【文章內容簡介】 檢查項目參數(shù)齒輪1齒距累積公差 Fp1=　齒輪1齒圈徑向跳動公差 Fr1=齒輪1公法線長度變動公差 Fw1=　齒輪1齒距極限偏差 fpt(177。)1=　　齒輪1齒形公差 ff1=　齒輪1一齒切向綜合公差 fi39。1=　齒輪1一齒徑向綜合公差 fi39。39。1=0　齒輪1齒向公差 Fβ1=　齒輪1切向綜合公差 Fi39。1=　齒輪1徑向綜合公差 Fi39。39。1=齒輪1基節(jié)極限偏差 fpb(177。)1=齒輪1螺旋線波度公差 ffβ1=齒輪1軸向齒距極限偏差 Fpx(177。)1=齒輪1齒向公差 Fb1=　齒輪1x方向軸向平行度公差 fx1=　齒輪1y方向軸向平行度公差 fy1=　齒輪1齒厚上偏差 Eup1=齒輪1齒厚下偏差 Edn1=齒輪2齒距累積公差 Fp2=齒輪2齒圈徑向跳動公差 Fr2=齒輪2公法線長度變動公差 Fw2=　齒輪2齒距極限偏差 fpt(177。)2=齒輪2齒形公差 ff2=齒輪2一齒切向綜合公差 fi39。2=　齒輪2一齒徑向綜合公差 fi39。39。2=0 齒輪2齒向公差 Fβ2=齒輪2切向綜合公差 Fi39。2=齒輪2徑向綜合公差 Fi39。39。2=齒輪2基節(jié)極限偏差 fpb(177。)2=　齒輪2螺旋線波度公差 ffβ2=　齒輪2軸向齒距極限偏差 Fpx(177。)2=齒輪2齒向公差 Fb2=齒輪2x方向軸向平行度公差 fx2=齒輪2y方向軸向平行度公差 fy2=　齒輪2齒厚上偏差 Eup2=　齒輪2齒厚下偏差 Edn2=　中心距極限偏差 fa(177。)= 強度校核數(shù)據(jù)齒輪1接觸強度極限應力 σHlim1=(MPa)　齒輪1抗彎疲勞基本值 σFE1=(MPa)　齒輪1接觸疲勞強度許用值 [σH]1=(MPa)　齒輪1彎曲疲勞強度許用值 [σF]1=(MPa)　　齒輪2接觸強度極限應力 σHlim2=(MPa)　齒輪2抗彎疲勞基本值 σFE2=(MPa)　齒輪2接觸疲勞強度許用值 [σH]2=(MPa)　　齒輪2彎曲疲勞強度許用值 [σF]2=(MPa)　接觸強度用安全系數(shù) SHmin=　彎曲強度用安全系數(shù) SFmin=　接觸強度計算應力 σH=(MPa)　接觸疲勞強度校核 σH[σH]=不滿足　齒輪1彎曲疲勞強度計算應力 σF1=(MPa)　齒輪2彎曲疲勞強度計算應力 σF2=(MPa)齒輪1彎曲疲勞強度校核 σF1≤[σF]1=滿足齒輪2彎曲疲勞強度校核 σF2≤[σF]2=滿足 蝸輪蝸桿的設計 設計校核用機械設計手冊（軟件版） 中的普通圓柱蝸桿傳動計算設計程序，設計結果輸出如下：蝸桿輸入功率：，蝸桿類型：阿基米德蝸桿(ZA型)，蝸桿轉速n1：145r/min， 蝸輪轉速n2：10r/min ，使用壽命：8000小時， 理論傳動比：， 蝸桿頭數(shù)z1：2， 蝸輪齒數(shù)z2：29， 實際傳動比i：。蝸桿材料：45蝸桿熱處理類型：淬火 蝸輪材料：ZCuSn10P1蝸輪鑄造方法：離心鑄造疲勞接觸強度最小安全系數(shù)SHmin： 彎曲疲勞強度最小安全系數(shù)SFmin： 轉速系數(shù)Zn： 壽命系數(shù)Zh： 材料彈性系數(shù)Ze：147N^蝸輪材料接觸疲勞極限應力σHlim：425N/mm^2蝸輪材料許用接觸應力[σH]：^2蝸輪材料彎曲疲勞極限應力σFlim：190N/mm^2蝸輪材料許用彎曲應力[σF]：^2蝸輪材料強度計算輪軸轉矩T2: 蝸輪軸接觸強度要求:m^2d1≥^3 模數(shù)m:2mm 蝸桿分度圓直徑d1:蝸輪材料強度校核：蝸輪使用環(huán)境：平穩(wěn) 蝸輪載荷分布情況：平穩(wěn)載荷 蝸輪使用系數(shù)Ka：1 蝸輪動載系數(shù)Kv：1 蝸輪動載系數(shù)Kv：1 導程角系數(shù)Yβ： 蝸輪齒面接觸強度σH:^2，通過接觸強度驗算！蝸輪齒根彎曲強度σF:^2，通過彎曲強度計算。幾何尺寸計算結果：實際中心距a：，齒根高系數(shù)ha*:1，齒根高系數(shù)c*:，蝸桿分度圓直徑d1：，蝸桿齒頂圓直徑da1：，蝸桿齒根圓直徑df1：，蝸輪分度圓直徑d2：58mm，蝸輪變位系數(shù)x2：0，法面模數(shù)mn：，蝸輪喉圓直徑da2：62mm， 蝸輪齒根圓直徑df2：，蝸輪齒頂圓弧半徑Ra2：，蝸輪齒根圓弧半徑Rf2：，蝸輪頂圓直徑de2：63mm，蝸桿導程角γ：，軸向齒形角αx：20176。，法向齒形角αn：176。，蝸桿軸向齒厚sx1：，蝸桿法向齒厚sn1：，蝸桿分度圓齒厚s2：， 蝸桿螺紋長b1≥：，蝸輪齒寬b2≤： ，齒面滑動速度vs：。[5] 蝸輪工作圖如圖45蝸輪工作示意圖所示圖45 蝸輪工作示意圖第5章 殼體的設計大臂和小臂的外殼是支承整個傳動系統(tǒng)的框架，采用鑄鋁材料，質量輕，剛度大，大臂的底板厚度為20mm，外框體結構的厚度為12mm。小臂的外框結構的厚度為12mm，電機座的后蓋厚度為6mm。大臂的前后蓋板和小臂的蓋板材料為鋁。厚度取2mm。其他部分的具體尺寸由結構定。 箱盒的設計機身內部是一個山字形的箱盒，易于安裝零件。并在右側箱壁上設有四個孔與機身法蘭連接具體如下圖51，52所示。 圖51 箱盒主視圖 圖52 箱盒俯視圖 肩部連接板肩部連接板用于連接機身內部出來的軸套并固定和支撐肩部外展軸。其示意圖如圖53,54所示。 圖53連接板主視圖 圖54連接板俯視圖 聯(lián)軸器的選用本設計中采用兩種不同型號的波紋管聯(lián)軸器：大臂傳動軸與電機軸之間采用DKN 8/8，手抓部分采用AKD18 1216。柔性聯(lián)軸器的特點是圓周方向剛度大而軸向，彎曲方向柔度較大，既能起到可靠的傳動又適合調整和補償軸之間的偏差。如圖55波紋管聯(lián)軸器所示。圖55 波紋管聯(lián)軸器第六章 控制部分設計手臂控制系統(tǒng)是機器人實現(xiàn)舞蹈動作的核心部分，決定了機器人動作功能的實現(xiàn)和性能優(yōu)劣?？刂葡到y(tǒng)接收上位機的輸入命令，對命令進行識別后執(zhí)行相應的動作，也就是控制各個關節(jié)實現(xiàn)其預期的關節(jié)軌跡，從而形成連貫的動作。對于本機器人項目，采用易于實現(xiàn)、成本不高的單片機系統(tǒng)來搭建控制平臺是合適的?？刂葡到y(tǒng)的硬件平臺由單片機控制板和電機驅動板組成。在進行硬件電路的具體設計之前，必須先確定控制系統(tǒng)的總體方案。 控制方案概述計算機控制系統(tǒng)是機器人的核心部分，它決定著控制性能的優(yōu)劣，也決定著機器人使用的靈活程度。當今的機器人計算機控制系統(tǒng)有三種結構：集中控制、主從控制和分布式控制。集中控制方式即單CPU結構，全部控制功能由一臺功能較強的計算機實現(xiàn)，計算負擔較重，故這種方式的速度較慢。早期的機器人以及一些較簡單的機器人常采用這種結構。主從控制方式即二級CPU結構，其一級CPU為主機，擔當系統(tǒng)管理，完成機器人語言編譯和人機接口功能，同時也利用它的運算能力完成坐標變換、軌跡插補，并定時地把運算結果作為關節(jié)運動的增量送到公用內存，供二級CPU完成全部關節(jié)位置數(shù)字控制。這類系統(tǒng)的兩個CPU總線之間基本沒有聯(lián)系，僅通過公用內存交換數(shù)據(jù)，是一個松耦合的關系。分級控制方式，即多CPU結構。目前普遍采用這種上、下位機的二級分布結構。上位機負責整個系統(tǒng)管理以及運動學計算、軌跡規(guī)劃等。下位機由多CPU控制一個關節(jié)運動，這些CPU分工明確。只需承擔固定任務，負擔較輕，實時性較好，使控制系統(tǒng)的工作速度和控制性能明顯提高。且結構相對開放，易于擴展。目前，世界上大多數(shù)商品化機器人控制器都采用這種結構。本項目中，機器人手臂需要滿足機構簡單巧妙、控制系統(tǒng)復雜度低、實時性好的要求。因此，我們選擇了單CPU結構的集中控制方式作為機器人的控制方式?？刂葡到y(tǒng)的結構框如圖61。由于此機器人的動作事先已規(guī)劃好，每個動作相應的關節(jié)軌跡已經(jīng)計算出來并存入程序的數(shù)據(jù)表，使用時只需查詢表格即可，勿需動態(tài)計算軌跡，所以機器人手臂的任務規(guī)劃工作很輕。機器人手臂控制器負擔最重的工作是按照動作規(guī)劃的要求控制眾多的電機，實現(xiàn)事先確定的關節(jié)軌跡，從而實現(xiàn)各種動作功能。[6] 驅動器Cpu核心 控制 機械系統(tǒng)執(zhí)行單元 編碼器 圖61 控制系統(tǒng)結構框圖 手臂硬件需求分析在考慮總體控制方案的時候，首先要明確系統(tǒng)的所有輸入和輸出情況，以便考慮系統(tǒng)接口如何配置，需要哪些接口資源。然后根據(jù)系統(tǒng)對速度、實時性等方面的要求和機器人手臂多關節(jié)同時運動的特點，選擇合適的單片機和控制結構。機器人手臂部采用兩相直流電機作為動力，關節(jié)位置反饋采用編碼器作為位置編碼器?，F(xiàn)有的驅動電路內雖然有簡單的速度閉環(huán)，但是其速度閉環(huán)還不能滿足要求。機器人手臂的控制首要任務就是主要控制電路于電機驅動電路接口，完成電機轉動角度位置閉環(huán)控制。各個電機都要在機器人手臂控制系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮下協(xié)調運動。編碼器的作用就是返回關節(jié)自由度日前的位置和速度狀態(tài)[4]。機器人每條胳膊上部位：肩關節(jié)、大臂、小臂、腕關節(jié)，每個部位由一個電機帶動，腕關節(jié)上的一個自由度由舵機帶動，這樣每條胳膊上有四個電機和一個舵機。機器人為真人大小的機器人，所有的電機、傳動機構、電路板等都必須安裝到機器人體內。臂部電機及電機驅動電路按照總體空間規(guī)劃只能直接安裝到機器人的胳膊內，然而機器人胳膊的物理尺寸與170cm左右高的成年人的胳膊尺寸相當，去除電機及傳動機構占用的空間后，留給控制電路及驅動電路的空間極為有限，而且還要保證在胳膊內安裝電路板后還有足夠的空間給電源線及信號線。因此機器人臂部電路設計要遵循如下原則：在保證性能的同時，盡量減小電路板的面積，盡量減小空間布線難度。每個電機的控制都需要多條信號線，必須要考慮節(jié)約空間又可以減少布線。 控制系統(tǒng)結構機器人手臂控制系統(tǒng)以PICl6F76單片機為核心，由外部輸入、并口擴展、電機驅動、電位器位置反饋檢測等單元電路構成。單片機接受由外部輸入傳來的控制命令，從數(shù)據(jù)表格中依次取出關節(jié)目標數(shù)據(jù)，進行電機控制，完成命令規(guī)定的動作。若在動作朗間接收到新的命令，則在完成動作之后再執(zhí)行新的命令。關節(jié)位置由連接在關節(jié)軸上的編碼器取得．經(jīng)放大電路送入單片機AD轉換接口，作為電機控制反饋信號。[12]單片機上位機編碼器5直流電機5編碼器6直流電機6直流電機7編碼器7直流電機8編碼器8驅動電路編碼器1直流電機1編碼器2直流電機2直流電機3編碼器3直流電機4編碼器4驅動電路腰部電機舵機1舵機2零位開關 2…9圖62 機器人手臂控制系統(tǒng) 控制芯片及I/O接口芯片的選型設控制系統(tǒng)的CPU為英特爾公司的8051單片機，擴展8255A芯片作為回轉刀架的收信與發(fā)信控制芯片。 8051單片機介紹8051單片機的片內結構如圖63所示。8051單片機是把那些作為控制應用所必須的基本內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RAM（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單一總線連接而成， 如圖63所示。圖63中各功能部件的功能如下：（1）CPU微處理器 8051