【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 檢查項(xiàng)目參數(shù)齒輪1齒距累積公差 Fp1=　齒輪1齒圈徑向跳動(dòng)公差 Fr1=齒輪1公法線長(zhǎng)度變動(dòng)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(dòng)公差 Fr2=齒輪2公法線長(zhǎng)度變動(dòng)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(qiáng)度校核數(shù)據(jù)齒輪1接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 σHlim1=(MPa)　齒輪1抗彎疲勞基本值 σFE1=(MPa)　齒輪1接觸疲勞強(qiáng)度許用值 [σH]1=(MPa)　齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度許用值 [σF]1=(MPa)　　齒輪2接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 σHlim2=(MPa)　齒輪2抗彎疲勞基本值 σFE2=(MPa)　齒輪2接觸疲勞強(qiáng)度許用值 [σH]2=(MPa)　　齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度許用值 [σF]2=(MPa)　接觸強(qiáng)度用安全系數(shù) SHmin=　彎曲強(qiáng)度用安全系數(shù) SFmin=　接觸強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 σH=(MPa)　接觸疲勞強(qiáng)度校核 σH[σH]=不滿足　齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 σF1=(MPa)　齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 σF2=(MPa)齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度校核 σF1≤[σF]1=滿足齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度校核 σF2≤[σF]2=滿足 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)校核用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（軟件版） 中的普通圓柱蝸桿傳動(dòng)計(jì)算設(shè)計(jì)程序，設(shè)計(jì)結(jié)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(zhuǎn)速n1：145r/min， 蝸輪轉(zhuǎn)速n2：10r/min ，使用壽命：8000小時(shí)， 理論傳動(dòng)比：， 蝸桿頭數(shù)z1：2， 蝸輪齒數(shù)z2：29， 實(shí)際傳動(dòng)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(qiáng)度最小安全系數(shù)SHmin： 彎曲疲勞強(qiáng)度最小安全系數(shù)SFmin： 轉(zhuǎn)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(yīng)力σHlim：425N/mm^2蝸輪材料許用接觸應(yīng)力[σH]：^2蝸輪材料彎曲疲勞極限應(yīng)力σFlim：190N/mm^2蝸輪材料許用彎曲應(yīng)力[σF]：^2蝸輪材料強(qiáng)度計(jì)算輪軸轉(zhuǎn)矩T2: 蝸輪軸接觸強(qiáng)度要求:m^2d1≥^3 模數(shù)m:2mm 蝸桿分度圓直徑d1:蝸輪材料強(qiáng)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(dòng)載系數(shù)Kv：1 蝸輪動(dòng)載系數(shù)Kv：1 導(dǎo)程角系數(shù)Yβ： 蝸輪齒面接觸強(qiáng)度σH:^2，通過接觸強(qiáng)度驗(yàn)算！蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度σF:^2，通過彎曲強(qiáng)度計(jì)算。幾何尺寸計(jì)算結(jié)果：實(shí)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(dǎo)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(zhǎng)b1≥：，蝸輪齒寬b2≤： ，齒面滑動(dòng)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(shè)計(jì)大臂和小臂的外殼是支承整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的框架，采用鑄鋁材料，質(zhì)量輕，剛度大，大臂的底板厚度為20mm，外框體結(jié)構(gòu)的厚度為12mm。小臂的外框結(jié)構(gòu)的厚度為12mm，電機(jī)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(jié)構(gòu)定。 箱盒的設(shè)計(jì)機(jī)身內(nèi)部是一個(gè)山字形的箱盒，易于安裝零件。并在右側(cè)箱壁上設(shè)有四個(gè)孔與機(jī)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(jī)身內(nèi)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(shè)計(jì)中采用兩種不同型號(hào)的波紋管聯(lián)軸器：大臂傳動(dòng)軸與電機(jī)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(diǎn)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(dòng)又適合調(diào)整和補(bǔ)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(shè)計(jì)手臂控制系統(tǒng)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)舞蹈動(dòng)作的核心部分，決定了機(jī)器人動(dòng)作功能的實(shí)現(xiàn)和性能優(yōu)劣?？刂葡到y(tǒng)接收上位機(jī)的輸入命令，對(duì)命令進(jìn)行識(shí)別后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，也就是控制各個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的關(guān)節(jié)軌跡，從而形成連貫的動(dòng)作。對(duì)于本機(jī)器人項(xiàng)目，采用易于實(shí)現(xiàn)、成本不高的單片機(jī)系統(tǒng)來搭建控制平臺(tái)是合適的?？刂葡到y(tǒng)的硬件平臺(tái)由單片機(jī)控制板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板組成。在進(jìn)行硬件電路的具體設(shè)計(jì)之前，必須先確定控制系統(tǒng)的總體方案。 控制方案概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是機(jī)器人的核心部分，它決定著控制性能的優(yōu)劣，也決定著機(jī)器人使用的靈活程度。當(dāng)今的機(jī)器人計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)：集中控制、主從控制和分布式控制。集中控制方式即單CPU結(jié)構(gòu)，全部控制功能由一臺(tái)功能較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算負(fù)擔(dān)較重，故這種方式的速度較慢。早期的機(jī)器人以及一些較簡(jiǎn)單的機(jī)器人常采用這種結(jié)構(gòu)。主從控制方式即二級(jí)CPU結(jié)構(gòu)，其一級(jí)CPU為主機(jī)，擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理，完成機(jī)器人語言編譯和人機(jī)接口功能，同時(shí)也利用它的運(yùn)算能力完成坐標(biāo)變換、軌跡插補(bǔ)，并定時(shí)地把運(yùn)算結(jié)果作為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的增量送到公用內(nèi)存，供二級(jí)CPU完成全部關(guān)節(jié)位置數(shù)字控制。這類系統(tǒng)的兩個(gè)CPU總線之間基本沒有聯(lián)系，僅通過公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，是一個(gè)松耦合的關(guān)系。分級(jí)控制方式，即多CPU結(jié)構(gòu)。目前普遍采用這種上、下位機(jī)的二級(jí)分布結(jié)構(gòu)。上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管理以及運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃等。下位機(jī)由多CPU控制一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，這些CPU分工明確。只需承擔(dān)固定任務(wù)，負(fù)擔(dān)較輕，實(shí)時(shí)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(jié)構(gòu)相對(duì)開放，易于擴(kuò)展。目前，世界上大多數(shù)商品化機(jī)器人控制器都采用這種結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目中，機(jī)器人手臂需要滿足機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單巧妙、控制系統(tǒng)復(fù)雜度低、實(shí)時(shí)性好的要求。因此，我們選擇了單CPU結(jié)構(gòu)的集中控制方式作為機(jī)器人的控制方式?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框如圖61。由于此機(jī)器人的動(dòng)作事先已規(guī)劃好，每個(gè)動(dòng)作相應(yīng)的關(guān)節(jié)軌跡已經(jīng)計(jì)算出來并存入程序的數(shù)據(jù)表，使用時(shí)只需查詢表格即可，勿需動(dòng)態(tài)計(jì)算軌跡，所以機(jī)器人手臂的任務(wù)規(guī)劃工作很輕。機(jī)器人手臂控制器負(fù)擔(dān)最重的工作是按照動(dòng)作規(guī)劃的要求控制眾多的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)事先確定的關(guān)節(jié)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作功能。[6] 驅(qū)動(dòng)器Cpu核心 控制 機(jī)械系統(tǒng)執(zhí)行單元 編碼器 圖61 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 手臂硬件需求分析在考慮總體控制方案的時(shí)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(duì)速度、實(shí)時(shí)性等方面的要求和機(jī)器人手臂多關(guān)節(jié)同時(shí)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，選擇合適的單片機(jī)和控制結(jié)構(gòu)。機(jī)器人手臂部采用兩相直流電機(jī)作為動(dòng)力，關(guān)節(jié)位置反饋采用編碼器作為位置編碼器?，F(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)雖然有簡(jiǎn)單的速度閉環(huán)，但是其速度閉環(huán)還不能滿足要求。機(jī)器人手臂的控制首要任務(wù)就是主要控制電路于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接口，完成電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度位置閉環(huán)控制。各個(gè)電機(jī)都要在機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮下協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。編碼器的作用就是返回關(guān)節(jié)自由度日前的位置和速度狀態(tài)[4]。機(jī)器人每條胳膊上部位：肩關(guān)節(jié)、大臂、小臂、腕關(guān)節(jié)，每個(gè)部位由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)，腕關(guān)節(jié)上的一個(gè)自由度由舵機(jī)帶動(dòng)，這樣每條胳膊上有四個(gè)電機(jī)和一個(gè)舵機(jī)。機(jī)器人為真人大小的機(jī)器人，所有的電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電路板等都必須安裝到機(jī)器人體內(nèi)。臂部電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路按照總體空間規(guī)劃只能直接安裝到機(jī)器人的胳膊內(nèi)，然而機(jī)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(dāng)，去除電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)占用的空間后，留給控制電路及驅(qū)動(dòng)電路的空間極為有限，而且還要保證在胳膊內(nèi)安裝電路板后還有足夠的空間給電源線及信號(hào)線。因此機(jī)器人臂部電路設(shè)計(jì)要遵循如下原則：在保證性能的同時(shí)，盡量減小電路板的面積，盡量減小空間布線難度。每個(gè)電機(jī)的控制都需要多條信號(hào)線，必須要考慮節(jié)約空間又可以減少布線。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)以PICl6F76單片機(jī)為核心，由外部輸入、并口擴(kuò)展、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電位器位置反饋檢測(cè)等單元電路構(gòu)成。單片機(jī)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(guān)節(jié)目標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行電機(jī)控制，完成命令規(guī)定的動(dòng)作。若在動(dòng)作朗間接收到新的命令，則在完成動(dòng)作之后再執(zhí)行新的命令。關(guān)節(jié)位置由連接在關(guān)節(jié)軸上的編碼器取得．經(jīng)放大電路送入單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換接口，作為電機(jī)控制反饋信號(hào)。[12]單片機(jī)上位機(jī)編碼器5直流電機(jī)5編碼器6直流電機(jī)6直流電機(jī)7編碼器7直流電機(jī)8編碼器8驅(qū)動(dòng)電路編碼器1直流電機(jī)1編碼器2直流電機(jī)2直流電機(jī)3編碼器3直流電機(jī)4編碼器4驅(qū)動(dòng)電路腰部電機(jī)舵機(jī)1舵機(jī)2零位開關(guān) 2…9圖62 機(jī)器人手臂控制系統(tǒng) 控制芯片及I/O接口芯片的選型設(shè)控制系統(tǒng)的CPU為英特爾公司的8051單片機(jī)，擴(kuò)展8255A芯片作為回轉(zhuǎn)刀架的收信與發(fā)信控制芯片。 8051單片機(jī)介紹8051單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖63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(gè)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(chǔ)器RAM（3） 程序存儲(chǔ)器ROM/EPROM（4） 4個(gè)8位并行I/O口（P0口P1口P2口P3口）（5） 1個(gè)串行口（6） 2個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)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63所示。圖63中各功能部件的功能如下：（1）CPU微處理器 8051