畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-小型搬運(yùn)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)

小型搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)摘要機(jī)械手是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，搬運(yùn)機(jī)械手是機(jī)械手研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究搬運(yùn)機(jī)械手需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。本文對(duì)一種使用在搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對(duì)機(jī)械手模型進(jìn)行力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機(jī)和減速器的選型。其次從電機(jī)和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)構(gòu)中的重要連接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器臂，關(guān)節(jié)型機(jī)械手，結(jié)構(gòu)分析全套圖紙加V信153893706或扣3346389411AbstractTherobotisatypicalmechatronicproducts,spraypaintingrobotisahotresearchfieldoftherobot.Studyonthespraypaintingrobotrequiresacombinationofmechanical,electronic,informationtheory,artificialintelligence,biologyandcomputerscienceknowledge,atthesametime,itsdevelopmenthaspromotedthedevelopmentofthesedisciplines.Inthispaper,adesignofarmstructureusedinthepaintingrobot,andcompletethegeneralassemblydrawingandpartdrawing.Requirementsforthemechanicsanalysisoftherobotmodel,estimaterequiredoneachjointtorqueandpower,completemotorandreducerselection.Secondly,fromthemotorandreducerconnectionandfixationofjointstructure,design,andthemechanismofimportantconnectionscheckthestrength.Keywords：Structuredesign,Robotarm,Structureanalysis目錄第1章緒論 51.1機(jī)械手的歷史與發(fā)展 51.1.1工業(yè)機(jī)器人簡介 51.1.2世界機(jī)器人的發(fā)展 51.2機(jī)械手的組成 71.3機(jī)械手的分類 8第2章總體方案設(shè)計(jì) 92.1機(jī)械手工程概述 92.2工業(yè)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述 112.3機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理 122.4機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 12第3章機(jī)械手大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 153.1大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 153.2大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 163.3大臂電機(jī)及減速器選型 16第4章機(jī)械手小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 184.1腕部設(shè)計(jì) 184.2小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 234.3小臂電機(jī)及減速器選型 23第5章機(jī)械手機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 245.1步進(jìn)電機(jī)選擇 245.2齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 295.3軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 375.4機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 45第6章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 466.1控制系統(tǒng)模式的選擇 466.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 476.3步進(jìn)電機(jī)工作原理 496.4步進(jìn)電機(jī)的控制 50結(jié)論與展望 54參考文獻(xiàn) 55致謝 57第1章緒論1.1機(jī)械手的歷史與發(fā)展1.1.1工業(yè)機(jī)器人簡介幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類從繁重的勞動(dòng)中解脫出來。如古希臘神話《阿魯哥探險(xiǎn)船》中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說中所說的泥土巨人等等，這些優(yōu)美的神話時(shí)刻激勵(lì)著人們一定要把優(yōu)美的神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動(dòng)木人和一些簡單的機(jī)械木偶人。到了近代，機(jī)器人這一詞語的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入平常的百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、可重復(fù)編程、自動(dòng)控制、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人并不是在簡單意義上的代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種模擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程的產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。

所以就有了就有了很多國家地區(qū)制造出來工業(yè)機(jī)器人，而如今我設(shè)計(jì)的題目就是機(jī)器人的一個(gè)簡單部位——機(jī)械手。1.1.2世界機(jī)器人的發(fā)展國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：（1）工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單個(gè)工業(yè)機(jī)器人價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位的一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。（3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，這就便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，而且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的易操作性，可維修性和可靠性。（4）機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除了采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。（5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。（6）當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名的實(shí)例。（7）機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。1.1.3我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國國情。然而這是一種錯(cuò)誤的想法。在我國，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國的海洋開發(fā)、宇宙開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出裝配、噴漆、點(diǎn)焊、弧焊、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有150多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線或生產(chǎn)站上獲得了規(guī)模的應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、成本比較高、供貨周期長，而且可靠性、質(zhì)量不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無纜機(jī)器人的成果在世界上處于領(lǐng)先水平，還開發(fā)出雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、直接遙控機(jī)器人、管道機(jī)器人、爬壁機(jī)器人等幾種機(jī)器人；在機(jī)器人視覺、觸覺、力覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上耗費(fèi)了不少時(shí)間與工作量，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則才剛剛起步，與國外先進(jìn)水平相比差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，作出比較突出的改變，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以其在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。1.2機(jī)械手的組成一般來說，機(jī)械手主要有以下幾部分組成：1.手部(或稱抓取機(jī)構(gòu))：包括手爪、傳力機(jī)構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用。2.傳送機(jī)構(gòu)(或稱臂部)：包括手臂、手腕等，主要起到改變物件方向和位置的作用。3.驅(qū)動(dòng)部分：它是前兩部分的動(dòng)力，因此也稱為動(dòng)力源，常用的有氣壓、液壓、電機(jī)和電力四種驅(qū)動(dòng)形式。4.控制部分：它是機(jī)械手動(dòng)作的指揮系統(tǒng)，是機(jī)械手的核心部位，由它來控制動(dòng)作的順序(程序)、位置和時(shí)間(甚至速度與加速度)等。5.其它部分：如機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、液壓裝置、步進(jìn)機(jī)、傳感裝置和行程檢測(cè)裝置等。1.3機(jī)械手的分類機(jī)械手從使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式以及臂力大小四個(gè)方面的分類分別為：1.按使用范圍分類：(1)專用機(jī)械手一般只有固定的程序，而無單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機(jī)器或生產(chǎn)線用以自動(dòng)傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機(jī)械手”、“曲拐自動(dòng)車床機(jī)械手”、“油泵凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手”等等。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動(dòng)作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。(2)通用機(jī)械手指具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機(jī)器，而且能自動(dòng)完成傳送物件或操作某些工具的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點(diǎn)位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點(diǎn)位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。2.按驅(qū)動(dòng)方式分類：(1)液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；(2)氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；(3)電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手直接用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；(4)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手是將主機(jī)的動(dòng)力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳遞給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式。3.按運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式分類：(1)直角坐標(biāo)式機(jī)械手臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個(gè)方向移動(dòng)，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動(dòng))、左右移動(dòng)(定為沿Y方向的移動(dòng))和上下升降(定為沿Z方向的移動(dòng))；(2)圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X和Z方向移動(dòng)，又可繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)(定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動(dòng)；(3)球坐標(biāo)式機(jī)械手臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X方向移動(dòng)，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動(dòng))、上下擺動(dòng)(定為繞Y軸擺動(dòng))和左右轉(zhuǎn)動(dòng)(仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))；(4)多關(guān)節(jié)式機(jī)械手這種機(jī)械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機(jī)體的連接(肩部)均為關(guān)節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對(duì)大臂可繞肘部上下擺動(dòng)，大臂可繞肩部擺動(dòng)多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)。4.按機(jī)械手的臂力大小分類：(1)微型機(jī)械手臂力小于1㎏；(2)小型機(jī)械手臂力為1－10㎏；(3)中型機(jī)械手臂力為10－30㎏；(4)大型機(jī)械手臂力大于30㎏。我所設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人能夠抓取50g左右的物體，并且用步進(jìn)電機(jī)來控制機(jī)器人的每個(gè)自由度。該機(jī)器人擁有六個(gè)自由度。1）可搬重量最大50g2）速度最大10cm/s3）臂的長度總高要求<500mm4）機(jī)器人本體重量小于25kg5）驅(qū)動(dòng)電機(jī)六臺(tái)步進(jìn)電機(jī)6）位置再現(xiàn)精度士1.0mm第2章總體方案設(shè)計(jì)2.1機(jī)械手工程概述機(jī)械手工程是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及到力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、氣動(dòng)液壓技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。人們將已有學(xué)科分支中的知識(shí)有效地組合起來用以解決綜合性的工程問題的技術(shù)稱之為“系統(tǒng)工程學(xué)”。以機(jī)械手設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)工程學(xué)認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)將其作為一個(gè)系統(tǒng)來研究、開發(fā)和運(yùn)用，從機(jī)械手的整體出發(fā)來研究其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的有機(jī)聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關(guān)系的一種綜合性的設(shè)計(jì)方法。從系統(tǒng)功能的觀點(diǎn)來看，將一部復(fù)雜的機(jī)器看成是一個(gè)系統(tǒng)，它由若干個(gè)子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機(jī)地聯(lián)系在一起，是一個(gè)不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個(gè)整體的特定功能。因此，在設(shè)計(jì)一部較復(fù)雜的機(jī)器時(shí)，從機(jī)器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性：（1）整體性由若干個(gè)不同性能的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)總的機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有作為一個(gè)整體的特定功能。（2）相關(guān)性系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間有機(jī)聯(lián)系、有機(jī)作用，具有某種相互關(guān)聯(lián)的特性。（3）目的性每個(gè)系統(tǒng)都應(yīng)有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的組合方式?jīng)Q定于系統(tǒng)的目的和功能。（4）環(huán)境適應(yīng)性任何一個(gè)系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應(yīng)外部環(huán)境的變化。因此，在進(jìn)行機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要重視組成機(jī)械手系統(tǒng)的各個(gè)部件、零件的設(shè)計(jì)，更應(yīng)該按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)，根據(jù)機(jī)械手的功能要求，將組成機(jī)械手系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良適于工作需要的機(jī)械手產(chǎn)品。在比較復(fù)雜的工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中大致包括如下:操作機(jī)，它是完成機(jī)械手工作任務(wù)的主體，包括機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和機(jī)構(gòu)等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包括作為動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)單元，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由各種傳動(dòng)零、部件組成的傳動(dòng)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)，它主要包括具有運(yùn)算、存儲(chǔ)功能的電子控制裝置（計(jì)算機(jī)或其他可編程編輯控制裝置），人——機(jī)接口裝置（鍵盤、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設(shè)備的輸入/輸出通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備［14］。工業(yè)機(jī)械手的特點(diǎn)在于它在功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性，因而工業(yè)機(jī)械手能有效地應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)中來完成傳送零件或材料，進(jìn)行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設(shè)備）、輔助生產(chǎn)設(shè)備、控制裝置和工業(yè)機(jī)械手等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機(jī)械手技術(shù)綜合體地工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門，如建筑、采礦、交通運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)領(lǐng)域引用機(jī)械手系統(tǒng)亦是如此。2.2工業(yè)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述確定負(fù)載目前，國內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)械手中，負(fù)載能力的范圍很大，最小的額定負(fù)載在5N以下，最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)械手末端執(zhí)行器的重量、關(guān)節(jié)工件或作業(yè)對(duì)象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設(shè)計(jì)給的設(shè)計(jì)參數(shù)可初估本次設(shè)計(jì)屬于小負(fù)載。驅(qū)動(dòng)方式由于步進(jìn)電機(jī)具有控制性能好，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，對(duì)環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運(yùn)動(dòng)控制要求嚴(yán)格的中、小型機(jī)械手等特點(diǎn)，故本次設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)。（三）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械手傳動(dòng)裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，在傳動(dòng)鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和位置控制精度。在機(jī)械手中常采用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)和鋼帶傳動(dòng)等，由于齒輪傳動(dòng)具有效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，且大學(xué)學(xué)習(xí)掌握的比較扎實(shí)，故本次設(shè)計(jì)選用齒輪傳動(dòng)。（四）工作范圍工業(yè)機(jī)械手的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)械手作業(yè)過程中操作范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇（五）運(yùn)動(dòng)速度機(jī)械手操作機(jī)手臂的各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定后，按照循環(huán)時(shí)間安排確定每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，就能進(jìn)一步確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度，用m/s或（°）/s表示，各動(dòng)作的時(shí)間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時(shí)間的長短，各動(dòng)作之間順序是依序進(jìn)行還是同時(shí)進(jìn)行等。應(yīng)試做各動(dòng)作時(shí)間的分配方案表，進(jìn)行比較，分配動(dòng)作時(shí)間除考慮工藝動(dòng)作的要求外，還應(yīng)考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動(dòng)和控制方式、定位方式和精度等要求。2.3機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析該搬運(yùn)機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)組成如圖圖2.1搬運(yùn)機(jī)械手本體組成各部件組成和功能描述如下：底座部件：底座部件包括底座、齒輪傳動(dòng)部件、軸承，步進(jìn)電機(jī)等。機(jī)座作用是支撐部件，支承和轉(zhuǎn)動(dòng)大臂部件,承受搬運(yùn)機(jī)械手的全部重量和工作載荷，所以機(jī)座應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力。另外機(jī)座還要求有足夠大的安裝基面，以保證搬運(yùn)機(jī)械手工作時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行。搬運(yùn)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等）與驅(qū)動(dòng)源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)手臂分為大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齒輪傳動(dòng)部件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。小臂部件：包括小臂、傳動(dòng)軸、同步傳動(dòng)帶等，在小臂一端固定驅(qū)動(dòng)手腕運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。手腕部件：包括手腕殼體、傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)軸、機(jī)械接口等。2.4機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下[3]。(1)直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)械手有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)械手主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。(2)圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(b)。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。(3)球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(c)。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。(4)關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(d)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)械手。關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。(a)直角坐標(biāo)型(b)圓柱坐標(biāo)型(c)球坐標(biāo)型(d)關(guān)節(jié)型圖2-2四種機(jī)械手坐標(biāo)形式根據(jù)任務(wù)書要求和具體實(shí)際我們選擇的是(d)關(guān)節(jié)型。圖2-3機(jī)械手坐標(biāo)示意圖具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)50g，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)范圍小,且有較高的定位準(zhǔn)確度,要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手為六個(gè)自由度，其中腰部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度，手腕的俯仰、旋轉(zhuǎn)自由度。第3章機(jī)械手大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求臂部部件是搬運(yùn)機(jī)械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)關(guān)節(jié)，則臂部自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部設(shè)計(jì)基本要求:（1）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個(gè)方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，搬運(yùn)機(jī)械手常采用無縫鋼管作為導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。（2)臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小在一般情況下，手臂的要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)采取以下措施:(a)減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料;(b)減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸(c)減少回轉(zhuǎn)半徑(d)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置(3)手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。(4)位置精度要高。一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)系搬運(yùn)機(jī)械手位置精度高;關(guān)節(jié)式搬運(yùn)機(jī)械手的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度。本文采用鋁合金材料設(shè)計(jì)成薄壁件，一方面保證機(jī)械臂的剛度，另一方面可減小機(jī)械臂的重量，減小基座關(guān)節(jié)電機(jī)的載荷，并且提高了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計(jì)。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類和鑄件的大小，見表4.1所示：鑄件尺寸鑄鋼灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵鋁合金銅合金＜200×200200×200~500×500＞500×5005~810~1215~203~54~1010~154~68~1212~203~56~8—3~3.54~6—3~56~8—表4.1砂型鑄造鑄件最小壁厚計(jì)（mm）以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在特種鑄造方法中，應(yīng)根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文機(jī)械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見總裝配圖。3.2大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。3.3大臂電機(jī)及減速器選型假設(shè)小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的重量：M2=1Kg，M3=1KgJ1=M2L42+M3L52=1×0.052+1×0.12=0.0125kg.m2大臂平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)速度為10r/min，轉(zhuǎn)化角速度為1.047rad/s為，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下：式中：T-旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩N.mJ–轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kg.m2-角加速度rad/s2使機(jī)械手大臂從到所需的時(shí)間為：則：若考慮繞機(jī)械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為0.03N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：(3.2)選擇步進(jìn)電機(jī)：根據(jù)上面算的T01輸出轉(zhuǎn)矩大于該數(shù)值的步進(jìn)電機(jī)，考慮到該機(jī)械手結(jié)構(gòu)比較小，抓取的物件較輕，轉(zhuǎn)矩也不大，所以選取體積比較緊湊，轉(zhuǎn)矩較小的BYJ系列永磁式步進(jìn)電機(jī)，而且其供電電壓為5-12V，兼容單片機(jī)供電電壓，方便控制，其具體的參數(shù)如圖3.1所示。圖3.1BYJ系列永磁式步進(jìn)電機(jī)一覽表由上圖知，24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的牽入轉(zhuǎn)矩為34.3mN·m，減速比為64:1，經(jīng)過齒輪減速器后的轉(zhuǎn)速比為：轉(zhuǎn)矩*減速比，即34.3×64=2.1952N·m，遠(yuǎn)大于式（3.2）所算的轉(zhuǎn)矩。故我們選擇24BYJ48步進(jìn)電機(jī)。第4章機(jī)械手小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1腕部設(shè)計(jì)腕部能夠連接機(jī)器人的臂部和手部，支撐并且改變手部的姿態(tài)。腕部設(shè)計(jì)的要求有：結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕；動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；所用材料強(qiáng)度、剛度高；與臂部及手部的連接部位的結(jié)構(gòu)合理，傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的合理布局及安裝等。按自由度分類可將工業(yè)機(jī)器人手腕分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。并不是所有的手腕都必須具備三個(gè)自由度，而是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人實(shí)際使用的工作性能要求來確定。本課題所研究設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人手腕具有擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度。二自由度的手腕可以由一個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成BR關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，或由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成BB關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，但不能由兩個(gè)RR關(guān)節(jié)構(gòu)成二自由度手腕，因?yàn)閮蓚€(gè)R關(guān)節(jié)的功能是重復(fù)的，實(shí)際上只起到單自由度的作用。本次設(shè)計(jì)要求腕部實(shí)現(xiàn)俯仰和偏轉(zhuǎn)，即BB型手腕，如圖3.1所示。由于現(xiàn)階段國內(nèi)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的局限性，無法實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的直接驅(qū)動(dòng)，所以為減輕整個(gè)小臂的自重，采取腕部步進(jìn)電機(jī)后置遠(yuǎn)距離間接驅(qū)動(dòng)，將其裝在大臂的底部，固定在機(jī)身圓盤上，再通過兩條鏈傳動(dòng)，一條鏈直接帶動(dòng)腕部的擺動(dòng)，另一條鏈傳動(dòng)帶輪帶動(dòng)錐齒輪軸通過一級(jí)錐齒輪的傳遞帶動(dòng)腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)，雖然在腕擺時(shí)會(huì)產(chǎn)生手腕的附加轉(zhuǎn)動(dòng)，但是可以通過控制步進(jìn)電機(jī)來控制干涉。圖4.1ＢＢ型手腕示意圖本課題研究設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人廣泛用于進(jìn)行汽車車身等噴涂作業(yè)，腕部作用于工作空間的最前端，有時(shí)需伸入狹窄的空間進(jìn)行作業(yè)，所以為了滿足手腕部分結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、動(dòng)作靈活等要求將其外形和尺寸設(shè)計(jì)成如圖3.2所示。圖4.2手腕外形尺寸示意圖4.1.1手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算手腕的偏轉(zhuǎn)是通過后置于大臂底部一側(cè)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩級(jí)帶輪鏈條傳動(dòng)，再經(jīng)過錐齒輪嚙合傳動(dòng)改變方向來實(shí)現(xiàn)偏置的。手腕的驅(qū)動(dòng)力來自步進(jìn)電機(jī)，首先要計(jì)算手腕偏轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩，再計(jì)算電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)，從而計(jì)算設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)以及錐齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)參數(shù)及相關(guān)尺寸。（1）選擇步進(jìn)電機(jī) 手腕偏轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服摩擦阻力矩、工件負(fù)載阻力矩和腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩。根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式[15]：（4.1）（4.2）（4.3）（4.4）（4.5）（4.6）（4.7）（4.8）式中：—手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）；—摩擦阻力矩（N·m）；—負(fù)載阻力矩（N·m）；—手腕偏轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩（N·m）；—工件負(fù)載對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；—手腕部分對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；—手腕偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；—手腕質(zhì)量（kg）；—負(fù)載質(zhì)量（kg）；—啟動(dòng)時(shí)間（s）；—手腕部分材料密度（kg/m3）；—手腕部分外徑和內(nèi)徑（m）；—手腕的長度（m）；—手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度（m/s）。根據(jù)已知條件：m=50kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：r/s因?yàn)橥蟛總鲃?dòng)是通過兩級(jí)帶輪和一級(jí)錐齒輪實(shí)現(xiàn)的，所以查取手冊(cè)[15]得：彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率；滾子鏈傳動(dòng)效率；滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率（一對(duì)）；錐齒輪傳動(dòng)效率；計(jì)算得傳動(dòng)的裝置的總效率。電機(jī)在工作中實(shí)際要求轉(zhuǎn)矩（4.9）根據(jù)上面計(jì)算的M電對(duì)步進(jìn)電機(jī)選型，參照?qǐng)D3.1BYJ系列永磁式步進(jìn)電機(jī)一覽表可知28byj48步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過減速后的轉(zhuǎn)矩為2.1952N·m，大于M電，滿足驅(qū)動(dòng)要求。故我們依舊選擇28byj48步進(jìn)電機(jī)。圖4.328byj48型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線4.1.2電動(dòng)機(jī)的選擇設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:（4-1）、、分別為10kg(包括負(fù)載2kg)、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為46.25mm、200mm、375mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：（4-2）同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:=式中：——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離?！蟛恐匦木嗟诙P(guān)節(jié)軸的水平距離。則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下（4-3）式中：——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩——角加速度使機(jī)器人主軸從到/s所需時(shí)間為:則：若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算（4-4）式中：——電動(dòng)機(jī)功率；——負(fù)載力矩；——負(fù)載轉(zhuǎn)速；——傳動(dòng)裝置的效率，初步估算取0.9；系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1.5估算后就可選取電機(jī)，使其額定功率滿足下式（4-5）根據(jù)圖4.128BYJ48選型一覽表，依舊選擇28byj-48步進(jìn)電機(jī)4.2小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。4.3小臂電機(jī)及減速器選型本關(guān)節(jié)機(jī)器人小臂部兩個(gè)自由度是平面旋轉(zhuǎn)，若軸承是光滑的，則旋轉(zhuǎn)所需的靜轉(zhuǎn)矩比較小。因?yàn)閷⒈凵扉_呈一條直線時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時(shí)可產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。如圖4-1所示，設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32（4.1）其中：M1，M2，M3分別為負(fù)載0.05Kg，手臂0.5Kg，腕部0.5Kg；L1，L2，L3分別其長度。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，故可忽略不計(jì)，以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J1=M1L12+M2L22+M3L32(4.2)=0.05×0.1432+0.5×0.4452+0.5×0.5422=0.393kg·m2同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：M2=2Kg，L4=24.25mm；M3=4Kg，L5=48.5mm。J2=M2L42+M3L52(4.3)=1×0.024252+4×0.04852=0.16kg.m2設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，角速度從0加到所需加速時(shí)間，則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為：若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為0.3N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：選擇步進(jìn)電機(jī)選型，根據(jù)表4.1，我們依舊選擇28BYJ48，經(jīng)過減速比后的扭矩為2.1952N·m，大于0.6M·m，所以符合要求。第5章機(jī)械手機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)身系統(tǒng)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（1）支撐架的設(shè)計(jì)支撐架主要承載大小臂上所有零件的重量，左端設(shè)計(jì)大臂平衡彈簧的固定連接孔，右端設(shè)計(jì)大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)支撐架?？紤]機(jī)身回轉(zhuǎn)時(shí)的偏心力，合理設(shè)計(jì)支撐架與回轉(zhuǎn)軸的連接，采用柱銷式連接，兩邊用螺釘緊固。同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)支撐圓盤加以固定，使其轉(zhuǎn)動(dòng)更加平衡。為了減輕自重，選用ZL401材料。（2）機(jī)座的設(shè)計(jì)機(jī)座在中間軸對(duì)應(yīng)的位置處加工一個(gè)軸承固定座，其他無特殊要求。機(jī)身系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)計(jì)主要是對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，其設(shè)計(jì)計(jì)算主要參照《機(jī)械設(shè)計(jì)》[14]。5.1步進(jìn)電機(jī)選擇5.1.1計(jì)算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 （5.1） （5.2） （5.3）（5.4）（5.5）（5.6）——慣性力矩——摩擦力矩——輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度——大臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量——小臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量——機(jī)身自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量——啟動(dòng)時(shí)間=0.5s=0.8m/s=0.125m1.6rad/s當(dāng)大小臂的位置關(guān)系如圖5.1所示位置時(shí)，大小臂處于動(dòng)作可以達(dá)到的極限位置，此時(shí)需要的數(shù)值最大。圖5.1大小臂處于極限位置由同組成員計(jì)算出的大臂質(zhì)量及相關(guān)大臂相對(duì)中心線oa的垂直距離得出：=100mm，=10kg，代入式（5.5）得：=0.053kgm由同組組員算出的小臂質(zhì)量及相關(guān)小臂相對(duì)oa線的垂直距離得出： =250mm，m=1kg，代入式（5.5）得：=0.335kgmm計(jì)算相關(guān)機(jī)械手機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值得出：m圓盤=5kg；代入式（5.6）得：=0.2kgm代入（5.2）得到=44.86Nm帶入（5.1）得到=1.2Nm選擇二級(jí)圓柱齒輪減速器i=9（5.7）=0.99——聯(lián)軸器傳動(dòng)效率=0.96——齒輪傳動(dòng)效率=0.98——軸承傳動(dòng)效率代入式（5.7）得到：0.807所以M電=M/i=1.2/9*0.807=0.11N·m5.1.2確定各軸傳動(dòng)比總傳動(dòng)比=9，根據(jù)推薦的傳動(dòng)副傳動(dòng)比合理范圍，?。焊咚偌?jí)傳動(dòng)比=3，低速級(jí)傳動(dòng)比=35.1.3傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)由圖3.2，各軸由高速至低速依次設(shè)計(jì)為Ⅰ軸（輸入軸）、Ⅱ軸（中間軸）、Ⅲ軸（輸出軸）。圖5.2傳動(dòng)示意簡圖各軸轉(zhuǎn)速 （5.8） （5.9）=1.6rad/s=15.3r/min代入式（5.8）、式（5.9）得：45.9r/min，137.7r/min轉(zhuǎn)矩計(jì)算 （5.10）1.07Nm代入式（5.7）得：0.8Nm同理得到：=0.76Nm=0.86Nm=0.73Nm由圖4.1，依舊選擇28BJY48步進(jìn)電機(jī)，其頻矩曲線如下圖所示。圖5.3運(yùn)行矩頻特性由計(jì)算得到所需：=1.5Nm，137.7r/min該電機(jī)可以滿足要求。根據(jù)前面計(jì)算，選擇北京和利時(shí)電機(jī)電器廠的28BJY48型步進(jìn)電機(jī)。由電機(jī)輸出軸尺寸選擇TL2型彈性套柱銷聯(lián)軸器，主從動(dòng)端均選用型軸孔。5.2齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算5.2.1高速級(jí)齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算（1）選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料與齒數(shù)按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。由資料（下同）表10-1小齒輪材料選用45Cr(調(diào)質(zhì))，表面硬度為280HBS,大齒輪材料選用45鋼（調(diào)質(zhì)），表面硬度為240HBS。選擇7級(jí)精度，，（2）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）試算小齒輪分度圓直徑，即： （5.11）——載荷系數(shù)——輸入軸承受扭矩——齒寬系數(shù)——重合度系數(shù)——彈性影響系數(shù)——接觸疲勞許用應(yīng)力確定上式中各參數(shù)：試選載荷系數(shù)=1.3，小齒輪傳遞的扭矩為=6.27Nm查表10-7，選齒寬系數(shù)=1；查表10-6，得彈性影響系數(shù)=189.8，查圖10-21d，查得小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa。計(jì)算應(yīng)力循環(huán):（5.12）——輸入軸轉(zhuǎn)速——工作時(shí)間137.7r/min=10000h雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，取=2代入式（5.12）得：=1.65×108次=4.96×108次查圖10-19，得接觸疲勞壽命系數(shù)1.15，1.26；計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)S=1，則=690MPa，=693MPa計(jì)算設(shè)計(jì)公式中代入中較小值，得5.43mm計(jì)算小齒輪分度圓圓周速度0.17m/s 計(jì)算齒寬b=5.435mm計(jì)算齒寬與齒高之比：b/h（5.13）模數(shù)0.22mm 齒高=0.5mm代入式（5.13）得：=10.67計(jì)算載荷系數(shù)（5.14）查圖10-8，由v=0.17m/s，7級(jí)精度，得：=1.0查表10-4，得：1.2查表10-2，得：=1.25查表10-3，得：=1.30查圖10-13，得：=1.28以上代入式（5.14）得：1.95 按實(shí)際載荷系數(shù)修正6.21mm（5.15）計(jì)算模數(shù)m：1.04mm按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由公式（10-5）（5.16）——彎曲疲勞壽命系數(shù)——彎曲疲勞需用應(yīng)力——齒形系數(shù)——應(yīng)力校正系數(shù)由圖10-20c查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa；大齒輪彎曲強(qiáng)度極限=380MPa；由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.93，=0.97計(jì)算載荷系數(shù)==1.92計(jì)算彎曲疲勞需用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa查取齒形系數(shù)，由表10-5得：=2.65；=2.226查取應(yīng)力校正系數(shù)，由表10-5查得：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齒輪對(duì)應(yīng)數(shù)值大，將以上數(shù)值代入得：0.86對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，所以取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的m=0.86，并取圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=1，前面計(jì)算得=6.21mm,得小齒輪的齒數(shù)：6.217=19幾何尺寸計(jì)算：分度圓直徑（5.17)將模數(shù)、齒數(shù)代入式（5.17）得：7mm；19mm中心距（5.18）將，代入式（5.18）得：16.5mm齒輪寬度（5.19）由式（5.19）得：=6.25mm；=7.5mm5.2.2低速級(jí)齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算（1）選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料與齒數(shù)（a）按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。（b）由表10-1小齒輪的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS。（c）選擇7級(jí)精度，，（2）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算試選載荷系數(shù)：=1.3小齒輪傳遞的扭矩為：=17.7Nm查表10-7，選齒寬系數(shù)=1查表10-6，得彈性影響系數(shù)=189.8；查圖10-21d，查得小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa。計(jì)算應(yīng)力循環(huán)系數(shù)=5.5×108次=1.84×107次查圖10-19，得接觸疲勞壽命系數(shù)1.26，1.31；計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)S=1，則：=756MPa，=720.5MPa計(jì)算設(shè)計(jì)公式中代入中較小值，得：7.46mm計(jì)算小齒輪分度圓圓周速度0.072m/s計(jì)算齒寬b=7.46mm計(jì)算齒寬與齒高之比b/h模數(shù)0.34mm 齒高=0.7mm =10.67計(jì)算載荷系數(shù)查圖10-8，由v=0.07m/s，7級(jí)精度，得：=1.0查表10-4，得：1.2查表10-2，得：=1.25查表10-3，得：=1.30查圖10-13，得：=1.28所以載荷系數(shù)1.95 按實(shí)際載荷系數(shù)修正8.54mm 計(jì)算模數(shù)m1.42mm按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式（10-5）得：由圖10-20c查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa；大齒輪彎曲強(qiáng)度極限=380MPa；由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.93，=0.97計(jì)算彎曲疲勞需用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa計(jì)算載荷系數(shù)==1.92查取齒形系數(shù)。由表10-5得：=2.65；=2.226查取應(yīng)力校正系數(shù)由表10-5查得：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齒輪對(duì)應(yīng)數(shù)值大將以上數(shù)值代入得：0.86對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，所以取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的m=1.21，并取圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=1.5，前面計(jì)算得=29.85mm,得小齒輪的齒數(shù)24.6725=75幾何尺寸計(jì)算分度圓直徑9.37mm；28.2mm中心距=18.75mm齒輪寬度=9.37mm；=10.7mm5.3軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算5.3.1輸入軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算（1）求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩0.456kW137.7r/min6.27Nm（2）初估軸直徑（5.20）選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，并將數(shù)據(jù)代入式（5.20）得：=4.25mm（3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸入軸的最小直徑與先前計(jì)算齒輪直徑相差很少，所以做成齒輪軸。（4）求軸上支反力與彎矩水平方向：；（5.21）垂直方向：；（5.22）對(duì)錐齒輪：,（5.23）對(duì)直齒輪：，（5.24）將輸入軸參數(shù)代入式（5.24）得：538.2N,138.5N501.6N,182.6N代入得：408.6N,867.2N514.8N,558.9N作出輸入軸水平方向及垂直方向的彎矩圖3.6：圖5.6輸入軸的受力分析圖從輸入軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到截面=2\*ROMANII是輸入軸的危險(xiǎn)截面，計(jì)算結(jié)果如表5.4。表5.4截面Ⅱ處的彎矩載荷水平面H垂直面V支反力408.6N867.2N514.8N558.9N彎矩44.8Nm0.7Nm總彎矩44.8Nm扭矩6.27Nm按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度（5.25）式中：——軸的計(jì)算應(yīng)力——軸受得彎矩——軸所受的扭矩——軸的抗彎截面系數(shù)（5.26）校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面Ⅱ處的強(qiáng)度，取1，將各數(shù)值代入式（5.25）、（5.26）得：7.66MPa軸的材料為45鋼，查表11-1，。因此，故安全。5.3.2中間軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算（1）求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩0.429kW45.9r/min17.7Nm（2）初估軸直徑 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，得：6.25mm （3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 中間軸的直徑與小齒輪分度圓直徑相差很少，所以做成錐齒輪軸。軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.7。圖5.7中間軸結(jié)構(gòu)尺寸簡圖（4）求軸上支反力與彎矩水平方向：；（5.27）垂直方向：；（5.28）對(duì)直齒輪：，將輸入軸參數(shù)代入得：472N,171.8N944N,343.6N代入得：35.8N,436.2N13N,158.7N作出中間軸水平方向及垂直方向的彎矩圖：圖5.8中間軸的受力分析圖從軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到截面=2\*ROMANII是軸的危險(xiǎn)截面，計(jì)算結(jié)果如表5.5。表5.5截面Ⅱ處的彎矩載荷水平面H垂直面V支反力35.8N436.2N13N158.7N彎矩31.7Nm11.51Nm總彎矩33.7Nm扭矩17.7Nm（5）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面Ⅱ處的強(qiáng)度2.01MPa 軸的材料為45鋼，查表11-1，60MPa。因此，故安全。5.3.3輸出軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算（1）求輸出軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩0.404kW15.3r/min49.85Nm（2）初估軸直徑選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，得：8.25mm （3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)尺寸，輸出軸的直徑與齒輪直徑相差很少，所以做成錐齒輪軸。（4）求軸上支反力與彎矩水平方向：；（5.29）垂直方向：；（5.30）對(duì)直齒輪：，將輸入軸參數(shù)代入得：886.2N,322.6N代入得：1364.4N,478.1N496.6N,174N作出輸出軸水平方向及垂直方向的彎矩圖5.10：圖5.10輸出軸的受力分析圖從軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到軸的危險(xiǎn)截面，計(jì)算結(jié)果如表3.7。表5.7截面處的彎矩載荷水平面H垂直面V支反力1364.4N478.1N496.68N174N彎矩33.5Nm12.2Nm總彎矩35.7Nm扭矩49.85Nm（5）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面Ⅱ處的強(qiáng)度35MPa 軸的材料為45鋼，查表11-1，60MPa。因此，故安全。5.4機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)5.4.1機(jī)身箱體材料的選擇由于機(jī)身箱體不參與機(jī)器人動(dòng)作，制造工藝要求不高，可選用灰口鑄鐵HT250制造?；铱阼T鐵凝固時(shí)收縮量小，抗震性好。以此制造箱體可以增強(qiáng)機(jī)身自身的穩(wěn)定性，且較為經(jīng)濟(jì)。 5.4.2機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝由于整個(gè)箱體的結(jié)構(gòu)尺寸由內(nèi)部各零件配合情況決定，其形狀較為復(fù)雜，故采用鑄造的方法制造箱體，為了內(nèi)部各零件的配合及方便安裝，在頂部與右側(cè)開蓋。由于是臥式放置電機(jī)，考慮電機(jī)的質(zhì)量，在左側(cè)用托板托住電機(jī)。將電機(jī)的伸出軸用聯(lián)軸器與錐齒輪軸連接，通過與輸入軸的錐齒輪端嚙合滿足改變傳動(dòng)方向的要求。輸入，中間，輸出三根軸垂直放置并實(shí)現(xiàn)二級(jí)減速傳動(dòng)。由于齒輪懸置，需用圓螺母及止動(dòng)墊圈定位與放松。底座出于穩(wěn)定的考慮設(shè)計(jì)為圓形，可用沉頭螺釘與行走機(jī)構(gòu)連接。第6章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1控制系統(tǒng)模式的選擇構(gòu)建機(jī)器人平臺(tái)的核心是建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)。首先需要選擇和硬件平臺(tái)，控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)對(duì)于系統(tǒng)的開放性、實(shí)現(xiàn)方式和開發(fā)工作量有很大的影響。一般常用的控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)應(yīng)滿足：硬件系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)總線機(jī)構(gòu)，具有可伸縮性；硬件結(jié)構(gòu)具有必要的實(shí)時(shí)計(jì)算能力；硬件系統(tǒng)模塊化，便于添加或更改各種接口、傳感器和特殊計(jì)算機(jī)等；低成本。到目前為止，一般機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)可以大致分為三類：基于PLC的控制系統(tǒng)、基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)、基于工業(yè)計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)。單片機(jī)是一種帶有標(biāo)準(zhǔn)總線接口，價(jià)格低廉，工作性能穩(wěn)定，通訊方式靈活的MCU，尤其是近年來隨著嵌入式微處理器的發(fā)展，單片機(jī)的性能有了很大提高，因此我們選擇AT89C51單片機(jī)作為控制單元。單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)(Single-chipmicrocomputer)的簡稱，它主要是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)生活中的需求來設(shè)計(jì)的。在生產(chǎn)生活中不管是工業(yè)還是農(nóng)業(yè)單片機(jī)均被廣泛的應(yīng)用，單片機(jī)的發(fā)展日新月異，從當(dāng)初剛開始的四位機(jī)一直到如今的高速32單片機(jī)，它性能已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化。單片機(jī)具有許許多多的優(yōu)點(diǎn)，比如說：相當(dāng)高的可靠性能，可以工作一百萬到一千萬小時(shí)且不會(huì)有故障發(fā)生；它的處理功能比較強(qiáng)大的同時(shí)也保證了運(yùn)行速度；使用的時(shí)候電壓和功耗比較低；較為簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在一些便攜式產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，且控制能力特別強(qiáng)，具有強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力。AT89C51價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行處理速度快；具有32個(gè)雙向I/O口，可反復(fù)擦寫，可用串行口直接下載程序；有多種封裝方式，適用不同產(chǎn)品的需求，并且定時(shí)器功能強(qiáng)大，可以用定時(shí)器輸出PWM波控制步進(jìn)電機(jī)，已達(dá)到精確控制機(jī)械手位置的目的。AT89C51單片機(jī)并行的I/O口共有4個(gè)：P0~P3，其中包含著4個(gè)8位的I/O引腳，且每個(gè)引腳都可以單獨(dú)的編程控制。PDIP-40封裝形式的單片機(jī)引腳圖如6.1所示。圖6.1PDIP-40封裝的AT89C51單片機(jī)引腳圖后面對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制要用到單片機(jī)的很多硬件資源，為了更好的使用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制，我們將單片機(jī)功能介紹如下：首先是它的命名規(guī)則，以AT89C51RC40PDIP為例說明，AT是單片機(jī)廠商名字，89是系列號(hào)，有89系列、12系列、15系列，5是固定數(shù)字，2代表程序存儲(chǔ)器大小，2代表程序存儲(chǔ)器為8KB，RC為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器大小，代表數(shù)據(jù)存取器大小為512B，40代表可接入的最大晶振，PDID代表封裝形式，此處為雙列直插式。其重要常用的硬件資源介紹如下，若要了解其全部硬件資源，讀者可查閱該單片機(jī)的數(shù)據(jù)手冊(cè)。1.一個(gè)機(jī)器周期可以選擇為6個(gè)震蕩周期（雙倍速）或者12個(gè)震蕩周期。2.用戶程序存儲(chǔ)空間是8KB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間是512B。3.ISP（在系統(tǒng)可編程），程序下載方便，用USART口即可完成程序的下載。4.3個(gè)定時(shí)器T0、T1為普通定時(shí)器，定時(shí)器T2帶有輸入捕獲以及輸出比較功能。5.一個(gè)人通用串行通信口USART，可以下載程序、調(diào)試程序。6.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)要想一個(gè)單片機(jī)正常工作，只有一片單片機(jī)控制芯片是不夠的，要輔以外圍的晶振電路，單片機(jī)最小系統(tǒng)是指一個(gè)單片機(jī)正常工作所需必須的元件，少了任何一部分都不能正常工作，包括電源電路，晶振電路，復(fù)位電路。電源電路直接取用5V電源即可，下面我們根據(jù)本系統(tǒng)的要求對(duì)晶振電路和復(fù)位電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。晶振電路設(shè)計(jì)晶振之于單片機(jī)相當(dāng)于心臟之于人體，為單片機(jī)的一切工作提供節(jié)拍，AT89C51的時(shí)鐘產(chǎn)生方式分為內(nèi)部產(chǎn)生和外部產(chǎn)生兩種。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生方式來進(jìn)行本系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)，由于其內(nèi)部有一個(gè)高增益的反相放大器，通過單片機(jī)的18口和19口與外部電路的石英晶體共同構(gòu)成了一個(gè)反饋型的自激振蕩器，其中石英晶振為12M。所以設(shè)計(jì)晶振電路如圖6.2所示。圖6.2晶振電路復(fù)位電路按鍵復(fù)位就是在當(dāng)設(shè)計(jì)好的程序出現(xiàn)錯(cuò)誤不能運(yùn)行，人為操作失誤，使系統(tǒng)陷入死循環(huán)的狀態(tài)時(shí)，按下復(fù)位按鈕就可以使單片機(jī)重新啟動(dòng)的復(fù)位方式。按鍵手動(dòng)復(fù)位電路的復(fù)位時(shí)間是通過復(fù)位端的電阻以及電容來控制的，電容在充電的瞬間有電流通過，復(fù)位引腳電壓為5V，隨著電容反復(fù)充放電，復(fù)位引腳端的電壓會(huì)以指數(shù)規(guī)律下降。到t的時(shí)刻，RST引腳端降為低電平，經(jīng)過查詢AT89C51單片機(jī)資料手冊(cè)得知，RST高電平范圍為：0.7VCC~VCC+0.5(+3.5V~+5.5V)。(6-1)為了確保單片機(jī)正常復(fù)位，時(shí)間t一定大于兩個(gè)機(jī)器周期，而一個(gè)機(jī)器周期相當(dāng)于十二個(gè)時(shí)鐘周期，同時(shí)時(shí)鐘周期的大小要看晶振頻率值的大小。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用12MHz的石英晶體，因此：機(jī)器周期為：(6-2)所以t＞2T=2μs，在公式(6-1)中V0取3.5V，Vi取5V，電平保持時(shí)間越長越能夠保證單片機(jī)的復(fù)位，所以一般電容的取值大一些。τ的單位是：（R）*（C）＝秒。例如：R＝10kΩ，C＝10μF則：(6-3)RC=0.1秒，則t=0.12秒。t>>2μs，阻容取值符合復(fù)位電路的要求。復(fù)位電路如圖6.3所示。圖6.3復(fù)位電路6.3步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)介紹：步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或者線位移的開環(huán)控制元件。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接每收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。按照工作原理一般分三類：永磁式、反應(yīng)式、混合式。步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)有以下幾個(gè)，我們分別介紹。相數(shù)：電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，有二相、三相、四相、五相，相數(shù)不同其步距角不同。步距角：表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，這個(gè)步距角時(shí)電機(jī)出廠時(shí)的步距角，真實(shí)工作的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或者導(dǎo)電狀態(tài)，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角所需的脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，四相八拍運(yùn)行方式為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。具備了以上知識(shí)，根據(jù)位置控制要求，要精確控制機(jī)械手位置，我們選擇減速比為64:1的四相五線制步進(jìn)電機(jī)28byj-48，因?yàn)閱纹瑱C(jī)是控制器件不是驅(qū)動(dòng)器件，其輸出電流很小，并不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，故我們選擇達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器ULN2003驅(qū)動(dòng)電機(jī)。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖分別為6.4和6.5所示。圖6.428byj-48步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖圖6.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖6.4步進(jìn)電機(jī)的控制單片機(jī)不能直接直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)镻0最大輸出灌電流只有12mA，其他引腳最大輸出灌電流只有6mA，其輸出電流太小，達(dá)不到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)28byj-48的電流大小，所以通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)。28byj-48步進(jìn)電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，其內(nèi)部繞組原理圖如6.6所示，ABCD四相通電順序的不同每項(xiàng)通電時(shí)間長短不同會(huì)有不同的運(yùn)行方式，運(yùn)行方式有四相四拍運(yùn)行方式，四相八拍運(yùn)行方式，八拍的運(yùn)行方式步距角更小，因此我們采用四相八拍的通電方式。圖6.6步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部繞組其中標(biāo)號(hào)6代表的電源輸入端，數(shù)據(jù)手冊(cè)上典型的供電電壓為5V，ABCD代表四相，即四個(gè)線圈，上面說的通電順序、通電時(shí)間，就是指的給這四個(gè)線圈的通電。為了讓機(jī)械手的勻速運(yùn)行時(shí)以及加減速時(shí)比較平穩(wěn)，振動(dòng)小，要盡量選擇8拍的通電方式，盡量不用4拍的通電方式。本電機(jī)我們選擇的是四相八拍的通電方式，其ABCD四個(gè)繞組的通電的先后順序如圖6.7。假設(shè)從第1步到第8步的通電順序?yàn)檎D(zhuǎn)，那么要想實(shí)現(xiàn)想使電機(jī)反轉(zhuǎn)，只需顛倒通電順序，即從第8步到第1步通電即可。圖6.7勵(lì)磁順序步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)的典型連接電路如圖6.7所示。圖6.7步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、單片機(jī)三者連接電路圖其中，ULN2003的輸入端是1-4，ULN2003輸出端13-16分別連接步進(jìn)電機(jī)ABCD四個(gè)繞組，COM端及供電端口，接5V電壓。由步進(jìn)電機(jī)的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，其步距角為5.625，減速比64。當(dāng)我們用4-2-1四相八拍勵(lì)磁方式時(shí)，完成一次通電轉(zhuǎn)動(dòng)8*5.625=45度，轉(zhuǎn)起一圈需要循環(huán)360度/45度=8次，注意，減速比為64，也就是說，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，經(jīng)過減速之后，我們看到轉(zhuǎn)動(dòng)了1/64圈，要想讓軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，我們需要讓步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)64圈。其轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的程序如下：ucharco