《机电一体化创新设计项目》实验教学大纲（一）一、课程简介课程名称:机电一体化创新设计项目课程代码：学分和总学时:Creative Design of Electromechanical Integration 1120103学分 72学时实验（上机）学时:30学时开课单位:机电工程学院选课对象:机械设计制造及其自动化专业二、 课程内容与实验目的：本项目课程以德国慧鱼公司生产的机电产品模型为对象，学生通过装配机电 设备模型，对设备进行较为细致的观察和分析,从而完成综合性的设计训练过程 虽然用模型学生可装配出各种各样的产品，但学生学习的重点是选定其中一个产 品进行分析研究；对产品进行编程运行，检验其功能、性能等效果；初步掌握开 发、设计一个产品的有关过程；学习查阅资料，为自己的设计和分析提供理论依 据加强实践教学，培养学生的动手能力，在一定程度上改变工科教学重理论教 学，轻实践环节的现状，使学生生动活泼地进行学习，较全面地掌握各类机械机 构，机电一体化机构、计算机编程等基本知识本课程的任务是，在简明扼要的介绍各类装置之后，对指定装置进行测绘， 学生完成所有零件图、部件图、最后完成总装图设计。
根据学生的能力，还可进 行相关的改进设计、动画设计等在设计过程中，学生还可接触到机械装备的控 制、驱动、传动的技术，学习机械制造中的工艺、工装、测量等知识三、 实验教材与实验考核本课程通过对指定的装置或模型进行测绘和设计，设计时采用三维设计软 件，使学生对设备的结构和组成等获得较为丰富的感性认识，对机械装置的设计 过程和设计要点有基本概念，为完成后面的设计任务，以及完成将来的学习任务 提供思维源泉实验教材有实验指导书、实验设备供学生使用项目过程中学生要自学 Solidworks等三维设计软件，独立的完成课程内容实验考核评分参考平时成绩和实验报告成绩，设计图纸的质量，以及答辩的 情况给定比例基本参考如下：平时成绩10%,实验报告成绩10%，设计图纸的 质量40%，答辩的情况40%四、实验项目内容实验前，要求学生掌握与之相关的基础知识，并在实验老师的指导下，学习 相关的实践知识，熟悉所用仪器设备的正确操作方法实验时，学生必须自己动 手，完成本实验指导书规定的实验内容实验学生以班为单位，三人为一小组每组学生在规定的学时数内根据老 师指定，自行完成机械装置的模型的拼装搭建及其它工作然后以电子版和书面 的形式提交：机械结构设计建模；完成指定轨迹规划的控制程序编程；不少于 1000字的设计、编程分析报告。
实验项目明细表项 目 序 号实验项目名称实验属性实验内容实验学时是否 必选实验所需主要仪 器设备名称1机械本体装配普通熟悉结构的构成 和功能6V德国慧鱼公司生产 的机电产品模型2传动机构分析普通分析机构的运动 方式2V德国慧鱼公司生产 的机电产品模型3驱动部件认识综合学习各种驱动 电机2V德国慧鱼公司生产 的机电产品模型4传感器作用分 析综合学习各种传感 器2V德国慧鱼公司生产 的机电产品模型5控制器技术认 识综合学习控制器技术2V德国慧鱼公司生产 的机电产品模型6接口技术认识综合学习接口技术2V德国慧鱼公司生产 的机电产品模型7机械本体总体 结构设计设计完成机械结构 三维建模设计30V德国慧鱼公司生产 的机电产品模型8编制控制程序设计指定轨迹规划、 完成编制控制程 序编程26（课外）V注：本课程实验总计40 学时，安排 6 次实验，其中普通实验占 20 %,综合性实验占 30 %，设计性实验占 50 %一、 实验目的1、 提咼学生的动手能力以及空间想象力；2、 进一步加深对相关机械结构以及元件的工作原理的理解，深入研究其作 用3、 加深机电一体化含义的理解，以机械机构为主，辅之以相关的控制结构, 两者之间的相互配合共同完成机械的相关动作。
4、 区分开关的两个不同的作用，一是限位，二是作为计数器使用二、 实验要求1、 实验前，先参观包装袋的成型剪裁机器，了解其相关的工作原理，以及 所使用的电动机和传感器，开关的作用2、 完成两个机器的组装，并编写相关的实验报告和草图，三维图3、 明确自己所在小组所作的工作，以及自己所做的工作三、项目内容1、 所在小组完成的是柱式机器人，该机器人主要用于对物件的搬运，实现物件的水平移动，上下移动以及圆周运动所用到的主要机械零件是齿轮，利 用齿轮之间的相互配合传动来实现搬运该柱式机器人所用到的电动机有 4个，分别用于控制圆盘的旋转，升降臂的运动，以及臂的前后运动和夹紧运 动所用到8个传感器，分别用于限位开关和计数器限位开关是主要用于限 制相关机械结构的运动位置，包括圆盘的旋转位置，臂的前后和上下运动，防 止运动过位，出现控制问题起计数器作用的传感器臂的上升，以及机械手的 夹取动作，实现相关的运动要求由相关的机械零件的相互配合，实现开关计 数器的工作，通过其工作带动相关部件的工作该机器人利用直齿圆柱齿轮以 及锥齿轮等机械零件来实现运动的传递，再配合以电动机，传感器和计算机的 控制，来完成机械运动。
体现了机电一体化技术的运用2、 我在小组中所完成的工作是：机械手柱机构装置的设计，包括主要是上 升机构的运动以及整个装置的支撑在这个结构中，有一个电动机，用于悬伸臂 竖直方向上的直线运动还有2个传感器，分别起到计数器和限位的作用限位 开关主要是用于控制悬伸梁上升到最高位置的限位作用；计数器用的开关主要是 用于由其发出脉冲，控制悬伸梁竖直方向的直线运动，实现点动控制中间通过 一根螺杆来控制悬伸臂的竖直方向运动螺杆的不断旋转，悬伸臂也随之运动四、机械手简介mechanical hand，也被称为自动手，auto hand能模仿人手和臂的某 些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置 它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操 作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子 能等部门机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成手部是用来 抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料 和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等运动机构， 使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变 被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式， 称为机械手的自由度为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6个 自由度自由度是机 械手设计的关 键参数自由 度越多，机械手的灵活 性越大，通用性越广，其结构也越复杂一般专用机械手有2〜3个自由度机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制 装置有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品 的主从式操作手也常称为机械手机械手在锻造工业中的应用能进一步发 展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件五、实验的机械手模型说明1、机械手简介查找相关资料得知实验室所提供的模型是“四自由度机械手”慧鱼模型，又 称之为4D机械人，它能够实现四个自由度分别是底座的旋转、机械手的前后移 动、机械臂的上下移动和机械手部的夹紧和放松因此操作范围大，灵活性好 该机械手四需要驱动个地方均采用的动力源为直流电机该机械手是通过计算机LLwine控制软件，按照轨迹规划，编辑模型的指令 程序，指令程序实现定时等信号的输出，再经过信号接口盒，转变输出较强电信 号，足以驱动电机，同时可以控制电机的正反转和通电时间，从而控制机器模型 进行正确的运动状态。
该系统电机只需要恒定的速度转动，通过电信号来控制电机实现加速度不 需要控制，正常启动电机即可在位移控制上，机械手的所有运动都有行程限位 开关控制推杆前后移动的极限位移2、本人主要负责的机械手柱机构设计(1)总设计图(2)主要部分说明限位开关主要是用于控制悬伸梁上升到最高位置时的限位作用;计数器用的开关主要是用于由其发出脉冲，控制悬伸梁竖直方向的直线运动，实 现点动控制悬伸梁的上升下降主要靠螺杆与螺母的的旋转运动配合下完成3)柱式机械手总装配图结合其他组员的模型，完成总装配图六、设计内容和方案的说明结合前面对实验室机器人模型的说明，我们可以得出本次实验所拼接的机械 手，其具有能在水平面上绕底座转动，机械手能够做里外伸缩移动并在垂直平面 上实现摆动机器手具有四个自由度，有旋转台转动的自由度、手臂支架前后移动的自由 度、机械手臂上下摆动的自由度和机械手夹紧(放松)，总共四个自由度，所以 需要四个电机进行驱动因此设计主要是根据实验室里的四自由度机械手所实现的功能进行仿真设 计的，一开始先参照实验室模型画出整体的结构原理图，再根据原理图进行零部 件的设计与建模机械手先放松，通过机械手臂上下移动机构下降到限定的高度，机械支架向 前移动到指定的位置；然后机械手夹紧工件，机械手臂向上移动到安全的高度， 机械支架向后移动到指定位置；通过旋转台转动到指定的位置，然后手臂向下移 动，手指放松把工件放到指定位置。
机械手爪的设计：1、机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的既根据其应用场合设计手 爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑 2、机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的万能手爪在结构上很复杂，甚至很 难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪， 加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手 爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益3、机械手手爪的通用性通用性 是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械 接口，使末端执行器实现标准化4、机械手手爪要便于安装和维修，易于实现 计算机控制机械手腕的设计：1、由于手腕安装在机械手末端，因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构 紧凑2、根据作业需要，设计机械手手腕的自由度一般情况下，自由度数目 愈多，腕部的灵活性愈高，对作业的适应能力也愈强但自由度的增加，必然使 腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加因此，手腕的自由度数，应 根据实际作业要求来确定3、为实现腕部的通用性，要求有标准的连接，以便 于和不同的机械手手爪进行连接4、为保证工作时力的传递和运动的连贯，腕 部结构要有足够的强度和刚度。
5、要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空 回间隙，提高传动精度6、手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位， 以防止超限造成机械损坏机械手臂的设计：1、工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密 切的关系，因此手臂尺寸设计应合理，一般满足其工作空间即可2、为了提高 机械手运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下， 尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量3、应尽可能使机械手手臂各关 节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正 逆运算简化，有利于控制4、机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机 械间隙所造成的运动误差5、为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负 载，机械手手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡机械手的底座：1、由于腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手腰座的结构要 有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力，且腰座是机械手的第一个回转关节， 它对机械手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传 动链的精度与刚度2、腰部结构要便于安装、调整要有可靠的定位基准面和 调整机构且腰座要安装在足够大的基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳 定性。
3、腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器驱动 装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器4、为了减轻机械手运动部分 的惯量，提高控制精度，要求回转运动部分由比重较小的铝合金材料制成，而不 运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成七、设计小结在这个课程设计中，我们这个团队一起完成了对整个柱式机械构的模型 组装，通过连接运行之后确定了这个柱式机械手的可运行性然后我们根据这个 模型画出原理图，通过讨论改良之后确定机械手的设计，在各方面都尽可能优化， 努力做到更好在模型调试中也出现了很多问题，例如没有弄清楚电动机的插线位置，造成 机械手的移动出现问题，没有按预定的方位去夹紧和放下工件后来经过老师的 教导，我们明白了电动机的运行方向弄错所以我们做课程设计时必须要每个细 节都要仔细去做，清楚机械手的运动原理，这样才能避免出现更多的问题通过这次课程设计，我对以前所学的理论知识有了更进一步的了解，同时能 更加合理的查阅及利用资料，未达到课题要求而对在大学期间所学习的课程进行 了全面、综合的巩固和加深这次课程设计不用与以往任何一次课程设计，它耗时更长，合作性更高，要 求更加严格细致它不仅要求我们能充分利用在校期间所学的课程的专业知识， 同时也要求我们有良好的理解力、掌握力和实际运用的灵活度。
我们能先通过模 型的组装运行对课题有深刻理解，然后才画图优化模型方案，让我们能充分发挥 自己的创新能力和实践能力我们团队都大大提高了自己独立查阅科技资料的能 力、动手能力以及分析问题能力，并体会到科技制作的乐趣八、参考文献1、 《机电一体化系统设计》张建民等编著 北京理工大学出版社1996年8月2、 《机械系统的微机控制》陈强、解云龙等编著清华大学出版社1999年8月3、 （参考：慧鱼技术实验系列——机器人技术软件手册，Fischer tech nik）。