通用二维运动平台设计

通用二维运动平台设计

通用二维平台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。根据设计要求的工作载荷，通过计算和校核，进行导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等的选型，在满足性能的要求下，以成本最低为原则，满足工作要求的需要，能稳定完成生产任务。

本次机械装配图采用国产软件CAXA进行绘制，通过提取图符操作调用标准零件，因而能够较快的绘制机械装配图。电气原理图采用Protel99Se绘制。

关键词：运动平台；滚珠丝杠；计算；绘图

目录

第一章二维运动平台总体方案设计 (1)

第二章二维运动平台进给伺服系统机械部分设计计算 (2)

2.1 确定系统脉冲当量 (2)

2.2 确定系统切削力 (2)

2.3直线滚动导轨副的计算与选型 (3)

2.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (3)

2.5 计算减速比i (6)

2.6步进电动机的计算和选型 (6)

第三章微机数控硬件电路设计 (10)

3.1 MCS—51系列单片机简介 (11)

3.1.1 MCS—51系列指令系统简介 (11)

3.1.2 定时器/计数器 (12)

3.1.3 中断系统 (13)

3.2 存储器扩展电路设计 (13)

3.2.1 程序存储器的扩展 (13)

3.2.2 数据存储器的扩展 (14)

3.2.3 译码电路设计 (16)

3.3 I/O接口电路及辅助电路设计 (18)

3.3.1 8255 通用可编程接口芯片 (18)

3.3.2 键盘显示接口电路 (20)

3.3.3 电机接口及驱动电路 (21)

3.3.4 辅助电路 (23)

参考文献 (24)

第一章二维运动平台总体方案设计

1.1系统的运动方式与伺服系统的选择

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尚未达到0.001mm,定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有2000/min

mm，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

伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.01mm 的脉冲当量和 0.10mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠螺母副才能达到。同时，为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

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、8086、DSP、基于DSP的运动控制芯片，ARM嵌入式微处理器技术。

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。

数控机床总体方案设计，X.Y数控工作台总体方案设计分别见图1.1和图1.2

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伺服系统机械部分设计计算

伺服系统机械部分设计计算容包括：确定系统的脉冲当量、区定系统的负载、，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图等。现分述如下：

2.1 确定系统脉冲当量

一个进给脉冲，使运动部件产生的位移量，称为脉冲当量。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。根据设计要求，二维运动平台采用的脉冲当量是0.01mm/step。

2.2 确定系统切削力

根据设计要求，机床的切削负载为：X向200N；Y向300N；Z向400N；G为400N。

2.3直线滚动导轨副的计算与选型

1、滑块承受工作载荷max F 的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动

导轨使用寿命的重要因素。本课题中的X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： max 4

G

F F =

+ 其中，移动部件重量G=400N ，外加载荷=400N ，代入上式，得最大工作载荷max F =500N 。

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-41，根据工作载荷max F =600N ，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的JSA-LG25型，其额定动载荷a C =7.94kN ，额定静载荷0a C =9.5kN 。

任务书规定工作台平面尺寸为200mm ×160mm ，考虑工作行程应留有一定余量，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为340mm 。

2 距离额定寿命L 的计算 上述选取的KL 系列JSA-LG 型导轨副的滚道硬度为60HRC,工作温度不超过100C ,每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-36～表3-40，分别取硬度系数H f =1.0、温度系数T f =1.00、接触系数C f =0.81、精度系数R f =0.9、载荷

系数W f =1.5，代入式L 3

50H T C R a W f f f f C f f ⎛⎫

=⨯ ⎪⎝⎭，得距离寿命：

L 3

50H T C R a W f f f f C f f ⎛⎫

=⨯ ⎪⎝⎭

=25978.65KM

远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求.