时间：2022-03-17 09:48:27
绪论：在寻找写作灵感吗？爱发表网为您精选了8篇机械手设计论文，愿这些内容能够启迪您的思维，激发您的创作热情，欢迎您的阅读与分享！
关键词：仿人 机械手 单片机STC15F204EA 驱动器 步进电机
中图分类号： TP241 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2015）04（a）-0000-00
中国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，把“服务机器人”研发作为重点项目。机械手是“服务机器人”的关键部位，在各种护理机器人、陪护机器人、中医按摩机器人中，机械手是机器人完成“服务”任务必不可缺的一部分。设计并制造具有感知能力的拟人化机器手，并对拟人机械手的材质、机械结构、控制技术进行了深入的调查研究。将微小型步进电机和齿轮减速器引入拟人化灵巧机械手设计结构中，实现机械手的大扭矩抓取和拟人化；机械手装有位置、力、力矩等多种传感器，可实现机械手认知能力，且所有部件均集成在手指和手掌内。开发具有认知能力的拟人化灵巧机械手集机、电、计算机软硬件、信号源处理于一体。有5个相同结构的模块化手指，具有拟人化手形外观及认知抓取能力。通过对拟人化灵巧机械手的研究，带动更多前沿学科与机器人技术的交叉和融合，促进我国“机器人”的进一步发展，提高其技术水平和国际竞争力。
1 仿人机械手工作机理分析
仿人机械手主要由手掌、手指机构、拇指机构和所有的手指驱动机构组成。手掌内放的驱动直流小电机，节约了手的空间，缩小了体积；手指机构包括小指、无名指、中指和食指，它们都由相同的构件组成，包括两个关节前指和后指，前指和后指使用螺钉连接，可以减小手指的大小。各指之间使用轴连接，用轴套保持之间的距离，防止发生碰撞。拇指机构是单独的零件体，单独与四指机构用连杆连接，减小了机构的复杂性，有利于优化机构。传动机构包括电机轴齿轮、减速齿轮、驱动手指机构的半齿和带动拇指的连杆组成。仿人机械手运动的过程是以手掌为基座，电机固定在手掌内，带动齿轮实现各级减速，半齿连接在四指上，当半齿转动时带动四指张合，四指和拇指是由连杆连接，所以四指动的时候拇指也随之而动，且与四指相反，从而最终实现物体抓握。
2仿人机械手控制系统硬件设计
2.1控制系统硬件结构设计
图3-1仿人机械手控制系统结构框图
如图3-1所示为基于单片机系统设计的仿人机械手控制系统的结构框图。其工作方式如下：
其中MCU为单片机处理器，信号采集模块包括位置传感器模块和力矩传感器模块。这两个传感器模块的主要功能是检测对被抓物体的夹紧力地大小，同时生成模拟量的电信号，然后再通过单片机内部自带有的A/D转换芯片将模拟量转换成数字量，单片机将得到的数字信息存储起来，等到要处理的时候进行处理。
当单片机根据采集到的夹紧力对应的电压信号来算得手指的运动的位移，向外部驱动电路发送不同的位移信息。外部的电机驱动器将接收到的数字信息进行处理，最后进行对电机运行的控制。
2.2控制器芯片的选择
在设计控制系统的过程中，对控制芯片的选择至关重要，从系统的稳定性，性能和价格等方面考虑选择STC15F204EA单片机。
STC15F204EA系列单片机是STC公司生产的单时钟机器周期的单片机，是高速、高可靠、低功耗、抗干扰的新一代8051单片机，可设置5MHZ-35MHZ宽范围频率，可彻底省掉外部昂贵的晶振，自带8路高速A/D转换功能，无需在系统再搭建模数转换电路。
2.3电机驱动模块的设计
2.3.1驱动芯片的选择
L293是ST公司生产的一种高电压、小电流电机驱动芯片。该芯片采用16脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达36V；输出电流大，瞬间峰值电流可达2A，持续工作电流为1A。内含两个高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和继电器线圈等感性负载；该芯片可以驱动两台直流电机。引脚P1用于M1电机PWM输入控制，引脚P2用于M2电机PWM输入控制。
2.3.2单片机与驱动器之间的接线与参数设置
本文所采用的单片机STC15F204EA可以控制驱动器L293驱动两台微电机。分别是M1和M2。引脚P1、P2可用于接收单片机输出的PWM脉宽调制信号以实现对电机进行调速控制。实现电机正反转是通过D1和D2两个端口控制的，输入信号端D1接高电平，电机M1正转，如果接低电平，电机就反转。控制另一台电机是同样的方式，驱动器L293输入信号端D2接高电平，电机M2正转，反之则反转，PWM信号端P1控制电机M1速度，PWM信号端P2控制电机M2速度。下图3-2为仿人机械手控制系统接线原理图，详细地绘制了单片机控制驱动器并连接两台电动机的工作过程。
图3-2 控制系统接线原理图
3控制系统软件设计
本控制系统所采用STC15F204EA单片机对应晶振为12MHZ，利用定时器控制产生占空比可变的PWM脉冲信号。PWM输出范围为0% -100%，PWM的周期1ms，频率1KHZ，且输出低电平有效。
如下是控制机器人左右机械手运动的两台直流电机PWM调速的部分程序
#include；
Sbit KEY_M1_SW =P1^0//M1：启动或停止；
Sbit KEY_M1_DR =P1^1//M1：正转或反转；
Sbit KEY_M1_ADD =P1^2；//M1：PWM加一；
Sbit KEY_M1_SUB =P1^3；//M1：PWM减一；
Sbit KEY_M2_SW =P1^4；//M2：启动或停止；
Sbit KEY_M2_DR =P1^5；//M2：正转或反转；
Sbit KEY_M2_ADD =P1^6；//M2： PWM加一；
Sbit KEY_M2_SUB =P1^7；//M2： PWM减一；
//输出控制引脚；
Sbit PWM1_OUT=P3^0； //M1：PWM的输出脚；
sbit MOTOR1_DR=P3^1；//M1：电机转向控制；
sbit PWM2_OUT=P3^2；//M2：PWM的输出脚；
sbit MOTOR2_DR=P3^3；//M2：电机转向控制；
sbit BEEP=P3^7；//蜂鸣器；
//电机的占空比；
Unsigned char PWM1_value=50；//赋初值 50%；
Unsigned char PWM2_value=50；//赋初值 50%；
主程序
Void main（void）
{
PWM_INIT（）：//PWM初始化
While（1）
{
KEY_SCAN（）：//按键扫描
}
}
4结论
本文设计了一种仿人机械手运动控制系统，该系统充分利用了仿人机械手结构简单、体积小、重量轻，拆卸方便，各手指间都可安装传感器的优点，能使控制更加灵活，安全性增强，满足了仿人机械手对控制系统的要求。以STC15F204EA单片机为控制核心，通过与位移及力矩采集模块之间的通信，实现了信息的良好通讯。通过驱动芯片L293驱动步进电机运转实现对机械手抓握物体的良好控制。
参考文献
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关键词：气动机械手，结构优化，结构设计
前 言：
气动机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、可靠、节能、不污染环境、可实现无级调速、易实现过载保护等优点，特别适用于汽车制造业、食品和药品包装行业、化工行业、精密仪器制造业和军事工业等。
在现代工业技术应用的气动机械手能够实现4个自由度的运动，其各自的自由度的驱动全部由气动肌肉来实现。最前端的气爪抓取物品，通过气动肌肉的驱动实现各自关节的转动，使物品在空间上运动，根据合理的控制，最终实现机械手的动作要求。气动机械手回转臂的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。
1.气动机械手的原理
气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。它巧妙地应用力的平衡原理，使操作者对重物进行相应的位移，就可在空间内平衡移动定位负荷。重物在提升或下降时形成浮动状态，靠气路实现微重力的物料位移，操作力受工件重量影响。无需熟练的点动操作，操作者用手推拉重物，就可以把重物正确地放到空间中的任何位置，或者通过操作台控制工件的位移可完成以下动作：送料、预夹紧、手臂上升、手臂旋转、小臂伸长、手腕旋转。
图1：气动机械手系统工作原理图
气压传动机械手的优点：（1）不用增速机构就能获得较高的运动速度，这是简易机械手的一项主要性能，其可适应各种快速自动搬运的工作。（2）能源方便，工厂都有压缩工作站。（3）空气泄漏基本无害。（4）适应易爆、易燃等恶劣环境。
（5）结构、保养都简单，成本低。（6）可将直线风缸和摆动风缸做成手臂的一部分，结构简单，刚性好。
2.气动机械手的主要部件和设计要求
根据模块化设计思想，机械手的各模块化机构分别为：立柱、手臂、小臂、手腕和手爪几个部分。论文选择圆柱坐标式机械手，木设计的机械手具有3个自由度：手臂伸缩；机身回转；机身升降。木设计的机械手主要由3个大部件和3个气缸组成：手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的运动。臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。
机械手的手部是机械手上承担抓取工件的机构，由于被抓取物件（炮弹）的形状近似于圆台，所以，其手爪采用特殊的V字型结构，即手爪的内表而设计成与圆台斜度相同的斜而，即保证了抓取的稳定又不会因“线接触”而影响炮弹的表而质量。通过对平衡气缸内空气压力快速精确的调节，实现对某一重量范围内工件的实时平衡状态。机械手可选择定制功能：平衡系统；垂直提升；负载平衡。设备回转关节设置刹车系统，可在任意所需要的位置刹车，使机械手可以长期或定期保持需要的状态。翻转90度、翻转180度和翻转任意角度（MAX270°）；断气保护：设备被意外断气时，设备上的储气罐装置可保证工人正常完成一个循环工作，然后进入刹车状态指不功能：负载指示、到位指示。误操作保护功能：工件在悬空时不可被释放。人性化操作手柄：控制按钮和人性化防滑手柄集成一体，让操作人更便捷操纵机体。工件表面保护：夹具接触工件部位装置保护物件，保证工件表而不会被刮伤。高效率工作：夹具设置抓取导向，让工件的拾取更高效。
控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作程序的存储方式有分离存储和集中存储两种。分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存储装置中，如顺序信息存储于插销板、凸轮转鼓、穿孔带内；位置信息存储于时间继电器、定速回转鼓等；集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存储装置内，如磁带、磁鼓等这种方式使用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合，即连续控制的情况下使用。
3.机械手回转臂的结构优化措施
为防止手臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。伸缩手臂的导向装置需根据伸缩手臂的安装形式、结构及负荷等条件来确定。用的有单导向杆和双导向杆。在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难，将旋转气缸安装在底板上，实现机械手的回转运动，使机械手向左或向右摆动。机械手末端执行器的水平伸缩运动和竖直升降运动各由一个气缸控制，即以最简单的形式，在完全伸出和回缩位置之间进行切换。
由度机械手臂实验装置，VC++上位机界面通过串口控制机械手臂的运行，借此六自由度机械手实验装置可以在实验室内测试各种控制算法和控制理论，为机械手控制研究提供极大的便利。
关键词：机械手 模块设计 控制系统
机械手主要应用于劳动密集型的加工行业，代替人类完成单调重复的劳动，提高生产效率和产品合格率。机械手的应用扩大了人的手足和大脑功能，使人类避免从事危险、有害、低温和高热等恶劣环境中的工作[1]。目前已广泛应用于汽车制造、家具制造、服装加工等领域。
1 机械手机构设计
1.1 底座结构设计 底座是用于安装手臂、动力源、控制器和驱动机构的支架。本机械手底座支架装有一个减速电机和一个智能控制器，如图1所示：
1.2 手臂结构设计 手臂是连接底座和手部的中间部分，有无关节臂和有关节臂之分，目前采用的手臂大多为无关节臂[2]，本文采用有关节臂。
手臂的作用是引导手部准确的抓住物体，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够准确的工作手臂的三个自由度都要准确的定位。本机械手手臂结构采用三个SR-403P舵机及其相关卡口工件组成，三个自由度可使机械手手臂结构更加自由灵活地运动，手臂结构如图2所示：
1.3 手部结构设计 手部安装在手臂的前端。手部由两个舵机控制，从而实现手腕的反转和手指的关闭。
机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种[3]。手指的数量又可分为二指、三
指、四指等，其中以二指用的最多，设计时采用的二指结构，其中一指固定，另一指由舵机控制。手指可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般是指真空吸盘或磁性吸盘。机械手手部结构包含两个自由度，一个自由度用于夹持物件，另一个自由度用于反转手腕，两个自由度均由HS-7955TG舵机实现，手部结构如图3所示：
机械手装配完成后的整体设计效果图如图4所示：
2 机械手臂驱动设计
常见的驱动机构主要液压驱动、气压驱动和电气驱动。其中以液压驱动、气压驱动应用的最多，而电动驱动应用的比较少。液压驱动主要是通过缸、阀、油泵和油箱等实现传动。具有体积小、作用力大，动作平缓，调速方便等优点，但需要配备油泵等动力设备，系统复杂，成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。以空气作为动力传递媒介，具有维护简单、方便，运行清洁，但因空气的可压缩性比价高，一般难以线性控制。电气驱动采用的不多，一般以电机作为动力源，用大减速比减速器来驱动执行机构，系统简单，维护方便，但因电机功率原因，很难达到较高的功率输出，不适合高负荷野外工作。
2.1 机械手驱动方式的选择与设计 因为本文所设计的六自由度机械手为实验室内部研究使用，故不需考虑能源供给和功率问题，反观液压驱动和气压驱动都需要庞大的配套系统来支撑驱动，所以本文采用电气驱动方式。驱动元件主要包括减速电机和舵机。图1中的减速电机采用OpenCS5A/8A智能驱动器进行控制，实现其速度控制和位置控制。OpenCS5A/8A是一款应用最新的DSP控制技术开发的集运动控制、驱动、PLC功能于一体的智能控制
与数字伺服驱动器，内嵌高级运动控制语言（TML），使其易于实现无刷直流，无刷交流（矢量控制）旋转或直线，有刷伺服电机的单轴与多轴控制。机械手的其余关节使用舵机控制，舵机是一种位置伺服的驱动器，控制信号是PWM信号[4]，利用占空比的变化改变舵机的位置。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分的脉宽一般在0.5ms-2.5ms范围内，其实是利用调节固定周期内的占空比来控制角度的变化。具有控制简单，安装方便等优点。
2.2 机械手控制系统通信设计 机械手的控制系统设计主要包括驱动机构（减速电机和舵机）的控制、上位机控制界面的设计以及上、下位机之间的串口通信等。机械手控制算法经上位机解算后将控制信息经串口发给下位机MCU，下位机根据位置信息分别控制各个减速电机，从而实现机械手的精确控制[5]。
3 基于VC++的控制界面设计
上位机控制界面主要包括五路舵机控制区、一路电机控制区、机械手运行示意图等几个部分，如图5所示。
舵机控制采用滚动条的方式，并将每个舵机转动的角度实时显示在右侧的编辑框内；电机控制采用速度控制，主要包括电机的正转、反转、停止等；机械手运行示意图显示机械手的运动情况，当某个舵机或电机运行时，示意图上相对应的舵机或电机位置将会加亮，表示这一舵机或电机正在运行[6]。
4 结论
论文主要提供了一种机械手的设计思路，进行硬件制作和控制系统的设计，最终实现机械手的实时控制。解决了减速电机控制、多路舵机控制和上、下位机之间串口通信等难点问题，为实验室机械手位置控制算法的研究提供了实验研究基础，为实验室研究机械手更加精确而又复杂的控制算法提供了实验平台。
参考文献：
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[4]付丽，刘卫国，伊强.单片机控制的多路舵机用PWM波产生方法[J].驱动控制，2006，29.
关键词：采摘机械手臂；苹果；结构设计
引言
水果采摘季节性强、费用高且劳动量大[1]。加速农业现代化进程，实施“精确”农业，广泛应用农业机器人，提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率将是现代农业发展的必然趋势。研究采摘机械人，对于降低人工劳动强度和采摘成本、保证水果适时采收，具有重大的意义[2]。我国从上世纪70年代开始研究水果蔬菜类的采摘机械，并且也逐渐起步，如上海交通大学已经开始了对黄瓜采摘机器人的研制[3]，浙江大学对番茄采摘机器人进行了结构分析与设计的优化[4]，中国农业大学对采摘机器人的视觉识别装置进行了研究[5]。目前，我国研究的采摘机器人还有西红柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘机器人等[6-8]。文章对苹果采摘机械手臂进行选型，进一步进行详细结构设计，最后对设计结果进行试验验证。
1 机械人机构选型及自由度的确定
由于采摘机械人的作业对象是苹果，质量轻，体积小，故而可选择较为简单、灵活、紧凑的结构形式。
根据机械人手臂的动作形态，按坐标形式大致可将机械人手臂部分分为以下四类[9]：直角坐标型机械手；圆柱坐标型机械手；球坐标（极坐标）型机械手；多关节型机械手。采摘机械臂的结构型式选取主要取决于机械人的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制难易等要求。以上四种型式，它们的活动范围和灵活度逐渐增大。经过对苹果采摘空间的研究，结果表明，苹果树树冠和底部的苹果分布极少，大多分布在树冠中部，大约有80%以上的苹果分布在距地面垂直高度1-2m、距树干左右方向1-2m的空间范围内，且阴阳两面的苹果分布率并无明显的差异。这就要求采摘机械手应当具有较大的工作空间，因此选用多关节型机械手较为合适，且其占地面积较小，更加适合苹果采摘作业。
实际中，苹果生长位置随机分布，这就要求机械臂的末端执行器能够以准确的位置和姿态移动到指定点，因此，采摘机械人还应具有一定数量的自由度。机械臂的自由度是设计的关键参数，其数目应该与所要完成的任务相匹配。一般来说，自由度数量越多，机械臂的灵活性、避障能力越好，通用性也越广，但增加一个自由度就相当于增加了一级驱动，会使得机器人的成本上升，而对于农业机器人而言，成本高将会大大的减缓其机械商品化实用化进程，同时增加自由度会相应增加机器人的控制难度，降低机器人的可靠性。综合考虑，将自由度数目定为六个，这样不仅能够使得末端执行器具有较为完善的功能，而且到达采摘空间中的任意位置，而且不会出现冗余问题。
2 采摘机械臂工作原理
图1 机械人结构简图
图1是本次设计的球类水果采摘机械人的结构简图。该结构为六自由度机构，可划分为底座、大臂、小臂、腕部和手五个部分。机械臂的底座通过舵机带动传动系统实现各个部分之间的相对转动和旋转。其中的各个转动和旋转均是通过电机驱动螺旋丝杆来实现。该设计机械臂的传动如下：（1）底座旋转。确定与底座平面互相垂直的目标采摘物所在的平面。（2）大臂转动。移动至目标采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂转动。将采摘机械手送至目标采摘物的附近。（4）手腕转动及旋转。调整机械手末端采摘机构的姿态，使其处于一个合适的位置，保证采摘任务能够合理完成。（5）手夹紧放松，完成对目标采摘物的采摘任务。此外，将末端执行器设计为关节型的两只手指，通过舵机6（舵机分配情况见图2）、齿轮的啮合及连杆机构实现对目标采摘物的夹紧与放松。
由以上分析得出：机械手的空间位姿由各个关节的空间坐标来决定，即当机械手的各个舵机的坐标确定的时候，就可以确定机械手的空间位姿。而决定舵机坐标的因素就是臂长及臂的转动角度，而在这两个参数中，设计结束后臂长是确定的常量，角度为变量。在模型当中，舵机1、2的相对位置固定不变，控制末端执行器的舵机6用来调整手的姿态，因此可以先忽略舵机1、6，将舵机2轴线中心的位置设为坐标系原点。
图2 舵机分配方框图
3 机械臂结构设计
首先用Pro/E软件中的零件模块对机械人各个零件进行绘制，然后再对零件进行自下而上的装配，以及进行零件图及装配图的绘制。大臂、小臂和腕部、机械手零件图以及装配图分别见图3、图4、图5、图6和图7（单位均为mm）。
4 试验台搭建与抓取效果实验
根据零件图及装配图进行试验台搭建。由于设计尺寸较大，故将整体尺寸缩小4倍来进行搭建。实物如图8所示。通过操作上位机控制软件指令信号，可给伺服舵机控制器发送控制指令信号，从而实现机械人在空间中精确作业。试验结果表明：机械人能够较为平稳、准确地对目标物进行夹取、移动、放置等任务。证明设计合理，试验台搭建正确。
5 结束语
通过对水果采摘作业的分析，设计了一套六自由度关节型采摘机械人。其运动范围覆盖了水果果实的分布范围，末端执行器能够执行对水果的采摘任务。在采摘过程中，只需对舵机进行控制，在一定程度上降低了控制的难度和复杂性。当然，设计中也存在不足，例如缺少对果实的切割装置，而且对葡萄等较小、较软的果实采摘技术不成熟，有待进一步的改善。
参考文献
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关键词：无氧浇注，长水口机械手水平回转，上下升降，旋转，预紧力
1无氧浇注技术
钢水从盛钢桶注入中间罐、或者从中间罐注入结晶器的过程中，不可避免地要与空气接触而发生氧化反应和吸收气体。如果不采取措施，即使连铸钢水经过了各种处理，钢水的纯度很高，也还是会前功尽弃，结果往往在铸坯、钢板和成品加工过程中出现种种表面或内部缺陷，使钢坯的机械性能变坏。因此，在连铸过程中必须使钢水与空气隔绝，这就是无氧浇注技术。
长水口机械手机构就是通过各种动作把长水口的上端与大包滑动水口相接，下口伸入中间罐钢水内，从而使钢水流通过长水口注入中间罐，用长水口将注流与空气隔绝。。为了防止从上水口与大包滑动水口的连接处吸入空气，选用Ar气体密封。这也是无氧浇注中大包与中间罐之间保护形式的一种，是品种钢浇铸的必要技术。
2改造前长水口机械手的工作条件和应用状况
某钢厂连铸用钢包自重130吨，公称容量为300吨，最大容量为325吨。最大容量时钢水高度为4707mm。
图1
钢水液比重6.8t/m3，上口直径φ4623mm，钢水罐总高5445mm，净空高度504mm（300吨时）吹氩压力4kgf。耐材自重93-100kg。液压系统工作压力100-150bar，最大压力210bar。液压缸主要参数为φ50/φ28，行程200，由于液压缸的位置限制不能使水口向上抬的很高，虽然能够降得很低，但不能有效地利用行程，不能满足大包升降的机械要求。液压系统的工作情况如图1所示。现有机构无法安全牢靠的把持长水口，经常中断连铸的顺利进行，无法保证炼钢质量。
3长水口机械手的结构特点
长水口机械手的升降运动包括配重控制和液压阀块控制；在回转机构上有依靠人工操作和利用蜗轮蜗杆减速机传动两种方式。配重式机械手在操作过程中笨拙、沉重且不能有效的保证长水口需要的预紧力。现在的长水口机械手设计常采用液压控制，利用铸机主泵站供油，选择在系统压力范围内有效工作的液压缸，不必配置独立的液压站。在机械臂的支撑上有一点支撑和通过旋转臂两点支撑这两种支撑方式。
4长水口机械手的工作原理
4.1液压缸的设计依据
长水口机械手的升降动作主要依靠液压缸的动作来完成。液压缸可分为有杆腔工作和无杆腔工作两种情况，无杆腔进油推力大速度小，有杆腔进油推力小速度快。或者说在同样负载下，无杆腔进油需要的压力小，有杆腔进油需要的压力大。
根据长水口机械手的工作要求，现场需要动作的范围进行设计，为某钢厂改造的该机构工作位置如图2所示。
图2
O点为液压缸的支点，A点为液压缸最短行程位置，C点为最大行程位置，通过力距的分解与计算，可以选择一定行程的液压缸，保证机构升降需要达到的位置。通过分析可知，图示位置和行程完全可以提起所要求的角度。。该机构是可靠的。
4.2回转机构设计
回转机构采用下置式蜗轮减速机，传动比40：1。。根据输出轴轴端许用负载选择蜗轮轴的转速及额定转矩。
输出轴轴端径向许用负荷FR=FL·R（其中FL为速度系数，R为径向载荷系数）
输出轴轴端轴向许用负荷FA=FL·A（其中FL为速度系数，A为轴向载荷系数）
蜗轮减速机在启动机器之前，要正确加注蜗轮减速机专用油N220-N680，不能使用其他油。新减速机第一次使用时，经运转7~14天（150~300小时）的磨合期后，必须更换新油。使用至三个月时必须第二次更换新油。在以后的使用过程中，应定期检查油质，必须随时更换含有杂质、污染，或已分解、老化的变质油品，确保减速机的使用性能，从而保证长水口机械手机构灵活、安全的回转。
5、使用状况
该长水口机械手机构在现场使用过程中转动灵活，操作简单，工作可靠，达到了钢厂的使用要求。
根据某钢厂板坯浇铸机生产实绩统计，在钢包与中间罐间敞开浇注，中间罐内钢水平均增氮20ppm；采用长水口密封浇注，平均增氮约12ppm；在长水口顶部与滑动水口连接处通过Ar密封，钢液增氮平均仅为2ppm。
在无氧浇注过程中使用长水口机械手机构和氩气密封技术，为控制钢坯缺陷，保证了铸坯质量，满足了现代化大规模生产品种钢的需求提供了有利的支持。
关键词：萝卜采收；机械手；机械设计；控制设计
中图分类号：S225.92 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）09-2248-04
目前，中国农业机械化对农业生产的贡献率仅为17%，与发达国家存在很大的差距[1]。加速农业现代化进程，实施精确农业，广泛应用农业机器人，以提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率已成为现代农业发展的必然趋势[2，3]。果蔬的采收方法有手工采收、机械辅助采收和机械化采收3种[4，5]，世界萝卜的总产量为4 900万t/年，其中中国680万t/年，国内的采摘作业基本上都是手工进行的，收获作业劳动强度大。随着农业设施的发展和作业机械化的要求，对萝卜种植模式要求也越来越高，种植、管理和收获的劳动量也越来越大，亟需研究开发果蔬收获机器人，实现果蔬的机械化、自动化与智能化收获[6，7]，为此，通过对萝卜种植与采收情况的调研，设计了一款萝卜采收机械手，以期为萝卜的自动化采收打下一定的基础。
1 萝卜采收机总体设计
根据萝卜采收过程的特殊性，为了提升萝卜采收的工作效率，所设计的是一种农业机械中的收获机械手，由执行系统、驱动系统和控制系统组成，其组成示意图如图1。
2 萝卜采收机械手关键部位机械设计
萝卜采收机械手的关键部位主要包括：1）手爪部位。手爪部位的主要工作是对萝卜进行抓取，为了减少手部由于惯性带来的不平稳性，此部位采用回转的形式，而手爪只用两根手指代替；2）手腕部位。手腕是连接手爪部位和手臂部位的关键地方，其主要工作是调整萝卜的方位，使萝卜被抓的时候可以进行摆动和回转，辅助萝卜采收过程的连贯性；3）手臂部位。手臂部位的主要作用就是支承，在采收过程中带动其他部件运转，并按照采收要求将萝卜搬运到指定的位置，设计时只需要实现手臂部位的升降与摆动即可。此次设计机械手应实现的功能：萝卜的挖掘、被挖掘的萝卜转移到指定位置，图2为机械手的机构形式简图。
2.1 机械手基本技术参数的选定
由于萝卜生长的自然环境决定了萝卜采摘过程中所需要的拔取力，故需要对不同地方生长的萝卜进行采收力的测定。把细绳系在萝卜的茎叶或者根茎部位，细绳的末端连接计力器材，多次读取并记录最大拉力。图3为湖北省长阳和沙洋两个地区分组测试萝卜拔取力的试验结果，现取5组数据平均值F=80 N，萝卜重量约为0.5kg，故重力G=5 N，摩擦系数f=0.2，夹紧力N=0.5 G/f，得N=12.5 N。
机械手手臂上下行程为500 mm，手腕旋转角度90°，手臂旋转角度90°，按照循环步骤安排确定每个动作的时间，从而确定各动作的运动速度。各动作的时间分配要考虑多方面的因素，包括总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等[8]，此次设计各动作依序进行，为保证萝卜的质量必须限制采摘速度及加速度，采摘速度初步定在小于1 m/s，此速度由各关节液压缸流量控制保证。
2.2 机械手末端执行机构的设计
手部是用来直接握持萝卜的部件，由于被握持萝卜的形状、尺寸大小、重量、表面状况等的不同，根据实际要求，设计采用夹钳式的手部结构。夹钳式手部结构由手指、传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的物体具有较大的适应性，常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或放松[9]。由于抓取尺寸约为90 mm×240 mm的圆柱体，故采用夹钳式平面指形结构较为合适。
设计中机械手手爪在夹持萝卜时，其夹握力分析简图如图4。为了增大夹握力，采取以下两种方法：①设计铲刀角度170°，以增加手指和萝卜的接触面积；②增大手指和萝卜间的摩擦系数，为此采用较宽手指与萝卜接触，故此处f取0.2，将上述数值代入得：
N=■G=■×5=12.5N 公式（1）
式中，N为夹持萝卜时所需要的握力；G为工件重量转化的重力； f为摩擦系数。
考虑到在传送过程中还会产生惯性力、振动以及受到传力机构效率等的影响，故实际握力还应按公式（2）计算[10]：
N实≥N・■ 公式（2）
式中，η为手部的机械效率，一般取0.85～0.95；k1为安全系数，一般取1.2～2.0；k2为工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，按公式（3）估算[10，11]：
k2=1+a/g公式（3）
其中，a为抓取工件传送过程中的最大加速度，g为重力加速度。
若取η=0.9，k1=1.5，k2按a=g/2计算，k2=1+a/g=1.5，则
N实≥N・■=12.5×■≈32 N 公式（4）
2.3 机械手腕部位的设计
机械手腕与机械手臂连接在一起，手臂运动结束后调整手腕的位置状态，以此来提高萝卜采收过程的拔取率。手腕部位的机械结构设计应该力求扎实紧凑，且转动惯性小。手腕也是末端执行部位与机械手臂之间的桥梁，处于手臂部位的前端，手爪的末端，因此其承受载荷的性能直接关系到萝卜的采收过程，在设计的过程中还要考虑其机械强度与刚度，并且要让其布局合理。结合设计要求，设计出腕部位的结构如图5，其为典型腕部结构中具有一个自由度的回转缸驱动的腕部结构，直接用回转液压缸驱动实现腕部的回转运动。
2.4 机械手臂部位的设计
机械手的手臂部位是实现机械手末端手爪进行大尺度位姿变换的关键部件，即把末端手爪部分移动到空间的指定地点。手臂部位的驱动形式主要有液压传动式和机械传动式两种，由于手臂部位的大尺度工作范围，以及工作中也需承受腕部和手爪部位的动力载荷，而且其姿态调整的灵活性影响到机械手的定位精度，因此手臂部位采用液压回转缸的形式实现手臂的大尺度旋转动作，如图6所示的手臂结构，采用一个回转液压缸，实现小臂的旋转运动。从A-A剖视图上可以看出，回转叶片用键和转轴连接在一起，定片和缸体用销钉和螺钉连接，压力油由左油孔进入和右油孔压出，以此来实现手臂部位的旋转。
3 萝卜采收机械手液压驱动系统设计及PLC控制设计
3.1 液压驱动系统的设计
从萝卜采收的工艺过程可以得出，机械手运动的时候液压系统中液压油的压力和流量不需要太高，设计使用电磁换向阀的液压回路可以较好地提高采收过程的自动化程度。从降低供油压力的角度来分析，机械手的液压系统可以采用单泵供油，而手臂部位的旋转和位姿的调整等相关机构采用并联供油。为了防止多缸的运动系统在运动的过程中产生干涉和保证运动过程中实现非同步运动或者是同步运动，油路中的换向阀使用中位“O”型换向阀，夹紧缸换向选用二位三通电磁阀，其他缸全部选用“O”型三位四通电磁换向阀[12，13]。机械手臂位姿调整的过程中要求行程可变，在液压缸的起动和停止的过程中也需要缓冲，但由于回转缸内空间狭小，且回转缸为小流量泵供油，故本系统没有在回转缸换向回路中采用缓冲回路，仅在大流量直动液压缸中采用缓冲回路。
在上述主要液压回路定好后，再加上其他功用的辅助油路（如卸荷、测压等油路）就可以进行合并，完善为完整的液压系统，并编制液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表，其中液压原理图如图7。
3.2 PLC控制设计
为了让机械手工作时可靠且有较强的稳定性，控制部分的设计思路是让该机械手的部件顺序动作，所以，在任一时间该机械手都只有一个部件被驱动，而各个部件的运动方式和运动范围都是受其结构限制的[14，15]。PLC的状态流程简图如图8所示，机械手在自动运动状态时每一个周期需要完成以下动作：萝卜采摘开始时，机械手被设定在准备状态，第一步为手臂下降；下降完成后，手爪扎入地下指定深度，进行第二步手爪夹紧；为完成挖萝卜动作，手腕带动手爪及萝卜旋转90°；完成上述动作后，机械手臂向上提升完成拔去动作；手臂摆动90°，以实现对萝卜的转移；最后手臂回摆，手腕回摆，机械手回到初始状态。
4 小结
通过对机器人技术及机械手结构的分析，对萝卜采收的过程进行了研究，确定萝卜采收机械手的整体方案结构，设计萝卜采收机械手的关键结构。萝卜采收机械手能配合萝卜采收机依次完成萝卜的拔取、翻转、转位等动作，但该机械手在结构及工作性能的稳定性方面还需在田间进行试验，控制方案有待根据不同地区的种植情况进行优化。
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关键词：六自由度机械臂；OpenCV；伺服；制动
中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0227-03
1 机械臂控制系统软件设计
1.1 开发环境
本设计的开发环境是arduino。Arduino是一款完全开源的电子原型平台，包含了arduino板和arduino IDE。由欧洲开发团队开发，使用类似C语言的processing开发环境。Arduino可以自行设计或者购买已经焊接好的板子，程序代码写在arduino IDE上，实现对arduino板子的控制。
1.2 国内外研究现状
作为近几十年来发展起来的一种自动设备，机械臂可以通过编写软件程序来完成目标任务，它不仅大部分机械臂共同的机械有点，而且特别具有人的视觉以及判断能力。在作业过程中，机械臂控制的准确性和对环境的适应性，已经使其在各个领域有着广阔的发展前景。高级类型的机械臂，可以执行更复杂的操作。将机器臂运用于工业生产过程，除了可以提高生产率之外，还能够减弱工人的劳动强度，使生产过程实现自动控制。因此机械臂在近几年得到了愈来愈广泛的应用。
在国外，工业机器人的发展已经较为成熟，涵盖于各个行业，已经得到了非常广泛的运用，而相比国内，我国基础产业跟不上，机械设计的工艺也达不到一个极高的水平，而且部分设计不够系统科学，大多处于一个模仿的阶段。以上原因导致我国工业机器人在国际上并不能达到一个较高的水准。如今国内企业需要革新自己的技术，加强学习才能在国际市场上占有一席之地。
1.3 总体思路
1.3.1 机械臂软件设计核心思路
摄像头采集视频图像->利用OpenCV获得图像的一帧->对此帧图像进行滤波处理->将图像序列帧由RGB模型转为HSV模型->对得到的二值图像进行轮廓检测->创建回调函数并对得到的三幅图像进行合并->创建滑动条窗口->将得到的图像分为H，S，V三幅单通道图像->在目标体上绘制轮廓。
本文提到的OpenCV函数库是一个开源的跨平台的视觉图像处理库，利用此库中提供的开源算法并加以逻辑上的改进来提取摄像头中帧图像，再使用颜色阈值调节功能进行颜色识别，再对结果进行一系列的处理达到预期要求。
1.3.2 OpenCV简介
OpenCV是一个基于开源发型的跨平台计算机视觉库，可以运行在众多操作系统上，由一系列C函数和C++类构成，轻量且高效，其提供的视觉处理算法非常丰富，被大量使用于众多科学领域，卫星地图的图像整合拼凑；医学界病人器官图像的去噪处理；安全系统中的物体动态监测而预警；军事行动中代替人眼而进行众多无人操作与活动，不光如此，在图像处理能力外，还能对声谱图进行识别操作从而进行对声音的识别。
1.4 单一模块
1.4.1 颜色识别
颜色识别的首当之事应是正确选取颜色空间，常用的颜色空间有RGB、CMY、HSV、HIS等。本文采用RGB和HSV。
RGB（红、绿、蓝）可以看成一个三维的坐标系，一个坐标点表示一种颜色。HSV是颜色空间模型。表示颜色的是Hue，与坐标点不同，他使用有角度的圆形来表示相应颜色，比坐标点更加灵活。表示饱和度的是Saturation，饱和度越低，则颜色填充就越少，例如圆心处取值为0，那么颜色会非常的淡，从底部往上，圆的半径r越来越大，那么颜色就会越来越深。表示颜色的亮度的是Value，同理，也是从圆锥底端到顶端的数值渐变，底部表示为黑色，而顶端表示为白色。在实际实验环境中，RGB颜色经测验非常容易受到强光、弱光、阴影等其他因素的干扰。相比之下，HSV空间能更加稳定的处理这些光照的变化从而能更好地反应颜色本质、传达正确信息。
1.4.2 图像获取与处理
1.4.2.1 图像获取与预处理
利用体感周边外设中强大的Kinectz像头（VideoCapture（…））获取周围环境图像，读取一张图片或视频中的一帧图像，进行两次滤波后利用cvtColor（imgOriginal， imgHSV， COLOR_BGR2HSV）函数进行RGB与HSV的转换，再在HSV空间下对彩色图像做直方图均衡化。
高斯滤波函数：cvSmooth（…CV―GAUSSIAN…）。真实图像的邻近点像素如果变化，不会十分明显，因为真实图像的像素点是缓慢迁移变化的，但是如果两个像素点倏忽变化的话，便会有很大的像素差，就是我们说的噪点，这时候便要用到广泛用于图像处理的减噪的高斯滤波，他对整幅图进行加权平均，从而能够减少噪声却又不失真（保留信号）。
中值滤波函数：cvSmooth（…CV―MEDIAN…）。有时候图像中会有孤立的噪声点从而会形成较大差异，这样会影响平均值也会产生较大噪音，所以便使用非线性平滑的中值滤波，他把图像中的孤立的噪声点用其领域中各个点值的中值代替从而有效的去噪并且能够保护信号边缘使之不模糊，其算法也十分简单。
1.4.2.2 图像细处理与生成
创建滑动条：返回所读取的颜色参数阙值。本文设定了6个参数：
[LowHue（色度下限值）HighHue（色度上限值）LowSaturation（饱和度下限值）HighSaturation（饱和度上限值）HighBrightness（亮度上限值）LowBrightness（亮度下限值）]
之后得到返回的参数阙值，便用于检查图像像素灰度是否在设置的范围内并且可以得到目标颜色的色度、饱和度和亮度单通道图像。
将得到的三个单通道图像进行按位与运算，这样便能检测其二值图像，由于此时会出现噪声，所以采用膨胀腐蚀的方法进行图像形态学处理，使得到的目标体进行最大的连通。
图像生成：查找轮廓和绘制轮廓，轮廓正确勾勒，图像便能正确显示。利用OpenCV中对灰度图像处理的Canny边缘检测法（cvCanny（…）），将试图独立的候选像素拼装成轮廓，轮廓的形成是对这些像素运用滞后性阙值，Canny边缘检测算法是高斯函数的一阶导数，是对信噪比与定位精度之乘积的最优化逼近算子。
Canny函凳淙胧涑龅亩嘉灰度图，在边缘检测完成后，利用“cvFindContours（…）”函数得到输出的图像的轮廓函数（在二值图像中），检测轮廓个数，然后再用“cvDrawContours（…）”函数绘制检测的轮廓。
2 机械臂控制系统硬件设计
2.1 自由度及关节
本机械手臂采用4个电机实现4自由度，进行手臂的升降，转动，抓取，移动等功能。
2.2 基座及连杆
2.2.1 基座
基座是机械手臂的支撑，起到稳固的作用，为了使机械手臂更加的稳定，增大其与表面的接触面积，降低重心，提升其稳定性能。同时，基座的剩余部分，可用于防止控制的单片机及其扩展版，使空间充分利用。
2.3 机械手臂设计
机械手是机械行业中必不可少的一个部分，主要起到操作，转移等功能。根据工件的不同，机械手的精度，重量，形状，光滑程度等都会不一样，以至于达到节省成本或准确夹取工件等实际要求。一般机械手包括：1）灵巧手；2）吸附手；3）夹取手；4）专用操作器。本设计因实现的主要功能是夹取物体并转移，工件物体不确定，因此采用夹取手作为机械手臂的机械手进行操作。
2.4 驱动方式
调用Servo实现对舵机的控制，定义多个舵机，控制多个舵机，具体内容根据实际情况进行调试。采用for语句，当红外或者视觉采集到数据，给予反馈，实现舵机的停止或执行下一步。舵机的转动的角度通过脉冲宽度占空比实现。由于舵机牌子不同，舵机转动的角度也会不同。
本机械手臂通过电机的扭矩进行传动。手臂的升降，转动，抓取都是由能够承受很大力的电机进行完成。在机械手臂抓取物体时，尽量的平稳，并且力不能够过大或者过轻，移动时活动空间大。
机械行业一般常用的驱动方式有液压驱动，电机驱动和气压驱动三种方式，每种驱动方式各有优劣。本设计机械手臂中，要求驱动时满足一下条件：1）输出功率适中，效率高；2）精准度尽可能的高；3）便于维护，调试；4）安全性高；5）成本低。
综上所述，本设计采用电机驱动的方式对机械手臂进行驱动。电机参数如表所示：
本机械手臂采用控制角度的方式控制手臂。在初始位确定的情况下，通过控制角度，实现电机的转动，其优点是，能够精确控制位置，但是因为需要进行初始位置，导致运行时间过长。本文设计方案传动方式为舵机直接传动，故不多作介绍。
3 结论
机械臂控制系统是当今社会的一项非常重要的研究课题，尽管其发展已经有了一段很长的历史，但是其发展并不完全成熟。无论是学术界、工业还是在教育教学方面都一直在进行着这方面的研究，距离成熟阶段还要有一段时间。
本设计是基于OpenCV六自由度机械臂驱动系统的设计，以六自由度机械臂为控制对象，以arduino为开发环境，辅以有着丰富视觉处理算法的OpenCV软件，并在此基础上，采用先进的控制理论，以正确的控制方法为指导，进行了系统的硬件设计。
在整个系统的设计中，硬件的设计是本论文研究的重点，芯片的选型是系统硬件设计的保证，并且辅以可靠性分析为指导，保证了系统运行的可靠性和稳定性。
从实验结果中看出，我们设计制作的基于OpenCV的四自由度机械臂能够和一些中小型机器人控制器的性能要求类似，在操作灵活度、控制精度、易操作性等方面都表现出优秀的性能。然而，仍有一些不足之处需要进一步的改进。
1）机械臂的传感器提升。作为机械臂的控制对象，其结构、性能的优劣成为了机械臂的重中之重、中流砥柱，为了实际运行效果的完美，我们机械臂的手爪部分应加入压力等传感器，为控制的精准提供、保证更为完整的信息。
2）完善机械臂自动控制算法。算法的优良决定了机械臂是否能自动协调运行，特别在输入参数和机械臂抓取后的运输，需要更加优化、灵活的算法，从而将计算出的控制参数变得更加精确和一体。
3）视觉的广泛性运用。视觉不单单只作用与颜色的阈值识别，还包括如骨骼识别，轮廓识别等等，再后续的研究中，添入以上功能，可以使机械臂的作用范围变得更加的广泛。
鉴于上述情况，在以后的工作中，我们应该不断改进、完善，以提高该机械臂系统的稳定性以及可靠性。
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关键词：自动化生产线；教学方法；电机与电气控制；PLC；课程设计
中图分类号：G712文献标识码：B文章编号：1006-5962（2013）02-0027-02
高职机电一体化专业课程设置的培养目标是：面向工业企业生产现场，电气控制系统制造公司、机电设备制造公司、机电设备、电气设备、工控设备制造公司或公司、科技开发公司，培养适应社会需要，全面发展，适应本专业相对应职业岗位的高等技术应用性专门人才，主要岗位群定位是自动化设备安装员、自动化设备调试员、中高级维修电工等，本专业有五个主干学科：电气工程、电子工程、机械工程、计算机科学与技术、控制科学与工程，都是为了岗位需要设置的专业知识。其中《自动化生产线安装与调试》作为一门核心专业课在第四学期进行了贯穿和综合。
1自动化生产线的课程设置
机电一体化专业人才培养能力有：识图绘图能力、机电安装调试维修能力、电控系统调试检修能力、自动线调试维护能力、机电设备管理能力及机电产品营销能力等。《自动化生产线安装与调试》前序课程有PLC技术、传感器技术、电机与控制，后序课程有机床维修等。在我们所要实现的教学目标中知识目标涉及到：机械手工作原理、握机械手控制原理、机械手气动原理、熟悉安全操作规程；能力目标有：对已安装的机械手机械部件进行测量；对机械手的气路进行基本调试；根据故障现象判断故障部位；检查分析、找到故障点并分析解决故障；遵守安全操作规程；素质目标有严谨的职业态度、规范的操作习惯、创新精神、团结协作精神、自主学习精神及沟通能力。
此核心课程以项目驱动教学开展课程教学，提升学生的职业能力，以具体自动化生产线为载体，融合认知、安装、调试和检测等内容，实现教、学、做、评一体化教学，突出课程的职业性、实践性和开放性。以学生为主体，采取多样化教学方法。以自动化设备改造为工作过程，涉及电路图分析、电气图设计、程序设计、设备组装、设备运行调试、设备检测、设备维护等行动领域，设置六个学习情境：零配件拆装、传感器检测、气路检测、异步电机检测、步进电机检测、整体检测调试，分成20个任务。
项目一：供料站的安装，有机械拆装、气路拆装、电器拆装三个任务；项目二：加工站的安装，设计任务有加工站组装、光电传感器检测、限位传感器检测三个任务；项目三：装配站的安装，设计任务有装配站组装、电磁阀检测、气缸检测三个任务；项目四 ：分拣站的安装，设计任务有分拣站组装、传送带的检测、异步电机的检测、变频器的检测四个任务；项目五：输送站的安装，设计任务有输送站组装、光纤传感器检测、机械手检测、步进电机的检测、溜板检测四个任务；项目六：整体运行调试，有PLC控制网络构建、程序编写、综合调试三个任务。
2自动化生产线的教学方法与评价设计
2.1教学方法。
（1）讲授法：讲解项目任务，传授项目任务相关的知识点，针对学生实施过程中出现的不足进行知识点的说明。
（2）现场教学法：在符合生产要求的工作环境中进行操作技能和维修应用能力实践，提高职业氛围，在工作过程中提升学生的职业道德、职业素养和岗位适应能力。
（3）任务驱动法：将教学过程融入项目任务中，让学生自主讨论分析实施，学生在工作过程中得到知识。
（4）小组讨论法：学生每六～八人为一个小组，小组讨论分析，讨论解决，分工协作完成项目任务。
六步教学实施：明确任务、讨论分析、制定方案、检测故障、检验效果、总结分析。老师交代目标，注意观察和记录小组对现象分析情况，解答学生提出的问题，对跟主题分析偏离太远的小组予以引导，让学生自行摸索，在后期对学生可能会引起事故或损坏设备和工具的异常操作给予纠正，最后老师组织小组进行故障排除工作汇报，互评，并对每组进行考核评价，再引导学生自行总结。
2.2评价设计。
课程采用过程考核与期终考核相结合、企业考核与校内项目考核相结合、教师考核与学生考核相结合的多元化考核方式，利于理论联系实际，有利于学生的学习创新和思考，更督促他们到实际中去发现和改进，去寻找合适自己的项目和课题。
课程考核为：校内项目，企业，综合实训三大类。当堂课的考核有：教师考核、小组互评、小组自评；教师考核内容为五项：任务分析情况，实施方案制定，任务完成质量、分工协作精神、故障检测手段、安全操作规范、小组总结。
和很多专业课一样，多种教学方法和全面的评价方案，有效保证了教学效果。
3相关课教学
3.1电机与电气控制的教学。
本课程以发电机为主题，以工作任务为导向，以工厂实用型电气控制系统设计、安装、调试与维护情景教学为主线贯穿全课程，用实物进行直观性教学，使学生感性认识强，理性认识够。
典型的教学任务有三相异步电动机全压启动、三相异步电动机长动控制、三相异步电动机正反转控制、三相异步电动机延时启动控制（或三相异步电动机Y-降压启动）、机械手控制等。
课程特色是学生充分利用所学知识、网络资源、闲瑕时间作为期三个月的“继电控制课程设计”。任务书要求能够根据功能要求选择个元器件的类型及其型号；了解个元器件的工作原理和使用方法；把各元器件连接起来实现本课程设计的要求。设计内容和要求：两台电动机都存在重载启动的可能，任何一级传送带停止工作时，其他传送带都必须停止工作，控制线路有必要的保护环节，有故障报警装置。课程设计书要有课题介绍、题目、摘要、总体方案设计、设计目的、控制要求、设计要求、 硬件选型、主电路原理图的设计、 控制电路原理图的设计、重载保护电路设计、欠压保护电路设计、总结。
3.2PLC教学。
PLC是可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）的简称，早期是一种开关逻辑控制装置，随着计算机技术和通信技术的发展，其控制核心采用微处理器，功能有了极大扩展，除了最广泛的取代传统的继电器-接触器控制的开关量逻辑控制外，还有过程控制，数据处理，通信联网与显示打印，PLC接口采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。
PLC有5种编程语言：
（1）顺序功能图（SFC）。
顺序功能图常用来编制顺序控制类程序，包含步、动作、转换三个要素。顺序功能编程法是将一个复杂的控制过程分解为小的工作状态，这些状态按顺序连接组合成整体的控制程序。
（2）梯形图（LD）。
梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，是在常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，形象、直观、实用，电气技术人员容易接受，要求用带CRT屏幕显示的图形编程器才能输入图形符号，是目前用得最多的一种PLC编程语言。
（3）功能块图（FBD）。
功能图编程语言是用逻辑功能符号组成的功能块来表达命令的图形语言，与数字电路中的逻辑图一样，极易表现条件与结果之间的逻辑功能。
（4）指令表（IL）。
采用经济便携的编程器将程序输入到可编程控制器就用指令表，使用的指令语句类似微机中的汇编语言。指令表程序较难阅读，其中的逻辑关系很难一眼看出，所以在设计时一般使用梯形图语言。如果使用手持式编程器，必须将梯形图转换成指令表后再写入PLC，在用户程序存储器中，指令按步序号顺序排列。
（5）结构文本（ST）是文字语言。
编程语言的学习是PLC教学的一项重要内容，中间加以不同的应用实例：顺序控制电路、常闭触点输入信号的处理，使用多个定时器接力定时的时序控制电路、三相异步电动机正反转控制电路、钻床刀架运动控制系统的设计，LED数码管显示设计，还经常根据继电器电路图设计梯形图。
增加的学习情境还常有如下任务：洗手间的冲水清洗控制、进库物品的统计、竞赛抢答器装置设计、彩灯或喷泉PLC控制；寻找数组最大值并求和运算、电热水炉温度控制等。
3.3单片机。
单片微型计算机就是将CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。用于示波器、报警系统、移动电话、彩电等日常方面，在智能仪器仪表、工业控制、家用电器、计算机网络和通信领域、医用设备领域、工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域也都有广泛应用。
数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高，微型单片化集成了如看门狗、AD/DA等更多的其它资源。教学内容以80C51为核心讲授单片机的的引脚、存储器组织结构、典型语句，以实例应用为线索：单灯受控闪烁、P1口外接8只LED发光二极管模拟彩灯、单片机做加、减、乘、除运算等项目。各子任务都作硬件电路及工作原理分析、主程序流程图设计、源程序的编辑、编译、下载、单片机的I/O接口分配及连接。
教学采用ISP-4单片机实验开发板，可以完成大量的单片机学习、开发实验，对学习单片机有极大的帮助。该板采用在线可编程的AT89S51单片机，有程序下载功能，可将编辑、编译、调试好的单片机代码下载到AT89S51单片机中。
3.4变频器技术及应用。
变频技术让学生熟练掌握各种电力电子器件的工作原理、主要参数、驱动电路与保护技术；掌握交-直-交变频器、交-交变频器、谐振型变频的工作原理和应用范围；掌握脉宽调制控制、矢量控制和直接转矩控制等先进技术；了解变频器与感应电动机组成变频调速系统、变频器与双馈电机组成调速系统、变频器与同步电动机组成变频调速系统，掌握电力电子电机系统的组成、工作原理、控制方法、运行特性等，是强电应用和现代技术推广的有力体现。
3.5传感器与自动检测技术。
传感器技术代替人的感观，在各种环境下应用，检测技术是一套有效的反应体系，包括信息的获得、测量方法、信号的变换、处理和显示、误差的分析以及干扰的抑制、可靠性问题等。因此掌握常用传感器的工作原理、结构、性能，并能正确选用，了解传感器的基本概念和自动检测系统的组成，对常用检测系统有相应的分析与维护能力。对工业生产过程中主要工艺参数的测量能提出合理的检测方案，能正确选用传感器及测量转换电路组成实用检测系统的初步能力。
教学过程进行小论文制作，让学生提高计算机应用水平，使学生从文字处理水平提高到办公处理水平。对分节、目录、文献标识作严格要求。题目如数字显示电子称、基于霍尔传感器的转速表、单片机电子秤研究、光纤测温仪、烟雾报警器、小车寻迹设计、电熨斗自动恒温系统、电涡流探伤、电感测厚仪等。
4毕业论文指导分析
毕业论文专业联系实际，通常小型自动化系统以单片机为主，大型自动化生产线以PLC为主，系统运行动力离不开电机，观察离不开传感器，调速可用变频器，综合所学，学生的论文涉及广泛，有效教学可对应从如下方面侧重指导。
4.1立意选题。
根据实际和研究方向做好侧重和体现，如“触摸屏控制的碱液配置系统”和“两种液体混合装置的PLC控制系统”的系统性和方向性，“车库自动门的PLC自动控制”和“测速雷达信号处理系统”的检测指标要求等。
4.2材料整合。
在任务要求明确的基础上，首先确定相关技术指标，对应查找并列出论文结构，一份毕业论文至少含有三到五门课的内容，对应于研究方向进行相应编排和取舍。
4.3技术处理。
所搜集图片的背景往往有水印，要去掉，图片按要求进行不同方向的剪切。图表里的文字应是五号或小五，注意表格标题要单独标出等等格式要求。流程图、梯形图的设计与表现。
多种教学方法和理论联系实际教出具有学习能力和创新能力的学生，系统的学习与应用创造练就出具有竞争力的学生，专业课的有效教学和毕业论文的顺利设计将显示本专业沉甸甸的含金量。
参考文献
[1]吕景全.《自动化生产线安装与调试》，中国铁道出版社，2010年7月
[2]马玉春.《电机与电气控制》，北京交通大学出版社，2011年1月
[3]李建新.《可编程控制器原理及应用》，机械工业出版社，2012年9月
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