慧魚模型及其在機(jī)電創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的作用

谷鳳民

摘 要 機(jī)電創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)在機(jī)械專業(yè)的本科教學(xué)中越來越重要，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備已不能滿足學(xué)生的需求。通過對慧魚模型的介紹，突出慧魚模型在機(jī)械元件、電子元件、氣動類原件和控制板間的關(guān)系，了解慧魚模型在機(jī)電創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中所起的作用。

關(guān)鍵詞 慧魚模型 機(jī)電創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) 作用

0 引言

機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法有兩類：一類是指首創(chuàng)、突破及發(fā)明；另一類是選擇常用機(jī)構(gòu)，并按某種方式進(jìn)行組合，綜合出可實(shí)現(xiàn)相同或相近功能的眾多機(jī)構(gòu)，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)開辟了切實(shí)可行的途徑[1]。對于本科生的機(jī)電實(shí)驗(yàn)，其主要目的有三點(diǎn)：（1）加強(qiáng)學(xué)生對機(jī)電組成原理的認(rèn)識，進(jìn)一步了解機(jī)電組成及其運(yùn)動特性，為機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。（2）增強(qiáng)學(xué)生對機(jī)電的感性認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐及動手能力，體會設(shè)計(jì)實(shí)際機(jī)電產(chǎn)品時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。（3）培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識及綜合設(shè)計(jì)的能力。但在傳統(tǒng)機(jī)電實(shí)驗(yàn)中，只是簡單拆裝，不能進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，也不能把機(jī)構(gòu)運(yùn)動與電子控制很好地結(jié)合在一起，已不能引起學(xué)生的興趣，也不能適應(yīng)社會的需求，而慧魚模型為傳統(tǒng)的機(jī)電實(shí)驗(yàn)注入了新的活力。

1 慧魚創(chuàng)意組合模型

慧魚創(chuàng)意組合模型又稱“工程積木”“智慧魔方”，簡稱“慧魚”，是由德國發(fā)明家Artur Fisher博士于1964年發(fā)明的，具有一般機(jī)械所具有的零部件，如齒輪、電機(jī)、電氣開關(guān)等，通過聲、光、電和輔助技術(shù)的配合，能夠模擬各種機(jī)械運(yùn)動和機(jī)械設(shè)備的自動控制，而且有比較真實(shí)的功能。

慧魚創(chuàng)意組合模型主要提供組合包、培訓(xùn)模型、工業(yè)模型三大系列。集能源（包括太陽能）、機(jī)械、液壓、氣動、遙控、自控、程控等多種學(xué)科知識于一身，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件（機(jī)械元件、電氣元件、氣動元件），輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，運(yùn)用設(shè)計(jì)構(gòu)思和實(shí)踐分析，可以實(shí)現(xiàn)任何技術(shù)過程的還原，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作的模擬[2]。

1.1 機(jī)械類元件

如圖1所示，機(jī)械類元件主要包括如下幾類：六面體、齒輪、聯(lián)桿、鏈條、履帶、齒輪（齒軸、齒條）、蝸輪、蝸桿、凸輪、彈簧、曲軸、萬向節(jié)、差速器、輪齒箱、鉸鏈等。

其中，六面拼接體的6 個(gè)面各有U 形槽或凸出的小方塊，二者是相互配合的。通過U 形槽和小方塊的相互拼接，可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件之間的互連。由于這些構(gòu)件是六面體，因此，接合的角度一般為0°或90°。如果需要其他角度的連接，有專用的楔形體可供使用，這些楔形體提供的角度有7.5°、15°、30°、60°等，楔形體的角度已在其側(cè)面標(biāo)明。

慧魚模型提供的齒輪種類比較多，其中普通外齒合齒輪還可用作蝸輪。提供了多種長度的塑料或金屬桿件，可用作導(dǎo)軌、連桿和傳動軸等[2]。

如圖2，萬向節(jié)用于和塑料傳動軸配合以傳遞扭矩。齒輪箱用于和電動機(jī)相連接，起減速器的作用[2]，圖2中的第二種齒輪箱用于齒條。

此外，慧魚模型還提供了大量的其他構(gòu)件，很好地?cái)U(kuò)展了模型的功能，在此不再詳述。

1.2 電氣類元件

如圖3所示，慧魚模型提供的電動機(jī)有普通迷你電動機(jī)和大功率電動機(jī)兩種，提供的燈泡有普通燈泡和聚光燈泡兩種，可根據(jù)實(shí)際需要選用。紅外線發(fā)射接收裝置、光敏傳感器用于檢測光源強(qiáng)度，當(dāng)光線足夠強(qiáng)時(shí)，傳感器內(nèi)部的電路閉合，接口板上檢測到數(shù)字信號“1”，否則檢測到數(shù)字信號“0”。光敏傳感器也可以用作限位開關(guān)。同時(shí)，由于深色物體吸收光線，而淺色物體反射光線，光敏傳感器還可以用來鑒別深色和淺色物體。電磁氣閥，可調(diào)直流變壓器（9 V，1 A，帶短路保護(hù)功能）。小型開關(guān)上有3 個(gè)針腳：0 針腳和1 針腳形成一個(gè)常閉開關(guān)；0 針腳和2 針腳形成一個(gè)常開開關(guān)；當(dāng)按鍵被壓下時(shí)，小型開關(guān)的通斷狀態(tài)改變，電腦接口板檢測到數(shù)字信號“1”或“0”，利用這個(gè)原理，小型開關(guān)可以用作運(yùn)動部件的限位開關(guān)。磁敏傳感器用于檢測環(huán)境的磁場強(qiáng)度，當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到一定值后，傳感器內(nèi)部的電路閉合，接口板上檢測到數(shù)字信號“1”，否則檢測到數(shù)字信號“0”。

1.3 氣動元件

如圖4所示，氣動元件包括氣缸、氣閥（手動、電磁閥）、氣管、管接頭（三通、四通）、氣泵、儲氣罐等。慧魚模型的氣動構(gòu)件使用一個(gè)小型空氣壓縮機(jī)作為氣源，壓縮空氣通過氣管、彎頭、氣閥、氣缸等部件來傳遞動力，可模擬液壓系統(tǒng)[2]。

1.4 ROBO TX接口板

如圖5所示，ROBOPro 軟件在Windows 平臺下運(yùn)行，該軟件界面友好、功能豐富，能驅(qū)動ROBO 接口板，但在驅(qū)動智能接口板時(shí)，不能將程序下載到接口板上。

ROBOPro 軟件可以同時(shí)控制連接在計(jì)算機(jī)不同串口或USB 端口上的多個(gè)接口板。通過利用本平臺自帶軟件進(jìn)行編程，對所搭建的機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行控制，驗(yàn)證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的思路是否正確。

控制板的工作模式：

（1）在線模式

接口板始終和電腦相連（通過USB，串口或者無線射頻通信模塊）。程序在電腦上運(yùn)行，顯示器作為用戶界面。

（2）下載模式

在這種模式下，程序被下載到接口板上且獨(dú)立于電腦運(yùn)行。兩個(gè)不同的程序可以同時(shí)下載到FLASH存儲器中，而且斷電后程序也可以保存在內(nèi)。也可以將程序下載到RAM中，一旦電源中斷或者啟動FLASH中的程序，原RAM中程序就被刪除。

1.5 故障診斷及重要信息

如果紅色故障LED持續(xù)點(diǎn)亮，說明電源電壓遠(yuǎn)超出了直流9 V正常范圍。這時(shí)接口板自動切斷電源，直至供電電壓達(dá)到正常范圍。

有關(guān)電磁干擾的問題：如果接口板被強(qiáng)烈的電磁干擾所影響，一旦停止干擾源接口板還可以恢復(fù)使用。有必要將電源中斷一段時(shí)間后重新啟動程序。

2 慧魚機(jī)電創(chuàng)新產(chǎn)品[3]

實(shí)物如圖6所示，主要是進(jìn)行新產(chǎn)品的搭建和模擬已知機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，給人以更加直觀的感受。 在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)先畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)、自由度等，再利用慧魚組件進(jìn)行實(shí)物的搭接和軟件編程，搭接完畢就可進(jìn)行調(diào)試，如不符合最初設(shè)計(jì)，可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，克服了傳統(tǒng)機(jī)電實(shí)驗(yàn)的簡單化和單一性，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，改變了老師動手、學(xué)生觀看的模式。

3 結(jié)論

利用慧魚模型中上述工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件（機(jī)械元件、電氣元件、氣動元件），輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，運(yùn)用設(shè)計(jì)構(gòu)思和實(shí)驗(yàn)分析，可以實(shí)現(xiàn)任何技術(shù)過程的還原，更可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作的模擬。通過在機(jī)電創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新熱情，更好地將所學(xué)知識應(yīng)用到實(shí)踐中來，為未來就業(yè)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒慧君.機(jī)械原理[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]慧魚ROBO TX CONTROLLER說明書2008年北京教儀科技有限公司

[3]曲凌.慧魚創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.