產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書本實(shí)驗(yàn)主要基于慧魚創(chuàng)意模型系統(tǒng)（fischertechnik）.實(shí)驗(yàn)的目的是通過讓學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)手組裝模型機(jī)器人和建造自己設(shè)計(jì)的有一定功能的機(jī)器人模型產(chǎn)品,使學(xué)生體會(huì)創(chuàng)意設(shè)計(jì)的方法和意義;同時(shí)通過創(chuàng)意實(shí)驗(yàn),使學(xué)生了解一些計(jì)算機(jī)控制、軟件編程、機(jī)電一體化等方面的基礎(chǔ)知識(shí),加深對(duì)專業(yè)課學(xué)習(xí)的理解,為后續(xù)課的學(xué)習(xí)做一個(gè)很好地鋪墊.一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹（1） 慧魚創(chuàng)意模型系統(tǒng)的組成:慧魚創(chuàng)意模型系統(tǒng)（fischertechnik）硬件主要包括:1000多種的拼插構(gòu)件單元、驅(qū)動(dòng)源、傳感器、接口板等.拼插構(gòu)件單元:系統(tǒng)提供的構(gòu)件主料均采用優(yōu)質(zhì)的尼

2、龍塑膠,輔料采用不銹鋼芯鋁合金架等,采用燕尾槽插接方式連接,可實(shí)現(xiàn)六面拼接,多次拆裝.系統(tǒng)提供的技術(shù)組合包中機(jī)械構(gòu)件主要包括:齒輪、聯(lián)桿、鏈條、齒輪（普通齒輪、錐齒輪、斜齒輪、內(nèi)嚙合齒輪、外嚙合齒輪）、齒軸、齒條、渦輪、渦桿、凸輪、彈簧、曲軸、萬向節(jié)、差速器、齒輪箱、鉸鏈等.驅(qū)動(dòng)源：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)（9V、最大功率1.1W、轉(zhuǎn)速7000prn）,由于模型系統(tǒng)需求功率比較低（系統(tǒng)載荷小,需求功率只克服傳動(dòng)中的摩擦阻力）,所以它兼顧驅(qū)動(dòng)和控制兩種功能.減速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)（9V、最大功率1.1瓦,減速比50:1/20:1）.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)包括：儲(chǔ)氣罐、氣缸、活塞、電磁閥、氣管等元件.傳感器:在搭接模型時(shí),你可以

3、把傳感器提供的信息（如亮/暗、通/斷,溫度值等）通過接口板傳給計(jì)算機(jī).系統(tǒng)提供的傳感器做為控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)包括:感光傳感器Brightnesssensor（光電管）:對(duì)亮度有反應(yīng),它和聚焦燈泡配合使用,當(dāng)有光（或無光）照在上面時(shí),光電管產(chǎn)生不同的電阻值,引發(fā)不同信號(hào).接觸傳感器Contactsensor（觸動(dòng)開關(guān)）:如圖1所示,當(dāng)紅色按鈕按下,接觸點(diǎn)1、3接通,同時(shí)接觸點(diǎn)1、2斷開,所以有兩種使用方法:常開:使用接觸點(diǎn)1、3,按下按鈕=導(dǎo)通;松開按鈕=斷開;常閉:使用接觸點(diǎn)1、2,按下按鈕=斷開;松開按鈕=導(dǎo)通.熱傳感器Thermalsensor（NTC電阻）:可測(cè)量溫度.溫度20°

4、;C時(shí),電阻值1.5KQ.NTC的意思是負(fù)溫度系數(shù)，溫度升高電阻值下降.磁性傳感器Magneticsensor:非接觸性開關(guān).紅外線發(fā)射接收裝置:新型的運(yùn)用可控制所有馬達(dá)電動(dòng)模型的紅外線遙控裝置由一個(gè)強(qiáng)大的紅外線發(fā)射器和一個(gè)微處理器控制的接收器組成.有效控制范圍是10米,分別可控制三個(gè)馬達(dá).接口板:自帶微處理器,程序可在線和下載操作,用LLWin3.0或高級(jí)語言編程,通過RS232串口與電腦連接,四路馬達(dá)輸出,八路數(shù)字信號(hào)輸入,二路模擬信號(hào)輸入,具有斷電保護(hù)功能（新版接口）,兩接口板級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)輸入輸出信號(hào)加倍.PLC接口板:實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,直接與PLC相連.智能接口板自帶微處理器,通過串口與計(jì)算機(jī)

5、相連.在計(jì)算機(jī)上編的程序可以移植到接口板的微處理器上,它可以不用計(jì)算機(jī)獨(dú)立處理程序（在激活模式下）.慧魚創(chuàng)意模型系統(tǒng)（fischertechnik）LLWin3.0軟件:LLWin3.0是慧魚創(chuàng)意模型系統(tǒng)的專用軟件.LLWin軟件是一種圖形編程軟件,簡單易用,實(shí)時(shí)控制.用PLC控制器控制模型時(shí),采用梯形圖編程.編輯程序的其最大特點(diǎn)是使用系統(tǒng)提供的工具箱中的功能模塊就可以建立控制程序（無須其它高級(jí)計(jì)算機(jī)語言的背景做支持）,圖標(biāo)式的功能模塊簡單易懂.模型可用電腦、PLC或單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制.（2） 控制元件基本原理控制元件的種類、基本原理、功能及使用下面主要介紹在模型機(jī)器人的組裝過程和控制過程中將

6、會(huì)遇到的以下幾種主要控制單元和其簡單的工作原理.氣動(dòng)元件相關(guān)知識(shí):在組裝氣動(dòng)機(jī)器人時(shí)會(huì)用到氣缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),氣缸中的空氣可以被壓縮,壓縮得越大,氣缸里的壓強(qiáng)越大.壓強(qiáng)單位是"帕"或"帕斯卡",壓強(qiáng)的計(jì)算公式:P=13.6*103千克/米3*9.8牛/千克*0.76米=1.01*105帕相當(dāng)于質(zhì)量為1千克的物體所受的重力在1厘米2的面積上產(chǎn)生的壓強(qiáng).氣動(dòng)活塞（氣缸）運(yùn)動(dòng)原理:如圖2所示.A、B進(jìn)出氣口，可與氣管連接C、D活塞、活塞桿（活塞與活塞桿連接）E、F氣缸壁、密封圈活塞C可以在封閉的氣缸壁E中運(yùn)動(dòng)當(dāng)A口開進(jìn)氣,B口開出氣時(shí):活塞桿D右移;A口開出氣,

7、B口開進(jìn)氣時(shí):活塞桿D左移.壓縮機(jī)壓縮機(jī)有三部分組成:電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、空氣壓縮氣缸、儲(chǔ)氣罐.工作原理:電機(jī)帶動(dòng)曲柄軸轉(zhuǎn)動(dòng),活塞桿與曲柄軸連接,使電機(jī)的周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊麠U做左右往復(fù)運(yùn)動(dòng).活塞桿向右運(yùn)動(dòng)時(shí),口吸入空氣,當(dāng)活塞桿向左運(yùn)動(dòng)時(shí),使壓縮空氣壓入儲(chǔ)氣罐.手動(dòng)切換閥手動(dòng)切換閥如圖3所示:中間的接頭（P）是進(jìn)氣口，左右兩個(gè)接頭（A和B）則用氣管接到氣缸.下面的接頭（R）是放氣口，用來釋放從氣缸回來的氣體.這種閥還有三個(gè)切換位置（左-中-右）,在氣動(dòng)學(xué)中,稱之為四通三位閥.圖4示意了在不同開關(guān)的位置進(jìn)氣閥的回路.傳感器傳感器做為一種"感應(yīng)"元件,可以將物理量的變化轉(zhuǎn)化成電信號(hào),做

8、為輸入信號(hào)給計(jì)算機(jī),經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理,達(dá)到控制執(zhí)行元件的目的.接觸傳感器作為數(shù)字傳感器的開關(guān)（觸動(dòng)開關(guān)）簡單的邏輯電平"0"和"1"可以用一個(gè)開關(guān)來描述.當(dāng)觸動(dòng)開關(guān)被按下與松開時(shí),在電路中意味著導(dǎo)通與斷開,在邏輯電路中就意味著"0"和"1"兩種狀態(tài).觸動(dòng)開關(guān)的工作原理如圖5所示:觸點(diǎn)1與按鈕的機(jī)械結(jié)構(gòu)是杠桿機(jī)構(gòu),在切換動(dòng)作中,當(dāng)按下按鈕,觸點(diǎn)切換發(fā)出輕微的滴答聲時(shí),你可以清晰地感到一個(gè)壓力點(diǎn),當(dāng)觸點(diǎn)1與觸點(diǎn)2斷開時(shí)與觸點(diǎn)3接通.如果我們慢慢地松開開關(guān),必須讓杠桿充分地回位,機(jī)械開關(guān)接通和斷開的位置之差稱為滯后.觸點(diǎn)或

9、其它電子開關(guān)的切換滯后是一個(gè)重要的特性.如果不存在滯后作用,在開關(guān)上的微小抖動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致一些意想不到的觸頭動(dòng)作,可能導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的事件.這里的開關(guān)設(shè)計(jì)成了一個(gè)過變型開關(guān).做為輸入模塊(INPUT),0-表示按鈕沒有按下,1-表示按鈕已被按下;做為脈沖模塊(Edge),0-1或1-0切換,稱之為觸發(fā)沿.如圖6觸發(fā)信號(hào)示意圖所示:感光傳感器利用光電效應(yīng)原理制成,用光電三極管檢測(cè)光線.光電三極管是一種半導(dǎo)體器件,其電氣特性取決于光線.一個(gè)常見的三極管有三個(gè)極:基極b、發(fā)射極c、集電極e,如圖7所示，其主要功能在于放大弱電信號(hào).流進(jìn)三極管基極的弱電流,可以在集電極產(chǎn)生大得多的電流,電流放大系數(shù)可以達(dá)到1

10、000倍以上.慧魚模型使用的光電三極管可以理解為一個(gè)光電池和三極管的組合,光電池負(fù)責(zé)將光信號(hào)變成弱電信號(hào),三極管承擔(dān)放大電流的功能.光電三極管既可以用做數(shù)字傳感器,也可以用在模擬傳感器.在第一種情況下,它作為檢測(cè)光線明暗的轉(zhuǎn)換(0-1),作為數(shù)字傳感器工作;第二種情況下,它可以分辨光線的強(qiáng)弱,這樣就作為模擬量傳感器來工作.白熾燈用作信號(hào)輸出白熾燈用來輸出簡單的光信號(hào),稱之為光執(zhí)行器.白熾燈結(jié)構(gòu)非常簡單,鎢絲在真空玻璃種由兩極引出,當(dāng)電流流過燈絲,鎢絲加熱直到變白.用白熾燈作光源,三極管就能分辨觸由不同波長的光反射而成的彩色光信號(hào),慧魚組合包里的白熾燈有一個(gè)顯著的特點(diǎn),光線在玻璃燈泡中被集中,這

11、樣就提高了光線的聚焦性,而且能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)光信號(hào).直流電機(jī)作為動(dòng)力源模型系統(tǒng)中,直流電機(jī)是重要的執(zhí)行器.直流電機(jī)由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的"轉(zhuǎn)子"和一個(gè)固定的"定子"組成,轉(zhuǎn)子原理上可以理解為一個(gè)處在定子磁場(chǎng)中的導(dǎo)體線圈,如果電流流過線圈,就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩,可以使導(dǎo)體在磁場(chǎng)中移動(dòng).很多直流電機(jī)用永磁鐵物質(zhì)來產(chǎn)生所需的磁場(chǎng),疊成定子的磁板.電流是用滑動(dòng)連接電刷傳到轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子上的,這些電刷使同一時(shí)間在線圈的電流反向,以使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不會(huì)中斷,正常電機(jī)的轉(zhuǎn)速在每分鐘幾千轉(zhuǎn).模型系統(tǒng)的更多內(nèi)容參見實(shí)驗(yàn)室提供的設(shè)備說明書和模型樣本.(3)LLWin3.0軟件相關(guān)基本知識(shí)為了更好和更快

12、地編程,下面將介紹一些基本的編程和操作知識(shí).軟件程序的作用你很想知道機(jī)器人是如何準(zhǔn)確地完成預(yù)定任務(wù)的,象是有一種超自然的力量在控制它們.其實(shí),不僅僅在機(jī)器人領(lǐng)域,在其它很多地方我們都會(huì)碰到控制和自動(dòng)化技術(shù).當(dāng)你將制作好的機(jī)器人模型與智能接口板、電源和計(jì)算機(jī)相連接好以后,他們彼此之間就建立了一種聯(lián)系（或稱為通訊）,機(jī)器人上的狀態(tài)信號(hào)通過接口板傳遞給計(jì)算機(jī),人們的控制意圖也要通過計(jì)算機(jī),再通過接口板傳遞給機(jī)器人,以達(dá)到控制和自動(dòng)化的目的.計(jì)算機(jī)就需要有一種能力和方式接受和處理這些信息,其能力的體現(xiàn)靠計(jì)算機(jī)硬件支持,而方式的體現(xiàn)就依賴軟件來解決.關(guān)于計(jì)算機(jī)軟件的基礎(chǔ)知識(shí)請(qǐng)同學(xué)自學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ).安裝LL

13、Win3.0PC機(jī)的最低配置:處理器100MHz,32M內(nèi)存,20MB可用硬盤空間;微軟操作系統(tǒng):Windows95/98/2000/NT;可用的RS232串口（COM1COM4）,智能接口板31002,或打印口（LPT1LPT2）,并行接口板30520.打開計(jì)算機(jī),把安裝軟盤放入光驅(qū),安裝程序會(huì)自動(dòng)運(yùn)行,在每個(gè)對(duì)話框中輸入相應(yīng)內(nèi)容即可.LLWin3.0用戶界面（簡略）采用彈出下拉式中（英）文菜單,所有操作軟件所需的命令都在菜單中,除了對(duì)程序進(jìn)行管理、編程、調(diào)試的命令,還有有關(guān)編程選項(xiàng)和在線幫助的命令.工具條中的圖標(biāo)是最重要和常用的命令.用工具箱中的功能模塊就可以在屏幕上建立控制程序流程圖了.

14、學(xué)生自學(xué)和體驗(yàn)用戶界面的功能.編程前的簡短硬件測(cè)試（重要提示）必須先連接好接口板,檢查硬件連接是否正確,連接方法請(qǐng)參見模型裝配指導(dǎo)書.為了確保計(jì)算機(jī)與接口板之間連接準(zhǔn)確,在軟件中設(shè)置了接口板檢查（CheckInterface）命令,出現(xiàn)如右圖8窗口（看屏幕）.窗口顯示了在接口板上可用的輸入輸出端口,低下的綠條指示接口板與計(jì)算機(jī)之間的連接狀態(tài):Simulationmode定義接口板未選擇計(jì)算機(jī)端口,模擬狀態(tài);Noconnectiontointerface. 為了改變接口,狀態(tài)條變紅;ConnectiontointerfaceO.K板和連接的設(shè)置，點(diǎn)擊菜單"Settings-setup-

15、Interface",出現(xiàn)窗口在"port"選擇計(jì)算機(jī)端口COM1或COM2.如果選擇"None",系統(tǒng)在模擬狀態(tài).檢查接口板各輸入和輸出端口連接沒有問題后,我們用"Checkinterface"來檢查接口板和所連接的模型狀態(tài).輸入端口E1E8是數(shù)字量（指0或1狀態(tài)）輸入端口，EX、EY是模擬量輸入端口.傳感器連接在輸入端口,如:按鈕、開關(guān)、光電三極管等.做一個(gè)小試驗(yàn):如圖9所示,用一個(gè)按鈕來檢查輸入,把按鈕的接線端1、3接到E1上（常開狀態(tài)）,當(dāng)你按下按鈕時(shí),接線端1與3（常開變成閉合）接通,屏幕上對(duì)應(yīng)E1輸入的顯示從0變

16、成1,如果換接線端1、2,那么先顯示1,按下后顯示0.輸出端口接口板的輸出是M1M4,執(zhí)行機(jī)構(gòu)就在上面,如馬達(dá)、電磁鐵和燈等.做一個(gè)實(shí)驗(yàn):接一個(gè)電機(jī)在接口板輸出口M1上,將鼠標(biāo)移到圖標(biāo)M1部位,按下左健,電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),按下右鍵,電機(jī)右轉(zhuǎn),如果先按"Ctrl"鍵,再按下鼠標(biāo)電機(jī)將保持轉(zhuǎn)動(dòng),再按鼠標(biāo)鍵,電機(jī)停止.設(shè)計(jì)控制程序我們將要使機(jī)器人模型能夠被控制,使它自動(dòng)連續(xù)地完成任務(wù),所以需要把每一步動(dòng)作都按順序儲(chǔ)存,為此,使用專門語言進(jìn)行編程序.建立新項(xiàng)目打開"Project"（項(xiàng)目）菜單,點(diǎn)擊"New"（新建）命令,出現(xiàn)"New

17、project"對(duì)話框,選擇"EmptyProject"（空項(xiàng)目）,按"OK",開始新項(xiàng)目編程.功能模塊LLWin是一個(gè)能創(chuàng)建、測(cè)試控制程序的功能強(qiáng)大的工具,并且編程模塊化,簡單易學(xué).在功能模塊工具箱中有功能模塊18個(gè),如圖10所示:（看屏幕說明）"輸入"功能模塊"輸出"功能模塊"結(jié)束"功能模塊"開始"功能模塊"顯示"功能模塊"終端"功能模塊"賦值"功能模塊"變量"功能模塊"文

18、本"功能模塊"延時(shí)"功能模塊(11)"脈沖"功能模塊"定位"功能模塊"復(fù)位"功能模塊W緊停”功能模塊(15)"信息"功能模塊"顯示值”功能模塊"比較"功能模塊"發(fā)聲”功能模塊"子程序入口/子程序出口"功能模塊二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及任務(wù)創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)由兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成,其模塊間的關(guān)系如圖11所示:(1).實(shí)驗(yàn)?zāi)K一樣品模型制作與軟件學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)任務(wù):此實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要以熟悉系統(tǒng)功能為主要任務(wù),掌握模塊的使用方法,了解軟件的編程方法.創(chuàng)意模型系統(tǒng)提供五種機(jī)器人樣本模型,供