并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)說明書大學(xué)畢設(shè)論文

北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文PAGEPAGE4北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文摘要機(jī)器人尤其是并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)是機(jī)器人領(lǐng)域復(fù)雜而困難的課題。本論文建立了并聯(lián)機(jī)器人的物理模型，詳盡探討了機(jī)器人的工作空間，給出了可達(dá)工作空間的計(jì)算方法，并通過對(duì)工作空間的位置分析和運(yùn)動(dòng)分析，得出了最佳的連桿長(zhǎng)度和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間的關(guān)系。并聯(lián)機(jī)器人由于結(jié)構(gòu)的限制不容易實(shí)現(xiàn)靈活工作空間，針對(duì)這一特性，文中提出了并聯(lián)機(jī)器人的靈活度和靈活空間等性能指標(biāo)的概念。最后本文系統(tǒng)的論述了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用和硬件電路的設(shè)計(jì)，并給出了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制程序?？臻g模型是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的有效途徑，因此本論文的研究對(duì)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)和開發(fā)這些并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件有著重要的科學(xué)意義和明顯的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：物理模型硬件電路并聯(lián)機(jī)器人AbstractThedesignofmanipulators,especiallytheparallelmanipulators,isoneofthechallengingproblemsintheroboticfield.Inthisthesis,thephysicalmodelsofthesolutionspaceforsomeparallelmanipulatorsareplanarparallelmanipulators.Thethesisstudiestheworkspacesoftheparallelmanipulatorsindetail.Thenumericalmethodsforcalculatingtheworkspacesarepresentedthroughtheworkspaceandthelocationanalysisandmotionanalysis.Theconceptsofagilityandtheagileworkspaceforparallelmanipulatorsareproposedanddefined.Thephysicalmodelsofthesolutionspaceproposeausefulapproachforthecomputer-aideddesignofroboticmechanisms,theresultsandthetechniquesobtainedbythisthesisareveryusefulforthedesignoftheparallelroboticmechanismsandthedevelopmentofCADsoftware.Keywords:PhysicalModelHardwarecircuitParallelmanipulator目錄TOC\o摘要 IAbstract II目錄 1第1章緒論 31.1概述 31.2并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)、發(fā)展過程、現(xiàn)狀 41.3并聯(lián)機(jī)器人綜合的研究現(xiàn)狀 71.4論文選題的意義 8第2章并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)及性能分析 92.1機(jī)器人系統(tǒng)自由度的分析 92.2機(jī)器人機(jī)構(gòu)性能分析 102.2.1機(jī)器人機(jī)構(gòu)描述 102.2.2位置分析 102.2.3性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 112.3尺寸設(shè)計(jì) 132.3.1最佳極位夾角的確定 142.3.2最佳連桿長(zhǎng)度的確定 152.3.3其他參數(shù)的確定及尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果 152.3.4并聯(lián)機(jī)構(gòu)活動(dòng)空間及連桿尺寸的確定 162.4并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真概述 162.5小結(jié) 17第3章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇及一級(jí)減速齒輪副的選擇 183.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 183.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理 183.3步進(jìn)電機(jī)的控制 193.5一級(jí)減速齒輪副的選擇 203.6小結(jié) 21第4章機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 214.1單片機(jī)概述 214.1.1單片機(jī)的發(fā)展情況 214.1.2單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 224.1.3單片機(jī)的應(yīng)用 224.2芯片的選取原則和片腳結(jié)構(gòu) 224.2.1.單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 224.2.2.MCS-51系列單片機(jī)8031 234.2.3.地址鎖存器 234.2.4.三八譯碼器 244.2.5.程序存儲(chǔ)器 244.2.6數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 254.2.7.并行I/O口 254.3鍵盤顯示電路 264.4硬件電路設(shè)計(jì) 274.4.1本設(shè)計(jì)硬件電路簡(jiǎn)介 2各芯片的地址計(jì)算 284.4.2本設(shè)計(jì)硬件電路圖 284.5步進(jìn)電機(jī)的控制程序 284.5.1.功能說明 284.5.2.控制程序 284.6小結(jié) 30第5章并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 315.1有關(guān)內(nèi)容介紹 315.1.1OpenGL介紹 315.1.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 335.1.3編程軟件C++Builder簡(jiǎn)介 345.2仿真程序的設(shè)計(jì)流程及實(shí)現(xiàn) 345.2.1需求分析 345.2.2總體設(shè)計(jì)過程及思想 345.2.3每一模塊的功能及實(shí)現(xiàn) 355.3動(dòng)態(tài)仿真動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn) 375.3.1OPenGL的工作場(chǎng)景設(shè)置 375.3.2并聯(lián)機(jī)構(gòu)三維模型的建立 395.3.3模型的渲染 395.3.4實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真的實(shí)現(xiàn) 405.4仿真實(shí)現(xiàn) 405.5本章小結(jié) 40結(jié)論 41致謝 42參考文獻(xiàn) 43附錄 44第1章緒論1.1概述人類的歷史就是不斷認(rèn)識(shí)世界和改造世界的歷史，是生產(chǎn)力發(fā)展的歷史。在生產(chǎn)力發(fā)展過程中，生產(chǎn)工具的發(fā)展起了重要的作用。從瓦持發(fā)明蒸汽機(jī)以后、開始了產(chǎn)業(yè)革命，由于蒸汽機(jī)把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榫薮蟮臋C(jī)械能，從而代替了人力。從機(jī)械的角度看，蒸汽機(jī)是應(yīng)用了一個(gè)滑塊曲柄機(jī)構(gòu)，將往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，僅僅這一種變化的運(yùn)動(dòng)模式．就給生產(chǎn)力以巨大的推動(dòng)。很早以來(lái)，人類就幻想能有一種擬人的機(jī)械，能實(shí)現(xiàn)如人的手、腳一樣的靈活自由的運(yùn)動(dòng)，能代替人從事各種非固定變化的復(fù)雜的勞動(dòng)。早在15世紀(jì)霍美羅斯著的《伊利亞》一書中，就出現(xiàn)了“機(jī)器人”。后失16世紀(jì)的《黃金少女》、18世紀(jì)的《青銅巨人塔羅斯》都描寫了機(jī)器人。在中國(guó)，三國(guó)時(shí)期的諸葛亮就發(fā)明了“木牛流馬”，已能行走爬山，用來(lái)運(yùn)送糧草支援戰(zhàn)爭(zhēng)。這種能在崎嶇山路上行走、能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的機(jī)械，決非常規(guī)的只能執(zhí)行一種固定的運(yùn)動(dòng)校式的機(jī)械所能勝任的，而是今天所說的步行機(jī)器人。l920年捷克作家查培克所著的《萬(wàn)能機(jī)器人》一書中一個(gè)強(qiáng)壯的機(jī)器人名隊(duì)Robot，幫人干了許多體力勞動(dòng)?，F(xiàn)在Robot一詞的英文含義就是“機(jī)器人”。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展這種夢(mèng)想最終成為了現(xiàn)實(shí)。目前廣泛使用的工業(yè)機(jī)器人的主體大都是一個(gè)似人手臂的機(jī)電系統(tǒng)，這類機(jī)器人屬于串聯(lián)機(jī)器人的范疇。如果要移動(dòng)一個(gè)很重的箱子，人們習(xí)慣用兩個(gè)手臂同時(shí)工作，這種幾個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈并行工作的概念應(yīng)用到機(jī)器人上就產(chǎn)生了另一類機(jī)器人—并聯(lián)機(jī)器人。并聯(lián)機(jī)器人的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中包含了一個(gè)或幾個(gè)閉環(huán)，它由有一個(gè)或幾個(gè)閉環(huán)組成的關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)相互關(guān)聯(lián)的機(jī)器人。與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人的主要特點(diǎn)為:(1)驅(qū)動(dòng)裝置可以安放在或接近機(jī)架的位置;(2)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分重量輕、速度高、動(dòng)態(tài)性能好;(3)沒有累積誤差，其精度較高;(4)并聯(lián)機(jī)器人往往采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其各向同性好;(5)并聯(lián)機(jī)器人的工作空間較小;(6)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解簡(jiǎn)單，正解復(fù)雜;1.2并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)、發(fā)展過程、現(xiàn)狀并聯(lián)機(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人相比具有一些獨(dú)特的性能，如剛度高、承載能力高、速度高、驅(qū)動(dòng)電機(jī)在機(jī)架上而使活動(dòng)構(gòu)件的質(zhì)量輕，它早已引起了國(guó)際上長(zhǎng)期的關(guān)注，并給予了大量的研究。由于沒有關(guān)節(jié)誤差的累積，并聯(lián)機(jī)器人往往被認(rèn)為是高精度的機(jī)器人，因此并聯(lián)機(jī)器人一般在高精度高剛度的領(lǐng)域應(yīng)用。歐洲同步加速器輻射研究所研制的一臺(tái)并聯(lián)機(jī)器人，它能夠在邊長(zhǎng)4分米的立方體工作空間內(nèi)以lmm的精度放置500kg的載荷。在一些需要高精度、高剛度或者高速度而無(wú)須很大工作空間的應(yīng)用領(lǐng)域，并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)越來(lái)越受到人們的青睞。飛行模擬器:把并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)應(yīng)用為飛行模擬器，是并聯(lián)機(jī)器人較早的應(yīng)用。在并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域，"Stewart-Gough平臺(tái)機(jī)構(gòu)”幾乎就是“飛行模擬器”的代名詞。國(guó)際上有很多公司研制并聯(lián)機(jī)構(gòu)的飛行模擬器，如Frasca國(guó)際公司研制的MBBB0105型綜合飛行訓(xùn)練裝置，就是采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主體。德國(guó)跨國(guó)公司Daimler-Benz公司制造的Daimler-Benz超大型6-6六自由度Stewart型多媒體全真動(dòng)態(tài)駕駛模擬器，在多媒體全真駕駛模擬器方面主導(dǎo)了世界領(lǐng)先水平的潮流。圖1-1著名的Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)圖1-2基于Stewart平臺(tái)的飛行模擬器圖1-3多媒體全真動(dòng)態(tài)駕駛模擬器虛擬軸數(shù)控并聯(lián)機(jī)床:虛擬軸六自由度數(shù)控機(jī)床是并聯(lián)機(jī)器人在制造業(yè)中的一個(gè)重要應(yīng)用。與傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床相比，并聯(lián)式加工中心結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)鏈短，剛度大，質(zhì)量輕，切削效率高，成本低，特別是很容易實(shí)現(xiàn)六軸聯(lián)動(dòng)，因而能加工復(fù)雜的三維曲面。Giddlings&Lewis公司在1994年美國(guó)芝加哥IMTS'94博覽會(huì)上推出的VARIAX虛擬軸機(jī)床，引起廣泛的關(guān)注，被稱為“21世紀(jì)的機(jī)床”，它在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。德國(guó)Mikromat公司的6X型并聯(lián)機(jī)床是德國(guó)Fraunhofer機(jī)床和成形技術(shù)研究所為模具高速加工而開發(fā)的，該機(jī)床工作臺(tái)尺寸為630x630mm,X,Y,Z行程均為630mm，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度范圍為300，主軸最高速度為lOm/s2。瑞士技術(shù)院機(jī)床與制造技術(shù)院和機(jī)器人院聯(lián)手研制出了名為工WF的Hexaglide虛擬軸機(jī)床。國(guó)內(nèi)外還有很多公司和院校在研究虛擬軸數(shù)控機(jī)床，如日本的本田公司基于銑削加工線的六條腿機(jī)床，Hexel公司、英國(guó)的Geodetic公司、意大利的COMAU機(jī)床公司和瑞典的NEOS機(jī)器人公司以及國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾賓工業(yè)大學(xué)和沈陽(yáng)自動(dòng)化所、東北大學(xué)等等。虛擬軸數(shù)控機(jī)床的可能應(yīng)用前景還有:以螞蟻啃骨頭方式對(duì)大型構(gòu)件進(jìn)行加土或最后精整，靈活布置進(jìn)行測(cè)量或裝配和對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或精修等等。微動(dòng)機(jī)器人:在精密機(jī)械領(lǐng)域，如精密加工、醫(yī)學(xué)和微電子機(jī)械等等，對(duì)多自由度精微運(yùn)動(dòng)的要求越來(lái)越多，這促使了機(jī)器人另一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域—微動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展。微型組織、微型機(jī)械、微電子和微型光學(xué)領(lǐng)域促進(jìn)了微系統(tǒng)、集成光學(xué)元件的發(fā)展，這些微小的高科技產(chǎn)品要求機(jī)器人能夠以很高的精度(如典型的0.1fore)來(lái)操作并且裝配微小元件。同時(shí)這些微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)必須是高精度機(jī)構(gòu)，不僅要無(wú)摩擦和無(wú)滯后作用，而且需要結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、剛度好。1962年，Ellis就建議采用并聯(lián)而不是串聯(lián)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)微動(dòng)機(jī)器人，之后，為了適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，如生物工程學(xué)和微外科等，許多并聯(lián)結(jié)構(gòu)的微動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)相繼誕生。Stoughton介紹了由兩個(gè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)組成的微型機(jī)器人，每個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)由6個(gè)壓電式元件組成;Hudgens和Tesar提出了一種并聯(lián)的Stewart平臺(tái)微型機(jī)器人;Lee采用一個(gè)移動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)作為微動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu);哈爾濱工業(yè)大學(xué)用六自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)研制成了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)六自由度并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人;燕山大學(xué)研制了并聯(lián)式六自由度誤差補(bǔ)償器;北航提出了一種由一個(gè)平面3-RRR和一個(gè)空間并聯(lián)3-RPS機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成的微動(dòng)操作的機(jī)器人和Delta型微動(dòng)機(jī)器人。瑞士EPFL研制了并聯(lián)六自由度微動(dòng)機(jī)器人，該微動(dòng)機(jī)器人由2自由度或多自由度的球面微電機(jī)通過壓電式微傳送器驅(qū)動(dòng)，用于在集成光纖底片上定位一單模光纖。圖1-4燕山大學(xué)高峰教授研制的臥式并聯(lián)機(jī)床（在機(jī)構(gòu)構(gòu)型上具有我國(guó)自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，清華、天大及哈工大的機(jī)床都是采用國(guó)外已有的構(gòu)型）六維力和力矩傳感器:由于智能化機(jī)器人的“觸覺”和“力覺”可以借助于力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此自七十年代以來(lái)，機(jī)器人關(guān)節(jié)(主要是腕關(guān)節(jié))用的六維力與力矩傳感器成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。在六維力傳感器研究中，力敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是力傳感器的關(guān)鍵核心問題，因?yàn)榱γ舾性慕Y(jié)構(gòu)決定力傳感器的性能優(yōu)劣。國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者把并聯(lián)機(jī)構(gòu)的思想引用到六維力傳感器的力敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來(lái)，如Kerr,Nguyen和Ferraresi以及國(guó)內(nèi)北大的陳濱、華中理工大學(xué)熊有倫[ts,t6]分別研究了Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)六維力傳感器的設(shè)計(jì)。燕山大學(xué)首次提出用彈性鉸鏈來(lái)替代球面副，使Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)可設(shè)計(jì)成小尺寸，從而可使Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)適用于機(jī)器人手腕和手指上的六維力傳感器該設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)了力傳感器力敏感元件的一體化，即力敏感元件是非組裝結(jié)構(gòu)，從而提高了力傳感器的靈敏度和精度。步行器的腿:在實(shí)際應(yīng)用中，很多場(chǎng)合并不是需要實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度剛體的運(yùn)動(dòng)，如爬壁機(jī)器人的步行執(zhí)行機(jī)構(gòu)，僅僅需要兩個(gè)或三個(gè)自由度。由于少自由度的并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)高剛度和動(dòng)態(tài)性能好等特性，可以被用做步行器或爬壁機(jī)器人的腿。如日本Hirose&Yoneda實(shí)驗(yàn)室于1979年研制的PV-II四足步行器，就是采用平面兩自由度五桿機(jī)構(gòu)作為腿的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，之后在八十年代該實(shí)驗(yàn)室研制的T工TAN系列四足步行器也都采用了并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)。該實(shí)驗(yàn)室在1990-1994年研制的NINJA-I,N工NJA-II系列爬壁機(jī)器人是采用的具有三個(gè)自由度的3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為移動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)。另外并聯(lián)機(jī)器人在要求力控制或者需要高速度運(yùn)動(dòng)的地方也得到了應(yīng)用?？傊?，并聯(lián)機(jī)器人是在那些需要結(jié)構(gòu)剛度好、高動(dòng)態(tài)性能、高精度或者需要電機(jī)靠近機(jī)架的場(chǎng)合有廣闊應(yīng)用前景。1.3并聯(lián)機(jī)器人綜合的研究現(xiàn)狀并聯(lián)機(jī)構(gòu)的型綜合問題在機(jī)構(gòu)分析中是一個(gè)基本問題。河北工業(yè)大學(xué)的高峰教授通過研究機(jī)構(gòu)的數(shù)綜合，即研究在滿足一定要求的機(jī)構(gòu)自由度前提下，機(jī)構(gòu)將由多少個(gè)運(yùn)動(dòng)副和多少個(gè)構(gòu)件來(lái)組成。在數(shù)綜合的基礎(chǔ)上，可以獲得在給定機(jī)構(gòu)自由度的條件下，機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)、運(yùn)動(dòng)副數(shù)以及具有不同運(yùn)動(dòng)副數(shù)的構(gòu)件數(shù)目的關(guān)系，但是當(dāng)已知數(shù)綜合時(shí)，他們能夠組成多少種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈，而這些運(yùn)動(dòng)鏈又能通過選擇不同的原動(dòng)件和機(jī)架而得到多少種機(jī)構(gòu)，這就是機(jī)構(gòu)的型綜合。國(guó)內(nèi)的黃真教授也比較詳細(xì)的研究了這一問題。他從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度出發(fā)，通過研究機(jī)構(gòu)的自由度、虛約束、公共約束，將并聯(lián)機(jī)構(gòu)的各個(gè)分支的運(yùn)動(dòng)副看作是單自由度的基本副，總結(jié)了各種并聯(lián)空間機(jī)構(gòu)。目前并聯(lián)機(jī)構(gòu)國(guó)內(nèi)外研究比較多的是三自由度和六自由度，如平面三自由度，球面三自由度，3RPS機(jī)構(gòu)，3TPS&1RT機(jī)構(gòu)，DELTA機(jī)構(gòu)，6SPS機(jī)構(gòu)，6RTS機(jī)構(gòu)等等，其中尤其是三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是很有前景的一類，不僅可以直接作為機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)應(yīng)用，如作為微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的空間3-RPS并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)和平面三自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)回;作為靈巧眼的球面三自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)網(wǎng)，以及做簡(jiǎn)單拿一放運(yùn)動(dòng)的工業(yè)應(yīng)用的DELTA并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu);也可以作為部件應(yīng)用，如作為機(jī)器人的關(guān)節(jié);也有把若干三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)起來(lái)應(yīng)用的，如把空間3-RPS。圖1-5燕山大學(xué)黃真教授研制的我國(guó)第一臺(tái)并聯(lián)機(jī)器人圖1-6天津大學(xué)黃田教授研制的并聯(lián)機(jī)床1.4論文選題的意義機(jī)器人的出現(xiàn)引起了很多學(xué)科和技術(shù)的變革，特別是對(duì)于設(shè)計(jì)和控制領(lǐng)域的影響是難以估量的。六自由度并聯(lián)機(jī)床基本上是基于Stewart平臺(tái)或者其變形結(jié)構(gòu)開發(fā)的。六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)最早應(yīng)用于機(jī)床并引起大家的廣泛關(guān)注。所以六自由度并聯(lián)機(jī)床較多，但大多精度不高，所研制的樣機(jī)大多屬于早期的探索樣機(jī)，近幾年基于六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)的樣機(jī)比較少。五自由度的并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)最適合作為并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)，但五自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)較少，當(dāng)前基于五自由度并聯(lián)機(jī)床不是很多，已開發(fā)出來(lái)的樣機(jī)主要有：燕山大學(xué)的五軸機(jī)床，河北工業(yè)大學(xué)的五軸機(jī)床和Metrom公司的P—800型五桿并聯(lián)機(jī)床，其余的五自由度五軸并聯(lián)機(jī)床多為串并聯(lián)機(jī)構(gòu)。四自由度的并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)也比較少，用其作為并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)也就比較少。只有沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的樣機(jī)結(jié)構(gòu)是采用的四自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。近幾年人們又開始探索用平面二、三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)，平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的被動(dòng)鉸鏈通常是轉(zhuǎn)動(dòng)副，其制造技術(shù)相對(duì)比較成熟，且易達(dá)到較高精度，因此基于平面二、三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)床是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。所以選擇二自由度并聯(lián)平面機(jī)床作為我們此次設(shè)計(jì)的題目。本論文研究并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，了解機(jī)器人發(fā)展的現(xiàn)狀，明白了串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題并及時(shí)的解決問題，從而對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)分析、硬件電路的分析有了初步的了解，為以后的研究生學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。第2章并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)及性能分析2.1機(jī)器人系統(tǒng)自由度的分析圖2-1二自由度平面并聯(lián)平動(dòng)機(jī)器人由圖知機(jī)構(gòu)為四桿機(jī)構(gòu)，則連桿與機(jī)架始終保持平行，在原動(dòng)件（滑塊）的驅(qū)動(dòng)下，連桿和連架桿運(yùn)動(dòng)，則連桿的運(yùn)動(dòng)形式為沿水平方向的運(yùn)動(dòng)或沿垂直方向的運(yùn)動(dòng)或?yàn)檫@兩項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，所以此機(jī)構(gòu)為兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。2.2機(jī)器人機(jī)構(gòu)性能分析2.2.1機(jī)器人機(jī)構(gòu)描述如圖1所示為該機(jī)器人的概念設(shè)計(jì)，圖2為其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和尺寸參數(shù)。在圖2中，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2通過兩個(gè)相同的支鏈與固定平臺(tái)1相連，每一個(gè)支鏈由一個(gè)移動(dòng)副(支鏈1和2中分別為滑塊3和7)和一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)(支鏈2由構(gòu)件3、4、5、2構(gòu)成，支鏈2由構(gòu)件6、7、8、2構(gòu)成)組成一個(gè)副，連桿與滑塊3和7及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，由平行四邊形機(jī)構(gòu)的性質(zhì)可知，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)總是平行于固定平臺(tái)，其運(yùn)動(dòng)為一剛體在平面內(nèi)的平動(dòng)，這是該機(jī)器人區(qū)別于原有平面并聯(lián)或串聯(lián)機(jī)器人的一個(gè)重要特點(diǎn)。圖2-2機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和尺寸參數(shù)2.2.2位置分析如2所示，建立固定坐標(biāo)系與固定平臺(tái)固接，原點(diǎn)位于固定平臺(tái)幾何中心。建立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)固接，原點(diǎn)位于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)幾何中心。連桿長(zhǎng)為，動(dòng)平臺(tái)長(zhǎng)為。滑動(dòng)副3和7的位移和作為機(jī)構(gòu)的輸入，設(shè)末端點(diǎn)位移作為機(jī)構(gòu)輸出。則在固定坐標(biāo)系下，和點(diǎn)的坐標(biāo)為：，，由約束方程有：(1)(2)考慮到該機(jī)構(gòu)的奇異形位及其如圖所示的裝配方式，由式(3)和(4)可得位置反解為：（3）(4)由式(3)和式(4)可得位置正解為：(5)(6)式(5)和(6)兩邊對(duì)時(shí)間取導(dǎo)數(shù)，則有該機(jī)器人的關(guān)節(jié)空間速度向操作空間速度的映射關(guān)系為：(7)式中，為操作空間速度矢量，為關(guān)節(jié)空間速度矢量，為速度雅可比矩陣，其表達(dá)式為：(8)式中(9)由文獻(xiàn)[12]可知，在靜態(tài)平衡狀態(tài)下，操作力向關(guān)節(jié)力的映射關(guān)系，即力雅可比矩陣為速度雅可比矩陣的轉(zhuǎn)置，即(10)如采用對(duì)該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程取微分的方法，來(lái)建立驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)空間誤差對(duì)操作空間誤差的映射矩陣，則驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的誤差傳遞矩陣即為該機(jī)器人的速度雅可比矩陣，即(11)由文獻(xiàn)[12]可知，操作空間的力和變形之間的映射矩陣，即機(jī)器人末端的柔度矩陣為：(12)式中為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的剛度矩陣的逆矩陣，如設(shè)整個(gè)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)(包括傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu))的剛度系數(shù)(i=1,2)，則有：(13)將式(13)代入式(12)，則有(14)建立好上述的各種映射關(guān)系，接下來(lái)就可以利用這些映射矩陣，得到評(píng)價(jià)機(jī)器人各項(xiàng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。2.2.3性能評(píng)價(jià)指標(biāo)靈巧度以雅可比矩陣的條件數(shù)作為機(jī)器人靈巧度的衡量指標(biāo)已經(jīng)被公認(rèn)，其定義為：(13)式中和為速度雅可比矩陣的最大與最小奇異值。其全域性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為：(14)式中為該機(jī)器人的工作空間。如希望工作空間內(nèi)靈巧性最好，則應(yīng)有最小。力可操作度如操作力矢量為一單位圓，則力雅可比矩陣將末端單位圓映射為一個(gè)橢圓，關(guān)節(jié)力橢圓的大小、形狀基本上反映了關(guān)節(jié)力矢量的特征。在這里定義力可操作度作為評(píng)價(jià)驅(qū)動(dòng)力大小的性能指標(biāo)，其反應(yīng)了關(guān)節(jié)力橢圓與負(fù)載力單位圓的面積之比，其定義為：(15)式中和力雅可比矩陣的兩個(gè)奇異值。其全域性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為：(16)如希望在給定的工作空間內(nèi)對(duì)特定的負(fù)載驅(qū)動(dòng)力最小，則應(yīng)有最小。綜合誤差敏感度如輸入誤差為一單位圓，則誤差傳遞矩陣將輸入的單位圓映射為一個(gè)橢圓，誤差橢圓的大小、形狀基本上反映了終端誤差的特征。在這里采用綜合誤差敏感度作為評(píng)價(jià)終端誤差大小的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其反映了輸出誤差橢圓與輸入誤差單位圓面積之比，其定義為：(17)其全域性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為：(18)如希望在可測(cè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)變量時(shí)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)誤差最小，則應(yīng)有最小。速度可操作度如機(jī)器人關(guān)節(jié)速度矢量為一單位圓，則速度雅可比矩陣將輸入的關(guān)節(jié)速度映射為一個(gè)橢圓，操作空間速度橢圓的大小、形狀基本上反映了操作空間速度矢量的特征。在這里采用速度雅可比矩陣的可操作度作為操作空間速度大小的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其反映了操作空間速度橢圓與關(guān)節(jié)空間速度單位圓面積之比，其定義為：(19)其全域性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為：(20)如希望在給定驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)速度時(shí)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)速度最大，則應(yīng)有最大。綜合變形敏感度如操作空間力矢量為一單位圓，則末端柔度矩陣將其映射為一個(gè)橢圓，末端變形橢圓的大小、形狀基本上反應(yīng)了末端變形的特征。在這里定義綜合變形敏感度作為評(píng)價(jià)末端變形大小的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，其表征末端變形橢圓與操作空間力矢量單位圓面積之比，其定義為：(21)其全域性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為：(22)如希望在給定工作空間內(nèi)，對(duì)特定外力負(fù)載，末端變形最小，則應(yīng)有最小。機(jī)器人占用面積與所需工作空間面積比設(shè)所需工作空間為一單位正方形，即。圖3中畫出了滿足情況時(shí)并聯(lián)機(jī)器人的兩個(gè)極限位置，各參數(shù)如圖中所示，其中為該情況下滑塊行程，為所需工作空間上界到固定平臺(tái)的距離，和分別為在兩個(gè)極限位置圖2-3滿足情況的極限位置時(shí)連桿與坐標(biāo)軸方向的夾角。由圖3可得，(23)(24)在這里如設(shè)，我們將該機(jī)器人在極限位置時(shí)連桿與坐標(biāo)軸方向的夾角稱為該機(jī)器人的極位夾角()。在圖3所示情況下，由以上分析可得，滑塊行程，因此，當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)沿軸方向移動(dòng)時(shí)，滑塊的行程也是，是一比一的關(guān)系，即，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度出發(fā)，希望運(yùn)動(dòng)輸入誤差對(duì)輸出誤差呈縮小的效果，即。這時(shí)該機(jī)器人在工作空間下的行程為：(25)式中(26)這樣，可以得到機(jī)器人機(jī)構(gòu)占用面積，(27)定義機(jī)器人占用面積與所需工作空間面積比作為該機(jī)器人基于工作空間優(yōu)化設(shè)計(jì)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義為：(28)如希望在給定的工作空間下，機(jī)器人機(jī)構(gòu)所占面積最小，則應(yīng)有最小。工作空間如機(jī)器人在工作空間中不存在奇異，采用雅可比代數(shù)法，只需機(jī)器人的雅可比矩陣的行列式的值不為零，這也是最一般的、最通用的方法，即(29)可見，只需極為夾角不等于零，在該機(jī)器人的工作空間內(nèi)就不會(huì)出現(xiàn)奇異形位。綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)上述的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)都是從某一方面來(lái)討論機(jī)器人機(jī)構(gòu)性能的優(yōu)劣，而機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)不是為了執(zhí)行特定的任務(wù)而是為了滿足普遍的性能指標(biāo)，這就要求設(shè)計(jì)者從多方面著手，兼顧多種性能要求，綜合出綜合性能最優(yōu)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)。在這里，構(gòu)造一種新的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，即(30)如希望在工作空間全域內(nèi)，該機(jī)器人機(jī)構(gòu)的綜合性能最優(yōu)，則應(yīng)有最小。2.3尺寸設(shè)計(jì)該平面并聯(lián)機(jī)器人待定的參數(shù)為極位夾角，連桿長(zhǎng)度，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)尺寸，機(jī)器人末端參考點(diǎn)點(diǎn)坐標(biāo)及關(guān)節(jié)變量和的變化范圍。其中取決于實(shí)際零件的尺寸和安裝尺寸，且在文中所選擇的裝配方式下，工作空間隨的增大而減小，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要取盡可能小的值，在理論上，這里可以設(shè)其值為零。2.3.1最佳極位夾角的確定由式(23)~(26)可見，只要已知極為夾角，就可以確定機(jī)構(gòu)中其它的幾何參數(shù)和主動(dòng)關(guān)節(jié)變量的變化范圍，且各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的大小也與有著密切的關(guān)系，可見極位夾角是該機(jī)器人機(jī)構(gòu)一個(gè)極為重要的參數(shù)，它對(duì)該機(jī)器人機(jī)構(gòu)的性能有著極為重要的影響。由該機(jī)器人的奇異性分析可見，在時(shí)，該機(jī)器人將處于奇異形位，再由圖4可見在接近于附近，該機(jī)器人的靈巧度很差；由圖5可見在接近于附近，該機(jī)器人的面積將會(huì)變得很大，所以的取值，應(yīng)遠(yuǎn)離這兩個(gè)區(qū)域。圖6是取步長(zhǎng)為，范圍內(nèi)繪制的綜合性能指標(biāo)與極位夾角的關(guān)系曲線，由圖6可見在區(qū)域，該機(jī)器人的綜合性能指標(biāo)取值最小，在圖6中如箭頭所指示，標(biāo)出了該區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)值，可見在時(shí)，該機(jī)器人的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)最小，這時(shí)該機(jī)器人綜合性能最優(yōu)，這是本文的一個(gè)重要結(jié)論。圖2-4全域靈巧度評(píng)價(jià)指標(biāo)隨極為夾角的變化情況圖2-5機(jī)器人所占面積與所需工作空間面積比隨極為夾角的變化情況圖2-6綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)隨極為夾角的變化情況2.3.2最佳連桿長(zhǎng)度的確定極位夾角確定后，聯(lián)立式(23)和式(24)可得，在時(shí)，連桿長(zhǎng)度，這是在極位夾角最優(yōu)，且滿足所需工作空間條件下的連桿長(zhǎng)度值，但這是不是使綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)最小的連桿長(zhǎng)度呢？取步長(zhǎng)為，在范圍內(nèi)，繪制綜合性能指標(biāo)和連桿長(zhǎng)度的關(guān)系曲線如圖7所示，可見隨的增長(zhǎng)，逐漸增大，所以滿足所需工作空間條件下的連桿長(zhǎng)度即為最優(yōu)的連桿長(zhǎng)度。圖2-7綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)隨連桿長(zhǎng)度的變化情況2.3.3其他參數(shù)的確定及尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果極位夾角和連桿長(zhǎng)度確定后，由式(23)~(26)及結(jié)合該機(jī)器人的位置正、反解式(3)~(6)即可確定該機(jī)器人的其它參數(shù)。由式(14)、(16)、(18)、(20)、(22)、(28)和(30)可確定在最優(yōu)尺度下該機(jī)器人的各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的值。尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示。表2-1尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)名稱參數(shù)值評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)值所需工作空間極位夾角連桿長(zhǎng)度主動(dòng)關(guān)節(jié)變量變化范圍末端位移2.3.4并聯(lián)機(jī)構(gòu)活動(dòng)空間及連桿尺寸的確定由上述分析最終確定各項(xiàng)尺寸和參數(shù)如下：表2-2本設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)名稱參數(shù)值評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)值所需工作空間100*100極位夾角連桿長(zhǎng)度l=230主動(dòng)關(guān)節(jié)變量變化范圍末端位移2.4并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真概述仿真是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，有的仿真系統(tǒng)能增加對(duì)硬件支持要求較高的技術(shù)的流通，比如數(shù)控機(jī)床操作，有利于大家交流學(xué)習(xí)，還能避免操作失誤而造成的事故；有的仿真系統(tǒng)能在完成一定定性，定量的分析后，使某些非線性參數(shù)的變化或者空間感較強(qiáng)的圖形比較直觀的呈現(xiàn)在人們面前，從而使設(shè)計(jì)明朗化，減少了一些錯(cuò)誤的不可預(yù)見性；還有的仿真系統(tǒng)能在設(shè)計(jì)后期、產(chǎn)品成型初期對(duì)產(chǎn)品的工作性能進(jìn)行較驗(yàn)，從而避免因設(shè)計(jì)不合理、達(dá)不到工作要求而直接生產(chǎn)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。這里針對(duì)前敘的二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，基于C語(yǔ)言平臺(tái)構(gòu)建其平面模型，通過友好的人機(jī)界面，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)?？梢暂^驗(yàn)是否滿足設(shè)計(jì)要求，比如在設(shè)置的幾何尺寸參數(shù)下能否滿足工作空間要求；可以進(jìn)行軌跡規(guī)劃；可較驗(yàn)機(jī)構(gòu)的奇異性；模擬機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制等等。因?yàn)榇藱C(jī)構(gòu)是一種平面機(jī)構(gòu)，其仿真也就是主要觀察其在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，C語(yǔ)言圖形函數(shù)正好可以處理這種問題，而且C語(yǔ)言功能強(qiáng)大，編程靈活，編程耗用內(nèi)存少，生成的可執(zhí)行文件也比較小，還可直接運(yùn)行于Windows和Dos系統(tǒng)上，因此這里選用此種平臺(tái)，如果想實(shí)現(xiàn)良好的可視化環(huán)境，可選用VisualC++可視化編程語(yǔ)言和OpenGL圖形技術(shù)。2.4.1Solidworks三維實(shí)體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)流程應(yīng)用該軟件是基于以上位置分析和空間分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。首先由上述的位置分析和運(yùn)動(dòng)分析得出工作空間、極位夾角和連桿的關(guān)系定出了工作空間的大小、極位夾角的大小和連桿的長(zhǎng)度，然后再通過具體的機(jī)構(gòu)運(yùn)算等定出各機(jī)構(gòu)的尺寸，又由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查的各標(biāo)準(zhǔn)件的裝配尺寸，從而最終應(yīng)用Solidworks軟件進(jìn)行裝配，從而生成三維實(shí)體圖。具體的裝配圖見附錄。2.5小結(jié)考慮到機(jī)器人機(jī)構(gòu)的奇異形位和裝配方式，對(duì)一種二自由度平面并聯(lián)平動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的位置正、反解進(jìn)行分析，得到其封閉解析解。在位置分析的基礎(chǔ)上，得到了該機(jī)器人機(jī)構(gòu)的速度和力雅可比矩、誤差傳遞和末端柔度矩陣，利用這些映射矩陣，進(jìn)而得到評(píng)價(jià)機(jī)器人機(jī)構(gòu)各項(xiàng)特性的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了使機(jī)器人機(jī)構(gòu)滿足普遍的性能要求，利用前面得到的各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)造出一個(gè)新的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)綜合考慮了機(jī)構(gòu)的靈巧度、力、誤差和速度傳遞性能、末端變形及機(jī)構(gòu)的占用面積.提出了該機(jī)器人機(jī)構(gòu)極位夾角的概念，通過分析發(fā)現(xiàn)該角度是該機(jī)器人機(jī)構(gòu)一個(gè)極為重要的幾何參數(shù)。利用文中提出的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，期望該機(jī)器人綜合性能最優(yōu)，得到了極為夾角的最優(yōu)值。進(jìn)而得到該機(jī)器人機(jī)構(gòu)的最優(yōu)尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果。該設(shè)計(jì)方法也可用于其它并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)第3章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇及一級(jí)減速齒輪副的選擇3.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)過程控制及儀表控制主要控制元件之一。步進(jìn)電機(jī)有幾個(gè)顯著特點(diǎn)：1.步進(jìn)電機(jī)可以直接接受數(shù)字信號(hào)，而不再需要進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換；2.步進(jìn)電機(jī)具有快速啟、停能力,可以在一剎那間實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或停止；3.步進(jìn)電機(jī)精度高，步距角可由每步90°降低到0.36°；4.步進(jìn)電機(jī)由于精度高及不用傳感器，故定位準(zhǔn)確。3.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)定子上均勻分布有6個(gè)磁極，相鄰兩個(gè)磁極之間的夾角60°，線圈繞過相對(duì)的兩個(gè)磁極構(gòu)成一相（A—A′,B—B′以及C—C′）。此外各磁極上還有5個(gè)均勻分布的矩形小齒。電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒有繞組，它上面有40個(gè)矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩個(gè)小齒之間的夾角為9°。當(dāng)某相繞組通電時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)磁極就分別形成N—S極，產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。這時(shí)如果定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒有對(duì)齊，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，從而使步進(jìn)電機(jī)向前＂走＂一步。3.3步進(jìn)電機(jī)的控制根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，先按順序給步進(jìn)電機(jī)的繞組施加有序的脈沖電流即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而進(jìn)行數(shù)字到角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)的方向則與脈沖的順序有關(guān)。對(duì)于三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來(lái)說，電流脈沖的施加有3種方式：(1)單相三拍方式，(2)雙相三拍方式(3)三相六拍方式。即：正轉(zhuǎn)A→AB→B→BC→C→CA→A。反轉(zhuǎn)A→AC→C→CB→B→BA→A。單相三拍方式的每一拍步距角為3°，三相六拍的步距角則為1.5°。因此在三相六拍方式下，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要平穩(wěn)柔和一些，但在同樣的運(yùn)行角度與速度下，三相六拍驅(qū)動(dòng)，脈沖的頻率需要提高一倍，對(duì)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的開關(guān)特性要求較高。3.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及減速齒輪的選擇：步距角a式中m——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)z——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)k——與通電方式有關(guān)的系數(shù)（當(dāng)通電方式為單拍時(shí)k=1；當(dāng)通電方式為雙拍時(shí)k=2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)包括永磁式電動(dòng)機(jī)和功率式電動(dòng)機(jī)，由于功率式電動(dòng)機(jī)有點(diǎn)明顯，故本設(shè)計(jì)采用功率式電動(dòng)機(jī)。根據(jù)機(jī)床加工精度選取軸的脈沖當(dāng)量為0.01mm。3、計(jì)算齒輪減速比齒輪減速比公式：i=φP/360δ式中φ——步距角P——絲杠螺距（mm）δ——脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）4、有課程設(shè)計(jì)參考資料表7-3不步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)查得電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)：序號(hào)型號(hào)步距角最大凈轉(zhuǎn)矩最高空載啟動(dòng)頻率相數(shù)（N*cm）（setp/s）1055BF0031.5/37018003外形尺寸外徑長(zhǎng)度軸徑重量（mm）（mm）（mm）（N）557268.3由上表可取步距角a=3；又由絲杠的螺距是P=2mm，則由齒輪減速比公式：i=φP/360δ得：i=3×2/360×0.01≈1.5又由上表可得相數(shù)m=3，k取兩拍即k=2，則由公式得：z=360/mak=360/3×3×2=20故步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z1=20傳動(dòng)比的公式：i=Z2/Z1即：Z2=i×Z1=1.5×20=303.5一級(jí)減速齒輪副的選擇由電機(jī)軸和絲杠的軸徑綜合考慮取兩減速齒輪的模數(shù)m=1，并采用直齒圓柱齒輪，分度圓直徑d=1\*Arabic1=mz1=20d2=mz2=30齒頂高h(yuǎn)a=ha*m=1×1=1齒根高h(yuǎn)f=（ha*+c*）m=（1+0.25）×1=1.25由機(jī)械原理及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)表4-2得：頂隙：c=c*m=0.25×1齒頂圓直徑：da1=d1+2ha=20+2=22da2=d2+2ha=30+2=32齒根圓直徑：df1=d1-2hf=20-2.5=17.5da2=d2-2hf=30-2.5=27.53.6小結(jié)對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用原則，主要有下列幾點(diǎn)：（1）、在選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，首先要確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型。數(shù)控機(jī)床上大多采用功率式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（如110BF、130BF、150BF）其價(jià)格低于永磁式反應(yīng)電動(dòng)機(jī)，但性能上不如永磁式電動(dòng)機(jī)。（2）、根據(jù)機(jī)床的加工精度要求，選擇進(jìn)給軸的脈沖當(dāng)量，如0.01mm或0.005mm。（3）、根據(jù)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角、絲杠的螺距以及所要求的脈沖當(dāng)量來(lái)計(jì)算減速齒輪的降速比。采用減速齒輪可比較容易的配置出所要求的脈沖當(dāng)量、減小工作臺(tái)以及絲杠折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量，同時(shí)增大工作臺(tái)的推力。但采用減速齒輪會(huì)帶來(lái)額外的傳動(dòng)誤差，使機(jī)床的快速移動(dòng)速度降低，并且其自身又引入附加的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。第4章機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)概述隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,單片機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)品種多樣、功能豐富的開發(fā)工具。它主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域和各種儀器設(shè)備。4.1.1單片機(jī)的發(fā)展情況當(dāng)國(guó)內(nèi)從80年代起開始了單片機(jī)的熱潮,二十多年過去了,單片機(jī)從研究所走出來(lái),成為日常生活中的一個(gè)不可缺少的部件。硬件方面日趨多樣化,4位、8位、16位、32位等型號(hào)共同并存,在不同的領(lǐng)域存在,如家電、玩具、工業(yè)設(shè)備、儀器、通訊等。軟件方面發(fā)展主要為匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言、嵌入式操作系統(tǒng)。速度、穩(wěn)定性特別要求的場(chǎng)合較多采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支,應(yīng)用面很廣,發(fā)展很快。自單片機(jī)誕生至今,已發(fā)展為上百種系列的近千個(gè)機(jī)種。目前,單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。4.1.2單片機(jī)的結(jié)構(gòu)單片機(jī)的基本組成,是由中央處理器(CPU)、只讀存貯器(ROM)、讀寫存貯器(RAM)、輸入/輸出口(I/O)等等組成。此外,里面還有一個(gè)時(shí)鐘電路,使單片機(jī)在進(jìn)行運(yùn)算和控制時(shí),都能有節(jié)奏地進(jìn)行。另外,還有“中斷系統(tǒng)”,當(dāng)單片機(jī)控制對(duì)象的參數(shù)到達(dá)某項(xiàng)需要加以干預(yù)的狀態(tài)時(shí),就可傳達(dá)給CPU使CPU采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)付措施。按結(jié)構(gòu)形式分,單片機(jī)有兩種基本的結(jié)構(gòu)形式:普林斯頓結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)。普林斯頓結(jié)構(gòu),也稱馮·諾伊曼結(jié)構(gòu),是一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置,因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同,如英特爾公司(Intel)的8086和MCS-51就采用了此結(jié)構(gòu)。而哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。中央處理器(CPU)首先到程序指令存儲(chǔ)器中讀取程序指令內(nèi)容,解碼后得到數(shù)據(jù)地址,然后到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù),進(jìn)行下一步操作(通常是執(zhí)行)。程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開,可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度,目前較多的單片機(jī)采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是1位寬度,而數(shù)據(jù)是8位寬度。4.1.3單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)的品種繁多,按應(yīng)用范圍分為通用型和專用型。專用型是針對(duì)某種特定產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的,例如用于洗衣機(jī)的單片機(jī)。通用型單片機(jī)有總線型和非總線型或者8位和16位之分,總線型設(shè)有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線的引腳,便于擴(kuò)展外圍器件。非總線型沒有有總線引腳,芯片體積小,要擴(kuò)展可通過I/O口,因此非線型更適合中小系統(tǒng)。4.2芯片的選取原則和片腳結(jié)構(gòu)4.2.1.單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)單片機(jī)具有集成度高，功能強(qiáng)，通用性好的優(yōu)點(diǎn)，特別是具有體積小，重量輕，能耗低，價(jià)格便宜，而且可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。它很容易使機(jī)電一體化產(chǎn)品智能化，小型化，過程控制自動(dòng)化，再不顯著增加產(chǎn)品的體積，能耗及成本的情況下，大大增加其功能，提高其性能。4.2.2.MCS-51系列單片機(jī)8031MCS-51系列單片機(jī)采用雙列直插封裝（DIP）方式。共40只引腳。如圖4-1所示。因?yàn)槭苄酒_數(shù)量的限制，有很多引腳具有雙功能。(1)、主電源引腳VCC：芯片工作電源端，接＋5V。Vss：電源接地端。(2)、時(shí)鐘振蕩電路引腳XTAL1：內(nèi)部晶體振蕩電路的反相器輸入端。XTAL2：內(nèi)部晶體振蕩電路的反相器輸出端。(3)、控制信號(hào)引腳RST——RST為復(fù)位信號(hào)輸入端。外部接復(fù)位電路。ALE——ALE為地址鎖存允許信號(hào)。在不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE以時(shí)鐘振蕩頻率的1／6的固定頻率輸出，用示波器觀察ALE引腳上的脈沖信號(hào)是判斷單片機(jī)芯片是否正常工作的一種簡(jiǎn)便方法?！獠砍绦虼鎯?chǔ)器ROM的讀選通信號(hào)。到外部ROM取指令時(shí)，自動(dòng)向外發(fā)送負(fù)脈沖信號(hào)?！獮樵L問程序存儲(chǔ)器的控制信號(hào)。由RD和WR信號(hào)作為擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和I/O的讀選通，寫選通信號(hào)。(4)、并行I／Ｏ端口引腳P0口（P0.0～P0.7）；P1口（P1.0～P1.7）；P2口（P2.0～P2.7）；P3口（P3.0～P3.7）。8031內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器，需要外接EPROM作為外部程序存儲(chǔ)器，本設(shè)計(jì)采用兩片2764擴(kuò)展16K的程序存儲(chǔ)器。（見本部分5）8031還必須有復(fù)位和時(shí)鐘電路。4.2.3.地址鎖存器8031受芯片引腳數(shù)量的限制，P0口兼用數(shù)據(jù)線和低八位地址線。為了將它們分離出來(lái)，需要在單片機(jī)外部增加地址鎖存器，從而構(gòu)成與一般CPU相類似的片外三總線，地址鎖存器一般采用74LS373，所以本設(shè)計(jì)也采用此芯片。如圖4-2所示。74LS373是一種帶有三態(tài)門的8D鎖存器，對(duì)其引腳說明如下：D7～D0：八位數(shù)據(jù)輸入線。Q7～Q0：八位數(shù)據(jù)輸出線。G：數(shù)據(jù)輸入鎖存選通信號(hào)，高電平有效。當(dāng)該信號(hào)為高電平時(shí)，外部數(shù)據(jù)選通到內(nèi)部鎖存器，負(fù)跳變時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存到鎖存器中。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，低電平有效。當(dāng)該信號(hào)為低電平時(shí)，三態(tài)門打開，鎖存器中的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)輸出線。當(dāng)該信號(hào)為高電平時(shí)，輸出線為高阻態(tài)。4.2.4.三八譯碼器常用的存儲(chǔ)器地址的分配方法有兩種，線選法和譯碼法。根據(jù)8031引腳數(shù)目和兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用譯碼法。此方法是最常用的存儲(chǔ)器地址分配的方法，能有效的利用存儲(chǔ)器空間，適合于大容量多芯片的存儲(chǔ)擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)中譯碼器芯片采用74LS138，有三個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，經(jīng)譯碼產(chǎn)生八種狀態(tài)。如圖4-3所示。引腳功能如下：、、E3：使能端，、低電平有效，E3高電平有效A、B、C：譯碼器的輸入端～：譯碼器的輸出端，可用作片選信號(hào)4.2.5.程序存儲(chǔ)器2764是EPROM的典型芯片之一，也是27系列產(chǎn)品之一，型號(hào)名稱“27”后面的數(shù)字表示其位存儲(chǔ)容量。EPROM是用電信號(hào)編程，用紫外線擦除的只讀存儲(chǔ)器芯片。在芯片外殼上的中間位置有一個(gè)圓形窗口，通過這個(gè)窗口照射紫外線，就可擦除原有的信息。采用雙列直插封裝方式，共28只引腳，功能如下：A0～A12：地址線引腳，用來(lái)進(jìn)行單元的選擇；D0～D7：數(shù)據(jù)線引腳；CE：片選輸入線，低電平有效；OE：輸出允許控制端，低電平有效；PGM：編程時(shí)，加編程脈沖的輸入端，低電平有效；Vpp：編程時(shí)，編程電壓（+12V或25V）的輸入端；Vcc：+5V，芯片的工作電壓；GND：數(shù)字地；NC：無(wú)用端。2764一般有五種工作方式，為讀出，編程，編程校驗(yàn)，未選中和編程禁止，由CE、OE、PGM的狀態(tài)組合來(lái)確定。4.2.6數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8031內(nèi)部有128字節(jié)的RAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，不能滿足控制系統(tǒng)的要求，本設(shè)計(jì)采用6264擴(kuò)展8KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。6264時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)中常用的靜態(tài)RAM芯片之一，它采用CMOS工藝，用單一+5V電源供電,典型存儲(chǔ)時(shí)間為200ns，采用雙列直插封裝方式，共28只引腳，功能如下：A0～A12：地址輸入線；D0～D7：雙線三態(tài)數(shù)據(jù)線；CE：片選信號(hào)輸入線，低電平有效，并且CS當(dāng)為高電平時(shí)，才選中該片；OE：讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效；WE：寫允許信號(hào)輸入線，低電平有效；Vcc：+5V，工作電源；GND：地線；靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器有讀出、寫入、維持三種工作方式。4.2.7.并行I/O口MCS-51的I/O口是MCS-51單片機(jī)與外界設(shè)備交換信息的橋梁。8031的I/O口不能滿足輸入輸出的需要，故需擴(kuò)展接口電路。MCS-51單片機(jī)是Intel公司的產(chǎn)品，而Intel公司常用的外圍配套可編程I/O接口芯片有8255A和8155H。本設(shè)計(jì)采用兩片8155H來(lái)擴(kuò)展六個(gè)并行I/O口。8155H采用雙列直插封裝方式，共40只引腳，功能如下：AD7～AD0：地址、數(shù)據(jù)復(fù)用線，用于分時(shí)傳送地址、數(shù)據(jù)信息。I/O總線：PA7～PA0,PB7～PB0為通用I/O線，分別用于傳送A口、B口上的外設(shè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向由8155H的命令決定。PC5~PC0位數(shù)據(jù)控制線，在通用I/O方式下，用作傳送I/O數(shù)據(jù)，在選通I/O方式下，用作傳送命令、狀態(tài)信息。RESET:復(fù)位輸入線；CE和IO/M：片選輸入線；IO/M為I/O端口或RAM存儲(chǔ)器選通輸入線；若IO/M為0，則CPU選中8155H的RAM存儲(chǔ)器工作；否則選中8155H的片內(nèi)某一存儲(chǔ)器。RD：讀出命令輸入線，低電平有效；WR：寫出命令輸入線，低電平有效；ALE：為允許地址輸入線。高電平有效。若ALE=1，則8155H允許AD7~AD0上的地址鎖存到“地址鎖存器”；否則，8155H的地址鎖存器處于封鎖狀態(tài)。8155H的ALE常和8031的ALE端相連。TIMERIN和TIMEROUT分別為計(jì)數(shù)器輸入和輸出線；Vcc：+5V電源輸入線；Vss：接地；8155H的工作方式有存儲(chǔ)器方式和I/O方式。4.3鍵盤顯示電路大多數(shù)的MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)，都要配置輸入外設(shè)和輸出外設(shè)。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤，BCD碼撥盤等；常用的輸出設(shè)備有：LED顯示器,LCD顯示器,打印機(jī)等。本設(shè)計(jì)采用的輸入設(shè)備為鍵盤，輸出設(shè)備為L(zhǎng)ED顯示器。LED顯示器是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的，成本低，配置靈活，與單片機(jī)接口方便，在單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用非常普遍。有共陰極和共陽(yáng)極兩種，此次設(shè)計(jì)采用共陰極顯示器。7段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段。因此提供給LED顯示器段碼正好是一個(gè)字節(jié)，所以它控制簡(jiǎn)單。由N個(gè)LED顯示塊可拼成N位的LED顯示器。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。本設(shè)計(jì)中是6位的LED顯示器，顯示方式為動(dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示時(shí)通常將所有位的段碼線相應(yīng)的并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I/O口控制，本設(shè)計(jì)采用8031的P1口控制。而各位的共陽(yáng)極（或共陰極）分別由相應(yīng)的I/O口線控制，形成各位的分時(shí)選通。而動(dòng)態(tài)顯示的實(shí)質(zhì)是以犧牲CPU時(shí)間來(lái)?yè)Q取器件的減少。鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。常用的鍵盤接口分為獨(dú)立式鍵盤和行列式鍵盤接口設(shè)計(jì)中采用的是4×6的行列結(jié)構(gòu)，構(gòu)成24鍵的鍵盤。與獨(dú)立式鍵盤相比，可節(jié)省很多的I/O線。行列式鍵盤又叫矩陣式鍵盤。按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。行列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端，行線通過上拉電阻接+5V上，保證在按鍵斷開時(shí)，各I/O口有確定的高電平。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線的電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平如果為高，則行線電平為高。這一點(diǎn)是識(shí)別行列式鍵盤是否按下的關(guān)鍵所在。用掃描法識(shí)別具體按鍵的方法為：先把某一列置低電平，其余各列置為高電平，檢查各行線電平的變化，如果某行線電平為低電平，則可確定此行此列交叉點(diǎn)處的按鍵被按下。鍵盤的工作方式有三種，即編程掃描，定時(shí)掃描，和中斷掃描。為進(jìn)一步提高單片機(jī)的工作方式，可采用中斷掃描方式。所以我們可把鍵盤所作的工作分為三個(gè)層次：（1）：監(jiān)視鍵盤的輸入，體現(xiàn)在鍵盤的工作方式上就是中斷掃描的工作方式。（2）：用掃描法確定具體按鍵的鍵號(hào)。（3）：實(shí)現(xiàn)按鍵的功能，執(zhí)行鍵處理程序。4.4硬件電路設(shè)計(jì)4.4.1本設(shè)計(jì)硬件電路簡(jiǎn)介CPU是采用8031芯片；擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器2764兩片；擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264一片；擴(kuò)展可編程接口芯片兩片；鍵盤電路、顯示電路；地址鎖存器、譯碼器各一片；光電隔離電路、功率放大電路；越程報(bào)警電路、急停電路、復(fù)位電路。CPU和存儲(chǔ)器CPU采用8031芯片，由于片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也只有128字節(jié)，因此，擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器2764兩片（16KB），數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264（8KB）一片。8031芯片的P0和P2用來(lái)傳送外部存儲(chǔ)器的地址和數(shù)據(jù)，P2口傳送高八位地址，P0口傳送低八位地址和數(shù)據(jù)，故要采用74LS373地址鎖存器，鎖存低八位地址。2764和6264芯片都是13根地址線。A0～A7低八位接74LS373芯片的輸出，A8～A12接8031芯片的P2.0～P2.4。系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片片選信號(hào)CE分別接74LS138譯碼器的Y0和Y1，一同復(fù)位后程序從0000H開始執(zhí)行。6264芯片片選信號(hào)CE接74LS138譯碼器的Y2。8031芯片的控制信號(hào)PSEN接2764的OE引腳，讀寫控制信號(hào)WR和RD分別接6264芯片的WE和OE，以實(shí)現(xiàn)外部存儲(chǔ)器的讀寫。由于8031內(nèi)部沒有ROM故始終要選外部存儲(chǔ)器，故其EA必須接地。I/O接口電路由于8031只有P1和P3口部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出的要求，因而系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出接口電路。本系統(tǒng)擴(kuò)展了兩片8155可編程接口芯片。8155（1）和8155（2）的片選信號(hào)CE分別接74LS138譯碼器的Y3和Y4。74LS138譯碼器有三個(gè)輸入A、B、C分別接P2.5，P2.6，P2.7,輸出Y0～Y7八個(gè)輸出，低電平有效。74LS138號(hào)有三個(gè)使能端，其中兩個(gè)G2A和G2B為低電平使能，另一個(gè)G1位高電平使能。只有當(dāng)使能端均處于有效電平時(shí)，輸出才能產(chǎn)生，否則輸出處于高電平無(wú)效狀態(tài)。I/O接口芯片與外設(shè)的連結(jié)8031芯片的P1口作為顯示器的片選信號(hào)，是輸出。8155（2）的PC0～PC5作為顯示器位選信號(hào)。8155（2）PC0～PC5和PB0～PB3是鍵盤掃描輸入。8155（1）的PA0～PA5和PB0～PB4接控制面板上的選擇開關(guān)，設(shè)有編輯、空運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)Ⅰ、手動(dòng)Ⅱ、回零、啟動(dòng)、暫停、單段、連續(xù)、急停選擇方式。8155（2）PA0～PA2和PA5～PA7輸出的指令脈沖通過光電隔離電路和功率放大電路直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)Ⅰ和步進(jìn)電機(jī)Ⅱ。PB7～PB4為電機(jī)Ⅰ和電機(jī)Ⅱ的正負(fù)方向的點(diǎn)動(dòng)。8155（1）和8155（2）的I/O口引腳接8031芯片的P2.0，因?yàn)槭褂?155的I/O口，故P2.0為高電平。8031還有復(fù)位和時(shí)鐘電路。各芯片的地址計(jì)算U42764的地址分配為：0000H～1FFFH；U52764的地址分配為：2000H～3FFFH；U66264的地址分配為：4000H～5FFFH；U78255（1）的命令/狀態(tài)寄存器和三個(gè)并行口地址分別為：7FF8H，7FF9H，7FFAH，7FFBH。U88255（2）的命令/狀態(tài)寄存器和三個(gè)并行口地址分別為：9FF8H，9FF9H，9FFAH，9FFBH。。4.4.2本設(shè)計(jì)硬件電路圖詳見附錄圖紙4.5步進(jìn)電機(jī)的控制程序4.5.1.功能說明（1）送電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止。（2）按PB7時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；按PB6時(shí)，步進(jìn)電機(jī)逆轉(zhuǎn)。（3）按PB1時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。4.5.2.控制程序ORG00HSTOP:ORLP2,#0FFH；步進(jìn)電機(jī)停止LOOP:JNBPB7,FOR2；是否按PB7,是則正轉(zhuǎn)JNBPB6,REV2；是否按PB6，是則逆轉(zhuǎn)JNBPB1,STOP1；是否按PB1，是則停止JMPLOOPFOR:MOVR0,#00H；正轉(zhuǎn)至TABLE取碼指針初值FOR1:MOVA,R0；至TABLE取值MOVDPTR,#TABLEMOVCA,@A+DPTRJZFOR；是否取到結(jié)束碼（00H）？CPLA；將ACC反向MOVP2，A；輸出至P2，正轉(zhuǎn)JNBPB1,STOP1；是否按PB1，是則停止運(yùn)轉(zhuǎn)JNBPB6,REV2；是否按PB6,是則逆轉(zhuǎn)CALLDELAY；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速INCR0；取下一個(gè)碼JMPFOR1REV:MOVR0,#05H；逆轉(zhuǎn)至TABLE取碼指針初值REV1:MOVDPTR,#TABLE；至TABLE取碼MOVCA,@A+DPTRJZREV；是否取到結(jié)束碼（00H）？CPLA；將ACC反向MOVP2,A；輸出至P2，逆轉(zhuǎn)JNBPB1,STOP1；是否按PB1，是則停止運(yùn)轉(zhuǎn)JNBPB7,FOR2；是否按PB7，是則正轉(zhuǎn)CALLDELAY；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速INCR0；取下一個(gè)碼JMPREV1STOP1:CALLDELAY；按PB1消除抖動(dòng)JNBPB1,$；PB1放開否CALLDELAY；放開消除抖動(dòng)JMPSTOPFOR2:CALLDELAY；按PB7消除抖動(dòng)JNBPB7,$；PB7放開否CALLDELAY；放開消除抖動(dòng)JMPFORREV2:CALLDELAY；按PB6消除抖動(dòng)JNBPA2,$；PB6放開否CALLDELAY；放開消除抖動(dòng)JMPREVDELAY:MOVR1,#40；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速20毫秒D1:MOVR2,#248；DJNZR2,$DJNZR1,D1RETTABLE:DB01H,03H,02H,06H,04H,05H；正轉(zhuǎn)DB00H；正轉(zhuǎn)結(jié)束碼DB01H,05H,04H,06H,02H,03H；逆轉(zhuǎn)DB00H；逆轉(zhuǎn)結(jié)束碼END4.6小結(jié)由于控制要求和功能不同，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟也充在著差異。應(yīng)視情況而定。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，自主選取CPU芯片，進(jìn)行ROM、RAM、I/O接口擴(kuò)展；簡(jiǎn)易鍵盤，LED顯示和執(zhí)行元件等的接口設(shè)計(jì)。并借助CAD軟件繪制簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)的硬件電路圖。從控制的角度出發(fā)，系統(tǒng)應(yīng)滿足具有較完善的中斷系統(tǒng)，足夠的存儲(chǔ)容量，完備的輸入和輸出通道和適時(shí)時(shí)鐘等要求。除以上幾點(diǎn)應(yīng)滿足要求外，從系統(tǒng)控制對(duì)象而言，還應(yīng)考慮幾個(gè)特性要求：字長(zhǎng)，速度，指令。對(duì)于一般的工業(yè)控制設(shè)備和機(jī)電產(chǎn)品通常采用八位機(jī)就可以。第5章并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真5.1有關(guān)內(nèi)容介紹5.1.1OpenGL介紹OpenGL[11]是一個(gè)三維的計(jì)算機(jī)圖形與模型庫(kù)，即開放性圖形庫(kù)(OpenGraPhicLibr