氣動(dòng)爬繩機(jī)器人的研究_第1頁(yè)
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XX建筑工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文.第2頁(yè).摘要本文提出了一種以氣壓驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)爬繩機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案,該方案以氣缸的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)繩索的夾緊。然后通過爬升氣缸的收縮和伸長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬升動(dòng)作。系統(tǒng)控制部分采用AT89S52單片機(jī)為控制核心,為了方便對(duì)機(jī)器人的控制,通過無線遙控模塊對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行遙控。關(guān)鍵詞:爬繩;蠕動(dòng);機(jī)器人ABSTRACTThepaperpresentsadesignschemeofrobotwhichisdrivenbygas.Inthisscheme,,thecrankstructureisdrivenbythepistonclutchestherope.Twocrankstructureareapproachedbyalatexdriver,whichcanfelxunderpressure.Whenthecrankstructureandlatexdriveroperatetogether,robotcansquirmsupanddown.TheMCUAT89s52isusedasthecoreofthecontrolsystem.Inordertocontroltheproposedrobotconveniently,Telecommoduleisappliedtooperateitskinematicstate.Keywords:Climbing-rope;Peristalsis;robot目錄摘要…………………………IABSTRACT……………………II1緒論………………………11.1機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r…………………11.2機(jī)器人的應(yīng)用……………………11.3課題背景和研究意義……………21.4本課題的發(fā)展?fàn)顩r………………31.5本課題要求完成的工作…………42總體設(shè)計(jì)…………………62.1爬行器的功能分析………………62.2爬行器總體構(gòu)成設(shè)計(jì)……………62.3系統(tǒng)的工作原理和控制原理……………………72.3.1系統(tǒng)工作步驟說明………72.3.2系統(tǒng)的氣動(dòng)控制原理……………………83機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………93.1機(jī)械機(jī)構(gòu)總體布置說明…………93.2各部件的設(shè)計(jì)計(jì)算………………93.2.1爬行器上下面板的選擇和布置…………93.2.2連接螺栓的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………103.2.3爬行器的重量計(jì)算………104氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………124.1氣動(dòng)系統(tǒng)的選擇計(jì)算…………124.2氣動(dòng)系統(tǒng)的選擇計(jì)算…………124.3夾緊氣缸力學(xué)分析……………135控制系統(tǒng)部分…………165.1控制系統(tǒng)方案說明……………165.2AT89S52單片機(jī)………………165.3單片機(jī)驅(qū)動(dòng)部分………………195.4無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊功能介紹…………………195.4.1無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊電路圖……………195.4.2程序流程圖……………235.5傳感器的選擇和試驗(yàn)…………24結(jié)論………………………25參考文獻(xiàn)…………………26致謝………………………27附錄………………………281.緒論1.1機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r隨著現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展,特別是進(jìn)入二十世紀(jì)以來微電子技術(shù)的飛速發(fā)展使得機(jī)器人技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)中,軍工中越來越廣泛的使用機(jī)器人來替代人的工作,這樣不但提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率而且機(jī)器人把人從一些比較惡劣的工作環(huán)境中解脫出來,改善了人們的工作環(huán)境。在航天工業(yè)中機(jī)器人更是發(fā)揮著不可替代的作用,給人類探索宇宙做出了巨大貢獻(xiàn)。機(jī)器人的使用水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)化發(fā)展的水平的一個(gè)標(biāo)志。在我國(guó)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)線的企業(yè)還很少,但是機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線在西方一些國(guó)家早已經(jīng)普及,所以生產(chǎn)效率大大提高從而經(jīng)濟(jì)得到了迅猛發(fā)展。機(jī)器人的歷史并不算長(zhǎng),1959年美國(guó)英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人,機(jī)器人的歷史才真正開始。近百年來發(fā)展起來的機(jī)器人,大致經(jīng)歷了三個(gè)成長(zhǎng)階段第一代機(jī)器人屬于示教再現(xiàn)型,即人手把著機(jī)械手,把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍,或者人用"示教控制盒"發(fā)出指令,讓機(jī)器人的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng),一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個(gè)動(dòng)作。20世紀(jì)70年代,第二代機(jī)器人開始有了較大發(fā)展,第二代機(jī)器人則對(duì)外界環(huán)境實(shí)用階段,并開始普及。第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人,它不僅具有感覺能力,而且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力,并具有記憶、推理和決策的能力,因而能夠完成更加復(fù)雜的動(dòng)作。1.2機(jī)器人的應(yīng)用當(dāng)前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度,進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究,并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究?jī)?nèi)容集中在以下幾個(gè)方面:一工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù):探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料,進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比,同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。二機(jī)器人控制技術(shù):重點(diǎn)研究開放式,模塊化控制系統(tǒng),人機(jī)界面更加友好,語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化,以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外,離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。三多傳感系統(tǒng):為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性,多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法,特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。四機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧,控制系統(tǒng)愈來愈小,二者正朝著一體化方向發(fā)展。五機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù),機(jī)器人半自主和自主技術(shù),多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制,通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng),在有時(shí)延的情況下,建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。多智能體〔multi-agent調(diào)控制技術(shù):這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理,感知與學(xué)習(xí)方法,建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。智能機(jī)器人是具有感知、思維和行動(dòng)功能的機(jī)器,是機(jī)構(gòu)學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、光電技術(shù)、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、仿真技術(shù)等多種學(xué)科和技術(shù)的綜合成果。智能機(jī)器人做為新一代生產(chǎn)和服務(wù)工具,在制造領(lǐng)域和非制造領(lǐng)域占有更廣泛、更重要的位置,這對(duì)人類開辟新的產(chǎn)業(yè),提高生產(chǎn)與生活水平具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。1.3課題背景和研究意義近幾年來,鎖著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,高層建筑日益發(fā)展,公路運(yùn)輸,特別是橋梁的發(fā)展很快。其中一種極富想象力的橋梁結(jié)構(gòu)形式—斜拉橋,由于具有許多優(yōu)越性能,在近年來脫穎爾出,得到了廣泛的推廣和使用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),僅1995年我國(guó)就建造了40余座,近幾年更是形成高潮。在我們的城市XX,也先后在黃河上矗立起了黃河大橋和二橋等斜拉橋。這些大橋的建設(shè),很好地推動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展目前對(duì)這種斜拉橋拉索的施工示意圖如圖1.1所示圖1.1目前斜拉橋維護(hù)的施工方式在這種橋梁機(jī)構(gòu)中,拉索是其主要的受力構(gòu)件,也是核心部件。繩索地施工作業(yè)成為斜拉橋橋梁工程的主要內(nèi)容,其中拉索的涂裝等作業(yè)的施工質(zhì)量對(duì)保證橋梁的安全和使用壽命乃至橋梁的外觀都是十分重要的。它可以是大橋纜索免遭因長(zhǎng)期日曬雨淋而銹蝕斷裂,又可以是雄偉的外觀得以美化,展現(xiàn)其現(xiàn)代化橋梁的魅力,在實(shí)用的基礎(chǔ)上增加旅游資源。在對(duì)拉索的施工作業(yè)包括日常檢修維護(hù)中,目前國(guó)內(nèi)缺乏一種能夠在斜拉橋拉索上自行爬行運(yùn)載人員和各種作業(yè)用機(jī)械的爬行器,因此在拉索上進(jìn)行各種作業(yè)的難度大、安全性差難以提高施工質(zhì)量和施工效率。另外,在斜拉橋拉索的日常維護(hù)以及意外情況的處理中,也急需一種能夠驗(yàn)拉鎖負(fù)重爬行運(yùn)載人員和物品的使用爬行器。研制這樣的斜拉橋拉索作業(yè)用負(fù)重爬行器不僅是目前斜拉橋施工和日常維護(hù)所急需,同時(shí)對(duì)于開拓我國(guó)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的高空自動(dòng)升降做作業(yè)設(shè)備也有著重要意義。此外,隨著我國(guó)城鎮(zhèn)人口的增加,城市中高層建筑得到了迅速的發(fā)展,高層建筑已經(jīng)越來越的出現(xiàn)在我們的視線中,它們已經(jīng)成為我們城市中得一道亮麗的風(fēng)景線,隨著高層建筑的發(fā)展,也產(chǎn)生了許多問題。其玻璃幕墻表面的清理、表面瓷磚的噴涂,以及一些表面的維護(hù)也擺到了人們的面前,目前解決這問題大多靠人工方式,人們坐在高層垂下的繩索上,靠手工擦洗表面,也就是人們俗稱得"蜘蛛人",這種靠人工的方法安全性差,成本高,勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作效率低,所以研究驗(yàn)繩索方向運(yùn)動(dòng)地爬行器,來對(duì)繩索懸索以及高空管道的的噴涂、清洗、檢修,有著極為廣泛的應(yīng)用情景和市場(chǎng)潛力。它可以有效地提高高空操作施工的質(zhì)量和安全性,并大大減輕了施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,更好地為我們的經(jīng)濟(jì)服務(wù)。最后,我國(guó)教學(xué)用品的發(fā)展及其迅速,隨著大學(xué)學(xué)生的擴(kuò)招,教學(xué)用具的使用也會(huì)越來越多,但相應(yīng)的,對(duì)于很重要的一門科目—機(jī)電一體化來說,卻缺少一種典型的示教工具,作為最典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品--機(jī)器人就現(xiàn)狀來說,成本高,功能較少,很多機(jī)器人做完一次試驗(yàn)就會(huì)很長(zhǎng)時(shí)間的閑置起來,造成了極大的浪費(fèi),而我們可以將該爬升器作為典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品來用于教學(xué),這樣就會(huì)貼近學(xué)生,貼近相關(guān)專業(yè)。故該氣動(dòng)爬升器的研制可以更好填補(bǔ)教育市場(chǎng)的空白,有著很好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)。1.4本課題的發(fā)展?fàn)顩r通過對(duì)該課題的國(guó)內(nèi)外相關(guān)論文的研究,總結(jié)出目前對(duì)生纜爬升器的一些特點(diǎn)1.利用齒輪互相咬合夾緊繩索攀爬圖1.2齒輪嚙合爬繩器以下為設(shè)計(jì)的幾個(gè)重點(diǎn):〔1A點(diǎn)跟B點(diǎn)都是齒輪,但是功能除了互相咬合帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)上升外,最重要的是其兩個(gè)軸心,繩子爬升所需的摩擦力就是來自于這兩個(gè)軸的,但是在跟機(jī)器人的機(jī)器手臂相比之下夾力可能稍嫌不足,但是齒輪必須咬合不能松脫所以整個(gè)重點(diǎn)就在于軸心部分的調(diào)校,將考慮設(shè)計(jì)為可以調(diào)整大小的軸心〔2另外要說的是D點(diǎn),這個(gè)點(diǎn)是一個(gè)卡鎖,設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是在于如何使齒輪可以緊緊的夾住繩子,并且可以視繩子的粗細(xì)予以調(diào)整〔3然后最重要的就是C點(diǎn)了,當(dāng)夾劇都設(shè)計(jì)完成整個(gè)機(jī)構(gòu)是否上升的動(dòng)力就來自整個(gè)機(jī)構(gòu)的馬達(dá),跟機(jī)器人比較之下機(jī)器人的動(dòng)力來自整個(gè)設(shè)計(jì)桿子的收縮,而我們的機(jī)構(gòu)則是直接將馬達(dá)連接上齒輪用鏈條或皮帶驅(qū)動(dòng),當(dāng)然為了有更大的輸出功率整個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速不能太快而且整個(gè)機(jī)構(gòu)的重量也是如何選擇這顆馬達(dá)的主要考量,至少在傳動(dòng)之后的公必須足以支撐整個(gè)機(jī)構(gòu)上升所以在選擇材料上要考慮一下2.用通電的方式然后搭配傳感器跟夾具,但是這個(gè)方法所需要可以支撐整個(gè)機(jī)構(gòu)上升的電流很大,雖然可以考慮使用放大器但畢竟不保險(xiǎn),因?yàn)樗枰碾娏骱艽?但是電磁感應(yīng)的技術(shù)是一個(gè)值得另外思考的方法,另外就是要在夾具上作選擇3.運(yùn)用馬達(dá)直接把繩子卷起來〔1直接設(shè)計(jì)將繩子繞一個(gè)符合馬達(dá)大小的圓圈,將馬達(dá)安至于其中使整個(gè)馬達(dá)順此圓圈線段爬升〔2利用電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的吸力跟斥力使機(jī)構(gòu)上升下降,藉由通過螺旋管所產(chǎn)生的磁力將整個(gè)機(jī)構(gòu)往上推,更進(jìn)一步的改變電流的方向可以改變整個(gè)機(jī)構(gòu)移動(dòng)的方向。此設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)在于下圖的防滑機(jī)構(gòu):圖1.3防滑裝置此防滑機(jī)構(gòu)原理為當(dāng)繩子平順移動(dòng)時(shí)兩邊的滾珠會(huì)平順的轉(zhuǎn)動(dòng),可是假如有忽然間掉落的情形時(shí)瞬間產(chǎn)生的速度將迫使?jié)L珠與繩子及兩邊夾的更緊以達(dá)到固定只滑的效果,此原理同安全帶。1.5本課題要求完成的工作綜合以上國(guó)內(nèi)外爬升機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和出于實(shí)用上的考慮,所設(shè)計(jì)的爬行器要求能在繩索方向上爬行,而且要承受一部分的載荷,包括爬繩器自重、施工設(shè)備繩索與地面呈90度,爬行器還應(yīng)該可以采用多種操縱控制方式和運(yùn)動(dòng)方式,具有一定的爬行速度,爬行器運(yùn)行適應(yīng)不能破壞繩索的表面,即對(duì)其最大平均壓強(qiáng)有著嚴(yán)格的限制,同時(shí)還要求爬行器具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊,便于演示和示教,從而應(yīng)用于教學(xué)演示,小規(guī)模施工作業(yè)中。本題目的設(shè)計(jì)工作內(nèi)容為:研制一臺(tái)能自動(dòng)爬桿的機(jī)器人。要求對(duì)其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的設(shè)計(jì)部分包括:運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力計(jì)算等。具體內(nèi)容為:1、機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì);2、機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),折合A1的手工繪圖2張;3、機(jī)器人爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);4、進(jìn)行單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì);5、完成全部系統(tǒng)的安裝調(diào)試工作該機(jī)器人的設(shè)計(jì)規(guī)格為:1、可搬運(yùn)重量:最大2Kg;2、爬行速度大約為4m/min;3、動(dòng)力部件為氣缸,爬升氣缸行程大于30cm;2總體設(shè)計(jì)2.1爬行器的功能分析爬行器的主要功能是能夠自行再拉索上負(fù)重爬行,為此爬行起必須能夠獲得足夠的沿拉索方向的牽引力和動(dòng)力裝置。作為一種承載式自動(dòng)爬行裝置,其上升與下降運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng),該裝置的主運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)都宜采用直線運(yùn)動(dòng),因此設(shè)計(jì)采用具有循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的油缸或氣缸較為有利。這樣,既利于獲得連續(xù)或單步兩種爬升方式,又可以方便地進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)遙控操縱。但由于爬行器在繩索上最大的爬升高度為10米,如果采用液壓傳動(dòng)作為動(dòng)力,油液的傳送、油管的布置和現(xiàn)場(chǎng)施工中液壓有的獲得都是難以解決的問題,此外,液壓有的中量也會(huì)對(duì)爬行器整體重量產(chǎn)生巨大影響。所以,根據(jù)爬行器功能要求,本設(shè)計(jì)確定采用氣壓傳動(dòng)作為爬行器動(dòng)力,完全可以滿足最大荷重2kg要求,也有利于使爬行器自重控制在范圍內(nèi),同時(shí)氣源又可以滿足清洗、噴涂等作業(yè)的用氣需要。出于工作效率上的考慮,爬行速度對(duì)上行要求達(dá)到4m/min,下行時(shí)要達(dá)到5m/min,其速度可以手動(dòng)設(shè)定,故設(shè)計(jì)確定采用單片機(jī)。它的特點(diǎn)體現(xiàn)在體積小,重量輕,成本低,變成簡(jiǎn)單,容易掌握。配合安裝與氣缸上進(jìn)行行程控制的電磁閥可以很容易地實(shí)現(xiàn)爬行器運(yùn)動(dòng)控制要求。爬行器要求自動(dòng)進(jìn)行上、下運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)時(shí)要求能夠支撐與重力方向,因此爬行器軸向力獲得以及如何穩(wěn)定沿拉索移動(dòng)而不會(huì)倒退時(shí)一個(gè)關(guān)鍵問題。設(shè)計(jì)考慮利用氣缸所產(chǎn)生的壓力從而克服重力來實(shí)現(xiàn)爬行動(dòng)作。同時(shí)考慮爬行器不能脫離繩索,故必須設(shè)計(jì)以?shī)A緊裝置,本設(shè)計(jì)通過兩組對(duì)稱布置的加緊錨片,這樣可以使錨片對(duì)繩索的徑向力互相抵消,不會(huì)造成對(duì)繩索的附加載荷,較之采用其他結(jié)構(gòu)類型也減少對(duì)繩索的磨損。爬行器錨片具有兩片對(duì)稱的夾具組成,錨片對(duì)稱布置,工作是類似鉗子夾在繩索上,動(dòng)力靠?jī)山M對(duì)稱的薄壁氣缸提供,該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)錨片的往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)繩索加緊和松開。伸縮機(jī)構(gòu)可以與之配合運(yùn)動(dòng),從而使該爬升機(jī)構(gòu)可以無障礙的沿繩索上升,下降,從而完成爬升的動(dòng)作。因?yàn)檠乩K索爬行的特殊性,其應(yīng)急的安全措施必不可少,在斷電,斷氣等故障下故本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一手動(dòng)制動(dòng)器,使手動(dòng)制動(dòng)器以繩索之間摩擦緩慢下滑。該爬行器制成可以套在繩索的機(jī)構(gòu),為避免對(duì)繩索形成附加載荷,選擇左右對(duì)稱式布置,使爬行其實(shí)力均衡,運(yùn)動(dòng)可靠穩(wěn)定,爬行器設(shè)有連接件,可以轉(zhuǎn)載一部分負(fù)重物,已完成其他功能之用。2.2爬行器總體構(gòu)成設(shè)計(jì)根據(jù)爬行器的構(gòu)成和功能以及所要實(shí)現(xiàn)的工作要求,總結(jié)以上分析,可以歸納出爬行器有以下特點(diǎn):<1>采用氣動(dòng)傳動(dòng),可以為爬行器動(dòng)力。<2>錨具與繩索接觸應(yīng)力小,不致破壞繩索的表面涂層。<3>氣動(dòng)回路從設(shè)計(jì)上保證上、下加緊氣缸在任何時(shí)候都至少有一個(gè)保持加緊狀態(tài)。<4>爬行器采用現(xiàn)場(chǎng)部件拆裝方式,便于運(yùn)輸和攜帶。<5>采用計(jì)算機(jī)控制,可自動(dòng)連續(xù)爬行或單步爬行,操作十分方便。<6>自身重量盡可能的小使爬行更加方便。由以上所列出的爬行器的主要特點(diǎn),構(gòu)思出爬行器總體設(shè)計(jì)如圖2.1所示在該結(jié)構(gòu)中,爬行器由左右伸縮氣缸A1和A2以及與之相連的上體及下體組成。爬行器上體由上體架,加緊錨具組成,下體由下體架及架緊錨具組成上、下體架由硬鋁充當(dāng),可以充分的減輕自身重量。錨具是由兩片對(duì)稱布置并由氣缸作為動(dòng)力的薄壁氣缸組成,錨片內(nèi)側(cè)帶非金屬材料聚氨酯襯墊,以減少對(duì)繩索的損傷。聚氨酯襯墊和錨片通過膠水與錨片粘結(jié),錨片與聚氨酯之間應(yīng)保持聯(lián)結(jié)良好,不發(fā)生相對(duì)滑移。否則影響加緊性能。錨具的夾緊氣缸通過螺栓與上、下體板聯(lián)結(jié)再伸縮氣缸運(yùn)動(dòng)時(shí)可以隨其聯(lián)動(dòng)。伸縮氣缸是本裝置的主動(dòng)力裝置,圖2.1氣動(dòng)爬繩器人通過主氣缸的伸縮使爬行器的上體和下體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),并借助上下錨具的加緊實(shí)現(xiàn)爬升器的上行或下行。2.3系統(tǒng)的工作原理和控制原理系統(tǒng)工作步驟說明根據(jù)上述爬行其總體結(jié)構(gòu)與部件設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)爬行器的上升、下降,擬定將系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分解成以下的工作步驟。氣動(dòng)上行工作過程:爬行器正常上行工作時(shí),系統(tǒng)中部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由單片機(jī)通過電磁閥調(diào)節(jié),其工作過程如下:〔1下面錨具氣缸伸出,下錨具夾緊,上面錨具氣缸回縮,上錨具松開,左右主氣缸桿伸出,爬行器上體上行?!?上面錨具氣缸伸出,上錨具夾緊,下面錨具氣缸回縮,下錨具松開,左右主氣缸桿回縮〔氣缸體伸出,爬行器下體上行。重復(fù)以上動(dòng)作氣動(dòng)下行工作過程爬行器正常下行工作時(shí),系統(tǒng)中部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由單片機(jī)通過電磁閥調(diào)節(jié),其工作過程如下:〔1上面錨具氣缸伸出,上錨具夾緊,下面錨具氣缸回縮,下錨具松開,左右主氣缸桿伸出〔氣缸體伸出,爬行器下體下行。 〔2下面錨具氣缸伸出,下錨具夾緊,上面錨具氣缸回縮,上錨具松開,左右主氣缸桿回縮,爬行器上體下行重復(fù)以上動(dòng)作┉系統(tǒng)的氣動(dòng)控制原理根據(jù)以上特點(diǎn)分析和工作步驟分析,本裝置氣動(dòng)控制系統(tǒng)如圖2.2所示,整個(gè)氣動(dòng)控制系統(tǒng)有三個(gè)回路組成,它們并聯(lián)結(jié)在氣動(dòng)主回路上與地面氣源相連。這三個(gè)回路包括主氣缸回路和上下脫錨氣缸回路。電磁閥由單片機(jī)編程控制,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)或單步爬行動(dòng)作,配合安裝于氣缸上的進(jìn)行氣缸行程精確控制的傳感器,可以很容易地實(shí)現(xiàn)爬行器運(yùn)動(dòng)控制要求。主氣缸回路、上脫錨氣缸回路、下脫錨氣缸回路作為三個(gè)并聯(lián)的回路由地面氣源供氣,其運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立,互不干涉。系統(tǒng)有無線遙控操作,可以方便的在不同場(chǎng)合運(yùn)動(dòng)。圖2.2氣動(dòng)控制系統(tǒng)3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械機(jī)構(gòu)總體布置說明爬行器機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)參見各零件圖,其中包括爬行器上體〔上頂板,爬行器下體〔下底板,上下錨具、錨具支架、豎直導(dǎo)桿、豎直導(dǎo)筒、平行導(dǎo)桿等,還有起降低磨損作用的聚四氟乙烯襯墊的??傮w布置圖反映了機(jī)械結(jié)構(gòu)個(gè)部件的裝配情況和位置關(guān)系,可以粗略的表達(dá)爬行器工作過程中地運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和操作控制方式。爬行器機(jī)械機(jī)構(gòu)整體可以方便的套在繩索上〔改進(jìn)可選用剖分式,為此,爬行器的上下體之間用套筒和導(dǎo)桿相配合,并用螺紋于上下板固定,能取得良好的導(dǎo)向作用。由于爬行器在繩索上爬行和夾緊,對(duì)繩索的表面有一定的磨損,為減少該磨損,在錨具的內(nèi)側(cè)與繩索接觸面上,安裝一塊聚四氟乙烯襯墊,聚四氟乙烯強(qiáng)度大而剛度小,襯墊與內(nèi)側(cè)用膠水粘結(jié),并且在配合面上都制成階梯槽,防止脫落。聚四氟乙烯具有良好的滑動(dòng)、耐磨性以及摩擦系數(shù)很低的特點(diǎn),是極好的滋潤(rùn)滑材料,用來降低錨具對(duì)繩索表面的磨損破壞。為使對(duì)襯的錨具在夾持時(shí)不發(fā)生側(cè)向移動(dòng),故在錨具與支架之間加入水平導(dǎo)桿,能起到良好的導(dǎo)向作用。為了盡可能地減輕重量更好的爬升,上下體均采用密度較小的硬鋁作為材料,作為爬行七個(gè)部件的安裝及固定支架。爬行器以上的機(jī)械機(jī)構(gòu)在控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制之下實(shí)現(xiàn)爬行器的各種運(yùn)動(dòng)方式和功能。3.2各部件的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械部件的設(shè)計(jì)計(jì)算包括:爬行器上下面板的選擇和布置;連接螺栓的選用和計(jì)算;脫錨機(jī)構(gòu)支架的設(shè)計(jì)計(jì)算;整體結(jié)構(gòu)支架的重量估算。爬行器上下面板的選擇和布置爬行器上下面板的材料為硬鋁,其具體結(jié)構(gòu)參見爬行器的零件圖,其機(jī)械特能是:爬行器的上下面板通過M8和M20螺母分別與氣缸桿以及缸體外連接。爬行器上下板之間靠導(dǎo)筒與導(dǎo)桿之間的配合來導(dǎo)向,以避免由于氣缸的筒側(cè)推力而產(chǎn)生的附加彎矩,使爬行器受力不均勻從而造成工作時(shí)不穩(wěn)定和載荷沖擊。為考慮重量,故采用硬鋁LY12,LY12應(yīng)用最早的一種標(biāo)準(zhǔn)硬鋁,有中等強(qiáng)度,可熱處理強(qiáng)化,在淬火和自然淬火下使用,電焊行良好,氣焊及氬弧焊時(shí)有裂紋傾向熱態(tài)下可塑性尚好,切削加工型在淬火時(shí)效下尚好,耐蝕性不高,用作各種要求中等強(qiáng)度的零件和構(gòu)件、沖壓的連接構(gòu)件、空氣螺旋槳葉片、局部鐓粗的零件〔如螺栓,螺釘。考慮到鋁的耐磨性差,故需要度一層鋅。爬行器錨具與錨具氣缸之間靠水平導(dǎo)趕來導(dǎo)向,防止由于氣缸產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的扭矩,采用兩導(dǎo)桿來保持器行走過程的方向一致。同樣,為考慮整個(gè)部件的整體重量和耐磨性差,故需要度一層鋅。連接螺栓的設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)爬行器的總裝配圖,各部件采用螺栓固定在爬行器的上下板上。其中各部件上受到的載荷以及螺栓的個(gè)數(shù)和尺寸大小選擇受力情況較不利的三種情況進(jìn)行較核驗(yàn)算。1.上下錨具座與爬行器的上下板相連的四個(gè)螺栓參見爬行器的總裝配圖,根據(jù)設(shè)計(jì)可知,上下錨具座與爬行器上下面板連接的四個(gè)螺栓大小為M8。驗(yàn)算螺栓強(qiáng)度:螺栓承受剪切力,其大小為爬行器所受錨具氣缸沖擊力F=N;螺栓的剪切面積是S=π/4.d.d=3.14/4*8*8=50.24τ=F/4S=19782/4/50.24=98.4<[τ]=100MPa故螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算合格。2.主氣缸與上下面板連接的四個(gè)螺栓參見爬行器的總裝配圖,根據(jù)設(shè)計(jì)可知,上下錨具座與爬行器上下面板連接的四個(gè)螺栓的型號(hào)大小為M8和M20。螺栓承受垂直方向的拉伸力,其大小為爬行器所受錨具氣缸沖擊力F=15892N;螺栓的剪切面積是τ=F/4S=63<[τ]=100MPa故螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算合格。螺栓承受垂直方向的拉伸力,其大小為爬行器所=受錨具氣缸沖擊力F=15892N;螺栓的剪切面積是τ=F/4S=19782/4/50.24=98.4<[τ]=100MPa故螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算合格。3.錨具氣缸與氣缸支架的四個(gè)螺栓參見爬行器的總裝配圖,根據(jù)設(shè)計(jì)可知,上下錨具座與爬行器上下面板連接的四個(gè)螺栓的型號(hào)大小為M6。螺栓承受垂直方向的拉伸力,其大小為爬行器所受錨具氣缸沖擊力F=15982N;螺栓的剪切面積是=50.24τ=F/4S=19782/4/50.24=98.4<[τ]=100MPa故螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算合格。爬行器的重量估算根據(jù)爬行器結(jié)構(gòu)的選擇,由表可以查的各個(gè)零件的質(zhì)量:錨具支架理論重量2*0.08028*9.8上頂板的理論重量0.53799*9.8下底板的理論重量0.55530*9.8豎直導(dǎo)桿的理論重量0.05489*4*9.8豎直導(dǎo)筒的理論重量4*0.01764*9.8水平導(dǎo)桿的理論重量0.01225*4*9.8支架的總質(zhì)量為M=2*0.08+0.5+0.6+0.05*4+0.01*4+0.01*4=1.54Kg總之,所設(shè)計(jì)的部件能達(dá)到了輕便、成本低、便于攜帶等特點(diǎn),為機(jī)器人的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)提供了有利的條件。4氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1氣動(dòng)傳動(dòng)的特點(diǎn)根據(jù)爬行器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求,本設(shè)計(jì)采用氣壓傳動(dòng)作為爬行力的動(dòng)力。氣動(dòng)系統(tǒng)的政設(shè)計(jì)在第二章做了介紹,其原理圖見2.2圖。作為一種比較典型的傳動(dòng)方式,氣壓傳動(dòng)由以下特點(diǎn):氣壓傳動(dòng)的關(guān)鍵是壓縮空氣,它以空氣為介質(zhì),工作介質(zhì)表較容易獲得,使用后空氣排到大氣中,處理方便,與液壓傳動(dòng)相比,不必設(shè)置回收油液的油箱和管道,整體結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單;因?yàn)榭諝獾恼扯群苄?損失很少,便于集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送,外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣嚴(yán)重污染環(huán)境;與液壓傳動(dòng)相比,氣動(dòng)動(dòng)作迅速,反應(yīng)快,維護(hù)簡(jiǎn)單,工作介質(zhì)清潔不存在介質(zhì)變質(zhì)等問題;氣壓傳動(dòng)工作環(huán)境適應(yīng)性好,可以在而列環(huán)境中工作,比其他控制方式優(yōu)越;氣動(dòng)的成本較低,過載能自動(dòng)保護(hù)。4.2氣動(dòng)系統(tǒng)的選擇計(jì)算氣壓傳動(dòng)各參數(shù)的確定:爬行器自重為最大為15.4N,載重重量為20N,由于采用雙主氣缸對(duì)稱布置以減少附加載荷,所以每一個(gè)承載主氣缸最大承重17.7N。設(shè)氣缸工作氣壓值為0.63Mpa,則每一個(gè)主氣缸所需內(nèi)徑至少是:<4.1>mm。初選主氣缸內(nèi)徑為,或塞桿直徑為〔參照氣缸內(nèi)徑推薦系列值,根據(jù)爬行器的上升和下降速度〔上升速度:,選擇主氣缸行程為。由生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品樣本挑選一種合適的氣缸類型為PKIA20-50S,主氣缸采用兩端固定的方式安裝到爬行器的上下板上。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P0=1.013×Pa氣缸工作壓力P=0.6×Pa根據(jù)爬行器的最大平均速度,氣缸在一分鐘內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)是16次單個(gè)氣缸所需的壓力空氣流量為Q0== =7.658單個(gè)氣缸所需的自由空氣流量為Q=Q0=7.6一對(duì)主氣缸所需的自由空氣流量為2Q=9.072根據(jù)錨具的工作性能,則初選錨具氣缸內(nèi)徑為,活塞桿直徑為〔參照氣缸內(nèi)徑推薦系列值選擇氣缸的行程為10mm,由由生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品樣本挑選一種合適的氣缸類型為10S-6SR-SD-2000,錨具氣缸采用后端螺栓固定的方式裝到氣缸的支架上。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P0=1.013×Pa氣缸工作壓力P=0.6×Pa錨具氣缸在一分鐘內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)與主氣缸相同,也是16單個(gè)氣缸所需的壓力空氣流量為Q0====7.707單個(gè)氣缸所需的自由空氣流量為Q=Q=Q0=7.707一對(duì)主氣缸所需的自由空氣流量為2Q=4.3夾緊氣缸力學(xué)分析夾緊氣缸選擇型號(hào)為MAL20x160,其具體參數(shù)為: 活塞直徑:?20mm 最大行程:160mm受力計(jì)算:根據(jù)設(shè)計(jì)要求,機(jī)器人最大負(fù)重可達(dá)20Kg,機(jī)器人自重約為25Kg建立上部夾緊機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型:圖4.1爬行器受力分析圖符號(hào)說明:f:摩擦力Fn加緊氣缸1提供的推力Fn’加緊氣缸2:圓桿的支反力由于兩氣缸型號(hào)相同,大小完全一樣,故Fn=Fn’Mg:機(jī)構(gòu)自身重力F’機(jī)構(gòu)負(fù)重本計(jì)算采用簡(jiǎn)化算法,其中將機(jī)器人的重力作用點(diǎn)移到圖示位置在垂直方向建立平衡方程;所以:?jiǎn)蝹?cè)所受摩擦力又:查表得摩擦系數(shù)u=0.5對(duì)氣缸進(jìn)行受力分析:其中,圖4.2氣缸受力分析圖建立平衡方程: 其中S=0.02x0.02=0.0004為大氣壓強(qiáng)1.01xPa 所以: 0.602Mpa<0.7MPa符合設(shè)計(jì)要求,型號(hào)選擇正確。 根據(jù)主氣缸與錨具氣缸的容積流量〔包括在錨具氣缸回路中附設(shè)的儲(chǔ)氣罐的容積,由生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品樣本中選擇所用的氣源。選定氣源型式為風(fēng)冷移動(dòng)式,額定排氣壓為0.7Mpa,額定排氣量為:綜合以上氣動(dòng)系統(tǒng)和氣缸的參數(shù)計(jì)算和源氣件設(shè)計(jì)選型,可以總結(jié)歸納出主氣缸與錨具氣缸各項(xiàng)能參數(shù),列表如表4-1所示表4-1氣缸性能參數(shù)表項(xiàng)目氣缸總長(zhǎng)/mm額定氣壓/MPa氣缸伸出力/N氣缸回縮力/N氣缸大小腔速比伸縮氣缸1500.6315792132701.19加緊氣缸100.6315792132701.19根據(jù)氣動(dòng)系統(tǒng)的額定流量,選定氣動(dòng)閥的型號(hào)一對(duì)主氣缸自由空氣流量為0.544m/min;壓縮空氣流量為0.0919m/min。一對(duì)錨具氣缸自由空氣流量為0.00554m/min,壓縮空氣流量為0.000925m/min。在在主氣缸回路中,管道中所有的空氣壓縮流量為;在脫錨氣缸回路中,管道內(nèi)所有壓縮空氣流量為。在總氣動(dòng)回路中,根據(jù)所選定的器源的自由空氣流量為,即等同于壓縮空氣流量產(chǎn)品樣本和選擇原則,確定減壓閥、單向閥、分水過濾器的有效通徑都是10mm。對(duì)主氣缸回路選用,通徑為8mm的三位五通雙電控電磁閥,并且?guī)в袛嚯姾笫謩?dòng)進(jìn)行控制的功能。對(duì)錨具氣缸選用:通徑為6mm的兩位五通單電控電磁閥并且?guī)в袛嚯姾笫謩?dòng)進(jìn)行控制功能。在主氣缸回路中,從閥組到氣缸的進(jìn)出氣管采用紫銅硬管,通徑為8mm在錨具氣缸回路中,從閥組到固定與上體地上錨具氣缸的進(jìn)出氣管采用紫銅硬管;從閥組到固定與下體地下錨具氣缸的進(jìn)出氣管采用紫銅硬管通徑為6mm。氣管管路接頭處采用插入式管接頭,它的膠管內(nèi)徑與所用的氣管的內(nèi)徑一致。根據(jù)圖所式的氣動(dòng)控制系統(tǒng)圖,考慮到爬行器在繩索上進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng),設(shè)計(jì)確定從地面氣源接至系統(tǒng)回路總進(jìn)氣管的管路采用塑料軟管,以減輕氣管的重量和降低成本,氣管內(nèi)徑為8mm,長(zhǎng)度根據(jù)爬行器實(shí)際使用時(shí)的爬行高度來確定。5控制系統(tǒng)部分5.1控制系統(tǒng)方案說明爬行器必須能夠?qū)崿F(xiàn)沿繩索方向的運(yùn)動(dòng)要求,根據(jù)前面的設(shè)計(jì),可以確定通過氣缸進(jìn)排氣的伸縮過程帶動(dòng)爬行其整體步進(jìn)式向上攀升或向下滑動(dòng)。由于氣缸運(yùn)動(dòng)具有連續(xù)性的特點(diǎn),涉及采用編程簡(jiǎn)單,成本低廉,性能全面的單片機(jī)控制。輸入部分:它收集并保存被控對(duì)象是及運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)和信息邏輯部分:處理輸入部分所取得的信息,并按照被控對(duì)象世紀(jì)的動(dòng)作要求做出反應(yīng)輸出部分:提供正在被控制的許多裝置中,那幾個(gè)設(shè)備需要實(shí)施操作處理。地面遙控器遙控信號(hào)地面遙控器遙控信號(hào)接收器手動(dòng)開關(guān)輸入開關(guān)電路單片機(jī)放大電路氣動(dòng)控制電磁閥磁性氣缸主氣缸位置檢測(cè)傳感器圖5.1爬行器控制流程圖5.2AT89S52單片機(jī)AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造,與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能:8k字節(jié)Flash,256字節(jié)RAM,32位I/O口線,看門狗定時(shí)器,2個(gè)數(shù)據(jù)指針,三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu),全雙工串行口,片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外,AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作,支持2種軟件可選擇節(jié)電模式??臻e模式下,CPU停止工作,允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下,RAM內(nèi)容被保存,振蕩器被凍結(jié),單片機(jī)一切工作停止,直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。圖5.289s52的封裝圖VCC:電源GND:地P0口:P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口,每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫"1"時(shí),引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下,P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí),P0口也用來接收指令字節(jié);在程序校驗(yàn)時(shí),輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí),需要外部上拉電阻。P1口:P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,p1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1端口寫"1"時(shí),內(nèi)部上拉電阻把端口拉高,此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí),被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因,將輸出電流〔IIL。此外,P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入〔P1.0/T2和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入〔P1.1/T2EX,具體如下表所示。在flash編程和校驗(yàn)時(shí),P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號(hào)第二功能P1.0T2〔定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入,時(shí)鐘輸出P1.1T2EX〔定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制P1.5MOSI〔在系統(tǒng)編程用P1.6MISO〔在系統(tǒng)編程用P1.7SCK〔在系統(tǒng)編程用P2口:P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫"1"時(shí),內(nèi)部上拉電阻把端口拉高,此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí),被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因,將輸出電流〔IIL。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔例如執(zhí)行MOVX@DPTR時(shí),P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中,P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址〔如MOVX@RI訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí),P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。P3口:P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,p2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫"1"時(shí),內(nèi)部上拉電阻把端口拉高,此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí),被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因,將輸出電流〔IIL。P3口亦作為AT89S52特殊功能〔第二功能使用,如下表所示。在flash編程和校驗(yàn)時(shí),P3口也接收一些控制信號(hào)。RST:復(fù)位輸入。晶振工作時(shí),RST腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位??撮T狗計(jì)時(shí)完成后,RST腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR<地址8EH>上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下,復(fù)位高電平有效。ALE/PROG:地址鎖存控制信號(hào)〔ALE是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí),鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時(shí),此引腳〔PROG也用作編程輸入脈沖。在一般情況下,ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖,可用來作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而,特別強(qiáng)調(diào),在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),ALE脈沖將會(huì)跳過。如果需要,通過將地址為8EH的SFR的第0位置"1",ALE操作將無效。這一位置"1",ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時(shí)有效。否則,ALE將被微弱拉高。這個(gè)ALE使能標(biāo)志位〔地址為8EH的SFR的第0位的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。PSEN:外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)〔PSEN是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)AT89S52從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí),PSEN在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次,而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),PSEN將不被激活。EA/VPP:訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令,EA必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令,EA應(yīng)該接VCC。在flash編程期間,EA也接收12伏VPP電壓。XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。5.3單片機(jī)驅(qū)動(dòng)部分控制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制電磁閥的方式來實(shí)現(xiàn),采用三極管作為功率放大元件原理圖如5.3所示:圖5.3單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電磁閥電路上圖就是控制電磁閥的示意圖,我們只是畫出了一路輸出的情況,又圖可知:電磁閥由三級(jí)管驅(qū)動(dòng),當(dāng)單片機(jī)的輸出口輸出高電平是電磁閥就會(huì)導(dǎo)通,則氣缸就會(huì)伸長(zhǎng),當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)電磁閥就會(huì)閉合,則氣缸就會(huì)收縮,這樣我們通過單片機(jī)的控制就實(shí)現(xiàn)了爬升的動(dòng)作。5.4無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊功能介紹無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊電路圖無線數(shù)據(jù)傳輸廣泛地運(yùn)用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測(cè)、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標(biāo)簽、身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無線232數(shù)據(jù)通信、無線485/422數(shù)據(jù)通信、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像傳輸?shù)阮I(lǐng)域中。圖5.4數(shù)據(jù)發(fā)射模塊的電路圖圖5.5數(shù)據(jù)接收模塊的電路圖SP發(fā)射模塊主要技術(shù)指標(biāo):

1。通訊方式:調(diào)幅AM

2。工作頻率:315MHZ/433MHZ

3。頻率穩(wěn)定度:±75KHZ

4。發(fā)射功率:≤500MW

5。靜態(tài)電流:≤0.1UA

6。發(fā)射電流:3~50MA

7。工作電壓:DC3~12VSP接收模塊主要技術(shù)指標(biāo):

1。通訊方式:調(diào)幅AM

2。工作頻率:315MHZ/433MHZ

3。頻率穩(wěn)定度:±200KHZ

4。接收靈敏度:-106DBM

5。靜態(tài)電流:≤5MA

6。工作電流:≤5MA

7。工作電壓:DC5V

8。輸出方式:TTL電平SP接收模塊的工作電壓為5伏,靜態(tài)電流4毫安,它為超再生接收電路,接收靈敏度為-105dbm,接收天線最好為25~30厘米的導(dǎo)線,最好能豎立起來。接收模塊本身不帶解碼集成電路,因此接收電路僅是一種組件,只有應(yīng)用在具體電路中進(jìn)行二次開發(fā)才能發(fā)揮應(yīng)有的作用,這種設(shè)計(jì)有很多優(yōu)點(diǎn),它可以和各種解碼電路或者單片機(jī)配合,設(shè)計(jì)電路靈活方便。單片機(jī)對(duì)接收模塊的干擾單片機(jī)模擬2262時(shí)一般都很正常,然而單片機(jī)模擬2272解碼時(shí)通常會(huì)發(fā)現(xiàn)遙控距離縮短很多,這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)的時(shí)鐘頻率的倍頻都會(huì)對(duì)接收模塊產(chǎn)生干擾,51系列單片機(jī)工作的時(shí)候,會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的電磁輻射,頻率范圍在9MHZ-900MHZ,因此它會(huì)影響任何此頻率內(nèi)的無線接收設(shè)備的靈敏度,解決的方法是盡量降低CPU晶體的頻率。測(cè)試表明:在1M晶體的輻射強(qiáng)度,只有12M晶體時(shí)的1/3,因此,如果把晶體頻率選擇在500K以下,可以有效降低CPU的輻射干擾。另外一個(gè)比較好的方法是:將接收模塊通過一個(gè)3芯屏蔽電纜〔地,+5V,DATA,屏蔽線的地線懸空將模塊引出到離開單片機(jī)2米以外,則不管51CPU使用那個(gè)頻率的晶體,這種干擾就會(huì)基本消除。對(duì)于PIC單片機(jī),則沒有上述輻射干擾??梢匀我馐褂谩_€可以改用頻點(diǎn)較高的接收頻率,如433MHz就可增加遙控距離,或者需要采用一些抗干擾措施來減小干擾。比如單片機(jī)和遙控接收電路分別用兩個(gè)5伏電源供電,將DF接收板單獨(dú)用一個(gè)78L05供電,單片機(jī)的時(shí)鐘區(qū)遠(yuǎn)離DF接收模塊,降低單片機(jī)的工作頻率,中間加入屏蔽等。接收模塊和51系列單片機(jī)接口時(shí)最好做一個(gè)隔離電路,能較好地遏制單片機(jī)對(duì)接收模塊的電磁干擾。SP接收模塊工作時(shí)一般輸出的是高電平脈沖,不是直流電平,所以不能用萬用表測(cè)試,調(diào)試時(shí)可用一個(gè)發(fā)光二極管串接一個(gè)3K的電阻來監(jiān)測(cè)SP模塊的輸出狀態(tài)。SP無線數(shù)據(jù)模塊和PT2262/PT2272等專用編解碼芯片使用時(shí),連接很簡(jiǎn)單只要直接連接即可,傳輸距離比較理想,一般能達(dá)到800米以上,圖5.5收發(fā)模塊電路圖圖5.6接收模塊和單片機(jī)接口程序流程圖5.5傳感器的選擇和試驗(yàn)氣缸位置傳感器采用開關(guān)型霍爾傳感器,通過它檢測(cè)主氣缸的位置信息,并將此信號(hào)傳送到單片機(jī)控制其中進(jìn)行程序控制,傳感器中的霍耳集成電路利用半導(dǎo)體硅材料的霍爾效應(yīng)制成的,能把磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)器輸出的電信號(hào)隨感應(yīng)強(qiáng)度的增減呈開關(guān)狀態(tài)。霍爾傳感器屬于接近開關(guān),其自身帶放大電路,是一種集成化的敏感器件?;魻杺鞲衅鞴潭ㄅc主氣缸外側(cè).螺桿上某一氣缸行程控制器位置。在爬行動(dòng)作過程中,當(dāng)主氣缸的此磁性活塞離開傳感器時(shí),其周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加并使霍爾傳感器的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變;當(dāng)主氣缸地磁性活塞離開傳感器時(shí),其周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減少并使霍爾傳感器恢復(fù)到開關(guān)狀態(tài)。與干簧傳感器相比較,霍爾集成傳感器在實(shí)際應(yīng)用中有以下特點(diǎn):<1>無觸點(diǎn),這是主要的優(yōu)點(diǎn);<2>長(zhǎng)壽命,無磨損部分,壽命時(shí)半永久性的<3>高可靠性,可與TTL等電路相媲美;<4>無火花,不產(chǎn)生干擾噪聲;<5>無自激震蕩,抗干擾能力強(qiáng)<6>溫度性能好<7>抗污染能力強(qiáng),除了磁體以外,任何物體的存在都不影響正常工作;<8>輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化,是理想的數(shù)字傳感器;<9>結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、體積小、耐沖擊。而作為接近開關(guān)的另一種形式--干簧管,其工作原理是在磁鐵靠近簧片時(shí),通過兩快簧片感應(yīng)異性磁極從而相互吸,實(shí)現(xiàn)開關(guān)的開閉動(dòng)作。干簧管的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小巧,價(jià)格便宜。但它的缺點(diǎn)是在于元件的動(dòng)作依附于觸電的吸合與斷開,通電時(shí)的電火花現(xiàn)象和觸電間的抖動(dòng)效應(yīng)將會(huì)對(duì)元件的正常工作產(chǎn)生直接的干擾。這對(duì)于爬行器主氣缸的位置控制室及其不利的,并且根據(jù)干簧管和霍爾集成傳感器的比較試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),霍爾傳感器對(duì)磁鐵接近動(dòng)作的影響范圍比干簧管小得多,同時(shí)它也不會(huì)出現(xiàn)干簧管在磁鐵接近過程過程中所出現(xiàn)的"死區(qū)"。結(jié)論通過三個(gè)月的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)制作,我完成了氣動(dòng)爬繩機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要包括:1、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了該機(jī)器人的基本動(dòng)作。2、機(jī)器人機(jī)械部分三維造型,并應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)該機(jī)械手的整機(jī)及零部件進(jìn)行了運(yùn)算與校核。校核表明,設(shè)計(jì)的機(jī)器人能達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo);3、二維平面圖繪制,熟練的應(yīng)用了CAXA,圖紙正在工廠用于加工該機(jī)器人。4、控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),熟練地應(yīng)用borlandc++上位機(jī)軟件,并實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的輸入與統(tǒng)計(jì)工作,為該實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人計(jì)算機(jī)控制;5、程序編制,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人基本的功能要求。另外:在設(shè)計(jì)制作中,機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)加工使我將所學(xué)的專業(yè)知識(shí)再次鞏固,同時(shí)對(duì)SolidWorks三維繪圖軟件有了深入的認(rèn)識(shí)。在設(shè)計(jì)過程中我學(xué)會(huì)了許多實(shí)際中應(yīng)該注意的細(xì)節(jié)問題。數(shù)字電路的開發(fā)使我進(jìn)一步了解了AT89S52單片機(jī),并且深刻體會(huì)到從理論到實(shí)踐還有許多東西要學(xué)??傊?通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我受益匪淺,學(xué)到了許多這次畢業(yè)設(shè)計(jì)為我以后踏入社會(huì)打下了良好的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1.成大先主編。機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)〔1-5卷。第四版。北京:化學(xué)工業(yè)出版社。2002

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