【文章內(nèi)容簡介】 出時沿著齒寬同時進行，高速容易產(chǎn)生沖擊，振動和噪音。 圓柱斜齒輪除可用于平行中傳動，還可用于交叉軸傳動（螺旋齒輪機構(gòu)）其特點：重合系數(shù)大，傳動平穩(wěn)，齒輪強度高，適于重負(fù)載，相比直齒而言：斜齒有軸向力，價格太貴。錐齒輪具有傳動平穩(wěn)、噪聲小及承載能力大等特點,用于高速重載的場合。但是傳動需成一定角度。直齒輪雖然有重多缺點，但由于電機轉(zhuǎn)速不大，所以噪音、震動都不明顯，而且直齒輪在價格上的優(yōu)勢非常明顯，本文最終決定使用直齒輪進行傳動！ 編碼器的選擇編碼器[7]（encoder）是將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。編碼器常用的有絕對式和增量式兩種。1． 絕對式編碼器（Absoluteencoder）絕對編碼器由機械位置決定的每個位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。 由于絕對編碼器在位置定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。2．增量式編碼器（Incrementalencoder）增量編碼器是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換為一連串?dāng)?shù)字脈沖信號的旋轉(zhuǎn)式傳感器。增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，有相應(yīng)的脈沖輸出，其計數(shù)起點任意設(shè)定，可實現(xiàn)多圈無限累加和測量。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。需要提高分辨率時，可利用 90 度相位差的 A、B 兩路信號進行倍頻或更換高分辨率編碼器。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。 測速度需要可以無限累加測量，目前增量型編碼器在測速應(yīng)用方面仍處于無可取代的主流位置。 考慮到編碼器將應(yīng)用在移動機器人上，本文決定選擇增量式光電編碼器。如圖21所示：圖21 光電編碼器 超聲波移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計方案機器人的控制系統(tǒng)是智能機器人的關(guān)鍵，相當(dāng)于人類的大腦，而現(xiàn)在比較流行的控制器主要有PLC和單片機。PLC和單片機都可以作為機器人的控制系統(tǒng)。PLC ( Programmable logic Controller)，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，由CPU、儲存器、電源構(gòu)成。單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。PLC和單片機雖然都是控制器，廣泛的應(yīng)用在控制系統(tǒng)中，但是它們依然具有不同，他們的區(qū)別為： ，普遍的應(yīng)用，廠礦車間，各種中大型生產(chǎn)設(shè)備的自動控制。具體包括礦山，煉鋼，機床，生產(chǎn)加工等等，應(yīng)用廣泛。大部分用在較大型的設(shè)備上。因為其價格較高，一般都是附加值較高的自動控制系統(tǒng)才會考慮。PLC的特點：可靠性高，抗干擾能力強；硬件配套齊全，功能完善，適用性強；易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎；系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量小，維護方便，容易改造；體積小，重量輕，能耗低。，目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。單片機的特點：單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件，同時單片機的成本比PLC略微低廉，綜合考慮我們決定選擇單片機控制！單片機有8位，16位，32位等，這里的位指單片機CPU每次處理能力,8位是指單片機一次可以計算8位數(shù)據(jù),16位是指單片機一次可以計算16位數(shù)據(jù),依次類推，在此次設(shè)計中用8位單片機完全可以完成對機器人的控制，另考慮經(jīng)濟等方面，我們決定選擇8位單片機. 移動機器人傳感器設(shè)計方案傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。它相當(dāng)于移動機器人的感覺器官，把探知的信息傳遞給其他裝置。測距傳感器主要有紅外測距傳感器、激光測距傳感器、超聲波傳感器等紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠(yuǎn)近的檢測。它的優(yōu)點是便宜，易制，安全，缺點是精度低，方向性差，距離近，傳感器檢測距離3cm30cm之間。移動機器人需要對信號進行處理，要有一段緩沖時間，而紅外測距傳感器很難滿足。所以紅外測距傳感器不適合應(yīng)用在本文中。激光測距傳感器利用激光技術(shù)進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，的優(yōu)點是能實現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。缺點是需要注意人體安全，且制做的難度較大，成本較高，而且光學(xué)系統(tǒng)需要保持干凈，否則將影響測量。 超聲波測距的優(yōu)點是比較耐臟污，即使傳感器上有塵土，只要沒有堵死就可以測量，可以在較差的環(huán)境中使用，所以倒車?yán)走_(dá)多半使用超聲波，缺點是精度較低。綜合考慮，我們選擇超聲波傳感器。超聲波傳感器的選擇：單個超聲波傳感器，可是使機器人的結(jié)果和編程簡單，但不利于機器人的靈活性。超聲波傳感器具有一定的擴散特性，發(fā)射的超聲能量主要集中在主波瓣上，沿著主波軸兩側(cè)呈波浪型衰減，左右約30176。的擴散角。因此，我們決定選擇由16個超聲波傳感器組成的超聲波環(huán)，等角度分布。為了讓結(jié)構(gòu)及其編程簡單，我們將選擇超聲波發(fā)射與接收一起的超聲波傳感器。超聲波環(huán)避免了機器人經(jīng)常轉(zhuǎn)身，節(jié)省了時間，提高了機器人的靈活性。我們決定選擇超聲波環(huán)，超聲波傳感器是收發(fā)一體型的EFR40RSC，它性價比高，體積小( Ф l6 m m) ， 工作頻率4 0 k H z ，使用溫度 4 0～+80℃ ， 防塵、 防水， 測距范圍 0 ．2～ 5 m。整個超聲波環(huán)由 1 6個超聲波傳感器組成。為了避免相鄰超聲波傳感器問的信號干擾問題， 本系統(tǒng)采用了分組循環(huán)發(fā)射， 即循環(huán)交錯啟動的方法，并考慮到移動機器人對超聲波傳感器探測時間的限制 ( 時延 0 .1S ) ， 將超聲波傳感器以2個一組的方式進行循環(huán)探測， 發(fā)射時序如圖 22所示。圖22 多超聲波循環(huán)發(fā)射時序圖3 超聲波移動機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 電動機的確定從機器人是實際運動出發(fā)考慮，機器人的速度不能太快，否則會造成控制部分來不及處理和發(fā)送信號，電機不能及時做出反應(yīng)，從而使機器人在行進的過程中無法做出相應(yīng)的動作。因此，機器人的移動速度暫定為V=因此機器人在行進過程中遇到障礙物時需要用機械手搬運障礙物，所以機器人的最大載重量為40kg。由于是橡膠輪在地面上滾動，摩擦因數(shù)會比較大，所以暫定181。=機器人克服的摩擦力：F摩=181。mg=*40*=通過網(wǎng)上查找,電機的效率大約為80％,所以機器人電機克服摩擦力的功率P=FV =* =機器人的兩輪是獨立驅(qū)動，另外考慮到啟動加速、上下坡和轉(zhuǎn)彎等自然因素，因此每個步進電機的功率定位為35W。經(jīng)過計算分析，確定電機參數(shù)如下：參數(shù)名稱參數(shù)數(shù)值輸出功率35W額定電壓24V額定電流轉(zhuǎn)速720n/m轉(zhuǎn)矩*M 減速器的確定 減速箱齒輪的確定， m/s。機器人電機輸出轉(zhuǎn)速為720n/m，車輪的轉(zhuǎn)速為60n/m。所以總傳動比i總為：i總=720n/m：60n/m=12本文采用兩級圓柱齒輪減速器進行減速，綜合考慮，本文決定用分流式（結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但由于齒輪相對于軸承對稱布置，與展開式相比載荷沿齒寬分布均勻，軸承受載較均勻。中間軸危險截面上的轉(zhuǎn)矩只相當(dāng)于軸所傳遞轉(zhuǎn)矩的一半。適用于變載荷的場合。高速級一般用斜齒，低速級可用直齒或人字齒）。減速箱[8]輸出扭矩為:T = 9550W/niη = 95501292%= N*M其中：W是指步進電機功率； n是指步進電機轉(zhuǎn)速； i是傳動比； η是步進電機的機械效率通過查找資料,確定減速箱第一級模數(shù)m1=,傳動比i1=3,小齒輪[9]齒數(shù)25,大齒輪齒數(shù)75。第二級模數(shù)m2=,傳動比i2=4,小齒輪齒數(shù)20,大齒輪齒數(shù)80.模數(shù):m 齒數(shù):z 壓力角α=20176。 第一級齒輪第二級齒輪名稱符號計算公式小齒輪大齒輪小齒輪大齒輪齒寬b19152218齒距pp=π m齒頂高h(yuǎn)aha=m齒根高h(yuǎn)fhf=11齒高h(yuǎn)h=分度圓直徑dd=mz15451664齒頂圓直徑dada=m(z+2)齒根圓直徑dfdf=m()1462中心距aa=(z1+z2)3040 齒輪箱軸的確定軸[10]是減速器的主要零件之一，軸的結(jié)構(gòu)決定軸上零件的位置和有關(guān)尺寸。按彎扭合成強度條件初步計算軸的各段直徑，軸計算載面的直徑為式中:M—軸計算載面上的彎矩，Nmm。 T—軸計算載面上的轉(zhuǎn)矩，Nmm。a—將轉(zhuǎn)矩折合成當(dāng)量彎矩的折算系數(shù)，若扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力按脈動循環(huán)變化時，；[σ]—軸材料的許多彎曲應(yīng)力，MPa。當(dāng)所在計算載面軸段開有鍵槽時，由上式算得的直徑應(yīng)增大3%～5%（開一個鍵槽）或7%～10%（開兩個鍵槽），然后圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑.通過如果減速器輸入軸通過聯(lián)軸器與電動機軸相聯(lián)接，則外伸段軸徑與電動機軸徑不得相差很大，否則難以選擇合適的聯(lián)軸器，也就是說，減速器輸入軸軸端直徑和電動機軸直徑必須在所選取聯(lián)軸器轂孔最大與最小直徑允許范圍內(nèi)。為此，可取減速器輸入軸軸端直徑:式中:—減速器輸入軸軸端直徑，mm；　　　　 —電動機軸直徑，mm。減速器傳動中心距為已知，可取減速器從動軸危險截面直徑式中:—減速器從動軸危險截面直徑，mm；　　 —該級傳動的中心距，mm。綜合實際情況，最后選擇軸1最小軸徑5mm，軸2最小軸徑7mm，軸3最小軸徑10mm。 齒輪箱軸承的確定將運轉(zhuǎn)的軸與軸座之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密的機械元件，叫滾動軸承[11]（rolling bearing）。滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。　　內(nèi)圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉(zhuǎn)；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動體是借助于保持架均勻的將滾動體分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀大小和數(shù)量直接影響著滾動軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動體均勻分布，防止?jié)L動體脫落，引導(dǎo)滾動體旋轉(zhuǎn)起潤滑作用。如圖31：圖31球軸承適于承受輕載荷，滾子軸承適于承受重載荷及沖擊載荷。當(dāng)滾動軸承受純軸向載荷時，一般選用推力軸承；當(dāng)滾動軸承受純徑向載荷時，一般選用深溝球軸承或短圓柱滾子軸承；當(dāng)滾動軸承受純徑向載荷的同時，還有不大的軸向載荷時，可選用深溝球軸承、角接觸球軸承、圓錐滾子軸承及調(diào)心球或調(diào)心滾子軸承；當(dāng)軸向載荷較大時，可選用接觸角較大的角接觸球軸承及圓錐滾子軸承，或者選用向心軸承和推力軸承組合在一起，這在極高軸向載荷或特別要求有較大軸向剛性時尤為適宜。根據(jù)機器人的要求及經(jīng)濟實惠的原則，我們決定選擇深溝球軸承. 減速箱其他結(jié)構(gòu)的確定鍵聯(lián)接[12]（key joint）用鍵將軸與帶轂零件聯(lián)成一體的可拆聯(lián)接，是軸與齒輪或軸與帶輪之間常用的聯(lián)接方式。鍵是標(biāo)準(zhǔn)件，安放在軸與輪轂的鍵槽中，分為平鍵、半圓鍵和斜鍵3類。平鍵聯(lián)接：具備松鍵聯(lián)接的