爬桿作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)42摘要在市政工程中，有大量的安裝及維修等工作需要爬桿作業(yè)。對(duì)于較粗的桿件，人工攀爬和工程車作業(yè)都比較方便，但是對(duì)于一些直徑較細(xì)，強(qiáng)度較小的桿件比如路燈桿等，人工攀爬較為困難。因此本文設(shè)計(jì)了一爬桿機(jī)器人，可以在沒有障礙的光桿上爬行，對(duì)人工攀爬較難的作業(yè)具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。本文設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、并聯(lián)盤形凸輪機(jī)構(gòu)、移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)以及上下機(jī)械手爪等組成，通過彈簧的預(yù)緊力來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手爪對(duì)桿的抱緊，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)攀爬動(dòng)作，同時(shí)機(jī)器人只需一個(gè)驅(qū)動(dòng)源就能帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，能攀爬變直徑的桿，工作簡單可靠，運(yùn)動(dòng)靈活，可以廣泛應(yīng)用于各種高空作業(yè)。 關(guān)鍵字：爬桿機(jī)器人，變直徑桿，夾緊，攀爬 ABSTRACTIn the municipal engineering, there are a large number of installation and repair work needed to climb rod operation, For the coarse bar, artificial climbing and vehicle operation is convenient, artificial climbing is difficultfor for some small diameter low strength member such as a road lamp pole,so this paper designs a pole climbing robot,which can crawl on no obstacle bar,it has great practical significance for artificial climbingThe pole climbing robot consist of songCrank slider mechanism, parallel plate cam mechanism.moving cam mechanism, the robot tight the wallHold by the spring pretightening force.so as to realize Climbing action. at the same time the robot can drive by a robot motion and at the same time all devices were designed perfectl. In this text.its mechanism electric control principle and various features .it can be widely applied to various kinds of high-altitude operation.Key words：pole-climbing robot， variable-diameter pole sepal， pole-climbing目 錄1緒論11.1研究目的11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3研究內(nèi)容31.4設(shè)計(jì)要求42爬桿作業(yè)機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)52.1機(jī)械方案設(shè)計(jì)52.2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)72.3小結(jié)83機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)93.1減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)93.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)173.3凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)233.4機(jī)械手爪設(shè)計(jì)243.5電動(dòng)機(jī)選擇264電氣控制284.1系統(tǒng)論述284.2直流電機(jī)單元電路設(shè)計(jì)與分析294.3直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)365結(jié)論與展望43參考文獻(xiàn)44致謝451緒論1.1研究目的目前全國日益加快的現(xiàn)代化建設(shè)步伐隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長、人民生活水平日益不斷提高，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無數(shù)的高層建筑，各類集實(shí)用性 與美觀性一體的市政、商業(yè)工程諸如電燈桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索、廣告牌立柱等，它們的直徑通常在530米，有的甚至高達(dá)百米，壁面多采用油漆、電鍍、玻璃銅結(jié)構(gòu)等，由于常年裸露在大氣之中，風(fēng)沙長年累月的積累會(huì)因此而形成灰塵層，酸類物質(zhì)污染從而影響城市的美觀，同時(shí)空氣中混合的酸性物質(zhì)也會(huì)對(duì)這些城市建筑特別是金屬桿件造成損壞，加快它們的生銹過程，并縮短它們的使用壽命，因此需要定期進(jìn)行壁面維護(hù)工作 。在市政工作中，主要是通過人工工作的因此，存在著很多問題，特別市政工作中的清洗工作許多都要人工清洗，在一些高空建筑上的清洗如果人工清洗就會(huì)造成很大的危險(xiǎn)性，而在一些具有化學(xué)試劑或者有毒物質(zhì)的工作環(huán)境中，就會(huì)對(duì)人產(chǎn)生很大的危險(xiǎn)性，這無形中增大了市政工作的成本，而且有可能對(duì)壞境造成二次污染，對(duì)周邊環(huán)境造成影響，而如果使用高壓水槍，其成本更加高，而其使用范圍也不寬，只局限于一些高空無遮擋的物體，同時(shí)水槍必須安置在空曠的位置否則會(huì)影響周邊的日常生活。另外，對(duì)于較粗的桿件，人工攀爬和工程車作業(yè)都比較方便，但是對(duì)于一些直徑較細(xì)，強(qiáng)度較小的桿件比如路燈桿等，人工攀爬較為困難。應(yīng)用帶升降機(jī)的工程車進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)成本較高，而且對(duì)于狹窄的胡同，工程車難以進(jìn)入，造成作業(yè)困難，因此本課題擬設(shè)計(jì)一爬桿機(jī)器人，可以在沒有障礙的光桿上爬行。對(duì)人工攀爬較難的作業(yè)具有較大的實(shí)際意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從功能上講，爬桿機(jī)器人無非包含基本的行走功能和輔助的作業(yè)功能 (例：噴涂、檢測、纏繞和修復(fù)等)，縱觀這些國內(nèi)外管道外機(jī)器人的行走工作原理，不外乎以下幾種：基于自鎖或靜摩擦原理的氣動(dòng)蠕動(dòng)式機(jī)構(gòu)；基于滾動(dòng)摩擦原理的螺旋爬升機(jī)構(gòu)；基于克服動(dòng)摩擦直線行走的機(jī)構(gòu)；基于移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副的關(guān)節(jié)式爬行機(jī)構(gòu)；基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)式爬行機(jī)構(gòu)。下面將介紹幾種典型的爬桿機(jī)器人 。圖1-1螺旋式爬桿機(jī)器人圖1-2自動(dòng)噴涂爬桿機(jī)器人(1)螺旋式爬桿機(jī)器人如圖1-1所示機(jī)器人抱緊在管壁上，通過驅(qū)動(dòng)導(dǎo)輪實(shí)現(xiàn)在管壁上的運(yùn)動(dòng)，其抱緊力即預(yù)緊力是通過用專用螺母扳手調(diào)節(jié)螺母，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)抱緊彈簧的壓力，使機(jī)器人獲得足夠的抱緊力，如果機(jī)器人的工作壞境發(fā)生了變化，可以根據(jù)不同的管徑，選擇支撐架上不同的連接孔，從而可以得到要求的抱緊力 。該機(jī)器人的載荷量比較大，運(yùn)行也較為平穩(wěn)，同時(shí)可以適合不同的管徑，但他的不足之處就在于，只能夠運(yùn)行在連續(xù)性的管道上，而對(duì)于非連續(xù)性的管道，該機(jī)器人就無法工作。(2)自動(dòng)噴涂爬桿機(jī)器人工作時(shí)，先必須調(diào)節(jié)機(jī)器人的下體位置，把機(jī)器人全部放在要進(jìn)行工作的管道上，當(dāng)完成了機(jī)器人的連接固定后啟動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，機(jī)器人在管道上開始行走，同時(shí)配合噴槍的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的自動(dòng)化噴涂 。該機(jī)器人的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較為簡單，而且可靠性較高，能夠代替人工操作，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的自動(dòng)化噴涂，但由于其結(jié)構(gòu)的局限性，并適合變直徑的管道。1.3研究內(nèi)容經(jīng)過仔細(xì)研究分析后認(rèn)為，人在爬桿或爬樹的過程中，人的運(yùn)動(dòng)具有很好的參考價(jià)值，如圖1-3所示，人在爬升的過程中，一般是先兩腳夾緊，然后身體上移，再收腿，整體上移，往復(fù)動(dòng)作，從而爬升的過程 。圖1-3人爬樹的姿勢本文設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人就是仿照人爬樹的原理，其結(jié)構(gòu)組成包括夾持機(jī)構(gòu)，由上下機(jī)械手爪組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)桿的抱緊，通過上、下機(jī)械手爪的交替夾緊來實(shí)現(xiàn)爬桿機(jī)器人的支點(diǎn)定位和蠕動(dòng)；移動(dòng)機(jī)構(gòu)，由連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)攀爬動(dòng)作；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，整個(gè)機(jī)器人采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，既減輕了重量，又滿足了運(yùn)動(dòng)要求。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-4所示。圖1-4 爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖1.4設(shè)計(jì)要求該機(jī)器人攀爬直徑為100140mm變直徑桿，載重5kg，機(jī)器人在全負(fù)載情況下應(yīng)該能夠保持 100mm/s 的運(yùn)行速度，且直立爬行機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該具有自鎖機(jī)構(gòu)以克服重力的影響。2爬桿作業(yè)機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)2.1機(jī)械方案設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人攀爬的是100140mm的變直徑桿，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人仿照人爬樹的原理，其結(jié)構(gòu)組成包括夾持機(jī)構(gòu)，由上下機(jī)械手爪組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)桿的抱緊，通過上、下機(jī)械手爪的交替夾緊來實(shí)現(xiàn)爬桿機(jī)器人的支點(diǎn)定位和蠕動(dòng)；移動(dòng)機(jī)構(gòu)，由連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)攀爬動(dòng)作；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，整個(gè)機(jī)器人采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，既減輕了重量，又滿足了運(yùn)動(dòng)要求。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。整個(gè)機(jī)體長約250mm，寬約150mm，高約400mm，總重不超過5kg（包括電機(jī)重3kg），爬行部分主體結(jié)構(gòu)為2根長為400mm的鋁合金鋼管（可以用硬塑料管或者其他輕型材料代替），作為機(jī)架和機(jī)器人上部滑動(dòng)的導(dǎo)軌，同時(shí)作為旋轉(zhuǎn)部分的軸，結(jié)構(gòu)緊湊、零件的功能得到了擴(kuò)展。在導(dǎo)軌和固定支架，分別設(shè)置有上、下機(jī)械手連接臂，兩對(duì)機(jī)械臂以導(dǎo)軌為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其上裝有上、下機(jī)械手爪。在上、下機(jī)械臂的另一端分別設(shè)置有彈簧，彈簧的作用是使機(jī)械手產(chǎn)生足夠的摩擦力抱緊立柱。在導(dǎo)軌的下部安裝電動(dòng)機(jī)，在減速機(jī)構(gòu)的輸出軸上安裝有并聯(lián)盤形凸輪和曲柄，曲柄通過連桿與移動(dòng)凸輪相連，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)器人上部和移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的上升和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。凸輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩套凸輪擺桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其中一套由上機(jī)械臂和移動(dòng)凸輪構(gòu)成另一套由下機(jī)械臂和并聯(lián)盤形凸輪構(gòu)成，它們分別裝在導(dǎo)軌的上、下部。通過曲柄、連桿將并聯(lián)盤形凸輪、移動(dòng)凸輪連接起來，使整個(gè)機(jī)構(gòu)形成一個(gè)整體，上部的擺桿機(jī)構(gòu)在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用下可以沿導(dǎo)桿上下移動(dòng)。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，上、下部機(jī)械臂擺動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)械手依次實(shí)現(xiàn)夾緊和放松的聯(lián)動(dòng)。圖2-1機(jī)構(gòu)圖以及機(jī)器人簡圖機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理可分為以下幾個(gè)部分：1) 在初始狀態(tài)1時(shí)，機(jī)器人下機(jī)械手夾緊，同時(shí)上機(jī)械手松開；2) 電機(jī)回轉(zhuǎn)，驅(qū)帶動(dòng)曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯(lián)盤形凸輪順時(shí)鐘轉(zhuǎn)動(dòng)，并推動(dòng)下機(jī)械臂擺動(dòng)，當(dāng)下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過升程角時(shí)，下機(jī)械手松開；與此同時(shí)上移動(dòng)凸輪向下走過空行程，在此過程上機(jī)械手抓緊，即狀態(tài)2.；3) 電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，此時(shí)機(jī)器人上機(jī)械手夾緊，下機(jī)械手開始松開，機(jī)器人下部被運(yùn)動(dòng)到極限位置，即狀態(tài)3.；4) 電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，當(dāng)下并聯(lián)盤形凸輪轉(zhuǎn)過回程角時(shí)，下機(jī)械手夾緊；與此同時(shí)上移動(dòng)凸輪向上走過空行程，在此過程上機(jī)械手開始松開，即狀態(tài)4.；5) 電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，因?yàn)橄聶C(jī)械手夾緊，上機(jī)械手松開，所以機(jī)器人上部在電機(jī)的提升推力下向上移動(dòng)，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線時(shí)，機(jī)器人上部提升到極限位置，即狀態(tài)5；從圖中可以看出機(jī)器人每運(yùn)行一周上升一次。圖2-2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)周期圖2.2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部分只有一個(gè)電機(jī)，而機(jī)器人的在運(yùn)動(dòng)過程中只有加速，減速，停止，啟動(dòng)幾個(gè)狀態(tài)，因此只需對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制即可?？刂撇糠?jǐn)M采用直流電機(jī)PWM控制方案，在設(shè)計(jì)中采用AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，單片機(jī)在程序控制下不斷給光電隔離電路發(fā)送PWM波形在設(shè)計(jì)中，采用PWM調(diào)速方式，通過改變PWM的占空比來改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 。直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：直流電機(jī)的加速、減速和電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且同時(shí)可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。同時(shí)，還包括直流電機(jī)的直接清零、啟動(dòng)（置數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。該直流電機(jī)系統(tǒng)由以下電路模塊組成：振蕩器和時(shí)鐘電路：這部分電路主要由80C51單片機(jī)和一些電容、晶振組成。設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)控制部分：主要由80C51單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。設(shè)計(jì)顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成; LED數(shù)碼顯示部分由七段數(shù)碼顯示管組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。圖2-3機(jī)器人電氣控制圖2.3小結(jié)該機(jī)器人在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下能夠?qū)崿F(xiàn)上升和下降以及停止，同時(shí)也能夠在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的加速和減速的控制，機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)主要通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，上下機(jī)械手通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)來控制上下機(jī)械手的加緊和松開，同時(shí)直流電機(jī)通過單片機(jī)的控制轉(zhuǎn)速，單片機(jī)與電機(jī)通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片連接，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)芯片輸出的電樞電壓來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)已有條件確定傳動(dòng)方案為圓錐圓柱齒輪減速，原有條件為為保證機(jī)器人的移動(dòng)速度100mm/s，減速箱輸出轉(zhuǎn)速為50r/min，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為710r/min，因此減速箱的總傳動(dòng)比為15，其運(yùn)動(dòng)簡圖如下圖所示：圖3-1運(yùn)動(dòng)簡圖由圖可知，原動(dòng)件為電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)裝置為減速器，減速器為展開式圓錐圓柱齒輪的二級(jí)傳動(dòng)3.1.1傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算(1)電機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)根據(jù)選好的電動(dòng)機(jī)可知：該電機(jī)使用電壓為12v直流電，其具體尺寸如第一部分所示(2)確定傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配傳動(dòng)比總傳動(dòng)比為15，按直齒輪圓柱齒輪傳動(dòng)比=0.25=3，則=5(3)計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)a各根軸的轉(zhuǎn)速=710r/min；=236.7r/min；=47.3r/min；b各軸的輸入輸出轉(zhuǎn)矩：=0.336N.m傳動(dòng)效率為1=0.331N.m傳動(dòng)效率為0.985=0.954N.m傳動(dòng)效率為0.96=0.94N.m傳動(dòng)效率為0.985=4.56N.m傳動(dòng)效率為0.97=4.492N.m傳動(dòng)效率為0.9853.1.2傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算<1>圓錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算A由已知可知小齒輪的轉(zhuǎn)速為710r/min，大齒輪的的轉(zhuǎn)速為236.67r/min，傳動(dòng)比為3，選定齒輪類型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù)(1)按傳動(dòng)方案，選用直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，齒形角 ，齒頂高系數(shù) =1，頂隙系數(shù) =0.2，螺旋角 =0，不變位。(2)本機(jī)器人為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用8級(jí)精度。(3)材料選擇，考慮到齒輪的重量齒輪輪芯材料選用聚苯醚（又稱PPO），該材料具有較高機(jī)械性能，尺寸穩(wěn)定性好，高溫下耐蠕變性是所有工程材料中最優(yōu)異的，此外，聚苯醚還具有耐磨，無毒，耐污染等優(yōu)點(diǎn)。輪緣采用45鋼，小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，二者材料硬度差為40HBS(4)選小齒輪齒數(shù) =17，大錐齒輪齒數(shù) =51B按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)：公式： （3-1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算值(1)試選載荷系數(shù) =1.3。(2)計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。=336N.mm(3)由表10-7選取齒寬系數(shù) =1。(4)由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù) =189.8 。(5)由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 =600MPa；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 =550MPa。(6)由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。=60=4.147(7)由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù) =0.91； 0.95。(8)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。取失效概率為1%，安全系數(shù)S1，由機(jī)械設(shè)計(jì)書（10-12）得： （3-2） （3-3）(9)試選 1.2，查得1.0， 1， 1.5*1.251.875所以， =2.25(10)(11)計(jì)算小齒輪的分度圓，代入 中的較小值得：mm(12)計(jì)算圓周速度V0.567m/s （3-4）(13)計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù) =0.567m/s，8級(jí)精度，可查得動(dòng)載荷系數(shù) =1.01，所以 =1.894(14)按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑：14.4mm （3-5）(15)模數(shù) （3-6）C.按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)：公式： （3-7）(1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算值查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 =500MPa，大齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度 =380MPa。(2)查得彎曲疲勞壽命系數(shù)， (3)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，則， （3-8） （3-9）(4)載荷系數(shù)K=2.31(5)節(jié)圓錐角 （3-10）(6)當(dāng)量齒數(shù) （3-11）161.28 （3-12）(7)查取齒形系數(shù)： ， ；(8)查取應(yīng)力校正系數(shù) ， (9)計(jì)算大小齒輪的，并加以比較。=0.0145 （3-13）=0.016 （3-14）大齒輪的數(shù)值大。(10)設(shè)計(jì)計(jì)算1.50綜合分析考慮，取m=1.5mm, =25.5mm,(11)幾何尺寸計(jì)算計(jì)算大端分度圓直徑=25.5mm, 計(jì)算節(jié)錐頂距R=40.3mm （3-15）大端齒頂圓直徑28.35mm （3-16）77.45mm （3-17）齒寬：b= 13.4mm取<2>.圓柱齒輪傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)已知小齒輪的轉(zhuǎn)速為236.7r/min，大齒輪的轉(zhuǎn)速47.3r/min,傳動(dòng)比i=5,A.選定齒輪類型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù)(1).材料選擇，小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪輪緣材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），輪芯材料選用聚苯醚，輪緣硬度為240HBS，二者材料硬度相差40HBS。(2).選擇小齒輪齒數(shù) =17，則 =5*17=85B.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式： (3-18)確定公式內(nèi)的各計(jì)算值：(1)試選載荷系數(shù)(2)計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩(3)選取齒寬系數(shù) (4)查得材料彈性影響系數(shù) 。(5)按齒面的硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ，大齒輪的接觸疲勞極限 。(6)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)小齒輪： (3-19)大齒輪： (3-20)(7)查得接觸批量壽命系數(shù)(8)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 (3-21) (3-22)C計(jì)算(1)試算小齒輪的分度圓直徑，代入中的較小值得=mm=13.9mm(2)計(jì)算圓周速度v=0.17m/s (3-23)(3)計(jì)算齒寬b=13.9mm(4)計(jì)算齒寬與齒高比b/h模數(shù)： (3-24)齒高：=1.8mm7.72 (3-25)(5)計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù)v=0.17m/s，8級(jí)精度，可查得動(dòng)載荷系數(shù)， =1.01,查得 查得使用系數(shù) =1.442由 b/h=7.72, 查得所以。 =1.8648(6) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑：=14.95mm (3-26)(7) 計(jì)算模數(shù)=0.8D按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式：m (3-27)確定公式內(nèi)的各計(jì)算值(1)查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度： (2)查得彎曲疲勞壽命系數(shù) (3)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，則， (3-28) (3-29)(4)計(jì)算載荷系數(shù) K =1.865(5)查取齒形系數(shù) (6)查取應(yīng)力校正系數(shù) (7)計(jì)算大、小齒輪的,并加以比較。 ，大齒輪的數(shù)值大。(8)設(shè)計(jì)計(jì)算=1.48綜合分析考慮，取m=0.8mm, =19，得=15.2mm, =95E幾何尺寸計(jì)算(1)分度圓直徑=15.2mm=76mm(2)中心距a=45.6mm(3)齒寬=15.2mm，取=16mm， =20mmF驗(yàn)算 =125.5N=8.4N/s<100N/s (3-30)假設(shè)成立，計(jì)算有效。3.1.3數(shù)據(jù)整理<1>.圓錐齒輪齒輪類型：直齒圓錐齒輪（ ,齒形角 ，頂高系數(shù)，頂隙系數(shù) ，螺旋角 ，不變位 ）。精度8級(jí)，小齒輪材40Cr（調(diào)質(zhì)），大齒輪輪緣材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度分別為280HBS和240HBS。大端分度圓直徑：小齒輪 ，大齒輪 節(jié)圓錐頂距：R=40.3mm節(jié)圓錐角： ， 大端齒頂圓直徑： ， 齒寬： 14mm齒數(shù)： ， 51模數(shù)m=1.5mm<2>.圓柱齒輪齒輪類型：直齒圓柱齒輪精度8級(jí)，小齒輪材40Cr（調(diào)質(zhì)），大齒輪輪緣材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度分別為280HBS和240HBS。分度圓直徑： 15.2mm， =76mm中心距：a=45.6mm 齒寬： 20mm， 16mm 齒數(shù)： 19， 95模數(shù)：m=0.8mm3.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)電機(jī)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)又把運(yùn)動(dòng)傳遞到上機(jī)械臂，同時(shí)下機(jī)械臂也要做相應(yīng)的動(dòng)作來配合上機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。因此曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為連接機(jī)器人上下機(jī)械臂的關(guān)鍵，它所做的運(yùn)動(dòng)僅僅是只是曲柄回轉(zhuǎn)、連桿的擺動(dòng)，在傳統(tǒng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般取r+e>0.75 ，r+e> 時(shí)為搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。當(dāng)r小大的機(jī)構(gòu)傳力特性比較好。其中 曲柄長度連桿長度偏心距本例中無偏心距， =0.，又機(jī)器人的機(jī)構(gòu)之間不能有干涉作用，滑塊在運(yùn)動(dòng)過程中不能觸及電動(dòng)機(jī)的頂端，由電機(jī)的尺寸圖可知，它的前提是：75+85=160mm （3-31）在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的一個(gè)重要因素就是結(jié)構(gòu)的緊湊性。在這里預(yù)選曲柄長為 =60mm、連桿長 =220mm，加上滑塊的尺寸補(bǔ)償，這樣可以，滿足上式的要求圖3-2機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)周期圖假設(shè)曲柄的轉(zhuǎn)速為r/min則轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間為： （3-32）當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)一圈時(shí)機(jī)器人上升2r即為120mm。則機(jī)器人的移動(dòng)速度：v=2 mm/s又由要求可知機(jī)器人在全負(fù)載情況下能夠保持100mm/s的運(yùn)行速度所以 應(yīng)該保持在50r/min左右。3.2.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)器人的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行分析(1).為滿足機(jī)械在高速度，高能量和高應(yīng)力狀態(tài)下工作要求，因此需求結(jié)構(gòu)的速度，以及力學(xué)性能分析，而曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的主要受往復(fù)機(jī)械慣性力影響，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的慣性力包括三部分：曲柄旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心慣性力；滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的往復(fù)慣性力以及連桿平面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力。因此本設(shè)計(jì)中采用雙導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)(2).對(duì)機(jī)構(gòu)模型運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)和平穩(wěn)進(jìn)行評(píng)估（機(jī)構(gòu)各部分的速度分析）圖3-3機(jī)構(gòu)模型圖如上圖所示，取O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，P在X軸上的坐標(biāo)為x，用x表示滑塊的位移，利用三角關(guān)系有一下式子： （3-33）從而有以下式子： （3-34）代入數(shù)據(jù)： （3-35）圖3-4位移與轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖使用matlab軟件可得到該函數(shù)的模擬圖象又： ，故滑塊的速度為 （3-36）進(jìn)而可以得到滑塊的加速度： （3-37）同時(shí)又由正玄定理：； （3-38）又?jǐn)[角的表達(dá)式可表示為： （3-39）對(duì)式6兩次求導(dǎo)： （3-40） （3-41） （3-42）利用已知可以得出關(guān)于的關(guān)系式： （3-43） （3-44）圖3-5位移與擺角的關(guān)系圖至此，我們得到了滑塊位移x有關(guān) 的表達(dá)式和連桿擺角 運(yùn)動(dòng)規(guī)律中有關(guān)變量的表達(dá)式。雖然我們得到了有關(guān)變量的解析式，但對(duì)于問題的解并沒有達(dá)到要求，因3-43和3-45比較復(fù)雜，不易求解，于是可使用近似方法求解。將位移的表達(dá)式4-3改寫為： （3-45）一般而言， ，于是利用麥克勞林公式：-1<<1 （3-46）可將滑塊位移的模型3-33近似為： （3-47）從而滑塊的速度和加速度可近似為如下： （3-48） （3-49）擺角可以利用麥克勞林公式：，-1< <1 （3-50）得到擺角的近似模型： （3-51）得到近似角速度： （3-52）近似角加速度： （3-53）圖3-6滑塊速度與搖桿的角加速度關(guān)系圖從圖中可以看出，在一個(gè)周期內(nèi)，滑塊的移動(dòng)速度和連桿擺角的角速度曲線和加速度曲線都比較平滑、無拐點(diǎn)，沒有出現(xiàn)不連續(xù)的點(diǎn)，整個(gè)機(jī)構(gòu)模擬運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無抖動(dòng)3.2.2滑塊連桿連接鉸點(diǎn)的受力分析電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中，連桿對(duì)上連接件的力可分解為水平分力和垂直分力，垂直分力就是電機(jī)的提升力，水平分力對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)來說是有害的。電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，搖桿在鉛垂方向的力即電機(jī)的提升力為： （3-54）在上式中，曲柄轉(zhuǎn)角為自變量，擺角的相似模型 sin，由此可以看出，除了 是自變量以外，曲柄，連桿的長度也是影響電機(jī)提升力的因素，連桿的長度是由機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)所決定，在一定范圍內(nèi)是可以修改曲柄的長度來改變搖桿的提升力，曲柄越小，電機(jī)提升力越大。在此設(shè)計(jì)中必須滿足凸輪的壓力角 = ，選擇凸輪起點(diǎn)為提升力零點(diǎn)，所以這里機(jī)器人下并聯(lián)盤形凸輪的升程角和回程角就很好的避開了提升力的零點(diǎn)問題。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，其水平分力公式為： （3-55）從上圖中可以看出，在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)過程中，連桿對(duì)上連接件的水平分力對(duì)機(jī)器人是有害的，進(jìn)過模擬后擬在上連接件上采用了雙導(dǎo)向柱，這樣就可以通過過定位的方式來消除這個(gè)有害的水平分離力。3.3凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.3.1下機(jī)械手并聯(lián)盤形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)工作要求選定凸輪機(jī)構(gòu)形式；凸輪機(jī)構(gòu)是含有凸輪的一種高副機(jī)構(gòu)，也是一種常用機(jī)構(gòu)。凸輪式一個(gè)具有曲面輪廓的構(gòu)件，一般多為原動(dòng)件（有時(shí)為機(jī)架）；當(dāng)凸輪為原動(dòng)件時(shí)，通常做等速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)，而從動(dòng)件則按預(yù)期輸出特性要求作連續(xù)或間歇的往復(fù)擺動(dòng)、移動(dòng)或平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過建?？傻贸鐾馆嗇喞淖畲鬄?4mm，同時(shí)機(jī)械手抓的擺動(dòng)角度為 ，擺動(dòng)距離約為7.5mm，擺動(dòng)距離如下圖所示圖3-7手抓張開簡圖對(duì)于凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的最大位移為15mm，凸輪機(jī)構(gòu)的偏距e=0，手抓在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)中只有夾緊和松弛兩種狀態(tài)，因此選定凸輪形式為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，此種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)過程中速度為常數(shù)，即從動(dòng)件（手抓）相對(duì)于機(jī)器人機(jī)架是靜止的。圖3-10盤形凸輪3.3.2上機(jī)械手移動(dòng)凸輪設(shè)計(jì)下面為移動(dòng)凸輪的具體尺寸：圖3-8移動(dòng)凸輪3.4機(jī)械手爪設(shè)計(jì)在攀爬桿狀的城市建筑直徑范圍D=100-140mm，機(jī)械手連接臂繞導(dǎo)桿擺動(dòng)角度范圍在 以內(nèi)，為了給機(jī)器人往城市桿狀建筑上的順利安裝設(shè)計(jì)機(jī)械手連接臂導(dǎo)桿擺動(dòng)角度范圍為 ，同時(shí)考慮到電機(jī)在手抓平面上的尺寸，通過對(duì)桿的考察可得出機(jī)械手抓的大體尺寸如下圖所示。圖3-9機(jī)械手抓簡圖機(jī)械手的長度大概為216mm,采用鋁合金材料厚度為10mm左右，手抓的重量大概為0.2kg3.4.1機(jī)械臂非線性分析機(jī)器人的關(guān)鍵部分如機(jī)械連接臂，對(duì)機(jī)器人的爬行具有很重要作用，在機(jī)器人爬行過程中，當(dāng)機(jī)械手夾緊時(shí)，此時(shí)受力最大，機(jī)械臂變形最大，因此需對(duì)機(jī)械臂的變形繞度進(jìn)行評(píng)估。通過計(jì)算機(jī)的模擬可知機(jī)械臂在鉛垂方向上受力分析可簡化為一懸臂梁受力情形。機(jī)械手連接臂的截面如圖所示為一長方形 （3-56）其中：，。符號(hào)意義：長方形截面對(duì)X軸的慣性（ ）；長方形截面對(duì)X軸的抗彎截面系數(shù)（ ）長方形截面對(duì)X軸的慣性半徑（cm）；a 長（cm）；b 寬(cm)；機(jī)械手連接臂橫截面經(jīng)過簡化可近似為正方形的細(xì)長彎曲桿。長桿幾何參數(shù)可簡化為：=313.58mm；B=10mm；H=10mm；長桿材料參數(shù)：彈性模量E=70GPa；泊松比V=0.3；當(dāng)機(jī)器人在桿狀物上工作時(shí)，特別是在上機(jī)械手夾緊，下機(jī)械手松開狀態(tài)時(shí)，機(jī)械手連接臂受力變形最大。由于機(jī)械手連接臂的長度遠(yuǎn)大于其他方向的尺寸，因此機(jī)械臂可簡化為一受力懸臂梁。圖3-11機(jī)器人上機(jī)械手簡化由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，簡化如上圖所示，實(shí)線和雙點(diǎn)劃線沿坐標(biāo)軸對(duì)稱（實(shí)線和雙點(diǎn)劃線分別代表機(jī)械手的左右臂）。虛線（連接件）和它們絞接。這樣在分析受力時(shí)，我們可以忽略其繞Y軸的鉛垂位移，只考慮其繞X軸的鉛垂位移。這樣機(jī)械手臂可簡化為一長為315mm的懸臂梁，因機(jī)械手成對(duì)使用，實(shí)際工況中每只機(jī)械手連接臂末端載荷為F=25N，應(yīng)用材料力學(xué)公式求端點(diǎn)處的繞度： （3-56）由此可看出機(jī)械手連接臂在處于懸臂狀態(tài)時(shí)，當(dāng)連接臂末端承受最大載荷F=25N時(shí)，最大繞度值為=4.404mm，可以忽略不計(jì)。3.5電動(dòng)機(jī)選擇在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，電機(jī)的選擇很總重要，對(duì)于爬行機(jī)器人而言，電機(jī)的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)形式都是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要考慮的重要方面，從結(jié)構(gòu)緊湊性方面考慮，在電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸上，直角電機(jī)比標(biāo)注電機(jī)占用更小空間。經(jīng)過比較選用廈門精研自動(dòng)化元件公司（）生產(chǎn)的直角電機(jī)整個(gè)機(jī)殼有鋁合金制作，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較緊湊、密封性、潤滑性都比較好。電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人攀爬的動(dòng)力源和主要部件之一，它的結(jié)構(gòu)尺寸同時(shí)也影響到機(jī)器人其他相關(guān)部件的尺寸大小，直角電機(jī)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)特殊的空間結(jié)構(gòu)尺寸也是筆者選擇它的一個(gè)主要原因。經(jīng)過查詢?cè)撾姍C(jī)的總重為1.6Kg，同時(shí)還查的電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)以及轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩圖。圖3-12電動(dòng)機(jī)參數(shù)圖該電機(jī)使用12V直流電，轉(zhuǎn)子為齒輪軸的可逆電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為01000r/min范圍內(nèi)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速近似線性關(guān)系。在額定轉(zhuǎn)速情況下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為710r/min，電機(jī)實(shí)物以及相關(guān)尺寸如下圖所示：圖3-13電機(jī)實(shí)物圖4電氣控制4.1系統(tǒng)論述4.1.1 基本原理主體電路：即直流電機(jī)PWM控制模塊。這部分電路主要由80C51單片機(jī)的I/O端口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小和了解電機(jī)的轉(zhuǎn)向，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。同時(shí)，還包括直流電機(jī)的直接清零、啟動(dòng)（置數(shù)）、暫停、連續(xù)等功能。其間是通過80C51單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到L298驅(qū)動(dòng)芯片來控制直流電機(jī)工作的。因此該直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設(shè)計(jì)控制部分：主要由80C51單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。顯示設(shè)計(jì)部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤來實(shí)現(xiàn)。4.1.2 總體設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)組成：直流電機(jī)PWM調(diào)速方案如圖4-1所示：方案說明：直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為控制核心，由命令輸入模塊、LCD顯示模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，定時(shí)不斷給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送PWM波形，H型驅(qū)動(dòng)電路完成電機(jī)正，反轉(zhuǎn)控制；同時(shí)單片機(jī)不停的將從鍵盤讀取的數(shù)據(jù)送到LCD顯示模塊去顯示，從中不僅能讀取其速度，而且能知道其轉(zhuǎn)向及一些提示。圖 4-1 直流電機(jī)PWM調(diào)速方案4.2直流電機(jī)單元電路設(shè)計(jì)與分析4.2.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（內(nèi)含CMOSS管、三太門等）組成?，F(xiàn)在介紹下直流電機(jī)的運(yùn)行原理(1)直流電機(jī)類型直流電機(jī)可按其結(jié)構(gòu)、工作原理和用途等進(jìn)行分類，其中根據(jù)直流電機(jī)的用途可分為以下幾種：直流發(fā)電機(jī)（將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能）、直流電動(dòng)機(jī)（將直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能）、直流測速發(fā)電機(jī)（將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)）、直流伺服電動(dòng)機(jī)（將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)）。下面以直流電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象 。(2) 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分共同組成。在定子上裝有固定磁極（電磁式直流電機(jī)磁極由繞在定子上的磁繞提供），其轉(zhuǎn)子由硅鋼片重疊壓制而成，兒轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)嵌有電樞繞組，電樞繞組通過換向器和電刷引出,直流電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。 (3) 直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)電路模型如圖4-2所示，磁極N、S間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個(gè)線圈abcd。當(dāng)線圈中流過電流時(shí)，線圈會(huì)受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過線圈中電流改變方向時(shí)，線圈的受力方向也將會(huì)改變，因此通過改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向 。圖4-2直流電動(dòng)機(jī)電路模型(4) 直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)直流電機(jī)的主要額定值有：額定功率 ：在額定電流和電壓下，電機(jī)的負(fù)載能力。額定電壓 ：長期運(yùn)行的最高電壓。 額定電流 ：長期運(yùn)行的最大電流。額定轉(zhuǎn)速n：單位時(shí)間內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢。以r/min為單位。 勵(lì)磁電流 ：施加到電極線圈上的電流。(5) 直流電機(jī)PWM調(diào)速原理1）直流電機(jī)轉(zhuǎn)速直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖4-3表示，由圖可見電機(jī)的電樞電動(dòng)勢的 正方向與電樞電流的 方向相反， 為反電動(dòng)勢；電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 及空載轉(zhuǎn)矩 均與n相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖4-3直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動(dòng)勢平衡方程式4-1： （4-1）式4-1中， 為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)繞阻與電刷接觸電阻的總和；是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： （4-2）式4-2中， 為電動(dòng)勢常數(shù)，是磁通量。由4-1式和4-2式得 （4-3）由式4-3中可以看出，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速電樞兩端的電壓 所決定，也就是說電樞電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越快，當(dāng)電樞電壓降低到0V時(shí)，電機(jī)就停止了轉(zhuǎn)動(dòng)；而改變電樞電壓的極性，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。2）PWM電機(jī)調(diào)速原理對(duì)于直流電機(jī)來說，如果加在電樞兩端的電壓為4-5所示的脈動(dòng)電流壓（要求脈動(dòng)電壓的周期遠(yuǎn)小于電機(jī)的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變 和 寬度，得到的電壓將發(fā)生變化，下面對(duì)這一變化進(jìn)一步推導(dǎo)。 圖4-4施加在電樞兩端的脈動(dòng)電壓設(shè)電動(dòng)機(jī)接全電壓U時(shí)，其轉(zhuǎn)速最大為 。若施加到電樞兩端的脈動(dòng)電壓占空比為 ，則電樞的平均電壓為：=UD （4-4）由式4-3得到：； （4-5）在假設(shè)電樞內(nèi)阻轉(zhuǎn)小的情況下式中K= U/ Ce，是常數(shù)。圖4-5為施加不同占空比時(shí)實(shí)測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。圖4-5占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系由圖看出實(shí)際上轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全的線性關(guān)系（圖中實(shí)線），原因是電樞本身也有電阻，但是一般直流電機(jī)的內(nèi)阻都比較小，可以近視為線性關(guān)系。由此可見，改變施加在直流電機(jī)電樞兩端電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是直流電機(jī)PWM調(diào)速原理。(6) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)根據(jù)直流電機(jī)的工作原理，從PROTEUS選取元器件如下，放置元器件、放置電源和地連線，我們參照此設(shè)計(jì)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路 2SK1058 : CMOSS管 74L26 : 三太門 1N4006 : 二極管 VSCOURCE : 電源 MOTOR-ENCODER : 直流電機(jī) RES : 電阻 AT89C51 : 單片機(jī) (在此并未顯示)然而考慮市場的行情，因?yàn)橐延袑ｉT地為電機(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的電子芯片，因此就沒必要再重新來設(shè)計(jì)；選用L298芯片來構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)基本上跟上圖一樣，由L298芯片組裝的驅(qū)動(dòng)模塊。所用元器件如下所示： 1N4006 ： 二極管； AT89C51 ： 單片機(jī)； RES ： 電阻； MOTOR-ENCODER ： 直流電機(jī)； L298 ： 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片； RESPACK-8 ：排阻； (7)程序設(shè)計(jì)流程圖圖4-6定時(shí)中斷服務(wù)流程圖4.2.2直流電機(jī)的中斷鍵盤控制模塊(1)外部中斷設(shè)置1） 外部中斷允許設(shè)置中斷控制寄存器IE的EX0對(duì)應(yīng)INT0，EX1對(duì)應(yīng)INT1，EA為中斷的總開關(guān)，若要開放外部中斷，只要將IE對(duì)應(yīng)的位和總開關(guān)EA置1即可。如：開放外部中斷0的設(shè)置：SETB EX0；SETB EA；開放外部中斷0和1的設(shè)置：SETB EX0；SETB EX1；SETB EA；2） 外部中斷觸發(fā)方式設(shè)置單片機(jī)外部中斷有兩種觸發(fā)方式，一種是電平觸發(fā)方式，另一種是脈沖觸發(fā)方式，單片機(jī)外部中斷觸發(fā)方式與TCON的IT位有關(guān)。表4-1TCON的IT位TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0電平觸發(fā)設(shè)置方法：CLR ITX，為低電平觸發(fā)方式。脈沖觸發(fā)設(shè)置方法：SETB ITX1，為脈沖下降沿觸發(fā)方式。在使用外部中斷時(shí)，如果不進(jìn)行設(shè)置，則為電平觸發(fā)方式。3） 外部優(yōu)先級(jí)設(shè)置 外部中斷IN0、INT1的中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)置是通過設(shè)置IP寄存器實(shí)現(xiàn)的，IP的PX0對(duì)應(yīng)INT0，PX1對(duì)應(yīng)INT1。PX置1為高級(jí)中斷，PX為0為低級(jí)中斷。表4-2IP寄存器PSPT1PX1PT0PX0(2) 外部中斷擴(kuò)展方法在圖4-10為外部中斷擴(kuò)展方法，設(shè)X1、X2、X3、X4、X5為外部警情信號(hào)，X1代表是加速信號(hào)，X1=0表示加速；X2代表減速信號(hào)，X2=0表示減速；X3代表正轉(zhuǎn)信號(hào)，X3=0表示正轉(zhuǎn)；X4代表反轉(zhuǎn)信號(hào)，X4=0表示反轉(zhuǎn)；X5代表停止信號(hào)，X5=0表示停止處理。當(dāng)系統(tǒng)檢測到有中斷請(qǐng)求時(shí)，響應(yīng)如下中斷服務(wù)流程圖4-7。圖4-7 中斷服務(wù)流程4.2.3 1602LCD液晶顯示模塊(1) 引腳分布和接口信號(hào)說明1)引腳分布1602液晶顯示共有16個(gè)引腳。2)引腳功能1602引腳功能如表4-3所示表4-3 1602引腳功能編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSSVSS為地電源9D2Data I/O2VDDVDD接5V正電源10D3Data I/O3VEE液晶顯示偏壓信號(hào)11D4Data I/O4RS0輸入指令，1輸入數(shù)據(jù)12D5Data I/O5R/W0寫入指令或數(shù)據(jù)，1讀信息13D6Data I/O6E1讀取信息，10執(zhí)行指令14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正極8D1Data I/O16BLK背光源負(fù)極(2) LCD液晶電路(3) 顯示程序流程圖如4-8所示圖4-8程序流程圖4.3直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)4.3.1 總電路圖圖4-9總電路4.3.2 總電路功能介紹直流電機(jī)PWM調(diào)制控制系統(tǒng)具有加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能。操作開關(guān)通過中斷控制直流電機(jī)的加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能，并通過LCD液晶顯示。振蕩、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路由80C51單片機(jī)內(nèi)部給出。直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度由LCD液晶顯示。操作開關(guān)狀態(tài)可由液晶顯示器顯示。4.3.3 直流電機(jī)控制程序ORG 0000HSJMP DISPLAYORG 0003HLJMP BUTTON ；外部0中斷入口地址ORG 000BH；LJMP DINGSHI ；定時(shí)中斷T0入口地址RS EQU P3.0RW EQU P3.1E EQU P3.4ORG 0030H ；此次直流電機(jī)的設(shè)計(jì)以LCD字符夜晶的顯示程序?yàn)橹鞒绦駾ISPLAY：SETB EA ； 打開中斷總開關(guān)SETB EX0 ；打開外部中斷0開關(guān)SETB IT0 ；打開外部中斷0下降沿觸發(fā)MOV TMOD,#01H ；設(shè)置定時(shí)工作方式MOV TL0,#0FFH ；設(shè)置定時(shí)初值MOV TH0, #0FFHSETB ET0 ；打開定時(shí)中斷T0開關(guān) CLR P0.5 CLR P0.6CLR P0.7SETB TR0 ；定時(shí)器T0開始定時(shí)MOV DPTR,#TAB ；夜晶顯示的字符首地址 MOV R0,#00H ；脈寬的初值MOV R1,#16 ；"SET SPEED PLEASE"的字符個(gè)數(shù)MOV R3, #00HMOV R4, #00HLP9：LCALL CHUSHILP2：ACALL BUSYMOV A, #00HMOVC A,A+DPTRMOV P1, AACALL DATASINC DPTR DJNZ R1, LP2 LP3： CJNE R3,#00H,LP4CJNE R4,#00H,LP4SJMP LP3 LP4： MOV R7,#00H ；中斷的標(biāo)志 MOV R5,#09H ；CURRENT : 的字符個(gè)數(shù)ACALL BUSYMOV P1, #0C0HACALL ENABLEMOV DPTR, #MMTABACALL BUSYLP5：MOV A, #00HMOVC A,A+DPTRMOV P1, AINC DPTRACALL DATASACALL BUSYDJNZ R5, LP5 MOV DPTR, #STABMOV A, R2MOV P1, AACALL DATASACALL BUSYMOV A,R3 ；顯示速度的十位MOVC A,A+DPTRMOV P1, AACALL DATASACALL BUSYMOV A,R4 ；顯示速度的個(gè)位MOVC A,A+DPTRMOV P1, A ACALL DATAS ；使夜晶始終顯示當(dāng)前電機(jī)的速度LP8：CJNE R7,#00H,LP7 ；速度不變時(shí)等待LJMP LP8 ；速度變時(shí)重新讀入速度LP7： SJMP LP4CHUSHI：ACALL BUSY ；使夜晶顯示的一些初始設(shè)置MOV P1,#00000001B ；清屏并光標(biāo)復(fù)位ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00111000B ；設(shè)置顯示模式:8位2行5x7點(diǎn)陣ACALL ENABLEACALL BUSY MOV P1,#00001111B ；顯示器開、光標(biāo)開、光標(biāo)允許閃爍ACALL ENABLEACALL BUSYMOV P1,#000001