畢業(yè)設計（論文）-小型搬運工業(yè)機械手設計

小型搬運工業(yè)機器人設計摘要機械手是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，搬運機械手是機械手研究領域的熱點。研究搬運機械手需要結(jié)合機械、電子、信息論、人工智能、生物學以及計算機等諸多學科知識，同時其自身的發(fā)展也促進了這些學科的發(fā)展。本文對一種使用在搬運機械手的結(jié)構(gòu)進行設計，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對機械手模型進行力學分析，估算各關節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機和減速器的選型。其次從電機和減速器的連接和固定出發(fā)，設計關節(jié)結(jié)構(gòu)，并對機構(gòu)中的重要連接件進行強度校核。關鍵詞：結(jié)構(gòu)設計，機器臂，關節(jié)型機械手，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機械手的歷史與發(fā)展 51.1.1工業(yè)機器人簡介 51.1.2世界機器人的發(fā)展 51.2機械手的組成 71.3機械手的分類 8第2章總體方案設計 92.1機械手工程概述 92.2工業(yè)機械手總體設計方案論述 112.3機械手機械傳動原理 122.4機械手總體方案設計 12第3章機械手大臂結(jié)構(gòu)設計 153.1大臂部結(jié)構(gòu)設計的基本要求 153.2大臂部結(jié)構(gòu)設計 163.3大臂電機及減速器選型 16第4章機械手小臂結(jié)構(gòu)設計 184.1腕部設計 184.2小臂部結(jié)構(gòu)設計 234.3小臂電機及減速器選型 23第5章機械手機身結(jié)構(gòu)設計 245.1步進電機選擇 245.2齒輪設計與計算 295.3軸的設計與計算 375.4機身結(jié)構(gòu)的設計 45第6章控制系統(tǒng)設計 466.1控制系統(tǒng)模式的選擇 466.2單片機最小系統(tǒng)設計 476.3步進電機工作原理 496.4步進電機的控制 50結(jié)論與展望 54參考文獻 55致謝 57第1章緒論1.1機械手的歷史與發(fā)展1.1.1工業(yè)機器人簡介幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘神話《阿魯哥探險船》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)美的神話時刻激勵著人們一定要把優(yōu)美的神話變?yōu)楝F(xiàn)實，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機械木偶人。到了近代，機器人這一詞語的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進入平常的百姓家。機器人的種類之多，應用之廣，影響之深，是我們始料未及的。工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、可重復編程、自動控制、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人并不是在簡單意義上的代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種模擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、適應各種惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程的產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。

所以就有了就有了很多國家地區(qū)制造出來工業(yè)機器人，而如今我設計的題目就是機器人的一個簡單部位——機械手。1.1.2世界機器人的發(fā)展國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：（1）工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單個工業(yè)機器人價格不斷下降，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。（2）機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位的一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。（3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，這就便于標準化、網(wǎng)絡化；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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。（5）虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。（6）當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，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)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名的實例。（7）機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。1.1.3我國工業(yè)機器人的發(fā)展有人認為，應用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機器人不一定符合我國國情。然而這是一種錯誤的想法。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟建設帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益，而且將為我國的海洋開發(fā)、宇宙開發(fā)、核能利用等新興領域的發(fā)展做出卓越的貢獻。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出裝配、噴漆、點焊、弧焊、搬運等機器人；其中有150多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線或生產(chǎn)站上獲得了規(guī)模的應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應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；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，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)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化的進程。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果在世界上處于領先水平，還開發(fā)出雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、直接遙控機器人、管道機器人、爬壁機器人等幾種機器人；在機器人視覺、觸覺、力覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上耗費了不少時間與工作量，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則才剛剛起步，與國外先進水平相比差距較大，需要在原有成績的基礎上，作出比較突出的改變，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以其在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.2機械手的組成一般來說，機械手主要有以下幾部分組成：1.手部(或稱抓取機構(gòu))：包括手爪、傳力機構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用。2.傳送機構(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)動部分：它是前兩部分的動力，因此也稱為動力源，常用的有氣壓、液壓、電機和電力四種驅(qū)動形式。4.控制部分：它是機械手動作的指揮系統(tǒng)，是機械手的核心部位，由它來控制動作的順序(程序)、位置和時間(甚至速度與加速度)等。5.其它部分：如機體、行走機構(gòu)、液壓裝置、步進機、傳感裝置和行程檢測裝置等。1.3機械手的分類機械手從使用范圍、驅(qū)動方式、運動坐標形式以及臂力大小四個方面的分類分別為：1.按使用范圍分類：(1)專用機械手一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產(chǎn)線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機械手”、“曲拐自動車床機械手”、“油泵凸輪軸自動線機械手”等等。這種機械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。(2)通用機械手指具有可變程序和單獨驅(qū)動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機器，而且能自動完成傳送物件或操作某些工具的機械裝置。通用機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。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，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)動方式分類：(1)液壓驅(qū)動機械手以壓力油進行驅(qū)動；(2)氣壓驅(qū)動機械手以壓縮空氣進行驅(qū)動；(3)電力驅(qū)動機械手直接用電動機進行驅(qū)動；(4)機械驅(qū)動機械手是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構(gòu)等傳遞給機械手的一種驅(qū)動方式。3.按運動坐標型式分類：(1)直角坐標式機械手臂部可以沿直角坐標軸X、Y、Z三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動)、左右移動(定為沿Y方向的移動)和上下升降(定為沿Z方向的移動)；(2)圓柱坐標式機械手手臂可以沿直角坐標軸的X和Z方向移動，又可繞Z軸轉(zhuǎn)動(定為繞Z軸轉(zhuǎn)動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動；(3)球坐標式機械手臂部可以沿直角坐標軸X方向移動，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動)、上下擺動(定為繞Y軸擺動)和左右轉(zhuǎn)動(仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動)；(4)多關節(jié)式機械手這種機械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機體的連接(肩部)均為關節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動。4.按機械手的臂力大小分類：(1)微型機械手臂力小于1㎏；(2)小型機械手臂力為1－10㎏；(3)中型機械手臂力為10－30㎏；(4)大型機械手臂力大于30㎏。我所設計的工業(yè)機器人能夠抓取50g左右的物體，并且用步進電機來控制機器人的每個自由度。該機器人擁有六個自由度。1）可搬重量最大50g2）速度最大10cm/s3）臂的長度總高要求<500mm4）機器人本體重量小于25kg5）驅(qū)動電機六臺步進電機6）位置再現(xiàn)精度士1.0mm第2章總體方案設計2.1機械手工程概述機械手工程是一門跨學科的綜合性技術，它涉及到力學、機構(gòu)學、機械設計、氣動液壓技術、傳感技術、計算機技術和自動控制技術等學科領域。人們將已有學科分支中的知識有效地組合起來用以解決綜合性的工程問題的技術稱之為“系統(tǒng)工程學”。以機械手設計為例，系統(tǒng)工程學認為，應當將其作為一個系統(tǒng)來研究、開發(fā)和運用，從機械手的整體出發(fā)來研究其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的有機聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關系的一種綜合性的設計方法。從系統(tǒng)功能的觀點來看，將一部復雜的機器看成是一個系統(tǒng)，它由若干個子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機地聯(lián)系在一起，是一個不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個整體的特定功能。因此，在設計一部較復雜的機器時，從機器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個系統(tǒng)應具有如下特性：（1）整體性由若干個不同性能的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個總的機械系統(tǒng)應具有作為一個整體的特定功能。（2）相關性系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間有機聯(lián)系、有機作用，具有某種相互關聯(lián)的特性。（3）目的性每個系統(tǒng)都應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)境適應性任何一個系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應外部環(huán)境的變化。因此，在進行機械手設計時，不僅要重視組成機械手系統(tǒng)的各個部件、零件的設計，更應該按照系統(tǒng)工程學的觀點，根據(jù)機械手的功能要求，將組成機械手系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設計出性能優(yōu)良適于工作需要的機械手產(chǎn)品。在比較復雜的工業(yè)機械手系統(tǒng)中大致包括如下:操作機，它是完成機械手工作任務的主體，包括機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和機構(gòu)等。驅(qū)動系統(tǒng)，它包括作為動力源的驅(qū)動器，驅(qū)動單元，伺服驅(qū)動系統(tǒng)由各種傳動零、部件組成的傳動系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)，它主要包括具有運算、存儲功能的電子控制裝置（計算機或其他可編程編輯控制裝置），人——機接口裝置（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備［14］。工業(yè)機械手的特點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)機械手能有效地應用于柔性制造系統(tǒng)中來完成傳送零件或材料，進行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設備（如數(shù)控機床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設備）、輔助生產(chǎn)設備、控制裝置和工業(yè)機械手等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機械手技術綜合體地工業(yè)機械手系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門，如建筑、采礦、交通運輸?shù)壬a(chǎn)領域引用機械手系統(tǒng)亦是如此。2.2工業(yè)機械手總體設計方案論述確定負載目前，國內(nèi)外使用的工業(yè)機械手中，負載能力的范圍很大，最小的額定負載在5N以下，最大可達9000N。負載大小的確定主要是考慮沿機械手各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應包括機械手末端執(zhí)行器的重量、關節(jié)工件或作業(yè)對象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設計給的設計參數(shù)可初估本次設計屬于小負載。驅(qū)動方式由于步進電機具有控制性能好，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運動控制要求嚴格的中、小型機械手等特點，故本次設計采用步進電機。（三）傳動系統(tǒng)設計機械手傳動裝置中應盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動慣量和體積小，在傳動鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機械手的運動和位置控制精度。在機械手中常采用的機械傳動機構(gòu)有齒輪傳動、蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動、同步齒形帶傳動、鏈傳動、行星齒輪傳動、諧波齒輪傳動和鋼帶傳動等，由于齒輪傳動具有效率高，傳動比準確，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點，且大學學習掌握的比較扎實，故本次設計選用齒輪傳動。（四）工作范圍工業(yè)機械手的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機械手作業(yè)過程中操作范圍和運動軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機械手的機械結(jié)構(gòu)坐標形式、自由度數(shù)和操作機各手臂關節(jié)軸線的長度和各關節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇（五）運動速度機械手操作機手臂的各個動作的最大行程確定后，按照循環(huán)時間安排確定每個動作的時間，就能進一步確定各動作的運動速度，用m/s或（°）/s表示，各動作的時間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時間的長短，各動作之間順序是依序進行還是同時進行等。應試做各動作時間的分配方案表，進行比較，分配動作時間除考慮工藝動作的要求外，還應考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動和控制方式、定位方式和精度等要求。2.3機械手機械傳動原理該方案結(jié)構(gòu)設計與分析該搬運機械手的本體結(jié)構(gòu)組成如圖圖2.1搬運機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、齒輪傳動部件、軸承，步進電機等。機座作用是支撐部件，支承和轉(zhuǎn)動大臂部件,承受搬運機械手的全部重量和工作載荷，所以機座應有足夠的強度、剛度和承載能力。另外機座還要求有足夠大的安裝基面，以保證搬運機械手工作時的穩(wěn)定運行。搬運機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等）與驅(qū)動源（如液壓、氣壓或電機等）相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動手臂分為大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齒輪傳動部件，驅(qū)動電機。小臂部件：包括小臂、傳動軸、同步傳動帶等，在小臂一端固定驅(qū)動手腕運動的步進電機。手腕部件：包括手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機械接口等。2.4機械手總體方案設計工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標結(jié)構(gòu)，圓柱坐標結(jié)構(gòu)，球坐標結(jié)構(gòu)，關節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應的特點，分別介紹如下[3]。(1)直角坐標機械手結(jié)構(gòu)直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(a)由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機械手有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標機械手的運動空間相對機械手的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機械手的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標機械手的工作空間為一空間長方體。直角坐標機械手主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。(2)圓柱坐標機械手結(jié)構(gòu)圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(b)。這種機械手構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。(3)球坐標機械手結(jié)構(gòu)球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(c)。這種機械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。(4)關節(jié)型機械手結(jié)構(gòu)關節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1(d)。關節(jié)型機械手動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大。此種機械手在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機械手。關節(jié)型機械手結(jié)構(gòu)，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。(a)直角坐標型(b)圓柱坐標型(c)球坐標型(d)關節(jié)型圖2-2四種機械手坐標形式根據(jù)任務書要求和具體實際我們選擇的是(d)關節(jié)型。圖2-3機械手坐標示意圖具體到本設計，因為設計要求搬運的加工工件的質(zhì)量達50g，同時考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，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。該機械手手臂運動范圍小,且有較高的定位準確度,要求設計的機械手為六個自由度，其中腰部有一個旋轉(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章機械手大臂結(jié)構(gòu)設計3.1大臂部結(jié)構(gòu)設計的基本要求臂部部件是搬運機械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動它們做空間運動。臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位)關節(jié)，則臂部自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部設計基本要求:（1）臂部應承載能力大、剛度好、自重輕臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應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，搬運機械手常采用無縫鋼管作為導向桿，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)動裝置、傳動裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。（2)臂部運動速度要高，慣性要小在一般情況下，手臂的要求勻速運動，但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時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。為減少轉(zhuǎn)動慣量，應采取以下措施:(a)減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強度材料;(b)減少手臂運動件的輪廓尺寸(c)減少回轉(zhuǎn)半徑(d)驅(qū)動系統(tǒng)中設有緩沖裝置(3)手臂動作應靈活。為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。(4)位置精度要高。一般來說，直角和圓柱坐標系搬運機械手位置精度高;關節(jié)式搬運機械手的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設定位裝置和檢測機構(gòu)，能較好的控制位置精度。本文采用鋁合金材料設計成薄壁件，一方面保證機械臂的剛度，另一方面可減小機械臂的重量，減小基座關節(jié)電機的載荷，并且提高了機械臂的動態(tài)響應。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設計。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（mm）以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設計的特點，在特種鑄造方法中，應根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點進行相應的鑄件結(jié)構(gòu)設計。本文機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)設計大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強度大。3.3大臂電機及減速器選型假設小臂及腕部繞第二關節(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)動時速度為10r/min，轉(zhuǎn)化角速度為1.047rad/s為，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下：式中：T-旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩N.mJ–轉(zhuǎn)動慣量kg.m2-角加速度rad/s2使機械手大臂從到所需的時間為：則：若考慮繞機械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(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)選擇步進電機：根據(jù)上面算的T01輸出轉(zhuǎn)矩大于該數(shù)值的步進電機，考慮到該機械手結(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系列永磁式步進電機，而且其供電電壓為5-12V，兼容單片機供電電壓，方便控制，其具體的參數(shù)如圖3.1所示。圖3.1BYJ系列永磁式步進電機一覽表由上圖知，24BYJ48步進電機的牽入轉(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，遠大于式（3.2）所算的轉(zhuǎn)矩。故我們選擇24BYJ48步進電機。第4章機械手小臂結(jié)構(gòu)設計4.1腕部設計腕部能夠連接機器人的臂部和手部，支撐并且改變手部的姿態(tài)。腕部設計的要求有：結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕；動作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；所用材料強度、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)動裝置的合理布局及安裝等。按自由度分類可將工業(yè)機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自由度，而是根據(jù)工業(yè)機器人實際使用的工作性能要求來確定。本課題所研究設計的噴漆機器人手腕具有擺動和轉(zhuǎn)動兩個自由度。二自由度的手腕可以由一個R關節(jié)和一個B關節(jié)聯(lián)合構(gòu)成BR關節(jié)實現(xiàn)，或由兩個B關節(jié)組成BB關節(jié)實現(xiàn)，但不能由兩個RR關節(jié)構(gòu)成二自由度手腕，因為兩個R關節(jié)的功能是重復的，實際上只起到單自由度的作用。本次設計要求腕部實現(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)步進電機產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)技術的局限性，無法實現(xiàn)關節(jié)的直接驅(qū)動，所以為減輕整個小臂的自重，采取腕部步進電機后置遠距離間接驅(qū)動，將其裝在大臂的底部，固定在機身圓盤上，再通過兩條鏈傳動，一條鏈直接帶動腕部的擺動，另一條鏈傳動帶輪帶動錐齒輪軸通過一級錐齒輪的傳遞帶動腕部的轉(zhuǎn)動，雖然在腕擺時會產(chǎn)生手腕的附加轉(zhuǎn)動，但是可以通過控制步進電機來控制干涉。圖4.1ＢＢ型手腕示意圖本課題研究設計的噴漆機器人廣泛用于進行汽車車身等噴涂作業(yè)，腕部作用于工作空間的最前端，有時需伸入狹窄的空間進行作業(yè)，所以為了滿足手腕部分結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、動作靈活等要求將其外形和尺寸設計成如圖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)動計算手腕的偏轉(zhuǎn)是通過后置于大臂底部一側(cè)的步進電機驅(qū)動，兩級帶輪鏈條傳動，再經(jīng)過錐齒輪嚙合傳動改變方向來實現(xiàn)偏置的。手腕的驅(qū)動力來自步進電機，首先要計算手腕偏轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩，再計算電機的輸出轉(zhuǎn)矩，確定步進電機的型號，從而計算設計鏈傳動以及錐齒輪傳動的傳動參數(shù)及相關尺寸。（1）選擇步進電機 手腕偏轉(zhuǎn)時，需要克服摩擦阻力矩、工件負載阻力矩和腕部啟動時的慣性力矩。根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計算公式[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）；—負載阻力矩（N·m）；—手腕偏轉(zhuǎn)啟動時慣性阻力矩（N·m）；—工件負載對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；—手腕部分對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；—手腕偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；—手腕質(zhì)量（kg）；—負載質(zhì)量（kg）；—啟動時間（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)代入計算得：r/s因為腕部傳動是通過兩級帶輪和一級錐齒輪實現(xiàn)的，所以查取手冊[15]得：彈性聯(lián)軸器傳動效率；滾子鏈傳動效率；滾動軸承傳動效率（一對）；錐齒輪傳動效率；計算得傳動的裝置的總效率。電機在工作中實際要求轉(zhuǎn)矩（4.9）根據(jù)上面計算的M電對步進電機選型，參照圖3.1BYJ系列永磁式步進電機一覽表可知28byj48步進電機經(jīng)過減速后的轉(zhuǎn)矩為2.1952N·m，大于M電，滿足驅(qū)動要求。故我們依舊選擇28byj48步進電機。圖4.328byj48型步進電機矩頻特性曲線4.1.2電動機的選擇設兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為:（4-1）、、分別為10kg(包括負載2kg)、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關節(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。所以繞第一關節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：（4-2）同理可得小臂及腕部繞第二關節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量:=式中：——小臂重心距第二關節(jié)軸的水平距離?！蟛恐匦木嗟诙P節(jié)軸的水平距離。則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下（4-3）式中：——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩——角加速度使機器人主軸從到/s所需時間為:則：若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為電動機的功率可按下式估算（4-4）式中：——電動機功率；——負載力矩；——負載轉(zhuǎn)速；——傳動裝置的效率，初步估算取0.9；系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取1.5估算后就可選取電機，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步進電機4.2小臂部結(jié)構(gòu)設計小臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強度大。4.3小臂電機及減速器選型本關節(jié)機器人小臂部兩個自由度是平面旋轉(zhuǎn)，若軸承是光滑的，則旋轉(zhuǎn)所需的靜轉(zhuǎn)矩比較小。因為將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)生步進電機的轉(zhuǎn)矩不足。如圖4-1所示，設兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平軸定理可得繞第一關節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32（4.1）其中：M1，M2，M3分別為負載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，以繞第一關節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：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節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量：M2=2Kg，L4=24.25mm；M3=4Kg，L5=48.5mm。J2=M2L42+M3L52(4.3)=1×0.024252+4×0.04852=0.16kg.m2設小臂轉(zhuǎn)速，角速度從0加到所需加速時間，則同步帶應輸出轉(zhuǎn)矩為：若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(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：選擇步進電機選型，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章機械手機身結(jié)構(gòu)設計機身系統(tǒng)部件的結(jié)構(gòu)設計。（1）支撐架的設計支撐架主要承載大小臂上所有零件的重量，左端設計大臂平衡彈簧的固定連接孔，右端設計大臂驅(qū)動電機支撐架?？紤]機身回轉(zhuǎn)時的偏心力，合理設計支撐架與回轉(zhuǎn)軸的連接，采用柱銷式連接，兩邊用螺釘緊固。同時設計一個支撐圓盤加以固定，使其轉(zhuǎn)動更加平衡。為了減輕自重，選用ZL401材料。（2）機座的設計機座在中間軸對應的位置處加工一個軸承固定座，其他無特殊要求。機身系統(tǒng)的內(nèi)部設計主要是對傳動系統(tǒng)的各部件進行設計計算與校核，其設計計算主要參照《機械設計》[14]。5.1步進電機選擇5.1.1計算輸出軸的轉(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)動角速度——大臂轉(zhuǎn)動慣量——小臂轉(zhuǎn)動慣量——機身自身轉(zhuǎn)動慣量——啟動時間=0.5s=0.8m/s=0.125m1.6rad/s當大小臂的位置關系如圖5.1所示位置時，大小臂處于動作可以達到的極限位置，此時需要的數(shù)值最大。圖5.1大小臂處于極限位置由同組成員計算出的大臂質(zhì)量及相關大臂相對中心線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)量及相關小臂相對oa線的垂直距離得出： =250mm，m=1kg，代入式（5.5）得：=0.335kgmm計算相關機械手機身結(jié)構(gòu)設計數(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選擇二級圓柱齒輪減速器i=9（5.7）=0.99——聯(lián)軸器傳動效率=0.96——齒輪傳動效率=0.98——軸承傳動效率代入式（5.7）得到：0.807所以M電=M/i=1.2/9*0.807=0.11N·m5.1.2確定各軸傳動比總傳動比=9，根據(jù)推薦的傳動副傳動比合理范圍，?。焊咚偌墏鲃颖?3，低速級傳動比=35.1.3傳動裝置的運動和動力參數(shù)由圖3.2，各軸由高速至低速依次設計為Ⅰ軸（輸入軸）、Ⅱ軸（中間軸）、Ⅲ軸（輸出軸）。圖5.2傳動示意簡圖各軸轉(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步進電機，其頻矩曲線如下圖所示。圖5.3運行矩頻特性由計算得到所需：=1.5Nm，137.7r/min該電機可以滿足要求。根據(jù)前面計算，選擇北京和利時電機電器廠的28BJY48型步進電機。由電機輸出軸尺寸選擇TL2型彈性套柱銷聯(lián)軸器，主從動端均選用型軸孔。5.2齒輪設計與計算5.2.1高速級齒輪設計與計算（1）選定齒輪類型、精度等級、材料與齒數(shù)按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動。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級精度，，（2）按齒面接觸疲勞強度計算根據(jù)設計計算公式（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度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強度極限為MPa。計算應力循環(huán):（5.12）——輸入軸轉(zhuǎn)速——工作時間137.7r/min=10000h雙向轉(zhuǎn)動，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；計算接觸疲勞許用應力：取安全系數(shù)S=1，則=690MPa，=693MPa計算設計公式中代入中較小值，得5.43mm計算小齒輪分度圓圓周速度0.17m/s 計算齒寬b=5.435mm計算齒寬與齒高之比：b/h（5.13）模數(shù)0.22mm 齒高=0.5mm代入式（5.13）得：=10.67計算載荷系數(shù)（5.14）查圖10-8，由v=0.17m/s，7級精度，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 按實際載荷系數(shù)修正6.21mm（5.15）計算模數(shù)m：1.04mm按彎曲強度設計由公式（10-5）（5.16）——彎曲疲勞壽命系數(shù)——彎曲疲勞需用應力——齒形系數(shù)——應力校正系數(shù)由圖10-20c查得小齒輪彎曲疲勞強度極限=500MPa；大齒輪彎曲強度極限=380MPa；由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.93，=0.97計算載荷系數(shù)==1.92計算彎曲疲勞需用應力，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查取應力校正系數(shù)，由表10-5查得：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齒輪對應數(shù)值大，將以上數(shù)值代入得：0.86對比計算結(jié)果，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度的承載能力僅與齒輪直徑有關，所以取由彎曲疲勞強度算得的m=0.86，并取圓整為標準值m=1，前面計算得=6.21mm,得小齒輪的齒數(shù)：6.217=19幾何尺寸計算：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低速級齒輪設計與計算（1）選定齒輪類型、精度等級、材料與齒數(shù)（a）按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動。（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級精度，，（2）按齒面接觸疲勞強度計算試選載荷系數(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度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強度極限為MPa。計算應力循環(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；計算接觸疲勞許用應力：取安全系數(shù)S=1，則：=756MPa，=720.5MPa計算設計公式中代入中較小值，得：7.46mm計算小齒輪分度圓圓周速度0.072m/s計算齒寬b=7.46mm計算齒寬與齒高之比b/h模數(shù)0.34mm 齒高=0.7mm =10.67計算載荷系數(shù)查圖10-8，由v=0.07m/s，7級精度，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 按實際載荷系數(shù)修正8.54mm 計算模數(shù)m1.42mm按彎曲強度設計由式（10-5）得：由圖10-20c查得小齒輪彎曲疲勞強度極限=500MPa；大齒輪彎曲強度極限=380MPa；由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.93，=0.97計算彎曲疲勞需用應力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa計算載荷系數(shù)==1.92查取齒形系數(shù)。由表10-5得：=2.65；=2.226查取應力校正系數(shù)由表10-5查得：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齒輪對應數(shù)值大將以上數(shù)值代入得：0.86對比計算結(jié)果，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度的承載能力僅與齒輪直徑有關，所以取由彎曲疲勞強度算得的m=1.21，并取圓整為標準值m=1.5，前面計算得=29.85mm,得小齒輪的齒數(shù)24.6725=75幾何尺寸計算分度圓直徑9.37mm；28.2mm中心距=18.75mm齒輪寬度=9.37mm；=10.7mm5.3軸的設計與計算5.3.1輸入軸的設計與計算（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)設計輸入軸的最小直徑與先前計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）對錐齒輪：,（5.23）對直齒輪：，（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是輸入軸的危險截面，計算結(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按彎扭合成應力校核軸的強度（5.25）式中：——軸的計算應力——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算彎矩的截面Ⅱ處的強度，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中間軸的設計與計算（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)設計 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是軸的危險截面，計算結(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）按彎扭合成應力校核軸的強度校核軸上承受最大計算彎矩的截面Ⅱ處的強度2.01MPa 軸的材料為45鋼，查表11-1，60MPa。因此，故安全。5.3.3輸出軸的設計與計算（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)設計軸的結(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截面，計算結(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）按彎扭合成應力校核軸的強度校核軸上承受最大計算彎矩的截面Ⅱ處的強度35MPa 軸的材料為45鋼，查表11-1，60MPa。因此，故安全。5.4機身結(jié)構(gòu)的設計5.4.1機身箱體材料的選擇由于機身箱體不參與機器人動作，制造工藝要求不高，可選用灰口鑄鐵HT250制造?；铱阼T鐵凝固時收縮量小，抗震性好。以此制造箱體可以增強機身自身的穩(wěn)定性，且較為經(jīng)濟。 5.4.2機身的結(jié)構(gòu)設計及制造工藝由于整個箱體的結(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，考慮電機的質(zhì)量，在左側(cè)用托板托住電機。將電機的伸出軸用聯(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方向的要求。輸入，中間，輸出三根軸垂直放置并實現(xiàn)二級減速傳動。由于齒輪懸置，需用圓螺母及止動墊圈定位與放松。底座出于穩(wěn)定的考慮設計為圓形，可用沉頭螺釘與行走機構(gòu)連接。第6章控制系統(tǒng)設計6.1控制系統(tǒng)模式的選擇構(gòu)建機器人平臺的核心是建立機器人的控制系統(tǒng)。首先需要選擇和硬件平臺，控制系統(tǒng)硬件平臺對于系統(tǒng)的開放性、實現(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)硬件平臺應滿足：硬件系統(tǒng)基于標準總線機構(gòu)，具有可伸縮性；硬件結(jié)構(gòu)具有必要的實時計算能力；硬件系統(tǒng)模塊化，便于添加或更改各種接口、傳感器和特殊計算機等；低成本。到目前為止，一般機器人控制系統(tǒng)的硬件平臺可以大致分為三類：基于PLC的控制系統(tǒng)、基于單片機的控制系統(tǒng)、基于工業(yè)計算機的控制系統(tǒng)。單片機是一種帶有標準總線接口，價格低廉，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，單片機的性能有了很大提高，因此我們選擇AT89C51單片機作為控制單元。單片機是單片微型計算機(Single-chipmicrocomputer)的簡稱，它主要是根據(jù)實際生產(chǎn)生活中的需求來設計的。在生產(chǎn)生活中不管是工業(yè)還是農(nóng)業(yè)單片機均被廣泛的應用，單片機的發(fā)展日新月異，從當初剛開始的四位機一直到如今的高速32單片機，它性能已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化。單片機具有許許多多的優(yōu)點，比如說：相當高的可靠性能，可以工作一百萬到一千萬小時且不會有故障發(fā)生；它的處理功能比較強大的同時也保證了運行速度；使用的時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)品中廣泛應用，且控制能力特別強，具有強大的環(huán)境適應能力。AT89C51價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，運行處理速度快；具有32個雙向I/O口，可反復擦寫，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，并且定時器功能強大，可以用定時器輸出PWM波控制步進電機，已達到精確控制機械手位置的目的。AT89C51單片機并行的I/O口共有4個：P0~P3，其中包含著4個8位的I/O引腳，且每個引腳都可以單獨的編程控制。PDIP-40封裝形式的單片機引腳圖如6.1所示。圖6.1PDIP-40封裝的AT89C51單片機引腳圖后面對步進電機的控制要用到單片機的很多硬件資源，為了更好的使用單片機對步進電機控制，我們將單片機功能介紹如下：首先是它的命名規(guī)則，以AT89C51RC40PDIP為例說明，AT是單片機廠商名字，89是系列號，有89系列、12系列、15系列，5是固定數(shù)字，2代表程序存儲器大小，2代表程序存儲器為8KB，RC為數(shù)據(jù)存儲器大小，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的數(shù)據(jù)手冊。1.一個機器周期可以選擇為6個震蕩周期（雙倍速）或者12個震蕩周期。2.用戶程序存儲空間是8KB，數(shù)據(jù)存儲空間是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個定時器T0、T1為普通定時器，定時器T2帶有輸入捕獲以及輸出比較功能。5.一個人通用串行通信口USART，可以下載程序、調(diào)試程序。6.2單片機最小系統(tǒng)設計要想一個單片機正常工作，只有一片單片機控制芯片是不夠的，要輔以外圍的晶振電路，單片機最小系統(tǒng)是指一個單片機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)的要求對晶振電路和復位電路進行設計。晶振電路設計晶振之于單片機相當于心臟之于人體，為單片機的一切工作提供節(jié)拍，AT89C51的時鐘產(chǎn)生方式分為內(nèi)部產(chǎn)生和外部產(chǎn)生兩種。本設計采用內(nèi)部時鐘產(chǎn)生方式來進行本系統(tǒng)的時鐘電路設計，由于其內(nèi)部有一個高增益的反相放大器，通過單片機的18口和19口與外部電路的石英晶體共同構(gòu)成了一個反饋型的自激振蕩器，其中石英晶振為12M。所以設計晶振電路如圖6.2所示。圖6.2晶振電路復位電路按鍵復位就是在當設計好的程序出現(xiàn)錯誤不能運行，人為操作失誤，使系統(tǒng)陷入死循環(huán)的狀態(tài)時，按下復位按鈕就可以使單片機重新啟動的復位方式。按鍵手動復位電路的復位時間是通過復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，復位引腳電壓為5V，隨著電容反復充放電，復位引腳端的電壓會以指數(shù)規(guī)律下降。到t的時刻，RST引腳端降為低電平，經(jīng)過查詢AT89C51單片機資料手冊得知，RST高電平范圍為：0.7VCC~VCC+0.5(+3.5V~+5.5V)。(6-1)為了確保單片機正常復位，時間t一定大于兩個機器周期，而一個機器周期相當于十二個時鐘周期，同時時鐘周期的大小要看晶振頻率值的大小。本系統(tǒng)設計采用12MHz的石英晶體，因此：機器周期為：(6-2)所以t＞2T=2μs，在公式(6-1)中V0取3.5V，Vi取5V，電平保持時間越長越能夠保證單片機的復位，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，阻容取值符合復位電路的要求。復位電路如圖6.3所示。圖6.3復位電路6.3步進電機工作原理步進電機介紹：步進電機是一種把電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或者線位移的開環(huán)控制元件。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接每收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。按照工作原理一般分三類：永磁式、反應式、混合式。步進電機的主要參數(shù)有以下幾個，我們分別介紹。相數(shù)：電機內(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)一個步進脈沖，電機轉(zhuǎn)動的角度，這個步距角時電機出廠時的步距角，真實工作的步距角和驅(qū)動器有關。拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或者導電狀態(tài)，或指電機轉(zhuǎn)過一個步距角所需的脈沖數(shù)，以四相電機為例，四相八拍運行方式為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。具備了以上知識，根據(jù)位置控制要求，要精確控制機械手位置，我們選擇減速比為64:1的四相五線制步進電機28byj-48，因為單片機是控制器件不是驅(qū)動器件，其輸出電流很小，并不能直接驅(qū)動步進電機，故我們選擇達林頓驅(qū)動器ULN2003驅(qū)動電機。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。步進電機與步進電機驅(qū)動器實物圖分別為6.4和6.5所示。圖6.428byj-48步進電機實物圖圖6.5步進電機驅(qū)動器實物圖6.4步進電機的控制單片機不能直接直接驅(qū)動步進電機，因為P0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，達不到驅(qū)動步進電機28byj-48的電流大小，所以通過步進電機驅(qū)動器來驅(qū)動。28byj-48步進電機為四相步進電機，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通電時間長短不同會有不同的運行方式，運行方式有四相四拍運行方式，四相八拍運行方式，八拍的運行方式步距角更小，因此我們采用四相八拍的通電方式。圖6.6步進電機內(nèi)部繞組其中標號6代表的電源輸入端，數(shù)據(jù)手冊上典型的供電電壓為5V，ABCD代表四相，即四個線圈，上面說的通電順序、通電時間，就是指的給這四個線圈的通電。為了讓機械手的勻速運行時以及加減速時比較平穩(wěn)，振動小，要盡量選擇8拍的通電方式，盡量不用4拍的通電方式。本電機我們選擇的是四相八拍的通電方式，其ABCD四個繞組的通電的先后順序如圖6.7。假設從第1步到第8步的通電順序為正轉(zhuǎn)，那么要想實現(xiàn)想使電機反轉(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勵磁順序步進電機驅(qū)動器與單片機的典型連接電路如圖6.7所示。圖6.7步進電機、步進電機驅(qū)動器、單片機三者連接電路圖其中，ULN2003的輸入端是1-4，ULN2003輸出端13-16分別連接步進電機ABCD四個繞組，COM端及供電端口，接5V電壓。由步進電機的數(shù)據(jù)手冊可知，其步距角為5.625，減速比64。當我們用4-2-1四相八拍勵磁方式時，完成一次通電轉(zhuǎn)動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，步進電機轉(zhuǎn)動一圈，經(jīng)過減速之后，我們看到轉(zhuǎn)動了1/64圈，要想讓軸轉(zhuǎn)動一圈，我們需要讓步進電機轉(zhuǎn)動64圈。其轉(zhuǎn)動一圈的程序如下：ucharco