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CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 毕业设计论文题目：垂直多关节型工业机器人设计-总体结构及控制系统设计 学生姓名： 学院名称： 专业名称： 班级名称： 学 号： 指导教师： 教师职称: 学 历： 摘 要机器人是一种典型的机电一体化产品，垂直多关节型机器人是机器人研究领域的热点。垂直多关节型机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。本文对一种使用在多关节型工业机器人结构进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机器人模型进行静力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。关键词：机械臂，结构设计，关节型机器人，结构分析57AbstractThe robot is a typical mechatronic products, humanoid robot is a robot manipulator is a kind of typical mechatronic products, vertical articulated robot is a hot research field of robot. Vertical articulated robot requires a combination of mechanical, electronic, information theory, artificial intelligence, biology and computer science knowledge, at the same time, its development has promoted the development of these disciplines.In this paper, a design for use in many industrial robot structure, and completed the total assembly drawing and part drawing. Requirements for the statics analysis of the robot model, estimate the joint required torque and power, motor and reducer selection. Secondly, from the motor and reducer connection and fixation of joint structure, design, and the mechanism of the important connection strength check.Key Words: manipulator, structure design, robot, structure analysis目 录摘 要IAbstract2目 录3第1章绪论61.1 机器人概念61.2 课题研究的背景和意义61.3 国外研究现状71.4 国内机器人的研究81.4 本课题研究内容9第2章机器人总体设计102.1 确定基本技术参数102.1.1 机械结构类型的选择102.1.2 额定负载112.1.3 工作范围112.1.4 操作机的驱动系统设计112.1.5 控制系统选择122.1.6 确定机器人手臂的配置形式122.2 机器人本体结构设计13第3章机器人腰部结构设计153.1 电动机的选择153.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比173.3 轴的设计计算173.3.1 计算各轴转速、转矩和输入功率173.3.2 确定三根轴的具体尺寸183.4 确定齿轮的参数223.4.1选择材料223.4.2 压力角的选择223.4.3 齿数和模数的选择223.4.4齿宽系数233.4.5 确定齿轮传动的精度233.4.6 齿轮的校核243.5 壳体设计273.6小结27第4章 手腕详细设计说明284.1机器人驱动方案的分析和选择284.2手腕电机的选择284.2.1提腕电机的选择284.2.2摆腕和转腕电机的选择294.3传动比的确定294.3.1提腕总传动比的确定294.3.2转腕和摆腕传动比的确定294.4传动比的分配294.5齿轮的设计304.5.1提腕部分齿轮设计304.5.2转腕部分齿轮设计354.5.3摆腕部分齿轮设计374.6轴的设计和校核384.6.1输出轴的设计394.6.2传动轴的设计394.6.3轴的强度校核404.7夹持器的设计434.8壳体的设计43第5章 单片机电气控制系统设计455.1 微机数控系统的设计455.1.1 硬件电路设计455.1.2 软件电路设计465.2 8031单片机及其扩展465.2.1 8031单片机的简介465.2.2 8031单片机的系统扩展475.2.3 存储器扩展495.2.4 I/O口的扩展515.2.5 步进电机驱动电路525.2.6 脉冲分配器（环行分配器）535.2.7 光电隔离电路535.2.8 功率放大器535.2.9 其他辅助电路54总 结56参考文献57第1章 绪论1.1 机器人概念机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或代替人的工作，如工业，建筑业，或是危险的工作。这是一个产品的先进的集成控制理论，机械电子，计算机，材料和仿生。在工业，医学，农业，建筑业甚至军事等领域中均有重要的应用。本田公司ASIMO机器人现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处。机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。1.2 课题研究的背景和意义机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。机器人一词最早出现于1920年捷克作家Karel Capek的剧本罗萨姆的万能机器人中，在该剧中，机器人“Robota”这个词的本意是指苦力，是剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳动力。随着现代科技的发展，机器人技术已经广泛应用于人类生活领域，研制具有人类外观特征、可模拟人类行走和其他动作的机器人一直是人类的梦想之一。机器人是一门综合性很强的科学，有着极其广泛的研究和应用领域。机器人技术是综合了计算机技术、信息融合技术、机构学、传感技术、仿生科学以及人工智能等多学科而形成的高新技术，它不仅涉及到线性、非线性、基于多种传感器信息控制以及实时控制技术，而且还包括复杂机电系统的建模、数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。机器人是机器人技术中的一个重要研究课题，而双足机器人是机器人研究的前奏。步行技术是人与大多数动物所具有的移动方式，是一种高度自动化的运动，双足步行系统具有非常复杂的动力学特性，对于环境具有很强的适应性，它相对轮式、履带式机器人具有无可比拟的优越性，它可以进入狭窄的作业空间，也可跨越障碍、上下台阶、斜坡及在不平整地面上工作，可以护理老人、康复医学以及在一般家庭的家政服务都可以应用。它适应环境的能力更强，因此具有更加广泛的应用前景。在机器人的研制中，机器人仿真是机器人研究的一项重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人的运动控制，是一项综合性有创新意义和实用价值的研究课题。仿真利用计算机可视化和面向对象的手段，模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限，提示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而解决在机器人设计、制造以及运行过程中的问题，避免了直接操作实体可能会造成的事故或者不必要的损失。仿真也为机器人本体结构方案设计提供参考依据，并在这台机器上模拟能都实现的功能，使用户直接看到设计效果，及时找出缺点和不足进行改进，避免了大量的物力、人力的浪费1，2。1.3 国外研究现状最早系统地研究人类和动物运动原理的是Muybridge，他发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被Demeny用来研究人类的运动。从本世纪30年代到50年代，苏联的Bernstein从生物动力学的角度也对人类和动物的机理进行深入的研究，并就运动作了非常形象化的描述。真正全面、系统地开展机器人的研究是始于本世纪60年代迄今，不仅形成了机器人一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的机器人样机。这一部分，我们主要介绍队60年代到1985年这一时期，在机器人领域所取得的最重要进展。在60年代和70年代，对机器人控制理论的研究产生了3种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这3种控制方法对各种类型的机器人都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出来的 ，模型参考控制是由美国的Farnsworth在1975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗鲍宾研究所著名的机器人学专家Vukobratovic博士在1969年至1972年问提出来的。这3种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况1。在步态研究方面，苏联的Bessonov和Umnov定义了“最优步态”，Kugushev和Jaro-shevskij定义了自由步态。这两种步态不仅适应于而且也适应于多足机器人。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么机器人在时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。在机器人的稳定性研究方面，美国的Hemami等人曾提出将系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子(倒摆)，从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还曾就机器人的“降阶模型”问题进行了研究。前面我们曾指出Vukobratovic也对类人型系统进行了能量分析，但他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题但在他的研究中，Vukobratovic得出了一个有用的结论，即姿态越平滑，类人型系统所消耗的功率就越少。1.4 国内机器人的研究我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。国内机器人的研究也在863计划和自然科学基金的支持下持续开展了多年，如国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、清华大学、上海交通大学、中国科学技术大学等，都先后开始研制机器人样机4。1.4 本课题研究内容工业机器人系统设计包括机械系统的设计、电力驱动设计、控制系统的设计。本次毕业设计的主要内容是对工业机器人控制系统的设计，该机电控制系统是以MCS51系列单片机为核心的控制系统毕业设计（论文）的主要要求:（1）抓重：额定抓取重量或称额定负荷，为1kg(必要时注明限定运动速度的抓重)。（2）自由度数目和坐标形式：整机、手臂和手腕等运动共有6个自由度。（3）定位方式：固定机械挡块、可调机械挡块、行程开关，电位器及其各种位置设定和检测装置；各个自由度所设定的位置数目或位置信息容量;点位控制或连续轨迹控制。（4）驱动方式：直流伺服电机。手臂运动参数：当手臂的运动速度很高时，手臂在起动和制动过程中会产生很大的冲击和振动，这会影响手臂的定位精度。因此，手臂运动速度应根据生产节拍时间的长短、生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定。常用的最大直线运行速度在1000m/s以下。最大回转运行速度一般不超过，一般应用的直线速度常在 ，回转速度在左右。（5）定位精度：位置设定精度及重复定位精度（）。设备总装配图（计算机出图）；设备所有零件图（计算机出图）；手绘图A1张；设计图纸数量不少于3张A0 图纸；设计说明书不少于1.5万字，正文页数不少于30页；译文与开题报告不少于3000字。第2章 机器人总体设计2.1 确定基本技术参数2.1.1 机械结构类型的选择为实现总体机构在空间的位置提供的6个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案：a.圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。b.直角坐标型 直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差。c.球坐标型 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。d. 又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机座的物体。 e.平面 采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。对以上五种方案进行比较：方案一不能够完全实现本课题所要求的动作；方案二体积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。结合本课题综合考虑决定采用方案四：机器人。此方案所占空间少，工作空间范围大，动作灵活，工艺操作精度高。2.1.2 额定负载目前,国内外使用的工业机器人中,其负载能力的范围很大,最小的额定负载在5N以下,最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和在规定速度和加速度条件下，产生的惯性力矩。本课题的任务要求是保证手腕部能承受的最大载荷是1kg。2.1.3 工作范围工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中的操作范围和运动的轨迹来确定的,用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐标型式、自由度数和操作机各手臂关节轴线间的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择。2.1.4 操作机的驱动系统设计机器人本体驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常和执行机构联成一体，驱动臂杆和载荷完成指定的运动。通常的机器人驱动方式有以下四种: a.步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但是由于采用开环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成“失步”现象。 b.直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。c.交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管GTO，大功率晶闸管GTR和场效应管MOSFET等电力电子器件、脉冲调宽技术(PWM)和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DSP三环(位置、速度、电流)全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。d.液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。常用的驱动器有电机和液压、气动驱动装置等。其中采用电机驱动是最常用的驱动方式。电极驱动具有精度高，可靠性好，能以较大的变速范围满足机器人应用要求等特点。所以在这次设计中我选择了直流电机作为驱动器。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。本课题的机器人将采用直流伺服电动机。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。2.1.5 控制系统选择对于焊接机器人这种精度要求不高的工业机器人，大多采用示教再现编程。示教方式作为一种成熟的技术，易被熟悉工作任务的人员掌握。无论是手把手示教或示教盒示教，都是以在线编程，由示教操作人员操作移动末端执行器和手臂到所需的位置。然后记录（存储）下这些操作和数据。示教过程完成后，即可应用，机器人以再现方式重复进行示教时存于存储器的点位、轨迹和各种操作。再现过程的速度可以与示教时速度不同。利用示教手柄由人工引导末端执行器经过所要求的轨迹，此时位置传感器就检测出机器人操作机上各关节处的坐标（或转角）值，控制系统的装置记录（储存）下这些数字化的数据信息。再现时，机器人控制系统重复再现示教者示教的轨迹和操作技能。手把手示教也能实现点位控制，所不同的是它只记录各轨迹程序段的两端位置。轨迹运动速度则按各轨迹程序段对应的功能数据输入。2.1.6 确定机器人手臂的配置形式手臂的配置形式反映了机器人操作机的总体布局。根据任务要求,要实现机器人焊接功能,则机器人的工作范围要广,所以我选择了立柱式的配置方式。其特点是占地面积小,工作范围大,机器人手臂可绕立柱回转。2.2 机器人本体结构设计图2-2 机器人传动原理图图2-2是整个机器人本体机械传动系统的简图。机械传动系统共有30个齿轮，为了实现在同一平面改变传递方向90,有10个齿轮为圆锥齿轮,有利于简化系统运动方程式的结构形式。如果采用蜗轮蜗杆结构,则必然以空间交叉方式变向,就不利于简化系统运动方程式的结构形式。机器人主要由立柱与基座组成的回转基座以及大臂、小臂、手腕组成。基座是一个铝制的整体铸件，其上装有关节1的驱动电机，在基座内安置了关节1的回转轴及其轴承、轴承座等。大臂和小臂的结构形式相似，都由内部铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板壳相互胶接而成。内部铸件既作臂的承力骨架，又作内部齿轮组的轮壳与轴的支承座。大臂上装有关节2，3的驱动电机，内部装有对应的传动齿轮组。关节2，3都采用了三级齿轮减速，其中第一级采用锥齿轮，以改变传动方向90。第二、三级均采用圆柱直齿轮进行减速。关节2传动的最末一个大齿轮固定在立柱上；关节3传动的最末一个大齿轮固定在小臂上。小臂端部连接具有3R手腕，在臂的根部装有关节4，5的驱动电机，在小臂的中部，靠近手腕处，装有关节6的驱动电机。关节4，5均采用两级齿轮传动，不同的是关节4采用两级圆柱直齿轮，而关节5采用第一级圆柱直齿轮，第二级锥齿轮，使传动轴线改变方向90。关节6采用三级齿轮传动，第一级与第二级为锥齿轮，第三级为圆柱直齿轮，关节4，5，6的齿轮组除关节4第一级齿轮装在小臂内以外，其余的均装在手腕内部。所设计的机器人本体结构特点如下：a.内部铝铸件形状复杂，既用作内部齿轮安装壳体与轴的支承座，又兼作承力骨架，传递集中载荷。这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体质量减轻。手臂外壁与铸件骨架采用胶接，使连接件减少，工艺简单，减轻了质量。b.轴承外形环定位简单。一般在无轴向载荷处，载荷外环采用端面打冲定位的方法。c. 采用薄壁轴承与滑动铜衬套，以减少结构尺寸，减轻质量。d. 有些小尺寸齿轮与轴加工成一体，减少连接件，增加了传递刚度。e. 大、小臂，手腕部结构密度大，很少有多余空隙。如电机与臂的外壁仅有0.5mm间隙，手腕内部齿轮传动安排亦是紧密无间。这样使总的尺寸减少，质量减少。f. 工作范围大，适应性广。PUMA除了自身立柱所占空间以外，它的工作空间几乎是他的长臂所能达到的全球空间。再加之其手腕轴的活动角度大，因此使它工作时位姿的适应性强。譬如用手腕拧螺钉，手腕关节4，6配合，一次就能转1112。g. 由于结构上采用了刚性齿轮传动，调整齿轮间隙机构，弹性万向联轴器，工艺上加工精密，多用整体铸件，使得重复定位精度高。h. 机器人手臂材料的选择：机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来选择。根据设计要求，机器人手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。而另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。因此，在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。机器人手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时，不应有变形和断裂。从力学角度看，即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料，如钢、铸铁、合金钢等。机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料做手臂。其中，非金属材料有尼龙6、聚乙烯和碳素纤维等；金属材料以轻合金为主。在我们的设计中为减轻机器人本体的重量选用铸铝材料。第3章 机器人腰部结构设计通过总体分析后,确定了机器人的结构。所设计的腰关节部分采用二级齿轮减速传动。图3-1 机器人腰关节驱动器和齿轮传动机构简图3.1 电动机的选择设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为: （3-1） 、分别为10kg、5kg、12kg。、分别为重心到第一关节轴的距离，其值分别为300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中、故、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为： （3-2） = =同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量: = =式中：小臂重心距第二关节轴的水平距离 。 腕部重心距第二关节轴的水平距离 。设主轴速度为219/s，则旋转开始时的转矩可表示如下 （3-3）式中：旋转开始的转矩 角加速度 使机器人主轴从到/s所需时间为:则： 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为 电动机的功率可按下式估算 （3-4）式中： 电动机功率 ； 负载力矩 ； 负载转速 ； 传动装置的效率，初步估算取0.9； 系数1.52.5为经验数据，取1.5估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式 （3-5）选择QZD-08串励直流电动机表3-1 QZD-08串励直流电动机技术数据功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）滤磁方式绝缘等级工作制（min）8002446.21750串励B603.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比根据经验取主轴的转速4rad/s。传动装置总传动比取48，分二级传动，第一级是加工在轴上的齿轮与小齿轮啮合，传动比=4；第二级传动比为=12 (3-6)3.3 轴的设计计算3.3.1 计算各轴转速、转矩和输入功率a.各轴转速轴 (3-7)轴 (3-8)轴 n= (3-9)b.各轴输入功率轴 (3-10) 制动器效率轴 (3-11) 齿轮啮合的效率 角接触球轴承的效率轴 P=748.90.98=733.9 W (3-12)c.各轴输入扭矩轴 (3-13)轴 (3-14)轴 T3=9550 (3-15)3.3.2 确定三根轴的具体尺寸两实心轴的材料均选用45号钢，查表知轴的许用扭剪应力= 30MPa，由许用应力确定的系数为C=120.A. 第一根轴设计及校核a.此轴传递扭矩 （3-16）因为轴是齿轮轴,所以可以将轴的轴径加工的大一点,以满足齿轮啮合时强度的要求。齿轮的分度圆直径为50mm,齿轮两端装有轴承,加工一段轴肩来定位轴承.齿轮轴上装型号为 滚动轴承7206AC,内径为30mm。具体尺寸如图3-2所示。图3-2 第一级齿轮轴结构图b.轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要求。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的方法，并恰当地选取其许用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算，对于只受弯矩的轴（心轴）应按弯曲强度条件计算，两者都具备的按疲劳强度条件进行精确校核等。 图33轴的受力分析和弯扭矩图求作用在齿轮上的力： (3-17) 画轴的受力简图 见图33计算轴的支承反力在水平面上 (3-18) (3-19)在垂直面上 (3-20)画弯矩图 见图33在水平面上，剖面左侧 (3-21)剖面右侧 (3-21)在垂直面上 (3-22)合成弯矩，剖面左侧 (3-23)剖面右侧 (3-24)画转矩图 见图33 (3-25)判断危险截面 截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些，扭矩为T，则判断左侧为危险截面，只要左侧满足强度校核就行了。轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力， 截面左侧 (3-26) (3-27)c.轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 ，弯曲疲劳强度，剪切疲劳极限，等效系数， 截面左侧 (3-28)查得，；查得绝对尺寸系数，；轴经磨削加工，表面质量系数。则弯曲应力 ， (3-29) 应力幅 平均应力 切应力 (3-30) 安全系数 (3-31) (3-32) (3-33)查许用安全系数，显然，则剖面安全。其它轴用相同方法计算，结果都满足要求。B.中间轴设计此轴传递扭矩,转速,传递功率为,则 （3-34）安装轴承部分轴径最小,由于整个轴上零件较复杂,在两轴承之间有车在轴上的齿轮,还有安装在轴上的小齿轮,以及轴套和轴承,所以可取大一点,这里取,轴承部分,轴承选为单列角接触球轴承,轴承型号为 滚动轴承7206AC,其余根据结构确定.由于载荷不大,轴承选的较大,强度足够,这里不再详算。中间轴大体结构及尺寸如图3-4所示。图3-4中间轴结构图C. 主轴的设计主轴是连接腰关节与大臂的结构，因结构体积比较大,为节省材料减轻重量,故需设计成空心轴,主要承受轴向拉力,取内径,外径,用圆锥滚子轴承支承,轴承型号为 滚动轴承30205。主轴材料选用型号为ZAlCu5Mn的铸铝合金。3.4 确定齿轮的参数3.4.1选择材料根据表7-1,选择齿轮的材料为45钢,经调质硬度HBS可达229286。3.4.2 压力角的选择由机械原理知识可知,增大压力角,能使轮齿的齿厚和节点处的齿廓曲率半径增大,可提高齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。此处，压力角可取20。3.4.3 齿数和模数的选择 对软齿面的闭式齿轮传动,其承载能力主要取决于齿面接触疲劳强度。而齿面接触应力的大小与小齿轮的分度圆直径有关,即与齿数和模数的积有关。因此在满足弯曲疲劳强度的前提下,宜选择较小的模数和较多的齿数。这样除能增大重合度,改善传动的平稳性外,还因模数的减小而降低齿高,从而减小金属的切削量,减少滑动速度,减少磨损,提高抗胶合能力。轴上齿轮齿数取25,小齿轮齿数取100,轴上轴齿轮齿数取25,大齿轮齿数取300,模数m取2。3.4.4齿宽系数 由强度公式可知,当载荷一定时,增大齿宽可以减小齿轮直径,降低齿轮圆周速度。但增大齿宽,齿面上的载荷分布不均匀性也将增大。查表7-7,中间轴上的齿轮与大齿轮啮合时取齿宽系数为1.0;悬臂上的齿轮与小齿轮啮合时取为0.5。根据公式 ,计算结果圆整为5的整数倍,作为大齿轮的齿宽,小齿轮齿宽取,以补偿加工装配误差。所以轴上齿轮 与之啮合的小齿轮齿宽 轴上的齿轮齿宽 ,与之啮合的大齿轮齿宽3.4.5 确定齿轮传动的精度 根据GB10095-1988规定,齿轮精度等级分为12级,1级最高,12级最低,常用69级。根据表7-8 选用7级精度的齿轮。表3-2 第一级啮合齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙表3-3 第二级啮合齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙3.4.6 齿轮的校核已选定齿轮采用45钢，锻造毛坯，软齿面，齿轮渗碳淬火HRC5662，齿轮精度用7级，软齿表面粗糙度为，对于需校核的一对的齿轮，齿数分别为，模数为2，传动比，扭矩T=16.76Nm。a.设计准则 按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b.按齿面接触疲劳强度计算 。 （3-35）式中：节点区域系数，用来考虑节点齿廓形状对接触应力的影响，取=2.5； 材料系数，单位为，查表7-5，取189.8； 重合度系数，取=0.90； 齿宽系数，取=1； u齿数比，其值为大齿轮齿数与小齿轮齿数之比，u=12。选择材料的接触疲劳极限应力为： 选择齿根弯曲疲劳极限应力为： 应力循环次数N计算可得 437.5163008=10.08 （3-36）则 （3-37）查得接触疲劳寿命系数为查得弯曲疲劳寿命系数为查得接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数，又为试验齿轮的应力修正系数，按国家标准取2.0，试选1.3，求许用接触应力和许用弯曲应力： （3-38） （3-39） （3-40） （3-41）将有关值带入公式（3-35）得：= =29.78mm则 （3-42） （3-43）查图得；查得，查得，取，则 （3-44）修正，mm取标准模数m=2mm，与前面选定的模数相同，所以m=2mm符合要求。c.计算几何尺寸 ， （3-45） ， （3-46）d.校核齿根弯曲疲劳强度 查得，取校核两齿轮的弯曲强度 （3-47） （3-48） 所以齿轮完全达到要求。图3-5 大齿轮结构图图3-6 小齿轮结构图3.5 壳体设计基座部分采用球墨铸铁材料,方形结构,壁厚在15mm左右。立柱采用铸铝,空心圆柱形状,起固定轴承外圈的作用。其他部分具体尺寸由结构确定,这里不一一叙述,详见图纸。 3.6小结本章针对腰部的齿轮、大齿轮轴、小齿轮轴进行了设计和校核，另外还表述了设计上的见解。通过校核可知设计的齿轮、轴均符合强度要求。第4章 手腕详细设计说明4.1机器人驱动方案的分析和选择通常的机器人驱动方式有以下四种: a. 步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但是由于采用开环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成“失步”现象。 b. 直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。c. 交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管GTO，大功率晶闸管GTR和场效应管MOSFET等电力电子器件、脉冲调宽技术(PWM)和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DSP三环(位置、速度、电流)全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。d. 液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。 本课题的机器人将采用直流伺服电动机。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。4.2手腕电机的选择4.2.1提腕电机的选择手腕的最大负荷重量，初估腕部的重量，最大运动速度V=2m/s 功率取安全系数为1.2， 考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率。选择Z型并励直流电动机，技术参数如下表4-1 Z型并励直流电动机技术参数型 号额定电压 （V）额定转矩(N/m)额定转速 (r/m)参考功率 (W)重量 (kg)Z200/20-400 200 1 2000 400 5.54.2.2摆腕和转腕电机的选择根据设计要求取相同型号的电机，选择Z型并励直流电动机，型号为200/20-400。 4.3传动比的确定4.3.1提腕总传动比的确定先根据下式求角速度 = 20 r/s 为角速度(r/s)，V为运动速度（m/s）， R为机械接口到转动轴的距离(m)。再求实际转速 n 为转速(r/min)。最后求得总传动比i总10.4 取整i总1=104.3.2转腕和摆腕传动比的确定用同样的方法，可求得转腕总传动比i总220摆腕总传动比i总3104.4传动比的分配 传动比分配时要充分考虑到各级传动的合理性，以及齿轮的结构尺寸，要做到结构合理。a. 提腕传动比分配 提腕总的传动比i总1=10，该传动为两级传动，第一极传动为圆柱齿轮传动，传动比i11=2，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i125。b. 转腕传动比分配 转腕总的传动比i总220，该传动为两级传动，第一极传动为圆锥齿轮传动，传动比i215，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i214。 c. 摆腕传动比分配 摆腕总的传动比i总310，该传动为两级传动，第一极传动为圆柱齿轮传动，传动比i312，第二极传动为圆锥齿轮传动，传动比i325。4.5齿轮的设计 按照上述传动比配对各齿轮进行设计。4.5.1提腕部分齿轮设计 A. 第一极圆柱齿轮传动齿轮采用45号钢，锻造毛坯，正火处理后齿面硬度170190HBS，齿轮精度等级为7极。取。a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b.按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 （41）其中， ， 选择材料的接触疲劳极根应力为： 选择材料的接触疲劳极根应力为： 应力循环次数N由下列公式计算可得 （4-2） 则 接触疲劳寿命系数,弯曲疲劳寿命系数接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数,又，试选。求许用接触应力和许用弯曲应力：将有关值代入（41）得：则 动载荷系数；使用系数；动载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数，则修正 取标准模数。 c.计算基本尺寸取 d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数， 取 校核两齿轮的弯曲强度 （43） 所以齿轮完全达到要求。表42 齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，小齿轮将做成齿轮轴。B. 第二极圆锥齿轮传动齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取a. 设计准则按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b. 按齿面接触疲劳强度设计齿面接触疲劳强度的设计表达式 （44）其中， ，选择材料的接触疲劳极根应力为： 选择材料的接触疲劳极根应力为： 应力循环次数N由下式计算可得 （4-5） 则 接触疲劳寿命系数,弯曲疲劳寿命系数接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数,又，试选。求许用接触应力和许用弯曲应力：将有关值代入（44）得：则 动载荷系数；使用系数；齿向载荷分布不均匀系数；齿间载荷分配系数取，则修正 取标准模数。 c.计算基本尺寸d. 校核齿根弯曲疲劳强度复合齿形系数， 取 校核两齿轮的弯曲强度 （4-6） 所以齿轮完全达到要求。表43齿轮的几何尺寸符号公式分度圆直径 齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽由于小齿轮的分度圆直径较小，所以作成齿轮轴。4.5.2转腕部分齿轮设计第一极圆锥齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取。经计算齿轮满足要求表44齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径 齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽第二极圆锥齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取。经计算齿轮满足要求。表45齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径 齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽4.5.3摆腕部分齿轮设计第一极圆柱齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取。经计算齿轮满足要求。小齿轮作成齿轮轴。表46齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙第二极圆锥齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180190HBS，齿轮精度等级为7极。取。经计算齿轮满足要求。小齿轮作成齿轮轴。表46齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径 齿顶高齿根高齿顶圆直径 齿根圆直径齿顶角齿根角分度圆锥角顶锥角根锥角锥距齿宽4.6轴的设计和校核轴的结构决定于受力情况、轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、轴的毛坯，制造和装配工艺、以及运输、安装等条件。轴的结构，应使轴受力合理，避免或减轻应力集中，有良好的工艺性，并使轴上零件定位可靠、装配方便。对于要求刚度大的轴，还应该从结构上考虑减少轴的变形。4.6.1输出轴的设计摆腕的传动轴根据连轴器选：轴径d=18mm ，根据结构取轴长l=135mm。由于要实现摆腕，工作时要求彼此有相对运动的空间传动所以提腕和转腕的传动轴采用软轴。软轴通常由钢丝软轴、软管、软轴接头和软管接头等几部分组成。a. 钢丝软轴由几层弹簧钢丝紧绕在一起构成的。每层又由若干根钢丝组成。相邻钢丝层的缠绕方向相反。b. 软管用来保护钢丝软轴，以免与外界的机件接触，并保存润滑剂和防止尘垢侵入；工作时软管还起支撑作用。c. 软轴接头用以连接动力输出轴及工作部件d. 软管接口用以连接传动装置及工作部件的机体，有时也是软轴接头的轴承座。在使用软轴的时候要注意钢丝软轴必须定时涂润滑脂，不得使软轴的弯曲半径小于允许最小半径。4.6.2传动轴的设计轴的材料为45号钢，调制处理a. 初估轴径， c=106117,取c=106则 （4-7） b. 各段轴径的确定 初估轴径后，就可按照轴上零件的安装顺序从处开始逐段确定轴径，上面计算的是轴段1的直径，由于轴段1上安装连轴器，因此轴段1直径的确定和连轴器型号同时进行。这次选用的是波纹管连轴器。故轴段1直径20mm。右端用轴肩固定，考虑到在轴段2上装套筒，故取轴径22mm。在轴段3上要安装轴承，其直径应该便于轴承安装，又应该符合轴承内径系列，即轴段3的直径应与轴承型号的选择同时进行。现取角接触球轴承型号为7205，其内径25mm。通常一根轴上的两个轴承取相同型号，故取轴段7的直径25mm。轴段4上用轴肩固定轴承，故取30mm。轴段5上作成齿轮轴，尺寸与齿轮相同。根据结构确定轴段6的直径30mm。c. 各轴段长度的确定各轴段长度主要根据轴上零件的毂长或轴长零件配合部分的长度确定。另一些轴段长度，除与轴上零件有关外，还与箱体及轴承盖等零件有关。根据联轴器取 。考虑到套筒长度取 。根据轴承宽度取 。根据结构 。图41轴的结构设计草图4.6.3轴的强度校核轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要求。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的方法，并恰当地选取其许用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算，对于只受弯矩的轴（心轴）应按弯曲强度条件计算，两者都具备的按疲劳强度条件进行精确校核等。图42轴的受力分析和弯扭矩图a 轴上的转矩T：主轴上的传递的功率： （4-8）求作用在齿轮上的力：b 画轴的受力简图 见图42c 计算轴的支撑反力在水平面上在垂直面上d 画弯矩图 见图42在水平面上，剖面左侧剖面右侧在垂直面上 合成弯矩，剖面左侧剖面右侧 e 画转矩图 见图42 f. 判断危险截面 截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些，扭矩为T，则判断左侧为危险截面，只要左侧满足强度校核就行了。g.轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力， 截面左侧 h. 轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 ，弯曲疲劳强度，剪切疲劳极限，等效系数， 截面左侧查得，；查得绝对尺寸系数，；轴经磨削加工，表面质量系数。则弯曲应力 ，应力幅 平均应力 切应力 安全系数 查许用安全系数，显然，则剖面安全。其它轴用相同方法计算，结果都满足要求。4.7夹持器的设计根据焊枪的轴径和机械接口的结构设计了夹持器。本次设计使用的焊枪直径为50mm。用螺栓固定焊枪。通过螺栓与机械接口联接。4.8壳体的设计机座部分采用铸铝材料，方形结构，臂厚812mm。机身部分采用铸铝材料，圆筒形结构，臂厚78。大臂外壳和大臂箱体采用铸铝材料，方形结构，厚度均为68。小臂箱体和小臂外壳采用铸铝材料，结构为方形，侧面为铸件其它三面为铸铝板材。手腕外壳和手腕箱体采用铸铝材料，结构为方形，两侧面、背面、底面为铸件，端面和正面为铸铝板材，臂厚58mm。 其它部分具体尺寸由结构决定，详见图纸。第5章 单片机电气控制系统设计5.1 微机数控系统的设计5.1.1 硬件电路设计硬件是组成系统的基础，也是软件编程的前提，数控系统硬件设计包括以下几部分内容：1、 绘制系统电气控制的结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机械手硬件电路由五部分组成：（1） 主控制器，即中央处理单元CPU；（2） 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；（3） 存储器，包括程序存储器和数据存储器；（4） 接口，即输入/输出接口电路；（5） 外围设备，如键盘、显示器等。机械手数控系统硬件框图如图6所示： 图6机械手数控系统硬件框图（开环系统）2、 选择中央处理单元CPU的类型根据设计要求，CNC系统的主CPU采用8031单片机。3、 存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。选择EPROM作程序存储器时，应考虑：（1） 速度应与CPU时钟匹配；（2） 容量适中。4、 I/O接口电路设计设计内容包括：据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。这部分设计要求考虑系统的驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。在存储器扩展和I/O接口电路中，均涉及到地址译码问题。5.1.2 软件电路设计软件是硬件的补充。确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1、 软件设计步骤软件设计步骤分为以下几步：（3） 据软件要求实现的功能，制定出软件技术要求；（4） 将整个软件模块化，确定个模块的编制要求，包括个模块功能，入口参数，出口参数；（5） 据硬件资源，合理分配好存储单元；（6） 分别对个模块编程，并调试；（7） 连接各模块，进行统一调试及优化；（8） 固化到程序存储器中。2、 数控系统中常用的软件模块（1） 软件实现环形分配器；（2） 插补运算模块；（3） 自动升降速控制模块等。5.2 8031单片机及其扩展5.2.1 8031单片机的简介1、8031芯片引脚及片外总线结构（1）8031芯片引脚功能8031芯片有40个引脚，引脚配置见图7： 图78031芯片引脚（2）各引脚按功能可分为三部分：l I/O口线：P0，P1，P2，P3共4个8位口；l 控制口线：，ALE，RST； l 电源及时钟：V、V；XTAL1，XTAL2。（3）应用特性：l I/O口线不能都用作用户I/O口线；l 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；l P3是双重功能口。2、8031单片机片内结构8031单片机由7个部件组成，既微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定时/计数器及中断系统，它们都是通过片内单一总线连接而成的。5.2.2 8031单片机的系统扩展 8031单片机内无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片内仅有128字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM也不够用，须扩展。8031片内四个I/O口中仅P1口可作为8位双向的I/O接口用户使用，也须扩展，有些情况还须扩展定时/计数器等。1、8031的片外总线结构所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展：（1） 数据总线（DB）：由P0口提供，数据总线要连接到连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。（2） 地址总线（AB）：16位，可寻址范围为64K字节，AB由P0口提供低8位地址，与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存。高8位地址由P2口提供。（3） 控制总线（CB）：系统扩展用控制总线有、ALE、。2、系统扩展能力据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器最大容量为64K字节。片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号。允许两者的地址重复。故片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为64K。扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。3、地址锁存器8031扩展系统时，由P0口提供数据及低8位地址，分时传送，故须地址锁存。常用的地址锁存器芯片是74LS373（带三态缓冲输出的8D触发器），其引脚及连接见图8。图874LS373引脚及连接图图中：DD：信号输入端；QQ：信号输出端；G：下降沿时，将DD锁存于内部；E：使能端，E=0时，三态门处于导通状态，输出端QQ与输入端DD连通，当E=1时，输出三态门断开，输入数据锁存。4、地址译码8031扩展电路中，都涉及到外部地址空间分配问题，即当8031数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法可分为三种：线选法、全地址译码法和部分地址译码法。这里选用部分地址译码法。这种方法是线选与地址译码相结合。图9为74LS138码器的引脚图。当G时，74LS138工作。C、B、A的输出决定译码器的输出引脚。图974LS138引脚图5.2.3 存储器扩展1、存储器常用芯片（1）EPROM芯片 常用的程序存储器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均为28脚双列直插式扁平封装长片，图10为常用EPROM引脚。图10常用EPROM引脚排列EPROM选用原则：（a） 据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需要大量计算来确定存储系统容量（粗略估计，留有一定余地，以备系统的功能扩展用），为使电路简化，尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合。（b） 芯片的工作速度满足系统的时序要求。8031访问EPROM时，其所提供的读取时间t与所选的晶体时钟有关，约为3T，不同型号的EPROM工作速度一般为200450ns，故选取芯片时，应使其工作速度小于t。（2）数据存储器数据存储器有动态和静态之分，两者相比，静态RAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，扩展简单，在数据存储器扩展电路中应用较广泛。常用的静态RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它们都由单一的+5V电源供电，28脚双列直插式扁平封装，典型存取时间为150200ns。其引脚如图11所示：图11常用RAM的引脚2、存储器的扩展8031芯片与存储器的连接存储器扩展实质是三总线的连接。1） 据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。2） 数据线的连接：将8031芯片的PP按位与RAM数据线DD直连。3） 地址总线的连接：据确定的地址线根数，将相应的低位地址线相连，剩余高位地址线作片选。4） 控制总线的连接：对应控制线连接。5.2.4 I/O口的扩展MCS51单片机共有四个8位并行I/O口，可提供给用户使用的只有P1口和部分P3口线，因此不可避免的要进行I/O端口的扩展。Intel公司常用的外围接口芯片有：8155、8255及8279等。此外还有74LS系列的TTL电路和CMOS电路锁存器、三态门电路也可以为扩展I/O口。1、 I/O口扩展方法据扩展并行I/O口时数据线的连接方式，I/O口扩展方式可分为三种：1） 总线扩展方法2） 串行口扩展方法3） 通过单片机片内I/O口的扩展方法2、 常用接口芯片（1）8