毕业设计（论文）-移动物体检测报警机器人.doc

移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 1 页 共 34 页 目录 第 1 章 绪论 3 1 1 智能机器人技术发展的重要意义 3 1 2 国内外机器人的发展史 3 1 2 1 国外机器人的发展历史 3 1 2 2 国内机器人的发展历史 4 1 3 服务机器人的特点关键技术 4 1 4 本论文的主要研究内容 5 1 5 本章小结 5 第第 2 2 章章 物体检测与报警机器人的总体设计物体检测与报警机器人的总体设计 6 2 1 概述 6 2 2 主要组成 6 2 2 1 头部旋转机构 6 2 2 2 主体部 7 2 2 3 电机 7 2 3 主要技术参数 8 2 4 电机的选型 8 2 4 1 驱动机构的组成 8 2 4 2 步进电机的选型比较 9 2 4 3 步进电机的选型计算 10 2 5 蜗轮蜗杆传动的选型设计 12 2 6 电机的效核 15 2 7 轴的较核及联件的选型 16 2 7 1 蜗杆轴的较核 16 2 7 2 蜗杆轴上轴承的选型 20 2 7 3 蜗轮轴的较核 22 2 7 4 蜗轮轴上轴承的选型 26 2 7 5 键的较核 28 2 7 6 联轴器的选型 28 2 8 本章小结 28 第第 3 3 章章 驱动机构及其控制方式驱动机构及其控制方式 29 3 1 概述 29 3 2 步进电机及其控制系统 29 3 2 1 步进电机的工作特性 29 3 2 2 步进电机的开环控制系统 31 3 3 本章小结 32 结束语结束语 32 第 2 页 共 34 页 致致 谢谢 33 参考文献 34 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 3 页 共 34 页 第第 1 1 章章 绪论绪论 本章提要 本章从阐述智能机器人技术发展的意义出发 简要地回顾智能机器 人的发展历史和当前的技术水平 在此基础上 对于智能检测报警机器人这一产品 的关键技术 以及开发现状 也作了进一步介绍 1 11 1 智能机器人技术发展的重要意义智能机器人技术发展的重要意义 智能机器人是具有感知 思维和行动能力的机器 是机构学 自动控制 计算机 人工自能 光电技术 传感技术 通讯技术 仿真技术等多种学科和技术的综合 成果 它从一个侧面反映了一个国家科技发展的水平 更重要的是 作为新一代生 产和服务的工具 它在国民生产和生活的各个领域都占有更广泛 更重要的位置 这 对于人类开辟新的产业 提高生产和生活水平具有十分现实的意义 因此智能机器 人技术作为科技技术的一个分支 受到了世界各国的普遍重视 发展智能机器人技术将对一个国家产生巨大的影响 主要集中在以下几个方 面 1 发展工业智能机器人可以增强一个国家的生产制造能力 2 发展特种智能机器人可增强国家的可持续发展能力 3 发展智能机器人技术可以提高国防实力 1 21 2 国内外机器人的发展史国内外机器人的发展史 1 2 11 2 1 国外机器人的发展历史国外机器人的发展历史 美国是机器人的诞生地 早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人 比起号称 机器人王国 的日本起步至少要早五六年 经过 30 多年的发展 美国现 已成为世界上的机器人强国之一 基础雄厚 技术先进 纵观它的发展史 道路 是曲折的 不平坦的 由于美国政府从 60 年代到 70 年代中的十几年期间 并没有把工业机器人列 入重点发展项目 只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作 对于企业来 说 在只看到眼前利益 政府又无财政支持的情况下 宁愿错过良机 固守在使 用刚性自动化装置上 也不愿冒着风险 去应用或制造机器人 加上 当时美国 失业率高达 6 65 政府担心发展机器人会造成更多人失业 因此不予投资 也不组织研制机器人 这不能不说是美国政府的战略决策错误 70 年代后期 美 国政府和企业界虽有所重视 但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军 事 宇宙 海洋 核工程等特殊领域的高级机器人的开发上 致使日本的工业机 第 4 页 共 34 页 器人后来居上 并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国 产品 在国际市场上形成了较强的竞争力 进入 80 年代之后 美国才感到形势紧迫 政府和企业界才对机器人真正重 视起来 政策上也有所体现 一方面鼓励工业界发展和应用机器人 另一方面制 订计划 提高投资 增加机器人的研究经费 把机器人看成美国再次工业化的特 征 使美国的机器人迅速发展 尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究 忽视应用开发研究的曲 折道路 但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位 其技术全面 先 进 适应性也很强 具体表现在 1 性能可靠 功能全面 精确度高 2 机器人语言研究发展较快 语言类型多 应用广 水平高居世界之首 3 智能技术发展快 其视觉 触觉等人工智能技术已在航天 汽车工业 中广泛应用 4 高智能 高难度的军用机器人 太空机器人等发展迅速 主要用于扫 雷 布雷 侦察 站岗及太空探测方面 1 2 21 2 2 国内机器人的发展历史国内机器人的发展历史 我国已在 七五 计划中把机器人列入国家重点科研规划内容 拨巨款在沈 阳建立了全国第一个机器人研究示范工程 全面展开了机器人基础理论与基础元 器件研究 十几年来 相继研制出示教再现型的搬运 点焊 弧焊 喷漆 装配 等门类齐全的工业机器人及水下作业 军用和特种机器人 目前 示教再现型机 器人技术已基本成熟 并在工厂中推广应用 我国自行生产的机器人喷漆流水线 在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行 1986 年 3 月开始的国家 863 高科技发 展规划已列入研究 开发智能机器人的内容 就目前来看 我们应从生产和应用 的角度出发 结合我国国情 加快生产结构简单 成本低廉的实用型机器人和某 些特种机器人 1 31 3 服务机器人的特点关键技术服务机器人的特点关键技术 前面主要介绍了本课题的技术平台智能机器人的发展状况 在这一节中主要从 产品的角度出发 介绍智能检测报警机器人所属的服务机器人这一大范畴的特点和 关键技术 它对于该产品的设计与开发具有指导性的意义 智能检测机器人从其产品的功能上划分 是属于近年来刚刚兴起的服务机器人 的范畴 关于服务机器人的定义目前还并不统一 简单地说 它是指一种能够自主 或半自主运行 且为人类健康 安全和设备运行提供服务的智能机器 因此 服务机 器人存在自身的一些特点 主要集中在以下三方面 1 任务要求 服务机器人的主要职能是自主或半自主地为人类提供服务 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 5 页 共 34 页 或安全保障 它涉及到探测 报警等多种功能 显然其任务具有多样性和灵活性的 特点 因此 为了实现特定的任务 服务机器人的开发必须更重视载体尺寸 重量 能量供给 导航 避障等多方面的功能 同时配备相应的完成任务的工具 2 工作环境 机器人的工作环境一般分为两类 结构化环境和非结构化环 境 工业机器人通常面对的是结构化环境 而服务机器人通常在非结构化的环境中 工作 不过在环境中 机器人与人或环境设施可能经常发生互动即所谓的突发事件 因此 机器人必须具有灵活能力 换而言之 环境是随时变的 因此 服务机器人的工 作环境更为复杂 受外界的影响 干扰更多 3 机械结构 机械结构通常指机器人的本体结构 任务和工作环境决定 了机器人的结构形式 按照其本体结构的运动能力 可将服务机器人分为静止式和 移动式两类 最常见的服务机器人是移动式的 其中以轮式结构最为广泛 虽然针对不同的应用场合和服务对象 服务机器人在形式 功能等方面存在着 较大的差别 但在设计和开发服务机器人的过程中 也存在一些共性的地方服务机 器人的关键技术可归纳为以下几个方面 环境的表示 环境感知和信号处理 控制系统及其结构 复杂任务和服务的实时规划 适应于作业环境的机械本体结构 研制低功耗 长时间工作的功能部件 这些关键技术的发展直接影响到服务机器人作为一个行业的应用前景 虽然 以前服务机器人一度被认为是一个几乎不可获利的行业 但随着近年来 家用服务 机器人和娱乐机器人市场开拓所获得的巨大成功 人们的观念正在发生变化 美国 日 本和欧洲的一些大公司也纷纷进入了服务机器人的市场 1 41 4 本论文的主要研究内容本论文的主要研究内容 本论文主要以智能检测报警机器人这一产品的设计与开发为中心 详细叙述了 该产品的各个环节的设计思想 设计理念和设计过程 通过将现代智能机器人领域 的一些成熟技术应用于实际的产品开发中 达到获得直接的 感性认识的目的 同时 也以具体应用为基础 对这一领域中的一些焦点的前沿问题作了进一步的研究 整 个论文主要阐述了以下两个方面的问题 1 智能检测报警机器人系统的总体结构规划和设计 2 以步进电机为主要驱动部件的机器人驱动机构的设计 1 51 5 本章小结本章小结 本章以智能检测报警这一产品的开发为平台 阐述了发展智能机器人技术的重 要意义 并着重介绍了与该产品相关的机器人技术发展 由于智能检测报警机器人 第 6 页 共 34 页 从产品的角度出发 是属于服务机器人的范畴 本章也同时针对服务机器人在开发 和设计过程中存在的一些共性问题 作了进一步的阐述 在此基础上 对整个课题 的研究内容和设计任务 作了具体的规划 第 2 章 物体检测与报警机器人的总体设计 本章提要 本章主要介绍了智能检测报警机器人的产品要求 功能分析和性能 特点 在此基础上提出了该产品的总体原理和具体功能模块的实现思路 从而对其 形成一个完整的设计方案 2 12 1 概述概述 随着社会的进步和发展 人们的学习和工作越来越繁重 于是怎样更大程度地 将人们从烦琐的日常事务中解脱出来 就成为了新一代服务机器人所追求的目标 而智能化正是这一目标的集中体现 本文介绍的智能检测报警机器人初步实现了无人情况下的自主工作方式 它结 构独特 灵活 且自备电源 由机载单片机进行实时的控制 由一个步进电机实现头部 系统的驱动 在头部转动的过程中 它通过头部携带的超声波检测装置 检测周围 的事物 当发现有移动物体时便报警 达到其看守防盗的目的 该机的优势在于其 局部的自主化和智能化 它可以无需人的操控而自主的进行检测 并且在遇到移动 物体时能够实时的报警 2 22 2 主要组成主要组成 2 2 12 2 1 头部旋转机构头部旋转机构 如图 2 1 所示 该机构为蜗轮蜗杆传动 将蜗杆轴由联轴器直接连接到电机上 由步进电机驱动 蜗轮通过轴与机器人头部相连接 从而使得蜗轮的转动带动机器 人头部的旋转 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 7 页 共 34 页 图 2 1 机器人头部旋转机构 2 2 22 2 2 主体部主体部 机器人的底部呈圆盘状采用地脚螺栓将其固定在地上 分躯干 上端盖 与颈部 一体 两块直接浇铸出来然后通过螺钉连接 头部同样也分为两个半球直接浇铸出 来然后通过螺栓连接在一起 图 2 2 机器人主体图 2 2 32 2 3 电机电机 选用步进电机 由步进电机直接带动蜗杆转动 因为通过控制步进电机的脉冲 输入就可直接控制步进电机的转动速度 因此选用步进电机较合适 脉冲的输入便 由单片机控制 第 8 页 共 34 页 2 32 3 主要技术参数主要技术参数 1 设机器人头部每秒钟转动 6 度 因为蜗轮通过轴直接与机器人头部相连 所以 蜗轮的转速 要求蜗轮蜗杆的使用寿命为 25000 机器人头部的质量 2 1 minnr h 包含摩擦阻力 5mkg 10 L FN 2 机器人的外型尺寸为 头部直径 颈部高 粗 躯干20cm 5hcm 10cm 40cm 40cm 60cm 底盘大直径 100cm 小直径 60cm 高 40cm 2 4 2 4 电机的选型电机的选型 驱动机构是智能检测报警机器人的主要执行部件之一 它是实现机器人头部转 动的物质基础 因此 驱动机构的性能直接影响到系统的工作特性和功能的实现 具有重要的意义 2 4 12 4 1 驱动机构的组成驱动机构的组成 智能检测报警机器人的驱动机构由以下三部分组成 一 核心驱动部件 步进 电机 二 蜗轮蜗杆传动系统 三 机器人头部 图 2 4 驱动机构的组成 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 9 页 共 34 页 其总体工作过程如下 由单片机产生一定频率的驱动脉冲信号 通过步进电机 驱动器驱动步进电机 步进电机的转动通过蜗轮蜗杆传动 减速 带动头部转动 从而 改变超声波的发射方向 起到检测周围运动物体的检测报警功能 假设由单片机产生的驱动脉冲信号的频率为 步进电机驱动器的分频数为 q f 步进电机的步距角为 蜗轮蜗杆的齿数为和 机器人头部的直径为 则整K 1 z 2 zD 个传动过程可以定量计算如下 2 1 2 1 z I z 2 2 KZ Zf IK f qq 2 1 2 3 2 D v 将式 2 2 代入 2 3 中得 2 4 1 2 1 22 qq zDD vff z KIK 其中 为机器人头部的线速度 为蜗轮蜗杆的减速比 vI 由式 2 4 可以看出 机器人的头部转动速度正比于单片机的输出脉冲频率 在实际 的系统中 由于机器人要检测移动物体 因此 系统的设计速度比较低 头部的转速 设计为 1 minnr 2 4 22 4 2 步进电机的选型比较步进电机的选型比较 步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电气机械 其转子的转角与输 入的电脉冲数成正比 转子的转速与单位时间内脉冲数成正比 转矩是由磁阻作用 所产生的 旋转方向则取决于脉冲的顺序 因此 步进电机一定要与脉冲控制联系 起来才能运行 步进电机的主要优点归纳如下 1 步进电机只能在一定脉冲电源供电下才能运行 2 步进电机的角位移量与输入脉冲严格成正比 因此 电机转动一周后没有 累积误差 具有良好的跟随性 3 由步进电机和驱动控制器组成的开环控制系统 既简单又可靠 4 步进电机的调速与位置控制性能良好 5 步进电机的动态响应快 自启动能力强 6 输出力矩较大 属于力矩型电机 当然 步进电机也存在一些缺点 第 10 页 共 34 页 1 效率较低 输入功率有很大一部分转为热能消耗 2 步进电机存在低频震荡 失步和高频失步等缺陷 3 步进电机自身噪声和振动较大 2 4 32 4 3 步进电机的选型计算步进电机的选型计算 如图 2 4 所示 机器人头部转动的阻力 F 10N 转速 头部载荷平稳 1 minnr 在常温下工作 1 选择电动机的容量 电动机所需工作功率为 w d P P 工作机所需功率为 KW 1000 w Fv P 传动装置的总效率为 22 123 按机械传动和摩擦副的效率概率值表 确定各部分效率 双头蜗杆传动 0 75 联 1 轴器效率 0 99 滚动轴承传动效率 一对 0 99 2 3 所需电动机的功率为 W Fv Pd41 0 99 0 99 0 75 0 1000 026 0 10 1000 22 因载荷平稳 电动机额定功率大于即可 ed P d P 2 计算传动装置的运动和动力参数 0 轴 电机轴 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 轴 蜗杆轴 WPPP4 099 0 99 0 41 0 3200101 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 11 页 共 34 页 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 轴 蜗轮轴 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 轴 机器人头部轴 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 各轴的运动和动力参数 功率 P W转矩 TN mm 轴名 输入输出输入输出 转速 min n r 传动比i效率 电机轴0 41252 615 5 蜗杆轴0 40 396246 548 515 5 蜗轮轴0 30 29728652836 41 机器人头部轴0 290 2872836 4 2807 991 1 15 5 1 0 98 0 74 0 99 由于要求机器人的头部转速为 所以根据蜗轮蜗杆的传动比可算出 1 6 ns 步进电机的转速 s n 93 5 156 2 根据电机的转速 可以选择步距脚为的步进电机 每秒钟给个脉冲 这样就可以3 31 达到电机的需求转速 再根据上面所算的数据 故可选择 70BF003 磁阻式步进电机 其数据见下表 第 12 页 共 34 页 型号相数 额定电 压 静态电 流 步距角 最大静转矩 空载启动频 率 质量 70BF003327V3A3 1 5 0 882N m1600PPs1 2kg 2 5 蜗轮蜗杆传动的选型设计 1 初步选型 根据表 34 1 13 圆柱蜗杆蜗轮参数的匹配 摘自 GB T10085 1988 初选 ZA 型蜗杆 其中心距 传动比 模数 蜗杆分度圆直径60amm 15 5i 2 5m 蜗杆头数 蜗轮齿数 蜗轮变位系数 蜗轮分度圆直径 1 25dmm 1 2Z 2 31Z 2 0 x 蜗杆直径系数 212 2295dadx mmm 1 10qdm 由和查表 34 1 15 得 1 zq 111836 蜗轮的转矩 2122 2 1 2 1ZZFnvFT LmL 又 1 L FN 1 2z 2 31z 电机选型中计算得 2 3 TN m 选择蜗杆材质 40cr 淬火硬度 45HRc 蜗轮圈材质 ZcuSn10Pb1 金属模铸造 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 从图 34 1 9 查得时N 7 105 7 1 35 n Z 其许用接触应力为 MPaZZ nsHPbHP 29735 1 0 1220 注 滑动 速度 影响系数 寿命系数 s Z n Z 2 接触强度验算 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 13 页 共 34 页 确定 K 值 s v 0 1 m s 1 1K 取 7 级精度 2 1K 取 图 34 1 6 100 JC 3 1K 取 表 34 1 18 30 C 4 1K 工作平稳 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 接触强度足够 3 弯曲强度验算 确定和 2 Y FP 表 34 1 24 2 0 410Y 图 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 弯曲强度足够 4 该蜗杆传动 轴交角 的几何尺寸计算90 表 1 蜗杆蜗轮几何尺寸 名称代号公式结果 第 14 页 共 34 页 中心距a 122 2 2addx m 60mm 蜗杆头数 1 z 由实际需要确定 2 蜗轮齿数 2 z 21 ziz 31 齿行角a或20 x a 20 n a 20 模数m cos n x m mm 2 5mm 传动比i 12 nn 15 5 蜗轮变位系数 2 x 12 2 cos dda x m 0 蜗杆直径系数 q 1 qdm 10 蜗杆轴向齿距 x P x Pm 7 9mm 蜗杆导程 z P 1z Pmz 15 7mm 蜗杆分度圆直径 1 d 1 dmq 25mm 蜗杆齿顶圆直径 1a d 1111 22 aaa ddhdh m 30mm 蜗杆齿根圆直径 1f d 1111 22 ffa ddhdh mc 19mm 顶隙c cc m 0 5mm 渐开线蜗杆基圆直径 1b d 11tan tan bb dd 11 9mm 蜗杆齿顶高 1a h 1aa hh m 2 5mm 蜗杆齿根高 1f h 1 fa hhc m 3mm 蜗杆齿高 1 h 111af hhh 5 5mm 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 15 页 共 34 页 蜗杆导程角 11 tan mzd 1118 36 蜗杆齿宽 1 b 112 12 1 2 120 1 3 4 130 1 zbz m zz m 2 时 时 b 40mm 蜗轮分度圆直径 2 d 2212 22dmzadx m 95mm 蜗轮齿顶圆直径 2a d 222 2 a ddha 100mm 蜗轮齿根圆直径 2f d 222 2 f ddhf 89mm 蜗轮齿顶高 2a h 22 aa hm hx 1 25mm 蜗轮齿根高 2f h 22 fa hm hxc 4 25mm 蜗轮齿高 2 h 222af hhh 5 5mm 蜗轮齿宽 2 b 21 0 65 a bd 19 5mm 蜗轮齿厚 1 s 按蜗杆节圆处轴向齿槽宽确定 e x 2 62 6 电机的效核电机的效核 该伺服系统执行元件输出轴所承受的等效负载转矩为 等效惯量转矩为 m eq TT惯 则电机轴上的总负载转矩为 m eq TTT 惯 考虑到机械的总传动效率时 则 m eq TTT 惯 蜗轮轴的惯量 223 2 111 015 0 06 0 2 015 0 14 3 1085 7 4 1 4 1 RmJ 25 106 0mkg 蜗轮的惯量 2 222 1 4 Jm R 23 1015 0 mkg 蜗杆轴的惯量 第 16 页 共 34 页 2 333 4 1 RmJ 24 1078 0 mkg 所以 23 321 10234 0 mkgJJJJ 总 即等效转动惯量为 23 10234 0 mkgJJ 总惯 则 mmNT 4 0 惯 由于总传动效率为 0 75 所以 2550 4 0 75340 5 m eq TTTN mm 惯 若选用 75BF003 反应式步进电机 其最大静转矩 当采用三相 max 882 j TN mm 六拍通电方式 为保证带负载能正常启动和定位停止 电动机的启动和制动转矩 应满足下列要求 q T q TT 查表 3 7 可知 因为 故该电机可以 max 0 87 qj TT mmNTq 34 767 q TT 使用 2 72 7 轴的较核及联件的选型轴的较核及联件的选型 2 7 12 7 1 蜗杆轴的较核蜗杆轴的较核 1 求蜗杆轴上的转矩 250 TN mm 蜗杆 2 求作用在蜗杆上的力 圆周力 径向力 轴向力的大小如下 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 确定轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 调质处理 初估轴的最小直径 查表取可得115A 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 17 页 共 34 页 mm n P Ad4 3 5 15 0004 0 115 3 3 1 1 min 所以取10dmm 图 2 5 蜗杆轴的结构图 4 轴的强度较核 求轴的载荷 1 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图 见图 2 6 轴的支承跨距 120Lmm 根据轴的计算简图作出轴的弯矩图 扭矩图和当量弯矩图 见图 2 6 从轴的结构 图和当量弯矩图中可以看出 截面的当量弯矩最大 是轴的危险截面 截面处CC 的 及的数值如下 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 弯矩和 水平面 H M V MmmNRM HH 60060 1 垂直面 mmNRM VV 44760 1 合成弯矩 M 22 748 2 HV MMMN mm 扭矩 T T 250 N mm 当量弯矩 ca MmmNMca 1 763 第 18 页 共 34 页 图 2 6 轴的计算简图 较核轴的强度 2 轴的材料为 45 钢 调质处理 由表 4 1 查得 则 2 650 B N mm 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 19 页 共 34 页 即 取 轴的计算应力为 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 根据计算结果可知 该轴满足强度要求 5 精确较核轴的疲劳强度 判断危险截面 1 危险截面应该是应力较大 同时应力集中较严重的截面 从受载情况观察 截 面 C 上的最大 但应力集中不大 而且这里的轴径最大 故截面 C 不必较核 从应 ca M 力集中对轴的疲劳强度削弱程度观察 截面 4 的应力集中最严重且受扭矩的作用 分析可知危险截面为 4 截面 左侧 计算危险截面应力 2 截面左侧弯矩为 MmmNM 4 249 120 2060 2 748 截面上的扭矩为 T250 TN mm 抗弯截面系数 333 5 337151 01 0mmdW 抗扭截面系数 333 675152 02 0mmdWT 截面上的弯曲应力 2 249 4 0 74 337 5 b M N mm W 截面上的扭转剪应力 2 250 0 37 675 T T N mm W 弯曲应力幅 2 0 74 ab N mm 弯曲平均应力 0 m 扭转切应力的应力幅与平均应力相等 即 2 0 37 0 185 22 am N mm 确定影响系数 3 轴的材料为 45 钢 调质处理 由表 4 1 查得 2 600 B N mm 2 1 275 N mm 2 1 140 N mm 轴肩圆角处的有效应力集中系数 根据 k k 1 150 067r d 第 20 页 共 34 页 由表 4 5 经插值后可得 17 151 13D d 1 58k 1 25k 尺寸系数 根据轴截面为圆截面查图 4 18 得 0 88 0 9 表面质量系数 根据和表面加工方法为精车 查图 4 2 600 B N mm 19 得 0 88 材料弯曲扭转的特性系数 取 0 1 0 05 由上面结果可得 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 中的许用安全系数 S 值 可知该轴安全 2 7 22 7 2 蜗杆轴上轴承的选型蜗杆轴上轴承的选型 根据蜗杆轴的轴径初选深沟球轴承型号为 轴承代号 基本尺寸 mm 安装尺寸 mm 基本额定载荷 KN 极限速度 min r 质量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 计算轴承的支反力 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 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 21 页 共 34 页 2 3 3 V RN 3 合成支反力 22 111 10 5 HV RRRN 2 10 5RN 图 2 7 轴承受力图 2 轴承的派生轴向力 由式 5 9 可得 NYRS3 23 22 5 102 11 NYRS3 23 22 5 102 22 3 轴承所受的轴向载荷 因 由式 5 10 221 3 952 36 25 aa KSFSNS 第 22 页 共 34 页 122 3 952 36 25 aa AKSFSN 22 2 3ASN 4 轴承的当量动载荷 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 轴承寿命 因 故应按计算 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 故可得该轴承绝对满足要求 2 7 32 7 3 蜗轮轴的较核蜗轮轴的较核 1 蜗轮轴上的转矩为 2865 TN mm 2 求作用在蜗轮上的力 3 95 ta FFN 20 at FFN 7 4 rr FFN 3 确定轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 调质处理 按式 4 2 初估轴的最小直径 查表取 115A 可得 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 23 页 共 34 页 mm n P Ad7 7 1 0003 0 115 3 3 2 2 min 所以取10dmm 图 2 8 蜗轮轴的结构图 4 轴的强度较核 求轴的载荷 1 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图 轴的支承跨距 40Lmm 根据轴的计算简图作出轴的弯矩图 扭矩图和当量弯矩图 见图 2 从轴的结构 图和当量弯矩图中可以看出 截面的当量弯矩最大 是轴的危险截面 截面处CC 的 及的数值如下 H M V MMT ca M 支反力 水平面 1 3 95 1 975 22 t H F RN 第 24 页 共 34 页 2 1 975 H RN 垂直面 1 8 35 2 a Varr F d RMFFN 21 0 95 VrV RFRN 弯矩和 水平面 H M V MmmNRM HH 5 3920 1 垂直面 mmNRM VV 16760 1 合成弯矩 M 22 171 6 HV MMMN mm 扭矩 T T 2865 N mm 当量弯矩 ca MmmNTMMca 5 1727 22 较核轴的强度 2 轴的材料为 45 钢 调质处理 由表 4 1 查得 则 2 650 B N mm 即 取 轴的计算应力为 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 根据计算结果可知 该轴满足强度要求 5 精确较核轴的疲劳强度 判断危险截面 1 危险截面应该是应力较大 同时应力集中较严重的截面 从受载情况观察 截 面 C 上的最大 但应力集中不大 而且这里的轴径最大 故截面 C 不必较核 从应 ca M 力集中对轴的疲劳强度削弱程度观察 截面 4 的应力集中最严重且受扭矩的作用 分析可知危险截面为 4 截面 左侧 计算危险截面应力 2 截面左侧弯矩为 MmmNM 9 42 40 1020 6 171 截面上的扭矩为 T2865 TN mm 抗弯截面系数 333 5 337151 01 0mmdW 抗扭截面系数 333 675152 02 0mmdWT 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 25 页 共 34 页 截面上的弯曲应力 2 42 9 0 13 337 5 b M N mm W 截面上的扭转剪应力 2 2865 4 25 675 T T N mm W 弯曲应力幅 2 0 13 ab N mm 弯曲平均应力 0 m 扭转切应力的应力幅与平均应力相等 即 2 4 25 2 125 22 am N mm 确定影响系数 3 轴的材料为 45 钢 调质处理 由表 4 1 查得 2 600 B N mm 2 1 275 N mm 2 1 140 N mm 轴肩圆角处的有效应力集中系数 根据 k k 1 150 067r d 由表 4 5 经插值后可得 17 151 13D d 1 58k 1 25k 尺寸系数 根据轴截面为圆截面查图 4 18 得 0 88 0 9 表面质量系数 根据和表面加工方法为精车 查图 4 2 600 B N mm 19 得 0 88 材料弯曲 扭转的特性系数 取 0 1 0 05 由上面结果可得 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 中的许用安全系数 S 值 可知该轴安全 第 26 页 共 34 页 2 7 42 7 4 蜗轮轴上轴承的选型蜗轮轴上轴承的选型 根据蜗轮轴的轴径为了便于安装初选角接触球轴承型号为 轴承代号 基本尺寸 mm 安装尺寸 mm 基本额定载荷 KN 极限速度 min r 质量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 计算轴承的支反力 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 轴承的派生轴向力 NYRS98 5 3 22 5 272 11 NYRS98 5 3 22 5 272 22 3 轴承所受的轴向载荷 因由式 5 10 221 205 9825 98 aa KSFSNS 122 205 9825 98 aa AKSFSN 22 5 98ASN 4 轴承的当量动载荷 因查表 5 12 1 11 25 98 27 50 940 19ARe 11 0 56 2 3XY 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 27 页 共 34 页 由式 5 7 得 NAYRXPr 2 7598 253 2 5 2756 0 11111 图 2 9 轴承受力图 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 轴承寿命 因 故应按计算 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 故可得该轴承绝对满足要求 第 28 页 共 34 页 2 7 52 7 5 键的较核键的较核 蜗轮轴键的较核 PP dkl T 2 式中 T 传递扭矩 1 3TN m d 轴径 15dmm 键与轮毂的接触高度 k 6 3 22 h kmm 键的工作长度 l1266lLbmm 3 2 3 10 22 2 15 3 6 P MPa 许用应力查表 2 21 得 P MPa P 120 所以 键的校核通过 P P 2 7 62 7 6 联轴器的选型联轴器的选型 1 凸圆联轴器 轴径 10mm 许用转矩 10N m 许用转速 1400r min 故根据给出的参数直接选用 2 套筒联轴器 轴径 8mm 许用转矩 71N m 许用转速小于 250r min 同样根据给出的参数直接选用 2 82 8 本章小结本章小结 本章主要介绍了智能检测报警机器人的大体结构 详细计算了机器人 机 方 面的主要参数并在此基础上进行了具体设计 第 3 章 驱动机构及其控制方式 本章提要 本章介绍智能检测报警机器人驱动机构的组成及其运动分析 对步进电 机详细论述其工作原理 性能指标和控制方式 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 29 页 共 34 页 3 1 3 1 概述概述 步进电机具有控制简便 定位准确等特点 随着科学技术的发展 在许多领域 将得到广泛的应用 鉴于传统的脉冲系统移植性不好 本论文提出了微机控制系统 代替脉冲发生器和脉冲分配器 用软件的方法产生控制脉冲 通过软件编程可以任 意设定步进电机的转速 旋转角度 转动次数和控制步进电机的运行状态 以简化 控制电路 降低生产成本 提高系统的运行效率和灵活性 3 23 2 步进电机及其控制系统步进电机及其控制系统 3 2 13 2 1 步进电机的工作特性步进电机的工作特性 1 步进电机的静态转矩特性 所谓静态转矩是指电机不改变通电状态 转子不转时的工作状态 步进电机的 静态转矩与其转子的位置密切相关 其关系如图 3 1 中 静态转矩特性曲线所示 在 静态空载的情况下 相应的定 转子是对齐的 这时电机无力矩输出 若转子受到一 负载转矩的作用 电机将会偏转一个角 称为失调角 这时转子的电磁转矩和 c T m T 负载转矩相等 使转子重新处于平衡状态 转子反向偏转将会产生正向力矩 正向 c T 偏转将会产生反向力矩 因为 步进电机的电磁转矩方程为 3 1 2 1 2 s dL TI s d 当定转子磁极对齐时 电感为最大 当转子磁极处在定子磁极之间 电感最小 s L s L 假设电感在两个位置之间的变化为正弦函数 即 则式 3 1 可 s L 0 cos s LLLp 改为 3 2 2 1 1 sin 2 s TI Lp 第 30 页 共 34 页 图 3 1 步进电机静转矩特性 这正与前面的分析相同 说明是静转矩是随失调角的正弦函数变化 2 步进电机的动态矩频特性 步进电机在连续运行时 同步状态下 需要足够的转矩来克服负载转矩和加减 速的惯量 步进电机在不同的速度下 所能产生的最大转矩 失步转矩 是不同的 其 关系常用动态矩频特性来描述 如图 3 2 图 3 2 步进电机的力矩 频率特性 移动物体检测报警机器人移动物体检测报警机器人 第 31 页 共 34 页 由矩频特性曲线图可见 随着电机运行频率的提高 输出转矩逐渐下降 这是 因为 在低频时 相绕组的冲放电是充分的 而当频率逐渐上升后 由于电感的沿时特 性 使相绕组的电流波形严重失真 达不到额定值 从而使输出转矩明显减小 动态矩频特性是选用适合的步进电机的重要指标之一 一般情况下 在已知功 况的条件下 最大 最小负载力矩 就可以通过电机的动态矩频特性曲线 找出其所能 正常工作 不失步 的极限频率范围 动态矩频特性不仅与步进电机本身的性能有 关 同时 在很大程度上也受外部驱动电路的特性影响 3 启动频率 步进电机由静止突然启动 不失步地进入正常运行所允许的最高启动频率 称 为启动频率 步进电机的启动频率受转子负载惯量的影响很大 一般随惯量的增大 而急剧地减小 步进电机的启动频率远远小于其最高运行频率 而且若电机除了惯量负载之外 还 带有摩擦转矩等转矩负载 其启动频率将进一步降低 因此 在实际应用中 为了使 电机能正确地从静止状态启动到高频工作状态或反之 必须使用软件或硬件的方法 使 电机的速度逐渐的上升或下降 避免速度的突然跳变 4 单步运行与振荡 步进电机在高速连续运行时 尽管每次绕组电流切换会引起瞬时的力矩波动 但系统惯量通常足以维持稳定的转速 但在单步运行时 情况有所不同 单步运行 时 由于驱动脉冲到来 转子受到了一个突然的冲击力作用移动到了下一个位置 但 由于惯性的作用 转子会冲过平衡位置 然后在电磁力矩的作用下被拉回并再一次 超过平衡位置 形成一个振荡过程 因此 在需要频繁启动和急停的精确定位系统 中 必须通过增加阻尼的方法 来减轻单步振荡所带来的不利影响 3 2 23 2 2 步进电机的开环控制系统步进电机的开环控制系统 开环控制系统是指控制器 单片机 根据预先设定的程序或是实时计算产生的 参数 直接控制执行机构 由于系统的输出值对输入没有影响 因而不能补偿外界 的扰动 负载变化和系统元件参数变化引起的误差 当然 开环控制系统也存在它 特有的优势 如结构简单 成本低 系统响应快 不存在稳定性问题 由于步进电机自 身所具有的独特的优点 它成为了开环