机械毕业设计1440五自由度装配工业机器人设计

PAGE本科生毕业设计五自由度装配工业机器人设计TheDesignforFive-degreesofAssemblyIndustrial学生姓名所在专业机械设计制造及其自动化所在班级申请学位工学学士指导教师职称职称答辩时间6月13日目录目录设计总说明IHYPERLINK建立机器人各杆件的构件坐标系9HYPERLINK列出D-H参数表10HYPERLINK位姿矩阵Ai10HYPERLINK求末杆位姿矩阵11HYPERLINK求解13HYPERLINK求解14HYPERLINK关于解的讨论15HYPERLINK\l"_4_五自由度工业机器人的动力计算"4五自由度工业机器人的动力计算16HYPERLINK\l"_4.1_手指驱动电机的选择"4.1手指驱动电机的选择16HYPERLINK\l"_4.1.1_手指驱动力计算"4.1.1手指驱动力计算16HYPERLINK\l"_4.1.2_蜗轮蜗杆设计计算"4.1.2蜗轮蜗杆设计计算17HYPERLINK\l"_4.1.3_手指驱动电机的选择"4.1.3手指驱动电机的选择18HYPERLINK\l"_4.2_腕摆电机的选择"4.2腕摆电机的选择19HYPERLINK\l"_4.3_手腕回转电机的选择"4.3手腕回转电机的选择20HYPERLINK\l"_4.4_同步带设计计算"4.4同步带设计计算21HYPERLINK\l"_4.5_小臂驱动丝杠的设计及丝杠驱动电机选择"4.5小臂驱动丝杠的设计及丝杠驱动电机选择23HYPERLINK\l"_4.5.1_丝杠设计计算"4.5.1丝杠设计计算23HYPERLINK\l"_4.5.2_丝杠驱动电机选择"4.5.2丝杠驱动电机选择25HYPERLINK\l"_5_机械人控制系统设计"5机械人控制系统设计27HYPERLINK\l"_5.1_计算机控制系统的设计方案"5.1计算机控制系统的设计方案27HYPERLINK\l"_5.2_控制系统的硬件电路组成"5.2控制系统的硬件电路组成27HYPERLINK\l"_5.3部分电器部件说明"5.3部分电器部件说明28HYPERLINK\l"_5.3.1__80C51的逻辑图"5.3.180C51的逻辑图28HYPERLINK\l"_5.3.2___74LS373地址锁存器"5.3.274LS373地址锁存器29HYPERLINK\l"_5.3.3___74LS138译码器"5.3.374LS138译码器29HYPERLINK\l"_5.3.4__8255A芯片"5.3.48255A芯片30HYPERLINK\l"_设计总结"设计总结32HYPERLINK\l"_鸣谢"鸣谢33HYPERLINK\l"_参考文献"参考文献34设计总说明PAGEII设计总说明在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计主要介绍关于工业机器人的一些基本常识和原理，包括工业机器人的组成、分类、主要技术性能参数和工业机器人的运动分析，并参考通用型机器人的结构，进行五自由度工业机器人的结构设计和其计算机控制系统的设计。本文所设计的可编程控制器控制系统主要是针对五自由度工业机器人的控制。可编程控制器是通过软件来实现控制的,只需改变软件就可以实现不同的控制要求。关键词：五自由度，工业机器人，运动姿态；控制系统INTRODUCTIONINTRODUCTIONIndustrially,automaticcontrolsystemsarefoundinnumerousapplications,suchasautomationmachinetoolcontrol,computersystemsandrobotics.Industrialrobotsarerelativelynewelectromechanicaldevicesthatarebeginningtochangetheappearanceofmodernindustry.Thisschemeintroducedsomebasicinformationandtheoryoftheindustrialrobots.Itisincludedthatthecompositionoftherobot,thegroupoftherobot,themaincapabilityoftechnologyandsomemovementanalyzeoftherobot.Itconsultedthestructureofthecommonrobottodesignthestructureandcomputercontrolsystemoffivedegreesoffreedomindustrialrobot.Inthispaper,thesystemisusedforcontrollingtheindustrialrobotoffivedegreesoffreedom.ThePLCiscontrolledbysoftware,sosomechangesofsoftwarecanfulfillvariablerequirement.Keywords:Fivedegreesoffreedom,Industrialrobot,movingposture,controlsystem－PAGE35－五自由度装配工业机器人设计机械设计制造及其自动化，200310211236，张绵涛指导老师：温坚1工业机器人的概述1.1工业机器人的组成机械加工中使用的机器人大多是代替人上肢的部分功能，按给定的程序、轨迹和要求进行工作。它主要由执行系统、驱动系统、控制系统及检测系统组成。执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身和行走机构等。手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，并把它传递到预定的位置。机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。行走机构：目前大多数工业机器人没有行走机构，本次设计“五自由度工业机器人”没有行走机构。驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。1.2工业机器人的分类工业机器人的分类方法很多，这里主要以工业机器人的驱动方式、控制功能、编程方式、控制机构、坐标形式、自由度数以及抓取重量的不同进行分类。1.按驱动方式分为液压传动，气压传动和电动。2.按控制功能分为重复型和智能型。重复型机器人能够按照事前编制的程序重复自动的工作。目前，机械加工系统中应用的工业机器人几乎都是这种。智能型机器人除具有重复型的功能外，还具有视觉、触觉、识别和判断功能等。按编程方式分为可编程序式和示教再现式。按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制。点位控制是指机器人的运动，只控制空间点的位置，而不控制由一个定位点到另一个定位点之间的运动轨迹。 连续轨迹控制是指能控制机器人的运动轨迹为空间任意曲线。按控制机构分为开关型和佩服型。开关型机器人是通过机械挡块、行程开关等电器触头的开关动作，得到位置信号，从而控制运动部件定位。这种机器人结构比较简单，只能用于点位控制，难于实现复杂运动。 佩服型机器人是根据连续输入指令，经过信号扩大，由佩服驱动机构控制运动。通常采用位置检测机构，检测机器人运动部件的位置和姿态变化，以控制机器人运动部件的准确定位。这种机器人可获得良好的运动特性，定位精度高，不仅适于点位控制，而且适于连续轨迹控制。按坐标形式分为直角坐标式机器人、极坐标式机器人、圆柱坐标式机器人和多关节式机器人。按自由度数分，机器人的自由度数越多，能用性就越广，但结构复杂。一般4到6个自由度即能满足稍复杂的使用要求了。按抓取重量分大型、中型、小型和微型。大型机器人的抓取重量为100kg以上；中型机器人的抓取重量为10～100kg；小型机器人的抓取重量为1～10kg；微型机器人的抓取重量为1kg以下。1.3工业机器人的主要技术参数工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数如下：抓取重量：抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。抓取工件的极限尺寸：抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。坐标形式和自由度：说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。运动行程范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。运动速度：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200～400mm/s；回转速度最大为180º/s，一般为50º/s。定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。编程方式和存储容量。2工业机器人的结构设计2.1机器人本体结构基本形式和特点本设计中的装配专用机器人采用关节型机器人。关节型机器人的本体结构是指其机体结构和机械传动系统，也是机器人的支撑基础和执行机构。关节型机器人主要特点是模仿人类腰部到手臂的基本结构，因此本体结构通常包括关节型机器人的机座（即底部和腰部的固定支撑）结构及腰部关节转动装置、大臂（即大臂支撑架）结构及大臂关节转动装置、小臂（即小臂支撑架）结构及小臂关节转动装置、手腕（即手腕支撑架）结构及手腕关节转动装置和末端执行器（即手爪部分）。如图（2－1）。本设计采用的关节机器人就体现了这种构造特点，由于本设计装配机器人装配要求，只需五个自由度便能完成，这样不但在结构上，控制上都较为简单。图2－1关节机器人本体结构简图2.2装配机器人的主要技术参数表2—1装配机器人主要技术参数表自由度数5手臂伸缩L=500mmV=0.5m/s手臂俯仰β=±45ºωβ=30º/s手臂回转α=220ºωα=30º/s手腕摆动γ=±90ºωγ=60º/s手腕回转ε=300ºωε=120º/s拾取重量P=125N根据主要技术参数，机器人的主要工作范围如图（2—2）：手臂回转范围（俯视图）b）手臂仰俯（主视图）图2—22.3五自由度工业机器人的结构2.3.1结构形式根据设计要求，本设计以KUKAIR-662/100型机器人为参照进行设计。该机器人具有五个自由度，有六个控制轴，均采用直流伺服控制。其传动原理如图（2—3）：图2—3机械传动原理图2.3.2结构特点该机器人的主要技术参数如表（2—1）：表2—1技术参数项目技术参数结构型式空间多关节式自由度数5个驱动方式直流伺服电动机驱动腕部最大重量(抓取重量)250N操作方式示教再现/脱线编程它的主要特点是：采用空间多关节式结构，工作范围比其它结构形式要大；Ⅰ轴控制机器人腰座旋转，伺服电动机轴上的小齿轮旋动腰部轴承带轮齿的内环完成运动；Ⅱ轴、Ⅲ轴分别控制大小臂的运动，其传动是通过滚珠丝杠螺母副来完成，传动刚度高；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ轴控制腕部运动，伺服电动机通过(Ⅵ轴除外)齿形带轮、齿形带轮副、谐波减速器等来完成腕部运动；对影响精度的主要传动部分均采用锥滚子轴承，向心推力球轴承；腕关节传动比分配采用先小后大的原则，谐波减速器放在最末一级，减少传动零件的尺寸和重量；对细长管轴，大量采用焊接工艺，以减少机械加工量，降低成本；对大质量零件均采用铝材，如腕部全部采用高强度铸铝材料，从而大大减轻整机重量。它的主要传动过程如表（2—2）：表2—2传动关系轴号传动级数第一级第二级第三级第四级第五级Ⅰ2谐波减速器(i1)齿轮副(Z1/Z2)Ⅱ1滚珠丝杠螺母副Ⅲ1滚珠丝杠螺母副Ⅳ5同步带(Z3/Z4)齿轮副(Z11/Z12)同步带(Z13/Z14)齿轮副(Z15/Z16)蜗轮蜗杆(Z17/Z18)Ⅴ3同步带(Z5/Z6)齿轮副(Z9/Z10)谐波减速器(i3)Ⅵ2同步带(Z7/Z8)谐波减速器(i2)2.3.3平衡系统手臂平衡的方法：（1）配重平衡；（2）弹簧平衡；（3）气缸平衡；三种平衡机构原理如图：图2—4平衡机构本设计中，由于自重、承重较大，工作时运动惯性亦较大，为使小臂接近静平衡，机器人小臂采用配重平衡，将伺服电动机组件、齿形带轮等大质量零部件布置在与腕部相对的另一端，通过合理的结构布局和传动链设计，使小臂达到粗略的自重平衡。在此质量静平衡的基础上，机器人还配置气动平衡系统，用两组平衡气缸分别对大臂、小臂进行平衡。通过改变气缸压力来补偿负荷变化对平衡的影响。气动平衡系统除气包外均放置在机器人外部。3机器人运动学设计与分析3.1概述机器人机构是由一系列通过关节连接起来的连杆机构所组成的。我们把构件坐标系固定在机器人的每一个连杆机构中，用齐次变换来描述这些坐标系之间的相对位置和方向，从而建立机器人的运动方程。机器人运动学分析指的是机器人末端操作机的位移分析、速度分析和加速度分析。机器人运动方程也称为位姿方程，使进行机器人的位移分析的基本方程。它的建立和求解是机器人机构学的基本问题之一。机器人是开环空间连杆机构，通过各杆件的相对位置变化、速度变化和加速度变化，可使末端执行器达到不同的空间位姿，得到不同的速度和加速度，从而完成期望的工作要求。3.2机器人的位移分析对于n自由度的机器人而言，其末端执行器的位姿方程可以写成：(3—1)方程左边表示末端执行器相对于参考坐标系的位姿。根据机器人各个关节变量qi（i=1,2,3,……,n）的值，便可计算出机器人末端执行器的位姿方程，这称为位移正问题；反之，为了使机器人末端执行器相对于参考坐标系的位姿满足给定的要求，计算相应的关节变量，则称为位移逆问题。3.2.1位移正问题分析建立机器人各杆件的构件坐标系本设计中，机器人各杆之间是通过转动副连接起来的，其结构简图如图（3—1）所示，以此建立坐标系。机座坐标系x0-y0-z0因连在机座上，为简化计算，将其原点o0平移，使o0、o1重合；按右手坐标系规则建立各活动杆件坐标系，见图（3-1）:图3—列出D-H参数表确定各杆件的结构参数和运动变量，列出D-H参数表表3—1D-H参数表杆件编号θαad0-1θ1-90°001-2θ20a202-3θ390°a303-4θ490°004-5θ5-90°00位姿矩阵Ai写出各相邻两杆件坐标系之间的位姿矩阵Ai,对于转动副关节，有：(3—2)根据上式和D-H参数，可求得：式中，求末杆位姿矩阵令，可得(3—3)(3—4)（3—5）式中：(3—6)式中：式（3—6）即为本设计装配机器人的运动学方程，只要带入相应的的具体值便能求出机器人末端执行器的位置。3.2.2机器人位移分析的逆问题为了使机器人所把握工具相对参考系的位姿满足给定的要求，计算相应的关节变量，这一过程称为运动学逆解。从工程应用的角度而言，运动学逆解往往更重要，它是机器人运动规划和轨迹控制的基础。正向运动学的节是唯一确定的，即各个关节变量给定之后，手臂末端的手爪或工具的位姿是唯一确定的；然而运动学逆解往往具有多重解，也可能不存在解。本次设计的机器人其位移逆问题分析如下：装配机器人的运动学方程（3—6）可以写成（3—7）在矩阵方程（3—7）中，左边的矩阵元素是已知的，而右边的五个矩阵是未知的，它们依赖于关节变量。求解用逆矩阵左乘矩阵方程（3—7）：（3—8）于是有（3—9）可由式（3—5）求出。令上式两边的（3，4）元素相等可得（3—10）令（3—11）其中，，把式（3—11）代入式（3—10），可得，所以。求解令式（3—9）两边的（3，1）元素、（3，3）元素分别相等，得以下方程：（3—12）（3—13）由式（3—12）与式（3—13）的平方和，得（3—14）式中，所以（3—15）（3—16）式中，正负分别对应于的两种可能解。求解将式（3—9）左乘，可得（3—17）式中，由式（3—4）给出，令上式两边的矩阵的（1，3）和（2，3）元素分别相等，得到（3—18）（3—19）由式（3—18）与式（3—19）的平方和，得求解将式（3—17）左乘，可得（3—20）式中，由式（3—3）给出。令上式两边矩阵的（3—4）元素相等，得到（3—21）由上式整理得到（3—22）关于解的讨论以上求出的是全部关节参数，就是位姿矩阵的逆解，即已知末端执行器的位置便可以确定每个关节的角度要求，从而确定了对机器人的控制要求，完成所需的装配工作。对于多解的问题，应采用某些判定准则，以便选择其中的一个解，常用的判定准则是选择最接近解。当末端执行器由前一个点位向后一个点位运动时，达到后一个点位的位姿有多个解时，可以选择最“接近”前一点的解，即选择的关节变量解与前一点的关节变量值最接近。4五自由度工业机器人的动力计算机器人本体驱动系统包括驱动器和传动机构,它们常和执行器联成一体,驱动臂杆和载荷完成指定的运动。常用的驱动器有电机、液压和气动驱动装置等，其中采用电机驱动器是最常用的驱动方式，包括直流伺服电机，交流伺服电机及其步进电机等。本设计装配专用机器人的机座、大臂、小臂以及腕部、手部都采用了直流伺服电机驱动，其传动机构主要有谐波减速器、齿轮副、滚珠丝杠螺母副、同步带及蜗轮蜗杆。以下就部分主要传动部件进行动力计算及电机选择。4.1手指驱动电机的选择4.1.1手指驱动力计算手指的驱动力是由蜗杆提供的，其传力简图如图4—1：图4—1手指传动示意图图中N为手指夹紧力，夹紧力按下式计算：N≥9.8k1k2k3GG——抓取工件的重量（kg）；k1——安全系数，取1.2～2.0，这里选取k1=1.5；k2——工作状况系数，可按计算，a为机器人在托运工件过程中的加速度的绝对值；k3——方位系数，根据手指与工件形状，以及手指与工件位置不同进行选择，这里选k3=1.03。所以：N≥9.8k1k2k3 =13 ＝185.4(N)根据手指传动简图可得：手指的理论驱动力=639.3(N)蜗轮蜗杆传动效率η1＝0.75 销的传动效率η2＝0.9 总传动效率η＝η1η2＝0.750.9＝0.675实际驱动力P实＝＝＝947.1（N）4.1.2蜗轮蜗杆设计计算 (1)考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA型蜗杆传动，精度8cGB10089-88，蜗杆用35CrMo，表面淬火，硬度为45-85HRC，表面粗糙度Ra≤1.6um，蜗轮轮缘选用ZCaSn10P1金属铸造。(2) 蜗轮蜗杆传动比粗选为i==(3)参考《机械设计》第七版，表11—2，选取：Z1=1，Z2=iZ1=29a=40,i=29,m=2d1=22.4,(4)根据蜗轮蜗杆的相关计算公式，蜗轮蜗杆的几何参数计算如下：蜗轮分度圆直径：d2=mZ2=2×29=58导程角r=arctan =arctan=5.1º蜗杆直径系数变位系数蜗杆齿顶圆直径蜗轮齿顶圆直径蜗杆齿根圆直径蜗轮齿根圆直径蜗杆螺纹长度L=38mm蜗轮轮缘宽度b=(0.67～0.75)da1=20mm蜗轮齿顶圆弧半径蜗轮齿根圆弧半径(5)蜗杆转矩：P1＝P实tgγ＝947.1tg5.1º＝84.5N 图4-2 N·m蜗杆转速v1＝60º/s=1740º/s＝290r/min＝30.35rad/s(6)由于本设计中蜗杆传递的功率不大，转速不高，蜗轮蜗杆无需校验。4.1.3手指驱动电机的选择电动机功率： Pm≈（1.5~2.5）MLP——负载峰值力矩（N·m）ΩLP——负载峰值转速（rad/s） η——传动装置的效率，取0.8~0.9∴Pm＝2而MLP＝T，ΩLP＝v1，η＝0.8所以：综合考虑此处电机的转速不宜太大，查《机械设计手册》第1卷，表9—68，选取伺服电机型号为：110SZ02,123W,1500r/min,220V。同时选取同步带的传动比为=1.875齿轮副的传动比为=1.5同步带的传动比为=1齿轮副的传动比为==1.844.2腕摆电机的选择腕摆转速ωγ＝60º/s＝10r/min 估计腕重为m=50kg 腕部总重G＝mg+G0（G0为工件重量） ＝509.8+125N ＝615N当手腕处于上下摆动状态时，所需驱动力最大，此时齿轮副的理论驱动力，i为谐波减速器的传动比，选取为i=80。则 实际驱动力F实＝＝＝8.6N(η—谐波效率)齿轮副传动转矩:T＝F实＝8.6＝223.6N·mm＝0.22N·m 图4-3 齿轮转速 Pm＝2＝ (MLP＝T，ΩLP＝，η＝0.85)综合考虑此处电机的转速不宜太大，查《机械设计手册》第1卷，表9—68,选伺服电动机型号：90SZ52，1500r/min，80W，220V。选取齿轮副的传动比为=1谐波减速器i3的传动比为i3=80同步带的传动比为==1.8754.3手腕回转电机的选择手腕回转转速ωε＝120º/s＝20r/min 回转转矩：Mc＝Mga+Mf，其中 Mga—启动（制动）过程中的惯性力矩，Mga＝J0； w—手臂回转在启动或制动过程中角速度的变化量，就 就是工作角速度，w＝ωε=120º/s=2.1(rad/s) t—启动或制动过程的时间(s)，t取为0.3 J0—手部、腕部、臂部、机身及工件等回转部件对机身 回转轴线的转动惯量(kg·m2) Mf—密封装置处的摩擦阻力矩(N·m)，Mf＝ η—传动装置的效率，取η＝0.85～0.9由于(m为回转轴线上回转部件的总重，估算为100kg，D为平均回转直径估算为0.1m)所以Mga＝J0＝0.125 ＝0.875N·m则Mc＝Mga+Mf ＝Mga+ ＝0.875+ ＝1.9N·m所以Pm＝2＝＝考虑到电机转速不宜过大，查《机械设计手册》第1卷，表9—68,选取伺服电动机型号：90SZ02,1500r/min,50W，220V选取谐波减速器i3的传动比为i2=40同步带的传动比为==1.8754.4同步带设计计算此处仅就与手腕回转电机相连的同步带进行设计计算。手腕回转电机：P=600W,n=3000r/min同步带传动比i=1.875以下计算中查表参数均从《机械设计实用手册》中查得。根据工作情况同表8—1—64查得工况系数KA=1.8,设计功率根据Pd=1.08kW和n1=3000r/min，由图8—1—11选L型、节矩pb=9.525mm;再由表8—1—65查得zmin=16，选取小带轮齿数z1=17则小带轮的节圆半径，由表8—1—51查得其外径；大带轮齿数，圆整到z2=32则大带轮的节圆半径，由表8—1—51查得其外径；由表8—1—63查得最大带速，而带速v<vmax，所以带速符合要求。根据结构要求，初定轴间距；初定带节线长度=457.9mm由表8—1—48查得标准值，zb=50，则实际轴间距，故选取轴间距；小带啮合齿数：，故取zm=7；由表8—1—66查得Ta=244.46N,m=0.095kg/m,bs0=25.4mm基本额定功率P0===1.93kW；由表8—1—63查得Kz=1，则带宽=25.4=24.72mm；由表8—1—52查得，选带宽代号为100的L型带，bs=25.4mm；查表8—1—53选双边挡圈，bf=26.7mm,t=1.5mm；图4-4带轮的结构和尺寸：传动选用的同步带为187L100小带轮：Z1=17，d1=51.54mm da1=50.78mm大带轮：：Z2=32，d2=97.02mm da2=96.26mm4.5小臂驱动丝杠的设计及丝杠驱动电机选择4.5.1丝杠设计计算估算：等效载荷Fm=1000N,丝杆有效行程270mm,等效转速nm=1500r/min,要求使用寿命Lh=15000h左右，工作温度低于100℃，可靠度95%，精度为3级精度。1)计算载荷Fc=式中，为载荷系数，为精度系数，为硬度系数； 由《机电一体化设计基础》表2—6、2—7、2—8分别查得： =1.1，=1.0，=1.61则Fc= =1.11.01.611000 =1771N额定动载荷= = =19559N2)选择滚珠丝杆副的型号根据滚珠丝杠副的额定动载荷Ca等于或稍大于的原则，查《机电液设计手册》上册表15—24，选用南京工艺装备制造厂生产的3206-5型滚珠丝杠副，丝杠副主要数据如下：公称直径=32mm,导程P=6mm,滚珠直径=3.175mm,额定动载荷=22.4kN,螺旋导程角γ=3º25′ 螺杆不长，无需验算稳定性。3)刚度验算 按最不利情况考虑，即在螺距(导程)内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为： =+式中，转矩T1=··tan(γ+) =1000tan(+) =996N·mm 磨擦系数f=0.025,当量磨擦角=，剪切弹性模量G=8.33N/mm2所以：=+ =0.0107μm则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即<(滚球丝杆精度要求为3级精度，查公差表可得)该丝杠的满足上式，所以其刚度可满足要求。4)计算效率滚珠丝杠副的传动效率为η===0.960=96%4.5.2丝杠驱动电机选择手臂俯仰：β=±45ºωβ=30º/s机器人小臂转速：ωβ=0.52(rad/s)回转转距：Mc＝Mga+MfMga—启动（制动）过程中的惯性力矩，Mga＝J0；w—手臂回转在启动或制动过程中角速度的变化量，就是工作角速度，＝ t—启动或制动过程的时间(s)，t取为0.3 J0—手部、腕部、臂部、机身及工件等回转部件对机身 回转轴线的转动惯量(kg·m2) Mf—密封装置处的摩擦阻力矩(N·m)，Mf＝ η—传动装置的效率，取η＝0.80～0.9，由于是初选，将小臂的回转理想化为一细长棒绕其一端转动，加上最大负载产生的力矩，于是得转动惯量：式中：—小臂加上腕部和夹持部分的总质量的质量（kg），；—本设计中：,——小臂回转部分的总长度，本设计中：=600㎜所以，将有关数据代入上面的式子得：所以Mc＝Mga+Mf=39+45.9=84.9由手部、碗部与工件的总重引起的重力阻力矩：所以Pm＝2=339.7W由于电机转速必须满足丝杆的等效速度1500r/min，查《机械设计手册》第1卷，表9—68,选伺服电动机型号：130SZ02，1500r/min，355W，220V。5机械人控制系统设计机器人的结构是一个空间开链机构，其各个关节的运动是独立的，为了实现末端点的动动轨迹，需要多关节的运动协调。因此，其控制系统与普通的控制系统相比要复杂得多。工业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，它们组成了一个多变量伺服系统。对这种多变量系统的控制，一般要用计算机来实现。因此，机器人控制系统也是一个计算机控制系统。5.1计算机控制系统的设计方案工业机器人的计算机控制方式通常有三种类型：管理型、记忆型、运算型。考虑到节约成本，本系统选用记忆型控制方式。记忆装置用小容量缓冲寄存器代替了，因此必须由计算机对缓冲寄存器中的内容进行改写，并由计算机执行控制装置中的记忆功能。本控制系统的设计不包含对手指驱动电机的控制部分。工业机器人采用二级计算机控制，采用该控制方案可合系统结构简单，提高运算速度，保证控制系统的实时性。第一级机担负管理，示教编程，控制再现，轨迹正逆运算，机器人语言的编辑和编译，通过串行通讯方式传送给二级机做位置给定。第二级机负责位置伺服控制软件的计算，位置检测等工作，根据插补算出的各关节位置增量进行位置给定。5.2控制系统的硬件电路组成CPU采用通用的80C51；因为需要记录机器手各个位置，80C51自身的存储空间已无法满足要求，所以需扩展两片EPROM；同样需要控制五个电机的转动，80C51的I/O口不足，需扩展五片8255A芯片扩充I/O接口。CPU将要发送的位置信息发送到LM628运动控制芯片，LM628接数模转换芯片DAC0832，将数字量转成模拟量，再通过功率放大器对伺服电机控制转速和转角等。通过每个关节的里的光电编码盘对机器手的位置进行实时反馈，于是整个机器手组成了闭环控制，这样大大提高了装配时的精度。控制电路的组成如下：(1)CPU都用80C51芯片；(2)主从CPU各扩展程序存储器27256－片，扩展数据存储器62256－片；(3)从CPU扩展可编程串行接口芯片8255A五片；(4)从PID控制芯片LM628五片；D/A转换器DAC0832五片；运算放大器A741五片；(5)地址锁存器、译码器各两片；(6)显示电路；(7)光电编码电路，功率放大电路；(8)报警电路，暂停、急停电路，复位电路。5.3部分电器部件说明5.3.180C51的逻辑图其芯片脚如下图所示：图5-180c51有40引脚双列直插（DIP）和44引脚（QFP）封装形式。各引脚的功能叙述如下：A电源和晶振：VCC运行和程序校验时加+5vVSS接地XTAL1输入到振荡器的反相放大器XTAL2反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器当用外部振荡器时，XTAL2不用，XTAL1接收振荡器信号。BI/O4个口，32根。P08位、漏极开路的双向I/O口当使用片外存储器（ROM/RAM）时，作地址和数据总线分时复用。P0口（作为总线时）能驱动8个LSTTL负载。P18位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻在编程/校验期间，用做输入底位字节地址。P1口可以驱动4个LSTTL负载。P28位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻当使用片外存储器（ROM/RAM）时，输出高8位地址。在编程/校验期间，接收高位字节地址。P2口可以驱动4个LSTTL负载。P38位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻P3口还提供各种替代功能。在提供这些功能时，起输出锁存器应；由程序置1。P3口可以驱动4个LSTTL负载。RST复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。EA/VPP片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上加21V或12V的编程电压。ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。用做片外存储器访问时，低字节地址锁存。ALE可以驱动8个LSTTL负载。PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取指期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。PSEN可以驱动8个LSTTL负载。5.3.274LS373地址锁存器74LS373是32K×8位的地址锁存器，当G呈高电平时，锁存器的内容可以更新，在返回低电平的瞬间实现锁存。74LS373芯片是一片三态输出8D触发器，当OE＝0时三态门导通，输出线上为8位锁存器的状态。当OE＝1时输出线呈高阻抗状态。G为锁存信号输入线，G＝1时锁存器输出等于D端输入，输入端负跳变将输入信息锁存到8位锁存器中。由于单片机的P0口分时输出8位地址和数据，故必需外加地址锁存器，并由CPU发出的地址锁存允许信号ALE的下降沿将地址信息锁存到锁存器中。本设计中地址锁存器选用74LS373芯片。其引脚如下图所示：图5-25.3.374LS138译码器本设计中五片8255A芯片、27256芯片、62256芯片、74LS373芯片的片选信号分别接到译码器的Y0～Y5。74LS138的输入A、B、C分别接80C51的P1.0、P1.1、P1.2。74LS138是一种译码器