單片機(jī)控制三自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì)
單片機(jī)控制三自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì),單片機(jī),控制,節(jié)制,自由度,圓柱,坐標(biāo),機(jī)械手,設(shè)計(jì)
寧XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
單片機(jī)控制三自由度圓柱
坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì)
專 業(yè)：
班 級(jí)：
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
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年 月
摘 要
近代的工業(yè)機(jī)械手是由目標(biāo)機(jī)械本體、控制器系統(tǒng)、傳感裝置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和伺服動(dòng)力器系統(tǒng)組成，是一種模仿人的操作、自動(dòng)化控制、可多次編程、能在立體空間完成各式各樣作業(yè)的Mechatronics設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手對(duì)于提高和確保產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)的效率，改善工人的工作條件和快速更新產(chǎn)品起著非常重要的作用。工業(yè)機(jī)械手技術(shù)結(jié)合了多們學(xué)科的知識(shí)。包含機(jī)構(gòu)學(xué)、計(jì)算機(jī)、控制論、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等。它是當(dāng)代十分活躍，應(yīng)用非常廣泛的領(lǐng)域。
機(jī)械手具有很多人類所不具有的能力，包括快速分析環(huán)境能力；抗干擾能力強(qiáng)，能長(zhǎng)時(shí)間工作和工作精度高。可以說機(jī)械手是工業(yè)進(jìn)步的產(chǎn)物，它也發(fā)揮了在當(dāng)今工業(yè)的至關(guān)重要的作用。如今，機(jī)械手工業(yè)已成為世界各國(guó)備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。
隨著機(jī)械手技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，提出了新要求，為提高機(jī)械手教學(xué)教育的水平，我們研制出一套以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目的的機(jī)械手演示系統(tǒng)。
本文闡述了機(jī)械手的發(fā)展歷史，國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的機(jī)械手設(shè)計(jì)要求和進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)和各自由度的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；工業(yè)；傳動(dòng)；強(qiáng)度
II
Abstract
From the industrial robot manipulator (Mechanical), controller, servo drive system and sensing device, a humanoid operation, automatic control, can repeat programming, three-dimensional space can be completed in the various operations of the electromechanical integration automatic production agency. It to stabilize, improve the product quality, improve production efficiency, plays a very important role in improving the rapid working conditions and product. Industrial robot technology is a high-tech integrated computer, control theory, mechanism, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics multidisciplinary and form, is the contemporary research is very active, more and more widely applied in the field.
The robot is on the environment of rapid response and the analysis judgment ability, and the machine can work continuously for long time, high precision, resistance to harsh environment capacity, in the sense that it is the product of the evolution of the machine, it is an important production and industrial and non-industrial sector, service equipment, automation equipment is indispensable the field of advanced manufacturing technology. Today, the robotics industry has become the world the concern of the industry.
With the rapid development of robot technology, the application field of industrial robot is constantly expanding, puts forward new requirements, in order to improve the robot teaching level, we developed a set of experimental teaching for the purpose of demonstration of the robot system.
This assay describes the development process of the robot, the application status at home and abroad, robot based on the specific design requirements, the overall design of the degree of freedom, the concrete structure design and calculation;
Key Words: robot; industrial; transmission; strength
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)械手概念 1
1.2 課題研究的背景和意義 1
1.3 國(guó)內(nèi)機(jī)械手的研究 1
1.4機(jī)械手的應(yīng)用 2
第2章 總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3
2.1設(shè)計(jì)概念 3
2.2設(shè)計(jì)原理 3
第3章 X向結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 4
3.1 X向滾珠絲桿副的選擇 5
3.1.1導(dǎo)程確定 5
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 5
3.1.3估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 5
3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載 5
3.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 6
3.1.6精度的選擇 7
3.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào) 7
3.2校核 7
3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 8
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 9
3.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 9
3.3電機(jī)的選擇 10
3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 10
3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算 11
第4章 Y向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
4.1 滾珠絲杠計(jì)算、選擇 12
4.2 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 15
4.3步進(jìn)電機(jī)的選用 16
第5章 手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算 18
5.1 手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算 18
5.2 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算 21
5.3 手爪扇形齒輪與齒條強(qiáng)度校核 22
5.4 機(jī)身與基座 23
第6章 單片機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29
6.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 29
6.1.1 硬件電路設(shè)計(jì) 29
6.1.2 軟件電路設(shè)計(jì) 31
6.2 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展 31
6.2.1 8031單片機(jī)的簡(jiǎn)介 31
6.2.2 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展 32
6.2.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展 34
6.2.4 I/O口的擴(kuò)展 36
6.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 37
6.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 38
6.2.7 光電隔離電路 38
6.2.8 功率放大器 38
6.2.9 其他輔助電路 39
總 結(jié) 41
參考文獻(xiàn) 42
致 謝 43
43
第1章 緒論
1.1 機(jī)械手概念
機(jī)械手（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。
機(jī)械手是近50年才迅速發(fā)展起來的一種有代表性的、機(jī)械和電子控制系統(tǒng)組成的、自動(dòng)化程度高的生產(chǎn)工具。在生產(chǎn)制造業(yè)中，機(jī)械手技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。它自動(dòng)化程度高，對(duì)改善勞動(dòng)條件，確保產(chǎn)品質(zhì)量和提升工作效率，起到非常重要的作用?？梢哉f他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術(shù)革命。
1.2 課題研究的背景和意義
由于現(xiàn)代科技的發(fā)展，無論是在工業(yè)生產(chǎn)中還是人類日常生活，機(jī)械手技術(shù)都得到廣泛的應(yīng)用。研究智能類人機(jī)械手是近年科學(xué)家一致致力于的方向。類人機(jī)械手是以人類模型的，它能仿照人類各種動(dòng)作和具有人類的外部特征。未來機(jī)械手管家將不是夢(mèng)。
按機(jī)械手結(jié)構(gòu)的不同，機(jī)械手又可以分很多種。輪式移動(dòng)機(jī)械手、履帶機(jī)械手、機(jī)器手、步行機(jī)械手等等。值得一提的是步行機(jī)械手，他是近年來類人機(jī)器研究的重要成果。它的移動(dòng)方式跟大多數(shù)動(dòng)物一樣甚至可以跟人類一下。這是一種很復(fù)雜的自動(dòng)化程度很高的運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的輪式和履帶機(jī)械手，他對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。能在很小的空間作業(yè)，在不平的道路上如履平地，上下樓梯等等。 將來不久，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)得到非常廣泛應(yīng)用。
在機(jī)械手研究、制作中，運(yùn)用電腦對(duì)設(shè)計(jì)出來的機(jī)械手進(jìn)行仿真是一項(xiàng)非常重要的過程。機(jī)械手仿真包含零件建模，零件裝配，最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。通過仿真，設(shè)計(jì)員可以很直觀的觀察到各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況，知道有沒有出現(xiàn)干涉；可以清楚知道各個(gè)部件的受力情況，得出各種模擬數(shù)據(jù)。這種方法大大節(jié)約了研制時(shí)間和成本。
1.3 國(guó)內(nèi)機(jī)械手的研究
機(jī)械手在日本應(yīng)用的歷史非常悠久。在七十年代時(shí)機(jī)械手首先得到應(yīng)用，然后經(jīng)過十年的發(fā)展，在八十年代的時(shí)候機(jī)械手已經(jīng)得到普及。相應(yīng)的他們工業(yè)年產(chǎn)值也得到了快速提高。1980年達(dá)到一千億日元，到1990年提高到六千億日元。在2004年時(shí)已達(dá)到了一萬八千五百億日元?？梢姍C(jī)械手在提高生產(chǎn)效益方面的重要性。
在國(guó)際方面，各個(gè)國(guó)家已經(jīng)意識(shí)到機(jī)械手的重要性。所以機(jī)械手的訂單急速上升。在2003年的訂單量相對(duì)于2002年增長(zhǎng)了百分之10。此后機(jī)械手的需求量仍然不斷上升。從2001年到2006年全球訂單增長(zhǎng)多達(dá)90000多臺(tái)。平均年增長(zhǎng)為7%。
國(guó)際機(jī)械手的發(fā)展方向:
機(jī)械手涉及到非常多學(xué)科的知識(shí)和領(lǐng)域。包括：計(jì)算機(jī)、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)、控制、機(jī)械等等。機(jī)械手的發(fā)展離不開上述學(xué)科的發(fā)展。正是由于各個(gè)學(xué)科的相互影響和綜合集成，才能制造出自動(dòng)化程度高的及其人。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械手在應(yīng)用得范圍越來越廣泛；技術(shù)也越來越得到調(diào)高，功能更加強(qiáng)大?，F(xiàn)在很對(duì)機(jī)械手的研究都往小型化發(fā)展。機(jī)械手將會(huì)更多的進(jìn)入到人們的日常生活中去。總體的發(fā)展趨勢(shì)是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、更加智能化。
機(jī)械手的廣泛應(yīng)用，對(duì)提升產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)能、保障人員安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，降低勞動(dòng)的強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，起著一個(gè)十分重要的作用。機(jī)械手的廣泛應(yīng)用體現(xiàn)以人為本的原則，它的出現(xiàn)讓人們的生活更加便利和美好。
1.4機(jī)械手的應(yīng)用
機(jī)械手產(chǎn)業(yè)是在計(jì)算機(jī)、繼汽車之后出現(xiàn)的又一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代，機(jī)械手產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景發(fā)展很好。從二十世紀(jì)起，世界機(jī)械手產(chǎn)業(yè)一直穩(wěn)步增長(zhǎng)。到了二十世紀(jì)九十年代，機(jī)械手產(chǎn)品發(fā)展快速增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)率平均在百分之十上下。2004年創(chuàng)記錄達(dá)到百分之二十。在亞洲機(jī)械手需求量更多，年增長(zhǎng)率高達(dá)百分之四十三。經(jīng)歷40多年的發(fā)展，機(jī)械手應(yīng)用到很多領(lǐng)域中去了。機(jī)械手在制造業(yè)中應(yīng)用的最廣泛。如在焊接、熱處理、表面涂覆、機(jī)械加工、裝配、檢測(cè)和倉庫堆垛毛、坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)等等作業(yè)中，機(jī)械手替代了人工作業(yè)，并使得生產(chǎn)效益大大提高。
第2章 總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)概念
機(jī)械手類型
三自由度圓柱坐標(biāo)型
定位精度
±1mm
工件尺寸
直徑約2～3cm，圓柱形，材料是鐵質(zhì)
自由度
3個(gè)（Y軸手臂升降，X軸手臂伸縮，機(jī)身旋轉(zhuǎn)）
X軸小臂
伸縮范圍25cm（最大速度10cm/s），步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)控制
Y軸小臂
升降范圍10cm（最大速度10cm/s），步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)控制
Y軸大臂
升降范圍20cm（最大速度10cm/s），步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)控制
末端執(zhí)行器
開合角度60（最大速度60度每秒）,液壓缸驅(qū)動(dòng)
基座
旋轉(zhuǎn)范圍180°，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)控制
機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.2設(shè)計(jì)原理
為了使工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)要去選擇合適的定位機(jī)構(gòu)。再者就是要有足夠的強(qiáng)度和剛度 除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，沒有足夠的強(qiáng)度和剛度可能會(huì)發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對(duì)于受力較大的進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性 如果可以，應(yīng)考慮到產(chǎn)品零件變換的問題。為適應(yīng)不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結(jié)構(gòu)，迅速更換不同的部件及附件來擴(kuò)大機(jī)構(gòu)的使用范圍。
Y軸和X軸采用絲杠傳動(dòng)：電動(dòng)機(jī)—聯(lián)軸器—滾珠絲杠
第3章 X向結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)
表 3-1滾珠絲桿副支承
支承方式
簡(jiǎn)圖
特點(diǎn)
一端固定一端自由
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。
一端固定一端游動(dòng)
需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長(zhǎng)度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合，在受力較大時(shí)還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承。
兩端固定
只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會(huì)受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結(jié)構(gòu)和工藝都比較困難，這種裝置適用于對(duì)剛度和位移精度要求較高的場(chǎng)合。
3.1 X向滾珠絲桿副的選擇
滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng)。
X軸小臂伸縮距離：25cm （最大速度10cm/s）（100mm/s）(6m/min)
設(shè)X向最大行程為250mm,最快進(jìn)給速度為100mm/s,大概質(zhì)量為50kg,
假設(shè)工作臺(tái)大概質(zhì)量為80kg,移動(dòng)部件大概質(zhì)量為30kg，工作臺(tái)最大行程為250mm。
3.1.1導(dǎo)程確定
電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動(dòng)比i=1, 選擇電機(jī)Y系列異步電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為
取Ph=12mm
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速
基本公式
最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故
3.1.3估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重
工作臺(tái)重量
移動(dòng)部件重量
3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載
工作負(fù)載是指工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為
其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，）
3.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷
fw-------負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw =1.2）
ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1）
fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1）
fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1）
fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1）
Fm------等效負(fù)載
nz-------等效轉(zhuǎn)速
Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h
由上式計(jì)算得Car=17300N
表3-1-1各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Lh
表3-1-2精度系數(shù)fa
表3-1-3可靠性系數(shù)fk
表3-1-4負(fù)載性質(zhì)系數(shù)fw
3.1.6精度的選擇
滾珠絲杠副的精度對(duì)電氣的定位精度會(huì)有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對(duì)定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），Z軸為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸Y軸精度等級(jí)為3級(jí)，Z軸為4級(jí)。
3.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào)
計(jì)算得出Ca=Car=17.3KN,
則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN
公稱直徑Ph=12mm
則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，絲桿的型號(hào)為FFZD4010—3。
公稱直徑 d0=30mm 絲桿外徑d1=29.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=24.3mm 圈數(shù)=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm
3.2校核
滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動(dòng)固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計(jì)算而定。
3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證
絲桿的支撐方式對(duì)絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負(fù)荷按下列計(jì)算：
式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2）
LO-------最大受壓長(zhǎng)度（m）
K1-------安全系數(shù)，取K1=1.3
Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N）
f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1
I=絲桿最小截面慣性距（m4）
式中do--------是絲桿公稱直徑（mm）
dw------------滾珠直徑（mm），
絲桿螺紋不封閉長(zhǎng)度Lu=工作臺(tái)最大行程+螺母長(zhǎng)度+兩端余量
Lu=300+148+20X2=488mm
支撐距離LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長(zhǎng)度Lu，選取LO=620mm
代入上式計(jì)算得出Fca=5.8X108N
可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證
滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：A------絲桿最小截面：A=
-------絲杠內(nèi)徑，單位；
P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m)
--------臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm
----------安全系數(shù)，可取=0.8
fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)取18.9
經(jīng)過計(jì)算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率
絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計(jì)算公式
式中 A——絲杠最小橫截面，；
螺母座剛度KH=1000N/μm。
當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。
經(jīng)計(jì)算得：
式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；
KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm
Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)；
KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)；
KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。
經(jīng)計(jì)算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。
3.3電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無累計(jì)誤差、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。
3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
a、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
上式中：d—直徑,絲桿外徑d=29.5mm
L—長(zhǎng)度=1m
P—鋼的密度=7800
經(jīng)計(jì)算得
b、X向直線運(yùn)動(dòng)件向絲桿折算的慣量
上式中：M—質(zhì)量 X向直線運(yùn)動(dòng)件M=160kg
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計(jì)算得
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
查表得
因此
3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算
a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時(shí)間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經(jīng)計(jì)算得
b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩
上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
η—傳動(dòng)效率，η=0.90
I—傳動(dòng)比，I=1
經(jīng)計(jì)算得
c、折算至電機(jī)軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩
上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500N
η0—滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為0.9
經(jīng)計(jì)算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩
根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。
第4章 Y向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 滾珠絲杠計(jì)算、選擇
初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=5mm
強(qiáng)度計(jì)算
絲杠軸向力：(N)
其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時(shí)：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計(jì)算。
取f=0.004,則:
壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)
最大動(dòng)載荷：
式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時(shí)為1.0。
查表得中等沖擊時(shí)則:
根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)為: CM系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM2005-5。
其基本參數(shù)如下:
其額定動(dòng)載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式.
滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表
名稱
計(jì)算公式
結(jié)果
公稱直徑
――
20mm
螺距
――
５mm
接觸角
――
鋼球直徑
――
3.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺紋升角
螺桿外徑
19.365mm
螺桿內(nèi)徑
16.788mm
螺桿接觸直徑
17.755mm
螺母螺紋外徑
23.212mm
螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）
20.7mm
（1） 傳動(dòng)效率計(jì)算
絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：
式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。
（2） 穩(wěn)定性驗(yàn)算
絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。
（3） 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)
Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計(jì)算
絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差Δ為
E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。
4.2 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算
根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，有：
（1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪１的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
為齒輪２的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ｍ為移動(dòng)部件的質(zhì)量。
對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：
式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長(zhǎng)度。
所以有：
電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有：
4.3步進(jìn)電機(jī)的選用
(１）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算
設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為Ｔ，負(fù)載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：
式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動(dòng)的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以：
式中：為移動(dòng)部件負(fù)載（N），G為移動(dòng)部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N），為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。
取=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ。考慮到重力影響，Ｙ向電機(jī)負(fù)載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：
考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：
取系數(shù)為０.３，則：
對(duì)于工作方式為三相６拍的步進(jìn)電機(jī)：
(２） 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率
為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個(gè)90BF001型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).
電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下:
型號(hào)
主要技術(shù)參數(shù)
相數(shù)
步距角
電壓
(V)
相電流
(A)
最大靜轉(zhuǎn)矩
(n.m)
空載啟動(dòng)頻率
空載運(yùn)行頻率
分配方式
90BF001
4
0.9
80
7
3.92
2000
8000
4相8拍
外形尺寸(mm)
重量
kg
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Kg.m
外直徑
長(zhǎng)度
軸直徑
90
145
9
4.5
1764
第5章 手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算
5.1 手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算
設(shè)計(jì)手部時(shí)除了要滿足抓取要求外，還應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：
（1）、手指握力的大小要適宜
確定手指的握力（即夾緊力）時(shí)，應(yīng)考慮工件的重量以及傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落，但握力太大又會(huì)造成浪費(fèi)并可能損壞工件。
（2）、應(yīng)保證工件能順利地進(jìn)入或脫開手指
開合式手指應(yīng)具有足夠大的張開角度來適應(yīng)較大的直徑范圍，保證有足夠的夾緊距離以方便抓取和松開工件。移動(dòng)式鉗爪要有足夠大的移動(dòng)范圍。
（3）、應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并且自身重量輕
因受到被夾工件的反作用力和運(yùn)動(dòng)過程中的慣性力、振動(dòng)等的影響，要求機(jī)械手具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單緊湊、自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小。
（4）、動(dòng)作迅速、靈活、準(zhǔn)確，通用機(jī)械手還要求更換手部方便
根據(jù)用途手部可分為夾持式手部、吸附式手部和專用工具（噴槍、扳手、焊接工具）三類。
經(jīng)過分析和比較此設(shè)計(jì)采用夾持式手部。手部是機(jī)械手直接抓取和握緊（或吸附）物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的部件，因此手部的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)依據(jù)作業(yè)任務(wù)要求來設(shè)計(jì)，從而形成了多種的結(jié)構(gòu)型式。它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動(dòng)作。
一 、夾持式手部
夾持式手部對(duì)抓取工件的形狀具有較大的適應(yīng)性，故應(yīng)用較廣。它的動(dòng)作與鋼絲鉗或虎鉗相似。
二 、結(jié)構(gòu)
夾持式手部是有驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和手指（或手爪）等組成。驅(qū)動(dòng)裝置多半用活塞缸。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常用連桿機(jī)構(gòu)、滑槽機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)等。手指常用兩指，也有多指等形式。指端是手指上直接與被夾工件接觸的部位，它的結(jié)構(gòu)形狀取決于工件的形狀。手部結(jié)構(gòu)按模仿人手手指的動(dòng)作，可分為回轉(zhuǎn)型、移動(dòng)型等形式。經(jīng)分析和比較此設(shè)計(jì)選擇移動(dòng)式的齒輪齒條手部。
工件尺寸：直徑約2～3cm，圓柱形，材料是鐵質(zhì)。機(jī)械手最大抓重：2kg
根據(jù)所夾取的零件半徑（20-30的圓柱形棒料）經(jīng)分析取扇型齒輪的齒頂模數(shù)m=2，=23。齒條齒數(shù)取=23。
1． 手指夾緊力的計(jì)算：
公式： (3-1)
為抓取的工件重量最大為2Kg ，為安全系數(shù)取1.22,暫取5，為工作情況系數(shù)，可按=1.12.5此取=2，為方位系數(shù)，即為當(dāng)爪子處在不同位置夾取工件不同放置位置是的系數(shù)，根據(jù)查取的公式： =0.5tan，粗略計(jì)算約等于0.91.1此處取1。
根據(jù)公式（3-1）計(jì)算得:
1.52129.8N
=58.8N
因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)采用移動(dòng)型齒輪齒條手部結(jié)構(gòu)，查資料知其夾緊力為驅(qū)動(dòng)力的一半，即:
=0.5 (3-2)
此處考慮其他因素取100N。
圖3-1機(jī)械手手部簡(jiǎn)圖
(c)計(jì)算手部活塞桿行程長(zhǎng)L,即
（3.4）
=25×tg30o
=23.1mm
經(jīng)圓整取l=25mm
(d)確定“V”型鉗爪的L、β[3]。
取L/Rcp=3 （3.5）
式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3.6）
由公式（3.5）（3.6）得：L=3×Rcp=150
取“V”型鉗口的夾角2α=120o，則偏轉(zhuǎn)角β按最佳偏轉(zhuǎn)角來確定，
查表得：
β=22o39′
計(jì)算：設(shè)a=100mm,b=50mm,<<;機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為0.5s，求夾緊力和驅(qū)動(dòng)力和 驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。
(1) 設(shè)
==1.02
根據(jù)公式，將已知條件帶入：
=1.5
（2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得：
=1378N
（3）取
（4）確定液壓缸的直徑D
選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.81MPa,
根據(jù)表4.1（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm
則活塞桿內(nèi)徑為:
D=630.5=31.5mm，選取d=32mm
為了保證手抓張開角為，活塞桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為34mm。
手抓夾持范圍，手指長(zhǎng)100mm,當(dāng)手抓沒有張開角的時(shí)候，如圖3.2（a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開時(shí)，如圖3.2（b）所示，最
大夾持半徑計(jì)算如下：
機(jī)械手的夾持半徑從20-30mm
（a） (b)
手抓張開示意圖
5.2 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算
機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確,抓取精度高,重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能。
機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件來決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、
小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差。
圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖
該設(shè)計(jì)以棒料來分析機(jī)械手的夾持誤差精度。
機(jī)械手的夾持范圍為80mm180mm。
一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：
工件的平均半徑：
手指長(zhǎng),取V型夾角
偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：
計(jì)算
當(dāng)S時(shí)帶入有：
夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。
5.3 手爪扇形齒輪與齒條強(qiáng)度校核
1、材料：齒輪：40 滲碳淬火 硬度5862
齒條：40 滲碳淬火 硬度 4855
2、因所受的力不大硬齒面扇形齒輪與齒條按接觸疲勞強(qiáng)度校核
查表計(jì)算
查表
查資料：
安全系數(shù)
由上面的公式知：
符合要求
5.4 機(jī)身與基座
通過安裝在支座上的步進(jìn)電機(jī)和諧波齒輪直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過安裝在頂部的步進(jìn)電機(jī)和聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的上下移動(dòng)。采用了雙導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng)，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。支撐梁采用槽鋼，以減輕重量和節(jié)省材料，它的結(jié)構(gòu)如圖
該種設(shè)計(jì)采用了環(huán)形軸承的機(jī)械手支承結(jié)構(gòu)。它由電動(dòng)機(jī)2直接驅(qū)動(dòng)一杯形柔輪諧波減速器。這種諧波減速器只有剛輪9、柔輪7和諧波發(fā)生器8三大件，而無單獨(dú)的外殼（這種結(jié)構(gòu)有利于傳動(dòng)系統(tǒng)的小型化、輕型化）。由柔輪7輸出低速的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與之固聯(lián)的機(jī)座回轉(zhuǎn)殼體5實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。齒形皮帶傳動(dòng)4和位置傳感器6作為機(jī)座用來檢測(cè)手臂機(jī)座的角位移。
1——支座，2——電機(jī)，3——減速箱，4——轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座
5——支承冷拔管，6——滾珠絲杠，7——導(dǎo)向柱，8——錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器
1——支座，2——電機(jī)，3——軸承，4——帶傳動(dòng)，5——?dú)んw
6——位置傳感器，7——柔輪，8——波發(fā)生器，9——?jiǎng)傒?
圖 環(huán)形軸承的機(jī)械手機(jī)座
諧波齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)介
1.概述
五十年代，隨著空間科學(xué)、航天技術(shù)的發(fā)展，航天飛行器控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)和儀表設(shè)備對(duì)機(jī)械傳動(dòng)提出了新的要求，如：傳動(dòng)比大、體積小、重量輕、傳動(dòng)精度高、回差小等。對(duì)于上述要求，新出現(xiàn)的諧波傳動(dòng)滿足了這種要求，它是在薄殼彈性變形的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種傳動(dòng)技術(shù)。1959，1960，1955，1961
所謂諧波傳動(dòng)是一種靠中間柔性構(gòu)件彈性變形來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳動(dòng)的裝置的總稱。在諧波傳動(dòng)出現(xiàn)后短短的幾十年中，世界各工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家都集中了一批研究力量，致力于這類新型傳動(dòng)的研制，幾乎對(duì)該類傳動(dòng)的整個(gè)領(lǐng)域中的全部問題均進(jìn)行了程度不同的研究。當(dāng)然，由于諧波傳動(dòng)本身所涉及問題的復(fù)雜性和廣泛性，因而有不少問題目前尚未作最后定論。
圖1 諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)
諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)有三個(gè)基本構(gòu)件組成，如圖2-1所示：剛輪1(Circular Spline)，柔輪2(Flexspline)和波發(fā)生器3(Wave Generator)。諧波齒輪傳動(dòng)的原理就是在柔性齒輪構(gòu)件中，通過波發(fā)生器的作用，產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)變形波，并與剛輪齒相嚙合，從而達(dá)到傳動(dòng)目的。
特點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：
(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕 3, 50%, 1/3
(2)傳動(dòng)比范圍大 50~300, 3000~60000
(3)同時(shí)嚙合的齒數(shù)多 30%,正是由于同時(shí)嚙合齒數(shù)多這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使諧波傳動(dòng)的精度高，齒的承載能力大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大速比、小體積。
(4)承載能力大
(5)運(yùn)動(dòng)精度高
(6)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無沖擊，噪聲小
(7)齒側(cè)間隙可以調(diào)整
(8)齒面磨損小而均勻，傳動(dòng)效率高
(9)同軸性好
(10)可實(shí)現(xiàn)向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力
缺點(diǎn)：
(1)柔輪周期性變形，易于疲勞損壞
(2)柔輪和波發(fā)生器的制造難度較大
(3)傳動(dòng)比的下限值高，齒數(shù)不能太少
(4)起動(dòng)力矩大，且速比越小越嚴(yán)重；
(5)諧波齒輪傳動(dòng)沒有中間軸，因而不能獲得中間速度
(6)如果結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇不當(dāng)或結(jié)構(gòu)時(shí)機(jī)不良，發(fā)熱過大，降低傳動(dòng)承載能力
目前，各國(guó)學(xué)者公認(rèn)柔輪筒體的疲勞破壞是諧波傳動(dòng)最為主要的失效形式。
參數(shù)選擇
齒形幾何參數(shù) 傳動(dòng)嚙合參數(shù) 結(jié)構(gòu)尺寸
表1 諧波齒輪齒形幾何參數(shù)計(jì)算公式
名稱
代號(hào)
計(jì)算公式
備注
波數(shù)
n
雙波時(shí)，n=2
波高
d
模數(shù)
m
齒距
p
柔輪齒數(shù)
剛輪固定：
柔輪固定：
剛輪齒數(shù)
剛輪固定：
柔輪固定：
齒頂高
齒根高
頂隙
分度圓齒厚
剛輪分度圓直徑
剛輪齒頂圓直徑
剛輪齒壓力角
雙波時(shí)，
柔輪分度圓直徑
柔輪齒頂圓直徑
柔輪齒壓力角
雙波時(shí)，
剛輪齒根圓直徑
柔輪齒根圓直徑
表2 諧波齒輪傳動(dòng)的嚙合參數(shù)選擇及幾何計(jì)算
名稱
代號(hào)
計(jì)算公式
備注
齒頂高系數(shù)
頂隙系數(shù)
柔輪變位
系數(shù)
對(duì)于柔性軸承已按標(biāo)準(zhǔn)選定的，
--柔性軸承的外徑；
--壁厚；
對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)和傳遞運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)，可按照《諧波齒輪傳動(dòng)的理論和設(shè)計(jì)》（沈允文.1985）圖4-9選擇
剛輪變位
系數(shù)
大致可取；
對(duì)于齒嚙式輸出聯(lián)接的剛輪，大致?。?
；
根據(jù)具體情況可作適當(dāng)調(diào)整
柔輪齒根圓直徑
為了防止齒頂變尖和嚙入瞬時(shí)產(chǎn)生齒頂干涉，因而采用縮短齒頂高的辦法
柔輪齒頂圓直徑
徑向變形
系數(shù)
一般可取：
最大嚙入
深度
（又稱齒廓工作段高）
從提高傳動(dòng)承載能力的角度出發(fā)，必須保證
對(duì)于的傳動(dòng)，
受到齒頂變尖的限制，同時(shí)受到用插齒刀能否加工出所需剛輪齒根圓直徑的條件限制
剛輪齒頂圓直徑
剛輪的齒頂圓和齒根圓直徑是根據(jù)在齒輪嚙入深度處保證有必要的徑向間隙以及消除過度曲線干涉的條件下確定的
剛輪齒根圓直徑
基準(zhǔn)齒形角
當(dāng)時(shí)，與相對(duì)應(yīng)的柔輪之節(jié)圓壓力角應(yīng)為
采用壓力角時(shí)，柔輪中應(yīng)力有所減小
柔輪基圓
直徑
柔輪分度圓直徑
柔輪分度圓齒厚
剛輪基圓
直徑
剛輪分度圓直徑
剛輪分度圓齒厚
測(cè)量用圓柱直徑
柔輪分度圓齒厚改變系數(shù)
剛輪分度圓齒厚改變系數(shù)
測(cè)量柔輪時(shí)量柱中心所在遠(yuǎn)上的漸開線壓力角
測(cè)量剛輪時(shí)量柱中心所在遠(yuǎn)上的漸開線壓力角
測(cè)量柔輪時(shí)用的量柱測(cè)量距
測(cè)量剛輪時(shí)用的量柱測(cè)量距
表3 圓柱形柔輪結(jié)構(gòu)尺寸
名稱
代號(hào)
參數(shù)計(jì)算
備注
柔輪長(zhǎng)度
一般，
；
對(duì)于齒式聯(lián)接結(jié)構(gòu)的柔輪，可取
；
對(duì)于短筒柱形柔輪，
對(duì)于整體式柔輪，取偏大值；
輕載時(shí)d值可適當(dāng)減小，重載時(shí)可適當(dāng)增大；
塑性柔輪壁厚為鋼制柔輪的2~3倍
柔輪壁厚
或者：
柔輪光滑筒體部分的壁厚
或者
齒圈寬度
其中，
--齒寬系數(shù)，
對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)，
對(duì)于傳遞運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)，
聯(lián)接齒圈的寬度
第6章 單片機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
6.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
6.1.1 硬件電路設(shè)計(jì)
硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是軟件編程的前提，數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括以下幾部分內(nèi)容：
1、 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖
據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結(jié)構(gòu)圖。
機(jī)械手硬件電路由五部分組成：
（1） 主控制器，即中央處理單元CPU；
（2） 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；
（3） 存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；
（4） 接口，即輸入/輸出接口電路；
（5） 外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器等。
機(jī)械手?jǐn)?shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示：
圖6—機(jī)械手?jǐn)?shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）
2、 選擇中央處理單元CPU的類型
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，CNC系統(tǒng)的主CPU采用8031單片機(jī)。
3、 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
存儲(chǔ)器擴(kuò)展包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展兩部分。
選擇EPROM作程序存儲(chǔ)器時(shí)，應(yīng)考慮：
（1） 速度應(yīng)與CPU時(shí)鐘匹配；
（2） 容量適中。
4、 I/O接口電路設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進(jìn)電機(jī)伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設(shè)計(jì)（如復(fù)位、掉電保護(hù)等）。這部分設(shè)計(jì)要求考慮系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠。
在存儲(chǔ)器擴(kuò)展和I/O接口電路中，均涉及到地址譯碼問題。
6.1.2 軟件電路設(shè)計(jì)
軟件是硬件的補(bǔ)充。確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)軟件。
1、 軟件設(shè)計(jì)步驟
軟件設(shè)計(jì)步驟分為以下幾步：
（3） 據(jù)軟件要求實(shí)現(xiàn)的功能，制定出軟件技術(shù)要求；
（4） 將整個(gè)軟件模塊化，確定個(gè)模塊的編制要求，包括個(gè)模塊功能，入口參數(shù)，出口參數(shù)；
（5） 據(jù)硬件資源，合理分配好存儲(chǔ)單元；
（6） 分別對(duì)個(gè)模塊編程，并調(diào)試；
（7） 連接各模塊，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化；
（8） 固化到程序存儲(chǔ)器中。
2、 數(shù)控系統(tǒng)中常用的軟件模塊
（1） 軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器；
（2） 插補(bǔ)運(yùn)算模塊；
（3） 自動(dòng)升降速控制模塊等。
6.2 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展
6.2.1 8031單片機(jī)的簡(jiǎn)介
1、8031芯片引腳及片外總線結(jié)構(gòu)
（1）8031芯片引腳功能
8031芯片有40個(gè)引腳，引腳配置見圖7：
圖7—8031芯片引腳
（2）各引腳按功能可分為三部分：
l I/O口線：P0，P1，P2，P3共4個(gè)8位口；
l 控制口線：，ALE，，RST；
l 電源及時(shí)鐘：V、V；XTAL1，XTAL2。
（3）應(yīng)用特性：
l I/O口線不能都用作用戶I/O口線；
l I/O口的驅(qū)動(dòng)能力，P0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門電路，P1，P2，P3則只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)；
l P3是雙重功能口。
2、8031單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu)
8031單片機(jī)由7個(gè)部件組成，既微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及中斷系統(tǒng)，它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成的。
6.2.2 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展
8031單片機(jī)內(nèi)無程序存儲(chǔ)器，如不擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器則不能工作，且片內(nèi)僅有128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，對(duì)于需要較多數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的程序來說，片內(nèi)RAM也不夠用，須擴(kuò)展。8031片內(nèi)四個(gè)I/O口中僅P1口可作為8位雙向的I/O接口用戶使用，也須擴(kuò)展，有些情況還須擴(kuò)展定時(shí)/計(jì)數(shù)器等。
1、8031的片外總線結(jié)構(gòu)
所有的外部芯片都通過三組總線進(jìn)行擴(kuò)展：
（1） 數(shù)據(jù)總線（DB）：由P0口提供，數(shù)據(jù)總線要連接到連接的所有外圍芯片上，但在同一時(shí)間只能夠有一個(gè)是有效的數(shù)據(jù)傳輸通道。
（2） 地址總線（AB）：16位，可尋址范圍為64K字節(jié)，AB由P0口提供低8位地址，與數(shù)據(jù)分時(shí)傳送，傳送數(shù)據(jù)時(shí)將低8位地址鎖存。高8位地址由P2口提供。
（3） 控制總線（CB）：系統(tǒng)擴(kuò)展用控制總線有、、、ALE、。
2、系統(tǒng)擴(kuò)展能力
據(jù)地址總線的寬度，在片外可擴(kuò)展的存儲(chǔ)器最大容量為64K字節(jié)。
片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器的操作使用不同的指令和控制信號(hào)。允許兩者的地址重復(fù)。故片外可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器分別為64K。
擴(kuò)展的I/O口與片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，不再另外提供地址線。
3、地址鎖存器
8031擴(kuò)展系統(tǒng)時(shí)，由P0口提供數(shù)據(jù)及低8位地址，分時(shí)傳送，故須地址鎖存。常用的地址鎖存器芯片是74LS373（帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器），其引腳及連接見圖8。
圖8—74LS373引腳及連接圖
圖中：
D~D：信號(hào)輸入端；
Q~Q：信號(hào)輸出端；
G：下降沿時(shí)，將D~D鎖存于內(nèi)部；
E：使能端，E=0時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出端Q~Q與輸入端D~D連通，當(dāng)E=1時(shí)，輸出三態(tài)門斷開，輸入數(shù)據(jù)鎖存。
4、地址譯碼
8031擴(kuò)展電路中，都涉及到外部地址空間分配問題，即當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時(shí)與多個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首先要進(jìn)行片選，然后再進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。
地址譯碼實(shí)現(xiàn)片選的方法可分為三種：線選法、全地址譯碼法和部分地址譯碼法。這里選用部分地址譯碼法。這種方法是線選與地址譯碼相結(jié)合。圖9為74LS138碼器的引腳圖。
當(dāng)G時(shí)，74LS138工作。C、B、A的輸出決定譯碼器的輸出引腳。
圖9—74LS138引腳圖
6.2.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展
1、存儲(chǔ)器常用芯片
（1）EPROM芯片
常用的程序存儲(chǔ)器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、
27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均為28腳雙列直插式扁平封裝長(zhǎng)片，圖10為常用EPROM引腳。
圖10—常用EPROM引腳排列
EPROM選用原則：
（a） 據(jù)控制對(duì)象和任務(wù)的復(fù)雜程度，以及是否需要大量計(jì)算來確定存儲(chǔ)系統(tǒng)容量（粗略估計(jì)，留有一定余地，以備系統(tǒng)的功能擴(kuò)展用），為使電路簡(jiǎn)化，盡可能選擇大容量芯片，以減少芯片組合。
（b） 芯片的工作速度滿足系統(tǒng)的時(shí)序要求。8031訪問EPROM時(shí)，其所提供的讀取時(shí)間t與所選的晶體時(shí)鐘有關(guān)，約為3T，不同型號(hào)的EPROM工作速度一般為200~450ns，故選取芯片時(shí)，應(yīng)使其工作速度小于t。
（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)之分，兩者相比，靜態(tài)RAM無須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，擴(kuò)展簡(jiǎn)單，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路中應(yīng)用較廣泛。
常用的靜態(tài)RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它們都由單一的+5V電源供電，28腳雙列直插式扁平封裝，典型存取時(shí)間為150~200ns。其引腳如圖11所示：
圖11—常用RAM的引腳
2、存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
8031芯片與存儲(chǔ)器的連接
存儲(chǔ)器擴(kuò)展實(shí)質(zhì)是三總線的連接。
1） 據(jù)芯片存儲(chǔ)容量的大小確定數(shù)據(jù)、地址線的根數(shù)。
2） 數(shù)據(jù)線的連接：將8031芯片的P~P按位與RAM數(shù)據(jù)線D~D直連。
3） 地址總線的連接：據(jù)確定的地址線根數(shù)，將相應(yīng)的低位地址線相連，剩余高位地址線作片選。
4） 控制總線的連接：對(duì)應(yīng)控制線連接。
6.2.4 I/O口的擴(kuò)展
MCS—51單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，可提供給用戶使用的只有P1口和部分P3口線，因此不可避免的要進(jìn)行I/O端口的擴(kuò)展。Intel公司常用的外圍接口芯片有：8155、8255及8279等。此外還有74LS系列的TTL電路和CMOS電路鎖存器、三態(tài)門電路也可以為擴(kuò)展I/O口。
1、 I/O口擴(kuò)展方法
據(jù)擴(kuò)展并行I/O口時(shí)數(shù)據(jù)線的連接方式，I/O口擴(kuò)展方式可分為三種：
1） 總線擴(kuò)展方法
2） 串行口擴(kuò)展方法
3） 通過單片機(jī)片內(nèi)I/O口的擴(kuò)展方法
2、 常用接口芯片
（1）8155芯片
8155芯片內(nèi)具有256個(gè)字節(jié)RAM、2個(gè)8位、1個(gè)6位的可編程I/O口和1個(gè)14位計(jì)數(shù)器。
8155的結(jié)構(gòu)和引腳見圖12：
（a） (b)
圖12—8155的邏輯結(jié)構(gòu)與引腳
(2)8255芯片
8255具有3個(gè)8位的并行I/O口，分別為PA、PB、PC口，其中PC口又分為高4位（PC~PC）和低4位（PC~PC）。
（3）8279芯片
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