多自由度机械手的控制新版专业系统设计毕业论文.doc

成都工业学院成教院毕 业 设 计（论 文）论文题目： 多自由度机械手控制系统设计教 学 点： 重庆科创职业学院指引教师： 张建平 职 称： 讲师 学生姓名： 任龙 学 号:547497专 业： 机电一体化工程成都工业学院成教院制二一三年十二月二十五日成都工业学院成教院毕业设计（论文）任务书题目： 多自由度机械手设计任务与规定：此处要填写时间： 11月 28 日 至 年 4 月 17 日 共 20 周教 学 点： 重庆科创职业学院学生姓名： 任龙 学 号： 547497专业： 机电一体化工程指引单位或教研室： 重庆科创职业学院指引教师： 张建平 职 称：讲师成都工业学院成教院制毕业设计(论文)进度筹划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指引教师签 字.11.28-.12.20查找资料，选题.12.22-.1.31完毕论文草稿.2.1-.3.15完毕论文二稿写作.3.16-.4.5完毕论文终稿及格式修改.4.6-.4.20定稿，打印论文，做好评阅准备.4.21-.4.25论文评阅教师对进度筹划实行状况总评 签名 年 月 日 毕 业 设 计（论 文）教 学 点：重庆科创职业学院学生姓名： 任龙 学 号：547497专 业：机电一体化工程成都工业学院成教院制二一四年四月十日成都工业学院成教院毕业设计(论文)成绩考核表题 目： 多自由度机械手控制系统设计教 学 点： 重庆科创职业学院学生姓名： 任龙 学号：547497专业： 机电一体化工程指引教师：张建平 职称： 讲师 所在单位： 指引教师意见： 签字： 年 月 日 评审意见： 评阅人： 年 月 日 答辩意见：答辩小组组长签名： 年 月 日毕业设计（论文）成绩1设计阐明书（论文报告） 分总分：（级别： ）2答辩 分3平时成绩 分学校意见：年 月 日1 学生毕业设计（论文）正本存教学点。2 本表一式两份，一份存入学生档案，一份学校存档。3 此表须用钢笔填写。目 录摘要11 概况及现状分析21.2 机器人历史、现状31.3机器人发展趋势52 机械手设计52.1自由度及关节62.2基座及连杆62.2.1 基座62.2.2 大臂62.2.3 小臂72.3.1机器人手部设计72.3传动方式83 驱动源选取与设计计算113.1 重要技术参数拟定113.2 各关节电机选取计算123.2.1 大臂旋转电机选取123.2.2 小臂旋转电机选取133.2.3 腰部旋转电机选取144 手部构造设计155各机械部件设计选取与校核185.1 轴设计与校核185.1.1 大臂旋转轴设计185.1.2 大臂轴强度校核185.2 轴承寿命校核216 控制系统设计236.1 单片机最小系统236.1.1 8051单片机简介246.2.2 复位电路256.1.3 振荡电路256.2 串行接口电路256.3 传感器266.3.1 传感器选型266.3.2 硬件电路设计276.4 电动机控制276.4.1 L298N电机驱动芯片简介286.4.2 硬件电路图28结 论29参 考 文 献29ABSTRACT.31附件32多自由度机械手设计摘要：在当今大规模制造业中，公司为提高生产效率，保障产品质量，普遍注重生产过程自动化限度，工业机器人作为自动化生产线上重要成员，逐渐被公司所认同并采用。工业机器人技术水平和应用限度在一定限度上反映了一种国家工业自动化水平，当前，工业机器人重要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大工作，工作方式普通采用示教再现方式。本文将设计一台四自由度工业机器人，用于给冲压设备运送物料。一方面，本文将设计机器人底座、大臂、小臂和机械手构造，然后选取适当传动方式、驱动方式，搭建机器人构造平台；在此基本上，本文将设计该机器人控制系统，涉及数据采集卡和伺服放大器选取、反馈方式和反馈元件选取、端子板电路设计以及控制软件设计，重点加强控制软件可靠性和机器人运营过程安全性。核心词：机器人，控制，伺服，制动1 概况及现状分析1.1机器人概述在当代工业中，生产过程机械化、自动化已成为突出主题。化工等持续性生产过程自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不持续。专用机床是大批量生产自动化有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化重要办法。但除切削加工自身外，尚有大量装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人浮现并得到应用，为这些作业机械化奠定了良好基本。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）独立自动抓取、搬运工件、操作工具装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具备人体上肢某些功能，工作程序固定自动化装置。机器人具备构造简朴、成本低廉、维修容易优势，但功能较少，适应性较差。当前国内常把具备上述特点机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定工作位置，或按照工作规定以操纵工件进行加工。 机器人普通分为三类。第一类是不需要人工操作通用机器人，也即本文所研究对象。它是一种独立、不附属于某一主机装置，可以依照任务需要编制程序，以完毕各项规定操作。它是除具备普通机械物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能三元机械。第二类是需要人工操作，称为操作机（Manipulator）。它来源于原子、军事工业，先是通过操作机来完毕特定作业，日后发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，重要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外普通被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务，由主机驱动。除少数外，工作程序普通是固定，因而是专用。机器人按照构造形式不同又可分为各种类型，其中关节型机器人以其构造紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周边某些障碍物等这样某些特点，成为机器人中使用最多一种构造形式，世界某些知名机器人本体某些都采用这种机构形式机器人。要机器人像人同样拿取东西，最简朴基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等某些构成抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作控制系统。这些系统性能就决定了机器人性能。普通而言，机器人普通就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三某些构成，如图 1-1 所示。图1-1 机器人普通构成对于当代智能机器人而言，还具备智能系统，重要是感觉装置、视觉装置和语言辨认装置等。当前研究重要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能辨认物体和躲避障碍物，以及机器人触觉装置。机器人这些构成某些并不是各自独立，或者说并不是简朴叠加在一起，从而构成一种机器人。要实现机器人所盼望实现功能，机器人各某些之间必然还存在着互有关联、互相影响和互相制约。它们之间互有关系如图1-2 所示。 图1-2 机器人各构成某些之间关系机器人机械系统重要由执行机构和驱动传动系统构成。执行机构是机器人赖以完毕工作任务实体，普通由连杆和关节构成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统规定完毕工作任务。驱动传动系统重要涉及驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所规定驱动力或力矩。有文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大某些。其中机械系统又叫操作机(Manipulator)，相称于本文中执行机构某些。1.2 机器人历史、现状 机器人一方面是从美国开始研制。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它构造特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁工件抓放机构，控制系统是示教型。 日本是工业机器人发展最快、应用最多国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人研究。 当前工业机器人大某些还属于第一代，重要依托人工进行控制；控制方式则为开环式，没有辨认能力；改进方向重要是减少成本和提高精度。 第二代机器人正在加快研制。它设有微型电子计算机控制系统，具备视觉、触觉能力，甚至听、想能力。研究安装各种传感器，把感觉到信息进行反馈，使机器人具备感觉机能。 第三代机器人（机器人）则能独立地完毕工作过程中任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐渐发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其她国家学术交流活动开展诸多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人发展及应用问题。 当前，工业机器人重要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热解决等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展需要。使用工业机器人代替人工操作，重要是在危险作业（广义）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业环境。 在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。当前重要应用于机床、模锻压力机上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制定作业程序完毕规定操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人自身损坏。 随着当代化科学技术飞速发展和社会进步，针对于上述各个领域机器人系统应用和研究对系统自身也提出越来越多规定。制造业规定机器人系统具备更大柔性和更强大编程环境，适应不同应用场合和多品种、小批量生产过程。计算机集成制造（CIM）规定机器人系统能和车间中其他自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统性能和智能水平，规定机器人系统具备开放构造和集成各种外部传感器能力。然而，当前商品化机器人系统多采用封闭构造专用控制器，普通采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微解决器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不也许）集成外部硬件和软件。修改封闭系统代价是非常昂贵，如果不进行重新设计，多数状况下技术上是不也许。解决这些问题主线办法是研究和使用品有开放构造机器人系统。美国工业机器人技术发展，大体经历了如下几种阶段：（1）1963-1967年为实验定型阶段。1963-1966年， 万能自动化公司制造工业机器人供顾客做工艺实验。1967年，该公司生产工业机器人定型为1900型。（2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21构成电焊小汽车车身焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上448台冲床都用工业机器人传递工件。（3）1970年至今始终处在推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处在技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时记录，美国大概200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同步，浮现了所谓了高档机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）创造了用小型计算机控制50台机器人系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人构成汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具备有“手眼”系统高辨认能力微型机器人。其她国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司 引进美国“Versatran”，川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。不久研制出国产化机器人，技术水平不久赶上美国并超过其她国家。通过大概实用化时期后来，从1980年开始进入广泛普及时代。国内虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种因素，工业机器人技术发展比较慢。当前国内已开始有筹划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得迅速发展。1.3机器人发展趋势 随着当代化生产技术提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，特别当机器人生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而变化当前机械制造人工操作状态，提高了生产效率。 就当前来看，总来说当代工业机器人有如下几种发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件原则化和模块化，将机器人各个机械模块、控制模块、检测模块构成构造不同机器人； b)开发各种新型构造用于不同类型场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同场合； c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周边外界环境信息、位置信息、状态信息以完毕模式辨认、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同步，越来越多系统采用微机进行控制。2 机械手设计该设计目是为了设计一台物料搬运机器人，运用既有已经报废焊接机器人，本文中构造设计重要偏向于对原有机构改造和机械手设计。2.1自由度及关节 图2-1 机械手该机器人具备四个自由度 ，即腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，都为转动关节；尚有一种用于夹持物料机械手。2.2基座及连杆2.2.1 基座基座是整个机器人本体支撑。为保证机器人运营稳定性，采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。基座上面是接线盒子，所有电机驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一种引入线出口和一种引出线出口。2.2.2 大臂大臂长度230mm，详细尺寸如图2-2所示:图2-2大臂外形2.2.3 小臂小臂长度240mm，详细尺寸如图2-3所示：图2-3 小臂外形图2-4夹钳式手部构成图2.3传动方式由于普通电机驱动系统输出力矩较小，需要通过传动机构来增长力矩，提高带负载能力。对机器人传动机构普通规定有：（1）构造紧凑，即具备相似传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；（2）传动刚度大，即由驱动器输出轴到连杆关节转轴在相似扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机固有频率，并大大减轻整机低频振动；（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高位置控制精度；（4）寿命长、价格低。 本文所选用电机都采用了电机和齿轮轮系一体化设计，构造紧凑，具备很强带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆运动。为减小机构运营过程冲击和振动，并且不减少控制精度，采用了齿形带传动。齿形带传动是同步带一种，用来传递平行轴间运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中重要用于腰关节、肩关节和肘关节传动。 齿形带传动原理如图2.7所示。齿轮带传动比计算公式为 齿轮带平均速度为 图2-5齿形带传动2.4制动器制动器及其作用：制动器是将机械运动某些能量变为热能释放，从而使运动机械速度减少或者停止装置，它大体可分为机械制动器和电气制动起两类。在机器人机构中，学要使用制动器状况如下： 特殊状况下瞬间停止和需要采用安全办法 停电时，防止运动某些下滑而破坏其她装置。机械制动器： 机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型是电磁制动器。在机器人驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机自身特性决定了电磁制动器是不可缺少部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力作用下处在制动状态常闭方式。因而这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又由于这种制动器惯用于安全制动场合，因此也称为安全制动器。电气制动器 电动机是将电能转换为机械能装置，反之，她也具备将旋转机械能转换为电能发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同步也能通过其反过程来达到制动目。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型电机，必要分别采用恰当制动电路。 本文中，该机器人实验平台未安装机械制动器，因而机器人肩关节和轴关节在停止转动时候，会由于重力因素而下落。此外，由于各方面限制，不以便在原有机构上添加机械制动器，因此只能通过软件来实现肩关节和轴关节电气制动。采用电气制动器，其长处在于：在不增长驱动系统质量同步又具备制动功能，这是非常抱负状况，而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增长，故应尽量避免。缺陷在于：这种办法不如机械制动器工作可靠，断电时候将失去制动作用。3 驱动源选取与设计计算 3.1 重要技术参数拟定 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尺寸和重量如下： (1).大臂第一和第二关节轴之间距离为230mm，质量为M1(3.4kg左右)，重心在距离第一关节轴128mm处，L1=128mm。(2).小臂第二关节轴和手爪前部之间距离为224mm，质量为M2(2kg左右)，重心在距第二关节轴80mm处，L2=99+80=170mm。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230mm，转盘质量为15Kg。 本次设计机械手基本设计参数如下：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 各关节电机选取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，因此在旋转开始时可产生电机转矩局限性。如图3-1所示，设两臂绕各自重心轴转动惯量分别为JG1、JG2，依照平行轴定理可得绕大臂轴转动惯量为14：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （3-1）其中：M1，M2，分别为3.4Kg，2Kg；L1，L2，分别为128mm，170mm。JG1M1L12、JG2M2L22，故可忽视不计，因此绕大臂轴转动惯量为：J1=M1L12+M2L22 (3-2)=3.40.132+20.172=0.16kg.m2同理可得小臂绕小臂关节轴转动惯量： M2=7Kg，L4=80mm。J2=M2L42 (3-3)=20.082=0.013kg.m2 腰关节旋转轴转动惯量为开口盘绕腰关节旋转轴转动惯量加上大臂与小臂绕腰关节旋转轴转动惯量之和。设开口盘绕腰关节旋转轴转动惯量为J3，因此同理可得腰关节旋转转轴转动惯量：M3=15Kg，L5=160mm。 （ 3-4）3.2.1 大臂旋转电机选取 设大臂速度为，则旋转开始时转矩可表达如下： （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时间为：，由式（3-5）有：若考虑绕机器人手臂各某些重心轴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最小转矩为：选取减速机：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谐波减速器传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3-6)选取小型直流伺服电机： 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 小臂旋转电机选取原理同上，设小臂转速，设角速度从0加到所需加速时间，则旋转开始时转矩可表达如下： （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各某些重心轴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最小转矩为： （3-8)选取减速机：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谐波减速器传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3-9)选取小型直流伺服电机： 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 腰部旋转电机选取设旋转盘旋转速度为，则旋转开始时转矩可表达如下： （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时间为：则：若考虑绕机器人手臂各某些重心轴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最小转矩为： (3-11)选取减速机：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设谐波减速器传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3-12)选取小型直流伺服电机 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 4 手部构造设计4.1机械手设计工业机器人手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作部件。它具备模仿人手动作功能，并安装于机器人手臂前端。由于被握工件形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因而工业机器人末端操作器是各种各样，大体可分为如下几类：（1） 夹钳式取料手（2） 吸附式取料手（3） 专用操作器及转换器（4） 仿生多指机灵手本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件钳形指。手指是直接与工件接触部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指张开与闭合来实现。该设计采用两个手指，其外形如图4.1所示 图4.1 机械手手指形状 传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作机构。依照手指开合动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。图4.1为初步设计机械手机构简图（只画出了一半，此外一半关于中心线对称）。 图4.2 机械手机构简图 在图4.2中，O为电机输出轴，曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构串联，使电机最后驱动DE来回摆动，从而实现手指开合运动。 图4.2中黑线和蓝线表达机构运营两个极限位置。 为便于手指顺利合拢，可以在两个手指之间设立一种弹簧，这样还可以提供恰当夹紧力。此外，在选用电机时候，要使电机功率足以克服弹簧收缩和张开，并且提供足够加快物体力。图4.3机械手部位pro|e三维图 图4.4 虚拟样机场景下面更进一步计算出所需要电机力矩。 图4.5 力矩变化状况从图4.5中看到，起始阶段须克服弹簧力最大，电机转矩必要不不大于550Nmm，这为电机挑选提供了一定根据。 5各机械部件设计选取与校核5.1 轴设计与校核5.1.1 大臂旋转轴设计转矩和弯矩是轴重要承受载荷，轴常用形式有直轴和弯轴，而依照本次设计中机构特点，选取传动轴为直轴.知条件可知n=10r/min，由电机传递到轴上功率 选取轴材料为45钢，经调质后，再使用.由参照资料表查得：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.初步拟定轴直径：按照扭转强度预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。 轴扭转强度条件为： （5-1） 式中： 扭转切应力，MPa。 T轴所受扭矩，N.mm。 轴抗扭截面系数，。 N轴转速；r/min。 P轴传递功率，Kw。 D计算界面处轴直径，mm。许用扭转切应力，MPa。由上式得： （5-2）查表得范畴为25MPa45MPa；范畴为103126。本次设计取40 则 取106则本次设计最小轴径为19mm17.5mm，故满足强度规定。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： 轴计算应力，MPa。 M轴所受弯矩，N.mm。 T轴所受扭矩，N.mm。 W轴抗弯截面系数，。 截面系数。本次设计轴材料为45号刚，查表得：，轴危险界面断面图如下图5-3所示： 图5-3 轴危险截面断面图图中，b=8mm，t=3.5mm，d=30mm因此：即 因此本次设计轴强度合格。5.2 轴承寿命校核 本次设计由于大臂与小臂旋转轴所设计轴承是同样，故选用四口相似型号尺寸轴承，选取深沟球轴承6186，因此校核所受载荷最大一种轴承合格即可。本设计校核大臂旋转轴上轴承寿命，该轴上轴承只受径向载荷，轴承预期计算寿命。轴承对轴支撑力与轴承上所受到径向载荷是一对作用力与反作用力，由前边轴强度校核某些，可以计算出轴上安装轴承两处轴承所受到径向载荷和大小分别为：查机械设计第七版页公式（）知以小时表达轴承寿命为： （5-5） 式中 ：轴承转速，。 轴承基本额定动载荷，kN。 载荷，kN。指数，对于球轴承，。轴承转速，从最新轴承手册页表查得代号为6186深沟球轴承基本额定动载荷，将有关数据代入轴承寿命计算公式可求得：远不不大于，轴承寿命满足设计规定。 6 控制系统设计机器人具备各种自由度，每个自由度普通涉及一种伺服机构，它们必要协调起来，构成一种多变量控制系统。这种多变量控制系统，普通要用计算机来实现。因而，控制系统在本次设计中非常重要。本次设计选取单片机控制系统，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，价格便宜且具备高稳定性和很强抗干扰能力，因而本次设计控制芯片选取8051单片机。单片机最小系统普通由单片机、复位电路、震荡电路等构成，由于本次设计使用8051单片机，因此以8051最小系统为例简介单片机最小系统。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单片机简介8051单片机片内构造如图6-3所示。8051单片机是把那些作为控制应用所必要基本内容都集成在一种尺寸有限集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件构成：(1). 微解决器CPU(2). 数据存储器RAM(3). 程序存储器ROM/EPROM(4). 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位定期器、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中各功能部件功能如下：(1) CPU微解决器 8051单片机中有一种8位微解决器，与通用微解决器基本相似，同样涉及了运算器和微解决器两大某些。只是增长了面向控制解决功能，不但可以解决字节数据，也可以进行位变量控制。(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营期间工作变量、运算中间成果、数据暂存和缓冲、标志位等。片内128BRAM，以高速RAM形式集成在单片机内，可以加快单片机运营速度，并且这种构造还可以减少单片机功耗。(3) 程序存储器 用来存储程序，为4K ROM，最多可外扩至64KB。(4) 中断系统 具备5个中断源，2级中断优先权。(5) 定期器/计数器 片内有2个16位定期器/计数器，具备4种工作方式。(6) 串行口 1个全双