導(dǎo)言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)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(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

設(shè)計(jì)要求：1、安裝資料及要求。包括：平面圖；用電負(fù)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(shè)備安裝

課題二、小電流接地系統(tǒng)的故障選線的研究

指導(dǎo)老師：戴勝坤 地故障時，故障特點(diǎn)不是非常明顯，故障選線就顯得很有必要，所以，要求學(xué)生

比較詳細(xì)的了解國內(nèi)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(jìn)行總結(jié)并加以改進(jìn)，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(jìn)行仿真；4、撰寫畢業(yè)論文。

課題三、64點(diǎn)溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

指導(dǎo)老師：游佳

設(shè)計(jì)內(nèi)容：64點(diǎn)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(jī)組的軸溫，大型變壓器油溫，化學(xué)反應(yīng)過程，環(huán)境測試等。控制核心采用微處理器或單片機(jī)，監(jiān)測64點(diǎn)溫度，溫度范圍0～100℃，采用半導(dǎo)體溫度傳感器AD590，按矩陣方式切換輸入信號。輸出8路開關(guān)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(jī)的已有通訊接口或其它工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和控制。

設(shè)計(jì)要求：1.總體方案設(shè)計(jì)，需要提出至少兩種切實(shí)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(shè)計(jì)硬件電路，需要有理論依據(jù)，有分析計(jì)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(shè)計(jì)，使用匯編語言或C語言編成。主要軟件必須能在設(shè)計(jì)制作的硬件電路上正確運(yùn)行 ，且能夠顯示被測試對象的溫度；

4.制作硬件電路，調(diào)試硬件和軟件，完成溫度檢測與測試點(diǎn)切換，實(shí)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(yán)格按照畢業(yè)論文標(biāo)準(zhǔn)，論文引用其它文章和相關(guān)技術(shù)資料不得多于40%。

課題四、 用8051單片機(jī)設(shè)計(jì)一交通信號燈模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

指導(dǎo)老師：潘紋

一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：

用單片機(jī)8051設(shè)計(jì)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。考慮到學(xué)生設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)正常的計(jì)時顯示功能。用倒計(jì)時方法顯示紅燈、綠燈、黃燈還需亮的時間。

3）能實(shí)現(xiàn)控制器總清零功能。 按下某個鍵后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總清零，計(jì)數(shù)器由初始狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，對應(yīng)狀態(tài)的指示燈亮。 二、根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：畫出設(shè)計(jì)總電路圖，寫出設(shè)計(jì)程序。

課題五、單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

指導(dǎo)教師：游佳

設(shè)計(jì)要求:1.用MCS-51單片機(jī),通過軟件編程,設(shè)計(jì)一個步進(jìn)電機(jī)控制器。要求能對步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)及速度控制，同時能對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位置控制，即能控制步進(jìn)電機(jī)從一個位置精確地運(yùn)行到另一個位置。

課題六、傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展的研究

指導(dǎo)老師：周小薇

論文要求：1.了解傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用及地位

2.機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的類型、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及用途等

3.如何為機(jī)電一體化系統(tǒng)選擇傳感器（舉例說明）

4.機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展

相關(guān)知識：本課題要求學(xué)生綜合《傳感器技術(shù)》《機(jī)電一體化技術(shù)》《控制電機(jī)》等相關(guān)知識進(jìn)行編寫。

課題七、水輪機(jī)制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

指導(dǎo)老師：周小薇

設(shè)計(jì)要求：

掌握一定的電氣控制技術(shù)的基礎(chǔ)知識，可以利用PLC進(jìn)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(yùn)用基本的繪圖軟件進(jìn)行繪圖。

設(shè)計(jì)內(nèi)容：

本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)任務(wù)： 2.24點(diǎn)制動閘動作后向PLC發(fā)出制動成功或復(fù)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(yīng)的轉(zhuǎn)速。

（二）流體控制部分設(shè)計(jì)任務(wù)：

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(jìn)行氣、油的轉(zhuǎn)換控制，多塊壓力表可直接讀數(shù)等。

（三）PLC編程部分設(shè)計(jì)任務(wù)：

根據(jù)給出的梯形圖進(jìn)行編程。

課題八、畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

指導(dǎo)教師：黃衛(wèi)庭

構(gòu)成：PLC系統(tǒng)、變頻器、檢測保護(hù)電路、轉(zhuǎn)速測量等環(huán)節(jié)

要求：1、采用PWM變頻調(diào)速

2、有具體結(jié)構(gòu)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(jié)合實(shí)際供水工作。要求寫明本設(shè)計(jì)所涉及的分析方法或技術(shù)手段（如定性、定量分析的方法）；要求有學(xué)生獨(dú)立的見解，設(shè)計(jì)內(nèi)容要詳細(xì)寫明具體步驟]。

課題九、兩種液體混合的設(shè)計(jì)

指導(dǎo)老師：葉俊 一、控制要求

1．初始狀

此時各閥門關(guān)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(dá)到SL1時，YV2=OFF，M＝ON，開始攪拌；

(3)混合液體攪拌均勻后（設(shè)時間為l0s），M＝OFF，YV3＝ON，放出混合液體；

(4)當(dāng)液體下降到名 SL2時，SL2從ON變?yōu)镺FF，再過20s后容器放空，關(guān)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(jìn)入下一操作周期。·

三、停止操作

按一下停止按鈕，則在當(dāng)前混合操作周期結(jié)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(shù)設(shè)計(jì)

課題十、機(jī)械手控制的設(shè)計(jì)

指導(dǎo)老師：葉俊

一、機(jī)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(guān)PS，用以檢測物品的到來。當(dāng)光電開關(guān)檢測到物品時為ON狀態(tài)。

2.機(jī)械手在原位時，按下起動按鈕，系統(tǒng)起動，傳送帶A運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開關(guān)檢測到物品后，傳送帶A停。

3．傳輸帶A停止后，機(jī)械手進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)）上。

4.機(jī)械手返回原位后，自動再起動傳送帶A運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行下一個循環(huán)。

5．按下停止按鈕后，應(yīng)等到整個循環(huán)完成后，才能使機(jī)械手返回原位，停止工作。

6.機(jī)械手的上升／下降和左移／右移的執(zhí)行結(jié)構(gòu)均采用雙線圈的二位電磁閥驅(qū)動液壓裝置實(shí)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(qū)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(jī)械手的上升、下降、左移、右移動作均由極限開關(guān)控制。

9.抓緊動作由壓力繼電器控制，當(dāng)抓緊時，壓力繼電器動合觸點(diǎn)閉合。放松動作為時間控制（設(shè)為2s）。

要求：用歐姆龍型PLC技術(shù)設(shè)計(jì)

課題十一、建立機(jī)械全自動洗衣機(jī)的工作電路模型

指導(dǎo)老師：方瑋

結(jié)構(gòu)：由電動程控器、水位開關(guān)、安全開關(guān)（蓋開關(guān)）、排水選擇開關(guān)、 不排水停機(jī)開關(guān)、貯水開關(guān)、漂洗選擇開關(guān)、洗滌選擇開關(guān)等組成。工作原理：通過各種開關(guān)組成控制電路，來控制電動機(jī)、進(jìn)水閥、排水電磁鐵及蜂鳴器的電壓輸出，使洗衣機(jī)實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)轉(zhuǎn)。

主要內(nèi)容：進(jìn)水控制電路，電動機(jī)控制電路，排水系統(tǒng)電路等。

要求：結(jié)合洗衣機(jī)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(shè)計(jì)

指導(dǎo)老師：居劍文

一、設(shè)計(jì)的要求

根據(jù)設(shè)計(jì)課題的技術(shù)指標(biāo)和給定條件，能夠獨(dú)立而正確地進(jìn)行方案認(rèn)證和設(shè)計(jì)計(jì)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(guān)參考資料和手冊等

要求學(xué)會選擇有關(guān)元件和參數(shù)

要求學(xué)會編制有關(guān)電氣系統(tǒng)圖和編制元件明細(xì)表

要求學(xué)會編寫設(shè)計(jì)說明書

二、設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容

負(fù)荷計(jì)算及無功功率補(bǔ)償計(jì)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(shè)計(jì)不含此內(nèi)容）。

變電所主結(jié)線方案的設(shè)計(jì)

短路電流的計(jì)算

變配電所一次設(shè)備的選擇

變配電所二次回路方案的選擇及繼電保護(hù)裝置的選擇與整定

變電所防雷保護(hù)與接地裝置的設(shè)計(jì)

編寫設(shè)計(jì)說明書及主要設(shè)備材料清單

10、繪制變電所主結(jié)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(hù)問題的研究

指導(dǎo)老師：方瑋 研究現(xiàn)狀，了解目前電纜－架空混合線路的保護(hù)的配置的方法，優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)

電纜的特點(diǎn)，架空線路的特點(diǎn)，提出適合于混合線路的保護(hù)的方案；

3、 提出適合于電纜－架空混合線路的繼電保護(hù)的方案； 4、撰寫畢業(yè)論文。

課題十四、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性分析

指導(dǎo)老師：潘紋

設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

1）對鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)三種基

本類型的運(yùn)動特性進(jìn)行分析。

2）每種類型各舉一個日常生活中常見的實(shí)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(jī)、運(yùn)動的火車的機(jī)輪、橢圓儀、翻箱機(jī)、機(jī)械手爪等。

課題十五、數(shù)控銑床及加工中心產(chǎn)品加工工藝設(shè)計(jì)

指導(dǎo)老師：倪祥明 課題十六、機(jī)械手直線運(yùn)動液壓系統(tǒng)的制作

指導(dǎo)教師：黃國祥

目的：實(shí)現(xiàn)機(jī)械手水平、垂直兩個方向的機(jī)械運(yùn)動

任務(wù)：1、系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與計(jì)算；液壓泵、液壓閥等技術(shù)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(diào)試。

4、電路系統(tǒng)的安裝。

5、技術(shù)資料整理與電子文檔的制作。

要求： 1、分組布置任務(wù)，每組可以是1人以上。

2、電子文檔要求打印，字?jǐn)?shù)不少于5000字。

3、現(xiàn)場展覽制作產(chǎn)品，參加答辯。

課題十七、“中國結(jié)”造型設(shè)計(jì)

指導(dǎo)教師：張蓉

1.畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)

著重提高在CAD/CAM軟件應(yīng)用方面的實(shí)踐技能，樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，培養(yǎng)綜合運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力。通過創(chuàng)建中國結(jié)造型設(shè)計(jì)、市場推廣、資料整理等環(huán)節(jié)，初步掌握應(yīng)用CAD/CAM進(jìn)行工業(yè)造型設(shè)計(jì)的方法和基本技能。

2.畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本要求

通過畢業(yè)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的實(shí)踐，應(yīng)達(dá)到如下要求：

靈活運(yùn)用所學(xué)Pro/e軟件創(chuàng)建“中國結(jié)”,打印出造型設(shè)計(jì)步驟和造型圖；

對造型出來的“中國結(jié)”進(jìn)行包裝設(shè)計(jì)。如用Photoshop或3dmax等軟件進(jìn)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(jié)

培養(yǎng)一定自學(xué)能力和獨(dú)立分析問題、解決問題能力；

通過畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐，樹立嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、實(shí)事求是的工作作風(fēng)，并培養(yǎng)自己具有一定的生產(chǎn)觀點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)、全面觀點(diǎn)及團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。

3.“中國結(jié)”造型參考圖：

（造形和尺寸自定義）

課題十八、“福娃”造型設(shè)計(jì)

指導(dǎo)教師：羅進(jìn)生

1.畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)

著重提高在CAD/CAM軟件應(yīng)用方面的實(shí)踐技能，樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，培養(yǎng)綜合運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力。通過創(chuàng)建“福娃”造型設(shè)計(jì)、市場推廣、資料整理等環(huán)節(jié)，初步掌握應(yīng)用CAD/CAM進(jìn)行工業(yè)造型設(shè)計(jì)的方法和基本技能。

2.畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本要求

通過畢業(yè)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的實(shí)踐，應(yīng)達(dá)到如下要求：

靈活運(yùn)用所學(xué)Pro/e軟件創(chuàng)建“福娃”,打印出造型設(shè)計(jì)步驟和造型圖；

對造型出來的“福娃”進(jìn)行包裝設(shè)計(jì)。如用Photoshop或3dmax等軟件進(jìn)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(jié)；

培養(yǎng)一定自學(xué)能力和獨(dú)立分析問題、解決問題能力；

通過畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐，樹立嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、實(shí)事求是的工作作風(fēng)，并培養(yǎng)自己具有一定的生產(chǎn)觀點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)、全面觀點(diǎn)及團(tuán)結(jié)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(guān)電源的設(shè)計(jì)

指導(dǎo)老師： 倪濤

通過該題目的設(shè)計(jì),加強(qiáng)電力電子的學(xué)習(xí)和理解，系統(tǒng)學(xué)習(xí)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法，綜合運(yùn)所學(xué)過的知識,培養(yǎng)獨(dú)立工作，解決實(shí)際問題的能力，為走向工作崗位打一定的基礎(chǔ)

內(nèi)容：

按技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)一臺直流開關(guān)電源

主要技術(shù)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(diào)

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(dú)立完成

設(shè)計(jì)步驟：

1.閱讀國內(nèi)外有關(guān) 2.選定開關(guān)電源集成控制器，學(xué)習(xí)其工作原理、應(yīng)用方法；

3.主電路方案選擇，要有技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較；

4.主電路設(shè)計(jì)；

5.元器件的設(shè)計(jì)、計(jì)算、選擇；

6.控制電路、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；

7.打印論文

課題二十、三層樓電梯PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

指導(dǎo)老師：倪濤

設(shè)計(jì)內(nèi)容： 1、不允許同時有兩層樓要求停電梯；

2、當(dāng)二層不需要停時，能越過二層直接到達(dá)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(dú)立完成

步驟：

1、設(shè)計(jì)I/O配線表。

2、設(shè)計(jì)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(diào)試運(yùn)行。

課題二十一、車輛出入庫管理PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

指導(dǎo)老師：楊芳

內(nèi)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(jìn)時,計(jì)數(shù)器加1,后退則減1.

2、出庫車輛前進(jìn)時計(jì)數(shù)器減1,后退則加1.

3、要求有顯示屏指示車庫內(nèi)車輛的實(shí)際數(shù)目.

要求：

1.根據(jù)題意設(shè)計(jì)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(diào)試，實(shí)現(xiàn)控制要求。

課題二十二、水塔水位控制PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

指導(dǎo)老師：楊芳

內(nèi)容：1、保持水池的水位在S3——S4之間，當(dāng)水位低于S3，則打開閥門進(jìn)水，水位到達(dá)S4時，則關(guān)閉閥門。 水塔水位控制面板

要求：1.根據(jù)題意設(shè)計(jì)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(diào)試，實(shí)現(xiàn)控制要求。

課題二十三、用PRO/E軟件進(jìn)行玩具造型設(shè)計(jì)

指導(dǎo)教師：羅進(jìn)生

要求：利用軟件進(jìn)行實(shí)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(shè)計(jì)玩具形狀，分析所設(shè)計(jì)玩具市場前景。

參考圖樣：

課題二十四、基于PROE軟件的機(jī)械制圖三維模型庫開發(fā)及應(yīng)用

篇2

在我國的經(jīng)濟(jì)體制由計(jì)劃經(jīng)濟(jì)向市場經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變的今天，高等教育的教學(xué)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(jīng)由原來的學(xué)校完全承包，向以就業(yè)為導(dǎo)向的方向發(fā)展，已經(jīng)逐漸走向一條產(chǎn)學(xué)研結(jié)合發(fā)展的道路。隨著科學(xué)技術(shù)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(yīng)用能力、應(yīng)變能力和創(chuàng)新能力等綜合實(shí)力，提出更高的要求。這樣高等教育的培養(yǎng)目標(biāo)就由原來單純以學(xué)習(xí)課本為重，轉(zhuǎn)向要求學(xué)生既有一定專業(yè)理論基礎(chǔ)，又有勝任現(xiàn)代化生產(chǎn)工作的能力。因此，實(shí)踐教學(xué)在學(xué)生培養(yǎng)過程中就顯得十分重要。

毫無疑問，實(shí)踐教學(xué)是大學(xué)生創(chuàng)新的有效途經(jīng)。可以把教師的科研項(xiàng)目列入實(shí)踐教學(xué)活動中，啟發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新意識。如讓學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目，使學(xué)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(shí)踐教學(xué)，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，開拓學(xué)生創(chuàng)新思維。

一、構(gòu)建科學(xué)的實(shí)踐教學(xué)體系

實(shí)踐教學(xué)體系是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力的整體教學(xué)組織與訓(xùn)練過程，也是考查學(xué)生掌握基本理論、基本技能的主要途徑，是實(shí)現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)十分重要的教育教學(xué)環(huán)節(jié)。[2]高等教育的實(shí)踐教學(xué)體系包含多種類型的課程設(shè)置。例如實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、金工實(shí)訓(xùn)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等，都屬于實(shí)踐教學(xué)的范疇。表1為高校實(shí)踐課程教學(xué)體系。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是從最基礎(chǔ)的理論知識入門，通過儀器設(shè)備的使用操作，對數(shù)據(jù)或圖像進(jìn)行分析，驗(yàn)證理論知識的來源與正確性，隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，再逐步開設(shè)綜合性的實(shí)驗(yàn)。如機(jī)械原理零件實(shí)驗(yàn)、刀具實(shí)驗(yàn)、金相熱處理實(shí)驗(yàn)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，再進(jìn)一步完成機(jī)、電、氣綜合與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等。從而幫助學(xué)生更好地理解和掌握理論基本知識，對儀器設(shè)備操作基本技能，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)。

2.課程設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)是學(xué)完某一門專業(yè)基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課后進(jìn)行的一項(xiàng)專門化實(shí)踐性訓(xùn)練，主要目的在于培養(yǎng)學(xué)生利用本門課程的知識及已學(xué)的知識，綜合應(yīng)用完成某一課題的設(shè)計(jì)。如工藝夾具設(shè)計(jì)、刀具設(shè)計(jì)、機(jī)床設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)等。初步培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)思維的方法及應(yīng)用知識的能力。

3.金工實(shí)習(xí)

金工實(shí)習(xí)是工科院校必開的一門實(shí)踐課程，他屬于基礎(chǔ)金工實(shí)習(xí)。學(xué)生在學(xué)完金屬工藝學(xué)與機(jī)械制圖課程后進(jìn)行，也可在金工實(shí)習(xí)過程中完成該門課程的教學(xué)。通過實(shí)習(xí)，了解金屬加工過程的方法和設(shè)備，掌握冷加工和熱加工操作的基本技能。在實(shí)習(xí)中，可將后續(xù)相關(guān)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(kuò)大視野端正專業(yè)思想。

4.生產(chǎn)實(shí)習(xí)

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是一門綜合性的實(shí)踐教學(xué)課程，是在專業(yè)課程大都已學(xué)完的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。走出學(xué)校的課堂深入到企業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場。針對某一機(jī)械產(chǎn)品考察制造全過程，運(yùn)用所學(xué)的知識，進(jìn)行分析對比，研究總結(jié)，如到內(nèi)燃機(jī)制造企業(yè)進(jìn)行實(shí)踐，把在課堂學(xué)到的理性認(rèn)識融會到感性認(rèn)識中。

5.畢業(yè)設(shè)計(jì)與畢業(yè)實(shí)習(xí)

畢業(yè)設(shè)計(jì)與畢業(yè)實(shí)習(xí)，應(yīng)強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，是實(shí)踐教學(xué)的核心。這是進(jìn)入社會前的一次大練兵，也是教育質(zhì)量的大檢驗(yàn)。持續(xù)一學(xué)年的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題至關(guān)重要，應(yīng)是融技術(shù)性與實(shí)用性為一體，融創(chuàng)新意識與創(chuàng)新實(shí)踐為一體。具體做法：一是與科研課題相結(jié)合，如大客車整車強(qiáng)度測試；二是充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如利用FISTO氣動實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)機(jī)電自動控制回路；三是對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，如對機(jī)械原理機(jī)構(gòu)示教板改進(jìn)自動控制裝置；四是結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行科研開發(fā)，如汽車發(fā)電機(jī)殼體壓鑄模具設(shè)計(jì)等。學(xué)生在指導(dǎo)教師的帶領(lǐng)下，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際或科研課題，充分調(diào)動人的主觀能動性，運(yùn)用設(shè)計(jì)新理念和方法，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)取得良好效果。[3]

表1 高校實(shí)踐課程教學(xué)體系

二、把“產(chǎn)學(xué)研”和實(shí)踐教學(xué)結(jié)合起來，開拓學(xué)生創(chuàng)新思維

產(chǎn)學(xué)研合作教育對于高校提升科研水平、企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、增強(qiáng)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(shí)科學(xué)發(fā)展觀、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)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(chǎn)學(xué)研合作的形式之一，其主要方式包括：大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)通過設(shè)置人才培養(yǎng)專項(xiàng)基金、大學(xué)教授和研究人員擔(dān)任企業(yè)顧問、大學(xué)生在企業(yè)實(shí)習(xí)、企業(yè)人員在大學(xué)或科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行培訓(xùn)等多種方式在人力資本層面進(jìn)行交流與互動。[5]

大學(xué)生的創(chuàng)新活動是在學(xué)習(xí)實(shí)踐過程中的創(chuàng)新，同時也是在掌握了基礎(chǔ)知識、相關(guān)專業(yè)領(lǐng)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(jià)值，而且要在專業(yè)領(lǐng)域中具有一定的社會價(jià)值。創(chuàng)新活動的價(jià)值衡量具有雙重標(biāo)準(zhǔn)，對于應(yīng)用型工科大學(xué)生，應(yīng)以社會標(biāo)準(zhǔn)為主，偏重于創(chuàng)新活動的結(jié)果，偏重于創(chuàng)新的產(chǎn)品。因?yàn)閯?chuàng)新能力培養(yǎng)的關(guān)鍵在于創(chuàng)新主體要有強(qiáng)烈的自我意識和積極的實(shí)踐探索。在沒有投入創(chuàng)造性社會實(shí)踐之前，人的“才能”只是一種“潛能”，只有通過創(chuàng)造性實(shí)踐這一“中介”，方可得到進(jìn)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(xué)中，每一門課程的教學(xué)中，實(shí)踐教學(xué)就占有大半時數(shù)，每一單元時間內(nèi)的教學(xué)，都包含有理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，在動腦和動手過程中，提升大學(xué)生創(chuàng)新思維。

1.“產(chǎn)學(xué)研”項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相結(jié)合

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)方面具有課堂理論教學(xué)不可替代的作用，實(shí)驗(yàn)室作為高校人才培養(yǎng)的重要陣地在培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才中應(yīng)發(fā)揮其重要的作用。因此，我們將科研方法引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將學(xué)科建設(shè)取得的科研成果和開發(fā)的新技術(shù)、新方法不斷引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，保持實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與手段的不斷更新。并通過設(shè)置探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來模擬科研全過程，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)研究新技術(shù)、新方法訓(xùn)練的有機(jī)結(jié)合。

工科類專業(yè)在探索性實(shí)驗(yàn)課程中，只給出若干思路，實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生不一定知道實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和研究目標(biāo)，自行查閱相關(guān)資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)，獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并對出現(xiàn)的可能結(jié)果給予一定的解釋。盡管學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的最后結(jié)果中不一定達(dá)到要求，但是通過綜合訓(xùn)練，使學(xué)生對科研的基本方法和程序有一個清楚的認(rèn)識和體驗(yàn)，有效調(diào)動了學(xué)生的主動性，既提高了學(xué)生的動手能力，又使學(xué)生養(yǎng)成了自主式、合作式、研究式、開放式的學(xué)習(xí)方式。如開放性實(shí)驗(yàn)，完全由學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主管理實(shí)驗(yàn)過程，自主完成實(shí)驗(yàn)，從而使實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為科研與教學(xué)的最佳結(jié)合點(diǎn)。例如工業(yè)自動化應(yīng)用課程利用實(shí)驗(yàn)室電氣動實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺，結(jié)合實(shí)驗(yàn)題目要求，自己設(shè)計(jì)、搭線、編程、調(diào)試等軟硬結(jié)合過程。

2.“產(chǎn)學(xué)研”項(xiàng)目和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)相結(jié)合

實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)是一門融理論與實(shí)踐綜合性很強(qiáng)的課程，在整個學(xué)生的培養(yǎng)過程中起到了一定的作用。我們要重視對學(xué)生動手能力、工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生將所學(xué)基礎(chǔ)知識綜合運(yùn)用于工程實(shí)際的能力、獨(dú)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(jī)械制造加工中心需要機(jī)械手完成不同的任務(wù)，這個就可以為學(xué)生的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)提供選題，學(xué)生自己對課題進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，自己動手編程、調(diào)試、安裝、并最后調(diào)試完成一個機(jī)械手加工系統(tǒng)，對設(shè)計(jì)過程中涉及到相關(guān)課堂教學(xué)內(nèi)容，必須加以理解和消化，最終提交的是機(jī)械手能完成的任務(wù)和設(shè)計(jì)報(bào)告。這樣學(xué)生不但能夠?qū)⒄n堂上學(xué)到的理論知識與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，而且能夠?qū)C(jī)械傳動、電子電路、電子元器件等方面的知識綜合應(yīng)用，同時在單片機(jī)編程、排錯調(diào)試、機(jī)構(gòu)運(yùn)動、相關(guān)儀器設(shè)備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高。為了促進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研”項(xiàng)目和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)相結(jié)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(chǎn)學(xué)研”項(xiàng)目和畢業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合

畢業(yè)設(shè)計(jì)與畢業(yè)實(shí)習(xí)，是時間最長最具綜合性與創(chuàng)新性的實(shí)踐，是實(shí)踐教學(xué)的核心。工科專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)實(shí)習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(jì)時間長達(dá)近半年，是學(xué)生走向工作崗位的最后一個重要的教學(xué)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(xué)生的創(chuàng)造力極為不利。為了促進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研”項(xiàng)目和畢業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合，我們具體采取了以下方法：

（1）利用生產(chǎn)中的真實(shí)題目或參與指導(dǎo)教師的實(shí)際課題研究，提前布置畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)踐培養(yǎng)創(chuàng)新精神以及分析和解決問題的能力方面，實(shí)現(xiàn)了以科研促進(jìn)教學(xué)的理想效果。[6]

（2）利用工廠待解決的技術(shù)問題，讓學(xué)生走出去，到工廠做畢業(yè)設(shè)計(jì)。由于受教師手頭的真實(shí)題目的限制，不可能所有的同學(xué)都在學(xué)校做真題目，我們通過與科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)單位的結(jié)合，即產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，讓同學(xué)們到工廠去，到科研機(jī)構(gòu)去，根據(jù)具體情況安排畢業(yè)設(shè)計(jì)題目。這樣做，不僅發(fā)展了生產(chǎn)也培養(yǎng)了技術(shù)人才，發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)造能力。

三、以“工程測試”為例，探索“產(chǎn)學(xué)研”提升大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力

利用科研項(xiàng)目將實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等串聯(lián)起來，把各個實(shí)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(xué)生參加實(shí)踐的積極性，加強(qiáng)培養(yǎng)綜合運(yùn)用能力。

測試技術(shù)是獲取信息、分析和處理測量數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)與手段，是從事科學(xué)研究、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)與自動控制不可缺少的工具。[7]本人在學(xué)校主要承擔(dān)《機(jī)械工程測試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并在這幾年負(fù)責(zé)工程測試的一些科研項(xiàng)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(fēng)杭州汽車有限公司作全承載整車強(qiáng)度測試。在這些科研項(xiàng)目完成的過程中，都與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合起來，開拓學(xué)生的創(chuàng)新思維，實(shí)現(xiàn)了科研成果與實(shí)踐教學(xué)雙豐收。

1.開設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)，吸引學(xué)生加入到科研項(xiàng)目

由于《機(jī)械工程測試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與工程實(shí)際相結(jié)合，要求課時較長，另外實(shí)驗(yàn)相對正常，完成水平要高。我們選擇以開放性實(shí)驗(yàn)對學(xué)生開放。把《機(jī)械工程測試技術(shù)》一系列實(shí)驗(yàn)連續(xù)起來，要求學(xué)生按照工程上測試的要求，把應(yīng)變片粘貼好，并且對自己粘貼好的應(yīng)變片作靜態(tài)應(yīng)變測量和動態(tài)應(yīng)變測量。圖1為學(xué)生在粘貼應(yīng)變片，圖2為粘貼好的應(yīng)變片。這樣，學(xué)生完成這些實(shí)驗(yàn)后，就可以加入到全承載整車強(qiáng)度測試中。

2.學(xué)生到現(xiàn)場測試，豐富學(xué)生的實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)

充分發(fā)揮工程測試科研項(xiàng)目的優(yōu)勢，鼓勵學(xué)生積極參與科研項(xiàng)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(fēng)杭州汽車有限公司作全承載整車強(qiáng)度測試，都有不少學(xué)生加入到測試。圖3是正在作整車測試的客車，圖4為學(xué)生在現(xiàn)場測試。由于科研課題多與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，解決生產(chǎn)實(shí)際問題，任務(wù)本身具有挑戰(zhàn)性，學(xué)生在參與科研的過程中，可切身體會到理論與實(shí)踐結(jié)合的價(jià)值，激發(fā)起他們內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)，應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題。[8]

3.測試項(xiàng)目為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)課題提供來源

多年來，我們都高度重視學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，形成了良好的傳統(tǒng)和特色。大學(xué)生所完成的這些工程測試項(xiàng)目，可以直接為他們的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供選題來源。通過強(qiáng)化過程管理，保證了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的教學(xué)質(zhì)量。這對培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力方面有示范作用。圖5為大學(xué)生以某大客車測試為畢業(yè)設(shè)計(jì)題目所采集處理的數(shù)據(jù)。

四、“產(chǎn)學(xué)研”融合實(shí)踐教學(xué)取得的成果

篇3

一、引言

畢業(yè)設(shè)計(jì)是教學(xué)過程中最后一個重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，五年制高職機(jī)電專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和基本技能，提高獨(dú)立分析和解決問題的能力，也是培養(yǎng)以后從事企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改革工作的初步能力的一個重要環(huán)節(jié)。為了貫徹《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》（教高［2006］16號）文件精神，“以服務(wù)為宗旨，以就業(yè)為導(dǎo)向，走工學(xué)結(jié)合發(fā)展道路”的辦學(xué)方針，根據(jù)教育部高等職業(yè)教育畢業(yè)設(shè)計(jì)方面的要求，我們總結(jié)了近幾年各職業(yè)院校的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與教改情況：由具有豐富專業(yè)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的雙師型教師來指導(dǎo)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，以工作任務(wù)為驅(qū)動、工作過程為導(dǎo)向的“教、學(xué)、做”三合一的職業(yè)技術(shù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

1.內(nèi)容選擇上充分體現(xiàn)“理論夠用，能力為本，應(yīng)用型人才培養(yǎng)”的新世紀(jì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的思想，以工作任務(wù)為中心，彰顯針對性、實(shí)踐性和指導(dǎo)性強(qiáng)的特征，通過設(shè)計(jì)日常生活中經(jīng)常遇到的實(shí)例，按照生產(chǎn)實(shí)際要求和實(shí)際方法、步驟，進(jìn)行設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)資料和最新的國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對產(chǎn)品的加工工藝及畢業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識進(jìn)行必要的融合，對引導(dǎo)學(xué)生形成實(shí)踐計(jì)劃方案，完成具體的工作任務(wù)，針對性很強(qiáng)。

3.從拓展學(xué)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(shè)計(jì)課題，對于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題有很好的作用。

從當(dāng)前機(jī)電專業(yè)的普通高校的本科、專科；職業(yè)院校的專科、電大生五年制高職的學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的情況（如下表）調(diào)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(jī)械加工產(chǎn)品為主。

畢業(yè)課題列表

根據(jù)高職學(xué)生的技能優(yōu)勢，我校根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，對2005級學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)小組要進(jìn)行課題的開題報(bào)告論證、要進(jìn)行中期畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程的報(bào)告、要進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及畢業(yè)成果演示。

二、確定選題進(jìn)行理論設(shè)計(jì)

05大專機(jī)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(xué)生。

1.選題并確立10個課題。選題主要從機(jī)電專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，在利于鞏固、深化、擴(kuò)大所學(xué)知識；利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力，使學(xué)生能夠得到全面的訓(xùn)練；盡可能與生產(chǎn)、科研、管理、教學(xué)等實(shí)際需要相結(jié)合。課題由指導(dǎo)教師組提供十個選題方向的主導(dǎo)意見，允許學(xué)生提供建議供指導(dǎo)教師組參考。選題應(yīng)盡可能選擇已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中投入使用的，在內(nèi)容的深度和廣度符合教學(xué)要求、價(jià)格適中、能夠組裝完成的產(chǎn)品。選題難度要適中，任務(wù)量應(yīng)保證中等水平學(xué)生經(jīng)努力八周時間內(nèi)能完成，不得選擇純論文性的選題。教師指導(dǎo)組經(jīng)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(shè)計(jì)、自動化立體倉庫的設(shè)計(jì)、弓形模具的設(shè)計(jì)、基于單片機(jī)的路燈照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用、物料自動分揀系統(tǒng)、圓形薄片沖裁模的設(shè)計(jì)、智能小車的設(shè)計(jì)、CA6140車床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、機(jī)械手的制作設(shè)計(jì)、四層樓自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

學(xué)生可以自由結(jié)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(xué)生個人的特點(diǎn)，合理地把小組成員進(jìn)行分工。允許每個小組在10個課題內(nèi)自選，每個小組完成一個選題相關(guān)資料的查閱工作。

根據(jù)選題時查閱資料的情況，學(xué)生要做好開題報(bào)告。開題報(bào)告是畢業(yè)設(shè)計(jì)可行性的論證，也可作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及系審查后生效。

開題報(bào)告一般由本課題的研究目的及意義、本課題的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀；本課題的研究內(nèi)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(yù)期效果、本課題研究的進(jìn)度安排六個部分組成。

中期匯報(bào)主要是學(xué)生對前期設(shè)計(jì)的情況是否和計(jì)劃中一致，存在什么問題，如何解決，后期如何修正計(jì)劃，可能出現(xiàn)什么問題，采取什么措施進(jìn)行完善。答辯領(lǐng)導(dǎo)小組的建議。

2.畢業(yè)設(shè)計(jì)的書面文字的形成

畢業(yè)設(shè)計(jì)既要保證每個學(xué)生經(jīng)歷一個課題的全過程，又要保證每個學(xué)生均有其獨(dú)立完成的部分。學(xué)生通過網(wǎng)上查詢，圖書資料的查閱，把自己的思路和指導(dǎo)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(jié)、參考資料，等等。所有圖形、表格和文字都須用計(jì)算機(jī)打印，裝訂成冊，人手兩冊。

3.答辯

答辯是檢查學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的一場“口試”。通過這一形式，有助于學(xué)生進(jìn)一步總結(jié)設(shè)計(jì)、材料購買、零件加工、產(chǎn)品裝配的過程中需要注意的問題，提高應(yīng)變能力及自信心，為真正走上社會打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。答辯主要考查學(xué)生的一些專業(yè)基礎(chǔ)知識和基本理論。答辯的過程實(shí)際上也是幫助學(xué)生總結(jié)的過程。教師要積極引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)在設(shè)計(jì)過程中積累起來的經(jīng)驗(yàn)，分析設(shè)計(jì)效果，找出不足和改進(jìn)方法，幫助學(xué)生把實(shí)踐轉(zhuǎn)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(dǎo)教師不能參加，并邀請學(xué)生家長和相關(guān)用人企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)參加，讓家長和企業(yè)了解畢業(yè)生的學(xué)習(xí)情況和工作能力，為下一步學(xué)生就業(yè)做好宣傳工作。

學(xué)生答辯小組，由本小組推選一到兩人主答辯，其他同學(xué)輔助答辯，主答辯要把小組人員的分配情況、開題報(bào)告的論證、設(shè)計(jì)的思路、設(shè)計(jì)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(jìn)行匯報(bào)。專家組提出的問題原則上應(yīng)該由分工的組員回答，其他同學(xué)可以進(jìn)行補(bǔ)充，并充分利用畢業(yè)設(shè)計(jì)成果的運(yùn)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(shè)計(jì)的質(zhì)量；二是答辯的表現(xiàn)，而答辯的表現(xiàn)不低于畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量；三是選題報(bào)告；四是畢業(yè)設(shè)計(jì)中期匯報(bào)；五是材料購買的價(jià)格及質(zhì)量的好壞的評定；六是產(chǎn)品加工、裝配后的運(yùn)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(chǎn)品的形成

購買小組的同學(xué)要進(jìn)行市場調(diào)研，了解材料及各種零件的性價(jià)比。把需要的材料、外購件及標(biāo)準(zhǔn)件買回來。

負(fù)責(zé)加工小組的同學(xué)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(shè)備。同學(xué)們有的要進(jìn)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(jī)電設(shè)備的裝配工藝過程，做好裝配前的準(zhǔn)備工作，研究和熟悉產(chǎn)品裝配圖及有關(guān)的技術(shù)資料，了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，各零件的作用，相互關(guān)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(diǎn)零件、外購件、標(biāo)準(zhǔn)件，等等。對裝配零件進(jìn)行清理和清洗，對某些零件還需進(jìn)行裝配前的鉗加工（如：刮削、修配、平衡試驗(yàn)、配鉆、鉸孔，等等）。先進(jìn)行組件裝配，再部件裝配，最后總裝配。調(diào)節(jié)零件和機(jī)構(gòu)的相互位置、配合間隙、結(jié)合松緊，等等，使機(jī)構(gòu)或機(jī)器工作協(xié)調(diào)(軸承間隙、鑲條位置、齒輪軸向位置的調(diào)整，等等）。用量具或量儀對產(chǎn)品的工作精度、幾何精度進(jìn)行檢驗(yàn)，直至達(dá)到技術(shù)要求為止。進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)和負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)其靈活性、振動、溫升、密封性、轉(zhuǎn)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(yàn)。為了防止不加工面銹蝕和使產(chǎn)品外表美觀要進(jìn)行噴漆和涂油處理。

四、實(shí)物成果演示

學(xué)生通過親自動手購買材料，加工零件，組裝產(chǎn)品，試運(yùn)轉(zhuǎn)，收獲了成果，感到五年的學(xué)習(xí)還是有成效的，心理上得到滿足。小組成員輪流擔(dān)任演示員，向評委專家、企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、學(xué)生家長及學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)、老師和學(xué)生展示自己的成果，向他們解說產(chǎn)品的功能；也是向領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)們匯報(bào)自己五年來的學(xué)習(xí)是有效的勞動；還可以把自己畢業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的制作過程用相機(jī)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(kuò)大

經(jīng)過05級學(xué)生的第一次畢業(yè)設(shè)計(jì)的成功，我們對五年制高職畢業(yè)設(shè)計(jì)的前景有了很大的信心；06機(jī)電大專我們也選擇了10個不同課題，不同的是畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師的經(jīng)驗(yàn)豐富多了，把05機(jī)電學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)分析給06的學(xué)生聽，讓他們在畢業(yè)設(shè)計(jì)中少走彎路；07機(jī)電大專也選擇了10個不同的課題，他們畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量將會越來越高。現(xiàn)在我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)成果展覽室的樣品越來越多，我們誠心地邀請領(lǐng)導(dǎo)、專家和同行們來我校指導(dǎo)、交流。

五、結(jié)語

我校機(jī)電專業(yè)的學(xué)生，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，既能符合普通大專生理論畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，又能把五年制高職學(xué)生的技能水平展示出來。這向社會說明在職業(yè)學(xué)校的學(xué)習(xí)是有很大收獲的，展示了高職學(xué)校學(xué)生的能力，向社會交出了一份滿意的答卷。

參考文獻(xiàn)：

［1］張桂香主編.機(jī)電類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指南.機(jī)械工業(yè)出版社.

［2］張華主編.電類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo).機(jī)械工業(yè)出版社.

［3］孫波主編.機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典.西安電子科技大學(xué)出版社.

［4］宋守許，劉志峰，夏鏈，李軍鵬，李旗號.工科大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)調(diào)查及其分析.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).

［5］韓曉燕，張彥通，李漢邦.對本科教學(xué)工作水平評估中畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)目的. 1

1.3　發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢. 1

第2章 機(jī)械手各部件的設(shè)計(jì). 3

2.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì). 3

2.1.1　機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型. 3

2.1.2　具體設(shè)計(jì)方案. 4

2.2機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì). 4

2.2.1　設(shè)計(jì)要求. 4

2.2.2　驅(qū)動方式. 5

2.2.3　典型結(jié)構(gòu). 5

2.2.4　具體設(shè)計(jì)方案. 6

2.3機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì). 7

2.3.1　手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求. 7

2.3.2　具體設(shè)計(jì)方案. 7

2.4機(jī)械手手臂構(gòu)的設(shè)計(jì). 8

2.4.1　手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求. 8

2.4.2　具體設(shè)計(jì)方案. 8

2.5機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì). 9

2.5.1　腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求. 9

2.5.2　具體設(shè)計(jì)方案. 9

2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì). 10

2.6.1　傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題. 10

2.6.2　常用的傳動機(jī)構(gòu)形式. 10

2.6.3　具體設(shè)計(jì)方案. 11

2.7機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 12

2.7.1　常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點(diǎn). 12

2.7.2　具體設(shè)計(jì)方案. 12

2.8機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì). 12

2.8.1　平衡機(jī)構(gòu)的形式. 12

2.8.2　具體設(shè)計(jì)方案. 13

第3章 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算. 14

3.1電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算. 14

3.1.1　有關(guān)參數(shù)的計(jì)算. 14

3.1.2　電機(jī)型號的選擇. 16

3.2液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)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(yùn)動控制回路. 19

3.2.3　液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 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(jì)算和選擇液壓元件. 26

第4章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 28

4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì). 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(shè)計(jì). 31

4.1.7 I/O地址分配. 32

4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì). 33

4.2.1　控制主程序流程圖. 33

4.2.2　控制程序設(shè)計(jì). 34

結(jié)論. 51

致謝................................................................52

參考文獻(xiàn).......................................................... 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(xué)技術(shù)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(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動化機(jī)械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機(jī)械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，可以說是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目前，機(jī)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(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)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(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。但目前我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機(jī)械行業(yè)自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)具有重要意義。

1.2設(shè)計(jì)目的

目前，我國大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險(xiǎn)性，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)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(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動化生產(chǎn)的要求，針對具體生產(chǎn)工藝，結(jié)合機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)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(nèi)外各種機(jī)械手和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：

一．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。

二．工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，結(jié)構(gòu)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。

三．機(jī)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(jìn)了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發(fā)展。

四．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)械手開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)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(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械手的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，性價(jià)比高，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、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(jī)械手各部件的設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)

2.1.1機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型

工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有四種：直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下：

1.直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是用三個相互垂直的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.a。由于直線運(yùn)動易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運(yùn)動位置精度高，但此種類型機(jī)械手的運(yùn)動空間相對較小，如要達(dá)到較大運(yùn)動空間，則要求機(jī)械手的尺寸足夠大。直角坐標(biāo)機(jī)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(yùn)作業(yè)。直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。

2.圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是用一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實(shí)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(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運(yùn)作業(yè)。

3.球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是由兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動來實(shí)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(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高，主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。

4.關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動是由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.d。相對機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手又分為水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。

2.1.2具體采用方案

如圖2-2所示機(jī)械手模擬工作布局圖，根據(jù)實(shí)際操作的需要，該機(jī)械手在工作中需要3種運(yùn)動，其中手臂的伸縮和立柱升降為直線運(yùn)動，另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此其自由度數(shù)目為3，綜合考慮，應(yīng)選擇圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，工作范圍相對較大，且有較高的精度，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1設(shè)計(jì)要求

手爪是用來進(jìn)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(yùn)用、加工用、測量用等。搬運(yùn)用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運(yùn)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(jī)械手附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)行測量及檢驗(yàn)作業(yè)。

機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)有如下要求：

1、機(jī)械手手爪是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。既根據(jù)其應(yīng)用場合設(shè)計(jì)手爪，在滿足作業(yè)要求的前提下，機(jī)械手手爪還要求體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。

2、機(jī)械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)械手手爪，加之以快速更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。

3、機(jī)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(jī)械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

4、機(jī)械手手爪要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。

2.2.2驅(qū)動方式

一般工業(yè)機(jī)械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動型；按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。

機(jī)械手夾持器（手爪）的驅(qū)動方式主要有三種：

1.氣動驅(qū)動方式

這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運(yùn)動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運(yùn)動速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應(yīng)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(yùn)動具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動作十分需要的。

2.電動驅(qū)動方式

電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū)動方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。

3.液壓驅(qū)動方式

液壓驅(qū)動方式是利用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，傳動剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。

2.2.3典型結(jié)構(gòu)

機(jī)械手手爪的典型結(jié)構(gòu)有以下五種：

1.楔塊杠桿式手爪

利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。

2.滑槽式手爪

當(dāng)活塞向前運(yùn)動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)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(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)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(zhuǎn)，產(chǎn)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(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動，且比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小得多。

2.2.4具體設(shè)計(jì)方案

結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動活塞往復(fù)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(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為50mm來設(shè)計(jì)。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2-3所示：

2.3機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手手腕是機(jī)械手操作機(jī)的最末端，與手爪相連接，它與機(jī)械手手臂配合，使手爪在空間運(yùn)動，完成所需要的作業(yè)動作。

2.3.1 手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

1、由于手腕安裝在機(jī)械手末端，因此要求手腕設(shè)計(jì)應(yīng)盡量小巧輕盈，結(jié)構(gòu)緊湊。

2、根據(jù)作業(yè)需要，設(shè)計(jì)機(jī)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(yīng)能力也愈強(qiáng)。但自由度的增加，必然使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，控制更困難，成本也會相應(yīng)增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來確定。

3、為實(shí)現(xiàn)腕部的通用性，要求有標(biāo)準(zhǔn)的連接法蘭，以便于和不同的機(jī)械手手爪進(jìn)行連接。

4、為保證工作時力的傳遞和運(yùn)動的連貫，腕部結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度。

5、要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。

6、手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。

2.3.2具體設(shè)計(jì)方案

通過對數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對機(jī)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見圖2-4。

2.4機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.4.1手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

機(jī)械手的手臂在工作時，要承受一定的載荷，且其運(yùn)動本身具有一定的速度，因此，機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)需要遵循以下設(shè)計(jì)要求：

1、工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系，因此手臂尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)合理，一般滿足其工作空間即可。

2、為了提高機(jī)械手的運(yùn)動速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。

3、應(yīng)盡可能使機(jī)械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)械手運(yùn)動學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)械手的控制。

4、機(jī)械手各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動誤差。

5、為提高機(jī)械手手臂運(yùn)動的響應(yīng)速度、減小電機(jī)負(fù)載，機(jī)械手的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡。

2.4.2具體設(shè)計(jì)方案

由于機(jī)械手手臂運(yùn)動為直線運(yùn)動，且考慮到搬運(yùn)工件的重量較大（質(zhì)量達(dá)30KG），以及機(jī)械手的動態(tài)性能及運(yùn)動的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅(qū)動方式。通過液壓缸的直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運(yùn)動件，因此不用再額外設(shè)計(jì)執(zhí)行件；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。

由于液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都較容易實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵在于機(jī)械手運(yùn)動的穩(wěn)定性和剛度的設(shè)計(jì)。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是液壓缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。

同時，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)時另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。

2.5機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.5.1腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

機(jī)械手的腰座，就是機(jī)械手的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，承受了機(jī)械手的全部重量。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)時，有以下設(shè)計(jì)要求：

1、由于腰座要承受機(jī)械手全部的重量和載荷，因此，機(jī)械手腰座的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力，且腰座是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)械手末端的運(yùn)動精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度。

2、腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。要有可靠的定位基準(zhǔn)面和調(diào)整機(jī)構(gòu)。且腰座要安裝在足夠大的基面，以保證機(jī)械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。

3、腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器及減速器。驅(qū)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(jī)械手運(yùn)動部分的慣量，提高控制精度，要求回轉(zhuǎn)運(yùn)動部分由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。

2.5.2具體設(shè)計(jì)方案

腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式主要有兩種，一是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，二是通過擺動液壓缸或液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)。考慮到腰座是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。因?yàn)殡妱臃绞娇刂频木雀撸Y(jié)構(gòu)緊湊，不用額外設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)及其輔助元件。由于電機(jī)都不能直接驅(qū)動，并考慮到轉(zhuǎn)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(jìn)行減速和扭矩的放大。由于齒輪傳動存在著齒側(cè)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(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2-5所示：

2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.6.1傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

由于傳動部件直接影響著機(jī)械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，在設(shè)計(jì)機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)時要注意以下問題：

1、機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小，以提高機(jī)械手的運(yùn)動速度及控制精度。并在傳動鏈及運(yùn)動副中采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小反向空回所造成的運(yùn)動誤差。

2、盡量減少系統(tǒng)運(yùn)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(dá)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(zhuǎn)動慣量，盡可能提高加速能力。

5、適當(dāng)?shù)淖枘岜取Ｗ枘岜仍酱螅慵a(chǎn)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(yīng)采取合適的阻尼比。

2.6.2常用的傳動機(jī)構(gòu)形式

常用的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)龋挥幸詡鬟f運(yùn)動為主的，如機(jī)床工作臺的進(jìn)給絲杠。

2.齒輪傳動

在機(jī)械手中常用的齒輪傳動機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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(yīng)滿足驅(qū)動部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動機(jī)為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩，且系統(tǒng)要有足夠的剛度。同時，為保證在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應(yīng)最大，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，不產(chǎn)生傳動死區(qū)，要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪，并采用調(diào)整齒側(cè)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(jī)械手中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機(jī)械手末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機(jī)距離被傳動的腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，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(diǎn)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(qiáng)力材料制成嚙合齒，通過齒間嚙合進(jìn)行傳動。其特點(diǎn)是傳動比準(zhǔn)確、傳動效率高（可達(dá)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(dá)40m/s）、傳動比可達(dá)10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)械手中使用很多。

2.6.3具體設(shè)計(jì)方案

因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械手的手臂，它既是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，又是動力單元，因此不需要中間傳動機(jī)構(gòu)，既簡化了結(jié)構(gòu)，又提高了精度。而其腰座的回轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，而電動機(jī)不能作為直接驅(qū)動元件，因此為取得較大的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)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(jī)轉(zhuǎn)速，使機(jī)械手的運(yùn)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(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。

2.7機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.7.1常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點(diǎn)

工業(yè)常用驅(qū)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(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。

1.液壓驅(qū)動系統(tǒng)

具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動、精度高等特點(diǎn)。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(jī)械手。

2.氣動驅(qū)動系統(tǒng)

具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)械手中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械手中。

3.電動驅(qū)動系統(tǒng)

具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特點(diǎn)。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，但大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動機(jī)構(gòu)。

2.7.2具體設(shè)計(jì)方案

在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素，機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要一定的定位控制精度，因此采用步進(jìn)電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)。由于手臂采用液壓缸，故用液壓驅(qū)動。隨著機(jī)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(jìn)行驅(qū)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(shí)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(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)械手可以通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達(dá)到平衡。關(guān)節(jié)機(jī)械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動器的負(fù)荷，同時縮短啟動時間。

2.8.1平衡機(jī)構(gòu)的形式

1.配重平衡機(jī)構(gòu)

這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)械手手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機(jī)械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。

2.彈簧平衡機(jī)構(gòu)

彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡單、造價(jià)低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。

3.活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)

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。活塞式平衡需要配備有專門的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價(jià)高，設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)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(shè)計(jì)方案

因?yàn)楸緳C(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個機(jī)械手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿足，則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。

第3章 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算

3.1.1有關(guān)參數(shù)的計(jì)算

1.若傳動負(fù)載作直線運(yùn)動（通過滾珠絲杠）則有

具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是驅(qū)動腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運(yùn)動形式屬于第二種。下面進(jìn)行具體的計(jì)算。

因?yàn)檠炕剞D(zhuǎn)運(yùn)動只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有；

3.1.2電機(jī)型號的選擇

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，并綜合考慮各方面因素，決定選擇北京和利時電機(jī)技術(shù)有限公司（原北京四通電機(jī)公司）的步進(jìn)電機(jī)，具體型號為：

110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301，該步進(jìn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩，低振動，綜合性能很好，各項(xiàng)參數(shù)如表3-2。

其中 110BYG550B-SAKRMA-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。如圖3-3所示

驅(qū)動方式為升頻升壓 ，步距角為0.36°。同時因?yàn)檠魁X輪傳動比為1：120，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸實(shí)際的步距角將為電機(jī)實(shí)際步距角的1/120（理論上），雖然實(shí)際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實(shí)際回轉(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相當(dāng)高，完全滿足機(jī)械手的定位精度要求。

3.2液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)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(dá)，液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。二者的特點(diǎn)及適用場合見表3-1：

因?yàn)闄C(jī)械手設(shè)計(jì)為圓柱坐標(biāo)形式，且具有3個自由度，一個為腰座的轉(zhuǎn)動，兩個為手臂的移動自由度。同時考慮機(jī)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(jì)算機(jī)的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。

3.2.2擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動控制回路

液壓執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動速度和運(yùn)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(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)速方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速；方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實(shí)現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機(jī)組合來實(shí)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(dǎo)控制閥的邏輯組合來實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)的速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，利用用比較簡單的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)，而方向控制采用電磁換向閥來實(shí)現(xiàn)。

3.2.3液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)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(jīng)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(diào)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(jìn)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(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁過濾器。根據(jù)液壓設(shè)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(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來調(diào)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(jìn)行凈化。

3.2.4繪制液壓系統(tǒng)圖

本機(jī)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(jī)構(gòu)。

其中，泵由三相交流異步電動機(jī)M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調(diào)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(dāng)5DT得電時，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進(jìn)入柱塞缸，實(shí)現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當(dāng)6DT失電時，工作液體進(jìn)入柱塞缸中，實(shí)現(xiàn)手爪迅速松開。

另外，由于機(jī)械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負(fù)荷重力作用方向一致，下降時有使運(yùn)動速度加快的趨勢，為使運(yùn)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(gòu)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(fù)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(shè)計(jì)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(yùn)動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。

1.計(jì)算液壓缸的總機(jī)械載荷

3.液壓缸主要參數(shù)的確定

考慮到機(jī)械手的特點(diǎn)，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(jìn)行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)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(shè)計(jì)階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過仔細(xì)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?yàn)樯炜s缸的作用主要是實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因?yàn)槭肿A持工件，受力方向?yàn)榇怪狈较颍S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(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因?yàn)闄C(jī)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(shè)計(jì)上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，使其具有盡量大的剛度。為了達(dá)到這個目的，設(shè)計(jì)中采用了兩個導(dǎo)向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導(dǎo)向問題。另一方面，為增大結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，將兩個導(dǎo)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?yàn)榇怪币簤焊姿惺艿妮d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(qū)動力要求是輕而易舉的，要解決的關(guān)鍵問題仍然是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同樣采用了導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)，圍繞垂直升降缸設(shè)置四根導(dǎo)桿，較好的解決了這一問題。

4.液壓缸強(qiáng)度的較核

（1）活塞桿直徑的較核

3.2.6計(jì)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(biāo)準(zhǔn)元件的產(chǎn)品樣本中選取各控制元件。

2. 液壓泵的計(jì)算

第4章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1硬件設(shè)計(jì)

4.1.1操作面板布置

操作面板布置如圖4-2所示：

機(jī)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(jī)械手的每一步運(yùn)動進(jìn)行單獨(dú)的控制。當(dāng)選擇升／降按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手上升；按下停止按鈕時，機(jī)械手上升。當(dāng)選擇正轉(zhuǎn)/逆轉(zhuǎn)按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手順時針轉(zhuǎn)動，而按下停止按鈕時，機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動。同理，當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手爪夾緊，而按下停止按鈕時，手爪松開。

2.自動操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按下啟動按鈕，機(jī)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(jī)械手將繼續(xù)完成一個周期動作后，回到原點(diǎn)位置。

4.1.2工藝過程與控制要求

機(jī)械手的動作有腰座的旋轉(zhuǎn)，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(shí)現(xiàn)驅(qū)動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實(shí)現(xiàn)；腰座旋轉(zhuǎn)通過步進(jìn)電動機(jī)與齒輪來實(shí)現(xiàn)。

其中，液壓缸由相應(yīng)的電磁閥控制，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，當(dāng)下降電磁閥通電時，機(jī)械手下降；斷電時，機(jī)械手下降停止；當(dāng)上升電磁閥通電時，機(jī)械手上升；斷電時，機(jī)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(qū)動器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

實(shí)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(dāng)線圈不通電時，柱塞缸不工作，當(dāng)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(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到機(jī)床上方，并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時，為了確保安全，必須在機(jī)床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才允許機(jī)械手下降進(jìn)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(jī)械手工作流程如圖4-1所示：

從原點(diǎn)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(jìn)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(jī)械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，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(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC開始輸出高速脈沖，驅(qū)動機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動； 接著下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，機(jī)械手到達(dá)卡盤中心高度； 機(jī)械手開始水平定位后縮，將工件裝入機(jī)床卡盤； 當(dāng)工件裝入到位后，卡盤收緊； 機(jī)械手松開手爪，準(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC啟動高速脈沖驅(qū)動機(jī)械手作順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動，機(jī)械手回到原點(diǎn)待命； 機(jī)床進(jìn)行加工。

當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工完一個工件時，發(fā)送下料命令給機(jī)械手，機(jī)械手接到命令后，PLC馬上輸出脈沖驅(qū)動機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，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(jī)床卡盤松開； 機(jī)械手開始前伸，將工件從機(jī)床上取出，準(zhǔn)備運(yùn)走； 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC輸出高速脈沖，驅(qū)動機(jī)械手順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動； 下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，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(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止同時手爪也閉合復(fù)原； 接著機(jī)械手水平手臂開始后縮，準(zhǔn)備回原點(diǎn)，當(dāng)后縮到位時，后縮停止，機(jī)械手回到原點(diǎn)，一個上下料過程結(jié)束； 機(jī)械手在原點(diǎn)等待命令，準(zhǔn)備下一個工作循環(huán)。

機(jī)械手的每次循環(huán)都從原點(diǎn)位置開始動作。

4.1.4控制器的選型

機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上考慮到機(jī)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(yīng)選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)開發(fā)的工業(yè)控制器---PLC，故選擇在國內(nèi)應(yīng)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P(yáng)LC集成14，輸入/10，輸出共24個數(shù)字量I/O點(diǎn)，可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)，具有16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)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(qiáng)控制能力的控制器。

4.1.5控制系統(tǒng)原理分析

由于機(jī)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(jī)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(jìn)驅(qū)動進(jìn)行開環(huán)控制外，還要對水平手臂進(jìn)行閉環(huán)伺服控制。

為了減少PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點(diǎn)。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(jìn)行比較后形成的控制信號經(jīng)過PID調(diào)節(jié)和功率放大后，驅(qū)動電液伺服閥對液壓缸進(jìn)行伺服定位。PLC將上位機(jī)輸入的給定信號轉(zhuǎn)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(diǎn)，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(diǎn)，也是完全能滿足工作要求的。

4.1.6 PLC外部接線設(shè)計(jì)

為實(shí)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(diǎn)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(xì)的硬件設(shè)計(jì)見圖紙）

4.1.7 I/O地址分配

詳細(xì)參見表4-1、4-2：

4.2軟件設(shè)計(jì)

4.2.1控制主程序流程圖

機(jī)械手控制主程序流程圖如圖4-6所示：

結(jié) 論

本設(shè)計(jì)通過對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)大學(xué)本科四年所學(xué)知識進(jìn)行整合，完成一個特定功能、滿足特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實(shí)踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對性和明確的實(shí)施目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

機(jī)械手采用可編程序控制器控制，可以實(shí)行手動調(diào)整、手動及自動控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，設(shè)計(jì)周期短且造價(jià)較低。PLC有較高的靈活性，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時，只要對I/O點(diǎn)的接線稍作修改，或?qū)/O重新分配，在控制程序中作簡單修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。經(jīng)過重新編制相應(yīng)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(jīng)過資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計(jì)算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的撰寫等各個環(huán)節(jié)，我對大學(xué)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(zhǔn)確。因此，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

致 謝

經(jīng)過一段時間的努力，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成。在這段時間里，我運(yùn)用大學(xué)所學(xué)知識，通過對本設(shè)計(jì)的論證、計(jì)算以及圖紙的繪制，對大學(xué)所學(xué)知識進(jìn)行了一次系統(tǒng)的整合，使自己的理論和實(shí)際動手能力有了很大提高。

此次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成，我得到了很多老師和同學(xué)的幫助和支持，在此向他們表示感謝。在此畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，尤其要感謝我的指導(dǎo)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(xué)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(xiàn)

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2．劉劍雄， 韓建華. 物流自動化搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)電系統(tǒng)研究. 機(jī)床與液壓. 2003， (1): 126~128

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11．王孫安， 杜海峰， 任華. 機(jī)械電子工程. 北京: 科學(xué)出版社，2003.

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(xiàng)目為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，通過項(xiàng)目驅(qū)動能力培養(yǎng)，同時為產(chǎn)品衍生項(xiàng)目。讓學(xué)生在工程實(shí)踐項(xiàng)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(shí)踐證明，項(xiàng)目驅(qū)動方式更容易激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

關(guān)鍵詞 ：創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)；實(shí)踐教學(xué)；項(xiàng)目驅(qū)動

中圖分類號：G644文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1673-260X（2015）08-0244-02

基金項(xiàng)目：福建省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目重點(diǎn)課題（No。 FJJKCGZ14-066）； 廈門市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2014年度立項(xiàng)重點(diǎn)課題（14003）

1 引言

作為一所親產(chǎn)業(yè)大學(xué)，我校一直注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，強(qiáng)化“關(guān)產(chǎn)業(yè)痛癢、應(yīng)產(chǎn)業(yè)所求、納產(chǎn)業(yè)精華、為產(chǎn)業(yè)服務(wù)”的親產(chǎn)業(yè)辦學(xué)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(dǎo)向，通過與先進(jìn)企業(yè)開展“互利雙贏”的校企合作，共建以實(shí)際工程為背景、以工程技術(shù)為主線的卓越工程師聯(lián)合培養(yǎng)體系，著力提高學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力。

特別是我校作為卓越工程師試點(diǎn)培養(yǎng)高校，堅(jiān)持以學(xué)生為本，知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的理念，緊密結(jié)合地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)際需要，秉承我校“知行合一 工學(xué)結(jié)合”人才培養(yǎng)模式，構(gòu)建以就業(yè)為導(dǎo)向的實(shí)踐性、創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系，為機(jī)械行業(yè)培養(yǎng)定位清晰、特色鮮明、創(chuàng)新素質(zhì)高、動手能力強(qiáng)、勤勞務(wù)實(shí)的高級專門人才。

2 學(xué)科競賽與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)有機(jī)結(jié)合的教學(xué)體系

建立了與地方業(yè)界共建多贏的長效機(jī)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(shè)指導(dǎo)委員會，每年還聘請企業(yè)技術(shù)、管理骨干來校兼課、指導(dǎo)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。如圖1所示項(xiàng)目驅(qū)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(xué)校現(xiàn)已形成三種校企合作模式：一是共建實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場所，如PLC控制實(shí)驗(yàn)室、全自動機(jī)械手研發(fā)實(shí)驗(yàn)室、數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)室等。二是項(xiàng)目帶動人才培養(yǎng)，如全液壓干冰成型機(jī)、威盛叉裝車工作裝置研制等，人才培養(yǎng)；三是共建校外實(shí)踐基地，如松霖科技、廈工機(jī)械、東風(fēng)汽車股份有限公司、冠捷科技有限公司、路達(dá)科技有限公司、林德叉車等一批知名企業(yè)，在實(shí)踐環(huán)境、工程項(xiàng)目和指導(dǎo)力量等方面，為學(xué)生開展實(shí)踐活動提供條件。

3 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐教育

為了把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育落到實(shí)處，在實(shí)踐教學(xué)中，為學(xué)生開辟設(shè)計(jì)型和綜合型的實(shí)驗(yàn)，在項(xiàng)目的帶動下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)；充分結(jié)合學(xué)科競賽，鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)并結(jié)合自己的研究方向和課題引入項(xiàng)目的內(nèi)容并將項(xiàng)目合理地分成若干教學(xué)模塊（子項(xiàng)目、任務(wù)），以“項(xiàng)目為主線、以完成任務(wù)為‘驅(qū)動’、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”，充分利用各種先進(jìn)的教學(xué)手段和方法，創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境，為學(xué)生提出由表及里、循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)途徑，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生在完成任務(wù)的同時掌握最新的、實(shí)用的專業(yè)知識并充分利用課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生連貫起來獲得實(shí)際工程項(xiàng)目的從分析、設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的完整過程的訓(xùn)練給學(xué)生提供參與科研項(xiàng)目的機(jī)會，劃分部分任務(wù)讓學(xué)生完成，使學(xué)生能夠理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生動手能力。如圖2所示。

讓學(xué)生參與各項(xiàng)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、無碳小車比賽、挑戰(zhàn)杯、方程式賽車等具體項(xiàng)目中來。它以學(xué)生主動性學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，要求學(xué)生當(dāng)主角、由學(xué)生通過實(shí)際動手操作、解決實(shí)際工程問題的實(shí)踐來學(xué)習(xí)優(yōu)化設(shè)計(jì)知識和技能。它給學(xué)生的主動性更大，使學(xué)生通過自身的經(jīng)歷了解優(yōu)化過程的行進(jìn)，在設(shè)計(jì)具體實(shí)例的過程中主動地去學(xué)習(xí)優(yōu)化知識，從而學(xué)會運(yùn)用優(yōu)化知識。鼓勵學(xué)生參加各種競賽如挑戰(zhàn)杯賽，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)大賽和機(jī)器人大賽等，強(qiáng)化、培養(yǎng)學(xué)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?qū)W生開放實(shí)驗(yàn)室，提供良好的實(shí)驗(yàn)條件，讓學(xué)生動手實(shí)踐，達(dá)到理論與實(shí)踐交融的教學(xué)目的。

4 效果與特色

學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，根據(jù)自己的興趣愛好制作小型產(chǎn)品。在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到了很大的提升，如圖3所示在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中設(shè)計(jì)的教學(xué)用箱式全息投影儀及自動伸縮桌子。特別是學(xué)生在參與實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，把所學(xué)的知識應(yīng)用到工程實(shí)踐中解決問題，跟著工程師和老師學(xué)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(xué)生在現(xiàn)場進(jìn)行工程實(shí)際項(xiàng)目的研發(fā)及產(chǎn)品的調(diào)試工作；同時從實(shí)踐工程中檢驗(yàn)自己所學(xué)的理論知識。學(xué)生發(fā)現(xiàn)在學(xué)校所學(xué)的理論知識要應(yīng)用到實(shí)踐問題中，有很大的差距，如何靈活應(yīng)用自己所學(xué)的專業(yè)理論知識來分析和解決實(shí)踐問題，那才是最關(guān)鍵的。在這些實(shí)踐過程中，同學(xué)們體會到了收獲了成功的喜悅和自信，進(jìn)一步激勵他們參與到實(shí)踐課題的研究中，這樣不斷的形成良性循環(huán)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)。畢業(yè)跟蹤調(diào)研發(fā)現(xiàn)：參與這類實(shí)踐項(xiàng)目的學(xué)生，在工作中實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力較強(qiáng)。所以很多用人單位提前主動聯(lián)系高校，預(yù)定創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力強(qiáng)的學(xué)生。圖所示是學(xué)生根據(jù)自己在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中的產(chǎn)品，申請授權(quán)了相應(yīng)的實(shí)用新型專利。

5 結(jié)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(jī)制，并把每個教學(xué)實(shí)踐過程落到實(shí)處，那學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力才得以激發(fā)和培養(yǎng)。讓學(xué)生主動帶著問題去學(xué)習(xí)，在解決問題的實(shí)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(xiàn)：

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篇6

【中圖分類號】G71 【文獻(xiàn)標(biāo)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(diǎn)的結(jié)構(gòu)體系。職業(yè)教育的線路從中學(xué)開始,延伸到終生教育。其職業(yè)性特色以及其規(guī)范性、嚴(yán)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(dāng)作自身經(jīng)濟(jì)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(zhì)來彌補(bǔ)。在操作上,按照德國職業(yè)教育法的規(guī)定,嚴(yán)格把住“就業(yè)者必須先接受正規(guī)的職業(yè)教育”這一關(guān),青年們不經(jīng)過正規(guī)職業(yè)培訓(xùn),不準(zhǔn)進(jìn)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(shù)的FH高級應(yīng)用型人才。自1998年始,上海―德國漢堡友好城市文化交流項(xiàng)目:上海漢堡國際工程學(xué)院的合作辦學(xué)項(xiàng)目招生。學(xué)生畢業(yè)時可獲得上海理工大學(xué)畢業(yè)文憑和附有德國教授簽名的成績單。由于項(xiàng)目已通過ASIIN(德國工程學(xué)科專業(yè)認(rèn)證機(jī)構(gòu))的認(rèn)證,合格畢業(yè)生不出國門即可獲得中、德雙學(xué)士學(xué)位。

目前,已有數(shù)屆畢業(yè)生進(jìn)入德資企業(yè),并成為企業(yè)的骨干。他們大都具有較強(qiáng)的德語交流能力、較強(qiáng)的工作適應(yīng)能力和一定的科研開發(fā)、技術(shù)應(yīng)用和組織管理能力,能從事引進(jìn)技術(shù)的消化吸收,新技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)等工作,并能直接運(yùn)用德語和德方工程技術(shù)人員進(jìn)行工作交流。還有相當(dāng)數(shù)量的畢業(yè)生選擇直接赴德國進(jìn)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(jié)合我國國情,其經(jīng)驗(yàn)有許多是可以借鑒的。上海理工大學(xué)中德學(xué)院在整個教學(xué)過程中采用FH高級工程應(yīng)用型人才教育模式。

1 動態(tài)調(diào)整課程的設(shè)置

中德工程學(xué)院的專業(yè)以工程科學(xué)為主體,注重學(xué)科交叉,同時賦予學(xué)生經(jīng)濟(jì)管理與信息技術(shù)等知識,以此培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科的專業(yè)能力。 在借鑒德國應(yīng)用科技大學(xué)應(yīng)用型工程教育成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,中德雙方專家按共同制訂的教學(xué)計(jì)劃聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生。通過對課程及教學(xué)計(jì)劃的不斷動態(tài)調(diào)整,使課程設(shè)置更加合理,適應(yīng)專業(yè)及技術(shù)的發(fā)展。每學(xué)期通過專家(包括德方的評估專家)與學(xué)生對課程的評價(jià)來決定每門課程的舍取。這樣能不斷淘汰不實(shí)用的或陳舊的教學(xué)內(nèi)容,充實(shí)實(shí)用、較先進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容與課程,例如我們在教學(xué)計(jì)劃中取消某些課程,或在減少一些課程的課時的基礎(chǔ)上,根據(jù)德方評估專家的意見增加了“現(xiàn)場總線與網(wǎng)絡(luò)”、“電磁兼容性”“項(xiàng)目設(shè)計(jì)”等課程;又如根據(jù)學(xué)生反映在第二學(xué)年的一學(xué)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(shè)計(jì)”課程,學(xué)生學(xué)習(xí)困難較大,就在第一學(xué)年的二學(xué)期增設(shè)了“電路1”“C語言實(shí)習(xí)”等中文課程,取得較好的教學(xué)效果。

2 強(qiáng)化外語教學(xué)

實(shí)行中德雙語教學(xué),為此目的,專門安排近1200學(xué)時的德語學(xué)習(xí),另外還安排300學(xué)時以上的英語教學(xué)。?中德工程學(xué)院的教學(xué)目標(biāo)是為中德兩國企業(yè)經(jīng)濟(jì)界培養(yǎng)應(yīng)用型國際化人才。學(xué)生通過四年本科學(xué)習(xí),必須能用德語和英語進(jìn)行跨國交流,在本專業(yè)領(lǐng)域具有一定專門知識,并基本通曉國際行業(yè)及其它相關(guān)領(lǐng)域的規(guī)則。

重視德語與英語教學(xué),新生入學(xué)第一學(xué)年中,第一學(xué)年主要強(qiáng)化德語學(xué)習(xí),德語授課為20人左右的小班,全學(xué)年有1080學(xué)時(周學(xué)時28)德語強(qiáng)化學(xué)習(xí),師資由中德雙方提供。在后續(xù)教學(xué)中,德方教授以德語講授約三分之一的專業(yè)基礎(chǔ)課程及專業(yè)技術(shù)課程。此外,大一、大二暑期擇優(yōu)選取約60%的學(xué)生赴德國進(jìn)行語言培訓(xùn)。

經(jīng)過一年的德國語言強(qiáng)化訓(xùn)練每班均有95%的同學(xué)能一次通過德國歌德學(xué)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(jìn)行交流。中德合作教育對英語教學(xué)也十分重視,從第二學(xué)年開始,每學(xué)期均開設(shè)英語課。

3 重視實(shí)踐與計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)

在教學(xué)計(jì)劃中,特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中的實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。德方教授十分重視理論聯(lián)系實(shí)際,理論教學(xué)的內(nèi)容并不深,但與實(shí)踐緊密聯(lián)系。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中刻意模擬企業(yè)的實(shí)際工作現(xiàn)場及實(shí)際應(yīng)用。同時每門課程均引入了計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)或計(jì)算機(jī)仿真。在第四學(xué)年開設(shè)“綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)”課程,并推薦所有的學(xué)生到德資企業(yè)實(shí)習(xí),有相當(dāng)部分的學(xué)生實(shí)習(xí)后繼續(xù)留在實(shí)習(xí)單位進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)。而絕大部分同學(xué)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)后留在該企業(yè)工作,這時學(xué)生對該企業(yè)的工作崗位已經(jīng)相對熟悉了。

學(xué)生的畢業(yè)論文題目大多來自生產(chǎn)實(shí)踐第一線,少數(shù)在校內(nèi)完成的課題也為學(xué)生提供了較好的實(shí)踐環(huán)境,以04屆畢業(yè)生為例,學(xué)院為學(xué)生配備了價(jià)值近十萬的計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場總線等設(shè)備。組合各專業(yè)的學(xué)生,進(jìn)行專業(yè)分工分別完成傳輸帶、機(jī)械手設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)編程與控制等任務(wù)。最后,學(xué)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(jìn)優(yōu)勝劣汰的競爭機(jī)制

中德合作培養(yǎng)的學(xué)生要求在第一學(xué)年結(jié)束后參加德語言能力考試(包括口試、筆試),不及格的學(xué)生允許再補(bǔ)考一次,若補(bǔ)考不及格將不能授予德國學(xué)位。同樣一門課程三次補(bǔ)考不及格,也不能授予德國學(xué)位,并允許不能授予德國學(xué)位的學(xué)生轉(zhuǎn)讀普通班(非中德合作班)。另外,每年都有一定比例優(yōu)秀學(xué)生經(jīng)德方面試赴德國的知名企業(yè)實(shí)習(xí)。學(xué)校和一些德企還給予優(yōu)秀學(xué)生獎學(xué)金和助學(xué)金。

其他的一些措施還有為每門外教課程配備中方助教;學(xué)生實(shí)習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(jì)由企業(yè)工程師、德方教授和中方老師共同指導(dǎo)、監(jiān)督。每年選派中方教師赴德進(jìn)修或合作開發(fā)項(xiàng)目,加強(qiáng)校企聯(lián)系,聘請?jiān)谌A德資企業(yè)的專家用德語作技術(shù)講座等等。

此外學(xué)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(xué)課程是學(xué)生在大學(xué)階段接觸到的第一門與工程實(shí)際相結(jié)合的課程，其工程實(shí)踐性強(qiáng)，是工科機(jī)械類學(xué)生進(jìn)行后續(xù)課學(xué)習(xí)及從事設(shè)計(jì)工作所需知識的必備課程。力學(xué)經(jīng)過100多年的積累與沉淀形成了比較經(jīng)典的理論體系，但工程實(shí)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(jì)算力學(xué)的發(fā)展、計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)學(xué)的發(fā)展，在工程設(shè)計(jì)中，一些新的設(shè)計(jì)方法日趨完善與經(jīng)典力學(xué)相互應(yīng)證，在現(xiàn)代復(fù)雜工程設(shè)計(jì)中充當(dāng)了重要的角色。材料科學(xué)日新月異的飛速發(fā)展，使新興材料的力學(xué)性能與傳統(tǒng)材料產(chǎn)生了很大的差別。這些相關(guān)學(xué)科的發(fā)展都極大的推進(jìn)了力學(xué)的發(fā)展，如何在非力學(xué)專業(yè)的機(jī)械類學(xué)生中進(jìn)行力學(xué)課程的教學(xué)，在發(fā)展的時代面前面臨新的問題。

我校是以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，課程組就基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)與工程應(yīng)用及工科大學(xué)生素質(zhì)能力培養(yǎng)體系展開研究，圍繞學(xué)校辦學(xué)特色，結(jié)合機(jī)械工程、車輛工程、材料工程專業(yè)特點(diǎn)，在基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)中提出“課程體系貫通化、求解問題工程化、工程構(gòu)件模型化、教學(xué)手段多樣化、經(jīng)典力學(xué)柔性化、反映學(xué)科現(xiàn)代化”的建設(shè)目標(biāo)，并實(shí)施了改革實(shí)踐，突出培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力、抽象簡化能力、初步的科學(xué)研究能力和綜合的工程素質(zhì)。

一、課程體系貫通化

（一）調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)力學(xué)課程體系與其它課程貫通

我校機(jī)械類工科專業(yè)在力學(xué)課后會開出機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、汽車?yán)碚摗⑵囋O(shè)計(jì)等專業(yè)課，這些課程用到大量的力學(xué)知識，而以學(xué)科劃分的課程不能反映出學(xué)科間的相互聯(lián)系與變化，造成課程體系僵化、課程內(nèi)容重復(fù)、課程信息陳舊等問題。通過調(diào)研基礎(chǔ)力學(xué)先修課和后續(xù)課的教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)打破原課程體系的嚴(yán)格界限，建立貫通化課程體系，對基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)組合和優(yōu)化。對于同一類教學(xué)內(nèi)容或采用合并或在力學(xué)教學(xué)中只簡單復(fù)習(xí)不再深入討論。重點(diǎn)與后續(xù)專業(yè)課的某些知識點(diǎn)建立聯(lián)系，將后續(xù)課程的研究對象引入力學(xué)課堂，這樣，學(xué)生在后期的學(xué)習(xí)中其所用的理論分析體系已經(jīng)熟悉，專業(yè)課的再次提及既可強(qiáng)化簡力學(xué)應(yīng)用，又可減少理論分析時間，為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課夯實(shí)力學(xué)基礎(chǔ)。

（二）確立“三年力學(xué)學(xué)習(xí)不斷線”滲透式的教學(xué)體系

大學(xué)二年級通過兩門基礎(chǔ)力學(xué)課程學(xué)習(xí)力學(xué)基本理論和方法，融入力學(xué)競賽與力學(xué)小課題。大學(xué)三年級在有限元法基礎(chǔ)與應(yīng)用課程中進(jìn)一步深入力學(xué)模型的概念，結(jié)合工程實(shí)例介紹力學(xué)模型構(gòu)建的思路，并通過典型的力學(xué)模型的理論解與仿真結(jié)果對比，提高學(xué)生的仿真和力學(xué)應(yīng)用分析能力。同時成立CAE課外興趣小組，對學(xué)生實(shí)行個性化培養(yǎng)。大學(xué)四年級將力學(xué)課題滲透到課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)課題中，進(jìn)一步強(qiáng)化力學(xué)在工程實(shí)際中的應(yīng)用。

二、求解問題工程化

力學(xué)問題來源于實(shí)踐，回歸于實(shí)踐。將力學(xué)理論緊密結(jié)合實(shí)際問題是其立足之本。

（一）深入實(shí)際進(jìn)行調(diào)研

通過往屆畢業(yè)生的“基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)與工科大學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)研究”調(diào)研表，了解畢業(yè)生從事的工作中運(yùn)用力學(xué)知識的重要程度、應(yīng)用的重點(diǎn)內(nèi)容、應(yīng)用中理論的充足性以及畢業(yè)生對基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的建議，收集他們在工作中應(yīng)用力學(xué)知識解決實(shí)際問題的實(shí)例。通過分析總結(jié)課程組進(jìn)一步增強(qiáng)了基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)改革及培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的信心。同時對奇瑞汽車公司、東風(fēng)有限商用車技術(shù)中心CAE室等單位進(jìn)行了調(diào)研，了解汽車生產(chǎn)中較為集中的力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容及設(shè)計(jì)部門對基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)的建議，了解CAE室最新發(fā)展?fàn)顩r，收集生產(chǎn)部門的具體力學(xué)實(shí)例，掌握力學(xué)在生產(chǎn)實(shí)際與前沿研究中的應(yīng)用，積累了大量的工程素材。

（二）建立工程實(shí)例素材的共享庫

通過教師的教學(xué)實(shí)踐和科研成果的資料收集，整理出上百個與機(jī)械和汽車相關(guān)的工程實(shí)際問題及其力學(xué)模型，包含生活領(lǐng)域及自然界中與力學(xué)問題有關(guān)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(xué)，為每一章新內(nèi)容的引入與理論應(yīng)用提供了良好的工程平臺，由于學(xué)生學(xué)習(xí)目的明確，易于接受，使較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧W(xué)課堂教學(xué)吸引力有了極大提升。同時，該工程實(shí)例庫面對全體課程組教師實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享，不同的經(jīng)驗(yàn)可以相互借鑒，為教師整體教學(xué)水平的提高和團(tuán)隊(duì)以老帶新打下良好基礎(chǔ)。

（三）根據(jù)自身特點(diǎn)，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(chǔ)上，編寫工程針對性強(qiáng)的習(xí)題冊。一些習(xí)題來源于工程實(shí)際設(shè)計(jì)課題，涉及車輛部件、機(jī)床結(jié)構(gòu)、機(jī)械手、加工工裝及工藝等。習(xí)題冊內(nèi)同時增加一部分有一定深度題目，也涉及實(shí)驗(yàn)測設(shè)方法與理論分析相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方案確定問題，強(qiáng)化實(shí)際應(yīng)用，拓展學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的研究能力。

三、工程構(gòu)件模型化

力學(xué)建模是聯(lián)結(jié)力學(xué)與工程應(yīng)用最為重要的紐帶，其重要性毋庸置疑。基于這點(diǎn)共識，工科高校也紛紛開設(shè)力學(xué)建模的講座或課程。因此，課程組在課程中為力學(xué)建模設(shè)置單獨(dú)教學(xué)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(shí)例進(jìn)行分析。同時，本課程組提出“力學(xué)建模貫穿式”教學(xué)，該模式符合“三年力學(xué)學(xué)習(xí)不斷線”的教學(xué)體系。即在基礎(chǔ)力學(xué)學(xué)習(xí)中，采用概念實(shí)例力學(xué)模型的教學(xué)模式展開，力學(xué)模型描述的內(nèi)容含有構(gòu)件的幾何、材料、受力和約束模型。而工程結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的參數(shù)估計(jì)和模型的檢驗(yàn)在后續(xù)有限元法課程中將涉獵。

四、教學(xué)手段多樣化

針對教學(xué)手段以“處方式”為主、學(xué)生“按方取藥”，建立了“課內(nèi)與課外相結(jié)合、多媒體與板書相結(jié)合、理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合”的教學(xué)模式。

（一）課內(nèi)與課外相結(jié)合

課內(nèi)教學(xué)堅(jiān)持以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的原則，在教學(xué)手段方面形成了基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)特色，即基于基礎(chǔ)原理傳授式教學(xué)、基于工程背景啟發(fā)式教學(xué)、基于力學(xué)專題研究型教學(xué)、基于思考題討論式教學(xué)。在夯實(shí)第一課堂的基礎(chǔ)上，大力拓展第二課堂，鼓勵學(xué)生不滿足書本上的知識，積極進(jìn)行課外研究。1）建成基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺。開發(fā)了一套具有不同教師個性化的、能反映教學(xué)過程管理和監(jiān)控的網(wǎng)上輔助教學(xué)系統(tǒng)。該教學(xué)平臺包括隸屬于每位教師的教學(xué)資料、教學(xué)管理信息，以及課程公共的資料信息，能夠構(gòu)建基礎(chǔ)力學(xué)課程的課后學(xué)習(xí)及教師日常教學(xué)管理等環(huán)境。考慮到力學(xué)系列課程的建設(shè)，網(wǎng)站除了開辟了理論力學(xué)，材料力學(xué)課程外，還增設(shè)了流體力學(xué)和有限元法基礎(chǔ)等課程。課程網(wǎng)站建設(shè)的除包括基本的課程簡介、教學(xué)大綱、授課教案、網(wǎng)絡(luò)課件、教學(xué)錄像、力學(xué)實(shí)驗(yàn)外，還包含力學(xué)論文、力學(xué)自測題、趣味力學(xué)、力學(xué)小課題和力學(xué)名人新穎的內(nèi)容。為學(xué)生課外復(fù)習(xí)課堂內(nèi)容，學(xué)習(xí)課程相關(guān)知識提供了便利的條件。2） 開展力學(xué)競賽。為提高工科學(xué)生力學(xué)知識水平及應(yīng)用能力，鞏固所學(xué)的基礎(chǔ)知識、活躍思維和激發(fā)鉆研力學(xué)問題的熱情，課題組每年舉辦力學(xué)競賽。競賽增進(jìn)了學(xué)生對力學(xué)學(xué)習(xí)和研究的興趣，促進(jìn)了基礎(chǔ)力學(xué)的教學(xué)改革。3）考研單獨(dú)輔導(dǎo)。基礎(chǔ)力學(xué)兩門課程是工科類學(xué)生考研的專業(yè)課，分值高達(dá)150分。課題組教師收集了各個學(xué)校的考研試題，分析總結(jié)了試題的知識點(diǎn)、分值分布和解題方法，對需要的學(xué)生進(jìn)行單獨(dú)輔導(dǎo)。4）開展力學(xué)小課題的活動。充分考慮學(xué)生個體化差異，實(shí)現(xiàn)常規(guī)教學(xué)與個性培養(yǎng)相結(jié)合、課內(nèi)和課外相結(jié)合的教學(xué)模式，著力培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力。力學(xué)小課題融新穎、靈活、趣味于一體，理論聯(lián)系實(shí)際、包括討論題、設(shè)計(jì)題、利用計(jì)算機(jī)求解的問題等。

（二）多媒體與板書相結(jié)合

課程教學(xué)中，采用傳統(tǒng)的黑板教學(xué)和現(xiàn)代多媒體技術(shù)相結(jié)合，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真動畫技術(shù)，直觀揭示構(gòu)件各種變形下的應(yīng)力分布規(guī)律、變形特點(diǎn)等；通過啟發(fā)式教學(xué)，揭示知識發(fā)生過程。例如，在講解應(yīng)力集中問題時，由于缺乏相應(yīng)的配套實(shí)驗(yàn)，學(xué)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(yīng)力分布圖，同時還可以引導(dǎo)學(xué)生分析孔的大小、形狀及位置與應(yīng)力集中的關(guān)系，如圖1。對于某些強(qiáng)調(diào)學(xué)生思考的問題，可以在黑板上逐步進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生給出求解思路和方法，這樣的方式互動性強(qiáng)，促進(jìn)學(xué)生主動思考。

（三）理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

除開出教學(xué)基本要求的實(shí)驗(yàn)外，實(shí)驗(yàn)室實(shí)行分期全天開放，為學(xué)生提供可選做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可也利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，自行驗(yàn)證理論、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教師開發(fā)出新的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容注重工程背景、追求真刀真槍、突出學(xué)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(jì)算、電測試驗(yàn)和仿真模擬，研究結(jié)構(gòu)在變形時的力學(xué)性能和特點(diǎn)。在理論層次、實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)層次方面對學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用和研究能力都有一個大的提升。

五、經(jīng)典力學(xué)柔性化

專業(yè)基礎(chǔ)課要“厚”，不僅體現(xiàn)在課程本身的教學(xué)內(nèi)容上，還涉及科研精神的培養(yǎng)與教學(xué)中體現(xiàn)的人文精神。

（一）實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)力學(xué)課程的模塊化教學(xué)，由1+1變?yōu)?+2。嘗試多學(xué)時力學(xué)課程分模塊化教學(xué)

使學(xué)生分階段重點(diǎn)掌握知識內(nèi)容，易于學(xué)習(xí)消化，易于監(jiān)督檢查，在一定程度上防止了學(xué)生前期懶散最終一次性復(fù)習(xí)的不良習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生持之以恒進(jìn)行科學(xué)研究的工程素質(zhì)。經(jīng)過三輪教學(xué)實(shí)踐，考試成績分析及試卷分析報(bào)告說明：實(shí)施模塊化教學(xué)能更加全面的考察學(xué)生對課程的掌握情況，學(xué)生前期內(nèi)容明顯掌握扎實(shí)，避免了大學(xué)分課程一次性考試剛度過大的問題，同時幫助學(xué)生逐步養(yǎng)成腳踏實(shí)地、堅(jiān)持不懈的優(yōu)良學(xué)習(xí)習(xí)慣，逐步建立做人做事上不要投機(jī)取巧的思維模式。

（二）在經(jīng)典力學(xué)教學(xué)體系中引入人文教育

力學(xué)課程內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯性強(qiáng)、推到繁雜，學(xué)生學(xué)習(xí)有一定的難度。在授課中適當(dāng)介紹本學(xué)科相關(guān)歷史和發(fā)展進(jìn)程及關(guān)鍵人物。如，講胡克定律時介紹中國古代鄭玄的貢獻(xiàn)；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(rèn)識；講梁彎曲時介紹圣維南的貢獻(xiàn)等。學(xué)生在學(xué)習(xí)力學(xué)知識的同時，對其發(fā)展過程有初步的了解，認(rèn)識前人在學(xué)科發(fā)展中探索研究的艱苦歷程和學(xué)科發(fā)展史與人類文明史之間的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探索鉆研精神。

六、反映學(xué)科現(xiàn)代化

筆者認(rèn)為將課程的前沿內(nèi)容引入到教學(xué)中是對教師能力的一個極大挑戰(zhàn)。現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展迅猛，一些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在碰到復(fù)雜大型設(shè)計(jì)問題上會顯得繁雜而無力，在力學(xué)學(xué)科中新的技術(shù)、理論及應(yīng)用也在不斷涌現(xiàn)，其理論新、涉及面廣、實(shí)用性強(qiáng)。將這些先進(jìn)的方法融入教學(xué)對開拓學(xué)生視野無疑具有積極的作用。課程組教師結(jié)合自身科研對一些現(xiàn)代先進(jìn)的科技成果和學(xué)科的發(fā)展動態(tài)適當(dāng)?shù)脑黾樱纾寒?dāng)代力學(xué)計(jì)算手段有什么，可以應(yīng)用到什么方面的設(shè)計(jì)，引入優(yōu)化、非線性、有限元分析技術(shù)介紹等。在專項(xiàng)內(nèi)容方面，講授上除經(jīng)典理論外，將最新研究成果進(jìn)行介紹，使學(xué)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(nèi)容時，將疲勞的新、舊理論進(jìn)行介紹，闡明單軸與多軸疲勞應(yīng)力分析之間的區(qū)別與聯(lián)系，對其應(yīng)用背景進(jìn)行闡述。在材料力學(xué)性能講授時，對新興各向異性復(fù)合材料的性能與各向同性經(jīng)典材料進(jìn)行對比等。

通過“六化”建設(shè)目標(biāo)的提出和實(shí)施，課程組力爭全方位構(gòu)建培養(yǎng)高素質(zhì)人才的工科力學(xué)教學(xué)體系。該體系集基礎(chǔ)性、層次性、系統(tǒng)性為一體，具有“立足培養(yǎng)目標(biāo)、突出工程背景、張顯與時俱進(jìn)、強(qiáng)化綜合交叉、體現(xiàn)學(xué)科成果”五個特點(diǎn)，為理論與實(shí)踐相結(jié)合的工程素質(zhì)教育培養(yǎng)探索出一條有益的道路。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李樂山.高等學(xué)校進(jìn)行研究型教學(xué)的方法和意義[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,(28).

篇8

1.1.1 課題研究背景

本課題屬于設(shè)計(jì)性課題。21世紀(jì)人類已進(jìn)入信息社會，汽車及交通也已邁入信息時代。當(dāng)前信息技術(shù)在汽車及交通領(lǐng)域中的應(yīng)用項(xiàng)目相當(dāng)多，發(fā)展速度可以說是“日新月異”,各種媒體多有報(bào)道。

可大致歸納為4個方面，即車輛安全系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)、通訊及導(dǎo)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(yīng)用電子信息技術(shù)，使車輛實(shí)現(xiàn)高智能化，極大地改善車輛人機(jī)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(jī)的結(jié)合起來，完成汽車倒車報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠了解單片機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀，而且通過對電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)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(shè)計(jì)思路以及思想，并通過對汽車倒車超聲波報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)的過程，鍛煉應(yīng)用C以及相關(guān)匯編語言等軟件設(shè)計(jì)電路程序的能力為以后參與實(shí)際工作奠定良好的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

本課題要求使用現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛的計(jì)算機(jī)軟件PROTEL，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛， Protel是人們熟悉的常用EDA軟件。作為電路設(shè)計(jì)自動化（EDA）的一種工具，Protel應(yīng)用于電路原理圖設(shè)計(jì)、電路板設(shè)計(jì)等，它基于Windows環(huán)境，功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，能讓人們在具有最完整的功能環(huán)境下，提升設(shè)計(jì)上的品質(zhì)和效率。本課題將要求Protel在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，包括電路原理圖設(shè)計(jì)和印刷電路板設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)過程中遇到的問題和解決方法。這樣使學(xué)生也能將所學(xué)與所用有機(jī)結(jié)合起來，在步入工作崗位之前得到全方位的工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

通過對汽車倒車報(bào)警電路的設(shè)計(jì)能初步具有用PROTEL軟件設(shè)計(jì)電路原理圖以及電路版圖的能力。與實(shí)際電路相結(jié)合，通過理論聯(lián)系實(shí)際的方法，使所學(xué)的知識通過自己設(shè)計(jì)思考真正應(yīng)用到實(shí)踐中。

微波探測技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域里的廣泛使用，使得通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)所學(xué)到的此方面的知識將會有很強(qiáng)的實(shí)用性。本設(shè)計(jì)要求對汽車倒車超聲波報(bào)警器進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，可以通過完成本次設(shè)計(jì)，練習(xí)PROTEL軟件的使用，增加硬件設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。

隨著社會進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)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?yán)щy。許多非職業(yè)汽車駕駛員更是希望能有一種汽車倒車報(bào)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(nèi)發(fā)出不同的報(bào)警信號，以提高汽車倒車時的安全性。

汽車倒車超聲波報(bào)警器設(shè)計(jì)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(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了微波雷達(dá)測距、激光測距及超聲波測距。前2種方法由于技術(shù)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(shù)難度相對較低，且成本低廉，適于民用推廣。這項(xiàng)技術(shù)也可用于工業(yè)測量領(lǐng)域。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)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(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著自動測量和微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲波測距的理論已經(jīng)成熟，超聲波測距的應(yīng)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(xué)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(yīng)能力。因此在液位測量、機(jī)械手控制、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)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(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)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(nèi)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(jīng)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?dāng)_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(jié)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(nèi)容

論文將介紹超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案選擇與硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試。全文共分為五章，本章介紹了超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案，并對每個模塊進(jìn)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；第五章介紹了系統(tǒng)的調(diào)試過程和調(diào)試結(jié)果，最后總結(jié)了整個設(shè)計(jì)中有待改進(jìn)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(gòu)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(jī)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)榉瓷湫盘枺欢菍⒔邮仗筋^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(shè)計(jì)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(kuò)散角為60度。同時，采用單片機(jī)作 為主控制器，用動態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)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(jī)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(jī)內(nèi)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時；經(jīng)過延遲后開啟超聲波接收電路，當(dāng)接收電路收到經(jīng)障礙物反射的回波后，計(jì)數(shù)器計(jì)時結(jié)束。通過單片機(jī)計(jì)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(bào)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(jī)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(qiáng)。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。

本設(shè)計(jì)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(biāo)的距離。本設(shè)計(jì)采用的超聲波傳感器往返距離為15m，在有灰塵、煙霧、強(qiáng)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(yīng)用要求復(fù)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(jì)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(jì)時。超聲波在空氣中的傳播速度為C，而根據(jù)計(jì)時器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時間差 就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)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(jì)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(jī)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(guān)，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(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

表2-1  聲速與溫度關(guān)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(jī)理。本設(shè)計(jì)認(rèn)為在實(shí)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(rèn)為是不變的常數(shù)。

另一種補(bǔ)償方法就是用查表法，查上面溫度與聲速的對應(yīng)表，再適當(dāng)插值補(bǔ)償。這種方法精確度較高。在這里考慮到設(shè)計(jì)上的簡易性，沒有進(jìn)行補(bǔ)償，能達(dá)到簡單應(yīng)用的基本要求。

該系統(tǒng)的工作原理：由微機(jī)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(jīng)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(jī)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(jī)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(dá)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(shè)計(jì)上都非常容易實(shí)現(xiàn)。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時間，這個時間就是渡越時間。

本設(shè)計(jì)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(yīng)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(jì)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(shù)

測量過程是由單片機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)接收不到超聲波回波信號，則到40 ms時重復(fù)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(jìn)入檢測狀態(tài)，則勢必浪費(fèi)時間，因?yàn)榇讼到y(tǒng)有最小測量距離，當(dāng)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(shè)計(jì)中計(jì)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(zhuǎn)換成電脈沖；

•控制超聲波的傳播方向和能量集中的程度，當(dāng)改變探頭入射角或改變超聲波的擴(kuò)散角時，可使聲波的主要能量按不同的角度射入介質(zhì)內(nèi)部或改變聲波的指向性，提高分辨率；

•實(shí)現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換；

•控制工作頻率，適用于不同的工作條件。

2.3 小結(jié)

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(jìn)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(chǔ)、設(shè)計(jì)計(jì)算的主要方法和內(nèi)容

第三章 汽車倒車超聲波報(bào)警器設(shè)計(jì)方案比較與選擇

3.1 汽車倒車超聲波報(bào)警器的總體方案設(shè)計(jì)

3.1.1 方案的擬定條件

本設(shè)計(jì)首先要根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書中的要求（最大測距6m，最小測距0.20m，顯示分辨率0.02m，實(shí)時數(shù)字顯示測得的距離；在不同的距離范圍內(nèi)發(fā)出不同的聲光報(bào)警信號；駕駛員可根據(jù)個人需要調(diào)整設(shè)置報(bào)警距離．本報(bào)警器與其它報(bào)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(diǎn)）來進(jìn)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(qū)動電壓、功率是多少才能達(dá)到設(shè)計(jì)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(yīng)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(shè)計(jì)才能順利展開。

3.1.2 模型的建立

汽車倒車?yán)走_(dá)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(nèi)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(jī)測出從發(fā)射到接收到回波的時間，計(jì)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(guān)，但汽車倒車?yán)走_(dá)在實(shí)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(rèn)為是不變的常數(shù)。

測距系統(tǒng)模型應(yīng)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(jī)是本檢測系統(tǒng)的核心，它完成系統(tǒng)的功能設(shè)定、測量對象選擇、信號處理存儲、驅(qū)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(guān)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(jià)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(jī)存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離，是一個強(qiáng)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(jì)算速度。

•燒寫壽命更長：89S5*標(biāo)稱的1000次，實(shí)際最少是1000次～10000次，這樣更有利初學(xué)者反復(fù)燒寫，減低學(xué)習(xí)成本。綜合上面的一些區(qū)別，個人認(rèn)為89C51的停止使用只是時間問題而已，就象當(dāng)年的8031。

•內(nèi)部集成看門狗計(jì)時器，不再需要像89C51那樣外接看門狗計(jì)時器單元電路。

•雙數(shù)據(jù)指示器。

•電源關(guān)閉標(biāo)識及電源范圍：89S5*電源范圍寬達(dá)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)椴豢赡埽绦虻谋Ｃ苄源蟠蠹訌?qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)不被侵犯。

•兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列產(chǎn)品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容產(chǎn)品。也就是說所有教科書、網(wǎng)絡(luò)教程上的程序（不論教科書上采用的單片機(jī)是8051還是89C51還是MCS-51等等），在89S51上一樣可以照常運(yùn)行，這就是所謂的向下兼容。

此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)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(fù)位。

比較結(jié)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(shí)際應(yīng)用市場方面技術(shù)的進(jìn)步是永遠(yuǎn)向前的。

3.2.2 顯示模塊器件的選擇

在單片機(jī)小系統(tǒng)中，顯示模塊可以反映系統(tǒng)工作和運(yùn)行結(jié)果，在系統(tǒng)中占有相當(dāng)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(shè)計(jì)簡單、價(jià)格便宜，缺點(diǎn)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(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于以單片機(jī)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(shè)計(jì)顯示部分采用簡單的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼驅(qū)動用74LS245集成電路，位碼用S8550（也可用9012）三極管驅(qū)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(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)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(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)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(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。

    以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)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(xí)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(jié)構(gòu)，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(gòu)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(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：

•工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)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(diǎn)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(dú)的制冷設(shè)備。

•靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)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(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)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(shè)計(jì)就選用壓電式超聲波發(fā)生器，壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)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(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)

超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志（一般器件上有標(biāo)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(jié)構(gòu)如圖3-3所示。

 

圖3-3  超聲波換能器外部結(jié)構(gòu)

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(dǎo)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(jié)

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(diǎn)，提出了超聲波測距設(shè)計(jì)的總體方案，對各功能模塊的方案進(jìn)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(shè)計(jì)所需的器件。

第四章 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)工具平臺簡介

電路及PCB設(shè)計(jì)是EDA技術(shù)中的一個重要內(nèi)容，而EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域的一門新技術(shù)，它提供了基于計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。Protel是其中比較杰出的一個軟件，在國內(nèi)流行最早、應(yīng)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(shè)計(jì)軟件平臺。該平臺運(yùn)行與Windows XP/2000操作系統(tǒng)。Protel DXP不僅繼承了Protel系列產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是將所有設(shè)計(jì)工具集成于設(shè)計(jì)系統(tǒng)一身。通過把設(shè)計(jì)輸入仿真、PCB繪制仿真、拓?fù)渥詣硬季€、信號完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，為用戶提供了全程的設(shè)計(jì)解決方案，使用戶可以輕松的進(jìn)行各種復(fù)雜的電路板設(shè)計(jì)。

使用Protel DXP設(shè)計(jì)印刷電路板的第一步就是要設(shè)計(jì)電路原理圖，只有正確設(shè)計(jì)電路原理圖，生成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)表之后才能生成PCB文件。在設(shè)計(jì)時，先分析系統(tǒng)，在進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，將各部分電路分別設(shè)計(jì)，得到個模塊電路，在通過融合，實(shí)現(xiàn)整體電路的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)電路圖，這樣在設(shè)計(jì)過程中思維比較清晰，設(shè)計(jì)過程比較簡單，而且更容易檢查錯誤。原理圖的設(shè)計(jì)相對簡單，在設(shè)計(jì)完成后要先通過編譯無誤后才生成網(wǎng)絡(luò)表，原理圖常見錯誤有：

•管腳沒有接入信號；

•放置導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)表只能部分調(diào)入PCB：生成netlist時沒有選擇為global；

在設(shè)計(jì)好原理圖，通過編譯檢查，生成了網(wǎng)絡(luò)表之后的工作就是繪制PCB板圖了。在導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)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(shù)手冊封裝所需元件了。在封裝PCB元件是應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

•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(shí)際尺寸稍微大些，貼片元件的引腳封裝應(yīng)在條件允許的范圍內(nèi)盡量加寬、加長，這樣才有利于焊接。

完成以上幾步后，將網(wǎng)絡(luò)表導(dǎo)入到PCB文件中，生成PCB板圖。在導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)表成功導(dǎo)入PCB文件之后對器件進(jìn)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(jìn)行手工調(diào)整。良好的布局可以降低PCB布線的難度。布局應(yīng)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(jìn)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(shè)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(yīng)盡量遠(yuǎn)離。

②某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)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(yīng)盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。

③重量超過15g的元器件、應(yīng)當(dāng)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(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問題，熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。

④對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在印制板上方便于調(diào)節(jié)的地方；若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。

⑤應(yīng)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(jìn)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(jìn)行布局。元器件應(yīng)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(yīng)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(chǎn)。

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(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)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(jié)果不盡如人意，這是因?yàn)樽詣硬季€的功能主要是實(shí)現(xiàn)電氣網(wǎng)絡(luò)之間的連接。在自動布線的實(shí)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(jìn)行調(diào)整，使電路板既能實(shí)現(xiàn)正確的電氣連接，又能滿足用戶的設(shè)計(jì)要求。手工調(diào)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(yīng)注意的問題有：

•輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)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(guān)系是：地線＞電源線＞信號線，通常信號線寬為：0.2～0.3mm,最經(jīng)細(xì)寬度可達(dá)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(dǎo)線組成一個回路, 即構(gòu)成一個地網(wǎng)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(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

•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(chǎn)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(yīng)，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(shè)計(jì)

51系列單片機(jī)中典型芯片(如AT89S51) 采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2個16b的定時/計(jì)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(jī)片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲器( PROM )，使其在實(shí)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(jī)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(shè)計(jì)進(jìn)行更清楚的敘述，對其引腳標(biāo)了號。

51系列單片機(jī)提供以下功能: 4kB存儲器；256BRAM；32條I/O 線；2個16b定時/計(jì)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(jì)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(nèi)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(fù)位。

51系列單片機(jī)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(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)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(shè)計(jì)

超聲波發(fā)射電路原理圖如圖4-2所示。

設(shè)計(jì)原理：發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器T構(gòu)成，AT89S51單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)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(qiáng)度。

輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)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(qū)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(shí)驗(yàn)制作和電路改進(jìn)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(jié)果反而不好，其實(shí)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(shè)計(jì)

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(nèi)。超聲接收換能器UCM-40R接收到的信號經(jīng)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(yīng)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(dāng)其容量減小時，瞬態(tài)響應(yīng)，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(diào)整，本設(shè)計(jì)R15定為200K。用金屬膜電阻調(diào)試，若其阻值偏差過大，中心頻率也將相對偏移。所以當(dāng)信號經(jīng)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(fù)載電阻，104pF電容C11為電源濾波元件，當(dāng)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(shè)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(shè)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(diào)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(bào)警電路的設(shè)計(jì)

蜂鳴報(bào)警電路是采用揚(yáng)聲器來對所設(shè)置的報(bào)警距離實(shí)施報(bào)警，以向駕駛員提出警示。

本系統(tǒng)可以設(shè)定距離值，當(dāng)大于或小于設(shè)定值時將發(fā)出控制信號。當(dāng)小于設(shè)定值時，進(jìn)入蜂鳴報(bào)警狀態(tài)，通過一個NPN晶體管來驅(qū)動蜂鳴器，不需要復(fù)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(bào)警電路如圖4-4所示。

 

圖4-4  超聲波蜂鳴報(bào)警電路

4.2.4 超聲波系統(tǒng)鍵盤電路的設(shè)計(jì)

鍵盤電路是用來對最大測距、最小測距以及有關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

鍵盤輸入：開啟值30-1000厘米，關(guān)閉值30-1000厘米（在該范圍內(nèi)任意設(shè)置）。本系統(tǒng)由一個按鍵 啟動/停止系統(tǒng)，由三個按鍵設(shè)定距離值： 的作用是進(jìn)入和退出設(shè)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(shè)計(jì)

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(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電平信號，通過整形把檢波后得到的不標(biāo)準(zhǔn)的脈沖波整形為標(biāo)準(zhǔn)脈沖波。

信號整形電路：當(dāng)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(jīng)過此部分電路處理過后再送進(jìn)單片機(jī)中進(jìn)行處理運(yùn)算。

因?yàn)槎嘀C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(dāng)調(diào)整，可以有效地濾除由于外界干擾帶來的非超聲波信號進(jìn)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(fù)位電路設(shè)計(jì)

（1）復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

在振蕩器運(yùn)行時，有兩個機(jī)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(jī)復(fù)位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后P0－P3口均置1引腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為ROM的00H處開始運(yùn)行程序。復(fù)位操作不會對內(nèi)部RAM有所影響。

（2）時鐘電路的設(shè)計(jì)

時鐘振蕩器：

AT89S51中有一個用于構(gòu)成內(nèi)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(gòu)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(gòu)成并聯(lián)諧振電路。對外接電容C20，C25雖然沒有十分嚴(yán)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(nèi)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(nèi)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(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。時鐘復(fù)位電路如圖4-7所示：

 

圖4-7  時鐘和復(fù)位電路

4.2.7 擴(kuò)展顯示電路的設(shè)計(jì)

回波經(jīng)過AT89S51對接收到的信息進(jìn)行處理后，被測的距離在LED上顯示。

顯示電路采用簡單實(shí)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(qū)動，外接升壓電阻。位碼用PNP三極管8550（可用9012替代）驅(qū)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(jìn)行補(bǔ)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(jié)

本章首先介紹了做設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)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(jī)控制器及一些輔助電路進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，給出了詳細(xì)的原理圖。

本系統(tǒng)利用AT89S51產(chǎn)生40kHz的頻率驅(qū)動超聲波換能器的發(fā)射頭，接收頭收到信號后，經(jīng)CX20106A芯片進(jìn)行放大、限幅、濾波、整形、比較后輸出低電平送到單片機(jī)的外部中斷0申請中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷請求，取得定時器內(nèi)的時間進(jìn)行距離計(jì)算，用四位一體的數(shù)碼管顯示測出的距離，并可根據(jù)設(shè)定報(bào)警距離進(jìn)行報(bào)警。

 

第五章 超聲波測距系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試與結(jié)論

5.1 系統(tǒng)硬件電路調(diào)試與分析

5.1.1 調(diào)試儀器和內(nèi)容

（1）測試試驗(yàn)方法：可通過顯示電路實(shí)驗(yàn)、超聲波發(fā)射接收以及測距試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試。

測試儀器：示波器，多功能穩(wěn)壓電源，電壓表，秒表。

（2）調(diào)試內(nèi)容

超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，安裝時探頭時應(yīng)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(dāng)調(diào)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(diào)試完后對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測量要求。

5.1.2 調(diào)試過程

系統(tǒng)采用模塊化電路設(shè)計(jì), 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(shí)際應(yīng)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(diào)試中通過硬件補(bǔ)償?shù)姆绞綄﹄娐愤M(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整，使系統(tǒng)達(dá)到了較高的可靠性。

測距系統(tǒng)經(jīng)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(jìn)行判斷負(fù)脈沖的長短，從而確定是否有障礙物存在。無障礙物時負(fù)脈沖寬度固定為t1，有障礙物時負(fù)脈沖固定為t1+t2，t3為超聲波回波檢測負(fù)脈沖。t1、t2的寬度與發(fā)送的脈沖周期數(shù)有關(guān)。周波數(shù)越多，t1越寬，檢測距離越遠(yuǎn)，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(diǎn)）而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么應(yīng)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(nèi)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(jīng)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?dāng)_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(jié)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(diào)試注意事項(xiàng)

•超聲波探頭表面嚴(yán)禁用手及其它物體觸摸以免產(chǎn)生信號滯后性及損壞。

•在測距中應(yīng)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(zhǔn)確性。

5.1.3 測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析計(jì)算

傳感器工作電壓：超聲波傳感器5V

試驗(yàn)數(shù)據(jù)：簡單搭建電路板并調(diào)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(jié)果與分析

超聲波測距系統(tǒng)調(diào)試完成后，對系統(tǒng)進(jìn)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(nèi)，分辨率為0.01m，實(shí)驗(yàn)中對測量范圍0.07~2.50m內(nèi)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(fù)一致性很好。因?yàn)槌暡ň哂幸欢òl(fā)散角，所以當(dāng)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(biāo)。目前此設(shè)計(jì)可提交于應(yīng)用于一些動機(jī)器人、安全線提示，銀行及取款機(jī)的一米線提示等場合。

（2）誤差分析

對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在5米范圍內(nèi)，最大誤差在5cm以內(nèi)，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(zhì)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(jì)算出距離值有一定影響，采用聲速預(yù)置和傳播介質(zhì)溫度測量結(jié)合的方法對聲速進(jìn)行修正，可有效地降低溫度變化產(chǎn)生的誤差。

②發(fā)射與脈沖計(jì)數(shù)由于響應(yīng)快慢差異開啟不同步引起的誤差，對此在調(diào)試中通過脈沖計(jì)數(shù)值補(bǔ)償進(jìn)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(dǎo)致的誤差，近距離誤差不明顯，距離越遠(yuǎn)產(chǎn)生的誤差越大，可適當(dāng)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(jīng)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(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試中做了相應(yīng)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(biāo)的入射角的影響。

⑥超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系。

⑦超聲波傳播速度對測距是有影響的。穩(wěn)定準(zhǔn)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(zhì)的特性，如溫度、壓力、密度對聲速都將產(chǎn)生影響。因此，為了準(zhǔn)確地計(jì)算距離，應(yīng)對聲速加以修正，系統(tǒng)程序中采用了軟件補(bǔ)償措施。

（3）誤差改進(jìn)

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(jìn)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(bǔ)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(bào)警改為語音說明指示，根據(jù)探測結(jié)果直接報(bào)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(diào)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(bǔ)償

由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀俅_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(jī)控制器進(jìn)行軟件修正。

5.2 系統(tǒng)源程序的調(diào)試過程

5.2.1 軟件仿真驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)采用51匯編語言編寫，用Keil C51編譯和調(diào)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(diào)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(yīng), 為避免余震產(chǎn)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(shè)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(yùn)行后要不斷調(diào)整探頭的“死區(qū)”。經(jīng)過應(yīng)用過程的調(diào)試，本系統(tǒng)的測量“盲區(qū)”控制在20cm內(nèi)，“死區(qū)”時間為115ms，測量誤差為±1cm。

結(jié)  論

本文所設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)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(jī)計(jì)算距離，還可加入了溫度補(bǔ)償電路，提高了距離計(jì)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(dāng)汽車與障礙物的距離小于所設(shè)定的安全距離時，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，提醒駕駛員，防止汽車的碰撞或擦傷，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

整個報(bào)警器系統(tǒng)由汽車倒車擋控制，當(dāng)汽車置于倒車擋時，報(bào)警器工作；置于其它擋時，報(bào)警器不工作。在環(huán)境溫度為-20～50℃的范圍內(nèi)，測量誤差為幾個厘米，這個誤差能滿足正常倒車的需要。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)的測距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實(shí)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(jià)比。

本超聲波測距系統(tǒng)可應(yīng)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(shè)計(jì)實(shí)用性極強(qiáng)。

通過一學(xué)期的努力，完成了超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)滿足了任務(wù)書中的基本要求和擴(kuò)展要求，軟、硬件設(shè)計(jì)已達(dá)到預(yù)期效果。主要完成的工作有：

①學(xué)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(shè)計(jì)與調(diào)試。

③已經(jīng)通過系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合調(diào)試，距離通過LED顯示出來。

由于時間和能力有限，本次設(shè)計(jì)還有一些不足之處，主要有以下幾方面：

①由于經(jīng)驗(yàn)不足，在設(shè)計(jì)超聲波測距系統(tǒng)的時候，設(shè)計(jì)原理圖與PCB板圖的時候出現(xiàn)了一些問題。

②在調(diào)試時，顯示的延遲性較大，超聲波探頭太敏感。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：

①測試結(jié)果分析可知，本裝置采用較低成本的器件設(shè)計(jì)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(jià)比。

②裝置結(jié)構(gòu)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(dǎo)盲眼鏡、位移儀、深度儀等，具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值。

致  謝

感謝西南科技大學(xué)。在這里，我開闊了見識，增長了知識，鍛煉了能力。大學(xué)四年的親身體驗(yàn)讓我更增加了對學(xué)校的熱愛。

感謝我的指導(dǎo)老師曾毅對我的辛勤培育。從論文的立題到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)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(xué)識，嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，靈活的思維方式，耐心細(xì)致的言傳身教深深感染激勵著我，將使我終身受益。導(dǎo)師不但在學(xué)習(xí)上給予我耐心細(xì)致的指導(dǎo)，在生活中也給了我莫大的關(guān)懷，在這里向曾老師表示衷心的感謝。

    感謝大學(xué)四年所有指導(dǎo)過的老師。在學(xué)習(xí)的過程中給了我很多的指導(dǎo)，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(shè)計(jì)和畢業(yè)論文的過程中，我們寢室的同學(xué)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(xué)學(xué)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(xiàn)自己!

最后，我要向在百忙之中抽時間對本文進(jìn)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(xiàn)

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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(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)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(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)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(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)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(yàn)時，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時，要求外接上拉電阻。

P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)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?yàn)榇嬖谏侠娮瑁硞€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(yàn)期間，P1口接受低8位地址。

P2口：P2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)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?yàn)榇嬖谏侠娮瑁硞€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(nèi)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(yàn)時，P2亦接受地址和其它控制信號

P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的八位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級可驅(qū)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(nèi)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(yàn)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(jì)數(shù)器0）

P3.5  （定時/計(jì)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(dāng)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(dāng)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A(yù)LE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)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(dāng)AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次 有效，即輸出兩個脈沖。在次期間，當(dāng)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(fù)位時內(nèi)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(nèi)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(dāng)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(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。