小型清掃機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì)

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1、 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題 目： 小型清掃機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 興 湘 學(xué) 院 專 業(yè)： 機(jī)械制造及其自動(dòng) 學(xué) 號(hào)： 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(jì)）任務(wù)書(shū) 論文（設(shè)計(jì)）題目： 小型清掃機(jī)器人的控制部分設(shè)計(jì)

2、 學(xué)號(hào)： 2007964217 姓名： 江 培 專業(yè)： 機(jī)械制造及其自動(dòng)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(guó)內(nèi)外清掃機(jī)器人的發(fā)展動(dòng)態(tài)，分析國(guó)內(nèi)的情況； 2、分析清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；

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

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(yǔ)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（打印）稿同冊(cè)裝訂。 二、重點(diǎn)研究的問(wèn)題 1、清掃機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇設(shè)計(jì)； 2、清掃機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；

5、 3、清掃機(jī)器人的單片機(jī)硬件控制系統(tǒng)中外圍硬件設(shè)備的選擇及設(shè)計(jì)。 三、進(jìn)度安排 序號(hào) 各階段完成的內(nèi)容 完成時(shí)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(jì) 2011年3月6日-3月20日 3 完成清掃機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 方案選擇設(shè)計(jì) 2011年3月21日-4月10日 4 完成清掃機(jī)器人

6、的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì) 2011年4月11日-4月25日 5 完成清掃機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì) 2011年4月26日-5月10日 6 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)和編輯 2011年5月11日-5月19日 7 交畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(xiàn) [1] 李鴻主編.單片機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)C 程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例[M],北京：人民郵電出版 社， 2004 [5] 湯　陽(yáng),戴光智,王銳鵬. 家用自主吸塵機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)[J].計(jì)算機(jī) 測(cè)量與控制,2006,14 11 :1554 - 1556. [6] 趙龍慶，徐國(guó)棟.一種基與單片機(jī)的步

8、進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器[J]，西南林學(xué)院 學(xué)報(bào)，2005.6 潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表 學(xué)號(hào) 2007964217 姓名 江 培 專業(yè) 機(jī)械制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 小型清掃機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目 評(píng) 價(jià) 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(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)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(huì)等實(shí)際相結(jié)合。 能力 1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力； 3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力； 4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。 論文 （設(shè)計(jì)）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(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)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(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何； 3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。 綜 合 評(píng)

10、 價(jià) 選題基本合理，符合專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)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(xiàn)、綜合歸納資料的能力，能較好的運(yùn)用知識(shí)，基本具備研究方案的設(shè)計(jì)能力和研究方法和手段的運(yùn)用，具備一定的外文與計(jì)算機(jī)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(yùn)行正確。文字比較通順，觀點(diǎn)有所提煉，綜合概括能力比較好。 評(píng)閱人： 年 月 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見(jiàn) 學(xué)號(hào)： 2007964217 姓名： 江 培 專業(yè)： 機(jī)械制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）

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

12、，有著廣闊的市場(chǎng)前景。本設(shè)計(jì)圍繞結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(xiě)的方面 進(jìn)行設(shè)計(jì)。后兩者為本設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。本清掃機(jī)器人采用圓柱形結(jié)構(gòu)，兩后輪 分別由步進(jìn)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。有較強(qiáng)的靈活性和準(zhǔn)確性。車前碰板的設(shè)計(jì)和沿X 軸和Y軸遍歷方式是本設(shè)計(jì)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(píng)語(yǔ) 江培同學(xué)的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目為“小型清掃機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì)”。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，該同學(xué)勤奮刻苦、勇于鉆研，能夠積極根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)開(kāi)展工作。所設(shè)計(jì)的清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)合理，算法和程序設(shè)計(jì)合

13、理清晰，原理接線圖表達(dá)較為正確，各個(gè)零部件選擇恰當(dāng)。設(shè)計(jì)工作量飽滿，說(shuō)明書(shū)寫(xiě)作認(rèn)真，計(jì)算、校核正確，文獻(xiàn)翻譯較準(zhǔn)確。達(dá)到了本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ) 江培同學(xué)的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于生活實(shí)際，對(duì)清掃機(jī)器人 進(jìn)行了控制部分的設(shè)計(jì)。 該同學(xué)的設(shè)計(jì)算法合理，圖形表達(dá)基本正確，型號(hào)選擇合理。設(shè)計(jì)工作量飽滿，說(shuō)明書(shū)、文獻(xiàn)翻譯書(shū)寫(xiě)認(rèn)真。答辯過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)和原理圖的陳述清楚，回答問(wèn)題正確。達(dá)到了本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，成績(jī)?cè)u(píng)定為 。 答辯小組組長(zhǎng)：

14、 年 月 日 答辯委員會(huì)意見(jiàn) 答辯委員會(huì)主任： 年 月 日 目錄 摘要 1 ABSTRACT 2 第一章 緒論 3 1.1 國(guó)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(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn) 4 1.4家庭清掃機(jī)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(shì) 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(jì) 7 2.1整體結(jié)構(gòu)布局 7 2.2驅(qū)動(dòng)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(jì) 11 3.1 AT89系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 14 3.2 外圍電路 15 (1)電源 15 (2)復(fù)位電路 16 (3)時(shí)鐘電路 17 3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 18 3.4 檢測(cè)電路 20 3.5 光電編碼器 23 第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 25 4.1控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 25 4.2 AT89C51定時(shí)器設(shè)置 27 1.計(jì)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(jí)寄存器IP 30

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

17、。其主要工作內(nèi)容包括:小車機(jī)械本體設(shè)計(jì)、控制理論的介紹、AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路及檢測(cè)電路設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和機(jī)器人避障性能測(cè)試試驗(yàn)。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的機(jī)器人樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自主避碰的功能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞:清潔機(jī)器人;避障;AT89C51單片機(jī) 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(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 在國(guó)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(duì)清掃機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究并取得了一些成果，對(duì)清掃機(jī)器人相關(guān)技術(shù)如機(jī)器感知、機(jī)器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機(jī)器人控制、電源與電源管理、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的研究則更多，這些都為清掃機(jī)器人的研究開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)出一種全方位移動(dòng)清掃機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：采用全方位移動(dòng)技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對(duì)狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開(kāi)放式機(jī)器人鉸制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展，軟件可移植、可繼承，使機(jī)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(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)行方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自動(dòng)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(jī)械電子研究所開(kāi)始進(jìn)行智能吸塵機(jī)器人的研究，兩年后設(shè)計(jì)成功國(guó)內(nèi)第一個(gè)具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人。這種智能吸塵機(jī)器人工作時(shí)，首

23、先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)：利用超聲波傳感器測(cè)距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時(shí)獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時(shí)間；之后，利用隨機(jī)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(bǔ)充電力。吸塵機(jī)器人在5.5×3.5m2的實(shí)際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達(dá)到90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗(yàn)還沒(méi)有進(jìn)行。目前，系統(tǒng)正在引入機(jī)器視覺(jué)和全局 圖1國(guó)內(nèi)公司生產(chǎn)的機(jī)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(jī)器人是今年在市場(chǎng)以低價(jià)位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國(guó)內(nèi)首個(gè)產(chǎn)品化清掃機(jī)器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂(lè)場(chǎng)所，以及其它一些人員不便進(jìn)入的地方。KV8能夠通過(guò)自身的碰撞傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)的清掃和碰撞處理，需要人工對(duì)其電池進(jìn)行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動(dòng)時(shí)伴有音樂(lè)聲。 1.2 研究的目的和意義 清掃機(jī)器人將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作，近年來(lái)已受到國(guó)內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化清掃機(jī)器人比較具體地體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。從市

25、場(chǎng)前景角度講，清掃機(jī)器人將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于家庭和公共場(chǎng)館的室內(nèi)清潔。因此，開(kāi)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(chǎng)前景。 融合現(xiàn)代傳感器以及機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開(kāi)發(fā)一部?jī)r(jià)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(jī)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(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn) l 由前面的設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)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(jì)和布置好清掃機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，吸塵機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)存垃圾機(jī)構(gòu)。 l 遍歷方式的選擇，以及如何用軟件控制實(shí)現(xiàn)其避障功

26、能 1.4家庭清掃機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)吸塵機(jī)器人系統(tǒng)通常由四個(gè)部分組成:移動(dòng)機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)是吸塵機(jī)器人的主體,決定了吸塵器的運(yùn)動(dòng)空間,一般采用輪式機(jī)構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測(cè)距儀、接觸和接近傳感器、紅外線傳感器等。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展,清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)已具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。清掃機(jī)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(cè)環(huán)境、分析信號(hào),以及通過(guò)適當(dāng)?shù)慕７椒▉?lái)理解環(huán)境,具有特別重要的意義。目前發(fā)展

27、較快、對(duì)清掃機(jī)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(jī)器人正常工作,必須對(duì)機(jī)器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,還要感知機(jī)器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息,使得吸塵機(jī)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(shì) 雖然清掃機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)步,進(jìn)入了實(shí)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(jī)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(jià)廉物

28、美的吸塵器給人們的清潔工作帶來(lái)了一定的便利,但過(guò)大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步。清掃機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)新產(chǎn)品,將使人們能在無(wú)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(jià)格低的特點(diǎn), 清掃機(jī)器人將具有誘人的市場(chǎng)前景,有關(guān)資料也預(yù)測(cè)清掃機(jī)器人是未來(lái)幾年需求量最大的服務(wù)機(jī)器人。特別是日用清潔電器不論是在市場(chǎng)上或者是在產(chǎn)品的創(chuàng)新上,絕對(duì)是所有小家電產(chǎn)品中最活躍的,未來(lái)仍有相當(dāng)大的成長(zhǎng)空間。盡管目前國(guó)內(nèi)外在清掃機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過(guò)高和許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚急待解決或提高,主要有以下幾個(gè)方面: (1)目前,價(jià)格過(guò)高是嚴(yán)

29、重影響清掃機(jī)器人打入家電市場(chǎng)的主要因素,因此為了大幅度降低其成本,我們必須開(kāi)發(fā)專用運(yùn)動(dòng)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(lán)牙技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過(guò)采用藍(lán)牙技術(shù)將過(guò)高的數(shù)字處理器成本轉(zhuǎn)移到用戶的個(gè)人電腦上,則有望在短期內(nèi)將清掃機(jī)器人的成本控制在千元左右。 (2)未來(lái)的清掃機(jī)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(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制技術(shù),研究開(kāi)發(fā)出對(duì)環(huán)境變化具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性、對(duì)環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制器,使吸塵機(jī)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(duì)現(xiàn)有的吸塵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)環(huán)境的臟潔程度,采用模糊邏輯等技術(shù)設(shè)計(jì)合理的吸塵時(shí)間以及相協(xié)調(diào)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度,確保滿意的吸塵效果。 (4)電源技術(shù)是吸塵機(jī)器人的核心之一,除了有效地提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和吸塵速度以延長(zhǎng)電池的實(shí)際吸塵時(shí)間外,還尚需優(yōu)化自動(dòng)充電方案,保證機(jī)器人能及時(shí)進(jìn)行充電,自動(dòng)完成對(duì)指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。隨著吸塵機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)和性能價(jià)格比的不斷提高或改進(jìn),相信根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件,未來(lái)幾年內(nèi)就會(huì)推出價(jià)格適中的全自動(dòng)吸塵機(jī)器人產(chǎn)品,進(jìn)而使吸塵機(jī)器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶,為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來(lái)可觀的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)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(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇，傳感器的選擇，控制算法的研究，硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程及試驗(yàn)。 1.機(jī)械結(jié)構(gòu)部分 包括機(jī)器人構(gòu)成方案選擇、機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 2.避障系統(tǒng)控制方案 包括機(jī)器人障礙檢測(cè)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(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和傳感 器檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì) 4.控制系統(tǒng)軟件部分 包括AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

32、 第二章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1整體結(jié)構(gòu)布局 整個(gè)機(jī)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(kāi)關(guān)組成的接觸式傳感器。機(jī)器人前輪為隨動(dòng)輪,后輪采用差動(dòng)式驅(qū)動(dòng),光電編碼器裝在前隨動(dòng)輪上,與隨動(dòng)輪同軸。當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí),碰板帶動(dòng)光開(kāi)關(guān)移動(dòng)產(chǎn)生信號(hào)變化。光電傳感器對(duì)車體側(cè)面進(jìn)行探測(cè)，判斷左右轉(zhuǎn)彎是否可行。如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2所示： 碰板光電傳感器 檢測(cè)懸空的光電傳感器 隨動(dòng)輪 兩獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪 吸塵入口 兩反向旋轉(zhuǎn)的邊刷 圖2 清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

33、考慮到機(jī)構(gòu)和控制的復(fù)雜性,本清掃機(jī)器人采用圓形車體,圓形車體的最大優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)靈活,控制簡(jiǎn)單,不會(huì)發(fā)生卡死的現(xiàn)象。 車體前端是一個(gè)碰板系統(tǒng)由一套機(jī)械裝置和光電開(kāi)關(guān)組成,用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)前方的障礙物。左右二個(gè)后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng),每個(gè)輪子都有電機(jī)、光電傳感器,各自是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),只接受控制系統(tǒng)的控制信號(hào)和反饋給控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)信息。中間鏤空的部分是清掃系統(tǒng),包括二個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)清掃裝置和一個(gè)吸塵裝置。車體左右二側(cè)裝有二個(gè)光電傳感器,用于對(duì)小車轉(zhuǎn)彎可行性判斷。前輪的支撐部分是一個(gè)垂直方向可滑動(dòng)桿,中間有彈簧做緩沖(運(yùn)動(dòng)的時(shí)候也有減震的作用)。 本機(jī)器人沒(méi)有采用陣列式碰撞傳感器。而是獨(dú)立設(shè)計(jì)了一塊碰板

34、和光電開(kāi)關(guān)組成,它可以檢測(cè)到車體前方的一切障礙物,不存在任何盲點(diǎn)?；⌒蔚呐霭逋ㄟ^(guò)2個(gè)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(dòng),而和車體連接的部分可以旋轉(zhuǎn),碰板二端和光電開(kāi)關(guān)相連,當(dāng)碰撞引發(fā)碰板移動(dòng)后,通過(guò)光電開(kāi)關(guān)的變化把信號(hào)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(guò)2個(gè)光電開(kāi)關(guān)的組合狀態(tài)給出,如果2個(gè)光電開(kāi)關(guān)的初始狀態(tài)是0。如表1所示。 表1 碰撞檢測(cè)對(duì)照表 左光電開(kāi)關(guān) 0 0 1 1 右光電開(kāi)關(guān) 0 1 0 1 障礙物位置 未碰撞 右前 左前 正前 整個(gè)清掃系統(tǒng)通過(guò)后方的圓孔和車體相鉸接,可以作很小

35、幅度的擺動(dòng),這樣的設(shè)計(jì)將使機(jī)器人對(duì)地面的適應(yīng)性有很大提高,整個(gè)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(gè)電機(jī)提供動(dòng)力,清掃部分在前端,由電機(jī)帶動(dòng)2個(gè)旋轉(zhuǎn)方向不同的滾刷轉(zhuǎn)動(dòng),從而把紙片等大塊垃圾清掃進(jìn)后面的灰塵箱。后面的吸塵系統(tǒng)類似一個(gè)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(dòng)部分 驅(qū)動(dòng)部分是由兩個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩驅(qū)動(dòng)輪，后輪， 從而推動(dòng)吸塵器運(yùn)動(dòng)。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(dòng)結(jié)構(gòu) 通過(guò)改變作用于步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)的頻率, 可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)較高精度的調(diào)速。同時(shí)在對(duì)兩電機(jī)分別施相同或不同脈沖信號(hào)時(shí), 通過(guò)差速方式, 可以方便的實(shí)現(xiàn)吸塵器前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等功能。這一設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是吸塵器能夠在任意半徑下, 以任意速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎, 甚至當(dāng)兩后輪相互反向運(yùn)動(dòng)時(shí), 實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑􀀁即繞軸中點(diǎn)原地施轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)轉(zhuǎn)彎的速度可通過(guò)改變單片機(jī)的程序來(lái)調(diào)節(jié)。 根據(jù)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和其它結(jié)構(gòu)要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用北京四通集團(tuán)公司的57BYG250E-SAFRML-0152型兩相混合式

37、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其參數(shù)如表2.2所示; 表2.2 57BYG250E-SAFRML-0152步進(jìn)電機(jī)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(dòng)頻率（半步方式）（KHz） 3 重量（Kg） 1.5 轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)

38、程中，通過(guò)底盤(pán)上開(kāi)的吸嘴將掃過(guò)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(shí)現(xiàn)無(wú)人控制，而且工作時(shí)比較靈活。一次充電可以連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)。 2.5路徑規(guī)劃算法 在本算法中,機(jī)器人的路徑大體分為兩類: ①面覆蓋的過(guò)程,機(jī)器人走直線,相當(dāng)于一個(gè)”迂回推進(jìn)”的過(guò)程; ②從當(dāng)前點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的尋徑過(guò)程,從定位的準(zhǔn)確性考慮,路徑段也為直線。開(kāi)始的時(shí)候機(jī)器人選擇房間的一個(gè)角落( 2座墻壁的交接點(diǎn),便于機(jī)器人定位)作為初始點(diǎn),坐標(biāo)為(0,

39、0) ,即機(jī)器人上的p點(diǎn)坐標(biāo)為(0, 0) (本文中的坐標(biāo)都是指p點(diǎn)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(diǎn),沿Y軸方向進(jìn)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(lái)的死角問(wèn)題。而且由于2個(gè)方向的互補(bǔ)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(guò)2次數(shù)據(jù)融合就可以得到較為精確的環(huán)境信息機(jī)器人的路徑為迂回前進(jìn)的路徑段,每個(gè)路徑段的間隔為機(jī)器人清潔機(jī)構(gòu)的清掃直徑,碰到障礙物后,機(jī)器人的轉(zhuǎn)向90°并且側(cè)移20cm ,在轉(zhuǎn)向90°，這個(gè)動(dòng)作由控制系統(tǒng)做好保存,直接調(diào)用,記為micro1 。(在前進(jìn)過(guò)程中,發(fā)生碰撞時(shí),機(jī)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(guò)建立被控制對(duì)象的模糊模型來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制器。 所謂建立被控制對(duì)象的模糊模型就是用“如果一一那么”的形式來(lái)描述 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。一條“如果—那么”表達(dá)式就是一條控制規(guī)則，因此被控制對(duì)象的模型是由多條控制規(guī)則組成的，這樣通過(guò)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(jī)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(lái)處理) 規(guī)則2:如果機(jī)器人前方有障礙物（沿X軸方向遍歷），同時(shí)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(jī)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(jī)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(lái)處理) 規(guī)則5:如果機(jī)器人前方有障礙物（沿Y軸方向遍歷），同時(shí)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(jī)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(jī)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(jī)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(dá)路徑規(guī)劃的算法,為了描述清晰及簡(jiǎn)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(shí)際上由于采用碰撞作為邊緣觸發(fā)條件。根據(jù)清掃機(jī)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(gè)環(huán)境內(nèi)容。 第三章 硬件控制部分設(shè)計(jì) 在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)器人車體下部需安裝吸塵或清掃等輔助機(jī)構(gòu)，故控制 系統(tǒng)安裝在小車底板的上面?？刂葡到y(tǒng)硬件主

43、要包括AT89C51單片機(jī)控制系 統(tǒng)及其外圍電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和傳感器檢測(cè)電路。 3.1 AT89系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用的是AT89C51單片機(jī)。AT89系列單片機(jī)是 ATMEL公司的系列產(chǎn)品。其主要特點(diǎn)如下: .與MCS-51'”產(chǎn)品兼容 .1000次重復(fù)編程/擦寫(xiě) .具有2. 7V低電壓型號(hào) 表3. 1 AT89系列單片機(jī)的性能參數(shù) 功能參數(shù) AT89C51 AT89C52 89C1051 89C2051 閃速式存儲(chǔ)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(shí)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(jī)正常工作時(shí)，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(shuō)明書(shū)和CAD圖紙等.請(qǐng)聯(lián)系?扣扣：二五一一三三四零八 另提供全套機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)下載！ AJMP

45、 LOOP1 DLY： MOV R4，#M ;通過(guò)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(hù)現(xiàn)場(chǎng) MOV A，@R0 MOV P1.3，A ；輸出控制脈沖 ACALL DLY ；調(diào)用延時(shí)程序 INC R0

46、 ；控制字存儲(chǔ)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(guò)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(xiàn): [1] 劉鳳然，田紅巖，王侃.基于單片機(jī)的移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng). [2] 白井良明.王棣棠譯.機(jī)器人工程.科學(xué)出版社，2001: 97-99頁(yè) [3] 馬書(shū)雷.2001:機(jī)器人移動(dòng)機(jī)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(yè) [4] 楊可禎，程光蘊(yùn).機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(第三版)高等教育出版社，1998. [5] 劉寶廷，程樹(shù)康等.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)

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51、著畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，我的大學(xué)生涯很快就要?jiǎng)澤暇涮?hào)。臨近畢業(yè)，更多的是眷戀與不舍，四年，一段不短的時(shí)間，讓我從青澀走向成熟。回顧這一程求學(xué)路，給我?guī)椭娜颂嗵啵诖藢W(xué)業(yè)即將完成之際對(duì)他們獻(xiàn)上我誠(chéng)摯的謝意。 飲其流時(shí)思其源，成吾學(xué)時(shí)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(chéng)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(xiàn)，解決我們遇到的很多問(wèn)題，力爭(zhēng)讓我們的論文做到完美?！笆谌艘贼~(yú)，不如授之以漁”您教會(huì)我們的更重要的是學(xué)習(xí)的方法。您還教會(huì)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(jiān)持始終；您的博學(xué)，讓我知道學(xué)海

52、無(wú)涯仍需努力；您的樸實(shí)，讓我明白善良的價(jià)值。生活中，您還教我們?nèi)绾握嬲\(chéng)做人、做事不拖沓。老師平易近人的人格魅力，嚴(yán)謹(jǐn)進(jìn)取的治學(xué)精神和樂(lè)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(bào)。唯有今后以百倍熱情工作、學(xué)習(xí)，力爭(zhēng)有所建樹(shù)，以報(bào)師恩于萬(wàn)一。臨別之際，真誠(chéng)的祝福秦老師：身體健康，生活順心！ 最后向評(píng)審論文及參加本人論文答辯的各位老師獻(xiàn)上誠(chéng)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(jìn)龍，孫軍龍 山東大學(xué)機(jī)械工程系，中國(guó)山東省濟(jì)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(guò)熱壓成形，熱壓是為了減少噴嘴進(jìn)出口區(qū)域的拉應(yīng)力。在合成物的燒結(jié)過(guò)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(guò)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(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和一個(gè)在相同條件下不受壓應(yīng)力的參考噴嘴實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較而得。這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)研磨的加工程序并且廣泛地作為表面的加強(qiáng)[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(guò)程中，從噴嘴里出來(lái)的高速噴射的精細(xì)研磨微粒和載流氣體撞擊目標(biāo)對(duì)象的表面來(lái)沖蝕該表面。精細(xì)微粒通常由高于幾倍大氣壓的氣流來(lái)加速。粒子直接對(duì)表面進(jìn)行處理。當(dāng)粒子沖擊表面時(shí), 粒子引起一個(gè)小的破碎，氣流會(huì)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(jìn)口區(qū)域展現(xiàn)了一個(gè)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(jìn)口區(qū)段 (見(jiàn)到圖1) ，噴嘴進(jìn)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(jìn)口區(qū)域。因此，噴嘴進(jìn)口區(qū)域的沖蝕磨損相對(duì)于中心區(qū)域的磨損來(lái)說(shuō)，總是嚴(yán)重的。 圖1 沙噴過(guò)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(jì), 促使對(duì)一個(gè)表面產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，從而提高了表面的機(jī)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(bào)告疊層混合結(jié)構(gòu)能改善氧化鋁的滑動(dòng)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(shí)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(jìn)出口區(qū)域減少?gòu)垜?yīng)力 , 靠熱壓的方式生產(chǎn)。在燒結(jié)過(guò)程式中疊層噴嘴的殘余應(yīng)力由有限元方法計(jì)算而得。疊層陶瓷噴嘴沖蝕磨損對(duì)照于相同的條件下一個(gè)不受應(yīng)力的叁考噴嘴而被考查。 2．材料和實(shí)驗(yàn)步驟 2.1. 準(zhǔn)備疊層陶瓷噴嘴材料SiC /(W,Ti)C 開(kāi)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(jì)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(shí)候, SiC的最高含量的層被提出在進(jìn)入層和出口層中兩地方 ( 見(jiàn)圖 2.1 a) 。相似的無(wú)應(yīng)力的噴嘴沒(méi)有成分變化在圖中 2(b) 被顯示。疊層陶瓷噴嘴在進(jìn)入和出口兩區(qū)域叫做 GN-3, 無(wú)壓應(yīng)力噴嘴叫做 CN-2 。

58、圖2.1a為陶瓷噴嘴在進(jìn)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(wú)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(gè)小時(shí)而成濕球來(lái)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(jìn)入模子之內(nèi)。這時(shí)樣品在流動(dòng)的氮?dú)庵幸?30 MPa 壓力 ,1900 ℃溫度熱壓 40 分鐘。 2.2.噴沙測(cè)試 如圖2.2.1所示，空氣噴射研磨機(jī)床 ( GS-6 類型) 的示意圖，它由一個(gè)空氣壓縮機(jī)，一只噴射槍，一個(gè)控制閥，粒子供應(yīng)管，一個(gè)過(guò)濾器，一個(gè)干燥器，

59、一個(gè)調(diào)壓閥，灰塵捕捉器，一個(gè)研磨漏斗 , 和一個(gè)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(guò)噴嘴被調(diào)整為 60 米/ 秒。 圖2.2.1 空氣噴射研磨機(jī)床的示意圖（（ 1 ）空氣壓縮機(jī)，（ 2 ）控制閥，（ 3 ）過(guò) 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(xiàng)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(zhǎng)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(wú)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(gè)精確的電子稱測(cè)量。 ( 最小量 0.1 毫克) 。 所有的測(cè)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(guò)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(jī)制的檢測(cè), 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(cè)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(fù)荷是 200 N ，這時(shí)每層的三個(gè)壓痕的最小量被測(cè)試。每層的維氏硬度 (GPa)靠（P是壓痕負(fù)荷（N），2是壓痕對(duì)線的長(zhǎng)度）計(jì)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(duì)比白色的區(qū)域是(W,Ti)C。可以被看到，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(shí)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(jìn)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(guò)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(jì)算。（W，Ti）C和SiC的熱機(jī)械性能依下列各項(xiàng)所得: 由于對(duì)稱，軸對(duì)稱的計(jì)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(guò)程中軸向的，徑向的。很明顯，一個(gè)額外的壓縮殘余應(yīng)力在GN-3疊層噴嘴進(jìn)口與出口區(qū)域處被形成。 圖3.2 GN-3疊層噴嘴在制造過(guò)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(shí)和 CN-2 無(wú)應(yīng)力陶瓷噴嘴對(duì)比來(lái)被評(píng)定。圖3.2顯示GN-3和CN-2噴嘴在沙噴過(guò)程中累積的損失量。很明顯累積的損失量隨著操作時(shí)間不斷地增加。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，與 GN-3 疊層噴嘴比較,CN-2 無(wú)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(wú)壓應(yīng)力噴嘴在沙噴過(guò)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(jìn)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(jìn)口孔直徑隨著沖蝕時(shí)間而變化的結(jié)果如圖3.3 b所示。它被指出CN-2無(wú)壓應(yīng)力噴嘴進(jìn)口孔的直徑隨操作運(yùn)行時(shí)間而擴(kuò)大得很快。然而GN-3 疊層噴嘴進(jìn)口孔直徑慢慢地隨操作運(yùn)行時(shí)間增大。圖3.3 d表示沙噴過(guò)程中GN-3 和 CN-2 噴嘴的沖蝕率對(duì)比。顯而可見(jiàn)，無(wú)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(cè)試條件下 GN-3 疊層噴

65、嘴比起GN-2 無(wú)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(jìn)口孔直徑隨著沖蝕時(shí)間而變化 圖3.3 d 沙噴過(guò)程中GN-3 和 CN-2 噴嘴的沖蝕率對(duì)比 圖3.3 e 表明受磨損的 CN-2 無(wú)壓應(yīng)力噴嘴的進(jìn)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(jiàn)。CN-2 無(wú)壓應(yīng)力噴嘴在進(jìn)口區(qū)域處以非常脆的方式中失敗, 而且展現(xiàn)了一個(gè)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(jìn)口孔表面的典型SEM圖 如圖3.3 f所示。

66、顯而可見(jiàn)，疊層噴嘴受侵蝕的區(qū)域的出現(xiàn)表示與無(wú)壓應(yīng)力噴嘴受侵蝕的區(qū)域相比，它有一個(gè)相對(duì)平滑的表面。 圖3.3 e受磨損的CN-2無(wú)壓應(yīng)力噴嘴的進(jìn)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(jìn)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(jìn)口區(qū)域受大的張應(yīng)力的破碎所引起的 [11-15]。因?yàn)閲娮爝M(jìn)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(jìn)了材料碎片的去除.因此，噴嘴在進(jìn)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(guò)噴嘴材料的極限強(qiáng)度，將會(huì)發(fā)生破碎。 在進(jìn)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(wú)壓應(yīng)力噴嘴具有較高的沖蝕耐磨性。當(dāng)計(jì)算以上數(shù)據(jù)之時(shí),在從燒結(jié)溫度到室溫的制造過(guò)程中，GN-3 疊層噴嘴的進(jìn)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(huì)部份地與產(chǎn)生外部負(fù)載的噴嘴的進(jìn)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(duì)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(guò)熱壓而制造。目的是在沙噴過(guò)程間減少噴嘴在進(jìn)口和出口的區(qū)域