通用两维运动平台设计.doc

课程设计说明书 题 目：通用两维运动平台设计 学生姓名： 学 院：机械学院 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级： 指导教师： 2016年01月10日 摘 要 X-Y工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。数控机床的加工系统、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中共性和关键的技术。 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，寿命等参数；还设计了导轨，根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。利用8031、6264、2764、373、8155、8255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；MCS—51单片机 目 录 摘 要 1 第一章 两维运动平台总体方案设计 1 1.1系统的运动方式与伺服系统的选择 1 1.2机械传动方式 1 1.3计算机系统 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 2 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 微机数控硬件电路设计 11 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 13 3.2.3 译码电路设计 14 3.3 I/O接口电路及辅助电路设计 15 3.3.1 8155 通用可编程接口芯片 15 3.3.2 8255 通用可编程接口芯片 15 3.3.3 键盘显示接口电路 18 3.3.4 电机接口及驱动电路 18 3.3.5 辅助电路 18 参考文献 20 第一章 两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1000，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见图1.1 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内容包括：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1200N；Y向1400N；Z向1800N；G为1800N。 2.3直线滚动导轨副的计算与选型 1、滑块承受工作载荷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