 控制器技术认 识 接口技术认识 机械本体总体 结构设计 编制控制程序

普通 普通 综合 综合 综合 综合 设计

熟悉结构的构成 和功能 分析机构的运动 方式 学习各种驱动 电机 学 习 各 种 传感 器 学 习 控制器技术 学 习 接口技术 完成机械结构 三维建模设计 指定轨迹规划、 完 成 编制控制程 序编程

6 2 2 2 2 2 30 26
(课外)

√ √ √ √ √ √ √ √

8

设计

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2.慧鱼机器人模型 慧鱼机器人模型
2.1 机器人的组成
点焊机主要由运动机构和控制系统两大部分组成。运动机构,使点焊 机完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作,改变点焊 机焊接时的位置和姿势。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 。控制机构主要是实现点焊机的自动化操做。 此次点焊机的组成主要是由慧鱼机器人的组合模型零件组成的。主要 有以下的零件。 机械零件:连杆、凸轮、齿轮(普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮等) 、涡轮、蜗 杆、螺杆、轴(直轴和曲轴) 、联轴器、变速器、齿轮箱等; 电气零件:直流电机、灯泡、电磁气阀、行程开关、传感器、可调直流变压 器、电脑接口板、PLC 接口板、红外线发射接收装置等. 机构散件:臂、手、腕、立柱为组合模型必要的零部件,导向件为固定各零 部件的方向必要的零件,支承件为支承各零部件的位置,机构部件组合机构的必 要零件。 其各类零件由下图所示:

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其整体图如下所示:

2.2 机器人的工作空间形式
三维空间自由度的坐标形式如下图所示:

M1 是底座旋转台的电动机 M2 是控制点焊机升降的电动机 M3 是控制点焊机焊点伸缩的电动机 M4 是点焊机焊接点工作灯泡 以上是其各自的空间坐标位置,其各部分的结构图如下所示:

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控制点焊机焊点的伸缩结构

控制点焊机升降结构

控制点焊机的旋转底盘机构

2.3 机器人的机械运动形态和变换控制
2.3.1 点焊机底盘结构传动见图: 点焊机底盘结构传动见图:

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工作原理: 如图为电动机 M1 带动的运动链。M1 转动通过变速箱带动蜗杆,蜗杆带动齿 轮。安装在底盘的大齿轮带动整个机器人转动从而实现多角度的工作形式。可实 现接近 360 度内转动主机架工作。蜗杆与齿轮的啮合要求齿轮和蜗杆为标准件。 同时蜗杆与变速箱内齿轮的啮合同样要求装在蜗杆上的圆柱齿轮为标准件。 同理 为装在电机上的圆柱齿轮。

2.3.2 点焊机升降结构传动见图: 点焊机升降结构传动见图:

工作原理: 如图为电动机 M2 带动的运动链。M2 转动通过变速箱带动螺杆。安装在螺杆 上面的滑块在螺杆的带动下做平移运动。同时悬臂通过套筒与滑块联结。从而带 动悬臂运动。可让主机架在垂直面上上升或下降进行工作。螺杆和电机与变速箱 相连的圆柱齿轮要求为标准件。同时滑块与螺杆需要完美啮合。套筒与滑块的固 定要紧松有度。便于安装且牢固。

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点焊机焊接伸缩架机构传动见图: 2.3.3 点焊机焊接伸缩架机构传动见图:

工作原理: 如图为电动机 M3 带动的运动链。M3 转动通过变速箱带动螺杆。安装在螺杆 上面的滑块在螺杆的带动下做平移运动。从而带动悬臂运动。可让主机架在水平 面上伸出或缩进进行工作。螺杆和电机与变速箱相连的圆柱齿轮要求为标准件。 同时滑块与螺杆需要完美啮合。 悬臂与滑块的固定要紧松有度。 便于安装且牢固。

2.4 机器人的位移、速度的控制方法 机器人的位移、速度的控制方法
点焊机器人的驱动只要是通过电机以智能接口板为桥梁连接计算机实现的。 智能接口板的结构如下图所示:

电机参数:大功率直流电机(9 伏,2.4 瓦) 。 智能接口板通过计算机的串口进行通讯, 每个接口板使用9V 直流电源供电,
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自带微处理器和32K 容量的RAM 储存器,可以将程序下载到接口板上,从而脱离 计算机进行独立控制。接口板的M1-M4 接口用于驱动电动机、灯泡、电磁铁等外 界负载。驱动电动机时,可使电动机正转,反转或停止。 点焊机各运动机构的速度是由PLC板与电机参数以及计算机软件控制的。 ROBOPro 软件可以同时控制连接在计算机不同串口或USB 端口上的多个接口板, 还可以控制电动机以8 档不同的转速运动。 而点焊机各运动机构的反转与正传由 计算机软件控制实现的。 点焊机机器人位移的控制是通过计算机软件实现的。接口板接到计算机后, 必须通过软件来实现对模型的控制。 机器人工作的位置可以事先通过计算机软件 编程实现。慧鱼公司提供的控制软件有LLWin 和ROBOPro 两种,除此之外,还可 以使用自行开发的动态连接库,通过高级语言编写程序,调用相关函数,实现对 模型的控制。 通过计算机软件可以检测电机的运作是否正常,主机架的各个自由度是否能 充分运转。同时通过小灯检测线路是否连通以及电机是否完好。通过传感器可以 确定主机架的各个极限位置。避免在运动过程中造成构件的损坏。

2.5 机器人的轨迹规划
在计算机软件中,完成控制程序和功能模块的信息编辑。就可以在计算机软 件中控制电机的正反转,转动以及停止。从而控制主机架和夹臂的运动。 首先通过 ROBOPro 软件的接口板测试窗口对点焊机机器人进行常规性能监 测,看点焊机各部分机构是否运行正常。

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在调试无问题之后,可编写预想点焊机的运动轨迹规划,通过 ROBOPro 软 件来实现点焊机器人的工作方式和位置。

3.机电一体化系统创新设计分析 机电一体化系统创新设计分析
3.1 分析慧鱼机器人模型的不合理设计
点焊机存在的不合理设计: 点焊机存在的不合理设计:

(1)各机构的电线连接易杂乱,经常阻碍及其运动。 (2)各运动连接构件强度不够。 (3)连接方式不够多样化。 (4)拼接的套筒强度不够,导致主机架运作后套筒边缘容易掉落。

3.2 构思设备和模型的机构创新的优化设计
优化建议: 优化建议: (1)首先应该优化电线的放置问题,电线的杂乱容易导致机器人的运动不 畅,且易出现机器失常问题。 (2)慧鱼机器人配套的计算机软件可以更加多元化。连接构件的连接形式 可以更多样化。 (3)同时,同一功能的运动组合构件可以更多样化,可以由不同源构件组 合出同样功能的运动件。丰富操作者的想象以及实践能力。

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.附图: 附图: 附图
装配效果图:

爆炸图:

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4.总结与体会 总结与体会
在这个机电创新设计实验中,我们首先根据图纸和零件,按照操作步骤,组 装出各个部件。在实验操作过程中,最重要的是细心,准确选齐零件,按照每个 过程组装好。在操作过程中,经常出现零件安装错误,导致实验中用的时间比较 多。然后总结出,要不断的检查,完全确认好这个步骤做好后才做下一步。 做模型的过程中,不仅仅只是动手,而且要考虑它的运动结构,传动形式, 尺寸结构。最后还要充分理解整个的运动模式。 在设计整体机构时,一开始先参照实验室模型画出整体的结构原理图,再构 思各个零部件的结构,尽量把结构简化,再参考实验室模型的尺寸把零件用 UG NX6.0 软件画出来,再进行总装配。 绘制零件的过程中,三维建模比较简单,很多的部件都能够比较容易的画出 来,关键是一些尺寸参数的配合很容易出错。在绘图过程中一般都是一边装配一 边绘图,这样对于一些错的装配尺寸可以立即改正。在绘图过程中,比较难处理 的是联轴器的装配,尺寸比较难确定,齿轮丝杠的装配。对于整个装配体来说, 由于零件比较多,一些配合并不是很标准,导致运动仿真比较难处理。这个也是 这次设计中最大的缺陷。但是整个零件的设计,结构是没有问题的。 总的来说,这次的课程设计给了我很好的锻炼。在整个课程设计过程中,基 本上是对以前所学的专业知识的综合运用,通过这一次课程设计,对所学的知识 有了更深的理解, 把学到的东西真正运用到实际中去, 是对自己学习的一种肯定。 这次课程设计可以提高自己的动手能力,重新认识和了解绘图软件,也提高了自 己的查阅书籍的能力。最后感谢老师在这个课程设计的耐心指导。

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