【正文】 7 c)輸入軸鍵的強度校核鍵的型號 圓頭普通平鍵（A型），b=8,h=7,L=40 小于。 (354)鍵的強度滿足條件。⑹ 鏈傳動的設計①鏈輪的設計減速器輸出軸的轉速為 傳遞的功率為 1) 選擇鏈輪齒數和 小鏈輪齒數 大鏈輪齒數2) 確定鏈節(jié)數 初取中心距，則鏈節(jié)數為 (355)取3) 確定鏈節(jié)距 載荷系數 查《機械設計》 得小鏈輪齒數系數 查《機械設計》，估計為鏈板疲勞則 多排鏈系數 查《機械設計》，得 鏈長系數 查《機械設計》圖513，得由《機械設計》式59 (356) 根據小鏈輪轉速和，查《機械設計》圖512，確定鏈條型號為16A， 4) 鏈條長度 5) 確定中心距 由《機械設計》式512知， (357)6) 驗算鏈速，其主要失效形式是鏈條的靜力拉斷，故應進行靜強度校核。7) 計算壓軸力 鏈條工作拉力 壓軸力系數 由《機械設計》式513 8）靜強度校核 大于8滿足靜強度條件。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的接觸應力小，且作用角隨齒數增大而增大，嚙合性能好。根據GB/T 12431997主要尺寸如下：分度圓直徑： 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑： 擺臂方案的具體設計⑴ 擺臂軸的設計 圖 39 擺臂軸① 計算作用在軸上的力 對輪子的支撐力 鏈輪的轉矩 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，調質處理。由式82 計算軸的最小直徑并加大3%一考慮鍵槽的影響 取則 。③ 軸的結構設計 a)確定軸的結構方案右端的光軸上安裝兩個軸承與空心齒輪軸形成相互獨立的運動。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。軸的結構如圖39所示。 b)確定各軸端的直徑和長度 第一段 根據圓整（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，應大于且符合標準軸承內徑，同時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圈，小于。同時考慮擺臂寬度的需要，取。 第五段 這個軸端安裝鏈輪，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 按扭矩合成強度校核軸的強度當量彎矩：取折合系數，軸承中點處當量彎矩當量彎矩圖見圖310。軸的材料為45號鋼，調質處理。由式84得軸的計算應力為： (358) (359) (360)該軸滿足強度要求。圖　310彎矩圖、扭矩圖、當量彎矩圖⑵ 擺臂前輪結構設計 擺臂前輪的設計中運用了兩個過盈配合達到鏈輪與軸承、軸承與軸的連接。具結構如圖311所示。圖 311 擺臂前輪設計圖⑶ 空心齒輪軸的設計空心齒輪軸通過螺栓與擺臂連接，這樣由電動機直接進過齒輪軸后把動力傳遞到擺臂。齒輪軸的具體結構如圖3 12所示。圖 312 空心齒輪軸 本章小結本章介紹了煤礦救援機器人行走機構機械部分的詳細設計。在對機器人的功率估計的基礎上，設計了機器人的主傳動系統(tǒng)、擺臂擺臂傳動系統(tǒng)。主傳動系統(tǒng)主要是：從電機進過一級圓柱齒輪減速再到行星輪減速器后進鏈輪傳動到達機器人的輪子。擺臂傳動系統(tǒng)主要是：從電機進過一圓柱齒輪減速到空心齒輪軸后再到電機。整個行走機構結構簡單、可靠，能過滿足機器人的救援的要求。4 電氣系統(tǒng)的分析與設計煤礦救援機器人電路系統(tǒng)的硬件是控制的基礎，如同機器人的神經系統(tǒng)，通過實時采集外界環(huán)境和自身運動狀態(tài)數據，實現對機器人的控制。合理的硬件設計可以充分發(fā)揮控制系統(tǒng)的功能，達到實時控制性能好，伺服控制精度高，能夠較好的完成控制任務。本機器人控制系統(tǒng)選用PC104嵌入式工控機為控制核心，并選用PC 104的多串口板擴充了PC104的串口。自行設計的相關電路作為子模塊通過RS232串口與PC104嵌入式工控機相連，來組合成分布式的機器人控制系統(tǒng)。設計采用模塊化設計思想，自下而上的設計思路進行開發(fā)，系統(tǒng)的各個子功能模塊分開設計，以保證系統(tǒng)開發(fā)的可靠性。其中自行設計的電路有數據采集單元電路、運動控制單元電路、編碼器解析單元電路，本章將詳細介紹這三部分的具體電路設計。 數據采集單元電路數據采集單元的作用是采集五個紅外開關、五個紅外測距傳感器，并將采集到的數據送給PC104進行處理。 A/D轉換電路設計隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，各種高精度、低功耗、可編程、低成本的A/D轉換器不斷推出，使得單片機控制系統(tǒng)的電路更加簡潔，可靠性更高。TLC2543是德州儀器公司生產的12位開關電容型逐次逼近模數轉換器，它具有三個控制輸入端，采用簡單的3線SPI串行接口可方便地與單片機進行連接，是12位數據采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。TLC2543與外圍電路的連線簡單，三個控制輸入端為CS(片選)、輸入/輸出時鐘(I/O CLOCK)以及串行數據輸入端(DATA INPUT)。片內的14通道多路器可以選擇11個輸入中的任何一個或3個內部自測試電壓中的一個，采樣保持是自動的，轉換結束，EOC輸出變高[42]。　TLC2543的主要特性如下：l 11個模擬輸入通道；l 66ksps的采樣速率；l 最大轉換時間為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，由內部多路器選擇。，驅動源阻抗必須小于或等于50Ω；l CS：片選端，CS由高到低變化將復位內部計數器，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設置時間內禁止DATA INPUT和I/O CLOCK；l DATA INPUT：串行數據輸入端，串行數據以MSB為前導并在I/O CLOCK的前4個上升沿移入4位地址，用來選擇下一個要轉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轉換結果三態(tài)輸出端，在CS為高時，該引腳處于高阻狀態(tài)；當CS為低時，該引腳由前一次轉換結果的MSB值置成相應的邏輯電平；EOC：轉換結束端。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換完成及數據準備傳輸； l VCC、GND：電源正端、地；l REF＋、REF－：正、負基準電壓端。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：時鐘輸入/輸出端。TLC2543每次轉換和數據傳送使用16個時鐘周期，且在每次傳送周期之間插入CS的時序。在TLC2543的CS變低時開始轉換和傳送過程，I/O CLOCK的前8個上升沿將8個輸入數據位鍵入輸入數據寄存器，同時它將前一次轉換的數據的其余11位移出DATA OUT端，在I/O CLOCK下降沿時數據變化。當CS為高時， 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單片機通過選通TLC2543的片選端分時地與不同的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鐘頻率對數據傳送速的影響，盡可能選用較高時鐘頻率。圖41為 基于TLC2543 的A/D轉換電路。圖中ADC1到ADC6分別接六個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分別接六個紅外開關的信號線，因為紅外開關輸出信號為OC門式的開關量，將其轉變?yōu)?V或5V的開關量，便可以接TLC2543的模擬輸入端。，經過圖中R7與R8分壓后，ADC13點電壓為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，經過TLC2543的12位AD采集后，得到數據為0～61，可以滿足電機過流檢測的需要。圖41 基于TLC2543 的A/D轉換電路 高速光耦電路設計為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，AD轉換電路與單片機電路通過光耦隔離。其中，TLC2543的CS引腳與單片機通過普通光耦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 串行通信電路設計PC104與外設通信接口為RS232接口。RS232是為早期公共電話網數據通信制定的標準，以+5V～+15V表示邏輯0，5V～15V表示邏輯1，與現有單片機接口UART邏輯電平不一致，二者之間必須進行電平轉換。此處選用MAXIM公司生產的MAX232芯片實現電平轉換。MAX232芯片具有兩個接收發(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，就能實現單片機UART電平與RS232電平的轉換。具體電路接法見圖43串行通信電路原理圖。其中，PC104發(fā)送的數據通過P1的2號針進入MAX232芯片13腳，轉換后由12腳輸出至89C51的RXD。單片機89C51發(fā)送的數據，通過TXD進入MAX232芯片11腳，轉換后由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 單片機程序設計本章所有自行設計的電路中單片機均在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。圖44 單片機主函數流程圖采用軟件模擬SPI接口的方式，對TLC2543進行讀寫操作，并按照TLC2543的工作時序編寫相應的函數，實現AD采集。利用89C51的內部資源UART完成串口通信任務，串行通信的數據格式采用(9600, N, 8, 1)，即9600波特率，無奇偶校驗，8位數據位，1位停止位，數據內容選用定長幀結構存儲。所有程序都在主函數中運行，無中斷服務函數。為提高系統(tǒng)抗干擾能力，啟用了看門狗。單片機主函數的流程圖如圖44所示。從圖中可以看出，單片機開機之后，首先初始化端口、UART和看門狗，然后進入一個循環(huán)體中。在循環(huán)體中循環(huán)執(zhí)行以下幾個任務：喂狗、AD采集、數字濾波和發(fā)送數據。 運動控制單元電路運動控制單元的作用是通過四個無刷電機驅動器控制兩個主動輪電機和一個擺臂電機，完成對三個電機的啟停、正反轉和速度控制，從而控制兩主動輪的直線運動和兩擺臂的擺動。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。 后輪電機驅動電路兩個主動輪電機采用開環(huán)控制，所以只用一片89C51單片機便可以控制。主動輪電機驅動電路如圖45。圖45 后輪電機驅動電路無刷電機驅動器提供兩個開關量接口，分別是允許控制端（控制電機啟停）、電機轉向控制端，提供一個模擬量接口，用于電機速度控制。對于驅動器的開關量接口，直接采用單片機端口控制，圖中ININ2分別連接兩個驅動器的開關量接口。、。 擺臂電機驅動電路因擺臂需要閉環(huán)位置控制，所以每個擺臂電機由一片89C51單片機控制。擺臂電機驅動電路如圖46所示。擺臂電機的啟停、正反轉和速度控制與主電機驅動電路相同。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為軸角編碼器每轉一圈產生一個脈沖所