《機械畢業(yè)設計（論文）-移動物體檢測報警機器人設計【全套的圖紙】》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《機械畢業(yè)設計（論文）-移動物體檢測報警機器人設計【全套的圖紙】（35頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 1 頁 共 35 頁目錄第 1 章. 緒論.31.1 智能機器人技術發(fā)展的重要意義.31.2 國內外機器人的發(fā)展史.31.2.1 國外機器人的發(fā)展歷史.31.2.2國內機器人的發(fā)展歷史.41.3 服務機器人的特點關鍵技術.41.4 本論文的主要研究內容.51.5 本章小結.5第第 2 2 章章. .物體檢測與報警機器人的總體設計物體檢測與報警機器人的總體設計 .62.1 概述.62.2 主要組成.62.2.1 頭部旋轉機構.62.2.2 主體部.72.2.3 電機.72.3 主要技術參數(shù).82.4. 電機的選型.82.4.1 驅動機構的組成.82

2、.4.2 步進電機的選型比較.92.4.3 步進電機的選型計算.102.5 蝸輪蝸桿傳動的選型設計.122.6 電機的效核.152.7 軸的較核及聯(lián)件的選型.162.7.1. 蝸桿軸的較核.162.7.2. 蝸桿軸上軸承的選型.202.7.3. 蝸輪軸的較核.222.7.4. 蝸輪軸上軸承的選型.262.7.5. 鍵的較核.282.7.6. 聯(lián)軸器的選型.282.8 本章小結.28第第 3 3 章章. . 驅動機構及其控制方式驅動機構及其控制方式 .293.1. 概述.293.2 步進電機及其控制系統(tǒng).293.2.1 步進電機的工作特性.293.2.2 步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng).313.3 本章

3、小結.32結束語結束語 .32第 2 頁 共 35 頁致致 謝謝 .33參考文獻 .34移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 3 頁 共 35 頁第第 1 1 章章. . 緒論緒論本章提要. 本章從闡述智能機器人技術發(fā)展的意義出發(fā),簡要地回顧智能機器人的發(fā)展歷史和當前的技術水平。在此基礎上,對于智能檢測報警機器人這一產品的關鍵技術,以及開發(fā)現(xiàn)狀,也作了進一步介紹。1.11.1 智能機器人技術發(fā)展的重要意義智能機器人技術發(fā)展的重要意義全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706智能機器人是具有感知,思維和行動能力的機器,是機構學、自動控制、計算機、人工自能、光電技術、傳感技術、通訊技術

4、、仿真技術等多種學科和技術的綜合成果，它從一個側面反映了一個國家科技發(fā)展的水平。更重要的是,作為新一代生產和服務的工具,它在國民生產和生活的各個領域都占有更廣泛,更重要的位置,這對于人類開辟新的產業(yè),提高生產和生活水平具有十分現(xiàn)實的意義。因此智能機器人技術作為科技技術的一個分支,受到了世界各國的普遍重視。發(fā)展智能機器人技術將對一個國家產生巨大的影響，主要集中在以下幾個方面：1. 發(fā)展工業(yè)智能機器人可以增強一個國家的生產制造能力2. 發(fā)展特種智能機器人可增強國家的可持續(xù)發(fā)展能力3. 發(fā)展智能機器人技術可以提高國防實力第 4 頁 共 35 頁1.21.2 國內外機器人的發(fā)展史國內外機器人的發(fā)展史1

5、.2.11.2.1 國外機器人的發(fā)展歷史國外機器人的發(fā)展歷史美國是機器人的誕生地，早在 1962 年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人，比起號稱機器人王國的日本起步至少要早五六年。經過 30 多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一，基礎雄厚，技術先進。縱觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。 由于美國政府從 60 年代到 70 年代中的十幾年期間，并沒有把工業(yè)機器人列入重點發(fā)展項目，只是在幾所大學和少數(shù)公司開展了一些研究工作。對于企業(yè)來說，在只看到眼前利益，政府又無財政支持的情況下，寧愿錯過良機，固守在使用剛性自動化裝置上，也不愿冒著風險，去應用或制造機器人。加上，當時美國失業(yè)率高達 66

6、5，政府擔心發(fā)展機器人會造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研制機器人，這不能不說是美國政府的戰(zhàn)略決策錯誤。70 年代后期，美國政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術路線上仍把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領域的高級機器人的開發(fā)上，致使日本的工業(yè)機器人后來居上，并在工業(yè)生產的應用上及機器人制造業(yè)上很快超過了美國，產品在國際市場上形成了較強的競爭力。 進入 80 年代之后，美國才感到形勢緊迫，政府和企業(yè)界才對機器人真正重視起來，政策上也有所體現(xiàn)，一方面鼓勵工業(yè)界發(fā)展和應用機器人，另一方面制訂計劃、提高投資，增加機器人的研究經費，把機器人看成美國再次工業(yè)化的特征，使美國的機器人

7、迅速發(fā)展。 盡管美國在機器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機器人技術在國際上仍一直處于領先地位。其技術全面、先進，適應性也很強。具體表現(xiàn)在： （1）性能可靠，功能全面，精確度高； （2）機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應用廣，水平高居世界之首； （3）智能技術發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應用； （4）高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。1.2.21.2.2國內機器人的發(fā)展歷史國內機器人的發(fā)展歷史我國已在“七五”計劃中把機器人列入國家重點科研規(guī)劃內容，撥巨款在沈陽建

8、立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎理論與基礎元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。目前，示教再現(xiàn)型機移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 5 頁 共 35 頁器人技術已基本成熟，并在工廠中推廣應用。我國自行生產的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風汽車廠投入運行。1986 年 3 月開始的國家 863 高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機器人的內容。就目前來看，我們應從生產和應用的角度出發(fā)，結合我國國情，加快生產結構簡單、成本低廉的實用型機器人和某些特種機器人。1.31.3 服

9、務機器人的特點關鍵技術服務機器人的特點關鍵技術前面主要介紹了本課題的技術平臺智能機器人的發(fā)展狀況,在這一節(jié)中主要從產品的角度出發(fā),介紹智能檢測報警機器人所屬的服務機器人這一大范疇的特點和關鍵技術。它對于該產品的設計與開發(fā)具有指導性的意義。智能檢測機器人從其產品的功能上劃分,是屬于近年來剛剛興起的服務機器人的范疇。關于服務機器人的定義目前還并不統(tǒng)一;簡單地說,它是指一種能夠自主或半自主運行,且為人類健康,安全和設備運行提供服務的智能機器。因此,服務機器人存在自身的一些特點,主要集中在以下三方面:(1)任務要求.服務機器人的主要職能是自主或半自主地為人類提供服務或安全保障。它涉及到探測,報警等多種

10、功能,顯然其任務具有多樣性和靈活性的特點。因此,為了實現(xiàn)特定的任務,服務機器人的開發(fā)必須更重視載體尺寸、重量、能量供給、導航、避障等多方面的功能,同時配備相應的完成任務的工具。(2)工作環(huán)境.機器人的工作環(huán)境一般分為兩類:結構化環(huán)境和非結構化環(huán)境.工業(yè)機器人通常面對的是結構化環(huán)境,而服務機器人通常在非結構化的環(huán)境中工作。不過在環(huán)境中,機器人與人或環(huán)境設施可能經常發(fā)生互動即所謂的突發(fā)事件。因此,機器人必須具有靈活能力;換而言之,環(huán)境是隨時變的。因此,服務機器人的工作環(huán)境更為復雜,受外界的影響,干擾更多。(3)機械結構.機械結構通常指機器人的本體結構。任務和工作環(huán)境決定了機器人的結構形式。按照其本

11、體結構的運動能力,可將服務機器人分為靜止式和移動式兩類。最常見的服務機器人是移動式的,其中以輪式結構最為廣泛。 雖然針對不同的應用場合和服務對象,服務機器人在形式,功能等方面存在著較大的差別,但在設計和開發(fā)服務機器人的過程中,也存在一些共性的地方服務機器人的關鍵技術可歸納為以下幾個方面: 環(huán)境的表示 環(huán)境感知和信號處理 控制系統(tǒng)及其結構 復雜任務和服務的實時規(guī)劃 適應于作業(yè)環(huán)境的機械本體結構 研制低功耗,長時間工作的功能部件 這些關鍵技術的發(fā)展直接影響到服務機器人作為一個行業(yè)的應用前景。雖然以前服務機器人一度被認為是一個幾乎不可獲利的行業(yè),但隨著近年來,家用服務機器人和娛樂機器人市場開拓所獲得

12、的巨大成功,人們的觀念正在發(fā)生變化。美國,日本和歐洲的一些大公司也紛紛進入了服務機器人的市場。第 6 頁 共 35 頁1.41.4 本論文的主要研究內容本論文的主要研究內容本論文主要以智能檢測報警機器人這一產品的設計與開發(fā)為中心,詳細敘述了該產品的各個環(huán)節(jié)的設計思想,設計理念和設計過程。通過將現(xiàn)代智能機器人領域的一些成熟技術應用于實際的產品開發(fā)中,達到獲得直接的,感性認識的目的;同時也以具體應用為基礎,對這一領域中的一些焦點的前沿問題作了進一步的研究。整個論文主要闡述了以下兩個方面的問題：(1) 智能檢測報警機器人系統(tǒng)的總體結構規(guī)劃和設計(2) 以步進電機為主要驅動部件的機器人驅動機構的設計1

13、.51.5 本章小結本章小結本章以智能檢測報警這一產品的開發(fā)為平臺,闡述了發(fā)展智能機器人技術的重要意義,并著重介紹了與該產品相關的機器人技術發(fā)展。由于智能檢測報警機器人從產品的角度出發(fā),是屬于服務機器人的范疇,本章也同時針對服務機器人在開發(fā)和設計過程中存在的一些共性問題,作了進一步的闡述。在此基礎上,對整個課題的研究內容和設計任務,作了具體的規(guī)劃。第 2 章.物體檢測與報警機器人的總體設計本章提要 本章主要介紹了智能檢測報警機器人的產品要求,功能分析和性能特點。在此基礎上提出了該產品的總體原理和具體功能模塊的實現(xiàn)思路,從而對其形成一個完整的設計方案。2.12.1 概述概述隨著社會的進步和發(fā)展,

14、人們的學習和工作越來越繁重,于是怎樣更大程度地將人們從煩瑣的日常事務中解脫出來,就成為了新一代服務機器人所追求的目標,而智能化正是這一目標的集中體現(xiàn)。本文介紹的智能檢測報警機器人初步實現(xiàn)了無人情況下的自主工作方式,它結構獨特,靈活,且自備電源,由機載單片機進行實時的控制,由一個步進電機實現(xiàn)頭部系統(tǒng)的驅動，在頭部轉動的過程中,它通過頭部攜帶的超聲波檢測裝置,檢測周圍的事物,當發(fā)現(xiàn)有移動物體時便報警,達到其看守防盜的目的。該機的優(yōu)勢在于其局部的自主化和智能化,它可以無需人的操控而自主的進行檢測,并且在遇到移動物體時能夠實時的報警。移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 7 頁 共 35 頁

15、2.22.2 主要組成主要組成2.2.12.2.1 頭部旋轉機構頭部旋轉機構 如圖 2-1 所示,該機構為蝸輪蝸桿傳動,將蝸桿軸由聯(lián)軸器直接連接到電機上,由步進電機驅動。蝸輪通過軸與機器人頭部相連接,從而使得蝸輪的轉動帶動機器人頭部的旋轉。 圖 2-1 機器人頭部旋轉機構2.2.22.2.2 主體部主體部 機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)兩塊直接澆鑄出來然后通過螺釘連接,頭部同樣也分為兩個半球直接澆鑄出來然后通過螺栓連接在一起。圖 2-2 機器人主體圖第 8 頁 共 35 頁2.2.32.2.3 電機電機選用步進電機,由步進電機直接帶動蝸桿轉動。因為

16、通過控制步進電機的脈沖輸入就可直接控制步進電機的轉動速度,因此選用步進電機較合適,脈沖的輸入便由單片機控制。2.32.3 主要技術參數(shù)主要技術參數(shù)1.設機器人頭部每秒鐘轉動 6 度,因為蝸輪通過軸直接與機器人頭部相連,所以蝸輪的轉速,要求蝸輪蝸桿的使用壽命為 25000，機器人頭部的質量21 /minnrh, (包含摩擦阻力)5mkg10LFN2.機器人的外型尺寸為:頭部直徑;頸部高,粗;軀干20cm5hcm10cm40cm40cm60cm;底盤大直徑 100cm,小直徑 60cm,高 40cm2.4.2.4. 電機的選型電機的選型驅動機構是智能檢測報警機器人的主要執(zhí)行部件之一,它是實現(xiàn)機器人

17、頭部轉動的物質基礎。因此,驅動機構的性能直接影響到系統(tǒng)的工作特性和功能的實現(xiàn),具有重要的意義。2.4.12.4.1 驅動機構的組成驅動機構的組成. . 智能檢測報警機器人的驅動機構由以下三部分組成:(一) 核心驅動部件-步進電機; (二) 蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng); (三) 機器人頭部移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 9 頁 共 35 頁圖 2-4 驅動機構的組成其總體工作過程如下:由單片機產生一定頻率的驅動脈沖信號,通過步進電機驅動器驅動步進電機;步進電機的轉動通過蝸輪蝸桿傳動(減速)帶動頭部轉動;從而改變超聲波的發(fā)射方向,起到檢測周圍運動物體的檢測報警功能。假設由單片機產生的驅動脈沖

18、信號的頻率為;步進電機驅動器的分頻數(shù)為qf;步進電機的步距角為;蝸輪蝸桿的齒數(shù)為和;機器人頭部的直徑為;則整K1z2zD個傳動過程可以定量計算如下: (2-1)21zIz (2-2)KZZfIKfqq21 (2-3) 2Dv將式 2-2 代入 2-3 中得 (2-4)12122qqzDDvffz KIK其中 為機器人頭部的線速度;為蝸輪蝸桿的減速比。vI由式 2-4 可以看出,機器人的頭部轉動速度正比于單片機的輸出脈沖頻率。在實際的系統(tǒng)中,由于機器人要檢測移動物體。因此,系統(tǒng)的設計速度比較低,頭部的轉速設計為。1 /minnr第 10 頁 共 35 頁2.4.22.4.2 步進電機的選型比較步

19、進電機的選型比較步進電機是一種把電脈沖信號轉換成角位移的電氣機械。其轉子的轉角與輸入的電脈沖數(shù)成正比,轉子的轉速與單位時間內脈沖數(shù)成正比,轉矩是由磁阻作用所產生的,旋轉方向則取決于脈沖的順序。因此,步進電機一定要與脈沖控制聯(lián)系起來才能運行。步進電機的主要優(yōu)點歸納如下:(1) 步進電機只能在一定脈沖電源供電下才能運行(2) 步進電機的角位移量與輸入脈沖嚴格成正比,因此,電機轉動一周后沒有累積誤差,具有良好的跟隨性(3) 由步進電機和驅動控制器組成的開環(huán)控制系統(tǒng),既簡單又可靠(4) 步進電機的調速與位置控制性能良好(5) 步進電機的動態(tài)響應快,自啟動能力強(6) 輸出力矩較大,屬于力矩型電機當然,

20、步進電機也存在一些缺點:(1) 效率較低，輸入功率有很大一部分轉為熱能消耗(2) 步進電機存在低頻震蕩,失步和高頻失步等缺陷(3) 步進電機自身噪聲和振動較大2.4.32.4.3 步進電機的選型計算步進電機的選型計算如圖 2-4 所示,機器人頭部轉動的阻力 F=10N,轉速,頭部載荷平穩(wěn),1 /minnr在常溫下工作。(1).選擇電動機的容量電動機所需工作功率為: wdPP工作機所需功率為: KW1000wFvP 傳動裝置的總效率為: 22123 按機械傳動和摩擦副的效率概率值表,確定各部分效率:雙頭蝸桿傳動=0.75,聯(lián)1軸器效率=0.99,滾動軸承傳動效率(一對)=0.99。23所需電動機

21、的功率為:WFvPd41. 099. 099. 075. 01000026. 010100022移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 11 頁 共 35 頁因載荷平穩(wěn),電動機額定功率大于即可。edPdP(2).計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) 0 軸(電機軸) 00.41dPPW 015.5 /minmnnr 0000.4195509550252.6 .15.5PTN mmn 1 軸(蝸桿軸) WPPP4 . 099. 099. 041. 03200101 010115.515.5 /min1nnri mmNnPT5 .2465 .154 . 095509550111 2 軸(蝸輪軸)

22、WPPP3 . 099. 075. 04 . 03111212 121215.51 /min15.5nnri mmNnPT286513 . 095509550222 3 軸(機器人頭部軸) WPPP297. 099. 03 . 0222323 232311 /min1nnri mmNnPT4 .28361297. 095509550333表 2 各軸的運動和動力參數(shù)第 12 頁 共 35 頁功率/P W轉矩/(.)TN mm軸名輸入輸出輸入輸出轉速/( /min)n r傳動比i效率電機軸0.41252.615.5蝸桿軸0.40.396246.548.515.5蝸輪軸0.30.297286528

23、36.41機器人頭部軸0.290.2872836.4 2807.991115.510.980.740.99由于要求機器人的頭部轉速為，所以根據(jù)蝸輪蝸桿的傳動比可算出16 /ns步進電機的轉速 sn935 .1562根據(jù)電機的轉速,可以選擇步距腳為的步進電機,每秒鐘給個脈沖,這樣就可以331達到電機的需求轉速。再根據(jù)上面所算的數(shù)據(jù),故可選擇 70BF003 磁阻式步進電機。其數(shù)據(jù)見下表：型號相數(shù)額定電壓靜態(tài)電流步距角 最大靜轉矩空載啟動頻率質量70BF003327V3A3/1.5 0.882N.m1600PPs1.2kg2.5 蝸輪蝸桿傳動的選型設計(1) 初步選型根據(jù)表 34.1-13 圓柱蝸

24、桿蝸輪參數(shù)的匹配(摘自 GB/T10085-1988).初選 ZA 型蝸桿,其中心距;傳動比;模數(shù);蝸桿分度圓直徑60amm15.5i 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125dmm12Z 231Z 20 x ;蝸桿直徑系數(shù)2122295dadx mmm1/10qdm由和查表 34.1-15 得1zq111836蝸輪的轉矩 2122/2/1/2/1ZZFnvFTLmL 又;1LFN12z 231z (電機選型中計算得)23 .TN m移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 13 頁 共 35 頁選擇蝸桿材質 40cr,淬火硬度45HRc;蝸輪圈材質 ZcuSn

25、10Pb1 金屬模鑄造,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 從圖 34.1-9 查得時N 7105 . 71.35nZ 其許用接觸應力為MPaZZnsHPbHP29735. 10 . 1220 注: :滑動”速度”影響系數(shù); :壽命系數(shù)sZnZ(2) 接觸強度驗算 確定 K 值 sv 0.1/m s11K 取 7 級精度 21K 取 ( 圖 34.1-6 )100%JC 31K 取 ( 表 34.1-18 )30 C4

26、1K 工作平穩(wěn) ( 表 34.1-19 )51K 154321KKKKKKMPadKTdH25/3195/15150/15150122 MPaMPa83.5335. 04 .155接觸強度足夠(3) 彎曲強度驗算 確定和2YFP (表 34.1-24);20.410Y (圖 34.1-9);1.0NY 第 14 頁 共 35 頁 (表 34.1-23);50FPbMPaMPaYNFPbFP500 . 150 21222000/(cos )FKTd d mY )31.11cos41. 05 . 29525/(312000 2.550MPaMPa 彎曲強度足夠(4) 該蝸桿傳動(軸交角)的幾何尺寸

27、計算90表 1 蝸桿蝸輪幾何尺寸名稱代號公式結果中心距a122(2)/2addx m60mm蝸桿頭數(shù)1z由實際需要確定2蝸輪齒數(shù)2z21ziz31齒行角a或20 xa20na20模數(shù)mcosnxmmm2.5mm傳動比i12/nn15.5蝸輪變位系數(shù)2x122cosddaxm0蝸桿直徑系數(shù)q1/qdm10蝸桿軸向齒距xPxPm7.9mm蝸桿導程zP1zPmz15.7mm蝸桿分度圓直徑1d1dmq25mm移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 15 頁 共 35 頁蝸桿齒頂圓直徑1ad*111122aaaddhdh m30mm蝸桿齒根圓直徑1fd*111122()ffaddhdh mc19

28、mm頂隙c*cc m0.5mm漸開線蝸桿基圓直徑1bd11tan/tanbbdd11.9mm蝸桿齒頂高1ah*1aahh m2.5mm蝸桿齒根高1fh*1()fahhc m3mm蝸桿齒高1h111afhhh5.5mm蝸桿導程角11tan/mzd111836蝸桿齒寬1b112121.2(120.1 )3.4(130.1 )zbz mzz m2時，時，b40mm蝸輪分度圓直徑2d221222dmzadx m95mm蝸輪齒頂圓直徑2ad2222addha100mm蝸輪齒根圓直徑2fd2222fddhf89mm蝸輪齒頂高2ah*22()aahm hx1.25mm蝸輪齒根高2fh*22()fahm hx

29、c4.25mm蝸輪齒高2h222afhhh5.5mm蝸輪齒寬2b210.65abd19.5mm蝸輪齒厚1s按蝸桿節(jié)圓處軸向齒槽寬確定e x第 16 頁 共 35 頁2.62.6 電機的效核電機的效核 該伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件輸出軸所承受的等效負載轉矩為,等效慣量轉矩為,meqTT慣則電機軸上的總負載轉矩為: meqTTT慣 考慮到機械的總傳動效率時,則 meqTTT慣（）/蝸輪軸的慣量:2232111)015. 0(06. 0)2015. 0(14. 31085. 74141RmJ25.106 . 0mkg蝸輪的慣量: 222214Jm R23.1015. 0mkg蝸桿軸的慣量: 233341RmJ

30、 24.1078. 0mkg所以 23321.10234. 0mkgJJJJ總即等效轉動慣量為: 23.10234. 0mkgJJ總慣則: mmNT.4 . 0慣由于總傳動效率為 0.75，所以: (2550.4)/0.75340.5 .meqTTTN mm慣（）/若選用 75BF003 反應式步進電機,其最大靜轉矩。當采用三相max882 .jTN mm六拍通電方式,為保證帶負載能正常啟動和定位停止,電動機的啟動和制動轉矩應滿足下列要求: qTqTT 查表 3.7 可知,。因為,故該電機可以max/0.87qjTTmmNTq.34.767qTT使用。移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器

31、人第 17 頁 共 35 頁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：tFrFaF NdTFt20025. 025. 02211 NFFntr4 . 7costan NFFta95. 3tan(3) 確定軸的最小直徑 選取軸的材料為 45 鋼,調質處理，初估軸的最小直徑，查表取可得115A mmnPAd4 . 35 .150004. 01153311min所以取10dmm圖 2-5 蝸桿軸的結構圖(4) 軸的強度較核 求軸的載

32、荷 1 首先根據(jù)軸的結構圖作出軸的計算簡圖(見圖 2-6)，軸的支承跨距。120Lmm根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖,扭矩圖和當量彎矩圖(見圖 2-6)。從軸的結構第 18 頁 共 35 頁圖和當量彎矩圖中可以看出,截面的當量彎矩最大,是軸的危險截面。截面處CC的,及的數(shù)值如下：HMVMMTcaM 支反力 水平面 1201022tHFRN 210HRN 垂直面 17.452aVarrF dRMFFN 210.05VrVRFRN 彎矩和 水平面 HMVMmmNRMHH.600601 垂直面 mmNRMVV.447601 合成彎矩 M22748.2 .HVMMMN mm 扭矩 T T=250.N

33、mm 當量彎矩 caMmmNMca.1 .763移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 19 頁 共 35 頁圖 2-6. 軸的計算簡圖 較核軸的強度 2 軸的材料為 45 鋼,調質處理，由表 4-1 查得 則2650/BN mm,即。取，軸的計算應力為: 0.09 0.1B258 65/N mm2 60/N mm第 20 頁 共 35 頁 23/56. 1171 . 01 .763mmNWMcaca 根據(jù)計算結果可知,該軸滿足強度要求。(5)精確較核軸的疲勞強度 判斷危險截面 1危險截面應該是應力較大,同時應力集中較嚴重的截面。從受載情況觀察,截面 C 上的最大,但應力集中不大,而且

34、這里的軸徑最大,故截面 C 不必較核,從應caM力集中對軸的疲勞強度削弱程度觀察,截面 4 的應力集中最嚴重且受扭矩的作用,分析可知危險截面為 4 截面(左側)。 計算危險截面應力 2截面左側彎矩為 MmmNM.4 .24912020602 .748截面上的扭矩為 T250 .TN mm抗彎截面系數(shù) 3335 .337151 . 01 . 0mmdW抗扭截面系數(shù) 333675152 . 02 . 0mmdWT截面上的彎曲應力 2249.40.74/337.5bMN mmW截面上的扭轉剪應力 22500.37/675TTN mmW彎曲應力幅 20.74/abN mm彎曲平均應力 0m扭轉切應力的

35、應力幅與平均應力相等,即 20.370.185/22amN mm 確定影響系數(shù) 3軸的材料為 45 鋼,調質處理，由表 4-1 查得, 2600/BN mm,。21275/N mm21140/N mm軸肩圓角處的有效應力集中系數(shù),，根據(jù), kk/1/150.067r d ,由表 4-5,經插值后可得,。/17/151.13D d 1.58k1.25k移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 21 頁 共 35 頁尺寸系數(shù),，根據(jù)軸截面為圓截面查圖 4-18 得,。0.880.9表面質量系數(shù),，根據(jù)和表面加工方法為精車,查圖 4-2600/BN mm19,得。0.88材料彎曲扭轉的特性系數(shù)

36、,，取,0.10.05由上面結果可得2 .23501 . 074. 058. 12751makS1 .582185. 005. 0185. 025. 11401makS22218.1caS SSSS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為:軸承代號基本尺寸/mm安裝尺寸/mm基本額定載荷/ KN極限速度( /min)r質量kg61802d=15D=24B=5minmaxmax17220.3aaasdDr2.11.3rorCC220000.008其中 Y=2.3,e=0.191. 計算軸承的

37、支反力 (1). 水平支反力 12201022tHHFRRN (2). 垂直支反力 1(600.5)/120VrmaRFd F3.3N 23.3VRN第 22 頁 共 35 頁 (3). 合成支反力 2211110.5HVRRRN 210.5RN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 .102/223. 軸承所受的軸向載荷 因 由式 5-102213.952.36.25aaKSFSNS 1223.952.36.25aaAKSFSN移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 2

38、3 頁 共 35 頁 222.3ASN4. 軸承的當量動載荷 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. 軸承壽命 因，故應按計算,由表 5-9,表 5-10,查得。按式 5-5 得12rrPP1rP1,1ptff hpfcfnLrprth9310631016108

39、. 4)3 .20121001(5 .156010)(6010故可得該軸承絕對滿足要求。2.7.32.7.3 蝸輪軸的較核蝸輪軸的較核. .1. 蝸輪軸上的轉矩為 2865 .TN mm2. 求作用在蝸輪上的力 3.95taFFN20atFFN 7.4rrFFN 3 確定軸的最小直徑 選取軸的材料為 45 鋼,調質處理，按式 4-2 初估軸的最小直徑。查表取，115A 可得 mmnPAd7 . 710003. 01153322min第 24 頁 共 35 頁所以取10dmm圖 2-8. 蝸輪軸的結構圖4. 軸的強度較核 求軸的載荷 1 首先根據(jù)軸的結構圖作出軸的計算簡圖.軸的支承跨距.40Lm

40、m 根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖,扭矩圖和當量彎矩圖(見圖 2)，從軸的結構圖和當量彎矩圖中可以看出,截面的當量彎矩最大,是軸的危險截面。截面處CC的,及的數(shù)值如下：HMVMMTcaM 支反力 水平面 13.951.97522tHFRN 21.975HRN移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 25 頁 共 35 頁 垂直面 18.352aVarrF dRMFFN 210.95VrVRFRN 彎矩和 水平面 HMVMmmNRMHH.5 .39201 垂直面 mmNRMVV.167601 合成彎矩 M22171.6 .HVMMMN mm 扭矩 T T=2865.N mm 當量彎矩 ca

41、MmmNTMMca.5 .172722 較核軸的強度 2 軸的材料為 45 鋼,調質處理，由表 4-1 查得 則2650/BN mm,即。取，軸的計算應力為: 0.09 0.1B258 65/N mm2 60/N mm 23/22. 4171 . 05 .1727mmNWMcaca 根據(jù)計算結果可知,該軸滿足強度要求。5. 精確較核軸的疲勞強度 判斷危險截面 1危險截面應該是應力較大,同時應力集中較嚴重的截面。從受載情況觀察,截面 C 上的最大,但應力集中不大,而且這里的軸徑最大,故截面 C 不必較核,從應caM力集中對軸的疲勞強度削弱程度觀察,截面 4 的應力集中最嚴重且受扭矩的作用,分析可

42、知危險截面為 4 截面(左側)。 計算危險截面應力 2截面左側彎矩為 MmmNM.9 .424010206 .171截面上的扭矩為 T2865 .TN mm抗彎截面系數(shù) 3335 .337151 . 01 . 0mmdW抗扭截面系數(shù) 333675152 . 02 . 0mmdWT截面上的彎曲應力 242.90.13/337.5bMN mmW第 26 頁 共 35 頁截面上的扭轉剪應力 228654.25/675TTN mmW彎曲應力幅 20.13/abN mm彎曲平均應力 0m扭轉切應力的應力幅與平均應力相等,即 24.252.125/22amN mm 確定影響系數(shù) 3軸的材料為 45 鋼,調

43、質處理，由表 4-1 查得, 2600/BN mm,。21275/N mm21140/N mm軸肩圓角處的有效應力集中系數(shù),，根據(jù), kk/1/150.067r d ,由表 4-5,經插值后可得,。/17/151.13D d 1.58k1.25k尺寸系數(shù),，根據(jù)軸截面為圓截面查圖 4-18，得,。0.880.9表面質量系數(shù),，根據(jù)和表面加工方法為精車,查圖 4-2600/BN mm19,得。0.88材料彎曲,扭轉的特性系數(shù),，取,。0.10.05由上面結果可得9 .133801 . 013. 058. 12751makS7 .50125. 205. 0125. 225. 11401makS22

44、50.7caS SSSS查表 4-4 中的許用安全系數(shù)S值,可知該軸安全。移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 27 頁 共 35 頁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為:軸承代號基本尺寸/mm安裝尺寸/mm基本額定載荷/ KN極限速度( /min)r質量kg7002cd=15D=32B=9minmaxmax17290.3aaasdDr6.253.42rorCC240000.0281. 計算軸承的支反力 (1) 水平支反力 123.951.97522tHHFRRN (2) 垂直支反力 1(200.5)/40Vr

45、maRFd F27.45N227.45VRN (3) 合成支反力 2211127.5HVRRRN227.5RN2. 軸承的派生軸向力 NYRS98. 53 . 22/5 .272/11 NYRS98. 53 . 22/5 .272/223. 軸承所受的軸向載荷 因由式 5-10221205.9825.98aaKSFSNS 122205.9825.98aaAKSFSN 225.98ASN4. 軸承的當量動載荷 因查表 5-12 111/25.98/27.50.940.19ARe 110.56,2.3XY第 28 頁 共 35 頁 由式 5-7 得 NAYRXPr2 .7598.253 . 25

46、.2756. 011111圖 2-9. 軸承受力圖 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. 軸承壽命 因，故應按計算,由表 5-9,表 5-10,查得。按式 5-5 得12rrPP1rP1,1ptff hpfCfnLrprth93106310161095. 0)2 .75121001(16010)(6010故可得該軸承絕對滿足要求。移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 29 頁 共 35 頁2.7.52.7.5 鍵的較核鍵的較核蝸輪軸鍵

47、的較核 PPdklT2式中：T傳遞扭矩， 13TN m d軸徑， 15dmm 鍵與輪轂的接觸高度， k6322hkmm 鍵的工作長度， l1266lLbmm32 3 1022.215 3 6PMPa 許用應力查表 2-21 得 P MPaP120所以，鍵的校核通過P P2.7.62.7.6 聯(lián)軸器的選型聯(lián)軸器的選型1.凸圓聯(lián)軸器軸徑 10mm ,許用轉矩 10N.m ,許用轉速 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 ,許用轉矩 71N.m ,許用轉速小于 250r/min同樣根據(jù)給出的參數(shù)直接選用.2.82.8 本章小結本章小結 本章主要介紹了智能檢測報警機器

48、人的大體結構,詳細計算了機器人”機”方面的主要參數(shù)并在此基礎上進行了具體設計。第 3 章. 驅動機構及其控制方式本章提要 本章介紹智能檢測報警機器人驅動機構的組成及其運動分析,對步進電機詳細論述其工作原理,性能指標和控制方式。第 30 頁 共 35 頁3.1.3.1. 概述概述 步進電機具有控制簡便,定位準確等特點。隨著科學技術的發(fā)展,在許多領域將得到廣泛的應用，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,用軟件的方法產生控制脈沖,通過軟件編程可以任意設定步進電機的轉速,旋轉角度,轉動次數(shù)和控制步進電機的運行狀態(tài)，以簡化控制電路,降低生產成本,提高系統(tǒng)的運

49、行效率和靈活性。3.23.2 步進電機及其控制系統(tǒng)步進電機及其控制系統(tǒng)3.2.13.2.1 步進電機的工作特性步進電機的工作特性 (1) 步進電機的靜態(tài)轉矩特性所謂靜態(tài)轉矩是指電機不改變通電狀態(tài),轉子不轉時的工作狀態(tài)。步進電機的靜態(tài)轉矩與其轉子的位置密切相關,其關系如圖 3-1 中,靜態(tài)轉矩特性曲線所示。在靜態(tài)空載的情況下,相應的定,轉子是對齊的,這時電機無力矩輸出。若轉子受到一負載轉矩的作用,電機將會偏轉一個角(稱為失調角),這時轉子的電磁轉矩和cTmT負載轉矩相等,使轉子重新處于平衡狀態(tài).轉子反向偏轉將會產生正向力矩,正向cT偏轉將會產生反向力矩。因為,步進電機的電磁轉矩方程為: (3-1

50、) 212sdLTI sd當定轉子磁極對齊時,電感為最大;當轉子磁極處在定子磁極之間,電感最小。sLsL假設電感在兩個位置之間的變化為正弦函數(shù),即,則式 3-1 可sL0cos()sLLLp改為: (3-2)211sin()2sTI Lp移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 31 頁 共 35 頁 圖 3-1 步進電機靜轉矩特性這正與前面的分析相同,說明是靜轉矩是隨失調角的正弦函數(shù)變化。(2) 步進電機的動態(tài)矩頻特性步進電機在連續(xù)運行時(同步狀態(tài)下),需要足夠的轉矩來克服負載轉矩和加減速的慣量。步進電機在不同的速度下,所能產生的最大轉矩(失步轉矩)是不同的,其關系常用動態(tài)矩頻特性來描

51、述(如圖 3-2)。圖 3-2 步進電機的力矩-頻率特性第 32 頁 共 35 頁由矩頻特性曲線圖可見,隨著電機運行頻率的提高,輸出轉矩逐漸下降。這是因為,在低頻時,相繞組的沖放電是充分的,而當頻率逐漸上升后,由于電感的沿時特性,使相繞組的電流波形嚴重失真,達不到額定值,從而使輸出轉矩明顯減小。動態(tài)矩頻特性是選用適合的步進電機的重要指標之一。一般情況下,在已知功況的條件下(最大,最小負載力矩),就可以通過電機的動態(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。動態(tài)矩頻特性不僅與步進電機本身的性能有關,同時,在很大程度上也受外部驅動電路的特性影響。(3) 啟動頻率步進電機由靜止突然啟

52、動,不失步地進入正常運行所允許的最高啟動頻率，稱為啟動頻率。步進電機的啟動頻率受轉子負載慣量的影響很大,一般隨慣量的增大而急劇地減小。步進電機的啟動頻率遠遠小于其最高運行頻率,而且若電機除了慣量負載之外,還帶有摩擦轉矩等轉矩負載,其啟動頻率將進一步降低。因此,在實際應用中,為了使電機能正確地從靜止狀態(tài)啟動到高頻工作狀態(tài)或反之,必須使用軟件或硬件的方法,使電機的速度逐漸的上升或下降,避免速度的突然跳變。(4) 單步運行與振蕩步進電機在高速連續(xù)運行時,盡管每次繞組電流切換會引起瞬時的力矩波動,但系統(tǒng)慣量通常足以維持穩(wěn)定的轉速。但在單步運行時,情況有所不同，單步運行時,由于驅動脈沖到來,轉子受到了一

53、個突然的沖擊力作用移動到了下一個位置,但由于慣性的作用,轉子會沖過平衡位置,然后在電磁力矩的作用下被拉回并再一次超過平衡位置,形成一個振蕩過程。因此,在需要頻繁啟動和急停的精確定位系統(tǒng)中,必須通過增加阻尼的方法,來減輕單步振蕩所帶來的不利影響。3.2.23.2.2 步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器(單片機)根據(jù)預先設定的程序或是實時計算產生的參數(shù),直接控制執(zhí)行機構。由于系統(tǒng)的輸出值對輸入沒有影響,因而不能補償外界的擾動,負載變化和系統(tǒng)元件參數(shù)變化引起的誤差。當然,開環(huán)控制系統(tǒng)也存在它特有的優(yōu)勢,如結構簡單,成本低,系統(tǒng)響應快,不存在穩(wěn)定性問題。由于步進電機自身

54、所具有的獨特的優(yōu)點,它成為了開環(huán)控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件。圖 3-3 步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 33 頁 共 35 頁3.33.3 本章小結本章小結 本章具體介紹了機器人頭部驅動的實現(xiàn)和步進電機的控制,在此具體介紹了步進電機的硬件和軟件兩種控制方式。結束語智能檢測報警機器人是智能機器人應用于服務行業(yè)的一個代表性的產品,它初步實現(xiàn)了無人干預下的局部自主工作方式,具有自能化,高效性等特點。充分體現(xiàn)了人們對未來高效,舒適,安全生活的一種要求。正是產品的構思,設計的整個過程,給了我一個將機械,電子,自動控制,檢測等多方面知識綜合運用的機會。在完成這一課題的過程

55、中,我主要進行了以下研究。針對機器人頭部的運動方式,設計了蝸輪蝸桿的傳動方式,由步進電機來驅動。將步進電機的高精度,數(shù)控性等特點充分體現(xiàn)在智能檢測報警機器人的驅動系統(tǒng)中。有關于智能檢測報警機器人的進一步研究重點,可以總結為以下幾個方面:1. 從機器人的移動出發(fā)目前我設計的智能檢測報警機器人,還只是固定式的,這樣就大大縮小了機器人檢測的范圍。因此,為了提高機器人的測量范圍,需將機器人設計成移動式的。2. 從能源的角度出發(fā)目前,在開發(fā)同類依靠自身攜帶電源工作的機器人產品中,都存在一個共同的問題,即電源的能量/體積比不夠經濟。為了滿足長時間的工作,機器人的體積往往因其電源而變的很大。為此,需要不斷的

56、研究新的供電電源,.如太陽能電池,或鎳鋅電池等。3. 從產品的推廣服務性機器人的最終定位,必然是針對滿足人的需要。它與人處于共同的工作和生活空間中,替代和幫助人完成一系列的工作,因此安全性,友善性和操作的簡單性就顯得尤為突出。在設計時應注意:產品的外形易于被大眾接受,要向寵物化,1擬人化方向發(fā)展;操作的表面應該實用,美觀。2以上的幾個方面是在我看來,有關智能檢測報警機器人進一步發(fā)展的研究重點。智能機器人只有在其智能化,小型化,多用途等方面不斷改善和提高才能最終真正實現(xiàn)安全,自主地替代人的勞動,成為人們必不可少的生活助手。第 34 頁 共 35 頁致 謝在論文即將完成之際，我謹懷誠摯的心情向指導

57、老師王明軍老師致以崇高的敬意和深深的謝意，感謝他在我完成課題過程中給予的幫助和指導。老師的淵博學識和對事業(yè)的執(zhí)著追求精神及對學生的愛護期待之心都將永遠銘記在心，并鼓勵著我在今后的人生道路上不斷拼搏進取。最后，向所有關心、理解、支持及幫助過我的老師、同學、朋友及親人致以誠摯的謝意。由于本人水平有限、時間的倉促，論文難免有不足和錯誤之處，懇請各位老師批評、指正，再次表示感謝。移動物體檢測報警機器人移動物體檢測報警機器人第 35 頁 共 35 頁參考文獻參考文獻1. 肖興明主編. 機電控制及自動化. 中國礦業(yè)大學出版社, 2003 年2. 唐大放主編. 機械設計工程學(2). 中國礦業(yè)大學出版社,2

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