机电一体化创新实验报告

机电一体化创新实验报告

机电产品简介

机电一体化是以机械、电子技术为主的多门技术学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科，是指在机构得主功能、动

力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化技术是建立在机械技术，微电子技术，计算机和信息处理技术，自动控制技术，传感与测试技术，电力电子技术，伺服驱动技术，系统总体技术等现代高新技术群体基础之上的一种高新技术。它是当前机械和电气技术发展的趋势，在不同的设备、装置或系统中，机械、电器、计算机、气动或液压、传动器融为一体是及其常见的。

实验主要内容

本次实验是在德国慧鱼公司生产的示教模型上开展的，实验系统分为五大系列，能组合成数十种自动化工业设备模型，多功能的模拟机械装置，并实现电脑仿真运行。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，它把几何造型、三维拼装和计算机语言有机地结合起来，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。

实验步骤：

1、了解各种元件的基本组成，分析机械装置的主要结构和部件机构的运动方式，根据装置图来组装“三自由度机械手”

2、按照电路连线图将机械手的电机，计数器，行程开关及限位开关与计算机数据线连接好。

3、用软件(LLwine)对机械手进行自动控制，同时验证编程语言与模型的运动状态的正确性。

4、观摩、测量并绘制机械结构运动简图

5、分析模型的装备设计及传动原理

6、创新设计，写实验报告

三自由度机械手分析

1.机械结构

主要结构：

底座、机械手臂、机械爪等运动机构

共有3个自由度。它用到3个电动机，分别为机械手开合控制电机、机械手摇臂上下控制电机、机械手转盘控制电机。6个行程开关，其中 3个限位开关，3个计数器。

功能：用相关软件控制机械手搬运工件。

底座系统：固定在桌面上，安装有控制电路板，并在底座上开有电源接口和信号接口，方便数据交换。

转盘系统：转盘系统与底座系统之间通过蜗杆传动，蜗杆在电动机的驱动下带动转盘旋转。

电动机：电动机是动力，每个电动机的工作都由相关软件来控制，从而使得机械手可以作预定的动作。在电动机的驱动下，立柱能够实现左右旋转运动；机械手臂能够实现上下运动；机械手指接在机械手臂的终端，能够自由张合，使机械手可以模拟人手作取物等动作。

电源接口：外界电源通过该接口向整个系统提供能源。

信号接口：计算机软件通过该接口向系统提供数据命令。

2.传动原理

三自由度机械手模型是采用了蜗轮蜗杆传动机构、螺杆机构和圆柱齿轮传动机构的组合机构。

由计算机的软件进行控制，由3台电动机分别驱动三传动机构，有3个自由度，分别对应于转盘、机械手臂、机械手的3个转动轴。转盘能够实现角度圆周旋转，机械手臂能够实现一定范围的上下摆动，机械手则能够实现张开和闭合动作，以实现松开和夹紧物体。

通过3条传动链可以实现搬运物体的的搬运动作。

机械手的动作原理：转盘由电机1控制，转到工件被放置的地方（压紧E6，由计数器E2进行计数），机械手臂向下运动（由M2提供能量，压紧E3，计数器E4进行计数），机械手指夹料，夹紧后机械手臂上摆一个设计时定的角度（压紧E3），机械手臂水平回转一个设定的角度(由E2统计立柱的旋转次数确定或者压紧E6)，机械手臂下摆与上摆时相同的角度(由E5统计带动链轮的蜗杆旋转次数确定)，机械手指张开放料（压紧E1），机械手臂再上摆，水平反转，下摆，同时手指张开，准备夹料。如此重复运动，则可将工件从初始位置移动到指定的位置。

3. 传动链

(1) 传动链1

如图A所示：主要结构是蜗轮蜗杆齿轮传动机构，可以实现机械手绕转盘转动。

图A

(2) 传动链2

如图B所示：主要结构是由链传动机构来它可以实现机械手臂的上下摆动。

图B

由于链传动机构适合功率小,且力矩变化不频繁的机械系统,所以改为液压

缸作为动力系统来实现机械手的上下摆动,能更快捷反映系统要求.图如下:

根据液压系统的原理,我们设计液压缸的动作控制液压回路图如下:

(3) 传动链3

如图C所示：可以实现机械手的夹紧和放松。当电机正转时，与锥齿轮相连的螺杆将会旋入，而将机械手指顶开；当电机反转时，与锥齿轮相连的螺杆将会旋出，机械手指就会闭合。

图C

4．传感器

有3个限位开关和3个计数器。

其中限位开关的作用是：E1限定机械手指的开合范围；E3限定机械手臂上下摆动的极限位置；E6限制转盘的圆周角度。

计数器的作用是：E2对带动转盘旋转的蜗杆的旋转次数进行记数； E4对机械爪的驱动轴的旋转次数进行记数；E5对转盘的蜗杆的旋转次数进行记数。

在整个系统的运行过程中，计数器记录蜗杆和机械手指的驱动轴（驱动轴通过万向联轴节带动螺杆旋转）的转数。因为蜗轮蜗杆机构和螺杆机构都是定比传动机构，所以可以间接记录各运动构件的行程，并反馈给计算机程序，从而通过控制电动机的正转、反转和停止来间接控制机械手指在空间的位置。

创新内容

根据学过的专业知识和实际的模型操作实验,我们对三自由度机械手进行以下的修改：

利用液压传动的优点,把三自由度机械手的部分动力系统改为液压动力.

这样可以省去一个万向连接器和一个完整的链传动机构(包括带轮,链条)，可以简化机构，并可以保证机械手的上下抬降以及夹手的夹紧和松开平稳而到位，避免机械冲击和振动。

在模型组装实验中出现了机械手上抬动作由于机械手重心和电机功率而导致不动作的现象,在solidworks图中的机构也重新设计了手部,将重心后移,配合有较大功率的液压缸,可以避免这个问题.

实验体会

在这次的机电一体化创新综合实验，充分应用了《机电一体化设计基础知识》和《机械设计》的知识,使我对机构运动配合和机电一体方面的知识更加巩固.一方面运用solidworks软件画出整个模型，更加加强了我们对这个软件的操作熟练.同时充分发挥自己的想象力，锻炼自己的创新能力，巩固自己的专业知识。

在模型拼装过程中,我们是4个人一组,只有大家一起动手分工合作才能完成整个组装动作,充分的锻炼了我们的团队合作能力,对我们将来的工作生活有很大帮助.

参考资料

1.机电一体化设计基础.北京:机械工业出版社，1997

2.液压与气压传动.北京: 机械工业出版社，2004

3．MCS-51单片机原理及应用.天津：天津大学出版社，2004

4．机械制造技术装备及设计.天津：天津大学出版社，2004