毕业设计（论文）-机器人模块化关节及手臂的设计(含全套CAD图纸)

优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763毕业设计题目机器人模块化关节及机械臂设计学生姓名学号系部专业班级指导教师二一四年X月毕业设计（论文）报告纸I摘要机器人既有人对环境的快速反应和分析判断能力，又有可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上说它是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。本设计在参考了大量文献资料的基础上，设计了一种模块化小型机器人。其中模块化大臂有两个自由度。首先针对设计要求，选择了最优方案进行了机器人的本体结构设计。然后对大臂进行模块化设计；最后对整个机器人大臂驱动控制电路进行设计。关键词机器人，模块化，结构设计，控制电路毕业设计（论文）报告纸IIABSTRACTTHEROBOTHASONTHEENVIRONMENTOFRAPIDRESPONSEANDTHEANALYSISJUDGMENTABILITY,BUTALSOALONGTIMECONTINUOUSWORKING,HIGHPRECISION,ANTIADVERSECIRCUMSTANCEABILITYINASENSEITISTHEPRODUCTOFTHEEVOLUTIONOFTHEMACHINE,ITISTHEINDUSTRIALANDNONINDUSTRIALPRODUCTIONANDSERVICEEQUIPMENT,AUTOMATIONEQUIPMENT,ADVANCEDMANUFACTURINGTECHNOLOGYISINDISPENSABLETHEDESIGNONTHEBASISOFALOTOFLITERATURE,THEDESIGNOFAMODULARROBOTTHEMODULARARMHASTWODEGREESOFFREEDOMFIRSTLY,ACCORDINGTOTHEDESIGNREQUIREMENTS,SELECTTHEOPTIMALSCHEMEDESIGNOFTHEROBOTSBODYSTRUCTURETHENTHEMODULEDESIGNOFTHEARMTHEENDOFTHEROBOTARMDRIVECONTROLCIRCUITDESIGNKEYWORDSROBOT,MODULAR,STRUCTUREDESIGN,CONTROLCIRCUIT毕业设计（论文）报告纸III目录摘要IABSTRACTII第一章引言111机器人的发展概况112中国研制机器人的情况213机器人产业3131工业机器人市场前景4132发展机器人产业的意义414机器人模块化关节研究的意义4第二章机器人的总体设计621机器人的组成及各部分关系概述6驱动7图22部分关系图722机器人的设计分析7221设计要求7222总体方案拟定7223模块化大臂技术性能参数8第三章机器人模块化关节整体设计计算931机器人机械传动原理932机械结构设计的特点1133机械结构的计算13331模块化大臂的设计与电动机的选择13332计算传动装置的总传动比和分配各级传动比14333计算传动装置的运动和动力参数14334传动零件的设计与计算15（二）直齿圆柱齿轮强度设计（II轴）182、选取齿轮齿数2241机器人驱动组成2642步进电机控制26毕业设计（论文）报告纸IV421步进电机驱动芯片的选择26422步进电机驱动电路设计27423程序控制流程及代码2943直流电机控制31431直流电机驱动芯片的选择31432直流电机驱动电路设计33433直流电机PWM调速33434闭环反馈控制模块34335程序控制流程及代码3651本论文所取得的结果4052技术展望40参考文献41致谢42毕业设计（论文）报告纸1第一章引言11机器人的发展概况第一代遥控机械手1948年诞生于美国的阿贡实验室，当时用来对放射性材料进行远距离操作，以保护原子能工作者免受放射线照射。第一台工业机器人诞生于1956年，是英格尔博格将控制技术与机械臂相结合的产物。当时，主要是为了克服串联机构累积的系统误差，以便达到较高的空间定位精度，提出了示教再现的编程方式，从而使重复定位精度差不多比绝对定位精度提高了一个数量级。至今绝大部分使用中的工业机器人仍采用这种编程方式。第一台工业机器人的商用产品诞生于1962年，当时，其作业仅限于上、下料。尔后的发展比预想中的要慢。20世纪60年代，美、英等国很多学者，把机器人作为人智能的载体，来研究如何使机器人具有环境识别、问题求解以及规划能力，祈望使机器人具有类似人的高度自治功能，结果是始终停留在实验室阶段。其中美国著名的斯坦福研究所的眼车计划，虽然形式上实现了心理学中典型的猴子和香蕉问题的求解，然而由于距离解决实际中的复杂问题太远，因而得不到进一步的支持，只好于1972年中止。20世纪60年代末至70年代中，世界上很多著名的实验室、大学和研究所，如英国的爱丁堡大学人工智能实验室，英国的斯坦福大学、斯坦福研究所、麻省理工学院，以及日本的日立中央研究所等，都在致力了机器人装配作业的研究，单纯从技术出发模仿人进行的作业，或实现看图装配，或自动装配顺序生成等。由于当时的工业水平还没有发展到相应的阶段，无法解决所遇到的技术难题，另一方面因耗费巨大而无法得到应用部门的支持。至20世纪70年代中，由于所订目标过高，除了局部单元技术方面取得不少有意义的成果外，整体上说大部分研究没有取得有意义的实际结果。1968年，日本川崎重工引进美国UNIMATION公司的UNIMATE机器人制造技术，开始了日本机器人的时代，经过近十年的努力，开发了点焊、弧焊及各种上、下料作业的简易经济型机器人。成功地把机器人应用到汽车工业、铸塑工业、机械制造业，从而大大地提高了制成品的一致性及质量，形成了一定规模的机器人产业。20世纪70年代，出现了更多的机器人商品，并在工业发达国家的工业生产中逐步推广应用。1979年公司UNIMATION推出了PUMA系列工业机器人，它的关节由电动机驱动，可配置视觉、触觉、力觉传感器，是技术较为先进的机器人。到1980年，全世界有2万余台毕业设计（论文）报告纸2机器人在工业中应用。20世纪80年代工业机器人产业得到了巨大的发展，但是所开发的四大类型机器人（点焊、弧焊、喷涂、上下料）主要用于汽车工业。工业化国家的机器人产值，以年均2040的增长率上升。1984年全世界机器人使用总台数为8万台，到1985年底，己达14万台，到1990年已有30万台左右，其中高性能的机器人所占比例不断增加，特别是各种装配机器人的产量增加较快，和机器人配套使用的机器视觉技术和装备也得到迅速发展。1985年前后，FANUC和GWF公司又先后推出了交流伺服驱动的工业机器人产品。随着以提高质量为目的的装配机器人及柔性装配线的开发成功，1989年机器人产业首先在日本，之后在各主要工业国呈发展趋势。进人20世纪90年代后，装配机器人及柔性装配技术将进入大发展时期。日本一直拥有全世界机器人总数的60左右。到1998年，美国拥有机器人8万台，德国为7万多台，分别占世界机器人总数的15和13左右。到2000年，服役的机器人总数约100万台。机器人大都工作于结构性环境中，即工作任务、完成工作的步骤、工件存放的位置、工作对象等都是事先已知的，而且定位精度也是完全确定的，所以机器人完全可以按事先示教编好的程序重复不断地工作。当自动化进一步向建筑、采掘、运输等行业扩展时，其环境则是非结构化的，不能事先确定，或至少不能完全确定，总任务虽可事先确定，但如何去完成，要根据当时的实际情况来确定与制订。因此，研究具有感知、思维，能在非结构环境中自主式工作的机器人就成了机器人学研究的长远目标。实践证明，要达到这一目标，还需经过长时期的努力，等待此重要技术有所突破，特别是机器视觉、环境建模、问题求解、规划等智能问题上。因此，20世纪80年代末，各国把发展的目标调整到更现实的基础上来，即把以多传感器为基础的计算机辅助遥控加上局部自治作为发展非结构环境机器人的主要方向，而把智能自治式机器人作为一个更长远的科学问题去探索。另外一个值得注意的方向是传统机械的机器人化。日前，数控机床、工程机械、采掘机械等已开始向这一方向发展，进一步的发展将会带来这些机械本身的革命。综上所述，机器人的发展已不局限于机器人本身，而将作为新一代整个机器的发展方向。12中国研制机器人的情况我国研究机器人的起步时间，其实并不比国外晚很多，大概在20世纪70年代前，当时，北京自动化研究所和沈阳自动化研究所相继开展了机器人技术的研究工作，但是由于种种原毕业设计（论文）报告纸3因，机器人技术研究及应用推广在我国十分缓慢。直到90年代初，也就研制了150台左右，而且大部分是作为演示用的，不能在生产实践中发挥作。这些机器人也是以第一代机器人为主，这与当时世界25万台的机器人总量相比，差距很大。造成这种现象的原因很多，其中与我国在机器人领域的研究队伍较小，机器人技术教学工作薄弱不无关系。从90年代开始，情况已经有所好转。早期的“863”计划已经把机器人技术作为重要的攻关内容，国家科委和国家自然科学基金委员会也都相继资助了一批有关机器人的研究项目。在高等学校中，也陆续开展了机器人的教学课程和机器人技术的研究工作。到目前为止，我国在机器人的技术研究方面已经相继取得了一些重要成果，在某些技术领域已经接近国际前沿水平，比如，我国自行研制的水下机器人，在无缆的情况下可潜到水下6000米，而且具有自主功能，这一技术达到了国际先进水平。但是从总体上看，我国在智能机器人方面的研究可以说还是刚刚起步，机器人传感技术和机器人专用控制系统等方面的研究还比较薄弱。另外，在机器人的应用方面我国就显得更为落后，国内自行研制的机器人当中，能真正应用于生产部门并具有较高可靠性与良好工作性能的并不多。在这方面，北京自动化研究所研制的PJ型喷漆机器人可以说是国内值得骄傲的一种机器人，其性能指标已经与国际同类水平相当，而且在生产线上也经过了长期检验，受到了用户的好评，现已批量生产。截止到1997年，我国自行研制的机器人大约有了350台，其中半数以上是用以演示或科研，真正在产业部门应用的大约只有100台。加上进口的机器人，我国目前的机器人数量大约为1100台。值得一提的是，最近几年，我国在汽车、电子行业相继引进了不少生产线，其中就有不少配套的机器人装置。另外，国内的一些大专院校和科研单位也购买了一些国外的机器人，这些“洋机器人”的引入，也为我国在相关领域的研究工作提供了许多借鉴。13机器人产业机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工业机器人是典型的机电一体化高科技产品，自从20世纪50年代美国制造第一台机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，它对于提高生产自动化水平、劳动生产率和经济效益，保证产品质量，改善劳动条件等方面的作用日益显着。工业机器人代替人力劳动是必然的趋势，和计算机技术一样，工业机器人的广泛应用，正在日益改变着人类的生活方式。机器人工业已成毕业设计（论文）报告纸4为世界各国备受关注的产业。在制造业领域，机器人的开发集中在执行制造过程的工程机器人手臂上。在航天工业中，机器人技术集中在高度专业的一种行星漫步者上。不同于一台高度自动化的制造业设备，行星漫步者在月亮黑暗的那一面工作没有无线电通讯科恩能够碰到以外的情况。至少，一个行星漫步者必须具备某种传感输入源、某种解释该输入的方法和修改它的行动以响应改变着的世界的方法。此外，对感知和适应一个部分未知的环境的需求需要智能（换句话说就是人工智能）。131工业机器人市场前景从20世纪下半叶起，世界机器人工业一直保持着稳步增长的良好势头，进入90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10左右。据联合国颁布的最新调查显示，2000年世界机器人工业增长率达到15左右，一年增加了近10万台机器人，使世界机器人总拥有量达到75万台以上，世界机器人市场呈现出日益兴旺的大好态势，目前为止，工作在世界各领域的工业机器人将突破百万台。132发展机器人产业的意义随着世界经济的发展和经济全球化，国内外的市场竞争将日趋激烈，企业必须走工业全面自动化的道路。机器人的出现，正是顺应了工业自动化新阶段柔性化的社会需要，是社会经济发达的必然产物。机器人的产业化及其广泛应用，必将为社会带来巨大的经济效益，把人类从繁重的体力劳动和有害环境中解放出来。应用机器人可对提高社会生产如下的积极影响1可以极大地提高劳动生产率2可以实现劳动作业省力化3可以提高企业的市场竞争力4可以扩大就业机会，提高技术创新能力14机器人模块化关节研究的意义机器人能完成许多不同的任务,但一台机器人能完成任务的范围会受其自身机械结构的限制模块化机器的出现使问题迎刃而解,其通过“搭积木”的方式重新组合模块,可满足不同任务的需要根据智能服务机器人手臂关节的模块化要求,本文设计了一种集机械结构、控制、驱动及通信于一体的模块化手臂关节单元,满足服务机器人不同的工作需要,可以进行灵活的手臂功能组合。毕业设计（论文）报告纸5“模块化设计”是针对常规机器人的设计方法的不足提出的。模块化是系统设计和建立的一种现代方法。模块化正成为自1990年以来机器人多功能性、灵活性和容错性研究后新的机器人研究热点，近年来引起了日本、美国等大学和研究机构的极大兴趣。机器人采用模块化设计的优点重构性好；冗余性好；装配方便；灵活性好；便于维护。本课题将对于机器人模块化关节及手臂的设计研究，其优点是应用前景广阔，开展机器人手臂模块化设计的研究，无论从机器人本身来看，还是从当前我国的机器人应用现状来看，都有着重要的现实意义。而机械手臂是服务机器人系统中很重要的组成部分，它的结构、灵活性、模块化组合能力都影响服务机器人的整体性能，所以研制具有小型化、集成化和模块化特点的手臂关节单元具有重要的实用价值。能为经济发展做出一些有意义的探索，对社会能提供为人们服务的更方便的一种工具，对学术上能进一步完善机器人研究的理论，促进其进一步的发展。通过对机械电子工程（机电一体化方向）专业大学本科的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的机器人关节及手臂的设计，能够比较好地体现机械电子工程（机电一体化方向）专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。毕业设计（论文）报告纸6第二章机器人的总体设计21机器人的组成及各部分关系概述工业机器人主要由机械系统执行系统、驱动系统、控制检测系统及智能系统组成。具体组成部分见图21。图21工业机器人的组成图执行系统执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、臂部、机身等。手部又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。腕部又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。臂部是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。机身是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。驱动系统为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。控制系统通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。检测系统作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反控制系统机械系统工业机器人智能系统执行机构驱动系统末端执行系统手臂机构腰部机构基座直流伺服系统毕业设计（论文）报告纸7馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。其各部分关系图可见图22。驱动图22部分关系图22机器人的设计分析221设计要求本次机器人模块化关节及手臂的设计要求为机械臂长1M左右，单个关节的自由度不少于2个，或者机械臂自由度不少于4个，机械臂长15CM左右机器人模块设计时应遵循以下准则（1）保证模块的功能、重量、尺寸在电气和机械上切实可行。（2）模块划分时应使机器人手臂各模块功能独立性最大。（3）相同模块在结构和功能上应具有互换性；而性能和结构各异而功能相同的模块也应能互换使用，以便设计出系列化产品。（4）模块间接口要尽量简单，而且应能单独拆卸，这样便于安装、调试和维修。机器人手臂通常分为两种模块连杆模块和关节模块。每种模块之间除了标准化的机械接口外，其设计相互独立。（1）关节模块通常有电机、减速器、和控制器等组成。关节模块主要有单自由度或两自由度或三自由度关节模块222总体方案拟定本设计机器人的诸多功能中，移动是最主要的功能。这项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定机器人，利用直流伺服电机驱动和两级直齿轮传动来实现机器人腰部的旋转运动；利用直流伺服电机驱动和三级直锥齿轮传动来实现机器人大臂的回转运动；利用直流伺服智能系统位型检测驱动传动装置机械系统控制系统执行机构工作对象毕业设计（论文）报告纸8电机和三级直锥齿轮传动实现机器人小臂的回转运动。其机器人的外形图可见图23。223模块化大臂技术性能参数驱动方式由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型机器人等特点，故本次设计采用了步进电机驱动传动系统设计机器人传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高机器人的运动和位置控制精度。在机器人中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动。运动速度机器人操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用M/S或（）/S表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。本设计中的两个自由度模块化大臂的有关技术参数见表21。表121技术参数机器人类型关节型模块化大臂自由度数3最大速度15M/S驱动方式步进电动机毕业设计（论文）报告纸9第三章机器人模块化关节整体设计计算31机器人机械传动原理本课题设计的是一种小型装配机器人。该机器人为平面多关节型，模块化大臂具有两个自由度。采用直流伺服电机驱动，因此控制简单，编程操作方便。机身采用薄壁整体铸件，这样可以使结构轻巧，使用灵活。内部铸件既作为内部齿轮安装壳体与轴的支撑座，又作为承力骨架，这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体减少质量。为了保证较高的传动精度和较好的加工工艺性，其传动均采用齿轮传动。其中基座与立柱部分安装有关节1的电机，气传动部分采用双级直齿传动；大臂部分安装关节2和关节3的电机，采用三级齿轮传动。其中第一级采用锥齿轮，以改变传动方向90。第二、三级均采用圆柱直齿轮进行减速。关节2传动的最末一个大齿轮固定在立柱上，关节3传动的最末一个大齿轮固定在小臂上。其设计部分的传动原理如图31所示。876543211关节1电机；2大臂；3小臂；4基座；5关节2电机；6关节3电机；7关节4电机；8关节5电机图31传动原理图毕业设计（论文）报告纸1032机械结构设计的特点为了保证较高的传动精度，其各对齿轮都设计有消除齿轮间隙的调整机构。选择偏心套筒，结构形式如图32。其调整方法为首先松开锁紧螺母，将专用扳手插入调整孔转动偏心衬套，以调整齿轮啮合的偏心距，消除传动间隙，最后拧紧螺母。在转轴的连接上，采用了一种结构新颖，工艺简单的弹性万向联轴器，如图33。这种联轴器由金属整体加工而成。其两端为夹紧轴的结构，有两个螺钉，一个用来顶紧轴，防止轴相对转动；一个用来锁紧，防止轴的轴向松动。联轴器中段为刻有螺旋槽的弹簧式结构，使其在轴向、周向都有较大的柔性，以致能朝任意方向弯曲。能补偿两轴不同轴的偏斜以及轴向长度偏差。此外它还能起到缓和冲击、衰减振动的作用。为了保证操作过程中安全可靠，在关节1电机轴上各装有一个电磁制动阀。当切断电源时，关节1产生制动，使腰部保持原有姿态，电磁制动阀原理如图34所示。当腰部电源被切断时，弹簧1把活动压块紧压锥形块4，而锥形块4与轴5是固定连接的。由于摩擦，轴5被锁住。当手臂电源接通时，电磁铁8通电产生磁力，把活动压块6吸向电磁铁，即与锥形块4脱开，于是轴就能自由转动。1轴承；2偏心套；3调整孔；4机体；5锁紧螺母；6圆锥齿轮；7联轴器图32间隙调整结构毕业设计（论文）报告纸11机体结构简单，重量轻。大、小臂均采用薄臂与整体骨架构成的结构形式，有利于提高刚度，减轻重量。内部铝铸件形状复杂，既用作内部齿轮安装壳体与轴的支撑座，又兼作承力骨架，传递集中载荷。这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体重量减轻。手臂与铸件骨架采用铰接，使连接件减少，工艺简单，减轻了重量。轴承外形环定位简单。一般在无轴向载荷处，轴承外环采用端面打冲定位的方法。采用薄臂轴承与滑动称套，以减少结构尺寸，减轻重量。有些小尺寸齿轮与轴加工成一体，减少连接件，这增加了传递刚度。大、小臂结构密度大，很少有多余空隙。如电机与外臂仅有05MM间隙，手腕内部齿轮传动安排亦是紧密无间。这样使总的尺寸减少，重量减轻。由于是垂直多关节型的结构，机器人的工作范图33弹性万向联轴器1弹簧；2支柱；3螺母；4锥形快；5轴；6活动压块；7定位快；8电磁阀；9电机支撑件；10电动机图34电磁制动阀工作原理图毕业设计（论文）报告纸12围大适应性广，因此它工作时位置的适应性很强。重复定位精度高。这是由于在结构上采用了刚性齿轮传动，调整齿轮间隙结构，弹性万向联轴器，并且加工精密，多用整体铸件的结果。33机械结构的计算331模块化大臂的设计与电动机的选择由于系统的整体性能主要取决于机座及大臂部分的驱动及传动能力，因此必须对其进行详细的设计计算。下面是大臂部分的设计计算和电动机的选择。首先是电动机的选择，由于大臂及机器人的大概尺寸和本体质量约为20KG，初步估计大臂及小臂质量，腕部最大负载2KG，大臂回转时的最大回转体半斤R为KGM81692MM，故大臂转动的转矩，转动惯量，角加速度JT22314MKGMRJ，故，大臂的转动速度为；22/31SRADRVMN0219IN/14/RVN；WKNTP89504（31）23CGRW为联轴器的传动效率,为一对圆柱齿轮的传动效率,为一对滚动轴承的传动效率,CGR为一对锥齿轮的传动效率,为肩关节传动的总传动效率。W23CGRW230980970895WPD185初步选定电动机满载转速,满载功率800W。型号选择为QZD08型直流MIN/70RNM电动机。毕业设计（论文）报告纸13表31电动机技术数据电压（V）功率（W）电流（A）转速（R/MIN）效率（）绝缘等级2480045170072B332计算传动装置的总传动比和分配各级传动比传动装置总传动比；051247NNIM分配传动装置的传动比（32）21GWI为关节中锥齿轮的传动比,为关节中第一对圆柱齿轮的传动比,为关节中第二对圆WI1GI2GI柱齿轮的传动比。为使锥齿轮外廓尺寸不致过大取传动比,分配,所以。3WI751GI51/2GWGII333计算传动装置的运动和动力参数1、各轴转速I轴MIN/170RNIII轴IN/7563RIWIIII轴I/4291IGII大臂输出转速MIN/8652RINGI2、各轴功率I轴62970931RWCDPIII轴WGRII38627毕业设计（论文）报告纸14IIIRIIP3、各轴转矩电动机轴MNNPTMD317580950I轴II62II轴TII74853950III轴MNNPII26901334传动零件的设计与计算（一）锥齿轮强度设计1、选择齿轮材料、热处理由于闭式齿轮传动、传递功率不大，所以选用软齿面齿轮，齿轮材料45钢。小齿轮调质，齿面硬度230240HBS，大齿轮正火，齿面硬度190200HBS。2、选择齿轮精度等级、齿数、齿宽系数选取；19Z571932ZIW312ZU锥齿轮推荐齿宽系数，因齿轮悬臂布置，取。0R260R3、确定相关系数；（33）7218946013COS21U；（34）37162091COS22U毕业设计（论文）报告纸15当量齿数；2094861COS1ZV18036257COS22ZV当量齿轮端面重合度；01321VVAZ4、按齿面接触强度设计对闭式软齿面齿轮传动，承载能力一般取决于齿面接触强度，故按接触强度设计，校核齿根弯曲强度。（35）MZUKTDHERR32211504确定式中各项数值NTI1因载荷平稳，可初选载荷系数41TK查得MPAZE819对的直齿锥齿轮，20502HZ9116783146HJLNN；（36）891205WIN按允许一定点蚀，查得，；801HNK32HN按小齿轮齿面硬度平均值235HBS，在MQ和ML线中间（适当延长MQ和ML线）查取，同理，查取；MPAH5402LIMMPAH92LIM选取；IN1S；（37）PASKHN5291804MIN1L1毕业设计（论文）报告纸16；（38）MPASKHN402139MIN2L2取设计齿轮传动参数。240HMPA将确定出的各项数值代入接触强度设计式（35）中，得；MZUKTDHERR6950143221查得；0AKV810则；13；331096974DTMK19704DZ选取第一系列标准模数。55、校核齿根弯曲疲劳强度；（39）150142321FSAFFUMZRYKT查得；127FAY16SA2FA285SA查得，；90,821HNHNK按小齿轮齿面硬度均值235HBS，在ML线适当延长上查得；同理查LIM1340FMPA得LIM2310FMPA选取；IN5S；MPASKPAKFHNFFHNF23236MIN2LI2MIN1L1将确定出得各项数值代入弯曲强度校核公式（39），得毕业设计（论文）报告纸17；2211548FFFMPAPA齿根弯曲疲劳强度足够。6、确定锥齿轮传动主要几何参数；1905DMZM257028DZM；21191R；06530B取齿宽124BM；111COS2COSFFDHD9520948632M；222FF8151；111COSCOS9509460AADHDM；22283128AAM（二）直齿圆柱齿轮强度设计（II轴）1、选择齿轮材料热处理精度等级因是一般用途的齿轮传动,齿轮材料可选用45钢,传递功率不大,且结构尺寸无严格要求,可选用软齿面齿轮传动，选小齿轮调质,齿面硬度230240HBS,大齿轮正火,齿面硬度190200HBS,精度为7级。2、选取齿轮齿数闭式软齿面齿轮传动,可以多选些,初选；1Z9153271IZZ，取,传动比。1542Z704521I毕业设计（论文）报告纸183、按齿面接触疲劳强度设计对闭式软齿面齿轮传动，承载能力一般取决于齿面接触强度，故按接触强度设计，校核齿根弯曲强度。；（310）32112HEDZUKT确定式中各项数值因载荷平稳,可初选载荷系数；41TK选取；50D查得；MPAZE819对的直齿圆柱齿轮，；20A502HZ；811638146JLHNN；812075I按允许一定点蚀，查得，；21HNK132HN按小齿轮齿面硬度平均值235HBS，在MQ和ML线中间（适当延长MQ和ML线）查取，同理，查取；MPAH5402LIMMPAH902LIM选取；IN1S；（311）51PA024SKHMINN1L1毕业设计（论文）报告纸19；（312）41MPA390SKHMINN2L2取设计齿轮参数。41MPAH2；83M104528019750214D31T；（313）S/23016083160NDVT查得；01AK2V5K则；7；MKDTT51042831031；选取38902751ZM40齿轮主要几何尺寸；（314）MZMA2361547021取中心距，则；A36D81ZD612；取，。458101DBB6214、校核齿根弯曲疲劳强度毕业设计（论文）报告纸20；（315）MBDYKTSAFF12按查得271Z154；81FAY61SA142FAY872SA查得；901HNK902HN按小齿轮齿面硬度均值235HBS，在ML线适当延长上查得；同理，LIM1340FMPA查得；LIM2310FMPA选取；IN5S；24MPA18903KFMINHNL1F1；23A51093SFMINHN2LF2将确定出的各项数值代入弯曲强度校核公式（315），得；F1F19MPA5740816685272；F2SA1F22F6A58261957Y齿根弯曲疲劳强度足够。（三）直齿圆柱齿轮强度设计（III轴）1、选择齿轮材料热处理精度等级毕业设计（论文）报告纸21因是一般用途的齿轮传动,齿轮材料可选用45钢,传递功率不大,且结构尺寸无严格要求,可选用软齿面齿轮传动,选小齿轮调质,齿面硬度230240HBS,大齿轮正火,齿面硬度190200HBS,精度为7级。2、选取齿轮齿数闭式软齿面齿轮传动,初选；760419192IZZ，取,传动比；72Z054271I3、按齿面接触疲劳强度设计对闭式软齿面齿轮传动，承载能力一般取决于齿面接触强度，故按接触强度设计，校核齿根弯曲强度。；（316）3212HEDZUKT确定式中各项数值因载荷平稳,可初选载荷系数；31TK选取；50D查得；MPAZE819对的直齿圆柱齿轮，；20A502HZ；711983179846JLHNN；791202504I毕业设计（论文）报告纸22按允许一定点蚀，查得，；15HNK241HN按小齿轮齿面硬度平均值235HBS，在MQ和ML线中间（适当延长MQ和ML线）查取，同理，查取；MPAH5402LIMMPAH3902LIM选取；IN1HS；621MPA540KHMINN1L1；48A1390SHMINN2L2取设计齿轮参数。48MPAH2；179M485290140550193D1T；S/9M106279106NVT查得；AKV25K01则；621；MKDTT739731毕业设计（论文）报告纸23；选取。93017ZDM1M齿轮主要几何尺寸；MZMA48271921则；D911ZD712；取，。501BDMB02014、校核齿根弯曲疲劳强度；（317）BDYKTSAFF12按查得19Z72；851FAY41SA25FAY721SA查得；9301HNK6902HN按小齿轮齿面硬度均值235HBS，在ML线适当延长上查得；同理查LIM1340FMPA得；LIM2310FMPA选取；IN5S；253MPA19034KFMINHNL1F1；8256SFINHN2LF2毕业设计（论文）报告纸24将确定出的各项数值代入弯曲强度校核公式（317），得；F1F1485MPA19070582462；F2SA1F22F2Y齿根弯曲疲劳强度足够。毕业设计（论文）报告纸25第四章控制系统的设计41机器人驱动组成机器人驱动设计主要包括步进电动机和直流电动机的控制。其中包括各驱动芯片的选择，驱动电路的设计以及程序的编制。42步进电机控制步进电动机控制主要实现电动机启动、停止、正转、反转。以满足机器人能够实现关节动作421步进电机驱动芯片的选择步进电机的功率驱动芯片我们选择SGS公司的L298。L298功率集成电路采用SGS公司特有的MULTIWATT塑料封装，15个引脚，可用螺钉固定在散热器上。L298内含的功率输出器件设计制作在一块石英基片上，由于制作工艺的同一性，因而具有分立元件组合电路不可比拟的性能参数一致性，工作稳定。L298是双H桥高电压大电流功率集成电路，它接受标准TIL逻辑信号，可以用来驱动继电器、线圈、直流电动机和步进电动机等电感性负载。两个H桥能够使其接受或不接受输入信号。它的每个H桥的下侧臂晶体管发射极连在一起，相应外接电流检测电阻。L298的内部结构如图41所示图41L298内部结构图L298各引脚特性如下CURRENTSENSINGA和CURRENTSENSINGB（引脚1和引脚15）用来连接电流检测电阻；LOGICSUPPLYVOLTAGEVSS（引脚9）接逻辑控制部分的电源，常用5V；毕业设计（论文）报告纸26SUPPLYVOLTAGEVS（引脚4）为电机驱动电源；INPUT1，INPUT2，INPUT3，INPUT4（引脚5，7，10，12）输入标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关；ENABLEA和ENABLEB（引脚6和引脚11）为使能控制端，当为低电平时，L298不工作；OUTPUT1，OUTPUT2，OUTPUT3和OUTPUT4（引脚2，3，13，14）为输出，控制步进电机GND（引脚8）则为接地脚。L298的封装及各管脚如图42所示图42L298的封装图422步进电机驱动电路设计本设计中将步进电机采用L297/L298实现环行分配器与功率放大器的功能。L297是步进电机控制集成芯片（包括环形分配器），采用模拟/数字电路兼容的IL工2艺，20脚DIP塑料封装，常以5V供电，全部信号线是TTL/CMOS兼容。L297四相驱动信号，应用于微处理机控制两相双极性和四相单极性步进电机。电动机可由半阶梯、正常和斩波驱动模式驱动，同时设于晶片内的PWM斩波线路容许以开关形式控制线路的电流。此器件只需要时钟、方向和模式输入信号。相位是由内部产生的，因此可减轻微处理机和程序设计的负担。单片机、L297、L298构成步进电动机控制驱动器电路，单片机发出时钟信号、正反转信号、工作模拟信号、复位信号、使能输入信号及控制信号。毕业设计（论文）报告纸27图43步进电机驱动电路L297的引脚（17）控制电机的转向，取1和取0时的转向相反，CW/（18）为步进脉冲信号输入端，在每一个脉冲的下降沿，电机产生一步步进。CLOK（19）为半步或基本步矩模式设置，为1时是半步模式，为0时是基本步距。FU/HA取低电平，当脉冲分配器工作于奇数状态，则为两相激励方式；当工作于偶数状态，则为单相激励方式。（11）斩波控制，当为0时控制（5）和CONTRL1INT（8）；当为1时控制。（10）使能输入，当为0时，、2INTABDE2I、和（4，6，7和9）都为0。（20）是异步复位信号，其作用是将环行ABCST脉冲分配器复位，当输入为0时，脉冲分配器回到初状态（HOME）,此时状态输出信号（HOME）为1。L298引脚SENSEA和SENSEB（1和15）用来连接电流检测电阻，VSS（9）接逻辑控制部分的电源，常用5V，VS（4）为电机驱动电源，IN1，IN2，IN3，IN4（5，7，10，12）输入标准TTL逻辑电平信号，既从L297的输出口4，6，7，9输出的信号，用来控制H桥的开与关，ENA和ENB（6和11）为使能控制端，毕业设计（论文）报告纸28当为低电平时，L298不工作。OUT1，OUT2，OUT3和OUT4（2，3，13和14）为输出，控制步进电机，GND（8）则为接地脚。用L297输出信号可控制L298双H桥驱动集成电路，构成一个完整的系统，驱动四相步进电动机，最高电压为46V，每相电流达25A。单片机与L297、L298集成电路构成的单片机控制驱动器，具有需要的元件少、可靠性高、占空间少、装配成本低等优点，并且通过软件开发，可以简化和减轻微型计算机的负担。设计电路如图43423程序控制流程及代码步进电动机控制主要实现电动机启动、停止、正转、反转。以满足机器人能够实现左右转弯。在此应用80C51单片机。需要改变运动状态时，由外部开关（S1，S2，）控制单片机中断主程序的执行，实时控制步进电机按命令的要求运动。命令执行结束后，重新返回主程序继续执行。S1用于控制电机正转。S2用于控制电机反转。由设计过程知，采用定时器T0工作于方式1，TMOD值为01H，时间常数为TH00FBH，TL01EH。程序控制流程如图44程序代码如下入口程序ORG0000HLJMPMAINORG000BHLJMPINQP毕业设计（论文）报告纸29开始初始化定时器T0初始化启动定时器T0开中断自动控制子程序图44步进电机控制流程主程序MAINMOVTMOD，01HMOVTH0，0FBHMOVTL0，1EHSETBTR0SETBET0SETBEAAJMPAJMPINQPT0中断程序INQPMOVTH0，0FBHMOVTL0，1EHCJNEP3，0FAH，X1CPLP10SETBP11X1CJNEP3，0F6H，X2毕业设计（论文）报告纸30CPLP10SETBP11X2CJNEP3，0F5H，X3CPLP10CLRP11X3CJNEP3，0F9H，X4CPLP10CLRP11X4CJNEP3，0FEH，X5CPLP10SETBP11X5CJNEP3，0FDH，X7CPLP10CLRP11X6RETI43直流电机控制直流电动机是机器人的动力来源。直流电动机控制主要实现电动机启动、停止、加速、减速。以满足机器人能够实现以不同的速度前进。在此应用SPCE061A单片机。431直流电机驱动芯片的选择直流电机驱动芯片仍然选L298,其芯片引脚功能在421中已经做过介绍在此不在赘述。只对其控制直流电机做说明。L298控制直流电机原理图45如下由以上的L298控制直流电机的原理图知道，当使能端接高电平时，又一下三种情况（1）C端接高电平，D端接低电平，电机前进，即正转；（2）C端接低电平，D端接高电平，电机反向，即反转；毕业设计（论文）报告纸31（3）C端和D端电平一样时，电机快速制动。当使能端接低电平时，电机缓慢的停止转动。图45L298控制直流电机原理图表41L298输出输入信号INPUTSFUNCTIONCHDLFORWARDCLDHREVERSEVENHCDFASTMOTORSTOPVENLCXDXFREERUNNINGMOTORSTOP当电机的电流比较大时，这就需要把L298的输出引脚并联使用，原理图46如下这里要注意的是要把OUTPUT1和OUTPUT4，OUTPUT2和OUTPUT3并联，相应的要把INPUT1和INPUT4,INPUT2和INPUT3并联。毕业设计（论文）报告纸32图46L298输出引脚并联使用原理图432直流电机驱动电路设计图47L298驱动直流电机电路经过上一节对L298的介绍和分析，在这里我们决定采用把L298输出管脚并联的方法来实现直流电机的控制，驱动电路如图47所示433直流电机PWM调速PWM技术是直流电机调速中最为有效的方法，PWM调速的基本思想是以通过电机毕业设计（论文）报告纸33的平均电压和电流做比较，40的时间电源的电机比20的时间接通电源的电机要大。当电机没有接通电源时，它完全不消耗能量这一点正是其高效率的原因。它使驱动芯片和电机的发热减少，从而电池也可以用得更久。图48不同占空比的PWM信号方向幅值示意图有两种方法可以产生PWM信号一种是在频率恒定的情况下产生占空比不同的脉冲，另一种是在占空比恒定的前提下产生频率不同的脉冲，通常被称做脉频调制（PFMPULSEFREQUENCYMODULATION）。由于PFM控制是依靠脉冲频率来改变占空比的，当遇到某个特殊的频率下的机械谐振时，常导致系统震动和出现音频啸叫声，这一严重的缺点导致PFM控制在伺服系统中不适用。故本设计中，采用PWM控制方式实现电机调速。不同占空比的PWM信号方向幅值示意图如图48434闭环反馈控制模块本设计中，采用增量式光电编码器测量移动机器人后轮的实时转速，进而图49闭环控制系统图通过特定算法得到实时电机驱动模块的PWM控制量，实现运动机器人运动的闭环控制。闭环控制系统图如49所示光电编码器俗称码盘，是一种通过光电转换将轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器的基本结构由旋转轴上的编码圆盘以及装在圆盘两侧的发光元件和光敏元件组成。圆盘上规则地刻有透光和不透光的线条或孔，当圆盘随着转轴旋转时，光敏元件接收的光通量强弱随着光线条同步变化，光敏元件波形经过整形输出变为脉冲输出。一般圆盘上还设有定相标志，产生零信号，每转一圈产生一个，又称基准脉冲。此外为判断旋转方向，可提供A，B两路相位相差900的脉冲信号。毕业设计（论文）报告纸34测速元件是速度闭环控制系统的关键元件。下图410为增量式光电码盘，它是一个旋转的脉冲发生器，根据脉冲数目或频率，可测出轴转角及转速。原理是在一圆盘上刻制节距和尺寸相等的透光小孔。圆盘与被测轴相连，图410编码圆盘模型图当被测轴转动时，圆盘跟着一起转动，在圆盘的两侧，装有发光元件和感光元件。根据光线时断时续的变化当光线透过小孔时感光元件就感受信号，反之，当光线被圆盘遮断时，信号即被截止来检测旋转运动。脉冲的频率与圆盘的小孔数N及转速N有关，即为HZNFC60图411编码盘的相位输出其中，N是固定的，故输出脉冲频率FC与转速N成正比。为了判别方向，可以安装两对发光器和受光器。均对准透光孔，严格地相距半个透光孔宽度，这样安装使得码盘旋转时这两只受光器测得的信号V1和毕业设计（论文）报告纸35图412传感器电路V2在相位上总是差90度如下图411。若圆盘顺时针转动V1超前V2，逆时针转动则V2超前V1。该相位上的差别通过鉴相电路就能区别出旋转方向，电路图如图412。335程序控制流程及代码直流电动机控制主要实现加减速及后退。在此应用SPCE061A单片机作为控制芯片。加减速应用PWM技术实现调速。测速采用光电编码器。实现加减速及后退程序代码如下DEFINETIMERA_PWM00X0000/关断DEFINETIMERA_PWM10X0040/1/16DEFINETIMERA_PWM20X0080/