《机电一体化创新项目设计》实验指导书(一)

《机电一体化创新项目设计》实验指导书(一)作者：李锻能（机电类专业适用）广东工业大学机电工程学院二００六年七月印刷２实验项目名称：创新项目设计实验项目性质：设计性所属课程名称：机电一体化设计实验计划学时：30学时前言本项目课程以德国慧鱼公司生产的机电产品示教模型为对象，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。达到通过实验培养学生理论联系实际、独立工作与分析能力的效果。同时可进行典型机电产品拆装调试，典型机电产品设计制造综合实践，典型机电产品控制系统的设计与制造实践，以气动与液压系统元部件、低压电器、PLC、DCS、计算机控制为核心的机电一体化系统的训练，为学生提供创造发明、设计制作实验试制的条件，鼓励学生积极参与电子设计竞赛、挑战杯赛等创新教育活动。该实验设备的全部示教模型分为五大类(试验、气动、移动、工业、组合)，共二十七套，可构建四十七种机电装置。1.实验机器人（14个模型）2.气动机器人（4个模型）3.移动机器人（8个模型）4.工业机器人（4个模型）5.计算机组合包（12个模型）在实验过程中,学生通过拼装模型的动态工作过程，完成如下任务:1）了解各种元件的基本体，熟悉多种部件机械结构的构成和功能，掌握示教模型的构型装配过程。2）分析机械装置的主体结构和各部件机构的运动方式，确定机械的传动链以及工作原理，绘制机械结构运动简图。3）了解计算机LLwine控制软件的编程方法以及控制语句模块的应用。针对给定的作业任务，按照轨迹规划对模型进行编辑源程序，验证编程语言与模型的运动状态的正确性。３4）利用机器人的控制功能，进行模拟工件的实物排列、堆垛、搬运等等工作模拟试验，学生完成指定的工作，检验编程正确性。5）通过对模型的动态观察。每位学生必须根据具体工作内容，完成一篇不少于1000字的实验分析报告。目录实验一机械本体装配实验--------------------4实验二传动机构分析--------------------4实验三驱动部件认识--------------------5实验四测试传感系统的作用分析--------------------5实验五控制系统认识--------------------6实验六接口技术认识--------------------7实验七机械本体总体结构设计--------------------8实验八指定轨迹规划编制控制程序--------------------8九、指导书编制说明--------------------9十、参考书目--------------------10附录：实验系统简介--------------------11实验机器人程序-----------气动机器人程序-----------移动机器人程序-----------工业机器人程序-----------计算机组合包程序-----------４实验一：机械本体装配实验实验学时：6实验类型：验证实验要求：必修1.实验目的：1)了解实验机器人模型的基本构成，熟悉用多种几何元件拼装部件的过程。2)掌握装配后各部件的功能和作用，通过模型合理想象各种机电产品的结构。2.实验内容：完成指定的模型拼装,分析模型的主要结构及各部件构成、连接方式等。3.实验设备：计算机一台；实验机器人模型（30625）一套；变压器电源（30182）一个；智能控制接口盒（30402）一个。4.实验步骤:所有几何构件采用燕尾槽插接方式连接，可实现六面拼接，多次拆装，组合成各种教学、工业模型。请按手册上的图形步骤拼装由老师指定的其中一个或几个模型，并且按照电路图接线。实验二：传动机构分析实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修1.实验目的：虽然模型由塑料构件拼装而成，但相互之间能实现运动和传动，同样要借助机械传动原理及各种机构。学生通过本实验可以了解和分析各种传动机构的具体运用。分析应用的合理性，提倡学生提出改进的思路。2.实验内容：学生通过拼装模型，对照分析所采用的下列零件：齿轮、联杆、链条、履带、皮带、普通直齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮、齿轴、齿条、蜗轮、蜗杆、凸轮、弹簧、曲轴、万向节、差速器、齿轮箱、绞链、连接件、接头、等等。５3.实验设备：计算机一台；实验机器人模型（30625）一套；变压器电源（30182）一个；智能控制接口盒（30402）一个。4.实验步骤：查到所有应用的典型机械零件和传动机构，绘制机械传动路线简图，分析所采用传动方式的合理性，提出替代方案。实验三：驱动部件认识实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修1.实验目的：虽然模型由塑料构件拼装而成，而且相互之间能实现运动和传动，其运动的动力来源有很多种方式。学生通过本实验可以了解和分析各种驱动方式的具体运用。分析应用的合理性，提倡学生提出改进的思路。2.实验内容：学生通过拼装模型，对照分析所采用的下列驱动方式：直流电动机、储气罐、气缸、活塞、手动换向阀、电磁换向阀等等。3.实验设备：计算机一台；实验机器人模型（30625）一套；变压器电源（30182）一个；智能控制接口盒（30402）一个。4.实验步骤：查到模型中所有应用的典型驱动机构，绘制驱动路线简图，例如气动控制图，分析所采用驱动方式的合理性，提出替代方案。实验四：测试传感系统的作用分析实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修1.实验目的：６虽然模型由塑料构件拼装而成，但能够完成各种顺序动作，控制为此要求，确定运动方向，其中传感器发挥了重要作用。学生通过本实验可以了解和分析各种传感器的具体运用。分析应用的合理性，提倡学生提出改进的思路。2.实验内容：学生通过拼装模型，对照分析所采用的下列传感器（光敏、热敏、磁敏、触敏），了解下面各种电器：发光器件、开关、电线、插头、电磁气阀、电位器、接口电路板、可调直流变压器（9V，1A，带短路保护功能）接口电路板含电脑接口板、PLC接口板等等。3.实验设备：计算机一台；实验机器人模型（30625）一套；变压器电源（30182）一个；智能控制接口盒（30402）一个。4.实验步骤：查到模型中所有应用的典型传感器，绘制电气线路简图，分析所采用电气线路和传感器方式的合理性，提出替代方案。实验五：控制系统认识实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修5.实验目的：虽然模型由塑料构件拼装而成，但各部件能实现位置、姿态、速度、加速度等的控制功能，对于连续轨迹运动的机器人还具有轨迹的规划与控制功能。学生通过本实验可以了解和分析控制系统的具体运用。分析应用的合理性，提倡学生提出改进的思路。6.实验内容：学生通过拼装模型，对照分析进行程序可在线和下载操作；用LLWIN2.1或高级语言进行初步编程训练；二路模拟信号输入和八路数字信号输入的控制线路图；7.实验设备：计算机一台；实验机器人模型（30625）一套；变压器电源（30182）一个；智能控制接口盒（30402）一个。７8.实验步骤：了解和分析实验设备中所采用的控制系统，绘制控制系统框图，尝试建立其中某个控制节点的位置控制系统传递函数，并确定其参数。实验六：接口技术认识实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修1.实验目的：机电一体控制系统一般是以单轴和多轴运动协调为目的控制。因此控制系统一般都采用二级计算机控制，第一级为主控制级，安全系统的监控、作业管理、自诊断等功能；第二级为伺服控制级，实现对各节点伺服系统的控制。二级计算机控制系统的框图如下图所示：二级计算机控制系统的框图2.实验内容：学生通过拼装模型，I/O地址译码器实验了解模数转换的基本原理，掌握DAC0832的使用方法。通过并行接口8255实现小直流电机转速控制。3.实验设备：计算机一台；实验机器人模型（30625）一套；变压器电源（30182）一个；智能控制接口盒（30402）一个。4.实验步骤：显示器键盘显示器磁盘示教盒主控制计算机接口操作机伺服控制系统外界作业对象与环境伺服控制系统伺服控制系统主控制级伺服控制级机械环境８了解和分析实验设备中接口技术的基本原理，进行多器件综合使用的编程和硬件操作。实验七：机械本体总体结构设计实验学时：30实验类型：设计实验要求：必修1.实验目的：学生借助于模型，完成了机电设备的拼接装配工作，使他们对设备的基本构成有一定的直观认识，这时要求学生能用各种三维设计软件，将这种直观认识用设计的方式表现出来，使学生开始进一步的分析整体结构、传动过程、驱动方式等内容。2.实验内容：学生对拼装好的模型进行测绘，然后用自己的计算机并借助三维设计软件进行三维建模，完成整机设计。通过查阅资料，对完成好的设计进行创新方案的讨论。对传动机构进行运动模拟，对运动机构和部件进行动态仿真。3.实验设备：装配好的实验机器人模型（30625）一套。4.实验步骤：首先对拼装好的模型进行测绘，注意将机器人的各部件进行分解。在设计时不要再把模型看成是塑料结构件，而应该从采用工程材料，如钢铁、有色金属等概念出发进行设计，尽可能考虑设计的结构工艺性，外形美观等内容。实验八：指定轨迹规划编制控制程序实验学时：26实验类型：设计实验要求：必修1.实验目的：学生在充分了解机电系统运动结构、控制方式、传感器安装、以及该机电系统的基本功能以后，由学生进行控制程序编程，使该机电系统能完成指定位置的搬运、行走等任务，由此通过亲自实践，学习到规划轨迹、体会各种结构件和传动件的灵９活使用技巧。2.实验内容：由老师规定搬运物体的轨迹，指定搬运位置和搬运顺序，或指定机器人行走轨迹，改变时间顺序等内容，学生采用灵活以及使用的控制程序完成这些工作，并实际检验完成工作的效率和准确性。3.实验设备：计算机一台；实验机器人模型（30625）一套；变压器电源（30182）一个；智能控制接口盒（30402）一个。4.实验步骤：分析要求完成的任务，规划动作顺序和动作路径，编制程序进行动作仿真，在实验机电系统上进行操作，实际检验完成工作的效率和准确性。九、指导书编制说明1、本项目实践活动是机电一体化入门课程，从系统的观点出发，了解了机械系统和微机控制系统的元部件原理、特点、设计选用方法，旨在培养学生“以机为主，以点为辅，机电有机结合”的分析与设计能力，通过列举机电一体化典型系统，使学生开阔思维，举一反三，培养学生开发新型机电一体化产品的能力。2、本项目实践活动实验环节为主，提高机电一体化实验设备的先进性、多样性，要求学生能人人亲自动手操作，体会到设计和制造、操纵控制机电实验设备的乐趣。十、参考书目1、《机电一体化系统设计》张建民等编著北京理工大学出版社1996年8月2、《机械系统的微机控制》陈强、解云龙等编著清华大学出版社1999年8月3、（参考：慧鱼技术实验系列——机器人技术软件手册，Fischertechnik）。实验系统简介１０本实验室采用德国慧鱼（fischertechnik）公司生产的创意教学组合模型来进行实验课程的。实验系统分五大系列，能组合成数十种自动化工业设备模型，并能进行仿真运行。这些模型通过演示程序控制过程和机械结构中的传动，为研究设计工业自动化设备提供模拟示范。模型由许多形状各异的仿真的机械零部件与电子驱动控制元件组成，学生可以进行富有想象力和创造力的装配，从而得到多样式、多功能的模拟机械装置。教学模型具有驱动、感应识别、信息处理等功能。因此还须通过计算机控制软件系统和智能信号接口盒，把几何造型、三维拼装和计算机语言有机地结合在一起。借助于设置动态变量参数则可设定机构运动方向并建立运动学数学模型。通过系统自带的计算机语言对任务进行编程，使生成的指令数据作用于模型。它是机电一体化的产品,是由一套完整的机械电子系统组成的。一、模型的主要构成：1．机械构件：齿轮、联杆、链条、履带、齿轮（普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮、齿轴