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2022年全國職業(yè)院校技能大賽高職組

“GZ-2022XXX電子產(chǎn)品設(shè)計及制作”賽項(xiàng)賽卷一

題目：智能機(jī)器人控制器設(shè)計及制作

1 競賽任務(wù)

按賽題要求，利用所發(fā)的技術(shù)資料、元器件及器材完成智能機(jī)器人控制器的設(shè)計和裝調(diào)任務(wù)，進(jìn)行Cortex-M3系列STM32F103ZET6（LQFP144）處理器或51系列STC單片機(jī)IAP15W4K61S4（LQFP64S）的軟件設(shè)計，完成該控制器的設(shè)計及制作。

1.1 根據(jù)本賽題及所給U盤中的技術(shù)資料分析智能機(jī)器人控制器的工作原理和功能要求；

1.2 根據(jù)賽題所給的智能機(jī)器人控制器原理圖和印刷線路板約束條件，利用Altium Designer軟件繪制印刷線路板圖；

1.3 完成賽項(xiàng)所提供印刷線路板的焊接任務(wù)；

1.4 利用賽項(xiàng)提供的智能機(jī)器人控制器機(jī)箱及套件完成結(jié)構(gòu)設(shè)計和整機(jī)安裝，包括開關(guān)、電源、電路板、插座的安裝及機(jī)箱內(nèi)走線的規(guī)劃；

1.5 完成某一成品線路板的故障排除任務(wù)，該線路板將用于機(jī)器人控制器中；

1.6 完成智能機(jī)器人控制器的功能調(diào)試，使其達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的正常工作；

1.7 完成STM32F103或 IAP15W4K61S4處理器軟件的編寫，使智能機(jī)器人達(dá)到規(guī)定的功能要求。

2 競賽時間

競賽時間為8小時（9:00-17:00）。

3 功能要求與技術(shù)指標(biāo)

3.1 原理說明

智能機(jī)器人為三自由度機(jī)器人，在Z軸安裝有攝像頭和機(jī)械手，可以對攝像頭的圖像識別，實(shí)現(xiàn)對特定工件的抓取或放置。

智能機(jī)器人由三個直線導(dǎo)軌分別控制機(jī)械手的左右、上下和前后運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對工件布置板上不同工件的抓取或放置。X軸左右運(yùn)動導(dǎo)軌的驅(qū)動電機(jī)有三種，分別為帶編碼器的直流減速電機(jī)、直流無刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，可根據(jù)賽題要求更換，并安裝有電容式位移傳感器和MEMS類距離測量傳感器，在導(dǎo)軌的兩端安裝防撞的行程開關(guān)；Y軸上下運(yùn)動導(dǎo)軌的驅(qū)動為帶編碼器的直流減速電機(jī)，在導(dǎo)軌的兩端安裝防撞的行程開關(guān)；Z軸前后運(yùn)動導(dǎo)軌的驅(qū)動為直流減速電機(jī)，在導(dǎo)軌的兩端安裝防撞的行程開關(guān)；安裝在Z軸上機(jī)械手的驅(qū)動源為舵機(jī)；在機(jī)械手夾持板的一邊內(nèi)側(cè)安裝力傳感器，可以檢測夾持工件的力度，在機(jī)械手的下方安裝攝像頭，用于識別工件的形狀或顏色。智能機(jī)器人還配有搖桿電位器控制板，與控制器有線連接，可手動控制智能機(jī)器人的各種動作。

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

智能機(jī)器人要求能實(shí)現(xiàn)對工件布置板上不同工件的識別和操作，操作模式有手動操作和自動操作兩種。智能機(jī)器人控制器由微處理器(STM32或51)電路、顯示與鍵盤電路、傳感器測量電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電機(jī)驅(qū)動電路和電源電路等部分組成。

????參賽隊(duì)需完成智能機(jī)器人控制器的印刷線路板繪制、線路板的焊接與調(diào)試、某一線路板的故障排除、控制器的安裝與調(diào)試、控制器指定功能的軟件編程與調(diào)試等多項(xiàng)競賽任務(wù)。

3.2.1 印刷線路板的繪制

根據(jù)賽題所指定的智能機(jī)器人控制器原理圖和印刷線路板約束條件，利用Altium Designer軟件繪制該控制器的印刷線路板圖。要求所用元器件均采用3D模型，其中某一個元器件需要參數(shù)隊(duì)自行建模，所繪制的印刷線路板可以進(jìn)行三維展示。

控制器原理圖由CPU電路單元、人機(jī)接口電路單元、傳感器測量電路單元、A/D電路單元、功率輸出電路單元、電源電路單元等幾部分組成，每一單元電路都有若干種選擇，印刷線路板的外形結(jié)構(gòu)也有若干種選擇。根據(jù)不同的組合組成1號賽卷的線路板繪制抽取方案，由裁判長指定相關(guān)人員在比賽前三天內(nèi)按該方案隨機(jī)抽取各單元電路和外形結(jié)構(gòu)，組成完整的控制器原理圖和外形結(jié)構(gòu)。

線路板約束規(guī)則要求：雙層印刷線路板，最小間距10mil（集成電路引腳間距不受此約束），最小線寬10mil，過孔最小孔徑15mil，過孔最小直徑30mil，敷銅最小間距10mil。

????參賽隊(duì)所繪制的智能機(jī)器人控制器原理圖和印刷線路板圖電子稿采用U盤形式上交。

3.2.2 印刷線路板焊接與調(diào)試

微處理器核心板二，ADS7950串行A/D轉(zhuǎn)換電路板為散件，需參賽隊(duì)自己焊接和調(diào)試。若焊接的線路板不能正常工作，可以采用成品線路板替代，但將扣除線路板調(diào)試部分任務(wù)的分?jǐn)?shù)。

3.2.3 某一線路板的故障排除

根據(jù)現(xiàn)場選定的比賽用故障板及已公開賽題的技術(shù)信息完成對該線路板的故障診斷與排除。

3.2.4 智能機(jī)器人控制器的安裝與調(diào)試

智能機(jī)器人控制器的裝調(diào)工作要求在機(jī)箱中完成。安裝套件包括機(jī)箱、開關(guān)電源、前面板、后面板、安裝底板、微處理器核心板（STM32或51單片機(jī)）、人機(jī)接口電路板、傳感器測量電路板、A/D轉(zhuǎn)換電路板、功率輸出電路板以及必要的電氣附件。

其中左右運(yùn)動導(dǎo)軌的驅(qū)動電機(jī)采用直流減速電機(jī)，位置測量采用電容式位移傳感器測量，不采用直流減速電機(jī)上的編碼器和MEMS類距離測量傳感器測量。

????智能機(jī)器人控制器的具體線路板構(gòu)成如下：

1）微處理器核心板二；

2）ADS7950串行A/D轉(zhuǎn)換電路板；

3）功率運(yùn)放輸出電路板；

4）功率H橋PWM輸出電路板；

5）多功能萬用板。

參賽隊(duì)需自行完成智能機(jī)器人控制器機(jī)箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝調(diào)工作。以上線路板的原理圖、印刷線路板元件布置圖、元件清單均在電子文件“智能機(jī)器人控制器裝調(diào)”文件夾中。以上線路板中某一塊線路板含有故障，需要參賽隊(duì)獨(dú)立維修排除，若不能排除故障，可以采用成品線路板替代，但將扣除故障維修部分任務(wù)的分?jǐn)?shù)。

智能機(jī)器人控制器的前面板安裝微處理器核心板二（STM32或51單片機(jī)、液晶顯示模塊、鍵盤電路）、搖桿電位器接口和電源開關(guān)。前面板的布置如圖1所示：

圖1 智能機(jī)器人控制器前面板圖

智能機(jī)器人控制器的后面板的布置如圖2所示，安裝有三個接線插座和帶保險絲的電源插座。其中端口1連接左右運(yùn)動導(dǎo)軌電機(jī)及編碼器、電容式位

圖2 智能機(jī)器人控制器后面板圖

移傳感器的信號，端口2連接上下運(yùn)動導(dǎo)軌電機(jī)及編碼器、前后運(yùn)動導(dǎo)軌電機(jī)的信號，端口3連接機(jī)械手舵機(jī)、攝像頭和力傳感器的信號。

控制器整機(jī)的安裝工藝評分和印刷線路板的焊接工藝評分將在比賽結(jié)束、整機(jī)功能測試后集中進(jìn)行，比賽過程中不對印刷線路板的焊接工藝單獨(dú)評分。

3.2.5 智能機(jī)器人的功能要求

智能機(jī)器人控制器前面板的按鍵功能定義如圖3所示：

圖3 控制器按鍵定義圖

通過控制器前面板的液晶顯示屏和按鍵，可以實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的參數(shù)設(shè)定、手動模式操作和自動模式操作。

• 要求系統(tǒng)通電后顯示界面一如圖4所示，顯示參賽隊(duì)自己的工位號，核心板上蜂鳴器鳴叫1秒，界面底部“按E鍵進(jìn)入主界面”每隔1秒閃爍一次，按下面板上的E鍵，進(jìn)入主界面。

?????????圖4 界面一 ???????????????????????圖5?主界面

◎ 主界面如圖5所示，通過前面板的按鍵上相應(yīng)的數(shù)字鍵選擇進(jìn)入對應(yīng)的子功能界面。

◎?區(qū)域設(shè)定子功能界面如圖6所示，通過前面板的按鍵設(shè)定自動操作時機(jī)械手工作的區(qū)域。區(qū)域設(shè)定為長方形，其左下角為起點(diǎn)坐標(biāo)，右上角為終點(diǎn)坐標(biāo)，在工件布置板的平面上繪有坐標(biāo)刻度，坐標(biāo)值的單位為mm。自動操作時只對設(shè)定區(qū)域內(nèi)的工件進(jìn)行操作，該界面退出后返回主界面。

????圖6??區(qū)域設(shè)定功能界面 ???????????圖7?手動操作子功能界面

• 手動操作子功能界面如圖7所示，機(jī)械手坐標(biāo)實(shí)時顯示機(jī)械手的坐標(biāo)值；數(shù)量顯示操作工件的個數(shù)，進(jìn)入界面時清零；壓力實(shí)時顯示機(jī)械手上力傳感器的輸出電壓。手動操作由搖桿電位器控制板控制，兩個電位器控制機(jī)械手的左右運(yùn)動和上下運(yùn)動，按鍵按下時機(jī)械手往前運(yùn)動，到位后機(jī)械手夾緊工件，按鍵放開后機(jī)械手退后，到位后機(jī)械手放開工件落下，操作工件數(shù)量累加1。工件的數(shù)量及位置為隨機(jī)放置。該界面退出后返回主界面。
• 自動操作的功能要求將在競賽時下發(fā)。
• 在手動和自動操作時，若機(jī)械手的夾持力過大，會觸發(fā)機(jī)械手下方線路板上蜂鳴器，提示工件受力過大損壞，判定為操作失敗。

4 技術(shù)文件要求

各隊(duì)完成的全部文件存放在“2022QG××”（××為2位數(shù)字，即競賽隊(duì)工位號）文件夾中，提交的電子文件采用統(tǒng)一命名規(guī)則（類型名＋工位號），不得以其它名稱命名電子文件。因保密要求，在電路原理圖和線路板圖文件中不得出現(xiàn)學(xué)校名稱、參賽選手姓名、工位號等信息；電子文件名稱如不符合命名規(guī)則，體現(xiàn)參賽隊(duì)信息的，該隊(duì)該項(xiàng)競賽成績將被取消。

4.1提交的技術(shù)文件

參賽隊(duì)提交的電子文件均采用U盤保存后提交，技術(shù)文件包括：

1、電子設(shè)計工藝所繪制的印刷線路板原理圖和線路板圖；

2、智能機(jī)器人任務(wù)與功能驗(yàn)證所編寫的源程序；

4.2文件命名要求

電子文件列表如下：

2022QG×× ????????電路原理圖××.SchDoc

線路板圖××.PcbDoc

源程序××（文件夾）

4.3技術(shù)文件上交方式

原理圖、線路板圖及源程序均需提交電子文檔，采用U盤保存，一式貳份上交，上交時間為比賽結(jié)束時（17:00）。

5 評分標(biāo)準(zhǔn)

序號	評分項(xiàng)目	知識、技能點(diǎn)	分值
1	安全操作規(guī)范	操作規(guī)范、環(huán)境清潔、安全用電團(tuán)隊(duì)合作、符合職業(yè)崗位的要求和企業(yè)生產(chǎn)“5S”原則。	8
2	電子設(shè)計工藝	按賽卷要求完成印刷線路板繪制	17
3	電子裝調(diào)工藝	印刷線路板焊接、機(jī)器人控制器安裝布局與接線工藝及故障診斷與維修。	45
4	任務(wù)與功能驗(yàn)證	根據(jù)競賽任務(wù)書要求，完成某一特定功能機(jī)器人的任務(wù)與功能實(shí)現(xiàn)。	30
5	扣分項(xiàng)	超過規(guī)定時間補(bǔ)領(lǐng)元器件、更換功能電路板競、賽平臺故障及其他違紀(jì)扣分項(xiàng)。
6	總計	100

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的2022年高职院校技能大赛电子产品设计及制作赛项国赛交流的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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