-三自由度机械手设计课案

摘 要本次设计实验用三自由度机械手为实验用专用机械手，主要由手爪、手臂、机身、机座等组成，具备上料、搬运等多种功能，本机械手机身采用机座式，实验对象围绕机座布置，其坐标形式为关节式，具有水平旋转、手臂竖直摆动等3个自由度；驱动方式为电机驱动，利用电机带动减速机，减速机减速后带动旋转轴实现各个回转运动。电动驱动的优点是控制精度高，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好。本次设计的机械手能对不同物体完成多种动作。采用单片机控制系统，最终实现关节的伺服控制和制动、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的在线修改程序、设置参考点和回参考点。关键词：机械手；电机驱动；伺服。目 录摘 要I第1章 绪论11.1 题目提出的意义11.2 国内外发展现状1第2章 方案的确定与比较分析32.1 机械手机械系统的比较与选择42.2 机械手驱动系统的比较与选择6第3章 驱动源的选择与设计计算93.1 主要技术参数的确定93.2 各关节电机的选择计算103.2.1 大臂旋转电机的选择113.2.2 小臂旋转电机的选择123.2.3 腰部旋转电机的选择13第4章 手部结构设计154.1 夹持式手部结构154.1.1 手指的形状和分类154.1.2 设计时考虑的几个问题154.2 手部夹紧气缸的设计164.2.1 弹簧的设计计算164.2.2 对于压缩弹簧稳定性的验算174.2.3 疲劳强度和应力强度的验算。174.2.4 手部驱动力计算184.2.5 气缸直径的设计计算194.2.6 缸筒壁厚的设计214.2.7 活塞杆运动行程的计算21第5章 各机械部件的设计选择与校核235.1 轴的设计与校核235.1.1 大臂旋转轴的设计235.1.2 大臂轴的强度校核245.2 键的选择与强度的校核275.3 轴承寿命的校核305.4 联轴器的选择与圆锥销的校核315.4.1 联轴器的选择.315.4.2 联轴器圆锥销的校核32第6章 控制系统设计336.1 单片机最小系统336.1.1 8051单片机介绍346.2.2 复位电路366.1.3 振荡电路366.2 串行接口电路376.3 传感器386.3.1 传感器的选型386.3.2 硬件电路的设计396.4 电动机的控制406.4.1 L298N电机驱动芯片简介406.4.2 硬件电路图41结 论42致 谢43参 考 文 献44第1章 绪论1.1 题目提出的意义本次设计的目的是为了解决本科教学中理论与实践操作融合性不强等问题，使学生在学习理论知识的基础上能得到较好的实际操作，通过不同程序的输入使学生真实的观察到机械手的运动轨迹与运动方式，进一步强化大学生学习与就业能力。1.2 国内外发展现状机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工作的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人工物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带有放射性的污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视1。1. 国外发展现状专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国外对发展这一技术很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。目前国外的发展趋势是2：(1) 研制有更多自由度的机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。(2) 研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。(3) 研制维修维护方便的机械手。(4) 研制能自动编制和自动改变程序的机械手。(5) 研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。 (6) 机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。 (7) 研制具有柔性系统的机械手2 国内发展状况目前，在国内广泛应用的再现式机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。现在研究的机械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度3,4。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与合作5。现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位6。 第2章 方案的确定与比较分析本毕业设计的机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一般有一下几种7,8：表2-1 机械手结构选型表结构形式方案特点优缺点结构简图直角坐标型操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低圆柱坐标型操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高球坐标型操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂续表结构形式方案特点优缺点结构简图关节型操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差2.1 机械手机械系统的比较与选择 1. 直角坐标型机械手直角坐标式机械手是适用于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。结构简图见表2-1。其工作范围可以使一个直线运动；二个直线运动或三个直线运动。如在X、Y、Z三个直线运动方向上各具有A、B、C三个回转运动，即构成六个自由度。但在实际上是很少有的。缺点是这种机械手作业范围较小，占空比大，灵活性差。2. 圆柱坐标型机械手圆柱坐标式机械手适用于搬运和测量工作。 具有直观性好，结构简单，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手由X、Z、三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。结构简图见表2-1.圆柱坐标式机械手有五个基本动作：(1) 手臂水平回转；(2) 手臂伸缩；(3) 手臂上下；(4) 手臂回转动作；(5) 手爪夹紧动作。圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒、手臂装在滑动套筒上，手臂可作上下直线运动（Z）和在水平面内做圆弧状的左右摆动（）。圆柱坐标式机械手的缺点是结构庞大，两个移动轴的设计比较复杂，难于其他设备协调工作。3 球坐标型机械手球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它是由X、三个方向的运动组成。结构简图见表2-1。球坐标式机械手的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。球坐标式机械手可实现以下八个动作：(1) 手臂上下动作，即俯仰动作；(2) 手臂左右动作，即回转动作；(3) 手臂前后动作，即伸缩动作；(4) 手腕上下弯曲；(5) 手腕左右摆动；(6) 手腕旋转运动；(7) 手爪夹紧动作；(8) 机械手整体移动。球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧状上下俯仰运动，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，工作范围和人手的动作类似。它的特点是能自动选择最合理的动作路线。所以工效高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。其缺点是壁障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比，控制难度大。4 关节型机械手又称回转坐标型，分为垂直关节坐标和平面（水平）关节坐标，机械手由立柱和大小臂组成，立柱与大臂通过肩关节相连接，立柱绕z轴旋转，形成腰关节，大臂与小臂形成肘关节，可使大臂作回转和俯仰，小臂作俯仰。机械手工作空间范围大，动作灵活，避障性好，能抓取靠近机座的物体，其缺点是位置精度较低，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多10。本次设计的是实验用三自由度机械手，要求体积小，重量轻，灵活性强，对精度要求不高，抓取重量较轻，上述4种类型机械手中关节式械手结构最为紧凑，占空比最小，适合中小负载，能够达到设计要求且结构不复杂，所以本次设计选择关节式机械手。2.2 机械手驱动系统的比较与选择工业机械手的驱动可分为液压，气动和电动三种基本类型。1 液压驱动液压传动机械手有很大的抓取能力，抓取力可高达上百公斤，液压力可达7Mpa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求高，不宜在高或低温现场工作，需配备一套液压系统，整体结构庞大。液压驱动有以下特点：(1) 输出功率很大，压力范围为50-140N/cm2。(2) 控制性能较强，利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制。(3) 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大。(4) 液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。液压驱动需配置液压系统，易产生泄漏而影响运动精度。系统易发热，出现故障后较难找出原因。(5) 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、点焊机械手和托运机械手。2 气压驱动 气压传动机械手结构简单，动作迅速，价格低廉，由于空气可压缩，所以工作速度稳定性差，气压一般为0.7Mpa，因而抓取力小，只有几十牛到百牛力。气压驱动具有以下特点：(1) 输出功率不大，压力范围为48-60N/cm2，最高可达100N/cm2(2) 可控性不强，气体压缩性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制。(3) 执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题比液压小。(4) 适用于中小负载驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机械手本体的气动平衡和及装配机械手气动夹具11。3 电力驱动 这种驱动是目前在机器手中用的最多的一种。早期多采用步进电动机（SM）驱动，后来发展了直流伺服电动机（DC），现在交流伺服电动机（AC）驱动也开始广泛应用。上述驱动单元有的直接驱动机构运动，有的通过减速器装置来减速，结构简单紧凑。电动驱动的控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC伺服喷涂机械手、点焊机械手、弧焊机械手、装配机械手等。电力驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。各种电机驱动的特点：(1) 普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机械手。(2) 直流伺服电动机：直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在较宽范围内实现平滑的无级调速，动态响应特性和稳定性好，可适应频繁启动、反向、制动等工作状况。直流伺服电动机按励磁方式不同，有永磁式和电磁式之分；按转速高低及转子的转动惯量大小，有高速、小惯量（小惯量直流伺服电动机有多种：无槽电枢直流伺服电动机，绕组铁芯细长，故转动惯量小，其功率较大；空心杯转子直流伺服电动机，转动惯量很小，灵敏度更高，功率较小；印制绕组直流伺服电动机，可承受频繁的起动、换向，切率中等。这类电动机的转子转动惯量小，电感小，故换向性能好，动态响应快，快速性能好，低速无爬行。）和低速、大惯量（大惯量直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种，其中永磁式用得较多，它的低速性能好，输出转矩大，调速范围宽，转子惯量大，受负载影响小，故可与丝杠直接连接，承受过载、重载能力强。）之分。(3) 交流伺服电动机：交流伺服电动机几乎具有直流伺服电动机的所有优点，且结构简单，制造、维护简单，具有调速范围宽、稳速精度高，动态响应特性更好等技术特点，可达到更大的功率和更高的转速。(4) 步进电动机：步进电动机是由电脉冲信号控制的，它可将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移，有回转式和直线式两种。步进电动机结构简单、控制简便、价格较低，但易失步，具有转子惯量低、反应灵敏、能提供较大的低速转矩、无漂移、无积累定位误差等优良性能，其控制线路简单，不需反馈编码器和相应的电子线路。步进电动机输出转角与输入脉冲个数成严格正比关系，转子速度主要取决于脉冲频率，故控制简便。步进电动机系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电动机组成。纯硬件的步进电动机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成，它的作用就是把脉冲串分配给步进电动机的各个绕组，使步进电动机按既定的方向和速度旋转。若采用微机技术，用软件与硬件相结合，则控制器不仅可在硬件上简化线路，降低成本，而且又提高可靠性12,13。综上所述，由于本次设计机械手负载较小，对体积有一定要求，又考虑到机械手的特点和各驱动方式的优缺点，直流伺服电机体积小，控制精度高，与传动系统配合结构最为紧凑，故机械手关节处选择直流伺服电机驱动，手部采用气动驱动。第3章 驱动源的选择与设计计算 3.1 主要技术参数的确定 图3-1 机械手手臂重量分布图 图3-2 开口盘重量分布图如图3-1所示，设计机械手大臂与小臂的尺寸和重量如下： 1. 大臂的第一和第二关节轴之间的距离为397mm，质量为M1(6kg左右)，重心在距离第一关节轴220mm处，L1=220mm。2. 小臂的第二关节轴和手爪前部之间的距离为435mm，质量为M2(7kg左右)，重心在距第二关节轴280mm处，L2=397+280=677mm。如图3-2所示，设计机械手开口盘质量和尺寸如下： 旋转轴与转盘中心距离为160mm，转盘质量为15Kg。 本次设计机械手的基本设计参数如下：负载1kg；大臂回转：0，；小臂回转：0，； 腰部旋转：0，600/s；手爪夹持半径45mm95mm。3.2 各关节电机的选择计算当机械手手臂旋转时，当臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生电机的转矩不足。如图3-1所示，设两臂绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2，根据平行轴定理可得绕大臂轴的转动惯量为14：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （3-1）其中：M1，M2，分别为6Kg，7Kg；L1，L2，分别为220mm，677mm。JG1M1L12、JG2M2L22，故可忽略不计，所以绕大臂轴的转动惯量为：J1= M1L12+M2L22 (3-2)=60.22+70.6772=3.45kg.m2同理可得小臂绕小臂关节轴的转动惯量： M2=7Kg，L4=280mm。J2=M2L42 (3-3)=70.282=0.5488kg.m2 腰关节旋转轴的转动惯量为开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量加上大臂与小臂绕腰关节旋转轴的转动惯量之和。设开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量为J3，所以同理可得腰关节旋转转轴的转动惯量：M3=15Kg，L5=160mm。 （3-4）3.2.1 大臂旋转电机的选择 设大臂速度为，则旋转开始时的转矩可表示如下： （3-5）式中：T 旋转开始时转矩，N.m。 J 转动惯量，kg.m2。 角加速度，rad/s。 设机械手大臂从到所需的时间为：，由式（3-5）有：若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：选择减速机：型号：APEX-AE235 （同轴式行星减速机） 额定输出转矩：40N.m 减速比：i1=100谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3-6)选择小型直流伺服电机： 型号：MAXON-EC118896 额定转矩：0.7N.m额定电压：24V额定电流：1.5A额定转速：1000rpm最高转速：1200rpm额定功率：40w电机尺寸：L=93mm D=46mm 3.2.2 小臂旋转电机的选择原理同上，设小臂转速，设角速度从0加到所需加速时间，则旋转开始时的转矩可表示如下： （3-7）式中：T 旋转开始时转矩，N.m。 J 转动惯量，kg.m2。 角加速度，rad/s2。由式（3-7）有：若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为： （3-8)选择减速机：型号：APEX-AE235 （同轴式行星减速机） 额定输出转矩：40N.m 减速比：i2=100谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3-9)选择小型直流伺服电机： 型号：MAXON-EC118896 额定转矩：0.7N.m额定电压：24V额定电流：1.5A额定转速：1000rpm最高转速：1200rpm额定功率：40w电机尺寸：L=93mm D=46mm 3.2.3 腰部旋转电机的选择设旋转盘旋转速度为，则旋转开始时的转矩可表示如下： （3-10）式中：T 旋转开始时转矩，N.m。 J 转动惯量，kg.m2。角加速度，rad/s。 设机械手大臂从到所需的时间为：则：若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为： (3-11)选择减速机：型号：APEX-AE238 （同轴式行星减速机） 额定输出转矩：50N.m 减速比：i3=100设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3-12)选择小型直流伺服电机 型号：MAXON-EC137489 额定转矩：0.9N.m额定电压：24V额定电流：2A额定转速：1000rpm最高转速：1200rpm额定功率：60w电机尺寸：L=124mm D=64mm 第4章 手部结构设计 4.1 夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。4.1.1 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。4.1.2 设计时考虑的几个问题1. 具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。2. 手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。3. 保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。4. 具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。5. 考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型。16。4.2 手部夹紧气缸的设计4.2.1 弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图4-1所示：图4-1 圆柱压缩弹簧 图4-1中，D为弹簧中心线到弹簧丝中心的距离；D1为弹簧中心线到弹簧丝内圈的距离；D2为弹簧中心线到弹簧丝外圈的距离；d为弹簧丝直径；H0为弹簧长度，本次设计弹簧具体尺寸参数如下： D=20mm；d=7mm ； ； 4.2.2 对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象本次使用的压缩弹簧的长细比，本设计弹簧是2端自由，根据下列选取： 当两端固定时，,当一端固定；一端自由时，；当两端自由转动时，。本设计弹簧，因此弹簧稳定性合适。4.2.3 疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式： (4-1） 式中：选取1.3到1.7之间（力学性精确能高） K取1.2 F取1620N 结论：经过校核，弹簧适应。 4.2.4 手部驱动力计算 本次设计的机械手手部结构示意图如下图4-2所示:图4-2 齿轮齿条式手部其工件重量G=1公斤，V形手指的角度，,摩擦系数为 (1) 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: （4-2）(2) 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: （4-3） 所以 (3) 实际驱动力: （4-4）因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:所以 取280（N)所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为280N。4.2.5 气缸直径的设计计算本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为: （4-5）式中: 活塞杆上的推力，N。弹簧反作用力，N。气缸工作时的总阻力，N。 气缸工作压力，Pa。弹簧反作用按下式计算: （4-6） = （4-7）式中:弹簧刚度，N/m。弹簧预压缩量，m。活塞行程，m。弹簧钢丝直径，m。弹簧平均直径，mm。弹簧有效圈数.弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则: （4-8）由以上分析得单向作用气缸的直径: （4-9）代入有关数据，可得 所以: 查有关手册圆整，得,可得活塞杆直径:圆整后，取活塞杆直径校核，按公式有: (4-10)其中，则: d满足实际设计要求。4.2.6 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: (4-11)式中:6缸筒壁厚，mm。气缸内径，mm。实验压力，取, Pa。材料为:ZL3,=3MPa。代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为:4.2.7 活塞杆运动行程的计算本次设计机械手手爪夹持半径为45mm95mm，手爪手指长100mm，设手爪夹持最小半径工件与夹持最大半径工件之间手爪的旋转角度为，则有 (4-12)式中：R1夹持最小半径，mm。 R2夹持最大半径，mm。由于活塞杆与手爪间用齿轮齿条传动，所以齿轮的转动弧长则为活塞杆运动行程，设活塞杆运动行程为L，则： 所以活塞杆的运动行程为11.78mm，由于考虑到机械精度和传动效率的影响，本次设计设计活塞杆运动行程为15mm。 第5章 各机械部件的设计选择与校核 5.1 轴的设计与校核5.1.1 大臂旋转轴的设计转矩和弯矩是轴的主要承受载荷,轴的常见形式有直轴和弯轴,而根据本次设计中机构的特点,选择传动轴为直轴.知条件可知n=10r/min，由电机传递到轴上的功率选择轴的材料为45钢,经调质后,再使用.由参考资料表查得:硬度:HBS217255;屈服强度极限: s=360MPa;抗拉强度极限b=650 MPa,弯曲疲劳强度极限1=300 MPa.由表查得-1b=55 MPa.初步确定轴的直径：按照扭转强度估计轴输出端直径由表查得C=1.3126 取C=120由式,得d=120 =19.81 取d=19mm 轴的设计尺寸参数如下图5-1所示：图5-1 大臂旋转轴5.1.2 大臂轴的强度校核按照扭转强度校核： 本次设计传动轴全长193mm，最小轴颈19mm，材料为45号钢，经调质后使用。 轴的扭转强度条件为： （5-1） 式中： 扭转切应力，MPa。 T轴所受的扭矩，N.mm。 轴的抗扭截面系数，。 N轴的转速；r/min。 P轴的传递功率，Kw。 D计算界面处轴的直径，mm。许用扭转切应力，MPa。由上式得： （5-2）查表得的范围为25MPa45MPa；的范围为103126。本次设计取40 则 取106则本次设计最小轴径为19mm17.5mm，故满足强度要求。按照弯扭合成强度校核：弯扭合成图如图5-2所示： 图5-2 弯扭合成图 若是轴强度合格，则 （5.3）式中： 轴的计算应力，MPa。 M轴所受的弯矩，N.mm。 T轴所受的扭矩，N.mm。 W轴的抗弯截面系数，。 截面系数。本次设计轴的材料为45号刚，查表得：，轴的危险界面断面图如下图5-3所示： 图5-3 轴的危险截面断面图图中，b=8mm，t=3.5mm，d=30mm所以：即 所以本次设计的轴强度合格。 5.2 键的选择与强度的校核1大臂旋转轴键联接处键的强度校核 选择普通圆头平键，GB/T1096 平键联接传递转矩时，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。由机械设计第七版页，查得载荷在键的工作表面上均匀分布，普通平键联接的强度条件： （5-4） 式中：T传递的转矩，。K键与轮毂键槽的接触高度，；k=0.5h,此处h为键的高度，。键的工作长度，；圆头平键，这里为键的公称长度，；为键的宽度，。轴的直径，。键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，。从本书表查得材料为钢和铸铁在轻微冲击载荷作用下的许用挤压应力分别为和。 键的材料为45号钢，大臂与钻转轴的材料分别为和45号钢。三者中最弱的材料是铸铁，测试中存在轻微冲击载荷，故为，取其平均值，=55。此处键传递的转矩T=40，键与轮毂键槽的接触高度k=4，键的工作长度，轴的直径=30。将这些数据代入公式（5.4）得： 故键的强度满足要求，键联接安全。2. 小臂旋转轴键联接处键的强度校核 选择使用普通圆通平键 ，GB/T1096 尺寸平键联接传递转矩时，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。由机械设计第七版页，查得载荷在键的工作表面上均匀分布，普通平键联接的强度条件：式中：T传递的转矩，。K键与轮毂键槽的接触高度，；k=0.5h,此处h为键的高度，。键的工作长度，；圆头平键，这里为键的公称长度，；为键的宽度，。轴的直径，。键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，。从本书表查得材料为钢和铸铁在轻微冲击载荷作用下的许用挤压应力分别为和。 键的材料为45号钢，大臂与旋转轴的材料分别为和45号钢。三者中最弱的材料是铸铁，测试中存在轻微冲击载荷，故为，取其平均值，=55。此处键传递的转矩T=40，键与轮毂键槽的接触高度k=4，键的工作长度，轴的直径=30。将这些数据代入公式（5-4）得：故键的强度满足要求，键联接安全。5.3 轴承寿命的校核 本次设计由于大臂与小臂旋转轴所设计的轴承是一样的，故选用四口相同型号尺寸的轴承，选择深沟球轴承6186，所以校核所受载荷最大的一个轴承合格即可。本设计校核大臂旋转轴上轴承的寿命，该轴上的轴承只受径向载荷，轴承的预期计算寿命。轴承对轴的支撑力与轴承上所受到的径向载荷是一对作用力与反作用力，由前边轴的强度校核部分，可以计算出轴上安装轴承两处的轴承所受到的径向载荷和大小分别为：查机械设计第七版页公式（）知以小时表示的轴承寿命为： （5-5） 式中 ：轴承的转速，。 轴承的基本额定动载荷，kN。 载荷，kN。指数，对于球轴承，。轴承的转速，从最新轴承手册页表查得代号为6186深沟球轴承的基本额定动载荷，将相关数据代入轴承寿命计算公式可求得：远大于，轴承的寿命满足设计要求。 5.4 联轴器的选择与圆锥销的校核5.4.1 联轴器的选择.1. 大臂旋转轴与减速机之间联轴器选择选择圆锥销套筒式联轴器，如图5-4所示： 图5-4 圆锥销套筒式联轴器结构图联轴器具体尺寸参数如下：=6mm；=4mm；L=45mm；=35mm；额定转矩50N.M；圆锥销；圆锥销2. 旋转盘与减速机之间联轴器选择如图（5-4）所示：具体尺寸参数如下：=8mm；=4mm；L=50mm；=40mm；额定转矩70N.M；圆锥销；圆锥销5.4.2 联轴器圆锥销的校核由于联轴器最小直径圆锥销都是4mm，所以本次设计只校核受力最大的即可。圆锥销主要受横向剪切力的作用而失效，校核公式为： （5-6） 式中： D圆锥销的平均直径，mm。 T所传递的转矩，N.m。 D轴径，mm。 销的许用剪切应力，对于45号钢一般取80MPa其中，T=40N.m；d=4.5mm；D=19mm，所以：MPa所以校核合格。第6章 控制系统设计机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般要用计算机来实现。因此，控制系统在本次设计中非常重要。本次设计选择单片机控制系统，控制系统总体设计框图如图6-1所示： 图6-1 控制系统总体框图6.1 单片机最小系统由于单片机体积小，价格便宜且具有高稳定性和很强的抗干扰能力，因此本次设计控制芯片选择8051单片机。单片机最小系统一般由单片机、复位电路、震荡电路等组成，由于本次设计使用8051单片机，所以以8051最小系统为例介绍单片机最小系统。8051单片机最小系统硬件电路图如图6-2所示。图6-2 51单片机最小系统电路图6.1.1 8051单片机介绍8051单片机的片内结构如图6-3所示。8051单片机是把那些作为控制应用所必须的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成：1. 微处理器CPU2. 数据存储器RAM3. 程序存储器ROM/EPROM4. 4个8位并行I/O口（P0口P1口P2口P3口）5. 1个串行口6. 2个16位定时器、计数器7. 中断系统8. 特殊功能寄存器（SFR） 上述各功能部件是通过片内单一总线连接而成， 如图6-3所示。图6-3中各功能部件的功能如下：(1) CPU微处理器 8051单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和微处理器两大部分。只是增加了面向控制的处理功能，不仅可以处理字节数据，也可以进行位变量的控制。(2) 数据存储器 片内为128B，片外最多可外扩64KB。数据存储器来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。片内的128B的RAM，以高速RAM形式集成在的单片机内，可以加快单片机的运行速度，而且这种结构还可以降低单片机的功耗。(3) 程序存储器 用来存储程序，为4K 的ROM，最多可外扩至64KB。(4) 中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。(5) 定时器/计数器 片内有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式。(6) 串行口 1个全双工的的串行口，具有4种工作方式。可用来进行串行通信，扩展并行I/O口。(7) P1口、P2口、P3口、P0口 为4个并行8位I/O口。(8) 特殊功能寄存器SFR 特殊功能寄存器共有21个，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制、监视。实际上片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。CPU运算器控制器数据存储器RAMP0P2P1P3串行口定时器计数器程序存储器ROM/EPROM特殊功能寄存器SFRXTAL1XTAL2ALEPSENEARESET8888图 6-3 8051单片机片内结构6.2.2 复位电路单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。（1）上电复位：STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。（2） 按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。6.1.3 振荡电路单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。8051使用12MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。 6.2 串行接口电路串行接口是为了让单片机与外部设备传输数据的一种方式。串行接口具有使用线路少、成本低等优点。AT89C51单片机具有一个全双工串行通信接口，这样可以很容易的实现单片机与PC机之间或者多机之间的通信。因为单片机串行口的输出与输入均为TTL电平。这种以TTL电平串行传输数据的方式，抗干扰技能差，传输距离短。为了提高串行通信的可靠性，增大串行通信的距离就必须采用标准串口。RS-232C是异步串行通信中应用最广的标准串行接口，它定义了数据终设备（DTE）数据通信设备（DCE）之间的串行接口标准。PC机都配有标准的RS-232C接口，由于TTL电平和RS-232C电平互不兼容，所以两者连接必须有电平转换。单片机信号为TTL电平（0V5V）。RS-232C标准电平（逻辑1：-3V-15V;逻辑0：+3V+15V）。如果需要两者之间的电平转换需要一个电平转换芯片，这里选用MAX232电平转换芯片。MAX232是由美国MAXIM公司生产的电平转换芯片，此芯片由于内部有自升压的电平倍增电路，可以将+5V转换成-10V +10V，满足RS-232C标准对逻辑1和逻辑0的电平要求。设计电路如图6-4，电平转换芯片的R1OUT和T1IN分别与单片机的RXD和TXD管脚相连接。同时选用通用的9芯的RS-232接口，即DB9F。 图 6-4 串行接口电路图6.3 传感器6.3.1 传感器的选型本次设计传感器采用VTI Technologies 公司的SCA100T系列。SCA100T是采用微电子机电技术（MEMS）制造的一款双轴加速度传感器，模拟输出的电压范围为0-5v ，SCA100T单轴的最大输出范围约为90度。在采样频率为8Hz及以下时，可获得0.002度的输出分辨率。MEMS是二十一世纪的前沿技术，采用MEMS技术可以在硅芯片上加工出完整的微型电子机械系统，包含了微型传感器、微型机械机构、以以及信号处理和控制电路、通讯接口等于一体的微型器件，把信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性提高到新的高度。SCA100T内部包含了一个硅敏感微电容传感器和一个ASIC专用集成电路，ASIC电路集成了EEPROM存储器、信号放大器、AD转换器、温度传感器和SPI串行通信接口，组成了一个完整的数字模拟双输出的传感器。有300和900两种量程，主要性能如下：1. XY双轴高分辨率双轴测量。2. 单电源+5V直流供电，工作电流仅3Ma。3. 模拟量输出和11位数字量输出。4. AD转换时间为150微秒。5. 数字激活内部故障自检测。6. 长期工作稳定性高。7. 可承受超过20000g的机械冲击。加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。恒定加速度的一个特例就是重力加速度，当传感器静止时（没有水平或垂直方向的加速度时），重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。双轴加速度传感器测量倾角有两种放置方法：水平放置和一轴垂直放置。本次设计采用水平放置，示意图如下图6-5所示。图6-5 水平放置方法水平放置在90度的范围内有很好的分辨率，水平放置时应用如下的公式计算倾角：其中Ax、Ay表示重力加速度输出，、表示倾斜角度（弧度）。6.3.2 硬件电路的设计传感器OUT-1引脚为模拟量输出管脚，将其接在ADC0809的IN0输入接口，同时，为了进行传感器自检和内部校正，分别将传感器的MISO、MOSI、SCK、CSB与单片机的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4相连。MISO用于传输传感器内部模数转换器转换的数字数据， MOSI与单片机的P1.2 引脚相连，用于向传感器发送命令和进行传感器内部自校正，使用软件编程通过P1.3向SCK提供串口通讯脉冲。CSB为片选信号引脚。具体硬件连接框图如下图6-6所示。图6-6 传感器与单片机连接框图 6.4 电动机的控制 机械手的各关节的运动都是通过电机带动的，所以电机的控制很重要，现今有很多种电机驱动控制芯片，根据所控制的电机种类、电压大小、电流大小等先关参数选择相适应的电机控制器，本次设计选择L298N电机控制器来驱动控制电机。 6.4.1 L298N电机驱动芯片简介L298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥电机专用驱动芯片( DualFull-Bridge Driver ) ，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，可同时驱动2 个二相或1个四相电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准