水平多关节型工业机器人设计—机身与大臂结构及控制系统设计
摘 要 工业机器人没有明确界线，它包罗多门学科，涉及多方领域，包含有机械学、控制理论学和仿生学等。而水平多关节型工业机器人的研发更是行业内热点，它囊括机构学、控制理论和技术、计算机、传感技术、人工智能、仿生学等。工业机器人的应用情况，象征着一个国家的工业自动化程度。
本设计要求对机器人的总体结构中机身与大臂部分与控制系统进行设计，完成装配图和零件图的绘制。对机器人本体的各个零件进行受力分析，对各个关节需要转矩和功率进行初步的计算，选择满足要求的电动机作为动力装置。其次考虑电动机与传动装置连接，选取合适传动方式，并对传动中的零件进行计算校核。控制系统部分选用MCS-51单片机控制，按照预设的指令完成相应的动作。
关键词 机身；
大臂；
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 MCS-51 single-chip microcomputer, and the corresponding action is completed according to the preset instruction. Keywords：
Keywords：Fuselage；
Boom ；
Control Systems 目 录 1. 前 言 1 1.1 课题来源及研究意义 1 1.2 国内、外发展状况 1 1.2.1 国内发展状况 1 1.2.2 国外发展状况 2 1.3 设计任务的主要内容与要求 3 1.3.1 设计内容 3 1.3.2 设计要求 3 1.4 设计的主要技术指标和参数 3 2. 工业机器人工程概述 4 2.1 工业机器人应具备的系统功能 4 2.2 工业机器设计中总体方案的论证 4 2.2.1 确定负载 4 2.2.2 驱动方式 4 2.2.3 传动系统设计 4 2.2.4 工作范围 4 2.2.5 运动速度 5 2.3 机器人机械传动原理 5 3. 机械部分的结构设计与计算 6 3.1 机身部分结构设计 6 3.2 大臂的结构设计 6 3.3 机械部分设计计算 7 3.3.1 选择电动机 7 3.3.2 步进电机的控制 12 3.4 同步带部分传动设计计算 12 3.4.1 一级同步带传动计算 12 3.4.2 二级同步带传动计算 15 3.5 轴系零件的设计 17 3.6 滚珠丝杠的设计计算 17 3.6.1 求计算载荷 17 3.6.2 计算额定动载荷 18 3.6.3 选择滚珠丝杠副 18 3.6.4 稳定性验算 18 3.6.5 刚度验算 19 3.6.6 效率计算 20 3.6.7 滚珠丝杠的精度标准 21 4. 电气系统设计 21 4.1 工业机器人的计算机控制系统 21 4.2 控制系统硬件电路设计 21 4.2.1 确定硬件电路总体方案 21 4.2.2 MCS-51单片机硬件结构的特点 22 4.3 MCS-51单片机的引脚描述及片外总线结构 23 4.3.1 单片机型号的选择 23 4.3.2 程序存储器扩展电路 25 4.3.3 静态数据存储器扩展 26 4.4 8155可编程并行I/O扩展接口 28 4.4.1 8155芯片介绍 28 4.4.2 8031单片机和8155接口 29 4.5 由8155构成的键盘、显示器接口电路 30 总 结 35 参考文献 36 致 谢 37 1. 前言 1.1 课题来源及研究意义 我的主题是水平多关节工业机器人设计—机身与大臂结构及控制系统设计。课题来源是教师自拟。
水平多关节工业机器人用于许多工业领域的机械自动化操作，例如自动装配，搬运和电镀。工业机器人由机器人臂，单片机，伺服控制器和检测单元组成。
适用于各种类型和批次的柔性制造生产。
在工业中应用工业机器人可以提高生产制造的自动化能力，能减轻工作人员的劳动强度、保证产品的质量合格、实现稳定安全制造生产， 同时也可以促进产品进行换代更新；
特别是在高温，高压或易燃易爆物品的恶劣环境中，它可以代替人体完成所需的工作。
因此，机器人广泛用于工业制造，例如机械加工，冲压和轻工业。
它就像人的手部一样，能够实现多个自由度的运动，即能够被手动控制进行工作，还可以根据预定流程通过可编程控制器执行智能工业活动。
水平多关节工业机器人，其以结构划分，常活跃于生产制造、教学演示中。
它是工业机器人的形态之一，它本身对于空间的占有率很小，有利于在有限的工作空间里进行工业活动。
能够用来帮助或代替人类的在一些特殊场合进行工作，如制造业、航空航天，或是如排爆检测等具有危险性的工作。
这是现代工业技术的一种重要体现。
[1]通过这项研究，我可以对水平多关节机器人有一个深刻的理解和理解，并系统地结合理论知识和实践环节。提高我的实践能力，为顺利工作打下坚实的基础。
1.2 国内、外发展状况 1.2.1 国内发展状况 近几年来，国产工业机器人的研究已经不仅仅只局限于以独立的机器人本体设计为主，还包括了对于工业机器人与数控机床集成应用的发展。
在以往的工业生产活动中，许多岗位的操作往往依靠的是人，但以人为主的操作中或多或少都存在着各种不稳定性，例如，在高强度的工作下，人体超载工作存在安全隐患；
单纯依靠人为操作，产品的质量的品质难以提高，因此与机床协作的水平多关节型工业机器人的引入越来越多， 两个五年计划的推进，我国在数控操作方面的相关产业的发展独树一帜。比如数控机床方面，它的发展随着政策的颁发，从举步维艰到的生产量由产业化的量产到中高端档次的定位生产。这预示着这个产业的整体水平基本具备国际竞争力。从三轴三联动，过渡到四轴联动加工，再到如今的五轴联动，可以看出，我国的数控系统技术都在逐渐进步，相关研发人员掌控的控制技术在不断革新。除此之外，具备诸如小线段插补、动态误差补偿之类的数控机床都在源源不断的研发生产并投入使用中。为了匹配机床，相关技术人员也为此研发了相适配的驱动装置。这样一带一的研发形式，使得技术在不断革新，也由此工业机器人产业链随之诞生。这样不仅推进一系列的产业的发展速度，也使得工业机器人的研发更为紧要 。
随着工业4.0及中国制造2025等政策的落实，中国工业机器人产业的发展势头一路高歌猛进。在销售份额上，中国工业机器人的销售份额从最开始的市场占有率低，到现在占据份额比例达至30%。可见，这样可以使中国的工业机器人的在研究方面的资金变得越来越多，让工业机器人的技术变得越来越好。在一些非常重要的地方变得越来越棒，比如说在控制器，减速器，传感器等这些方面有比较大的进步，既能带动市场经济的发展，还能使得中国工业机器人在各个领域缩小与发达国家的距离，甚至持平、赶超。
如今，我国各个高校都开设了与机器人有关的学科，配合国家推行的人才发展政策，在人才培育和教学资源上都具有相当的优势，还包括相关研发机构与各大高校的人才培养计划。除此之外，还有一系列工业机器人创新活动等，由此相信水平多关节型工业机器人的研发具有重大意义。
1.2.2 国外发展情况 在国外，他们在机器人的很多方面都有着非常厉害的技术，比如说在一些比较重要的方面都非常不错，如一些材料的接头的地方，他的装配工艺的方面，还有一些软件的基本算法以及一些减速器等这些元件。自1954年戴维尔首次引入工业机器人概念以来，工业机器人不断发展。综上所述，工业机器人的发展历史是三代：这个机械手的操作简单，能对它下达预设指令，让它能够按照预设的坐标点进行移动，并能在之后，将运动坐标存储起来，动作执行过程中，能够发现，伺服系统驱使着机械手再现原坐标点。这能让机械手完成一些简单的工作。这个这个现象代表着机械手，已经具备了示教再现功能，也因为这个原因它象征着现代工业机器人的诞生。这也就是水平多关节型工业机器人的前身。
例如美国，德国等的机械工业发达的国家在工业机器人的研究比较早，科研技术也相对更为成熟，不仅具有生产能力大的成套的生产设备，而且可以按照用户要求对产品质量进行把控。这些工业机器人设备的使用大大加快了相关行业的快速发展脚步，同时也提高了制造技术的水平。
1.3 设计任务的主要内容与要求 1.3.1 设计内容 这次课题的的内容主要在于一些水平多关机工业机器人的设计，主要体现在机身机械结构和臂架结构设计与控制系统设计两个方面。为了满足机电一体化专业人员的要求，主要内容是工业机器人控制系统的设计。工业机器人的控制系统主要是以单片机为核心的控制系统，用微机单片机控制工业机器人有着独有的优势。因此，工业机器人由单片微机控制。
1.3.2 设计要求 （1）制定总体规划，机械结构和控制方法的有机结合。
（2）根据给定的技术参数，合理设计机械部件的结构，并进行与设计有关的设计计算。
（3）水平多关节机器人的装配图和电气原理图的设计和绘制。
1.4 设计的主要技术指标和参数 （1）要求：
关节式机器人、四个自由度 （2）参数：
结构形式：水平多关节式 最大持重：1.0kg 运动范围：大臂180°、小臂70°、手腕300°、垂直距离100mm 驱动方式：电机驱动 尺寸：540x485x630 控制方式：用单片机控制 （3）工作量：
（1）A0图合计约3.5张。
（2）设计规范（不少于15，000字）。
（3）外文材料的翻译不低于原字3000。
2. 工业机器人工程概述 2.1 工业机器人应具备的系统功能 从系统的功能特性来看，复杂的机器可以看作是一个系统，它以一定的方式由多个子系统有机地联系在一起，具有不可分割的特性。如果您拆卸系统，您将失去一些整体的特定功能。因此，在设计更复杂的内部机器时，它应具有以下特征[3]：
（1）目的性 即：每个机构零件系统都应该有正确的目的和功能。
（2）整体性 即:这个由多个子系统组成的整个机械系统应该作为一个整体实现指定的功能。
（3）环境适应性 即:任何系统都必须能够适应外部环境的变化。
（4）相关性 即:统中的子系统之间必须存在一些相互关联的特征。
2.2 工业机器设计中总体方案的论证 2.2.1 额定负载的确定 根据本课题的设计任务要求，手腕部分可承载起1KG以内的重量。
2.2.2 驱动装置选择 在该设计中，采用的驱动方法为交流伺服电动机。机器人的运动部分包括运动传动机构和控制装置，使机械手能够按预计的设定完成人们想要完成的指定流程。通常的机械臂有多种方式驱动，有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和液压伺服马达。其中步进电机存有小概率的失步现象，液压伺服马达的液压系统存在漏油的问题。结合本设计所控制的工件的大小，计算出机器人的大小，最终选择交流伺服电机进行控制。交流伺服电机存在的优势在于，其体积小，占据机械手臂的空间不大，从而使得机械手臂的负载小，从外型设计上可以设计的简洁大方，便于客户选择应用在不同场合[3]。伺服性能好，可以应用单片机控制；
便利操作,反应快、稳定性好，有利于机械手的正常工作操作；
除此之外还有转矩大、输出力矩和电流成比例等优点。
2.2.3 传动系统设计 机器人的传动应尽可能小，重量轻，结构紧凑，惯性矩小。它的传动方式主要有以下几个方面，比如说齿轮传动，皮带传动，滚珠丝杠传动等很多传动方式。考虑到齿形带传动的单向重复精度高，水平面上的重复定位误差小，可以满足定位要求。因此，机身和动臂由二级齿形带驱动。[6] 2.2.4 工作范围 它在工作时候的范围是操作和运动范围等一些方面所决定的，并且它的表示方式可以通过在工作时候的空间来表示。它的机械的一些方面的结构以及机械手臂的关节是由它在工作时候的空间的形状还有一些大小方面的因素所决定的。
2.2.5 运动速度 它的速度是由机器人在操纵手臂在工作的时候他的动作产生的最大的行程来决定他的速度大小，其次它的时间的工作表来决定他在工作时候的每个动作所需要的时间，这样可以来进一步知道他的运动速度。他的动作的时间所需的多少是由很多方面决定的，比如说他的动作种类来划分到底是顺序的还是同时进行的，以及他在工作的时候进行循环所需要的时间的是长还是短来决定的。您应该尝试为每个操作时间制定分配计划，比较它，并分配除了流程操作要求之外的操作时间。还应考虑惯性和行程大小，定位方法，驱动和控制方法以及精度要求。
2.3 机器人机械传动原理 由该主题设计的水平多关节，四自由度工业机器人。驱动方式由电机直接驱动，控制简单，编程操作方便。车身设计为薄壁整体铸件，设计轻巧灵活。机身结构为金属板框架结构，臂壳采用增强塑料压铸而成。其传动原理图1所示: 图1 传动系统图 机器人的大臂和小臂设计有二级齿形皮带传动。升降轴采用螺母对实现升降运动。手腕旋转由步进电机直接驱动，消除了所有传动部件。[6] 本机器人的Ⅲ轴为丝杠螺母副。III轴用于垂直提升运动。在断电的情况下能实现自锁，可以防止机械手和所持物体坠落。
3. 机械部分的结构设计与计算 3.1 机身部分结构设计 它的组装图主要由一些传动的机构构成，其中包括他的机身的外壳还有机器人的手臂。他的外壳的作用是用来支撑机器人整体结构的用处。是机身外壳和大臂1的传动结构。由一个壁厚为4毫米的金属板框架组成。大臂1传动路线为：皮带轮的第一级安装在大臂伺服电机MI上，第一皮带驱动器由同步齿形带和安装在轴下方的大皮带轮形成。第二级皮带轮安装在轴上方，第二皮带传动装置由同步齿形带和安装在I轴下方的大皮带轮形成。I轴的顶部呈圆盘形状，并直接固定在臂1外壳上。
机身传动示意图如图2所示：
图2 机身传动示意图 电机安装在背板上，背板安装在支架上，通过螺钉调节第一级同步齿形带的张力。机身中间轴通过两个径向止推轴承安装在支架上，整个支架安装在变速箱底部，通过螺钉调节第二级同步带的张力。
3.2 大臂的结构设计 他的系统具有很多性质，比如说整体性就是其中之一，他的决定取决于它的结构中的机身和传动臂所具有的一些能力，比如说他在工作时候可以完成驱动以及传动的一些能力。下面介绍一下计算部分驱动能力的计算。悬臂组件图主要是悬臂壳体和臂的传动结构。悬臂壳体既用作整个机器人传动臂又用作臂传动链的壳体。它由一个壁厚为4毫米的增强塑料模具压制而成，并部分加固。小臂传动路线为：臂电机MII的输出轴配备有第一级皮带轮，第一级皮带传动装置由同步齿形皮带和安装在轴上的大皮带轮形成。轴还配备有第二级皮带轮，其与同步齿形皮带连接。安装在II轴上的大滑轮（属于臂组件）构成第二级皮带传动。大带轮与小臂壳体固定。电机旋转时，机器人手臂摆动。[4] 传动原理如图3所示：
图3 大臂1齿带传动原理示意图 设计特点: （1）机身和控制柜设计为单一结构 控制柜设计在机身内部，可以消除复杂的连接电缆，占地面积小，结构紧凑。
(2) 构件轻型化设计 机器人重量很轻，只需要一半类似机器人的重量。例如：用加强塑料臂壳替换常用的铸铝臂壳;支架类的零件采用折弯件；
驱动器由皮带驱动，许多车轮材料由铝合金制成。[8] (3) 结构简单、调整方便 采用结构比较简单的皮带传动形式，不采用结构和复杂的装配结构。同时，皮带传动的灵活性也适应机器人在水平方向上的灵活性，满足组件的灵活性要求。进给伺服系统机械部分的计算和选择包括：脉冲当量的确定，轴径的初始评估，在计算的时候我们需要考虑一些因素，比如说用同步带进行驱动能力的时候的计算，还有在用步进电机的时候的计算以及选择，还有在用直流伺服电机的时候计算和选择还有再用滚珠丝杠的时候的计算。
3.3 关于本结构在机械部分的设计以及计算 3.3.1 关于电动机的选择 对于电动机我们有很多需要了解的地方，比如说他的分类我们需要深刻的了解，在我们生活中，我们经常用到的有一些电动机，比如步进电动机和伺服电机，下面我们开始介绍一下这两种电机的一些特点和用处以及优势。
（1） 关于步进电机的介绍 他的主要用处有在一些机械的控制系统中完成对一些比较重要的数字的分析还有执行的任务，他的另一种作用是把一些重要的关于电信号转变为线性的还有角位移的能力。所以他还有一种另外的叫法，叫做脉冲电动机。对于他的现状，在我们的国家用的非常广泛的就是关于步进电机的其中的一种叫无功步进电机，关于他的特点又可以进一步分析一下，他的启动速度非常的快，他的速度范围非常的广，他的动态性能特别的好，他还有一些其他的特点，比如说，具有良好的制动以及反转的能力。
(2) 关于伺服电机的介绍 伺服电机他的特点的介绍：
他的精度可以完成一些操作以及解决一些问题比如说，在控制方面可以完成对速度的控制以及对力矩的控制。他克服了一些在关于步进电机一些方面的问题。同时它还具有非常好的适应性，它可以完成一些比较重要的操作，比如说他有特别好的抗负载的能力，可以承受非常大的扭矩，是平时额定扭矩的三陪左右。同时他还具有非常好的稳定性，他能够完成一些操作，比如说，他能够使机器人在非常低的速度下平稳的运行，同时，在非常低的速度下不会对步进电机的操作产生额外的影响，提供非常好的稳定性。同时，它具有非常重要的能力，就是及时性，他能够使点击在减速的时候对于他的动态响应需要的时间变得非常短，加速也是。大概他所需要的时间为几十MM左右。
（3） 机器人电机的选择[9][10] 1.关于一些手腕处步进电机的选择 第一次选择电机为步进电机，这个电机为一个步距角为7.5°/15°的反应式步进电机，（1-2相励磁）运动时，步距角为7.5°，其每转脉冲数量为 个。
根据脉冲当量的定义选 δρ=0.01 ㎜ （1）负载转矩的折算 根据手抓及重物的质量（分别为2.3kg和2.0kg），以及手腕处零件的质量总重估计为5.0kg。
阻力矩：T===1.225，手抓的转动速度设定为20。
则负载转矩：
式中: TL——电动机负载转距 ——导轨摩擦系数，取=0.004 （参考《机电一体化机械系统设计》 P136） ——齿轮与丝杠总效率，其中齿轮传动效率为0.97，丝杠传动效率为0.9 所以， 步进电机的最大静转矩 =（0.3 - 0.5） × 1.36 = 0.04 - 0.068 根据反应式步进电机的技术数据，36BF003步进电机应在机械设计手册的表5-2中选择。
（2）步进电动机的选择与技术参数 通过上面一步步的计算，我们可以知道选用36BF003型反应式步进电机是非常的合理，并且符合相关的要求。他的一些相关数据的表示于下表1可见：
表1 电动机技术参数：
相 数 3 绕组电阻 1.6Ω 步距角 1.5°/3° 分配方式 三相六拍 电 压 27V 最大静转距 0.078(0.8)Nm 相电流 1.5A 空载启动频率 3100Hz 转子转动惯量10kg㎡ 0.0784 适配驱动器 DX-3F040M 外型尺寸 外 径 36mm 长 度 41mm 轴 径 4mm 重 量 0.22kg 其外形尺寸图如图4所示：
图4 步进电机外形图 其矩频特性如图5所示：
图5 反应式步进电机36BF003矩频特性图 2.小臂电机的选择 根据小臂的重量（预计为5kg）及手抓的重量（5.0kg）。质心离转轴的距离。
故小臂转动的阻力矩，小臂的转动速度初步设定为，， 是传动效率中联轴器的效率，大概为（0.98-0.99）, 是传动效率中一对联轴器的效率，大概为（0.97-0.98）, 为一对滚动轴承的传动效率(0.98-0.99), 为一滚珠丝杆的传动效率(0.97-0.98), 为关节的总传动效率，所以 = W 通过上面一步步的计算，我们可以知道选用55SZ55型反应式步进电机是非常的合理，并且符合相关的要求。他的一些相关数据的表示于下表2可见：
表2 55SZ55电动机的相关参数 转 矩 转 速 6000 功 率 50 W 电 压 24 V 电 流 0.49/3.45 A 转动惯量 外型尺寸 外 径 60mm 长 度 91mm 轴 径 5mm 重 量 0.75kg 3. 大臂电机的选择 根据动臂1的重量（预计为8kg）及小臂与手抓的重量（10.0kg）。质心离转轴的距离。
故大臂转动的阻力矩，大臂的转动速度初步设定为，， 为联轴器的传动效率（0.97-0.98）, 为一对带轮的传动效率(0.98-0.99), 为一对滚动轴承的传动效率(0.98-0.99), 为一对同步带的传动效率(0.97-0.98), 为大臂的总传动效率，所以 = W 根据计算结果，选择70SZ101电机的技术参数如表3所示：
表3 电动机技术参数 转 矩 转 速 7500 功 率 68W 电 压 110 V 电 流 0.12/1.95 A 转动惯量 外型尺寸 外 径 74mm 长 度 114mm 轴 径 6mm 重 量 1.5kg 4. 机身电机的选择 根据机身的重量（预计最初为8kg）及大臂、小臂与手抓的重量（18.0kg）。质心离转轴的距离。
因此，臂旋转的阻力矩，主体构件的旋转速度初始设定为，机身部件的转动速度初步设定为，， 为联轴器的传动效率（0.97-0.98）, 为带轮的传动效率(0.98-0.99), 为一对滚动轴承的传动效率(0.98-0.99), 为同步带的传动效率(0.97-0.98), 为机身的总传动效率，所以 = W 根据计算结果，选择110SZ53的技术参数如表4所示：
表4 电动机技术参数 转 矩 转 速 3000 功 率 308W 电 压 110 V 电 流 0.32/4 A 转动惯量 外型尺寸 外 径 115mm 长 度 164mm 轴 径 10mm 重 量 5.8kg 3.3.2 步进电机的控制 在控制模式中步进电机的相关示意图如图6所示：
图6 步进电机控制示意图 通过电脉冲的方法控制电机的相关流程电 （b)通过改变电脉冲信号的大小来控制电机。
（c）通过改变角位移大小的方法控制电机。
3.4 同步带部分传动设计计算 同步带驱动器使用齿形和滑轮的齿轮齿顺序地接合以传递运动或动力。与平皮带传动和V带传动相比，传动比准确，传动效率高，轴和轴承负荷小，结构紧凑，运行稳定。与梯形齿和弧齿同步，梯形齿同步与模块化系统和每周系统。每周环形齿形同步带具有国家标准。为此设计选择的带类型是周边梯形齿同步带。[11] 本设计采用两级同步带减速，传动比为2.同步带传动设计计算的主要内容是基于传动速度。额定功率，运行条件和速度比用于正确选择皮带长度，型号，带宽和皮带轮直径以及齿数。计算过程如下。
3.4.1 一级同步带传动计算 （1）通过查阅学习资料机械设计基础表2-24查得功率 （2）通过相关计算和相关资料查阅，初步选择同步带传动的带型为和同步带传动的 节距。由机械设计基础以及相关资料最终选择为L型，节距 （3） 通过查阅资料小皮带最小齿数由很多因素所决定，例如，由皮带类型和小皮带轮速度，通过查阅机械设计基础，查的小皮带轮的最小齿数为，此处取 （4）小带轮节圆直径 其外径。根圆直径齿高和齿根直径见机械设计手册的表1-104。
（5）大带齿轮数 （6）大带轮节圆直径 外径 。齿高，根圆直径 见机械设计手册的表1-104。
（7）带速 L带， （8）初定轴间距 取 （9）带的节线度及齿数 初定带节线长度 通过相关计算和相关资料查阅，由机械设计基础得应选择型同步带，并且同步带的代号为150。同时，它的相关数据如下，节线齿数，节线长 （10）通过有关计算，它的轴间距可以进行适当的改动，改动的结果为实际轴间距， （11）小带轮啮合齿数 （12）基本额定功率 机械设计手册表1-98中批准的工作张力 （13）对实际带的宽度进行相关计算 带的宽度的相关计算结果由参考文献查询得 由相关资料查阅得出标准带宽 通过上面的计算可以得到应该选择宽带代号为100的带宽，并且非常合理。其 （<） 3.4.2 二级同步带传动计算 （1）与一级同步带传动类似，通过查阅相关资料检查设计功率与工况系数 通过相关计算和相关资料查阅，初步选择同步带传动的带型为和同步带传动的节距。由机械设计基础以及相关资料最终选择为L型，节距 （2）通过相关计算和相关资料查阅，初步选择同步带传动的带型为和同步带传动的节距。由机械设计基础以及相关资料最终选择为L型，节距 （3）通过查阅资料小皮带最小齿数由很多因素所决定，例如，由皮带类型和小皮带轮速度，通过查阅机械设计基础，查的小皮带轮的最小齿数为，此处取 （4）小带轮节圆直径 其外径。根圆直径齿高和齿根直径见机械设计手册的表1-104。
（5）大带轮齿数 （6）大带轮节圆直径 外径见机械设计手册的表1-104。
齿高见机械设计手册的表8-1-50，根圆直径 （7）带速 L带， （8）初定轴间距 取 （9）带的节线度及齿数 初定带节线长度 通过相关计算和相关资料查阅，由机械设计基础得应选择型同步带，并且同步带的代号为150。同时，它的相关数据如下，节线齿数，节线长 （10）通过有关计算，它的轴间距可以进行适当的改动，改动的结果为实际轴间距， （11）小带轮啮合齿数 （12）基本额定功率 机械设计手册表1-98中批准的工作张力 (13) 带的宽度的相关计算结果由参考文献查询得 由相关资料查询得出带的宽度型带 由机械设计基础以及有关书籍查得 通过上面的计算可以得到应该选择宽带代号为100的带宽，并且非常合理。其 （<） （14）带轮的最终选择 用作同步带传动选用的型号为150L100和150L100 小带轮：
大带轮：
3.5 轴系结构的设计 预计轴径 根据公式， P取0.1 W n=1000 r/min c为45钢的材料系数=107。初估轴径为10 mm。
3.6 滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠传动具有广泛的应用，例如低摩擦损失，高传动精度，快速动态响应和良好的运动灵活性。影响传动变形的因素由很多方面决定，比如，螺杆自身的水平方向的刚度，还有支撑轴承的刚度，还有球和滚动轴承的接触刚度等因素所决定。其中第一项占主要因素。
与其他线性运动对相比，滚珠丝杠驱动器具有以下特征：
它具有很多其他驱动没有的特点，比如它的传动方面的效率非常的高，启动时需要的距离非常的小，又比如，它在传动方面具有双向传动的特点，但是在传动过程中没有自锁功能，并且它在传动过程中的精度相比于其他传动方式非常的高。同时它的使用时间很长，维修起来也比其他的结构简单。它在传动过程中的可靠性也非常的高，其在润滑结构的设计非常简便，有利于人工更快的维护与保养。它也可以实现同时进行多个多组运动，产生更好的同步传动。但是它的唯一缺点在于，它制造起来相比于其他的传动方式相对比较繁琐，并且，造价成本比较高。
根据滚珠丝杠的使用条件：
已知：平均工作载荷Fm = 50N，导螺杆工作长度L = 0.23m。平均转速n=250r/min，最大转速n=1000r/miｎ，使用寿命Ｌｈ＝１５０００ｈ左右，材料为钢，滚道硬度为58—60HRC，传动精度mm。
由《机械设计手册》表12-1-12选择固定式（G）；
从表12-1-13中选择滚珠丝杠的预紧方法是单螺母位移导线预紧（B）;根据机械设计手册的表12-1-11，轧辊形状选择为双面弧形;初步计算基本导程，由表12-1-20（4）式得计算公式=1001000=0.1。
3.6.1 对载荷进行相关计算 ＝ 其中 －载荷系数 －硬度系数 －精度系数 根据已知条件查表，分别选取：=1.2，=1， 又由于，P18－表2-4查得精度等级为Ｄ级， 因此 ＝１.０ 所以 =1.21.01.050 ＝60N 3.6.2 计算额定动载荷 ＝60 ＝364.7 N 3.6.3 选择滚珠丝杠副 ，。外循环插管式垫片预紧珠管嵌入式（CDM）滚珠丝杠副由相关资料查出，型号为 。型号为 CDM 2004-2.5. 导程 公称直径 循环列数圈数2.52 钢球直径 =2.381 丝杠外径 螺纹底径 接触刚度 螺 旋 角： ＝4 偏 心 距： ｅ＝0.07（R－/2） ＝0.07（0.52－2.381/2） ＝3.33ｍｍ 3.6.4 稳定性验算 由于固定在轴一端的螺钉在运行过程中可能不稳定，所以在计算时应留意安全系数的大小，它的值应该比螺杆传动的安全系数略大。
计算临界载荷 cｒ＝ 刚弹性模量E＝2.0610ｐａ 根据已知条件：
Ia＝ｄ/64 ＝3.14（0.02ｍ）/64 ＝ 选取ｕ＝2/3 cｒ＝ =687802N 安全系数：
S＝cｒ/Fm ＝687802/50 ＝13756 查表知（S）＝2.2－3.3 所以S 即丝杠是安全的，不会失稳。
3.6.5 共振性检验 导螺杆在高速工作时可能会发生共振，因此有必要检查不发生共振的最大速度。
ｎ＝9910 取ｆ＝4.730，ｕ＝2/3 ｎ＝9910 =188604r/min ｎn＝3000ｒ/ｍｉｎ。所以丝杠不会发生共振。
3.6.6 刚度验算 滚珠丝杠导线变形：
Ｔ＝Ftan（4） 在本次设计中去摩擦系数为tan，即 Ｔ＝50 ＝ = + = =0.308+0.154 =0.293um 因此，导螺杆在工作长度上的弹性变形引起的导程误差是 =/ = 要求 所以满足刚性要求 3.6.7 效率计算 =tan/tan（） =tan（4/tan（4） =0.968 此丝杠副是合格的 根据以上计算，选取 CDM 2004-2.5. 根据相关资料选择相关数据 循环列数圈数2.52 钢球直径 =2.381 丝杠外径 螺纹底径 接触刚度 螺 旋 角： ＝4 偏 心 距： ｅ＝0.07（R－/2） ＝0.07（0.52－2.381/2） ＝3.33ｍｍ 3.6.8 滚珠丝杠的精度标准 根据机械设计手册的表12-1-18，滚珠丝杠副的精度等级选择为2。
4. 电气系统设计 4.1工业机器人计算机控制系统 单片微计算机又被称为单片机。它将中央处理器，定时器/计数器，只读存储器，接口，随机存取存储器RAM和串行通信接口集成到一个芯片中。构成一个完整的微型计算机。由于其命令功能和结构是根据工业控制要求设计的，因此也称为单片微控制器。目前，它已被国内外称为单片机。[12] 水平多关节工业机器人数控系统的框图如图7所示：
图7 数控原理图 4.2 控制系统硬件电路设计 4.2.1 确定硬件电路总体方案 第一，通过相关书籍查阅选择主控制器，也就是中央处理单元，即。第二，选择总线，总线具有很多类型，例如控制总线，地址总线等。第三，通过查阅有关单片机的书籍，确定设备接口即电路的驱动。最后，选择单片机的存储器，其中包括数据存储与程序存储等存储器，还有它的拓展单位。
4.2.2单片机硬件结构的特点 单片机硬件结构有下面的一些主要特点：
（1）它具有很多硬件结构，比如说，它具有内部程序存储器（）和内部数据存储器（）容量等机构，其详细参数详见表5：
表5 存储器容量 存储器类型 单片机系列 掩膜ROM EPROM RAM MCS-51 51子系列 8031 128B 8051 4KB 128B 8751 4KB 128B 51子系列 8032 128B 8052 8KB 128B （2）I/O接口 微控制器中的I / O接口数量和类型很多。串行端口使用两个I / O接口线构建。
（3）外部数据存储器和外部程序存储器寻址空间 微控制器可以处理很多种类的数据存储器，它具有很强的抗干扰能力不会受到其他芯片的影响。
（4）中断与堆栈 单片机控制器必须由五个中断源控制，它有两个优先级组成，它的堆积位置也是要通过编程实现的，字节对多包括128个。
（5）定时/计数器与寄存器区 MCS-51子系列有两个16位定时器/计数器，可编程以实现四种工作模式。MCS-51在内部RAM中有32个通用寄存器，共4个通用工作寄存器区域，以满足多个中断或子程序嵌套的要求。
（6）指令系统 MCS-51具有强大的命令系统，其中添加了许多操作指令位。算法函数，例如比较、减法、乘法、除法、堆栈操作（推入和弹出）。即使振荡器频率连接到12兆赫，大多数指令的执行时间也只有1微秒。乘法和除法指令的执行时间只有4微秒。
（7）布尔处理器 MCS-51实际上是一个完整的一位微机。MCS-51的出现是微电脑技术的一次突破，因为它结合了八位微电脑和一台微电脑。它不仅突出了机器在逻辑电路仿真，实时测量和控制以及切换决策方面的优势，而且体现了八位机器在计算和智能仪器数据采集方面的优势。这是MCS-51的精美设计，一般微型计算机不具备这种设计。[12] 4.3 MCS-51单片机的引脚描述及片外总线结构 4.3.1 单片机型号的选择 8031包括一个 CPU（8位），一个随机存取存储器（128 KB）和21个特殊功能寄存器（ SFR）4 GE，并行 I/ O端口（8位）和两个16位定时器/定时器。8031的引脚如图8所示：
图8 8031引脚配置图 MCS-51单片机的逻辑符号如图9所示：
图9 8031逻辑符号图 8031共有40个引脚，其中有32个输入/输出（ I/ O）引脚、2个专用于主电源引脚，两个外部晶体引脚，四个控制或与其他电源复用。[12] 当使用74LS373作为地址锁存时，其数据锁存控制终端（G）和（STB）可以直接连接到微控制器的地址锁存信号终端（ALE）。当ALE下降时执行地址锁存。如果锁存控制信号从微控制器的ALE终端输出可以连接到74LS373的CLK端子，它必须通过逆变器以满足上升沿CLK锁存的要求。
对于具有大随机存取存储器和I / O容量的应用，通常使用全地址解码。全地址解码方法的优点是它可以使用较低地址线作为芯片的片上地址（在外部电路中占用最大数量的地址线）。上部地址线由解码器解码，并且解码的信号用作芯片选择线。通常地址解码器使用74LS138，其逻辑符号如表3所示，逻辑函数如表6所示：
表6 74LS138功能表 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 其他状态 x x x 1 1 1 1 1 1 1 1 译码原理如图10所示：
图10 全地址译码实例 如果解码器的输入占用三个最大位地址行，剩余的13个地址行可用作片上地址行。因此，解码器的八条输出线分别对应8kb的地址空间。6264是8 KB的RAM，因此片上寻址需要13个低位地址线（A0-A12）。其他三个上部地址线（A13-A15）通过三分之八的解码器，并用作外围芯片的芯片选择线。图中还有三条地址线 - 可用于扩展三个8KB RAM或三个外设接口电路。
4.3.2 程序存储器扩展电路 由于8031没有只读存储器，程序的存储器需要扩充。可擦除只读存储器EPROM可用作MCS-51微控制器的外部程序存储器。本设计采用2764A（8Kx8）系列芯片。芯片上有一个玻璃窗，在紫外光下照射约20分钟，存储器中的信息变成1。此时，工作程序可编程到这些芯片中。2764 A是一个8kb的紫外线可擦除电子可编程只读存储器（EPROM），由+5 V单电源供电，工作电压为75 mA。在28针双列直插式封装 中，保持电流为35毫安，读出时间高达250纳秒。插脚图如图9所示。
2764A针的含义如下：
a0-a12为13个地址线，可寻址8k字节；
o0-o7为数据输出线；
芯片选择；
数据输出选通线；
编程脉冲输入；
编程电源；
主电源。
2764针配置图如图11所示。
图11 2764管脚配置图 4.3.3 静态数据存储器扩展 在8031单片机应用系统中，静态RAM是最常用的。但是，与动态随机存取存储器相比，它需要很大的功率和较高的价格。本设计采用6264作为芯片的静态RAM。
6264是一个8kx8位静态随机存取存储器芯片。采用CMOS工艺制造，采用+5V单电源供电。额定功耗200mw，接入时间200ns。对于28线双列直插式封装，管脚配置如图10所示。
每个销的定义如下：
a0-a12是片上13位地址线；
i/o0-i/o7是双向数据线；
它是芯片选择的信号线；
它是允许读取的信号线；
它是写入信号线。
6264针配置如图12所示。
图12 6264管脚配置图 6264的操作方式如表7所示：
表7 6264的操作方式 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 4.4 8155可编程并行I/O扩展接口 4.4.1 8155芯片介绍 i8155芯片由256字节的RAM、两个8位、一个6位可编程并行I/O接口和一个14位定时器/计数器组成。8155可以直接连接到MCS-51微控制器，而无需添加任何硬件逻辑。8155具有RAM和I/O接口，是MCS-51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。
8155插脚图如图13所示。
图13 8155引脚图 8155采用双列直插式封装，共有40个引脚。各引脚功能如下图所示：
4.4.2 8031单片机和8155接口 MCS-51微控制器可以直接连接到8155，无需任何额外的逻辑。8031和8155的接线方法如图14所示。
在图14中，8031 MCU P0端口输出的低8位地址直接连接到8155的AD5-AD7，无需外部锁存器。作为低8位地址总线和数据总线，地址锁存器由ALE在8155直接使用。8155的端接P2.7，IO/M端与P2.0相连。
8155和8031的接口电路如图14所示：
图14 8155和8031的接口电路 4.5 由8155构成的键盘、显示器接口电路 图15是由8155个并行扩展端口构成的键盘和显示器接口电路。LED 8位段显示器具有共阴极，8155PB端口提供段选择代码，PA端口提供位选择代码。键盘是4x8矩阵键盘，列输出由PA端口提供，线路输入由PC0-PC3提供。LED的段和位信号由具有8位开路集电极输出的8718驱动器驱动。
LED采用软件解码动态扫描显示工作模式，键盘采用逐列扫描查询工作模式。
由8155组成的键盘显示电路如图15所示：
图15 用8155构成的键盘显示器电路 （1（1）步进电机控制程序是：判断旋转方向，依次发送控制字，根据运行速度实现一定的延迟，判断是否结束[11]。8155程序框图如图16所示：：
图16 8155程序框图 步进电机的正反转和速度控制程序如下：
PUSH A ；
保护现场 MOV R4，#N ；
设步长计数器 CLR C ；
ORL C，D5H ；
转向标志为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 P1，A ；
输出控制字 ACALL DELAY ；
延时 INC R0 ；
指针加1 MOV A，#00H ；
ORL A，@R0 ；
JZ TPL ；
是结束标志转移 LOOP1: DJNZ R4，LOOP ；
步数不为零转移 POP A ；
恢复现场 RET ；
返回 TPL: MOV A，R0 ；
CLR C ；
SUBB A，#06H ；
MOV R0，A ；
恢复控制字首指针 AJMP LOOP1 ；
DELAY: MOV R2，#M ；
DELAY1: MOV A，#M1 ；
LOOP: DEC A ；
JNZ LOOP ；
DJNZ R2,DELAY1 ；
RET 上述程序的延迟由循环程序实现。
（2）对于键盘和显示器的相应示例程序，下面给出了框图及其列表，如图17所示：
图17 程序实例框图 动态显示子程序[12] DIS：
MOV A，#00000011B ；
8155PA、PB口为输出，PC口为输入 MOV DPTR，#7F00H ；
8155命令口地址送DPTR MOVX @ DPTR，A ；
写命令 MOV R0，#50H ；
50—70H单元存8个显示数据 MOV R3，#70H ；
第1位LED的位选码7FH AGAIN：
MOV DPTR，#7F01H ；
指向PA口 MOVX @ DPTR，A ；
位选码送PA口 MOV @R0 ；
取显示数据 MOV DPTR，#DSEG ；
取段选码表首址 MOVC A，@A+DPTR ；
取段选码 MOV DPTR，#7F02H ；
指向PB口 MOVX @ DPTR，A ；
段选码送PB口 ACALL DL1ms ；
延时1ms INC R0 ；
指向下一显示数据单元 MOV A，R3 JNB ACC.0，OUT ；
8位显示完，转OUT RR A ；
未完，调整为下一位选码 MOV R3，A ；
AJMP AGAIN ；
继续显示下一位 OUT：
RET ；
子程序返回 DSEG：
DB 3FH，06H，5BH ；
显示0，1，2 DB 4FH，66H，6DH ；
显示3，4，5 DB 7DH，07H，7FH ；
显示6，7，8 DB 6FH，77H，7CH ；
显示9，A，B DB 39H，5EH，79H ；
显示C，D，E DB 71H， ；
显示F DL1ms：
MOV R7，#01H ；
延时1ms子程序 DL0：
MOV R6，#0FFH DL1：
DJNZ R6，DL1 DJNZ R7，DL0 RET 总 结 工业机器人随着工业革命和计算机技术的发展而出现，具有一定的使用价值。水平多关节工业机器人应用广泛，具有一定的研究意义。我设计了水平多关节工业机器人的主题 - 机身与大臂结构和控制系统设计。
工业机器人系统设计包括机械系统设计，电驱动设计和控制系统设计。主要内容是工业机器人控制系统的设计，该系统基于MCS-51系列MCU。
在机械部分，我主要设计了机身和大臂的结构。考虑到齿形带传动的单向重复定位精度高，水平面传动误差小，传动机构采用二级皮带传动。控制系统使用型号为8031的MCS-51微控制器，它具有较小的内部存储空间，因此它作为静态存储器连接到6264。2764A的可擦除存储器用来存储程序。8155芯片作为其I/O接口。单片机的译码器采用74LS38。地址锁存用74LS373。由于单片机在工业控制方面具有独特的优势，工业机器人将通过单片机控制获得最佳控制。
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在完成这个设计之际，我想对我的导师付胡代老师在毕业设计过程中表示衷心和衷心的感谢。老师在分析，绘图和编写手册的过程中给了我耐心的指导和帮助。使我在理论和实践的知识上都有了很大的提高。毕业设计的成功完成以及我所获得的知识和成就，使教师的努力更加壮大。无论是学术动机的教学，还是生活中的细致关怀，甚至付出老师的专业工作作风，我都非常感动和激励！最重要的是，付教师渊博的知识，严谨的学术态度，工作热情，谦逊和个性，将有利于我的余生！ 在设计过程中，我检查了很多书籍和材料，我也在网上浏览了很多资源。虽然设计过程有时会让人感到有些困惑，但最终，我完成了设计任务并学到了很多真正的技巧。我已经掌握了访问材料的能力，排版文本的能力以及将计算机图形作为一组大学生的能力。这让我为以后的工作学习打下了坚实的基础。总之，这个大学时代带来了太多美好的回忆，我会永远记得。也祝我的母校长春工程学院全体师生越来越好。
