通用二维运动平台设计(2)

指导教师下达时间 2012 年 12 月 24 日 指导教师签字：_______________

第 3 页

内蒙古工业大学课程设计说明书

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

内蒙古工业大学课程设计说明书

目 录

第一章 二维运动平台总体设计方案 .............................................. 4

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 ..................................................................................... 11 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 ..................................................................................... 13 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 ................................................................................. 19

3.2.1 绘制电气控制系统框图 ..................................................................................... 19 3.2.2 选择CPU的类型 ................................................................................................. 20 3.2.3 存储器扩展电路的设计 ..................................................................................... 20 3.2.4 I/O接口电路设计 .............................................................................................. 20 3.3 各类芯片简介................................................................................................................. 20

内蒙古工业大学课程设计说明书

3.3.1 8031芯片简介 .................................................................................................... 20 3.3.2 74LS373芯片简介 .............................................................................................. 21 3.3.3 74LS138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 ...................................................................................................... 24

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 ........................................................................................................................ 25 3.8 越界报警电路................................................................................................................. 25 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

内蒙古工业大学课程设计说明书

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