【正文】 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)生一個脈沖所形成的脈。擺臂電機(jī)驅(qū)動電路如圖46所示。、。圖45 后輪電機(jī)驅(qū)動電路無刷電機(jī)驅(qū)動器提供兩個開關(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，提供一個模擬量接口，用于電機(jī)速度控制。 后輪電機(jī)驅(qū)動電路兩個主動輪電機(jī)采用開環(huán)控制，所以只用一片89C51單片機(jī)便可以控制。此外，還要完成對擺臂的閉環(huán)位置控制。在循環(huán)體中循環(huán)執(zhí)行以下幾個任務(wù)：喂狗、AD采集、數(shù)字濾波和發(fā)送數(shù)據(jù)。單片機(jī)主函數(shù)的流程圖如圖44所示。所有程序都在主函數(shù)中運(yùn)行，無中斷服務(wù)函數(shù)。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的工作時序編寫相應(yīng)的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)AD采集。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。具體電路接法見圖43串行通信電路原理圖。此處選用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。圖42 高速光耦電路 串行通信電路設(shè)計PC104與外設(shè)通信接口為RS232接口。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。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。 ADC7到ADC12分別接六個紅外開關(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。圖41為 基于TLC2543 的A/D轉(zhuǎn)換電路。89C51單片機(jī)通過選通TLC2543的片選端分時地與不同的TLC2543通信。當(dāng)CS為高時， I/O CLOCK和DATA INPUT被禁止，DATA OUT為高阻態(tài)。TLC2543每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)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。通常REF＋接VCC，REF－接GND。CS由低到高的變化將在一個設(shè)置時間內(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個上升沿移入4位地址，用來選擇下一個要轉(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，該引腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng)CS為低時，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。 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?！LC2543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(zhuǎn)換時間為10μs；l SPI串行接口；l 線性度誤差最大為177。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(shù)據(jù)輸入端(DATA INPUT)。 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計隨著大規(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。其中自行設(shè)計的電路有數(shù)據(jù)采集單元電路、運(yùn)動控制單元電路、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。自行設(shè)計的相關(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)。合理的硬件設(shè)計可以充分發(fā)揮控制系統(tǒng)的功能，達(dá)到實(shí)時控制性能好，伺服控制精度高，能夠較好的完成控制任務(wù)。整個行走機(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。主傳動系統(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)鏈輪傳動到達(dá)機(jī)器人的輪子。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。圖 311 擺臂前輪設(shè)計圖⑶ 空心齒輪軸的設(shè)計空心齒輪軸通過螺栓與擺臂連接，這樣由電動機(jī)直接進(jìn)過齒輪軸后把動力傳遞到擺臂。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 擺臂前輪的設(shè)計中運(yùn)用了兩個過盈配合達(dá)到鏈輪與軸承、軸承與軸的連接。軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理。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。 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。 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。同時考慮擺臂寬度的需要，取。取。取。查GB/T27694,暫選深溝球軸承型號為6210，其寬度B=20mm。 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。鏈輪左右端面均靠定位軸肩定位。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。左端的軸承考軸肩定位。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 。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(yīng)力小，且作用角隨齒數(shù)增大而增大，嚙合性能好。⑹ 鏈傳動的設(shè)計①鏈輪的設(shè)計減速器輸出軸的轉(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》 得小鏈輪齒數(shù)系數(shù) 查《機(jī)械設(shè)計》，估計為鏈板疲勞則 多排鏈系數(shù) 查《機(jī)械設(shè)計》，得 鏈長系數(shù) 查《機(jī)械設(shè)計》圖513，得由《機(jī)械設(shè)計》式59 (356) 根據(jù)小鏈輪轉(zhuǎn)速和，查《機(jī)械設(shè)計》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》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。軸承選擇如下：16007 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。6）輸出軸的設(shè)計與軸承的選擇a)軸的最小直徑計算輸入軸只承受轉(zhuǎn)矩，輸入軸選用鋼，其許用剪切應(yīng)力，則輸入軸直徑取b)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與軸承的選擇 圖 38 輸入軸由行星輪軸承的計算可知，軸承軸向載荷的較小，所以軸承的尺寸由結(jié)構(gòu)來確定。軸承選擇如下：6310 61824 5）、輸出軸鍵的校核鍵的型號為 勾頭楔鍵，b=12mm h=8mmm L=60mm 小于。3)、輸出軸的設(shè)計與軸承的選擇軸的最小直徑計算：首先計算減速器的效率和各軸上的扭矩，當(dāng)不考慮軸承損失時，減速器的效率 (349)式中 (350)(外嚙合效率，內(nèi)嚙合效率)考慮到減速器內(nèi)齒輪軸承損失時，減速器的總效率式中為每對軸承的效率，由前面計算可知主動軸上的扭矩行星齒輪減速器輸出軸上的扭矩 (351) 輸出軸選用45鋼，其許用剪切應(yīng)力即求出輸出軸的最小直徑為： (352) 取4)、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與軸承的選擇 圖 37 輸出軸由行星輪軸承的計算可知，軸承軸向載荷的較小，所以軸承的尺寸由結(jié)構(gòu)來確定?？紤]到行星輪軸的直徑，同時考慮到結(jié)構(gòu)的需要選軸承6307其參為：取載荷系數(shù)當(dāng)量動載荷軸承的計算壽命 (348)三年壽命時間為軸承壽命合格。 T——壽命期內(nèi)要求傳動的總運(yùn)轉(zhuǎn)時間(h),壽命10年，每天工作8h c)確定強(qiáng)度計算中的各種系數(shù)使用系數(shù)根據(jù)對使用負(fù)荷的實(shí)測與分析，取=b)動負(fù)荷系數(shù)圓周速度 v==由圖51查得（7級精度）：=c)齒向載荷分布系數(shù)、得 (338) (339)式中 ——計算接觸強(qiáng)度時運(yùn)轉(zhuǎn)初期（未經(jīng)跑合）的齒向載荷分布系數(shù)，由圖52查得=（=） ——計算接觸強(qiáng)度時的跑合影響系數(shù)，由圖55查得=(v=, =280) ——計算彎曲強(qiáng)度時的運(yùn)轉(zhuǎn)初期（未經(jīng)跑合）的齒向載荷分布系數(shù)，由圖54查得=（b/m=） ——計算彎曲強(qiáng)度時的跑合影響系數(shù)，由圖55查得=(v=, =280) ——與均載系數(shù)有關(guān)的系數(shù)，= ——與均載系數(shù)有關(guān)的系數(shù)，=則 =1+()= =1+()=d)齒間載荷分布系數(shù)及因，精度7級，硬齒面直齒輪由表59查得==e)節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)可查513 f)載荷作用齒頂時的齒形系數(shù)由表58和圖511d查得g)載荷作用齒頂時的應(yīng)力修正系數(shù)由表511和圖520a查得h)重合度系數(shù)、 i)螺旋角系數(shù)、因 =0，= 得=1 =1 得 =1g)彈性系數(shù)=26)、齒數(shù)比u 27)、計算接觸應(yīng)力的基本值 = (340) 28)、接觸應(yīng)力= (341) =29)、彎曲應(yīng)力的基本值 = (342) 30)、齒根彎曲應(yīng)力 = (343) 31)、確定計算許用接觸應(yīng)力時的各種系數(shù)a)壽命系數(shù)因，由圖519得b)潤滑系數(shù)由圖514取=c)速度系數(shù)因v=由圖515得=d)粗糙度系數(shù)由圖516查得=e)工作硬化系數(shù)因大小齒輪均為硬齒面，且齒面=由圖516查得=f)尺寸系數(shù) 由圖518查得=32)、許用接觸應(yīng)力 (344) = =接觸強(qiáng)度安全系數(shù) 33)、確定計算許用彎曲應(yīng)力時的各種系數(shù)a)實(shí)驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)=b)壽命系數(shù)因查圖525得=c)相對齒根圓角敏感系數(shù)由，由圖522查得=d)齒根表面狀況系數(shù)=e)尺寸系數(shù) =34)、許用彎曲應(yīng)力 (345) =35)、彎曲強(qiáng)度俺去系數(shù) ② 減速器軸的設(shè)計1)、行星輪軸的設(shè)計與軸承的選擇軸的最小直徑計算：在相對運(yùn)動中，每個行星輪軸承受穩(wěn)定載荷，當(dāng)行星輪相對于行星架對稱布置時，載荷則作用在軸跨距的中間。 T——壽命期內(nèi)要求傳動的總運(yùn)轉(zhuǎn)時間(h),壽命10年，每天工作8h c)確定強(qiáng)度計算中的各種系數(shù)使用系數(shù)，根據(jù)對使用負(fù)荷的實(shí)測與分析，取=動負(fù)荷系數(shù)因=1850，可根據(jù)圓周速度 v=πdnaH60=由圖51查得（6級精度）：=齒向載荷分布系數(shù)、得 (322) (323)式中， ——計算接觸強(qiáng)度時運(yùn)轉(zhuǎn)初期（