机械设计智能机器鱼设计与制作|机械设计课程设计
机械设计课程设计_"智能机器鱼"设计与制作
作者:王春健 梁健 付月明 关鸿耀
目 录
第一章 产品综述... 1
1.1 研究意义... 1
1.2 设计思想... 1
1.3 尾部摆动机构三维图... 2
1.4 沉浮机构三维图... 4
1.5 实物图... 5
第二章 机构原理... 7
2.1 设计构思... 7
2.2 摆动机构设计... 7
2.3 尾部弹性设计... 8
2.4 转弯设计... 8
2.5 沉浮机构设计... 8
2.5 骨架及密封设计... 9
第三章 机器鱼控制系统设计... 10
3.1 遥控器及霍尔元件模块... 10
3.2 机器鱼电源模块设计... 10
3.3 电机及电磁阀驱动模块... 11
第四章 零件加工... 13
4.1 各个零件的加工方法... 13
4.2 部分零件加工NC代码... 13
4.3 加工中的问题及解决方案... 16
第五章 机构装配... 18
5.1 摆动机构装配过程... 18
5.2 沉浮机构装配过程... 19
第六章 总结与体会... 20
第一章 产品综述
1.1 研究意义
21世纪是海洋的世纪,加上由于各种技术的全面发展带动了机器人技术的发展，对于在海洋开发和相关领域中运用机器人技术已引起了各方面的重视。并且随着海洋开发的进展，一般的潜水技术已无法适应现代高深度综合考察和研究、完成各种作业的需要。但在现实中都是利用螺旋桨来推动船前进，而是否能利用鱼类的游动原理来做出比具有螺旋桨更快和更低噪声的水下推行器，突破当今专一的运输方式和水下推进方式，已成为一个热门研究课题。当今，已有一些研究机构模拟鱼类游动原理和其生理构造研究制造鱼形机器人，它也叫人工机器鱼（robofish）。本文拟利用单片机AT89S8252来制作完成模拟鱼基本动作的鱼形机器人。
研制机器鱼具有广泛的现实意义，它可以更逼真的模拟鱼的游动原理，使水下的机器人运动更符合流体力学原理，具有更好的加速和转向能力，利用它们可以探测海洋，寻找和检测海域中受污染的地方，也可以用来勘探地形；可以通过研制机器鱼这个实验平台来研究鱼的运动原理和鱼类运动所依附的流体力学原理；而且它以泳动方式运动，解决了螺旋桨的噪声问题；构造要比一般的水下推进器简单，制作和使用成本都较低；能源利用率高，作业时间长；当给相同的电能时，机器鱼能够比自制的潜艇游的更远；无需生命维持保障设备，可以小型化；且对人没有任何危险.等。另外在娱乐方面具有良好的发展前景, 例如水族馆等。机器鱼的应用领域有：鱼类展览；相关的机器人竞赛（robofishcup）；配合其它器件，可用于勘探和救生；相关科研领域等。
1.2 设计思想
先进制造技术是一门综合性课程，它涵盖了机械设计、金属切削原理与刀具、机械制造工艺学、计算机辅助设计与制造、计算机图形学、三维几何建模技术和机电产品参数化实体造型等课程的相关内容。先进制造技术综合实验以实际工程产品为原型，有针对的锻炼学生运用所学的相关课程的基本知识，分析问题，解决问题，提高学生的开发创新能力。
本实验由产品造型与设计实验、数控加工编程实验以及综合性实验组成。我们此次设计的是机器鱼的尾部摆动机构。我们日常生活所见的鱼大都主要靠尾鳍的摆动来实现自由游动的，所以我们设计的鱼也因袭了鱼的这一生理特点，通过控制鱼尾部的摆动来实现鱼的前进、转向等。鱼尾部的左右摆动幅度要均衡，我们以前设计的鱼尾部机构采用摆动连杆机构，因为其存在急回特性，所以鱼在游动过程中因为摆速不平衡，常自己自动转弯。为了避开这一特性，我们最初选择了采用凸轮机构，它可以有效地达到我们所需目的，只需设计凸轮上凹槽的形状即可，但要加工这个凸轮需要三维的机器来实现，而我们现有的设备不能满足要求。所以我们最终又回归到我们的连杆机构上来。其实只要我们将连杆机构的尺寸设计适当，就同样可以达到避开急回特性的目的。而且这种机构所需加工设备都是我们平时常用的设备，易于操作，且加工方便。
1.3 尾部摆动机构三维图
总装图
电机
电机是预先选择好的。24v，36r/min
连轴器
连接电机轴和圆盘轴而设计的
圆盘
连杆及摇杆
阶梯轴
套筒
1.4 沉浮机构三维图
总 装 图
连 接 盘
底 座
支 架
阶 梯 轴
带 孔 圆 盘
1.5 实物图
游
动
效
果
整
体
骨
架
弹
性
尾
部
气
缸
实
物
图
电
机
及
传
感
器
实
物
组
装
第二章 机构原理
2.1 设计构思
我们此次设计的是机器鱼的尾部摆动机构。我们日常生活所见的鱼大都主要靠尾鳍的摆动来实现自由游动的，所以我们设计的鱼也因袭了鱼的这一生理特点，通过控制鱼尾部的摆动来实现鱼的前进、转向等。鱼尾部的左右摆动幅度要均衡，我们以前设计的鱼尾部机构采用摆动连杆机构，因为其存在急回特性，所以鱼在游动过程中因为摆速不平衡，常自己自动转弯。为了避开这一特性，我们最初选择了采用凸轮机构，它可以有效地达到我们所需目的，只需设计凸轮上凹槽的形状即可，但要加工这个凸轮需要三维的机器来实现，而我们现有的设备不能满足要求。所以我们最终又回归到我们的连杆机构上来。其实只要我们将连杆机构的尺寸设计适当，就同样可以达到避开急回特性的目的。而且这种机构所需加工设备都是我们平时常用的设备，易于操作，且加工方便。
2.2 摆动机构设计
机器鱼的游动机理依据“波动理论”，模仿金枪鱼的外形，依靠身体的后半部分和尾部摆动而游动。所谓“波动理论”主要以鱼的脊椎曲线为研究对象，认为鱼体之所以能够前进,是由于脊椎曲线带动它所包络的流体向后喷出,产生推力。我们认为鱼体在水中作波动运动,其游动形态类似一列正弦波。机器鱼依靠动力机构使尾巴左右等幅摆动，从而在水中形成一列正弦波，推动鱼体游动，进而完成鱼儿的各种动作。
尾部波动的形成，需要两个必要的因素。首先要有一个振源，也就是说，需要尾部产生一个周期性的往复运动。我们选择了四连杆机构将电机的转动转换成为摆杆的往复运动。为了能够等幅摆动，不产生急回特性，我们选择了III型曲柄摇杆机构，根据其摆动的幅度，确定了各杆件的长度，考虑到鱼体内的空间有限，确定摆动角为40°，曲柄长度为13.5mm，连杆为15mm，摆杆为100mm。为了将四连杆机构固定在鱼体内，我们特意设计了支撑架。将曲柄设计成圆盘，用于支撑连杆与摆杆；再将曲柄轴固定在支撑架上；同时，电机也固定在支撑架上，电机轴与曲柄轴通过联轴器相连；最后，将支撑板固定在鱼体上，完成整个固定工作。
2.3 尾部弹性设计
尾部波动的形成，还要求尾部是一个弹性体，这样摆动机构的摆动才能够形成一束波向后传播，推动包络在周围的水以获得向前的动力。因此，我们选择用弹性适中的弹簧来作为尾部的主要构架。弹簧的刚性需控制在一定范围内，太硬会导致损耗太多的电机功率，而太软又无法保持鱼的形体。
2.4 转弯设计
尼莫的转弯原理参考了真鱼的动作，主要依靠尾部的偏转以及游动的惯性。帮助摆动机构停留在转弯位置的是霍尔传感器。当机构运行到转弯位置时，霍尔传感器将产生一个低电平跳变信号输出给单片机，然后由单片机控制电机停转使摆杆停留在指定位置。这样，当鱼由于惯性前进时，摆杆所停留的一边所受的阻力较大，从而使鱼朝某一方向转向。
图2-1 转弯示意图
2.5 沉浮机构设计
众所周知，鱼通过鱼鳔的伸缩实现灵活的沉浮。鱼类的上浮和下沉主要靠其腹内鱼鳔的收缩来实现。鱼鳔收缩使得鱼体体积发生变化，进而影响排开水的体积，从而实现上浮下沉。我们采用气缸排开水的体积来模拟鱼鳔的收缩。
我们的“鱼膘”采用双电机驱动气缸，在其往复做功的工程中，再配以电磁阀2,3的开合，将储水容器抽成低压，储气容器抽成高压，然后打开电磁阀1,使鱼吸水，实现鱼的下沉；我们将电磁阀1,2,3同时打开，利用高压将水排出，完成鱼的上浮动作。
图2-2 沉浮机构原理图
2.5 骨架及密封设计
机器鱼尼莫的外形是模仿金枪鱼而设计的，跟真鱼一样，也是骨架结构，并采用主脊柱与肋环结构，使鱼成为一个整体空腔，便于安装其他机构。
机器鱼的防水是一个难点。普通的航海设备可以采用金属外壳防水，而机器鱼的防水层需要有伸缩性，以保证尾部能够灵活摆动。经过了多次防水实验，我们采用了在防水布外面涂防水胶的双层防水方案，很好的解决了防水和伸缩性的问题。
第三章 机器鱼控制系统设计
由于机器鱼控制系统较为复杂，为了方便设计，本项目设计中采用了模块设计的思想，共分为三大模块：
a) 遥控器及霍尔传感器模块 ；
b) 电源模块；
c) 电机及电磁阀驱动模块。
3.1 遥控器及霍尔元件模块
检测尾部极限位置的霍尔传感器，当尾部摆到极限位置时，霍尔元件将反馈给单片机一个信号，若此时遥控器的转向键按下，则鱼就开始左转或右转。
遥控器及霍尔元件模块图如图3-1所示：
图3-1 遥控器及霍尔传感器模块图
3.2 机器鱼电源模块设计
电源部分，采用四节3.6V的锂电池串联在一起形成14.4V的电源电压，再通过稳压三极管L7812将电压降到12V作为TL494的驱动电压，然后用一个DC-DC模块将12V电压降至5V作为各芯片的工作电压。对于14.4V的锂电池，有专门的充电器，可用家庭用220V交流电充电。另外尾部电机的驱动电压为24V，所以需要一个24V的电源，本次设计中用20节1.2V的镍氢电池串联起来使用，也配有相应的充电器。另外，驱动沉浮机构的电源电压也为24V，我们采用7节3.6V锂电池串联起来在稳压，然后提供给电磁阀及气缸作为动力。
电源模块的原理图如图3-2所示：
图3-2 电源模块的原理图
3.3 电机及电磁阀驱动模块
本电路中，我们采用了数模转换模块TLC7226与单片机连接来产生控制占空比的模拟信号。然后利用常用的PWM芯片TL494通过自身外接振荡电阻和振荡电容产生一个锯齿波，与输入的模拟电压信号进行比较运算，输出一个方波，该方波再通过一块电机驱动模块L293D来驱动电机及电磁阀。
电机及电磁阀驱动模块见图3-3、3-4：
图3-3 PWM驱动模块
图3-4 电磁阀驱动模块
第四章 零件加工
机器鱼尾部摆动机构，从重量上分析应该尽量轻，保证鱼身的轻盈；从刚度上分析，要带动鱼尾部摆动起来，则必须有一定的刚度，所以我们基本上都选用铝材。支架采用整体机构，用铣床操作。
4.1 各个零件的加工方法
1）支架
加工方法：铣、钻孔，可在数控铣床上完成
2）轴和圆盘
加工方法：车、钻孔，可在数控车床上完成
3）杆
加工方法：线切割
4.2 部分零件加工NC代码
1） 阶梯轴加工数控车床NC代码
N10 G92X20Z10
N20 M03
N30 S200
N40 G00X9Z2
N50 G01W-10F30
N60 G00U2
N70 G00W10
N80 G00U-4
N90 G01W-10F30
N100 G00U2
N110 G00W10
N120 G00U-2.5
N130 G01W-10
N140 G00U2
N150 G00W10
N160 G00U-2.5
N170 G01W-5
N180 G00U2
N190 G00X20Z10
N200 M05
N210 M02
2） 圆盘零件数控车床加工NC代码
N10 G92X50Z10
N20 M03
N30 S200
N40 G00X36Z2
N50 G01W-15F30
N60 G00U2
N70 G00W15
N80 G00U-3
N90 G01W-15F30
N100 G00U2
N110 G00W15
N120 G00U-4
N130 G01W-7
N140 G00U2
N150 G00W7
N160 G00U-4
N170 G01W-7
N180 G00U2
N190 G00W7
N200 G00U-4
N210 G01W-7
N220 G00U2
N230 G00W7
N240 G00U-4
N250 G01W-7
N260 G00U2
N270 G00W7
N280 G00U-3
N290 G01W-7
N300 G00U2
N310 G00X50Z10
N110 M05
N120 M02
3） 摆杆零件加工数控铣床NC代码
%1001
#10=100
#11=100
#12=12
N01 G92X0Y0Z0
N02 G00X10Y10Z10
N03 G00X10Y0Z-2 M03
#0=0
WHILE #0 LT 8
N[06+#0*4] G01X[-#10-10]Y[-#0*#12-0]Z-2
N[07+#0*4] G00X[-#10-10]Y[-#0*#12-#12/2]Z-2
N[08+#0*4] G01X0Y[-#0*#12-#12/2]Z-2
N[09+#0*4] G00X0Y[-#0*#12-#12]Z-2
#0=#0+1
ENDW
N[06+#0*4]
WHILE #0 LT 9
N[06+#0*4] G01X[-#10-10]Y[-#0*#12-0]Z-2
N[07+#0*4] G00X[-#10-10]Y[-#0*#12-#12/2]Z-2
N[08+#0*4] G01X0Y[-#0*#12-#12/2]Z-2
N[09+#0*4] G00X0Y[-#0*#12-#12]Z-2
#0=#0+1
ENDW
4） 支架零件数控铣床纵向铣削NC代码
%2001
#12=10
;JIN JI LIANG
#13=1.5
G92X0Y0Z0
GOOX[#12/2+3]Y[#12/2+3]Z2
M03
F100
#0=0
WHILE #0 LT 13
GOOX[#12/2+3]Y[#12/2-2]
G00Z[-#13-#0*#13]
G01X[-65.65-#12/2-2]
G01Y[-13-2-#12/2]
G01X[-51.15-2-#12/2]
G01Y[-2-13-16-#12/2]
G01X[-2-12-15.65+#12/2]
G01Y[-2-13-#12/2]
G01X[-2-12-#12/2]
G01Y[-2-14-#12/2]
G01X[-2+#12/2]
G01Y[-2+#12/2]
G00Z2
#0=#0+1
ENDW
;XUN HUAN 2;XI TU TAI
#0=0
WHILE #0 LT 8
GOOX[-2-12-#12/2]Y[#12/2+3]
G00Z[-#13-#0*#13]
G01Y[-2-14]
G01X[-2-12-15.65]
G01Y[-]
G01X[-]
G01Y[-]
G01X[]
G01Y[-]
G01X[]
G01Y[]
G00Z2
#0=#0+1
ENDW
;G00Z2
G00X0Y0
G00Z0
M05
5） 支架零件数控铣床横向铣削NC代码
%2006
#10=100
#11=35
#12=20
#13=1
G92X0Y0Z0
GOOX15Y15Z10
GOOX15Y0Z[-#13]
M03
F100
#0=0
WHILE #0 LT 2
G01X[-#10]Y[-#0*#12-0]
G01X[-#10]Y[-#0*#12-#12/2]
G01X0Y[-#0*#12-#12/2]
G01X0Y[-#0*#12-#12]
#0=#0+1
ENDW
GOOZ2
G00X0Y0
G01X0Y0Z[-#13]
M05
4.3 加工中的问题及解决方案
1） 车削加工
车削是我们机构加工的主要方法之一，因此数控车床也成为我们主要的加工设备之一。车削主要加工的对象是回转体零件，如轴类零件。编写数控车床的加工程序称为我们遇到的一个主要困难。我们花了较大的精力去阅读数控车床使用说明书，熟悉其编程规则，在老师的指导下最终成功编写了个零件的加工程序。
在具体的加工过程中，我们也遇到了不少困难。一开始，在使用割刀对铝棒进行切断操作时，铝棒总是再三爪卡盘缘口处自己断裂，造成已成型零件的报废，几位可惜。经过多次检查，终于查清，原因在于割刀的刀刃低于车床的主轴线，以致工件受力不均。也就是说，在安装割刀时，我们未能精确对准，这给了我们极大的教训。
在数控车床上，理论上是可以用钻头打中心孔的。当我们用M4 的钻头打孔后，却发现中心孔的直径径大于5，导致整个工件的报废很重要的原因是工件太小，在车床上回转时严重偏心，尤其在钻孔时，铝棒抖动特别严重，使得打孔精度难以保证。最后我们将打孔操作全部改为在台钻上手工操作，终于取得了较好的效果。
我们还有一些铜材零件需要加工，由于铜材质较软，易发生粘刀现象，加工起来较为困难。起初加工的铜材零件表面极为粗糙，将进给速度调至很低后，才满足了粗糙度要求。
2） 铣削加工
在加工支架类零件时，必须采用铣削操作。而我们设计的支架形状有较为复杂，故加工程序较显得较为冗长。因重复操作较多，故程序中使用了较多的循环语句，这就需要考虑窖返奶鎏跫艺獾慵匾徊恍⌒木突崆肮∑Ｎ司×考跎俪龃砺剩颐且豢疾捎玫ゲ讲僮鳎徊揭徊街葱校钡揭桓鲅纷咄瓴怀鍪裁垂收系幕拔颐遣湃闷渥远葱小５窃诨鞑僮鞴讨校骰嵬蝗怀鱿值舻缦窒螅蚴且恍┠脑虻贾禄魑蟛僮鳎饩褪刮颐潜匦胧笨檀诨才员撸⑺媸弊急付缘逗托薷某绦颉?/P>
我们的支架加工花费了较长的时间，原因一是加工的原材料太大，需要铣削得太多，另外程序的设计没有考虑完善，先加工什么后加工什么没有计划得很合理。所以在接下来的铣削操作中，我们充分吸取了前面的经验教训，加工速度得到了明显的提高，加工出来的产品也非常成功。
3） 钻孔加工
我们所加工的零件基本上都需要钻孔，所以钻孔对我们而言非常重要。对支架等稍微大型的零件钻孔较为容易，但是对短杆这类小零件钻孔却是很难保证精度的。第一零件太小，难以裝夹；第二对这类零件钻孔时零件抖动严重，钻的孔一般偏大，且难以保证其位置精度。解决办法是钻Ф4的孔时用Ф3的绞刀来绞，再扩孔至Ф4。
而且要保证所钻孔的位置精度，首先要划线，且要保证划线的准确度。在其次是攻丝，攻丝时需进两圈退一圈使其排屑顺利，我们在加工的过程中，有一次因为强行攻丝使得丝锥头断到攻坚里面。以后我们总结了经验，攻丝时尽量保持低速。
第五章 机构装配
5.1 摆动机构装配过程
装配步骤1
装配步骤2
装配步骤３
装配步骤４
5.2 沉浮机构装配过程
装配步骤1
装配步骤2
装配步骤３
装配步骤4
第六章 总结与体会
本次机械设计课程设计和先进制造的综合实践是对我们设计和动手能力的一次很好的锻炼。这是一次完全自主选题、自行设计、自己动手加工的综合的实践命题。
我们组选择了机器鱼这一课题，针对使机器鱼在水中自由游动这一目标进行了详尽的任务分析，并最终选定了这一具体机构。
在机构选择的过程中，我们深深体会到了资料搜集的重要性。刚开始我们的思路很受局限，通过翻阅大量书籍，搜索许多网上资料才发现，事实上实现将电机主轴的转动转化为鱼尾摆动的机构很多，而且效果也非常不错。这让我们深深体会到，前人的研究成果是多么重要。我们现在的工作应可能利用成熟的技术，这样既可以少走弯路，又能取得更好的效果。正如牛顿所说：“我之所以可以看得更远些，是因为我站在巨人的肩上。”
还有就是在加工过程中遇到的艰苦和困难让我们感受尤为深刻。从图纸的生成到实物的制作完成，每一步都不是我们最初想象的那么简单。从熟悉机床到程序的编写，从工件的装夹到对刀定位，从进刀退刀到余量的选择，要保证尺寸，保证精度，稍有不慎就会造成整个工件的报废。在加工时，还要充分考虑可用的刀具、机床的精度等多方面因素。可以说，机构最终能如我们设计的那样灵活运动起来，取决于各方面的综合因素。在加工过程中，我们吃了不少苦头，但是所学到的知识却是什么东西都取代不了的。
