电动式关节型机器人机械手的结构设计与仿真带CAD图

电动式关节型机器人机械手的结构设计与仿真带CAD图,电动,关节,机器人,机械手,结构设计,仿真,CAD 毕业设计(论文)任务书 学院 ：机电工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学生情况 指导教师情况 题目类型 姓 名 学 号 姓 名 职 称 单 位 理论研究 □ 科研开发 □ 机电工程学院 工程设计 √ 论文 □ 题目 电动式关节型机器人机械手的结构设计与仿真 主要 内容 以及 目标 (毕业设计应完成的主要内容，设计任务达到的目标) 主要内容: （1）完成调研报告和开题报告； （2）完成电动式关节型机器人机械手的结构设计； （3）建立该机械手的三维虚拟模型并对其进行运动仿真； （4）中英文摘要各200字，设计说明书不少于15000字； （5）外文资料翻译不少于5000字。 目标: （1）完成电动式关节型机器人机械手的结构设计，其中包括装配图及关键的零件图； （2）对机械手进行三维建模、虚拟装配与仿真。 成果 形式 （毕业设计完成具体工作量；成果形式；验收方式） （1）3张A0图纸，包括装配图、零件图； （2）调研报告、开题报告以及设计计算说明书； （3）机械手的三维虚拟模型以及运动仿真的录像。 基本 要求 （对完成设计任务方面的具体要求：设计技术参数、数据及来源、调试所用仪器设备） 设计技术参数： 手部负重： 10kg（抓取物体的形状为圆柱体.圆柱半径.高度自定.密度7.8g/cm3.） 运动轴数： 数据来源： 北京机械工业自动化研究所、上海发那科机器人有限公司 实习 调研 要求 （对部分有实习环节的专业，提出实习或调研的具体要求，包括调研提纲、实习时间、地点和具体内容要求） （1）了解国内外工业机器人的现状、水平和发展趋势； （2）了解工业机器人的各个组成部分； （3）掌握电动式关节型机器人机械手的组成机构及其工作原理； （4）分析现有各种类型工业机器人的特点，如运动方式、驱动方式、控制方式等； （5）总结出本设计课题的基本实现方法及结构，分析其技术关键及难点； （6）做出本设计课题的设计安排，如技术线路、研究方法、设计工具、时间安排等。 主要 参考 文献 （指导教师提供有关参考资料、工具书、期刊论文等） （1）费仁元 张慧慧. 机器人机械设计和分析.北京：北京工业大学出版社，1998 （2）马香峰. 机器人机构学.北京：机械工业出版社，1991 （3）加藤一郎. 机械手图册.上海：上海科学技术出版社，1979 （4）张铁 谢存禧. 机器人学.广州：华南理工大学出版社，2000 （5）宗光华 张慧慧 译. 机器人设计与控制.北京：科学出版社，2004 （6）张建民. 工业机器人.北京：北京理工大学出版社，1988 （7）周伯英. 工业机器人设计.北京：机械工业出版社，1995 （8）索罗门采夫. 工业机器人图册.北京：机械工业出版社，1993 （9）余达太. 工业机器人应用工程.北京：冶金工业出版社，1999 （10）吴芳美. 机器人控制基础.北京：中国铁道出版社，1992 （11）任大为. 机械设计手册.北京：化学工业出版社，1998 （12）徐灏. 新编机械设计师手册.北京：机械工业出版社，1995 （13）黄靖远. 机械设计学.北京：机械工业出版社，1999 （14）孟宪源等. 现代机构手册（上、下册）.北京：1994 主要 仪器 设备 （根据毕业设计题目情况需要填写） （1）机电工程学院机器人机研究室的FUNC（发那科）机器人； （2）机电工程学院机械创新设计实验室广茂达机器人模型以及慧鱼机器人创意组合模型； （3）计算机一台。 毕业设计（论文）开始日期 2009-2-23 毕业设计（论文）完成日期 2009-6-19 毕业设计（论文）进度计划（起止时间、工作内容） （指导教师对毕业设计（论文）的进度计划提出要求,至少详细到前期、中期和答辩阶段） 前期（到第4周止）： 对题目进行调研，确定设计方案，完成调研报告和开题报告； 中期（到10周止）： 完成工作量的60％～70％，即完成电动式关节型机器人机械手的结构设计，包括3张A0图纸的装配图、零件图； 后期（到16周止）： 完成所有工作量，包括对建立机械手的三维虚拟模型，进行运动仿真，对实验室的机械手模型进行调试，完成设计计算说明书，准备答辨提纲等。 指导教师（签字）： 2009年2月 23日 督导教师（签字）： 年 月 日 系毕业设计（论文）领导小组审查意见： 组长（签字）： 年 月 日 电动式关节型机器人机械手的结构设计与仿真 摘 要 本文简要介绍了电动式关节型机器人机械手的概念，机械手硬件和软件的组成，机械手各个部件的整体尺寸设计，气动技术的特点。本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，大大提高了绘图效率和图纸质量，画出了机械手的装配图图。 关键词： 工业机器人 机械手 电动 电动式关节型机器人机械手 Abstract At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development briefly. What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator. This paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm. The paper institutes two control schemes of according to the work flow of the manipulator. The paper draws out the work time sequence chart and the trapezium chart. KEY WORDS: Industrial robot robot electric electric-type joints robot manipulator 第1章 绪 论 1.1绪言 到目前为止，世界各国对“机器人机械手”还没有做出统一的明确定义。通常所说的“机器人机械手”是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照予定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运或操纵工具的自动化装置。而“机械手”一般具有固定的手部、固定的动作程序（或简单可变程序）、一般用于固定工位的自动化装置。因为国内外称作“机器人机械手”、“机械手”、“操作机”的这三种自动化和半自动化装置，在技术上有某些相通之处，所以有时不易明确区分，就它们的技术特征来看，其大致区别如下。 “机器人机械手”（Industrail Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操纵工具的装置（国内称作机器人机械手或通用机械手）。 “机械手”（Mechanical Hand）：多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。如自动线、自动线的上、下料，加工中心的自动换刀的自动化装置。 “操作机”（Manipulator）：一般是指由工人操纵的半自动搬运、抓取、操作装置。如锻造操作机或处理放射性材料、火工品的装配等所使用的半自动化装置。 机器人机械手（Industral Robot ,简称IR）是1960年由《美国金属市场》报首先使用的，但这个概念是由美国George·C·Pevol在1954年申请的专利“程序控制物料传送装置“时提出来的。在这专利中所记述的机器人机械手，以现在的眼光来看，就是示教再现机器人。根据这一专利，Devol与美国Consolide Control Corp合作，于1959年研制成功采用数字控制程序自动化装置的原型机。 随后，美国的Unimation公司和美国的机械铸造(AMF)公司于1962年分别制造了实用的一号机，并分别取名为Unimate和Ver·satran。Unimate机器人外形类似坦克炮塔，采用极坐标结构，而Versatran机器人采用圆柱坐标结构。 上述两种机器人成为机器人结构的主流，美国通用汽车公司和福特汽车公司在其金属冷热加工中，采用这类机器人进行压、铸、冲压等上、下料，收到了良好的效果。 美国的机器人机械手技术的发展，大致经历了以下几个阶段： （1） 1963~1967年为实验定型阶段。1963~1967年，万能自动公司制造的机器人机械手供用户做工艺实验。1967年，该公司生产的机器人机械手定型为1900台。 （2） 1968~1970年为实验应用阶段。这一时期，机器人机械手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台机器人机械手；1969年又自行研制出SAM型机器人机械手，并用21台组成了点焊小汽车车身的焊接自动线。 （3） 1970年至今一直出于技术发展和推广应用阶段。1970~1972年，机器人机械手处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国机器人机械手会议。据当时统计，美国已采用了大约200台机器人机械手，工作时间共达60万小时以上。与此同时，出现了所谓高级机器人，例如森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人机械手的系统。 在欧洲第一台机器人机械手是1963年瑞典Kavieldt公司发表的第一台操作机。 日本在六十年代初期就开始研制固定程序控制的机器手，并从其他各国引进了用于不同生产过程的机器人，并获得迅速，很快研制出日本国产华的机器人机械手，技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家，目前机器人机械手在日本已得到迅速发展并很快得到普及。 我国虽然开始研制机器人机械手仅比日本晚5~6年，但由于种种原因，机器人机械手的技术发展比较慢。但目前已引起了有关方面的极大关注。除了引进、消化、仿制外，已经具备了一定的独立设计和研制能力。在1958年新疆维吾尔自治区成立30年大庆站展览馆展出了由新疆机械局研制的跳舞机器人《阿依古丽》。在1986年地十六届广交会上，成都电讯工程学院研制的第三代仿人机器人《成蓉小姐》已经用汉语或英语向来宾问好，并能简要的介绍的展览产品及回答简单问话。西北电讯工程学院研制的微机控制示教再现式机器人《西电I号》，也于1985年9月在陕西省科技贸易大会上进行了表演。此外，清华大学自动化系研制的具有视觉手眼系统，北京钢铁学院研制的焊接机器人，均已达到了较高的水平。同时，在机器人学科中的视觉、听觉、语音合成、触觉、计算控制以及人工智能诸领域研究，也取得了一定的进展。 近几年来的成就表明，我国机器人技术已经迈出了可喜的一步。相信在不久的将来，我们一定回赶上世界各国前进的步伐。　　　 1.2课题工作要求 启动 初始化 手臂伸长 手部下降 手臂缩回 夹持工件 是否夹紧？ Ｎ Ｙ 手臂上升 手腕回转180度 手臂回转180度 回到原位 手爪松开 为了保证机器人在抓取工件时的精确度，我们在机器人的手部安装了力觉传感器。用以对机器人的检测和监控。该检测系统运用的是闭环控制。整个抓取动作的流程见图。 图1.1机械手的工作程序图 1.3课题基本参数的确定 1、手部负重：10kg（抓取物体的形状为圆柱体.圆柱半径.高度自定.密度7.8g/cm3.） 2、自由度数：4个，沿Z轴的上下移动，绕Z轴转动，沿X 轴的伸缩，绕X轴的转动 3、 坐标型式：圆柱坐标，其圆柱坐标型式的运动简图如图所示（见图1） 4、 最大工作半径：1800mm，最小工作半径1350mm 5、 手臂最高中心位置：1012mm 或伺服电机上端最高行程：1387mm（见图2） 最小行程：1237mm ω φ X Z 图1.2 6、 手臂运动参数： 伸缩行程（X）：450 伸缩速度：〈250mm/s 升降行程（Z）：150mm 升降速度：〈60mm/s 回转范围（φ）：0~180度 回转速度：〈70/s 7、 手腕运动参数： 回转范围（ω）：0~180 回转速度：90/s 8、 手臂握力：由N=0.5/f*G定 这里取f=0.1 G=10kg N=0.5/f*G=50kg 即手指握力为50kg 9、 定位方式：闭环伺服定位 10、 重复定位精度：±0.05mm 11、 驱动方式：电气（伺服电机） 12、 控制方式：采用MGS-51单片微机 第2章 结构的设计 2.1手部机构 手部机构是机器人机械手直接与工件、工具等接触的部件，它能执行人手的部分功能。目前，根据被抓取工件、工件等的形状、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙度的不同，在工业生产中使用着多种形式的手部机构，最常见的是钳爪式、磁吸式和气吸式，也有少数的特殊形式。不同形式的手部机构其夹紧力的计算各有不同。 钳爪式手部机构是最常见的形式之一。手爪有两个、三个或多个，其中两个的最多。抓取工件的方式有两种：外卡式和内撑式。从其机械机构特征、外观与功用来看，有多种形式，它们分别是： （1） 拨杆杠杆式钳爪 （2） 平行连杆式钳爪 （3） 齿轮齿条移动式钳爪 （4） 重力式钳爪 （5） 自锁式钳爪 （6） 自动定心钳爪 （7） 抓取不同直径工件的钳爪 （8） 具有压力接触销的钳爪 （9） 抓勾与定位销十钳爪 （10） 复杂形状工件用的自动调整式钳爪 （11） 同时抓取一对工件的钳爪与内撑式三指钳爪 （12） 特殊式手指钳爪 同时对钳爪的选用也非常重要，应考虑以下几个方面： 1 应具有足够的夹紧力，这样才能防止工件在移动过程中脱落，一般夹紧力为工件重量的2到3倍。 2 应具有足够的张开角，来适应它抓取和松开工件之间较大的直径范围，而且夹持工件中心位置变化要小（即定位误差小）。 3 应具有足够的强度和刚度，以免承受在运动过程中产生的惯性力和震动的影响。 4 应能保证工件的可靠定位 5 应适应被抓取对象的要求 6 尽可能具有一定的通用性 夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 2.1.1手指的形状和分类 夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。 2.1.2设计时考虑的几个问题 (一)具有足够的握力(即夹紧力) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (二)手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (三)保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。 (四)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。 (五)考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。 2.1.3手部夹紧的设计 1、手部驱动力计算 本课题电动机械手的手部结构如图2-1所示： 图2-1齿轮齿条式手部 其工件重量G=10公斤， V形手指的角度，,摩擦系数为 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: 所以 (3)实际驱动力: 1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则: 所以 所以夹持工件时所需夹紧的驱动力为。 2.2 手腕结构设计 2.2.1 手腕的自由度 手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，因此我们选用。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格的密封。 2.2.2 手腕的驱动力矩的计算 手腕转动时所需的驱动力矩 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图2-2所示为手腕受力的示意图。 1.工件2.手部3.手腕 图2-2手碗回转时受力状态 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: 式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩(); - 惯性力矩(); - 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩(). - 手腕回转的动片与定片、径、端盖等处密封装置的摩擦阻力 矩(); 下面以图2-3所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算: 1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦 若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则: 式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量; - 工件对手腕转动轴线的转动惯量。 若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为: 式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量: - 工件的重量(N); - 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s); - 起动过程所需的时间(s); — 起动过程所转过的角度(弧度)。 2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 + () 式中: - 手腕转动件的重量(N); - 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm) 当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则. 3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 () 式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm); - 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承; ,- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解， 根据,得: 同理，根据(F),得: 式中:- 的重量(N) ,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm). 4、转的动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。 驱动力矩计算 手腕回转的尺寸及其校核 1.尺寸设计 长度设计为,内径为=96mm,半径,轴径=26mm,半径,运行角速度=，加速度时间=0.1s, 压强, 则力矩： 2.尺寸校核 （1）测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： （） 工件的质量为5,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量： 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距 ，其转动惯量为: （2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心 与转动轴线重合，，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则： + （3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承，对于滑动轴承=0.1， ，为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈处的支承反力，粗略估计,, 4．回转的动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计为的3倍， 3 设计尺寸符合使用要求，安全。 2.3手臂伸缩，升降，的尺寸设计与校核 2.3.1 手臂伸缩的尺寸设计与校核 手臂伸缩的尺寸设计 手臂伸缩采用烟台气动元件厂生产的标准，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，尺寸系列初选内径为100/63。 尺寸校核 1. 在校核尺寸时，只需校核内径=63mm,半径R=31.5mm的的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强, 则驱动力： 2．测定手腕质量为50kg,设计加速度，则惯性力： 3.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数, 总受力 所以标准CTA的尺寸符合实际使用驱动力要求。 导向装置 气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。 导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 平衡装置 在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。 2.3.2 手臂升降的尺寸设计与校核 尺寸设计 运行长度设计为=118mm,内径为=110mm,半径R=55mm,运行速度，加速度时间=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力： 尺寸校核 1．测定手腕质量为80kg,则重力： 2．设计加速度，则惯性力： 3.考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数， 总受力 所以设计尺寸符合实际使用要求。 2.3.3 手臂的尺寸设计与校核 尺寸设计 长度设计为,内径为,半径R=105mm,轴径半径,运行角速度=，加速度时间0.5s,压强, 则力矩： 5.3.2 尺寸校核 1．测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： （） 考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数, 总驱动力矩： 设计尺寸满足使用要求。 第3章 控制系统设计 由于微型计算机具有体积小，可靠性高，灵活性强，易于配置，功能丰富及价格便宜等特点，采用微型计算机对工业机器人进行控制，已经成为当今机器人控制技术研究和发展的主流。 机械手的控制系统，原则上可分为点位控制与连续轨迹控制两大类。点位控制只要求按规定精度从起始点到达预定点，而对移动路径不做要求。连续轨迹不仅与运动的起点与终点有关，还必须保证运动轨迹与设计轨迹一致。因此，在连续轨迹控制中要进行轨迹设计，并对任意运动轨迹进行补插（补间）运算。为了机器人运动平稳，就必须保证机器人的运动速度、加速度连续，这无疑也需要进行复杂的运算。 微型计算机对机器人的控制，一般采用分层控制的方法。第一层为最高层，其任务是识别工作空间，并据此决定如何完成给定的任务；第二层是决策层，其任务是将给定的操作分成基本的运动；第三层是策略层，其工能是将基本的运动转化成各自由度的运动；第四层是执行层，它将控制机器人完成各自由度的运动。其中第一层及第二层属于人工智能的范畴，机器人的控制主要是研究第三、第四层。 微型计算机种类很多，一般均由以下三部分组成。 A. 中央处理器CPU，或称微处理器MPU。 B. 内存储器，即主记忆装置ROM及RAM 。 C. 输入输出装置I/O，或称接口装置，联系这些装置的为三条总线，即数据总线DB，地址总线AB及控制总线CB。 不同型号的微型计算机主要是中央处理器CPU的内容的功能不同，因而有不同的指令系统和汇编语言。由于外部设备之不同以及是否用于实时控制，其I/O接口装置因而很大差异。RAM和ROM 的存储量大小直接影响计算机的应用范围。但一般微型计算机都可以在原有存储量的基础上加以扩充。 本机器人的控制系统的组织结构如图3-1。它由主CPU板、I/O板、控制面板、示教盒、伺服板、和稳压电源板等组成。 I/O端口 及 电平转换电路 辅助运算回路 RAM ROM 8031 CPU 控制板 伺服板 机器人 伺服控制电路 读位置电路 串行中断电路 串行 通讯 电路 示教盒 脉冲分配电路 图3-1控制系统组织结构图 主CPU板是本控制器的核心，其上有CPU、存储器、多级中断控制电路、脉冲分配电路、读位置电路以及串行通讯电路等，完成系统的管理、控制运算、伺服系统控制和仿置检测等控制功能以及与示教盒、控制板的通讯。 I/O接口板主要负责输入输出和监测各种故障报警的输入信号。伺服板共8块，负责完成四个轴的位置环速度环和电流环的伺服控制。 本次控制系统设计主要设计CPU、ROM和RAM中断处理电路示教盒以及串行通讯电路键盘显示电路这几个部分。 1.CPU与存储器 CPU采用8031微处理器地址译码器内存RAM和EPROM以及锁存器组成。 （1） 8031的结构 1）寄存器堆 8031中有12个通用寄存器，6个专用寄存器，两个累加器和两个标志寄存器。由于寄存器很多，故称其为堆。它们各个单元不是以序号作为地址号，而是以其名称作为地址号。它们全是静态RAM实现。 各寄存器的功能如下： 堆栈指示器 SP：它是一个8位的专用寄存器。用以指示堆栈区的最上面的存储单元的地址，即栈顶地址。堆栈指示器是在计算机中接受中断要求而去处理某些外部设备提出的请求时需要用到的寄存器。系统复位后，SP初始化为07H，使得堆栈事实由08H单元开始。考虑到08H~1FH单元分属与工作寄存器区1~3，若程序设计中要用到这些区，则最好把SP值改置为1FH或更大值。 由于栈指针是一个8位的专用寄存器，其值可由软件改变，因此在内部RAM中的位置比较灵活。响应中断或子程序调用时，发生入栈操作，入栈的是16位PC值，PSW并不自动入栈。在指令系统中有栈操作指令PUSH（压入）和POP（弹出），如有必要，中断时可用把PSW的内容压入堆栈，加以保护，返回前用POP指令恢复。 除用软件直接改变SP值外，在执行PUSH、POP、各种程序调用、中断响应、子程序返回RETI等指令时，SP值将自动增量或减量。 变址寄存器IX及IY：它们能将其内容加减一个称作偏移量的数，以达到一个新的地址。 中断向量地址寄存器IV：这个寄存器用以存放中断服务子程序的入口地址。 存储器刷新寄存器R：8031可以使用动态存储器。刷新存储器是再生时进行计数用的。 特殊功能寄存器SFR：8031单片机片内的SFR与存储器是独立的，但它能像访问内部RAM一样被访问。8031单片机具有21个特殊功能寄存器，可分为3个16位寄存器和15个8位寄存器。这些寄存器分散地分布在片内RAM的高128字节地址80H~FFH，访问这些专用寄存器仅允许使用直接寻址的方式。寄存器并未占满80H~FFH整个地址空间，对空闲地址的操作是无意义的。片内的SFR能综合的实时反映整个单片机基本系统内部的工作状态及工作方式。因此，它是非常重要的。对单片机应用者来说，掌握个各SFR的工作状态，工作方式，从而实现对整个单片机系统的控制具有重要的意义。表3-1列出了个SFR的名称几地址。 ·ACC 累加器 0E0H ·B B寄存器 0F0H ·PSW 程序状态字堆栈指针 0D0H SP 堆栈指针 81H DPTR 数据指针（包括DPH和（DPL）口0 83H和82H ·P0 口0 80H ·P1 口1 90H ·P2 口2 0A0H ·P3 口3 0B0H ·IP 中断优先级控制 0B8H ·IE 允许中断控制 0A8H TMOD 定时器/计数器方式控制 89H ·TCON 定时器/计数器控制 88H +·T2CON 定时器/计数器2控制 0C8H TH0 定时器/计数器控制0（高位字节） 8CH TL0 定时器/计数器控制0（低位字节） 8AH TH1 定时器/计数器控制1（高位字节） 8DH TL1 定时器/计数器控制1（低位字节） 8BH +TH2 定时器/计数器控制2（高位字节） 0CDH +TL2 定时器/计数器控制2（低位字节） 0CCH +RLDH 定时器/计数器控制2自动再装载（高位字节） 0CBH +RLDL 定时器/计数器控制2自动再装载（低位字节） 0CAH ·SCON 串行控制 98H SBUF 串行数据缓冲器 99H PCON 电源控制 97H 数据指针DPTR（83H，82H）：数据指针DPTR是一个16位专用寄存器，其高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。即可以作为16位寄存器DPTR来处理，也可以作为2个独立的8位寄存器DPH和DPL来处理 。DPTR主要用来保持16位地址，当64KB外部数据存储空间寻址时，可作为间接寄存器用。这时有两条传送指令MOVX A，@DPTR和MOVX @DPTR, A。在访问程序存储器时，DPTR可用作基址寄存器，这时采用一条基址+变址寻址方式的指令MOVC A，@+DPTR,常用于读取存放在程序存储器内的表格数据。 2）8031的引脚功能 8031为40引脚芯片如图3-4，按其功能可分为三个部分： a． I/O口线：P0，P1，P2，P3共4个8位口。 P0（双向I/O）口（39~32脚）：P0口既可作地址/ 数据总线使用，又可作通用I/O口用。 P1（准双向I/O）口（1~8脚）：P1是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。 P2（准双向I/O）口（21~28脚）：在结构上，P2口比P1口多了一个输出转换控制部分。当转换开关倒向左面时，P2口作通用的I/O端口用，是一个准双向口。 P3（双功能）（10~17脚）：P3口是一个多用途的端口。 b.控制信号引脚：PSEN（片外取指控制），ALE（地地锁存控制），EA（片外存储器选择），RESET（复位控制）。 c.电源及时钟：Vcc，Vss，XTAL1，XTAL2。 其应用特性：a. I/O口线不能都用作用户I/O口线。 b. I/O口的驱动能力，P0口可驱动8个TTL门电 路，P1、P2、P3则只能驱动4个TTL门。 　　　　　　　　c. P3口是双重功能口，其功能如图3-5所示。 P3.0:RXD(串行输入口); P3.1:TXD(串行输出口); P3.2:INT0(外部中断0输入线); P3.3:INT1(外部中断1输入线); P3.4:T0(T0外部记数脉冲输入线); P3.5:T1(T1外部记数脉冲输入线); P3.6:WR(外部RAM写选通脉冲输出线); P3.7:RD(外部RAM读选通脉冲输出线)。 译码器采用74LS138（8205），它具有以下特性：能作为I/O口或存储器地址选择器，扩充简便，有输入选择端，采用了遵肖特基双极型工艺，最大延迟为18ns，连接与TTL逻辑电路兼容，低电平输入负载电流最大为0.25A,是标准TTL输入负载的1/6。 INTEL8205译码器可以扩充那些输入口、输出口和带有低电平有效的片选输入存储器件的系统。当8205被片选时，它的八个输出端之一变“低”，于是存储器系统的一行被选中。对于扩大的系统，可把8205级联系起来，使得每一译码器能驱动8个译码器 ，可任意扩充存储器。 8205的逻辑符号、引脚排列，选通和译码真值表如下： 引脚说明：A0~A2为选址输入，E1~E3为选通允许输入（既片选），O0~O7为译码输出。 8205译码真值表如下： 地址 选通允许 输出 A0 A1 A2 E1 E2 E3 0 1 2 3 4 5 6 7 － － － － － ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ － － － ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ － － ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ － ＋ ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 地址 选通允许 输出 A0 A1 A2 E0 E1 E2 0 1 2 3 4 5 6 7 × × × － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × － ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 锁存器采用74LS373：它的作用是把输入信号锁存起来，一直保持到选通信号来取出信息。其工作原理：当锁存允许端为高电平时，Q端跟随D端变化；当锁存允许由高变低时，将此变化前一瞬时输入锁存，此后输入（D）不会影响输出（Q）直至锁存允许为高电平，E是读选通脉冲。应当注意在读期间锁存允许不能变化。锁存允许信号通常取自译码器和R/W线，地址译码有时需3到15级门延迟，来防止读锁存。 数据存储器采用6264（8K×8），一共采用3块6264，故RAM为24K，除了作为系统参数工作区，标志单元外，主要用作用户程序存储区，为了保存RAM的内容，一旦断电，保证RAM中的用户程序不会丢失，故采用电池利用CE2引脚的掉电保护装置在此也得到了应用，具体内容在后详讲，这里不再叙述。 6264静态RAM的技术性能为：一组三态输出引脚作为输入/输出公共引脚，输入/输出与TTL电路兼容，A0~A12为地址总线，I/O0~I/O7为数据输入/输出，CE1为片选1，CE2为片选2，WE为写选通，OE为读选通。 WE CE1 CE2 OE 方式 D0~D7 × 高 × × 未选中 高阻 × × 低 × 未选中 高阻 高 低 高 高 禁止输出 高阻 高 低 高 低 读 D输出 低 低 高 高 写 D输入 低 低 高 低 写 D输入 6264引脚排列如下： EPROM读存储器采用2764（8K×8），一共3块，达到24字节，它的技术性能。存取速度快，功耗低，编程简单，采用双线控制，全静态方式，采用单一+5V电源。EPROM一个很好的特点就是把输出元件控制（OE）和片选控制（CE）分开，保证了其良好接口特性。对于EPROM的工作方式简述说明如下：1）.读方式：EPROM有两种控制功能，两者逻辑上部满足能够按次序在输出方面获得数据的要求。片选（CE）是电源控制方面，用于器件的选择。输出允许（OE）是输出控制方面，用作数据到输出引脚的选通信号，它与器件选择无关。2）.维持方式：在维持方式时，器件功耗从有效功耗减少到静态维持功能。EPROM时一个TTL高电平信号加到CE输入端而建立维持方式的。当处于维持方式时，输出端均为高阻状态与OE输入无关。3）.编程方式：2764进入编程方式时，Vpp在12.5V且OE和PGM都在TTL低电平、被编程的8位数据以并行方式送到数据输出引脚。地址和数据输入所需电平都为TTL。 2764的引脚图： 在主机2764（Ⅰ）的起始地址为0000H~1FFFH； 2764（Ⅱ）的起始地址为2000H~3FFFH； 2764（Ⅲ）的起始地址为4000H~5FFFH； 6264（Ⅰ）的起始地址为6000H~7FFFH； 6264（Ⅱ）的起始地址为8000H~9FFFH； 6264（Ⅲ）的起始地址为8000H~9FFFH；在示教盒中，2764的起始地址为0000H~1FFFH； 2.中断处理电路 本控制系统中采用8259中断控制器来实现系统多重中断的优先排队和中断申请处理。8259具有多中工作方式，可通过编程设定或变更它的工作方式。CPU响应中断时，8259A能自动提供中断入口地址，而使CPU转问相应的中断处理程序。中断入口地址可由用户设定，入口地址可以选定在任何存储单元。 8259A的引脚，功能说明如下： CS 片选 WR 写 RD 读 CAS0~CAS2 级联线 SP/EN 从片/开启缓冲器 INT 中断 IR0~IR7 中断请求 INTA 中断响应 A0 地址线 （1）.数据总线缓冲器：是三态，双向8位缓冲器，外部引脚D0~D7用于和CPU的数据总线相连，CPU通过数据缓冲器向8259A传送命令码，成从8259A读联状态字。在中断响应时，8259通过数据总线缓冲器问CPU提供CALL指令的操作码（11001101）和调用子程序入口地址高8位和低8位。 （2）.中断申请寄存器（IRR）：用来寄存所有从中断申请输入线（IR0~IR7）输入的中断申请信号，当IR0~IR7中任何一条申请线上开为高电平时，IRR中相应的位置位。 （3）.优先级分辨器（PR）：用于确定中断申请寄存器（IRR）中个中断申请位的优先级。IR0~IR7的优先级可由CPU编程设定。 （4）.控制逻辑根据CPU对8259编程设定的工作方式产生8259A控制信号，并在适当的时候对CPU发生中断申请信号INT请求CPU响应。INTA是来自CPU的中断响应信号。当CPU进入中断响应周期，送来第一个INTA脉冲时，8259的控制逻辑一方面把CALL指令操作码（11001101）经D0~D7送上数据线供CPU读入指令寄存器。另一方面又把优先级分辨器从IRR中选出的具有最高优先级的中断中请存入服务状态寄存器（ISR）。以确定对应的服务程序入口地址，CPU在读到CALL指令操作码后，由于这是一条3字节指令,因此继续发来两个INTA的脉冲信号，在第二个INTA脉冲到来时，控制逻辑把被响应的中断申请所对应的服务程序入口地址的低8位送上数据总线，当第三个INAT脉冲到来时，则提供服务的程序入口地址高8位，然后CPU执行调用指令CALL，转到相应的服务程序入口地址。在中断服务结束，CPU送来的中断结束（EOL）和特殊中断结束（SEOL）命令码时，控制逻辑服务状态寄存器中的IS位复位。 （3）.读、写逻辑晕高来接受CPU的控制信号，使来自CPU的初始化命令字（ZCW）和操作命令字（OCW）存入8259A内部相应的寄存器中，用以规定8259的工作方式，也CPU读取8259A内部状态信息，有关引脚功能如下： CS：片选线。当CS=0时，8259A被选中，允许CPU对8259A进行读、写操作。 WR：写信号。当WR=0时允许CPU把命令字（ICW和OCW）写入8259。 RD：读信号RD=0时，允许8259A将中断申请寄存器（IRR），服务状态寄存器（ISR），中断屏蔽寄存器（IMR）和中断级的BCD码送上数据总线供CPU读取。 A0：地址线。这个输入信号同WR、RD信号一起用来确定命令所需写入的各种命令寄存器。或指定CPU要读出的状态信息寄存器。 （4）.级联缓冲器/比较器： 当8259A为主器件时（SP=1），CAS0~CAS2为输出线，在CPU响应中断时，用来表示级联代码，选出申请中断的从器件，这是被选的从器件将在下两个接连出现的INTA脉冲期间，把预先编好的中断服务程序入口地址代送上数据总线。当8259A为从器件时（SP=0），CAS0~CAS2为输入线，接收主器件送来的选择代码。 8259A的操作控制和工作原理： a. A0、WR、RD、CS的控制作用，表3-2表示了在控制引脚不同的电平状态下的操作控制状态。 表 A0、WR、RD、CS的控制作用 A0 D4 D3 RD WR CS 输出操作 0 0 1 0 IRR、ISR或中断级 BCD码 数据总线 1 0 1 0 IMR 数据总线 输入操作 0 0 0 1 0 0 数据总线 OCW2寄存器 0 0 1 1 0 0 数据总线 OCW3寄存器 0 1 × 1 0 0 数据总线 ICW1 1 × × 1 0 0 数据总线 OCW1，ICW2，ICW3 对IRRISR或中断级的BCD码的选择，决定于在此读出操作之前，CPU写入的操作命令OCW3的内容。这写命令的输入顺序由芯片的时序逻辑以适当的时序加以排列。 8259A的工作过程及中断应答时序：8259按下列顺序管理外围设备的中断申请：（1）当在IR0~IR7的中断申请输入端上由一个或多个输入出现高电平时，IRR中的个对应为被置1，表明已经由外围设备提出中断申请。 （2）8259A在接受这些中断申请，并分辨优先级的同时，向CPU发出INT脉冲作为应答。 （3）若CPU处于“中断允许”的情况下，在收到INTA信号后应向8259A发出INTA脉冲作为应答。 （4）当8259A接收来自CPU的第一个脉冲（INTA）时，便使ISR的最高优先级相应位置1，而将IRR中于之对应的位置0，并送一条CALL指令码（11001101）至数据总线。 （5）当CPU读到这个CALL指令后便发出两个INTA脉冲至8259A。 （6）这后两个INTA脉冲促使8259把一个预先编程的16位地址传到数据总线上（分两次送出，先低8位后高位）。这个地址就是中断服务程序的入口地址。 （7）当执行完上述的3字节调用指令后，便转移至执行外设中断服务子程序。在子程序执行期间，其相应的ISR位一直保持位1，只有在子程序的末尾，在8259A收到一个EOL（中断结束）命令时，才使相应的ISR复位。 中断应答时序如图所示： IR INT INTA DB 8259的编程与命令控制字：8259编程时，要设定初始化命令字ICW和操作命令字OCW。在8259启动之前，必须送入2~4个字节的ICW1、ICW2用来设置中断服务程序的16位入口地址。ICW的D4位时特征位，当D4=1，且A0=0时，8259就会识别出它时初始化命令字ICW1，将其存入相当的寄存器，并启动初始化时序。在初始化命令字进入8259A之后，8259A就准备好接收来自IR输入线的中断申请信号。但是，在8259A工作期间CPU可以通过操作命令OCW命令8259A完成不同方式的操作。8259A共有三种操作命令字：OCW1、OCW2、OCW3，这三个操作命令字是依靠A0和OCW中的D4、D3特征位来区别的。OCW命令字可在初始化后的任何时刻写入，下面分别介绍在不同的操作命令字的控制下8259A的工作方式：（1）无OCW的操作方式。在完成初始化程序命令送入后，如果没有任何OCW操作命令字写入，则8259A以全嵌套的操作方式响应来自IR输入线的中断申请信号，中断申请的优先级被定位IR0~IR7（IR0的优先级最高）。当中断被响应时，中断申请寄存器IRR中优先级最高的申请信号被选出，并被存入服务状态寄存器，ISR相应的IS位（IS0~IS7）被置位。在CPU有服务程序返回之前，保持置位直到CPU发出一个中断结束命令（EOL）为止。（2）OCW1的操作方式：CPU可以通过操作命令字OCW1来分别屏蔽每一个中断申请。OCW1的格式如图：当Mn=1则相应的IRn被屏蔽 1 M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0 OCW1 中断屏蔽 1=设置屏蔽 2=清除屏蔽 （3）OCW2的操作方式：OCW2操作命令字用于控制8259A的循环优先方式和中断结束，OCW2中的R位用来设定循环优先方式。当R=0时，8259A以不循环的优先方式操作。IR0~IR7的优先权时固定的。当R=1时，8259A被设定以循环优先方式操作。（4）OCW3的操作方式：操作命令字OCW3用来设定特殊屏蔽方式和指定将要读出的寄存器。 3．8279键盘、显示 8279芯片是一种通用