机械手毕业设计论文模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇机械手毕业设计论文，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

篇1

设计要求：1、安装资料及要求。包括：平面图；用电负荷情况；供电电源情况；气象及水文资料等。

2、选子：位置、型号的选择

3、土建施工

4、设备安装

课题二、小电流接地系统的故障选线的研究

指导老师：戴胜坤 地故障时，故障特点不是非常明显，故障选线就显得很有必要，所以，要求学生

比较详细的了解国内外小电流接地系统故障选线的研究现状和研究方法，对现有

的选线方法进行总结并加以改进，找到适合的故障选线的方法；3、 利用ATP的仿真软件对小电流接地系统进行仿真；4、撰写毕业论文。

课题三、64点温度监测与控制系统的设计

指导老师：游佳

设计内容：64点温度监测与控制系统针对室温环境下的温度监控，如大型机组的轴温，大型变压器油温，化学反应过程，环境测试等。控制核心采用微处理器或单片机，监测64点温度，温度范围0～100℃，采用半导体温度传感器AD590，按矩阵方式切换输入信号。输出8路开关控制信号和2路PWM模拟信号（具备PID控制能力）。同时要求利用微处理器或单片机的已有通讯接口或其它工业控制网络实现数据上传和控制。

设计要求：1.总体方案设计，需要提出至少两种切实可行的方案，并加以比较，选择一种最优方案；

2.根据总体方案设计硬件电路，需要有理论依据，有分析计算过程，选择的主要元件要有原理和说明，所有元件必须有型号和参数；

3.软件设计，使用汇编语言或C语言编成。主要软件必须能在设计制作的硬件电路上正确运行 ，且能够显示被测试对象的温度；

4.制作硬件电路，调试硬件和软件，完成温度检测与测试点切换，实现温度上传并在屏幕上显示或存盘；

5.撰写毕业论文，严格按照毕业论文标准，论文引用其它文章和相关技术资料不得多于40%。

课题四、 用8051单片机设计一交通信号灯模拟控制系统的设计

指导老师：潘纹

一、设计任务与要求：

用单片机8051设计一个十字路口的红、绿、黄交通信号灯控制系统，要求如下：

1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。考虑到学生设计时的难度，只考虑一条道路相对的两个方向，每个方向有红、绿、黄三个灯。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，每隔30秒红绿灯交替变化。在每次由绿灯亮变成红灯亮或者由红灯亮变成绿灯亮的交替变化转换时要求黄灯闪烁5秒，给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。

2）能实现正常的计时显示功能。用倒计时方法显示红灯、绿灯、黄灯还需亮的时间。

3）能实现控制器总清零功能。 按下某个键后，系统实现总清零，计数器由初始状态开始计数，对应状态的指示灯亮。 二、根据设计任务与要求：画出设计总电路图，写出设计程序。

课题五、单片机步进电机控制器的设计

指导教师：游佳

设计要求:1.用MCS-51单片机,通过软件编程,设计一个步进电机控制器。要求能对步进电机实现正、反转及速度控制，同时能对步进电机进行位置控制，即能控制步进电机从一个位置精确地运行到另一个位置。

课题六、传感器在机电一体化系统中的应用及发展的研究

指导老师：周小薇

论文要求：1.了解传感器在机电一体化系统中的作用及地位

2.机电一体化系统中常用传感器的类型、特点、结构及用途等

3.如何为机电一体化系统选择传感器（举例说明）

4.机电一体化系统中常用传感器的发展

相关知识：本课题要求学生综合《传感器技术》《机电一体化技术》《控制电机》等相关知识进行编写。

课题七、水轮机制动系统的设计

指导老师：周小薇

设计要求：

掌握一定的电气控制技术的基础知识，可以利用PLC进行编程，并且对气压传动和液压传动有一定的了解。还要求能够运用基本的绘图软件进行绘图。

设计内容：

本设计共有三个部分：电气控制部分、流体控制部分、PLC编程部分。

（一）电气控制部分设计任务： 2.24点制动闸动作后向PLC发出制动成功或复位信号

3.压力站气路压力数显示向PLC发出4～20mA的模拟信号

4.根据PLC传送来的4～20mA的模拟信号，显示相应的转速。

（二）流体控制部分设计任务：

采用节流阀控制流量，水份分离器净化空气，两个三通换向阀分别控制汽缸的上、下腔；气液混用三通球阀进行气、油的转换控制，多块压力表可直接读数等。

（三）PLC编程部分设计任务：

根据给出的梯形图进行编程。

课题八、毕业设计题目：恒压供水系统设计

指导教师：黄卫庭

构成：PLC系统、变频器、检测保护电路、转速测量等环节

要求：1、采用PWM变频调速

2、有具体结构图及外形图

3、选用元器件合适

4、有控制电路图、主电路原理图、PLC程序框图和清单

[注意：选题要结合实际供水工作。要求写明本设计所涉及的分析方法或技术手段（如定性、定量分析的方法）；要求有学生独立的见解，设计内容要详细写明具体步骤]。

课题九、两种液体混合的设计

指导老师：叶俊 一、控制要求

1．初始状

此时各阀门关闭，容器是空的。 SL1=SL2=SL3=OFF

M＝OFF

二、起动操作

按下起动按钮，开始下列操作： (2)液体B流入，液面达到SL1时，YV2=OFF，M＝ON，开始搅拌；

(3)混合液体搅拌均匀后（设时间为l0s），M＝OFF，YV3＝ON，放出混合液体；

(4)当液体下降到名 SL2时，SL2从ON变为OFF，再过20s后容器放空，关闭YV3，YV3=OFF，完成一个操作周期；

(5)只要没按停止按钮，则自动进入下一操作周期。·

三、停止操作

按一下停止按钮，则在当前混合操作周期结束后，才停止操作，使系统停止于初始状态。

四、要求：用欧姆龙型PLC技术设计

课题十、机械手控制的设计

指导老师：叶俊

一、机械手工作过程，且每次循环动作均从原位开始。

二、控制要求

1．在传输带A端部，安装了光电开关PS，用以检测物品的到来。当光电开关检测到物品时为ON状态。

2.机械手在原位时，按下起动按钮，系统起动，传送带A运转。当光电开关检测到物品后，传送带A停。

3．传输带A停止后，机械手进行一次循环动作，把物品从传送带A上搬到传送带B(连续运转）上。

4.机械手返回原位后，自动再起动传送带A运转，进行下一个循环。

5．按下停止按钮后，应等到整个循环完成后，才能使机械手返回原位，停止工作。

6.机械手的上升／下降和左移／右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压装置实现，每个线圈完成一个动作。

7.抓紧／放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行抓紧动作，线圈断电时执行放松动作。

8.机械手的上升、下降、左移、右移动作均由极限开关控制。

9.抓紧动作由压力继电器控制，当抓紧时，压力继电器动合触点闭合。放松动作为时间控制（设为2s）。

要求：用欧姆龙型PLC技术设计

课题十一、建立机械全自动洗衣机的工作电路模型

指导老师：方玮

结构：由电动程控器、水位开关、安全开关（盖开关）、排水选择开关、 不排水停机开关、贮水开关、漂洗选择开关、洗涤选择开关等组成。工作原理：通过各种开关组成控制电路，来控制电动机、进水阀、排水电磁铁及蜂鸣器的电压输出，使洗衣机实现程序运转。

主要内容：进水控制电路，电动机控制电路，排水系统电路等。

要求：结合洗衣机的工作过程，给出以上电路模型号并说明原理，论文不少于5000字

课题十二、工厂变配电所的设计

指导老师：居剑文

一、设计的要求

根据设计课题的技术指标和给定条件，能够独立而正确地进行方案认证和设计计算，要求概念清楚，方案合理，方法正确，步骤完整。

要求会查阅有关参考资料和手册等

要求学会选择有关元件和参数

要求学会编制有关电气系统图和编制元件明细表

要求学会编写设计说明书

二、设计说明书的内容

负荷计算及无功功率补偿计算。

变配电所所址和型式的选择。

变电所主变压器台数、容量及类型的选择（配电所设计不含此内容）。

变电所主结线方案的设计

短路电流的计算

变配电所一次设备的选择

变配电所二次回路方案的选择及继电保护装置的选择与整定

变电所防雷保护与接地装置的设计

编写设计说明书及主要设备材料清单

10、绘制变电所主结线图、平面图和必要的剖线图、二次回路图及其它的施工图样。

课题十三、电缆－架空混合线路的继电保护问题的研究

指导老师：方玮 研究现状，了解目前电缆－架空混合线路的保护的配置的方法，优缺点，并根据

电缆的特点，架空线路的特点，提出适合于混合线路的保护的方案；

3、 提出适合于电缆－架空混合线路的继电保护的方案； 4、撰写毕业论文。

课题十四、铰链四杆机构的运动特性分析

指导老师：潘纹

设计任务与要求

1）对铰链四杆机构中的曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构三种基

本类型的运动特性进行分析。

2）每种类型各举一个日常生活中常见的实例，画出其基本图表。对每种

类型要求用falsh或者authorware等做一个能动的形象逼真的例子。如吊起重物的起重机、运动的火车的机轮、椭圆仪、翻箱机、机械手爪等。

课题十五、数控铣床及加工中心产品加工工艺设计

指导老师：倪祥明 课题十六、机械手直线运动液压系统的制作

指导教师：黄国祥

目的：实现机械手水平、垂直两个方向的机械运动

任务：1、系统方案的设计与计算；液压泵、液压阀等技术参数的选择；液压辅助部件的选择与购买。

2、液压缸的加工制作。

3、液压系统的安装与调试。

4、电路系统的安装。

5、技术资料整理与电子文档的制作。

要求： 1、分组布置任务，每组可以是1人以上。

2、电子文档要求打印，字数不少于5000字。

3、现场展览制作产品，参加答辩。

课题十七、“中国结”造型设计

指导教师：张蓉

1.毕业设计的基本任务

着重提高在CAD/CAM软件应用方面的实践技能，树立严谨的科学作风，培养综合运用理论知识解决实际问题的能力。通过创建中国结造型设计、市场推广、资料整理等环节，初步掌握应用CAD/CAM进行工业造型设计的方法和基本技能。

2.毕业设计的基本要求

通过毕业设计各环节的实践，应达到如下要求：

灵活运用所学Pro/e软件创建“中国结”,打印出造型设计步骤和造型图；

对造型出来的“中国结”进行包装设计。如用Photoshop或3dmax等软件进行包装，打印出用于市场推广的效果图；

写出500字左右的论文小结

培养一定自学能力和独立分析问题、解决问题能力；

通过毕业设计实践，树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的工作作风，并培养自己具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团结协作的精神。

3.“中国结”造型参考图：

（造形和尺寸自定义）

课题十八、“福娃”造型设计

指导教师：罗进生

1.毕业设计的基本任务

着重提高在CAD/CAM软件应用方面的实践技能，树立严谨的科学作风，培养综合运用理论知识解决实际问题的能力。通过创建“福娃”造型设计、市场推广、资料整理等环节，初步掌握应用CAD/CAM进行工业造型设计的方法和基本技能。

2.毕业设计的基本要求

通过毕业设计各环节的实践，应达到如下要求：

灵活运用所学Pro/e软件创建“福娃”,打印出造型设计步骤和造型图；

对造型出来的“福娃”进行包装设计。如用Photoshop或3dmax等软件进行包装，打印出用于市场推广的效果图；

写出500字左右的论文小结；

培养一定自学能力和独立分析问题、解决问题能力；

通过毕业设计实践，树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的工作作风，并培养自己具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团结协作的精神。

3.“福娃”造型参考图：

课题十九、大功率高频直流开关电源的设计

指导老师： 倪涛

通过该题目的设计,加强电力电子的学习和理解，系统学习开关电源的设计方法，综合运所学过的知识,培养独立工作，解决实际问题的能力，为走向工作岗位打一定的基础

内容：

按技术参数设计一台直流开关电源

主要技术参数：

输入电压：三相交流380V 输入频率：50HZ

输 出：恒流50安 输出电流变动范围：0---50安连续可调

输出电压：0—60伏

要求：

1.按要求分阶段写文字材料；

2. 3.论文要按要求格式打印；

4.独立完成

设计步骤：

1.阅读国内外有关 2.选定开关电源集成控制器，学习其工作原理、应用方法；

3.主电路方案选择，要有技术经济比较；

4.主电路设计；

5.元器件的设计、计算、选择；

6.控制电路、保护电路的设计；

7.打印论文

课题二十、三层楼电梯PLC控制系统设计与调试

指导老师：倪涛

设计内容： 1、不允许同时有两层楼要求停电梯；

2、当二层不需要停时，能越过二层直接到达所需楼层。

要求：

分阶段写文字材料；

2、 3、论文要按要求格式打印；

4、独立完成

步骤：

1、设计I/O配线表。

2、设计出电梯控制的梯形图。

3、写出指令表。

4、用编程器输入指令。

调试运行。

课题二十一、车辆出入库管理PLC系统设计

指导老师：杨芳

内容：编制一个用PLC控制的车辆出入库管理梯形图控制程序,控制要求如下:

1、入库车辆前进时,计数器加1,后退则减1.

2、出库车辆前进时计数器减1,后退则加1.

3、要求有显示屏指示车库内车辆的实际数目.

要求：

1.根据题意设计显示电路，并按图连接。

2.画PLCI/O接口连线图，并按图连接。

3.编制梯形图及指令语句表。

4.完成系统调试，实现控制要求。

课题二十二、水塔水位控制PLC系统设计

指导老师：杨芳

内容：1、保持水池的水位在S3——S4之间，当水位低于S3，则打开阀门进水，水位到达S4时，则关闭阀门。 水塔水位控制面板

要求：1.根据题意设计显示电路，并按图连接。

2.画PLCI/O接口连线图，并按图连接。

3.编制梯形图及指令语句表。

4.完成系统调试，实现控制要求。

课题二十三、用PRO/E软件进行玩具造型设计

指导教师：罗进生

要求：利用软件进行实体造型，写出具体造型步骤。步骤清晰合理，造型思路明确。可以自己设计玩具形状，分析所设计玩具市场前景。

参考图样：

课题二十四、基于PROE软件的机械制图三维模型库开发及应用

篇2

在我国的经济体制由计划经济向市场经济转变的今天，高等教育的教学管理模式也发生着变化，高等教育现在在全面贯彻党的教育方针的同时，已经由原来的学校完全承包，向以就业为导向的方向发展，已经逐渐走向一条产学研结合发展的道路。随着科学技术的不断发展，社会对人才的需求更具合理性和前瞻性，特别是知识的应用能力、应变能力和创新能力等综合实力，提出更高的要求。这样高等教育的培养目标就由原来单纯以学习课本为重，转向要求学生既有一定专业理论基础，又有胜任现代化生产工作的能力。因此，实践教学在学生培养过程中就显得十分重要。

毫无疑问，实践教学是大学生创新的有效途经。可以把教师的科研项目列入实践教学活动中，启发学生的科研创新意识。如让学生参与教师的科研项目，使学生了解科研的过程、方式方法、数据处理方法、论文写作方法等。[1]本文将探讨如何使科研激活实践教学，促进产学研相结合，开拓学生创新思维。

一、构建科学的实践教学体系

实践教学体系是培养学生实践能力、创新意识与创新能力的整体教学组织与训练过程，也是考查学生掌握基本理论、基本技能的主要途径，是实现专业培养目标十分重要的教育教学环节。[2]高等教育的实践教学体系包含多种类型的课程设置。例如实验教学、课程设计、金工实训、生产实习、毕业实习和毕业设计等，都属于实践教学的范畴。表1为高校实践课程教学体系。

1.实验教学

实验教学是从最基础的理论知识入门，通过仪器设备的使用操作，对数据或图像进行分析，验证理论知识的来源与正确性，随着学习的不断深入，再逐步开设综合性的实验。如机械原理零件实验、刀具实验、金相热处理实验等基础实验，随着学习的不断深入，再进一步完成机、电、气综合与创新性实验等。从而帮助学生更好地理解和掌握理论基本知识，对仪器设备操作基本技能，培养创新思维能力。实验教学是实践教学的基础。

2.课程设计

课程设计是学完某一门专业基础课或专业课后进行的一项专门化实践性训练，主要目的在于培养学生利用本门课程的知识及已学的知识，综合应用完成某一课题的设计。如工艺夹具设计、刀具设计、机床设计、零件设计和电路设计等。初步培养学生设计思维的方法及应用知识的能力。

3.金工实习

金工实习是工科院校必开的一门实践课程，他属于基础金工实习。学生在学完金属工艺学与机械制图课程后进行，也可在金工实习过程中完成该门课程的教学。通过实习，了解金属加工过程的方法和设备，掌握冷加工和热加工操作的基本技能。在实习中，可将后续相关的知识，适时适量介绍，对专业知识初步了解。同时，还可以到各种类型的企业参观考察，观察社会了解市场，扩大视野端正专业思想。

4.生产实习

生产实习是一门综合性的实践教学课程，是在专业课程大都已学完的基础上进行的。走出学校的课堂深入到企业生产的现场。针对某一机械产品考察制造全过程，运用所学的知识，进行分析对比，研究总结，如到内燃机制造企业进行实践，把在课堂学到的理性认识融会到感性认识中。

5.毕业设计与毕业实习

毕业设计与毕业实习，应强化学生实践能力的培养，是实践教学的核心。这是进入社会前的一次大练兵，也是教育质量的大检验。持续一学年的毕业设计选题至关重要，应是融技术性与实用性为一体，融创新意识与创新实践为一体。具体做法：一是与科研课题相结合，如大客车整车强度测试；二是充分利用现有实验设备，如利用FISTO气动实验装置，设计机电自动控制回路；三是对实验设备进行技术改造，如对机械原理机构示教板改进自动控制装置；四是结合生产实际进行科研开发，如汽车发电机壳体压铸模具设计等。学生在指导教师的带领下，结合生产实际或科研课题，充分调动人的主观能动性，运用设计新理念和方法，进行创新设计取得良好效果。[3]

表1 高校实践课程教学体系

二、把“产学研”和实践教学结合起来，开拓学生创新思维

产学研合作教育对于高校提升科研水平、企业技术进步、增强地区和国家核心竞争力都具有重要作用和意义，是贯彻落实科学发展观、转变经济发展方式的重大战略举措。[4]高校人才联合培养是产学研合作的形式之一，其主要方式包括：大学、科研机构与企业通过设置人才培养专项基金、大学教授和研究人员担任企业顾问、大学生在企业实习、企业人员在大学或科研机构进行培训等多种方式在人力资本层面进行交流与互动。[5]

大学生的创新活动是在学习实践过程中的创新，同时也是在掌握了基础知识、相关专业领域研究成果后的创新，这使得他们的创新不仅要有个人价值，而且要在专业领域中具有一定的社会价值。创新活动的价值衡量具有双重标准，对于应用型工科大学生，应以社会标准为主，偏重于创新活动的结果，偏重于创新的产品。因为创新能力培养的关键在于创新主体要有强烈的自我意识和积极的实践探索。在没有投入创造性社会实践之前，人的“才能”只是一种“潜能”，只有通过创造性实践这一“中介”，方可得到进一步的提高，只有在不断的摸索中才能培养创新能力。在台湾本科教学中，每一门课程的教学中，实践教学就占有大半时数，每一单元时间内的教学，都包含有理论教学和实践教学，在动脑和动手过程中，提升大学生创新思维。

1.“产学研”项目和实验环节相结合

实验教学在人才培养方面具有课堂理论教学不可替代的作用，实验室作为高校人才培养的重要阵地在培养高素质创新人才中应发挥其重要的作用。因此，我们将科研方法引入实验教学中，将学科建设取得的科研成果和开发的新技术、新方法不断引入实验教学中，保持实验教学方法与手段的不断更新。并通过设置探索性实验项目来模拟科研全过程，实现实验教学与科学研究新技术、新方法训练的有机结合。

工科类专业在探索性实验课程中，只给出若干思路，实验前，学生不一定知道实验结果，由学生根据实验条件和研究目标，自行查阅相关资料，设计实验方案、实验内容和步骤、实验数据参数，独立进行实验操作，书写实验报告，并对出现的可能结果给予一定的解释。尽管学生在实验的最后结果中不一定达到要求，但是通过综合训练，使学生对科研的基本方法和程序有一个清楚的认识和体验，有效调动了学生的主动性，既提高了学生的动手能力，又使学生养成了自主式、合作式、研究式、开放式的学习方式。如开放性实验，完全由学生自己设计实验方案，自主管理实验过程，自主完成实验，从而使实验教学成为科研与教学的最佳结合点。例如工业自动化应用课程利用实验室电气动实验开发平台，结合实验题目要求，自己设计、搭线、编程、调试等软硬结合过程。

2.“产学研”项目和实习实训相结合

实习实训是一门融理论与实践综合性很强的课程，在整个学生的培养过程中起到了一定的作用。我们要重视对学生动手能力、工程实践能力的培养，增强学生将所学基础知识综合运用于工程实际的能力、独立工作的能力、分析问题的能力及创造能力。

例如现代机械制造加工中心需要机械手完成不同的任务，这个就可以为学生的实习实训提供选题，学生自己对课题进行分析、设计，自己动手编程、调试、安装、并最后调试完成一个机械手加工系统，对设计过程中涉及到相关课堂教学内容，必须加以理解和消化，最终提交的是机械手能完成的任务和设计报告。这样学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对机械传动、电子电路、电子元器件等方面的知识综合应用，同时在单片机编程、排错调试、机构运动、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。为了促进“产学研”项目和实习实训相结合，我们先后和多家企业建立了长期、稳定的校企合作。

3.“产学研”项目和毕业设计相结合

毕业设计与毕业实习，是时间最长最具综合性与创新性的实践，是实践教学的核心。工科专业学生的毕业实习与毕业设计时间长达近半年，是学生走向工作岗位的最后一个重要的教学环节，如果淡化工程意识，假题假做，由书本到图样可能对发挥学生的创造力极为不利。为了促进“产学研”项目和毕业设计相结合，我们具体采取了以下方法：

（1）利用生产中的真实题目或参与指导教师的实际课题研究，提前布置毕业设计题目。以毕业论文课题研究等形式参与科研活动，在科研实践培养创新精神以及分析和解决问题的能力方面，实现了以科研促进教学的理想效果。[6]

（2）利用工厂待解决的技术问题，让学生走出去，到工厂做毕业设计。由于受教师手头的真实题目的限制，不可能所有的同学都在学校做真题目，我们通过与科研机构和生产单位的结合，即产学研结合，让同学们到工厂去，到科研机构去，根据具体情况安排毕业设计题目。这样做，不仅发展了生产也培养了技术人才，发挥了学生的创造能力。

三、以“工程测试”为例，探索“产学研”提升大学生实践创新能力

利用科研项目将实验、实习实训、毕业设计等串联起来，把各个实践环节紧密联系在一起又起着承上启下的作用。激活大学生参加实践的积极性，加强培养综合运用能力。

测试技术是获取信息、分析和处理测量数据的关键技术与手段，是从事科学研究、产品质量检验与自动控制不可缺少的工具。[7]本人在学校主要承担《机械工程测试技术》实验教学，并在这几年负责工程测试的一些科研项目，例如：2008年在厦门金龙联合汽车工业有限公司、2011年在东风杭州汽车有限公司作全承载整车强度测试。在这些科研项目完成的过程中，都与实践教学结合起来，开拓学生的创新思维，实现了科研成果与实践教学双丰收。

1.开设开放性实验，吸引学生加入到科研项目

由于《机械工程测试技术》实验项目与工程实际相结合，要求课时较长，另外实验相对正常，完成水平要高。我们选择以开放性实验对学生开放。把《机械工程测试技术》一系列实验连续起来，要求学生按照工程上测试的要求，把应变片粘贴好，并且对自己粘贴好的应变片作静态应变测量和动态应变测量。图1为学生在粘贴应变片，图2为粘贴好的应变片。这样，学生完成这些实验后，就可以加入到全承载整车强度测试中。

2.学生到现场测试，丰富学生的实训实习

充分发挥工程测试科研项目的优势，鼓励学生积极参与科研项目中的一些工作。无论是2008年在厦门金龙联合汽车工业有限公司，还是2011年在东风杭州汽车有限公司作全承载整车强度测试，都有不少学生加入到测试。图3是正在作整车测试的客车，图4为学生在现场测试。由于科研课题多与工程应用紧密结合，解决生产实际问题，任务本身具有挑战性，学生在参与科研的过程中，可切身体会到理论与实践结合的价值，激发起他们内在学习动机，应用所学知识解决实际问题。[8]

3.测试项目为学生毕业设计课题提供来源

多年来，我们都高度重视学生毕业设计等实践性教学环节，强化学生实践能力的培养，形成了良好的传统和特色。大学生所完成的这些工程测试项目，可以直接为他们的毕业设计提供选题来源。通过强化过程管理，保证了毕业设计（论文）的教学质量。这对培养大学生创新精神和实践能力方面有示范作用。图5为大学生以某大客车测试为毕业设计题目所采集处理的数据。

四、“产学研”融合实践教学取得的成果

篇3

一、引言

毕业设计是教学过程中最后一个重要的实践性教学环节，五年制高职机电专业毕业设计的目的是培养学生综合运用所学的基础理论、专业知识和基本技能，提高独立分析和解决问题的能力，也是培养以后从事企业进行技术改革工作的初步能力的一个重要环节。为了贯彻《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》（教高［2006］16号）文件精神，“以服务为宗旨，以就业为导向，走工学结合发展道路”的办学方针，根据教育部高等职业教育毕业设计方面的要求，我们总结了近几年各职业院校的实际教学经验与教改情况：由具有丰富专业教学经验及生产实际经验的双师型教师来指导学生的毕业设计，以工作任务为驱动、工作过程为导向的“教、学、做”三合一的职业技术项目的设计。其特点有以下几点。

1.内容选择上充分体现“理论够用，能力为本，应用型人才培养”的新世纪应用型人才培养的思想，以工作任务为中心，彰显针对性、实践性和指导性强的特征，通过设计日常生活中经常遇到的实例，按照生产实际要求和实际方法、步骤，进行设计、选材、加工等。

2.精选日常生活中常见的典型题目，查询所必需的一般设计资料和最新的国家标准及行业标准，对产品的加工工艺及毕业设计的相关知识进行必要的融合，对引导学生形成实践计划方案，完成具体的工作任务，针对性很强。

3.从拓展学生对本专业广度和深度的要求角度出发，我们选择了10个典型的毕业设计课题，对于培养学生解决实际问题有很好的作用。

从当前机电专业的普通高校的本科、专科；职业院校的专科、电大生五年制高职的学生毕业设计的情况（如下表）调查情况看：

1.普通高校的多以论文和样品的形式，论文为主，样品为辅；

2.职业院校的专科、电大生以论文的形式，论文为主；

3.五年制高职以论文和样品的形式，论文为辅，机械加工产品为主。

毕业课题列表

根据高职学生的技能优势，我校根据学生的实际情况，对2005级学生的毕业设计小组要进行课题的开题报告论证、要进行中期毕业设计进程的报告、要进行毕业设计答辩及毕业成果演示。

二、确定选题进行理论设计

05大专机电有两个班级，80多人，我们把它分成10个小组。每个小组7―9名学生。

1.选题并确立10个课题。选题主要从机电专业的培养目标出发，在利于巩固、深化、扩大所学知识；利于培养学生独立工作能力，使学生能够得到全面的训练；尽可能与生产、科研、管理、教学等实际需要相结合。课题由指导教师组提供十个选题方向的主导意见，允许学生提供建议供指导教师组参考。选题应尽可能选择已经在实际生产中投入使用的，在内容的深度和广度符合教学要求、价格适中、能够组装完成的产品。选题难度要适中，任务量应保证中等水平学生经努力八周时间内能完成，不得选择纯论文性的选题。教师指导组经过分析、筛选提供的十个题目是：交通灯智能控制系统的设计、自动化立体仓库的设计、弓形模具的设计、基于单片机的路灯照明控制系统设计与应用、物料自动分拣系统、圆形薄片冲裁模的设计、智能小车的设计、CA6140车床控制系统的设计、机械手的制作设计、四层楼自动控制系统的设计。

学生可以自由结合组成10个小组，但是每个组的人员不能偏差过大。每个小组组长根据学生个人的特点，合理地把小组成员进行分工。允许每个小组在10个课题内自选，每个小组完成一个选题相关资料的查阅工作。

根据选题时查阅资料的情况，学生要做好开题报告。开题报告是毕业设计可行性的论证，也可作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及系审查后生效。

开题报告一般由本课题的研究目的及意义、本课题的国内外的研究现状；本课题的研究内容和拟解决的主要问题、本课题的研究思路和方法、本课题的预期效果、本课题研究的进度安排六个部分组成。

中期汇报主要是学生对前期设计的情况是否和计划中一致，存在什么问题，如何解决，后期如何修正计划，可能出现什么问题，采取什么措施进行完善。答辩领导小组的建议。

2.毕业设计的书面文字的形成

毕业设计既要保证每个学生经历一个课题的全过程，又要保证每个学生均有其独立完成的部分。学生通过网上查询，图书资料的查阅，把自己的思路和指导老师交流，通过多次的修改后，形成书面文字，理论部分的文字说明和图形不得少于8000字，不包括封面、目录、总结、参考资料，等等。所有图形、表格和文字都须用计算机打印，装订成册，人手两册。

3.答辩

答辩是检查学生毕业设计质量的一场“口试”。通过这一形式，有助于学生进一步总结设计、材料购买、零件加工、产品装配的过程中需要注意的问题，提高应变能力及自信心，为真正走上社会打下坚实的基础。答辩主要考查学生的一些专业基础知识和基本理论。答辩的过程实际上也是帮助学生总结的过程。教师要积极引导学生总结在设计过程中积累起来的经验，分析设计效果，找出不足和改进方法，帮助学生把实践转化成自己的知识和技能。答辩专家组由本专业的专家和校外院校专家组成，指导教师不能参加，并邀请学生家长和相关用人企业的领导参加，让家长和企业了解毕业生的学习情况和工作能力，为下一步学生就业做好宣传工作。

学生答辩小组，由本小组推选一到两人主答辩，其他同学辅助答辩，主答辩要把小组人员的分配情况、开题报告的论证、设计的思路、设计过程遇到的问题及解决方法、零件购买、加工、装配过程、演示效果进行汇报。专家组提出的问题原则上应该由分工的组员回答，其他同学可以进行补充，并充分利用毕业设计成果的运行，回答直到专家满意为好。

4.成绩评定

评定成绩的根据主要有几个方面：一是毕业设计的质量；二是答辩的表现，而答辩的表现不低于毕业设计的质量；三是选题报告；四是毕业设计中期汇报；五是材料购买的价格及质量的好坏的评定；六是产品加工、装配后的运行效果如何。成绩评定分优秀、良好、及格和不及格四个档次。

三、产品的形成

购买小组的同学要进行市场调研，了解材料及各种零件的性价比。把需要的材料、外购件及标准件买回来。

负责加工小组的同学了解零件使用的材料及性能，熟悉零件图纸，了解加工方法及加工设备。同学们有的要进行钳工加工、焊接、车工加工、数控加工、线切割，等等。

装配小组要了解机电设备的装配工艺过程，做好装配前的准备工作，研究和熟悉产品装配图及有关的技术资料，了解产品的结构，各零件的作用，相互关系及连接方法。确定装配方法，确定装配顺序，检查装配时所需的工具、量具和辅具，对照装配图清点零件、外购件、标准件，等等。对装配零件进行清理和清洗，对某些零件还需进行装配前的钳加工（如：刮削、修配、平衡试验、配钻、铰孔，等等）。先进行组件装配，再部件装配，最后总装配。调节零件和机构的相互位置、配合间隙、结合松紧，等等，使机构或机器工作协调(轴承间隙、镶条位置、齿轮轴向位置的调整，等等）。用量具或量仪对产品的工作精度、几何精度进行检验，直至达到技术要求为止。进行空运转和负载运转，试验其灵活性、振动、温升、密封性、转速、功率、动态性能。凡要求不发生漏油、漏水和漏油的零件或部件在装配前都需做密封性试验。为了防止不加工面锈蚀和使产品外表美观要进行喷漆和涂油处理。

四、实物成果演示

学生通过亲自动手购买材料，加工零件，组装产品，试运转，收获了成果，感到五年的学习还是有成效的，心理上得到满足。小组成员轮流担任演示员，向评委专家、企业领导、学生家长及学校领导、老师和学生展示自己的成果，向他们解说产品的功能；也是向领导、老师、同学们汇报自己五年来的学习是有效的劳动；还可以把自己毕业设计产品的制作过程用相机录制下来，作为自己就业时的一种很好的推荐材料。

五、成果扩大

经过05级学生的第一次毕业设计的成功，我们对五年制高职毕业设计的前景有了很大的信心；06机电大专我们也选择了10个不同课题，不同的是毕业设计指导老师的经验丰富多了，把05机电学生毕业设计的优缺点分析给06的学生听，让他们在毕业设计中少走弯路；07机电大专也选择了10个不同的课题，他们毕业设计的质量将会越来越高。现在我们的毕业设计成果展览室的样品越来越多，我们诚心地邀请领导、专家和同行们来我校指导、交流。

五、结语

我校机电专业的学生，通过毕业设计，既能符合普通大专生理论毕业设计的要求，又能把五年制高职学生的技能水平展示出来。这向社会说明在职业学校的学习是有很大收获的，展示了高职学校学生的能力，向社会交出了一份满意的答卷。

参考文献：

［1］张桂香主编.机电类专业毕业设计指南.机械工业出版社.

［2］张华主编.电类专业毕业设计指导.机械工业出版社.

［3］孙波主编.机械专业毕业设计宝典.西安电子科技大学出版社.

［4］宋守许，刘志峰，夏链，李军鹏，李旗号.工科大学毕业设计调查及其分析.合肥工业大学学报.

［5］韩晓燕，张彦通，李汉邦.对本科教学工作水平评估中毕业设计评审的分析和建议.高教发展与评估.

篇4

目 录

第1章 前言............................................................. 1

1.1　选题背景. 1

1.2　设计目的. 1

1.3　发展现状和趋势. 1

第2章 机械手各部件的设计. 3

2.1机械手的总体设计. 3

2.1.1　机械手总体结构的类型. 3

2.1.2　具体设计方案. 4

2.2机械手手爪结构的设计. 4

2.2.1　设计要求. 4

2.2.2　驱动方式. 5

2.2.3　典型结构. 5

2.2.4　具体设计方案. 6

2.3机械手手腕结构的设计. 7

2.3.1　手腕结构的设计要求. 7

2.3.2　具体设计方案. 7

2.4机械手手臂构的设计. 8

2.4.1　手臂结构的设计要求. 8

2.4.2　具体设计方案. 8

2.5机械手腰座结构的设计. 9

2.5.1　腰座结构的设计要求. 9

2.5.2　具体设计方案. 9

2.6机械手的机械传动机构的设计. 10

2.6.1　传动机构设计应注意的问题. 10

2.6.2　常用的传动机构形式. 10

2.6.3　具体设计方案. 11

2.7机械手驱动系统的设计. 12

2.7.1　常用驱动系统及其特点. 12

2.7.2　具体设计方案. 12

2.8机械手手臂的平衡机构设计. 12

2.8.1　平衡机构的形式. 12

2.8.2　具体设计方案. 13

第3章 理论分析和设计计算. 14

3.1电机选型有关参数计算. 14

3.1.1　有关参数的计算. 14

3.1.2　电机型号的选择. 16

3.2液压传动系统设计计算. 18

3.2.1 确定液压系统基本方案. 18

3.2.2 拟定液压执行元件运动控制回路. 19

3.2.3　液压源系统的设计. 19

3.2.4　绘制液压系统图. 20

3.2.5　确定液压系统的主要参数. 21

3.2.6　计算和选择液压元件. 26

第4章 机械手控制系统的设计. 28

4.1系统硬件设计. 28

4.1.1 操作面板布置. 28

4.1.2 工艺过程与控制要求. 28

4.1.3 作业流程. 29

4.1.4 控制器的选型. 30

4.1.5 控制系统原理分析. 31

4.1.6 PLC外部接线设计. 31

4.1.7 I/O地址分配. 32

4.2系统软件设计. 33

4.2.1　控制主程序流程图. 33

4.2.2　控制程序设计. 34

结论. 51

致谢................................................................52

参考文献.......................................................... 53

第一章 前言

1.1选题背景

由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。

1.2设计目的

目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动化生产的要求，针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。

1.3发展现状和趋势

目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：

一．机械结构向模块化、可重构化发展。

二．工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。

三．机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展。

四．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；

五．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

总的来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

第二章机械手各部件的设计

2.1机械手的总体设计

2.1.1机械手总体结构的类型

工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：

1.直角坐标机械手结构特点

直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1.a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

2.圆柱坐标机械手结构特点

圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。

3.球坐标机械手结构特点

球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。

4.关节型机械手结构特点

关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。

2.1.2具体采用方案

如图2-2所示机械手模拟工作布局图，根据实际操作的需要，该机械手在工作中需要3种运动，其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动，另一个为手臂的回转运动，因此其自由度数目为3，综合考虑，应选择圆柱坐标机械手结构，其结构简单，工作范围相对较大，且有较高的精度，满足设计要求。

2.2机械手手爪结构设计

2.2.1设计要求

手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。

机械手手爪设计有如下要求：

1、机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。

2、机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。

3、机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。

4、机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。

2.2.2驱动方式

一般工业机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型；按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。

机械手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种：

1.气动驱动方式

这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。

2.电动驱动方式

电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。

3.液压驱动方式

液压驱动方式是利用液压系统进行控制，传动刚度大，可实现连续位置控制。

2.2.3典型结构

机械手手爪的典型结构有以下五种：

1.楔块杠杆式手爪

利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。

2.滑槽式手爪

当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。

3.连杆杠杆式手爪

在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。

4.齿轮齿条式手爪

通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。

5.平行杠杆式手爪

采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，且比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小得多。

2.2.4具体设计方案

结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构形式如图2-3所示：

2.3机械手手腕结构的设计

机械手手腕是机械手操作机的最末端，与手爪相连接，它与机械手手臂配合，使手爪在空间运动，完成所需要的作业动作。

2.3.1 手腕结构的设计要求

1、由于手腕安装在机械手末端，因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。

2、根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。一般情况下，自由度数目愈多，腕部的灵活性愈高，对对作业的适应能力也愈强。但自由度的增加，必然使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。

3、为实现腕部的通用性，要求有标准的连接法兰，以便于和不同的机械手手爪进行连接。

4、为保证工作时力的传递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。

5、要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。

6、手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。

2.3.2具体设计方案

通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）结构见图2-4。

2.4机械手手臂结构的设计

2.4.1手臂结构的设计要求

机械手的手臂在工作时，要承受一定的载荷，且其运动本身具有一定的速度，因此，机械手手臂的设计需要遵循以下设计要求：

1、工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应合理，一般满足其工作空间即可。

2、为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。

3、应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。

4、机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。

5、为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡。

2.4.2具体设计方案

由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件的重量较大（质量达30KG），以及机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性和较高的刚度要求，因此选择液压驱动方式。通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。

由于液压系统能提供很大的驱动力，因此驱动力和结构的强度都较容易实现，其关键在于机械手运动的稳定性和刚度的设计。因此手臂液压缸的设计原则是液压缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。

同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的直径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。

2.5机械手腰座结构的设计

2.5.1腰座结构的设计要求

机械手的腰座，就是机械手的回转基座。它是机械手的第一个回转关节，承受了机械手的全部重量。因此在设计机械手腰座结构时，有以下设计要求：

1、由于腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手腰座的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力，且腰座是机械手的第一个回转关节，它对机械手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度。

2、腰部结构要便于安装、调整。要有可靠的定位基准面和调整机构。且腰座要安装在足够大的基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。

3、腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。

4、为了减轻机械手运动部分的惯量，提高控制精度，要求回转运动部分由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。

2.5.2具体设计方案

腰座回转的驱动形式主要有两种，一是电机通过减速机构来实现，二是通过摆动液压缸或液压马达来实现。考虑到腰座是机械手的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。因为电动方式控制的精度高，结构紧凑，不用额外设计液压系统及其辅助元件。由于电机都不能直接驱动，并考虑到转速以及扭矩的具体要求，故采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。由于齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故仅采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小传动误差，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具体结构如图2-5所示：

2.6机械手的机械传动机构设计

2.6.1传动机构设计应注意的问题

由于传动部件直接影响着机械手的精度、稳定性和快速响应能力，因此，在设计机械手的传动机构时要注意以下问题：

1、机械手的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小，以提高机械手的运动速度及控制精度。并在传动链及运动副中采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差。

2、尽量减少系统运动部件的静摩擦力，而正摩擦力为尽可能小的正斜率，以消除爬行现象，增加系统寿命。

3、尽量缩短传动链，提高传动与支承刚度。

4、选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。

5、适当的阻尼比。阻尼比越大，零件产生振动时最大振幅越小，衰减越快。但大的阻尼会使系统误差增大，精度降低。故应采取合适的阻尼比。

2.6.2常用的传动机构形式

常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、链传动、同步带传动等。

1.螺旋传动

它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。

2.齿轮传动

在机械手中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。

齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器，用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动时，齿轮传动形式及其传动比必须是最佳匹配，应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出则为低转速，高转矩，且系统要有足够的刚度。同时，为保证在同一驱动功率时，其加速度响应最大，还要求其转动惯量尽量小。为使系统稳定，不产生传动死区，要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮，并采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性，降低成本。

3.链传动

在机械手中链传动多用于腕传动上，为了减轻机械手末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。

4.同步带传动

同步带传动是综合了普通带传动和链传动优点的一种新型传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，在带的工作面及带轮外周上均制有采用承载后无弹性变形的高强力材料制成啮合齿，通过齿间啮合进行传动。其特点是传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机械手中使用很多。

2.6.3具体设计方案

因为选用了液压缸作为机械手的手臂，它既是关节结构，又是动力单元，因此不需要中间传动机构，既简化了结构，又提高了精度。而其腰座的回转采用步进电动机驱动，而电动机不能作为直接驱动元件，因此为取得较大的转矩，经分析比较，选择圆柱齿轮传动。为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，以较大的降低电机转速，使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。

2.7机械手驱动系统设计

2.7.1常用驱动系统及其特点

工业常用驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。

1.液压驱动系统

具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动、精度高等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机械手。

2.气动驱动系统

具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机械手中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中。

3.电动驱动系统

具有使用方便，噪声较低，控制灵活等特点。这类驱动系统不需要能量转换，但大多数电机后面需安装精密的传动机构。

2.7.2具体设计方案

在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素，机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，因此采用步进电动机来实现。由于手臂采用液压缸，故用液压驱动。随着机床加工的工件的不同，手臂伸出长度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。而手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。

2.8 机械手手臂的平衡机构设计

直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机械手可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。关节机械手手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。

2.8.1平衡机构的形式

1.配重平衡机构

这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机械手手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机械手手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。

2.弹簧平衡机构

弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。

3.活塞推杆平衡机构

活塞式平衡系统分为两种，一是液压平衡系统，二是气动平衡系统。其中液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；而气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。

2.8.2具体设计方案

因为本机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机构进行平衡。

第3章 理论分析和设计计算

3.1电机选型有关参数计算

3.1.1有关参数的计算

1.若传动负载作直线运动（通过滚珠丝杠）则有

具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。

因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；

3.1.2电机型号的选择

根据以上计算结果，并综合考虑各方面因素，决定选择北京和利时电机技术有限公司（原北京四通电机公司）的步进电机，具体型号为：

110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301，该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好，各项参数如表3-2。

其中 110BYG550B-SAKRMA-0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。如图3-3所示

驱动方式为升频升压 ，步距角为0.36°。同时因为腰部齿轮传动比为1：120，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的1/120（理论上），虽然实际上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相当高，完全满足机械手的定位精度要求。

3.2液压传动系统设计计算

3.2.1确定液压系统基本方案

液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，液压缸实现直线运动，液压马达实现回转运动。二者的特点及适用场合见表3-1：

因为机械手设计为圆柱坐标形式，且具有3个自由度，一个为腰座的转动，两个为手臂的移动自由度。同时考虑机械手的工作环境和载荷对其布局和定位精度的要求，以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。

3.2.2拟定液压执行元件运动控制回路

液压执行元件确定后，其运动速度和运动方向的控制是液压回路的核心问题。

速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速；方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。

本设计的速度的控制主要采用节流调速，利用用比较简单的节流阀来实现，而方向控制采用电磁换向阀来实现。

3.2.3液压源系统的设计

液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。

油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。

本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀V1来调定系统压力。为了保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。

3.2.4绘制液压系统图

本机械手的液压系统图如图3-2所示（详见图纸第四页），

它拥有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。

其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。

考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5DT得电时，工作液体经由节流阀V5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。

另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用V2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。

3.2.5确定液压系统的主要参数

液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。

1.计算液压缸的总机械载荷

3.液压缸主要参数的确定

考虑到机械手的特点，系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此，先从刚度角度进行液压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性和安全性。至于液压缸的工作压力和缸的工作速度，放在液压系统设计阶段，通过外部的液压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑各方面的因素，初步确定各液压缸的基本参数如下；

因为伸缩缸的作用主要是实现直线运动，在其轴向上并不承受显性的工作载荷（因为手爪夹持工件，受力方向为垂直方向），轴向主要是克服摩擦力矩，其所受的载荷主要是径向载荷，载荷性质为弯矩，使其产生弯曲变形。而且因为机械手要求具有一定的柔性，水平液压缸活塞杆要求具有比较大的工作行程。同时具有比较大的弯矩和比较长的行程，这对液压缸的稳定性和刚度有较高的要求。

因此，在水平伸缩缸的设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理的结构布局设计，使其具有尽量大的刚度。为了达到这个目的，设计中采用了两个导向杆，以满足长行程活塞杆的稳定性和导向问题。另一方面，为增大结构的刚度和稳定性，将两个导向杆与活塞杆布局成等边三角形的截面形式，以增大抗弯截面模量，也大大增加了液压缸的工作刚度。

因为垂直液压缸所承受的载荷方式既有一定的轴向载荷，又存在着比较大的倾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作为液压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。这里同样采用了导向杆机构，围绕垂直升降缸设置四根导杆，较好的解决了这一问题。

4.液压缸强度的较核

（1）活塞杆直径的较核

3.2.6计算和选择液压元件

1. 控制元件的选择

根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。

2. 液压泵的计算

第4章 机械手控制系统的设计

4.1硬件设计

4.1.1操作面板布置

操作面板布置如图4-2所示：

机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。

1.手动操作：就是用按钮作机械手的每一步运动进行单独的控制。当选择升／降按钮时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手上升。当选择正转/逆转按钮时，按下启动按钮，机械手顺时针转动，而按下停止按钮时，机械手逆时针转动。同理，当选择夹紧/放松按钮时，按下启动按钮，机械手爪夹紧，而按下停止按钮时，手爪松开。

2.自动操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手的动作将自动的、连续的周期性循环。在工作中若按下停止按钮，机械手将继续完成一个周期动作后，回到原点位置。

4.1.2工艺过程与控制要求

机械手的动作有腰座的旋转，垂直手臂的升降，水平手臂的伸缩及手爪的夹紧与松开。手臂垂直升降和水平伸缩由液压实现驱动；手爪的夹紧与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现；腰座旋转通过步进电动机与齿轮来实现。

其中，液压缸由相应的电磁阀控制，升降分别由双线圈的两位电磁阀控制，当下降电磁阀通电时，机械手下降；断电时，机械手下降停止；当上升电磁阀通电时，机械手上升；断电时，机械手上升停止。而水平方向的伸缩主要由电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器构成的回路进行调节控制。

实现执行手爪夹紧与放松的柱塞缸，由单线圈的电磁阀（夹紧电磁阀）来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，手爪闭合。

当机械手旋转到机床上方，并准备下降进行上下料工作时，为了确保安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才允许机械手下降进行作业。同时，从工件料架上抓取工件时，也要先判断料架上有无工件可取。

4.1.3作业流程

机械手工作流程如图4-1所示：

从原点开始，按下启动键，且有上下料命令，则水平液压缸开始前伸并进行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同时张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同时手爪夹紧，抓住工件； 上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止； PLC开始输出高速脉冲，驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动； 接着下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后，碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，机械手到达卡盘中心高度； 机械手开始水平定位后缩，将工件装入机床卡盘； 当工件装入到位后，卡盘收紧； 机械手松开手爪，准备离开； 接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止； PLC启动高速脉冲驱动机械手作顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动，机械手回到原点待命； 机床进行加工。

当数控机床加工完一个工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，PLC马上输出脉冲驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动； 下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降且张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止且手爪夹紧，夹紧已加工好的工件；机床卡盘松开； 机械手开始前伸，将工件从机床上取出，准备运走； 上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止； PLC输出高速脉冲，驱动机械手顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动； 下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止； 接着手爪柱塞缸电磁阀通电，手爪张开，放下工件准备离开； 接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同时手爪也闭合复原； 接着机械手水平手臂开始后缩，准备回原点，当后缩到位时，后缩停止，机械手回到原点，一个上下料过程结束； 机械手在原点等待命令，准备下一个工作循环。

机械手的每次循环都从原点位置开始动作。

4.1.4控制器的选型

机械手控制系统的硬件设计上考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元件连接的灵活性和方便性，控制器应选择有极高可靠性、专门面向恶劣的工业环境设计开发的工业控制器---PLC，故选择在国内应用较多的西门子S7-200型PLC。具体型号为SIMATIC S7-200 CPU224。如图4－3所示：

该PLC集成14，输入/10，输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，具有16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。

4.1.5控制系统原理分析

由于机械手作业时，取、放工件和装、卸工件都有较高的定位精度要求，所以在机械手控制中，除了要对垂直手臂、执行手爪液压缸和腰部步进驱动进行开环控制外，还要对水平手臂进行闭环伺服控制。

为了减少PLC的I/O点数，以伺服放大器作为闭环的比较点。伺服放大器具有传感器反馈输入端，给定的输入信号和反馈信号进行比较后形成的控制信号经过PID调节和功率放大后，驱动电液伺服阀对液压缸进行伺服定位。PLC将上位机输入的给定信号转换为电压信号，输出至伺服放大器，由伺服放大器作为闭环比较点，组成模拟控制系统，如图4-4所示：

这种方案使得PLC控制量少（尤其是模拟量），节省了系统资源，而且编程简单，不必过多考虑控制算法等优点，也是完全能满足工作要求的。

4.1.6 PLC外部接线设计

为实现水平手臂液压缸伺服定位的控制要求，利用西门子SIMATIC S7-200 （CPU224）PLC，考虑到位移传感器和伺服放大器工作采用的都为模拟量，因此增加一个模拟量输出模块EM232。鉴于伺服放大器和位移传感器对输入的要求，PLC的模拟量采用-10V~ +10V输入输出，各输入输出点及其接线如图4-5所示。

PLC的具体硬件接线图如下图所示（详细的硬件设计见图纸）

4.1.7 I/O地址分配

详细参见表4-1、4-2：

4.2软件设计

4.2.1控制主程序流程图

机械手控制主程序流程图如图4-6所示：

结 论

本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。

机械手采用可编程序控制器控制，可以实行手动调整、手动及自动控制。系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对I/O点的接线稍作修改，或对I/O重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

综上，经过资料的收集、方案的选择比较和论证，到分析计算，再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大学四本科阶段的知识有了一个整体的深层次的理解，同时对工程的理解更加深刻和准确。因此，通过毕业设计实现了预期目标。

致 谢

经过一段时间的努力，本次毕业设计终于完成。在这段时间里，我运用大学所学知识，通过对本设计的论证、计算以及图纸的绘制，对大学所学知识进行了一次系统的整合，使自己的理论和实际动手能力有了很大提高。

此次毕业设计能够顺利完成，我得到了很多老师和同学的帮助和支持，在此向他们表示感谢。在此毕业设计过程中，尤其要感谢我的指导老师，他给我很多专业方面的帮助，让我少走很多弯路。还有在大学里所有的任课老师和图书馆的管理老师，也谢谢你们，是你们给我知识，谢谢！

此外，由于个人知识能力水平有限，论文中难免有纰漏错误指出，恳请各位老师批评指正，谢谢！

参考文献

1．付永领， 王岩， 裴忠才. 基于CAN总线液压喷漆机器人控制系统设计与实现. 机床与液压. 2003， (6): 90~92

2．刘剑雄， 韩建华. 物流自动化搬运机械手机电系统研究. 机床与液压. 2003， (1): 126~128

3．徐轶， 杨征瑞， 朱敏华， 温齐全. PLC在电液比例与伺服控制系统中的应用. 机床与液压. 2003， (5): 143~144

4．胡学林. 可编程控制器(基础篇). 北京: 电子工业出版社， 2003.

5．胡学林. 可编程控制器(实训篇). 北京: 电子工业出版社， 2004.

6．孙兵， 赵斌， 施永康. 基于PLC的机械手混合驱动控制. 液压与气动. 2005， (3): 37~39

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9．陈铁鸣， 王连明， 王黎钦. 机械设计(修订版). 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社， 2003.

10．李建勇. 机电一体化技术. 北京: 科学出版社， 2004.

11．王孙安， 杜海峰， 任华. 机械电子工程. 北京: 科学出版社，2003.

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摘 要：为了培养卓越人才的创新创业能力，以项目为主线、教师为主导、学生为主体，通过项目驱动能力培养，同时为产品衍生项目。让学生在工程实践项目的研发过程中培养发现问题、分析问题、解决问题的能力。实践证明，项目驱动方式更容易激发学生的创新创业能力。

关键词 ：创新创业；实践教学；项目驱动

中图分类号：G644文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）08-0244-02

基金项目：福建省教育科学“十二五”规划项目重点课题（No。 FJJKCGZ14-066）； 厦门市教育科学“十二五”规划2014年度立项重点课题（14003）

1 引言

作为一所亲产业大学，我校一直注重学生创新能力的培养，强化“关产业痛痒、应产业所求、纳产业精华、为产业服务”的亲产业办学理念，树立“面向工业界、面向未来、面向世界”的工程教育宗旨，以海西工业企业的发展需求为导向，通过与先进企业开展“互利双赢”的校企合作，共建以实际工程为背景、以工程技术为主线的卓越工程师联合培养体系，着力提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力。

特别是我校作为卓越工程师试点培养高校，坚持以学生为本，知识、能力、素质协调发展的理念，紧密结合地方经济发展的实际需要，秉承我校“知行合一 工学结合”人才培养模式，构建以就业为导向的实践性、创新型、应用型人才培养体系，为机械行业培养定位清晰、特色鲜明、创新素质高、动手能力强、勤劳务实的高级专门人才。

2 学科竞赛与创新实验项目结合，创新创业有机结合的教学体系

建立了与地方业界共建多赢的长效机制。各专业组建了有业界精英和外校专家参与的专业建设指导委员会，每年还聘请企业技术、管理骨干来校兼课、指导实习和毕业设计（论文）。如图1所示项目驱动下创新创业能力的培养体系，形成多种校企合作模式。学校现已形成三种校企合作模式：一是共建实验实训场所，如PLC控制实验室、全自动机械手研发实验室、数控技术实验室等。二是项目带动人才培养，如全液压干冰成型机、威盛叉装车工作装置研制等，人才培养；三是共建校外实践基地，如松霖科技、厦工机械、东风汽车股份有限公司、冠捷科技有限公司、路达科技有限公司、林德叉车等一批知名企业，在实践环境、工程项目和指导力量等方面，为学生开展实践活动提供条件。

3 创新创业实践教育

为了把创新创业教育落到实处，在实践教学中，为学生开辟设计型和综合型的实验，在项目的带动下进行实验教学；充分结合学科竞赛，锻炼和培养学生的独立的创新创业能力。

实践教学目标并结合自己的研究方向和课题引入项目的内容并将项目合理地分成若干教学模块（子项目、任务），以“项目为主线、以完成任务为‘驱动’、教师为主导、学生为主体”，充分利用各种先进的教学手段和方法，创设任务情境，为学生提出由表及里、循序渐进的学习途径，充分调动学生学习的积极性，让学生在完成任务的同时掌握最新的、实用的专业知识并充分利用课程设计、生产实习、毕业设计等环节，让学生连贯起来获得实际工程项目的从分析、设计到实现的完整过程的训练给学生提供参与科研项目的机会，划分部分任务让学生完成，使学生能够理论联系实际，激发学习兴趣，提高学生动手能力。如图2所示。

让学生参与各项机械创新设计大赛、无碳小车比赛、挑战杯、方程式赛车等具体项目中来。它以学生主动性学习为基础，要求学生当主角、由学生通过实际动手操作、解决实际工程问题的实践来学习优化设计知识和技能。它给学生的主动性更大，使学生通过自身的经历了解优化过程的行进，在设计具体实例的过程中主动地去学习优化知识，从而学会运用优化知识。鼓励学生参加各种竞赛如挑战杯赛，机械创新设计大赛，无碳小车比赛、挑战杯、方程式赛车比赛、电子创新设计大赛和机器人大赛等，强化、培养学生的创新意识、创新能力、工程意识以及科研开发能力。向学生开放实验室，提供良好的实验条件，让学生动手实践，达到理论与实践交融的教学目的。

4 效果与特色

学生在创新实验项目中，根据自己的兴趣爱好制作小型产品。在机械创新设计大赛中学生的工程实践能力得到了很大的提升，如图3所示在机械创新设计大赛中设计的教学用箱式全息投影仪及自动伸缩桌子。特别是学生在参与实践项目的设计研发过程中，把所学的知识应用到工程实践中解决问题，跟着工程师和老师学到了很多书本上或课堂中老师没讲的知识，如图4、5所示学生在现场进行工程实际项目的研发及产品的调试工作；同时从实践工程中检验自己所学的理论知识。学生发现在学校所学的理论知识要应用到实践问题中，有很大的差距，如何灵活应用自己所学的专业理论知识来分析和解决实践问题，那才是最关键的。在这些实践过程中，同学们体会到了收获了成功的喜悦和自信，进一步激励他们参与到实践课题的研究中，这样不断的形成良性循环，激发学生的创新创业能力的培养。毕业跟踪调研发现：参与这类实践项目的学生，在工作中实践中发现问题、分析问题、解决问题的能力较强。所以很多用人单位提前主动联系高校，预定创新创业能力强的学生。图所示是学生根据自己在机械创新设计大赛中的产品，申请授权了相应的实用新型专利。

5 结论

创新创业教育需要高校的建立起长效的培养机制，并把每个教学实践过程落到实处，那学生的创新创业能力才得以激发和培养。让学生主动带着问题去学习，在解决问题的实践过程中挖掘和梳理理论知识。不到形成良性互动循环过程。

参考文献：

（1）林桂娟。《机械优化设计》课程的项目驱动式教学方法探讨[J]。赤峰学校学报（自然科学版），2014，（20）：256-257.

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【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)09(a)-0040-01

德国的整个教育是以职业教育为重点的结构体系。职业教育的线路从中学开始,延伸到终生教育。其职业性特色以及其规范性、严密性等方面在世界上都是首屈一指的。德国把职业教育当作自身经济发展的“秘密武器”。德国的自然资源并不丰富,但他们以提高人的素质来弥补。在操作上,按照德国职业教育法的规定,严格把住“就业者必须先接受正规的职业教育”这一关,青年们不经过正规职业培训,不准进入职业生涯。另一方面,德资在华企业迫切需要这种既懂德语,又懂专业技术的FH高级应用型人才。自1998年始,上海―德国汉堡友好城市文化交流项目:上海汉堡国际工程学院的合作办学项目招生。学生毕业时可获得上海理工大学毕业文凭和附有德国教授签名的成绩单。由于项目已通过ASIIN(德国工程学科专业认证机构)的认证,合格毕业生不出国门即可获得中、德双学士学位。

目前,已有数届毕业生进入德资企业,并成为企业的骨干。他们大都具有较强的德语交流能力、较强的工作适应能力和一定的科研开发、技术应用和组织管理能力,能从事引进技术的消化吸收,新技术的应用开发等工作,并能直接运用德语和德方工程技术人员进行工作交流。还有相当数量的毕业生选择直接赴德国进一步深造。

德国的职业教育水平在世界上都是首屈一指的。结合我国国情,其经验有许多是可以借鉴的。上海理工大学中德学院在整个教学过程中采用FH高级工程应用型人才教育模式。

1 动态调整课程的设置

中德工程学院的专业以工程科学为主体,注重学科交叉,同时赋予学生经济管理与信息技术等知识,以此培养学生跨学科的专业能力。 在借鉴德国应用科技大学应用型工程教育成功经验的基础上,中德双方专家按共同制订的教学计划联合培养学生。通过对课程及教学计划的不断动态调整,使课程设置更加合理,适应专业及技术的发展。每学期通过专家(包括德方的评估专家)与学生对课程的评价来决定每门课程的舍取。这样能不断淘汰不实用的或陈旧的教学内容,充实实用、较先进的教学内容与课程,例如我们在教学计划中取消某些课程,或在减少一些课程的课时的基础上,根据德方评估专家的意见增加了“现场总线与网络”、“电磁兼容性”“项目设计”等课程;又如根据学生反映在第二学年的一学期直接由德国教授用德语执教“电路分析”及“C语言程序设计”课程,学生学习困难较大,就在第一学年的二学期增设了“电路1”“C语言实习”等中文课程,取得较好的教学效果。

2 强化外语教学

实行中德双语教学,为此目的,专门安排近1200学时的德语学习,另外还安排300学时以上的英语教学。?中德工程学院的教学目标是为中德两国企业经济界培养应用型国际化人才。学生通过四年本科学习,必须能用德语和英语进行跨国交流,在本专业领域具有一定专门知识,并基本通晓国际行业及其它相关领域的规则。

重视德语与英语教学,新生入学第一学年中,第一学年主要强化德语学习,德语授课为20人左右的小班,全学年有1080学时(周学时28)德语强化学习,师资由中德双方提供。在后续教学中,德方教授以德语讲授约三分之一的专业基础课程及专业技术课程。此外,大一、大二暑期择优选取约60%的学生赴德国进行语言培训。

经过一年的德国语言强化训练每班均有95%的同学能一次通过德国歌德学院德语语言考试,能听懂德国教授的用德语上的专业课,并能用德文进行交流。中德合作教育对英语教学也十分重视,从第二学年开始,每学期均开设英语课。

3 重视实践与计算机辅助教学

在教学计划中,特别强调学生在整个学习过程中的实习环节。德方教授十分重视理论联系实际,理论教学的内容并不深,但与实践紧密联系。在实验教学中刻意模拟企业的实际工作现场及实际应用。同时每门课程均引入了计算机辅助实验教学或计算机仿真。在第四学年开设“综合项目设计”课程,并推荐所有的学生到德资企业实习,有相当部分的学生实习后继续留在实习单位进行毕业设计。而绝大部分同学完成毕业设计后留在该企业工作,这时学生对该企业的工作岗位已经相对熟悉了。

学生的毕业论文题目大多来自生产实践第一线,少数在校内完成的课题也为学生提供了较好的实践环境,以04届毕业生为例,学院为学生配备了价值近十万的计算机和现场总线等设备。组合各专业的学生,进行专业分工分别完成传输带、机械手设计及计算机编程与控制等任务。最后,学生的毕业论文必须分别通过中方(用中文)和德方(用德文)答辩。

4 引进优胜劣汰的竞争机制

中德合作培养的学生要求在第一学年结束后参加德语言能力考试(包括口试、笔试),不及格的学生允许再补考一次,若补考不及格将不能授予德国学位。同样一门课程三次补考不及格,也不能授予德国学位,并允许不能授予德国学位的学生转读普通班(非中德合作班)。另外,每年都有一定比例优秀学生经德方面试赴德国的知名企业实习。学校和一些德企还给予优秀学生奖学金和助学金。

其他的一些措施还有为每门外教课程配备中方助教;学生实习与毕业设计由企业工程师、德方教授和中方老师共同指导、监督。每年选派中方教师赴德进修或合作开发项目,加强校企联系,聘请在华德资企业的专家用德语作技术讲座等等。

此外学校还十分重视的毕业生的推荐工作。每年与德国商会合作组织在华德资企业举办招聘会等。

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力学课程是学生在大学阶段接触到的第一门与工程实际相结合的课程，其工程实践性强，是工科机械类学生进行后续课学习及从事设计工作所需知识的必备课程。力学经过100多年的积累与沉淀形成了比较经典的理论体系，但工程实际中的仍有一些问题无法得到精确解和完备的理论解释。随着近代计算力学的发展、计算机技术与数学的发展，在工程设计中，一些新的设计方法日趋完善与经典力学相互应证，在现代复杂工程设计中充当了重要的角色。材料科学日新月异的飞速发展，使新兴材料的力学性能与传统材料产生了很大的差别。这些相关学科的发展都极大的推进了力学的发展，如何在非力学专业的机械类学生中进行力学课程的教学，在发展的时代面前面临新的问题。

我校是以应用型人才培养为目标，注重培养学生的工程素养，课程组就基础力学教学与工程应用及工科大学生素质能力培养体系展开研究，围绕学校办学特色，结合机械工程、车辆工程、材料工程专业特点，在基础力学教学中提出“课程体系贯通化、求解问题工程化、工程构件模型化、教学手段多样化、经典力学柔性化、反映学科现代化”的建设目标，并实施了改革实践，突出培养学生的实践应用能力、抽象简化能力、初步的科学研究能力和综合的工程素质。

一、课程体系贯通化

（一）调整教学内容，实现力学课程体系与其它课程贯通

我校机械类工科专业在力学课后会开出机械原理、机械设计、汽车理论、汽车设计等专业课，这些课程用到大量的力学知识，而以学科划分的课程不能反映出学科间的相互联系与变化，造成课程体系僵化、课程内容重复、课程信息陈旧等问题。通过调研基础力学先修课和后续课的教学内容，适当打破原课程体系的严格界限，建立贯通化课程体系，对基础力学课程的教学内容进行有机组合和优化。对于同一类教学内容或采用合并或在力学教学中只简单复习不再深入讨论。重点与后续专业课的某些知识点建立联系，将后续课程的研究对象引入力学课堂，这样，学生在后期的学习中其所用的理论分析体系已经熟悉，专业课的再次提及既可强化简力学应用，又可减少理论分析时间，为学生学习专业课夯实力学基础。

（二）确立“三年力学学习不断线”渗透式的教学体系

大学二年级通过两门基础力学课程学习力学基本理论和方法，融入力学竞赛与力学小课题。大学三年级在有限元法基础与应用课程中进一步深入力学模型的概念，结合工程实例介绍力学模型构建的思路，并通过典型的力学模型的理论解与仿真结果对比，提高学生的仿真和力学应用分析能力。同时成立CAE课外兴趣小组，对学生实行个性化培养。大学四年级将力学课题渗透到课程设计、毕业设计课题中，进一步强化力学在工程实际中的应用。

二、求解问题工程化

力学问题来源于实践，回归于实践。将力学理论紧密结合实际问题是其立足之本。

（一）深入实际进行调研

通过往届毕业生的“基础力学教学与工科大学生工程素质的培养研究”调研表，了解毕业生从事的工作中运用力学知识的重要程度、应用的重点内容、应用中理论的充足性以及毕业生对基础力学课程教学内容的建议，收集他们在工作中应用力学知识解决实际问题的实例。通过分析总结课程组进一步增强了基础力学教学改革及培养学生工程应用能力与创新能力的信心。同时对奇瑞汽车公司、东风有限商用车技术中心CAE室等单位进行了调研，了解汽车生产中较为集中的力学设计计算内容及设计部门对基础力学教学的建议，了解CAE室最新发展状况，收集生产部门的具体力学实例，掌握力学在生产实际与前沿研究中的应用，积累了大量的工程素材。

（二）建立工程实例素材的共享库

通过教师的教学实践和科研成果的资料收集，整理出上百个与机械和汽车相关的工程实际问题及其力学模型，包含生活领域及自然界中与力学问题有关的趣味例子，形成较为丰富的课程资源库。这些资源可直接用于教学，为每一章新内容的引入与理论应用提供了良好的工程平台，由于学生学习目的明确，易于接受，使较为严谨的力学课堂教学吸引力有了极大提升。同时，该工程实例库面对全体课程组教师实现教学资源共享，不同的经验可以相互借鉴，为教师整体教学水平的提高和团队以老带新打下良好基础。

（三）根据自身特点，编写出版教材

为突出课程培养特色，课程组在配套十一五优秀教材的基础上，编写工程针对性强的习题册。一些习题来源于工程实际设计课题，涉及车辆部件、机床结构、机械手、加工工装及工艺等。习题册内同时增加一部分有一定深度题目，也涉及实验测设方法与理论分析相结合的实验方案确定问题，强化实际应用，拓展学生的思维，培养学生的研究能力。

三、工程构件模型化

力学建模是联结力学与工程应用最为重要的纽带，其重要性毋庸置疑。基于这点共识，工科高校也纷纷开设力学建模的讲座或课程。因此，课程组在课程中为力学建模设置单独教学单元，就模型简化的载荷处理、约束处理、等效替换等问题通过实例进行分析。同时，本课程组提出“力学建模贯穿式”教学，该模式符合“三年力学学习不断线”的教学体系。即在基础力学学习中，采用概念实例力学模型的教学模式展开，力学模型描述的内容含有构件的几何、材料、受力和约束模型。而工程结构力学模型的参数估计和模型的检验在后续有限元法课程中将涉猎。

四、教学手段多样化

针对教学手段以“处方式”为主、学生“按方取药”，建立了“课内与课外相结合、多媒体与板书相结合、理论与实验相结合”的教学模式。

（一）课内与课外相结合

课内教学坚持以学生为主体，教师为主导的原则，在教学手段方面形成了基础力学课程的教学特色，即基于基础原理传授式教学、基于工程背景启发式教学、基于力学专题研究型教学、基于思考题讨论式教学。在夯实第一课堂的基础上，大力拓展第二课堂，鼓励学生不满足书本上的知识，积极进行课外研究。1）建成基础力学教学网络平台。开发了一套具有不同教师个性化的、能反映教学过程管理和监控的网上辅助教学系统。该教学平台包括隶属于每位教师的教学资料、教学管理信息，以及课程公共的资料信息，能够构建基础力学课程的课后学习及教师日常教学管理等环境。考虑到力学系列课程的建设，网站除了开辟了理论力学，材料力学课程外，还增设了流体力学和有限元法基础等课程。课程网站建设的除包括基本的课程简介、教学大纲、授课教案、网络课件、教学录像、力学实验外，还包含力学论文、力学自测题、趣味力学、力学小课题和力学名人新颖的内容。为学生课外复习课堂内容，学习课程相关知识提供了便利的条件。2） 开展力学竞赛。为提高工科学生力学知识水平及应用能力，巩固所学的基础知识、活跃思维和激发钻研力学问题的热情，课题组每年举办力学竞赛。竞赛增进了学生对力学学习和研究的兴趣，促进了基础力学的教学改革。3）考研单独辅导。基础力学两门课程是工科类学生考研的专业课，分值高达150分。课题组教师收集了各个学校的考研试题，分析总结了试题的知识点、分值分布和解题方法，对需要的学生进行单独辅导。4）开展力学小课题的活动。充分考虑学生个体化差异，实现常规教学与个性培养相结合、课内和课外相结合的教学模式，着力培养和提高学生的创新能力和综合应用能力。力学小课题融新颖、灵活、趣味于一体，理论联系实际、包括讨论题、设计题、利用计算机求解的问题等。

（二）多媒体与板书相结合

课程教学中，采用传统的黑板教学和现代多媒体技术相结合，利用现代计算机数值模拟仿真动画技术，直观揭示构件各种变形下的应力分布规律、变形特点等；通过启发式教学，揭示知识发生过程。例如，在讲解应力集中问题时，由于缺乏相应的配套实验，学生往往很难理解。利用通用有限元分析软件能够模拟出带小圆孔方板的应力分布图，同时还可以引导学生分析孔的大小、形状及位置与应力集中的关系，如图1。对于某些强调学生思考的问题，可以在黑板上逐步进行引导，让学生给出求解思路和方法，这样的方式互动性强，促进学生主动思考。

（三）理论与实验相结合

除开出教学基本要求的实验外，实验室实行分期全天开放，为学生提供可选做的实验项目，学生可也利用实验设备，自行验证理论、设计实验。实验教师开发出新的设计性实验项目，实验内容注重工程背景、追求真刀真枪、突出学科交叉。如：闭口方钢的性能测试及数值模拟分析，槽钢的性能测试及数值模拟分析等，通过理论计算、电测试验和仿真模拟，研究结构在变形时的力学性能和特点。在理论层次、实验方法设计层次方面对学生的实践应用和研究能力都有一个大的提升。

五、经典力学柔性化

专业基础课要“厚”，不仅体现在课程本身的教学内容上，还涉及科研精神的培养与教学中体现的人文精神。

（一）实现基础力学课程的模块化教学，由1+1变为2+2。尝试多学时力学课程分模块化教学

使学生分阶段重点掌握知识内容，易于学习消化，易于监督检查，在一定程度上防止了学生前期懒散最终一次性复习的不良习惯，培养学生持之以恒进行科学研究的工程素质。经过三轮教学实践，考试成绩分析及试卷分析报告说明：实施模块化教学能更加全面的考察学生对课程的掌握情况，学生前期内容明显掌握扎实，避免了大学分课程一次性考试刚度过大的问题，同时帮助学生逐步养成脚踏实地、坚持不懈的优良学习习惯，逐步建立做人做事上不要投机取巧的思维模式。

（二）在经典力学教学体系中引入人文教育

力学课程内容严谨、逻辑性强、推到繁杂，学生学习有一定的难度。在授课中适当介绍本学科相关历史和发展进程及关键人物。如，讲胡克定律时介绍中国古代郑玄的贡献；讲梁的合理截面时介绍中国古代对矩形截面梁高宽比的认识；讲梁弯曲时介绍圣维南的贡献等。学生在学习力学知识的同时，对其发展过程有初步的了解，认识前人在学科发展中探索研究的艰苦历程和学科发展史与人类文明史之间的关系，激发学生学习兴趣和探索钻研精神。

六、反映学科现代化

笔者认为将课程的前沿内容引入到教学中是对教师能力的一个极大挑战。现代科学发展迅猛，一些传统的设计方法在碰到复杂大型设计问题上会显得繁杂而无力，在力学学科中新的技术、理论及应用也在不断涌现，其理论新、涉及面广、实用性强。将这些先进的方法融入教学对开拓学生视野无疑具有积极的作用。课程组教师结合自身科研对一些现代先进的科技成果和学科的发展动态适当的增加，如：当代力学计算手段有什么，可以应用到什么方面的设计，引入优化、非线性、有限元分析技术介绍等。在专项内容方面，讲授上除经典理论外，将最新研究成果进行介绍，使学生在这一方面有初步的、较为全面的知识把握。如讲授疲劳内容时，将疲劳的新、旧理论进行介绍，阐明单轴与多轴疲劳应力分析之间的区别与联系，对其应用背景进行阐述。在材料力学性能讲授时，对新兴各向异性复合材料的性能与各向同性经典材料进行对比等。

通过“六化”建设目标的提出和实施，课程组力争全方位构建培养高素质人才的工科力学教学体系。该体系集基础性、层次性、系统性为一体，具有“立足培养目标、突出工程背景、张显与时俱进、强化综合交叉、体现学科成果”五个特点，为理论与实践相结合的工程素质教育培养探索出一条有益的道路。

[参考文献]

[1]李乐山.高等学校进行研究型教学的方法和意义[J].西安交通大学学报,2008,(28).

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1.1.1 课题研究背景

本课题属于设计性课题。21世纪人类已进入信息社会，汽车及交通也已迈入信息时代。当前信息技术在汽车及交通领域中的应用项目相当多，发展速度可以说是“日新月异”,各种媒体多有报道。

可大致归纳为4个方面，即车辆安全系统，网络、通讯及导航系统，智能交通系统和移动多媒体系统。随着汽车的日益普及, 停车场越来越拥挤, 车辆常常需要在停车场穿行、掉头或倒车。由于这些低速行驶的车辆与其它车辆非常接近, 驾驶员的视野颇受限制, 碰撞和拖挂的事故时有发生, 在夜间时则更显突出。车辆安全系统通过应用电子信息技术，使车辆实现高智能化，极大地改善车辆人机系统的安全性，以避免事故的发生和减少伤害程度。

1.1.2 选题的目的及意义

本课题把硬件电路和电路软件有机的结合起来，完成汽车倒车报警系统的设计，能够了解单片机技术的现状，而且通过对电路系统的设计，学习掌握了数字电路从原理图到PCB版的全部过程，形成完善的设计思路以及思想，并通过对汽车倒车超声波报警器的软件设计的过程，锻炼应用C以及相关汇编语言等软件设计电路程序的能力为以后参与实际工作奠定良好的设计基础。

本课题要求使用现在应用非常广泛的计算机软件PROTEL，随着计算机技术的发展，计算机软件在电路设计中的应用越来越广泛， Protel是人们熟悉的常用EDA软件。作为电路设计自动化（EDA）的一种工具，Protel应用于电路原理图设计、电路板设计等，它基于Windows环境，功能强大，人机界面友好，能让人们在具有最完整的功能环境下，提升设计上的品质和效率。本课题将要求Protel在电路设计中的应用，包括电路原理图设计和印刷电路板设计以及设计过程中遇到的问题和解决方法。这样使学生也能将所学与所用有机结合起来，在步入工作岗位之前得到全方位的工程设计训练。

通过对汽车倒车报警电路的设计能初步具有用PROTEL软件设计电路原理图以及电路版图的能力。与实际电路相结合，通过理论联系实际的方法，使所学的知识通过自己设计思考真正应用到实践中。

微波探测技术在军用和民用领域里的广泛使用，使得通过这次毕业设计所学到的此方面的知识将会有很强的实用性。本设计要求对汽车倒车超声波报警器进行硬件设计，可以通过完成本次设计，练习PROTEL软件的使用，增加硬件设计的经验。

随着社会进步，经济发展，人民生活水平的不断提高，拥有汽车的家庭逐渐增多，交通问题也同时出现了：交通拥挤，各种不同的场合停车、倒车困难。许多非职业汽车驾驶员更是希望能有一种汽车倒车报警器，在倒车时不断测量汽车尾部与其后面障碍物的距离，并随时显示其距离，在不同的距离范围内发出不同的报警信号，以提高汽车倒车时的安全性。

汽车倒车超声波报警器设计就是为了确保驾驶员和汽车的安全，使驾驶员在倒车时能明确与后面车辆、建筑的距离，确保倒车的安全。它具有显示功能，能够客观显示车后物体与车尾之间的距离。它可望成为新手驾驶员，以及后视不良车辆如大货车、公共汽车、集装箱车等车辆驾驶员倒车的好帮手，也可用于夜间辅助倒车及倒车入库。

1.2 超声波测距系统研究现状以及存在的问题

1.2.1 超声波测距系统研究现状

随着电子技术的发展，出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前2种方法由于技术难度大，成本高，一般仅用于军事工业，而超声波测距则由于其技术难度相对较低，且成本低廉，适于民用推广。这项技术也可用于工业测量领域。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。随着自动测量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。因此本设计也是利用超声波来测量距离。

1.2.2 探测盲区问题

超声波从发射到接收的时间间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不读取接收器在从发射开始到"虚假反射波"结束的时间段里的信号。这样，就有效的避免了干扰，但另一方面也形成了20cm的“盲区”。此“盲区”很小，对本系统没有影响。

1.3 论文的主要内容

论文将介绍超声波测距系统设计的方案选择与硬件的设计与调试。全文共分为五章，本章介绍了超声波测距系统设计的研究现状和本课题的选题目的与意义；第二章介绍超声波测距系统的总体设计方案，并对每个模块进行了方案论证与选择；第三章介绍了超声波测距系统的原理；第四章介绍了各单元模块的硬件电路设计与实现；第五章介绍了系统的调试过程和调试结果，最后总结了整个设计中有待改进的地方。

 

第二章 超声波测距系统的原理

2.1 超声波的测距原理

2.1.1 测距的电路原理框图

构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路。

采取收发分离方式有两个好处：一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。

根据设计要求并综合各方面因素，选择了西安立宇电子科技有限公司的超声波测距传感器TCT40－16T/R（T表示发射传感器，R表示接收传感器），最大探测距离为6m，发射扩散角为60度。同时，采用单片机作 为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图2-1所示。

图2-1 测距的电路原理框图

通过单片机的I/O口控制超声波发射电路发出40kHz的超声波，与此同时单片机内计数器开始计时；经过延迟后开启超声波接收电路，当接收电路收到经障碍物反射的回波后，计数器计时结束。通过单片机计算出即时距离，在显示电路显示出来，若低于警戒距离则开启报警。

2.1.2 工作原理

人能听到的声音频率为：20Hz~20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波。超声波是一种只有少数生物（如蝙蝠、海豚）才能感觉的机械波，其频率在20kHz以上，波长短，绕射小、能定向传播。

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。

本设计采用的超声波是40kHz。超声波的纵向分辨率较高，对色彩和光照度不敏感，对外界光线和电磁场不敏感，可以用于测量较近目标的距离。本设计采用的超声波传感器往返距离为15m，在有灰尘、烟雾、强磁场干扰、有毒等各种环境下都能稳定工作。

超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于共振法的应用要求复杂。在这里使用脉冲反射式。超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时。超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为C，而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差 就可以计算出发射点距障碍物的距离L。超声波测距的算法原理如图2-2所示：

 

图2-2  超声波测距的算法原理图

计算公式为：

 C= 331. 5 + 0. 607 T                  （2-1）

式中：C为超声波在空气中传播速度；T为环境温度。

        L=                     （2-2）

式中：C为被测距离； 为发射超声脉冲与接收其回波的时间差； 为超声回波接收时刻； 为超声脉冲发射时刻。用单片机可以很方便地测量 时刻和 时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测距离L。

这就是所谓的时间差测距法。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表2-1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

表2-1  声速与温度关系表

温度(℃)  30

 20

 10

0 10 20 30 100

声速(米／秒) 313 319 325 323 338 344 349 386

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距系统的机理。本设计认为在实际使用中的环境温度变化不大，对距离检测精度要求也不高，将超声波波速C认为是不变的常数。

另一种补偿方法就是用查表法，查上面温度与声速的对应表，再适当插值补偿。这种方法精确度较高。在这里考虑到设计上的简易性，没有进行补偿，能达到简单应用的基本要求。

该系统的工作原理：由微机编程送出40kHz频率的方波信号至信号处理器，信号处理器通过两级放大，再经过压电换能器将信号发射出去，该信号遇到障碍物反射回来在此称为回波。同时，压电换能器将接收的回波，通过信号处理的检波放大、积分整形及一系列常见电路的处理，送至微机处理。显示器的声音告警频率、发光二极管方位指示及障碍物距超声波探头的距离显示均由单片机控制。

2.1.3 超声波测距的工作方式

利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法：

•相位检测法，相位检测法虽然精度高,但检测范围有限。

•声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响。

•渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。

本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。在移动车辆中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。

2.1.4 信号处理技术

测量过程是由单片机部分和超声波信号处理电路共同完成的，一次测量的全过程为40ms。发射时，将40kHz的超声波信号和一个同步脉冲信号加到与门，同步脉冲信号通过与门控制发射超声波。单片机将同步脉冲的起始时刻定为 ， 超声波接收电路将接收到的信号加到单片机中，若检测到信号，则记下该时刻 ，由时间差  =    ，即可算得障碍物与超声探头之间的距离。若单片机系统接收不到超声波回波信号，则到40 ms时重复上述过程开始下一轮的循环。

在超声波发出后，如果直接进入检测状态，则势必浪费时间，因为此系统有最小测量距离，当距离最小时，即为时间差 最小，记为  ，所以此时间可以用来处理别的数据。本设计中计算子程序就是在此时间里完成的，这样就节省了一些时间。

2.2 超声波探头的主要作用

•探头是一个电声换能器，并能将返回来的声波转换成电脉冲；

•控制超声波的传播方向和能量集中的程度，当改变探头入射角或改变超声波的扩散角时，可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性，提高分辨率；

•实现波型转换；

•控制工作频率，适用于不同的工作条件。

2.3 小结

本章介绍了超声波测距系统的测距原理、超声波测距的工作方式以及测距中如何进行信号处理优化，并阐述了超声波测距的基本概念理论基础、设计计算的主要方法和内容

第三章 汽车倒车超声波报警器设计方案比较与选择

3.1 汽车倒车超声波报警器的总体方案设计

3.1.1 方案的拟定条件

本设计首先要根据毕业设计任务书中的要求（最大测距6m，最小测距0.20m，显示分辨率0.02m，实时数字显示测得的距离；在不同的距离范围内发出不同的声光报警信号；驾驶员可根据个人需要调整设置报警距离．本报警器与其它报警器相比具有功能多、电路简单、操作简便、工作稳定可靠等优点）来进行器件选择，如谐振频率是多少，带宽为多少，Q值、声压输出、波束指向性、电容、驱动电压、功率是多少才能达到设计要求，在什么样的 环境特性下才能正常工作，市场上是否容易找到，便宜且应用较广否，这些都是需要考虑的问题。只有在这样的条件下，方案才能顺利确定，设计才能顺利展开。

3.1.2 模型的建立

汽车倒车雷达是利用超声波测距原理，不断测量汽车尾部与其后面障碍物的距离，在一定距离范围内给驾驶者以警示，同时由高亮度数码管显示出所测的距离值，提高汽车在倒车时的安全性。超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，可由单片机测出从发射到接收到回波的时间，计算出障碍物到汽车尾部的距离S=CT/2，式中C为超声波波速。尽管超声波波速与环境温度有关，但汽车倒车雷达在实际使用中的环境温度变化不大，对距离检测精度要求也不高，将超声波波速C认为是不变的常数。

测距系统模型应如图3-1所示。

3.2 超声波测距系统的器件选择

3.2.1 微控制器的选择

单片机是本检测系统的核心，它完成系统的功能设定、测量对象选择、信号处理存储、驱动LED显示等功能。起初对于是选择AT89S51芯片，还是AT89C51芯片举棋不定，觉得二者区别不大，后来查阅相关资料发现AT89S51相对于AT89C51增加了很多新功能，性能有了较大提升，价格却基本不变，甚至比89C51更低。

     图3-1 测距模型

•AT89S51支持ISP在线编程功能，串行写入、速度更快、稳定性更好，烧写电压也仅仅需要4～5V 即可。这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，是一个强大易用的功能。而AT89C51只支持并行写入，同时需要VPP烧写高压。

•最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。

•烧写寿命更长：89S5*标称的1000次，实际最少是1000次～10000次，这样更有利初学者反复烧写，减低学习成本。综合上面的一些区别，个人认为89C51的停止使用只是时间问题而已，就象当年的8031。

•内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。

•双数据指示器。

•电源关闭标识及电源范围：89S5*电源范围宽达4～5.5V，而89C5*系列在低于4.8V和高于5.3V 的时候则无法正常工作。

•全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。

•兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

比较结果：就如同INTEL的P3向P4升级一样，虽然都可以跑Windows98，不过速度是不同的。从AT89C51升级到AT89S51，也是同理。和S51比起来，C51就要逊色一些，实际应用市场方面技术的进步是永远向前的。

3.2.2 显示模块器件的选择

在单片机小系统中，显示模块可以反映系统工作和运行结果，在系统中占有相当重要地位。常用的显示有：LED显示和LCD显示。

•LED显示的硬件电路设计简单、价格便宜，缺点是显示消耗的电流较高，体积大，在低功耗手持式仪器中很少使用。

•LCD显示具有低功耗、体积小特点，越来越多地应用于以单片机为核心的便携式仪表和测试仪中。采用LCD来显示检测到的温湿度参数，降低系统功耗。

本设计显示部分采用简单的4位共阳LED数码管，段码驱动用74LS245集成电路，位码用S8550（也可用9012）三极管驱动。

3.2.3 超声波传感器的选择

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

    以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或者超声波探头。

    超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

    超声波探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：

•工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

•工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声波探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

•灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

本次设计就选用压电式超声波发生器，压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图3-2所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会 发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

图3-2  超声波换能器内部结构

超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志（一般器件上有标明是T还是R，T：发射换能器，R：接受换能器）。超声波换能器外部结构如图3-3所示。

 

图3-3  超声波换能器外部结构

每个传感器的中心频率都存在一定的误差，在40kHz左右波动。而且超声波传感器发射波束时存在发散角问题，一般发散角都比较大，从而导致了方向性较差。同时，随着传播距离的增大，在不同的发散角上信号衰减的程度也有变化。它在空气中的发散角及耗散性如图3-4所示。

 

图3-4  发散角与耗散性

3.3 小结

本章介绍了超声波测距系统的工作原理和超声波测距系统微控制器的特点，提出了超声波测距设计的总体方案，对各功能模块的方案进行了比较，分析了常用的传感器，选定了超声波测距系统设计所需的器件。

第四章 超声波测距系统的硬件设计

4.1 硬件设计工具平台简介

电路及PCB设计是EDA技术中的一个重要内容，而EDA技术是现代电子工程领域的一门新技术，它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。Protel是其中比较杰出的一个软件，在国内流行最早、应用面最宽。Protel DXP是Altium（Protel Technology前身）公司在2002年8月推出的一套最新Protel DXP电路板设计软件平台。该平台运行与Windows XP/2000操作系统。Protel DXP不仅继承了Protel系列产品的优点，更重要的是将所有设计工具集成于设计系统一身。通过把设计输入仿真、PCB绘制仿真、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为用户提供了全程的设计解决方案，使用户可以轻松的进行各种复杂的电路板设计。

使用Protel DXP设计印刷电路板的第一步就是要设计电路原理图，只有正确设计电路原理图，生成相应的网络表之后才能生成PCB文件。在设计时，先分析系统，在进行模块化的设计，将各部分电路分别设计，得到个模块电路，在通过融合，实现整体电路的设计，还可以将所有模块在一张比较大的图纸上全部画出来，但在同一张纸以模块的形式分别设计电路图，这样在设计过程中思维比较清晰，设计过程比较简单，而且更容易检查错误。原理图的设计相对简单，在设计完成后要先通过编译无误后才生成网络表，原理图常见错误有：

•管脚没有接入信号；

•放置导线时Wire与绘图工具中Line混用，Wire具有电气特性而Line不具有；

•元件放到图纸界外；

•创建的工程文件网络表只能部分调入PCB：生成netlist时没有选择为global；

在设计好原理图，通过编译检查，生成了网络表之后的工作就是绘制PCB板图了。在导入网络表之前，要确定原理图中的元件都有PCB封装。如果使用的器件在Protel DXP软件的PCB库中是没有封装的，那就要求自己按照器件的技术手册封装所需元件了。在封装PCB元件是应注意以下几点：

•原理图中所填元件的封装要与PCB元件库中的名称一致。

•原理图中元件的引脚名称要与PCB元件库中的引脚名称一致。

•直插式元件封装的孔要比元件的实际尺寸稍微大些，贴片元件的引脚封装应在条件允许的范围内尽量加宽、加长，这样才有利于焊接。

完成以上几步后，将网络表导入到PCB文件中，生成PCB板图。在导入网络表的时候通常会出现以下的错误：

•原理图中的元件使用了PCB库中没有的封装。

•原理图中的元件使用了PCB库中名称不一致的封装。

•原理图中的元件使用了PCB库中pin number不一致的封装。

网络表成功导入PCB文件之后对器件进行布局，元件的布局有自动布局和手工布局两中方式，由于自动布局的效果往往不能令人满意，所以一般都需要进行手工调整。良好的布局可以降低PCB布线的难度。布局应遵循以下一般原则：

首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：

①尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。

②某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

③重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题，热敏元件应远离发热元件。

④对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

⑤应留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。

根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：

①按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。

②以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

③在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列，这样，不但美观，而且装焊容易，也易于批量生产。

④位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3：2或4：3。电路板面尺寸大于200×150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。

布线的方式也有两种：自动布线及手工布线，自动布线效率高，但有时布线的结果不尽如人意，这是因为自动布线的功能主要是实现电气网络之间的连接。在自动布线的实施过程中，很少考虑到特殊的电气、物理和散热等要求，因此必须通过手工来进行调整，使电路板既能实现正确的电气连接，又能满足用户的设计要求。手工调整布线的最简便的方法是对不合 理的布线，采取先拆线，后手工布线。在布线的过程中应注意的问题有：

•输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。

•尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的宽度关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm,最经细宽度可达0.05～0.07mm,电源线为1.2～2.5 mm。对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用) 用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。

焊盘时，焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2)mm，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。

此外，还应注意以下两点：

•在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流，一般R取1~2K，C取2.2~47uF。

•CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。

4.2 超声波测距系统的硬件设计

51系列单片机中典型芯片(如AT89S51) 采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时/计数器T0和T1，4个8b的I/O端口P0、P1、P2、P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器( PROM )，使其在实际中有着十分广泛的用途, 在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚图如图4-1所示，同时也为了对下面超声波测距系统的硬件设计进行更清楚的叙述，对其引脚标了号。

51系列单片机提供以下功能: 4kB存储器；256BRAM；32条I/O 线；2个16b定时/计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。

空闲方式: CPU 停止工作，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。

掉电方式: 保存RAM的内容, 振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。

51系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。

 

图4-1  AT89S51引脚图

4.2.1 超声波发射电路的设计

超声波发射电路原理图如图4-2所示。

设计原理：发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器T构成，AT89S51单片机P1.0端口输出的40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。

输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R8、R9一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

在实验制作和电路改进中，为了增加测量效果，可以考虑提高接收的灵敏度，但是灵敏度也并不是越高就越好。接收灵敏度过高，容易引起自激，结果反而不好，其实可以从增加发射功率方面着手，只要在发射头两端加个线圈。线圈可以用0.01mm的铜丝在小磁环绕成大致初级10匝，次级40匝左右。

  

图4-2  超声波发射电路

4.2.2 超声波检测接收电路的设计

本超声波测距仪的接收电路采用集成块CX20106A，其总放大增益为80db 以保证7脚输出的控制脉冲序列信号幅度在3.5-5V以内。超声接收换能器UCM-40R接收到的信号经C9电容耦合至输入端1脚，总增益大小由2脚接收器R、C决定。R越小，C越大增益越高，C9选值过大将造成频率响应变差，为了兼顾总增益和频率特性R14取4.7 ，C17取3.3μF，3 脚C为检波电容，选3.3μF，当其容量减小时，瞬态响应，灵敏度会有所提高，但检波输出脉冲宽度变动也较大。带通滤波特性，可由5脚R15电阻决定其值在210K-220K间调整，本设计R15定为200K。用金属膜电阻调试，若其阻值偏差过大，中心频率也将相对偏移。所以当信号经过带通滤波器时，增益将大大降低，6脚C6电容为比较积分电容，7脚R16为输出负载电阻，104pF电容C11为电源滤波元件，当电容容量减小或失效时，将造成滤波不良，可能干扰接收输入端。超声波接收电路如图4-3所示。

CX20106是红外遥控接收前置放大双极性电路，引脚意义如下：

1 IN    遥控信号输入端(此脚与地之间接红外线接收二极管

2      前置放大器频率特性和增益设定(此脚与地之间接RC串连电路)

3     接检波电容

4 GND   接地

5      设定带通滤波器的中心频率(此脚与电源间接电阻)

6      外接积分电容

7 OUT   遥控指令输出端

8      外接电源

典型电压5V，典型功耗9mW。带通滤波器的中心频率可由电阻调节，范围30－60kHz。配套使用型号为M50462AP。

 

图4-3  超声波接收电路

4.2.3 超声波蜂鸣报警电路的设计

蜂鸣报警电路是采用扬声器来对所设置的报警距离实施报警，以向驾驶员提出警示。

本系统可以设定距离值，当大于或小于设定值时将发出控制信号。当小于设定值时，进入蜂鸣报警状态，通过一个NPN晶体管来驱动蜂鸣器，不需要复杂的滤波和放大电路，具有自动平滑功能，蜂鸣器鸣响。

超声波蜂鸣报警电路如图4-4所示。

 

图4-4  超声波蜂鸣报警电路

4.2.4 超声波系统键盘电路的设计

键盘电路是用来对最大测距、最小测距以及有关参数进行设置。

键盘输入：开启值30-1000厘米，关闭值30-1000厘米（在该范围内任意设置）。本系统由一个按键 启动/停止系统，由三个按键设定距离值： 的作用是进入和退出设定， 和 ：分别是向上加值和向下减值，每按一次加或减一厘米，由数码管输出显示。超声波系统键盘电路如图4-5示。

 

图4-5  超声波系统键盘电路

4.2.5 超声波滤波整流电路的设计

超声波滤波整流电路如图4-6所示。该电路是用来把反射信号转换为标准电平信号，通过整形把检波后得到的不标准的脉冲波整形为标准脉冲波。

信号整形电路：当接收到的信号从信号筛选电路中出来之后是一个很不规则的方波信号，希望最好得到一脉冲信号，经过此部分电路处理过后再送进单片机中进行处理运算。

因为多谐振荡器中有高频分量噪声，所以通过低通滤波器将高频噪声滤掉。本信号筛选电路在整个电路中可以说起到非常重要的作用，通过对它的适当调整，可以有效地滤除由于外界干扰带来的非超声波信号进入超声波接收系统，从而大 大提高了本电路的抗干扰性。

 

图4-6  超声波滤波整流电路

4.2.6 时钟和复位电路设计

（1）复位电路的设计

在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0－P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位操作不会对内部RAM有所影响。

（2）时钟电路的设计

时钟振荡器：

AT89S51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路。对外接电容C20，C25虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF 10pF ,而使用陶瓷谐振器建议选择40pF 10pF。

可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个二分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊的要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。时钟复位电路如图4-7所示：

 

图4-7  时钟和复位电路

4.2.7 扩展显示电路的设计

回波经过AT89S51对接收到的信息进行处理后，被测的距离在LED上显示。

显示电路采用简单实用的四位一体共阳极LED数码管显示所测距离值，显示电平使用低电平有效。段码用74LS245驱动，外接升压电阻。位码用PNP三极管8550（可用9012替代）驱动。显示电路如图4-8所示。

数码管采用动态扫描显示，动态扫描显示的好处是对CPU的I/O口要求较少，但对电路的干扰较大，注意PCB板的布线和对接收放大电源的稳定性要进行补偿处理，否则对其影响很大。

74LS245双向总线接收器简要说明：74LS245为三态输出的八组总线收发器，其主要电器特性的典型值如表4-1所示(不同厂家具体值有差别)。

表4-1  74LS245电器特性

 

 

 

 

74LS245 8ns 8ns 275mW

引出端符号：A     A总线端

B     B总线端

      三态允许端(低电平有效)

DIR   方向控制端

极限值：电源电压 …………………………………………. 7V

输入电压 …………………………………………. 7V

输出高阻态时高电平电压 ……………………… 5.5V

工作环境温度：74LS245 ………………………………….……… 0~70℃

存储温度 ………………………………………-65~150℃

 

图4-8  显示电路

4.3 小结

本章首先介绍了做设计的硬件设计工具Protel DXP，然后对超声波测距系统的硬件各电路功能模块包括发射电路、接收电路、显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路进行了详细的叙述，给出了详细的原理图。

本系统利用AT89S51产生40kHz的频率驱动超声波换能器的发射头，接收头收到信号后，经CX20106A芯片进行放大、限幅、滤波、整形、比较后输出低电平送到单片机的外部中断0申请中断，单片机响应中断请求，取得定时器内的时间进行距离计算，用四位一体的数码管显示测出的距离，并可根据设定报警距离进行报警。

 

第五章 超声波测距系统联机调试与结论

5.1 系统硬件电路调试与分析

5.1.1 调试仪器和内容

（1）测试试验方法：可通过显示电路实验、超声波发射接收以及测距试验进行调试。

测试仪器：示波器，多功能稳压电源，电压表，秒表。

（2）调试内容

超声波测距仪的制作和调试都比较简单，安装时探头时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

系统调试完后对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。

5.1.2 调试过程

系统采用模块化电路设计, 采用较低的外部晶振和中周电路固化的超声波探头，数字和模拟部分电路分开供电，以提高系统抗干扰能力，但由于实际应用中仍存在较多电磁干扰，而回波信号为小信号输入, 系统调试中通过硬件补偿的方式对电路进行了优化和调整，使系统达到了较高的可靠性。

测距系统经过检波等硬件处理后的波形如图5-1所示：

在检测时，发送完检测脉冲后立刻进行判断负脉冲的长短，从而确定是否有障碍物存在。无障碍物时负脉冲宽度固定为t1，有障碍物时负脉冲固定为t1+t2，t3为超声波回波检测负脉冲。t1、t2的宽度与发送的脉冲周期数有关。周波数越多，t1越宽，检测距离越远，反之亦然。T3与T4之间的长度会随障碍物的距离而先行变化。因此，只要检测出t1、t2及T3与T4之间的长度即可判断障碍物距离。

（1）7段数码管的测试

LED数码有共阳和共阴两种，把这些LED发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的，那么应用时这个脚就分别的接VCC和GND。再把多个这样的8字装在一起就成了多位的数码管了。

    首先，找个电源（3到5伏）和1个1K（几百的也欧的也行）的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的找到一个就够了，然后用GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那就是共阴的了。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那就是共阳的了。

（2）发射器探头对接收器探头的影响

超声波从发射到接收的时间 间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不读取接收器在从发射开始到"虚假反射波"结束的时间段里的信号。这样，就有效的避免了干扰，但另一方面也形成了20cm的“盲区”。此“盲区”很小，对本系统没有影响。

（3）调试注意事项

•超声波探头表面严禁用手及其它物体触摸以免产生信号滞后性及损坏。

•在测距中应保证测距仪与被测物体距离为定值，要和被测物体成一条直线，使测得距离读数的准确性。

5.1.3 测试数据及测试结果分析计算

传感器工作电压：超声波传感器5V

试验数据：简单搭建电路板并调试后，对一500mm宽的距离测试，所测数据如表5-1所示（单位:mm）。

表5-1  500mm宽的距离测试数据

次数 1 2 3 4 5 平均

测值 500.3 499.8 499.9 500.1 500.0 500.03

该测距系统使用方便、精度高，在一些恶劣环境，如极易被腐蚀、电解，失去灵敏性等工矿业现场将大有用武之地。

（1）测试结果与分析

超声波测距系统调试完成后，对系统进行了测试。在超声波换能器与较大平面(如墙壁面)法线方向一致时，量程为0.07~5.50m，测距盲区控制在20cm内，分辨率为0.01m，实验中对测量范围0.07~2.50m内的平面物体做了多次测试，测距器的最大误差不超过1cm，重复一致性很好。因为超声波具有一定发散角，所以当在正前方和斜前方都有物体时，会以距发射器最近的物体作为探测目标。目前此设计可提交于应用于一些动机器人、安全线提示，银行及取款机的一米线提示等场合。

（2）误差分析

对系统进行实验测试，结果发现在5米范围内，最大误差在5cm以内，且距离越近，误差越小，限制该系统最大可测距离的因素包括：超声波的幅度、反射面的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。

测距误差主要来源于以下几个方面：

①气温度变化等引起的声速变化造成的误差，温度在-30℃-40℃范围变化时，传播速度v的变化范围为313米/秒-356米/秒，由测距公式可计算出距离值有一定影响，采用声速预置和传播介质温度测量结合的方法对声速进行修正，可有效地降低温度变化产生的误差。

②发射与脉冲计数由于响应快慢差异开启不同步引起的误差，对此在调试中通过脉冲计数值补偿进行修正。

③超声波在传播过程由于受衍射、散射和吸收等影响衰减导致的误差，近距离误差不明显，距离越远产生的误差越大，可适当增大超声波的发射功率等来改善。

④发射和接受前置电路延迟的时间误差等，发射前置电路和接收前置电路中采用集成芯片都有时间延迟。对此采取时间增益控制，来减少误差，由于本装置对于厘米级的精度已经足够，电路延迟都是纳秒数量级，记数频率是40kHz，所以减少一个记数单位完全可以矫正。针对误差原因在程序设计及系统调试中做了相应处理后，收到一定的效果，精度得到一定的提高。

⑤超声波波束对探测目标的入射角的影响。

⑥超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系。

⑦超声波传播速度对测距是有影响的。稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件，传播媒质的特性，如温度、压力、密度对声速都将产生影响。因此，为了准确地计算距离，应对声速加以修正，系统程序中采用了软件补偿措施。

（3）误差改进

由于考虑到体积、成本等因素，本装置在性能上、功能上还存在不足，有待于进一步提高：

•增加几路不同方向的超声波探测或红外探测器以及温度补偿电路等，可以提高装置的灵敏度和精度,同时提高可靠性。

•可在装置中增加一个语音芯片，将蜂鸣报警改为语音说明指示，根据探测结果直接报出距离、方位，更便于使用。

•由于受发射功率及回波检测灵敏度的限制，探测范围较小，可增加发射功率调节等电路，以便增大探测范围，可用于夜间探路、井下探索等。

（4）温度的补偿

由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

所以，在超声波的两个探头旁边可放置温度传感器，测出环境温度T，由单片机控制器进行软件修正。

5.2 系统源程序的调试过程

5.2.1 软件仿真验证

本设计采用51汇编语言编写，用Keil C51编译和调试。这里采用光电二极管和光电三极管来代替超声波发送探头和超声波接收探头，且空中传播过程略去仿真。联调仿真后，可见数字电路的延迟效果比较明显，所以需要软件矫正。

由于超声波探头存在余震效应, 为避免余震产生的“虚假反射波”超声测距数据的采集与处理错误申请中断，超声波脉冲发射后软件中设置了一段时间的延时，称为“死区”时间，“死区”形成了距离测量中的“盲区”，由于探头的性能误差，运行后要不断调整探头的“死区”。经过应用过程的调试，本系统的测量“盲区”控制在20cm内，“死区”时间为115ms，测量误差为±1cm。

结  论

本文所设计的倒车雷达系统是保障汽车倒车安全的辅助系统，通过超声波探头发出超声波，使用高速单片机计算距离，还可加入了温度补偿电路，提高了距离计算的精度。系统安装的LED可以直观的显示温度和距离，给驾驶员提供了方便。倒车时当汽车与障碍物的距离小于所设定的安全距离时，系统发出报警，提醒驾驶员，防止汽车的碰撞或擦伤，具有很强的实用性。

整个报警器系统由汽车倒车挡控制，当汽车置于倒车挡时，报警器工作；置于其它挡时，报警器不工作。在环境温度为-20～50℃的范围内，测量误差为几个厘米，这个误差能满足正常倒车的需要。因为本设计所采用的超声波传感器的辐射范围是   60°，所以在安装时，需在车尾装3～4个超声波传感器，这样才能覆盖整个范围。

利用51系列单片机设计的测距仪便于操作、读数直观。经实际测试证明, 该类测距仪工作稳定, 能满足一般近距离测距的要求, 且成本较低、有良好的性价比。

本超声波测距系统可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监 控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合，觉得这次的设计实用性极强。

通过一学期的努力，完成了超声波测距系统的设计。设计满足了任务书中的基本要求和扩展要求，软、硬件设计已达到预期效果。主要完成的工作有：

①学会了使用Protel软件绘制原理图和PCB板图。

②完成了超声波测距系统的各个功能模块的硬件设计与调试。

③已经通过系统的软硬件联合调试，距离通过LED显示出来。

由于时间和能力有限，本次设计还有一些不足之处，主要有以下几方面：

①由于经验不足，在设计超声波测距系统的时候，设计原理图与PCB板图的时候出现了一些问题。

②在调试时，显示的延迟性较大，超声波探头太敏感。

本文创新点：

①测试结果分析可知，本装置采用较低成本的器件设计制作，且误差较小，完全满足汽车倒车的指引作用，具有较高的性价比。

②装置结构简单、体积小、性能稳定，操作容易、使用方便，可以安装在不同的载体上，制作成不同的用具，如导盲眼镜、位移仪、深度仪等，具有一定推广应用价值。

致  谢

感谢西南科技大学。在这里，我开阔了见识，增长了知识，锻炼了能力。大学四年的亲身体验让我更增加了对学校的热爱。

感谢我的指导老师曾毅对我的辛勤培育。从论文的立题到实验的设计以及论文的撰写整个过程无不浸透着老师的心血。他广博的学识，严肃的科学态度，严谨的治学精神，灵活的思维方式，耐心细致的言传身教深深感染激励着我，将使我终身受益。导师不但在学习上给予我耐心细致的指导，在生活中也给了我莫大的关怀，在这里向曾老师表示衷心的感谢。

    感谢大学四年所有指导过的老师。在学习的过程中给了我很多的指导，让我在理论知识和动手能力上都有很大的提高。

在完成毕业设计和毕业论文的过程中，我们寝室的同学给了我很大的帮助，在此向他们表示深深的感谢。

感谢父母二十多年来的养育之恩，让我顺利的完成了四年的大学学业，并让我获取了一定的知识并最终走向社会，为社会贡献自己!

最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢

参考文献

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[15] Rabiner L R and Gold B. Theory and Application of Digital signal Processing [M].Prentice-Hill Inc, 1975.

附  录

附录1：系统总原理图

 

附录2：AT89S51引脚功能

Vcc：电源电压；GND：地

RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现机器周期以上高电平将使单片机复位。

P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节。而在程序检验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输出口使用时，因为存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ ）。

Flash编程和程序校验期间，P1口接受低8位地址。

P2口：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输出口使用时，因为存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ ）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器P2口送出高8位地址数据。在访问八位地址的外部数据存储器，P2口线上的内容（也即特殊功能存储器（SFR）区中R2寄存器）。在整个访问期间不改变。

FLASH编程或校验时，P2亦接受地址和其它控制信号

P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的八位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）四个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时。它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I ）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表③-2所示。P3口还接受一些用于FLASH闪速存储器和程序校验的控制信号。

表1  P3口的分配

端口引脚 第二功能

P3.0 RXD（串性输入口）

P3.1 TXD(串行输出口)

P3.2  （外中段0）

P3.3  （外中段1）

P3.4  （定时/计数器0）

P3.5  （定时/计数器1）

P3.6  （外部数据存储器写选通）

P3.7  （外部数据存储器读选通）

ALE：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低八位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出 固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ ）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

 ：程序储存允许（ ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 有效，即输出两个脉冲。在次期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的 信号不出现。

EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp。当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。