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电动
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机械手
设计
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该方案是电动关节机械手设计，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。
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。
- 内容简介：
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该方案是电动关节机械手设计，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。 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、 式和气 式， 数的 形式。不同形式的手部机构 夹 力的计算 不同。钳爪式手部机构是最常见的形式 。手爪 、 多 ， 中 的最多。抓取工件的方式 种 式和 式。 机械机构 、 与功用 ， 多种形式，它 分 是 1 式钳爪2 行 式钳爪3 动式钳爪4 重力式钳爪5 自式钳爪6 自动定取不同直工件的钳爪8 具 压力接触“的钳爪9 抓与定“钳爪10 式钳爪11 同时抓取 对工件的钳爪与 式 钳爪12 式手钳爪同时对钳爪的用 常重 ，” 方面 1具 的夹 力， 能工件在动中， 夹 力工件重量的2 3。2具 的 ， 它抓取和 工件 大的直 ， 夹持工件中 定 。3具 的 度和 度， 在 动中产生的性力和 动的 。4能 工件的定5被抓取对的 6 能具 定的 用性 夹持式手部结构由手( 手爪)和 力机构所 。 力结构形式 多， 式、 式、式、 式等。 第 1 页 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 第 2 页 t of of s of of of At of he of of of of of of of of of to of 第 3 页 第 1 章 绪 论 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 ”（ 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”（ 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”（ 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 （ 简称 1960 年由美国金属市场报首先使用的，但这个概念是由美国 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， 美国 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 司和美国的机械铸造 (司于 1962 年分别制 造了实用的一号机，并分别取名为 器人外形类似坦克炮塔，采用极坐标结构，而 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） 19631967 年为实验定型阶段。 19631967 年，万能自动公司制造的 第 4 页 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） 19681970 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 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。 19701972 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（ 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 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 56 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。 第 5 页 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。 题工作要求 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 械手的工作程序图 初始化 手部下降 夹持工件 是否夹紧？ 手臂伸长 手臂上升 手腕回转 180 度 手臂回转 180 度 手爪松开 手臂缩回 回到原位 启动 第 6 页 题 基本参数的确定 1、手部负重： 10取物体的形状为圆柱体 高度自定 g/ 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： 1800小工作半径 1350、 手臂最高中心位置： 1012伺服电机上端最高行程： 1387图 2） 最小行程： 1237、 手臂运动参数： 伸缩行程（ X）： 450 伸缩速度： 250mm/s 升降行程（ Z）： 150降速度： 60mm/s 回转范围（）： 0180 度 回转速度： 70/s 7、 手腕运动参数： 回转范围（）： 0180 回转速度： 90/s X Z 图 第 7 页 8、 手臂握力：由 N=0.5/f*G 定 这里取 f= G=10=0.5/f*G=50手指握力为 50、 定位方式：闭环伺服定位 10、 重复定位精度： 1、 驱动方式：电气（伺服电机） 12、 控制方式：采用 片微机 第 8 页 第 2 章 结构的设计 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。 第 9 页 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。 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。 (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 第 10 页 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 结构如附图所示。 1、手部驱动力计算 本课题电动机械手的手部结构如图 2 图 2条式手部 其工件重量 G=10公斤， 1202 ， 4120 ,摩擦系数为 10.0f 第 11 页 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为 : N(2)根据手指夹持工件的方位 ，可 得握力计算公式 : )( )(25)42560( 所以 N )(245 N (3)实际驱动力 : 21实际1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取 ，并取 K 。若被抓取工件的最大加速度取 时，则 : 412 所以 )(p 实际所以夹持工件时所需夹紧的驱动力为 腕结构设计 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 360 ，并且要求严格的密封。 腕的驱动力矩的计算 第 12 页 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手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算 : 封摩偏惯驱 式中 : 驱驱动手腕转动的驱动力矩 ( ); 惯惯性力矩 ( ); 偏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 ( ). 封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析各阻力矩的计算 : 第 13 页 1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩 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 t ，则 : ).(1 ）（惯 式中 :J - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 ).( 2 1J - 工件对手腕转动轴线的转动惯量 ).( 2 若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 1J 为 : c 11 21e 式中 : 件对过重心轴线的转动惯量 ).( 2 1G - 工件的重量 (N); 1e - 工件的重心到转动轴线的偏心距 ( - 手腕转动时的角速度 (弧度 /s); t - 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 偏M 11+ 33( ) 式中 : 3腕转动件的重量 (N); 3腕转动件的重心到转动轴线的偏心距 (当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 11 . 3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩封M封M )(2 12 A ( ) 式中 : 1d ， 2d - 转动轴的轴颈直径 ( f - 摩擦系数，对于滚动轴承 01.0f ，对于滑动轴承 1.0f ; 处的支承反力 (N)，可按手腕转动轴的受力分析求解， 根据 0 ）（ ,得 : 33 22 第 14 页 l 32211 同理，根据 (F) 0 ,得 : l )()()( 332211 式 中 : 2G - 的重量 (N) 321 , 如图 4 4、转的动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 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 长度设计为 00 ,内径为 1D =96径 8 ,轴径62 2D =26径 3 ,运行角速度 = s/90 ，加速度时间t = 压强 , 则力矩： 2 )(22 ).( 226 （ 1）测定参与手腕转动的部件的质量 01 ,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径 0 的圆盘上，那么转动惯量： 221 2 （ 第 15 页 工件的质量为 5质量分布于长 00 的棒料上，那么转动惯量： ).(c假如工件中心与转动轴线不重合，对于长 00 的棒料来说，最大偏心距 01 ，其转动惯量为 : ).(c惯 )( 1).( 1 6 2 5.0( （ 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 虑手腕转动件重心 与转动轴线重合， 01 e ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 03 ,则： 偏M 11+ 33 ).( （ 3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为摩M，对于滚动轴承 01.0f ，对于滑动轴承 f =1d ， 2d 为手腕转动轴的轴颈直径， 01 , 02 , 轴颈处的支承反力，粗略估计 00 , 50 , 摩M )(2 12 A 第 16 页 ) ).(05.0 4回转 的动片与径、定片、 端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计封倍， 封M 3摩M ).(15.0 封摩偏惯驱 ).(29 设计尺寸符合使用要求，安全。 降，的尺寸设计与校核 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 1D =63径 R=设计使用压强 , 则驱动力： 2 )(1 2 4 60 3 1 6N 第 17 页 2测定手腕质量为 50计加速度 )/(10 ，则惯性力： 1 )(5001050N 定摩擦系数 2.0k , )( 总受力 10)(600100500N 0所以标准 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。 臂升降的尺寸设计与校核 尺寸设计 第 18 页 运行长度设计为 l =118径为 1D =110径 R=55行速度，加速度时间 t =强 p=驱动力： 20 . 26 )(3799 N 尺寸校核 1测定手腕质量为 80重力： )(8001080N 2设计加速度 )/(5 ，则惯性力： 1 )(400580N 定一摩擦系数 1.0k ， )( 总受力 1)(124040400800N 0所以设计尺寸符合实际使用要求。 臂的尺寸设计与校核 尺寸设计 长度设计为 20 ,内径为 101 ,半径 R=105径02 半径 0 ,运行角速度 = s/90 ，加速度时间 t 强, 第 19 页 则力矩：2 )(22 ).(2552)26 寸校核 1测定参与手臂转动的部件的质量 201 ,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径 00 的圆盘上，那么转动惯量： 221 2 （ ( 考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数 2.0k , 惯摩 ）（ 总驱动力矩： 摩惯驱 ）（ 第 20 页 设计尺寸满足使用要求。 第 21 页 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 称微处理器 B. 内存储器，即主记忆装置 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 址总线 控制总线 不同型号的微型计算机主要是中央处理器 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。 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由主 、 I/O 板、控制面板、示教盒、伺服板、和稳压电源板等组成。 第 22 页 主 是本控制器的核心，其上有 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 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。 存储器 用 8031 微处理器地址译码器内存 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 现。 伺服板 图 3制系统组织结构图 示教盒 控制板 I/O 端口 及 电平转换电路 伺服控制电路 机器人 8031 助运算回路 串行 通讯 电路 串行中断电路 脉冲分配电路 读位置电路 第 23 页 各寄存器的功能如下： 堆栈指示器 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， 始化为07H，使得堆栈事实由 08H 单元开始。考虑到 08H1元分属与工作寄存器区 13，若程序设计中要用到这些区，则最好把 改置为 1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 应中断或子程序调用时，发生入栈操作，入栈的是 16位 ， 不自动入栈。在指令系统中有栈操作指令 入）和出），如有必要，中断时可用把 内容压入堆栈，加以保护，返回前用 令恢复。 除用软件直接改 变 外，在执行 种程序调用、中断响应、子程序返回 指令时， 将自动增量或减量。 变址寄存器 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 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 8031 单片机片内的 存储器是独立的，但它能像访问内部 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 高128 字节地址 80H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个地址空间，对空闲地址的操作是无意义的。片内的 此，它是非常重要的。对单片机应用者来说，掌握个各 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出了个 名称几地址。 加器 0 B B 寄存器 0第 24 页 序状态字堆栈指针 0P 堆栈指针 81H 据指针（包括 0 83H 和 82H 0 80H 1 90H 2 0 3 0 断优先级控制 0 许中断控制 0时器 /计数器方式控制 89H 时器 /计数器控制 88H + 时器 /计数器 2 控制 0时器 /计数器控制 0（高位字节） 8时器 /计数器控制 0（低位字节） 8时器 /计数器控制 1（高位字节） 8时器 /计数器控制 1（低位字节） 8时器 /计数器控制 2（高位字节） 0时器 /计数器控制 2 0第 25 页 （低位字节） +时器 /计数器控制 2自动再装载（高位字节） 0时器 /计数器控制 2自动再装载（低位字节） 0 行控制 98H 行数据缓冲器 99H 源控制 97H 数据指针 83H， 82H）：数据指针 一个 16 位专用寄存器，其高位字节寄存器用 示，低位字节寄存器用 示。即可以作为 16位寄存器 可以作为 2个独立的 8位寄存器 。要用来保持 16 位地址，当 64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 A， A。在访问程序存储器时， 用作基址寄存器，这时采用一条基址 +变址寻址方式的指令 A， +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其功能可分为三个部分： a I/O 口线： 4 个 8 位口。 双 向 I/O ） 口 （ 3932 脚 ）： 既 可 作 地 址 / 数据总线使用，又可作通用 I/O 口用。 双向 I/O）口（ 18 脚）： 一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 端口。 第 26 页 双向 I/O）口（ 2128 脚）：在结构上， 比 多了一个输出转换控制部分。当转换开关倒向左面时， 作通用的 I/O 端口用，是一个准双向口。 功能）（ 1017 脚）： 是一个多用途的端口。 外取指控制）， 地锁存控制）， 外存储器选择）， 位控制）。 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， 可驱动 8 个 电 路， 只能驱动 4 个 。 c. 是双重功能口，其功能如图 3示。 行输入口 ); 行输出口 ); 部中断 0 输入线 ); 部中断 1 输入线 ); 0(部记数脉冲输入线 ); 1(部记数脉冲输入线 ); R(外部 选通脉冲输出线 ); D(外部 选通脉冲输出线 )。 译码器采用 748205），它具有以下特性：能作为 I/O 口或存储器地 第 27 页 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18接与 辑电路兼容，低电平输入 负载电流最大为 标准 。 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： 2 为选址输 入， 3 为选通允许输入（既片选）， 7 为译码输出。 8205 译码真值表如下： 地址 选通允许 输出 1 2 1 2 3 4 5 6 7 第 28 页 地址 选通允许 输出 2 1 2 3 4 5 6 7 锁存器采用 74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 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 旦断电 ，保证 的用户程序不会丢失，故采用电池利用 体内容在后详讲，这里不再叙述。 第 29 页 6264 静态 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 路兼容， 12 为地址总线， I/，片选 1， 片选 2， 写选通， 读选通。 6264 引脚排列如下： 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。 个很好的特点就是把输出元件控制（ 片选控制（ 开，保证了其良好接口特性。对于 工作方式简述说明如下： 1） 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（ 电源控制方面，用于器件的选择。输出允许（ 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） 维持方式时，器件功耗从有效功耗减少到静态维持功能。 电平信号加到 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 入无关。 3） 2764 进入编程方式时， 在 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 2764 的引脚图： E 方式 7 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 第 30 页 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。应中断时， 8259A 能自动提供中断入口地址，而使 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： 在主机 2764 （）的起始地址为0000H1 2764（）的起始地址为 2000H3 2764（）的起始地址为 4000H5 6264（）的起始地址为 6000H7 6264（）的起始地址为 8000H9 6264（）的起始地址为 8000H9示教盒中， 2764 的起始地址为0000H1 第 31 页 （ 1） 三态，双向 8 位缓冲器，外部引脚 7用于和 数据总线相连， 过数据缓冲器向 8259A
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