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1、 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 小型清掃機器人控制部分設(shè)計 學(xué) 院： 興 湘 學(xué) 院 專 業(yè)： 機械制造及其自動 學(xué) 號： 2007964217 姓 名： 江 培 指導(dǎo)教師： 秦 衡 峰 完成日期： 2011年 5月20日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 論文（設(shè)計）題目： 小型清掃機器人的控制部分設(shè)計

2、 學(xué)號： 2007964217 姓名： 江 培 專業(yè)： 機械制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 秦衡峰 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 1、檢索國內(nèi)外清掃機器人的發(fā)展動態(tài)，分析國內(nèi)的情況； 2、分析清掃機器人控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題；

3、 3、完成清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計的一體化設(shè)計； 4、完成單片機實現(xiàn)小車行走驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計； 5、完成清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)中的硬件設(shè)計； 6、完成清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)中的軟件設(shè)計； 7、完成畢業(yè)論文的文稿工作，要求：總字?jǐn)?shù)不低于一萬字，使用A4編輯及 打印裝訂成冊；

4、 8、技術(shù)圖紙：控制系統(tǒng)硬件電路原理圖1 張、控制系統(tǒng)程序流程分圖1張 9、翻譯英語技術(shù)資料：翻譯課題相關(guān)英文資料。要求：3000 單詞，復(fù)印原稿與翻譯（打?。└逋瑑匝b訂。 二、重點研究的問題 1、清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計方案選擇設(shè)計； 2、清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計；

5、 3、清掃機器人的單片機硬件控制系統(tǒng)中外圍硬件設(shè)備的選擇及設(shè)計。 三、進度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間 1 資料檢索、查詢 2011年2月20日-3月5日 2 系統(tǒng)總體方案的構(gòu)思及設(shè)計 2011年3月6日-3月20日 3 完成清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 方案選擇設(shè)計 2011年3月21日-4月10日 4 完成清掃機器人

6、的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 硬件設(shè)計 2011年4月11日-4月25日 5 完成清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 軟件設(shè)計 2011年4月26日-5月10日 6 畢業(yè)設(shè)計說明書撰寫和編輯 2011年5月11日-5月19日 7 交畢業(yè)設(shè)計說明書和圖紙，準(zhǔn)備答辯 2011年5月20日-5月25日 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻 [1] 李鴻主編.單片機原理及應(yīng)用[M], 湖南：湖南大學(xué)出版社，2004 [2] 韓全立，王建明.單片機控制技術(shù)及應(yīng)用[M],北京：電子工業(yè)出版社，2004 [

7、3] 周平，伍云輝.單片機應(yīng)用技術(shù)[M],四川：電子科技大學(xué)出版社，2004 [4] 胡偉，季曉衡. 單片機C 程序設(shè)計及應(yīng)用實例[M],北京：人民郵電出版 社， 2004 [5] 湯　陽,戴光智,王銳鵬. 家用自主吸塵機器人的研究和開發(fā)[J].計算機 測量與控制,2006,14 11 :1554 - 1556. [6] 趙龍慶，徐國棟.一種基與單片機的步

8、進電機控制驅(qū)動器[J]，西南林學(xué)院 學(xué)報，2005.6 潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表 學(xué)號 2007964217 姓名 江 培 專業(yè) 機械制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 小型清掃機器人控制部分設(shè)計 評價項目 評 價 內(nèi) 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求，達到綜合訓(xùn)練的目的； 2.難度、份量是否適當(dāng)； 3.是否與生

9、產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。 能力 1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。 論文 （設(shè)計）質(zhì)量 1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評

10、 價 選題基本合理，符合專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求，達到了訓(xùn)練的目的，選題難度適當(dāng)，與科研相結(jié)合，學(xué)生有查閱文獻、綜合歸納資料的能力，能較好的運用知識，基本具備研究方案的設(shè)計能力和研究方法和手段的運用，具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力。論文立論基本正確，結(jié)構(gòu)比較嚴(yán)謹(jǐn)合理，程序運行正確。文字比較通順，觀點有所提煉，綜合概括能力比較好。 評閱人： 年 月 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見 學(xué)號： 2007964217 姓名： 江 培 專業(yè)： 機械制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計說明書）

11、 41 頁 圖 表 2 張 論文（設(shè)計）題目： 小型清掃機器人的控制部分設(shè)計 內(nèi)容提要： 本設(shè)計主要是根據(jù)小型清掃機器人的發(fā)展歷史以及現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)對其 進行創(chuàng)新設(shè)計。小型清掃機器人是將移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有效的結(jié)合 起來，能大大的降低了勞動強度，提高了勞動效率的新時代產(chǎn)物。其廣泛應(yīng)用 于室內(nèi)清潔

12、，有著廣闊的市場前景。本設(shè)計圍繞結(jié)構(gòu)部分設(shè)計，驅(qū)動電機的選 擇，傳感器件的選擇，芯片的選擇，路徑的規(guī)劃和算法以及程序的編寫的方面 進行設(shè)計。后兩者為本設(shè)計的重難點。本清掃機器人采用圓柱形結(jié)構(gòu)，兩后輪 分別由步進電機獨立驅(qū)動。有較強的靈活性和準(zhǔn)確性。車前碰板的設(shè)計和沿X 軸和Y軸遍歷方式是本設(shè)計的創(chuàng)新之處，有效的降低了生產(chǎn)成本。使其被更多 層次的人群接受。 指導(dǎo)教師評語 江培同學(xué)的本科畢業(yè)設(shè)計題目為“小型清掃機器人控制部分設(shè)計”。在整個設(shè)計過程中，該同學(xué)勤奮刻苦、勇于鉆研，能夠積極根據(jù)設(shè)計任務(wù)開展工作。所設(shè)計的清掃機器人結(jié)構(gòu)合理，算法和程序設(shè)計合

13、理清晰，原理接線圖表達較為正確，各個零部件選擇恰當(dāng)。設(shè)計工作量飽滿，說明書寫作認(rèn)真，計算、校核正確，文獻翻譯較準(zhǔn)確。達到了本科畢業(yè)設(shè)計的要求。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 答辯簡要情況及評語 江培同學(xué)的本科畢業(yè)設(shè)計基于生活實際，對清掃機器人 進行了控制部分的設(shè)計。 該同學(xué)的設(shè)計算法合理，圖形表達基本正確，型號選擇合理。設(shè)計工作量飽滿，說明書、文獻翻譯書寫認(rèn)真。答辯過程中，對結(jié)構(gòu)和原理圖的陳述清楚，回答問題正確。達到了本科畢業(yè)設(shè)計的要求，成績評定為 。 答辯小組組長：

14、 年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任： 年 月 日 目錄 摘要 1 ABSTRACT 2 第一章 緒論 3 1.1 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 3 1.2 研究的目的和意義 4 1.3 設(shè)計的重點和難點 4 1.4家庭清掃機器人的關(guān)鍵技術(shù) 4 1.5 總結(jié)也展望 5 l 發(fā)展趨勢 5 l 展望 5 1.6論文主要完成工作 6 第二章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 2.1整體結(jié)構(gòu)布局 7 2.2驅(qū)動部分 9 2.3吸塵部分 10 2.4電源部分 10 2.5路徑規(guī)劃算法 11 2.6仿真結(jié)

15、果 13 第三章 硬件控制部分設(shè)計 11 3.1 AT89系列單片機簡介 14 3.2 外圍電路 15 (1)電源 15 (2)復(fù)位電路 16 (3)時鐘電路 17 3.3 電機驅(qū)動電路 18 3.4 檢測電路 20 3.5 光電編碼器 23 第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 25 4.1控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 25 4.2 AT89C51定時器設(shè)置 27 1.計數(shù)寄存器TH和TL 28 2.T/C控制寄存器TCON 28 3.T/C方式控制寄存器TMOD 28 4.3 AT89C51中斷設(shè)置 29 (1)中斷允許寄存器 29 (2)中斷優(yōu)先級寄存器IP 30

16、 4.4 正反轉(zhuǎn)控制字賦值及存儲位置 31 第五章 機器人旋轉(zhuǎn)偏差和直線前行偏差的脈沖數(shù)計算 33 第六章 程序的編寫 35 參考文獻: 40 致謝 41 小型清掃機器人的控制部分設(shè)計 摘要 清掃機器人屬于服務(wù)機器人的一種，世界各國尤其是西方發(fā)達國家都在致力于研究開發(fā)和廣泛使用服務(wù)機器人。如果清掃機器人的性價比足夠高，那么清掃機器人的市場將會被看好。 本文介紹了清潔機器人在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，側(cè)重研究了清潔機器人的避障控制系統(tǒng)。結(jié)合實驗室實際條件，設(shè)計了機器人樣機

17、。其主要工作內(nèi)容包括:小車機械本體設(shè)計、控制理論的介紹、AT89C51單片機控制系統(tǒng)硬件電路及檢測電路設(shè)計、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計和機器人避障性能測試試驗。 通過實驗表明所設(shè)計的機器人樣機能夠?qū)崿F(xiàn)自主避碰的功能，達到設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞:清潔機器人;避障;AT89C51單片機 Small cleaning robot control section design Abstract Cleaning robot is one part of the serving robot..Se

18、rving robot is beingresearched and developed in the countries all over the world,and which is beingused widely in the west developed countries.If the rate of quality and price of thecleaning robot is highly enough ,the market of the cleaning robot would beprospered. The paper studies the applicatio

19、ns and developments of cleaning robot athome and abroad, and researches the control system of the cleaning robot avoidinga obstacle mainly.The model is designed under the actual condition of the lab. The main work of the paper is as follows. The mechanical design of cleaning robot,thetheory of the c

20、ontrol system, the design of control system of hardware circuit andsoftware based on AT89C51 SCM, the design of inspective circuit and theexperiment of performance of the cleaning robot avoiding a obstacle. The result of the experiment shows that the robot designed has the functionsof avoiding a ob

21、stacle, so it fills the demand of the task. Key works: cleaning robot; avoid a obstacle; AT89C51 SCM 第一章 緒論 1.1 國內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 在國內(nèi)的一些大學(xué)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也對清掃機器人進行了大量的研究并取得了一些成果，對清掃機器人相關(guān)技術(shù)如機器感知、機器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機器人控制、電源與電源管理、動力驅(qū)動等技術(shù)的研究則更多，這些都為清掃機器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。 哈爾

22、濱工業(yè)大學(xué)于90年代開始致力于這方面的研究，與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機器人。該機器人具有如下特點：采用全方位移動技術(shù)，使機器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開放式機器人鉸制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)硬件可擴展，軟件可移植、可繼承，使機器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實時避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運動兩種運行方式；吸塵機構(gòu)可實現(xiàn)吸塵腔路的自動轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。 浙江大學(xué)于1999年初在浙江大學(xué)機械電子研究所開始進行智能吸塵機器人的研究，兩年后設(shè)計成功國內(nèi)第一個具有初步智能的自主吸塵機器人。這種智能吸塵機器人工作時，首

23、先進行環(huán)境學(xué)習(xí)：利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間；之后，利用隨機和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后，自行回到充電座補充電力。吸塵機器人在5.5×3.5m2的實際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達到90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗還沒有進行。目前，系統(tǒng)正在引入機器視覺和全局 圖1國內(nèi)公司生產(chǎn)的機器人KV8 Fig1-7 robots domestic production KV8 定位功能，力圖在多房間環(huán)境下，提高自定位能力、智能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。如圖1所示。K

24、V8保潔機器人是今年在市場以低價位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國內(nèi)首個產(chǎn)品化清掃機器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂場所，以及其它一些人員不便進入的地方。KV8能夠通過自身的碰撞傳感器來實現(xiàn)隨機的清掃和碰撞處理，需要人工對其電池進行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動時伴有音樂聲。 1.2 研究的目的和意義 清掃機器人將移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機地融合起來，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動或全自動清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作，近年來已受到國內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動機器人的一個特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化清掃機器人比較具體地體現(xiàn)了移動機器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有較強的代表性。從市

25、場前景角度講，清掃機器人將大大降低勞動強度、提高勞動效率，適用于家庭和公共場館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場前景。 融合現(xiàn)代傳感器以及機器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開發(fā)一部價格便宜，全區(qū)域覆蓋，能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家庭清掃機器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式，使家庭生活電氣化、智能化，使科技更好地為人類服務(wù)。 1.3 設(shè)計的重點和難點 l 由前面的設(shè)計家庭清潔機器人的工作內(nèi)容和要求，在寬400高100的體積下如何設(shè)計和布置好清掃機構(gòu)，行走機構(gòu)，吸塵機構(gòu)和儲存垃圾機構(gòu)。 l 遍歷方式的選擇，以及如何用軟件控制實現(xiàn)其避障功

26、能 1.4家庭清掃機器人的關(guān)鍵技術(shù) 家庭清潔機器人的關(guān)鍵技術(shù)吸塵機器人系統(tǒng)通常由四個部分組成:移動機構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機構(gòu)是吸塵機器人的主體,決定了吸塵器的運動空間,一般采用輪式機構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近傳感器、紅外線傳感器等。隨著近年來計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動機器人技術(shù)的迅速發(fā)展,清掃機器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅實的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。清掃機器人的控制與工作環(huán)境往往是不確定的或多變的,因此必須兼顧安全可靠性、抗干擾性以及清潔度。用傳感器探測環(huán)境、分析信號,以及通過適當(dāng)?shù)慕７椒▉砝斫猸h(huán)境,具有特別重要的意義。目前發(fā)展

27、較快、對清掃機器人發(fā)展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是:傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、吸塵技術(shù)、電源技術(shù)等。 傳感技術(shù) 為了讓吸塵機器人正常工作,必須對機器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進行監(jiān)控,還要感知機器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動態(tài)信息,使得吸塵機器人相應(yīng)的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應(yīng)工作環(huán)境的變化。 1.5 總結(jié)也展望 l 發(fā)展趨勢 雖然清掃機器人的研究已經(jīng)取得了很大進步,進入了實用階段,但是自主能力、工作效率方面還不理想,需要在技術(shù)上解決傳感器技術(shù)、定位和環(huán)境建模技術(shù).在此基礎(chǔ)上,自主吸塵機器人可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發(fā)展。 l 展望 盡管目前價廉物

28、美的吸塵器給人們的清潔工作帶來了一定的便利,但過大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步。清掃機器人作為服務(wù)機器人領(lǐng)域中的一個新產(chǎn)品,將使人們能在無人看守情況下輕松地完成室內(nèi)環(huán)境的吸塵等清潔工作。因此,只要生產(chǎn)成本兼顧到日用電器批量大、價格低的特點, 清掃機器人將具有誘人的市場前景,有關(guān)資料也預(yù)測清掃機器人是未來幾年需求量最大的服務(wù)機器人。特別是日用清潔電器不論是在市場上或者是在產(chǎn)品的創(chuàng)新上,絕對是所有小家電產(chǎn)品中最活躍的,未來仍有相當(dāng)大的成長空間。盡管目前國內(nèi)外在清掃機器人研究開發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過高和許多關(guān)鍵技術(shù)問題尚急待解決或提高,主要有以下幾個方面: (1)目前,價格過高是嚴(yán)

29、重影響清掃機器人打入家電市場的主要因素,因此為了大幅度降低其成本,我們必須開發(fā)專用運動控制和數(shù)字處理芯片以及微型傳感器。其次,應(yīng)該看到藍牙技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過采用藍牙技術(shù)將過高的數(shù)字處理器成本轉(zhuǎn)移到用戶的個人電腦上,則有望在短期內(nèi)將清掃機器人的成本控制在千元左右。 (2)未來的清掃機器人將向智能化和自主式發(fā)展,因此我們必須結(jié)合現(xiàn)有的基于自適應(yīng)控制、模糊邏輯、遺傳算法等的移動機器人運動規(guī)劃和控制技術(shù),研究開發(fā)出對環(huán)境變化具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性、對環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運動規(guī)劃與控制器,使吸塵機器人完成與人工操作質(zhì)量相同甚至更好的吸塵工作。 (3)為了有

30、效地提高清潔的質(zhì)量,還需要對現(xiàn)有的吸塵技術(shù)進行改進。根據(jù)環(huán)境的臟潔程度,采用模糊邏輯等技術(shù)設(shè)計合理的吸塵時間以及相協(xié)調(diào)的機器人運動速度,確保滿意的吸塵效果。 (4)電源技術(shù)是吸塵機器人的核心之一,除了有效地提高機器人運動和吸塵速度以延長電池的實際吸塵時間外,還尚需優(yōu)化自動充電方案,保證機器人能及時進行充電,自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。隨著吸塵機器人關(guān)鍵技術(shù)和性能價格比的不斷提高或改進,相信根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件,未來幾年內(nèi)就會推出價格適中的全自動吸塵機器人產(chǎn)品,進而使吸塵機器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進千家萬戶,為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來可觀的市場和經(jīng)濟效益。 1.6論文主要完成工作 課

31、題主要完成的工作包括清潔機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，驅(qū)動電機選擇，傳感器的選擇，控制算法的研究，硬件電路設(shè)計和軟件編程及試驗。 1.機械結(jié)構(gòu)部分 包括機器人構(gòu)成方案選擇、機器人本體機構(gòu)設(shè)計和驅(qū)動電機的選擇 2.避障系統(tǒng)控制方案 包括機器人障礙檢測系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的確定和控制算法的選擇 3.控制系統(tǒng)硬件部分 包括AT89C51單片機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、電機驅(qū)動電路設(shè)計和傳感 器檢測硬件電路設(shè)計 4.控制系統(tǒng)軟件部分 包括AT89C51單片機控制系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計

32、 第二章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1整體結(jié)構(gòu)布局 整個機器人的結(jié)構(gòu)由車體,吸塵裝置,傳感部分,控制部分組成。 傳感部分包括車身兩側(cè)的光電傳感器和前面的碰板和光電開關(guān)組成的接觸式傳感器。機器人前輪為隨動輪,后輪采用差動式驅(qū)動,光電編碼器裝在前隨動輪上,與隨動輪同軸。當(dāng)發(fā)生碰撞時,碰板帶動光開關(guān)移動產(chǎn)生信號變化。光電傳感器對車體側(cè)面進行探測，判斷左右轉(zhuǎn)彎是否可行。如結(jié)構(gòu)簡圖2所示： 碰板光電傳感器 檢測懸空的光電傳感器 隨動輪 兩獨立驅(qū)動輪 吸塵入口 兩反向旋轉(zhuǎn)的邊刷 圖2 清掃機器人結(jié)構(gòu)示意圖

33、考慮到機構(gòu)和控制的復(fù)雜性,本清掃機器人采用圓形車體,圓形車體的最大優(yōu)點是運動靈活,控制簡單,不會發(fā)生卡死的現(xiàn)象。 車體前端是一個碰板系統(tǒng)由一套機械裝置和光電開關(guān)組成,用于檢測運動前方的障礙物。左右二個后輪獨立驅(qū)動,每個輪子都有電機、光電傳感器,各自是一個獨立的系統(tǒng),只接受控制系統(tǒng)的控制信號和反饋給控制系統(tǒng)運動信息。中間鏤空的部分是清掃系統(tǒng),包括二個電機驅(qū)動的一個清掃裝置和一個吸塵裝置。車體左右二側(cè)裝有二個光電傳感器,用于對小車轉(zhuǎn)彎可行性判斷。前輪的支撐部分是一個垂直方向可滑動桿,中間有彈簧做緩沖(運動的時候也有減震的作用)。 本機器人沒有采用陣列式碰撞傳感器。而是獨立設(shè)計了一塊碰板

34、和光電開關(guān)組成,它可以檢測到車體前方的一切障礙物,不存在任何盲點?；⌒蔚呐霭逋ㄟ^2個連桿和車體鉸接在一起,連桿和碰板連接的部分可以沿碰板外徑方向滑動,而和車體連接的部分可以旋轉(zhuǎn),碰板二端和光電開關(guān)相連,當(dāng)碰撞引發(fā)碰板移動后,通過光電開關(guān)的變化把信號反饋給控制系統(tǒng)。碰板可以把障礙物的位置分為3類:正前方,前方,右前方。通過2個光電開關(guān)的組合狀態(tài)給出,如果2個光電開關(guān)的初始狀態(tài)是0。如表1所示。 表1 碰撞檢測對照表 左光電開關(guān) 0 0 1 1 右光電開關(guān) 0 1 0 1 障礙物位置 未碰撞 右前 左前 正前 整個清掃系統(tǒng)通過后方的圓孔和車體相鉸接,可以作很小

35、幅度的擺動,這樣的設(shè)計將使機器人對地面的適應(yīng)性有很大提高,整個清掃系統(tǒng)又可以分為清掃部分和吸塵部分,每部分各有1個電機提供動力,清掃部分在前端,由電機帶動2個旋轉(zhuǎn)方向不同的滾刷轉(zhuǎn)動,從而把紙片等大塊垃圾清掃進后面的灰塵箱。后面的吸塵系統(tǒng)類似一個吸塵器,橡膠制成的吸塵端口與地面相接。這樣雙選擇性的清掃比一般地單一清掃方式效果要好的多。 2.2驅(qū)動部分 驅(qū)動部分是由兩個四相步進電機以及相應(yīng)的驅(qū)動機構(gòu)組成的。步進電機帶動兩驅(qū)動輪，后輪， 從而推動吸塵器運動。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結(jié)構(gòu), 而采用了應(yīng)用非常廣泛的平面軸承, 這既減小了結(jié)構(gòu)復(fù)度, 又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性􀀁如圖4

36、 圖4 驅(qū)動結(jié)構(gòu) 通過改變作用于步進電機的脈沖信號的頻率, 可以對步進電機實現(xiàn)較高精度的調(diào)速。同時在對兩電機分別施相同或不同脈沖信號時, 通過差速方式, 可以方便的實現(xiàn)吸塵器前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等功能。這一設(shè)計的最大優(yōu)點是吸塵器能夠在任意半徑下, 以任意速度實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎, 甚至當(dāng)兩后輪相互反向運動時, 實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑􀀁即繞軸中點原地施轉(zhuǎn)動。同時轉(zhuǎn)彎的速度可通過改變單片機的程序來調(diào)節(jié)。 根據(jù)所需的驅(qū)動力矩和其它結(jié)構(gòu)要求，驅(qū)動電機選用北京四通集團公司的57BYG250E-SAFRML-0152型兩相混合式

37、步進電動機。其參數(shù)如表2.2所示; 表2.2 57BYG250E-SAFRML-0152步進電機參數(shù) 相數(shù) 2 步距角（°） 0.9/1.8 靜態(tài)相電流（A） 1.5 相電阻（） 1.0 相電感（Mh） 5.3 保持轉(zhuǎn)矩（Nm） 1.5 定位轉(zhuǎn)矩（Nm） 0.06 空載啟動頻率（半步方式）（KHz） 3 重量（Kg） 1.5 轉(zhuǎn)動慣量（gc㎡） 330 2.3吸塵部分 吸塵部分是由封閉在殼體中的小型吸塵器完成的。包括氣泵，吸室，吸道和吸嘴。在吸塵器爬行的過

38、程中，通過底盤上開的吸嘴將掃過的地面上的灰塵吸入吸室。 2.4電源部分 由于智能吸塵器是以自主方式工作的，因而所用的電源不是一般脫線方式，而是采用隨身攜帶的蓄電池，這樣不但可實現(xiàn)無人控制，而且工作時比較靈活。一次充電可以連續(xù)工作幾個小時。 2.5路徑規(guī)劃算法 在本算法中,機器人的路徑大體分為兩類: ①面覆蓋的過程,機器人走直線,相當(dāng)于一個”迂回推進”的過程; ②從當(dāng)前點到目標(biāo)點的尋徑過程,從定位的準(zhǔn)確性考慮,路徑段也為直線。開始的時候機器人選擇房間的一個角落( 2座墻壁的交接點,便于機器人定位)作為初始點,坐標(biāo)為(0,

39、0) ,即機器人上的p點坐標(biāo)為(0, 0) (本文中的坐標(biāo)都是指p點坐標(biāo)) ,沿一側(cè)墻的方向建立X軸,第一次清掃沿X 軸的方向,完成后,返回原點,沿Y軸方向進行第二次清掃。這樣既保證了清潔質(zhì)量,又在很大程度上避免了1次清掃所帶來的死角問題。而且由于2個方向的互補性,并不需要為了遍歷的完整性而采用更為煩雜的算法,通過2次數(shù)據(jù)融合就可以得到較為精確的環(huán)境信息機器人的路徑為迂回前進的路徑段,每個路徑段的間隔為機器人清潔機構(gòu)的清掃直徑,碰到障礙物后,機器人的轉(zhuǎn)向90°并且側(cè)移20cm ,在轉(zhuǎn)向90°，這個動作由控制系統(tǒng)做好保存,直接調(diào)用,記為micro1 。(在前進過程中,發(fā)生碰撞時,機器人的轉(zhuǎn)向所采

40、取的方向,取值可以為”左”或者”右”,由碰撞次數(shù)的奇偶性決定。 沿X 軸方向的遍歷圖 沿X軸方向的仿真圖 沿Y軸方向的遍歷圖 沿Y軸方向的仿真圖 前可行的方法就是—通過建立被控制對象的模糊模型來實現(xiàn)模糊控制器。 所謂建立被控制對象的模糊模型就是用“如果一一那么”的形式來描述 被控對象的動態(tài)特性。一條“如果—那么”表達式就是一條控制規(guī)則，因此被控制對象的模型是由多條控制規(guī)則組成的，這樣通過該模型就可以從輸入推理得出輸出。 具體到本課題，模糊規(guī)則設(shè)

41、定如下: 規(guī)則1:如果機器人前方為階梯（沿X軸方向遍歷），那么它應(yīng)該左轉(zhuǎn)一前行一再左轉(zhuǎn)；(把此類型障礙物當(dāng)作墻來處理) 規(guī)則2:如果機器人前方有障礙物（沿X軸方向遍歷），同時左側(cè)也有障礙物，那么它應(yīng)該原地轉(zhuǎn)彎180度；（記為左轉(zhuǎn)為不可行） 規(guī)則3:如果機器人懸空，那么它應(yīng)該執(zhí)行電源關(guān)操作 規(guī)則4:如果機器人前方為階梯（沿Y軸方向遍歷），那么它應(yīng)該從右轉(zhuǎn)一前行一再右轉(zhuǎn)；(把此類型障礙物當(dāng)作墻來處理) 規(guī)則5:如果機器人前方有障礙物（沿Y軸方向遍歷），同時右側(cè)也有障礙物，那么它應(yīng)該原地轉(zhuǎn)彎180度；（記為右轉(zhuǎn)為不可行） 規(guī)則6:如果機器人右前方?jīng)]有障礙物，那么它應(yīng)該直線前行； 規(guī)則

42、7:如果機器人沿X軸方向遍歷完成，那么執(zhí)行沿Y軸方向的遍歷；（完成與否的判定根據(jù)是否有連續(xù)兩次轉(zhuǎn)彎不可行） 規(guī)則8:如果機器人完成了沿X軸和Y軸方向的遍歷，那么小車執(zhí)行回充電插座充電； 2.6仿真結(jié)果 由于只是表達路徑規(guī)劃的算法,為了描述清晰及簡便,采用矩形環(huán)境邊緣,障礙物也選用邊緣規(guī)則的矩形,U型等,而實際上由于采用碰撞作為邊緣觸發(fā)條件。根據(jù)清掃機器人沿X,Y軸方向的仿真圖我們可以較為準(zhǔn)確的得到房間整個環(huán)境內(nèi)容。 第三章 硬件控制部分設(shè)計 在實際應(yīng)用中，機器人車體下部需安裝吸塵或清掃等輔助機構(gòu)，故控制 系統(tǒng)安裝在小車底板的上面。控制系統(tǒng)硬件主

43、要包括AT89C51單片機控制系 統(tǒng)及其外圍電路、電機驅(qū)動電路和傳感器檢測電路。 3.1 AT89系列單片機簡介 機器人的控制系統(tǒng)采用的是AT89C51單片機。AT89系列單片機是 ATMEL公司的系列產(chǎn)品。其主要特點如下: .與MCS-51'”產(chǎn)品兼容 .1000次重復(fù)編程/擦寫 .具有2. 7V低電壓型號 表3. 1 AT89系列單片機的性能參數(shù) 功能參數(shù) AT89C51 AT89C52 89C1051 89C2051 閃速式存儲器（字節(jié)）

44、 4K 8K 1K 2K 內(nèi)存（字節(jié)） 128 256 64 128 工作頻率（MHz） 24 24 24 24 輸入/輸出線 32 32 15 15 16位定時器/數(shù)器 2 3 1 2 中斷源 5 8 3 5 串行口 1 1 0 1 3.2 外圍電路 (1)電源 AT89C51單片機正常工作時，其40腳(Vcc)接+SV電源，20腳(VSS接地。本 此處省略?NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和CAD圖紙等.請聯(lián)系?扣扣：二五一一三三四零八 另提供全套機械畢業(yè)設(shè)計下載！ AJMP

45、 LOOP1 DLY： MOV R4，#M ;通過改變M,M1的值調(diào)整轉(zhuǎn)速 DLY1：MOV A，#M1 LOOP2: DEC A JNZ LOOP2 DJNZ R4，DLY1 RET l 左輪控制程序： ZLKZ: PUSH A ；保護現(xiàn)場 MOV A，@R0 MOV P1.3，A ；輸出控制脈沖 ACALL DLY ；調(diào)用延時程序 INC R0

46、 ；控制字存儲地址增1 MOV A，#00H ORL A，@R0 ；是結(jié)束標(biāo)志轉(zhuǎn)移 JZ TPL LOOP1： DJNZ R3，LOOP ；步數(shù)不為0，轉(zhuǎn)移 POP A RET TPL： MOV A，R0 ；恢復(fù)控制字首址 SUBB A，#06H MOV R0，A AJMP LOOP1 DLY： MOV R4，#M ;通過改變M,M1的值調(diào)整轉(zhuǎn)速 DLY1：MOV

47、 A，#M1 LOOP2: DEC A JNZ LOOP2 DJNZ R4，DLY1 RET 參考文獻: [1] 劉鳳然，田紅巖，王侃.基于單片機的移動機器人自動避障控制系統(tǒng). [2] 白井良明.王棣棠譯.機器人工程.科學(xué)出版社，2001: 97-99頁 [3] 馬書雷.2001:機器人移動機構(gòu)及控制研究.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文.7一11頁 [4] 楊可禎，程光蘊.機械設(shè)計基礎(chǔ)(第三版)高等教育出版社，1998. [5] 劉寶廷，程樹康等.步進電動機及其驅(qū)動

48、控制系統(tǒng).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997 [6] 57BYG250E-SAFRML-0152型兩相混合式步進電機技術(shù)說明書.北京四通集團公司 [7] 張立勛，王立權(quán)，楊勇.機械電子學(xué).哈爾濱工程大學(xué)出版社，1999: 120一140頁 [8] 李建忠編著.單片機原理及應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社，2002: 14頁，42頁 [9] 季維發(fā)，過潤秋，嚴(yán)武升.機電一體化技術(shù).哈爾濱工程大學(xué)出版社，1999: 270-271頁 [10] SIi-20402A兩相混合式步進電動機細分驅(qū)動器說明書.北京四通電機集團公司. [11] E30-DS50NA直接反射型光電開關(guān)說明書.飛凌傳感器有

49、限公司. [12] 陳理璧. 步進電動機及其應(yīng)用[M],上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 [13]　蔡自興,徐　光. 人工智能及其應(yīng)用 [M ]. 北京:清華大學(xué)出版社,1996. [14] 李鴻主編.單片機原理及應(yīng)用[M], 湖南：湖南大學(xué)出版社，2004 [15] 韓全立，王建明.單片機控制技術(shù)及應(yīng)用[M],北京：電子工業(yè)出版社，2004 [16] 周平，伍云輝.單片機應(yīng)用技術(shù)[M],四川：電子科技大學(xué)出版社，2004 [17] 胡偉，季曉衡. 單片機C 程序設(shè)計及應(yīng)用實例[M],北京：人民郵電出版社， 2004 [18] 朱定華.微型計算機原理及應(yīng)用[M],北京：電子工業(yè)大

50、學(xué)出版社,2005.12 [19] 孟江華,朱紀(jì)紅,孫增圻.未知環(huán)境下基于傳感器的移動機器人路徑規(guī)劃新方法 [J].機器人,2005 7 :319 - 324 [20] 湯　陽,戴光智,王銳鵬. 家用自主吸塵機器人的研究和開發(fā)[J].計算機測量與控制,2006,14 11 :1554 - 1556. [21] 李文江，張巖.用L298 實現(xiàn)雷管腳線合股剝皮機多步進電機控制[J]，遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2005.2 [22] 趙龍慶，徐國棟.一種基與單片機的步進電機控制驅(qū)動器[J]，西南林學(xué)院 學(xué)報，2005.6 致 謝 隨

51、著畢業(yè)設(shè)計的完成，我的大學(xué)生涯很快就要劃上句號。臨近畢業(yè)，更多的是眷戀與不舍，四年，一段不短的時間，讓我從青澀走向成熟?；仡欉@一程求學(xué)路，給我?guī)椭娜颂嗵?，在此學(xué)業(yè)即將完成之際對他們獻上我誠摯的謝意。 飲其流時思其源，成吾學(xué)時念吾師。值此論文完成之際，謹(jǐn)向我尊敬的指導(dǎo)老師周老師及助教姚小海助教致以誠摯的謝意和崇高的敬意。論文期間，老師們不顧教務(wù)的繁忙，設(shè)身處地的為我們找資料，查文獻，解決我們遇到的很多問題，力爭讓我們的論文做到完美?！笆谌艘贼~，不如授之以漁”您教會我們的更重要的是學(xué)習(xí)的方法。您還教會我們待人接物和為人處世的道理：您的勤奮，讓我明白天道酬勤要堅持始終；您的博學(xué)，讓我知道學(xué)海

52、無涯仍需努力；您的樸實，讓我明白善良的價值。生活中，您還教我們?nèi)绾握嬲\做人、做事不拖沓。老師平易近人的人格魅力，嚴(yán)謹(jǐn)進取的治學(xué)精神和樂觀向上的生活態(tài)度，將是我今后生活工作中的指路航標(biāo)。桃李不言，下自成蹊；師恩深厚，不敢言報。唯有今后以百倍熱情工作、學(xué)習(xí)，力爭有所建樹，以報師恩于萬一。臨別之際，真誠的祝福秦老師：身體健康，生活順心！ 最后向評審論文及參加本人論文答辯的各位老師獻上誠摯的謝意！您們辛苦了！ 疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損（譯文） 鄧建新，劉麗麗，趙進龍，孫軍龍 山東大學(xué)機械工程系，中國山東省濟南 250061， 接稿 2006 年 3 月 31 日；收搞 2006 年

53、6 月 30 日 摘要 SiC/（W,Ti)C疊層結(jié)構(gòu)的陶瓷噴嘴通過熱壓成形，熱壓是為了減少噴嘴進出口區(qū)域的拉應(yīng)力。在合成物的燒結(jié)過程中由于SiC和(W,Ti)C固溶體的熱量膨脹系數(shù)和收縮率不同將導(dǎo)致殘余應(yīng)力產(chǎn)生，通過有限元方法可以分析該殘余應(yīng)力。疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損是由沙粒的沖擊產(chǎn)生，這個實驗結(jié)果和一個在相同條件下不受壓應(yīng)力的參考噴嘴實驗結(jié)果相比較而得。這個實驗的結(jié)論已經(jīng)表明疊層陶瓷噴嘴比相類似的自由應(yīng)力噴嘴有更高的抵抗沖蝕磨損性能。 1.引言 噴沙處理是一個研磨的加工程序并且廣泛地作為表面的加強[1],表面的修正[2]表面的清理和除銹,等等。它適用于硬且脆的材料, 易延展的金

54、屬，合金和非金屬的材處理。在沙噴的過程中，從噴嘴里出來的高速噴射的精細研磨微粒和載流氣體撞擊目標(biāo)對象的表面來沖蝕該表面。精細微粒通常由高于幾倍大氣壓的氣流來加速。粒子直接對表面進行處理。當(dāng)粒子沖擊表面時, 粒子引起一個小的破碎，氣流會將研磨粒子和已破碎的粒子帶離去。噴嘴是噴沙設(shè)備中最緊要關(guān)頭的部份。有許多因素影響力噴嘴的磨損如：流量率和沖擊角度，沖蝕研磨劑性能，噴嘴的材料和它的幾何形狀，溫度。有高耐磨性的陶瓷有很大的潛力做為沙噴的噴嘴材料。 一些研究已經(jīng)顯示陶瓷噴嘴的進口區(qū)域展現(xiàn)了一個感應(yīng)去除程序的脆性破碎而中央的區(qū)域顯示出材料切除模態(tài)的耕犁類型。在沙噴中當(dāng)沖蝕的微粒以高的角度 ( 將近 9

55、0 °) 沖撞噴嘴進口區(qū)段 (見到圖1) ，噴嘴進口區(qū)域遭受形嚴(yán)重的研磨沖擊, 這可能引起大的張應(yīng)力。最高的張應(yīng)力位于噴嘴的進口區(qū)域。因此，噴嘴進口區(qū)域的沖蝕磨損相對于中心區(qū)域的磨損來說，總是嚴(yán)重的。 圖1 沙噴過程中沖蝕粒子與噴嘴間的作用示意圖 由不同材料的交替層構(gòu)成的疊層混合結(jié)構(gòu)能適當(dāng)?shù)乇辉O(shè)計, 促使對一個表面產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，從而提高了表面的機械性能和耐磨性。殘余應(yīng)力增大主要是在于熱膨脹系數(shù) (CTE) ，燒結(jié)率，相階段和相鄰層的彈性模量之間的搭配, 并且殘余應(yīng)力區(qū)域決定于分層的結(jié)構(gòu)幾何形狀和層之間的厚度比率。 Toschi 等人報告疊層混合結(jié)構(gòu)能改善氧化鋁的滑動耐磨性

56、。Portu 等人表明表面區(qū)域受壓縮殘余應(yīng)力的疊層結(jié)構(gòu)組成而得的混合物材料能具備更好的磨擦性能。鄧教授等人證實傾斜的陶瓷噴嘴能展現(xiàn)出比一般位置的陶瓷噴嘴更高的耐磨性。 目前的研究中, SiC/(W,Ti)C 疊層結(jié)構(gòu)的陶瓷噴嘴為了要在噴嘴的進出口區(qū)域減少張應(yīng)力 , 靠熱壓的方式生產(chǎn)。在燒結(jié)過程式中疊層噴嘴的殘余應(yīng)力由有限元方法計算而得。疊層陶瓷噴嘴沖蝕磨損對照于相同的條件下一個不受應(yīng)力的叁考噴嘴而被考查。 2．材料和實驗步驟 2.1. 準(zhǔn)備疊層陶瓷噴嘴材料SiC /(W,Ti)C 開始的材料是(W,Ti)C固溶體粉末，平均顆粒大約為0.8μm，純度為 99.9% 。SiC粉末

57、的平均顆粒大約為1μm，純度為 99.8%。六種不同含量的 (W,Ti) C(55,57,59,61,63,65 vol.%)被選擇去設(shè)計六層結(jié)構(gòu)SiC /(W,Ti)C疊層噴嘴材料。疊層陶瓷噴嘴材料的成分分配在圖 2 被顯示。它指出疊層噴嘴材料的成分分配在噴嘴軸的方向中改變。如SiC的熱導(dǎo)率比 (W,Ti) C 的更高, 當(dāng)它的熱膨脹系數(shù)比 (W,Ti) C 的更低時候, SiC的最高含量的層被提出在進入層和出口層中兩地方 ( 見圖 2.1 a) 。相似的無應(yīng)力的噴嘴沒有成分變化在圖中 2(b) 被顯示。疊層陶瓷噴嘴在進入和出口兩區(qū)域叫做 GN-3, 無壓應(yīng)力噴嘴叫做 CN-2 。

58、圖2.1a為陶瓷噴嘴在進口和出口區(qū)域（ GN-3 ）輾壓的照抄原文/ （ W ， Ti ） C 成 分分配示意圖； b 為相似的無應(yīng)力噴嘴（ CN-2 ） SiC/(W,Ti) C 以六種不同混合比合成的粉末被分別地在酒精中和接合的碳化物球體研磨 80 個小時而成濕球來作準(zhǔn)備。在弄干之后，和不同的混合比的混合物粉末依次被疊壓進入模子之內(nèi)。這時樣品在流動的氮氣中以 30 MPa 壓力 ,1900 ℃溫度熱壓 40 分鐘。 2.2.噴沙測試 如圖2.2.1所示，空氣噴射研磨機床 ( GS-6 類型) 的示意圖，它由一個空氣壓縮機，一只噴射槍，一個控制閥，粒子供應(yīng)管，一個過濾器，一個干燥器，

59、一個調(diào)壓閥，灰塵捕捉器，一個研磨漏斗 , 和一個噴嘴。氣流流程率被被壓縮的空氣控制，而且研磨粒子的速度經(jīng)過噴嘴被調(diào)整為 60 米/ 秒。 圖2.2.1 空氣噴射研磨機床的示意圖（（ 1 ）空氣壓縮機，（ 2 ）控制閥，（ 3 ）過 濾器，（ 4 ）干燥器，（ 5 ）調(diào)壓閥，（ 6 ）吸塵器，（ 7 ）噴槍）（ 8 ）研磨漏斗，（ 9 ）陶瓷噴嘴）。 被用于這一項研究的沖蝕研磨劑是 50–150μm谷粒大小碳化硅粉末。作為干沙噴射的SiC粉末的SEM顯微圖在圖4中所示。 圖2.2.2 沙噴中被用的SiC研磨劑的SEM顯微圖 內(nèi)直徑 8 毫米和長度 30 毫米的噴嘴由SiC /

60、(W,Ti) C 的疊壓結(jié)構(gòu) (GN-3) 制造而成，無壓應(yīng)力結(jié)構(gòu) (CN-2) 被熱壓制造而成，如圖2.2.3所示。 圖2.2.3 GN-3 疊層陶瓷噴嘴的照片 磨損的噴嘴損失量被一個精確的電子稱測量。 ( 最小量 0.1 毫克) 。 所有的測試情況在表一中被列出。噴嘴的沖蝕率 (W) 被定義為噴嘴損失量除以噴嘴密度 d和沖蝕研磨粒子的乘積: W的單位為 。 有限元方法 (FEM) 被做為一種數(shù)字地分析在制造過程中疊層陶瓷噴嘴的殘余應(yīng)力和它的分布狀態(tài)的方法。為微小損害的觀察和沖蝕機制的檢測, 磨損的噴嘴被軸向地分為區(qū)段。噴嘴的被侵蝕的孔表面由掃描電子顯微鏡檢查。 3

61、．結(jié)果和討論 3.1 疊層噴嘴材料的顯微結(jié)構(gòu)特征和性能 硬度測量在 GN-3 疊層噴嘴材料的橫截面面的每層上放著維氏壓痕處操縱。壓痕負荷是 200 N ，這時每層的三個壓痕的最小量被測試。每層的維氏硬度 (GPa)靠（P是壓痕負荷（N），2是壓痕對線的長度）計算所得。每層 GN-3 疊層噴嘴材料的硬度被列出在表二中。 GN-3 疊層陶瓷的噴嘴材料磨光的每層SEM顯微圖如圖3.1所示。黑色的區(qū)域被 EDX 分析鑒別為SiC, 和鮮明的對比白色的區(qū)域是(W,Ti)C?？梢员豢吹?，SiC粒子非常勻均地在顯微結(jié)構(gòu)中普遍分布, 多孔性事實上是不存在的。 圖3.1 GN-3

62、疊層陶瓷的噴嘴材料磨光的每層SEM顯微圖（a）第一層（進口區(qū)域），（b）第二層，（c）第三層，（d）第四層，（e）第五層，（f）第六層 3.2 疊層噴嘴的殘余應(yīng)力 制造過程中的疊層陶瓷噴嘴的殘余應(yīng)力被假設(shè)箱子從燒結(jié)溫度1900℃冷卻到室溫 20℃經(jīng)由有限元方法計算。（W，Ti）C和SiC的熱機械性能依下列各項所得: 由于對稱，軸對稱的計算被推薦。假定它是穩(wěn)定狀態(tài)邊界條件，在GN-3疊層噴嘴中從燒結(jié)溫度冷卻到窒溫過程中軸向的，徑向的。很明顯，一個額外的壓縮殘余應(yīng)力在GN-3疊層噴嘴進口與出口區(qū)域處被形成。 圖3.2 GN-3疊層噴嘴在制造過程中的(a)軸向的()，

63、(b)徑向的()，(c)圓周向的()殘余應(yīng)力沿噴嘴軸向不同位置的分布 3.3 疊層噴嘴的沖蝕磨損 GN-3 疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損靠在沙噴時和 CN-2 無應(yīng)力陶瓷噴嘴對比來被評定。圖3.2顯示GN-3和CN-2噴嘴在沙噴過程中累積的損失量。很明顯累積的損失量隨著操作時間不斷地增加。在相同實驗條件下，與 GN-3 疊層噴嘴比較,CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴有更高的累積損失量。 圖3.3 a GN-3 噴嘴和 CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴在沙噴過程中累積的損失量 磨損的陶瓷噴嘴在操作之后在縱向的方向被切斷，出現(xiàn)分析失敗。圖3.3 a所示為操作 540分鐘后的GN-3 和 CN-2 噴嘴的內(nèi)部

64、孔的輪廓相片。它被表明沿著噴嘴縱向的方向磨損的 CN-2 噴嘴的內(nèi)部孔的直徑是比磨損的 GN-3 疊層噴嘴更大, 尤其在噴嘴進口區(qū)域。 圖3.3 b 操作540分鐘后的GN-3和CN-2噴嘴的內(nèi)部孔的輪廓相片 GN-3 和 CN-2噴嘴進口孔直徑隨著沖蝕時間而變化的結(jié)果如圖3.3 b所示。它被指出CN-2無壓應(yīng)力噴嘴進口孔的直徑隨操作運行時間而擴大得很快。然而GN-3 疊層噴嘴進口孔直徑慢慢地隨操作運行時間增大。圖3.3 d表示沙噴過程中GN-3 和 CN-2 噴嘴的沖蝕率對比。顯而可見，無壓應(yīng)力噴嘴的沖蝕率比疊層噴嘴的沖蝕率更高。因此，很顯然在相同測試條件下 GN-3 疊層噴

65、嘴比起GN-2 無壓應(yīng)力噴嘴展現(xiàn)了較高的沖蝕耐磨性。 圖3.3 c GN-3 和 CN-2噴嘴進口孔直徑隨著沖蝕時間而變化 圖3.3 d 沙噴過程中GN-3 和 CN-2 噴嘴的沖蝕率對比 圖3.3 e 表明受磨損的 CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴的進口孔的表面 SEM 顯微像。從這些 SEM 顯微像, 噴嘴的不同形態(tài)學(xué)和破碎模態(tài)能被清楚地看見。CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴在進口區(qū)域處以非常脆的方式中失敗, 而且展現(xiàn)了一個促使去除處理的脆性破碎。位于噴嘴孔表面上有許多明顯的凹坑，該表面表示脆性破碎發(fā)生的表面。呈現(xiàn)在GN-3 疊層陶瓷噴嘴被侵蝕的進口孔表面的典型SEM圖 如圖3.3 f所示。

66、顯而可見，疊層噴嘴受侵蝕的區(qū)域的出現(xiàn)表示與無壓應(yīng)力噴嘴受侵蝕的區(qū)域相比，它有一個相對平滑的表面。 圖3.3 e受磨損的CN-2無壓應(yīng)力噴嘴的進口孔的表面 SEM 顯微像 圖3.3 f 受磨損的GN-3疊層陶瓷噴嘴的進口孔表面的SEM圖 因沖蝕磨損而失敗的陶瓷噴嘴通常由在噴嘴進口區(qū)域受大的張應(yīng)力的破碎所引起的 [11-15]。因為噴嘴進口區(qū)域遭受嚴(yán)重的研磨沖擊, 而且產(chǎn)生大的張應(yīng)力,這可能引起表面下的側(cè)部裂縫而且促進了材料碎片的去除.因此，噴嘴在進口區(qū)域處的沖蝕磨損依賴于壓應(yīng)力的分布。一旦最大的張應(yīng)力超過噴嘴材料的極限強度，將會發(fā)生破碎。 在進口區(qū)域和出口區(qū)域根據(jù)壓縮殘余應(yīng)力的形成而分析， GN-3 疊層噴嘴比 CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴具有較高的沖蝕耐磨性。當(dāng)計算以上數(shù)據(jù)之時,在從燒結(jié)溫度到室溫的制造過程中，GN-3 疊層噴嘴的進口區(qū)域和出口區(qū)域處將形成受壓的殘余應(yīng)力，它可能會部份地與產(chǎn)生外部負載的噴嘴的進出區(qū)段處的的張應(yīng)力相抵消。這影響可能導(dǎo)致增加對破碎的抵制, 因此增加了疊層噴嘴的沖蝕耐磨性。 4．結(jié)論 SiC/(W,Ti)C疊層陶瓷噴嘴通過熱壓而制造。目的是在沙噴過程間減少噴嘴在進口和出口的區(qū)域