畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人.doc

移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 1 頁(yè) 共 34 頁(yè) 目錄 第 1 章 緒論 3 1 1 智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要意義 3 1 2 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展史 3 1 2 1 國(guó)外機(jī)器人的發(fā)展歷史 3 1 2 2 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展歷史 4 1 3 服務(wù)機(jī)器人的特點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù) 4 1 4 本論文的主要研究?jī)?nèi)容 5 1 5 本章小結(jié) 5 第第 2 2 章章 物體檢測(cè)與報(bào)警機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)物體檢測(cè)與報(bào)警機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 6 2 1 概述 6 2 2 主要組成 6 2 2 1 頭部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 6 2 2 2 主體部 7 2 2 3 電機(jī) 7 2 3 主要技術(shù)參數(shù) 8 2 4 電機(jī)的選型 8 2 4 1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成 8 2 4 2 步進(jìn)電機(jī)的選型比較 9 2 4 3 步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算 10 2 5 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的選型設(shè)計(jì) 12 2 6 電機(jī)的效核 15 2 7 軸的較核及聯(lián)件的選型 16 2 7 1 蝸桿軸的較核 16 2 7 2 蝸桿軸上軸承的選型 20 2 7 3 蝸輪軸的較核 22 2 7 4 蝸輪軸上軸承的選型 26 2 7 5 鍵的較核 28 2 7 6 聯(lián)軸器的選型 28 2 8 本章小結(jié) 28 第第 3 3 章章 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其控制方式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其控制方式 29 3 1 概述 29 3 2 步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng) 29 3 2 1 步進(jìn)電機(jī)的工作特性 29 3 2 2 步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 31 3 3 本章小結(jié) 32 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ) 32 第 2 頁(yè) 共 34 頁(yè) 致致 謝謝 33 參考文獻(xiàn) 34 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 3 頁(yè) 共 34 頁(yè) 第第 1 1 章章 緒論緒論 本章提要 本章從闡述智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的意義出發(fā) 簡(jiǎn)要地回顧智能機(jī)器 人的發(fā)展歷史和當(dāng)前的技術(shù)水平 在此基礎(chǔ)上 對(duì)于智能檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人這一產(chǎn)品 的關(guān)鍵技術(shù) 以及開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 也作了進(jìn)一步介紹 1 11 1 智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要意義智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要意義 智能機(jī)器人是具有感知 思維和行動(dòng)能力的機(jī)器 是機(jī)構(gòu)學(xué) 自動(dòng)控制 計(jì)算機(jī) 人工自能 光電技術(shù) 傳感技術(shù) 通訊技術(shù) 仿真技術(shù)等多種學(xué)科和技術(shù)的綜合 成果 它從一個(gè)側(cè)面反映了一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展的水平 更重要的是 作為新一代生 產(chǎn)和服務(wù)的工具 它在國(guó)民生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域都占有更廣泛 更重要的位置 這 對(duì)于人類開(kāi)辟新的產(chǎn)業(yè) 提高生產(chǎn)和生活水平具有十分現(xiàn)實(shí)的意義 因此智能機(jī)器 人技術(shù)作為科技技術(shù)的一個(gè)分支 受到了世界各國(guó)的普遍重視 發(fā)展智能機(jī)器人技術(shù)將對(duì)一個(gè)國(guó)家產(chǎn)生巨大的影響 主要集中在以下幾個(gè)方 面 1 發(fā)展工業(yè)智能機(jī)器人可以增強(qiáng)一個(gè)國(guó)家的生產(chǎn)制造能力 2 發(fā)展特種智能機(jī)器人可增強(qiáng)國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展能力 3 發(fā)展智能機(jī)器人技術(shù)可以提高國(guó)防實(shí)力 1 21 2 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展史國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展史 1 2 11 2 1 國(guó)外機(jī)器人的發(fā)展歷史國(guó)外機(jī)器人的發(fā)展歷史 美國(guó)是機(jī)器人的誕生地 早在 1962 年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人 比起號(hào)稱 機(jī)器人王國(guó) 的日本起步至少要早五六年 經(jīng)過(guò) 30 多年的發(fā)展 美國(guó)現(xiàn) 已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一 基礎(chǔ)雄厚 技術(shù)先進(jìn) 縱觀它的發(fā)展史 道路 是曲折的 不平坦的 由于美國(guó)政府從 60 年代到 70 年代中的十幾年期間 并沒(méi)有把工業(yè)機(jī)器人列 入重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目 只是在幾所大學(xué)和少數(shù)公司開(kāi)展了一些研究工作 對(duì)于企業(yè)來(lái) 說(shuō) 在只看到眼前利益 政府又無(wú)財(cái)政支持的情況下 寧愿錯(cuò)過(guò)良機(jī) 固守在使 用剛性自動(dòng)化裝置上 也不愿冒著風(fēng)險(xiǎn) 去應(yīng)用或制造機(jī)器人 加上 當(dāng)時(shí)美國(guó) 失業(yè)率高達(dá) 6 65 政府擔(dān)心發(fā)展機(jī)器人會(huì)造成更多人失業(yè) 因此不予投資 也不組織研制機(jī)器人 這不能不說(shuō)是美國(guó)政府的戰(zhàn)略決策錯(cuò)誤 70 年代后期 美 國(guó)政府和企業(yè)界雖有所重視 但在技術(shù)路線上仍把重點(diǎn)放在研究機(jī)器人軟件及軍 事 宇宙 海洋 核工程等特殊領(lǐng)域的高級(jí)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)上 致使日本的工業(yè)機(jī) 第 4 頁(yè) 共 34 頁(yè) 器人后來(lái)居上 并在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上及機(jī)器人制造業(yè)上很快超過(guò)了美國(guó) 產(chǎn)品 在國(guó)際市場(chǎng)上形成了較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力 進(jìn)入 80 年代之后 美國(guó)才感到形勢(shì)緊迫 政府和企業(yè)界才對(duì)機(jī)器人真正重 視起來(lái) 政策上也有所體現(xiàn) 一方面鼓勵(lì)工業(yè)界發(fā)展和應(yīng)用機(jī)器人 另一方面制 訂計(jì)劃 提高投資 增加機(jī)器人的研究經(jīng)費(fèi) 把機(jī)器人看成美國(guó)再次工業(yè)化的特 征 使美國(guó)的機(jī)器人迅速發(fā)展 盡管美國(guó)在機(jī)器人發(fā)展史上走過(guò)一條重視理論研究 忽視應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究的曲 折道路 但是美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際上仍一直處于領(lǐng)先地位 其技術(shù)全面 先 進(jìn) 適應(yīng)性也很強(qiáng) 具體表現(xiàn)在 1 性能可靠 功能全面 精確度高 2 機(jī)器人語(yǔ)言研究發(fā)展較快 語(yǔ)言類型多 應(yīng)用廣 水平高居世界之首 3 智能技術(shù)發(fā)展快 其視覺(jué) 觸覺(jué)等人工智能技術(shù)已在航天 汽車工業(yè) 中廣泛應(yīng)用 4 高智能 高難度的軍用機(jī)器人 太空機(jī)器人等發(fā)展迅速 主要用于掃 雷 布雷 偵察 站崗及太空探測(cè)方面 1 2 21 2 2 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展歷史國(guó)內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展歷史 我國(guó)已在 七五 計(jì)劃中把機(jī)器人列入國(guó)家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容 撥巨款在沈 陽(yáng)建立了全國(guó)第一個(gè)機(jī)器人研究示范工程 全面展開(kāi)了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元 器件研究 十幾年來(lái) 相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn) 點(diǎn)焊 弧焊 噴漆 裝配 等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè) 軍用和特種機(jī)器人 目前 示教再現(xiàn)型機(jī) 器人技術(shù)已基本成熟 并在工廠中推廣應(yīng)用 我國(guó)自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線 在長(zhǎng)春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行 1986 年 3 月開(kāi)始的國(guó)家 863 高科技發(fā) 展規(guī)劃已列入研究 開(kāi)發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容 就目前來(lái)看 我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用 的角度出發(fā) 結(jié)合我國(guó)國(guó)情 加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某 些特種機(jī)器人 1 31 3 服務(wù)機(jī)器人的特點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)服務(wù)機(jī)器人的特點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù) 前面主要介紹了本課題的技術(shù)平臺(tái)智能機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 在這一節(jié)中主要從 產(chǎn)品的角度出發(fā) 介紹智能檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人所屬的服務(wù)機(jī)器人這一大范疇的特點(diǎn)和 關(guān)鍵技術(shù) 它對(duì)于該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)性的意義 智能檢測(cè)機(jī)器人從其產(chǎn)品的功能上劃分 是屬于近年來(lái)剛剛興起的服務(wù)機(jī)器人 的范疇 關(guān)于服務(wù)機(jī)器人的定義目前還并不統(tǒng)一 簡(jiǎn)單地說(shuō) 它是指一種能夠自主 或半自主運(yùn)行 且為人類健康 安全和設(shè)備運(yùn)行提供服務(wù)的智能機(jī)器 因此 服務(wù)機(jī) 器人存在自身的一些特點(diǎn) 主要集中在以下三方面 1 任務(wù)要求 服務(wù)機(jī)器人的主要職能是自主或半自主地為人類提供服務(wù) 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 5 頁(yè) 共 34 頁(yè) 或安全保障 它涉及到探測(cè) 報(bào)警等多種功能 顯然其任務(wù)具有多樣性和靈活性的 特點(diǎn) 因此 為了實(shí)現(xiàn)特定的任務(wù) 服務(wù)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)必須更重視載體尺寸 重量 能量供給 導(dǎo)航 避障等多方面的功能 同時(shí)配備相應(yīng)的完成任務(wù)的工具 2 工作環(huán)境 機(jī)器人的工作環(huán)境一般分為兩類 結(jié)構(gòu)化環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化環(huán) 境 工業(yè)機(jī)器人通常面對(duì)的是結(jié)構(gòu)化環(huán)境 而服務(wù)機(jī)器人通常在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中 工作 不過(guò)在環(huán)境中 機(jī)器人與人或環(huán)境設(shè)施可能經(jīng)常發(fā)生互動(dòng)即所謂的突發(fā)事件 因此 機(jī)器人必須具有靈活能力 換而言之 環(huán)境是隨時(shí)變的 因此 服務(wù)機(jī)器人的工 作環(huán)境更為復(fù)雜 受外界的影響 干擾更多 3 機(jī)械結(jié)構(gòu) 機(jī)械結(jié)構(gòu)通常指機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu) 任務(wù)和工作環(huán)境決定 了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式 按照其本體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能力 可將服務(wù)機(jī)器人分為靜止式和 移動(dòng)式兩類 最常見(jiàn)的服務(wù)機(jī)器人是移動(dòng)式的 其中以輪式結(jié)構(gòu)最為廣泛 雖然針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和服務(wù)對(duì)象 服務(wù)機(jī)器人在形式 功能等方面存在著 較大的差別 但在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)服務(wù)機(jī)器人的過(guò)程中 也存在一些共性的地方服務(wù)機(jī) 器人的關(guān)鍵技術(shù)可歸納為以下幾個(gè)方面 環(huán)境的表示 環(huán)境感知和信號(hào)處理 控制系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu) 復(fù)雜任務(wù)和服務(wù)的實(shí)時(shí)規(guī)劃 適應(yīng)于作業(yè)環(huán)境的機(jī)械本體結(jié)構(gòu) 研制低功耗 長(zhǎng)時(shí)間工作的功能部件 這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展直接影響到服務(wù)機(jī)器人作為一個(gè)行業(yè)的應(yīng)用前景 雖然 以前服務(wù)機(jī)器人一度被認(rèn)為是一個(gè)幾乎不可獲利的行業(yè) 但隨著近年來(lái) 家用服務(wù) 機(jī)器人和娛樂(lè)機(jī)器人市場(chǎng)開(kāi)拓所獲得的巨大成功 人們的觀念正在發(fā)生變化 美國(guó) 日 本和歐洲的一些大公司也紛紛進(jìn)入了服務(wù)機(jī)器人的市場(chǎng) 1 41 4 本論文的主要研究?jī)?nèi)容本論文的主要研究?jī)?nèi)容 本論文主要以智能檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人這一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)為中心 詳細(xì)敘述了 該產(chǎn)品的各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)思想 設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)過(guò)程 通過(guò)將現(xiàn)代智能機(jī)器人領(lǐng)域 的一些成熟技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中 達(dá)到獲得直接的 感性認(rèn)識(shí)的目的 同時(shí) 也以具體應(yīng)用為基礎(chǔ) 對(duì)這一領(lǐng)域中的一些焦點(diǎn)的前沿問(wèn)題作了進(jìn)一步的研究 整 個(gè)論文主要闡述了以下兩個(gè)方面的問(wèn)題 1 智能檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)規(guī)劃和設(shè)計(jì) 2 以步進(jìn)電機(jī)為主要驅(qū)動(dòng)部件的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1 51 5 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章以智能檢測(cè)報(bào)警這一產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)為平臺(tái) 闡述了發(fā)展智能機(jī)器人技術(shù)的重 要意義 并著重介紹了與該產(chǎn)品相關(guān)的機(jī)器人技術(shù)發(fā)展 由于智能檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 6 頁(yè) 共 34 頁(yè) 從產(chǎn)品的角度出發(fā) 是屬于服務(wù)機(jī)器人的范疇 本章也同時(shí)針對(duì)服務(wù)機(jī)器人在開(kāi)發(fā) 和設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的一些共性問(wèn)題 作了進(jìn)一步的闡述 在此基礎(chǔ)上 對(duì)整個(gè)課題 的研究?jī)?nèi)容和設(shè)計(jì)任務(wù) 作了具體的規(guī)劃 第 2 章 物體檢測(cè)與報(bào)警機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 本章提要 本章主要介紹了智能檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人的產(chǎn)品要求 功能分析和性能 特點(diǎn) 在此基礎(chǔ)上提出了該產(chǎn)品的總體原理和具體功能模塊的實(shí)現(xiàn)思路 從而對(duì)其 形成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)方案 2 12 1 概述概述 隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展 人們的學(xué)習(xí)和工作越來(lái)越繁重 于是怎樣更大程度地 將人們從煩瑣的日常事務(wù)中解脫出來(lái) 就成為了新一代服務(wù)機(jī)器人所追求的目標(biāo) 而智能化正是這一目標(biāo)的集中體現(xiàn) 本文介紹的智能檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人初步實(shí)現(xiàn)了無(wú)人情況下的自主工作方式 它結(jié) 構(gòu)獨(dú)特 靈活 且自備電源 由機(jī)載單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制 由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)頭部 系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng) 在頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中 它通過(guò)頭部攜帶的超聲波檢測(cè)裝置 檢測(cè)周圍 的事物 當(dāng)發(fā)現(xiàn)有移動(dòng)物體時(shí)便報(bào)警 達(dá)到其看守防盜的目的 該機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于其 局部的自主化和智能化 它可以無(wú)需人的操控而自主的進(jìn)行檢測(cè) 并且在遇到移動(dòng) 物體時(shí)能夠?qū)崟r(shí)的報(bào)警 2 22 2 主要組成主要組成 2 2 12 2 1 頭部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)頭部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 如圖 2 1 所示 該機(jī)構(gòu)為蝸輪蝸桿傳動(dòng) 將蝸桿軸由聯(lián)軸器直接連接到電機(jī)上 由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 蝸輪通過(guò)軸與機(jī)器人頭部相連接 從而使得蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器 人頭部的旋轉(zhuǎn) 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 7 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 2 1 機(jī)器人頭部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 2 2 22 2 2 主體部主體部 機(jī)器人的底部呈圓盤狀采用地腳螺栓將其固定在地上 分軀干 上端蓋 與頸部 一體 兩塊直接澆鑄出來(lái)然后通過(guò)螺釘連接 頭部同樣也分為兩個(gè)半球直接澆鑄出 來(lái)然后通過(guò)螺栓連接在一起 圖 2 2 機(jī)器人主體圖 2 2 32 2 3 電機(jī)電機(jī) 選用步進(jìn)電機(jī) 由步進(jìn)電機(jī)直接帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng) 因?yàn)橥ㄟ^(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖 輸入就可直接控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度 因此選用步進(jìn)電機(jī)較合適 脈沖的輸入便 由單片機(jī)控制 第 8 頁(yè) 共 34 頁(yè) 2 32 3 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù) 1 設(shè)機(jī)器人頭部每秒鐘轉(zhuǎn)動(dòng) 6 度 因?yàn)槲佪喭ㄟ^(guò)軸直接與機(jī)器人頭部相連 所以 蝸輪的轉(zhuǎn)速 要求蝸輪蝸桿的使用壽命為 25000 機(jī)器人頭部的質(zhì)量 2 1 minnr h 包含摩擦阻力 5mkg 10 L FN 2 機(jī)器人的外型尺寸為 頭部直徑 頸部高 粗 軀干20cm 5hcm 10cm 40cm 40cm 60cm 底盤大直徑 100cm 小直徑 60cm 高 40cm 2 4 2 4 電機(jī)的選型電機(jī)的選型 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是智能檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人的主要執(zhí)行部件之一 它是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人頭部轉(zhuǎn) 動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ) 因此 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能直接影響到系統(tǒng)的工作特性和功能的實(shí)現(xiàn) 具有重要的意義 2 4 12 4 1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成 智能檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由以下三部分組成 一 核心驅(qū)動(dòng)部件 步進(jìn) 電機(jī) 二 蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng) 三 機(jī)器人頭部 圖 2 4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 9 頁(yè) 共 34 頁(yè) 其總體工作過(guò)程如下 由單片機(jī)產(chǎn)生一定頻率的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào) 通過(guò)步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng) 減速 帶動(dòng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng) 從而 改變超聲波的發(fā)射方向 起到檢測(cè)周圍運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)報(bào)警功能 假設(shè)由單片機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的頻率為 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的分頻數(shù)為 q f 步進(jìn)電機(jī)的步距角為 蝸輪蝸桿的齒數(shù)為和 機(jī)器人頭部的直徑為 則整K 1 z 2 zD 個(gè)傳動(dòng)過(guò)程可以定量計(jì)算如下 2 1 2 1 z I z 2 2 KZ Zf IK f qq 2 1 2 3 2 D v 將式 2 2 代入 2 3 中得 2 4 1 2 1 22 qq zDD vff z KIK 其中 為機(jī)器人頭部的線速度 為蝸輪蝸桿的減速比 vI 由式 2 4 可以看出 機(jī)器人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)速度正比于單片機(jī)的輸出脈沖頻率 在實(shí)際 的系統(tǒng)中 由于機(jī)器人要檢測(cè)移動(dòng)物體 因此 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)速度比較低 頭部的轉(zhuǎn)速 設(shè)計(jì)為 1 minnr 2 4 22 4 2 步進(jìn)電機(jī)的選型比較步進(jìn)電機(jī)的選型比較 步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的電氣機(jī)械 其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角與輸 入的電脈沖數(shù)成正比 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)成正比 轉(zhuǎn)矩是由磁阻作用 所產(chǎn)生的 旋轉(zhuǎn)方向則取決于脈沖的順序 因此 步進(jìn)電機(jī)一定要與脈沖控制聯(lián)系 起來(lái)才能運(yùn)行 步進(jìn)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)歸納如下 1 步進(jìn)電機(jī)只能在一定脈沖電源供電下才能運(yùn)行 2 步進(jìn)電機(jī)的角位移量與輸入脈沖嚴(yán)格成正比 因此 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周后沒(méi)有 累積誤差 具有良好的跟隨性 3 由步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制器組成的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 既簡(jiǎn)單又可靠 4 步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速與位置控制性能良好 5 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 自啟動(dòng)能力強(qiáng) 6 輸出力矩較大 屬于力矩型電機(jī) 當(dāng)然 步進(jìn)電機(jī)也存在一些缺點(diǎn) 第 10 頁(yè) 共 34 頁(yè) 1 效率較低 輸入功率有很大一部分轉(zhuǎn)為熱能消耗 2 步進(jìn)電機(jī)存在低頻震蕩 失步和高頻失步等缺陷 3 步進(jìn)電機(jī)自身噪聲和振動(dòng)較大 2 4 32 4 3 步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算 如圖 2 4 所示 機(jī)器人頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力 F 10N 轉(zhuǎn)速 頭部載荷平穩(wěn) 1 minnr 在常溫下工作 1 選擇電動(dòng)機(jī)的容量 電動(dòng)機(jī)所需工作功率為 w d P P 工作機(jī)所需功率為 KW 1000 w Fv P 傳動(dòng)裝置的總效率為 22 123 按機(jī)械傳動(dòng)和摩擦副的效率概率值表 確定各部分效率 雙頭蝸桿傳動(dòng) 0 75 聯(lián) 1 軸器效率 0 99 滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率 一對(duì) 0 99 2 3 所需電動(dòng)機(jī)的功率為 W Fv Pd41 0 99 0 99 0 75 0 1000 026 0 10 1000 22 因載荷平穩(wěn) 電動(dòng)機(jī)額定功率大于即可 ed P d P 2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 0 軸 電機(jī)軸 0 0 41 d PPW 0 15 5 min m nnr 0 0 0 0 41 95509550252 6 15 5 P TN mm n 1 軸 蝸桿軸 WPPP4 099 0 99 0 41 0 3200101 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 11 頁(yè) 共 34 頁(yè) 0 1 01 15 5 15 5 min 1 n nr i mmN n P T 5 246 5 15 4 0 95509550 1 1 1 2 軸 蝸輪軸 WPPP3 099 075 0 4 0 3111212 1 2 12 15 5 1 min 15 5 n nr i mmN n P T 2865 1 3 0 95509550 2 2 2 3 軸 機(jī)器人頭部軸 WPPP297 0 99 0 3 0 222323 2 3 23 1 1 min 1 n nr i mmN n P T 4 2836 1 297 0 95509550 3 3 3 表 2 各軸的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 功率 P W轉(zhuǎn)矩 TN mm 軸名 輸入輸出輸入輸出 轉(zhuǎn)速 min n r 傳動(dòng)比i效率 電機(jī)軸0 41252 615 5 蝸桿軸0 40 396246 548 515 5 蝸輪軸0 30 29728652836 41 機(jī)器人頭部軸0 290 2872836 4 2807 991 1 15 5 1 0 98 0 74 0 99 由于要求機(jī)器人的頭部轉(zhuǎn)速為 所以根據(jù)蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比可算出 1 6 ns 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 s n 93 5 156 2 根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 可以選擇步距腳為的步進(jìn)電機(jī) 每秒鐘給個(gè)脈沖 這樣就可以3 31 達(dá)到電機(jī)的需求轉(zhuǎn)速 再根據(jù)上面所算的數(shù)據(jù) 故可選擇 70BF003 磁阻式步進(jìn)電機(jī) 其數(shù)據(jù)見(jiàn)下表 第 12 頁(yè) 共 34 頁(yè) 型號(hào)相數(shù) 額定電 壓 靜態(tài)電 流 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩 空載啟動(dòng)頻 率 質(zhì)量 70BF003327V3A3 1 5 0 882N m1600PPs1 2kg 2 5 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的選型設(shè)計(jì) 1 初步選型 根據(jù)表 34 1 13 圓柱蝸桿蝸輪參數(shù)的匹配 摘自 GB T10085 1988 初選 ZA 型蝸桿 其中心距 傳動(dòng)比 模數(shù) 蝸桿分度圓直徑60amm 15 5i 2 5m 蝸桿頭數(shù) 蝸輪齒數(shù) 蝸輪變位系數(shù) 蝸輪分度圓直徑 1 25dmm 1 2Z 2 31Z 2 0 x 蝸桿直徑系數(shù) 212 2295dadx mmm 1 10qdm 由和查表 34 1 15 得 1 zq 111836 蝸輪的轉(zhuǎn)矩 2122 2 1 2 1ZZFnvFT LmL 又 1 L FN 1 2z 2 31z 電機(jī)選型中計(jì)算得 2 3 TN m 選擇蝸桿材質(zhì) 40cr 淬火硬度 45HRc 蝸輪圈材質(zhì) ZcuSn10Pb1 金屬模鑄造 在 表 34 1 21 中查得220 HPb MPa s m ndvvs1 0cos106 cos 4 111 查表 34 1 8 得1 0 s Z 7 1 105 725000 5 15 5 156000 6000 hinN 從圖 34 1 9 查得時(shí)N 7 105 7 1 35 n Z 其許用接觸應(yīng)力為 MPaZZ nsHPbHP 29735 1 0 1220 注 滑動(dòng) 速度 影響系數(shù) 壽命系數(shù) s Z n Z 2 接觸強(qiáng)度驗(yàn)算 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 13 頁(yè) 共 34 頁(yè) 確定 K 值 s v 0 1 m s 1 1K 取 7 級(jí)精度 2 1K 取 圖 34 1 6 100 JC 3 1K 取 表 34 1 18 30 C 4 1K 工作平穩(wěn) 表 34 1 19 5 1K 1 54321 KKKKKK MPa d KT d H 25 3195 15150 15150 1 2 2 MPaMPa83 5335 0 4 155 接觸強(qiáng)度足夠 3 彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算 確定和 2 Y FP 表 34 1 24 2 0 410Y 圖 34 1 9 1 0 N Y 表 34 1 23 50 FPb MPa MPaYN FPbFP 500 150 2122 2000 cos F KTd d mY 31 11cos41 0 5 29525 312000 2 550MPaMPa 彎曲強(qiáng)度足夠 4 該蝸桿傳動(dòng) 軸交角 的幾何尺寸計(jì)算90 表 1 蝸桿蝸輪幾何尺寸 名稱代號(hào)公式結(jié)果 第 14 頁(yè) 共 34 頁(yè) 中心距a 122 2 2addx m 60mm 蝸桿頭數(shù) 1 z 由實(shí)際需要確定 2 蝸輪齒數(shù) 2 z 21 ziz 31 齒行角a或20 x a 20 n a 20 模數(shù)m cos n x m mm 2 5mm 傳動(dòng)比i 12 nn 15 5 蝸輪變位系數(shù) 2 x 12 2 cos dda x m 0 蝸桿直徑系數(shù) q 1 qdm 10 蝸桿軸向齒距 x P x Pm 7 9mm 蝸桿導(dǎo)程 z P 1z Pmz 15 7mm 蝸桿分度圓直徑 1 d 1 dmq 25mm 蝸桿齒頂圓直徑 1a d 1111 22 aaa ddhdh m 30mm 蝸桿齒根圓直徑 1f d 1111 22 ffa ddhdh mc 19mm 頂隙c cc m 0 5mm 漸開(kāi)線蝸桿基圓直徑 1b d 11tan tan bb dd 11 9mm 蝸桿齒頂高 1a h 1aa hh m 2 5mm 蝸桿齒根高 1f h 1 fa hhc m 3mm 蝸桿齒高 1 h 111af hhh 5 5mm 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 15 頁(yè) 共 34 頁(yè) 蝸桿導(dǎo)程角 11 tan mzd 1118 36 蝸桿齒寬 1 b 112 12 1 2 120 1 3 4 130 1 zbz m zz m 2 時(shí) 時(shí) b 40mm 蝸輪分度圓直徑 2 d 2212 22dmzadx m 95mm 蝸輪齒頂圓直徑 2a d 222 2 a ddha 100mm 蝸輪齒根圓直徑 2f d 222 2 f ddhf 89mm 蝸輪齒頂高 2a h 22 aa hm hx 1 25mm 蝸輪齒根高 2f h 22 fa hm hxc 4 25mm 蝸輪齒高 2 h 222af hhh 5 5mm 蝸輪齒寬 2 b 21 0 65 a bd 19 5mm 蝸輪齒厚 1 s 按蝸桿節(jié)圓處軸向齒槽寬確定 e x 2 62 6 電機(jī)的效核電機(jī)的效核 該伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件輸出軸所承受的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 等效慣量轉(zhuǎn)矩為 m eq TT慣 則電機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 m eq TTT 慣 考慮到機(jī)械的總傳動(dòng)效率時(shí) 則 m eq TTT 慣 蝸輪軸的慣量 223 2 111 015 0 06 0 2 015 0 14 3 1085 7 4 1 4 1 RmJ 25 106 0mkg 蝸輪的慣量 2 222 1 4 Jm R 23 1015 0 mkg 蝸桿軸的慣量 第 16 頁(yè) 共 34 頁(yè) 2 333 4 1 RmJ 24 1078 0 mkg 所以 23 321 10234 0 mkgJJJJ 總 即等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 23 10234 0 mkgJJ 總慣 則 mmNT 4 0 慣 由于總傳動(dòng)效率為 0 75 所以 2550 4 0 75340 5 m eq TTTN mm 慣 若選用 75BF003 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 其最大靜轉(zhuǎn)矩 當(dāng)采用三相 max 882 j TN mm 六拍通電方式 為保證帶負(fù)載能正常啟動(dòng)和定位停止 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 應(yīng)滿足下列要求 q T q TT 查表 3 7 可知 因?yàn)?故該電機(jī)可以 max 0 87 qj TT mmNTq 34 767 q TT 使用 2 72 7 軸的較核及聯(lián)件的選型軸的較核及聯(lián)件的選型 2 7 12 7 1 蝸桿軸的較核蝸桿軸的較核 1 求蝸桿軸上的轉(zhuǎn)矩 250 TN mm 蝸桿 2 求作用在蝸桿上的力 圓周力 徑向力 軸向力的大小如下 t F r F a F N d T Ft20 025 0 25 0 22 1 1 NFF n tr 4 7 cos tan NFF ta 95 3 tan 3 確定軸的最小直徑 選取軸的材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 初估軸的最小直徑 查表取可得115A 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 17 頁(yè) 共 34 頁(yè) mm n P Ad4 3 5 15 0004 0 115 3 3 1 1 min 所以取10dmm 圖 2 5 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)圖 4 軸的強(qiáng)度較核 求軸的載荷 1 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 見(jiàn)圖 2 6 軸的支承跨距 120Lmm 根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖作出軸的彎矩圖 扭矩圖和當(dāng)量彎矩圖 見(jiàn)圖 2 6 從軸的結(jié)構(gòu) 圖和當(dāng)量彎矩圖中可以看出 截面的當(dāng)量彎矩最大 是軸的危險(xiǎn)截面 截面處CC 的 及的數(shù)值如下 H M V MMT ca M 支反力 水平面 1 20 10 22 t H F RN 2 10 H RN 垂直面 1 7 45 2 a Varr F d RMFFN 21 0 05 VrV RFRN 彎矩和 水平面 H M V MmmNRM HH 60060 1 垂直面 mmNRM VV 44760 1 合成彎矩 M 22 748 2 HV MMMN mm 扭矩 T T 250 N mm 當(dāng)量彎矩 ca MmmNMca 1 763 第 18 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 2 6 軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 較核軸的強(qiáng)度 2 軸的材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 由表 4 1 查得 則 2 650 B N mm 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 19 頁(yè) 共 34 頁(yè) 即 取 軸的計(jì)算應(yīng)力為 0 09 0 1 B 2 58 65 N mm 2 60 N mm 2 3 56 1 171 0 1 763 mmN W Mca ca 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知 該軸滿足強(qiáng)度要求 5 精確較核軸的疲勞強(qiáng)度 判斷危險(xiǎn)截面 1 危險(xiǎn)截面應(yīng)該是應(yīng)力較大 同時(shí)應(yīng)力集中較嚴(yán)重的截面 從受載情況觀察 截 面 C 上的最大 但應(yīng)力集中不大 而且這里的軸徑最大 故截面 C 不必較核 從應(yīng) ca M 力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度削弱程度觀察 截面 4 的應(yīng)力集中最嚴(yán)重且受扭矩的作用 分析可知危險(xiǎn)截面為 4 截面 左側(cè) 計(jì)算危險(xiǎn)截面應(yīng)力 2 截面左側(cè)彎矩為 MmmNM 4 249 120 2060 2 748 截面上的扭矩為 T250 TN mm 抗彎截面系數(shù) 333 5 337151 01 0mmdW 抗扭截面系數(shù) 333 675152 02 0mmdWT 截面上的彎曲應(yīng)力 2 249 4 0 74 337 5 b M N mm W 截面上的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 2 250 0 37 675 T T N mm W 彎曲應(yīng)力幅 2 0 74 ab N mm 彎曲平均應(yīng)力 0 m 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的應(yīng)力幅與平均應(yīng)力相等 即 2 0 37 0 185 22 am N mm 確定影響系數(shù) 3 軸的材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 由表 4 1 查得 2 600 B N mm 2 1 275 N mm 2 1 140 N mm 軸肩圓角處的有效應(yīng)力集中系數(shù) 根據(jù) k k 1 150 067r d 第 20 頁(yè) 共 34 頁(yè) 由表 4 5 經(jīng)插值后可得 17 151 13D d 1 58k 1 25k 尺寸系數(shù) 根據(jù)軸截面為圓截面查圖 4 18 得 0 88 0 9 表面質(zhì)量系數(shù) 根據(jù)和表面加工方法為精車 查圖 4 2 600 B N mm 19 得 0 88 材料彎曲扭轉(zhuǎn)的特性系數(shù) 取 0 1 0 05 由上面結(jié)果可得 2 235 01 074 0 58 1 275 1 ma k S 1 582 185 0 05 0185 0 25 1 140 1 ma k S 22 218 1 ca S S S SS 查表 4 4 中的許用安全系數(shù) S 值 可知該軸安全 2 7 22 7 2 蝸桿軸上軸承的選型蝸桿軸上軸承的選型 根據(jù)蝸桿軸的軸徑初選深溝球軸承型號(hào)為 軸承代號(hào) 基本尺寸 mm 安裝尺寸 mm 基本額定載荷 KN 極限速度 min r 質(zhì)量kg 61802 d 15 D 24 B 5 min max max 17 22 0 3 a a as d D r 2 1 1 3 r or C C 220000 008 其中 Y 2 3 e 0 19 1 計(jì)算軸承的支反力 1 水平支反力 12 20 10 22 t HH F RRN 2 垂直支反力 1 600 5 120 Vrma RFd F 3 3N 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 21 頁(yè) 共 34 頁(yè) 2 3 3 V RN 3 合成支反力 22 111 10 5 HV RRRN 2 10 5RN 圖 2 7 軸承受力圖 2 軸承的派生軸向力 由式 5 9 可得 NYRS3 23 22 5 102 11 NYRS3 23 22 5 102 22 3 軸承所受的軸向載荷 因 由式 5 10 221 3 952 36 25 aa KSFSNS 第 22 頁(yè) 共 34 頁(yè) 122 3 952 36 25 aa AKSFSN 22 2 3ASN 4 軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷 因查表 5 12 1 11 6 25 10 50 60 19ARe 11 0 56 2 3XY 由式 5 7 得 NAYRXPr 3 2025 6 3 2 5 1056 0 11111 因查表 5 12 2 22 2 3 10 50 210 19ARe 11 0 56 2 3XY 由式 5 7 得 NAYRXPr17 113 23 2 5 1056 0 22222 5 軸承壽命 因 故應(yīng)按計(jì)算 由表 5 9 表 5 10 查得 按式 5 5 得 12rr PP 1r P1 1 pt ff h pf cf n L rp rt h 9 3 10 6 3 10 1 6 108 4 3 201 21001 5 1560 10 60 10 故可得該軸承絕對(duì)滿足要求 2 7 32 7 3 蝸輪軸的較核蝸輪軸的較核 1 蝸輪軸上的轉(zhuǎn)矩為 2865 TN mm 2 求作用在蝸輪上的力 3 95 ta FFN 20 at FFN 7 4 rr FFN 3 確定軸的最小直徑 選取軸的材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 按式 4 2 初估軸的最小直徑 查表取 115A 可得 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 23 頁(yè) 共 34 頁(yè) mm n P Ad7 7 1 0003 0 115 3 3 2 2 min 所以取10dmm 圖 2 8 蝸輪軸的結(jié)構(gòu)圖 4 軸的強(qiáng)度較核 求軸的載荷 1 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 軸的支承跨距 40Lmm 根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖作出軸的彎矩圖 扭矩圖和當(dāng)量彎矩圖 見(jiàn)圖 2 從軸的結(jié)構(gòu) 圖和當(dāng)量彎矩圖中可以看出 截面的當(dāng)量彎矩最大 是軸的危險(xiǎn)截面 截面處CC 的 及的數(shù)值如下 H M V MMT ca M 支反力 水平面 1 3 95 1 975 22 t H F RN 第 24 頁(yè) 共 34 頁(yè) 2 1 975 H RN 垂直面 1 8 35 2 a Varr F d RMFFN 21 0 95 VrV RFRN 彎矩和 水平面 H M V MmmNRM HH 5 3920 1 垂直面 mmNRM VV 16760 1 合成彎矩 M 22 171 6 HV MMMN mm 扭矩 T T 2865 N mm 當(dāng)量彎矩 ca MmmNTMMca 5 1727 22 較核軸的強(qiáng)度 2 軸的材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 由表 4 1 查得 則 2 650 B N mm 即 取 軸的計(jì)算應(yīng)力為 0 09 0 1 B 2 58 65 N mm 2 60 N mm 2 3 22 4 171 0 5 1727 mmN W Mca ca 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知 該軸滿足強(qiáng)度要求 5 精確較核軸的疲勞強(qiáng)度 判斷危險(xiǎn)截面 1 危險(xiǎn)截面應(yīng)該是應(yīng)力較大 同時(shí)應(yīng)力集中較嚴(yán)重的截面 從受載情況觀察 截 面 C 上的最大 但應(yīng)力集中不大 而且這里的軸徑最大 故截面 C 不必較核 從應(yīng) ca M 力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度削弱程度觀察 截面 4 的應(yīng)力集中最嚴(yán)重且受扭矩的作用 分析可知危險(xiǎn)截面為 4 截面 左側(cè) 計(jì)算危險(xiǎn)截面應(yīng)力 2 截面左側(cè)彎矩為 MmmNM 9 42 40 1020 6 171 截面上的扭矩為 T2865 TN mm 抗彎截面系數(shù) 333 5 337151 01 0mmdW 抗扭截面系數(shù) 333 675152 02 0mmdWT 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 25 頁(yè) 共 34 頁(yè) 截面上的彎曲應(yīng)力 2 42 9 0 13 337 5 b M N mm W 截面上的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 2 2865 4 25 675 T T N mm W 彎曲應(yīng)力幅 2 0 13 ab N mm 彎曲平均應(yīng)力 0 m 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的應(yīng)力幅與平均應(yīng)力相等 即 2 4 25 2 125 22 am N mm 確定影響系數(shù) 3 軸的材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 由表 4 1 查得 2 600 B N mm 2 1 275 N mm 2 1 140 N mm 軸肩圓角處的有效應(yīng)力集中系數(shù) 根據(jù) k k 1 150 067r d 由表 4 5 經(jīng)插值后可得 17 151 13D d 1 58k 1 25k 尺寸系數(shù) 根據(jù)軸截面為圓截面查圖 4 18 得 0 88 0 9 表面質(zhì)量系數(shù) 根據(jù)和表面加工方法為精車 查圖 4 2 600 B N mm 19 得 0 88 材料彎曲 扭轉(zhuǎn)的特性系數(shù) 取 0 1 0 05 由上面結(jié)果可得 9 1338 01 013 0 58 1 275 1 ma k S 7 50 125 2 05 0 125 2 25 1 140 1 ma k S 22 50 7 ca S S S SS 查表 4 4 中的許用安全系數(shù) S 值 可知該軸安全 第 26 頁(yè) 共 34 頁(yè) 2 7 42 7 4 蝸輪軸上軸承的選型蝸輪軸上軸承的選型 根據(jù)蝸輪軸的軸徑為了便于安裝初選角接觸球軸承型號(hào)為 軸承代號(hào) 基本尺寸 mm 安裝尺寸 mm 基本額定載荷 KN 極限速度 min r 質(zhì)量kg 7002c d 15 D 32 B 9 min max max 17 29 0 3 a a as d D r 6 25 3 42 r or C C 240000 028 1 計(jì)算軸承的支反力 1 水平支反力 12 3 95 1 975 22 t HH F RRN 2 垂直支反力 1 200 5 40 Vrma RFd F 27 45N 2 27 45 V RN 3 合成支反力 22 111 27 5 HV RRRN 2 27 5RN 2 軸承的派生軸向力 NYRS98 5 3 22 5 272 11 NYRS98 5 3 22 5 272 22 3 軸承所受的軸向載荷 因由式 5 10 221 205 9825 98 aa KSFSNS 122 205 9825 98 aa AKSFSN 22 5 98ASN 4 軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷 因查表 5 12 1 11 25 98 27 50 940 19ARe 11 0 56 2 3XY 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 27 頁(yè) 共 34 頁(yè) 由式 5 7 得 NAYRXPr 2 7598 253 2 5 2756 0 11111 圖 2 9 軸承受力圖 因查表 5 12 2 22 5 98 27 50 220 19ARe 11 0 56 2 3XY 由式 5 7 得 NAYRXPr 2 2998 5 3 2 5 2756 0 22222 5 軸承壽命 因 故應(yīng)按計(jì)算 由表 5 9 表 5 10 查得 按式 5 5 得 12rr PP 1r P1 1 pt ff h pf Cf n L rp rt h 9 3 10 6 3 10 1 6 1095 0 2 751 21001 160 10 60 10 故可得該軸承絕對(duì)滿足要求 第 28 頁(yè) 共 34 頁(yè) 2 7 52 7 5 鍵的較核鍵的較核 蝸輪軸鍵的較核 PP dkl T 2 式中 T 傳遞扭矩 1 3TN m d 軸徑 15dmm 鍵與輪轂的接觸高度 k 6 3 22 h kmm 鍵的工作長(zhǎng)度 l1266lLbmm 3 2 3 10 22 2 15 3 6 P MPa 許用應(yīng)力查表 2 21 得 P MPa P 120 所以 鍵的校核通過(guò) P P 2 7 62 7 6 聯(lián)軸器的選型聯(lián)軸器的選型 1 凸圓聯(lián)軸器 軸徑 10mm 許用轉(zhuǎn)矩 10N m 許用轉(zhuǎn)速 1400r min 故根據(jù)給出的參數(shù)直接選用 2 套筒聯(lián)軸器 軸徑 8mm 許用轉(zhuǎn)矩 71N m 許用轉(zhuǎn)速小于 250r min 同樣根據(jù)給出的參數(shù)直接選用 2 82 8 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要介紹了智能檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人的大體結(jié)構(gòu) 詳細(xì)計(jì)算了機(jī)器人 機(jī) 方 面的主要參數(shù)并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了具體設(shè)計(jì) 第 3 章 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其控制方式 本章提要 本章介紹智能檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成及其運(yùn)動(dòng)分析 對(duì)步進(jìn)電 機(jī)詳細(xì)論述其工作原理 性能指標(biāo)和控制方式 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 29 頁(yè) 共 34 頁(yè) 3 1 3 1 概述概述 步進(jìn)電機(jī)具有控制簡(jiǎn)便 定位準(zhǔn)確等特點(diǎn) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 在許多領(lǐng)域 將得到廣泛的應(yīng)用 鑒于傳統(tǒng)的脈沖系統(tǒng)移植性不好 本論文提出了微機(jī)控制系統(tǒng) 代替脈沖發(fā)生器和脈沖分配器 用軟件的方法產(chǎn)生控制脈沖 通過(guò)軟件編程可以任 意設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)角度 轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)和控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài) 以簡(jiǎn)化 控制電路 降低生產(chǎn)成本 提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和靈活性 3 23 2 步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng) 3 2 13 2 1 步進(jìn)電機(jī)的工作特性步進(jìn)電機(jī)的工作特性 1 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性 所謂靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)不改變通電狀態(tài) 轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)的工作狀態(tài) 步進(jìn)電機(jī)的 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)子的位置密切相關(guān) 其關(guān)系如圖 3 1 中 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性曲線所示 在 靜態(tài)空載的情況下 相應(yīng)的定 轉(zhuǎn)子是對(duì)齊的 這時(shí)電機(jī)無(wú)力矩輸出 若轉(zhuǎn)子受到一 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用 電機(jī)將會(huì)偏轉(zhuǎn)一個(gè)角 稱為失調(diào)角 這時(shí)轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩和 c T m T 負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等 使轉(zhuǎn)子重新處于平衡狀態(tài) 轉(zhuǎn)子反向偏轉(zhuǎn)將會(huì)產(chǎn)生正向力矩 正向 c T 偏轉(zhuǎn)將會(huì)產(chǎn)生反向力矩 因?yàn)?步進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為 3 1 2 1 2 s dL TI s d 當(dāng)定轉(zhuǎn)子磁極對(duì)齊時(shí) 電感為最大 當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極處在定子磁極之間 電感最小 s L s L 假設(shè)電感在兩個(gè)位置之間的變化為正弦函數(shù) 即 則式 3 1 可 s L 0 cos s LLLp 改為 3 2 2 1 1 sin 2 s TI Lp 第 30 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 3 1 步進(jìn)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩特性 這正與前面的分析相同 說(shuō)明是靜轉(zhuǎn)矩是隨失調(diào)角的正弦函數(shù)變化 2 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)矩頻特性 步進(jìn)電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí) 同步狀態(tài)下 需要足夠的轉(zhuǎn)矩來(lái)克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和加減 速的慣量 步進(jìn)電機(jī)在不同的速度下 所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩 失步轉(zhuǎn)矩 是不同的 其 關(guān)系常用動(dòng)態(tài)矩頻特性來(lái)描述 如圖 3 2 圖 3 2 步進(jìn)電機(jī)的力矩 頻率特性 移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人移動(dòng)物體檢測(cè)報(bào)警機(jī)器人 第 31 頁(yè) 共 34 頁(yè) 由矩頻特性曲線圖可見(jiàn) 隨著電機(jī)運(yùn)行頻率的提高 輸出轉(zhuǎn)矩逐漸下降 這是 因?yàn)?在低頻時(shí) 相繞組的沖放電是充分的 而當(dāng)頻率逐漸上升后 由于電感的沿時(shí)特 性 使相繞組的電流波形嚴(yán)重失真 達(dá)不到額定值 從而使輸出轉(zhuǎn)矩明顯減小 動(dòng)態(tài)矩頻特性是選用適合的步進(jìn)電機(jī)的重要指標(biāo)之一 一般情況下 在已知功 況的條件下 最大 最小負(fù)載力矩 就可以通過(guò)電機(jī)的動(dòng)態(tài)矩頻特性曲線 找出其所能 正常工作 不失步 的極限頻率范圍 動(dòng)態(tài)矩頻特性不僅與步進(jìn)電機(jī)本身的性能有 關(guān) 同時(shí) 在很大程度上也受外部驅(qū)動(dòng)電路的特性影響 3 啟動(dòng)頻率 步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng) 不失步地進(jìn)入正常運(yùn)行所允許的最高啟動(dòng)頻率 稱 為啟動(dòng)頻率 步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率受轉(zhuǎn)子負(fù)載慣量的影響很大 一般隨慣量的增大 而急劇地減小 步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其最高運(yùn)行頻率 而且若電機(jī)除了慣量負(fù)載之外 還 帶有摩擦轉(zhuǎn)矩等轉(zhuǎn)矩負(fù)載 其啟動(dòng)頻率將進(jìn)一步降低 因此 在實(shí)際應(yīng)用中 為了使 電機(jī)能正確地從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)到高頻工作狀態(tài)或反之 必須使用軟件或硬件的方法 使 電機(jī)的速度逐漸的上升或下降 避免速度的突然跳變 4 單步運(yùn)行與振蕩 步進(jìn)電機(jī)在高速連續(xù)運(yùn)行時(shí) 盡管每次繞組電流切換會(huì)引起瞬時(shí)的力矩波動(dòng) 但系統(tǒng)慣量通常足以維持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速 但在單步運(yùn)行時(shí) 情況有所不同 單步運(yùn)行 時(shí) 由于驅(qū)動(dòng)脈沖到來(lái) 轉(zhuǎn)子受到了一個(gè)突然的沖擊力作用移動(dòng)到了下一個(gè)位置 但 由于慣性的作用 轉(zhuǎn)子會(huì)沖過(guò)平衡位置 然后在電磁力矩的作用下被拉回并再一次 超過(guò)平衡位置 形成一個(gè)振蕩過(guò)程 因此 在需要頻繁啟動(dòng)和急停的精確定位系統(tǒng) 中 必須通過(guò)增加阻尼的方法 來(lái)減輕單步振蕩所帶來(lái)的不利影響 3 2 23 2 2 步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器 單片機(jī) 根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序或是實(shí)時(shí)計(jì)算產(chǎn)生的 參數(shù) 直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu) 由于系統(tǒng)的輸出值對(duì)輸入沒(méi)有影響 因而不能補(bǔ)償外界 的擾動(dòng) 負(fù)載變化和系統(tǒng)元件參數(shù)變化引起的誤差 當(dāng)然 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)也存在它 特有的優(yōu)勢(shì) 如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低 系統(tǒng)響應(yīng)快 不存在穩(wěn)定性問(wèn)題 由于步進(jìn)電機(jī)自 身所具有的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn) 它成為了開(kāi)環(huán)