-三自由度機(jī)械手設(shè)計課案

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1、摘 要 本次設(shè)計實驗用三自由度機(jī)械手為實驗用專用機(jī)械手，主要由手爪、手臂、機(jī)身、機(jī)座等組成，具備上料、搬運(yùn)等多種功能，本機(jī)械手機(jī)身采用機(jī)座式，實驗對象圍繞機(jī)座布置，其坐標(biāo)形式為關(guān)節(jié)式，具有水平旋轉(zhuǎn)、手臂豎直擺動等3個自由度；驅(qū)動方式為電機(jī)驅(qū)動，利用電機(jī)帶動減速機(jī)，減速機(jī)減速后帶動旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)各個回轉(zhuǎn)運(yùn)動。電動驅(qū)動的優(yōu)點是控制精度高，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好。本次設(shè)計的機(jī)械手能對不同物體完成多種動作。采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)關(guān)節(jié)的伺服控制和制動、實時監(jiān)測機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動情況、機(jī)器人的在線修改程序、設(shè)置參考點和回參考點。 關(guān)鍵詞：機(jī)械

2、手；電機(jī)驅(qū)動；伺服。 目 錄 摘 要 I 第1章 緒論 1 1.1 題目提出的意義 1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 第2章 方案的確定與比較分析 3 2.1 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的比較與選擇 4 2.2 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的比較與選擇 6 第3章 驅(qū)動源的選擇與設(shè)計計算 9 3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 9 3.2 各關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇計算 10 3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 11 3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 12 3.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 13 第4章 手部結(jié)構(gòu)

3、設(shè)計 15 4.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 15 4.1.1 手指的形狀和分類 15 4.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題 15 4.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計 16 4.2.1 彈簧的設(shè)計計算 16 4.2.2 對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 17 4.2.3 疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗算。 17 4.2.4 手部驅(qū)動力計算 18 4.2.5 氣缸直徑的設(shè)計計算 19 4.2.6 缸筒壁厚的設(shè)計 21 4.2.7 活塞桿運(yùn)動行程的計算 21 第5章 各機(jī)械部件的設(shè)計選擇與校核 23 5.1 軸的設(shè)計與校核 23 5.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計 23 5.1.2

4、 大臂軸的強(qiáng)度校核 24 5.2 鍵的選擇與強(qiáng)度的校核 27 5.3 軸承壽命的校核 30 5.4 聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核 31 5.4.1 聯(lián)軸器的選擇. 31 5.4.2 聯(lián)軸器圓錐銷的校核 32 第6章 控制系統(tǒng)設(shè)計 33 6.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) 33 6.1.1 8051單片機(jī)介紹 34 6.2.2 復(fù)位電路 36 6.1.3 振蕩電路 36 6.2 串行接口電路 37 6.3 傳感器 38 6.3.1 傳感器的選型 38 6.3.2 硬件電路的設(shè)計 39 6.4 電動機(jī)的控制 40 6.4.1 L298N電機(jī)驅(qū)動芯片

5、簡介 40 6.4.2 硬件電路圖 41 結(jié) 論 42 致 謝 43 參 考 文 獻(xiàn) 44 第1章 緒論 1.1 題目提出的意義 本次設(shè)計的目的是為了解決本科教學(xué)中理論與實踐操作融合性不強(qiáng)等問題，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的基礎(chǔ)上能得到較好的實際操作，通過不同程序的輸入使學(xué)生真實的觀察到機(jī)械手的運(yùn)動軌跡與運(yùn)動方式，進(jìn)一步強(qiáng)化大學(xué)生學(xué)習(xí)與就業(yè)能力。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工作的傳送

6、和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大的改善工人的勞動條件，顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量的人工物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉壓、噪音以及帶有放射性的污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視[1]。 1. 國外發(fā)展現(xiàn)狀 專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入了以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時代。機(jī)械手可以應(yīng)用于更加多的場合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設(shè)計的成本。由于機(jī)械手的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。機(jī)械手涉及的內(nèi)容，不僅包括一

7、般的機(jī)械、液壓、氣動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用了一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)等，因此它是一項綜合性較強(qiáng)的技術(shù)。目前國外對發(fā)展這一技術(shù)很重視。幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷的修改，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)大。 目前國外的發(fā)展趨勢是[2]： (1) 研制有更多自由度的機(jī)械手，這樣機(jī)械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動作。 (2) 研制帶有行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，這種機(jī)械手可以從一個工作地點移動到另一個工作地點。 (3) 研制維修維護(hù)方便的機(jī)械手。 (4) 研制能自動編制和自動改變程序的機(jī)械手。 (5) 研制具

8、有一定感觸和一定智力的智能機(jī)械手。這種機(jī)械手具有各種傳感裝置，并配有計算機(jī)。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計算機(jī)充當(dāng)其大腦，使它進(jìn)行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚(yáng)聲器作為嘴能說話進(jìn)行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸覺和感觸。用滾輪或者雙足式機(jī)構(gòu)腳來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機(jī)械手可以由人的特殊語言對其下達(dá)命令，布置任務(wù)，使自動化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。 (6) 機(jī)械手的外觀達(dá)到美觀的要求，盡量用最簡單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動作。 (7) 研制具有柔性系統(tǒng)的機(jī)械手 2． 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 目前，在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的再現(xiàn)式機(jī)械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預(yù)先

9、編好的，或由人在工作之前領(lǐng)動一次，而后機(jī)械手可以按領(lǐng)動的工作內(nèi)容正確進(jìn)行再現(xiàn)動作。如果把這種再現(xiàn)式機(jī)械手稱為第二代機(jī)械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機(jī)械手就是第三代了?，F(xiàn)在研究的機(jī)械手正在朝著一種可以存儲大量的程序的并且可以改變并重新寫入程序的方向發(fā)展，而且機(jī)械手具有比原來的更多的自由度[3,4]。雖然在這方面相對于發(fā)達(dá)國家還有點落后，但是國內(nèi)現(xiàn)在也越來越感覺到機(jī)械手的重要性，國家大力支持相關(guān)的設(shè)計及產(chǎn)品的開發(fā)。在機(jī)器人的發(fā)展以及機(jī)械手的設(shè)計上也取得了一定的成果，國內(nèi)每年都將舉行機(jī)器人大賽，以增加研發(fā)單位的交流與合作[5]?，F(xiàn)在國內(nèi)具有越來越強(qiáng)的自主研發(fā)的單位，我相信在不久的將來，我國一定

10、能夠趕上并將且超越發(fā)達(dá)國家在機(jī)械手乃至整個機(jī)械方面處于領(lǐng)先地位[6]。 第2章 方案的確定與比較分析 本畢業(yè)設(shè)計的機(jī)械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種[7,8]： 表2-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表 結(jié)構(gòu)形式方案 特點 優(yōu)缺點 結(jié)構(gòu)簡圖 直角坐標(biāo)型 操作機(jī)的手臂具有三個移動關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標(biāo)配置 結(jié)構(gòu)剛度較好，控制系統(tǒng)的設(shè)計最為簡單，但其占空間較大，且運(yùn)動軌跡單一，使用過程中效率較低 圓柱坐標(biāo)型 操作機(jī)的手臂至少有一個移動關(guān)節(jié)和一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐標(biāo)系配置 結(jié)構(gòu)剛

11、度較好，運(yùn)動所需功率較小，控制難度較小，但運(yùn)動軌跡簡單，使用過程中效率不高 球坐標(biāo)型 操作機(jī)的手臂具有兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)系配置 結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制系統(tǒng)的設(shè)計有一定難度，且機(jī)械手臂的剛度不足，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 續(xù)表 結(jié)構(gòu)形式方案 特點 優(yōu)缺點 結(jié)構(gòu)簡圖 關(guān)節(jié)型 操作機(jī)的手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動作，具有三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 運(yùn)動軌跡復(fù)雜，結(jié)構(gòu)最為緊湊，但控制系統(tǒng)的設(shè)計難度大，機(jī)械手臂的剛度差 2.1 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的比較與選擇 1. 直角坐標(biāo)型機(jī)械手 直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種

12、機(jī)械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標(biāo)形式X、Y、Z三個方向的直線進(jìn)行運(yùn)動。結(jié)構(gòu)簡圖見表2-1。 其工作范圍可以使一個直線運(yùn)動；二個直線運(yùn)動或三個直線運(yùn)動。如在X、Y、Z三個直線運(yùn)動方向上各具有A、B、C三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動，即構(gòu)成六個自由度。但在實際上是很少有的。缺點是這種機(jī)械手作業(yè)范圍較小，占空比大，靈活性差。 2. 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手適用于搬運(yùn)和測量工作。 具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，而動作范圍較大等優(yōu)點。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由X、Z、φ三個運(yùn)動組成。它的工作范圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，一個直線運(yùn)動，加一個不在直線運(yùn)動所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；二個直線運(yùn)動加一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)

13、動。結(jié)構(gòu)簡圖見表2-1. 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個基本動作： (1) 手臂水平回轉(zhuǎn)； (2) 手臂伸縮； (3) 手臂上下； (4) 手臂回轉(zhuǎn)動作； (5) 手爪夾緊動作。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒、手臂裝在滑動套筒上，手臂可作上下直線運(yùn)動（Z）和在水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動（φ）。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的缺點是結(jié)構(gòu)龐大，兩個移動軸的設(shè)計比較復(fù)雜，難于其他設(shè)備協(xié)調(diào)工作。 3 球坐標(biāo)型機(jī)械手 球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。它是由X、θ、φ三個方向的運(yùn)動組成。結(jié)構(gòu)簡圖見表2-1。球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍包括：一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；二個旋

14、轉(zhuǎn)運(yùn)動；二個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動加一個直線運(yùn)動。 球坐標(biāo)式機(jī)械手可實現(xiàn)以下八個動作： (1) 手臂上下動作，即俯仰動作； (2) 手臂左右動作，即回轉(zhuǎn)動作； (3) 手臂前后動作，即伸縮動作； (4) 手腕上下彎曲； (5) 手腕左右擺動； (6) 手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動； (7) 手爪夾緊動作； (8) 機(jī)械手整體移動。 球坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)做圓弧狀上下俯仰運(yùn)動，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，工作范圍和人手的動作類似。它的特點是能自動選擇最合理的動作路線。所以工效高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，動作范圍大。其缺點是壁障性

15、差，有平衡問題，位置誤差與臂長成正比，控制難度大。 4 關(guān)節(jié)型機(jī)械手 又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面（水平）關(guān)節(jié)坐標(biāo)，機(jī)械手由立柱和大小臂組成，立柱與大臂通過肩關(guān)節(jié)相連接，立柱繞z軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，大臂與小臂形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)和俯仰，小臂作俯仰。機(jī)械手工作空間范圍大，動作靈活，避障性好，能抓取靠近機(jī)座的物體，其缺點是位置精度較低，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來越多[10]。 本次設(shè)計的是實驗用三自由度機(jī)械手，要求體積小，重量輕，靈活性強(qiáng)，對精度要求不高，抓取重量較輕，上述4種類型機(jī)械手中關(guān)節(jié)式械手結(jié)構(gòu)最為緊湊，占空比最小，適合中小負(fù)載，能夠達(dá)到設(shè)計要求且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，所

16、以本次設(shè)計選擇關(guān)節(jié)式機(jī)械手。 2.2 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的比較與選擇 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動可分為液壓，氣動和電動三種基本類型。 1 液壓驅(qū)動 液壓傳動機(jī)械手有很大的抓取能力，抓取力可高達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá)7Mpa，液壓傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封性要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場工作，需配備一套液壓系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)龐大。 液壓驅(qū)動有以下特點： (1) 輸出功率很大，壓力范圍為50-140N/cm2。 (2) 控制性能較強(qiáng)，利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。 (3) 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量

17、比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。 (4) 液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護(hù)方便，使用壽命長。 液壓驅(qū)動需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運(yùn)動精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。 (5) 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、點焊機(jī)械手和托運(yùn)機(jī)械手。 2 氣壓驅(qū)動 氣壓傳動機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，價格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn)定性差，氣壓一般為0.7Mpa，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。 氣壓驅(qū)動具有以下特點： (1) 輸出功率不大，壓力范圍為48-60N/cm2，最高可達(dá)100N/cm2 (2) 可控性不強(qiáng)，氣體壓縮性能大，

18、精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。 (3) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題比液壓小。 (4) 適用于中小負(fù)載驅(qū)動，精度要求較低的有限點位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)械手本體的氣動平衡和及裝配機(jī)械手氣動夾具[11]。 3 電力驅(qū)動 這種驅(qū)動是目前在機(jī)器手中用的最多的一種。早期多采用步進(jìn)電動機(jī)（SM）驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服電動機(jī)（DC），現(xiàn)在交流伺服電動機(jī)（AC）驅(qū)動也開始廣泛應(yīng)用。上述驅(qū)動單元有的直接驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動，有的通過減速器裝置來減速，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。 電動驅(qū)動的控制精度高，功率較大，能精

19、確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手，如AC伺服噴涂機(jī)械手、點焊機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、裝配機(jī)械手等。 電力驅(qū)動可分為普通交流電動機(jī)驅(qū)動，交、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。 各種電機(jī)驅(qū)動的特點： (1) 普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)械手。 (2) 直流伺服電動機(jī)：直流伺服電動機(jī)具有良好的啟動、制動和調(diào)速特性，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，動態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動、反向、制動等工作狀

20、況。直流伺服電動機(jī)按勵磁方式不同，有永磁式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量大小，有高速、小慣量（小慣量直流伺服電動機(jī)有多種：無槽電樞直流伺服電動機(jī)，繞組鐵芯細(xì)長，故轉(zhuǎn)動慣量小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動機(jī)，轉(zhuǎn)動慣量很小，靈敏度更高，功率較?。挥≈评@組直流伺服電動機(jī)，可承受頻繁的起動、換向，切率中等。這類電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，電感小，故換向性能好，動態(tài)響應(yīng)快，快速性能好，低速無爬行。）和低速、大慣量（大慣量直流伺服電動機(jī)有永磁式和電磁式兩種，其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)子慣量大，受負(fù)載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過載、重載能力強(qiáng)。）之分。

21、 (3) 交流伺服電動機(jī)：交流伺服電動機(jī)幾乎具有直流伺服電動機(jī)的所有優(yōu)點，且結(jié)構(gòu)簡單，制造、維護(hù)簡單，具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高，動態(tài)響應(yīng)特性更好等技術(shù)特點，可達(dá)到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。 (4) 步進(jìn)電動機(jī)：步進(jìn)電動機(jī)是由電脈沖信號控制的，它可將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便、價格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無漂移、無積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進(jìn)電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡便。步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)主

22、要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動機(jī)組成。純硬件的步進(jìn)電動機(jī)控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進(jìn)電動機(jī)的各個繞組，使步進(jìn)電動機(jī)按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機(jī)技術(shù)，用軟件與硬件相結(jié)合，則控制器不僅可在硬件上簡化線路，降低成本，而且又提高可靠性[12,13]。 綜上所述，由于本次設(shè)計機(jī)械手負(fù)載較小，對體積有一定要求，又考慮到機(jī)械手的特點和各驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，直流伺服電機(jī)體積小，控制精度高，與傳動系統(tǒng)配合結(jié)構(gòu)最為緊湊，故機(jī)械手關(guān)節(jié)處選擇直流伺服電機(jī)驅(qū)動，手部采用氣動驅(qū)動。 第3章 驅(qū)動源的選擇與設(shè)計計算

23、 3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 圖3-1 機(jī)械手手臂重量分布圖 圖3-2 開口盤重量分布圖 如圖3-1所示，設(shè)計機(jī)械手大臂與小臂的尺寸和重量如下： 1. 大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為397mm，質(zhì)量為M1(6kg左右)，重心在距離第一關(guān)節(jié)軸220mm處，L1=220mm。 2. 小臂的第二關(guān)節(jié)軸和手爪前部之間的距離為435mm，質(zhì)量為M2(7kg左右)，重心在距第二關(guān)節(jié)軸280mm處，L2=397+280=677mm。 如圖3-2所示，設(shè)計機(jī)械手開口盤質(zhì)量和尺寸如下： 旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)

24、盤中心距離為160mm，轉(zhuǎn)盤質(zhì)量為15Kg。 本次設(shè)計機(jī)械手的基本設(shè)計參數(shù)如下： 負(fù)載1kg；大臂回轉(zhuǎn)：0~，；小臂回轉(zhuǎn)：0~，； 腰部旋轉(zhuǎn)：0~，600/s；手爪夾持半徑45mm～95mm。 3.2 各關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇計算 當(dāng)機(jī)械手手臂旋轉(zhuǎn)時，當(dāng)臂伸開呈一條直線時轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。如圖3-1所示，設(shè)兩臂繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2，根據(jù)平行軸定理可得繞大臂軸的轉(zhuǎn)動慣量為[14]： J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （3-1） 其中：M1，M2，分別為6Kg，7Kg；L1，L2，分別

25、為220mm，677mm。JG1M1L12、JG2M2L22，故可忽略不計，所以繞大臂軸的轉(zhuǎn)動慣量為： J1= M1L12+M2L22 (3-2) =6×0.22+7×0.6772 =3.45kg.m2 同理可得小臂繞小臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量： M2=7Kg，L4=280mm。 J2=M2L42 (3-3) =7×0.282 =0.5488kg.m2 腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋

26、轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量加上大臂與小臂繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和。 設(shè)開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為J3，所以同理可得腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量： M3=15Kg，L5=160mm。 （3-4） 3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 設(shè)大臂速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： （3-5） 式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩，N.m。 J —— 轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。 ——角加速度，rad/s。 設(shè)機(jī)械手大臂從到所需的時間為：，由式（3-5）有： 若考慮繞機(jī)器人手臂

27、的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： 選擇減速機(jī)： 型號：APEX-AE235 （同軸式行星減速機(jī)） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m 減速比：i1=100 諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： (3-6) 選擇小型直流伺服電機(jī)： 型號：MAXON-EC118896 額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m 額定電壓：24V 額定電流：1.5A 額定轉(zhuǎn)速：1000rpm 最高轉(zhuǎn)速：1200rpm 額定功率：40w 電機(jī)尺寸：L=93mm D=46mm 3

28、.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，設(shè)角速度從0加到所需加速時間，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： （3-7） 式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩，N.m。 J ——轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。 ——角加速度，rad/s2。 由式（3-7）有： 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： （3-8) 選擇減速機(jī)： 型號：APEX-AE235 （同軸式行星減速機(jī)）

29、 額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m 減速比：i2=100 諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： (3-9) 選擇小型直流伺服電機(jī)： 型號：MAXON-EC118896 額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m 額定電壓：24V 額定電流：1.5A 額定轉(zhuǎn)速：1000rpm 最高轉(zhuǎn)速：1200rpm 額定功率：40w 電機(jī)尺寸：L=93mm D=46mm 3.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 設(shè)旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： （3-10） 式中：T —— 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩

30、，N.m。 J ——轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。 ——角加速度，rad/s。 設(shè)機(jī)械手大臂從到所需的時間為：則： 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： (3-11) 選擇減速機(jī)： 型號：APEX-AE238 （同軸式行星減速機(jī)） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：50N.m 減速比：i3=100 設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： (3-12) 選擇小型直流伺服電機(jī)

31、 型號：MAXON-EC137489 額定轉(zhuǎn)矩：0.9N.m 額定電壓：24V 額定電流：2A 額定轉(zhuǎn)速：1000rpm 最高轉(zhuǎn)速：1200rpm 額定功率：60w 電機(jī)尺寸：L=124mm D=64mm 第4章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 4.1.1 手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手

32、指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 4.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題 1. 具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在

33、傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 2. 手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 3. 保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 4. 具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以

34、防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 5. 考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型。[16]。 4.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計 4.2.1 彈簧的設(shè)計計算 選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖4-1所示： 圖4-1 圓柱壓縮彈簧 圖4-1中，D為彈簧中心線到彈簧絲中心的距離；D1為彈簧中心線到彈簧絲內(nèi)圈的距離；D2為彈簧中心線到彈簧絲外圈的距離；d為彈簧絲直徑；H0為彈簧長度，本次設(shè)

35、計彈簧具體尺寸參數(shù)如下： D=20mm；d=7mm ； ；； 4.2.2 對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象本次使用的壓縮彈簧的長細(xì)比，本設(shè)計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。? 當(dāng)兩端固定時，,當(dāng)一端固定；一端自由時，；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動時，。 本設(shè)計彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。 4.2.3 疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗算。 對于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗算）。 現(xiàn)在由于本設(shè)計是在

36、恒定載荷情況下，所以只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗算。計算公式： (4-1） 式中： 選取1.3到1.7之間（力學(xué)性精確能高） K取1.2 F取1620N 結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應(yīng)。 4.2.4 手部驅(qū)動力計算 本次設(shè)計的機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)示意圖如下圖4-2所示: 圖4-2 齒輪齒條式手部 其工件重量G=1公斤， V形手指的角度，,摩

37、擦系數(shù)為 (1) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: （4-2） (2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: （4-3） 所以 (3) 實際驅(qū)動力: （4-4） 因為傳力機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則: 所以 取280（N) 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為280N。 4.2.5 氣缸直徑的設(shè)計計算 本氣缸屬于單向作用氣缸

38、。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: （4-5） 式中: ——活塞桿上的推力，N。 ——彈簧反作用力，N。 ——氣缸工作時的總阻力，N。 —— 氣缸工作壓力，Pa。 彈簧反作用按下式計算: （4-6） = （4-7） 式中: ——彈簧剛度，N/m。 ——彈簧預(yù)壓縮量，m。 ——活塞行程，m。 ——彈簧鋼絲直徑，m。 ——彈簧平

39、均直徑，mm。 ——彈簧有效圈數(shù). ——彈簧材料剪切模量，一般取 在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: （4-8） 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: （4-9） 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以: 查有關(guān)手冊圓整，得 ,可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式 有: (4-10) 其中，[]， 則: d 滿足實際設(shè)

40、計要求。 4.2.6 缸筒壁厚的設(shè)計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: (4-11) 式中: 6——缸筒壁厚，mm。 ——氣缸內(nèi)徑，mm。 ——實驗壓力，取, Pa。 材料為:ZL3,[]=3MPa。 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: 4.2.7 活塞桿運(yùn)動行程的計算 本次設(shè)計機(jī)械手手爪夾持半徑為45mm～95mm，手爪手指長100mm，設(shè)手爪夾持最小半徑工件與夾持最大半徑工件之間手爪的旋轉(zhuǎn)角度為，則有

41、 (4-12) 式中：R1——夾持最小半徑，mm。 R2——夾持最大半徑，mm。 由于活塞桿與手爪間用齒輪齒條傳動，所以齒輪的轉(zhuǎn)動弧長則為活塞桿運(yùn)動行程，設(shè)活塞桿運(yùn)動行程為L，則： 所以活塞桿的運(yùn)動行程為11.78mm，由于考慮到機(jī)械精度和傳動效率的影響，本次設(shè)計設(shè)計活塞桿運(yùn)動行程為15mm。 第5章 各機(jī)械部件的設(shè)計選擇與校核 5.1 軸的設(shè)計與校核 5.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計 轉(zhuǎn)矩和彎矩是軸的主要承受

42、載荷,軸的常見形式有直軸和彎軸,而根據(jù)本次設(shè)計中機(jī)構(gòu)的特點,選擇傳動軸為直軸.知條件可知n=10r/min，由電機(jī)傳遞到軸上的功率 選擇軸的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)后,再使用. 由參考資料表查得:硬度:HBS217～255;屈服強(qiáng)度極限: σs=360MPa;抗拉強(qiáng)度極限σb=650 MPa,彎曲疲勞強(qiáng)度極限σ1=300 MPa. 由表查得[σ-1]b=55 MPa. 初步確定軸的直徑： 按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估計軸輸出端直徑 由表查得C=1.3～126 取C=120 由式,得d=120 =19.81 取d=19mm 軸的設(shè)計尺寸參數(shù)如下圖5-1所示： 圖5-1 大臂旋轉(zhuǎn)軸 5.1.

43、2 大臂軸的強(qiáng)度校核 按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核： 本次設(shè)計傳動軸全長193mm，最小軸頸19mm，材料為45號鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用。 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： （5-1） 式中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。 T——軸所受的扭矩，N.mm。 ——軸的抗扭截面系數(shù)，。 N——軸的轉(zhuǎn)速；r/min。 P——軸的傳遞功率，Kw。 D——計算界面處軸的直徑，mm。 ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa

44、。 由上式得： （5-2） 查表得的范圍為25 MPa～45MPa；的范圍為103～126。 本次設(shè)計取40 則 取106 則 本次設(shè)計最小軸徑為19mm>17.5mm，故滿足強(qiáng)度要求。 按照彎扭合成強(qiáng)度校核： 彎扭合成圖如圖5-2所示： 圖5-2 彎扭合成圖 若是軸強(qiáng)度合格，則 （5.3） 式中： ——軸的計算應(yīng)力，MPa。 M——軸所受

45、的彎矩，N.mm。 T——軸所受的扭矩，N.mm。 W——軸的抗彎截面系數(shù)，。 ——截面系數(shù)。 本次設(shè)計軸的材料為45號剛，查表得： ， 軸的危險界面斷面圖如下圖5-3所示：

46、 圖5-3 軸的危險截面斷面圖 圖中，b=8mm，t=3.5mm，d=30mm 所以： 即 所以本次設(shè)計的軸強(qiáng)度合格。 5.2 鍵的選擇與強(qiáng)度的校核 1大臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強(qiáng)度校核 選擇普通圓頭平鍵，GB/T1096 平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載，一般不

47、會出現(xiàn)鍵的剪斷。通常按工作面上的壓力進(jìn)行條件性的強(qiáng)度校核計算。 由《機(jī)械設(shè)計》第七版頁，查得載荷在鍵的工作表面上均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件： （5-4） 式中： T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，。 K——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，；k=0.5h,此處h為鍵的高度，。 ——鍵的工作長度，；圓頭平鍵，這里為鍵的公稱長度，；為鍵的寬度，。 ——軸的直徑，。 ——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，。 從本書表查得材料為鋼和鑄鐵在輕微沖擊載荷作用下的許用擠壓應(yīng)力分別為和。 鍵的材料為45號鋼，大臂與鉆轉(zhuǎn)軸

48、的材料分別為和45號鋼。三者中最弱的材料是鑄鐵，測試中存在輕微沖擊載荷，故為，取其平均值，=55。 此處鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩T=40，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=4，鍵的工作長度，軸的直徑=30。將這些數(shù)據(jù)代入公式（5.4）得： 故鍵的強(qiáng)度滿足要求，鍵聯(lián)接安全。 2. 小臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強(qiáng)度校核 選擇使用普通圓通平鍵 ，GB/T1096 尺寸 平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。通常按工作面上的壓力進(jìn)行條件性的強(qiáng)度校核計算。 由《機(jī)械設(shè)計》第七版頁，查得載荷在鍵的工作表面上均勻分布，普通

49、平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件： 式中： T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，。 K——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，；k=0.5h,此處h為鍵的高度，。 ——鍵的工作長度，；圓頭平鍵，這里為鍵的公稱長度，；為鍵的寬度，。 ——軸的直徑，。 ——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，。 從本書表查得材料為鋼和鑄鐵在輕微沖擊載荷作用下的許用擠壓應(yīng)力分別為和。 鍵的材料為45號鋼，大臂與旋轉(zhuǎn)軸的材料分別為和45號鋼。三者中最弱的材料是鑄鐵，測試中存在輕微沖擊載荷，故為，取其平均值，=55。 此處鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩T=40，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=4，鍵的工作長度，軸的直徑=30。將這些數(shù)據(jù)代入公式（5-

50、4）得： 故鍵的強(qiáng)度滿足要求，鍵聯(lián)接安全。 5.3 軸承壽命的校核 本次設(shè)計由于大臂與小臂旋轉(zhuǎn)軸所設(shè)計的軸承是一樣的，故選用四口相同型號尺寸的軸承，選擇深溝球軸承6186，所以校核所受載荷最大的一個軸承合格即可。 本設(shè)計校核大臂旋轉(zhuǎn)軸上軸承的壽命，該軸上的軸承只受徑向載荷，軸承的預(yù)期計算壽命。軸承對軸的支撐力與軸承上所受到的徑向載荷是一對作用力與反作用力，由前邊軸的強(qiáng)度校核部分，可以計算出軸上安裝軸承兩處的軸承所受到的徑向載荷和大小分別為： 查《機(jī)械設(shè)計》第七版頁公式（）知以小時表示的軸承壽命為： （5-5

51、） 式中 ： ——軸承的轉(zhuǎn)速，。 ——軸承的基本額定動載荷，kN。 ——載荷，kN。 ——指數(shù)，對于球軸承，。 軸承的轉(zhuǎn)速，從《最新軸承手冊》頁表查得代號為6186深溝球軸承的基本額定動載荷，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入軸承壽命計算公式可求得： 遠(yuǎn)大于，軸承的壽命滿足設(shè)計要求。 5.4 聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核 5.4.1 聯(lián)軸器的選擇. 1. 大臂旋轉(zhuǎn)軸與減速機(jī)之間聯(lián)軸器選擇 選擇圓錐銷套筒式聯(lián)軸器，如圖5-4所示： 圖5-4 圓錐銷套筒式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖 聯(lián)軸器具體尺寸參數(shù)如下

52、： =6mm；=4mm；L=45mm；=35mm；額定轉(zhuǎn)矩50N.M；圓錐銷；圓錐銷 2. 旋轉(zhuǎn)盤與減速機(jī)之間聯(lián)軸器選擇 如圖（5-4）所示：具體尺寸參數(shù)如下： =8mm；=4mm；L=50mm；=40mm；額定轉(zhuǎn)矩70N.M；圓錐銷；圓錐銷 5.4.2 聯(lián)軸器圓錐銷的校核 由于聯(lián)軸器最小直徑圓錐銷都是4mm，所以本次設(shè)計只校核受力最大的即可。 圓錐銷主要受橫向剪切力的作用而失效，校核公式為： （5-6） 式中： D——圓錐銷的平均直徑，mm。 T——所傳遞的轉(zhuǎn)矩，N.m。

53、 D——軸徑，mm。 ——銷的許用剪切應(yīng)力，對于45號鋼一般取80MPa 其中，T=40N.m；d=4.5mm；D=19mm，所以： MPa 所以校核合格。 第6章 控制系統(tǒng)設(shè)計 機(jī)器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計算機(jī)來實現(xiàn)。因此，控制系統(tǒng)在本次設(shè)計中非常重要。本次設(shè)計選擇單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖6-1所示： 圖6-1 控制系統(tǒng)總體框圖 6.1

54、單片機(jī)最小系統(tǒng) 由于單片機(jī)體積小，價格便宜且具有高穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗干擾能力，因此本次設(shè)計控制芯片選擇8051單片機(jī)。單片機(jī)最小系統(tǒng)一般由單片機(jī)、復(fù)位電路、震蕩電路等組成，由于本次設(shè)計使用8051單片機(jī)，所以以8051最小系統(tǒng)為例介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)。8051單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件電路圖如圖6-2所示。 圖6-2 51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 6.1.1 8051單片機(jī)介紹 8051單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖6-3所示。8051單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必須的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成： 1. 微處理器CPU 2. 數(shù)據(jù)存儲器RA

55、M 3. 程序存儲器ROM/EPROM 4. 4個8位并行I/O口（P0口P1口P2口P3口） 5. 1個串行口 6. 2個16位定時器、計數(shù)器 7. 中斷系統(tǒng) 8. 特殊功能寄存器（SFR） 上述各功能部件是通過片內(nèi)單一總線連接而成， 如圖6-3所示。 圖6-3中各功能部件的功能如下： (1) CPU微處理器 8051單片機(jī)中有一個8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和微處理器兩大部分。只是增加了面向控制的處理功能，不僅可以處理字節(jié)數(shù)據(jù)，也可以進(jìn)行位變量的控制。 (2) 數(shù)據(jù)存儲器 片內(nèi)為128B，片外最多可外擴(kuò)64KB。數(shù)據(jù)

56、存儲器來存儲單片機(jī)運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。片內(nèi)的128B的RAM，以高速RAM形式集成在的單片機(jī)內(nèi)，可以加快單片機(jī)的運(yùn)行速度，而且這種結(jié)構(gòu)還可以降低單片機(jī)的功耗。 (3) 程序存儲器 用來存儲程序，為4K 的ROM，最多可外擴(kuò)至64KB。 (4) 中斷系統(tǒng) 具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。 (5) 定時器/計數(shù)器 片內(nèi)有2個16位的定時器/計數(shù)器，具有4種工作方式。 (6) 串行口 1個全雙工的的串行口，具有4種工作方式。可用來進(jìn)行串行通信，擴(kuò)展并行I/O口。 (7) P1口、P2口、P3口、P0口 為4個并行8位I/O口。 (8)

57、 特殊功能寄存器SFR 特殊功能寄存器共有21個，用于CPU對片內(nèi)各功能部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實際上片內(nèi)各功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的RAM區(qū)。 CPU 運(yùn)算器 控制器 數(shù)據(jù)存儲器 RAM P0 P2 P1 P3 串 行 口 定時器 計數(shù)器 程序存儲器 ROM/EPROM 特殊功能寄存器SFR XTAL1 XTAL2 ALE PSEN EA RESET 8 8 8 8 圖 6-3 8051單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu) 6.2.2 復(fù)位電路 單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，

58、單片機(jī)復(fù)位電路作用是把一個例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個值。 單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個機(jī)器周期以上時復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時間必須大于單片機(jī)的兩個機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計算出時間常數(shù)。 復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。 （1）上電復(fù)位：STC89系列單片及為高電平復(fù)位，通常在復(fù)位引腳RST上連接一個電容到VCC，再連接一個電阻到GND，由此形成一個RC充放電回路保證單片機(jī)在上電時RST腳上有足夠時間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后回歸到低

59、電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個電阻和電容的典型值為10K和10uF。 （2） 按鍵復(fù)位：按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機(jī)復(fù)位。 6.1.3 振蕩電路 單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率。 　　在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在

60、一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。 單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。 晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。 8051使用12MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間。

61、 6.2 串行接口電路 串行接口是為了讓單片機(jī)與外部設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的一種方式。串行接口具有使用線路少、成本低等優(yōu)點。AT89C51單片機(jī)具有一個全雙工串行通信接口，這樣可以很容易的實現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間或者多機(jī)之間的通信。 因為單片機(jī)串行口的輸出與輸入均為TTL電平。這種以TTL電平串行傳輸數(shù)據(jù)的方式，抗干擾技能差，傳輸距離短。為了提高串行通信的可靠性，增大串行通信的距離就必須采用標(biāo)準(zhǔn)串口。RS-232C是異步串行通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)串行接口，它定義了數(shù)據(jù)終設(shè)備（DTE）數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。PC機(jī)都配有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C接口，由于TTL電平和RS-232C電平互不

62、兼容，所以兩者連接必須有電平轉(zhuǎn)換。單片機(jī)信號為TTL電平（0V～5V）。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平（邏輯1：-3V～-15V;邏輯0：+3V～+15V）。如果需要兩者之間的電平轉(zhuǎn)換需要一個電平轉(zhuǎn)換芯片，這里選用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。 MAX232是由美國MAXIM公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換芯片，此芯片由于內(nèi)部有自升壓的電平倍增電路，可以將+5V轉(zhuǎn)換成-10V～ +10V，滿足RS-232C標(biāo)準(zhǔn)對邏輯1和邏輯0的電平要求。 設(shè)計電路如圖6-4，電平轉(zhuǎn)換芯片的R1OUT和T1IN分別與單片機(jī)的RXD和TXD管腳相連接。同時選用通用的9芯的RS-232接口，即DB9F。 圖 6

63、-4 串行接口電路圖 6.3 傳感器 6.3.1 傳感器的選型 本次設(shè)計傳感器采用VTI Technologies 公司的SCA100T系列。SCA100T是采用微電子機(jī)電技術(shù)（MEMS）制造的一款雙軸加速度傳感器，模擬輸出的電壓范圍為0-5v ，SCA100T單軸的最大輸出范圍約為±90度。在采樣頻率為8Hz及以下時，可獲得0.002度的輸出分辨率。 MEMS是二十一世紀(jì)的前沿技術(shù)，采用MEMS技術(shù)可以在硅芯片上加工出完整的微型電子機(jī)械系統(tǒng)，包含了微型傳感器、微型機(jī)械機(jī)構(gòu)、以以及信號處理和控制電路、通訊接口等于一體的微型器件，把信息系統(tǒng)的微型化、多功能化、智能化和可靠性提高

64、到新的高度。 SCA100T內(nèi)部包含了一個硅敏感微電容傳感器和一個ASIC專用集成電路，ASIC電路集成了EEPROM存儲器、信號放大器、AD轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器和SPI串行通信接口，組成了一個完整的數(shù)字模擬雙輸出的傳感器。有300和900兩種量程，主要性能如下： 1. XY雙軸高分辨率雙軸測量。 2. 單電源+5V直流供電，工作電流僅3Ma。 3. 模擬量輸出和11位數(shù)字量輸出。 4. AD轉(zhuǎn)換時間為150微秒。 5. 數(shù)字激活內(nèi)部故障自檢測。 6. 長期工作穩(wěn)定性高。 7. 可承受超過20000g的機(jī)械沖擊。 加速度傳感器可以用來測定變化或恒定的加速度。恒定加速度的一個特例

65、就是重力加速度，當(dāng)傳感器靜止時（沒有水平或垂直方向的加速度時），重力加速度方向和傳感器靈敏軸的夾角就是傾角。雙軸加速度傳感器測量傾角有兩種放置方法：水平放置和一軸垂直放置。本次設(shè)計采用水平放置，示意圖如下圖6-5所示。 圖6-5 水平放置方法 水平放置在±90度的范圍內(nèi)有很好的分辨率，水平放置時應(yīng)用如下的公式計算傾角： 其中Ax、Ay表示重力加速度輸出，、表示傾斜角度（弧度）。 6.3.2 硬件電路的設(shè)計 傳感器OUT-1引腳為模擬量輸出管腳，將其接在ADC0809的IN0輸入接口，同時，為了進(jìn)行傳感器自檢和內(nèi)部校正，分別將傳感器的MISO、MOSI、SCK、CSB與單

66、片機(jī)的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4相連。MISO用于傳輸傳感器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)， MOSI與單片機(jī)的P1.2 引腳相連，用于向傳感器發(fā)送命令和進(jìn)行傳感器內(nèi)部自校正，使用軟件編程通過P1.3向SCK提供串口通訊脈沖。CSB為片選信號引腳。具體硬件連接框圖如下圖6-6所示。 圖6-6 傳感器與單片機(jī)連接框圖 6.4 電動機(jī)的控制 機(jī)械手的各關(guān)節(jié)的運(yùn)動都是通過電機(jī)帶動的，所以電機(jī)的控制很重要，現(xiàn)今有很多種電機(jī)驅(qū)動控制芯片，根據(jù)所控制的電機(jī)種類、電壓大小、電流大小等先關(guān)參數(shù)選擇相適應(yīng)的電機(jī)控制器，本次設(shè)計選擇L298N電機(jī)控制器來驅(qū)動控制電機(jī)。 6.4.1 L298N電機(jī)驅(qū)動芯片簡介 L298N 為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋電機(jī)專用驅(qū)動芯片( DualFull-Bridge Driver ) ，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2 個二相或1個四相電機(jī)，內(nèi)含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)