產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計實驗課程實驗指導(dǎo)書

1、產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計實驗課程實驗指導(dǎo)書機械工程實驗中心產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計實驗指導(dǎo)書本實驗主要基于慧魚創(chuàng)意模型系統(tǒng)（fischertechnik）.實驗的目的是通過讓學(xué)生學(xué)習(xí)動手組裝模型機器人和建造自己設(shè)計的有一定功能的機器人模型產(chǎn)品,使學(xué)生體會創(chuàng)意設(shè)計的方法和意義;同時通過創(chuàng)意實驗,使學(xué)生了解一些計算機控制、軟件編程、機電一體化等方面的基礎(chǔ)知識,加深對專業(yè)課學(xué)習(xí)的理解,為后續(xù)課的學(xué)習(xí)做一個很好地鋪墊.一、實驗設(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,可實現(xiàn)六面拼接,多次拆裝.系統(tǒng)提供的技術(shù)組合包中機械構(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)動源：直流電機驅(qū)動（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中的摩擦阻力）,所以它兼顧驅(qū)動和控制兩種功能.減速直流電機驅(qū)動（9V、最大功率1.1瓦,減速比50:1/20:1）.氣動驅(qū)動包括：儲氣罐、氣缸、活塞、電磁閥、氣管等元件.傳感器:在搭接模型時,你可以

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

4、;C時,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:新型的運用可控制所有馬達(dá)電動模型的紅外線遙控裝置由一個強大的紅外線發(fā)射器和一個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)字信號輸入,二路模擬信號輸入,具有斷電保護功能（新版接口）,兩接口板級聯(lián)實現(xiàn)輸入輸出信號加倍.PLC接口板:實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,直接與PLC相連.智能接口板自帶微處理器,通過串口與計算機

5、相連.在計算機上編的程序可以移植到接口板的微處理器上,它可以不用計算機獨立處理程序（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,實時控制.用PLC控制器控制模型時,采用梯形圖編程.編輯程序的其最大特點是使用系統(tǒng)提供的工具箱中的功能模塊就可以建立控制程序（無須其它高級計算機語言的背景做支持）,圖標(biāo)式的功能模塊簡單易懂.模型可用電腦、PLC或單片機對其進(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器人的組裝過程和控制過程中將

6、會遇到的以下幾種主要控制單元和其簡單的工作原理.氣動元件相關(guān)知識:在組裝氣動機器人時會用到氣缸作為執(zhí)行機構(gòu),氣缸中的空氣可以被壓縮,壓縮得越大,氣缸里的壓強越大.壓強單位是"帕"或"帕斯卡",壓強的計算公式: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.氣動活塞（氣缸）運動原理: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中運動當(dāng)A口開進(jìn)氣,B口開出氣時:活塞桿D右移;A口開出氣,

7、B口開進(jìn)氣時:活塞桿D左移.壓縮機壓縮機有三部分組成:電動機驅(qū)動、空氣壓縮氣缸、儲氣罐.工作原理:電機帶動曲柄軸轉(zhuǎn)動,活塞桿與曲柄軸連接,使電機的周轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊麠U做左右往復(fù)運動.活塞桿向右運動時,口吸入空氣,當(dāng)活塞桿向左運動時,使壓縮空氣壓入儲氣罐.手動切換閥手動切換閥如圖3所示:中間的接頭（P）是進(jìn)氣口，左右兩個接頭（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.這種閥還有三個切換位置（左-中-右）,在氣動學(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,做

8、為輸入信號給計算機,經(jīng)過計算機處理,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)（觸動開關(guān)）簡單的邏輯電平"0"和"1"可以用一個開關(guān)來描述.當(dāng)觸動開關(guān)被按下與松開時,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).觸動開關(guān)的工作原理如圖5所示:觸點1與按鈕的機械結(jié)構(gòu)是杠桿機構(gòu),在切換動作中,當(dāng)按下按鈕,觸點切換發(fā)出輕微的滴答聲時,你可以清晰地感到一個壓力點,當(dāng)觸點1與觸點2斷開時與觸點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,機械開關(guān)接通和斷開的位置之差稱為滯后.觸點或

9、其它電子開關(guān)的切換滯后是一個重要的特性.如果不存在滯后作用,在開關(guān)上的微小抖動就會導(dǎo)致一些意想不到的觸頭動作,可能導(dǎo)致不可預(yù)測的事件.這里的開關(guān)設(shè)計成了一個過變型開關(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.一個常見的三極管有三個極: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.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光電池和三極管的組合,光電池負(fù)責(zé)將光信號變成弱電信號,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弱,這樣就作為模擬量傳感器來工作.白熾燈用作信號輸出白熾燈用來輸出簡單的光信號,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,慧魚組合包里的白熾燈有一個顯著的特點,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)確地檢測光信號.直流電機作為動力源模型系統(tǒng)中,直流電機是重要的執(zhí)行器.直流電機由一個旋轉(zhuǎn)的"轉(zhuǎn)子"和一個固定的"定子"組成,轉(zhuǎn)子原理上可以理解為一個處在定子磁場中的導(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)體在磁場中移動.很多直流電機用永磁鐵物質(zhì)來產(chǎn)生所需的磁場,疊成定子的磁板.電流是用滑動連接電刷傳到轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子上的,這些電刷使同一時間在線圈的電流反向,以使旋轉(zhuǎn)運動不會中斷,正常電機的轉(zhuǎn)速在每分鐘幾千轉(zhuǎn).模型系統(tǒng)的更多內(nèi)容參見實驗室提供的設(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.軟件程序的作用你很想知道機器人是如何準(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,不僅僅在機器人領(lǐng)域,在其它很多地方我們都會碰到控制和自動化技術(shù).當(dāng)你將制作好的機器人模型與智能接口板、電源和計算機相連接好以后,他們彼此之間就建立了一種聯(lián)系（或稱為通訊）,機器人上的狀態(tài)信號通過接口板傳遞給計算機,人們的控制意圖也要通過計算機,再通過接口板傳遞給機器人,以達(dá)到控制和自動化的目的.計算機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)靠計算機硬件支持,而方式的體現(xiàn)就依賴軟件來解決.關(guān)于計算機軟件的基礎(chǔ)知識請同學(xué)自學(xué)計算機基礎(chǔ).安裝LL

13、Win3.0PC機的最低配置: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.打開計算機,把安裝軟盤放入光驅(qū),安裝程序會自動運行,在每個對話框中輸入相應(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,除了對程序進(jìn)行管理、編程、調(diào)試的命令,還有有關(guān)編程選項和在線幫助的命令.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)和體驗用戶界面的功能.編程前的簡短硬件測試（重要提示）必須先連接好接口板,檢查硬件連接是否正確,連接方法請參見模型裝配指導(dǎo)書.為了確保計算機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算機之間的連接狀態(tài):Simulationmode定義接口板未選擇計算機端口,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，點擊菜單"Settings-setup-

15、Interface",出現(xiàn)窗口在"port"選擇計算機端口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.做一個小試驗:如圖9所示,用一個按鈕來檢查輸入,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,接線端1與3（常開變成閉合）接通,屏幕上對應(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)行機構(gòu)就在上面,如馬達(dá)、電磁鐵和燈等.做一個實驗:接一個電機在接口板輸出口M1上,將鼠標(biāo)移到圖標(biāo)M1部位,按下左健,電機順時針轉(zhuǎn)動,按下右鍵,電機右轉(zhuǎn),如果先按"Ctrl"鍵,再按下鼠標(biāo)電機將保持轉(zhuǎn)動,再按鼠標(biāo)鍵,電機停止.設(shè)計控制程序我們將要使機器人模型能夠被控制,使它自動連續(xù)地完成任務(wù),所以需要把每一步動作都按順序儲存,為此,使用專門語言進(jìn)行編程序.建立新項目打開"Project"（項目）菜單,點擊"New"（新建）命令,出現(xiàn)"New

17、project"對話框,選擇"EmptyProject"（空項目）,按"OK",開始新項目編程.功能模塊LLWin是一個能創(chuàng)建、測試控制程序的功能強大的工具,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,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"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、實驗內(nèi)容及任務(wù)創(chuàng)意設(shè)計實驗由兩個實驗?zāi)K組成,其模塊間的關(guān)系如圖11所示:(1).實驗?zāi)K一樣品模型制作與軟件學(xué)習(xí)實驗任務(wù):此實驗?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)提供五種機器人樣本模型,供