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移动 物体 检测 报警 机器人 设计

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09 届毕业论文任务书二级学院（直属学部）： 无锡技师学院 专业： 机电一体化 班级： 0632机电 学生姓名KC016-1费 春 颖指导教师王 明 军职称课题名称移动物体检测报警机器人课 题 工 作 内 容智能检测报警机器人的开发与设计，以步进电机作为驱动机构，蜗轮蜗杆装置作为头部旋转机构。完成轴的设计、键的较核、联轴器的选型、步进电机的控制方式。论文要求两张A0图纸不少于20页A4纸的毕业论文 进程安排12月10日至12月17日收集资料 12月18日至12月25日完成计算问题12月26日至01月08日完成论文01月09日至01月16日完成图纸主要参考文献1. 肖兴明主编. 机电控制及自动化. 中国矿业大学出版社, 2003年2. 唐大放主编. 机械设计工程学(2). 中国矿业大学出版社,2004年3. 王洪欣等编著. 机械设计工程学(1). 中国矿业大学出版社,2004年4. 张建民等编著. 机电一体化系统设计(第二版). 高等教育出版社,2006年5. 余梦生,吴宗泽主编. 机械零部件手册. 机械工业出版社,1996年6. 阮乃忠主编. 常用机械电气控制手册. 福建科学技术出版社,2003年7. 朱孝录主编. 齿轮传动设计手册. 化学工业出版社2005年8. 卜炎主编. 实用轴承技术手册. 机械工业出版社,2004年系主任： 指导教师： 年 月 日 年 月 日说明：毕业论文任务书由指导教师根据课题的具体情况填写，经系部审核签字后生效。此任务书在毕业论文工作开始前一周内填写并发给学生。KC020-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 论 文题目： 移动物体检测报警机器人 二级学院（直属学部）： 无锡技师学院 专业： 机电一体化 班级： 0632机电（成） 学生姓名： 费 春 颖 学号： 0632101036 指导教师姓名： 王 明 军 职称： 评阅教师姓名： 职称： 2008 年 01 月KC018-1 09 届毕业论文开题报告题 目 移动物体检测报警机器人 专 业 机电一体化 姓 名 费 春 颖 班 级 0632机电（成） 指导教师 王 明 军 起止日期 07.12.1008.01.18 07年 12月 10 日毕业论文开题报告（含课题的来源、意义，本课题国内外的研究动态、主要论点、论证思路、论文提纲、预期目标、时间安排及参考文献等内容。字数8001000字。）智能机器人是具有感知,思维和行动能力的机器,是机构学、自动控制、计算机、人工自能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多种学科和技术的综合成果，它从一个侧面反映了一个国家科技发展的水平。更重要的是,作为新一代生产和服务的工具,它在国民生产和生活的各个领域都占有更广泛,更重要的位置,这对于人类开辟新的产业,提高生产和生活水平具有十分现实的意义。因此智能机器人技术作为科技技术的一个分支,受到了世界各国的普遍重视。美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称机器人王国的日本起步至少要早五六年。我国也在“七五”计划中把机器人列入国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。本文介绍的智能检测报警机器人初步实现了无人情况下的自主工作方式,它结构独特,灵活,且自备电源,由机载单片机进行实时的控制,由一个步进电机实现头部系统的驱动，该机的优势在于其局部的自主化和智能化,它可以无需人的操控而自主的进行检测,并且在遇到移动物体时能够实时的报警。该论文涉及轴的设计、键的较核、联轴器的选用、步进电机的设计等。智能检测报警机器人是智能机器人应用于服务行业的一个代表性的产品,它初步实现了无人干预下的局部自主工作方式,具有自能化,高效性等特点。充分体现了人们对未来高效,舒适,安全生活的一种要求。时间安排： 12月10日至12月17日收集资料 12月18日至12月25日完成计算问题12月26日至01月08日完成论文01月09日至01月16日完成图纸参考文献：1. 张建民等编著. 机电一体化系统设计(第二版). 高等教育出版社,2006年2. 余梦生,吴宗泽主编. 机械零部件手册. 机械工业出版社,1996年3. 赵负图主编. 机电控制集成电路手册. 化学工业出版社,2003年4. 阮乃忠主编. 常用机械电气控制手册. 福建科学技术出版社,2003年5. 朱孝录主编. 齿轮传动设计手册. 化学工业出版社2005年6. 卜炎主编. 实用轴承技术手册. 机械工业出版社,2004年7. 唐大放主编. 机械设计工程学(2). 中国矿业大学出版社,2004年8. 王洪欣等编著. 机械设计工程学(1). 中国矿业大学出版社,2004年 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见以及课题的可行性进行评价）：指导教师： 年 月 日系部意见：系主任： 年 月 日 注：开题报告作为毕业论文答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，应在导师的指导下，由学生填写，经导师签署意见及系部审核后生效。KC022-1 CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕业论文材料题目： 移动物体检测报警机器人 二级学院（直属学部）： 无锡技师学院 专 业： 机电一体化 班级： 0632机电（成） 学生姓名： 费 春 颖 学号： 0632101036 指导教师姓名： 王 明 军 职称： 评阅教师姓名： 职称： 序号名 称数量备注1毕业设计（论文）选题申报表12毕业设计（论文）任务书13毕业设计（论文）开题报告14毕业设计（论文）进展情况记录15毕业设计（论文）情况登记表16毕业论文（设计说明书）17图纸28其它相关材料 2008 年 01月注：毕业设计（论文）工作结束后，请将该封面目录中各项材料收齐统一放入学生“毕业设计（论文）资料袋”中。无法放入资料袋中的可另放，但要在备注栏注明存放处。移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 1 页 共 34 页目录第 1 章. 绪论.31.1 智能机器人技术发展的重要意义.31.2 国内外机器人的发展史.31.2.1 国外机器人的发展历史.31.2.2国内机器人的发展历史.41.3 服务机器人的特点关键技术.41.4 本论文的主要研究内容.51.5 本章小结.5第第 2 2 章章. .物体检测与报警机器人的总体设计物体检测与报警机器人的总体设计 .62.1 概述.62.2 主要组成.62.2.1 头部旋转机构.62.2.2 主体部.72.2.3 电机.72.3 主要技术参数.82.4. 电机的选型.82.4.1 驱动机构的组成.82.4.2 步进电机的选型比较.92.4.3 步进电机的选型计算.102.5 蜗轮蜗杆传动的选型设计.122.6 电机的效核.152.7 轴的较核及联件的选型.162.7.1. 蜗杆轴的较核.162.7.2. 蜗杆轴上轴承的选型.202.7.3. 蜗轮轴的较核.222.7.4. 蜗轮轴上轴承的选型.262.7.5. 键的较核.282.7.6. 联轴器的选型.282.8 本章小结.28第第 3 3 章章. . 驱动机构及其控制方式驱动机构及其控制方式 .293.1. 概述.293.2 步进电机及其控制系统.293.2.1 步进电机的工作特性.293.2.2 步进电机的开环控制系统.313.3 本章小结.32结束语结束语 .32第 2 页 共 34 页致致 谢谢 .33参考文献 .34移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 3 页 共 34 页第第 1 1 章章. . 绪论绪论本章提要. 本章从阐述智能机器人技术发展的意义出发,简要地回顾智能机器人的发展历史和当前的技术水平。在此基础上,对于智能检测报警机器人这一产品的关键技术,以及开发现状,也作了进一步介绍。1.11.1 智能机器人技术发展的重要意义智能机器人技术发展的重要意义智能机器人是具有感知,思维和行动能力的机器,是机构学、自动控制、计算机、人工自能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多种学科和技术的综合成果，它从一个侧面反映了一个国家科技发展的水平。更重要的是,作为新一代生产和服务的工具,它在国民生产和生活的各个领域都占有更广泛,更重要的位置,这对于人类开辟新的产业,提高生产和生活水平具有十分现实的意义。因此智能机器人技术作为科技技术的一个分支,受到了世界各国的普遍重视。发展智能机器人技术将对一个国家产生巨大的影响，主要集中在以下几个方面：1. 发展工业智能机器人可以增强一个国家的生产制造能力2. 发展特种智能机器人可增强国家的可持续发展能力3. 发展智能机器人技术可以提高国防实力1.21.2 国内外机器人的发展史国内外机器人的发展史1.2.11.2.1 国外机器人的发展历史国外机器人的发展历史美国是机器人的诞生地，早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称机器人王国的日本起步至少要早五六年。经过 30 多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。纵观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。 由于美国政府从 60 年代到 70 年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点发展项目，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说，在只看到眼前利益，政府又无财政支持的情况下，宁愿错过良机，固守在使用刚性自动化装置上，也不愿冒着风险，去应用或制造机器人。加上，当时美国失业率高达 665，政府担心发展机器人会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制机器人，这不能不说是美国政府的战略决策错误。70 年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机第 4 页 共 34 页器人后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。 进入 80 年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。 尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在： （1）性能可靠，功能全面，精确度高； （2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首； （3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用； （4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。1.2.21.2.2国内机器人的发展历史国内机器人的发展历史我国已在“七五”计划中把机器人列入国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986 年 3 月开始的国家 863 高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。1.31.3 服务机器人的特点关键技术服务机器人的特点关键技术前面主要介绍了本课题的技术平台智能机器人的发展状况,在这一节中主要从产品的角度出发,介绍智能检测报警机器人所属的服务机器人这一大范畴的特点和关键技术。它对于该产品的设计与开发具有指导性的意义。智能检测机器人从其产品的功能上划分,是属于近年来刚刚兴起的服务机器人的范畴。关于服务机器人的定义目前还并不统一;简单地说,它是指一种能够自主或半自主运行,且为人类健康,安全和设备运行提供服务的智能机器。因此,服务机器人存在自身的一些特点,主要集中在以下三方面:(1)任务要求.服务机器人的主要职能是自主或半自主地为人类提供服务移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 5 页 共 34 页或安全保障。它涉及到探测,报警等多种功能,显然其任务具有多样性和灵活性的特点。因此,为了实现特定的任务,服务机器人的开发必须更重视载体尺寸、重量、能量供给、导航、避障等多方面的功能,同时配备相应的完成任务的工具。(2)工作环境.机器人的工作环境一般分为两类:结构化环境和非结构化环境.工业机器人通常面对的是结构化环境,而服务机器人通常在非结构化的环境中工作。不过在环境中,机器人与人或环境设施可能经常发生互动即所谓的突发事件。因此,机器人必须具有灵活能力;换而言之,环境是随时变的。因此,服务机器人的工作环境更为复杂,受外界的影响,干扰更多。(3)机械结构.机械结构通常指机器人的本体结构。任务和工作环境决定了机器人的结构形式。按照其本体结构的运动能力,可将服务机器人分为静止式和移动式两类。最常见的服务机器人是移动式的,其中以轮式结构最为广泛。 虽然针对不同的应用场合和服务对象,服务机器人在形式,功能等方面存在着较大的差别,但在设计和开发服务机器人的过程中,也存在一些共性的地方服务机器人的关键技术可归纳为以下几个方面: 环境的表示 环境感知和信号处理 控制系统及其结构 复杂任务和服务的实时规划 适应于作业环境的机械本体结构 研制低功耗,长时间工作的功能部件 这些关键技术的发展直接影响到服务机器人作为一个行业的应用前景。虽然以前服务机器人一度被认为是一个几乎不可获利的行业,但随着近年来,家用服务机器人和娱乐机器人市场开拓所获得的巨大成功,人们的观念正在发生变化。美国,日本和欧洲的一些大公司也纷纷进入了服务机器人的市场。1.41.4 本论文的主要研究内容本论文的主要研究内容本论文主要以智能检测报警机器人这一产品的设计与开发为中心,详细叙述了该产品的各个环节的设计思想,设计理念和设计过程。通过将现代智能机器人领域的一些成熟技术应用于实际的产品开发中,达到获得直接的,感性认识的目的;同时也以具体应用为基础,对这一领域中的一些焦点的前沿问题作了进一步的研究。整个论文主要阐述了以下两个方面的问题：(1) 智能检测报警机器人系统的总体结构规划和设计(2) 以步进电机为主要驱动部件的机器人驱动机构的设计1.51.5 本章小结本章小结本章以智能检测报警这一产品的开发为平台,阐述了发展智能机器人技术的重要意义,并着重介绍了与该产品相关的机器人技术发展。由于智能检测报警机器人第 6 页 共 34 页从产品的角度出发,是属于服务机器人的范畴,本章也同时针对服务机器人在开发和设计过程中存在的一些共性问题,作了进一步的阐述。在此基础上,对整个课题的研究内容和设计任务,作了具体的规划。第 2 章.物体检测与报警机器人的总体设计本章提要 本章主要介绍了智能检测报警机器人的产品要求,功能分析和性能特点。在此基础上提出了该产品的总体原理和具体功能模块的实现思路,从而对其形成一个完整的设计方案。2.12.1 概述概述随着社会的进步和发展,人们的学习和工作越来越繁重,于是怎样更大程度地将人们从烦琐的日常事务中解脱出来,就成为了新一代服务机器人所追求的目标,而智能化正是这一目标的集中体现。本文介绍的智能检测报警机器人初步实现了无人情况下的自主工作方式,它结构独特,灵活,且自备电源,由机载单片机进行实时的控制,由一个步进电机实现头部系统的驱动，在头部转动的过程中,它通过头部携带的超声波检测装置,检测周围的事物,当发现有移动物体时便报警,达到其看守防盗的目的。该机的优势在于其局部的自主化和智能化,它可以无需人的操控而自主的进行检测,并且在遇到移动物体时能够实时的报警。2.22.2 主要组成主要组成2.2.12.2.1 头部旋转机构头部旋转机构 如图 2-1 所示,该机构为蜗轮蜗杆传动,将蜗杆轴由联轴器直接连接到电机上,由步进电机驱动。蜗轮通过轴与机器人头部相连接,从而使得蜗轮的转动带动机器人头部的旋转。 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 7 页 共 34 页图 2-1 机器人头部旋转机构2.2.22.2.2 主体部主体部 机器人的底部呈圆盘状采用地脚螺栓将其固定在地上,分躯干,上端盖(与颈部一体)两块直接浇铸出来然后通过螺钉连接,头部同样也分为两个半球直接浇铸出来然后通过螺栓连接在一起。图 2-2 机器人主体图2.2.32.2.3 电机电机选用步进电机,由步进电机直接带动蜗杆转动。因为通过控制步进电机的脉冲输入就可直接控制步进电机的转动速度,因此选用步进电机较合适,脉冲的输入便由单片机控制。第 8 页 共 34 页2.32.3 主要技术参数主要技术参数1.设机器人头部每秒钟转动 6 度,因为蜗轮通过轴直接与机器人头部相连,所以蜗轮的转速,要求蜗轮蜗杆的使用寿命为 25000，机器人头部的质量21 /minnrh, (包含摩擦阻力)5mkg10LFN2.机器人的外型尺寸为:头部直径;颈部高,粗;躯干20cm5hcm10cm40cm40cm60cm;底盘大直径 100cm,小直径 60cm,高 40cm2.4.2.4. 电机的选型电机的选型驱动机构是智能检测报警机器人的主要执行部件之一,它是实现机器人头部转动的物质基础。因此,驱动机构的性能直接影响到系统的工作特性和功能的实现,具有重要的意义。2.4.12.4.1 驱动机构的组成驱动机构的组成. . 智能检测报警机器人的驱动机构由以下三部分组成:(一) 核心驱动部件-步进电机; (二) 蜗轮蜗杆传动系统; (三) 机器人头部图 2-4 驱动机构的组成移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 9 页 共 34 页其总体工作过程如下:由单片机产生一定频率的驱动脉冲信号,通过步进电机驱动器驱动步进电机;步进电机的转动通过蜗轮蜗杆传动(减速)带动头部转动;从而改变超声波的发射方向,起到检测周围运动物体的检测报警功能。假设由单片机产生的驱动脉冲信号的频率为;步进电机驱动器的分频数为qf;步进电机的步距角为;蜗轮蜗杆的齿数为和;机器人头部的直径为;则整K1z2zD个传动过程可以定量计算如下: (2-1)21zIz (2-2)KZZfIKfqq21 (2-3) 2Dv将式 2-2 代入 2-3 中得 (2-4)12122qqzDDvffz KIK其中 为机器人头部的线速度;为蜗轮蜗杆的减速比。vI由式 2-4 可以看出,机器人的头部转动速度正比于单片机的输出脉冲频率。在实际的系统中,由于机器人要检测移动物体。因此,系统的设计速度比较低,头部的转速设计为。1 /minnr2.4.22.4.2 步进电机的选型比较步进电机的选型比较步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电气机械。其转子的转角与输入的电脉冲数成正比,转子的转速与单位时间内脉冲数成正比,转矩是由磁阻作用所产生的,旋转方向则取决于脉冲的顺序。因此,步进电机一定要与脉冲控制联系起来才能运行。步进电机的主要优点归纳如下:(1) 步进电机只能在一定脉冲电源供电下才能运行(2) 步进电机的角位移量与输入脉冲严格成正比,因此,电机转动一周后没有累积误差,具有良好的跟随性(3) 由步进电机和驱动控制器组成的开环控制系统,既简单又可靠(4) 步进电机的调速与位置控制性能良好(5) 步进电机的动态响应快,自启动能力强(6) 输出力矩较大,属于力矩型电机当然,步进电机也存在一些缺点:第 10 页 共 34 页(1) 效率较低，输入功率有很大一部分转为热能消耗(2) 步进电机存在低频震荡,失步和高频失步等缺陷(3) 步进电机自身噪声和振动较大2.4.32.4.3 步进电机的选型计算步进电机的选型计算如图 2-4 所示,机器人头部转动的阻力 F=10N,转速,头部载荷平稳,1 /minnr在常温下工作。(1).选择电动机的容量电动机所需工作功率为: wdPP工作机所需功率为: KW1000wFvP 传动装置的总效率为: 22123 按机械传动和摩擦副的效率概率值表,确定各部分效率:双头蜗杆传动=0.75,联1轴器效率=0.99,滚动轴承传动效率(一对)=0.99。23所需电动机的功率为:WFvPd41. 099. 099. 075. 01000026. 010100022因载荷平稳,电动机额定功率大于即可。edPdP(2).计算传动装置的运动和动力参数 0 轴(电机轴) 00.41dPPW 015.5 /minmnnr 0000.4195509550252.6 .15.5PTN mmn 1 轴(蜗杆轴) WPPP4 . 099. 099. 041. 03200101移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 11 页 共 34 页 010115.515.5 /min1nnri mmNnPT5 .2465 .154 . 095509550111 2 轴(蜗轮轴) WPPP3 . 099. 075. 04 . 03111212 121215.51 /min15.5nnri mmNnPT286513 . 095509550222 3 轴(机器人头部轴) WPPP297. 099. 03 . 0222323 232311 /min1nnri mmNnPT4 .28361297. 095509550333表 2 各轴的运动和动力参数功率/P W转矩/(.)TN mm轴名输入输出输入输出转速/( /min)n r传动比i效率电机轴0.41252.615.5蜗杆轴0.40.396246.548.515.5蜗轮轴0.30.29728652836.41机器人头部轴0.290.2872836.4 2807.991115.510.980.740.99由于要求机器人的头部转速为，所以根据蜗轮蜗杆的传动比可算出16 /ns步进电机的转速 sn935 .1562根据电机的转速,可以选择步距脚为的步进电机,每秒钟给个脉冲,这样就可以331达到电机的需求转速。再根据上面所算的数据,故可选择 70BF003 磁阻式步进电机。其数据见下表：第 12 页 共 34 页型号相数额定电压静态电流步距角 最大静转矩空载启动频率质量70BF003327V3A3/1.5 0.882N.m1600PPs1.2kg2.5 蜗轮蜗杆传动的选型设计(1) 初步选型根据表 34.1-13 圆柱蜗杆蜗轮参数的匹配(摘自 GB/T10085-1988).初选 ZA 型蜗杆,其中心距;传动比;模数;蜗杆分度圆直径60amm15.5i 2.5m ;蜗杆头数;蜗轮齿数;蜗轮变位系数;蜗轮分度圆直径125dmm12Z 231Z 20x ;蜗杆直径系数2122295dadx mmm1/10qdm由和查表 34.1-15 得1zq111836蜗轮的转矩 2122/2/1/2/1ZZFnvFTLmL 又;1LFN12z 231z (电机选型中计算得)23 .TN m选择蜗杆材质 40cr,淬火硬度45HRc;蜗轮圈材质 ZcuSn10Pb1 金属模铸造,在表 34.1-21 中查得220HPbMPasmndvvs1 . 0cos106/cos/4111 查表 34.1-8 得1.0sZ 71105 . 7250005 .15/5 .156000/6000hinN 从图 34.1-9 查得时N 7105 . 71.35nZ 其许用接触应力为MPaZZnsHPbHP29735. 10 . 1220 注: :滑动”速度”影响系数; :寿命系数sZnZ(2) 接触强度验算移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 13 页 共 34 页 确定 K 值 sv 0.1/m s11K 取 7 级精度 21K 取 ( 图 34.1-6 )100%JC 31K 取 ( 表 34.1-18 )30 C41K 工作平稳 ( 表 34.1-19 )51K 154321KKKKKKMPadKTdH25/3195/15150/15150122 MPaMPa83.5335. 04 .155接触强度足够(3) 弯曲强度验算 确定和2YFP (表 34.1-24);20.410Y (图 34.1-9);1.0NY (表 34.1-23);50FPbMPaMPaYNFPbFP500 . 150 21222000/(cos )FKTd d mY )31.11cos41. 05 . 29525/(312000 2.550MPaMPa= 弯曲强度足够(4) 该蜗杆传动(轴交角)的几何尺寸计算90表 1 蜗杆蜗轮几何尺寸名称代号公式结果第 14 页 共 34 页中心距a122(2)/2addx m60mm蜗杆头数1z由实际需要确定2蜗轮齿数2z21ziz31齿行角a或20xa20na20模数mcosnxmmm2.5mm传动比i12/nn15.5蜗轮变位系数2x122cosddaxm0蜗杆直径系数q1/qdm10蜗杆轴向齿距xPxPm7.9mm蜗杆导程zP1zPmz15.7mm蜗杆分度圆直径1d1dmq25mm蜗杆齿顶圆直径1ad*111122aaaddhdh m30mm蜗杆齿根圆直径1fd*111122()ffaddhdh mc19mm顶隙c*cc m0.5mm渐开线蜗杆基圆直径1bd11tan/tanbbdd11.9mm蜗杆齿顶高1ah*1aahh m2.5mm蜗杆齿根高1fh*1()fahhc m3mm蜗杆齿高1h111afhhh5.5mm移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 15 页 共 34 页蜗杆导程角11tan/mzd111836蜗杆齿宽1b112121.2(120.1 )3.4(130.1 )zbz mzz m2时，时，b40mm蜗轮分度圆直径2d221222dmzadx m95mm蜗轮齿顶圆直径2ad2222addha100mm蜗轮齿根圆直径2fd2222fddhf89mm蜗轮齿顶高2ah*22()aahm hx1.25mm蜗轮齿根高2fh*22()fahm hxc4.25mm蜗轮齿高2h222afhhh5.5mm蜗轮齿宽2b210.65abd19.5mm蜗轮齿厚1s按蜗杆节圆处轴向齿槽宽确定e x2.62.6 电机的效核电机的效核 该伺服系统执行元件输出轴所承受的等效负载转矩为,等效惯量转矩为,meqTT惯则电机轴上的总负载转矩为: meqTTT惯 考虑到机械的总传动效率时,则 meqTTT惯（）/蜗轮轴的惯量:2232111)015. 0(06. 0)2015. 0(14. 31085. 74141RmJ25.106 . 0mkg蜗轮的惯量: 222214Jm R23.1015. 0mkg蜗杆轴的惯量:第 16 页 共 34 页 233341RmJ 24.1078. 0mkg所以 23321.10234. 0mkgJJJJ总即等效转动惯量为: 23.10234. 0mkgJJ总惯则: mmNT.4 . 0惯由于总传动效率为 0.75，所以: (2550.4)/0.75340.5 .meqTTTN mm惯（）/若选用 75BF003 反应式步进电机,其最大静转矩。当采用三相max882 .jTN mm六拍通电方式,为保证带负载能正常启动和定位停止,电动机的启动和制动转矩应满足下列要求: qTqTT 查表 3.7 可知,。因为,故该电机可以max/0.87qjTTmmNTq.34.767qTT使用。2.72.7 轴的较核及联件的选型轴的较核及联件的选型2.7.12.7.1 蜗杆轴的较核蜗杆轴的较核(1) 求蜗杆轴上的转矩 250 .TN mm蜗杆(2) 求作用在蜗杆上的力 圆周力,径向力,轴向力的大小如下：tFrFaF NdTFt20025. 025. 02211 NFFntr4 . 7costan NFFta95. 3tan(3) 确定轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢,调质处理，初估轴的最小直径，查表取可得115A 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 17 页 共 34 页 mmnPAd4 . 35 .150004. 01153311min所以取10dmm图 2-5 蜗杆轴的结构图(4) 轴的强度较核 求轴的载荷 1 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图(见图 2-6)，轴的支承跨距。120Lmm根据轴的计算简图作出轴的弯矩图,扭矩图和当量弯矩图(见图 2-6)。从轴的结构图和当量弯矩图中可以看出,截面的当量弯矩最大,是轴的危险截面。截面处CC的,及的数值如下：HMVMMTcaM 支反力 水平面 1201022tHFRN 210HRN 垂直面 17.452aVarrF dRMFFN 210.05VrVRFRN 弯矩和 水平面 HMVMmmNRMHH.600601 垂直面 mmNRMVV.447601 合成弯矩 M22748.2 .HVMMMN mm 扭矩 T T=250.N mm 当量弯矩 caMmmNMca.1 .763第 18 页 共 34 页图 2-6. 轴的计算简图 较核轴的强度 2 轴的材料为 45 钢,调质处理，由表 4-1 查得 则2650/BN mm移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 19 页 共 34 页,即。取，轴的计算应力为: 0.09 0.1B258 65/N mm2 60/N mm 23/56. 1171 . 01 .763mmNWMcaca 根据计算结果可知,该轴满足强度要求。(5)精确较核轴的疲劳强度 判断危险截面 1危险截面应该是应力较大,同时应力集中较严重的截面。从受载情况观察,截面 C 上的最大,但应力集中不大,而且这里的轴径最大,故截面 C 不必较核,从应caM力集中对轴的疲劳强度削弱程度观察,截面 4 的应力集中最严重且受扭矩的作用,分析可知危险截面为 4 截面(左侧)。 计算危险截面应力 2截面左侧弯矩为 MmmNM.4 .24912020602 .748截面上的扭矩为 T250 .TN mm抗弯截面系数 3335 .337151 . 01 . 0mmdW抗扭截面系数 333675152 . 02 . 0mmdWT截面上的弯曲应力 2249.40.74/337.5bMN mmW截面上的扭转剪应力 22500.37/675TTN mmW弯曲应力幅 20.74/abN mm弯曲平均应力 0m扭转切应力的应力幅与平均应力相等,即 20.370.185/22amN mm 确定影响系数 3轴的材料为 45 钢,调质处理，由表 4-1 查得, 2600/BN mm,。21275/N mm21140/N mm轴肩圆角处的有效应力集中系数,，根据, kk/1/150.067r d 第 20 页 共 34 页 ,由表 4-5,经插值后可得,。/17/151.13D d 1.58k1.25k尺寸系数,，根据轴截面为圆截面查图 4-18 得,。0.880.9表面质量系数,，根据和表面加工方法为精车,查图 4-2600/BN mm19,得。0.88材料弯曲扭转的特性系数,，取,0.10.05由上面结果可得2 .23501 . 074. 058. 12751makS1 .582185. 005. 0185. 025. 11401makS22218.1caS SSSS查表 4-4 中的许用安全系数S值,可知该轴安全。2.7.22.7.2 蜗杆轴上轴承的选型蜗杆轴上轴承的选型 根据蜗杆轴的轴径初选深沟球轴承型号为:轴承代号基本尺寸/mm安装尺寸/mm基本额定载荷/ KN极限速度( /min)r质量kg61802d=15D=24B=5minmaxmax17220.3aaasdDr2.11.3rorCC220000.008其中 Y=2.3,e=0.191. 计算轴承的支反力 (1). 水平支反力 12201022tHHFRRN (2). 垂直支反力 1(600.5)/120VrmaRFd F3.3N移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 21 页 共 34 页 23.3VRN (3). 合成支反力 2211110.5HVRRRN 210.5RN图 2-7. 轴承受力图2. 轴承的派生轴向力由式 5-9 可得: NYRS3 . 23 . 22/5 .102/11 NYRS3 . 23 . 22/5 .102/223. 轴承所受的轴向载荷 因 由式 5-102213.952.36.25aaKSFSNS第 22 页 共 34 页 1223.952.36.25aaAKSFSN 222.3ASN4. 轴承的当量动载荷 因查表 5-12 111/6.25/10.50.60.19ARe 110.56,2.3XY 由式 5-7 得 NAYRXPr3 .2025. 63 . 25 .1056. 011111 因查表 5-12 222/2.3/10.50.210.19ARe 110.56,2.3XY 由式 5-7 得 NAYRXPr17.113 . 23 . 25 .1056. 0222225. 轴承寿命 因，故应按计算,由表 5-9,表 5-10,查得。按式 5-5 得12rrPP1rP1,1ptff hpfcfnLrprth9310631016108 . 4)3 .20121001(5 .156010)(6010故可得该轴承绝对满足要求。2.7.32.7.3 蜗轮轴的较核蜗轮轴的较核. .1. 蜗轮轴上的转矩为 2865 .TN mm2. 求作用在蜗轮上的力 3.95taFFN20atFFN 7.4rrFFN 3 确定轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢,调质处理，按式 4-2 初估轴的最小直径。查表取，115A 可得移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 23 页 共 34 页 mmnPAd7 . 710003. 01153322min所以取10dmm图 2-8. 蜗轮轴的结构图4. 轴的强度较核 求轴的载荷 1 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图.轴的支承跨距.40Lmm 根据轴的计算简图作出轴的弯矩图,扭矩图和当量弯矩图(见图 2)，从轴的结构图和当量弯矩图中可以看出,截面的当量弯矩最大,是轴的危险截面。截面处CC的,及的数值如下：HMVMMTcaM 支反力 水平面 13.951.97522tHFRN第 24 页 共 34 页 21.975HRN 垂直面 18.352aVarrF dRMFFN 210.95VrVRFRN 弯矩和 水平面 HMVMmmNRMHH.5 .39201 垂直面 mmNRMVV.167601 合成弯矩 M22171.6 .HVMMMN mm 扭矩 T T=2865.N mm 当量弯矩 caMmmNTMMca.5 .172722 较核轴的强度 2 轴的材料为 45 钢,调质处理，由表 4-1 查得 则2650/BN mm,即。取，轴的计算应力为: 0.09 0.1B258 65/N mm2 60/N mm 23/22. 4171 . 05 .1727mmNWMcaca 根据计算结果可知,该轴满足强度要求。5. 精确较核轴的疲劳强度 判断危险截面 1危险截面应该是应力较大,同时应力集中较严重的截面。从受载情况观察,截面 C 上的最大,但应力集中不大,而且这里的轴径最大,故截面 C 不必较核,从应caM力集中对轴的疲劳强度削弱程度观察,截面 4 的应力集中最严重且受扭矩的作用,分析可知危险截面为 4 截面(左侧)。 计算危险截面应力 2截面左侧弯矩为 MmmNM.9 .424010206 .171截面上的扭矩为 T2865 .TN mm抗弯截面系数 3335 .337151 . 01 . 0mmdW抗扭截面系数 333675152 . 02 . 0mmdWT移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 25 页 共 34 页截面上的弯曲应力 242.90.13/337.5bMN mmW截面上的扭转剪应力 228654.25/675TTN mmW弯曲应力幅 20.13/abN mm弯曲平均应力 0m扭转切应力的应力幅与平均应力相等,即 24.252.125/22amN mm 确定影响系数 3轴的材料为 45 钢,调质处理，由表 4-1 查得, 2600/BN mm,。21275/N mm21140/N mm轴肩圆角处的有效应力集中系数,，根据, kk/1/150.067r d ,由表 4-5,经插值后可得,。/17/151.13D d 1.58k1.25k尺寸系数,，根据轴截面为圆截面查图 4-18，得,。0.880.9表面质量系数,，根据和表面加工方法为精车,查图 4-2600/BN mm19,得。0.88材料弯曲,扭转的特性系数,，取,。0.10.05由上面结果可得9 .133801 . 013. 058. 12751makS7 .50125. 205. 0125. 225. 11401makS2250.7caS SSSS查表 4-4 中的许用安全系数S值,可知该轴安全。第 26 页 共 34 页2.7.42.7.4 蜗轮轴上轴承的选型蜗轮轴上轴承的选型 根据蜗轮轴的轴径为了便于安装初选角接触球轴承型号为:轴承代号基本尺寸/mm安装尺寸/mm基本额定载荷/ KN极限速度( /min)r质量kg7002cd=15D=32B=9minmaxmax17290.3aaasdDr6.253.42rorCC240000.0281. 计算轴承的支反力 (1) 水平支反力 123.951.97522tHHFRRN (2) 垂直支反力 1(200.5)/40VrmaRFd F27.45N227.45VRN (3) 合成支反力 2211127.5HVRRRN227.5RN2. 轴承的派生轴向力 NYRS98. 53 . 22/5 .272/11 NYRS98. 53 . 22/5 .272/223. 轴承所受的轴向载荷 因由式 5-10221205.9825.98aaKSFSNS 122205.9825.98aaAKSFSN 225.98ASN4. 轴承的当量动载荷 因查表 5-12 111/25.98/27.50.940.19ARe 110.56,2.3XY移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 27 页 共 34 页 由式 5-7 得 NAYRXPr2 .7598.253 . 25 .2756. 011111图 2-9. 轴承受力图 因查表 5-12 222/5.98/27.50.220.19ARe110.56,2.3XY 由式 5-7 得 NAYRXPr2 .2998. 53 . 25 .2756. 0222225. 轴承寿命 因，故应按计算,由表 5-9,表 5-10,查得。按式 5-5 得12rrPP1rP1,1ptff hpfCfnLrprth93106310161095. 0)2 .75121001(16010)(6010故可得该轴承绝对满足要求。第 28 页 共 34 页2.7.52.7.5 键的较核键的较核蜗轮轴键的较核 PPdklT2式中：T传递扭矩， 13TN m d轴径， 15dmm 键与轮毂的接触高度， k6322hkmm 键的工作长度， l1266lLbmm32 3 1022.215 3 6PMPa 许用应力查表 2-21 得 P MPaP120所以，键的校核通过P P2.7.62.7.6 联轴器的选型联轴器的选型1.凸圆联轴器轴径 10mm ,许用转矩 10N.m ,许用转速 1400r/min故根据给出的参数直接选用2.套筒联轴器 轴径 8mm ,许用转矩 71N.m ,许用转速小于 250r/min同样根据给出的参数直接选用.2.82.8 本章小结本章小结 本章主要介绍了智能检测报警机器人的大体结构,详细计算了机器人”机”方面的主要参数并在此基础上进行了具体设计。第 3 章. 驱动机构及其控制方式本章提要 本章介绍智能检测报警机器人驱动机构的组成及其运动分析,对步进电机详细论述其工作原理,性能指标和控制方式。移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 29 页 共 34 页3.1.3.1. 概述概述 步进电机具有控制简便,定位准确等特点。随着科学技术的发展,在许多领域将得到广泛的应用，鉴于传统的脉冲系统移植性不好,本论文提出了微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,用软件的方法产生控制脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电机的转速,旋转角度,转动次数和控制步进电机的运行状态，以简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。3.23.2 步进电机及其控制系统步进电机及其控制系统3.2.13.2.1 步进电机的工作特性步进电机的工作特性 (1) 步进电机的静态转矩特性所谓静态转矩是指电机不改变通电状态,转子不转时的工作状态。步进电机的静态转矩与其转子的位置密切相关,其关系如图 3-1 中,静态转矩特性曲线所示。在静态空载的情况下,相应的定,转子是对齐的,这时电机无力矩输出。若转子受到一负载转矩的作用,电机将会偏转一个角(称为失调角),这时转子的电磁转矩和cTmT负载转矩相等,使转子重新处于平衡状态.转子反向偏转将会产生正向力矩,正向cT偏转将会产生反向力矩。因为,步进电机的电磁转矩方程为: (3-1) 212sdLTI sd当定转子磁极对齐时,电感为最大;当转子磁极处在定子磁极之间,电感最小。sLsL假设电感在两个位置之间的变化为正弦函数,即,则式 3-1 可sL0cos()sLLLp改为: (3-2)211sin()2sTI Lp第 30 页 共 34 页 图 3-1 步进电机静转矩特性这正与前面的分析相同,说明是静转矩是随失调角的正弦函数变化。(2) 步进电机的动态矩频特性步进电机在连续运行时(同步状态下),需要足够的转矩来克服负载转矩和加减速的惯量。步进电机在不同的速度下,所能产生的最大转矩(失步转矩)是不同的,其关系常用动态矩频特性来描述(如图 3-2)。图 3-2 步进电机的力矩-频率特性移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人第 31 页 共 34 页由矩频特性曲线图可见,随着电机运行频率的提高,输出转矩逐渐下降。这是因为,在低频时,相绕组的冲放电是充分的,而当频率逐渐上升后,由于电感的沿时特性,使相绕组的电流波形严重失真,达不到额定值,从而使输出转矩明显减小。动态矩频特性是选用适合的步进电机的重要指标之一。一般情况下,在已知功况的条件下(最大,最小负载力矩),就可以通过电机的动态矩频特性曲线,找出其所能正常工作(不失步)的极限频率范围。动态矩频特性不仅与步进电机本身的性能有关,同时,在很大程度上也受外部驱动电路的特性影响。(3) 启动频率步进电机由静止突然启动,不失步地进入正常运行所允许的最高启动频率，称为启动频率。步进电机的启动频率受转子负载惯量的影响很大,一般随惯量的增大而急剧地减小。步进电机的启动频率远远小于其最高运行频率,而且若电机除了惯量负载之外,还带有摩擦转矩等转矩负载,其启动频率将进一步降低。因此,在实际应用中,为了使电机能正确地从静止状态启动到高频工作状态或反之,必须使用软件或硬件的方法,使电机的速度逐渐的上升或下降,避免速度的突然跳变。(4) 单步运行与振荡步进电机在高速连续运行时,尽管每次绕组电流切换会引起瞬时的力矩波动,但系统惯量通常足以维持稳定的转速。但在单步运行时,情况有所不同，单步运行时,由于驱动脉冲到来,转子受到了一个突然的冲击力作用移动到了下一个位置,但由于惯性的作用,转子会冲过平衡位置,然后在电磁力矩的作用下被拉回并再一次超过平衡位置,形成一个振荡过程。因此,在需要频繁启动和急停的精确定位系统中,必须通过增加阻尼的方法,来减轻单步振荡所带来的不利影响。3.2.23.2.2 步进电机的开环控制系统步进电机的开环控制系统开环控制系统是指控制器(单片机)根据预先设定的程序