一种机电检测控制教学实验平台的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种机电检测控制教学实验平台，以双摇杆机构、机械臂、丝杆螺母机构、传送带等几个基本机械结构的立体布置为依托，利用STM32微控制器与uC/os-III嵌入式操作系统控制步进电机、舵机、直流无刷电机、直流有刷电机等动力模块带动各机构运转：物块由转盘拨至漏斗使之落入承接盒中，再经机械臂抓取，将物块放入螺母承接盒中；丝杆旋转带动螺母下降，将物块放入传送带中，由传送带传送至另一端落于收纳盒中，如有不合格物品，则由机械手和气缸机构将其剔除。运行过程中有多种传感器通过一定的自动控制方法即可实现检测及过程控制，确保装置正确运行。装置占用空间小，内容丰富，集成度高。
【专利说明】一种机电检测控制教学实验平台
【技术领域】
[0001]本实用新型属于机电检测与控制领域，涉及一种机电检测控制教学实验平台，综合运用机械机构、多传感器检测技术、嵌入式操作系统与自动控制原理等多门课程的理论知识，从而实现较高精度的过程控制。
【背景技术】
[0002]一直以来，机电检测控制的实验教学对于各高校来说始终存在着一定的困难。机电控制实验集成度高、综合性强，涉及机械结构、传感检测、电气设备、嵌入式软硬件、控制理论等多门学科。因此，针对机电检测控制的相关实验设备发展较慢，有些高校及商家虽已研制出相关产品，但其体积普遍比较庞大，结构过于复杂且成本极高。学生通常无法理解其内在原理以至于学习困难，效果不佳。而有些设备又过于片面，往往只针对某一或个别几门学科，不利于学生了解机电控制全貌，不利于锻炼学生对知识的综合使用能力。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的就是提供一种机电检测控制教学实验平台，解决现有技术中体积庞大，设备复杂，成本高，内容片面的问题。
[0004]本实用新型所采用的技术方案是:一种机电检测控制教学实验平台，其特征在于:包括:机壳、收纳盒、第一步进电机、承接盒、电涡流传感器、第一光电开关、第二步进电机、手爪、第一舵机、下臂、上臂、第二舵机、舵机架、第三舵机、直流无刷电机、锥齿轮、光栅尺、丝杆、压力传感器、承接盒、螺母、光电门、锥齿轮、摄像头、直流有刷电机、TFT屏、控制板、矩阵键盘、第二光电开关、第一收纳盒、增量式编码器、皮带轮、第二收纳盒、传送带、气缸、电位器、摇杆、双摇杆机构、托板和转盘；
[0005]收纳盒侧面固定安装在机壳内；第一步进电机通过螺栓与其配套的电机座连接，该电机座通过螺栓固定安装在机壳上，第一步进电机的输出轴与双摇杆机构的主动杆通过顶丝连接；电涡流传感器固定安装在承接盒上，承接盒通过螺栓固定安装在双摇杆机构上，摇杆为双摇杆机构的从动，其根部与电位器(36)输入轴固定连接；
[0006]托板上设置有托板孔，转盘位于托板上，第一光电开关固定安装在托板上，第二步进电机与托板通过螺栓固定，第二步进电机输出轴穿过托板；转盘通过顶丝与第二步进电机输出轴相连，托板通过螺栓固定安装在机壳上；
[0007]第一舵机与下臂、第二舵机与上臂、舵机架与第三舵机均通过螺栓固定连接，手爪的根部内齿轮与第一舵机输出齿轮轴哨合，下臂的根部内齿轮与第二舵机的输出齿轮轴哨合，上臂的根部内齿轮与第三舵机的输出齿轮轴啮合，舵机架通过螺栓固定安装在机壳上，组成机械臂；
[0008]直流无刷电机通过其配套的电机座固定安装在机壳上，与丝杆通过锥齿轮传动；光栅尺固定安装在机壳上，位于机壳做内面边沿处；
[0009]压力传感器固定安装在承接盒内，承接盒通过一弹簧与螺母连接，螺母可上下旋转地安装在丝杆上；
[0010]光电门通过螺栓固定安装在机壳上，位于机壳底面，靠近做皮带轮处；传送带套设在皮带轮与左侧同规格皮带轮上，皮带轮与直流有刷电机通过锥齿轮传动；摄像头固定安装在收纳盒底面，俯视传送带；
[0011]TFT屏、矩阵键盘覆于控制板之上；控制板通过各条信号线与平台内的各电子器件相连；第二光电开关固定安装在机壳上，与传送带平面平行；
[0012]第一收纳盒与第二收纳盒固定安装在机壳上，与传送带相贴；
[0013]增量式编码器与皮带轮转轴通过联轴器相连；
[0014]气缸由一固定于机壳底面的支架支撑,位于机壳底面,悬于传送带之上,其输出轴与传送带平面平行。
[0015]作为优选，所述的收纳盒侧面通过粘合剂粘贴在机壳内。
[0016]作为优选，所述的电涡流传感器通过粘合剂粘贴在承接盒上。
[0017]作为优选，所述的光电开关通过粘合剂粘贴在托板上。
[0018]作为优选，所述的光栅尺通过粘合剂粘贴在在机壳上。
[0019]作为优选，所述的压力传感器通过粘合剂粘贴在承接盒内。
[0020]作为优选，所述的摄像头通过粘合剂粘贴在收纳盒底面。
[0021]作为优选，所述的第二光电开关通过粘合剂粘贴在机壳上。
[0022]作为优选，所述的第一收纳盒与第二收纳盒通过粘合剂粘贴在机壳上。
[0023]作为优选，所述的第一步进电机为两相步进电机。
[0024]作为优选，所述的TFT屏为7寸TFT屏。
[0025]作为优选，所述的第二步进电机为四相步进电机。
[0026]作为优选，所述的转盘为六孔转盘。
[0027]作为优选，所述的六孔转盘呈梅花形。
[0028]作为优选，所述的控制板以嵌入了 uC/os-1II操作系统的STM32系列微控制器为核心元器件。
[0029]本实用新型采用常见的机构，模块分明，简单清晰；各模块采用立体分布的形式，在有限空间内集成多种电机，极大地节约了空间与成本；利用STM32系列微控制器运行uC/os-111嵌入式操作系统，使控制代码模块化，清晰明了 ；各关键部位布置相关传感器，并尽可能使用不同种类以丰富教学内容，利于自动控制理论在其上的实现。
[0030]本实用新型设备小巧，涵盖了本科教学中基本机械结构、电气设备、电子线路、微控制器和传感器的应用，及基本控制理论在设备上的具体实现。与传统实验设备相比成本极低，可充分满足本科生的实验教学。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]附图1:为本实用新型实施例的内部结构侧视图。
[0032]附图2:为本实用新型实施例的内部结构正视图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合参考附图进一步描述本技术方案，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件，但该描述仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
[0034]请见图1、图2，本实用新型所采用的技术方案是:一种机电检测控制教学实验平台，包括:机壳1、收纳盒2、第一步进电机3、承接盒4、电涡流传感器5、第一光电开关6、第二步进电机7、手爪8、第一舵机9、下臂10、上臂11、第二舵机12、舵机架13、第三舵机14、直流无刷电机15、锥齿轮16、光栅尺17、丝杆18、压力传感器19、承接盒20、螺母21、光电门22、锥齿轮23、摄像头24、直流有刷电机25、7寸TFT屏26、控制板27、矩阵键盘28、第二光电开关29、第一收纳盒30、增量式编码器31、皮带轮32、第二收纳盒33、传送带34、气缸35、电位器36、摇杆37、双摇杆机构38、托板39和转盘40 ;第一步进电机3为两相步进电机，第二步进电机7为四相步进电机，转盘40为六孔转盘，呈梅花形，控制板27以嵌入了uC/os-1II操作系统的STM32系列微控制器为核心元器件；收纳盒2侧面通过粘合剂粘贴在机壳I内；第一步进电机3通过螺栓与其配套的电机座连接，该电机座通过螺栓固定安装在机壳I上，第一步进电机3的输出轴与双摇杆机构38的主动杆通过顶丝连接；电润流传感器5通过粘合剂粘贴在承接盒4上，承接盒4通过螺栓固定安装在双摇杆机构38上，摇杆37为双摇杆机构38的从动，其根部与电位器36输入轴固定连接；托板39上设置有托板孔，转盘40位于托板39上，第一光电开关6通过粘合剂粘贴在托板39上，第二步进电机7与托板39通过螺栓固定，第二步进电机7输出轴穿过托板39 ;转盘40通过顶丝与第二步进电机7输出轴相连，托板39通过螺栓固定安装在机壳I上；第一舵机9与下臂10、第二舵机12与上臂11、舵机架13与第三舵机14均通过螺栓固定连接，手爪8的根部内齿轮与第一舵机9输出齿轮轴哨合,下臂10的根部内齿轮与第二舵机12的输出齿轮轴哨合,上臂11的根部内齿轮与第三舵机14的输出齿轮轴啮合，舵机架13通过螺栓固定安装在机壳I上，组成机械臂；直流无刷电机15通过其配套的电机座固定安装在机壳I上，与丝杆18通过锥齿轮16传动；光栅尺17通过粘合剂粘贴在机壳I上，位于机壳做内面边沿处；压力传感器19通过粘合剂粘贴在承接盒20内，承接盒20通过一弹簧与螺母21连接，螺母21可上下旋转地安装在丝杆18上；光电门22通过螺栓固定安装在机壳I上，位于机壳I底面，靠近做皮带轮处；传送带34套设在皮带轮32与左侧同规格皮带轮上，皮带轮32与直流有刷电机25通过锥齿轮23传动；摄像头24通过粘合剂粘贴在收纳盒2底面，俯视传送带34 ；7寸TFT屏26、矩阵键盘28覆于控制板27之上；控制板27通过各条信号线与平台内的各电子器件相连；第二光电开关29通过粘合剂粘贴在机壳I上，与传送带34平面平行；第一收纳盒30与第二收纳盒33通过粘合剂粘贴在机壳I上，与传送带34相贴；增量式编码器31与皮带轮32转轴通过联轴器相连；气缸35由一固定于机壳I底面的支架支撑，位于机壳底面，悬于传送带34之上,其输出轴与传送带34平面平行。
[0035]本实用新型启动后先使整个装置复位:控制板27控制第一舵机9、第二舵机12、第三舵机14使机械臂运动至初始位置一手臂抬至最高处，手爪8张开。双摇杆机构38运动至最右端。螺母21连同承接盒20置于最上端，传送带34不运动。
[0036]物块放置于六孔转盘40的孔位中，由固定于外壳I上的托板39托住。控制板27根据电位器36的反馈值，获得双摇杆机构38的当前位置。根据当前位置与实际标定的目标位置之差，向第一步进电机3发送相应数量脉冲，使胶黏在连架杆上的承接盒4运动至托板39的托板孔下；再向第二相步进电机7发送八拍脉冲，使第二步进电机7驱动六孔转盘转动，将物块拨动，使之从托板孔中落下。物块下落过程中光电开关6检测，若检测到物块，则将反馈信号反馈给控制板27。控制板27停止发送脉冲，使第二步进电机7及转盘40停转，完成第一阶段动作。
[0037]转盘40通过顶丝固定于电机轴上，不与托盘39接触，以减小摩擦。
[0038]由电涡流传感器5检测物块材料，并把检测结果反馈给控制板27。向第一步进电机3发送脉冲，使双摇杆机构38再向左运动至手部放下后可抓住物块的位置。第一舵机9、第二舵机12、第三舵机14动作，使机械臂下移，抓住物块后再回复到初始位置，但手爪8不张开。控制第一步进电机3，使双摇杆机构38回到初始位置。控制机械臂下移，使手爪8位于收纳盒2正上方。若电涡流传感器5反馈值显示所测物品不是金属，则机械臂动作，将物块放入收纳盒2中；若电涡流传感器5反馈值显示所测物品为金属，则手爪不动作，等待螺母21连同承接盒20下移。其中，螺母21与承接盒20分别胶黏与弹簧两端，由弹簧保持承接盒不向下倾斜。
[0039]由控制板27驱动直流无刷电机15，通过锥齿轮16传动，使丝杆18转动，带动螺母21连同承接盒20下移。光栅尺17的检测输入端与螺母21固联，通过控制板27读取绝对式光栅码尺17反馈值，判断螺母21所处位置。当检测到螺母21下移到指定位置时，发送信号使直流无刷电机15停转。控制机械臂运动使物块运动到承接盒20正上方。松开手爪8使物块落入承接盒20中。
[0040]由压力传感器19检测物块是否确实落入承接盒20中。若没有则说明物块弹出，系统重启；若检测到物块落入承接盒20中，则直流无刷电机15继续转动，螺母21及承接盒20下移。同时传送带34由通过直流有刷电机25通过锥齿轮23控制皮带轮32传动带动，其中锥齿轮23与皮带轮32同轴。由光栅码尺17检测螺母21位置。当运动至指定位置时，承接盒20下面的顶针将承接盒顶斜，使物块滑落至传送带32上。
[0041 ] 传送带32带动物块运动，通过光电门22。当光电门22检测到物块通过时，对物块进行计数。同时，控制板27开始采集摄像头24输出信号，判断物块颜色。其中，摄像头24通过一固定在护板上的角铝伸出，俯视传送带32。物块继续向前运动，通过第二光电开关29,检测物块是否已运动至气缸35前方。气缸35由一固定于机壳I的气缸座支撑，使其稍高于传送带。若物块颜色为指定颜色，则气缸35不动作；若检测到的颜色不为指定颜色，则气缸35动作将物块推入第一收纳盒30中。合格物块被传送带送至末端，滑入第二收纳盒33中完成动作流程一次。然后整个装置复位，开始下一次循环。
[0042]传送带34运动过程中，其速度由与皮带轮32同轴的增量式编码器31测量。通过相应的自动控制算法，使传送带34速度稳定在指定值。
[0043]控制板27主控芯片为STM32F103ZET6，具有112个通用I/O 口，可检测16路正交编码器的输入信号，可同时发送32路脉宽调制信号，可分时进行24路AD采样。在其上运行uC/os-1II操作系统。
[0044]通过矩阵键盘28，可实现对装置各模块的联动与分动控制。
[0045]7寸TFT屏26上可显示各传感器传出信号、双摇杆机构38及螺母21位置、传送带34运行速度等监测量。
[0046]所有控制接口可全部引出，外接其他控制器操作设备。此时，设备原控制系统运行于监视模式，监测各传感器信号，监视各模块动作，禁止危险动作。[0047]本实用新型集成了四种经典机械结构，四种常用电机，八种传感器模块。通过对嵌入式微处理器与操作系统的使用，实现了对多传感器的信号采集与处理、自动控制理论的实际应用。几乎包含了机电检测控制所涉及的各门学科，集成度高。作为实验平台，可充分满足教学要求。
[0048]另外本实用新型各部件均暴露于外，可使学生直观了解各部分运行机理，控制程序可由学生自己编写，可极大提高学生的学习兴趣与学习动力。
[0049]以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围，因此，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种机电检测控制教学实验平台，其特征在于:包括:机壳(1)、收纳盒(2)、第一步进电机(3)、承接盒(4)、电涡流传感器(5)、第一光电开关(6)、第二步进电机(7)、手爪(8)、第一舵机(9)、下臂(10)、上臂(11)、第二舵机(12)、舵机架(13)、第三舵机(14)、直流无刷电机(15)、锥齿轮(16)、光栅尺(17)、丝杆(18)、压力传感器(19)、承接盒(20)、螺母(21)、光电门(22)、锥齿轮(23)、摄像头(24)、直流有刷电机(25)、TFT屏(26)、控制板(27)、矩阵键盘(28)、第二光电开关(29)、第一收纳盒(30)、增量式编码器(31)、皮带轮(32)、第二收纳盒(33)、传送带(34)、气缸(35)、电位器(36)、摇杆(37)、双摇杆机构(38)、托板(39)和转盘(40)； 收纳盒(2)侧面固定安装在机壳(1)内；第一步进电机(3)通过螺栓与其配套的电机座连接，该电机座通过螺栓固定安装在机壳(I)上，第一步进电机(3)的输出轴与双摇杆机构(38 )的主动杆通过顶丝连接；电涡流传感器(5 )固定安装在承接盒(4 )上，承接盒(4 )通过螺栓固定安装在双摇杆机构(38)上，摇杆(37)为双摇杆机构(38)的从动，其根部与电位器(36)输入轴固定连接； 托板(39 )上设置有托板孔，转盘(40 )位于托板(39 )上,第一光电开关(6 )固定安装在托板(39)上，第二步进电机(7)与托板(39)通过螺栓固定，第二步进电机(7)输出轴穿过托板(39);转盘(40)通过顶丝与第二步进电机(7)输出轴相连，托板(39)通过螺栓固定安装在机壳(I)上； 第一舵机(9 )与下臂(10 )、第二舵机(12 )与上臂(11)、舵机架(13 )与第三舵机(14 )均通过螺栓固定连接，手爪(8)的根部内齿轮与第一舵机(9)输出齿轮轴啮合，下臂(10)的根部内齿轮与第二舵机(12)的输出齿轮轴B齿合，上臂(11)的根部内齿轮与第三舵机(14)的输出齿轮轴啮合，舵机架(13)通过螺栓固定安装在机壳(I)上，组成机械臂； 直流无刷电机(15 )通过其配套的电机座固定安装在机壳(I)上，与丝杆(18 )通过锥齿轮(16)传动；光栅尺(17)固定安装在机壳(I)上，位于机壳做内面边沿处； 压力传感器(19)固定安装在承接盒(20)内，承接盒(20)通过一弹簧与螺母(21)连接，螺母(21)可上下旋转地安装在丝杆(18)上； 光电门(22 )通过螺栓固定安装在机壳(1)上，位于机壳(I)底面，靠近做皮带轮处?’传送带(34 )套设在皮带轮(32 )与左侧同规格皮带轮上，皮带轮(32 )与直流有刷电机(25 )通过锥齿轮(23)传动；摄像头(24)固定安装在收纳盒(2)底面，俯视传送带(34)； TFT屏(26)、矩阵键盘(28)覆于控制板(27)之上；控制板(27)通过各条信号线与平台内的各电子器件相连；第二光电开关(29 )固定安装在机壳(I)上，与传送带(34)平面平行； 第一收纳盒(30)与第二收纳盒(33)固定安装在机壳(I)上，位于机壳底面，与传送带(34)相贴； 增量式编码器(31)与皮带轮(32)转轴通过联轴器相连； 气缸(35)由一固定于机壳(1)底面的支架支撑,位于机壳底面,悬于传送带(34)之上，其输出轴与传送带(34)平面平行。
2.根据权利要求1所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的收纳盒(2)侧面通过粘合剂粘贴在机壳(1)内。
3.根据权利要求1所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的电涡流传感器(5)通过粘合剂粘贴在承接盒(4)上。
4.根据权利要求1所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的光电开关(6)通过粘合剂粘贴在托板(39)上。
5.根据权利要求1所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的光栅尺(17)通过粘合剂粘贴在在机壳(I)上。
6.根据权利要求1所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的压力传感器(19)通过粘合剂粘贴在承接盒(20)内。
7.根据权利要求1所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的摄像头(24)通过粘合剂粘贴在收纳盒(2)底面。
8.根据权利要求1所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的第二光电开关(29)通过粘合剂粘贴在机壳(I)上。
9.根据权利要求1所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的第一收纳盒(30)与第二收纳盒(33)通过粘合剂粘贴在机壳(I)上。
10.根据权利要求1所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的第一步进电机(3)为两相步进电机。
11.根据权利要求1所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的TFT屏(26)为7寸TFT屏。
12.根据权利要求1所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的第二步进电机(7)为四相步进电机。
13.根据权利要求1所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的转盘(40)为六孔转盘。
14.根据权利要求13所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的六孔转盘呈梅花形。
15.根据权利要求1所述的机电检测控制教学实验平台，其特征在于:所述的控制板(27)以嵌入了uC/os-1II操作系统的STM32系列微控制器为核心元器件。
【文档编号】G09B23/18GK203689788SQ201420079465
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】刘桐辛, 闫宝芳, 颜轩, 杨宗业, 张铮, 方鸿强 申请人:武汉大学