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機械手畢業(yè)設計論文模板(10篇)
時間：2023-03-16 17:35:07
導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇機械手畢業(yè)設計論文，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內容能為您提供靈感和參考。
篇1
設計要求：1、安裝資料及要求。包括：平面圖；用電負荷情況；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、設備安裝
課題二、小電流接地系統(tǒng)的故障選線的研究
指導老師：戴勝坤 地故障時，故障特點不是非常明顯，故障選線就顯得很有必要，所以，要求學生
比較詳細的了解國內外小電流接地系統(tǒng)故障選線的研究現(xiàn)狀和研究方法，對現(xiàn)有
的選線方法進行總結并加以改進，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)進行仿真；4、撰寫畢業(yè)論文。
課題三、64點溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設計
指導老師：游佳
設計內容：64點溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)針對室溫環(huán)境下的溫度監(jiān)控，如大型機組的軸溫，大型變壓器油溫，化學反應過程，環(huán)境測試等?？刂坪诵牟捎梦⑻幚砥骰騿纹瑱C，監(jiān)測64點溫度，溫度范圍0～100℃，采用半導體溫度傳感器AD590，按矩陣方式切換輸入信號。輸出8路開關控制信號和2路PWM模擬信號（具備PID控制能力）。同時要求利用微處理器或單片機的已有通訊接口或其它工業(yè)控制網絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和控制。
設計要求：1.總體方案設計，需要提出至少兩種切實可行的方案，并加以比較，選擇一種最優(yōu)方案；
2.根據(jù)總體方案設計硬件電路，需要有理論依據(jù)，有分析計算過程，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.軟件設計，使用匯編語言或C語言編成。主要軟件必須能在設計制作的硬件電路上正確運行 ，且能夠顯示被測試對象的溫度；
4.制作硬件電路，調試硬件和軟件，完成溫度檢測與測試點切換，實現(xiàn)溫度上傳并在屏幕上顯示或存盤；
5.撰寫畢業(yè)論文，嚴格按照畢業(yè)論文標準，論文引用其它文章和相關技術資料不得多于40%。
課題四、 用8051單片機設計一交通信號燈模擬控制系統(tǒng)的設計
指導老師：潘紋
一、設計任務與要求：
用單片機8051設計一個十字路口的紅、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]到學生設計時的難度，只考慮一條道路相對的兩個方向，每個方向有紅、綠、黃三個燈。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換時要求黃燈閃爍5秒，給行駛中的車輛有時間?？康浇芯€之外。
2）能實現(xiàn)正常的計時顯示功能。用倒計時方法顯示紅燈、綠燈、黃燈還需亮的時間。
3）能實現(xiàn)控制器總清零功能。 按下某個鍵后，系統(tǒng)實現(xiàn)總清零，計數(shù)器由初始狀態(tài)開始計數(shù)，對應狀態(tài)的指示燈亮。 二、根據(jù)設計任務與要求：畫出設計總電路圖，寫出設計程序。
課題五、單片機步進電機控制器的設計
指導教師：游佳
設計要求:1.用MCS-51單片機,通過軟件編程,設計一個步進電機控制器。要求能對步進電機實現(xiàn)正、反轉及速度控制，同時能對步進電機進行位置控制，即能控制步進電機從一個位置精確地運行到另一個位置。
課題六、傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用及發(fā)展的研究
指導老師：周小薇
論文要求：1.了解傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的作用及地位
2.機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的類型、特點、結構及用途等
3.如何為機電一體化系統(tǒng)選擇傳感器（舉例說明）
4.機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展
相關知識：本課題要求學生綜合《傳感器技術》《機電一體化技術》《控制電機》等相關知識進行編寫。
課題七、水輪機制動系統(tǒng)的設計
指導老師：周小薇
設計要求：
掌握一定的電氣控制技術的基礎知識，可以利用PLC進行編程，并且對氣壓傳動和液壓傳動有一定的了解。還要求能夠運用基本的繪圖軟件進行繪圖。
設計內容：
本設計共有三個部分：電氣控制部分、流體控制部分、PLC編程部分。
（一）電氣控制部分設計任務： 2.24點制動閘動作后向PLC發(fā)出制動成功或復位信號
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，顯示相應的轉速。
（二）流體控制部分設計任務：
采用節(jié)流閥控制流量，水份分離器凈化空氣，兩個三通換向閥分別控制汽缸的上、下腔；氣液混用三通球閥進行氣、油的轉換控制，多塊壓力表可直接讀數(shù)等。
（三）PLC編程部分設計任務：
根據(jù)給出的梯形圖進行編程。
課題八、畢業(yè)設計題目：恒壓供水系統(tǒng)設計
指導教師：黃衛(wèi)庭
構成：PLC系統(tǒng)、變頻器、檢測保護電路、轉速測量等環(huán)節(jié)
要求：1、采用PWM變頻調速
2、有具體結構圖及外形圖
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：選題要結合實際供水工作。要求寫明本設計所涉及的分析方法或技術手段（如定性、定量分析的方法）；要求有學生獨立的見解，設計內容要詳細寫明具體步驟]。
課題九、兩種液體混合的設計
指導老師：葉俊 一、控制要求
1．初始狀
此時各閥門關閉，容器是空的。 SL1=SL2=SL3=OFF
M＝OFF
二、起動操作
按下起動按鈕，開始下列操作： (2)液體B流入，液面達到SL1時，YV2=OFF，M＝ON，開始攪拌；
(3)混合液體攪拌均勻后（設時間為l0s），M＝OFF，YV3＝ON，放出混合液體；
(4)當液體下降到名 SL2時，SL2從ON變?yōu)镺FF，再過20s后容器放空，關閉YV3，YV3=OFF，完成一個操作周期；
(5)只要沒按停止按鈕，則自動進入下一操作周期?！?/p>
三、停止操作
按一下停止按鈕，則在當前混合操作周期結束后，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技術設計
課題十、機械手控制的設計
指導老師：葉俊
一、機械手工作過程，且每次循環(huán)動作均從原位開始。
二、控制要求
1．在傳輸帶A端部，安裝了光電開關PS，用以檢測物品的到來。當光電開關檢測到物品時為ON狀態(tài)。
2.機械手在原位時，按下起動按鈕，系統(tǒng)起動，傳送帶A運轉。當光電開關檢測到物品后，傳送帶A停。
3．傳輸帶A停止后，機械手進行一次循環(huán)動作，把物品從傳送帶A上搬到傳送帶B(連續(xù)運轉）上。
4.機械手返回原位后，自動再起動傳送帶A運轉，進行下一個循環(huán)。
5．按下停止按鈕后，應等到整個循環(huán)完成后，才能使機械手返回原位，停止工作。
6.機械手的上升／下降和左移／右移的執(zhí)行結構均采用雙線圈的二位電磁閥驅動液壓裝置實現(xiàn)，每個線圈完成一個動作。
7.抓緊／放松由單線圈二位電磁閥驅動液壓裝置完成，線圈通電時執(zhí)行抓緊動作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作。
8.機械手的上升、下降、左移、右移動作均由極限開關控制。
9.抓緊動作由壓力繼電器控制，當抓緊時，壓力繼電器動合觸點閉合。放松動作為時間控制（設為2s）。
要求：用歐姆龍型PLC技術設計
課題十一、建立機械全自動洗衣機的工作電路模型
指導老師：方瑋
結構：由電動程控器、水位開關、安全開關（蓋開關）、排水選擇開關、 不排水停機開關、貯水開關、漂洗選擇開關、洗滌選擇開關等組成。工作原理：通過各種開關組成控制電路，來控制電動機、進水閥、排水電磁鐵及蜂鳴器的電壓輸出，使洗衣機實現(xiàn)程序運轉。
主要內容：進水控制電路，電動機控制電路，排水系統(tǒng)電路等。
要求：結合洗衣機的工作過程，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、工廠變配電所的設計
指導老師：居劍文
一、設計的要求
根據(jù)設計課題的技術指標和給定條件，能夠獨立而正確地進行方案認證和設計計算，要求概念清楚，方案合理，方法正確，步驟完整。
要求會查閱有關參考資料和手冊等
要求學會選擇有關元件和參數(shù)
要求學會編制有關電氣系統(tǒng)圖和編制元件明細表
要求學會編寫設計說明書
二、設計說明書的內容
負荷計算及無功功率補償計算。
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（配電所設計不含此內容）。
變電所主結線方案的設計
短路電流的計算
變配電所一次設備的選擇
變配電所二次回路方案的選擇及繼電保護裝置的選擇與整定
變電所防雷保護與接地裝置的設計
編寫設計說明書及主要設備材料清單
10、繪制變電所主結線圖、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問題的研究
指導老師：方瑋 研究現(xiàn)狀，了解目前電纜－架空混合線路的保護的配置的方法，優(yōu)缺點，并根據(jù)
電纜的特點，架空線路的特點，提出適合于混合線路的保護的方案；
3、 提出適合于電纜－架空混合線路的繼電保護的方案； 4、撰寫畢業(yè)論文。
課題十四、鉸鏈四桿機構的運動特性分析
指導老師：潘紋
設計任務與要求
1）對鉸鏈四桿機構中的曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構三種基
本類型的運動特性進行分析。
2）每種類型各舉一個日常生活中常見的實例，畫出其基本圖表。對每種
類型要求用falsh或者authorware等做一個能動的形象逼真的例子。如吊起重物的起重機、運動的火車的機輪、橢圓儀、翻箱機、機械手爪等。
課題十五、數(shù)控銑床及加工中心產品加工工藝設計
指導老師：倪祥明 課題十六、機械手直線運動液壓系統(tǒng)的制作
指導教師：黃國祥
目的：實現(xiàn)機械手水平、垂直兩個方向的機械運動
任務：1、系統(tǒng)方案的設計與計算；液壓泵、液壓閥等技術參數(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)的安裝與調試。
4、電路系統(tǒng)的安裝。
5、技術資料整理與電子文檔的制作。
要求： 1、分組布置任務，每組可以是1人以上。
2、電子文檔要求打印，字數(shù)不少于5000字。
3、現(xiàn)場展覽制作產品，參加答辯。
課題十七、“中國結”造型設計
指導教師：張蓉
1.畢業(yè)設計的基本任務
著重提高在CAD/CAM軟件應用方面的實踐技能，樹立嚴謹?shù)目茖W作風，培養(yǎng)綜合運用理論知識解決實際問題的能力。通過創(chuàng)建中國結造型設計、市場推廣、資料整理等環(huán)節(jié)，初步掌握應用CAD/CAM進行工業(yè)造型設計的方法和基本技能。
2.畢業(yè)設計的基本要求
通過畢業(yè)設計各環(huán)節(jié)的實踐，應達到如下要求：
靈活運用所學Pro/e軟件創(chuàng)建“中國結”,打印出造型設計步驟和造型圖；
對造型出來的“中國結”進行包裝設計。如用Photoshop或3dmax等軟件進行包裝，打印出用于市場推廣的效果圖；
寫出500字左右的論文小結
培養(yǎng)一定自學能力和獨立分析問題、解決問題能力；
通過畢業(yè)設計實踐，樹立嚴肅認真、一絲不茍、實事求是的工作作風，并培養(yǎng)自己具有一定的生產觀點、經濟觀點、全面觀點及團結協(xié)作的精神。
3.“中國結”造型參考圖：
（造形和尺寸自定義）
課題十八、“福娃”造型設計
指導教師：羅進生
1.畢業(yè)設計的基本任務
著重提高在CAD/CAM軟件應用方面的實踐技能，樹立嚴謹?shù)目茖W作風，培養(yǎng)綜合運用理論知識解決實際問題的能力。通過創(chuàng)建“福娃”造型設計、市場推廣、資料整理等環(huán)節(jié)，初步掌握應用CAD/CAM進行工業(yè)造型設計的方法和基本技能。
2.畢業(yè)設計的基本要求
通過畢業(yè)設計各環(huán)節(jié)的實踐，應達到如下要求：
靈活運用所學Pro/e軟件創(chuàng)建“福娃”,打印出造型設計步驟和造型圖；
對造型出來的“福娃”進行包裝設計。如用Photoshop或3dmax等軟件進行包裝，打印出用于市場推廣的效果圖；
寫出500字左右的論文小結；
培養(yǎng)一定自學能力和獨立分析問題、解決問題能力；
通過畢業(yè)設計實踐，樹立嚴肅認真、一絲不茍、實事求是的工作作風，并培養(yǎng)自己具有一定的生產觀點、經濟觀點、全面觀點及團結協(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電源的設計
指導老師： 倪濤
通過該題目的設計,加強電力電子的學習和理解，系統(tǒng)學習開關電源的設計方法，綜合運所學過的知識,培養(yǎng)獨立工作，解決實際問題的能力，為走向工作崗位打一定的基礎
內容：
按技術參數(shù)設計一臺直流開關電源
主要技術參數(shù)：
輸入電壓：三相交流380V 輸入頻率：50HZ
輸 出：恒流50安 輸出電流變動范圍：0---50安連續(xù)可調
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.獨立完成
設計步驟：
1.閱讀國內外有關 2.選定開關電源集成控制器，學習其工作原理、應用方法；
3.主電路方案選擇，要有技術經濟比較；
4.主電路設計；
5.元器件的設計、計算、選擇；
6.控制電路、保護電路的設計；
7.打印論文
課題二十、三層樓電梯PLC控制系統(tǒng)設計與調試
指導老師：倪濤
設計內容： 1、不允許同時有兩層樓要求停電梯；
2、當二層不需要停時，能越過二層直接到達所需樓層。
要求：
分階段寫文字材料；
2、 3、論文要按要求格式打印；
4、獨立完成
步驟：
1、設計I/O配線表。
2、設計出電梯控制的梯形圖。
3、寫出指令表。
4、用編程器輸入指令。
調試運行。
課題二十一、車輛出入庫管理PLC系統(tǒng)設計
指導老師：楊芳
內容：編制一個用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、入庫車輛前進時,計數(shù)器加1,后退則減1.
2、出庫車輛前進時計數(shù)器減1,后退則加1.
3、要求有顯示屏指示車庫內車輛的實際數(shù)目.
要求：
1.根據(jù)題意設計顯示電路，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)調試，實現(xiàn)控制要求。
課題二十二、水塔水位控制PLC系統(tǒng)設計
指導老師：楊芳
內容：1、保持水池的水位在S3——S4之間，當水位低于S3，則打開閥門進水，水位到達S4時，則關閉閥門。 水塔水位控制面板
要求：1.根據(jù)題意設計顯示電路，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)調試，實現(xiàn)控制要求。
課題二十三、用PRO/E軟件進行玩具造型設計
指導教師：羅進生
要求：利用軟件進行實體造型，寫出具體造型步驟。步驟清晰合理，造型思路明確?？梢宰约涸O計玩具形狀，分析所設計玩具市場前景。
參考圖樣：
課題二十四、基于PROE軟件的機械制圖三維模型庫開發(fā)及應用
篇2
在我國的經濟體制由計劃經濟向市場經濟轉變的今天，高等教育的教學管理模式也發(fā)生著變化，高等教育現(xiàn)在在全面貫徹黨的教育方針的同時，已經由原來的學校完全承包，向以就業(yè)為導向的方向發(fā)展，已經逐漸走向一條產學研結合發(fā)展的道路。隨著科學技術的不斷發(fā)展，社會對人才的需求更具合理性和前瞻性，特別是知識的應用能力、應變能力和創(chuàng)新能力等綜合實力，提出更高的要求。這樣高等教育的培養(yǎng)目標就由原來單純以學習課本為重，轉向要求學生既有一定專業(yè)理論基礎，又有勝任現(xiàn)代化生產工作的能力。因此，實踐教學在學生培養(yǎng)過程中就顯得十分重要。
毫無疑問，實踐教學是大學生創(chuàng)新的有效途經?？梢园呀處煹目蒲许椖苛腥雽嵺`教學活動中，啟發(fā)學生的科研創(chuàng)新意識。如讓學生參與教師的科研項目，使學生了解科研的過程、方式方法、數(shù)據(jù)處理方法、論文寫作方法等。[1]本文將探討如何使科研激活實踐教學，促進產學研相結合，開拓學生創(chuàng)新思維。
一、構建科學的實踐教學體系
實踐教學體系是培養(yǎng)學生實踐能力、創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力的整體教學組織與訓練過程，也是考查學生掌握基本理論、基本技能的主要途徑，是實現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標十分重要的教育教學環(huán)節(jié)。[2]高等教育的實踐教學體系包含多種類型的課程設置。例如實驗教學、課程設計、金工實訓、生產實習、畢業(yè)實習和畢業(yè)設計等，都屬于實踐教學的范疇。表1為高校實踐課程教學體系。
1.實驗教學
實驗教學是從最基礎的理論知識入門，通過儀器設備的使用操作，對數(shù)據(jù)或圖像進行分析，驗證理論知識的來源與正確性，隨著學習的不斷深入，再逐步開設綜合性的實驗。如機械原理零件實驗、刀具實驗、金相熱處理實驗等基礎實驗，隨著學習的不斷深入，再進一步完成機、電、氣綜合與創(chuàng)新性實驗等。從而幫助學生更好地理解和掌握理論基本知識，對儀器設備操作基本技能，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。實驗教學是實踐教學的基礎。
2.課程設計
課程設計是學完某一門專業(yè)基礎課或專業(yè)課后進行的一項專門化實踐性訓練，主要目的在于培養(yǎng)學生利用本門課程的知識及已學的知識，綜合應用完成某一課題的設計。如工藝夾具設計、刀具設計、機床設計、零件設計和電路設計等。初步培養(yǎng)學生設計思維的方法及應用知識的能力。
3.金工實習
金工實習是工科院校必開的一門實踐課程，他屬于基礎金工實習。學生在學完金屬工藝學與機械制圖課程后進行，也可在金工實習過程中完成該門課程的教學。通過實習，了解金屬加工過程的方法和設備，掌握冷加工和熱加工操作的基本技能。在實習中，可將后續(xù)相關的知識，適時適量介紹，對專業(yè)知識初步了解。同時，還可以到各種類型的企業(yè)參觀考察，觀察社會了解市場，擴大視野端正專業(yè)思想。
4.生產實習
生產實習是一門綜合性的實踐教學課程，是在專業(yè)課程大都已學完的基礎上進行的。走出學校的課堂深入到企業(yè)生產的現(xiàn)場。針對某一機械產品考察制造全過程，運用所學的知識，進行分析對比，研究總結，如到內燃機制造企業(yè)進行實踐，把在課堂學到的理性認識融會到感性認識中。
5.畢業(yè)設計與畢業(yè)實習
畢業(yè)設計與畢業(yè)實習，應強化學生實踐能力的培養(yǎng)，是實踐教學的核心。這是進入社會前的一次大練兵，也是教育質量的大檢驗。持續(xù)一學年的畢業(yè)設計選題至關重要，應是融技術性與實用性為一體，融創(chuàng)新意識與創(chuàng)新實踐為一體。具體做法：一是與科研課題相結合，如大客車整車強度測試；二是充分利用現(xiàn)有實驗設備，如利用FISTO氣動實驗裝置，設計機電自動控制回路；三是對實驗設備進行技術改造，如對機械原理機構示教板改進自動控制裝置；四是結合生產實際進行科研開發(fā)，如汽車發(fā)電機殼體壓鑄模具設計等。學生在指導教師的帶領下，結合生產實際或科研課題，充分調動人的主觀能動性，運用設計新理念和方法，進行創(chuàng)新設計取得良好效果。[3]
表1 高校實踐課程教學體系
二、把“產學研”和實踐教學結合起來，開拓學生創(chuàng)新思維
產學研合作教育對于高校提升科研水平、企業(yè)技術進步、增強地區(qū)和國家核心競爭力都具有重要作用和意義，是貫徹落實科學發(fā)展觀、轉變經濟發(fā)展方式的重大戰(zhàn)略舉措。[4]高校人才聯(lián)合培養(yǎng)是產學研合作的形式之一，其主要方式包括：大學、科研機構與企業(yè)通過設置人才培養(yǎng)專項基金、大學教授和研究人員擔任企業(yè)顧問、大學生在企業(yè)實習、企業(yè)人員在大學或科研機構進行培訓等多種方式在人力資本層面進行交流與互動。[5]
大學生的創(chuàng)新活動是在學習實踐過程中的創(chuàng)新，同時也是在掌握了基礎知識、相關專業(yè)領域研究成果后的創(chuàng)新，這使得他們的創(chuàng)新不僅要有個人價值，而且要在專業(yè)領域中具有一定的社會價值。創(chuàng)新活動的價值衡量具有雙重標準，對于應用型工科大學生，應以社會標準為主，偏重于創(chuàng)新活動的結果，偏重于創(chuàng)新的產品。因為創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關鍵在于創(chuàng)新主體要有強烈的自我意識和積極的實踐探索。在沒有投入創(chuàng)造性社會實踐之前，人的“才能”只是一種“潛能”，只有通過創(chuàng)造性實踐這一“中介”，方可得到進一步的提高，只有在不斷的摸索中才能培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在臺灣本科教學中，每一門課程的教學中，實踐教學就占有大半時數(shù)，每一單元時間內的教學，都包含有理論教學和實踐教學，在動腦和動手過程中，提升大學生創(chuàng)新思維。
1.“產學研”項目和實驗環(huán)節(jié)相結合
實驗教學在人才培養(yǎng)方面具有課堂理論教學不可替代的作用，實驗室作為高校人才培養(yǎng)的重要陣地在培養(yǎng)高素質創(chuàng)新人才中應發(fā)揮其重要的作用。因此，我們將科研方法引入實驗教學中，將學科建設取得的科研成果和開發(fā)的新技術、新方法不斷引入實驗教學中，保持實驗教學方法與手段的不斷更新。并通過設置探索性實驗項目來模擬科研全過程，實現(xiàn)實驗教學與科學研究新技術、新方法訓練的有機結合。
工科類專業(yè)在探索性實驗課程中，只給出若干思路，實驗前，學生不一定知道實驗結果，由學生根據(jù)實驗條件和研究目標，自行查閱相關資料，設計實驗方案、實驗內容和步驟、實驗數(shù)據(jù)參數(shù)，獨立進行實驗操作，書寫實驗報告，并對出現(xiàn)的可能結果給予一定的解釋。盡管學生在實驗的最后結果中不一定達到要求，但是通過綜合訓練，使學生對科研的基本方法和程序有一個清楚的認識和體驗，有效調動了學生的主動性，既提高了學生的動手能力，又使學生養(yǎng)成了自主式、合作式、研究式、開放式的學習方式。如開放性實驗，完全由學生自己設計實驗方案，自主管理實驗過程，自主完成實驗，從而使實驗教學成為科研與教學的最佳結合點。例如工業(yè)自動化應用課程利用實驗室電氣動實驗開發(fā)平臺，結合實驗題目要求，自己設計、搭線、編程、調試等軟硬結合過程。
2.“產學研”項目和實習實訓相結合
實習實訓是一門融理論與實踐綜合性很強的課程，在整個學生的培養(yǎng)過程中起到了一定的作用。我們要重視對學生動手能力、工程實踐能力的培養(yǎng)，增強學生將所學基礎知識綜合運用于工程實際的能力、獨立工作的能力、分析問題的能力及創(chuàng)造能力。
例如現(xiàn)代機械制造加工中心需要機械手完成不同的任務，這個就可以為學生的實習實訓提供選題，學生自己對課題進行分析、設計，自己動手編程、調試、安裝、并最后調試完成一個機械手加工系統(tǒng)，對設計過程中涉及到相關課堂教學內容，必須加以理解和消化，最終提交的是機械手能完成的任務和設計報告。這樣學生不但能夠將課堂上學到的理論知識與實際應用結合起來，而且能夠對機械傳動、電子電路、電子元器件等方面的知識綜合應用，同時在單片機編程、排錯調試、機構運動、相關儀器設備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高。為了促進“產學研”項目和實習實訓相結合，我們先后和多家企業(yè)建立了長期、穩(wěn)定的校企合作。
3.“產學研”項目和畢業(yè)設計相結合
畢業(yè)設計與畢業(yè)實習，是時間最長最具綜合性與創(chuàng)新性的實踐，是實踐教學的核心。工科專業(yè)學生的畢業(yè)實習與畢業(yè)設計時間長達近半年，是學生走向工作崗位的最后一個重要的教學環(huán)節(jié)，如果淡化工程意識，假題假做，由書本到圖樣可能對發(fā)揮學生的創(chuàng)造力極為不利。為了促進“產學研”項目和畢業(yè)設計相結合，我們具體采取了以下方法：
（1）利用生產中的真實題目或參與指導教師的實際課題研究，提前布置畢業(yè)設計題目。以畢業(yè)論文課題研究等形式參與科研活動，在科研實踐培養(yǎng)創(chuàng)新精神以及分析和解決問題的能力方面，實現(xiàn)了以科研促進教學的理想效果。[6]
（2）利用工廠待解決的技術問題，讓學生走出去，到工廠做畢業(yè)設計。由于受教師手頭的真實題目的限制，不可能所有的同學都在學校做真題目，我們通過與科研機構和生產單位的結合，即產學研結合，讓同學們到工廠去，到科研機構去，根據(jù)具體情況安排畢業(yè)設計題目。這樣做，不僅發(fā)展了生產也培養(yǎng)了技術人才，發(fā)揮了學生的創(chuàng)造能力。
三、以“工程測試”為例，探索“產學研”提升大學生實踐創(chuàng)新能力
利用科研項目將實驗、實習實訓、畢業(yè)設計等串聯(lián)起來，把各個實踐環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系在一起又起著承上啟下的作用。激活大學生參加實踐的積極性，加強培養(yǎng)綜合運用能力。
測試技術是獲取信息、分析和處理測量數(shù)據(jù)的關鍵技術與手段，是從事科學研究、產品質量檢驗與自動控制不可缺少的工具。[7]本人在學校主要承擔《機械工程測試技術》實驗教學，并在這幾年負責工程測試的一些科研項目，例如：2008年在廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司、2011年在東風杭州汽車有限公司作全承載整車強度測試。在這些科研項目完成的過程中，都與實踐教學結合起來，開拓學生的創(chuàng)新思維，實現(xiàn)了科研成果與實踐教學雙豐收。
1.開設開放性實驗，吸引學生加入到科研項目
由于《機械工程測試技術》實驗項目與工程實際相結合，要求課時較長，另外實驗相對正常，完成水平要高。我們選擇以開放性實驗對學生開放。把《機械工程測試技術》一系列實驗連續(xù)起來，要求學生按照工程上測試的要求，把應變片粘貼好，并且對自己粘貼好的應變片作靜態(tài)應變測量和動態(tài)應變測量。圖1為學生在粘貼應變片，圖2為粘貼好的應變片。這樣，學生完成這些實驗后，就可以加入到全承載整車強度測試中。
2.學生到現(xiàn)場測試，豐富學生的實訓實習
充分發(fā)揮工程測試科研項目的優(yōu)勢，鼓勵學生積極參與科研項目中的一些工作。無論是2008年在廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，還是2011年在東風杭州汽車有限公司作全承載整車強度測試，都有不少學生加入到測試。圖3是正在作整車測試的客車，圖4為學生在現(xiàn)場測試。由于科研課題多與工程應用緊密結合，解決生產實際問題，任務本身具有挑戰(zhàn)性，學生在參與科研的過程中，可切身體會到理論與實踐結合的價值，激發(fā)起他們內在學習動機，應用所學知識解決實際問題。[8]
3.測試項目為學生畢業(yè)設計課題提供來源
多年來，我們都高度重視學生畢業(yè)設計等實踐性教學環(huán)節(jié)，強化學生實踐能力的培養(yǎng)，形成了良好的傳統(tǒng)和特色。大學生所完成的這些工程測試項目，可以直接為他們的畢業(yè)設計提供選題來源。通過強化過程管理，保證了畢業(yè)設計（論文）的教學質量。這對培養(yǎng)大學生創(chuàng)新精神和實踐能力方面有示范作用。圖5為大學生以某大客車測試為畢業(yè)設計題目所采集處理的數(shù)據(jù)。
四、“產學研”融合實踐教學取得的成果
篇3
一、引言
畢業(yè)設計是教學過程中最后一個重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，五年制高職機電專業(yè)畢業(yè)設計的目的是培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎理論、專業(yè)知識和基本技能，提高獨立分析和解決問題的能力，也是培養(yǎng)以后從事企業(yè)進行技術改革工作的初步能力的一個重要環(huán)節(jié)。為了貫徹《關于全面提高高等職業(yè)教育教學質量的若干意見》（教高［2006］16號）文件精神，“以服務為宗旨，以就業(yè)為導向，走工學結合發(fā)展道路”的辦學方針，根據(jù)教育部高等職業(yè)教育畢業(yè)設計方面的要求，我們總結了近幾年各職業(yè)院校的實際教學經驗與教改情況：由具有豐富專業(yè)教學經驗及生產實際經驗的雙師型教師來指導學生的畢業(yè)設計，以工作任務為驅動、工作過程為導向的“教、學、做”三合一的職業(yè)技術項目的設計。其特點有以下幾點。
1.內容選擇上充分體現(xiàn)“理論夠用，能力為本，應用型人才培養(yǎng)”的新世紀應用型人才培養(yǎng)的思想，以工作任務為中心，彰顯針對性、實踐性和指導性強的特征，通過設計日常生活中經常遇到的實例，按照生產實際要求和實際方法、步驟，進行設計、選材、加工等。
2.精選日常生活中常見的典型題目，查詢所必需的一般設計資料和最新的國家標準及行業(yè)標準，對產品的加工工藝及畢業(yè)設計的相關知識進行必要的融合，對引導學生形成實踐計劃方案，完成具體的工作任務，針對性很強。
3.從拓展學生對本專業(yè)廣度和深度的要求角度出發(fā)，我們選擇了10個典型的畢業(yè)設計課題，對于培養(yǎng)學生解決實際問題有很好的作用。
從當前機電專業(yè)的普通高校的本科、專科；職業(yè)院校的?？?、電大生五年制高職的學生畢業(yè)設計的情況（如下表）調查情況看：
1.普通高校的多以論文和樣品的形式，論文為主，樣品為輔；
2.職業(yè)院校的專科、電大生以論文的形式，論文為主；
3.五年制高職以論文和樣品的形式，論文為輔，機械加工產品為主。
畢業(yè)課題列表
根據(jù)高職學生的技能優(yōu)勢，我校根據(jù)學生的實際情況，對2005級學生的畢業(yè)設計小組要進行課題的開題報告論證、要進行中期畢業(yè)設計進程的報告、要進行畢業(yè)設計答辯及畢業(yè)成果演示。
二、確定選題進行理論設計
05大專機電有兩個班級，80多人，我們把它分成10個小組。每個小組7―9名學生。
1.選題并確立10個課題。選題主要從機電專業(yè)的培養(yǎng)目標出發(fā)，在利于鞏固、深化、擴大所學知識；利于培養(yǎng)學生獨立工作能力，使學生能夠得到全面的訓練；盡可能與生產、科研、管理、教學等實際需要相結合。課題由指導教師組提供十個選題方向的主導意見，允許學生提供建議供指導教師組參考。選題應盡可能選擇已經在實際生產中投入使用的，在內容的深度和廣度符合教學要求、價格適中、能夠組裝完成的產品。選題難度要適中，任務量應保證中等水平學生經努力八周時間內能完成，不得選擇純論文性的選題。教師指導組經過分析、篩選提供的十個題目是：交通燈智能控制系統(tǒng)的設計、自動化立體倉庫的設計、弓形模具的設計、基于單片機的路燈照明控制系統(tǒng)設計與應用、物料自動分揀系統(tǒng)、圓形薄片沖裁模的設計、智能小車的設計、CA6140車床控制系統(tǒng)的設計、機械手的制作設計、四層樓自動控制系統(tǒng)的設計。
學生可以自由結合組成10個小組，但是每個組的人員不能偏差過大。每個小組組長根據(jù)學生個人的特點，合理地把小組成員進行分工。允許每個小組在10個課題內自選，每個小組完成一個選題相關資料的查閱工作。
根據(jù)選題時查閱資料的情況，學生要做好開題報告。開題報告是畢業(yè)設計可行性的論證，也可作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經指導教師簽署意見及系審查后生效。
開題報告一般由本課題的研究目的及意義、本課題的國內外的研究現(xiàn)狀；本課題的研究內容和擬解決的主要問題、本課題的研究思路和方法、本課題的預期效果、本課題研究的進度安排六個部分組成。
中期匯報主要是學生對前期設計的情況是否和計劃中一致，存在什么問題，如何解決，后期如何修正計劃，可能出現(xiàn)什么問題，采取什么措施進行完善。答辯領導小組的建議。
2.畢業(yè)設計的書面文字的形成
畢業(yè)設計既要保證每個學生經歷一個課題的全過程，又要保證每個學生均有其獨立完成的部分。學生通過網上查詢，圖書資料的查閱，把自己的思路和指導老師交流，通過多次的修改后，形成書面文字，理論部分的文字說明和圖形不得少于8000字，不包括封面、目錄、總結、參考資料，等等。所有圖形、表格和文字都須用計算機打印，裝訂成冊，人手兩冊。
3.答辯
答辯是檢查學生畢業(yè)設計質量的一場“口試”。通過這一形式，有助于學生進一步總結設計、材料購買、零件加工、產品裝配的過程中需要注意的問題，提高應變能力及自信心，為真正走上社會打下堅實的基礎。答辯主要考查學生的一些專業(yè)基礎知識和基本理論。答辯的過程實際上也是幫助學生總結的過程。教師要積極引導學生總結在設計過程中積累起來的經驗，分析設計效果，找出不足和改進方法，幫助學生把實踐轉化成自己的知識和技能。答辯專家組由本專業(yè)的專家和校外院校專家組成，指導教師不能參加，并邀請學生家長和相關用人企業(yè)的領導參加，讓家長和企業(yè)了解畢業(yè)生的學習情況和工作能力，為下一步學生就業(yè)做好宣傳工作。
學生答辯小組，由本小組推選一到兩人主答辯，其他同學輔助答辯，主答辯要把小組人員的分配情況、開題報告的論證、設計的思路、設計過程遇到的問題及解決方法、零件購買、加工、裝配過程、演示效果進行匯報。專家組提出的問題原則上應該由分工的組員回答，其他同學可以進行補充，并充分利用畢業(yè)設計成果的運行，回答直到專家滿意為好。
4.成績評定
評定成績的根據(jù)主要有幾個方面：一是畢業(yè)設計的質量；二是答辯的表現(xiàn)，而答辯的表現(xiàn)不低于畢業(yè)設計的質量；三是選題報告；四是畢業(yè)設計中期匯報；五是材料購買的價格及質量的好壞的評定；六是產品加工、裝配后的運行效果如何。成績評定分優(yōu)秀、良好、及格和不及格四個檔次。
三、產品的形成
購買小組的同學要進行市場調研，了解材料及各種零件的性價比。把需要的材料、外購件及標準件買回來。
負責加工小組的同學了解零件使用的材料及性能，熟悉零件圖紙，了解加工方法及加工設備。同學們有的要進行鉗工加工、焊接、車工加工、數(shù)控加工、線切割，等等。
裝配小組要了解機電設備的裝配工藝過程，做好裝配前的準備工作，研究和熟悉產品裝配圖及有關的技術資料，了解產品的結構，各零件的作用，相互關系及連接方法。確定裝配方法，確定裝配順序，檢查裝配時所需的工具、量具和輔具，對照裝配圖清點零件、外購件、標準件，等等。對裝配零件進行清理和清洗，對某些零件還需進行裝配前的鉗加工（如：刮削、修配、平衡試驗、配鉆、鉸孔，等等）。先進行組件裝配，再部件裝配，最后總裝配。調節(jié)零件和機構的相互位置、配合間隙、結合松緊，等等，使機構或機器工作協(xié)調(軸承間隙、鑲條位置、齒輪軸向位置的調整，等等）。用量具或量儀對產品的工作精度、幾何精度進行檢驗，直至達到技術要求為止。進行空運轉和負載運轉，試驗其靈活性、振動、溫升、密封性、轉速、功率、動態(tài)性能。凡要求不發(fā)生漏油、漏水和漏油的零件或部件在裝配前都需做密封性試驗。為了防止不加工面銹蝕和使產品外表美觀要進行噴漆和涂油處理。
四、實物成果演示
學生通過親自動手購買材料，加工零件，組裝產品，試運轉，收獲了成果，感到五年的學習還是有成效的，心理上得到滿足。小組成員輪流擔任演示員，向評委專家、企業(yè)領導、學生家長及學校領導、老師和學生展示自己的成果，向他們解說產品的功能；也是向領導、老師、同學們匯報自己五年來的學習是有效的勞動；還可以把自己畢業(yè)設計產品的制作過程用相機錄制下來，作為自己就業(yè)時的一種很好的推薦材料。
五、成果擴大
經過05級學生的第一次畢業(yè)設計的成功，我們對五年制高職畢業(yè)設計的前景有了很大的信心；06機電大專我們也選擇了10個不同課題，不同的是畢業(yè)設計指導老師的經驗豐富多了，把05機電學生畢業(yè)設計的優(yōu)缺點分析給06的學生聽，讓他們在畢業(yè)設計中少走彎路；07機電大專也選擇了10個不同的課題，他們畢業(yè)設計的質量將會越來越高?，F(xiàn)在我們的畢業(yè)設計成果展覽室的樣品越來越多，我們誠心地邀請領導、專家和同行們來我校指導、交流。
五、結語
我校機電專業(yè)的學生，通過畢業(yè)設計，既能符合普通大專生理論畢業(yè)設計的要求，又能把五年制高職學生的技能水平展示出來。這向社會說明在職業(yè)學校的學習是有很大收獲的，展示了高職學校學生的能力，向社會交出了一份滿意的答卷。
參考文獻：
［1］張桂香主編.機電類專業(yè)畢業(yè)設計指南.機械工業(yè)出版社.
［2］張華主編.電類專業(yè)畢業(yè)設計指導.機械工業(yè)出版社.
［3］孫波主編.機械專業(yè)畢業(yè)設計寶典.西安電子科技大學出版社.
［4］宋守許，劉志峰，夏鏈，李軍鵬，李旗號.工科大學畢業(yè)設計調查及其分析.合肥工業(yè)大學學報.
［5］韓曉燕，張彥通，李漢邦.對本科教學工作水平評估中畢業(yè)設計評審的分析和建議.高教發(fā)展與評估.
篇4
目 錄
第1章 前言............................................................. 1
1.1 選題背景. 1
1.2 設計目的. 1
1.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢. 1
第2章 機械手各部件的設計. 3
2.1機械手的總體設計. 3
2.1.1 機械手總體結構的類型. 3
2.1.2 具體設計方案. 4
2.2機械手手爪結構的設計. 4
2.2.1 設計要求. 4
2.2.2 驅動方式. 5
2.2.3 典型結構. 5
2.2.4 具體設計方案. 6
2.3機械手手腕結構的設計. 7
2.3.1 手腕結構的設計要求. 7
2.3.2 具體設計方案. 7
2.4機械手手臂構的設計. 8
2.4.1 手臂結構的設計要求. 8
2.4.2 具體設計方案. 8
2.5機械手腰座結構的設計. 9
2.5.1 腰座結構的設計要求. 9
2.5.2 具體設計方案. 9
2.6機械手的機械傳動機構的設計. 10
2.6.1 傳動機構設計應注意的問題. 10
2.6.2 常用的傳動機構形式. 10
2.6.3 具體設計方案. 11
2.7機械手驅動系統(tǒng)的設計. 12
2.7.1 常用驅動系統(tǒng)及其特點. 12
2.7.2 具體設計方案. 12
2.8機械手手臂的平衡機構設計. 12
2.8.1 平衡機構的形式. 12
2.8.2 具體設計方案. 13
第3章 理論分析和設計計算. 14
3.1電機選型有關參數(shù)計算. 14
3.1.1 有關參數(shù)的計算. 14
3.1.2 電機型號的選擇. 16
3.2液壓傳動系統(tǒng)設計計算. 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)行元件運動控制回路. 19
3.2.3 液壓源系統(tǒng)的設計. 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 計算和選擇液壓元件. 26
第4章 機械手控制系統(tǒng)的設計. 28
4.1系統(tǒng)硬件設計. 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外部接線設計. 31
4.1.7 I/O地址分配. 32
4.2系統(tǒng)軟件設計. 33
4.2.1 控制主程序流程圖. 33
4.2.2 控制程序設計. 34
結論. 51
致謝................................................................52
參考文獻.......................................................... 53
第一章 前言
1.1選題背景
由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學技術的不斷提高，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)自動化的要求，因此，必須利用先進設備生產自動化機械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機械手是其發(fā)展過程中的重要產物之一，它不僅提高了勞動生產的效率，還能代替人類完成高強度、危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。在機械行業(yè)中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更為普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。但目前我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機械行業(yè)自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計具有重要意義。
1.2設計目的
目前，我國大多數(shù)工廠的生產線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強度大、生產效率低，而且具有一定的危險性，已經滿足不了生產自動化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率，降低成本，并使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應現(xiàn)代機械行業(yè)自動化生產的要求，針對具體生產工藝，結合機床的實際結構，利用機械手技術，設計用一臺上下料機械手代替人工工作，以提高勞動生產率。本機械手主要與數(shù)控機床組合最終形成生產線，實現(xiàn)加工過程的自動化和無人化。
1.3發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
目前，國內外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：
一．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。
二．工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，結構小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。
三．機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，還引進了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發(fā)展。
四．關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機械手產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機械手開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(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、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機械手產品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。
總的來說，大體是兩個方向：其一是機械手的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產加工相聯(lián)系，性價比高，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。
第二章機械手各部件的設計
2.1機械手的總體設計
2.1.1機械手總體結構的類型
工業(yè)機械手的結構形式主要有四種：直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構和關節(jié)型結構。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下：
1.直角坐標機械手結構特點
直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.a。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運動位置精度高，但此種類型機械手的運動空間相對較小，如要達到較大運動空間，則要求機械手的尺寸足夠大。直角坐標機械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)。直角坐標機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。
2.圓柱坐標機械手結構特點
圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.b。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機械手構造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運作業(yè)。
3.球坐標機械手結構特點
球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.c。其工作空間是一個類球形的空間。這種機械手結構簡單、成本較低，但精度不很高，主要應用于搬運作業(yè)。
4.關節(jié)型機械手結構特點
關節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的，如圖2-1.d。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結構緊湊，占地面積小。此種機械手在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)。關節(jié)型機械手又分為水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。
2.1.2具體采用方案
如圖2-2所示機械手模擬工作布局圖，根據(jù)實際操作的需要，該機械手在工作中需要3種運動，其中手臂的伸縮和立柱升降為直線運動，另一個為手臂的回轉運動，因此其自由度數(shù)目為3，綜合考慮，應選擇圓柱坐標機械手結構，其結構簡單，工作范圍相對較大，且有較高的精度，滿足設計要求。
2.2機械手手爪結構設計
2.2.1設計要求
手爪是用來進行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的不同，分為搬運用、加工用、測量用等。搬運用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機械手附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)；測量用手爪是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。
機械手手爪設計有如下要求：
1、機械手手爪是根據(jù)機械手作業(yè)要求來設計的。既根據(jù)其應用場合設計手爪，在滿足作業(yè)要求的前提下，機械手手爪還要求體積小、重量輕、結構緊湊。
2、機械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結構上很復雜，甚至很難實現(xiàn)，從工業(yè)實際應用出發(fā)，應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機械手手爪，加之以快速更換裝置，以實現(xiàn)機械手的多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的手爪去完成多種作業(yè)，以考慮設計的經濟效益。
3、機械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不同的機械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標準化。
4、機械手手爪要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。
2.2.2驅動方式
一般工業(yè)機械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉型和移動型；按夾持方式來分，有外夾式和內撐式兩種。
機械手夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種：
1.氣動驅動方式
這種驅動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節(jié)閥來調節(jié)其運動速度。由于氣動驅動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。
2.電動驅動方式
電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。電動驅動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產生火花和發(fā)熱。
3.液壓驅動方式
液壓驅動方式是利用液壓系統(tǒng)進行控制，傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。
2.2.3典型結構
機械手手爪的典型結構有以下五種：
1.楔塊杠桿式手爪
利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。
2.滑槽式手爪
當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應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生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。
4.齒輪齒條式手爪
通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。
5.平行杠桿式手爪
采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，且比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小得多。
2.2.4具體設計方案
結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。驅動活塞往復移動，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定。本設計按照工件的直徑為50mm來設計。手爪的具體結構形式如圖2-3所示：
2.3機械手手腕結構的設計
機械手手腕是機械手操作機的最末端，與手爪相連接，它與機械手手臂配合，使手爪在空間運動，完成所需要的作業(yè)動作。
2.3.1 手腕結構的設計要求
1、由于手腕安裝在機械手末端，因此要求手腕設計應盡量小巧輕盈，結構緊湊。
2、根據(jù)作業(yè)需要，設計機械手手腕的自由度。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)的適應能力也愈強。但自由度的增加，必然使腕部結構更復雜，控制更困難，成本也會相應增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。
3、為實現(xiàn)腕部的通用性，要求有標準的連接法蘭，以便于和不同的機械手手爪進行連接。
4、為保證工作時力的傳遞和運動的連貫，腕部結構要有足夠的強度和剛度。
5、要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。
6、手腕各關節(jié)軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。
2.3.2具體設計方案
通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結梁）結構見圖2-4。
2.4機械手手臂結構的設計
2.4.1手臂結構的設計要求
機械手的手臂在工作時，要承受一定的載荷，且其運動本身具有一定的速度，因此，機械手手臂的設計需要遵循以下設計要求：
1、工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系，因此手臂尺寸設計應合理，一般滿足其工作空間即可。
2、為了提高機械手的運動速度與控制精度，應在保證機械手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。
3、應盡可能使機械手手臂各關節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學正逆運算簡化，有利于機械手的控制。
4、機械手各關節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。
5、為提高機械手手臂運動的響應速度、減小電機負載，機械手的手臂相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡。
2.4.2具體設計方案
由于機械手手臂運動為直線運動，且考慮到搬運工件的重量較大（質量達30KG），以及機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅動方式。通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執(zhí)行運動件，因此不用再額外設計執(zhí)行件；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。
由于液壓系統(tǒng)能提供很大的驅動力，因此驅動力和結構的強度都較容易實現(xiàn)，其關鍵在于機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的設計。因此手臂液壓缸的設計原則是液壓缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下），再進行強度的較核。
同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，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，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結構、穩(wěn)定性的問題。
2.5機械手腰座結構的設計
2.5.1腰座結構的設計要求
機械手的腰座，就是機械手的回轉基座。它是機械手的第一個回轉關節(jié)，承受了機械手的全部重量。因此在設計機械手腰座結構時，有以下設計要求：
1、由于腰座要承受機械手全部的重量和載荷，因此，機械手腰座的結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力，且腰座是機械手的第一個回轉關節(jié)，它對機械手末端的運動精度影響最大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度。
2、腰部結構要便于安裝、調整。要有可靠的定位基準面和調整機構。且腰座要安裝在足夠大的基面，以保證機械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。
3、腰部的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器及減速器。驅動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。
4、為了減輕機械手運動部分的慣量，提高控制精度，要求回轉運動部分由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。
2.5.2具體設計方案
腰座回轉的驅動形式主要有兩種，一是電機通過減速機構來實現(xiàn)，二是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現(xiàn)?？紤]到腰座是機械手的第一個回轉關節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅動來實現(xiàn)腰部的回轉運動。因為電動方式控制的精度高，結構緊湊，不用額外設計液壓系統(tǒng)及其輔助元件。由于電機都不能直接驅動，并考慮到轉速以及扭矩的具體要求，故采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。由于齒輪傳動存在著齒側間隙，影響傳動精度，故僅采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時為了減小傳動誤差，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具體結構如圖2-5所示：
2.6機械手的機械傳動機構設計
2.6.1傳動機構設計應注意的問題
由于傳動部件直接影響著機械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應能力，因此，在設計機械手的傳動機構時要注意以下問題：
1、機械手的傳動機構要力求結構緊湊，重量輕，體積小，以提高機械手的運動速度及控制精度。并在傳動鏈及運動副中采用間隙調整機構，以減小反向空回所造成的運動誤差。
2、盡量減少系統(tǒng)運動部件的靜摩擦力，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、盡量縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度。
4、選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加速能力。
5、適當?shù)淖枘岜取Ｗ枘岜仍酱?，零件產生振動時最大振幅越小，衰減越快。但大的阻尼會使系統(tǒng)誤差增大，精度降低。故應采取合適的阻尼比。
2.6.2常用的傳動機構形式
常用的機械傳動機構主要有螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動等。
1.螺旋傳動
它主要是用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)龋挥幸詡鬟f運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。
2.齒輪傳動
在機械手中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。
齒輪傳動部件是轉矩、轉速和轉向的變換器，用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動時，齒輪傳動形式及其傳動比必須是最佳匹配，應滿足驅動部件與負載之間的位移及轉矩、轉速的匹配要求，其輸入電動機為高轉速，低轉矩，而輸出則為低轉速，高轉矩，且系統(tǒng)要有足夠的剛度。同時，為保證在同一驅動功率時，其加速度響應最大，還要求其轉動慣量盡量小。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，不產生傳動死區(qū)，要盡量采用齒側間隙小，精度高的齒輪，并采用調整齒側間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低成本。
3.鏈傳動
在機械手中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機械手末端的重量，一般都將腕關節(jié)驅動電機安裝在小臂后端或大臂關節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。
4.同步帶傳動
同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈傳動優(yōu)點的一種新型傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，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力材料制成嚙合齒，通過齒間嚙合進行傳動。其特點是傳動比準確、傳動效率高（可達98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10，結構緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機械手中使用很多。
2.6.3具體設計方案
因為選用了液壓缸作為機械手的手臂，它既是關節(jié)結構，又是動力單元，因此不需要中間傳動機構，既簡化了結構，又提高了精度。而其腰座的回轉采用步進電動機驅動，而電動機不能作為直接驅動元件，因此為取得較大的轉矩，經分析比較，選擇圓柱齒輪傳動。為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，以較大的降低電機轉速，使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。
2.7機械手驅動系統(tǒng)設計
2.7.1常用驅動系統(tǒng)及其特點
工業(yè)常用驅動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可將這三種基本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下。
1.液壓驅動系統(tǒng)
具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動、精度高等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機械手。
2.氣動驅動系統(tǒng)
具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機械手中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械手中。
3.電動驅動系統(tǒng)
具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特點。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，但大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構。
2.7.2具體設計方案
在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素，機械手腰部的旋轉運動需要一定的定位控制精度，因此采用步進電動機來實現(xiàn)。由于手臂采用液壓缸，故用液壓驅動。隨著機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行驅動。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 機械手手臂的平衡機構設計
直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機械手可以通過合理布局，優(yōu)化設計結構，使得手臂本身可能達到平衡。關節(jié)機械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅動器的負荷，同時縮短啟動時間。
2.8.1平衡機構的形式
1.配重平衡機構
這種平衡裝置結構簡單，平衡效果好，易于調整，工作可靠，但增加了機械手手臂的慣量與關節(jié)軸的載荷。一般在機械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機構。
2.彈簧平衡機構
彈簧平衡機構，機構簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應用廣泛。
3.活塞推桿平衡機構
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的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復雜，因此造價高，設計、安裝和調試都增加了難度，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具體設計方案
因為本機械手采用圓柱坐標型的結構，而且在手臂的結構設計以及整個機械手的設計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設計結構，使得手臂本身盡可能達到平衡。若實際工作中平衡結果不滿足，則設置彈簧平衡機構進行平衡。
第3章 理論分析和設計計算
3.1電機選型有關參數(shù)計算
3.1.1有關參數(shù)的計算
1.若傳動負載作直線運動（通過滾珠絲杠）則有
具體到本設計，因為步進電機是驅動腰部的回轉，傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。
因為腰部回轉運動只存在摩擦力矩，在回轉圓周方向上不存在其他的轉矩，則在回轉軸上有；
3.1.2電機型號的選擇
根據(jù)以上計算結果，并綜合考慮各方面因素，決定選擇北京和利時電機技術有限公司（原北京四通電機公司）的步進電機，具體型號為：
110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301，該步進電機高轉矩，低振動，綜合性能很好，各項參數(shù)如表3-2。
其中 110BYG550B-SAKRMA-0301型步進電機矩頻特性曲線和相關技術參數(shù)。如圖3-3所示
驅動方式為升頻升壓 ，步距角為0.36°。同時因為腰部齒輪傳動比為1：120，步進電機經過減速后傳遞到回轉軸，回轉軸實際的步距角將為電機實際步距角的1/120（理論上），雖然實際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實際回轉軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相當高，完全滿足機械手的定位精度要求。
3.2液壓傳動系統(tǒng)設計計算
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，液壓缸實現(xiàn)直線運動，液壓馬達實現(xiàn)回轉運動。二者的特點及適用場合見表3-1：
因為機械手設計為圓柱坐標形式，且具有3個自由度，一個為腰座的轉動，兩個為手臂的移動自由度。同時考慮機械手的工作環(huán)境和載荷對其布局和定位精度的要求，以及計算機的控制的因素，腰部的回轉用電機驅動實現(xiàn)，機械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實現(xiàn)直線往復運動。
3.2.2擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路
液壓執(zhí)行元件確定后，其運動速度和運動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現(xiàn)。相應的調速方式有節(jié)流調速、容積調速以及二者結合的容積節(jié)流調速；方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。
本設計的速度的控制主要采用節(jié)流調速，利用用比較簡單的節(jié)流閥來實現(xiàn)，而方向控制采用電磁換向閥來實現(xiàn)。
3.2.3液壓源系統(tǒng)的設計
液壓系統(tǒng)的工作介質完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調速系統(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，多余的油經溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調速系統(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)中雜質流回油箱，可在回油路上設置磁過濾器。根據(jù)液壓設備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。
本設計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來調定系統(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)的液壓油進行凈化。
3.2.4繪制液壓系統(tǒng)圖
本機械手的液壓系統(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、張開三個執(zhí)行機構。
其中，泵由三相交流異步電動機M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。
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)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。當5DT得電時，工作液體經由節(jié)流閥V5進入柱塞缸，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當6DT失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪迅速松開。
另外，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用V2構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，他們是設計液壓系統(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)行元件的運動速度和結構尺寸。
1.計算液壓缸的總機械載荷
3.液壓缸主要參數(shù)的確定
考慮到機械手的特點，系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結構和運動的穩(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)設計階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調速回路和元件來實現(xiàn)。經過仔細分析，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；
因為伸縮缸的作用主要是實現(xiàn)直線運動，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因為手爪夾持工件，受力方向為垂直方向），軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質為彎矩，使其產生彎曲變形。而且因為機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，在水平伸縮缸的設計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結構布局設計，使其具有盡量大的剛度。為了達到這個目的，設計中采用了兩個導向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導向問題。另一方面，為增大結構的剛度和穩(wěn)定性，將兩個導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。
因為垂直液壓缸所承受的載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，滿足此處的驅動力要求是輕而易舉的，要解決的關鍵問題仍然是它的結構設計能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同樣采用了導向桿機構，圍繞垂直升降缸設置四根導桿，較好的解決了這一問題。
4.液壓缸強度的較核
（1）活塞桿直徑的較核
3.2.6計算和選擇液壓元件
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，在標準元件的產品樣本中選取各控制元件。
2. 液壓泵的計算
第4章 機械手控制系統(tǒng)的設計
4.1硬件設計
4.1.1操作面板布置
操作面板布置如圖4-2所示：
機械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種。
1.手動操作：就是用按鈕作機械手的每一步運動進行單獨的控制。當選擇升／降按鈕時，按下啟動按鈕，機械手上升；按下停止按鈕時，機械手上升。當選擇正轉/逆轉按鈕時，按下啟動按鈕，機械手順時針轉動，而按下停止按鈕時，機械手逆時針轉動。同理，當選擇夾緊/放松按鈕時，按下啟動按鈕，機械手爪夾緊，而按下停止按鈕時，手爪松開。
2.自動操作：機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機械手將繼續(xù)完成一個周期動作后，回到原點位置。
4.1.2工藝過程與控制要求
機械手的動作有腰座的旋轉，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現(xiàn)驅動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現(xiàn)；腰座旋轉通過步進電動機與齒輪來實現(xiàn)。
其中，液壓缸由相應的電磁閥控制，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，當下降電磁閥通電時，機械手下降；斷電時，機械手下降停止；當上升電磁閥通電時，機械手上升；斷電時，機械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅動器、感應式位移傳感器構成的回路進行調節(jié)控制。
實現(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，當線圈不通電時，柱塞缸不工作，當線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。
當機械手旋轉到機床上方，并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在機床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業(yè)。同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。
4.1.3作業(yè)流程
機械手工作流程如圖4-1所示：
從原點開始，按下啟動鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，同時手爪夾緊，抓住工件； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC開始輸出高速脈沖，驅動機械手逆時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 接著下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，機械手到達卡盤中心高度； 機械手開始水平定位后縮，將工件裝入機床卡盤； 當工件裝入到位后，卡盤收緊； 機械手松開手爪，準備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC啟動高速脈沖驅動機械手作順時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動，機械手回到原點待命； 機床進行加工。
當數(shù)控機床加工完一個工件時，發(fā)送下料命令給機械手，機械手接到命令后，PLC馬上輸出脈沖驅動機械手逆時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，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；機床卡盤松開； 機械手開始前伸，將工件從機床上取出，準備運走； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC輸出高速脈沖，驅動機械手順時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后碰到下限行程開關，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，放下工件準備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止同時手爪也閉合復原； 接著機械手水平手臂開始后縮，準備回原點，當后縮到位時，后縮停止，機械手回到原點，一個上下料過程結束； 機械手在原點等待命令，準備下一個工作循環(huán)。
機械手的每次循環(huán)都從原點位置開始動作。
4.1.4控制器的選型
機械手控制系統(tǒng)的硬件設計上考慮到機械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器應選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設計開發(fā)的工業(yè)控制器---PLC，故選擇在國內應用較多的西門子S7-200型PLC。具體型號為SIMATIC S7-200 CPU224。如圖4－3所示：
該PLC集成14，輸入/10，輸出共24個數(shù)字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點，具有16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz 高速計數(shù)器，2路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個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。是具有較強控制能力的控制器。
4.1.5控制系統(tǒng)原理分析
由于機械手作業(yè)時，取、放工件和裝、卸工件都有較高的定位精度要求，所以在機械手控制中，除了要對垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進驅動進行開環(huán)控制外，還要對水平手臂進行閉環(huán)伺服控制。
為了減少PLC的I/O點數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點。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行比較后形成的控制信號經過PID調節(jié)和功率放大后，驅動電液伺服閥對液壓缸進行伺服定位。PLC將上位機輸入的給定信號轉換為電壓信號，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點，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，也是完全能滿足工作要求的。
4.1.6 PLC外部接線設計
為實現(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（詳細的硬件設計見圖紙）
4.1.7 I/O地址分配
詳細參見表4-1、4-2：
4.2軟件設計
4.2.1控制主程序流程圖
機械手控制主程序流程圖如圖4-6所示：
結 論
本設計通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年所學知識進行整合，完成一個特定功能、滿足特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設計，比較好地體現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，實現(xiàn)了理論和實踐的有機結合。
機械手采用可編程序控制器控制，可以實行手動調整、手動及自動控制。系統(tǒng)結構緊湊、工作可靠，設計周期短且造價較低。PLC有較高的靈活性，當機械手工藝流程改變時，只要對I/O點的接線稍作修改，或對I/O重新分配，在控制程序中作簡單修改，補充擴展即可。經過重新編制相應的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。
綜上，經過資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設計論文的撰寫等各個環(huán)節(jié)，我對大學四本科階段的知識有了一個整體的深層次的理解，同時對工程的理解更加深刻和準確。因此，通過畢業(yè)設計實現(xiàn)了預期目標。
致 謝
經過一段時間的努力，本次畢業(yè)設計終于完成。在這段時間里，我運用大學所學知識，通過對本設計的論證、計算以及圖紙的繪制，對大學所學知識進行了一次系統(tǒng)的整合，使自己的理論和實際動手能力有了很大提高。
此次畢業(yè)設計能夠順利完成，我得到了很多老師和同學的幫助和支持，在此向他們表示感謝。在此畢業(yè)設計過程中，尤其要感謝我的指導老師，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，由于個人知識能力水平有限，論文中難免有紕漏錯誤指出，懇請各位老師批評指正，謝謝！
參考文獻
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篇5
摘 要：為了培養(yǎng)卓越人才的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，以項目為主線、教師為主導、學生為主體，通過項目驅動能力培養(yǎng)，同時為產品衍生項目。讓學生在工程實踐項目的研發(fā)過程中培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。實踐證明，項目驅動方式更容易激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。
關鍵詞 ：創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)；實踐教學；項目驅動
中圖分類號：G644文獻標識碼：A文章編號：1673-260X（2015）08-0244-02
基金項目：福建省教育科學“十二五”規(guī)劃項目重點課題（No。 FJJKCGZ14-066）； 廈門市教育科學“十二五”規(guī)劃2014年度立項重點課題（14003）
1 引言
作為一所親產業(yè)大學，我校一直注重學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，強化“關產業(yè)痛癢、應產業(yè)所求、納產業(yè)精華、為產業(yè)服務”的親產業(yè)辦學理念，樹立“面向工業(yè)界、面向未來、面向世界”的工程教育宗旨，以海西工業(yè)企業(yè)的發(fā)展需求為導向，通過與先進企業(yè)開展“互利雙贏”的校企合作，共建以實際工程為背景、以工程技術為主線的卓越工程師聯(lián)合培養(yǎng)體系，著力提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力。
特別是我校作為卓越工程師試點培養(yǎng)高校，堅持以學生為本，知識、能力、素質協(xié)調發(fā)展的理念，緊密結合地方經濟發(fā)展的實際需要，秉承我校“知行合一 工學結合”人才培養(yǎng)模式，構建以就業(yè)為導向的實踐性、創(chuàng)新型、應用型人才培養(yǎng)體系，為機械行業(yè)培養(yǎng)定位清晰、特色鮮明、創(chuàng)新素質高、動手能力強、勤勞務實的高級專門人才。
2 學科競賽與創(chuàng)新實驗項目結合，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)有機結合的教學體系
建立了與地方業(yè)界共建多贏的長效機制。各專業(yè)組建了有業(yè)界精英和外校專家參與的專業(yè)建設指導委員會，每年還聘請企業(yè)技術、管理骨干來校兼課、指導實習和畢業(yè)設計（論文）。如圖1所示項目驅動下創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)體系，形成多種校企合作模式。學?，F(xiàn)已形成三種校企合作模式：一是共建實驗實訓場所，如PLC控制實驗室、全自動機械手研發(fā)實驗室、數(shù)控技術實驗室等。二是項目帶動人才培養(yǎng)，如全液壓干冰成型機、威盛叉裝車工作裝置研制等，人才培養(yǎng)；三是共建校外實踐基地，如松霖科技、廈工機械、東風汽車股份有限公司、冠捷科技有限公司、路達科技有限公司、林德叉車等一批知名企業(yè)，在實踐環(huán)境、工程項目和指導力量等方面，為學生開展實踐活動提供條件。
3 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐教育
為了把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育落到實處，在實踐教學中，為學生開辟設計型和綜合型的實驗，在項目的帶動下進行實驗教學；充分結合學科競賽，鍛煉和培養(yǎng)學生的獨立的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。
實踐教學目標并結合自己的研究方向和課題引入項目的內容并將項目合理地分成若干教學模塊（子項目、任務），以“項目為主線、以完成任務為‘驅動’、教師為主導、學生為主體”，充分利用各種先進的教學手段和方法，創(chuàng)設任務情境，為學生提出由表及里、循序漸進的學習途徑，充分調動學生學習的積極性，讓學生在完成任務的同時掌握最新的、實用的專業(yè)知識并充分利用課程設計、生產實習、畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)，讓學生連貫起來獲得實際工程項目的從分析、設計到實現(xiàn)的完整過程的訓練給學生提供參與科研項目的機會，劃分部分任務讓學生完成，使學生能夠理論聯(lián)系實際，激發(fā)學習興趣，提高學生動手能力。如圖2所示。
讓學生參與各項機械創(chuàng)新設計大賽、無碳小車比賽、挑戰(zhàn)杯、方程式賽車等具體項目中來。它以學生主動性學習為基礎，要求學生當主角、由學生通過實際動手操作、解決實際工程問題的實踐來學習優(yōu)化設計知識和技能。它給學生的主動性更大，使學生通過自身的經歷了解優(yōu)化過程的行進，在設計具體實例的過程中主動地去學習優(yōu)化知識，從而學會運用優(yōu)化知識。鼓勵學生參加各種競賽如挑戰(zhàn)杯賽，機械創(chuàng)新設計大賽，無碳小車比賽、挑戰(zhàn)杯、方程式賽車比賽、電子創(chuàng)新設計大賽和機器人大賽等，強化、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、工程意識以及科研開發(fā)能力。向學生開放實驗室，提供良好的實驗條件，讓學生動手實踐，達到理論與實踐交融的教學目的。
4 效果與特色
學生在創(chuàng)新實驗項目中，根據(jù)自己的興趣愛好制作小型產品。在機械創(chuàng)新設計大賽中學生的工程實踐能力得到了很大的提升，如圖3所示在機械創(chuàng)新設計大賽中設計的教學用箱式全息投影儀及自動伸縮桌子。特別是學生在參與實踐項目的設計研發(fā)過程中，把所學的知識應用到工程實踐中解決問題，跟著工程師和老師學到了很多書本上或課堂中老師沒講的知識，如圖4、5所示學生在現(xiàn)場進行工程實際項目的研發(fā)及產品的調試工作；同時從實踐工程中檢驗自己所學的理論知識。學生發(fā)現(xiàn)在學校所學的理論知識要應用到實踐問題中，有很大的差距，如何靈活應用自己所學的專業(yè)理論知識來分析和解決實踐問題，那才是最關鍵的。在這些實踐過程中，同學們體會到了收獲了成功的喜悅和自信，進一步激勵他們參與到實踐課題的研究中，這樣不斷的形成良性循環(huán)，激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)。畢業(yè)跟蹤調研發(fā)現(xiàn)：參與這類實踐項目的學生，在工作中實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力較強。所以很多用人單位提前主動聯(lián)系高校，預定創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力強的學生。圖所示是學生根據(jù)自己在機械創(chuàng)新設計大賽中的產品，申請授權了相應的實用新型專利。
5 結論
創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育需要高校的建立起長效的培養(yǎng)機制，并把每個教學實踐過程落到實處，那學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力才得以激發(fā)和培養(yǎng)。讓學生主動帶著問題去學習，在解決問題的實踐過程中挖掘和梳理理論知識。不到形成良性互動循環(huán)過程。
參考文獻：
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篇6
【中圖分類號】G71 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-9646(2008)09(a)-0040-01
德國的整個教育是以職業(yè)教育為重點的結構體系。職業(yè)教育的線路從中學開始,延伸到終生教育。其職業(yè)性特色以及其規(guī)范性、嚴密性等方面在世界上都是首屈一指的。德國把職業(yè)教育當作自身經濟發(fā)展的“秘密武器”。德國的自然資源并不豐富,但他們以提高人的素質來彌補。在操作上,按照德國職業(yè)教育法的規(guī)定,嚴格把住“就業(yè)者必須先接受正規(guī)的職業(yè)教育”這一關,青年們不經過正規(guī)職業(yè)培訓,不準進入職業(yè)生涯。另一方面,德資在華企業(yè)迫切需要這種既懂德語,又懂專業(yè)技術的FH高級應用型人才。自1998年始,上海―德國漢堡友好城市文化交流項目:上海漢堡國際工程學院的合作辦學項目招生。學生畢業(yè)時可獲得上海理工大學畢業(yè)文憑和附有德國教授簽名的成績單。由于項目已通過ASIIN(德國工程學科專業(yè)認證機構)的認證,合格畢業(yè)生不出國門即可獲得中、德雙學士學位。
目前,已有數(shù)屆畢業(yè)生進入德資企業(yè),并成為企業(yè)的骨干。他們大都具有較強的德語交流能力、較強的工作適應能力和一定的科研開發(fā)、技術應用和組織管理能力,能從事引進技術的消化吸收,新技術的應用開發(fā)等工作,并能直接運用德語和德方工程技術人員進行工作交流。還有相當數(shù)量的畢業(yè)生選擇直接赴德國進一步深造。
德國的職業(yè)教育水平在世界上都是首屈一指的。結合我國國情,其經驗有許多是可以借鑒的。上海理工大學中德學院在整個教學過程中采用FH高級工程應用型人才教育模式。
1 動態(tài)調整課程的設置
中德工程學院的專業(yè)以工程科學為主體,注重學科交叉,同時賦予學生經濟管理與信息技術等知識,以此培養(yǎng)學生跨學科的專業(yè)能力。 在借鑒德國應用科技大學應用型工程教育成功經驗的基礎上,中德雙方專家按共同制訂的教學計劃聯(lián)合培養(yǎng)學生。通過對課程及教學計劃的不斷動態(tài)調整,使課程設置更加合理,適應專業(yè)及技術的發(fā)展。每學期通過專家(包括德方的評估專家)與學生對課程的評價來決定每門課程的舍取。這樣能不斷淘汰不實用的或陳舊的教學內容,充實實用、較先進的教學內容與課程,例如我們在教學計劃中取消某些課程,或在減少一些課程的課時的基礎上,根據(jù)德方評估專家的意見增加了“現(xiàn)場總線與網絡”、“電磁兼容性”“項目設計”等課程;又如根據(jù)學生反映在第二學年的一學期直接由德國教授用德語執(zhí)教“電路分析”及“C語言程序設計”課程,學生學習困難較大,就在第一學年的二學期增設了“電路1”“C語言實習”等中文課程,取得較好的教學效果。
2 強化外語教學
實行中德雙語教學,為此目的,專門安排近1200學時的德語學習,另外還安排300學時以上的英語教學。?中德工程學院的教學目標是為中德兩國企業(yè)經濟界培養(yǎng)應用型國際化人才。學生通過四年本科學習,必須能用德語和英語進行跨國交流,在本專業(yè)領域具有一定專門知識,并基本通曉國際行業(yè)及其它相關領域的規(guī)則。
重視德語與英語教學,新生入學第一學年中,第一學年主要強化德語學習,德語授課為20人左右的小班,全學年有1080學時(周學時28)德語強化學習,師資由中德雙方提供。在后續(xù)教學中,德方教授以德語講授約三分之一的專業(yè)基礎課程及專業(yè)技術課程。此外,大一、大二暑期擇優(yōu)選取約60%的學生赴德國進行語言培訓。
經過一年的德國語言強化訓練每班均有95%的同學能一次通過德國歌德學院德語語言考試,能聽懂德國教授的用德語上的專業(yè)課,并能用德文進行交流。中德合作教育對英語教學也十分重視,從第二學年開始,每學期均開設英語課。
3 重視實踐與計算機輔助教學
在教學計劃中,特別強調學生在整個學習過程中的實習環(huán)節(jié)。德方教授十分重視理論聯(lián)系實際,理論教學的內容并不深,但與實踐緊密聯(lián)系。在實驗教學中刻意模擬企業(yè)的實際工作現(xiàn)場及實際應用。同時每門課程均引入了計算機輔助實驗教學或計算機仿真。在第四學年開設“綜合項目設計”課程,并推薦所有的學生到德資企業(yè)實習,有相當部分的學生實習后繼續(xù)留在實習單位進行畢業(yè)設計。而絕大部分同學完成畢業(yè)設計后留在該企業(yè)工作,這時學生對該企業(yè)的工作崗位已經相對熟悉了。
學生的畢業(yè)論文題目大多來自生產實踐第一線,少數(shù)在校內完成的課題也為學生提供了較好的實踐環(huán)境,以04屆畢業(yè)生為例,學院為學生配備了價值近十萬的計算機和現(xiàn)場總線等設備。組合各專業(yè)的學生,進行專業(yè)分工分別完成傳輸帶、機械手設計及計算機編程與控制等任務。最后,學生的畢業(yè)論文必須分別通過中方(用中文)和德方(用德文)答辯。
4 引進優(yōu)勝劣汰的競爭機制
中德合作培養(yǎng)的學生要求在第一學年結束后參加德語言能力考試(包括口試、筆試),不及格的學生允許再補考一次,若補考不及格將不能授予德國學位。同樣一門課程三次補考不及格,也不能授予德國學位,并允許不能授予德國學位的學生轉讀普通班(非中德合作班)。另外,每年都有一定比例優(yōu)秀學生經德方面試赴德國的知名企業(yè)實習。學校和一些德企還給予優(yōu)秀學生獎學金和助學金。
其他的一些措施還有為每門外教課程配備中方助教;學生實習與畢業(yè)設計由企業(yè)工程師、德方教授和中方老師共同指導、監(jiān)督。每年選派中方教師赴德進修或合作開發(fā)項目,加強校企聯(lián)系,聘請在華德資企業(yè)的專家用德語作技術講座等等。
此外學校還十分重視的畢業(yè)生的推薦工作。每年與德國商會合作組織在華德資企業(yè)舉辦招聘會等。
篇7
力學課程是學生在大學階段接觸到的第一門與工程實際相結合的課程，其工程實踐性強，是工科機械類學生進行后續(xù)課學習及從事設計工作所需知識的必備課程。力學經過100多年的積累與沉淀形成了比較經典的理論體系，但工程實際中的仍有一些問題無法得到精確解和完備的理論解釋。隨著近代計算力學的發(fā)展、計算機技術與數(shù)學的發(fā)展，在工程設計中，一些新的設計方法日趨完善與經典力學相互應證，在現(xiàn)代復雜工程設計中充當了重要的角色。材料科學日新月異的飛速發(fā)展，使新興材料的力學性能與傳統(tǒng)材料產生了很大的差別。這些相關學科的發(fā)展都極大的推進了力學的發(fā)展，如何在非力學專業(yè)的機械類學生中進行力學課程的教學，在發(fā)展的時代面前面臨新的問題。
我校是以應用型人才培養(yǎng)為目標，注重培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)，課程組就基礎力學教學與工程應用及工科大學生素質能力培養(yǎng)體系展開研究，圍繞學校辦學特色，結合機械工程、車輛工程、材料工程專業(yè)特點，在基礎力學教學中提出“課程體系貫通化、求解問題工程化、工程構件模型化、教學手段多樣化、經典力學柔性化、反映學科現(xiàn)代化”的建設目標，并實施了改革實踐，突出培養(yǎng)學生的實踐應用能力、抽象簡化能力、初步的科學研究能力和綜合的工程素質。
一、課程體系貫通化
（一）調整教學內容，實現(xiàn)力學課程體系與其它課程貫通
我校機械類工科專業(yè)在力學課后會開出機械原理、機械設計、汽車理論、汽車設計等專業(yè)課，這些課程用到大量的力學知識，而以學科劃分的課程不能反映出學科間的相互聯(lián)系與變化，造成課程體系僵化、課程內容重復、課程信息陳舊等問題。通過調研基礎力學先修課和后續(xù)課的教學內容，適當打破原課程體系的嚴格界限，建立貫通化課程體系，對基礎力學課程的教學內容進行有機組合和優(yōu)化。對于同一類教學內容或采用合并或在力學教學中只簡單復習不再深入討論。重點與后續(xù)專業(yè)課的某些知識點建立聯(lián)系，將后續(xù)課程的研究對象引入力學課堂，這樣，學生在后期的學習中其所用的理論分析體系已經熟悉，專業(yè)課的再次提及既可強化簡力學應用，又可減少理論分析時間，為學生學習專業(yè)課夯實力學基礎。
（二）確立“三年力學學習不斷線”滲透式的教學體系
大學二年級通過兩門基礎力學課程學習力學基本理論和方法，融入力學競賽與力學小課題。大學三年級在有限元法基礎與應用課程中進一步深入力學模型的概念，結合工程實例介紹力學模型構建的思路，并通過典型的力學模型的理論解與仿真結果對比，提高學生的仿真和力學應用分析能力。同時成立CAE課外興趣小組，對學生實行個性化培養(yǎng)。大學四年級將力學課題滲透到課程設計、畢業(yè)設計課題中，進一步強化力學在工程實際中的應用。
二、求解問題工程化
力學問題來源于實踐，回歸于實踐。將力學理論緊密結合實際問題是其立足之本。
（一）深入實際進行調研
通過往屆畢業(yè)生的“基礎力學教學與工科大學生工程素質的培養(yǎng)研究”調研表，了解畢業(yè)生從事的工作中運用力學知識的重要程度、應用的重點內容、應用中理論的充足性以及畢業(yè)生對基礎力學課程教學內容的建議，收集他們在工作中應用力學知識解決實際問題的實例。通過分析總結課程組進一步增強了基礎力學教學改革及培養(yǎng)學生工程應用能力與創(chuàng)新能力的信心。同時對奇瑞汽車公司、東風有限商用車技術中心CAE室等單位進行了調研，了解汽車生產中較為集中的力學設計計算內容及設計部門對基礎力學教學的建議，了解CAE室最新發(fā)展狀況，收集生產部門的具體力學實例，掌握力學在生產實際與前沿研究中的應用，積累了大量的工程素材。
（二）建立工程實例素材的共享庫
通過教師的教學實踐和科研成果的資料收集，整理出上百個與機械和汽車相關的工程實際問題及其力學模型，包含生活領域及自然界中與力學問題有關的趣味例子，形成較為豐富的課程資源庫。這些資源可直接用于教學，為每一章新內容的引入與理論應用提供了良好的工程平臺，由于學生學習目的明確，易于接受，使較為嚴謹?shù)牧W課堂教學吸引力有了極大提升。同時，該工程實例庫面對全體課程組教師實現(xiàn)教學資源共享，不同的經驗可以相互借鑒，為教師整體教學水平的提高和團隊以老帶新打下良好基礎。
（三）根據(jù)自身特點，編寫出版教材
為突出課程培養(yǎng)特色，課程組在配套十一五優(yōu)秀教材的基礎上，編寫工程針對性強的習題冊。一些習題來源于工程實際設計課題，涉及車輛部件、機床結構、機械手、加工工裝及工藝等。習題冊內同時增加一部分有一定深度題目，也涉及實驗測設方法與理論分析相結合的實驗方案確定問題，強化實際應用，拓展學生的思維，培養(yǎng)學生的研究能力。
三、工程構件模型化
力學建模是聯(lián)結力學與工程應用最為重要的紐帶，其重要性毋庸置疑?；谶@點共識，工科高校也紛紛開設力學建模的講座或課程。因此，課程組在課程中為力學建模設置單獨教學單元，就模型簡化的載荷處理、約束處理、等效替換等問題通過實例進行分析。同時，本課程組提出“力學建模貫穿式”教學，該模式符合“三年力學學習不斷線”的教學體系。即在基礎力學學習中，采用概念實例力學模型的教學模式展開，力學模型描述的內容含有構件的幾何、材料、受力和約束模型。而工程結構力學模型的參數(shù)估計和模型的檢驗在后續(xù)有限元法課程中將涉獵。
四、教學手段多樣化
針對教學手段以“處方式”為主、學生“按方取藥”，建立了“課內與課外相結合、多媒體與板書相結合、理論與實驗相結合”的教學模式。
（一）課內與課外相結合
課內教學堅持以學生為主體，教師為主導的原則，在教學手段方面形成了基礎力學課程的教學特色，即基于基礎原理傳授式教學、基于工程背景啟發(fā)式教學、基于力學專題研究型教學、基于思考題討論式教學。在夯實第一課堂的基礎上，大力拓展第二課堂，鼓勵學生不滿足書本上的知識，積極進行課外研究。1）建成基礎力學教學網絡平臺。開發(fā)了一套具有不同教師個性化的、能反映教學過程管理和監(jiān)控的網上輔助教學系統(tǒng)。該教學平臺包括隸屬于每位教師的教學資料、教學管理信息，以及課程公共的資料信息，能夠構建基礎力學課程的課后學習及教師日常教學管理等環(huán)境。考慮到力學系列課程的建設，網站除了開辟了理論力學，材料力學課程外，還增設了流體力學和有限元法基礎等課程。課程網站建設的除包括基本的課程簡介、教學大綱、授課教案、網絡課件、教學錄像、力學實驗外，還包含力學論文、力學自測題、趣味力學、力學小課題和力學名人新穎的內容。為學生課外復習課堂內容，學習課程相關知識提供了便利的條件。2） 開展力學競賽。為提高工科學生力學知識水平及應用能力，鞏固所學的基礎知識、活躍思維和激發(fā)鉆研力學問題的熱情，課題組每年舉辦力學競賽。競賽增進了學生對力學學習和研究的興趣，促進了基礎力學的教學改革。3）考研單獨輔導。基礎力學兩門課程是工科類學生考研的專業(yè)課，分值高達150分。課題組教師收集了各個學校的考研試題，分析總結了試題的知識點、分值分布和解題方法，對需要的學生進行單獨輔導。4）開展力學小課題的活動。充分考慮學生個體化差異，實現(xiàn)常規(guī)教學與個性培養(yǎng)相結合、課內和課外相結合的教學模式，著力培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新能力和綜合應用能力。力學小課題融新穎、靈活、趣味于一體，理論聯(lián)系實際、包括討論題、設計題、利用計算機求解的問題等。
（二）多媒體與板書相結合
課程教學中，采用傳統(tǒng)的黑板教學和現(xiàn)代多媒體技術相結合，利用現(xiàn)代計算機數(shù)值模擬仿真動畫技術，直觀揭示構件各種變形下的應力分布規(guī)律、變形特點等；通過啟發(fā)式教學，揭示知識發(fā)生過程。例如，在講解應力集中問題時，由于缺乏相應的配套實驗，學生往往很難理解。利用通用有限元分析軟件能夠模擬出帶小圓孔方板的應力分布圖，同時還可以引導學生分析孔的大小、形狀及位置與應力集中的關系，如圖1。對于某些強調學生思考的問題，可以在黑板上逐步進行引導，讓學生給出求解思路和方法，這樣的方式互動性強，促進學生主動思考。
（三）理論與實驗相結合
除開出教學基本要求的實驗外，實驗室實行分期全天開放，為學生提供可選做的實驗項目，學生可也利用實驗設備，自行驗證理論、設計實驗。實驗教師開發(fā)出新的設計性實驗項目，實驗內容注重工程背景、追求真刀真槍、突出學科交叉。如：閉口方鋼的性能測試及數(shù)值模擬分析，槽鋼的性能測試及數(shù)值模擬分析等，通過理論計算、電測試驗和仿真模擬，研究結構在變形時的力學性能和特點。在理論層次、實驗方法設計層次方面對學生的實踐應用和研究能力都有一個大的提升。
五、經典力學柔性化
專業(yè)基礎課要“厚”，不僅體現(xiàn)在課程本身的教學內容上，還涉及科研精神的培養(yǎng)與教學中體現(xiàn)的人文精神。
（一）實現(xiàn)基礎力學課程的模塊化教學，由1+1變?yōu)?+2。嘗試多學時力學課程分模塊化教學
使學生分階段重點掌握知識內容，易于學習消化，易于監(jiān)督檢查，在一定程度上防止了學生前期懶散最終一次性復習的不良習慣，培養(yǎng)學生持之以恒進行科學研究的工程素質。經過三輪教學實踐，考試成績分析及試卷分析報告說明：實施模塊化教學能更加全面的考察學生對課程的掌握情況，學生前期內容明顯掌握扎實，避免了大學分課程一次性考試剛度過大的問題，同時幫助學生逐步養(yǎng)成腳踏實地、堅持不懈的優(yōu)良學習習慣，逐步建立做人做事上不要投機取巧的思維模式。
（二）在經典力學教學體系中引入人文教育
力學課程內容嚴謹、邏輯性強、推到繁雜，學生學習有一定的難度。在授課中適當介紹本學科相關歷史和發(fā)展進程及關鍵人物。如，講胡克定律時介紹中國古代鄭玄的貢獻；講梁的合理截面時介紹中國古代對矩形截面梁高寬比的認識；講梁彎曲時介紹圣維南的貢獻等。學生在學習力學知識的同時，對其發(fā)展過程有初步的了解，認識前人在學科發(fā)展中探索研究的艱苦歷程和學科發(fā)展史與人類文明史之間的關系，激發(fā)學生學習興趣和探索鉆研精神。
六、反映學科現(xiàn)代化
筆者認為將課程的前沿內容引入到教學中是對教師能力的一個極大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代科學發(fā)展迅猛，一些傳統(tǒng)的設計方法在碰到復雜大型設計問題上會顯得繁雜而無力，在力學學科中新的技術、理論及應用也在不斷涌現(xiàn)，其理論新、涉及面廣、實用性強。將這些先進的方法融入教學對開拓學生視野無疑具有積極的作用。課程組教師結合自身科研對一些現(xiàn)代先進的科技成果和學科的發(fā)展動態(tài)適當?shù)脑黾?，如：當代力學計算手段有什么，可以應用到什么方面的設計，引入優(yōu)化、非線性、有限元分析技術介紹等。在專項內容方面，講授上除經典理論外，將最新研究成果進行介紹，使學生在這一方面有初步的、較為全面的知識把握。如講授疲勞內容時，將疲勞的新、舊理論進行介紹，闡明單軸與多軸疲勞應力分析之間的區(qū)別與聯(lián)系，對其應用背景進行闡述。在材料力學性能講授時，對新興各向異性復合材料的性能與各向同性經典材料進行對比等。
通過“六化”建設目標的提出和實施，課程組力爭全方位構建培養(yǎng)高素質人才的工科力學教學體系。該體系集基礎性、層次性、系統(tǒng)性為一體，具有“立足培養(yǎng)目標、突出工程背景、張顯與時俱進、強化綜合交叉、體現(xiàn)學科成果”五個特點，為理論與實踐相結合的工程素質教育培養(yǎng)探索出一條有益的道路。
[參考文獻]
[1]李樂山.高等學校進行研究型教學的方法和意義[J].西安交通大學學報,2008,(28).
篇8
1.1.1 課題研究背景
本課題屬于設計性課題。21世紀人類已進入信息社會，汽車及交通也已邁入信息時代。當前信息技術在汽車及交通領域中的應用項目相當多，發(fā)展速度可以說是“日新月異”,各種媒體多有報道。
可大致歸納為4個方面，即車輛安全系統(tǒng)，網絡、通訊及導航系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)和移動多媒體系統(tǒng)。隨著汽車的日益普及, 停車場越來越擁擠, 車輛常常需要在停車場穿行、掉頭或倒車。由于這些低速行駛的車輛與其它車輛非常接近, 駕駛員的視野頗受限制, 碰撞和拖掛的事故時有發(fā)生, 在夜間時則更顯突出。車輛安全系統(tǒng)通過應用電子信息技術，使車輛實現(xiàn)高智能化，極大地改善車輛人機系統(tǒng)的安全性，以避免事故的發(fā)生和減少傷害程度。
1.1.2 選題的目的及意義
本課題把硬件電路和電路軟件有機的結合起來，完成汽車倒車報警系統(tǒng)的設計，能夠了解單片機技術的現(xiàn)狀，而且通過對電路系統(tǒng)的設計，學習掌握了數(shù)字電路從原理圖到PCB版的全部過程，形成完善的設計思路以及思想，并通過對汽車倒車超聲波報警器的軟件設計的過程，鍛煉應用C以及相關匯編語言等軟件設計電路程序的能力為以后參與實際工作奠定良好的設計基礎。
本課題要求使用現(xiàn)在應用非常廣泛的計算機軟件PROTEL，隨著計算機技術的發(fā)展，計算機軟件在電路設計中的應用越來越廣泛， Protel是人們熟悉的常用EDA軟件。作為電路設計自動化（EDA）的一種工具，Protel應用于電路原理圖設計、電路板設計等，它基于Windows環(huán)境，功能強大，人機界面友好，能讓人們在具有最完整的功能環(huán)境下，提升設計上的品質和效率。本課題將要求Protel在電路設計中的應用，包括電路原理圖設計和印刷電路板設計以及設計過程中遇到的問題和解決方法。這樣使學生也能將所學與所用有機結合起來，在步入工作崗位之前得到全方位的工程設計訓練。
通過對汽車倒車報警電路的設計能初步具有用PROTEL軟件設計電路原理圖以及電路版圖的能力。與實際電路相結合，通過理論聯(lián)系實際的方法，使所學的知識通過自己設計思考真正應用到實踐中。
微波探測技術在軍用和民用領域里的廣泛使用，使得通過這次畢業(yè)設計所學到的此方面的知識將會有很強的實用性。本設計要求對汽車倒車超聲波報警器進行硬件設計，可以通過完成本次設計，練習PROTEL軟件的使用，增加硬件設計的經驗。
隨著社會進步，經濟發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，擁有汽車的家庭逐漸增多，交通問題也同時出現(xiàn)了：交通擁擠，各種不同的場合停車、倒車困難。許多非職業(yè)汽車駕駛員更是希望能有一種汽車倒車報警器，在倒車時不斷測量汽車尾部與其后面障礙物的距離，并隨時顯示其距離，在不同的距離范圍內發(fā)出不同的報警信號，以提高汽車倒車時的安全性。
汽車倒車超聲波報警器設計就是為了確保駕駛員和汽車的安全，使駕駛員在倒車時能明確與后面車輛、建筑的距離，確保倒車的安全。它具有顯示功能，能夠客觀顯示車后物體與車尾之間的距離。它可望成為新手駕駛員，以及后視不良車輛如大貨車、公共汽車、集裝箱車等車輛駕駛員倒車的好幫手，也可用于夜間輔助倒車及倒車入庫。
1.2 超聲波測距系統(tǒng)研究現(xiàn)狀以及存在的問題
1.2.1 超聲波測距系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
隨著電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了微波雷達測距、激光測距及超聲波測距。前2種方法由于技術難度大，成本高，一般僅用于軍事工業(yè)，而超聲波測距則由于其技術難度相對較低，且成本低廉，適于民用推廣。這項技術也可用于工業(yè)測量領域。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。隨著自動測量和微機技術的發(fā)展，超聲波測距的理論已經成熟，超聲波測距的應用也非常廣泛。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應用。特別是應用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結構信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結構簡單、體積小、信號處理可靠等特點。因此本設計也是利用超聲波來測量距離。
1.2.2 探測盲區(qū)問題
超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔是由控制器內部的定時器來完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經被測物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串擾問題。這一干擾問題可通過軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開始到"虛假反射波"結束的時間段里的信號。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm的“盲區(qū)”。此“盲區(qū)”很小，對本系統(tǒng)沒有影響。
1.3 論文的主要內容
論文將介紹超聲波測距系統(tǒng)設計的方案選擇與硬件的設計與調試。全文共分為五章，本章介紹了超聲波測距系統(tǒng)設計的研究現(xiàn)狀和本課題的選題目的與意義；第二章介紹超聲波測距系統(tǒng)的總體設計方案，并對每個模塊進行了方案論證與選擇；第三章介紹了超聲波測距系統(tǒng)的原理；第四章介紹了各單元模塊的硬件電路設計與實現(xiàn)；第五章介紹了系統(tǒng)的調試過程和調試結果，最后總結了整個設計中有待改進的地方。
第二章 超聲波測距系統(tǒng)的原理
2.1 超聲波的測距原理
2.1.1 測距的電路原理框圖
構成超聲測距系統(tǒng)的電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機控制器及一些輔助電路。
采取收發(fā)分離方式有兩個好處：一是收發(fā)信號不會混疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?；二是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表面反射時造成的各種損失和干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。
根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，選擇了西安立宇電子科技有限公司的超聲波測距傳感器TCT40－16T/R（T表示發(fā)射傳感器，R表示接收傳感器），最大探測距離為6m，發(fā)射擴散角為60度。同時，采用單片機作 為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖2-1所示。
圖2-1 測距的電路原理框圖
通過單片機的I/O口控制超聲波發(fā)射電路發(fā)出40kHz的超聲波，與此同時單片機內計數(shù)器開始計時；經過延遲后開啟超聲波接收電路，當接收電路收到經障礙物反射的回波后，計數(shù)器計時結束。通過單片機計算出即時距離，在顯示電路顯示出來，若低于警戒距離則開啟報警。
2.1.2 工作原理
人能聽到的聲音頻率為：20Hz~20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波。超聲波是一種只有少數(shù)生物（如蝙蝠、海豚）才能感覺的機械波，其頻率在20kHz以上，波長短，繞射小、能定向傳播。
超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。
本設計采用的超聲波是40kHz。超聲波的縱向分辨率較高，對色彩和光照度不敏感，對外界光線和電磁場不敏感，可以用于測量較近目標的距離。本設計采用的超聲波傳感器往返距離為15m，在有灰塵、煙霧、強磁場干擾、有毒等各種環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。
超聲測距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于共振法的應用要求復雜。在這里使用脈沖反射式。超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時。超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為C，而根據(jù)計時器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時間差 就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離L。超聲波測距的算法原理如圖2-2所示：
圖2-2 超聲波測距的算法原理圖
計算公式為：
C= 331. 5 + 0. 607 T （2-1）
式中：C為超聲波在空氣中傳播速度；T為環(huán)境溫度。
L= （2-2）
式中：C為被測距離； 為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時間差； 為超聲回波接收時刻； 為超聲脈沖發(fā)射時刻。用單片機可以很方便地測量 時刻和 時刻，根據(jù)以上公式，用軟件編程即可得到被測距離L。
這就是所謂的時間差測距法。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關，表2-1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>
表2-1 聲速與溫度關系表
溫度(℃) 30
20
10
0 10 20 30 100
聲速(米／秒) 313 319 325 323 338 344 349 386
聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距系統(tǒng)的機理。本設計認為在實際使用中的環(huán)境溫度變化不大，對距離檢測精度要求也不高，將超聲波波速C認為是不變的常數(shù)。
另一種補償方法就是用查表法，查上面溫度與聲速的對應表，再適當插值補償。這種方法精確度較高。在這里考慮到設計上的簡易性，沒有進行補償，能達到簡單應用的基本要求。
該系統(tǒng)的工作原理：由微機編程送出40kHz頻率的方波信號至信號處理器，信號處理器通過兩級放大，再經過壓電換能器將信號發(fā)射出去，該信號遇到障礙物反射回來在此稱為回波。同時，壓電換能器將接收的回波，通過信號處理的檢波放大、積分整形及一系列常見電路的處理，送至微機處理。顯示器的聲音告警頻率、發(fā)光二極管方位指示及障礙物距超聲波探頭的距離顯示均由單片機控制。
2.1.3 超聲波測距的工作方式
利用超聲波測距的工作，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用。其主要有三種測距方法：
•相位檢測法，相位檢測法雖然精度高,但檢測范圍有限。
•聲波幅值檢測法，聲波幅值檢測法易受反射波的影響。
•渡越時間檢測法，渡越時間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設計上都非常容易實現(xiàn)。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經氣體介質傳播到接收傳感器的時間，這個時間就是渡越時間。
本設計的超聲波測距就是使用了渡越時間檢測法。在移動車輛中應用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收的時間差和傳播速度，計算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離。
2.1.4 信號處理技術
測量過程是由單片機部分和超聲波信號處理電路共同完成的，一次測量的全過程為40ms。發(fā)射時，將40kHz的超聲波信號和一個同步脈沖信號加到與門，同步脈沖信號通過與門控制發(fā)射超聲波。單片機將同步脈沖的起始時刻定為 ， 超聲波接收電路將接收到的信號加到單片機中，若檢測到信號，則記下該時刻 ，由時間差 = ，即可算得障礙物與超聲探頭之間的距離。若單片機系統(tǒng)接收不到超聲波回波信號，則到40 ms時重復上述過程開始下一輪的循環(huán)。
在超聲波發(fā)出后，如果直接進入檢測狀態(tài)，則勢必浪費時間，因為此系統(tǒng)有最小測量距離，當距離最小時，即為時間差 最小，記為 ，所以此時間可以用來處理別的數(shù)據(jù)。本設計中計算子程序就是在此時間里完成的，這樣就節(jié)省了一些時間。
2.2 超聲波探頭的主要作用
•探頭是一個電聲換能器，并能將返回來的聲波轉換成電脈沖；
•控制超聲波的傳播方向和能量集中的程度，當改變探頭入射角或改變超聲波的擴散角時，可使聲波的主要能量按不同的角度射入介質內部或改變聲波的指向性，提高分辨率；
•實現(xiàn)波型轉換；
•控制工作頻率，適用于不同的工作條件。
2.3 小結
本章介紹了超聲波測距系統(tǒng)的測距原理、超聲波測距的工作方式以及測距中如何進行信號處理優(yōu)化，并闡述了超聲波測距的基本概念理論基礎、設計計算的主要方法和內容
第三章 汽車倒車超聲波報警器設計方案比較與選擇
3.1 汽車倒車超聲波報警器的總體方案設計
3.1.1 方案的擬定條件
本設計首先要根據(jù)畢業(yè)設計任務書中的要求（最大測距6m，最小測距0.20m，顯示分辨率0.02m，實時數(shù)字顯示測得的距離；在不同的距離范圍內發(fā)出不同的聲光報警信號；駕駛員可根據(jù)個人需要調整設置報警距離．本報警器與其它報警器相比具有功能多、電路簡單、操作簡便、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點）來進行器件選擇，如諧振頻率是多少，帶寬為多少，Q值、聲壓輸出、波束指向性、電容、驅動電壓、功率是多少才能達到設計要求，在什么樣的 環(huán)境特性下才能正常工作，市場上是否容易找到，便宜且應用較廣否，這些都是需要考慮的問題。只有在這樣的條件下，方案才能順利確定，設計才能順利展開。
3.1.2 模型的建立
汽車倒車雷達是利用超聲波測距原理，不斷測量汽車尾部與其后面障礙物的距離，在一定距離范圍內給駕駛者以警示，同時由高亮度數(shù)碼管顯示出所測的距離值，提高汽車在倒車時的安全性。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，可由單片機測出從發(fā)射到接收到回波的時間，計算出障礙物到汽車尾部的距離S=CT/2，式中C為超聲波波速。盡管超聲波波速與環(huán)境溫度有關，但汽車倒車雷達在實際使用中的環(huán)境溫度變化不大，對距離檢測精度要求也不高，將超聲波波速C認為是不變的常數(shù)。
測距系統(tǒng)模型應如圖3-1所示。
3.2 超聲波測距系統(tǒng)的器件選擇
3.2.1 微控制器的選擇
單片機是本檢測系統(tǒng)的核心，它完成系統(tǒng)的功能設定、測量對象選擇、信號處理存儲、驅動LED顯示等功能。起初對于是選擇AT89S51芯片，還是AT89C51芯片舉棋不定，覺得二者區(qū)別不大，后來查閱相關資料發(fā)現(xiàn)AT89S51相對于AT89C51增加了很多新功能，性能有了較大提升，價格卻基本不變，甚至比89C51更低。
圖3-1 測距模型
•AT89S51支持ISP在線編程功能，串行寫入、速度更快、穩(wěn)定性更好，燒寫電壓也僅僅需要4～5V 即可。這個功能的優(yōu)勢在于改寫單片機存儲器內的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離，是一個強大易用的功能。而AT89C51只支持并行寫入，同時需要VPP燒寫高壓。
•最高工作頻率為33MHz，大家都知道89C51的極限工作頻率是24M，就是說S51具有更高工作頻率，從而具有了更快的計算速度。
•燒寫壽命更長：89S5*標稱的1000次，實際最少是1000次～10000次，這樣更有利初學者反復燒寫，減低學習成本。綜合上面的一些區(qū)別，個人認為89C51的停止使用只是時間問題而已，就象當年的8031。
•內部集成看門狗計時器，不再需要像89C51那樣外接看門狗計時器單元電路。
•雙數(shù)據(jù)指示器。
•電源關閉標識及電源范圍：89S5*電源范圍寬達4～5.5V，而89C5*系列在低于4.8V和高于5.3V 的時候則無法正常工作。
•全新的加密算法，這使得對于89S51的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加強，這樣就可以有效的保護知識產權不被侵犯。
•兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列產品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容產品。也就是說所有教科書、網絡教程上的程序（不論教科書上采用的單片機是8051還是89C51還是MCS-51等等），在89S51上一樣可以照常運行，這就是所謂的向下兼容。
此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。
比較結果：就如同INTEL的P3向P4升級一樣，雖然都可以跑Windows98，不過速度是不同的。從AT89C51升級到AT89S51，也是同理。和S51比起來，C51就要遜色一些，實際應用市場方面技術的進步是永遠向前的。
3.2.2 顯示模塊器件的選擇
在單片機小系統(tǒng)中，顯示模塊可以反映系統(tǒng)工作和運行結果，在系統(tǒng)中占有相當重要地位。常用的顯示有：LED顯示和LCD顯示。
•LED顯示的硬件電路設計簡單、價格便宜，缺點是顯示消耗的電流較高，體積大，在低功耗手持式儀器中很少使用。
•LCD顯示具有低功耗、體積小特點，越來越多地應用于以單片機為核心的便攜式儀表和測試儀中。采用LCD來顯示檢測到的溫濕度參數(shù)，降低系統(tǒng)功耗。
本設計顯示部分采用簡單的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼驅動用74LS245集成電路，位碼用S8550（也可用9012）三極管驅動。
3.2.3 超聲波傳感器的選擇
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。
以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器，或者超聲波探頭。
超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。
超聲波探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：
•工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。
•工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲波探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。
•靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。
為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。
本次設計就選用壓電式超聲波發(fā)生器，壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內部結構如圖3-2所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會 發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。
圖3-2 超聲波換能器內部結構
超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志（一般器件上有標明是T還是R，T：發(fā)射換能器，R：接受換能器）。超聲波換能器外部結構如圖3-3所示。
圖3-3 超聲波換能器外部結構
每個傳感器的中心頻率都存在一定的誤差，在40kHz左右波動。而且超聲波傳感器發(fā)射波束時存在發(fā)散角問題，一般發(fā)散角都比較大，從而導致了方向性較差。同時，隨著傳播距離的增大，在不同的發(fā)散角上信號衰減的程度也有變化。它在空氣中的發(fā)散角及耗散性如圖3-4所示。
圖3-4 發(fā)散角與耗散性
3.3 小結
本章介紹了超聲波測距系統(tǒng)的工作原理和超聲波測距系統(tǒng)微控制器的特點，提出了超聲波測距設計的總體方案，對各功能模塊的方案進行了比較，分析了常用的傳感器，選定了超聲波測距系統(tǒng)設計所需的器件。
第四章 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設計
4.1 硬件設計工具平臺簡介
電路及PCB設計是EDA技術中的一個重要內容，而EDA技術是現(xiàn)代電子工程領域的一門新技術，它提供了基于計算機和信息技術的電路系統(tǒng)設計方法。Protel是其中比較杰出的一個軟件，在國內流行最早、應用面最寬。Protel DXP是Altium（Protel Technology前身）公司在2002年8月推出的一套最新Protel DXP電路板設計軟件平臺。該平臺運行與Windows XP/2000操作系統(tǒng)。Protel DXP不僅繼承了Protel系列產品的優(yōu)點，更重要的是將所有設計工具集成于設計系統(tǒng)一身。通過把設計輸入仿真、PCB繪制仿真、拓撲自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合，為用戶提供了全程的設計解決方案，使用戶可以輕松的進行各種復雜的電路板設計。
使用Protel DXP設計印刷電路板的第一步就是要設計電路原理圖，只有正確設計電路原理圖，生成相應的網絡表之后才能生成PCB文件。在設計時，先分析系統(tǒng)，在進行模塊化的設計，將各部分電路分別設計，得到個模塊電路，在通過融合，實現(xiàn)整體電路的設計，還可以將所有模塊在一張比較大的圖紙上全部畫出來，但在同一張紙以模塊的形式分別設計電路圖，這樣在設計過程中思維比較清晰，設計過程比較簡單，而且更容易檢查錯誤。原理圖的設計相對簡單，在設計完成后要先通過編譯無誤后才生成網絡表，原理圖常見錯誤有：
•管腳沒有接入信號；
•放置導線時Wire與繪圖工具中Line混用，Wire具有電氣特性而Line不具有；
•元件放到圖紙界外；
•創(chuàng)建的工程文件網絡表只能部分調入PCB：生成netlist時沒有選擇為global；
在設計好原理圖，通過編譯檢查，生成了網絡表之后的工作就是繪制PCB板圖了。在導入網絡表之前，要確定原理圖中的元件都有PCB封裝。如果使用的器件在Protel DXP軟件的PCB庫中是沒有封裝的，那就要求自己按照器件的技術手冊封裝所需元件了。在封裝PCB元件是應注意以下幾點：
•原理圖中所填元件的封裝要與PCB元件庫中的名稱一致。
•原理圖中元件的引腳名稱要與PCB元件庫中的引腳名稱一致。
•直插式元件封裝的孔要比元件的實際尺寸稍微大些，貼片元件的引腳封裝應在條件允許的范圍內盡量加寬、加長，這樣才有利于焊接。
完成以上幾步后，將網絡表導入到PCB文件中，生成PCB板圖。在導入網絡表的時候通常會出現(xiàn)以下的錯誤：
•原理圖中的元件使用了PCB庫中沒有的封裝。
•原理圖中的元件使用了PCB庫中名稱不一致的封裝。
•原理圖中的元件使用了PCB庫中pin number不一致的封裝。
網絡表成功導入PCB文件之后對器件進行布局，元件的布局有自動布局和手工布局兩中方式，由于自動布局的效果往往不能令人滿意，所以一般都需要進行手工調整。良好的布局可以降低PCB布線的難度。布局應遵循以下一般原則：
首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。
在確定特殊元件的位置時要遵守以下原則：
①盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應盡量遠離。
②某些元器件或導線之間可能有較高的電位差，應加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應盡量布置在調試時手不易觸及的地方。
③重量超過15g的元器件、應當用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應裝在整機的機箱底板上，且應考慮散熱問題，熱敏元件應遠離發(fā)熱元件。
④對于電位器、可調電感線圈、可變電容器、微動開關等可調元件的布局應考慮整機的結構要求。若是機內調節(jié)，應放在印制板上方便于調節(jié)的地方；若是機外調節(jié)，其位置要與調節(jié)旋鈕在機箱面板上的位置相適應。
⑤應留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。
根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則：
①按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。
②以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器件應均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。
③在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應盡可能使元器件平行排列，這樣，不但美觀，而且裝焊容易，也易于批量生產。
④位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形，長寬比為3：2或4：3。電路板面尺寸大于200×150mm時，應考慮電路板所受的機械強度。
布線的方式也有兩種：自動布線及手工布線，自動布線效率高，但有時布線的結果不盡如人意，這是因為自動布線的功能主要是實現(xiàn)電氣網絡之間的連接。在自動布線的實施過程中，很少考慮到特殊的電氣、物理和散熱等要求，因此必須通過手工來進行調整，使電路板既能實現(xiàn)正確的電氣連接，又能滿足用戶的設計要求。手工調整布線的最簡便的方法是對不合 理的布線，采取先拆線，后手工布線。在布線的過程中應注意的問題有：
•輸入端與輸出端的邊線應避免相鄰平行，以免產生反射干擾。
•盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的寬度關系是：地線＞電源線＞信號線，通常信號線寬為：0.2～0.3mm,最經細寬度可達0.05～0.07mm,電源線為1.2～2.5 mm。對數(shù)字電路的PCB可用寬的地導線組成一個回路, 即構成一個地網來使用(模擬電路的地不能這樣使用) 用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。
焊盤時，焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于(d+1.2)mm，其中d為引線孔徑。對高密度的數(shù)字電路，焊盤最小直徑可取(d+1.0)mm。
此外，還應注意以下兩點：
•在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時，操作它們時均會產生較大火花放電，必須采用RC電路來吸收放電電流，一般R取1~2K，C取2.2~47uF。
•CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應，因此在使用時對不用端要接地或接正電源。
4.2 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設計
51系列單片機中典型芯片(如AT89S51) 采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2個16b的定時/計數(shù)器T0和T1，4個8b的I/O端口P0、P1、P2、P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內的Flash可編程、可擦除只讀存儲器( PROM )，使其在實際中有著十分廣泛的用途, 在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機引腳圖如圖4-1所示，同時也為了對下面超聲波測距系統(tǒng)的硬件設計進行更清楚的敘述，對其引腳標了號。
51系列單片機提供以下功能: 4kB存儲器；256BRAM；32條I/O 線；2個16b定時/計數(shù)器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路。
空閑方式: CPU 停止工作，而讓RAM、定時/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。
掉電方式: 保存RAM的內容, 振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。
51系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內資源，即可在較少外圍電路的情況下構成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。
圖4-1 AT89S51引腳圖
4.2.1 超聲波發(fā)射電路的設計
超聲波發(fā)射電路原理圖如圖4-2所示。
設計原理：發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器T構成，AT89S51單片機P1.0端口輸出的40kHz方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。
輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上拉電阻R8、R9一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。
在實驗制作和電路改進中，為了增加測量效果，可以考慮提高接收的靈敏度，但是靈敏度也并不是越高就越好。接收靈敏度過高，容易引起自激，結果反而不好，其實可以從增加發(fā)射功率方面著手，只要在發(fā)射頭兩端加個線圈。線圈可以用0.01mm的銅絲在小磁環(huán)繞成大致初級10匝，次級40匝左右。
圖4-2 超聲波發(fā)射電路
4.2.2 超聲波檢測接收電路的設計
本超聲波測距儀的接收電路采用集成塊CX20106A，其總放大增益為80db 以保證7腳輸出的控制脈沖序列信號幅度在3.5-5V以內。超聲接收換能器UCM-40R接收到的信號經C9電容耦合至輸入端1腳，總增益大小由2腳接收器R、C決定。R越小，C越大增益越高，C9選值過大將造成頻率響應變差，為了兼顧總增益和頻率特性R14取4.7 ，C17取3.3μF，3 腳C為檢波電容，選3.3μF，當其容量減小時，瞬態(tài)響應，靈敏度會有所提高，但檢波輸出脈沖寬度變動也較大。帶通濾波特性，可由5腳R15電阻決定其值在210K-220K間調整，本設計R15定為200K。用金屬膜電阻調試，若其阻值偏差過大，中心頻率也將相對偏移。所以當信號經過帶通濾波器時，增益將大大降低，6腳C6電容為比較積分電容，7腳R16為輸出負載電阻，104pF電容C11為電源濾波元件，當電容容量減小或失效時，將造成濾波不良，可能干擾接收輸入端。超聲波接收電路如圖4-3所示。
CX20106是紅外遙控接收前置放大雙極性電路，引腳意義如下：
1 IN 遙控信號輸入端(此腳與地之間接紅外線接收二極管
2 前置放大器頻率特性和增益設定(此腳與地之間接RC串連電路)
3 接檢波電容
4 GND 接地
5 設定帶通濾波器的中心頻率(此腳與電源間接電阻)
6 外接積分電容
7 OUT 遙控指令輸出端
8 外接電源
典型電壓5V，典型功耗9mW。帶通濾波器的中心頻率可由電阻調節(jié)，范圍30－60kHz。配套使用型號為M50462AP。
圖4-3 超聲波接收電路
4.2.3 超聲波蜂鳴報警電路的設計
蜂鳴報警電路是采用揚聲器來對所設置的報警距離實施報警，以向駕駛員提出警示。
本系統(tǒng)可以設定距離值，當大于或小于設定值時將發(fā)出控制信號。當小于設定值時，進入蜂鳴報警狀態(tài)，通過一個NPN晶體管來驅動蜂鳴器，不需要復雜的濾波和放大電路，具有自動平滑功能，蜂鳴器鳴響。
超聲波蜂鳴報警電路如圖4-4所示。
圖4-4 超聲波蜂鳴報警電路
4.2.4 超聲波系統(tǒng)鍵盤電路的設計
鍵盤電路是用來對最大測距、最小測距以及有關參數(shù)進行設置。
鍵盤輸入：開啟值30-1000厘米，關閉值30-1000厘米（在該范圍內任意設置）。本系統(tǒng)由一個按鍵 啟動/停止系統(tǒng)，由三個按鍵設定距離值： 的作用是進入和退出設定， 和 ：分別是向上加值和向下減值，每按一次加或減一厘米，由數(shù)碼管輸出顯示。超聲波系統(tǒng)鍵盤電路如圖4-5示。
圖4-5 超聲波系統(tǒng)鍵盤電路
4.2.5 超聲波濾波整流電路的設計
超聲波濾波整流電路如圖4-6所示。該電路是用來把反射信號轉換為標準電平信號，通過整形把檢波后得到的不標準的脈沖波整形為標準脈沖波。
信號整形電路：當接收到的信號從信號篩選電路中出來之后是一個很不規(guī)則的方波信號，希望最好得到一脈沖信號，經過此部分電路處理過后再送進單片機中進行處理運算。
因為多諧振蕩器中有高頻分量噪聲，所以通過低通濾波器將高頻噪聲濾掉。本信號篩選電路在整個電路中可以說起到非常重要的作用，通過對它的適當調整，可以有效地濾除由于外界干擾帶來的非超聲波信號進入超聲波接收系統(tǒng)，從而大 大提高了本電路的抗干擾性。
圖4-6 超聲波濾波整流電路
4.2.6 時鐘和復位電路設計
（1）復位電路的設計
在振蕩器運行時，有兩個機器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腿時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復位。復位后P0－P3口均置1引腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(shù)器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當復位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為ROM的00H處開始運行程序。復位操作不會對內部RAM有所影響。
（2）時鐘電路的設計
時鐘振蕩器：
AT89S51中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器。
外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容C1，C2接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)諧振電路。對外接電容C20，C25雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低，振蕩器工作的穩(wěn)定性，起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用30pF 10pF ,而使用陶瓷諧振器建議選擇40pF 10pF。
可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘接到XTAL1端，即內部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。
由于外部時鐘信號是通過一個二分頻觸發(fā)器后作為內部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊的要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應符合產品技術條件的要求。時鐘復位電路如圖4-7所示：
圖4-7 時鐘和復位電路
4.2.7 擴展顯示電路的設計
回波經過AT89S51對接收到的信息進行處理后，被測的距離在LED上顯示。
顯示電路采用簡單實用的四位一體共陽極LED數(shù)碼管顯示所測距離值，顯示電平使用低電平有效。段碼用74LS245驅動，外接升壓電阻。位碼用PNP三極管8550（可用9012替代）驅動。顯示電路如圖4-8所示。
數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示，動態(tài)掃描顯示的好處是對CPU的I/O口要求較少，但對電路的干擾較大，注意PCB板的布線和對接收放大電源的穩(wěn)定性要進行補償處理，否則對其影響很大。
74LS245雙向總線接收器簡要說明：74LS245為三態(tài)輸出的八組總線收發(fā)器，其主要電器特性的典型值如表4-1所示(不同廠家具體值有差別)。
表4-1 74LS245電器特性
74LS245 8ns 8ns 275mW
引出端符號：A A總線端
B B總線端
三態(tài)允許端(低電平有效)
DIR 方向控制端
極限值：電源電壓 …………………………………………. 7V
輸入電壓 …………………………………………. 7V
輸出高阻態(tài)時高電平電壓 ……………………… 5.5V
工作環(huán)境溫度：74LS245 ………………………………….……… 0~70℃
存儲溫度 ………………………………………-65~150℃
圖4-8 顯示電路
4.3 小結
本章首先介紹了做設計的硬件設計工具Protel DXP，然后對超聲波測距系統(tǒng)的硬件各電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機控制器及一些輔助電路進行了詳細的敘述，給出了詳細的原理圖。
本系統(tǒng)利用AT89S51產生40kHz的頻率驅動超聲波換能器的發(fā)射頭，接收頭收到信號后，經CX20106A芯片進行放大、限幅、濾波、整形、比較后輸出低電平送到單片機的外部中斷0申請中斷，單片機響應中斷請求，取得定時器內的時間進行距離計算，用四位一體的數(shù)碼管顯示測出的距離，并可根據(jù)設定報警距離進行報警。
第五章 超聲波測距系統(tǒng)聯(lián)機調試與結論
5.1 系統(tǒng)硬件電路調試與分析
5.1.1 調試儀器和內容
（1）測試試驗方法：可通過顯示電路實驗、超聲波發(fā)射接收以及測距試驗進行調試。
測試儀器：示波器，多功能穩(wěn)壓電源，電壓表，秒表。
（2）調試內容
超聲波測距儀的制作和調試都比較簡單，安裝時探頭時應保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容C的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。
系統(tǒng)調試完后對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。
5.1.2 調試過程
系統(tǒng)采用模塊化電路設計, 采用較低的外部晶振和中周電路固化的超聲波探頭，數(shù)字和模擬部分電路分開供電，以提高系統(tǒng)抗干擾能力，但由于實際應用中仍存在較多電磁干擾，而回波信號為小信號輸入, 系統(tǒng)調試中通過硬件補償?shù)姆绞綄﹄娐愤M行了優(yōu)化和調整，使系統(tǒng)達到了較高的可靠性。
測距系統(tǒng)經過檢波等硬件處理后的波形如圖5-1所示：
在檢測時，發(fā)送完檢測脈沖后立刻進行判斷負脈沖的長短，從而確定是否有障礙物存在。無障礙物時負脈沖寬度固定為t1，有障礙物時負脈沖固定為t1+t2，t3為超聲波回波檢測負脈沖。t1、t2的寬度與發(fā)送的脈沖周期數(shù)有關。周波數(shù)越多，t1越寬，檢測距離越遠，反之亦然。T3與T4之間的長度會隨障礙物的距離而先行變化。因此，只要檢測出t1、t2及T3與T4之間的長度即可判斷障礙物距離。
（1）7段數(shù)碼管的測試
LED數(shù)碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個8字加一個小數(shù)點）而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么應用時這個腳就分別的接VCC和GND。再把多個這樣的8字裝在一起就成了多位的數(shù)碼管了。
首先，找個電源（3到5伏）和1個1K（幾百的也歐的也行）的電阻，VCC串接個電阻后和GND接在任意2個腳上，組合有很多，但總有一個LED會發(fā)光的找到一個就夠了，然后用GND不動，VCC（串電阻）逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那就是共陰的了。相反用VCC不動，GND逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那就是共陽的了。
（2）發(fā)射器探頭對接收器探頭的影響
超聲波從發(fā)射到接收的時間 間隔是由控制器內部的定時器來完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經被測物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串擾問題。這一干擾問題可通過軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開始到"虛假反射波"結束的時間段里的信號。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm的“盲區(qū)”。此“盲區(qū)”很小，對本系統(tǒng)沒有影響。
（3）調試注意事項
•超聲波探頭表面嚴禁用手及其它物體觸摸以免產生信號滯后性及損壞。
•在測距中應保證測距儀與被測物體距離為定值，要和被測物體成一條直線，使測得距離讀數(shù)的準確性。
5.1.3 測試數(shù)據(jù)及測試結果分析計算
傳感器工作電壓：超聲波傳感器5V
試驗數(shù)據(jù)：簡單搭建電路板并調試后，對一500mm寬的距離測試，所測數(shù)據(jù)如表5-1所示（單位:mm）。
表5-1 500mm寬的距離測試數(shù)據(jù)
次數(shù) 1 2 3 4 5 平均
測值 500.3 499.8 499.9 500.1 500.0 500.03
該測距系統(tǒng)使用方便、精度高，在一些惡劣環(huán)境，如極易被腐蝕、電解，失去靈敏性等工礦業(yè)現(xiàn)場將大有用武之地。
（1）測試結果與分析
超聲波測距系統(tǒng)調試完成后，對系統(tǒng)進行了測試。在超聲波換能器與較大平面(如墻壁面)法線方向一致時，量程為0.07~5.50m，測距盲區(qū)控制在20cm內，分辨率為0.01m，實驗中對測量范圍0.07~2.50m內的平面物體做了多次測試，測距器的最大誤差不超過1cm，重復一致性很好。因為超聲波具有一定發(fā)散角，所以當在正前方和斜前方都有物體時，會以距發(fā)射器最近的物體作為探測目標。目前此設計可提交于應用于一些動機器人、安全線提示，銀行及取款機的一米線提示等場合。
（2）誤差分析
對系統(tǒng)進行實驗測試，結果發(fā)現(xiàn)在5米范圍內，最大誤差在5cm以內，且距離越近，誤差越小，限制該系統(tǒng)最大可測距離的因素包括：超聲波的幅度、反射面的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。
測距誤差主要來源于以下幾個方面：
①氣溫度變化等引起的聲速變化造成的誤差，溫度在-30℃-40℃范圍變化時，傳播速度v的變化范圍為313米/秒-356米/秒，由測距公式可計算出距離值有一定影響，采用聲速預置和傳播介質溫度測量結合的方法對聲速進行修正，可有效地降低溫度變化產生的誤差。
②發(fā)射與脈沖計數(shù)由于響應快慢差異開啟不同步引起的誤差，對此在調試中通過脈沖計數(shù)值補償進行修正。
③超聲波在傳播過程由于受衍射、散射和吸收等影響衰減導致的誤差，近距離誤差不明顯，距離越遠產生的誤差越大，可適當增大超聲波的發(fā)射功率等來改善。
④發(fā)射和接受前置電路延遲的時間誤差等，發(fā)射前置電路和接收前置電路中采用集成芯片都有時間延遲。對此采取時間增益控制，來減少誤差，由于本裝置對于厘米級的精度已經足夠，電路延遲都是納秒數(shù)量級，記數(shù)頻率是40kHz，所以減少一個記數(shù)單位完全可以矯正。針對誤差原因在程序設計及系統(tǒng)調試中做了相應處理后，收到一定的效果，精度得到一定的提高。
⑤超聲波波束對探測目標的入射角的影響。
⑥超聲波回波聲強與待測距離的遠近有直接關系。
⑦超聲波傳播速度對測距是有影響的。穩(wěn)定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，傳播媒質的特性，如溫度、壓力、密度對聲速都將產生影響。因此，為了準確地計算距離，應對聲速加以修正，系統(tǒng)程序中采用了軟件補償措施。
（3）誤差改進
由于考慮到體積、成本等因素，本裝置在性能上、功能上還存在不足，有待于進一步提高：
•增加幾路不同方向的超聲波探測或紅外探測器以及溫度補償電路等，可以提高裝置的靈敏度和精度,同時提高可靠性。
•可在裝置中增加一個語音芯片，將蜂鳴報警改為語音說明指示，根據(jù)探測結果直接報出距離、方位，更便于使用。
•由于受發(fā)射功率及回波檢測靈敏度的限制，探測范圍較小，可增加發(fā)射功率調節(jié)等電路，以便增大探測范圍，可用于夜間探路、井下探索等。
（4）溫度的補償
由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。
所以，在超聲波的兩個探頭旁邊可放置溫度傳感器，測出環(huán)境溫度T，由單片機控制器進行軟件修正。
5.2 系統(tǒng)源程序的調試過程
5.2.1 軟件仿真驗證
本設計采用51匯編語言編寫，用Keil C51編譯和調試。這里采用光電二極管和光電三極管來代替超聲波發(fā)送探頭和超聲波接收探頭，且空中傳播過程略去仿真。聯(lián)調仿真后，可見數(shù)字電路的延遲效果比較明顯，所以需要軟件矯正。
由于超聲波探頭存在余震效應, 為避免余震產生的“虛假反射波”超聲測距數(shù)據(jù)的采集與處理錯誤申請中斷，超聲波脈沖發(fā)射后軟件中設置了一段時間的延時，稱為“死區(qū)”時間，“死區(qū)”形成了距離測量中的“盲區(qū)”，由于探頭的性能誤差，運行后要不斷調整探頭的“死區(qū)”。經過應用過程的調試，本系統(tǒng)的測量“盲區(qū)”控制在20cm內，“死區(qū)”時間為115ms，測量誤差為±1cm。
結 論
本文所設計的倒車雷達系統(tǒng)是保障汽車倒車安全的輔助系統(tǒng)，通過超聲波探頭發(fā)出超聲波，使用高速單片機計算距離，還可加入了溫度補償電路，提高了距離計算的精度。系統(tǒng)安裝的LED可以直觀的顯示溫度和距離，給駕駛員提供了方便。倒車時當汽車與障礙物的距離小于所設定的安全距離時，系統(tǒng)發(fā)出報警，提醒駕駛員，防止汽車的碰撞或擦傷，具有很強的實用性。
整個報警器系統(tǒng)由汽車倒車擋控制，當汽車置于倒車擋時，報警器工作；置于其它擋時，報警器不工作。在環(huán)境溫度為-20～50℃的范圍內，測量誤差為幾個厘米，這個誤差能滿足正常倒車的需要。因為本設計所采用的超聲波傳感器的輻射范圍是 60°，所以在安裝時，需在車尾裝3～4個超聲波傳感器，這樣才能覆蓋整個范圍。
利用51系列單片機設計的測距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經實際測試證明, 該類測距儀工作穩(wěn)定, 能滿足一般近距離測距的要求, 且成本較低、有良好的性價比。
本超聲波測距系統(tǒng)可應用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān) 控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合，覺得這次的設計實用性極強。
通過一學期的努力，完成了超聲波測距系統(tǒng)的設計。設計滿足了任務書中的基本要求和擴展要求，軟、硬件設計已達到預期效果。主要完成的工作有：
①學會了使用Protel軟件繪制原理圖和PCB板圖。
②完成了超聲波測距系統(tǒng)的各個功能模塊的硬件設計與調試。
③已經通過系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合調試，距離通過LED顯示出來。
由于時間和能力有限，本次設計還有一些不足之處，主要有以下幾方面：
①由于經驗不足，在設計超聲波測距系統(tǒng)的時候，設計原理圖與PCB板圖的時候出現(xiàn)了一些問題。
②在調試時，顯示的延遲性較大，超聲波探頭太敏感。
本文創(chuàng)新點：
①測試結果分析可知，本裝置采用較低成本的器件設計制作，且誤差較小，完全滿足汽車倒車的指引作用，具有較高的性價比。
②裝置結構簡單、體積小、性能穩(wěn)定，操作容易、使用方便，可以安裝在不同的載體上，制作成不同的用具，如導盲眼鏡、位移儀、深度儀等，具有一定推廣應用價值。
致 謝
感謝西南科技大學。在這里，我開闊了見識，增長了知識，鍛煉了能力。大學四年的親身體驗讓我更增加了對學校的熱愛。
感謝我的指導老師曾毅對我的辛勤培育。從論文的立題到實驗的設計以及論文的撰寫整個過程無不浸透著老師的心血。他廣博的學識，嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，靈活的思維方式，耐心細致的言傳身教深深感染激勵著我，將使我終身受益。導師不但在學習上給予我耐心細致的指導，在生活中也給了我莫大的關懷，在這里向曾老師表示衷心的感謝。
感謝大學四年所有指導過的老師。在學習的過程中給了我很多的指導，讓我在理論知識和動手能力上都有很大的提高。
在完成畢業(yè)設計和畢業(yè)論文的過程中，我們寢室的同學給了我很大的幫助，在此向他們表示深深的感謝。
感謝父母二十多年來的養(yǎng)育之恩，讓我順利的完成了四年的大學學業(yè)，并讓我獲取了一定的知識并最終走向社會，為社會貢獻自己!
最后，我要向在百忙之中抽時間對本文進行審閱、評議和參加本人論文答辯的各位老師表示感謝
參考文獻
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附 錄
附錄1：系統(tǒng)總原理圖
附錄2：AT89S51引腳功能
Vcc：電源電壓；GND：地
RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)機器周期以上高電平將使單片機復位。
P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對斷口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。
在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。
在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)。而在程序檢驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。
P1口：P1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸出口使用時，因為存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ ）。
Flash編程和程序校驗期間，P1口接受低8位地址。
P2口：P2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸出口使用時，因為存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ ）。
在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問八位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器，P2口線上的內容（也即特殊功能存儲器（SFR）區(qū)中R2寄存器）。在整個訪問期間不改變。
FLASH編程或校驗時，P2亦接受地址和其它控制信號
P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的八位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）四個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時。它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（I ）。
P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表③-2所示。P3口還接受一些用于FLASH閃速存儲器和程序校驗的控制信號。
表1 P3口的分配
端口引腳 第二功能
P3.0 RXD（串性輸入口）
P3.1 TXD(串行輸出口)
P3.2 （外中段0）
P3.3 （外中段1）
P3.4 （定時/計數(shù)器0）
P3.5 （定時/計數(shù)器1）
P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）
P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）
ALE：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低八位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出 固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ ）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE無效。
：程序儲存允許（ ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 有效，即輸出兩個脈沖。在次期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 信號不出現(xiàn)。
EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp。當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。
XTAL1：振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。
