通用二维运动平台设计课程设计说明

通用二维运动平台设计课程设计说明专业综合设计II 题目：通用二维运动平台设计目录序号名称份数备注1 设计任务书1份2 机械装配图A1 1张3 硬件电路图A2 1张4 设计说明书1份26页学校代码：10128课程设计说明书题目：通用二维运动平台设计学生姓名：学院：机械学院班级：机电内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书课程名称：学院：班级：学生姓名：学号：指导教师：摘要X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控机床的加工系统、纵横向进给、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。

机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。

本文通过对X-Y工作台即能沿着X 向、Y向移动的工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计对专业教学的意义及技术关键。

本次课程设计，主要设计和研究Ｘ－Ｙ工作台及其电气原理图。

确定Ｘ－Ｙ工作台的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性及寿命等参数；并设计了导轨，据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。

控制系统包括了系统电源配置、CPU电路、RAM、ROM扩展，键盘与显示、I/O通道接口、通信接口等。

我们利用了8031主控器、6264片外数据存储器、2764片外程序存储器、74LS373地址锁存器、74LS138片选地址译码器及8155、8255可编程I/O扩展等MCS-51单片机设计其硬件电路图。

关键词：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；工作台；MCS—51单片机目录第一章二维运动平台总体设计方案 (1)1.1 系统运动方式的确定与驱动系统的选择 (1)1.2 机械传动方式 (1)1.3 计算机系统选择 (1)1.4 总体方案的确定 (2)第二章二维运动平台进给驱动系统机械部分设计计算 (3)2.1 要求 (1)2.1.1 技术参数 (3)2.1.2 设计要求 (3)2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (4)2.2.1 X向进给丝杠 (4)2.2.2 Y向进给丝杠 (8)2.3 滚动导轨的计算与选择 (10)2.3.1 滚动导轨副的额定寿命 (10)2. 4 步进电机的计算与选择....................................................................... (12)2. 4. 1 步进电动机减速箱的选用.............................................................. (12)2.4.2 转动惯量与转矩的计算 (12)2.5 联轴器的选择....................................................................... (17)2.5.1联轴器的选择.............................................................. (17)2.5.2联轴器的转矩.............................................................. (17)2.5.3确定联轴器的型号.............................................................. (17)第三章微机系统硬件电路设计............................................................................... (18)3.1 计算机系统 (18)3.2 单片微机系统硬件电路设计内容 (18)3.2.1 绘制电气控制系统框图 (18)3.2.2 选择CPU的类型 (19)3.2.3 存储器扩展电路的设计 (19)3.2.4 I/O接口电路设计 (20)3.3 各类芯片简介 (20)3.3.1 8031芯片简介 (20)3.3.2 74LS373芯片简介 (20)3.3.374LS138芯片简介 (21)3.3.4 8279芯片简介 (21)3.3.5 8255芯片简介 (22)3.4 存储器扩展电路设计................................... (22)3.4.1 程序存储器ROM的扩展 (22)3.4.2 数据存储器RAM的扩展 (23)3.4.3 译码电路的设计 (23)3.5 I/O接口电路的设计 (23)3.5.1 8255可编程接口芯片 (24)3.6 8031的时钟电路 (24)3.7 复位电路 (24)3.8 越界报警电路 (24)3.9 控制系统的功能 (25)3.10 控制系统的工作原理 (25)参考文献............................................................................... .. (26)第一章二维运动平台总体设计方案1.1 系统运动方式的确定与驱动系统的选择为了满足二维运动平台实现X.Y两坐标联动，任意平面曲面的加工，自动换象限，越位报警和急停等功能，故选择连续控制系统。

考虑到工作台的加工范围，只对毛坯料进行初加工，不考虑误差补偿，故采用开环控制系统，由于任务书规定的脉冲当量0.01mm,定位精度也为0.01mm，空载最快移动速度也只有1200mm/min，因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机电机进行驱动，以降低成本，提高性价比。

1.2 机械传动方式为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机转动丝杠。

为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。

同时，为了提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。

1.3 计算机系统选择根据设计要求，采用8位微机。

由于MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS—51系列的8031、80C31、8155、8255等I/O扩展，基于DSP的运动控制芯片及微处理器技术。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路。

系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。

1.4 总体方案的确定图1—1 X—Y数控工作台总体方案设计第二章二维运动平台进给驱动系统机械部分设计计算2.1 要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等）2.1.1技术参数1、运动平台面尺寸：400×320；2、平台移动行程：X×Y＝250×200；3、夹具和工件总重： 800N；4、最高运行速度：步进电机运行方式：空载：1.2m/min; 切削：0.6m/min；交流伺服电机运行方式：空载：15m/min;切削：6m/min；5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step；6、系统定位精度：开环模式±0.10mm；半闭环模式±0.01mm；7、切削负载：X向500N；Y向600N；Z向700N2.1.2 设计要求1、实现X-Y两坐标联动；2、用步进电机或交流伺服电机作驱动元件；3、设置工作台的越位报警和紧急事故的急停开关，并响应中断；4、任意平面曲线的加工，具有自动换象限的功能；5、平台具有快速驱动功能；6、平台具有断电手动调整功能。

2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型2.2.1 X 向进给丝杠1、计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。

因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为选矩形导轨的计算公式。

计算公式为：式中 X F 、y F 、Z F 、---切削分力（N ）；500N,600N,700N.G ---移动部件上的重量（N ）；G=800N μ ---导轨上的摩擦因数，随导轨型式而不同；μ=0.15K ---考虑颠覆力矩影响系数；K=1.1N G F F KF F z y x m 865)800600700(15.05001.1)(=++⨯+⨯=+++=μ2、计算最大动载荷Q F选用滚珠丝杠副的直径0d 时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。

这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载Q F ，用下式计算选择：3/10L f f F F H w m Q = 601060T n L ⨯⨯= 01000L v n s=式中 0L ---寿命，以106转为一单位H f ---硬度系数，取H f =1w f ---为运转系数；有一般运转时 w f =1.2-1.5 取1.3)(G F F KF F Z y x m +++=μn ---丝杠转速，()min /r ，用下式计算s v ---为最大切削力条件下的进给速度()m in /m ，h P ---丝杠导程，()mm ；T ---为使用寿命，()h ，对于数控机床取h T 15000=；初选导程h P =5mm ，由任务书可知最大切削力下的速度0.6/min v m =，则0.6/min s v m =,代入公式可计算得min /12056.010001000r P v n h s =⨯== 1081015000120601060660=⨯⨯=⨯⨯=T n LN F f f L F m H W Q 533586513.1108330=⨯⨯⨯==3、滚珠丝杠螺母副的选型应使其额定动载荷a Q C F ≥，选取济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2504-4滚珠丝杠副。

表3-31 G 系列滚珠丝杠副尺寸参数规格代号 公称直径导程 滚珠直径 丝杠底径 丝杠外径 循环列数 螺母安装尺寸 油杯 额定载荷/N 刚度C K 2504- G 1D D 4D L B h 1φ 2φ M a C oa C G 254 2.322.24. 4 40 66 53 44 11 6 5.8 10 6M 7620284、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率η：()ϕλλη+=tg tg 式中 γ---丝杠螺旋升角；ϕ---摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数004.0~003.0=f ，其摩擦角约等于'10。

将公称直径0d =25 mm ，导程为h P =4 mm ，代入()[]0/tan d P rc h παλ=，得丝杠螺旋升角λ= 92.2。