摘
工业机器没明确界线包罗门学科涉方领域包含机械学控制理学仿生学等水关节型工业机器研发更行业热点囊括机构学控制理技术计算机传感技术工智仿生学等工业机器应情况象征着国家工业动化程度
设计求机器总体结构中机身臂部分控制系统进行设计完成装配图零件图绘制机器体零件进行受力分析关节需转矩功率进行初步计算选择满足求电动机作动力装置次考虑电动机传动装置连接选取合适传动方式传动中零件进行计算校核控制系统部分选MCS51单片机控制预设指令完成相应动作
关键词
机身臂控制系统
Abstract
There is no clear boundary between industrial robots It covers many disciplines and involves many fields including mechanics control theory and bionics
Each joint are required to be preliminary calculated and the motor that meets the requirements is selected as the power device Secondly consider the connection between the motor and the transmission device select the appropriate transmission mode and calculate and check the parts in the transmission The control system part is controlled by MCS51 singlechip microcomputer and the corresponding action is completed according to the preset instruction
Keywords：
Keywords：FuselageBoom Control Systems
目 录
1 前 言 1
11 课题源研究意义 1
12 国外发展状况 1
121 国发展状况 1
122 国外发展状况 2
13 设计务容求 3
131 设计容 3
132 设计求 3
14 设计技术指标参数 3
2 工业机器工程概述 4
21 工业机器应具备系统功 4
22 工业机器设计中总体方案证 4
221 确定负载 4
222 驱动方式 4
223 传动系统设计 4
224 工作范围 4
225 运动速度 5
23 机器机械传动原理 5
3 机械部分结构设计计算 6
31 机身部分结构设计 6
32 臂结构设计 6
33 机械部分设计计算 7
331 选择电动机 7
332 步进电机控制 12
34 步带部分传动设计计算 12
341 级步带传动计算 12
342 二级步带传动计算 15
35 轴系零件设计 17
36 滚珠丝杠设计计算 17
361 求计算载荷 17
362 计算额定动载荷 18
363 选择滚珠丝杠副 18
364 稳定性验算 18
365 刚度验算 19
366 效率计算 20
367 滚珠丝杠精度标准 21
4 电气系统设计 21
41 工业机器计算机控制系统 21
42 控制系统硬件电路设计 21
421 确定硬件电路总体方案 21
422 MCS51单片机硬件结构特点 22
43 MCS51单片机引脚描述片外总线结构 23
431 单片机型号选择 23
432 程序存储器扩展电路 25
433 静态数存储器扩展 26
44 8155编程行IO扩展接口 28
441 8155芯片介绍 28
442 8031单片机8155接口 29
45 8155构成键盘显示器接口电路 30
总 结 35
参考文献 36
致 谢 37
1 前言
11 课题源研究意义
题水关节工业机器设计—机身臂结构控制系统设计课题源教师拟
水关节工业机器许工业领域机械动化操作例动装配搬运电镀工业机器机器臂单片机伺服控制器检测单元组成 适种类型批次柔性制造生产 工业中应工业机器提高生产制造动化力减轻工作员劳动强度保证产品质量合格实现稳定安全制造生产 时促进产品进行换代更新 特高温高压易燃易爆物品恶劣环境中代体完成需工作 机器广泛工业制造例机械加工压轻工业 手部样够实现度运动够手动控制进行工作根预定流程通编程控制器执行智工业活动 水关节工业机器结构划分常活跃生产制造教学演示中 工业机器形态身空间占率利限工作空间里进行工业活动 够帮助代类特殊场合进行工作制造业航空航天排爆检测等具危险性工作 现代工业技术种重体现 [1]通项研究水关节机器深刻理解理解系统结合理知识实践环节提高实践力利工作坚实基础
12 国外发展状况
121 国发展状况
年国产工业机器研究已仅仅局限独立机器体设计包括工业机器数控机床集成应发展
工业生产活动中许岗位操作操作中少存着种稳定性例高强度工作体超载工作存安全隐患单纯操作产品质量品质难提高机床协作水关节型工业机器引入越越
两五年计划推进国数控操作方面相关产业发展独树帜数控机床方面发展着政策颁发举步维艰生产量产业化量产中高端档次定位生产预示着产业整体水基具备国际竞争力三轴三联动渡四轴联动加工五轴联动出国数控系统技术逐渐进步相关研发员掌控控制技术断革新外具备诸线段插补动态误差补偿类数控机床源源断研发生产投入中匹配机床相关技术员研发相适配驱动装置样带研发形式技术断革新工业机器产业链诞生样仅推进系列产业发展速度工业机器研发更紧
着工业40中国制造2025等政策落实中国工业机器产业发展势头路高歌猛进销售份额中国工业机器销售份额开始市场占率低现占份额例达30见样中国工业机器研究方面资金变越越工业机器技术变越越非常重方变越越棒说控制器减速器传感器等方面较进步带动市场济发展中国工业机器领域缩发达国家距离甚持赶超
国高校开设机器关学科配合国家推行发展政策培育教学资源具相优势包括相关研发机构高校培养计划外系列工业机器创新活动等相信水关节型工业机器研发具重意义
122 国外发展情况
国外机器方面着非常厉害技术说较重方面非常错材料接头方装配工艺方面软件基算法减速器等元件1954年戴维尔首次引入工业机器概念工业机器断发展综述工业机器发展历史三代：机械手操作简单达预设指令够预设坐标点进行移动运动坐标存储起动作执行程中够发现伺服系统驱着机械手现原坐标点机械手完成简单工作现象代表着机械手已具备示教现功原象征着现代工业机器诞生水关节型工业机器前身
例美国德国等机械工业发达国家工业机器研究较早科研技术相更成熟仅具生产力成套生产设备户求产品质量进行控工业机器设备加快相关行业快速发展脚步时提高制造技术水
13 设计务容求
131 设计容
次课题容水关机工业机器设计体现机身机械结构臂架结构设计控制系统设计两方面满足机电体化专业员求容工业机器控制系统设计工业机器控制系统单片机核心控制系统微机单片机控制工业机器着独优势工业机器单片微机控制
132 设计求
（1）制定总体规划机械结构控制方法机结合
（2）根定技术参数合理设计机械部件结构进行设计关设计计算
（3）水关节机器装配图电气原理图设计绘制
14 设计技术指标参数
（1）求： 关节式机器四度
（2）参数：
结构形式：水关节式
持重：10kg
运动范围：臂180°臂70°手腕300°垂直距离100mm
驱动方式：电机驱动
尺寸：540x485x630
控制方式：单片机控制
（3）工作量：
（1）A0图合计约35张
（2）设计规范（少15000字）
（3）外文材料翻译低原字3000
2 工业机器工程概述
21 工业机器应具备系统功
系统功特性复杂机器作系统定方式子系统机联系起具分割特性果您拆卸系统您失整体特定功设计更复杂部机器时应具特征[3]：
（1）目性 ：机构零件系统应该正确目功
（2）整体性 子系统组成整机械系统应该作整体实现指定功
（3）环境适应性 系统必须够适应外部环境变化
（4）相关性 统中子系统间必须存相互关联特征
22 工业机器设计中总体方案证
221 额定负载确定
根课题设计务求手腕部分承载起1KG重量
222 驱动装置选择
该设计中采驱动方法交流伺服电动机机器运动部分包括运动传动机构控制装置机械手够预计设定完成想完成指定流程通常机械臂种方式驱动步进电机直流伺服电机交流伺服电机液压伺服马达中步进电机存概率失步现象液压伺服马达液压系统存漏油问题结合设计控制工件计算出机器终选择交流伺服电机进行控制交流伺服电机存优势体积占机械手臂空间机械手臂负载外型设计设计简洁方便客户选择应场合[3]伺服性应单片机控制便利操作反应快稳定性利机械手正常工作操作外转矩输出力矩电流成例等优点
223 传动系统设计
机器传动应重量轻结构紧凑惯性矩传动方式方面说齿轮传动皮带传动滚珠丝杠传动等传动方式考虑齿形带传动单重复精度高水面重复定位误差满足定位求机身动臂二级齿形带驱动[6]
224 工作范围
工作时候范围操作运动范围等方面决定表示方式通工作时候空间表示机械方面结构机械手臂关节工作时候空间形状方面素决定
225 运动速度
速度机器操手臂工作时候动作产生行程决定速度次时间工作表决定工作时候动作需时间样进步知道运动速度动作时间需少方面决定说动作种类划分底序时进行工作时候进行循环需时间长短决定您应该尝试操作时间制定分配计划较分配流程操作求外操作时间应考虑惯性行程定位方法驱动控制方法精度求
23 机器机械传动原理
该题设计水关节四度工业机器驱动方式电机直接驱动控制简单编程操作方便车身设计薄壁整体铸件设计轻巧灵活机身结构金属板框架结构臂壳采增强塑料压铸成传动原理图1示
图1 传动系统图
机器臂臂设计二级齿形皮带传动升降轴采螺母实现升降运动手腕旋转步进电机直接驱动消传动部件[6]
机器Ⅲ轴丝杠螺母副III轴垂直提升运动断电情况实现锁防止机械手持物体坠落
3 机械部分结构设计计算
31 机身部分结构设计
组装图传动机构构成中包括机身外壳机器手臂外壳作支撑机器整体结构处机身外壳臂1传动结构壁厚4毫米金属板框架组成臂1传动路线：皮带轮第级安装臂伺服电机MI第皮带驱动器步齿形带安装轴方皮带轮形成第二级皮带轮安装轴方第二皮带传动装置步齿形带安装I轴方皮带轮形成I轴顶部呈圆盘形状直接固定臂1外壳
机身传动示意图图2示：
图2 机身传动示意图
电机安装背板背板安装支架通螺钉调节第级步齿形带张力机身中间轴通两径止推轴承安装支架整支架安装变速箱底部通螺钉调节第二级步带张力
32 臂结构设计
系统具性质说整体性中决定取决结构中机身传动臂具力说工作时候完成驱动传动力面介绍计算部分驱动力计算悬臂组件图悬臂壳体臂传动结构悬臂壳体作整机器传动臂作臂传动链壳体壁厚4毫米增强塑料模具压制成部分加固臂传动路线：臂电机MII输出轴配备第级皮带轮第级皮带传动装置步齿形皮带安装轴皮带轮形成轴配备第二级皮带轮步齿形皮带连接安装II轴滑轮（属臂组件）构成第二级皮带传动带轮臂壳体固定电机旋转时机器手臂摆动[4]
传动原理图3示：
图3 臂1齿带传动原理示意图
设计特点
（1）机身控制柜设计单结构
控制柜设计机身部消复杂连接电缆占面积结构紧凑
(2) 构件轻型化设计
机器重量轻需半类似机器重量例：加强塑料臂壳换常铸铝臂壳支架类零件采折弯件驱动器皮带驱动许车轮材料铝合金制成[8]
(3) 结构简单调整方便
采结构较简单皮带传动形式采结构复杂装配结构时皮带传动灵活性适应机器水方灵活性满足组件灵活性求进伺服系统机械部分计算选择包括：脉量确定轴径初始评估计算时候需考虑素说步带进行驱动力时候计算步进电机时候计算选择直流伺服电机时候计算选择滚珠丝杠时候计算
33 关结构机械部分设计计算
331 关电动机选择
电动机需解方说分类需深刻解生活中常电动机步进电动机伺服电机面开始介绍两种电机特点处优势
（1） 关步进电机介绍
处机械控制系统中完成较重数字分析执行务种作重关电信号转变线性角位移力种外法做脉电动机现状国家非常广泛关步进电机中种功步进电机关特点进步分析启动速度非常快速度范围非常广动态性特特点说具良制动反转力
(2) 关伺服电机介绍
伺服电机特点介绍：
精度完成操作解决问题说控制方面完成速度控制力矩控制克服关步进电机方面问题时具非常适应性完成较重操作说特抗负载力承受非常扭矩时额定扭矩三陪左右时具非常稳定性够完成操作说够机器非常低速度稳运行时非常低速度会步进电机操作产生额外影响提供非常稳定性时具非常重力时性够点击减速时候动态响应需时间变非常短加速概需时间十MM左右
（3） 机器电机选择[9][10]
1关手腕处步进电机选择
第次选择电机步进电机电机步距角75°15°反应式步进电机（12相励磁）运动时步距角75°转脉数量
根脉量定义选 δρ001 ㎜
（1）负载转矩折算
根手抓重物质量（分23kg20kg）手腕处零件质量总重估计50kg
阻力矩：T1225手抓转动速度设定20
负载转矩：
式中 TL——电动机负载转距
——导轨摩擦系数取0004 （参考机电体化机械系统设计 P136）
——齿轮丝杠总效率中齿轮传动效率097丝杠传动效率09
步进电机静转矩
（03 05） × 136
004 0068
根反应式步进电机技术数36BF003步进电机应机械设计手册表52中选择
（2）步进电动机选择技术参数
通面步步计算知道选36BF003型反应式步进电机非常合理符合相关求相关数表示表1见：
表1 电动机技术参数：
相 数
3
绕组电阻
16Ω
步距角
15°3°
分配方式
三相六拍
电 压
27V
静转距
0078(08)Nm
相电流
15A
空载启动频率
3100Hz
转子转动惯量10kg㎡
00784
适配驱动器
DX3F040M
外型尺寸
外 径
36mm
长 度
41mm
轴 径
4mm
重 量
022kg
外形尺寸图图4示：
图4 步进电机外形图
矩频特性图5示：
图5 反应式步进电机36BF003矩频特性图
2臂电机选择
根臂重量（预计5kg）手抓重量（50kg）质心离转轴距离
臂转动阻力矩臂转动速度初步设定
传动效率中联轴器效率概（098099） 传动效率中联轴器效率概（097098） 滚动轴承传动效率(098099) 滚珠丝杆传动效率(097098) 关节总传动效率
W
通面步步计算知道选55SZ55型反应式步进电机非常合理符合相关求相关数表示表2见：
表2 55SZ55电动机相关参数
转 矩
转 速
6000
功 率
50 W
电 压
24 V
电 流
049345 A
转动惯量
外型尺寸
外 径
60mm
长 度
91mm
轴 径
5mm
重 量
075kg
3 臂电机选择
根动臂1重量（预计8kg）臂手抓重量（100kg）质心离转轴距离
臂转动阻力矩臂转动速度初步设定
联轴器传动效率（097098） 带轮传动效率(098099) 滚动轴承传动效率(098099) 步带传动效率(097098) 臂总传动效率
W
根计算结果选择70SZ101电机技术参数表3示：
表3 电动机技术参数
转 矩
转 速
7500
功 率
68W
电 压
110 V
电 流
012195 A
转动惯量
外型尺寸
外 径
74mm
长 度
114mm
轴 径
6mm
重 量
15kg
4 机身电机选择
根机身重量（预计初8kg）臂臂手抓重量（180kg）质心离转轴距离
臂旋转阻力矩体构件旋转速度初始设定机身部件转动速度初步设定
联轴器传动效率（097098） 带轮传动效率(098099) 滚动轴承传动效率(098099) 步带传动效率(097098) 机身总传动效率
W
根计算结果选择110SZ53技术参数表4示：
表4 电动机技术参数
转 矩
转 速
3000
功 率
308W
电 压
110 V
电 流
0324 A
转动惯量
外型尺寸
外 径
115mm
长 度
164mm
轴 径
10mm
重 量
58kg
332 步进电机控制
控制模式中步进电机相关示意图图6示：
图6 步进电机控制示意图
通电脉方法控制电机相关流程电 （b)通改变电脉信号控制电机 （c）通改变角位移方法控制电机
34 步带部分传动设计计算
步带驱动器齿形滑轮齿轮齿序接合传递运动动力皮带传动V带传动相传动准确传动效率高轴轴承负荷结构紧凑运行稳定梯形齿弧齿步梯形齿步模块化系统周系统周环形齿形步带具国家标准设计选择带类型周边梯形齿步带[11]
设计采两级步带减速传动2步带传动设计计算容基传动速度额定功率运行条件速度正确选择皮带长度型号带宽皮带轮直径齿数计算程
341 级步带传动计算
（1）通查阅学资料机械设计基础表224查功率
（2）通相关计算相关资料查阅初步选择步带传动带型步带传动
节距机械设计基础相关资料终选择L型节距
（3） 通查阅资料皮带齿数素决定例皮带类型皮带轮速度通查阅机械设计基础查皮带轮齿数处取
（4）带轮节圆直径
外径根圆直径齿高齿根直径见机械设计手册表1104
（5）带齿轮数
（6）带轮节圆直径
外径 齿高根圆直径 见机械设计手册表1104
（7）带速
L带
（8）初定轴间距
取
（9）带节线度齿数
初定带节线长度
通相关计算相关资料查阅机械设计基础应选择型步带步带代号150时相关数节线齿数节线长
（10）通关计算轴间距进行适改动改动结果实际轴间距
（11）带轮啮合齿数
（12）基额定功率
机械设计手册表198中批准工作张力
（13）实际带宽度进行相关计算
带宽度相关计算结果参考文献查询
相关资料查阅出标准带宽
通面计算应该选择宽带代号100带宽非常合理 （<）
342 二级步带传动计算
（1）级步带传动类似通查阅相关资料检查设计功率工况系数
通相关计算相关资料查阅初步选择步带传动带型步带传动节距机械设计基础相关资料终选择L型节距
（2）通相关计算相关资料查阅初步选择步带传动带型步带传动节距机械设计基础相关资料终选择L型节距
（3）通查阅资料皮带齿数素决定例皮带类型皮带轮速度通查阅机械设计基础查皮带轮齿数处取
（4）带轮节圆直径
外径根圆直径齿高齿根直径见机械设计手册表1104
（5）带轮齿数
（6）带轮节圆直径
外径见机械设计手册表1104
齿高见机械设计手册表8150根圆直径
（7）带速
L带
（8）初定轴间距
取
（9）带节线度齿数
初定带节线长度
通相关计算相关资料查阅机械设计基础应选择型步带步带代号150时相关数节线齿数节线长
（10）通关计算轴间距进行适改动改动结果实际轴间距
（11）带轮啮合齿数
（12）基额定功率
机械设计手册表198中批准工作张力
(13) 带宽度相关计算结果参考文献查询
相关资料查询出带宽度型带
机械设计基础关书籍查
通面计算应该选择宽带代号100带宽非常合理 （<）
（14）带轮终选择
作步带传动选型号150L100150L100
带轮：
带轮：
35 轴系结构设计
预计轴径
根公式
P取01 W n1000 rmin c45钢材料系数107初估轴径10 mm
36 滚珠丝杠设计计算
滚珠丝杠传动具广泛应例低摩擦损失高传动精度快速动态响应良运动灵活性影响传动变形素方面决定螺杆身水方刚度支撑轴承刚度球滚动轴承接触刚度等素决定中第项占素
线性运动相滚珠丝杠驱动器具特征：
具驱动没特点传动方面效率非常高启动时需距离非常传动方面具双传动特点传动程中没锁功传动程中精度相传动方式非常高时时间长维修起结构简单传动程中性非常高润滑结构设计非常简便利工更快维护保养实现时进行组运动产生更步传动唯缺点制造起相传动方式相较繁琐造价成较高
根滚珠丝杠条件：
已知：均工作载荷Fm 50N导螺杆工作长度L 023m均转速n250rmin转速n1000rmiｎ寿命Ｌｈ＝１５０００ｈ左右材料钢滚道硬度58—60HRC传动精度mm
机械设计手册表12112选择固定式（G）表12113中选择滚珠丝杠预紧方法单螺母位移导线预紧（B）根机械设计手册表12111轧辊形状选择双面弧形初步计算基导程表12120（4）式计算公式100100001
361 载荷进行相关计算
＝
中 －载荷系数
－硬度系数 －精度系数
根已知条件查表分选取：121
P18－表24查精度等级Ｄ级 ＝１０
12101050
＝60N
362 计算额定动载荷
＝60
＝3647 N
363 选择滚珠丝杠副
外循环插式垫片预紧珠嵌入式（CDM）滚珠丝杠副相关资料查出型号 型号 CDM 200425
导程
公称直径
循环列数圈数252
钢球直径 2381
丝杠外径
螺纹底径
接触刚度
螺 旋 角： ＝4
偏 心 距： ｅ＝007（R－2）
＝007（052－23812）
＝333ｍｍ
364 稳定性验算
固定轴端螺钉运行程中稳定计算时应留意安全系数值应该螺杆传动安全系数略
计算界载荷
cｒ＝
刚弹性模量E＝20610ｐａ
根已知条件：
Ia＝ｄ64
＝314（002ｍ）64
＝
选取ｕ＝23
cｒ＝
687802N
安全系数： S＝cｒFm
＝68780250
＝13756
查表知（S）＝22－33
S 丝杠安全会失稳
365 振性检验
导螺杆高速工作时会发生振必检查发生振速度
ｎ＝9910
取ｆ＝4730ｕ＝23
ｎ＝9910
188604rmin
ｎn＝3000ｒｍｉｎ丝杠会发生振
366 刚度验算
滚珠丝杠导线变形：
Ｔ＝Ftan（4）
次设计中摩擦系数tan
Ｔ＝50
＝
+
0308+0154
0293um
导螺杆工作长度弹性变形引起导程误差
求
满足刚性求
367 效率计算
tantan（）
tan（4tan（4）
0968
丝杠副合格
根计算选取 CDM 200425
根相关资料选择相关数
循环列数圈数252
钢球直径 2381
丝杠外径
螺纹底径
接触刚度
螺 旋 角： ＝4
偏 心 距： ｅ＝007（R－2）
＝007（052－23812）
＝333ｍｍ
368 滚珠丝杠精度标准
根机械设计手册表12118滚珠丝杠副精度等级选择2
4 电气系统设计
41工业机器计算机控制系统
单片微计算机称单片机中央处理器定时器计数器读存储器接口机存取存储器RAM串行通信接口集成芯片中构成完整微型计算机命令功结构根工业控制求设计称单片微控制器目前已国外称单片机[12]
水关节工业机器数控系统框图图7示：
图7 数控原理图
42 控制系统硬件电路设计
421 确定硬件电路总体方案
第通相关书籍查阅选择控制器中央处理单元第二选择总线总线具类型例控制总线址总线等第三通查阅关单片机书籍确定设备接口电路驱动选择单片机存储器中包括数存储程序存储等存储器拓展单位
422单片机硬件结构特点
单片机硬件结构面特点：
（1）具硬件结构说具部程序存储器（）部数存储器（）容量等机构详细参数详见表5：
表5 存储器容量
存储器类型
单片机系列
掩膜ROM
EPROM
RAM
MCS51
51子系列
8031
128B
8051
4KB
128B
8751
4KB
128B
51子系列
8032
128B
8052
8KB
128B
（2）IO接口
微控制器中I O接口数量类型串行端口两I O接口线构建
（3）外部数存储器外部程序存储器寻址空间
微控制器处理种类数存储器具强抗干扰力会受芯片影响
（4）中断堆栈
单片机控制器必须五中断源控制两优先级组成堆积位置通编程实现字节包括128
（5）定时计数器寄存器区
MCS51子系列两16位定时器计数器编程实现四种工作模式MCS51部RAM中32通寄存器4通工作寄存器区域满足中断子程序嵌套求
（6）指令系统
MCS51具强命令系统中添加许操作指令位算法函数例较减法法法堆栈操作（推入弹出）振荡器频率连接12兆赫数指令执行时间1微秒法法指令执行时间4微秒
（7）布尔处理器
MCS51实际完整位微机MCS51出现微电脑技术次突破结合八位微电脑台微电脑仅突出机器逻辑电路仿真实时测量控制切换决策方面优势体现八位机器计算智仪器数采集方面优势MCS51精美设计般微型计算机具备种设计[12]
43 MCS51单片机引脚描述片外总线结构
431 单片机型号选择
8031包括 CPU（8位）机存取存储器（128 KB）21特殊功寄存器（ SFR）4 GE行 I O端口（8位）两16位定时器定时器8031引脚图8示：
图8 8031引脚配置图
MCS51单片机逻辑符号图9示：
图9 8031逻辑符号图
803140引脚中32输入输出（ I O）引脚2专电源引脚两外部晶体引脚四控制电源复[12]
74LS373作址锁存时数锁存控制终端（G）（STB）直接连接微控制器址锁存信号终端（ALE）ALE降时执行址锁存果锁存控制信号微控制器ALE终端输出连接74LS373CLK端子必须通逆变器满足升CLK锁存求
具机存取存储器I O容量应通常全址解码全址解码方法优点较低址线作芯片片址（外部电路中占数量址线）部址线解码器解码解码信号作芯片选择线通常址解码器74LS138逻辑符号表3示逻辑函数表6示：
表6 74LS138功表
C B A
1 0 0
0 0 0
1 1 1 1 1 1 1 0
1 0 0
0 0 1
1 1 1 1 1 1 0 1
1 0 0
0 1 0
1 1 1 1 1 0 1 1
1 0 0
0 1 1
1 1 1 1 0 1 1 1
1 0 0
1 0 0
1 1 1 0 1 1 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0 1 1 1 1 1
1 0 0
1 1 0
1 0 1 1 1 1 1 1
1 0 0
1 1 1
0 1 1 1 1 1 1 1
状态
x x x
1 1 1 1 1 1 1 1
译码原理图10示：
图10 全址译码实例
果解码器输入占三位址行剩余13址行作片址行解码器八条输出线分应8kb址空间62648 KBRAM片寻址需13低位址线（A0A12）三部址线（A13A15）通三分八解码器作外围芯片芯片选择线图中三条址线 扩展三8KB RAM三外设接口电路
432 程序存储器扩展电路
8031没读存储器程序存储器需扩充擦读存储器EPROM作MCS51微控制器外部程序存储器设计采2764A（8Kx8）系列芯片芯片玻璃窗紫外光射约20分钟存储器中信息变成1时工作程序编程芯片中2764 A8kb紫外线擦电子编程读存储器（EPROM）+5 V单电源供电工作电压75 mA28针双列直插式封装
中保持电流35毫安读出时间高达250纳秒插脚图图9示
2764A针含义：
a0a1213址线寻址8k字节o0o7数输出线芯片选择数输出选通线编程脉输入编程电源电源
2764针配置图图11示
图11 2764脚配置图
433 静态数存储器扩展
8031单片机应系统中静态RAM常动态机存取存储器相需功率较高价格设计采6264作芯片静态RAM
62648kx8位静态机存取存储器芯片采CMOS工艺制造采+5V单电源供电额定功耗200mw接入时间200ns28线双列直插式封装脚配置图10示
销定义：
a0a12片13位址线io0io7双数线芯片选择信号线允许读取信号线写入信号线
6264针配置图12示
图12 6264脚配置图
6264操作方式表7示：
表7 6264操作方式
方式
D0—D7
X
H
X
X
未选中
高阻
X
X
L
X
未选中
高阻
H
L
H
H
输出禁止
高阻
H
L
H
L
读
DOUT
L
L
H
H
写
DIN
L
L
H
L
写
DIN
44 8155编程行IO扩展接口
441 8155芯片介绍
i8155芯片256字节RAM两8位6位编程行IO接口14位定时器计数器组成8155直接连接MCS51微控制器需添加硬件逻辑8155具RAMIO接口MCS51单片机系统中常外围接口芯片
8155插脚图图13示
图13 8155引脚图
8155采双列直插式封装40引脚引脚功图示：
442 8031单片机8155接口
MCS51微控制器直接连接8155需额外逻辑80318155接线方法图14示
图14中8031 MCU P0端口输出低8位址直接连接8155AD5AD7需外部锁存器作低8位址总线数总线址锁存器ALE8155直接8155端接P27IOM端P20相连
81558031接口电路图14示：
图14 81558031接口电路
45 8155构成键盘显示器接口电路
图158155行扩展端口构成键盘显示器接口电路LED 8位段显示器具阴极8155PB端口提供段选择代码PA端口提供位选择代码键盘4x8矩阵键盘列输出PA端口提供线路输入PC0PC3提供LED段位信号具8位开路集电极输出8718驱动器驱动
LED采软件解码动态扫描显示工作模式键盘采逐列扫描查询工作模式
8155组成键盘显示电路图15示：
图15 8155构成键盘显示器电路
（1（1）步进电机控制程序：判断旋转方次发送控制字根运行速度实现定延迟判断否结束[11]8155程序框图图16示：：
图16 8155程序框图
步进电机正反转速度控制程序：
PUSH A 保护现场
MOV R4#N 设步长计数器
CLR C
ORL CD5H 转标志1转移
JC ROTE
MOV R0#20H 正转控制字首指针
AJMP LOOP
ROTE： MOV R0#27H 反转控制字首指针
LOOP： MOV A@R0
MOV P1A 输出控制字
ACALL DELAY 延时
INC R0 指针加1
MOV A#00H
ORL A@R0
JZ TPL 结束标志转移
LOOP1 DJNZ R4LOOP 步数零转移
POP A 恢复现场
RET 返回
TPL MOV AR0
CLR C
SUBB A#06H
MOV R0A 恢复控制字首指针
AJMP LOOP1
DELAY MOV R2#M
DELAY1 MOV A#M1
LOOP DEC A
JNZ LOOP
DJNZ R2DELAY1
RET
述程序延迟循环程序实现
（2）键盘显示器相应示例程序面出框图列表图17示：
图17 程序实例框图
动态显示子程序[12]
DIS： MOV A#00000011B 8155PAPB口输出PC口输入
MOV DPTR#7F00H 8155命令口址送DPTR
MOVX @ DPTRA 写命令
MOV R0#50H 50—70H单元存8显示数
MOV R3#70H 第1位LED位选码7FH
AGAIN： MOV DPTR#7F01H 指PA口
MOVX @ DPTRA 位选码送PA口
MOV @R0 取显示数
MOV DPTR#DSEG 取段选码表首址
MOVC A@A+DPTR 取段选码
MOV DPTR#7F02H 指PB口
MOVX @ DPTRA 段选码送PB口
ACALL DL1ms 延时1ms
INC R0 指显示数单元
MOV AR3
JNB ACC0OUT 8位显示完转OUT
RR A 未完调整位选码
MOV R3A
AJMP AGAIN 继续显示位
OUT： RET 子程序返回
DSEG： DB 3FH06H5BH 显示012
DB 4FH66H6DH 显示345
DB 7DH07H7FH 显示678
DB 6FH77H7CH 显示9AB
DB 39H5EH79H 显示CDE
DB 71H 显示F
DL1ms： MOV R7#01H 延时1ms子程序
DL0： MOV R6#0FFH
DL1： DJNZ R6DL1
DJNZ R7DL0
RET
总 结
工业机器着工业革命计算机技术发展出现具定价值水关节工业机器应广泛具定研究意义设计水关节工业机器题 机身臂结构控制系统设计
工业机器系统设计包括机械系统设计电驱动设计控制系统设计容工业机器控制系统设计该系统基MCS51系列MCU
机械部分设计机身臂结构考虑齿形带传动单重复定位精度高水面传动误差传动机构采二级皮带传动控制系统型号8031MCS51微控制器具较部存储空间作静态存储器连接62642764A擦存储器存储程序8155芯片作IO接口单片机译码器采74LS38址锁存74LS373单片机工业控制方面具独特优势工业机器通单片机控制获佳控制
参考文献
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[13] 英Nitaigour Premchand Mahalik编Mechanical and electrical integration theory concept application科学出版社2008
[14] 英Ken Young and Graig G Picken著Accuracy assessment of the modern industrial robot2000
致 谢
三月懈努力终完成学次设计件非常重事情设计学四年研究成果测试总结印证学校园点点滴滴离开校园社会回应
完成设计际想导师付胡代老师毕业设计程中表示衷心衷心感谢老师分析绘图编写手册程中耐心指导帮助理实践知识提高毕业设计成功完成获知识成教师努力更加壮学术动机教学生活中细致关怀甚付出老师专业工作作风非常感动激励重付教师渊博知识严谨学术态度工作热情谦逊性利余生
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摘
工业机器没明确界线包罗门学科涉方领域包含机械学控制理学仿生学等水关节型工业机器研发更行业热点囊括机构学控制理技术计算机传感技术工智仿生学等工业机器应情况象征着国家工业动化程度
设计求机器总体结构中机身臂部分控制系统进行设计完成装配图零件图绘制机器体零件进行受力分析关节需转矩功率进行初步计算选择满足求电动机作动力装置次考虑电动机传动装置连接选取合适传动方式传动中零件进行计算校核控制系统部分选MCS51单片机控制预设指令完成相应动作
关键词
机身臂控制系统
Abstract
There is no clear boundary between industrial robots It covers many disciplines and involves many fields including mechanics control theory and bionics
Each joint are required to be preliminary calculated and the motor that meets the requirements is selected as the power device Secondly consider the connection between the motor and the transmission device select the appropriate transmission mode and calculate and check the parts in the transmission The control system part is controlled by MCS51 singlechip microcomputer and the corresponding action is completed according to the preset instruction
Keywords：
Keywords：FuselageBoom Control Systems
目 录
1 前 言 1
11 课题源研究意义 1
12 国外发展状况 1
121 国发展状况 1
122 国外发展状况 2
13 设计务容求 3
131 设计容 3
132 设计求 3
14 设计技术指标参数 3
2 工业机器工程概述 4
21 工业机器应具备系统功 4
22 工业机器设计中总体方案证 4
221 确定负载 4
222 驱动方式 4
223 传动系统设计 4
224 工作范围 4
225 运动速度 5
23 机器机械传动原理 5
3 机械部分结构设计计算 6
31 机身部分结构设计 6
32 臂结构设计 6
33 机械部分设计计算 7
331 选择电动机 7
332 步进电机控制 12
34 步带部分传动设计计算 12
341 级步带传动计算 12
342 二级步带传动计算 15
35 轴系零件设计 17
36 滚珠丝杠设计计算 17
361 求计算载荷 17
362 计算额定动载荷 18
363 选择滚珠丝杠副 18
364 稳定性验算 18
365 刚度验算 19
366 效率计算 20
367 滚珠丝杠精度标准 21
4 电气系统设计 21
41 工业机器计算机控制系统 21
42 控制系统硬件电路设计 21
421 确定硬件电路总体方案 21
422 MCS51单片机硬件结构特点 22
43 MCS51单片机引脚描述片外总线结构 23
431 单片机型号选择 23
432 程序存储器扩展电路 25
433 静态数存储器扩展 26
44 8155编程行IO扩展接口 28
441 8155芯片介绍 28
442 8031单片机8155接口 29
45 8155构成键盘显示器接口电路 30
总 结 35
参考文献 36
致 谢 37
1 前言
11 课题源研究意义
题水关节工业机器设计—机身臂结构控制系统设计课题源教师拟
水关节工业机器许工业领域机械动化操作例动装配搬运电镀工业机器机器臂单片机伺服控制器检测单元组成 适种类型批次柔性制造生产 工业中应工业机器提高生产制造动化力减轻工作员劳动强度保证产品质量合格实现稳定安全制造生产 时促进产品进行换代更新 特高温高压易燃易爆物品恶劣环境中代体完成需工作 机器广泛工业制造例机械加工压轻工业 手部样够实现度运动够手动控制进行工作根预定流程通编程控制器执行智工业活动 水关节工业机器结构划分常活跃生产制造教学演示中 工业机器形态身空间占率利限工作空间里进行工业活动 够帮助代类特殊场合进行工作制造业航空航天排爆检测等具危险性工作 现代工业技术种重体现 [1]通项研究水关节机器深刻理解理解系统结合理知识实践环节提高实践力利工作坚实基础
12 国外发展状况
121 国发展状况
年国产工业机器研究已仅仅局限独立机器体设计包括工业机器数控机床集成应发展
工业生产活动中许岗位操作操作中少存着种稳定性例高强度工作体超载工作存安全隐患单纯操作产品质量品质难提高机床协作水关节型工业机器引入越越
两五年计划推进国数控操作方面相关产业发展独树帜数控机床方面发展着政策颁发举步维艰生产量产业化量产中高端档次定位生产预示着产业整体水基具备国际竞争力三轴三联动渡四轴联动加工五轴联动出国数控系统技术逐渐进步相关研发员掌控控制技术断革新外具备诸线段插补动态误差补偿类数控机床源源断研发生产投入中匹配机床相关技术员研发相适配驱动装置样带研发形式技术断革新工业机器产业链诞生样仅推进系列产业发展速度工业机器研发更紧
着工业40中国制造2025等政策落实中国工业机器产业发展势头路高歌猛进销售份额中国工业机器销售份额开始市场占率低现占份额例达30见样中国工业机器研究方面资金变越越工业机器技术变越越非常重方变越越棒说控制器减速器传感器等方面较进步带动市场济发展中国工业机器领域缩发达国家距离甚持赶超
国高校开设机器关学科配合国家推行发展政策培育教学资源具相优势包括相关研发机构高校培养计划外系列工业机器创新活动等相信水关节型工业机器研发具重意义
122 国外发展情况
国外机器方面着非常厉害技术说较重方面非常错材料接头方装配工艺方面软件基算法减速器等元件1954年戴维尔首次引入工业机器概念工业机器断发展综述工业机器发展历史三代：机械手操作简单达预设指令够预设坐标点进行移动运动坐标存储起动作执行程中够发现伺服系统驱着机械手现原坐标点机械手完成简单工作现象代表着机械手已具备示教现功原象征着现代工业机器诞生水关节型工业机器前身
例美国德国等机械工业发达国家工业机器研究较早科研技术相更成熟仅具生产力成套生产设备户求产品质量进行控工业机器设备加快相关行业快速发展脚步时提高制造技术水
13 设计务容求
131 设计容
次课题容水关机工业机器设计体现机身机械结构臂架结构设计控制系统设计两方面满足机电体化专业员求容工业机器控制系统设计工业机器控制系统单片机核心控制系统微机单片机控制工业机器着独优势工业机器单片微机控制
132 设计求
（1）制定总体规划机械结构控制方法机结合
（2）根定技术参数合理设计机械部件结构进行设计关设计计算
（3）水关节机器装配图电气原理图设计绘制
14 设计技术指标参数
（1）求： 关节式机器四度
（2）参数：
结构形式：水关节式
持重：10kg
运动范围：臂180°臂70°手腕300°垂直距离100mm
驱动方式：电机驱动
尺寸：540x485x630
控制方式：单片机控制
（3）工作量：
（1）A0图合计约35张
（2）设计规范（少15000字）
（3）外文材料翻译低原字3000
2 工业机器工程概述
21 工业机器应具备系统功
系统功特性复杂机器作系统定方式子系统机联系起具分割特性果您拆卸系统您失整体特定功设计更复杂部机器时应具特征[3]：
（1）目性 ：机构零件系统应该正确目功
（2）整体性 子系统组成整机械系统应该作整体实现指定功
（3）环境适应性 系统必须够适应外部环境变化
（4）相关性 统中子系统间必须存相互关联特征
22 工业机器设计中总体方案证
221 额定负载确定
根课题设计务求手腕部分承载起1KG重量
222 驱动装置选择
该设计中采驱动方法交流伺服电动机机器运动部分包括运动传动机构控制装置机械手够预计设定完成想完成指定流程通常机械臂种方式驱动步进电机直流伺服电机交流伺服电机液压伺服马达中步进电机存概率失步现象液压伺服马达液压系统存漏油问题结合设计控制工件计算出机器终选择交流伺服电机进行控制交流伺服电机存优势体积占机械手臂空间机械手臂负载外型设计设计简洁方便客户选择应场合[3]伺服性应单片机控制便利操作反应快稳定性利机械手正常工作操作外转矩输出力矩电流成例等优点
223 传动系统设计
机器传动应重量轻结构紧凑惯性矩传动方式方面说齿轮传动皮带传动滚珠丝杠传动等传动方式考虑齿形带传动单重复精度高水面重复定位误差满足定位求机身动臂二级齿形带驱动[6]
224 工作范围
工作时候范围操作运动范围等方面决定表示方式通工作时候空间表示机械方面结构机械手臂关节工作时候空间形状方面素决定
225 运动速度
速度机器操手臂工作时候动作产生行程决定速度次时间工作表决定工作时候动作需时间样进步知道运动速度动作时间需少方面决定说动作种类划分底序时进行工作时候进行循环需时间长短决定您应该尝试操作时间制定分配计划较分配流程操作求外操作时间应考虑惯性行程定位方法驱动控制方法精度求
23 机器机械传动原理
该题设计水关节四度工业机器驱动方式电机直接驱动控制简单编程操作方便车身设计薄壁整体铸件设计轻巧灵活机身结构金属板框架结构臂壳采增强塑料压铸成传动原理图1示
图1 传动系统图
机器臂臂设计二级齿形皮带传动升降轴采螺母实现升降运动手腕旋转步进电机直接驱动消传动部件[6]
机器Ⅲ轴丝杠螺母副III轴垂直提升运动断电情况实现锁防止机械手持物体坠落
3 机械部分结构设计计算
31 机身部分结构设计
组装图传动机构构成中包括机身外壳机器手臂外壳作支撑机器整体结构处机身外壳臂1传动结构壁厚4毫米金属板框架组成臂1传动路线：皮带轮第级安装臂伺服电机MI第皮带驱动器步齿形带安装轴方皮带轮形成第二级皮带轮安装轴方第二皮带传动装置步齿形带安装I轴方皮带轮形成I轴顶部呈圆盘形状直接固定臂1外壳
机身传动示意图图2示：
图2 机身传动示意图
电机安装背板背板安装支架通螺钉调节第级步齿形带张力机身中间轴通两径止推轴承安装支架整支架安装变速箱底部通螺钉调节第二级步带张力
32 臂结构设计
系统具性质说整体性中决定取决结构中机身传动臂具力说工作时候完成驱动传动力面介绍计算部分驱动力计算悬臂组件图悬臂壳体臂传动结构悬臂壳体作整机器传动臂作臂传动链壳体壁厚4毫米增强塑料模具压制成部分加固臂传动路线：臂电机MII输出轴配备第级皮带轮第级皮带传动装置步齿形皮带安装轴皮带轮形成轴配备第二级皮带轮步齿形皮带连接安装II轴滑轮（属臂组件）构成第二级皮带传动带轮臂壳体固定电机旋转时机器手臂摆动[4]
传动原理图3示：
图3 臂1齿带传动原理示意图
设计特点
（1）机身控制柜设计单结构
控制柜设计机身部消复杂连接电缆占面积结构紧凑
(2) 构件轻型化设计
机器重量轻需半类似机器重量例：加强塑料臂壳换常铸铝臂壳支架类零件采折弯件驱动器皮带驱动许车轮材料铝合金制成[8]
(3) 结构简单调整方便
采结构较简单皮带传动形式采结构复杂装配结构时皮带传动灵活性适应机器水方灵活性满足组件灵活性求进伺服系统机械部分计算选择包括：脉量确定轴径初始评估计算时候需考虑素说步带进行驱动力时候计算步进电机时候计算选择直流伺服电机时候计算选择滚珠丝杠时候计算
33 关结构机械部分设计计算
331 关电动机选择
电动机需解方说分类需深刻解生活中常电动机步进电动机伺服电机面开始介绍两种电机特点处优势
（1） 关步进电机介绍
处机械控制系统中完成较重数字分析执行务种作重关电信号转变线性角位移力种外法做脉电动机现状国家非常广泛关步进电机中种功步进电机关特点进步分析启动速度非常快速度范围非常广动态性特特点说具良制动反转力
(2) 关伺服电机介绍
伺服电机特点介绍：
精度完成操作解决问题说控制方面完成速度控制力矩控制克服关步进电机方面问题时具非常适应性完成较重操作说特抗负载力承受非常扭矩时额定扭矩三陪左右时具非常稳定性够完成操作说够机器非常低速度稳运行时非常低速度会步进电机操作产生额外影响提供非常稳定性时具非常重力时性够点击减速时候动态响应需时间变非常短加速概需时间十MM左右
（3） 机器电机选择[9][10]
1关手腕处步进电机选择
第次选择电机步进电机电机步距角75°15°反应式步进电机（12相励磁）运动时步距角75°转脉数量
根脉量定义选 δρ001 ㎜
（1）负载转矩折算
根手抓重物质量（分23kg20kg）手腕处零件质量总重估计50kg
阻力矩：T1225手抓转动速度设定20
负载转矩：
式中 TL——电动机负载转距
——导轨摩擦系数取0004 （参考机电体化机械系统设计 P136）
——齿轮丝杠总效率中齿轮传动效率097丝杠传动效率09
步进电机静转矩
（03 05） × 136
004 0068
根反应式步进电机技术数36BF003步进电机应机械设计手册表52中选择
（2）步进电动机选择技术参数
通面步步计算知道选36BF003型反应式步进电机非常合理符合相关求相关数表示表1见：
表1 电动机技术参数：
相 数
3
绕组电阻
16Ω
步距角
15°3°
分配方式
三相六拍
电 压
27V
静转距
0078(08)Nm
相电流
15A
空载启动频率
3100Hz
转子转动惯量10kg㎡
00784
适配驱动器
DX3F040M
外型尺寸
外 径
36mm
长 度
41mm
轴 径
4mm
重 量
022kg
外形尺寸图图4示：
图4 步进电机外形图
矩频特性图5示：
图5 反应式步进电机36BF003矩频特性图
2臂电机选择
根臂重量（预计5kg）手抓重量（50kg）质心离转轴距离
臂转动阻力矩臂转动速度初步设定
传动效率中联轴器效率概（098099） 传动效率中联轴器效率概（097098） 滚动轴承传动效率(098099) 滚珠丝杆传动效率(097098) 关节总传动效率
W
通面步步计算知道选55SZ55型反应式步进电机非常合理符合相关求相关数表示表2见：
表2 55SZ55电动机相关参数
转 矩
转 速
6000
功 率
50 W
电 压
24 V
电 流
049345 A
转动惯量
外型尺寸
外 径
60mm
长 度
91mm
轴 径
5mm
重 量
075kg
3 臂电机选择
根动臂1重量（预计8kg）臂手抓重量（100kg）质心离转轴距离
臂转动阻力矩臂转动速度初步设定
联轴器传动效率（097098） 带轮传动效率(098099) 滚动轴承传动效率(098099) 步带传动效率(097098) 臂总传动效率
W
根计算结果选择70SZ101电机技术参数表3示：
表3 电动机技术参数
转 矩
转 速
7500
功 率
68W
电 压
110 V
电 流
012195 A
转动惯量
外型尺寸
外 径
74mm
长 度
114mm
轴 径
6mm
重 量
15kg
4 机身电机选择
根机身重量（预计初8kg）臂臂手抓重量（180kg）质心离转轴距离
臂旋转阻力矩体构件旋转速度初始设定机身部件转动速度初步设定
联轴器传动效率（097098） 带轮传动效率(098099) 滚动轴承传动效率(098099) 步带传动效率(097098) 机身总传动效率
W
根计算结果选择110SZ53技术参数表4示：
表4 电动机技术参数
转 矩
转 速
3000
功 率
308W
电 压
110 V
电 流
0324 A
转动惯量
外型尺寸
外 径
115mm
长 度
164mm
轴 径
10mm
重 量
58kg
332 步进电机控制
控制模式中步进电机相关示意图图6示：
图6 步进电机控制示意图
通电脉方法控制电机相关流程电 （b)通改变电脉信号控制电机 （c）通改变角位移方法控制电机
34 步带部分传动设计计算
步带驱动器齿形滑轮齿轮齿序接合传递运动动力皮带传动V带传动相传动准确传动效率高轴轴承负荷结构紧凑运行稳定梯形齿弧齿步梯形齿步模块化系统周系统周环形齿形步带具国家标准设计选择带类型周边梯形齿步带[11]
设计采两级步带减速传动2步带传动设计计算容基传动速度额定功率运行条件速度正确选择皮带长度型号带宽皮带轮直径齿数计算程
341 级步带传动计算
（1）通查阅学资料机械设计基础表224查功率
（2）通相关计算相关资料查阅初步选择步带传动带型步带传动
节距机械设计基础相关资料终选择L型节距
（3） 通查阅资料皮带齿数素决定例皮带类型皮带轮速度通查阅机械设计基础查皮带轮齿数处取
（4）带轮节圆直径
外径根圆直径齿高齿根直径见机械设计手册表1104
（5）带齿轮数
（6）带轮节圆直径
外径 齿高根圆直径 见机械设计手册表1104
（7）带速
L带
（8）初定轴间距
取
（9）带节线度齿数
初定带节线长度
通相关计算相关资料查阅机械设计基础应选择型步带步带代号150时相关数节线齿数节线长
（10）通关计算轴间距进行适改动改动结果实际轴间距
（11）带轮啮合齿数
（12）基额定功率
机械设计手册表198中批准工作张力
（13）实际带宽度进行相关计算
带宽度相关计算结果参考文献查询
相关资料查阅出标准带宽
通面计算应该选择宽带代号100带宽非常合理 （<）
342 二级步带传动计算
（1）级步带传动类似通查阅相关资料检查设计功率工况系数
通相关计算相关资料查阅初步选择步带传动带型步带传动节距机械设计基础相关资料终选择L型节距
（2）通相关计算相关资料查阅初步选择步带传动带型步带传动节距机械设计基础相关资料终选择L型节距
（3）通查阅资料皮带齿数素决定例皮带类型皮带轮速度通查阅机械设计基础查皮带轮齿数处取
（4）带轮节圆直径
外径根圆直径齿高齿根直径见机械设计手册表1104
（5）带轮齿数
（6）带轮节圆直径
外径见机械设计手册表1104
齿高见机械设计手册表8150根圆直径
（7）带速
L带
（8）初定轴间距
取
（9）带节线度齿数
初定带节线长度
通相关计算相关资料查阅机械设计基础应选择型步带步带代号150时相关数节线齿数节线长
（10）通关计算轴间距进行适改动改动结果实际轴间距
（11）带轮啮合齿数
（12）基额定功率
机械设计手册表198中批准工作张力
(13) 带宽度相关计算结果参考文献查询
相关资料查询出带宽度型带
机械设计基础关书籍查
通面计算应该选择宽带代号100带宽非常合理 （<）
（14）带轮终选择
作步带传动选型号150L100150L100
带轮：
带轮：
35 轴系结构设计
预计轴径
根公式
P取01 W n1000 rmin c45钢材料系数107初估轴径10 mm
36 滚珠丝杠设计计算
滚珠丝杠传动具广泛应例低摩擦损失高传动精度快速动态响应良运动灵活性影响传动变形素方面决定螺杆身水方刚度支撑轴承刚度球滚动轴承接触刚度等素决定中第项占素
线性运动相滚珠丝杠驱动器具特征：
具驱动没特点传动方面效率非常高启动时需距离非常传动方面具双传动特点传动程中没锁功传动程中精度相传动方式非常高时时间长维修起结构简单传动程中性非常高润滑结构设计非常简便利工更快维护保养实现时进行组运动产生更步传动唯缺点制造起相传动方式相较繁琐造价成较高
根滚珠丝杠条件：
已知：均工作载荷Fm 50N导螺杆工作长度L 023m均转速n250rmin转速n1000rmiｎ寿命Ｌｈ＝１５０００ｈ左右材料钢滚道硬度58—60HRC传动精度mm
机械设计手册表12112选择固定式（G）表12113中选择滚珠丝杠预紧方法单螺母位移导线预紧（B）根机械设计手册表12111轧辊形状选择双面弧形初步计算基导程表12120（4）式计算公式100100001
361 载荷进行相关计算
＝
中 －载荷系数
－硬度系数 －精度系数
根已知条件查表分选取：121
P18－表24查精度等级Ｄ级 ＝１０
12101050
＝60N
362 计算额定动载荷
＝60
＝3647 N
363 选择滚珠丝杠副
外循环插式垫片预紧珠嵌入式（CDM）滚珠丝杠副相关资料查出型号 型号 CDM 200425
导程
公称直径
循环列数圈数252
钢球直径 2381
丝杠外径
螺纹底径
接触刚度
螺 旋 角： ＝4
偏 心 距： ｅ＝007（R－2）
＝007（052－23812）
＝333ｍｍ
364 稳定性验算
固定轴端螺钉运行程中稳定计算时应留意安全系数值应该螺杆传动安全系数略
计算界载荷
cｒ＝
刚弹性模量E＝20610ｐａ
根已知条件：
Ia＝ｄ64
＝314（002ｍ）64
＝
选取ｕ＝23
cｒ＝
687802N
安全系数： S＝cｒFm
＝68780250
＝13756
查表知（S）＝22－33
S 丝杠安全会失稳
365 振性检验
导螺杆高速工作时会发生振必检查发生振速度
ｎ＝9910
取ｆ＝4730ｕ＝23
ｎ＝9910
188604rmin
ｎn＝3000ｒｍｉｎ丝杠会发生振
366 刚度验算
滚珠丝杠导线变形：
Ｔ＝Ftan（4）
次设计中摩擦系数tan
Ｔ＝50
＝
+
0308+0154
0293um
导螺杆工作长度弹性变形引起导程误差
求
满足刚性求
367 效率计算
tantan（）
tan（4tan（4）
0968
丝杠副合格
根计算选取 CDM 200425
根相关资料选择相关数
循环列数圈数252
钢球直径 2381
丝杠外径
螺纹底径
接触刚度
螺 旋 角： ＝4
偏 心 距： ｅ＝007（R－2）
＝007（052－23812）
＝333ｍｍ
368 滚珠丝杠精度标准
根机械设计手册表12118滚珠丝杠副精度等级选择2
4 电气系统设计
41工业机器计算机控制系统
单片微计算机称单片机中央处理器定时器计数器读存储器接口机存取存储器RAM串行通信接口集成芯片中构成完整微型计算机命令功结构根工业控制求设计称单片微控制器目前已国外称单片机[12]
水关节工业机器数控系统框图图7示：
图7 数控原理图
42 控制系统硬件电路设计
421 确定硬件电路总体方案
第通相关书籍查阅选择控制器中央处理单元第二选择总线总线具类型例控制总线址总线等第三通查阅关单片机书籍确定设备接口电路驱动选择单片机存储器中包括数存储程序存储等存储器拓展单位
422单片机硬件结构特点
单片机硬件结构面特点：
（1）具硬件结构说具部程序存储器（）部数存储器（）容量等机构详细参数详见表5：
表5 存储器容量
存储器类型
单片机系列
掩膜ROM
EPROM
RAM
MCS51
51子系列
8031
128B
8051
4KB
128B
8751
4KB
128B
51子系列
8032
128B
8052
8KB
128B
（2）IO接口
微控制器中I O接口数量类型串行端口两I O接口线构建
（3）外部数存储器外部程序存储器寻址空间
微控制器处理种类数存储器具强抗干扰力会受芯片影响
（4）中断堆栈
单片机控制器必须五中断源控制两优先级组成堆积位置通编程实现字节包括128
（5）定时计数器寄存器区
MCS51子系列两16位定时器计数器编程实现四种工作模式MCS51部RAM中32通寄存器4通工作寄存器区域满足中断子程序嵌套求
（6）指令系统
MCS51具强命令系统中添加许操作指令位算法函数例较减法法法堆栈操作（推入弹出）振荡器频率连接12兆赫数指令执行时间1微秒法法指令执行时间4微秒
（7）布尔处理器
MCS51实际完整位微机MCS51出现微电脑技术次突破结合八位微电脑台微电脑仅突出机器逻辑电路仿真实时测量控制切换决策方面优势体现八位机器计算智仪器数采集方面优势MCS51精美设计般微型计算机具备种设计[12]
43 MCS51单片机引脚描述片外总线结构
431 单片机型号选择
8031包括 CPU（8位）机存取存储器（128 KB）21特殊功寄存器（ SFR）4 GE行 I O端口（8位）两16位定时器定时器8031引脚图8示：
图8 8031引脚配置图
MCS51单片机逻辑符号图9示：
图9 8031逻辑符号图
803140引脚中32输入输出（ I O）引脚2专电源引脚两外部晶体引脚四控制电源复[12]
74LS373作址锁存时数锁存控制终端（G）（STB）直接连接微控制器址锁存信号终端（ALE）ALE降时执行址锁存果锁存控制信号微控制器ALE终端输出连接74LS373CLK端子必须通逆变器满足升CLK锁存求
具机存取存储器I O容量应通常全址解码全址解码方法优点较低址线作芯片片址（外部电路中占数量址线）部址线解码器解码解码信号作芯片选择线通常址解码器74LS138逻辑符号表3示逻辑函数表6示：
表6 74LS138功表
C B A
1 0 0
0 0 0
1 1 1 1 1 1 1 0
1 0 0
0 0 1
1 1 1 1 1 1 0 1
1 0 0
0 1 0
1 1 1 1 1 0 1 1
1 0 0
0 1 1
1 1 1 1 0 1 1 1
1 0 0
1 0 0
1 1 1 0 1 1 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0 1 1 1 1 1
1 0 0
1 1 0
1 0 1 1 1 1 1 1
1 0 0
1 1 1
0 1 1 1 1 1 1 1
状态
x x x
1 1 1 1 1 1 1 1
译码原理图10示：
图10 全址译码实例
果解码器输入占三位址行剩余13址行作片址行解码器八条输出线分应8kb址空间62648 KBRAM片寻址需13低位址线（A0A12）三部址线（A13A15）通三分八解码器作外围芯片芯片选择线图中三条址线 扩展三8KB RAM三外设接口电路
432 程序存储器扩展电路
8031没读存储器程序存储器需扩充擦读存储器EPROM作MCS51微控制器外部程序存储器设计采2764A（8Kx8）系列芯片芯片玻璃窗紫外光射约20分钟存储器中信息变成1时工作程序编程芯片中2764 A8kb紫外线擦电子编程读存储器（EPROM）+5 V单电源供电工作电压75 mA28针双列直插式封装
中保持电流35毫安读出时间高达250纳秒插脚图图9示
2764A针含义：
a0a1213址线寻址8k字节o0o7数输出线芯片选择数输出选通线编程脉输入编程电源电源
2764针配置图图11示
图11 2764脚配置图
433 静态数存储器扩展
8031单片机应系统中静态RAM常动态机存取存储器相需功率较高价格设计采6264作芯片静态RAM
62648kx8位静态机存取存储器芯片采CMOS工艺制造采+5V单电源供电额定功耗200mw接入时间200ns28线双列直插式封装脚配置图10示
销定义：
a0a12片13位址线io0io7双数线芯片选择信号线允许读取信号线写入信号线
6264针配置图12示
图12 6264脚配置图
6264操作方式表7示：
表7 6264操作方式
方式
D0—D7
X
H
X
X
未选中
高阻
X
X
L
X
未选中
高阻
H
L
H
H
输出禁止
高阻
H
L
H
L
读
DOUT
L
L
H
H
写
DIN
L
L
H
L
写
DIN
44 8155编程行IO扩展接口
441 8155芯片介绍
i8155芯片256字节RAM两8位6位编程行IO接口14位定时器计数器组成8155直接连接MCS51微控制器需添加硬件逻辑8155具RAMIO接口MCS51单片机系统中常外围接口芯片
8155插脚图图13示
图13 8155引脚图
8155采双列直插式封装40引脚引脚功图示：
442 8031单片机8155接口
MCS51微控制器直接连接8155需额外逻辑80318155接线方法图14示
图14中8031 MCU P0端口输出低8位址直接连接8155AD5AD7需外部锁存器作低8位址总线数总线址锁存器ALE8155直接8155端接P27IOM端P20相连
81558031接口电路图14示：
图14 81558031接口电路
45 8155构成键盘显示器接口电路
图158155行扩展端口构成键盘显示器接口电路LED 8位段显示器具阴极8155PB端口提供段选择代码PA端口提供位选择代码键盘4x8矩阵键盘列输出PA端口提供线路输入PC0PC3提供LED段位信号具8位开路集电极输出8718驱动器驱动
LED采软件解码动态扫描显示工作模式键盘采逐列扫描查询工作模式
8155组成键盘显示电路图15示：
图15 8155构成键盘显示器电路
（1（1）步进电机控制程序：判断旋转方次发送控制字根运行速度实现定延迟判断否结束[11]8155程序框图图16示：：
图16 8155程序框图
步进电机正反转速度控制程序：
PUSH A 保护现场
MOV R4#N 设步长计数器
CLR C
ORL CD5H 转标志1转移
JC ROTE
MOV R0#20H 正转控制字首指针
AJMP LOOP
ROTE： MOV R0#27H 反转控制字首指针
LOOP： MOV A@R0
MOV P1A 输出控制字
ACALL DELAY 延时
INC R0 指针加1
MOV A#00H
ORL A@R0
JZ TPL 结束标志转移
LOOP1 DJNZ R4LOOP 步数零转移
POP A 恢复现场
RET 返回
TPL MOV AR0
CLR C
SUBB A#06H
MOV R0A 恢复控制字首指针
AJMP LOOP1
DELAY MOV R2#M
DELAY1 MOV A#M1
LOOP DEC A
JNZ LOOP
DJNZ R2DELAY1
RET
述程序延迟循环程序实现
（2）键盘显示器相应示例程序面出框图列表图17示：
图17 程序实例框图
动态显示子程序[12]
DIS： MOV A#00000011B 8155PAPB口输出PC口输入
MOV DPTR#7F00H 8155命令口址送DPTR
MOVX @ DPTRA 写命令
MOV R0#50H 50—70H单元存8显示数
MOV R3#70H 第1位LED位选码7FH
AGAIN： MOV DPTR#7F01H 指PA口
MOVX @ DPTRA 位选码送PA口
MOV @R0 取显示数
MOV DPTR#DSEG 取段选码表首址
MOVC A@A+DPTR 取段选码
MOV DPTR#7F02H 指PB口
MOVX @ DPTRA 段选码送PB口
ACALL DL1ms 延时1ms
INC R0 指显示数单元
MOV AR3
JNB ACC0OUT 8位显示完转OUT
RR A 未完调整位选码
MOV R3A
AJMP AGAIN 继续显示位
OUT： RET 子程序返回
DSEG： DB 3FH06H5BH 显示012
DB 4FH66H6DH 显示345
DB 7DH07H7FH 显示678
DB 6FH77H7CH 显示9AB
DB 39H5EH79H 显示CDE
DB 71H 显示F
DL1ms： MOV R7#01H 延时1ms子程序
DL0： MOV R6#0FFH
DL1： DJNZ R6DL1
DJNZ R7DL0
RET
总 结
工业机器着工业革命计算机技术发展出现具定价值水关节工业机器应广泛具定研究意义设计水关节工业机器题 机身臂结构控制系统设计
工业机器系统设计包括机械系统设计电驱动设计控制系统设计容工业机器控制系统设计该系统基MCS51系列MCU
机械部分设计机身臂结构考虑齿形带传动单重复定位精度高水面传动误差传动机构采二级皮带传动控制系统型号8031MCS51微控制器具较部存储空间作静态存储器连接62642764A擦存储器存储程序8155芯片作IO接口单片机译码器采74LS38址锁存74LS373单片机工业控制方面具独特优势工业机器通单片机控制获佳控制
参考文献
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[14] 英Ken Young and Graig G Picken著Accuracy assessment of the modern industrial robot2000
致 谢
三月懈努力终完成学次设计件非常重事情设计学四年研究成果测试总结印证学校园点点滴滴离开校园社会回应
完成设计际想导师付胡代老师毕业设计程中表示衷心衷心感谢老师分析绘图编写手册程中耐心指导帮助理实践知识提高毕业设计成功完成获知识成教师努力更加壮学术动机教学生活中细致关怀甚付出老师专业工作作风非常感动激励重付教师渊博知识严谨学术态度工作热情谦逊性利余生
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