水平多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人設(shè)計—機身與大臂結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 摘 要 工業(yè)機器人沒有明確界線，它包羅多門學科，涉及多方領(lǐng)域，包含有機械學、控制理論學和仿生學等。而水平多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的研發(fā)更是行業(yè)內(nèi)熱點，它囊括機構(gòu)學、控制理論和技術(shù)、計算機、傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等。工業(yè)機器人的應(yīng)用情況，象征著一個國家的工業(yè)自動化程度。 本設(shè)計要求對機器人的總體結(jié)構(gòu)中機身與大臂部分與控制系統(tǒng)進行設(shè)計，完成裝配圖和零件圖的繪制。對機器人本體的各個零件進行受力分析，對各個關(guān)節(jié)需要轉(zhuǎn)矩和功率進行初步的計算，選擇滿足要求的電動機作為動力裝置。其次考慮電動機與傳動裝置連接，選取合適傳動方式，并對傳動中的零件進行計算校核?？刂葡到y(tǒng)部分選用MCS-51單片機控制，按照預(yù)設(shè)的指

2、令完成相應(yīng)的動作。關(guān)鍵詞機身；大臂；控制系統(tǒng)Abstract There is no clear boundary between industrial robots. It covers many disciplines and involves many fields, including mechanics, control theory and bionics. Each joint are required to be preliminary calculated, and the motor that meets the requirements is selected as th

3、e power device. Secondly, consider the connection between the motor and the transmission device, select the appropriate transmission mode, and calculate and check the parts in the transmission. The control system part is controlled by MCS-51 single-chip microcomputer, and the corresponding action is

4、 completed according to the preset instruction.Keywords：Keywords：Fuselage；Boom ；Control Systems目 錄1. 前 言11.1 課題來源及研究意義11.2 國內(nèi)、外發(fā)展狀況11.2.1 國內(nèi)發(fā)展狀況11.2.2 國外發(fā)展狀況21.3 設(shè)計任務(wù)的主要內(nèi)容與要求31.3.1 設(shè)計內(nèi)容31.3.2 設(shè)計要求31.4 設(shè)計的主要技術(shù)指標和參數(shù)32. 工業(yè)機器人工程概述42.1 工業(yè)機器人應(yīng)具備的系統(tǒng)功能42.2 工業(yè)機器設(shè)計中總體方案的論證42.2.1 確定負載42.2.2 驅(qū)動方式42.2.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計42

5、.2.4 工作范圍42.2.5 運動速度52.3 機器人機械傳動原理53. 機械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算63.1 機身部分結(jié)構(gòu)設(shè)計63.2 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計63.3 機械部分設(shè)計計算73.3.1 選擇電動機73.3.2 步進電機的控制123.4 同步帶部分傳動設(shè)計計算123.4.1 一級同步帶傳動計算123.4.2 二級同步帶傳動計算153.5 軸系零件的設(shè)計173.6 滾珠絲杠的設(shè)計計算173.6.1 求計算載荷173.6.2 計算額定動載荷183.6.3 選擇滾珠絲杠副183.6.4 穩(wěn)定性驗算183.6.5 剛度驗算193.6.6 效率計算203.6.7 滾珠絲杠的精度標準214. 電氣系統(tǒng)設(shè)

6、計214.1 工業(yè)機器人的計算機控制系統(tǒng)214.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計214.2.1 確定硬件電路總體方案214.2.2 MCS-51單片機硬件結(jié)構(gòu)的特點224.3 MCS-51單片機的引腳描述及片外總線結(jié)構(gòu)234.3.1 單片機型號的選擇234.3.2 程序存儲器擴展電路254.3.3 靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器擴展264.4 8155可編程并行I/O擴展接口284.4.1 8155芯片介紹284.4.2 8031單片機和8155接口294.5 由8155構(gòu)成的鍵盤、顯示器接口電路30總 結(jié)35參考文獻36致 謝37 1. 前言1.1 課題來源及研究意義 我的主題是水平多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人設(shè)計機身與大臂結(jié)

7、構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計。課題來源是教師自擬。 水平多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人用于許多工業(yè)領(lǐng)域的機械自動化操作，例如自動裝配，搬運和電鍍。工業(yè)機器人由機器人臂，單片機，伺服控制器和檢測單元組成。 適用于各種類型和批次的柔性制造生產(chǎn)。 在工業(yè)中應(yīng)用工業(yè)機器人可以提高生產(chǎn)制造的自動化能力，能減輕工作人員的勞動強度、保證產(chǎn)品的質(zhì)量合格、實現(xiàn)穩(wěn)定安全制造生產(chǎn)， 同時也可以促進產(chǎn)品進行換代更新； 特別是在高溫，高壓或易燃易爆物品的惡劣環(huán)境中，它可以代替人體完成所需的工作。 因此，機器人廣泛用于工業(yè)制造，例如機械加工，沖壓和輕工業(yè)。 它就像人的手部一樣，能夠?qū)崿F(xiàn)多個自由度的運動，即能夠被手動控制進行工作，還可以根據(jù)預(yù)定流程

8、通過可編程控制器執(zhí)行智能工業(yè)活動。 水平多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人，其以結(jié)構(gòu)劃分，?；钴S于生產(chǎn)制造、教學演示中。 它是工業(yè)機器人的形態(tài)之一，它本身對于空間的占有率很小，有利于在有限的工作空間里進行工業(yè)活動。 能夠用來幫助或代替人類的在一些特殊場合進行工作，如制造業(yè)、航空航天，或是如排爆檢測等具有危險性的工作。 這是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的一種重要體現(xiàn)。 1通過這項研究，我可以對水平多關(guān)節(jié)機器人有一個深刻的理解和理解，并系統(tǒng)地結(jié)合理論知識和實踐環(huán)節(jié)。提高我的實踐能力，為順利工作打下堅實的基礎(chǔ)。 1.2 國內(nèi)、外發(fā)展狀況1.2.1 國內(nèi)發(fā)展狀況 近幾年來，國產(chǎn)工業(yè)機器人的研究已經(jīng)不僅僅只局限于以獨立的機器人本體設(shè)計為

9、主，還包括了對于工業(yè)機器人與數(shù)控機床集成應(yīng)用的發(fā)展。在以往的工業(yè)生產(chǎn)活動中，許多崗位的操作往往依靠的是人，但以人為主的操作中或多或少都存在著各種不穩(wěn)定性，例如，在高強度的工作下，人體超載工作存在安全隱患；單純依靠人為操作，產(chǎn)品的質(zhì)量的品質(zhì)難以提高，因此與機床協(xié)作的水平多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的引入越來越多，兩個五年計劃的推進，我國在數(shù)控操作方面的相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展獨樹一幟。比如數(shù)控機床方面，它的發(fā)展隨著政策的頒發(fā)，從舉步維艱到的生產(chǎn)量由產(chǎn)業(yè)化的量產(chǎn)到中高端檔次的定位生產(chǎn)。這預(yù)示著這個產(chǎn)業(yè)的整體水平基本具備國際競爭力。從三軸三聯(lián)動，過渡到四軸聯(lián)動加工，再到如今的五軸聯(lián)動，可以看出，我國的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)都在逐

10、漸進步，相關(guān)研發(fā)人員掌控的控制技術(shù)在不斷革新。除此之外，具備諸如小線段插補、動態(tài)誤差補償之類的數(shù)控機床都在源源不斷的研發(fā)生產(chǎn)并投入使用中。為了匹配機床，相關(guān)技術(shù)人員也為此研發(fā)了相適配的驅(qū)動裝置。這樣一帶一的研發(fā)形式，使得技術(shù)在不斷革新，也由此工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈隨之誕生。這樣不僅推進一系列的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，也使得工業(yè)機器人的研發(fā)更為緊要。隨著工業(yè)4.0及中國制造2025等政策的落實，中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢頭一路高歌猛進。在銷售份額上，中國工業(yè)機器人的銷售份額從最開始的市場占有率低，到現(xiàn)在占據(jù)份額比例達至30%?？梢姡@樣可以使中國的工業(yè)機器人的在研究方面的資金變得越來越多，讓工業(yè)機器人的技術(shù)變

11、得越來越好。在一些非常重要的地方變得越來越棒，比如說在控制器，減速器，傳感器等這些方面有比較大的進步，既能帶動市場經(jīng)濟的發(fā)展，還能使得中國工業(yè)機器人在各個領(lǐng)域縮小與發(fā)達國家的距離，甚至持平、趕超。如今，我國各個高校都開設(shè)了與機器人有關(guān)的學科，配合國家推行的人才發(fā)展政策，在人才培育和教學資源上都具有相當?shù)膬?yōu)勢，還包括相關(guān)研發(fā)機構(gòu)與各大高校的人才培養(yǎng)計劃。除此之外，還有一系列工業(yè)機器人創(chuàng)新活動等，由此相信水平多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的研發(fā)具有重大意義。1.2.2 國外發(fā)展情況在國外，他們在機器人的很多方面都有著非常厲害的技術(shù)，比如說在一些比較重要的方面都非常不錯，如一些材料的接頭的地方，他的裝配工藝的方

12、面，還有一些軟件的基本算法以及一些減速器等這些元件。自1954年戴維爾首次引入工業(yè)機器人概念以來，工業(yè)機器人不斷發(fā)展。綜上所述，工業(yè)機器人的發(fā)展歷史是三代：這個機械手的操作簡單，能對它下達預(yù)設(shè)指令，讓它能夠按照預(yù)設(shè)的坐標點進行移動，并能在之后，將運動坐標存儲起來，動作執(zhí)行過程中，能夠發(fā)現(xiàn)，伺服系統(tǒng)驅(qū)使著機械手再現(xiàn)原坐標點。這能讓機械手完成一些簡單的工作。這個這個現(xiàn)象代表著機械手，已經(jīng)具備了示教再現(xiàn)功能，也因為這個原因它象征著現(xiàn)代工業(yè)機器人的誕生。這也就是水平多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的前身。 例如美國，德國等的機械工業(yè)發(fā)達的國家在工業(yè)機器人的研究比較早，科研技術(shù)也相對更為成熟，不僅具有生產(chǎn)能力大的成套

13、的生產(chǎn)設(shè)備，而且可以按照用戶要求對產(chǎn)品質(zhì)量進行把控。這些工業(yè)機器人設(shè)備的使用大大加快了相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展腳步，同時也提高了制造技術(shù)的水平。1.3 設(shè)計任務(wù)的主要內(nèi)容與要求1.3.1 設(shè)計內(nèi)容 這次課題的的內(nèi)容主要在于一些水平多關(guān)機工業(yè)機器人的設(shè)計，主要體現(xiàn)在機身機械結(jié)構(gòu)和臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制系統(tǒng)設(shè)計兩個方面。為了滿足機電一體化專業(yè)人員的要求，主要內(nèi)容是工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計。工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)主要是以單片機為核心的控制系統(tǒng)，用微機單片機控制工業(yè)機器人有著獨有的優(yōu)勢。因此，工業(yè)機器人由單片微機控制。1.3.2 設(shè)計要求（1）制定總體規(guī)劃，機械結(jié)構(gòu)和控制方法的有機結(jié)合。（2）根據(jù)給定的技術(shù)參數(shù)，

14、合理設(shè)計機械部件的結(jié)構(gòu)，并進行與設(shè)計有關(guān)的設(shè)計計算。（3）水平多關(guān)節(jié)機器人的裝配圖和電氣原理圖的設(shè)計和繪制。1.4 設(shè)計的主要技術(shù)指標和參數(shù)（1）要求： 關(guān)節(jié)式機器人、四個自由度（2）參數(shù)： 結(jié)構(gòu)形式：水平多關(guān)節(jié)式 最大持重：1.0kg 運動范圍：大臂180、小臂70、手腕300、垂直距離100mm 驅(qū)動方式：電機驅(qū)動 尺寸：540x485x630 控制方式：用單片機控制（3）工作量：（1）A0圖合計約3.5張。（2）設(shè)計規(guī)范（不少于15，000字）。（3）外文材料的翻譯不低于原字3000。 2. 工業(yè)機器人工程概述2.1 工業(yè)機器人應(yīng)具備的系統(tǒng)功能 從系統(tǒng)的功能特性來看，復(fù)雜的機器可以看作是

15、一個系統(tǒng)，它以一定的方式由多個子系統(tǒng)有機地聯(lián)系在一起，具有不可分割的特性。如果您拆卸系統(tǒng)，您將失去一些整體的特定功能。因此，在設(shè)計更復(fù)雜的內(nèi)部機器時，它應(yīng)具有以下特征3：（1）目的性 即：每個機構(gòu)零件系統(tǒng)都應(yīng)該有正確的目的和功能。（2）整體性 即:這個由多個子系統(tǒng)組成的整個機械系統(tǒng)應(yīng)該作為一個整體實現(xiàn)指定的功能。（3）環(huán)境適應(yīng)性 即:任何系統(tǒng)都必須能夠適應(yīng)外部環(huán)境的變化。（4）相關(guān)性 即:統(tǒng)中的子系統(tǒng)之間必須存在一些相互關(guān)聯(lián)的特征。2.2 工業(yè)機器設(shè)計中總體方案的論證2.2.1 額定負載的確定根據(jù)本課題的設(shè)計任務(wù)要求，手腕部分可承載起1KG以內(nèi)的重量。2.2.2 驅(qū)動裝置選擇在該設(shè)計中，采用的

16、驅(qū)動方法為交流伺服電動機。機器人的運動部分包括運動傳動機構(gòu)和控制裝置，使機械手能夠按預(yù)計的設(shè)定完成人們想要完成的指定流程。通常的機械臂有多種方式驅(qū)動，有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機和液壓伺服馬達。其中步進電機存有小概率的失步現(xiàn)象，液壓伺服馬達的液壓系統(tǒng)存在漏油的問題。結(jié)合本設(shè)計所控制的工件的大小，計算出機器人的大小，最終選擇交流伺服電機進行控制。交流伺服電機存在的優(yōu)勢在于，其體積小，占據(jù)機械手臂的空間不大，從而使得機械手臂的負載小，從外型設(shè)計上可以設(shè)計的簡潔大方，便于客戶選擇應(yīng)用在不同場合3。伺服性能好，可以應(yīng)用單片機控制；便利操作,反應(yīng)快、穩(wěn)定性好，有利于機械手的正常工作操作；除此之

17、外還有轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例等優(yōu)點。2.2.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計機器人的傳動應(yīng)盡可能小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，慣性矩小。它的傳動方式主要有以下幾個方面，比如說齒輪傳動，皮帶傳動，滾珠絲杠傳動等很多傳動方式?？紤]到齒形帶傳動的單向重復(fù)精度高，水平面上的重復(fù)定位誤差小，可以滿足定位要求。因此，機身和動臂由二級齒形帶驅(qū)動。62.2.4 工作范圍它在工作時候的范圍是操作和運動范圍等一些方面所決定的，并且它的表示方式可以通過在工作時候的空間來表示。它的機械的一些方面的結(jié)構(gòu)以及機械手臂的關(guān)節(jié)是由它在工作時候的空間的形狀還有一些大小方面的因素所決定的。2.2.5 運動速度它的速度是由機器人在操縱手臂在工作的時

18、候他的動作產(chǎn)生的最大的行程來決定他的速度大小，其次它的時間的工作表來決定他在工作時候的每個動作所需要的時間，這樣可以來進一步知道他的運動速度。他的動作的時間所需的多少是由很多方面決定的，比如說他的動作種類來劃分到底是順序的還是同時進行的，以及他在工作的時候進行循環(huán)所需要的時間的是長還是短來決定的。您應(yīng)該嘗試為每個操作時間制定分配計劃，比較它，并分配除了流程操作要求之外的操作時間。還應(yīng)考慮慣性和行程大小，定位方法，驅(qū)動和控制方法以及精度要求。2.3 機器人機械傳動原理 由該主題設(shè)計的水平多關(guān)節(jié)，四自由度工業(yè)機器人。驅(qū)動方式由電機直接驅(qū)動，控制簡單，編程操作方便。車身設(shè)計為薄壁整體鑄件，設(shè)計輕巧靈

19、活。機身結(jié)構(gòu)為金屬板框架結(jié)構(gòu)，臂殼采用增強塑料壓鑄而成。其傳動原理圖1所示:圖1 傳動系統(tǒng)圖機器人的大臂和小臂設(shè)計有二級齒形皮帶傳動。升降軸采用螺母對實現(xiàn)升降運動。手腕旋轉(zhuǎn)由步進電機直接驅(qū)動，消除了所有傳動部件。6本機器人的軸為絲杠螺母副。III軸用于垂直提升運動。在斷電的情況下能實現(xiàn)自鎖，可以防止機械手和所持物體墜落。3. 機械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算3.1 機身部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 它的組裝圖主要由一些傳動的機構(gòu)構(gòu)成，其中包括他的機身的外殼還有機器人的手臂。他的外殼的作用是用來支撐機器人整體結(jié)構(gòu)的用處。是機身外殼和大臂1的傳動結(jié)構(gòu)。由一個壁厚為4毫米的金屬板框架組成。大臂1傳動路線為：皮帶輪的第一級安

20、裝在大臂伺服電機MI上，第一皮帶驅(qū)動器由同步齒形帶和安裝在軸下方的大皮帶輪形成。第二級皮帶輪安裝在軸上方，第二皮帶傳動裝置由同步齒形帶和安裝在I軸下方的大皮帶輪形成。I軸的頂部呈圓盤形狀，并直接固定在臂1外殼上。機身傳動示意圖如圖2所示：圖2 機身傳動示意圖電機安裝在背板上，背板安裝在支架上，通過螺釘調(diào)節(jié)第一級同步齒形帶的張力。機身中間軸通過兩個徑向止推軸承安裝在支架上，整個支架安裝在變速箱底部，通過螺釘調(diào)節(jié)第二級同步帶的張力。3.2 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計他的系統(tǒng)具有很多性質(zhì)，比如說整體性就是其中之一，他的決定取決于它的結(jié)構(gòu)中的機身和傳動臂所具有的一些能力，比如說他在工作時候可以完成驅(qū)動以及傳動的一

21、些能力。下面介紹一下計算部分驅(qū)動能力的計算。懸臂組件圖主要是懸臂殼體和臂的傳動結(jié)構(gòu)。懸臂殼體既用作整個機器人傳動臂又用作臂傳動鏈的殼體。它由一個壁厚為4毫米的增強塑料模具壓制而成，并部分加固。小臂傳動路線為：臂電機MII的輸出軸配備有第一級皮帶輪，第一級皮帶傳動裝置由同步齒形皮帶和安裝在軸上的大皮帶輪形成。軸還配備有第二級皮帶輪，其與同步齒形皮帶連接。安裝在II軸上的大滑輪（屬于臂組件）構(gòu)成第二級皮帶傳動。大帶輪與小臂殼體固定。電機旋轉(zhuǎn)時，機器人手臂擺動。4傳動原理如圖3所示：圖3 大臂1齒帶傳動原理示意圖 設(shè)計特點:（1）機身和控制柜設(shè)計為單一結(jié)構(gòu)控制柜設(shè)計在機身內(nèi)部，可以消除復(fù)雜的連接電纜

22、，占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊。(2) 構(gòu)件輕型化設(shè)計機器人重量很輕，只需要一半類似機器人的重量。例如：用加強塑料臂殼替換常用的鑄鋁臂殼;支架類的零件采用折彎件；驅(qū)動器由皮帶驅(qū)動，許多車輪材料由鋁合金制成。8(3) 結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便采用結(jié)構(gòu)比較簡單的皮帶傳動形式，不采用結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的裝配結(jié)構(gòu)。同時，皮帶傳動的靈活性也適應(yīng)機器人在水平方向上的靈活性，滿足組件的靈活性要求。進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算和選擇包括：脈沖當量的確定，軸徑的初始評估，在計算的時候我們需要考慮一些因素，比如說用同步帶進行驅(qū)動能力的時候的計算，還有在用步進電機的時候的計算以及選擇，還有在用直流伺服電機的時候計算和選擇還有再用滾珠絲杠的

23、時候的計算。3.3 關(guān)于本結(jié)構(gòu)在機械部分的設(shè)計以及計算 3.3.1 關(guān)于電動機的選擇對于電動機我們有很多需要了解的地方，比如說他的分類我們需要深刻的了解，在我們生活中，我們經(jīng)常用到的有一些電動機，比如步進電動機和伺服電機，下面我們開始介紹一下這兩種電機的一些特點和用處以及優(yōu)勢。（1） 關(guān)于步進電機的介紹他的主要用處有在一些機械的控制系統(tǒng)中完成對一些比較重要的數(shù)字的分析還有執(zhí)行的任務(wù)，他的另一種作用是把一些重要的關(guān)于電信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性的還有角位移的能力。所以他還有一種另外的叫法，叫做脈沖電動機。對于他的現(xiàn)狀，在我們的國家用的非常廣泛的就是關(guān)于步進電機的其中的一種叫無功步進電機，關(guān)于他的特點又可以進

24、一步分析一下，他的啟動速度非常的快，他的速度范圍非常的廣，他的動態(tài)性能特別的好，他還有一些其他的特點，比如說，具有良好的制動以及反轉(zhuǎn)的能力。(2) 關(guān)于伺服電機的介紹伺服電機他的特點的介紹：他的精度可以完成一些操作以及解決一些問題比如說，在控制方面可以完成對速度的控制以及對力矩的控制。他克服了一些在關(guān)于步進電機一些方面的問題。同時它還具有非常好的適應(yīng)性，它可以完成一些比較重要的操作，比如說他有特別好的抗負載的能力，可以承受非常大的扭矩，是平時額定扭矩的三陪左右。同時他還具有非常好的穩(wěn)定性，他能夠完成一些操作，比如說，他能夠使機器人在非常低的速度下平穩(wěn)的運行，同時，在非常低的速度下不會對步進電機

25、的操作產(chǎn)生額外的影響，提供非常好的穩(wěn)定性。同時，它具有非常重要的能力，就是及時性，他能夠使點擊在減速的時候?qū)τ谒膭討B(tài)響應(yīng)需要的時間變得非常短，加速也是。大概他所需要的時間為幾十MM左右。（3） 機器人電機的選擇910 1.關(guān)于一些手腕處步進電機的選擇 第一次選擇電機為步進電機，這個電機為一個步距角為7.5/15的反應(yīng)式步進電機，（1-2相勵磁）運動時，步距角為7.5，其每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)量為 個。 根據(jù)脈沖當量的定義選 =0.01 （1）負載轉(zhuǎn)矩的折算根據(jù)手抓及重物的質(zhì)量（分別為2.3kg和2.0kg），以及手腕處零件的質(zhì)量總重估計為5.0kg。阻力矩：T=1.225，手抓的轉(zhuǎn)動速度設(shè)定為20。則負

26、載轉(zhuǎn)矩： 式中: TL電動機負載轉(zhuǎn)距 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取=0.004 （參考機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計 P136） 齒輪與絲杠總效率，其中齒輪傳動效率為0.97，絲杠傳動效率為0.9 所以， 步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩 =（0.3 - 0.5） 1.36 = 0.04 - 0.068 根據(jù)反應(yīng)式步進電機的技術(shù)數(shù)據(jù)，36BF003步進電機應(yīng)在機械設(shè)計手冊的表5-2中選擇。（2）步進電動機的選擇與技術(shù)參數(shù)通過上面一步步的計算，我們可以知道選用36BF003型反應(yīng)式步進電機是非常的合理，并且符合相關(guān)的要求。他的一些相關(guān)數(shù)據(jù)的表示于下表1可見： 表1 電動機技術(shù)參數(shù)：相 數(shù)3繞組電阻1.6步距角1.5/3分配方式

27、三相六拍電 壓27V最大靜轉(zhuǎn)距0.078(0.8)Nm相電流1.5A空載啟動頻率3100Hz轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量10kg0.0784適配驅(qū)動器DX-3F040M外型尺寸 外 徑36mm長 度41mm軸 徑4mm重 量0.22kg其外形尺寸圖如圖4所示：圖4 步進電機外形圖其矩頻特性如圖5所示：圖5 反應(yīng)式步進電機36BF003矩頻特性圖2.小臂電機的選擇 根據(jù)小臂的重量（預(yù)計為5kg）及手抓的重量（5.0kg）。質(zhì)心離轉(zhuǎn)軸的距離。故小臂轉(zhuǎn)動的阻力矩，小臂的轉(zhuǎn)動速度初步設(shè)定為，是傳動效率中聯(lián)軸器的效率，大概為（0.98-0.99）, 是傳動效率中一對聯(lián)軸器的效率，大概為（0.97-0.98）, 為一對滾

28、動軸承的傳動效率(0.98-0.99), 為一滾珠絲桿的傳動效率(0.97-0.98), 為關(guān)節(jié)的總傳動效率，所以=W通過上面一步步的計算，我們可以知道選用55SZ55型反應(yīng)式步進電機是非常的合理，并且符合相關(guān)的要求。他的一些相關(guān)數(shù)據(jù)的表示于下表2可見：表2 55SZ55電動機的相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn) 速6000 功 率50 W電 壓24 V電 流0.49/3.45 A轉(zhuǎn)動慣量外型尺寸 外 徑60mm長 度91mm軸 徑5mm重 量0.75kg3. 大臂電機的選擇 根據(jù)動臂1的重量（預(yù)計為8kg）及小臂與手抓的重量（10.0kg）。質(zhì)心離轉(zhuǎn)軸的距離。故大臂轉(zhuǎn)動的阻力矩，大臂的轉(zhuǎn)動速度初步設(shè)定為，為聯(lián)

29、軸器的傳動效率（0.97-0.98）, 為一對帶輪的傳動效率(0.98-0.99), 為一對滾動軸承的傳動效率(0.98-0.99), 為一對同步帶的傳動效率(0.97-0.98), 為大臂的總傳動效率，所以=W 根據(jù)計算結(jié)果，選擇70SZ101電機的技術(shù)參數(shù)如表3所示：表3 電動機技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn) 速7500 功 率68W電 壓110 V電 流0.12/1.95 A轉(zhuǎn)動慣量外型尺寸 外 徑74mm長 度114mm軸 徑6mm重 量1.5kg4. 機身電機的選擇 根據(jù)機身的重量（預(yù)計最初為8kg）及大臂、小臂與手抓的重量（18.0kg）。質(zhì)心離轉(zhuǎn)軸的距離。因此，臂旋轉(zhuǎn)的阻力矩，主體構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)速

30、度初始設(shè)定為，機身部件的轉(zhuǎn)動速度初步設(shè)定為，為聯(lián)軸器的傳動效率（0.97-0.98）, 為帶輪的傳動效率(0.98-0.99), 為一對滾動軸承的傳動效率(0.98-0.99), 為同步帶的傳動效率(0.97-0.98), 為機身的總傳動效率，所以=W根據(jù)計算結(jié)果，選擇110SZ53的技術(shù)參數(shù)如表4所示：表4 電動機技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn) 速3000 功 率308W電 壓110 V電 流0.32/4 A轉(zhuǎn)動慣量外型尺寸 外 徑115mm長 度164mm軸 徑10mm重 量5.8kg3.3.2 步進電機的控制 在控制模式中步進電機的相關(guān)示意圖如圖6所示：圖6 步進電機控制示意圖通過電脈沖的方法控制電機

31、的相關(guān)流程電 （b)通過改變電脈沖信號的大小來控制電機。 （c）通過改變角位移大小的方法控制電機。3.4 同步帶部分傳動設(shè)計計算同步帶驅(qū)動器使用齒形和滑輪的齒輪齒順序地接合以傳遞運動或動力。與平皮帶傳動和V帶傳動相比，傳動比準確，傳動效率高，軸和軸承負荷小，結(jié)構(gòu)緊湊，運行穩(wěn)定。與梯形齒和弧齒同步，梯形齒同步與模塊化系統(tǒng)和每周系統(tǒng)。每周環(huán)形齒形同步帶具有國家標準。為此設(shè)計選擇的帶類型是周邊梯形齒同步帶。11本設(shè)計采用兩級同步帶減速，傳動比為2.同步帶傳動設(shè)計計算的主要內(nèi)容是基于傳動速度。額定功率，運行條件和速度比用于正確選擇皮帶長度，型號，帶寬和皮帶輪直徑以及齒數(shù)。計算過程如下。3.4.1 一級

32、同步帶傳動計算（1）通過查閱學習資料機械設(shè)計基礎(chǔ)表2-24查得功率 （2）通過相關(guān)計算和相關(guān)資料查閱，初步選擇同步帶傳動的帶型為和同步帶傳動的節(jié)距。由機械設(shè)計基礎(chǔ)以及相關(guān)資料最終選擇為L型，節(jié)距（3） 通過查閱資料小皮帶最小齒數(shù)由很多因素所決定，例如，由皮帶類型和小皮帶輪速度，通過查閱機械設(shè)計基礎(chǔ)，查的小皮帶輪的最小齒數(shù)為，此處?。?）小帶輪節(jié)圓直徑 其外徑。根圓直徑齒高和齒根直徑見機械設(shè)計手冊的表1-104。（5）大帶齒輪數(shù) （6）大帶輪節(jié)圓直徑 外徑 。齒高，根圓直徑 見機械設(shè)計手冊的表1-104。（7）帶速 L帶，（8）初定軸間距 ?。?）帶的節(jié)線度及齒數(shù) 初定帶節(jié)線長度 通過相關(guān)計算和

33、相關(guān)資料查閱，由機械設(shè)計基礎(chǔ)得應(yīng)選擇型同步帶，并且同步帶的代號為150。同時，它的相關(guān)數(shù)據(jù)如下，節(jié)線齒數(shù)，節(jié)線長 （10）通過有關(guān)計算，它的軸間距可以進行適當?shù)母膭?，改動的結(jié)果為實際軸間距， （11）小帶輪嚙合齒數(shù) （12）基本額定功率 機械設(shè)計手冊表1-98中批準的工作張力 （13）對實際帶的寬度進行相關(guān)計算 帶的寬度的相關(guān)計算結(jié)果由參考文獻查詢得由相關(guān)資料查閱得出標準帶寬 通過上面的計算可以得到應(yīng)該選擇寬帶代號為100的帶寬，并且非常合理。其 （）3.4.2 二級同步帶傳動計算（1）與一級同步帶傳動類似，通過查閱相關(guān)資料檢查設(shè)計功率與工況系數(shù) 通過相關(guān)計算和相關(guān)資料查閱，初步選擇同步帶傳動

34、的帶型為和同步帶傳動的節(jié)距。由機械設(shè)計基礎(chǔ)以及相關(guān)資料最終選擇為L型，節(jié)距（2）通過相關(guān)計算和相關(guān)資料查閱，初步選擇同步帶傳動的帶型為和同步帶傳動的節(jié)距。由機械設(shè)計基礎(chǔ)以及相關(guān)資料最終選擇為L型，節(jié)距（3）通過查閱資料小皮帶最小齒數(shù)由很多因素所決定，例如，由皮帶類型和小皮帶輪速度，通過查閱機械設(shè)計基礎(chǔ)，查的小皮帶輪的最小齒數(shù)為，此處?。?）小帶輪節(jié)圓直徑 其外徑。根圓直徑齒高和齒根直徑見機械設(shè)計手冊的表1-104。（5）大帶輪齒數(shù) （6）大帶輪節(jié)圓直徑 外徑見機械設(shè)計手冊的表1-104。齒高見機械設(shè)計手冊的表8-1-50，根圓直徑（7）帶速 L帶，（8）初定軸間距 取（9）帶的節(jié)線度及齒數(shù) 初

35、定帶節(jié)線長度 通過相關(guān)計算和相關(guān)資料查閱，由機械設(shè)計基礎(chǔ)得應(yīng)選擇型同步帶，并且同步帶的代號為150。同時，它的相關(guān)數(shù)據(jù)如下，節(jié)線齒數(shù)，節(jié)線長 （10）通過有關(guān)計算，它的軸間距可以進行適當?shù)母膭?，改動的結(jié)果為實際軸間距， （11）小帶輪嚙合齒數(shù) （12）基本額定功率 機械設(shè)計手冊表1-98中批準的工作張力 (13) 帶的寬度的相關(guān)計算結(jié)果由參考文獻查詢得 由相關(guān)資料查詢得出帶的寬度型帶 由機械設(shè)計基礎(chǔ)以及有關(guān)書籍查得 通過上面的計算可以得到應(yīng)該選擇寬帶代號為100的帶寬，并且非常合理。其 （）（14）帶輪的最終選擇 用作同步帶傳動選用的型號為150L100和150L100 小帶輪： 大帶輪： 3

36、.5 軸系結(jié)構(gòu)的設(shè)計 預(yù)計軸徑 根據(jù)公式， P取0.1 W n=1000 r/min c為45鋼的材料系數(shù)=107。初估軸徑為10 mm。3.6 滾珠絲杠的設(shè)計計算 滾珠絲杠傳動具有廣泛的應(yīng)用，例如低摩擦損失，高傳動精度，快速動態(tài)響應(yīng)和良好的運動靈活性。影響傳動變形的因素由很多方面決定，比如，螺桿自身的水平方向的剛度，還有支撐軸承的剛度，還有球和滾動軸承的接觸剛度等因素所決定。其中第一項占主要因素。與其他線性運動對相比，滾珠絲杠驅(qū)動器具有以下特征：它具有很多其他驅(qū)動沒有的特點，比如它的傳動方面的效率非常的高，啟動時需要的距離非常的小，又比如，它在傳動方面具有雙向傳動的特點，但是在傳動過程中沒有

37、自鎖功能，并且它在傳動過程中的精度相比于其他傳動方式非常的高。同時它的使用時間很長，維修起來也比其他的結(jié)構(gòu)簡單。它在傳動過程中的可靠性也非常的高，其在潤滑結(jié)構(gòu)的設(shè)計非常簡便，有利于人工更快的維護與保養(yǎng)。它也可以實現(xiàn)同時進行多個多組運動，產(chǎn)生更好的同步傳動。但是它的唯一缺點在于，它制造起來相比于其他的傳動方式相對比較繁瑣，并且，造價成本比較高。 根據(jù)滾珠絲杠的使用條件：已知：平均工作載荷Fm = 50N，導(dǎo)螺桿工作長度L = 0.23m。平均轉(zhuǎn)速n=250r/min，最大轉(zhuǎn)速n=1000r/mi，使用壽命左右，材料為鋼，滾道硬度為5860HRC，傳動精度mm。由機械設(shè)計手冊表12-1-12選擇固

38、定式（G）；從表12-1-13中選擇滾珠絲杠的預(yù)緊方法是單螺母位移導(dǎo)線預(yù)緊（B）;根據(jù)機械設(shè)計手冊的表12-1-11，軋輥形狀選擇為雙面弧形;初步計算基本導(dǎo)程，由表12-1-20（4）式得計算公式=1001000=0.1。3.6.1 對載荷進行相關(guān)計算 其中載荷系數(shù) 硬度系數(shù) 精度系數(shù)根據(jù)已知條件查表，分別選?。?1.2，=1，又由于，P18表2-4查得精度等級為級， 因此 . 所以 =1.21.01.050 60N3.6.2 計算額定動載荷60364.7 N3.6.3 選擇滾珠絲杠副，。外循環(huán)插管式墊片預(yù)緊珠管嵌入式（CDM）滾珠絲杠副由相關(guān)資料查出，型號為 。型號為 CDM 2004-2.

39、5. 導(dǎo)程 公稱直徑 循環(huán)列數(shù)圈數(shù)2.52 鋼球直徑 =2.381 絲杠外徑 螺紋底徑 接觸剛度 螺 旋 角：4 偏 心 距：0.07（R/2）0.07（0.522.381/2）3.333.6.4 穩(wěn)定性驗算 由于固定在軸一端的螺釘在運行過程中可能不穩(wěn)定，所以在計算時應(yīng)留意安全系數(shù)的大小，它的值應(yīng)該比螺桿傳動的安全系數(shù)略大。計算臨界載荷c剛彈性模量E2.0610根據(jù)已知條件：Ia/643.14（0.02）/64選取2/3c=687802N安全系數(shù)： Sc/Fm687802/5013756 查表知（S）2.23.3 所以S 即絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 3.6.5 共振性檢驗 導(dǎo)螺桿在高速工作時可

40、能會發(fā)生共振，因此有必要檢查不發(fā)生共振的最大速度。9910取4.730，2/39910=188604r/minn3000/。所以絲杠不會發(fā)生共振。 3.6.6 剛度驗算滾珠絲杠導(dǎo)線變形：Ftan（4） 在本次設(shè)計中去摩擦系數(shù)為tan，即 50 = + = =0.308+0.154 =0.293um 因此，導(dǎo)螺桿在工作長度上的彈性變形引起的導(dǎo)程誤差是=/= 要求 所以滿足剛性要求3.6.7 效率計算 =tan/tan（） =tan（4/tan（4）=0.968此絲杠副是合格的根據(jù)以上計算，選取 CDM 2004-2.5.根據(jù)相關(guān)資料選擇相關(guān)數(shù)據(jù) 循環(huán)列數(shù)圈數(shù)2.52 鋼球直徑 =2.381 絲杠

41、外徑 螺紋底徑 接觸剛度 螺 旋 角：4 偏 心 距：0.07（R/2）0.07（0.522.381/2）3.33 3.6.8 滾珠絲杠的精度標準 根據(jù)機械設(shè)計手冊的表12-1-18，滾珠絲杠副的精度等級選擇為2。4. 電氣系統(tǒng)設(shè)計4.1工業(yè)機器人計算機控制系統(tǒng)單片微計算機又被稱為單片機。它將中央處理器，定時器/計數(shù)器，只讀存儲器，接口，隨機存取存儲器RAM和串行通信接口集成到一個芯片中。構(gòu)成一個完整的微型計算機。由于其命令功能和結(jié)構(gòu)是根據(jù)工業(yè)控制要求設(shè)計的，因此也稱為單片微控制器。目前，它已被國內(nèi)外稱為單片機。12水平多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人數(shù)控系統(tǒng)的框圖如圖7所示： 圖7 數(shù)控原理圖4.2 控制系

42、統(tǒng)硬件電路設(shè)計4.2.1 確定硬件電路總體方案第一，通過相關(guān)書籍查閱選擇主控制器，也就是中央處理單元，即。第二，選擇總線，總線具有很多類型，例如控制總線，地址總線等。第三，通過查閱有關(guān)單片機的書籍，確定設(shè)備接口即電路的驅(qū)動。最后，選擇單片機的存儲器，其中包括數(shù)據(jù)存儲與程序存儲等存儲器，還有它的拓展單位。4.2.2單片機硬件結(jié)構(gòu)的特點單片機硬件結(jié)構(gòu)有下面的一些主要特點： （1）它具有很多硬件結(jié)構(gòu)，比如說，它具有內(nèi)部程序存儲器（）和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（）容量等機構(gòu)，其詳細參數(shù)詳見表5：表5 存儲器容量存儲器類型單片機系列掩膜ROMEPROMRAMMCS-5151子系列8031128B80514KB12

43、8B87514KB128B51子系列8032128B80528KB128B（2）I/O接口微控制器中的I / O接口數(shù)量和類型很多。串行端口使用兩個I / O接口線構(gòu)建。（3）外部數(shù)據(jù)存儲器和外部程序存儲器尋址空間微控制器可以處理很多種類的數(shù)據(jù)存儲器，它具有很強的抗干擾能力不會受到其他芯片的影響。（4）中斷與堆棧單片機控制器必須由五個中斷源控制，它有兩個優(yōu)先級組成，它的堆積位置也是要通過編程實現(xiàn)的，字節(jié)對多包括128個。（5）定時/計數(shù)器與寄存器區(qū)MCS-51子系列有兩個16位定時器/計數(shù)器，可編程以實現(xiàn)四種工作模式。MCS-51在內(nèi)部RAM中有32個通用寄存器，共4個通用工作寄存器區(qū)域，以滿

44、足多個中斷或子程序嵌套的要求。（6）指令系統(tǒng)MCS-51具有強大的命令系統(tǒng)，其中添加了許多操作指令位。算法函數(shù)，例如比較、減法、乘法、除法、堆棧操作（推入和彈出）。即使振蕩器頻率連接到12兆赫，大多數(shù)指令的執(zhí)行時間也只有1微秒。乘法和除法指令的執(zhí)行時間只有4微秒。（7）布爾處理器MCS-51實際上是一個完整的一位微機。MCS-51的出現(xiàn)是微電腦技術(shù)的一次突破，因為它結(jié)合了八位微電腦和一臺微電腦。它不僅突出了機器在邏輯電路仿真，實時測量和控制以及切換決策方面的優(yōu)勢，而且體現(xiàn)了八位機器在計算和智能儀器數(shù)據(jù)采集方面的優(yōu)勢。這是MCS-51的精美設(shè)計，一般微型計算機不具備這種設(shè)計。124.3 MCS-

45、51單片機的引腳描述及片外總線結(jié)構(gòu)4.3.1 單片機型號的選擇 8031包括一個 CPU（8位），一個隨機存取存儲器（128 KB）和21個特殊功能寄存器（ SFR）4 GE，并行 I/ O端口（8位）和兩個16位定時器/定時器。8031的引腳如圖8所示：圖8 8031引腳配置圖MCS-51單片機的邏輯符號如圖9所示：圖9 8031邏輯符號圖8031共有40個引腳，其中有32個輸入/輸出（ I/ O）引腳、2個專用于主電源引腳，兩個外部晶體引腳，四個控制或與其他電源復(fù)用。12當使用74LS373作為地址鎖存時，其數(shù)據(jù)鎖存控制終端（G）和（STB）可以直接連接到微控制器的地址鎖存信號終端（ALE

46、）。當ALE下降時執(zhí)行地址鎖存。如果鎖存控制信號從微控制器的ALE終端輸出可以連接到74LS373的CLK端子，它必須通過逆變器以滿足上升沿CLK鎖存的要求。對于具有大隨機存取存儲器和I / O容量的應(yīng)用，通常使用全地址解碼。全地址解碼方法的優(yōu)點是它可以使用較低地址線作為芯片的片上地址（在外部電路中占用最大數(shù)量的地址線）。上部地址線由解碼器解碼，并且解碼的信號用作芯片選擇線。通常地址解碼器使用74LS138，其邏輯符號如表3所示，邏輯函數(shù)如表6所示：表6 74LS138功能表 C B A 1 0 00 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 00 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1

47、 1 0 00 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 00 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 01 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 01 0 1 1 1 0 1 1 1 1 11 0 01 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 01 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 其他狀態(tài)x x x 1 1 1 1 1 1 1 1譯碼原理如圖10所示： 圖10 全地址譯碼實例如果解碼器的輸入占用三個最大位地址行，剩余的13個地址行可用作片上地址行。因此，解碼器的八條輸出線分別對應(yīng)8kb的地址空間。6264是8 KB的RAM，因此片上尋址需要13個低位地址線（A0-A12）。其他三個上部地址線（A13-A15）通過三分之八的解碼器，并用作外圍芯片的芯片選擇線。圖中還有三條地址線 - 可用于擴展三個8KB RAM或三個外設(shè)接口電路。4.3.2 程序存儲器擴展電路由于8031沒有只讀存儲器，程序的存儲器需要擴充?？刹脸蛔x存儲器EPROM可用作MCS-51微控制器的外部程序存儲器。本設(shè)計采用2764A（8Kx8）系列芯片。芯片上有一個玻璃窗，在紫外光下照射約20分鐘，存儲器中的信息變成1。此時，工作程序可編程到這些芯片中。2764 A是一個8kb的紫外線可擦除電子可編程只讀存儲器（EPROM），由+5 V單電源供電，工作電壓為75 mA。