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机电小车

机电综合实践设计说明书

2012年11月29日

目录

一.慧鱼简介………………………………………………………………………….3

二.慧鱼主要部件介绍……………………………………………………………….4

三.设计题目：

基于慧鱼模型的光引导小车机电控制系统设计…………………7

1.光引导小车的研究背景及意义………………………………………………7

2.功能…………………………………………………………………………….7

3.工作原理……………………………………………………………………….8

4.主要关键部件………………………………………………………………….8

5.安装步骤……………………………………………………………………….9

6.接线原理图……………………………………………………………………14

7.程序图…………………………………………………………………………15

8.调试过程………………………………………………………………………18

9.工作工程………………………………………………………………………19

10.有关机械参数的说明………………………………………………………20

四.总结…………………………………………………………………………....20

1.调试问题和处理方法………………………………………………………..20

2.应用前景……………………………………..………………………………20

3.展望…………………………………………………………………………..22

4.可能进行改进的地方…………………………………………..……………22

一．慧鱼简介

1964年，慧鱼创意教学组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是由德国发明家ArthurFischer博士在1964年从其专利“六面拼接体”的基础上发明的。

它是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。

慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。

　　慧鱼创意组合模型体现不同学科知识点的各种组合包，不仅可以应用于中小学各个年级学科教学、还可以用于大学不同专业以及研究生工程实验和技术创新活动，现在以清华大学、上海交通大学为代表的一批高校建立的慧鱼创新实验室就是利用慧鱼模型组合包系列建立的工程技术实验室，是创新教育的一个全新平台。

通过慧鱼模型的使用，不仅可以让我们的孩子将多学科多领域的综合知识融会贯通于实践过程中，更重要的是培养了他们的创新意识和创新能力。

慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。

它由各种型号和规格的零件构成，类似于积木。

零件的种类很多，几乎包括了机械课程和日常生活中的所有零件，如机械零件：

连杆、凸轮、齿轮（普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮等）、蜗轮、蜗杆、螺杆、铰链、带、链条、轴（直轴和曲轴）、联轴器、弹簧、减速器、齿轮箱、车轮等；电气零件：

直流电机、灯泡、电磁气阀、行程开关、传感器（光敏、热敏、磁敏、触敏）、可调直流变压器、电脑接口板、PLC接口板、红外线发射接收装置等；气动零件：

储气罐、汽缸、活塞、气弯头、手动气阀、电磁气阀、气管等。

由这些零件的不同组合便可构造出各式各样的模型，这些模型主要可分为两大类：

技术组和机器人组。

技术组又包括传感器技术组、气动技术组、汽车技术组、太阳能技术组、万能组合包。

机器人组又包括3D机器人、计算机器人、实验机器人、工业机器人、移动机器人和气动机器人。

学生在慧鱼实验过程中，通过对各类模型的认识和组装，从而可以熟悉并掌握各类机械设备和自动化装置的常用结构和工作原理。

在模型的组建中，学生将运用到机械加工、气动技术、电子电路和软件编程等知识，从而加深了对这些相关课程的理解。

另外通过慧鱼模型的搭建和组装也培养了学生的实际动手的能力、解决实际问题的能力和创新设计的能力。

二．主要零部件介绍

1.六面拼接体六面拼接体的6个面各有U形槽或凸出的小方块,二者是相互配合的。

通过U形槽和小方块的相互拼接,可以实现构件之间的互连。

由于这些构件是六面体,因此接合的角度一般为0°或90°。

如果需要其他角度的连接,有专用的楔形体可供使用,这些楔形体提供的角度有7.5°,15°,30°,60°等。

。

2.齿轮,齿轮轴与齿条。

慧鱼模型提供的齿轮种类比较多,其中普通外齿合齿轮还可用作蜗轮。

3.通过夹具与金属杆组成齿轮轴。

一般用于车轮等部位。

4.蜗轮,蜗杆和螺旋传动。

慧鱼模型提供的蜗轮蜗杆形式多样,除蜗轮外,所有的外啮合齿轮也都可用作蜗轮。

小尺寸蜗杆还可以用作螺旋传动的蜗杆。

5.导轨与连杆。

慧鱼模型提供了多种长度的塑料或金属杆件,可用作导轨,连杆和传动轴等。

6.齿轮箱用于和电动机相连接,起减速器的作用。

7.发动机用于给物体提供动力。

8.小型开关。

用于控制机器开关等功能。

9.控制板

9V为电源，E1至E8为开关，传感器接口，M1至M4为执行器接口如电机等。

右上角为数据线接口。

三.设计题目：

基于慧鱼模型的光引导小车机电控制系统设计

1、光引导小车的背景及意义

21世纪制造业将进入一个新阶段，敏捷制造将成为企业的主导模式。

能否抓住市场机遇开发出新产品将是企业赢得竞争的主要手段。

要减小生产成本对生产批量的依赖，就要发展敏捷制造装备。

繁重制造装各的可编程、可重组和快速响应能力使得在进行小批量生产时，可实现接近中、大批量生产的效率。

由于机器人具有自主规划、可编程、可协调作业和基于传感器控制等特点，它将成为可重组的敏捷制造生产装备及系统的重要组成部分，为传统制造企业向敏捷制造企业跨越发展提供重要的技术支持。

在以往的生产线上，导向式小车是人们经常采用的方式，有导轨式、磁导引式等方法。

这些方法都需要预先规划好小车的运行路线，而且生产车间的装置不能随意移动。

随着生产车间智能化的提高，导向式小车明显降低了小车的柔性。

因此，非导向式小车将成为敏捷制造物流系统中的主要选择。

在非导向式小车系统中，小车的运行路径不需要由附加设备决定，而且当车间的布局变化后，只要及时改变规划系统的软件参数即可满足路径规划要求。

资料显示:

在产品生产的整个过程中，仅仅有5%的时间是用于加工和制造，剩余的95%都用于储存、装卸、等待加工和输送:

在美国，直接劳动成本所占比例不足生产成本的10%，且这一比例还在不断下降，而储存、运输所占的费用却占生产成本的40%.因此，目前世界各工业强国普遍把改造物流结构、降低物流成本作为企业在竞争中取胜的重要措施，为适应现代生产的需要，物流正在向着现代化的方向发展。

自动导引小车小车适应性好、柔性程度高、可靠性好、可实现生产和搬运功能的集成化和自动化，在各国的许多行业都得到广泛的应用。

目前，在我国某些汽车、烟草行业，光导引小车已投入使用，并取得了良好的经济效益。

但从使用形式来看，大都采用属于固定路径导向范畴的电磁导引小车，无固定路径自主导向的小车由于诸多问题未能完全解决，还没有达到实用。

因此进行自山路径导向式小车的研究，不仅对敏捷物流设备的研制和应用有现实的工程意义，而且对移动机器人路径规划有重要的理论意义。

2、功能

（1）光导引小车可十分方便地与其它物流系统实现自动连接，如AS/RS（通过出从库台）、各种缓冲站、自动积放链、升降机和机器人等；实现在工作站之间对物料进行跟踪;对输送进行确认；按计划输送物料并有执行检查记录:

与生产线和库存管理系统进行在线连接以向工厂管理系统提供实时信息。

（2）采用光导引小车由于人工检取与堆置物料的劳动力减少，操作人员无需为跟踪物料而进行大量的报表土作，因而显著提高劳动生产率。

另外，非直接劳动力如物料仓库会计员、发料员以及运货车调度员的工作的减少甚至完全取消又进一步减低了成本。

（3）光导引小车运输物料时，很少有产品或生产设各的损坏，这是因为光导引小车按固定路径行驶，不易与加工设备和其他障碍物碰撞。

（4）绝大多数光导引小车的使用者均证明，2到3年从经济上均能收回光导引小车的投资成本。

（5）光导引小车通过安装在地面之下的电缆或其他不构成障碍的地面导引物，其通道必要时可作其他用处。

（6）系统具有极高的可靠性。

光导引小车s由若干台光导引小车组成，当一台光导引小车需要维修时，其它光导引小车的生产率不受影响并保持高度的系统可利用性。

（7）节约能源与保护环境。

光导引小车的充电和驱动系统耗能少，能量利用率高，噪音极低对制造和仓储环境没有不良影响。

3、工作原理

光导引小车是移动机器人的一种，是现代制造企业物流系统中的重要设备，主要用来储运各类物料、探险救灾等，为系统柔性化、集成化、高效运行提供了重要保证。

它主要是通过小车头部的光敏传感器接受光的照射，传到智能接口板，通过接口板的分析综合作用，然后使小车趋向光源。

4、主要关键部件

本模型一共使用了2个行程控制开关。

2个发动机。

2个齿轮箱，2个齿轮轴及其他零件若干。

5、安装步骤

第一步找出2个发动机2个齿轮箱。

如图。

第二步把发动机和齿轮箱两两相连，找出其他小零件。

如图。

（以下发动机齿轮箱组合统称齿动组。

第三步把两个齿动组合用六面体连接在一起，齿轮箱之间用小齿轮连接。

如图，再找出其他下步可用的小零件。

第四步在2个小齿轮上安装另两个小齿轮用六面体和其他零部件连接。

如图，找出下一步需要用到的小零件。

第五步用六面体拼接出车的底盘，如图。

第六步拼出车的底盘并安装出车轮所需的位置，找出两个车轮，两个齿轮，两个开关，如图。

第七步把车轮，齿轮，开关装上，并安装出车的车头，如图。

第八步安装托，目的是拖住控制板，如图。

第九步安装电源，并完成托住控制板的托盘，如图。

第十步装上控制板，装上两个光传感器，车头部位按上装饰，如图（黄白相间的是传感器，黄色成弧形的是装饰，为了美观）

6、接线原理图

M1为控制左轮电动机，M2为控制右轮电动机。

E1，E2为左右轮脉冲计数装置，E3，E4为光敏传感器，红色盒子为电源，poweron/off为电源开关。

E8为重置开关。

7、程序图

所用模块：

1．开始模块

2.输出模块

3输入模块

4变量+1模块

5.计数模块

程序总图：

1.为开始模块，既开始.

2.为小车开关，输出0则执行1.输出1则执行3.

3.输出0则执行4，输出1则执行5.

4.当执行4时判断，输出0则执行6既M1左轮停止，M2右轮正转.输出1时则执行8既M!

左轮正转，M2右轮停止。

5.当执行5时判断，输出0则执行9既M1左轮停止，M2右轮正转.当输出1时则执行10既M1左轮正转，M2右轮正转.

6.M1左轮停止，M2右轮正转。

然后继续执行3.

7.计数器

8.M1左轮正转，M2右轮反转.然后继续执行3.

9.M1左轮停止，M2右轮反转.然后继续执行3.

10.M1左轮正转，M2右轮正转,然后继续执行11.

11.+1计数，继续执行3.

程序图介绍：

程序图如上图可知，当打开行程开关E1之后，如果光敏传感器E3、E4没有接收到光源的照射，则电动就M1停止，电动机M2正转，小车在原地旋转，开始寻找光源。

当E3没有接受到光源照射，E4接受到光源照射，则电动就M2停止，电动机M1正转，小车向着E4接受到光源的位置旋转。

同理，当E3没有接受到光源照射，E4接受到光源照射，则电动就M1停止，电动机M2正转，小车向着E3接受到光源的位置旋转。

当两个光敏传感器同时接收到光源照射时，则电动就M1正转，电动机M2正转，小车就会前进，趋向光源。

其中有计数模块，可以计算小车移动的距离。

8、调试过程

按照接线原理图，把小车中的电动就、传感器、计数开关、智能接口板，用导线和电源连接好。

一定要注意传感器有正负极，不能接反了。

然后把数据线、电源线和电脑联机，进行调试。

首先检查一下是否和电脑连接正常，当打开checking时，下面的条块是绿色的证明连接正常。

当用鼠标左击M1时，车轮正常转动，说明M1连接良好。

同理可以测试M2是否正常。

当有光源照射E3时，E3由0变为1，这也说明E3是正常的。

最后就可以运行程序了，观察小车的运动情况。

9.工作过程

当光敏传感器E3、E4没有接收到光源的照射，则电动就M1停止，电动机M2正转，小车在原地旋转，开始寻找光源。

当E3没有接受到光源照射，E4接受到光源照射，则电动就M2停止，电动机M1正转，小车向着E4接受到光源的位置旋转。

同理，当E3没有接受到光源照射，E4接受到光源照射，则电动就M1停止，电动机M2正转，小车向着E3接受到光源的位置旋转。

当两个光敏传感器同时接收到光源照射时，则电动就M1正转，电动机M2正转，小车就会前进，趋向光源。

其中有计数模块，当小车车轮转动一周时计数四次，可以计算小车移动的距离。

小车的工作过程图片如下图：

10.有关机械参数的说明

动力源的选择：

电机驱动。

机械传动装置的确定：

齿轮传动。

机械执行部件的设计：

车体设计；接口电路板及PLC接口板；行程开关及脉冲计数装置；

控制部分软件的编制：

LLWin.3.0软件。

四．总结

1.调试问题和处理办法：

首先要编写程序，在此之前要熟悉慧鱼每个模块的作用以及使用方法才能编写正确的程序。

同时还要明白自己设计的小车的工作原理工作过程，这样在编写程序时才能胸有成竹。

在刚开始调试的时候，传感器E3和E4并不能由0变为1，调试好久也没有找到解决办法。

最后在同学的提醒下才明白可能是由于光敏传感器不够灵敏，而且白天光比较强，由小台灯发射的光不足以改变光敏传感器的阻值，于是我们就在中午太阳比较强的时候实验，先把传感器用布遮住，然后再拿下放到光照下，解决了此问题。

2.应用前景：

由于光导引小车具有机能集中、地上系统简单、施工和系统构成容易等优点，因此，广泛地应用在机械加工、汽车制造、港口货运、电子产品装配、造纸、发电厂、电子行业的超净车间等诸多行业。

其运行速度可达到百米/分钟，运输能力可以从几千克到儿十吨。

光导引小车是一种非常有前途的物流输送设备，尤其在柔性制造系统（FMS）和柔性装配系统（FAS）中被认为是最有效的物料运输设备。

随着电子和控制技术的发展，光导引小车的技术也在不断进步，正在朝着性能更优越、更廉价、自由度更高、超大型化和微型化方向发展。

其应用领域也在不断扩展。

这种十儿年前只是用作工厂内的物流输送设各，现在己经不仅仅局限于工厂之内，己成功地应用到办公室、饭店、医院和超级市场等诸多部门，并且取得了很好的效果。

光导引小车的应用领域主要在制造业，在重型机械及部分非制造业中也有应用。

光导引小车在制造业中主要用于物料分发、装配和加工制造二个方面[411。

其中装配作业中光导引小车用量最大，而汽车工业又是光导引小车的应用大户。

美国通用汽车公司90%的光导引小车用于汽车装配线，西欧各国用于汽车装配的光导引小车占整个光导引小车数量的57Yo。

物料分发主要是指生产工序间的物料移送和仓库作业中的物料移送。

随着电子工业的进一步发展，电子工业中光导引小车的使用极具市场潜力。

其原因在于消费者需求的变化日益加快，生产系统必须适应市场的变化要求，其中FMS（柔性制造系统）即为以灵活的生产方式适应市场变化的制造方式，对于FMS来说，各加工单元之间的中（小）批量元器件的送发效率要求极高，而光导引小车能提供柔性最好的输送，光导引小车可以很方便地对光导引小车的输送工艺路线进行编程，使之按要求的路径和方式到达装配线的指定位置。

在净化室中，光导引小车更可大显身手，它可满足净化耍求极高的操作。

在重型机械行业中，光导引小车主要用来运送模具和原材料（如成卷带钢等）。

因而光导引小车要求承载量人，通常为2.22-4.5t,最大者可达6.3t。

配各了功率较大的移藏装置也是这类光导引小车的特点。

在光导引小车上配备大型机器人用以对大型金属构件进行喷漆（如屹机骨架的喷漆）是光导引小车在重型行业中的应用之一

在非制造业中，光导引小车的应用越来越普遍。

现代化的庆院安装光导引小车系统，把取样从门诊部自动运送到中央化验室;把药物、医疗用品、食品、衣着用品从中央物料管理中心输送到医院的各个部门。

邮政部门也广泛采用光导引小车，如将邮件进台区的邮件输送到处理区，将处理区的邮件输送到邮件出台区。

为了加大运输量，使用了牵引式光导引小车系统，一次可以牵引多台邮件车。

大型的办公大楼也开始安装光导引小车系统，用以运送邮件、电文和包裹到各个分区部门。

宾馆业采用光导引小车把食品从厨房运送到客房。

光导引小车也可作为机器人的“脚”，使机器人可在更大范围内自动完成作业，如在光导引小车上配各机器人用于光整水泥地面。

在具有核辐射危险的地方，常使用光导引小车机器人用于核材料的搬运。

3.展望：

在本课程设计研究的基础上，作者认为以下几个力面有待进一步的研究:

（1）进一步研究激光导引的理论和实现方法，搭建一个实际的激光扫描仪，并对其数据处理速度、方位计算准确性进行应证。

（2）完善基于旋转编码器的路径轨迹推算导向法，结合激光导引方位计算原理用于激光导引光导引小车的自动导引。

（3）研究无线通讯的基本理论，并将其应用于光导引小车的通信。

（4）研究激光导引光导引小车的路径规划和避障保护控制系统。

（5）进一步研究激光导引光导引小车的运动控制问题，解决光导引小车实际行走时诸多因素对精度影响的问题。

（6）建立实际的激光导引光导引小车小车，将理论与实践紧密结合。

4.可能进行改进的地方：

（1）由于LLWin3.0软件所限，无法实现小车寻到光源立马停止计数这一指令，所以无法准确的测量小车到达光源所走的距离。

（2）因为光敏电感器不够灵敏，所以白天需要强光照射。

夜晚可能效果较好，但由于条件所限无法证实。

4.体会

机电综合实践是一门综合性极强的课程，需要我们运用大学几年来学习的知识进行综合运用，也需要我们对慧鱼机器人有一定的了解，更加要对LLWin3.0编程软件有一定的程度的了解，也要有一定的自我探索能力。

这次课程设计，使我们动手能力得到了锻炼，同时，使我们的理论知识得到了升华。

在设计过程中，必须要端正态度，严肃认真对待设计中每一个细节，耐心设计好每个步骤。

实验过程中有一些问题，但最大的问题是我们在对说明书的完成上有一些懈怠，有些不认真，这次教训使我们更加了解到想要好好完成一件事情必须有始有终，不能虎头蛇尾。

这次的专业课程实践，让我们积累了经验，为毕业设计做好了准备，在以后的学习生活中少走弯路，错路。

这次课程设计是在秦老师辛苦指导下完成的。

有秦老师的指导，我们少走很多弯路，但我们必须发挥主动思考能力，对存在问题进行分析，找出原因所在，最后解决问题。

在光导引小车的调试过程中，我们发觉光敏传感器无法由0变为1。

我们通过认真分析，查找，排除，终于找到是由于光照不强的原因，最后设计得以完成。

同时我也深刻体会到团队合作的重要性，由于我们是两个人一组，我们就分工合作，遇到不懂的问题共同商量，共同解决。

团队合作的精神在以后的工作中是很重要的。

最后，这次课程设计也提高了我们创新能力，创新使一个民族立于不败之地，使一个国家永远在科技的前沿，创新无论在以后的生活中还是工作中都是很重要的。