0096-機(jī)械手-電動(dòng)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真【全套8張CAD圖+說明書】
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第 1 頁 目 錄 目 錄 1 摘 要 2 第 1 章 緒 論 4 1.1 緒言 4 1.2 課題工作要求 6 1.3 課題基本參數(shù)的確定 7 第 2 章 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 9 2.1 手部機(jī)構(gòu) 9 2.1.1 手指的形狀和分類 10 2.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 10 2.1.3 手部夾緊的設(shè)計(jì) 11 2.2 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 2.2.1 手腕的自由度 .12 2.2.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 .13 2.3 手臂伸縮，升降，的尺寸設(shè)計(jì)與校核 17 2.3.1 手臂伸縮的尺寸設(shè)計(jì)與校核 .17 2.3.2 手臂升降的尺寸設(shè)計(jì)與校核 .19 2.3.3 手臂的尺寸設(shè)計(jì)與校核 .19 第 3 章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 總 結(jié) 44 致 謝 44 參考文獻(xiàn) 45 第 2 頁 摘 要 本文簡要介紹了電動(dòng)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手的概念，機(jī)械手硬件和軟件的 組成，機(jī)械手各個(gè)部件的整體尺寸設(shè)計(jì)，氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)。本文對機(jī)械手進(jìn)行 總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。 同時(shí)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，計(jì)算出了 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩。設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)出了機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)，繪制了機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖，大大提高了 繪圖效率和圖紙質(zhì)量，畫出了機(jī)械手的裝配圖圖。 關(guān)鍵詞： 工業(yè)機(jī)器人 機(jī)械手 電動(dòng) 電動(dòng)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手 第 3 頁 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 4 頁 第 1 章 緒 論 1.1 緒言 到目前為止，世界各國對“機(jī)器人機(jī)械手”還沒有做出統(tǒng)一的明確定義。 通常所說的“機(jī)器人機(jī)械手”是一種能模擬人的手、臂的部分動(dòng)作，按照予定 的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)或操縱工具的自動(dòng)化裝置。而“機(jī) 械手”一般具有固定的手部、固定的動(dòng)作程序（或簡單可變程序） 、一般用于固 定工位的自動(dòng)化裝置。因?yàn)閲鴥?nèi)外稱作“機(jī)器人機(jī)械手” 、 “機(jī)械手” 、 “操作機(jī)” 的這三種自動(dòng)化和半自動(dòng)化裝置，在技術(shù)上有某些相通之處，所以有時(shí)不易明 確區(qū)分，就它們的技術(shù)特征來看，其大致區(qū)別如下。 “機(jī)器人機(jī)械手” （Industrail Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自 動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操縱工具的裝置（國內(nèi)稱作機(jī)器人機(jī)械手或通用機(jī)械手） 。 “機(jī)械手” （Mechanical Hand）：多數(shù)是指附屬于主機(jī)、程序固定的自動(dòng)抓 取、操作裝置（國內(nèi)一般稱作機(jī)械手或?qū)Ｓ脵C(jī)械手） 。如自動(dòng)線、自動(dòng)線的上、 下料，加工中心的自動(dòng)換刀的自動(dòng)化裝置。 “操作機(jī)” （Manipulator）：一般是指由工人操縱的半自動(dòng)搬運(yùn)、抓取、操 作裝置。如鍛造操作機(jī)或處理放射性材料、火工品的裝配等所使用的半自動(dòng)化 裝置。 機(jī)器人機(jī)械手（Industral Robot ,簡稱 IR）是 1960 年由《美國金屬市場》 報(bào)首先使用的，但這個(gè)概念是由美國 George·C·Pevol 在 1954 年申請的專利“程 序控制物料傳送裝置“時(shí)提出來的。在這專利中所記述的機(jī)器人機(jī)械手，以現(xiàn) 在的眼光來看，就是示教再現(xiàn)機(jī)器人。根據(jù)這一專利，Devol 與美國 Consolide Control Corp 合作，于 1959 年研制成功采用數(shù)字控制程序自動(dòng)化裝置的原型機(jī)。 隨后，美國的 Unimation 公司和美國的機(jī)械鑄造(AMF) 公司于 1962 年分 別制造了實(shí)用的一號機(jī)，并分別取名為 Unimate 和 Ver·satran。Unimate 機(jī)器人 外形類似坦克炮塔，采用極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，而 Versatran 機(jī)器人采用圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。 上述兩種機(jī)器人成為機(jī)器人結(jié)構(gòu)的主流，美國通用汽車公司和福特汽車公 第 5 頁 司在其金屬冷熱加工中，采用這類機(jī)器人進(jìn)行壓、鑄、沖壓等上、下料，收到 了良好的效果。 美國的機(jī)器人機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段： （1） 1963~1967 年為實(shí)驗(yàn)定型階段。1963~1967 年，萬能自動(dòng)公司制造 的機(jī)器人機(jī)械手供用戶做工藝實(shí)驗(yàn)。1967 年，該公司生產(chǎn)的機(jī)器人機(jī)械手定型 為 1900 臺(tái)。 （2） 1968~1970 年為實(shí)驗(yàn)應(yīng)用階段。這一時(shí)期，機(jī)器人機(jī)械手在美國進(jìn) 入應(yīng)用階段。例如美國通用汽車公司 1968 年訂購了 68 臺(tái)機(jī)器人機(jī)械手；1969 年又自行研制出 SAM 型機(jī)器人機(jī)械手，并用 21 臺(tái)組成了點(diǎn)焊小汽車車身的焊 接自動(dòng)線。 （3） 1970 年至今一直出于技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用階段。1970~1972 年，機(jī) 器人機(jī)械手處于技術(shù)發(fā)展階段。1970 年 4 月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了 第一屆全國機(jī)器人機(jī)械手會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國已采用了大約 200 臺(tái)機(jī)器人 機(jī)械手，工作時(shí)間共達(dá) 60 萬小時(shí)以上。與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂高級機(jī)器人，例 如森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制 50 臺(tái)機(jī)器人機(jī)械手 的系統(tǒng)。 在歐洲第一臺(tái)機(jī)器人機(jī)械手是 1963 年瑞典 Kavieldt 公司發(fā)表的第一臺(tái)操作 機(jī)。 日本在六十年代初期就開始研制固定程序控制的機(jī)器手，并從其他各國引 進(jìn)了用于不同生產(chǎn)過程的機(jī)器人，并獲得迅速，很快研制出日本國產(chǎn)華的機(jī)器 人機(jī)械手，技術(shù)水平很快趕上了美國并超過了其它國家，目前機(jī)器人機(jī)械手在 日本已得到迅速發(fā)展并很快得到普及。 我國雖然開始研制機(jī)器人機(jī)械手僅比日本晚 5~6 年，但由于種種原因，機(jī) 器人機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展比較慢。但目前已引起了有關(guān)方面的極大關(guān)注。除了引 進(jìn)、消化、仿制外，已經(jīng)具備了一定的獨(dú)立設(shè)計(jì)和研制能力。在 1958 年維 吾爾自治區(qū)成立 30 年大慶站展覽館展出了由機(jī)械局研制的跳舞機(jī)器人《阿 依古麗》 。在 1986 年地十六屆廣交會(huì)上，成都電訊工程學(xué)院研制的第三代仿人 機(jī)器人《成蓉小姐》已經(jīng)用漢語或英語向來賓問好，并能簡要的介紹的展覽產(chǎn) 品及回答簡單問話。西北電訊工程學(xué)院研制的微機(jī)控制示教再現(xiàn)式機(jī)器人《西 第 6 頁 電 I 號 》 ，也于 1985 年 9 月在陜西省科技貿(mào)易大會(huì)上進(jìn)行了表演。此外，清華 大學(xué)自動(dòng)化系研制的具有視覺手眼系統(tǒng)，北京鋼鐵學(xué)院研制的焊接機(jī)器人，均 已達(dá)到了較高的水平。同時(shí)，在機(jī)器人學(xué)科中的視覺、聽覺、語音合成、觸覺、 計(jì)算控制以及人工智能諸領(lǐng)域研究，也取得了一定的進(jìn)展。 近幾年來的成就表明，我國機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)邁出了可喜的一步。相信在不 久的將來，我們一定回趕上世界各國前進(jìn)的步伐。 1.2 課題工作要求 為了保證機(jī)器人在抓取工件時(shí)的精確度，我們在機(jī)器人的手部安裝了 力覺傳感器。用以對機(jī)器人的檢測和監(jiān)控。該檢測系統(tǒng)運(yùn)用的是閉環(huán)控制。 整個(gè)抓取動(dòng)作的流程見圖。 Ｎ Ｙ 初始化 手部下降 夾持工件 是否夾緊？ 手臂伸長 手臂上升 手腕回轉(zhuǎn) 180 度 手臂回轉(zhuǎn) 180 度 手爪松開 手臂縮回 回到原位 啟動(dòng) 第 7 頁 圖 1.1 機(jī)械手的工作程序圖 1.3 課題基本參數(shù)的確定 1、手部負(fù)重：10kg（抓取物體的形狀為圓柱體.圓柱半徑.高度自定.密度 7.8g/cm3.） 2、自由度數(shù)：4 個(gè)，沿 Z 軸的上下移動(dòng)，繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，沿 X 軸的伸縮，繞 X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 3、坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)，其圓柱坐標(biāo)型式的運(yùn)動(dòng)簡圖如圖所示（見圖 1） 4、最大工作半徑：1800mm，最小工作半徑 1350mm 5、手臂最高中心位置：1012mm 或伺服電機(jī)上端最高行程：1387mm（見圖 2） 最小行程：1237mm 6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 伸縮行程（X）：450 伸縮速度：〈250mm/s 升降行程（Z）：150mm 升降速度：〈60mm/s 回轉(zhuǎn)范圍（φ）：0~180 度 回轉(zhuǎn)速度：〈70/s ω φ X Z 圖 1.2 第 8 頁 7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 回轉(zhuǎn)范圍（ω）：0~180 回轉(zhuǎn)速度：90/s 8、手臂握力：由 N=0.5/f*G 定 這里取 f=0.1 G=10kg N=0.5/f*G=50kg 即手指握力為 50kg 9、定位方式：閉環(huán)伺服定位 10、 重復(fù)定位精度：±0.05mm 11、 驅(qū)動(dòng)方式：電氣（伺服電機(jī)） 12、 控制方式：采用 MGS-51 單片微機(jī) 第 9 頁 第 2 章 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.1 手部機(jī)構(gòu) 手部機(jī)構(gòu)是機(jī)器人機(jī)械手直接與工件、工具等接觸的部件，它能執(zhí)行人手 的部分功能。目前，根據(jù)被抓取工件、工件等的形狀、尺寸、重量、易碎性、 表面粗糙度的不同，在工業(yè)生產(chǎn)中使用著多種形式的手部機(jī)構(gòu)，最常見的是鉗 爪式、磁吸式和氣吸式，也有少數(shù)的特殊形式。不同形式的手部機(jī)構(gòu)其夾緊力 的計(jì)算各有不同。 鉗爪式手部機(jī)構(gòu)是最常見的形式之一。手爪有兩個(gè)、三個(gè)或多個(gè)，其中兩 個(gè)的最多。抓取工件的方式有兩種：外卡式和內(nèi)撐式。從其機(jī)械機(jī)構(gòu)特征、外 觀與功用來看，有多種形式，它們分別是： （1） 撥桿杠桿式鉗爪 （2） 平行連桿式鉗爪 （3） 齒輪齒條移動(dòng)式鉗爪 （4） 重力式鉗爪 （5） 自鎖式鉗爪 （6） 自動(dòng)定心鉗爪 （7） 抓取不同直徑工件的鉗爪 （8） 具有壓力接觸銷的鉗爪 （9） 抓勾與定位銷十鉗爪 （10） 復(fù)雜形狀工件用的自動(dòng)調(diào)整式鉗爪 （11） 同時(shí)抓取一對工件的鉗爪與內(nèi)撐式三指鉗爪 （12） 特殊式手指鉗爪 同時(shí)對鉗爪的選用也非常重要，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面： 1 應(yīng)具有足夠的夾緊力，這樣才能防止工件在移動(dòng)過程中脫落，一般夾 緊力為工件重量的 2 到 3 倍。 2 應(yīng)具有足夠的張開角，來適應(yīng)它抓取和松開工件之間較大的直徑范圍， 而且夾持工件中心位置變化要?。炊ㄎ徽`差?。?。 第 10 頁 3 應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以免承受在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力和震 動(dòng)的影響。 4 應(yīng)能保證工件的可靠定位 5 應(yīng)適應(yīng)被抓取對象的要求 6 盡可能具有一定的通用性 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比 較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 2.1.1 手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按 手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手 指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)， 其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距 離縮小到無窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指 的手指長度變成無窮長時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡 單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng) 型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 2.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程 中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 (二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指 的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大 直徑的工件考慮。對于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。 (三)保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀， 選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動(dòng)定 心。 第 11 頁 (四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn) 生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形， 當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上， 以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 (五)考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支 點(diǎn)， 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型，其結(jié)構(gòu)如 附圖所示。 2.1.3 手部夾緊的設(shè)計(jì) 1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 本課題電動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示： 第 12 頁 圖2-1齒輪齒條式手部 其工件重量G=10公斤， V形手指的角度 ， ,摩擦系數(shù)為?120??mRb24??10.?f (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為: R bpN (2)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計(jì)算公式:)(5.0????tg)(2426. 'N?? 所以 Rbp2?)(45 (3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力: ?21K?實(shí) 際 1、因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取 ，并取 。若被抓取工94.0??5.1?K 件的最大加速度取 時(shí)，則:ga3?12?gaK 所以 )(5694.0125Np?實(shí) 際 所以夾持工件時(shí)所需夾緊的驅(qū)動(dòng)力為 。1563 2.2 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.2.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因 而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選 用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素 有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手 腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)， 第 13 頁 因此我們選用。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于 ，并且要求嚴(yán)格的密封。?360 2.2.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力 矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦 阻力矩，動(dòng)片與徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件 的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖2-2所示為手腕受力的示意圖。 1.工件2.手部3.手腕 圖2-2手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算: 封摩偏慣驅(qū) MM?? 式中: - 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩( );驅(qū) cmN? - 慣性力矩( );慣 cmN? 第 14 頁 - 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)的動(dòng)片)對轉(zhuǎn)偏M 動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩( ).cmN? - 手腕回轉(zhuǎn)的動(dòng)片與定片、徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力封 矩( );cmN? 下面以圖2-3所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算: 1、手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M悅 若手腕起動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為 ，起動(dòng)過程所用的? 時(shí)間為 ，則:t? ).(1cmNtJ???）（慣 式中: - 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ;J ).(2scmN - 工件對手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。1 ).(2scN 若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為:1JgGJc1??21e 式中: - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 :c ).(2scmN - 工件的重量(N);1 - 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm),e - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s);? - 起動(dòng)過程所需的時(shí)間(s);t? — 起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。? 2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏 + ( )?偏 1eG3cmN? 式中: - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N);3 - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm)3 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則 .1eG0? 3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 封M ( )?封M)(21dRfBA?cmN? 第 15 頁 式中: ， - 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑 (cm);1d2 - 摩擦系數(shù)，對于滾動(dòng)軸承 ，對于滑動(dòng)軸承 ;f 01.?f 1.0?f , - 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，ARB 根據(jù) ,得:0??）（ FM3lG?l12Bl31? 同理，根據(jù) (F) ,得:B?0?llGlGRA )()()( 321???? 式中: - 的重量(N)2 ,— 如圖4-1所示的長度尺寸 (cm).31,l 4、轉(zhuǎn)的動(dòng)片與徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密 襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。 驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 手腕回轉(zhuǎn)的尺寸及其校核 1.尺寸設(shè)計(jì) 長度設(shè)計(jì)為 ,內(nèi)徑為 =96mm,半徑 ,軸徑mb10?1DmR48? =26mm,半徑 ,運(yùn)行角速度 = ，加速度時(shí)間D262R3??s/90? =0.1s, 壓強(qiáng) ,t?MPa4. 則力矩： 2)(rRpbM?? ).(63 )026.48.(104.6mN??? 2.尺寸校核 （1）測定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 ,分析部件的質(zhì)量分布情況，kgm10? 第 16 頁 質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：mr50?21rmJ? 05.? （ ）12.?2.mkg 工件的質(zhì)量為5 ,質(zhì)量分布于長 的棒料上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：ml10?).(042.1.22mkglJc?? 假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，對于長 的棒料來說，最大偏心距ml10? ，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:e51).(067.54221mkgeJc??? 慣MtJ??1 ).(3261.0 9705N?? （2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手 腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重心 與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合， ，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線 ,01?e me503? 則： + 偏 1G3 ).(5205.0mN???? 第 17 頁 （3）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 ，對于滾動(dòng)軸承 ，對摩M01.?f 于滑動(dòng)軸承 =0.1， ， 為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑， , f1d2 md31 , , 為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì) , ,md20?ARB NRAB5摩M)(12f? )03.5.03. ? ?)(5.N 4．回轉(zhuǎn)的動(dòng)片與徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密 襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計(jì) 為 的3倍，封M摩 3 封 ??摩 05. )(1mN ?封摩偏慣驅(qū) MM?? 15.0.523.6 )(9 〈驅(qū) 設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。? 2.3 手臂伸縮，升降，的尺寸設(shè)計(jì)與校核 2.3.1 手臂伸縮的尺寸設(shè)計(jì)與校核 手臂伸縮的尺寸設(shè)計(jì) 手臂伸縮采用煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，參看此公司生產(chǎn)的各種型號 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，尺寸系列初選內(nèi)徑為 100/63。? 尺寸校核 1. 在校核尺寸時(shí)，只需校核內(nèi)徑 =63mm,半徑R=31.5mm的的尺寸滿足使用1D 第 18 頁 要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng) ,MPa4.0? 則驅(qū)動(dòng)力： 2RPF??? )(14603150 2N? 2．測定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計(jì)加速度 ，則慣性力：)/(0sma?maF?1 )(50N? 3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) ,2.0?k1.Fkm? )(052N? 總受力?mF??1 )(605 ?0 所以標(biāo)準(zhǔn)CTA的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。 導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以保 證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性， 在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具 體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少 運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。 導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì) 中才用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 平衡裝置 在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓 第 19 頁 一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝 碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù) 求使兩端盡量接近平衡。 2.3.2 手臂升降的尺寸設(shè)計(jì)與校核 尺寸設(shè)計(jì) 運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為 =118mm,內(nèi)徑為 =110mm,半徑R=55mm,運(yùn)行速度，加速l1D 度時(shí)間 =0.1s,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力：t?`20.RpG?? 2605.143? )(79N 尺寸校核 1．測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力： mgG? )(801N? 2．設(shè)計(jì)加速度 ，則慣性力：)/5sa?mG1 )(408N?? 3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) ，1.0?k1.Gkm )(40N?? 總受力?mq?1 )(2408? Gq? 所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。 第 20 頁 2.3.3 手臂的尺寸設(shè)計(jì)與校核 尺寸設(shè)計(jì) 長度設(shè)計(jì)為 ,內(nèi)徑為 ,半徑R=105mm,軸徑mb120?mD210? 半徑 ,運(yùn)行角速度 = ，加速度時(shí)間 0.5s,壓D402?R?s/9? t?? 強(qiáng) ,MPa. 則力矩： 2)(rpb? ).(5 )02.15.(04.6mN??? 5.3.2 尺寸校核 1．測定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 ,分析部件的質(zhì)量分布情kgm120? 況， 質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：r2021rmJ? 0. 2? （ ）6.?2.mkg tJM???.慣 ).(1085 96mN? 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) ,2.0?k 慣摩 Mk.? 第 21 頁 ）（ mN.451082?? 總驅(qū)動(dòng)力矩： 摩慣驅(qū) M? ）（ mN.413508? 〈驅(qū) 設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。? 第 22 頁 第 3 章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由于微型計(jì)算機(jī)具有體積小，可靠性高，靈活性強(qiáng)，易于配置，功能豐富 及價(jià)格便宜等特點(diǎn)，采用微型計(jì)算機(jī)對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制，已經(jīng)成為當(dāng)今機(jī) 器人控制技術(shù)研究和發(fā)展的主流。 機(jī)械手的控制系統(tǒng)，原則上可分為點(diǎn)位控制與連續(xù)軌跡控制兩大類。點(diǎn) 位控制只要求按規(guī)定精度從起始點(diǎn)到達(dá)預(yù)定點(diǎn)，而對移動(dòng)路徑不做要求。連續(xù) 軌跡不僅與運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)與終點(diǎn)有關(guān)，還必須保證運(yùn)動(dòng)軌跡與設(shè)計(jì)軌跡一致。因 此，在連續(xù)軌跡控制中要進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)，并對任意運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行補(bǔ)插（補(bǔ)間） 運(yùn)算。為了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，就必須保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度、加速度連續(xù)，這 無疑也需要進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算。 微型計(jì)算機(jī)對機(jī)器人的控制，一般采用分層控制的方法。第一層為最高 層，其任務(wù)是識別工作空間，并據(jù)此決定如何完成給定的任務(wù)；第二層是決策 層，其任務(wù)是將給定的操作分成基本的運(yùn)動(dòng)；第三層是策略層，其工能是將基 本的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成各自由度的運(yùn)動(dòng)；第四層是執(zhí)行層，它將控制機(jī)器人完成各自 由度的運(yùn)動(dòng)。其中第一層及第二層屬于人工智能的范疇，機(jī)器人的控制主要是 研究第三、第四層。 微型計(jì)算機(jī)種類很多，一般均由以下三部分組成。 A. 中央處理器 CPU，或稱微處理器 MPU。 B. 內(nèi)存儲(chǔ)器，即主記憶裝置 ROM 及 RAM 。 C. 輸入輸出裝置 I/O，或稱接口裝置，聯(lián)系這些裝置的為三條總線， 即數(shù)據(jù)總線 DB，地址總線 AB 及控制總線 CB。 不同型號的微型計(jì)算機(jī)主要是中央處理器 CPU 的內(nèi)容的功能不同，因 而有不同的指令系統(tǒng)和匯編語言。由于外部設(shè)備之不同以及是否用于實(shí)時(shí)控制， 其 I/O 接口裝置因而很大差異。RAM 和 ROM 的存儲(chǔ)量大小直接影響計(jì)算機(jī)的 應(yīng)用范圍。但一般微型計(jì)算機(jī)都可以在原有存儲(chǔ)量的基礎(chǔ)上加以擴(kuò)充。 本機(jī)器人的控制系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)如圖 3-1。它由主 CPU 板、I/O 板、控制 面板、示教盒、伺服板、和穩(wěn)壓電源板等組成。 第 23 頁 主 CPU 板是本控制器的核心，其上有 CPU、存儲(chǔ)器、多級中斷控制電路、 脈沖分配電路、讀位置電路以及串行通訊電路等，完成系統(tǒng)的管理、控制運(yùn)算、 伺服系統(tǒng)控制和仿置檢測等控制功能以及與示教盒、控制板的通訊。 I/O 接口板主要負(fù)責(zé)輸入輸出和監(jiān)測各種故障報(bào)警的輸入信號。伺服板共 8 塊，負(fù)責(zé)完成四個(gè)軸的位置環(huán)速度環(huán)和電流環(huán)的伺服控制。 本次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì) CPU、ROM 和 RAM 中斷處理電路示教盒以及 串行通訊電路鍵盤顯示電路這幾個(gè)部分。 1.CPU 與存儲(chǔ)器 CPU 采用 8031 微處理器地址譯碼器內(nèi)存 RAM 和 EPROM 以及鎖存器 組成。 （1） 8031 的結(jié)構(gòu) 1）寄存器堆 8031 中有 12 個(gè)通用寄存器，6 個(gè)專用寄存器，兩個(gè)累加器和兩個(gè)標(biāo)志 寄存器。由于寄存器很多，故稱其為堆。它們各個(gè)單元不是以序號作為地 址號，而是以其名稱作為地址號。它們?nèi)庆o態(tài) RAM 實(shí)現(xiàn)。 伺服板 圖 3-1 控制系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖 示教盒 控制板 I/O 端 口 及 電平轉(zhuǎn) 換電路 伺服 控制 電路 機(jī) 器 人 8031 CPU RAM ROM 輔助運(yùn) 算回路 串行 通訊 電路 串行 中斷 電路 脈沖分配電路 讀位置電 路 第 24 頁 各寄存器的功能如下： 堆棧指示器 SP：它是一個(gè) 8 位的專用寄存器。用以指示堆棧區(qū)的最上面 的存儲(chǔ)單元的地址，即棧頂?shù)刂贰６褩Ｖ甘酒魇窃谟?jì)算機(jī)中接受中斷要求而 去處理某些外部設(shè)備提出的請求時(shí)需要用到的寄存器。系統(tǒng)復(fù)位后，SP 初始 化為 07H，使得堆棧事實(shí)由 08H 單元開始?？紤]到 08H~1FH 單元分屬與工作 寄存器區(qū) 1~3，若程序設(shè)計(jì)中要用到這些區(qū)，則最好把 SP 值改置為 1FH 或更 大值。 由于棧指針是一個(gè) 8 位的專用寄存器，其值可由軟件改變，因此在內(nèi)部 RAM 中的位置比較靈活。響應(yīng)中斷或子程序調(diào)用時(shí)，發(fā)生入棧操作，入棧的 是 16 位 PC 值，PSW 并不自動(dòng)入棧。在指令系統(tǒng)中有棧操作指令 PUSH（壓 入）和 POP（彈出） ，如有必要，中斷時(shí)可用把 PSW 的內(nèi)容壓入堆棧，加以 保護(hù)，返回前用 POP 指令恢復(fù)。 除用軟件直接改變 SP 值外，在執(zhí)行 PUSH、POP 、各種程序調(diào)用、中斷 響應(yīng)、子程序返回 RETI 等指令時(shí)，SP 值將自動(dòng)增量或減量。 變址寄存器 IX 及 IY：它們能將其內(nèi)容加減一個(gè)稱作偏移量的數(shù)，以達(dá)到 一個(gè)新的地址。 中斷向量地址寄存器 IV：這個(gè)寄存器用以存放中斷服務(wù)子程序的入口地址。 存儲(chǔ)器刷新寄存器 R：8031 可以使用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。刷新存儲(chǔ)器是再生時(shí)進(jìn) 行計(jì)數(shù)用的。 特殊功能寄存器 SFR：8031 單片機(jī)片內(nèi)的 SFR 與存儲(chǔ)器是獨(dú)立的，但它 能像訪問內(nèi)部 RAM 一樣被訪問。8031 單片機(jī)具有 21 個(gè)特殊功能寄存器，可分 為 3 個(gè) 16 位寄存器和 15 個(gè) 8 位寄存器。這些寄存器分散地分布在片內(nèi) RAM 的高 128 字節(jié)地址 80H~FFH，訪問這些專用寄存器僅允許使用直接尋址的方式。 寄存器并未占滿 80H~FFH 整個(gè)地址空間，對空閑地址的操作是無意義的。片內(nèi) 的 SFR 能綜合的實(shí)時(shí)反映整個(gè)單片機(jī)基本系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)及工作方式。因 此，它是非常重要的。對單片機(jī)應(yīng)用者來說，掌握個(gè)各 SFR 的工作狀態(tài)，工作 方式，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的控制具有重要的意義。表 3-1 列出了個(gè) SFR 的名稱幾地址。 第 25 頁 ·ACC 累加器 0E0H ·B B 寄存器 0F0H ·PSW 程序狀態(tài)字堆棧指針 0D0H SP 堆棧指針 81H DPTR 數(shù)據(jù)指針（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 中斷優(yōu)先級控制 0B8H ·IE 允許中斷控制 0A8H TMOD 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控 制 89H ·TCON 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制 88H +·T2CON 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 2 控制 0C8H TH0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制 0（高位字節(jié)） 8CH TL0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制 0（低位字節(jié)） 8AH TH1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制 1（高位字節(jié)） 8DH TL1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制 1（低位字節(jié)） 8BH 第 26 頁 +TH2 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制 2（高位字節(jié)） 0CDH +TL2 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制 2（低位字節(jié)） 0CCH +RLDH 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制 2 自動(dòng)再裝載（高位字 節(jié)） 0CBH +RLDL 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制 2 自動(dòng)再裝載（低位字 節(jié)） 0CAH ·SCON 串行控制 98H SBUF 串行數(shù)據(jù)緩沖器 99H PCON 電源控制 97H 數(shù)據(jù)指針 DPTR（83H ，82H）：數(shù)據(jù)指針 DPTR 是一個(gè) 16 位專用寄存器， 其高位字節(jié)寄存器用 DPH 表示，低位字節(jié)寄存器用 DPL 表示。即可以作為 16 位寄存器 DPTR 來處理，也可以作為 2 個(gè)獨(dú)立的 8 位寄存器 DPH 和 DPL 來處 理 。 DPTR 主要用來保持 16 位地址，當(dāng) 64KB 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間尋址時(shí)，可 作為間接寄存器用。這時(shí)有兩條傳送指令 MOVX A，@DPTR 和 MOVX @DPTR, A。在訪問程序存儲(chǔ)器時(shí)，DPTR 可用作基址寄存器，這時(shí)采用一條基 址+變址尋址方式的指令 MOVC A，@+DPTR, 常用于讀取存放在程序存儲(chǔ)器 內(nèi)的表格數(shù)據(jù)。 2）8031 的引腳功能 8031 為 40 引腳芯片如圖 3-4，按其功能可分為三個(gè)部分： a． I/O 口線：P0，P1 ，P2，P3 共 4 個(gè) 8 位口。 P0（雙向 I/O）口（39~32 腳）：P0 口既可作地址/ 數(shù)據(jù)總線使用，又可作通用 I/O 口用。 P1（準(zhǔn)雙向 I/O）口（1~8 腳）：P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn) 第 27 頁 雙向 I/O 端口。 P2（準(zhǔn)雙向 I/O）口（21~28 腳）：在結(jié)構(gòu)上，P2 口比 P1 口多了一 個(gè)輸出轉(zhuǎn)換控制部分。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)倒向左面時(shí)，P2 口作通用的 I/O 端口用， 是一個(gè)準(zhǔn)雙向口。 P3（雙功能） （10~17 腳）：P3 口是一個(gè)多用途的端口。 b.控制信號引腳：PSEN（片外取指控制） ，ALE（地地鎖存控制） ， EA（片外存儲(chǔ)器選擇） ，RESET（復(fù)位控制） 。 c.電源及時(shí)鐘： Vcc，Vss，XTAL1，XTAL2。 其應(yīng)用特性：a. I/O 口線不能都用作用戶 I/O 口線。 b. I/O 口的驅(qū)動(dòng)能力，P0 口可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 門電 路，P1、P2 、P3 則只能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 門。 c. P3 口是雙重功能口，其功能如圖 3-5 所示。 P3.0:RXD(串行輸入口); P3.1:TXD(串行輸出口); P3.2:INT0(外部中斷 0 輸入線); P3.3:INT1(外部中斷 1 輸入線); P3.4:T0(T0 外部記數(shù)脈沖輸入線); P3.5:T1(T1 外部記數(shù)脈沖輸入線); P3.6:WR(外部 RAM 寫選通脈沖輸出線); P3.7:RD(外部 RAM 讀選通脈沖輸出線)。 第 28 頁 譯碼器采用 74LS138（8205） ，它具有以下特性：能作為 I/O 口或存儲(chǔ)器地 址選擇器，擴(kuò)充簡便，有輸入選擇端，采用了遵肖特基雙極型工藝，最大延遲 為 18ns，連接與 TTL 邏輯電路兼容，低電平輸入負(fù)載電流最大為 0.25A,是標(biāo)準(zhǔn) TTL 輸入負(fù)載的 1/6。 INTEL8205 譯碼器可以擴(kuò)充那些輸入口、輸出口和帶有低電平有效的片選 輸入存儲(chǔ)器件的系統(tǒng)。當(dāng) 8205 被片選時(shí)，它的八個(gè)輸出端之一變“低” ，于是 存儲(chǔ)器系統(tǒng)的一行被選中。對于擴(kuò)大的系統(tǒng)，可把 8205 級聯(lián)系起來，使得每一 譯碼器能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè)譯碼器 ，可任意擴(kuò)充存儲(chǔ)器。 8205 的邏輯符號、引腳排列，選通和譯碼真值表如下： 引腳說明：A0~A2 為選址輸入，E1~E3 為選通允許輸入（既片 選） ，O0~O7 為譯碼輸出。 8205 譯碼真值表如下： 地址 選通允許 輸出 A0 A1 A2 E1 E2 E3 0 1 2 3 4 5 6 7 － － － － － ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 第 29 頁 ＋ － － － － ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ － － － ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ － － ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ － ＋ ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 地址 選通允許 輸出 A0 A1 A2 E0 E1 E2 0 1 2 3 4 5 6 7 × × × － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × － ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 鎖存器采用 74LS373：它的作用是把輸入信號鎖存起來，一直保持到選通 信號來取出信息。其工作原理：當(dāng)鎖存允許端為高電平時(shí)，Q 端跟隨 D 端變化； 當(dāng)鎖存允許由高變低時(shí)，將此變化前一瞬時(shí)輸入鎖存，此后輸入（D ）不會(huì)影 響輸出（Q）直至鎖存允許為高電平，E 是讀選通脈沖。應(yīng)當(dāng)注意在讀期間鎖存 允許不能變化。鎖存允許信號通常取自譯碼器和 R/W 線，地址譯碼有時(shí)需 3 到 15 級門延遲，來防止讀鎖存。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用 6264（8K×8） ，一共采用 3 塊 6264，故 RAM 為 24K，除 了作為系統(tǒng)參數(shù)工作區(qū)，標(biāo)志單元外，主要用作用戶程序存儲(chǔ)區(qū)，為了保存 第 30 頁 RAM 的內(nèi)容，一旦斷電，保證 RAM 中的用戶程序不會(huì)丟失，故采用電池利用 CE2 引腳的掉電保護(hù)裝置在此也得到了應(yīng)用，具體內(nèi)容在后詳講，這里不再敘 述。 6264 靜態(tài) RAM 的技術(shù)性能為：一組三態(tài)輸出引腳作為輸入/輸出公共引腳， 輸入/ 輸出與 TTL 電路兼容， A0~A12 為地址總線， I/O0~I/O7 為數(shù)據(jù)輸入/輸出， CE1 為片選 1，CE2 為片選 2，WE 為寫選通，OE 為讀選通。 6264 引腳排列如下： EPROM 讀存儲(chǔ)器采用 2764（8K×8） ，一共 3 塊，達(dá)到 24 字節(jié)，它的技 術(shù)性能。存取速度快，功耗低，編程簡單，采用雙線控制，全靜態(tài)方式，采用 單一+5V 電源。EPROM 一個(gè)很好的特點(diǎn)就是把輸出元件控制（OE ）和片選控 制（CE）分開，保證了其良好接口特性。對于 EPROM 的工作方式簡述說明如 下：1）.讀方式：EPROM 有兩種控制功能，兩者邏輯上部滿足能夠按次序在輸 出方面獲得數(shù)據(jù)的要求。片選（CE）是電源控制方面，用于器件的選擇。輸出 允許（OE ）是輸出控制方面，用作數(shù)據(jù)到輸出引腳的選通信號，它與器件選擇 無關(guān)。2）.維持方式：在維持方式時(shí)，器件功耗從有效功耗減少到靜態(tài)維持功 能。EPROM 時(shí)一個(gè) TTL 高電平信號加到 CE 輸入端而建立維持方式的。當(dāng)處 于維持方式時(shí)，輸出端均為高阻狀態(tài)與 OE 輸入無關(guān)。 3）.編程方式：2764 進(jìn) 入編程方式時(shí)，Vpp 在 12.5V 且 OE 和 PGM 都在 TTL 低電平、被編程的 8 位 WE CE1 CE2 OE 方式 D0~ D7 × 高 × × 未選 中 高阻 × × 低 × 未選 中 高阻 高 低 高 高 禁止 輸出 高阻 高 低 高 低 讀 D 輸 出 低 低 高 高 寫 D 輸 入 低 低 高 低 寫 D 輸 入 第 31 頁 數(shù)據(jù)以并行方式送到數(shù)據(jù)輸出引腳。地址和數(shù)據(jù)輸入所需電平都為 TTL。 2764 的引腳圖： 2.中斷處理電路 本控制系統(tǒng)中采用 8259 中斷控制器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多重中斷的優(yōu)先排隊(duì) 和中斷申請?zhí)幚怼?259 具有多中工作方式，可通過編程設(shè)定或變更它的工作方 式。CPU 響應(yīng)中斷時(shí)，8259A 能自動(dòng)提供中斷入口地址，而使 CPU 轉(zhuǎn)問相應(yīng) 的中斷處理程序。中斷入口地址可由用戶設(shè)定，入口地址可以選定在任何存儲(chǔ) 單元。 8259A 的引腳，功能說明如下： 在主機(jī) 2764（Ⅰ）的起始地址為 0000H~1FFFH； 2764（Ⅱ）的起始地址為 2000H~3FFFH； 2764（Ⅲ）的起始地址為 4000H~5FFFH； 6264（Ⅰ）的起始地址為 6000H~7FFFH； 6264（Ⅱ）的起始地址為 8000H~9FFFH； 6264（Ⅲ）的起始地址為 8000H~9FFFH；在示教盒中， 2764 的 起始地址為 0000H~1FFFH； 第 32 頁 （1）.數(shù)據(jù)總線緩沖器：是三態(tài)，雙向 8 位緩沖器，外部引腳 D0~D7 用于和 CPU 的數(shù)據(jù)總線相連， CPU 通過數(shù)據(jù)緩沖器向 8259A 傳送命令碼，成 從 8259A 讀聯(lián)狀態(tài)字。在中斷響應(yīng)時(shí)，8259 通過數(shù)據(jù)總線緩沖器問 CPU 提供 CALL 指令的操作碼（11001101）和調(diào)用子程序入口地址高 8 位和低 8 位。 （2）.中斷申請寄存器（IRR）：用來寄存所有從中斷申請輸入線 （IR0~IR7）輸入的中斷申請信號，當(dāng) IR0~IR7 中任何一條申請線上開為高電平 時(shí)，IRR 中相應(yīng)的位置位。 （3）.優(yōu)先級分辨器（PR）：用于確定中斷申請寄存器（ IRR）中個(gè)中 斷申請位的優(yōu)先級。IR0~IR7 的優(yōu)先級可由 CPU 編程設(shè)定。 （4）.控制邏輯根據(jù) CPU 對 8259 編程設(shè)定的工作方式產(chǎn)生 8259A 控 制信號，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)?CPU 發(fā)生中斷申請信號 INT 請求 CPU 響應(yīng)。INTA 是來自 CPU 的中斷響應(yīng)信號。當(dāng) CPU 進(jìn)入中斷響應(yīng)周期，送來第一個(gè) INTA 脈沖時(shí)，8259 的控制邏輯一方面把 CALL 指令操作碼（ 11001101）經(jīng) D0~D7 送上數(shù)據(jù)線供 CPU 讀入指令寄存器。另一方面又把優(yōu)先級分辨器從 IRR 中選 CS 片選 WR 寫 RD 讀 CAS0~C AS2 級聯(lián)線 SP/EN 從片/開啟緩沖器 INT 中斷 IR0~IR7 中斷請求 INTA 中斷響應(yīng) A0 地址線 第 33 頁 出的具有最高優(yōu)先級的中斷中請存入服務(wù)狀態(tài)寄存器（ISR） 。以確定對應(yīng)的服 務(wù)程序入口地址，CPU 在讀到 CALL 指令操作碼后，由于這是一條 3 字節(jié)指令, 因此繼續(xù)發(fā)來兩個(gè) INTA 的脈沖信號，在第二個(gè) INTA 脈沖到來時(shí)，控制邏輯 把被響應(yīng)的中斷申請所對應(yīng)的服務(wù)程序入口地址的低 8 位送上數(shù)據(jù)總線，當(dāng)?shù)?三個(gè) INAT 脈沖到來時(shí)，則提供服務(wù)的程序入口地址高 8 位，然后 CPU 執(zhí)行調(diào) 用指令 CALL，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)程序入口地址。在中斷服務(wù)結(jié)束， CPU 送來的 中斷結(jié)束（EOL ）和特殊中斷結(jié)束（ SEOL）命令碼時(shí)，控制邏輯服務(wù)狀態(tài)寄存 器中的 IS 位復(fù)位。 （3）.讀、寫邏輯暈高來接受 CPU 的控制信號，使來自 CPU 的初始化 命令字（ZCW ）和操作命令字（OCW）存入 8259A 內(nèi)部相應(yīng)的寄存器中，用 以規(guī)定 8259 的工作方式，也 CPU 讀取 8259A 內(nèi)部狀態(tài)信息，有關(guān)引腳功能如 下： CS：片選線。當(dāng) CS=0 時(shí)，8259A 被選中，允許 CPU 對 8259A 進(jìn)行讀、 寫操作。 WR：寫信號。當(dāng) WR=0 時(shí)允許 CPU 把命令字（ICW 和 OCW）寫入 8259。 RD：讀信號 RD=0 時(shí)，允許 8259A 將中斷申請寄存器（IRR ） ，服務(wù)狀 態(tài)寄存器（ISR ） ，中斷屏蔽寄存器（ IMR）和中斷級的 BCD 碼送上數(shù)據(jù)總線供 CPU 讀取。 A0：地址線。這個(gè)輸入信號同 WR、RD 信號一起用來確定命令所需寫 入的各種命令寄存器?；蛑付?CPU 要讀出的狀態(tài)信息寄存器。 （4）.級聯(lián)緩沖器/比較器： 當(dāng) 8259A 為主器件時(shí)（SP=1） ，CAS0~CAS2 為輸出線，在 CPU 響應(yīng) 中斷時(shí)，用來表示級聯(lián)代碼，選出申請中斷的從器件，這是被選的從器件將在 下兩個(gè)接連出現(xiàn)的 INTA 脈沖期間，把預(yù)先編好的中斷服務(wù)程序入口地址代送 上數(shù)據(jù)總線。當(dāng) 8259A 為從器件時(shí)（SP=0） ，CAS0~CAS2 為輸入線，接收主器 件送來的選擇代碼。 8259A 的操作控制和工作原理： a.A0、WR 、RD、CS 的控制作用，表 3-2 表示了在控制引腳不同的電 第 34 頁 平狀態(tài)下的操作控制狀態(tài)。 表 A0、WR、RD、CS 的控制作用 A0 D4 D3 RD WR CS 輸出操作 0 0 1 0 IRR、 ISR 或 中斷級 BCD 碼 數(shù)據(jù)總線 1 0 1 0 IMR 數(shù)據(jù)總 線 輸入操作 0 0 0 1 0 0 數(shù)據(jù)總線 OCW2 寄存器 0 0 1 1 0 0 數(shù)據(jù)總線 OCW3 寄存器 0 1 × 1 0 0 數(shù)據(jù)總線 ICW1 1 × × 1 0 0 數(shù)據(jù)總線 OCW1，ICW2 ，ICW3 對 IRRISR 或中斷級的 BCD 碼的選擇，決定于在此讀出操作之前，CPU 寫 入的操作命令 OCW3 的內(nèi)容。這寫命令的輸入順序由芯片的時(shí)序邏輯以適當(dāng)?shù)?時(shí)序加以排列。 8259A 的工作過程及中斷應(yīng)答時(shí)序：8259 按下列順序管理外圍設(shè)備的中斷 申請：（1）當(dāng)在 IR0~IR7 的中斷申請輸入端上由一個(gè)或多個(gè)輸入出現(xiàn)高電平時(shí)， IRR 中的個(gè)對應(yīng)為被置 1，表明已經(jīng)由外圍設(shè)備提出中斷申請。 （2）8259A 在接受這些中斷申請，并分辨優(yōu)先級的同時(shí)，向 CPU 發(fā)出 第 35 頁 INT 脈沖作為應(yīng)答。 （3）若 CPU 處于“中斷允許”的情況下，在收到 INTA 信號后應(yīng)向 8259A 發(fā)出 INTA 脈沖作為應(yīng)答。 （4）當(dāng) 8259A 接收來自 CPU 的第一個(gè)脈沖（INTA）時(shí)，便使 ISR 的最 高優(yōu)先級相應(yīng)位置 1，而將 IRR 中于之對應(yīng)的位置 0，并送一條 CALL 指令碼 （11001101）至數(shù)據(jù)總線。 （5）當(dāng) CPU 讀到這個(gè) CALL 指令后便發(fā)出兩個(gè) INTA 脈沖至 8259A。 （6）這后兩個(gè) INTA 脈沖促使 8259 把一個(gè)預(yù)先編程的 16 位地址傳到數(shù) 據(jù)總線上（分兩次送出，先低 8 位后高位） 。這個(gè)地址就是中斷服務(wù)程序的入口 地址。 （7）當(dāng)執(zhí)行完上述的 3 字節(jié)調(diào)用指令后，便轉(zhuǎn)移至執(zhí)行外設(shè)中斷服務(wù)子 程序。在子程序執(zhí)行期間，其相應(yīng)的 ISR 位一直保持位 1，只有在子程序的末 尾，在 8259A 收到一個(gè) EOL（中斷結(jié)束）命令時(shí)，才使相應(yīng)的 ISR 復(fù)位。 中斷應(yīng)答時(shí)序如圖所示： 8259 的編程與命令控制字：8259 編程時(shí)，要設(shè)定初始化命令字 ICW 和操 作命令字 OCW。在 8259 啟動(dòng)之前，必須送入 2~4 個(gè)字節(jié)的 ICW1、ICW2 用來 設(shè)置中斷服務(wù)程序的 16 位入口地址。ICW 的 D4 位時(shí)特征位，當(dāng) D4=1，且 A0=0 時(shí)，8259 就會(huì)識別出它時(shí)初始化命令字 ICW1，將其存入相當(dāng)?shù)募拇嫫鳎?并啟動(dòng)初始化時(shí)序。在初始化命令字進(jìn)入 8259A 之后， 8259A 就準(zhǔn)備好接收來 自 IR 輸入線的中斷申請信號。但是，在 8259A 工作期間 CPU 可以通過操作命 令 OCW 命令 8259A 完成不同方式的操作。8259A 共有三種操作命令字： IR INT INTA DB 第 36 頁 OCW1、OCW2、OCW3 ，這三個(gè)操作命令字是依靠 A0 和 OCW 中的 D4、D3 特征位來區(qū)別的。OCW 命令字可在初始化后的任何時(shí)刻寫入，下面分別介紹在 不同的操作命令字的控制下 8259A 的工作方式：（ 1）無 OCW 的操作方式。在 完成初始化程序命令送入后，如果沒有任何 OCW 操作命令字寫入，則 8259A 以全嵌套的操作方式響應(yīng)來自 IR 輸入線的中斷申請信號，中斷申請的優(yōu)先級被 定位 IR0~IR7（IR0 的優(yōu)先級最高） 。當(dāng)中斷被響應(yīng)時(shí)，中斷申請寄存器 IRR 中 優(yōu)先級最高的申請信號被選出，并被存入服務(wù)狀態(tài)寄存器，ISR 相應(yīng)的 IS 位 （IS0~IS7）被置位。在 CPU 有服務(wù)程序返回之前，保持置位直到 CPU 發(fā)出一 個(gè)中斷結(jié)束命令（EOL ）為止。 （2）OCW1 的操作方式： CPU 可以通過操作命 令字 OCW1 來分別屏蔽每一個(gè)中斷申請。OCW1 的格式如圖：當(dāng) Mn=1 則相應(yīng) 的 IRn 被屏蔽 OCW1 （3）OCW2 的操作方式：OCW2 操作命令字用于控制 8259A 的循環(huán)優(yōu)先方 式和中斷結(jié)束，OCW2 中的 R 位用來設(shè)定循環(huán)優(yōu)先方式。當(dāng) R=0 時(shí)，8259A 以 不循環(huán)的優(yōu)先方式操作。IR0~IR7 的優(yōu)先權(quán)時(shí)固定的。當(dāng) R=1 時(shí)，8259A 被設(shè) 定以循環(huán)優(yōu)先方式操作。 （4）OCW3 的操作方式：操作命令字 OCW3 用來設(shè)定 特殊屏蔽方式和指定將要讀出的寄存器。 3．8279 鍵盤、顯示 8279 芯片是一種通用的可編程序的鍵盤、顯示接口器件，單個(gè)芯片就能完 成鍵盤輸入和 LED 顯示控制兩種功能，鍵盤部分提供的掃描方式，可以和具有 64 個(gè)按鍵成傳感器的陣列相連，能自動(dòng)消除開關(guān)抖動(dòng)以及 n 鍵同時(shí)按下的保護(hù)。 顯示部分按掃描方式工作，可以顯示 8 或 16 位 LED 顯示塊。 中斷屏蔽 1=設(shè)置屏 蔽 2=清除屏 蔽 1 M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0 第 37 頁 8279 電路工作原理如下：（1）.I/O 控制及數(shù)據(jù)緩沖器，數(shù)據(jù)緩沖器是雙 向緩沖器，連接內(nèi)、外總線，用于傳送 CPU 和 8279 之間的命令或數(shù)據(jù)。I/O 控 制線是 CPU 對 8279 進(jìn)行控制的引線。CS 是 8279 的片選信號，當(dāng) CS=0 時(shí)， 8279 才被允許讀出或?qū)懭胄畔ⅰR、RD 為來自 CPU 的讀、寫控制信號。A0 用于區(qū)別信息特性：A0=
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