【正文】 7 c)輸入軸鍵的強(qiáng)度校核鍵的型號 圓頭普通平鍵（A型），b=8,h=7,L=40 小于。 (354)鍵的強(qiáng)度滿足條件。⑹ 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)①鏈輪的設(shè)計(jì)減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速為 傳遞的功率為 1) 選擇鏈輪齒數(shù)和 小鏈輪齒數(shù) 大鏈輪齒數(shù)2) 確定鏈節(jié)數(shù) 初取中心距，則鏈節(jié)數(shù)為 (355)取3) 確定鏈節(jié)距 載荷系數(shù) 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》 得小鏈輪齒數(shù)系數(shù) 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》，估計(jì)為鏈板疲勞則 多排鏈系數(shù) 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》，得 鏈長系數(shù) 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖513，得由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式59 (356) 根據(jù)小鏈輪轉(zhuǎn)速和，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖512，確定鏈條型號為16A， 4) 鏈條長度 5) 確定中心距 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式512知， (357)6) 驗(yàn)算鏈速，其主要失效形式是鏈條的靜力拉斷，故應(yīng)進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。7) 計(jì)算壓軸力 鏈條工作拉力 壓軸力系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式513 8）靜強(qiáng)度校核 大于8滿足靜強(qiáng)度條件。②鏈輪的尺寸選用三圓弧一直線齒形，這種齒形與滾子嚙合時(shí)的接觸應(yīng)力小，且作用角隨齒數(shù)增大而增大，嚙合性能好。根據(jù)GB/T 12431997主要尺寸如下：分度圓直徑： 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑： 擺臂方案的具體設(shè)計(jì)⑴ 擺臂軸的設(shè)計(jì) 圖 39 擺臂軸① 計(jì)算作用在軸上的力 對輪子的支撐力 鏈輪的轉(zhuǎn)矩 鏈輪的軸壓力 ② 初步估算州的直徑選取45號鋼作為軸的材料，調(diào)質(zhì)處理。由式82 計(jì)算軸的最小直徑并加大3%一考慮鍵槽的影響 取則 。③ 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) a)確定軸的結(jié)構(gòu)方案右端的光軸上安裝兩個(gè)軸承與空心齒輪軸形成相互獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)。左端的軸承考軸肩定位。右端軸承與它之間用定位軸套使軸承右端面得以定位。鏈輪軸承和鏈輪都從軸的右端裝入，鏈輪左側(cè)面靠軸肩定位。左端的鏈輪和支撐軸承從左邊裝入，軸承的有端面靠軸肩定位。鏈輪左右端面均靠定位軸肩定位。軸的結(jié)構(gòu)如圖39所示。 b)確定各軸端的直徑和長度 第一段 根據(jù)圓整（按GB501485）,并考慮到鏈輪的安裝和在長車體寬度上與后輪的統(tǒng)一，取軸的直徑為40mm,長度為135mm。第二段 為了便于軸承拆卸，應(yīng)大于且符合標(biāo)準(zhǔn)軸承內(nèi)徑，同時(shí)考慮定位軸套的定位。查GB/T27694,暫選深溝球軸承型號為6210，其寬度B=20mm。軸承的潤滑方式選擇：選擇脂潤滑。取。 第三段 裝配軸承，與第二段相似，查GB/T27694,暫選深溝球軸承型號為6210，其寬度B=20mm。取。 第四段 為了便于裝拆軸承內(nèi)圈，小于。同時(shí)考慮擺臂寬度的需要，取。 第五段 這個(gè)軸端安裝鏈輪，為了鏈輪軸向的定位小于，取軸肩高度為5mm,取。 第六段 這個(gè)軸端安裝擺臂軸承，為了軸承軸向的定位小于，, 查GB/T27694,暫選深溝球軸承型號為6205，其寬度B=9mm。取。 第七段 這個(gè)軸端安裝空心齒輪軸軸承，為了軸承軸向的定位小于，, 查GB/T27694,暫選深溝球軸承型號為6004，其寬度B=12mm。取。④ 繪制軸的彎矩圖和扭矩圖a) 求軸承反力H水平面 ， V垂直面 ， b) 求軸承中點(diǎn)處彎矩H水平面 ， V垂直面 合成彎矩 , , 扭矩 T 彎矩圖、扭矩圖見圖310。⑤ 按扭矩合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度當(dāng)量彎矩：取折合系數(shù)，軸承中點(diǎn)處當(dāng)量彎矩當(dāng)量彎矩圖見圖310。軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理。由式84得軸的計(jì)算應(yīng)力為： (358) (359) (360)該軸滿足強(qiáng)度要求。圖　310彎矩圖、扭矩圖、當(dāng)量彎矩圖⑵ 擺臂前輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 擺臂前輪的設(shè)計(jì)中運(yùn)用了兩個(gè)過盈配合達(dá)到鏈輪與軸承、軸承與軸的連接。具結(jié)構(gòu)如圖311所示。圖 311 擺臂前輪設(shè)計(jì)圖⑶ 空心齒輪軸的設(shè)計(jì)空心齒輪軸通過螺栓與擺臂連接，這樣由電動(dòng)機(jī)直接進(jìn)過齒輪軸后把動(dòng)力傳遞到擺臂。齒輪軸的具體結(jié)構(gòu)如圖3 12所示。圖 312 空心齒輪軸 本章小結(jié)本章介紹了煤礦救援機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)機(jī)械部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)。在對機(jī)器人的功率估計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的主傳動(dòng)系統(tǒng)、擺臂擺臂傳動(dòng)系統(tǒng)。主傳動(dòng)系統(tǒng)主要是：從電機(jī)進(jìn)過一級圓柱齒輪減速再到行星輪減速器后進(jìn)鏈輪傳動(dòng)到達(dá)機(jī)器人的輪子。擺臂傳動(dòng)系統(tǒng)主要是：從電機(jī)進(jìn)過一圓柱齒輪減速到空心齒輪軸后再到電機(jī)。整個(gè)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，能過滿足機(jī)器人的救援的要求。4 電氣系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)煤礦救援機(jī)器人電路系統(tǒng)的硬件是控制的基礎(chǔ)，如同機(jī)器人的神經(jīng)系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)采集外界環(huán)境和自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制。合理的硬件設(shè)計(jì)可以充分發(fā)揮控制系統(tǒng)的功能，達(dá)到實(shí)時(shí)控制性能好，伺服控制精度高，能夠較好的完成控制任務(wù)。本機(jī)器人控制系統(tǒng)選用PC104嵌入式工控機(jī)為控制核心，并選用PC 104的多串口板擴(kuò)充了PC104的串口。自行設(shè)計(jì)的相關(guān)電路作為子模塊通過RS232串口與PC104嵌入式工控機(jī)相連，來組合成分布式的機(jī)器人控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，自下而上的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)的各個(gè)子功能模塊分開設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)開發(fā)的可靠性。其中自行設(shè)計(jì)的電路有數(shù)據(jù)采集單元電路、運(yùn)動(dòng)控制單元電路、編碼器解析單元電路，本章將詳細(xì)介紹這三部分的具體電路設(shè)計(jì)。 數(shù)據(jù)采集單元電路數(shù)據(jù)采集單元的作用是采集五個(gè)紅外開關(guān)、五個(gè)紅外測距傳感器，并將采集到的數(shù)據(jù)送給PC104進(jìn)行處理。 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種高精度、低功耗、可編程、低成本的A/D轉(zhuǎn)換器不斷推出，使得單片機(jī)控制系統(tǒng)的電路更加簡潔，可靠性更高。TLC2543是德州儀器公司生產(chǎn)的12位開關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有三個(gè)控制輸入端，采用簡單的3線SPI串行接口可方便地與單片機(jī)進(jìn)行連接，是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。TLC2543與外圍電路的連線簡單，三個(gè)控制輸入端為CS(片選)、輸入/輸出時(shí)鐘(I/O CLOCK)以及串行數(shù)據(jù)輸入端(DATA INPUT)。片內(nèi)的14通道多路器可以選擇11個(gè)輸入中的任何一個(gè)或3個(gè)內(nèi)部自測試電壓中的一個(gè)，采樣保持是自動(dòng)的，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC輸出變高[42]?！LC2543的主要特性如下：l 11個(gè)模擬輸入通道；l 66ksps的采樣速率；l 最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs；l SPI串行接口；l 線性度誤差最大為177。1LSB；l 低供電電流(1mA典型值)；l 掉電模式電流為4μA。 TLC2543的引腳功能說明如下：l AIN0～AIN10：模擬輸入端，由內(nèi)部多路器選擇。，驅(qū)動(dòng)源阻抗必須小于或等于50Ω；l CS：片選端，CS由高到低變化將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器，并控制和使能DATA OUT、DATA INPUT和I/O CLOCK。CS由低到高的變化將在一個(gè)設(shè)置時(shí)間內(nèi)禁止DATA INPUT和I/O CLOCK；l DATA INPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以MSB為前導(dǎo)并在I/O CLOCK的前4個(gè)上升沿移入4位地址，用來選擇下一個(gè)要轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號或測試電壓，之后I/O CLOCK將余下的幾位依次輸入；l DATA OUT：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果三態(tài)輸出端，在CS為高時(shí)，該引腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng)CS為低時(shí)，該引腳由前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的MSB值置成相應(yīng)的邏輯電平；EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸； l VCC、GND：電源正端、地；l REF＋、REF－：正、負(fù)基準(zhǔn)電壓端。通常REF＋接VCC，REF－接GND。最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差；l I/O CLOCK：時(shí)鐘輸入/輸出端。TLC2543每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送使用16個(gè)時(shí)鐘周期，且在每次傳送周期之間插入CS的時(shí)序。在TLC2543的CS變低時(shí)開始轉(zhuǎn)換和傳送過程，I/O CLOCK的前8個(gè)上升沿將8個(gè)輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時(shí)它將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余11位移出DATA OUT端，在I/O CLOCK下降沿時(shí)數(shù)據(jù)變化。當(dāng)CS為高時(shí)， I/O CLOCK和DATA INPUT被禁止，DATA OUT為高阻態(tài)。本電路采用兩片TLC2543，最多可以采集22路模擬量。89C51單片機(jī)通過選通TLC2543的片選端分時(shí)地與不同的TLC2543通信。為了便于與TLC2543接口，采用普通IO口軟件模擬SPI操作，為減少微處理器的時(shí)鐘頻率對數(shù)據(jù)傳送速的影響，盡可能選用較高時(shí)鐘頻率。圖41為 基于TLC2543 的A/D轉(zhuǎn)換電路。圖中ADC1到ADC6分別接六個(gè)紅外測距傳感器的信號線，紅外測距傳感器輸出信號為0～5V的模擬量，可以直接接TLC2543的模擬輸入端。 ADC7到ADC12分別接六個(gè)紅外開關(guān)的信號線，因?yàn)榧t外開關(guān)輸出信號為OC門式的開關(guān)量，將其轉(zhuǎn)變?yōu)?V或5V的開關(guān)量，便可以接TLC2543的模擬輸入端。，經(jīng)過圖中R7與R8分壓后，ADC13點(diǎn)電壓為0V～，可以接TLC2543的模擬輸入端。ADC14接電流分流器的信號端，電流分流器輸出信號為0～75mV的電壓模擬量，經(jīng)過TLC2543的12位AD采集后，得到數(shù)據(jù)為0～61，可以滿足電機(jī)過流檢測的需要。圖41 基于TLC2543 的A/D轉(zhuǎn)換電路 高速光耦電路設(shè)計(jì)為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，AD轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)電路通過光耦隔離。其中，TLC2543的CS引腳與單片機(jī)通過普通光耦TLP5211相連如圖41所示，而I/O CLOCK 、DATA INPUT和DATA OUT三線為SPI總線接口，工作頻率高，所以通過高速光耦6N137與89C51相連。圖42為高速光耦電路。圖42 高速光耦電路 串行通信電路設(shè)計(jì)PC104與外設(shè)通信接口為RS232接口。RS232是為早期公共電話網(wǎng)數(shù)據(jù)通信制定的標(biāo)準(zhǔn)，以+5V～+15V表示邏輯0，5V～15V表示邏輯1，與現(xiàn)有單片機(jī)接口UART邏輯電平不一致，二者之間必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。此處選用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。MAX232芯片具有兩個(gè)接收發(fā)送通道，功耗低、集成度高、+5V電壓供電，僅需外接少量阻容元件，就能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)UART電平與RS232電平的轉(zhuǎn)換。具體電路接法見圖43串行通信電路原理圖。其中，PC104發(fā)送的數(shù)據(jù)通過P1的2號針進(jìn)入MAX232芯片13腳，轉(zhuǎn)換后由12腳輸出至89C51的RXD。單片機(jī)89C51發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過TXD進(jìn)入MAX232芯片11腳，轉(zhuǎn)換后由14腳輸出到P1的1號針，發(fā)送至PC104。圖43 串行通信電路原理圖 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)本章所有自行設(shè)計(jì)的電路中單片機(jī)均在ICCAVR編譯器下，采用C語言編程，生成HEX文件，然后通過在線編程接口ISP下載至單片機(jī)。圖44 單片機(jī)主函數(shù)流程圖采用軟件模擬SPI接口的方式，對TLC2543進(jìn)行讀寫操作，并按照TLC2543的工作時(shí)序編寫相應(yīng)的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)AD采集。利用89C51的內(nèi)部資源UART完成串口通信任務(wù)，串行通信的數(shù)據(jù)格式采用(9600, N, 8, 1)，即9600波特率，無奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，數(shù)據(jù)內(nèi)容選用定長幀結(jié)構(gòu)存儲。所有程序都在主函數(shù)中運(yùn)行，無中斷服務(wù)函數(shù)。為提高系統(tǒng)抗干擾能力，啟用了看門狗。單片機(jī)主函數(shù)的流程圖如圖44所示。從圖中可以看出，單片機(jī)開機(jī)之后，首先初始化端口、UART和看門狗，然后進(jìn)入一個(gè)循環(huán)體中。在循環(huán)體中循環(huán)執(zhí)行以下幾個(gè)任務(wù)：喂狗、AD采集、數(shù)字濾波和發(fā)送數(shù)據(jù)。 運(yùn)動(dòng)控制單元電路運(yùn)動(dòng)控制單元的作用是通過四個(gè)無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制兩個(gè)主動(dòng)輪電機(jī)和一個(gè)擺臂電機(jī)，完成對三個(gè)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)和速度控制，從而控制兩主動(dòng)輪的直線運(yùn)動(dòng)和兩擺臂的擺動(dòng)。此外，還要完成對擺臂的閉環(huán)位置控制。通過RS232接口與PC104相連，以接收PC104的控制命令。 后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)主動(dòng)輪電機(jī)采用開環(huán)控制，所以只用一片89C51單片機(jī)便可以控制。主動(dòng)輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖45。圖45 后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供兩個(gè)開關(guān)量接口，分別是允許控制端（控制電機(jī)啟停）、電機(jī)轉(zhuǎn)向控制端，提供一個(gè)模擬量接口，用于電機(jī)速度控制。對于驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)量接口，直接采用單片機(jī)端口控制，圖中ININ2分別連接兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)量接口。、。 擺臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路因擺臂需要閉環(huán)位置控制，所以每個(gè)擺臂電機(jī)由一片89C51單片機(jī)控制。擺臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖46所示。擺臂電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)和速度控制與主電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路相同。圖中擺臂軸角編碼器，其中三條信號線a、b和i為脈沖信號A、B、I相，A、B是兩路正交的方波，I為軸角編碼器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖所