時間：2023-04-01 10:06:37
導語：在機械手設計論文的撰寫旅程中，學習并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領您探索更多的創(chuàng)作可能。
指導老師：戴勝坤
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故障選線的研究現狀和研究方法，對現有
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。控制核心采用微處理器或單片機，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)控制網絡實現數據上傳和控制。
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.根據總體方案設計硬件電路，需要有理論依據，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；
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，要求如下：
1）用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作信號燈。考慮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停靠到禁行線之外。
2）能實現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）能實現控制器總清零功能。 按下某個鍵后，系統實現總清零，計數器由初始狀態(tài)開始計數，對應狀態(tài)的指示燈亮。 二、根據設計任務與要求：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中的作用及地位
2.機電一體化系統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選擇傳感器（舉例說明）
4.機電一體化系統中常用傳感器的發(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.壓力站氣路壓力數顯示向PLC發(fā)出4～20mA的模擬信號
4.根據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等。
（三）PLC編程部分設計任務：
根據給出的梯形圖進行編程。
課題八、畢業(yè)設計題目：恒壓供水系統設計
指導教師：黃衛(wèi)庭
構成：PLC系統、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。·
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，使系統停止于初始狀態(tài)。
四、要求：用歐姆龍型PLC技術設計
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，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
要求學會編制有關電氣系統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、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
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的制作
指導教師：黃國祥
目的：實現機械手水平、垂直兩個方向的機械運動
任務：1、系統方案的設計與計算；液壓泵、液壓閥等技術參數的選擇；液壓輔助部件的選擇與購買。
2、液壓缸的加工制作。
3、液壓系統的安裝與調試。
4、電路系統的安裝。
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，字數不少于5000字。
3、現場展覽制作產品，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，樹立嚴謹的科學作風，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，樹立嚴謹的科學作風，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：
按技術參數設計一臺直流開關電源
主要技術參數：
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,計數器加1,后退則減1.
2、出庫車輛前進時計數器減1,后退則加1.
3、要求有顯示屏指示車庫內車輛的實際數目.
要求：
1.根據題意設計顯示電路，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.完成系統調試，實現控制要求。
課題二十二、水塔水位控制PLC系統設計
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.完成系統調試，實現控制要求。
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。可以自己設計玩具形狀，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
指導老師：李廣坤
關鍵詞：機械手；PLC；液壓伺服定位；電液系統
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機械手驅動系統的設計. 12
2.7.1 常用驅動系統及其特點. 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電機選型有關參數計算. 14
3.1.1 有關參數的計算. 14
3.1.2 電機型號的選擇. 16
3.2液壓傳動系統設計計算. 18
3.2.1 確定液壓系統基本方案. 18
3.2.2 擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路. 19
3.2.3 液壓源系統的設計. 19
3.2.4 繪制液壓系統圖. 20
3.2.5 確定液壓系統的主要參數. 21
3.2.6 計算和選擇液壓元件. 26
第4章 機械手控制系統的設計. 28
4.1系統硬件設計. 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，我國大多數工廠的生產線上數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，適應現代機械行業(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。本機械手主要與數控機床組合最終形成生產線，實現加工過程的自動化和無人化。
1.3發(fā)展現狀和趨勢
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；其二是與生產加工相聯系，性價比高，在滿足工作要求的基礎上，追求系統的經濟、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的，如圖2-1.a。由于直線運動易于實現全閉環(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、機械手手爪是根據機械手作業(yè)要求來設計的。既根據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，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)行器實現標準化。
4、機械手手爪要便于安裝和維修，易于實現計算機控制。
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進行控制，傳動剛度大，可實現連續(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手爪的松、開，來實現抓取工件。
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，應根據實際作業(yè)要求來確定。
3、為實現腕部的通用性，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
通過對數控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數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個自由度來實現機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯結梁）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；而且液壓缸實現直線運動，控制簡單，易于實現計算機的控制。
由于液壓系統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，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，二是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現。考慮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，以消除爬行現象，增加系統壽命。
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、適當的阻尼比。阻尼比越大，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、千斤頂等；有以傳遞運動為主的，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機械手驅動系統設計
2.7.1常用驅動系統及其特點
工業(yè)常用驅動系統，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據需要也可將這三種基本類型組合成復合式的驅動系統。這三類基本驅動系統的主要特點如下。
1.液壓驅動系統
具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現直接驅動、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
具有速度快，系統結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機械手中采用。但是因難于實現伺服控制，多用于程序控制的機械手中。
3.電動驅動系統
具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特點。這類驅動系統不需要能量轉換，但大多數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。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，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
活塞式平衡系統分為兩種，一是液壓平衡系統，二是氣動平衡系統。其中液壓平衡系統平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；而氣動平衡系統，具有很好的阻尼作用，但體積比較大。活塞式平衡需要配備有專門的液壓或氣動裝置，系統復雜，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電機選型有關參數計算
3.1.1有關參數的計算
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。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液壓傳動系統設計計算
3.2.1確定液壓系統基本方案
液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達，液壓缸實現直線運動，液壓馬達實現回轉運動。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，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。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。對于一般中小流量的液壓系統，通過換向閥的有機組合來實現所要求的動作。對高壓大流量的系統，多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現。
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，而方向控制采用電磁換向閥來實現。
3.2.3液壓源系統的設計
液壓系統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。容積調速系統多用變量泵供油，用安全閥來限定系統的最高壓力。
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，進入系統的油液根據要求，通過精濾油器再次過濾。為防止系統中雜質流回油箱，可在回油路上設置磁過濾器。根據液壓設備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。
本設計的液壓系統采用定量泵供油，由溢流閥V1來調定系統壓力。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繪制液壓系統圖
本機械手的液壓系統圖如圖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，實現手爪的輕緩抓緊；當6DT失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現手爪迅速松開。
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確定液壓系統的主要參數
液壓系統的主要參數是壓力和流量，他們是設計液壓系統，選擇液壓元件的主要依據。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.液壓缸主要參數的確定
考慮到機械手的特點，系統的剛度及其穩(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。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如下；
因為伸縮缸的作用主要是實現直線運動，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
根據系統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驅動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現；腰座旋轉通過步進電動機與齒輪來實現。
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個數字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或35路模擬量I/O點，具有16K字節(jié)程序和數據存儲空間。6個獨立的30kHz 高速計數器，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通訊協議、MPI通訊協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，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，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、滿足特殊要求的數控機床上下料機械手的設計，比較好地體現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！
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目前存在的主要問題我院機械類專業(yè)含機電、機械、數控、模具、汽車等相關專業(yè)。目前，畢業(yè)設計中存在的主要問題有以下幾種：
1.關注點不一樣，學校和學生意見分歧由于教育行政部門每年都要對畢業(yè)論文（設計）進行抽檢評優(yōu)，所以學校很緊張，萬一結果不好，影響學校的聲譽。但現狀是，機械類專業(yè)絕大多數學生從第5學期中后期開始進行頂崗實習，而且大部分從事的是機床操作和產品檢驗、包裝等工種，沒有太多的技術含量，與“設計”無緣。少部分學生在產品銷售崗位實習，還有部分在售后服務崗位實習，與“設計”關系都不大，學生看不到畢業(yè)設計對他們將來的工作有多大作用，他們更關注的是就業(yè)。因此，沒有太大的動力去認真地搞畢業(yè)設計。由于學校對老師有要求，老師本意當然想認真地指導學生，可是學生在頂崗實習階段，不能與老師經常見面，有的根本見不了面，只能通過電話、網絡溝通，學生上網不便，郵件也說不清楚，老師只能過一段時間督促一下，指導效果大打折扣。
2.畢業(yè)設計所需信息和資料難以搜集，影響進度畢業(yè)設計階段，學生都在企業(yè)頂崗實習，企業(yè)沒有專門的提供給學生的圖書館、機房、網絡、實驗室等畢業(yè)設計所必須的基本條件。學生對相關專業(yè)資料的搜集、分析、利用等能力相對較弱，這些資源的缺乏令學生在選題、開題和具體實施階段顯得無從下手，只能胡亂參照往年或網上資料相關題目。例如，機械類專業(yè)學生中期檢查交上來的題目大多是軸類、箱體類、圓盤類零件的加工工藝及數控編程、各種零件的模具設計、各種普通機床經濟型數控化改造、電梯和機械手、水位、各種生產線等的PLC控制、機床夾具設計、機械設備的故障診斷與維修等等，題目有的大而空，有的是課程設計內容，有的是教材上的實例。學生撰寫論文時參考教材或網絡公開資料過多，沒有什么數據支撐，也沒有什么自己的觀點和實際作品，談不上論文的質量及學生水平的提高。
3.學生方面的原因江蘇省這幾年的高職招生，有提前單招，有注冊入學，還有中職對口單招，最后，通過真正參加高考錄取的考生，所占比例已經較少了。即使是這些學生，錄取的分數也很低。而且，江蘇省錄取的總人數已經超過了報考學生總數，基本上只要想上學，都能上。所以招進來的學生的知識基礎較差，學習興趣不高，水平和能力又參差不齊。畢業(yè)設計和頂崗實習時間重疊，絕大部分學生是自己通過人才市場選擇的實習企業(yè)，崗位要求學生和正式用工一樣的工作時間和強度，學生每天上8小時甚至12小時的班，有的企業(yè)兩班倒，有的三班倒，沒有精力再去搞畢業(yè)設計。另一方面，在學校的前兩年，也沒有好好學習專業(yè)知識，造成很多學生不知道畢業(yè)設計要做什么，怎么做。老師給學生的課題，學生做不了，學生自己定的題目，又很不恰當。勉強寫出的論文不規(guī)范，文字欠通順，表述設計意圖和設計方案邏輯性不強，質量很低，有的直接抄襲論文或干脆購買，沒有起到培養(yǎng)綜合能力和科研水平的目的。
4.指導老師方面的原因由于學生多而專業(yè)教師少，教師的指導工作量過大，一般平均每位專業(yè)教師要承擔十多個學生的畢業(yè)設計指導，學生遠在四處各地，老師無法對學生進行細致、系統和及時的指導和檢查。而且本身又有繁重的教學工作，老師的精力跟不上。另外，各個學校重點關注的是招生就業(yè)，使得老師可能不太重視畢業(yè)設計工作，不愿多花時間與精力。從教師本身來看，高職院校的年輕教師很多是剛從學校畢業(yè)的，沒有實踐環(huán)節(jié)，只能照本宣科；年長教師，沒有知識更新的再教育環(huán)節(jié)，對新技術不太了解。老師自己實踐水平不高，給學生的選題，為回避實踐環(huán)節(jié)，很多選擇了與工程實際相脫離的綜述類題目或計算機仿真題目。這些都使畢業(yè)設計指導工作難度增大，難以保證質量。
二、對策分析
1.提前啟動畢業(yè)設計工作在人才培養(yǎng)方案中，將各主要專業(yè)課程向前兩學年轉移，減少第三學年的計劃課程。第五學期初開始畢業(yè)設計，包括落實任務、查閱資料，掌握畢業(yè)設計的基本程序、要求，完成畢業(yè)論文的總體框架設計。學生在校完成畢業(yè)論文總體框架后，到企業(yè)、實習基地邊實習邊做畢業(yè)設計，更有針對性，學生不再感到茫然。
2.充分利用畢業(yè)頂崗實習到用人單位進行半年以上頂崗實習，是高職院校落實《教育部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，大力推行“校企合作、工學結合”，突出高職教育特色，改革人才培養(yǎng)模式的重要舉措。這幾年，我院機械類學生的頂崗實習已提前至第5學期的下半學期，由于企業(yè)對技能型人才的需求較旺，所以，絕大部分學生自己都能較容易找到相關實習崗位。學生帶著各自初擬的畢業(yè)設計課題，分散到不同地方、不同部門進行畢業(yè)實習，這種分散實習的方式不會影響企業(yè)的生產秩序，比較容易被企業(yè)接受；還有部分學生，在第3或者第4學期已經選擇了進入與學校簽有合作培養(yǎng)協議的“訂單班”學習，我系有“上海鴻得利”、“富士康”、“億滋”、“無錫松下”等眾多訂單班，學生完成基本專業(yè)知識學習后直接進入這些單位頂崗實習。畢業(yè)設計的內容與實際所從事的崗位聯系，如果與初擬的框架有沖突，可再作研究內容和方法的調整，甚至重新開展課題研究。做到理論聯系實際，提高學生的解決實際問題能力，提高畢業(yè)設計的質量。
3.校企共同指導學校自己聘請公司的技術人員做企業(yè)兼職指導教師，實現校企共同指導畢業(yè)設計。校內指導教師主要負責畢業(yè)設計規(guī)范化指導，負責過程管理，制定畢業(yè)設計流程，對畢業(yè)設計的各個環(huán)節(jié)進行監(jiān)督檢查，對后期的畢業(yè)論文的撰寫進行指導和審核。保持與企業(yè)指導教師、畢業(yè)生的聯系與溝通。企業(yè)的指導教師負責具體的技術、內容指導，提供企業(yè)相關資料以及學生與實習企業(yè)合作環(huán)境的協調。學校應支付企業(yè)導師一定報酬，同時，企業(yè)導師參與答辯要占到一定比例。我院建立了頂崗實習管理平臺，要求學生頂崗實習期間至少每周寫一次周記，每個周記提出一個工作問題，解決一個工作問題，學習一個工作中需要的新知識點，詳細記錄，并報告指導教師，指導老師進行點評、指導，隨時關注學生動態(tài)，及時解決學生在實習過程中遇到的問題。另外，學生還要完成手寫的實習報告，也按周填寫，學生的企業(yè)指導老師，對學生一周的工作進行評價、總結.
4.豐富畢業(yè)設計課題來源
（1）指導教師的科研課題。此類型題目所占比例呈逐年上升趨勢。原因主要是近幾年學校科研環(huán)境的改善及本系教師隊伍的完善，科研項目逐漸增多，項目層次包括院級、市級、省級、國家級。
（2）依托技能競賽及各級各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽開展畢業(yè)設計的實踐活動。鼓勵學生積級申報江蘇省大學生實踐創(chuàng)新項目，參加大學生機械設計大賽、自動化生產線安裝與調試、汽車維修、汽車營銷、數控操作大賽、大學生創(chuàng)業(yè)大賽、職業(yè)規(guī)劃大賽等。畢業(yè)設計開始時間可以依據競賽時間進行調整，畢業(yè)設計可以以綜合性競賽項目實物作為成果，由競賽輔導教師兼任畢業(yè)設計指導教師，對學生在前期創(chuàng)新過程中的作品進行完善和理論升華。通過技能競賽學生熟練了技能，樹立了競爭意識、團隊意識，更嘗到了學習技能、精通技能的甜頭。
（3）學生自己確立的課題。題目主要來自畢業(yè)頂崗實習或者將要就業(yè)的單位，收集與實際工作相關的資料，在導師的指導下確定畢業(yè)設計題目。這說明學生下企業(yè)頂崗實習為畢業(yè)設計的選題提供了大量的專業(yè)實踐機會。對于部分搞不了設計的學生，要求他們將實習體會寫下來，形成實習報告。
（4）模具、數控、機械、機電專業(yè)跨專業(yè)整合，開展任務驅動、項目導向的畢業(yè)設計課題探索，使學生綜合能力與素質得到全面提升。
（5）參與教師的教學活動。學生參與教學課件的制作，如機械設計基礎、液壓與氣動技術、夾具設計、數控編程、模具設計等課程中的動畫、視頻的制作。既鞏固了所學專業(yè)知識，又熟練掌握常用軟件的操作，為將來的工作打下了良好的基礎。
（6）不斷完善畢業(yè)設計課題類型，開設畢業(yè)設計指導課程。經過這幾年的實踐總結，我們大體上把機械類高職畢業(yè)設計的類型分為以下幾類，同時，我院已開設指導畢業(yè)設計的相關課程或講座。1）工藝夾具類。此類主要完成各種零件的加工工藝編制及加工零件所需夾具的設計。2）數控編程類。主要完成零件的加工工藝編制及數控編程，可以和機械設計類結合，以團隊的形式，完成機構的設計、機構零件的數控編程、加工。3）注塑、沖壓模具類。主要完成各種注塑、沖壓模具設計。4）機械設計類。減速器、機器人、機械手、各種泵、控制裝備、農業(yè)機械、汽車、液壓系統及各種設備的設計。5）機床類。機床主傳動系統及進給系統設計、鉆床、銑床、組合機床設計，也可以利用學校的金工實習車間進行各類機床的拆裝、測繪訓練。6）機械類課程圖形庫、動畫庫、試題庫建設。7）機電一體化類普通車床數控化改造及各種設備的PLC控制系統設計。8）機電設備或生產線故障分析與診斷。
（7）答辯形式多樣化。答辯可以采取多種形式，答辯地點可以選擇校內的多媒體教室、實訓室，也可以搬到校外學生頂崗實習的企業(yè)現場，邀請企業(yè)指導老師、技術人員、學生的同事一起參加答辯；答辯形式可以是陳述性答辯，也可以是作品展示性答辯；團隊項目，可指定一人進行答辯。要保證各類形式如實習報告類、調查報告類、市場調研類、創(chuàng)業(yè)計劃類、售后報告分析類、設計類都可以參加答辯。
三、總結
根據上面分析，現在的畢業(yè)設計質量較難保證，而現有國情下高職畢業(yè)設計暫時無法替代。但是，畢業(yè)設計也應隨著形勢的發(fā)展進行較大程度的改革，否則，不能發(fā)揮起應有的過渡橋梁作用，有以下幾點值得思考：
（1）是否能強化課程綜合實訓和課程設計，淡化畢業(yè)設計。例如機械設計基礎課程結合CAD/CAM課程進行綜合實訓；液壓與氣動技術、機械制造基礎、PLC等進行課程設計；數控編程與操作理論課程結合實訓進行典型零件的數控編程與加工訓練。這樣的訓練更扎實，更有實效。
（2）畢業(yè)設計過程要增強學生對畢業(yè)設計的認識、讓學生明確其目的和意義。
（3）畢業(yè)設計是一個綜合訓練的環(huán)節(jié)。完整的畢業(yè)設計過程應該包括專業(yè)實習、文獻檢索、題目選擇、資料收集整理、大綱擬定、試驗數據獲取、理論計算、論文寫作與論文答辯等環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)能使學生受到完成一個實際項目所必需的綜合基本訓練，對學生將來的工作和可能情況下的深造意義非凡。
（溫州職業(yè)技術學院，溫州 325035）
（Wenzhou Vocational & Technical College，Wenzhou 325035，China）
摘要： 優(yōu)化設計是將最優(yōu)化理論和計算技術應用于機械設計領域，為工程設計提供優(yōu)化設計的方法。MATLAB優(yōu)化工具箱具有編程工作量少、語法符合工程設計習慣的特點，本文應用MATLAB軟件，以RV減速器一級齒輪傳動體積最小為目標函數進行優(yōu)化設計，并給出了優(yōu)化設計實例，與原設計方案相比，取得了良好的優(yōu)化效果。
Abstract： Optimization design is to apply optimum theory and computing technology into the field of mechanical design to provide the optimization design methods for engineering design. MATLAB optimization toolbox has many characteristics， such as the programming workload is less， the grammar conforms to engineering design practice and so on. MATLAB software is applied in this article， the minimum transmission volume of the first RV reducer gear as the objective function to optimize design and put forward the optimal design example. Compared with the original design scheme， it achieves good optimization effect.
關鍵詞 ： MATLAB優(yōu)化設計；目標函數；約束函數；RV減速器
Key words： MATLAB optimization design；objective function；constraint function；RV reducer
中圖分類號：TG457.23文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2015）25-0085-03
基金項目：溫州市科技計劃項目（項目編號：G20120011）“基于救援機器人的RV減速器研發(fā)”的階段研究成果。
作者簡介：鄭紅（1968-），女，江西南昌人，溫州職業(yè)技術學院機械系副教授，研究方向為機械設計制造及自動化。
0 引言
機械優(yōu)化設計是最優(yōu)化方法與機械設計的結合，設計工具是計算機軟件及計算程序，設計方法是最優(yōu)化數學方法。機械優(yōu)化設計，就是在給定載荷及工作環(huán)境條件基礎上，在機械產品的性態(tài)、幾何尺寸關系或其他因素的限制（約束）的范圍內，根據設計要求及目標，選定設計變量、建立目標函數，并使其獲得最優(yōu)值，設計出經濟可靠的機械產品。
換句話說，也就是在滿足一定約束的前提下，尋找一組設計參數，使機械產品單項或多項設計指標達到最優(yōu)。機械優(yōu)化設計因其目標函數和約束函數普遍呈非線性的特點，設計步驟為先根據實際的設計問題建立相應的數學模型，在建立數學模型時需要應用專業(yè)知識確定設計的限制條件和所追求的目標，確定設計變量之間的相互關系等，并使之滿足強度、剛度及運動學等約束條件。數學模型一旦建立，優(yōu)化設計問題就變成了一個數學求解問題，應用優(yōu)化理論，設計優(yōu)化程序，以計算機為載體計算得到最優(yōu)化設計參數。
美國可口可樂公司是全球最大的飲料公司，擁有全球市場48%的占有率，為降低生產成本，提升品牌競爭力，可口可樂瓶有一段優(yōu)化設計的佳話，優(yōu)化處理后的可口可樂瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能卻絲毫未受影響，僅此一舉就節(jié)省了可觀的材料費用，帶來了可觀的利潤。
近年來制造業(yè)轉型升級、國家推出“機器換人”工程，把機器人、高端數控設備的應用推向了，但基于機器人的RV減速器一直是個技術難題，直接影響到機器人的工作性能指標。
RV減速器產品在結構上由一級漸開線齒輪傳動和一級擺線針輪行星傳動串聯構成，漸開線齒輪傳動構成第一級傳動，擺線齒輪行星傳動構成第二級傳動。RV減速器是一款剛度最高、振動最低的機器人用減速器，能夠提高機器人工作時的動態(tài)特性，減小傳動回差，而且還具有體積小重量輕、結構緊湊、傳動比范圍大、承載能力大、運動精度高、傳動效率高等優(yōu)點。
RV減速器廣泛應用在機器人、數控機床行業(yè)，傳統設計全由設計人員手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、體積或質量更小的指標要求下，希望能從一系列可行的設計方案中精選最優(yōu)，傳統的設計方法做不到，因而有必要采用優(yōu)化方法來確定其設計參數。
RV減速器優(yōu)化設計要解決的問題，與其使用場合的具體要求有關。在保證傳動能力的條件下要求齒輪傳動及針擺傳動體積最小或質量最小；在要求較高時，需要優(yōu)選齒輪的幾何參數使齒輪副具有形成油膜的最佳條件；優(yōu)化齒輪傳動的慣性質量分配，以便最大限度地減少工作時間的振動和噪聲，以及傳動功率最大和工作壽命最長等。
對于不同類型的RV減速器，其優(yōu)化設計具有各自的特點，設計變量一般選擇齒輪傳動的基本幾何參數或性能參數，如齒數、模數、齒寬系數、傳動比、螺旋角、變位系數和中心距等。
根據優(yōu)化目標的不同，RV減速器設計可以有多種最優(yōu)化方案，本文討論的是在滿足齒輪傳動強度、剛度和壽命條件下，使RV減速器轉矩最大、體積最小或質量最小。
基于RV減速器的機器人抓握機械手工況條件，8小時工作，正反轉，輕載平穩(wěn)，空載起動，室內工作，使用壽命5年，在溫州職業(yè)技術學院工業(yè)中心單件生產，機器人機械手轉矩T3=20 N·m，轉速n3=5rpm，為優(yōu)化設計對象，要求在保證齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度的條件下，獲得轉矩最大、體積最小、重量最輕的傳動裝置。應用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對電機轉矩做最大值優(yōu)化，即應用fmincon函數對電機轉矩的倒數求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉矩最大的情況下，齒輪傳動體積最小，實際上就是求齒輪齒數的取值。因此以轉矩最大為優(yōu)化目標，建立優(yōu)化設計數學模型。
1 目標函數
①工作載荷計算功率P3。
因為T3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上機器工作載荷系數K=1.5，得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②應用針擺傳動效率η2=97%，計算第二級針擺傳動功率P2，得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③應用漸開線齒輪傳動效率η1=95%，計算第一級齒輪傳動功率P1，得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④應用電機傳動效率η=99%，計算電機功率P，得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤計算電機轉矩。
因為RV減速器總傳動比為i=-Z2/Z1*Zb，則電機轉速為n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），
所以電機轉矩為T=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N·m
對于第二級針擺傳動，設計采用一齒差擺線針輪行星傳動，因此針齒齒數Zb必須為偶數，Zb用數學表達式來表達，即Zb=2*k，而10≤k≤50，則電機轉矩表達式為
T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N·m。
所以，電機轉矩表達式有3個變量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表達式變?yōu)門=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。
機械手的工作要求是轉矩足夠大，而MATLAB軟件的fmincon函數只能進行最小值優(yōu)化，所以對電機轉矩求倒數，對電機轉矩的倒數作最小值優(yōu)化，即
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018），
所以在MATLAB中，目標函數f（x）=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）。
2 非線性約束條件
①非線性約束條件1。
根據機器人抓握機械手工況條件、載荷條件，可以判定齒輪幾何尺寸不大，模數較小，初定為0.5或1mm；轉矩也不大，約為20N·m，電機轉矩理論上應該可以控制在1 N·m以內，即T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））≤1，則
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≥1
所以1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0構成非線性約束條件1。
②非線性約束條件2、非線性約束條件3。
RV減速器對總傳動比有范圍要求，140≤i≤180，即
140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成兩個表達式，即
140-（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤0，（（x（2）/x（1））*2*x（3））-180≤0，整理后140-（x（2）/x（1））*2*x（3）≤0及（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0構成非線性約束條件2、3。
綜上，非線性約束條件共3個，
1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0
140- （x（2）/x（1））*2*x（3）≤0
（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0
3 線性約束條件
①線性約束條件1、線性約束條件2。
為使RV減速器偏心軸軸承與擺線輪之間的作用力不至過大，漸開線齒輪傳動中心距a應是針齒基圓半徑R的0.35~0.65倍，這個可歸為結構尺寸條件。
因為要設計出在轉矩最大前提下，體積最小質量最輕的RV減速器，必須使齒輪傳動的中心距最小，RV減速器的結構緊湊，所以初定針齒基圓半徑R=（30~40）mm，所以
a=（0.35~0.65）*R=（0.35~0.65）*（30~40）=（10.5~26）mm，取整后11≤a≤26。因為
a=1/2*m*（Z2+Z1），因為模數越小，齒輪的幾何尺寸就越小，所以模數取0.5，則
a=1/2*0.5*（Z2+Z1）=0.25*（Z2+Z1），所以11≤0.25*（Z2+Z1）≤26，即
11≤0.25*（x（2）+x（1））≤26，展成兩個表達式，
-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26構成線性約束條件1、2。
②線性約束條件3、線性約束條件4。
為使第二級擺線針輪行星傳動部分輸入轉矩不至過大，第一級漸開線齒輪傳動的傳動比必須控制為i≥1.5，但單級齒輪傳動比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即
1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成兩個表達式，
1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0構成線性約束條件3、4。
③線性約束條件5、6、7。
小齒輪齒數的取值范圍8≤Z1≤20，展成兩個表達式，-Z1≤-8，Z1≤20，即
-x（1）≤-8及x（1）≤20構成線性約束條件5、6。
大齒輪齒數的取值范圍Z2≤100，即x（2）≤100構成線性約束條件7。
④線性約束條件8、9。
因為Zb必須為偶數，所以Zb用數學表達式來表達，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成兩個表達式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50構成線性約束條件8、9。
把9個線性約束條件寫矩陣表達式，即
-0.25 * x（1）- 0.25 * x（2） ≤-11
0.25 * x（1）+ 0.25 * x（2） ≤26
1.5 * x（1）- x（2） ≤0
-5 * x（1）+ x（2） ≤0
-x（1） ≤-8
x（1） ≤20
x（2） ≤100
-x（3）≤-10
x（3） ≤50
4 MATLAB編程
把上述計算過程編寫成MATLAB程序，應用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱對電機轉矩做最大值優(yōu)化，即應用fmincon函數對電機轉矩的倒數求最小值優(yōu)化，優(yōu)化的目的是求出在轉矩最大的情況下，RV減速器中心距最小，實際上就是求齒輪齒數的取值。
該數學模型為3個設計變量、12個約束條件的多元函數最小值問題，采用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱求解最優(yōu)結果，進行非線性有約束多元函數最小值計算，命令函數為fmincon，主程序如圖1，非線性約束條件如圖2，程序運行結果如圖3。
程序經過6次迭代計算，MATLAB計算優(yōu)化結果：
Z1 =9.7009，Z2=34.8305，k=19.4962，1/T=4.0721，
即T=0.24 N·m。
5 數據優(yōu)化處理
因為齒數一定為整數，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。
又因為Z1<17，齒輪會產生根切現象，但齒輪傳動的中心距又必須控制，所以略加大齒數，采用變位齒輪，取Z1=12，所以Z2=i1*Z1=4*12=48。
因為齒輪模數m=0.5mm，所以齒輪傳動中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，滿足初定的齒輪傳動中心距取值范圍11~26mm。
用優(yōu)化處理的參數計算電機轉矩的最大值T=0.24 N·m。
6 比較與結論
RV減速器齒輪傳動原設計電機轉矩為0.2N·m，中心距為20mm，經過MATLAB軟件優(yōu)化工具箱優(yōu)化處理，電機轉矩增至0.24N·m，中心距降為15mm，滿足齒根彎曲疲勞強度條件和齒面接觸疲勞強度條件，在保證傳動能力的前提下減速器體積減少了約30%，效能非常可觀。
參考文獻：
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特別是在2015年5月19日，國務院中國制造2025規(guī)劃之后，更是將機器人產業(yè)提升到新的高度。規(guī)劃指出，圍繞汽車、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業(yè)機器人、特種機器人，以及醫(yī)療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人應用需求，積極研發(fā)新產品，促進機器人標準化、模塊化發(fā)展。擴大市場應用。突破機器人本體、減速器、伺服電機、控制器、傳感器與驅動器等關鍵零部件及系統集成設計制造等技術瓶頸。對此，業(yè)內分析，機器人產業(yè)將迎來利好，獲得黃金發(fā)展周期。
為推進陜西省“兩化融合”進程和機器人產業(yè)發(fā)展，提升陜西省科技創(chuàng)新能力與產業(yè)競爭力，陜西省智能機器人重點實驗室成立于西安交通大學，并依托西安交通大學的優(yōu)勢，開展智能機器人的研究與應用工作。
尖端團隊助力機器人產業(yè)發(fā)展
目前，陜西省智能機器人重點實驗室擁有約41臺（套）實驗用儀器設備，總價值約2000萬元。實驗室還擁有固定人員35人，其中高級職稱19人，占比為54.3%；博士學位26人，占比為74.3%，長江學者1名。如今，實驗室已形成了一支以中國科學院院士丁漢為學術委員會主任，長江學者梅雪松教授為實驗室主任，武通海教授、王飛副教授為實驗室副主任，以及呂毅教授、馮祖仁教授、徐光華教授、陳花玲教授、張小棟教授、王朝暉教授、賈書海教授、徐海波教授、姜歌東教授、李兵教授等為學術帶頭人的專業(yè)團隊，致力于機械工程、自動控制等領域的研究。
多年來，陜西省智能機器人重點實驗室還致力于人才的培養(yǎng)，目前擁有在讀博士研究生32名、碩士研究生63名；近5年來其培養(yǎng)出博士研究生26名、碩士研究生120余名，為我國機器人產業(yè)作出了重要的貢獻。
梅雪松教授介紹，陜西省智能機器人重點實驗室的建設，主要為了解決機器人在符合陜西省行業(yè)特點的開發(fā)應用中的關鍵技術問題，為陜西省機器人產業(yè)發(fā)展提供技術支撐和引導，實現關鍵技術成果的轉移、轉化和產業(yè)化應用。“我們的目的就是將實驗室建成國內知名的具備原創(chuàng)能力的研發(fā)基地及機器人技術高層次人才培養(yǎng)基地。”梅雪松教授說道。
目前，陜西省智能機器人重點實驗室主要涉及機器人智能運動控制理論與自主決策、機器人核心功能部件失效機理與評價、多信息融合的機器人智能感知與人機交互及機器人仿生學研究與機構創(chuàng)新設計四個方向的研究。
在機器人智能運動控制理論與自主決策方面，陜西省智能機器人重點實驗室主要研究機器學習理論與實現；機器人運動控制參數的智能優(yōu)化與自適應調整；機器人運動路徑規(guī)劃與行為自主決策及工業(yè)機器人多種作業(yè)的智能末端執(zhí)行器作業(yè)一體化系統原理。在這一方面，實驗室提出了典型機器人智能運動控制理論與自主決策方法，開發(fā)機器人智能化實際應用技術，最終實現集成機、電、液、氣、光等多種接口的智能末端執(zhí)行器結構設計及智能末端執(zhí)行器的作業(yè)規(guī)劃與控制技術。
在機器人核心功能部件失效機理與評價方面，實驗室主要研究機器人減速器失效機理研究；工業(yè)機器人執(zhí)行部運動精度的檢測與評價；高精度機器人關節(jié)減速器性能檢測與評價及機器人運動控制系統與性能評價。在這一方面，實驗室設計出了優(yōu)化與協同制造出高精度、長壽命、大剛度的機器人關節(jié)減速器，開發(fā)出了總線和碼盤協議兼容性好、抗干擾能力強的高速高精度工業(yè)機器人專用伺服控制系統。
在多信息融合的機器人智能感知與人機交互方面，實驗室主要研究多傳感信息融合的機器視覺與感知技術；人一機器人交互理論研究與應用及基于多源生物信號的機電系統控制理論與應用。宴驗室將通過研究多傳感器感知技術，生機電協同控制與動態(tài)補償技術，實現人機運動的動態(tài)協同，初步實現基于腦機接口的服務機器人原型樣機，如：上肢和下肢康復機器人、助老伴行機器人、救援機器人及超微創(chuàng)手術機器人、ICU重癥護理機器人產品。
而在機器人仿生學研究與機構創(chuàng)新設計方面，實驗室主要研究行走機理與動物視覺的仿生實現理論與方法；機器人運動機構創(chuàng)新設計及機器人仿生驅動與實現。在這一方面。實驗室開發(fā)了基于柔性智能材料驅動的機器人，爬行軟體機器人系統。在這一領域，實驗室通過研究軟體機器人運動學、動力學非線性建模及分析方法，形成了“材料-結構-運動-傳感”一體化的軟體機器人設計方法。
專注、專業(yè)，機器人領域顯身手
憑借著專業(yè)的科研團隊及依托西安交通大學的優(yōu)勢，陜西省智能機器人重點實驗室取得了許多令人矚目的科研成果。
在機器人基礎科學與共性技術上，實驗室完成了介電彈性體材料的研究、石墨烯智能機器人光致驅動效應、石墨烯智能機器人的仿生應用研究、關于智能感知的研究、腦機接口技術研究、機器人控制技術研究、機器人在線測試研究、機器結構設計理論研究、機器人關節(jié)減速器研究。關于介電彈性體材料DE的介電特性研究，實驗室主要圍繞DE材料的介電性能展開了基礎性研究，研究了介電常數、介電損耗、電導率等因素對該材料介電特性的影響規(guī)律；在石墨烯智能機器人光致驅動效應的研究上，實驗室設計了聚合物雙層微致動器結構，實現光致驅動器。研究了石墨烯智能機器人光致驅動機理及驅動性能，建立了光-機-電-力耦合驅動模型；在石墨烯智能機器人的仿生應用研究上，實驗室開發(fā)了光致驅動的仿生魚平臺；關于智能感知的研究，實驗室面向復雜環(huán)境的視覺應用的多目標檢測、識別及追蹤以及立體匹配的計算模型方面獲得了一批國際水平的研究成果；同時，實驗室采用視覺芯片技術，解決視覺、視頻和圖像分析處理中所面臨的并行計算依賴和存儲效率限制等難題；在腦機接口技術研究上，實驗室提出了基于牛頓環(huán)的穩(wěn)態(tài)振蕩運動刺激范式，構建了穩(wěn)態(tài)運動視覺誘發(fā)電位提取算法。還提出了相應的頭皮腦電信號噪聲去除、微弱癲癇波檢測以及癲癇發(fā)作先兆捕捉方法。并構建運動想象控制小球運動的腦機接口實驗范式；在機器人控制技術研究上，實驗室開發(fā)了可用于機器人運動控制的開放式運動控制器、伺服驅動器：在機器人在線測試技術研究，實驗室開發(fā)了機器人綜合動態(tài)特性在線測試系統，該測試系統可實現西門子、NUM、海德漢等機器人數控系統運動過程中各軸位置、速度、電流信號的在線實時測量，可用于機器人末端誤差溯源與分離、伺服優(yōu)化、裝配情況評估等；在機器結構設計理論研究上，實驗室利用二維內力流建模方法分析了平板結構中內力渦流的形成與傳遞規(guī)律，并對載荷傳遞路徑的數值構造原理進行論證。總結歸納了承力生物體的典型結構特征，基于等應力定律提出了仿生優(yōu)化設計方法，并應用于仿生機器人的優(yōu)化再設計當中；在機器人關節(jié)減速器研究上，實驗室研究了諧波減速器關鍵零件柔輪的變形與應力分布，傳動誤差和摩擦信息提取方法：研制開發(fā)了用于系列諧波減速器性能測試試驗臺的測試系統。
在工業(yè)機器人應用上，實驗室研究出了基于工業(yè)機器人的纖維鋪放系統，固體火箭發(fā)動機絕熱層自動粘貼機器人技術，基于自動機械手的汽車旁通閥自動裝配線設計單腿跳躍機器人、關節(jié)式機械手、并聯機器人及巡檢機器人。關于基于工業(yè)機器人的纖維鋪放系統，實驗室研制了7自由度機器人式纖維鋪放系統；提出紫外光/電子束原位固化，提高制造效率30%；無需熱壓罐、降低制造成本15%，降低能耗60%，電子束固化微波強化復合材料層間強度，層間剪切強度提高15%；實驗室研制的自動粘貼機器人能完成各種尺寸型號的固體火箭內壁絕熱層的粘貼，不僅能夠完成粘貼的任務，而且對粘貼工藝的研究提供了條件；實驗室進行的單腿跳躍機器人、關節(jié)式機械手、并聯機器人等設計與開發(fā)，完成了系統的自行設計、制造以及組裝，實現了系統位姿或位珞的運動控制；實驗室研制的本巡檢機器人，可運用于特殊工作環(huán)境下的巡檢。
在服務機器人應用領域，實驗室成功研發(fā)了智能輪椅、基于腦機接口的康復機器人、腦控假肢、基于運動想象的機械手控制、外骨骼機器人、助老伴行機器人、無人機飛控系統平臺及手術機器人。智能輪椅是基于SSVEP和P300的智能輪椅控制導航系統的開發(fā)，實現腦電信號對輪椅的前進、后退、左轉、右轉等的精確控制。同時，實驗室研發(fā)的智能輪椅實現了基于SSVEP和P300的智能輪椅控制導航系統；基于腦機接口的康復機器人是針對生物運動視覺刺激誘發(fā)的混合BcI康復訓練技術展開研究，深入探討并研究及試驗構建了各種視覺刺激腦機接口新范式設計；腦控假肢是基于PC的BCI驅動的神經義肢手驅動控制系統，開發(fā)出的基于E-MOTIVE便攜腦電采集系統的智能腦控假肢系統；通過開展腦肌多源信息的運動意圖、位姿感知認知、交互控制和生機電一體化系統集成技術的研究，實驗室研發(fā)出了外骨骼機器人。
面對未來，創(chuàng)新不止
2015年，在西安交通大學王樹國校長和鄭南寧院士的支持下，西安交通大學的智能機器人實驗室成為陜西省重點實驗室，這使實驗室成為陜西在機器人領域最權威的研發(fā)機構。但實驗室主任梅雪松教授卻表示：“我們雖然取得了一定的成就，但我們并不會因此而止步。我們未來的目標是，2020年成為省級示范單位，2025年成為國內領先的創(chuàng)新研究中心。”
關鍵詞：熱成型；工藝；設備
1. 壓機生產線描述
1.1 生產線內容
1.1.1 整體簡介
壓機生產線包含以下主要內容：1臺料片拆垛裝置，附帶2個料架，使用1臺Destacker進行拆垛、打標記、傳送料片進入加熱爐，高溫加熱爐，1臺給壓機上料的SpeedFeeder，1套換模系統，使用2個平臺進行快速、節(jié)省空間的操作，1臺帶有高速蓄能系統的液壓機，1臺下料的SpeedFeeder，1條成形零件的退出傳送帶，熱成形模具水冷卻的監(jiān)控模塊和管道系統，料片/零件溫度測量系統，帶有2臺高溫熱成像儀，控制系統（Siemens），帶有1個主控制面板對整條生產線進行控制。
1.1.2 料片信息
系統能夠處理大范圍的汽車車身零件的料片，尺寸如下：
最大料片尺寸：L=1500mm × W=2000mm 最小料片尺寸：L=300mm × W=265mm
料片厚度：0.8 – 2.5mm 最大重量：28 kg （1張、2張或4張料片）
最大料片堆垛高度：500mm 材料：Mn22B5（無鍍層）和22MnB5-AlSi （有鍍層）
1.2 沖壓設備
1.2.1 整體簡介
在機架上方的中心部分，使用厚板作為滑塊油缸的安裝基座。機架的下部安放液壓墊和臺面。滑塊的導向是通過機架中的四個淬火鋼制導向裝置來實現的。機架的上、下部分都裝有起吊裝置。滑塊運行是由雙動油缸控制的。
1.2.2 液壓系統
液壓系統安裝在機座的上方后部，并擁有先進的設計。多路液壓系統是參照DIN標準制造。插裝閥提供一個特快速、可靠、無沖擊的液壓系統。通過使用多路結構，管道工作的數量被保持在一個最小數量。系統能夠做到基本無泄漏，而且液壓元件便于調整和維護。低噪音運行的軸向柱塞泵驅動整個液壓系統。每個泵配備了電驅動調節(jié)設備和比例控制壓力和流量調節(jié)單元。壓力和流量可以獨立控制調節(jié)。通過一個比例流量閥，壓機控制系統可以對每個油缸進行個別調節(jié)。
1.3 自動化設備
1.3.1 上料
使用鏟車將料片放入料架中。復位安全圍欄后，Feeder就開始拆垛料片了。當一個料架清空后，Feeder會自動轉向另一個料架進行工作。抓好的料片會被打鋼印和進行雙料片檢測。如果被檢測到有雙料，此料片就會被堆放在打鋼印和爐口間的區(qū)域。正常的料片會放在傳送皮帶上傳送至爐內。
1.3.2 出料
一個輸出傳送皮帶用來傳送成型料片。這個傳送帶有一個帶滾輪的剛架，易于傳送。傳送帶尾部裝有一個操作盒。這個盒子包括一個急停按鈕和一個選擇模式開關。位于出料位置的傳感器系統用來檢測傳送帶上是否清空才能進行卸料。另一個傳感器系統用來檢測輸出尾部是否有料片。如果任意一個傳感器檢測到有料片，整線將會自動停止直至傳感器檢測到無料。
1.4 加熱設備
1.4.1 描述
加熱平面料片的高溫加熱爐的加熱范圍大致從20℃至930℃。在沒有保護氣氛的情況下，最大加熱溫度可達980℃。可以通過可選的ENDO氣體發(fā)生器與安全設備獲得高效的保護氣氛。加熱爐可選用A）天然氣加空氣或B）甲醇-氮氣噴射系統之一。高質量的輥輪輸送系統將料片傳送通過加熱爐膛直至爐外的對。加熱爐的加熱段長度為24米，爐膛寬度2.3米，可以加熱1個、2個B柱，或并排4個零件。這種料片的布置方案在隨后的文中稱為一“批”。
2. 工藝要點
2.1 拆垛裝置
在拆垛裝置所需要的一些特殊工藝要求有：
1. 實現高速全自動換模，即要求有兩臺料片堆垛裝置，一臺用于生產時，一臺可用于人工裝載料片。
2. Destacker運載料片采用真空發(fā)生器裝置，采用吸盤形式，真空度是考核最關鍵標準，整個系統對于真空度有嚴格監(jiān)測，嚴格防止料片沒有吸牢，吸盤損壞，機械手損壞等情況發(fā)生。
2.2 加熱裝置
在加熱裝置所需要的一些特殊工藝要求有：
1. 加熱爐設備在斷電模式下，要立刻進入后備電源保護模式，滾輪處于運轉階段，但是其他設備處于斷電模式。因為突然斷電對于滾輪和加熱元件有致命損傷，所以備用方案尤為重要。
2. 加熱設備需要密封性優(yōu)良，且高溫加熱需要恒溫恒定，在小范圍內波動。這就需要加熱輻射管燃燒次序上的選擇排列；同時保護氣氛（95%氮氣+5%天燃氣）的充入可以使爐內無氧氣或者多余少量氧氣的燃燒消耗。爐內沒有氧氣就意味著料片上面沒有氧化皮，保證零件質量。
3. 對采用finger形式，對已經加熱到930℃的料片進行快速對中定位，采用Festo的氣動伺服氣缸系統控制。
2.3 壓機裝置
1. 滑塊的迅速下滑，成形，回程是壓機要素，采用PCH技術可以達到800mm/s是國際領先水平。
2. 對于模具內的料片成形，可選擇的cushion中墊可以達到完美的成形效果。
3. 壓機冷卻速度要求高，一般冷卻時間約6s。提高SPM故需要PCH技術支持。
4. 整個液壓系統采用伺服閥，比例閥控制，都是采用國際知名品牌力士樂Rexroth或者MOOG。所以精確的液壓控制和位置反饋使得液壓系統快速，準確，穩(wěn)定。
2.4 Feeder裝置
1. 采用三軸即X軸（橫向）Y軸（縱向）Z軸（上下方向）機械手伺服系統控制，達到快速，準確定位的要求。從而滿足料片能夠迅速進入壓機進行冷卻和準確抓料的要求。
2. Load Feeder和Unload Feeder采用耦合同步方式，目的是防止兩機械手碰撞出錯。
2.5 水冷機裝置
機器人競賽
機器人競賽是一項很好的科技創(chuàng)新活動，形式繁多，內容豐富。設計方案的開放性，也為學生的創(chuàng)新奠定了基礎。參賽者可以用不同的方法實現同一個項目，通過比賽，激發(fā)其對機器人的學習興趣，引導他們積極探索機器人新科技，為其自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供良好的平臺。中國機器人大賽暨RoboCup公開賽：1999年，在RoboCup國際委員的支持和授權下，首屆中國機器人大賽暨RoboCup公開賽在中國重慶舉辦，目前是中國機器人最具影響力的賽事，比賽共設立12類65項賽事。機器人競賽種類多、規(guī)模大、水平高，為大學生進行創(chuàng)新實踐活動提供了很好的平臺。“未來伙伴”杯中國智能機器人大賽（暨國際機器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽），是中國人工智能機器人專業(yè)委員會等多個單位主辦的一項全國性賽事。大賽包含機器人救火大賽、機器人足球比賽、機器人創(chuàng)新大賽、機器人搜救大賽、機器人擂臺賽和機器人舞蹈戲劇大賽等6個主題項目。其中機器人救火大賽是國際賽制機器人滅火比賽（暨國際機器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽）。“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽，由教育部委托高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會主辦。競賽分競速賽與創(chuàng)意賽兩類比賽。自2006年首次舉辦以來，“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽已經成功舉辦了6屆。
機器人實踐教學的具體實施
機器人競賽、創(chuàng)新實踐是一項很好的科技創(chuàng)新活動，機器人的趣味性易于激發(fā)學生學習和研究的興趣，同時將創(chuàng)新實踐、競賽引入教學過程，使學生變被動學習為主動學習和研究。“機器人項目教學法”的一般教學結構如圖1所示：“項目教學法”最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”，改變了以往“教師講，學生聽”被動的教學模式，創(chuàng)造了學生主動參與、自主協作、探索創(chuàng)新的新型教學模式。本文以參加2012年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽的醫(yī)療與服務機器人組的項目為例，在比賽初期確定人員，將不同專業(yè)和不同年級的學生組成一個競賽小組，研究競賽規(guī)則、制定項目方案、機器人結構設計、電路設計、程序調試，學生分工合作，過程中集思廣益、取長補短、團結協作。這種在探索中學習的過程是其他教學環(huán)節(jié)無法實現的，對于培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力非常重要。本文以一種醫(yī)療與服務機器人設計為導向的項目教學法，按照以下六個教學步驟進行：
1.項目的申請
本學院主要參加了醫(yī)療服務機器人、機器人游中國、擂臺等機器人項目，學生可以針對感興趣的比賽項目，或者根據江蘇省高等學校大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃，申報項目，填寫申請書。教師針對學生申報的項目，分析學生的實際情況，建議選擇項目規(guī)模和難度適中的項目。中國已經進入了老齡化社會，而且在今后幾年內老齡人口數量將會呈上升趨勢，老齡化將更加嚴重。老齡化使社會的勞動力減少，一些老年人不僅不能參加勞動，而且有的甚至失去了自理能力，需要人照顧，這就增加了他們的子女以及社會的負擔。年輕人為了工作日益繁忙，在目前服務行業(yè)工作者稀缺的背景下，在醫(yī)院時不時會有行動不便的病人需要護士和家人的攙扶。而在沒有人幫助的情況下，行動不便的病人寸步難行，稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學生選擇參加醫(yī)療與服務機器人創(chuàng)新設計與制作賽項，設計一種醫(yī)療服務機器人更好的服務病人。
2.項目團隊的建立
建立學生團隊，營造互相競爭、互相幫助的學習氛圍，學生在做項目過程中攜手合作，彌補相互間的不足，遇到問題大家一起討論解決，這讓學生體會到團隊的重要性，做到共同進步。同時，團隊的學生分工明確，每人負責項目的某一部分，使學生真正參與到項目中，整個項目的完成，離不開每一個學生，學生為使項目不會因為自己負責的部分沒有完成而主動學習，主動查資料，可以培養(yǎng)和提高學生的自主學習能力。學生團隊的建立，應考慮學生的專業(yè)，年紀，特長等因素。教師確定一名隊長，根據項目的特點，隊長可以自己招學生，實現學生管理學生。參加醫(yī)療與服務機器人創(chuàng)新設計與制作賽項，筆者選擇了5名學生，隊長由09級的一名學生擔任，該生組織能力比較強，專業(yè)能力也比較脫出，由他負責整個項目的進展，匯報工作。其他學生分別是1名2009級的，2名2010級的，1名2011級的，專業(yè)分別是自動化、測控、電氣。
3.項目任務、計劃的制定
團隊負責人制定機器人項目工作計劃，確定工作步驟。機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的智能儀器。本次設計的醫(yī)療服務機器人由小組討論決定，醫(yī)療服務機器人外形像輪椅，病人能夠獨自駕駛去化驗室拿取報告，去門診找醫(yī)生復診，降低護士工作量及病人家屬的負擔。為使醫(yī)療服務機器人更好的服務病人，該團隊為機器人設置了兩種模式：座椅模式和病床模式，免去了病人就診、休息時需要被移動到病床上的麻煩。機器人將現場鍵盤控制和遠程控制相結合，實現護士對病人的遠程監(jiān)護，機器人在前進過程中，檢測到前方有障礙物時就會立刻停下，減少不必要的事故。同時機器人配備了機械手，可以幫助病人取物品，最大程度幫助病人。根據團隊中學生的專業(yè)、特長等分配任務，負責機器人機械結構設計的學生需要畫圖紙、電焊等來完成機器人結構的設計、機械手的設計；電路設計的學生制作包括單片機電路、電源穩(wěn)壓電路、電機驅動電路、紅外避障電路、鍵盤輸入電路；測控專業(yè)的學生負責電路的測試、場地的制作等工作；程序編寫的學生，完成程序的設計、調試；控制界面的設計由另外一個學生負責，主要是VB編寫上位機、WIFI攝像頭的調試、藍牙通信的調試。根據機器人項目的特點，學生在制作過程中可適當地作一些調整。根據項目完成的時間確定工作步驟，進行時間分配。最終得到教師的認可才能執(zhí)行。
4.項目制作
學生自己確定各自在小組中的分工，然后按照已確立的工作步驟和程序工作。基于機器人項目的作品成果形式多種多樣，可以是調查報告、實物模型、演講稿、論文等。通過展示作品成果，可反映學生在項目完成過程中所掌握的技能。本次設計的醫(yī)療服務機器人成果包括機器人模型一個、機器人設計與使用說明書一份、演講稿一份。在本項目比賽結束后，指導學生按照他們設計的醫(yī)療服務機器人撰寫論文、申請專利。
5.項目檢查評估
整個項目檢查評估采用答辯的形式向教師匯報，首先由隊長對整個項目進行匯報總結，再由隊員對自己負責的工作進行匯報和自我評估，并且對設計的醫(yī)療服務機器人進行展示，教師根據團隊成員的表現、研究成果表述和作品的展示進行檢查，為到現場比賽作準備。針對項目中出現的問題，師生共同討論，教師引導學生獨立思考問題，解決問題。學生通過對比師生評價結果，找出造成結果差異的原因
6.項目資料歸檔或應用
為使學生養(yǎng)成良好的習慣，項目結束后，教師監(jiān)督學生將項目工作資料整理歸檔，材料包括項目申報書、進度表、機器人機械結構圖、程序設計流程、機器人控制程序、項目結項書、項目報告講義等。
機器人項目教學的成果
機器人創(chuàng)新實踐是一個綜合性、高難度的科技制作過程，有利于提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力。在教師指導下，學生通過自己查閱資料、提出有創(chuàng)意的設計方案，選擇合適的元件，設計、焊接電路，編程、測試程序等，充分調動了學生的積極性，發(fā)揮學生的創(chuàng)造力，使學生在實踐中進一步提高自己的綜合能力。有助于將學生的興趣應用到教師的科研中，使學生們熱愛科技，投身科技，在學校形成良好的科技學術氣氛。本校參加機器人競賽源于2010年，當時參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽、中國機器人大賽暨RoboCup公開賽、江蘇省機器人大賽、“未來伙伴”杯機器人競賽，并因此開設了機器人技術、機器人創(chuàng)新實踐與競賽等公共選修課；制定了《大學生創(chuàng)新實驗室項目負責制實施辦法》，針對項目采取一系列措施，保證學生能在項目的過程中鍛煉自己的能力，同時能保證創(chuàng)新實驗室項目的創(chuàng)新性。實踐教學效果顯著，本校代表隊在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區(qū)比賽中，獲得攝像頭組第一名，晉級參加全國決賽的隊伍，獲得全國攝像頭組特等獎。2012年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽獲得3項季軍，2010年“未來伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍，受邀參加在美國舉辦的國際機器人滅火比賽。
關鍵詞：機器人競賽；創(chuàng)新實踐；項目教學法
作者簡介：毛麗民（1981-），男，江蘇常熟人，常熟理工學院電氣與自動化工程學院，講師；劉叔軍（1962-），男，黑龍江寶清人，常熟理工學院電氣與自動化工程學院，教授。（江蘇 常熟 215500）
基金項目：本文系國家自然科學基金（項目編號：61273312）、江蘇省自然科學基金（項目編號：BK2010261）的研究成果。
中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）01-0148-03
在國外院校，學生本科階段就開設了機器人啟蒙課程，使學生對機器人能夠有普遍地了解，研究生階段開設關于機器人的更深層次的課程，而國內高校本科階段開設機器人課程的相對較少。
機器人教學與其他學科教學的最大不同之處在于，機器人教學在學習上充分滲透了研究性學習的思想，而且機器人教學實踐性非常強。實踐教學是培養(yǎng)學生實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的重要教學環(huán)節(jié)。高校要把實踐教學和理論教學擺在同等重要的位置，要不斷改革實踐教學內容，改進實踐教學方法。以機器人競賽、創(chuàng)新實踐為導向的項目教學法研究，對大學生創(chuàng)新素質教育具有重要的現實意義。
一、項目教學方法
“給你55分鐘，你可以造一座橋嗎？”這是德國教育專家弗雷德·海因里希教授在“德國及歐美國家素質教育報告演示會”上介紹“項目教學法”的一個實例。首先由學生或教師在現實中選取一個“造一座橋”的項目，學生分組對項目進行討論，并寫出各自的計劃書；接著正式實施項目——利用一種被稱為“造就一代工程師偉業(yè)”的“慧魚”模型拼裝橋梁；然后演示項目結果，由學生闡述設計思想和構造機理；最后由教師對學生的作品進行評估。通過以上步驟，可以充分發(fā)掘學生的創(chuàng)造潛能，培養(yǎng)和提高他們的動手能力、實踐能力、分析能力和綜合能力。
以機器人競賽、創(chuàng)新實踐為導向的項目教學法研究，就是要將項目教學法應用到機器人的創(chuàng)新實踐中，把各項理論知識和實踐技能有機地結合，將機器人的項目分解成多個明確的目標任務，讓學生在規(guī)定的時間里獨立完成相應的任務，其目的在于充分發(fā)掘學生的創(chuàng)造潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力。通過實踐探索出一種能提高學生創(chuàng)新和實踐能力，全方位調動學生學習的積極性的機器人教學模式。在實施“機器人競賽、創(chuàng)新實踐為導向的項目教學法”時，重視機器人項目的選擇、機器人具體成果展示、教師的評估與總結、充分利用創(chuàng)新實驗室的現有資源并使之與現代化教學相結合，這是搞好“項目教學法”的關鍵。
二、機器人競賽
機器人競賽是一項很好的科技創(chuàng)新活動，形式繁多，內容豐富。設計方案的開放性，也為學生的創(chuàng)新奠定了基礎。參賽者可以用不同的方法實現同一個項目，通過比賽，激發(fā)其對機器人的學習興趣，引導他們積極探索機器人新科技，為其自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供良好的平臺。
中國機器人大賽暨RoboCup 公開賽：1999年，在RoboCup 國際委員的支持和授權下，首屆中國機器人大賽暨RoboCup 公開賽在中國重慶舉辦，目前是中國機器人最具影響力的賽事，比賽共設立12類65項賽事。機器人競賽種類多、規(guī)模大、水平高，為大學生進行創(chuàng)新實踐活動提供了很好的平臺。
“未來伙伴”杯中國智能機器人大賽（暨國際機器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽），是中國人工智能機器人專業(yè)委員會等多個單位主辦的一項全國性賽事。大賽包含機器人救火大賽、機器人足球比賽、機器人創(chuàng)新大賽、機器人搜救大賽、機器人擂臺賽和機器人舞蹈戲劇大賽等6個主題項目。其中機器人救火大賽是國際賽制機器人滅火比賽（暨國際機器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽）。
“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽，由教育部委托高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會主辦。競賽分競速賽與創(chuàng)意賽兩類比賽。自2006年首次舉辦以來，“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽已經成功舉辦了6屆。
三、機器人實踐教學的具體實施
機器人競賽、創(chuàng)新實踐是一項很好的科技創(chuàng)新活動，機器人的趣味性易于激發(fā)學生學習和研究的興趣，同時將創(chuàng)新實踐、競賽引入教學過程，使學生變被動學習為主動學習和研究。
“機器人項目教學法”的一般教學結構如圖1所示：
“項目教學法”最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”，改變了以往“教師講，學生聽”被動的教學模式，創(chuàng)造了學生主動參與、自主協作、探索創(chuàng)新的新型教學模式。
本文以參加2012年中國機器人大賽暨RoboCup 公開賽的醫(yī)療與服務機器人組的項目為例，在比賽初期確定人員，將不同專業(yè)和不同年級的學生組成一個競賽小組，研究競賽規(guī)則、制定項目方案、機器人結構設計、電路設計、程序調試，學生分工合作，過程中集思廣益、取長補短、團結協作。這種在探索中學習的過程是其他教學環(huán)節(jié)無法實現的，對于培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力非常重要。本文以一種醫(yī)療與服務機器人設計為導向的項目教學法，按照以下六個教學步驟進行：
1.項目的申請
根據學院參加機器人競賽的實際情況，中國機器人大賽暨RoboCup公開賽，作為全國最具影響力的機器人比賽。本學院主要參加了醫(yī)療服務機器人、機器人游中國、擂臺等機器人項目，學生可以針對感興趣的比賽項目，或者根據江蘇省高等學校大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃，申報項目，填寫申請書。教師針對學生申報的項目，分析學生的實際情況，建議選擇項目規(guī)模和難度適中的項目。
中國已經進入了老齡化社會，而且在今后幾年內老齡人口數量將會呈上升趨勢，老齡化將更加嚴重。老齡化使社會的勞動力減少，一些老年人不僅不能參加勞動，而且有的甚至失去了自理能力，需要人照顧，這就增加了他們的子女以及社會的負擔。年輕人為了工作日益繁忙，在目前服務行業(yè)工作者稀缺的背景下，在醫(yī)院時不時會有行動不便的病人需要護士和家人的攙扶。而在沒有人幫助的情況下，行動不便的病人寸步難行，稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學生選擇參加醫(yī)療與服務機器人創(chuàng)新設計與制作賽項，設計一種醫(yī)療服務機器人更好的服務病人。
2.項目團隊的建立
建立學生團隊，營造互相競爭、互相幫助的學習氛圍，學生在做項目過程中攜手合作，彌補相互間的不足，遇到問題大家一起討論解決，這讓學生體會到團隊的重要性，做到共同進步。同時，團隊的學生分工明確，每人負責項目的某一部分，使學生真正參與到項目中，整個項目的完成，離不開每一個學生，學生為使項目不會因為自己負責的部分沒有完成而主動學習，主動查資料，可以培養(yǎng)和提高學生的自主學習能力。學生團隊的建立，應考慮學生的專業(yè)，年紀，特長等因素。教師確定一名隊長，根據項目的特點，隊長可以自己招學生，實現學生管理學生。
參加醫(yī)療與服務機器人創(chuàng)新設計與制作賽項，筆者選擇了5名學生，隊長由09級的一名學生擔任，該生組織能力比較強，專業(yè)能力也比較脫出，由他負責整個項目的進展，匯報工作。其他學生分別是1名2009級的，2名2010級的，1名2011級的，專業(yè)分別是自動化、測控、電氣。
3.項目任務、計劃的制定
團隊負責人制定機器人項目工作計劃，確定工作步驟。機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的智能儀器。本次設計的醫(yī)療服務機器人由小組討論決定，醫(yī)療服務機器人外形像輪椅，病人能夠獨自駕駛去化驗室拿取報告，去門診找醫(yī)生復診，降低護士工作量及病人家屬的負擔。為使醫(yī)療服務機器人更好的服務病人，該團隊為機器人設置了兩種模式：座椅模式和病床模式，免去了病人就診、休息時需要被移動到病床上的麻煩。機器人將現場鍵盤控制和遠程控制相結合，實現護士對病人的遠程監(jiān)護，機器人在前進過程中，檢測到前方有障礙物時就會立刻停下，減少不必要的事故。同時機器人配備了機械手，可以幫助病人取物品，最大程度幫助病人。
根據團隊中學生的專業(yè)、特長等分配任務，負責機器人機械結構設計的學生需要畫圖紙、電焊等來完成機器人結構的設計、機械手的設計；電路設計的學生制作包括單片機電路、電源穩(wěn)壓電路、電機驅動電路、紅外避障電路、鍵盤輸入電路；測控專業(yè)的學生負責電路的測試、場地的制作等工作；程序編寫的學生，完成程序的設計、調試；控制界面的設計由另外一個學生負責，主要是VB編寫上位機、WIFI攝像頭的調試、藍牙通信的調試。
根據機器人項目的特點，學生在制作過程中可適當地作一些調整。根據項目完成的時間確定工作步驟，進行時間分配。最終得到教師的認可才能執(zhí)行。
4.項目制作
學生自己確定各自在小組中的分工，然后按照已確立的工作步驟和程序工作。基于機器人項目的作品成果形式多種多樣，可以是調查報告、實物模型、演講稿、論文等。通過展示作品成果，可反映學生在項目完成過程中所掌握的技能。本次設計的醫(yī)療服務機器人成果包括機器人模型一個、機器人設計與使用說明書一份、演講稿一份。在本項目比賽結束后，指導學生按照他們設計的醫(yī)療服務機器人撰寫論文、申請專利。
5.項目檢查評估
整個項目檢查評估采用答辯的形式向教師匯報，首先由隊長對整個項目進行匯報總結，再由隊員對自己負責的工作進行匯報和自我評估，并且對設計的醫(yī)療服務機器人進行展示，教師根據團隊成員的表現、研究成果表述和作品的展示進行檢查，為到現場比賽作準備。
針對項目中出現的問題，師生共同討論，教師引導學生獨立思考問題，解決問題。學生通過對比師生評價結果，找出造成結果差異的原因
6.項目資料歸檔或應用
為使學生養(yǎng)成良好的習慣，項目結束后，教師監(jiān)督學生將項目工作資料整理歸檔，材料包括項目申報書、進度表、機器人機械結構圖、程序設計流程、機器人控制程序、項目結項書、項目報告講義等。
四、機器人項目教學的成果
機器人創(chuàng)新實踐是一個綜合性、高難度的科技制作過程，有利于提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力。在教師指導下，學生通過自己查閱資料、提出有創(chuàng)意的設計方案，選擇合適的元件，設計、焊接電路，編程、測試程序等，充分調動了學生的積極性，發(fā)揮學生的創(chuàng)造力，使學生在實踐中進一步提高自己的綜合能力。有助于將學生的興趣應用到教師的科研中，使學生們熱愛科技，投身科技，在學校形成良好的科技學術氣氛。
本校參加機器人競賽源于2010年，當時參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽、中國機器人大賽暨RoboCup公開賽、江蘇省機器人大賽、“未來伙伴”杯機器人競賽，并因此開設了機器人技術、機器人創(chuàng)新實踐與競賽等公共選修課；制定了《大學生創(chuàng)新實驗室項目負責制實施辦法》，針對項目采取一系列措施，保證學生能在項目的過程中鍛煉自己的能力，同時能保證創(chuàng)新實驗室項目的創(chuàng)新性。實踐教學效果顯著，本校代表隊在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區(qū)比賽中，獲得攝像頭組第一名，晉級參加全國決賽的隊伍，獲得全國攝像頭組特等獎。2012年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽獲得3項季軍，2010年“未來伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍，受邀參加在美國舉辦的國際機器人滅火比賽。
五、結論
實踐教學的目標是培養(yǎng)學生通過實踐發(fā)現、分析和解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和初步的科學研究能力。機器人創(chuàng)新實踐活動以其高度的實踐性被越來越多的高校引入實踐教學。本校自動化學院機器人實踐教學的具體實施，促進了學院各學科綜合發(fā)展，提高了教師的理論、實踐教學水平和科研水平，使學生對機器人相關課程融會貫通，提高了學生自主學習、創(chuàng)新和團隊合作等綜合能力，推動了學院實踐教學體系的發(fā)展和完善。
參考文獻：
[1]戰(zhàn)強，閆彩霞.機器人教學改革的探索與實踐[J].現代教育技術，2010，（3）：144-146.
[2]劉景福，鐘志賢.基于項目的學習模式（PBL）研究[J].外國教育研究，2002，（11）：18-22.
[3]王旭仁，何花，等.深入完善“智能機器人”實踐課程體系促進教學實踐[J].計算機教育，2009，（11）：116-118.
關鍵詞：過程裝備與控制工程專業(yè)；理論力學；卓越工程師
作者簡介：劉學武（1974-），男，黑龍江牡丹江人，大連理工大學化工機械學院，副教授；代玉強（1978-），男，山東濰坊人，大連理工大學化工機械學院，副教授。（遼寧 大連 116024）
基金項目：本文系大連理工大學教學改革基金項目（項目編號：MS201223）的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0133-02
“理論力學”是高等院校工科必修的重要技術基礎課，是“材料力學”、“結構力學”、“機械設計原理及過程機械”等主干課程的基礎內容。[1]對于大連理工大學（以下簡稱“我校”）的過程裝備與控制工程專業(yè)，講授的“理論力學”有別于其他專業(yè)，稱之為“理論力學C”，在授課內容、授課側重點、授課方式及學時方面，與其他專業(yè)有明顯區(qū)別。通過近幾屆的教學改革，無論是教學方式還是教學內容，都進行了相應的調整，有了較大變化，使教學質量有了較大提高。
但同時也應看到，隨著高等教育理念的改變，特別是最近幾年教育部提出了“卓越工程師”培養(yǎng)計劃，為適應其培養(yǎng)計劃與目標，“理論力學”教學方式也需要得到進一步的改進。特別是要根據“理論力學”課程邏輯性、應用性強的特點，結合本專業(yè)對化工設備、成套裝備的要求，對教學內容和教學方法進行相應的改革，最大限度地提高教學效果，達到“卓越工程師”人才培養(yǎng)的要求，這就需要授課講師在教學方法方面仍需探索與研究。
一、“理論力學”教改重要性
“理論力學”的發(fā)展已經有多年，內容體系比較成熟，傳統的靜力學、運動學及動力學是經典的三部分授課內容，其理論性、邏輯性和系統性都很好。同時，各個高校不同專業(yè)的授課內容也極為接近，基礎知識、理論框架及結構體系都相似。這樣的教學布置優(yōu)點在于有利于教師之間的交流與合作，缺點在于無法體現出專業(yè)特色。特別是教材中的例題、習題都是抽象化后的力學模型，缺少過程裝備與控制工程專業(yè)相關的工程例子，這樣的教學內容教師講得費勁、學生聽得迷糊，難以調動學生聽課的積極性，不利于培養(yǎng)學生的綜合能力。
近年來，各高校對眾多課程進行了調整，增加了大量的限選課、選修課，但總學時并沒有變化，因此很多主干課程的學時相應就被壓縮。過程裝備與控制工程專業(yè)的“理論力學”課時減少，且學生課后用于該課程的學習時間也大為減少，同時，“理論力學”課程內容也有不足，比如在授課內容的安排上，比較重視經典規(guī)律與內容，忽視近現代取得的成果；重視計算過程、輕視力學模型的建立，極少考慮與實際工程的差別。在教學方法上，由于“理論力學”內容多、學時少，普遍采用教師講授的方式，很少有學生直接參與。這些不足，就使學生知識積累和解決問題能力相互脫節(jié)，達不到培養(yǎng)“卓越工程師”的目的。因此，為了適應社會發(fā)展的需要，培養(yǎng)出具有工程素養(yǎng)的“卓越工程師”型人才，有必要對“理論力學”教學內容、教學方法進行改革與完善。
二、“理論力學”教學改革內容與措施
過程裝備與控制工程專業(yè)“理論力學”教學改革的內容，主要思路是強化基礎知識、重點闡述基本概念與定理、改變傳統教學方式、增加實踐環(huán)節(jié)，大量增加有本專業(yè)工程背景的例子，所講授的例題、習題盡量與本專業(yè)的工程實際相結合。同時要按照“卓越工程師”培養(yǎng)計劃和培養(yǎng)要求，以及授課教師在以往教學中發(fā)現的問題，結合個人教學經驗和他人的教學改革成果，[2-6]對過程裝備與控制工程專業(yè)理論力學教學改革提出如下幾點內容與措施。
1.更新傳統教學手段
傳統教學模式主要是板書形式，內容過于單一，無法形象表示出“理論力學”研究對象的特點，這對于學生的理解是不利的。因此，在現代的教學活動中引用多媒體技術進行課堂教學已是大勢所趨，但如何充分發(fā)揮其合理作用仍然值得深思。
多媒體教學，不僅僅是指把教學內容做成幻燈片，還應該包括運動機構的實例演示、動畫演示，甚至于一些實驗過程都可以在課堂上播放。這對于本專業(yè)的“理論力學”教學只有48學時的情況是非常有利的，可節(jié)省大量的在黑板上推導一些繁雜公式和求解過程的時間，可使整個課堂的教學重點內容突出，易于調動學生學習積極性。同時，運用多媒體技術可以演示例題、習題所涉及的機械運動，也可以播放一些工程實例，這些都有助于工程概念淡薄的學生理解課堂內容，在提高學生學習興趣的同時也有利于教師的授課。但要注意，多媒體教學畢竟也只是一種教學手段，要注意其使用的方式、程度，過量的教學信息、頻繁的換屏、花哨的布局，反而會降低學生對教學內容的關注。因此，利用傳統的黑板推導一些重要公式和求解過程，仍然是現代教學中不可替代的教學方式，要充分結合板書與多媒體技術，最大程度地調動學生學習積極性，從而提高教學效果。
2.優(yōu)化教學模式
傳統的課堂教學模式都是以教為中心的，授課教師在有限的課堂教學時間內為完成教學任務會不自覺地采取滿堂灌、填鴨式的教學方式，尤其是目前多媒體技術普遍應用的情況下，授課教師在增加信息量的同時，也會不自覺地加快授課速度，這將使很多學生只是表面上對一些概念和定理聽懂了、了解了，但實際上并沒有真正吸收并為自己所用，因此做起習題來還是感覺無處下手、感覺很難、甚至一頭霧水，這從測試中就能看出來。
因此，教師在授課過程中要注意調整教與學的關系，充分尊重教學特點，遵循學生是教學活動的主體，體現出以學生為本的教學理念。教師在教學過程中，既是知識的傳授者，又是學生學習的引導者，要著重培養(yǎng)學生分析“理論力學”中所包含的科學問題和解決這些問題所需要的能力，從而不斷激發(fā)出學生學習“理論力學”的主動性和積極性，為后續(xù)課程的學習奠定堅實的基礎。
（1）啟發(fā)式教學。現代教育要與現代大學生的特點相適應，改變以往填鴨式的教學方法，倡導啟發(fā)式的教學方式、教學理念，激發(fā)學生求知欲，提高學生分析問題和解決問題的能力。教師在授課過程中，要引導學生深入了解事物內部的本質規(guī)律，反映在“理論力學”的教學中就是如何具體應用靜力學、運動學與動力學的基本定律來解決構件或者機構的受力特點、運動形式及所受外力。在這個過程中，如何一步步引導學生，由簡入繁、由表及里的考慮問題，使之掌握思考事物內部本質、探求自然規(guī)律并能合理利用的能力，就需要在授課過程中不斷努力并實踐。這樣，逐步形成在教師指導下的、以學生為中心的學習過程，也就是說，要體現出以學生為本的教學理念，強調“學生是教學活動主體”的原則。
（2）討論式教學。在課堂教學中引入討論式的教學形式也是一種嘗試，這是學生合作學習和教師指導相結合的一種新的教學方式。主要過程是：教師提前給學生布置要討論的授課內容，學生之間、學生和授課教師之間圍繞與其相關的問題相互討論及交流信息，學生和教師共同參與到教學活動中，學生要表述對相關內容的理解，同時也可以充當教師的角色來引導討論的進行，這對學生也是極大的挑戰(zhàn)，要求他們必須對授課內容有一定的理解。由于本專業(yè)上課的人數過多（每學期都在110～120人），往往很難集中在一起進行討論。針對這種情況可采取不同時間段分成小班的形式進行討論，每個小班的人數控制在20人左右，這樣可使每個學生都有表述問題的機會，當然，這就要求授課教師付出更多的時間與精力。該種教學形式，可發(fā)揮學生的積極作用，引導學生主動參與學習過程，在獲得知識、解決問題的過程中更能培養(yǎng)其合作精神、創(chuàng)新能力及概括總結能力。
（3）布置小論文。“理論力學”有很多貫穿前后課程的知識點，對于這些知識點，可以提前布置給學生做小論文，題目應該有多個，使學生以團隊的形式來進行，鼓勵學生上網查找資料，小論文成績可作為期末考試的一部分。對這些布置的內容，在檢查的時候，應該以學生為主，讓學生來講解團隊作小論文時的整體思路，求解過程中遇到的問題、解決的方式，以及通過小論文學到的知識點。而教師的角色主要起到提示、引領及總結的作用，培養(yǎng)學生一題多解的發(fā)散思維方式、掌握知識的關鍵要點及綜合運用所學知識的能力。當然，小論文的選則還可以適當增加難度，如：與當今重要工程問題相關的例題和習題，用運動合成與分解來分析火箭與衛(wèi)星分離過程、機械手臂各關節(jié)間運動軌跡、運動速度等；增加應用專題內容，如簡單剛體型機械手臂的動力學建模與運動方程的推導，簡單太空機械手臂運動路徑建模與動力學方程的推導。
（4）建立學習網站。在學校的大力支持下，建立了本專業(yè)的“理論力學”授課網站，通過該網絡平臺可實現師生間的資源共享。在課程網站上，具有課程介紹、授課內容、重點例題講解、課件內容、典型習題分析、答疑解惑、心得與討論及虛擬實驗室等幾項內容，對這些內容還要及時更新，并盡量做到在線解答問題，能對學生學習、作業(yè)過程中遇到的各種問題進行及時解答。這對于在課堂上沒有及時聽講，或者思路跟不上的學生，具有極大的意義，相當于開設了第二課堂。
3.構建合理的考核體系
過程裝備與控制工程專業(yè)的“理論力學”考試，改變了以往的單純靠期末考試取得最終成績的方式，采用新的多種考核形式，如最終成績按平時考核與期末考試成績之和，二者的權重分別占30%和70%。平時成績可包括基本的三部分，如果有實驗還需要加上實驗的成績：作業(yè)成績，知識點很多，且每次課都布置相關作業(yè)，一學期的作業(yè)量非常大，要求學生獨立完成；組織3～5次的測驗，對靜力學、運動學及動力學每部分都要有測驗，可放在該部分內容結束的時候，考查學生掌握概念、定律的熟悉程度，分析問題、解決問題的能力。通過這種測驗，極大督促了學生學習的自覺性，能提前對學過的內容進行復習，不至于把問題都留在期末；課堂討論表現，這與“討論式教學”相關，根據學生的表現給出相應的成績。上述這些考核方式，可有效督促學生平時就要認真對待理論力學課程，而不是把所有問題都推到期末來解決。
4.引入數學工程軟件
由于“理論力學”對數學技巧的要求比較高，有時甚至會使學生顛倒理論和習題、基本原理和技巧的關系，忽視對基本理論的學習。因此，在教學活動中適當引入相關的數學工程軟件，可一定程度上減輕學生的負擔，甚至于提高學生學習該門課程的興趣。
例如在動力學分析中，運動微分方程是重點內容，但卻沒有講授運動微分方程組的求解問題，大部分問題是在特殊情況下，利用質點系普遍定理進行求解的。因此，在課堂授課過程中可適當引用Maple數學軟件求解微分方程數值解，達到直觀分析運動的目的。這種將抽象的微分方程轉化為圖像顯示的授課內容，使學生有一種興趣感、參與感，直接促進了學生對運動微分方程的理解。Maple 軟件在符號（解析）運算方面目前是最優(yōu)秀的，計算過程中幾乎不需要聲明變量類型，解決一般的數學問題不需要復雜的編程，且具有自動繪圖的功能，在“理論力學”的教學中使用Maple將會得到意想不到的效果。
如何生動描述力學問題的物理圖像，這也是進行教學改革應該思考的問題，比如，利用Maple軟件可對傅科擺問題進行演示，在各種初始條件下對傅科擺的運動微分方程直接進行求數值解，同時直觀地展示出傅科擺在水平面上的相對運動軌跡。在課堂的授課中初步表明，應用該方式對一些特殊問題進行求解，可引起學生學習的極大興趣。因此，在課堂教學中，根據學時的多少，盡量安排一些利用Maple軟件進行分析的題目，作為平時考核成績的一部分，對一些學有余力的學生，可適當增加難度，作為選學內容。
5.開展實踐性教學活動
過程裝備與控制工程專業(yè)開設的“理論力學”，和大部分課程相似，存在教學中重理論而輕實踐的問題，教學大綱中只講授理論而無實踐性環(huán)節(jié)。但由于“理論力學”本身包含大量的概念、公理、定律以及相關的力學模型，理論性相比于其他課程來講是比較強的。對于剛進入大二的學生，難以很好理解抽象的內容，僅僅依靠課堂講授教學效果較差。
因此，在“理論力學”教學中，各專業(yè)可根據總學時的安排，開設幾個常規(guī)的“理論力學”實驗，增加學生對運動機構的認識。在開設實驗的過程中，可以考慮如下幾種方式：由任課教師與實驗工程師準備，根據教學內容提前準備3～5個學生實驗，可以是3大部分的單獨實驗，也可以是綜合性的實驗；學生動手設計實驗，教師提供實驗所需要的器材、場地，再由學生完成實驗，可考慮開設1～2個這樣的實驗；現場教學的形式，利用2～4學時，帶領學生參觀校內工廠或者相關企業(yè)，使學生能觀察到傳動機構及相關的約束形式。也可以利用flash等軟件，做一些動畫，模擬實際機構的運動過程，在課堂授課過程中，有意安排播放。過程裝備與控制工程專業(yè)，已著手進行實驗方面的教學研究，考慮通過網絡開展一些虛擬實驗，如虛擬摩擦系數測定、虛擬靜力學分析、虛擬運動學和虛擬動力學實驗。
三、結語
過程裝備與控制工程專業(yè)的“理論力學”課程從教學內容、教學形式、課程體系建立等多方面出發(fā)，持續(xù)進行了多年的教學改革，取得了較好的教學效果。學生是教學的對象，是課程教學的根本，只有學生發(fā)自內心地喜愛“理論力學”，積極主動地學習，課程教學才能順利地進行下去。總之，教學改革應該秉承“培養(yǎng)大學生綜合素質、提高分析問題與解決問題能力”的教學理念，不斷進行改革、創(chuàng)新教學方法，以真正適應“卓越工程師”人才培養(yǎng)要求，為最終培養(yǎng)創(chuàng)新型與研究型復合人才奠定基礎。
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