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
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：
一、题目
通用两维运动平台设计
二、目的与意义
《专业综合设计2》课程设计是机械设计制造及其自动化专业实践性非常强的教学环节之一，是机械类高年级学生综合应用基础课、技术基础课、专业课等知识体系，将机械、驱动、传感及计算机控制有机地集成融合在一起，独立设计一种具有特定功能的机电装备。通过本次课程设计，培养学生运用所学《机电装备设计》课程的知识，对典型机电装备的工作原理、组成要素及核心技术问题的分析能力；
培养学生用《机电装备设计》的知识及相关知识体系，掌握如何将机械和电气驱动、检测技术和计算机控制融合在一起，如何构成一种性能优良、工作可靠及结构简单的机电装备的一般设计方法和规律，提高设计能力；
通过设计实践，熟悉设计过程，学会正确使用资料、正确使用图书特别是电子图书资源、网络资源，查阅技术文献、设计计算、分析设计结果及绘制机械、电气图样，在机电一体化技术的运用上得到训练；
通过课程设计的全过程，为学生提供一个较为充分的设计空间，使其在巩同所学知识的同时，强化创新意识，在设计实践中深刻领会机电装备设计的内涵。
三、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）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：1.2mmin; 切削：0.6mmin；
交流伺服电机运行方式：空载：15mmin;切削：6mmin；
5、系统分辨率：开环模式0.01mmstep；半闭环模式0.005mmstep；
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700N
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。
图纸量和工作量要求
1、机械总装配图
在CAXA环境下绘制二维运动平台的结构图，并进行详细设计，最后用A1号图纸打印输出。
2、硬件电路图
控制芯片可采用8031、80C31或基于PLC的运动控制技术，在Protel 99环境下，进行控制电路图的设计，电路图幅为A2～A1为宜。
3、设计说明书
要严格按照内蒙古工业大学课程设计（论文）说明书书写规范认真撰写，说明书不少于6000字。
五、主要参考文献
[1] 林述温等. 机电装备设计[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2] 机床设计手册组.机床设计手册（三分册）[M].北京：机械工业出版社，1986.
[3] 王爱玲.现代数控机床结构与设计[M].北京：兵器工业出版社，1999.
[4] 尹志强等.机电一体化系统设计课程设计指导书[M].北京：机械工业出版社，20097
[5] 滚珠丝杠、线性滑轨[OL]. 汉意精工..-
[7] 步进电机及驱动器[OL].北京斯达微步控制技术有限公司.index.asp
[14]台达交流伺服电机等. [OL].台湾电子工业股份有限公司:.tw
审核意见
系（教研室）主任（签字）
指导教师下达时间 2012 年 12 月 24 日指导教师签字：_______________
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、IO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IO 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 IO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 IO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1200mmmin，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IO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、IO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：1.2mmin; 切削：0.6mmin；
交流伺服电机运行方式：空载：15mmin;切削：6mmin；
5、系统分辨率：开环模式0.01mmstep；半闭环模式 0.005mmstep；
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700N
2.1.2 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 、、、---切削分力（N ）；500N,600N,700N.
---移动部件上的重量（N ）；G=800N
---导轨上的摩擦因数，随导轨型式而不同； =0.15
---考虑颠覆力矩影响系数；K=1.1
N G F F KF F z y x m 865)800600700(15.05001.1)(=++?+?=+++=μ
2、计算最大动载荷
选用滚珠丝杠副的直径时，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，用下式计算选择：
式中 ---寿命，以10转为一单位
---硬度系数，取=1
---为运转系数；有一般运转时 =1.2-1.5 取1.3
---丝杠转速，，用下式计算
---为最大切削力条件下的进给速度，
---丝杠导程，；
---为使用寿命，，对于数控机床取；
初选导程=5，由任务书可知最大切削力下的速度，则,代入公式可计算得
min /1205
6.010001000r P v n h s =?== 1081015000120601060660=??=??=
T n L
N 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，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
4、传动效率计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率：
式中 ---丝杠螺旋升角；
---摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。
将公称直径=25 mm ，导程为=4 mm ，代入，得丝杠螺旋升角=。将摩擦
角=，代入，得传动效率。
5、刚度计算
X 向进给丝杠先画出此进给滚珠丝杠支承方式草图,如图所示.最大牵引力为865N,由螺母装配总长度为44mm,丝杠螺纹长度取328mm,预计长度为480mm,
丝杠螺母及轴承均进行预紧,
预紧力为
最大轴向
负载的13.
图2-1 X
向进给系
统计算简图
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 25
04
-4
25 4 2.38
1 22.1 24.
2 4 40 66 5
3 4
4 11 6 5.
8 10 76
7
4 20423 287
滚珠丝杠副的轴向变行会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：
（1）丝杠的拉伸或压缩变形量
式中 ---丝杠的最大工作载荷，单位为N ；
---丝杠两端支撑间的距离，单位为mm ；
---丝杠材料的弹性模量，钢的；
---丝杠按底径确定的截面积，单位为；
---转矩，单位为；
---丝杠按底径确定的截面惯性矩（），单位为。
将数据()()22
2238321.2214.32mm d S =?==π，带入式中，计算得。 （2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量
有预紧时 32
210100013.0∑=Z F D F YJ W m
δ
式中 ---滚珠直径，单位为；
---滚珠总数量，；
---单圈滚珠数，
---预紧力，单位为N 。
当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达轴向工作载荷的时，值可减少一半左右。
将公称直径，滚珠直径，代入，得单圈滚珠数30，代入，得滚珠数总量120，
预紧力=288.3N ，丝杠的最大工作载荷=865N ，代入32210
100013.0∑=Z F D F YJ W m δ，计算得。
（3），计算得
4级精度滚珠丝杠有效行程250mm 在≤315mm 时，行程偏差允许达到16，所
以X 向丝杠刚度足够。
2.2.2 Y 向进给丝杠
1、计算进给牵引
计算公式为：
式中 、、、---切削分力（N ）；500N,600N,700N.
---移动部件上的重量（N ）；G=800N
---导轨上的摩擦因数，随导轨型式而不同； =0.15
---考虑颠覆力矩影响系数；K=1.1
N G F F KF F z x y m 960)800700500(15.06001.1)(=++?+?=+++=μ
2、计算最大动载荷
选用滚珠丝杠副的直径时，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，用下式计算选择：
式中 ---寿命，以10转为一单位
---硬度系数，取=1
---为运转系数；有一般运转时 =1.2-1.5 取1.3
---丝杠转速，，用下式计算
---为最大切削力条件下的进给速度，
---丝杠导程，；
---为使用寿命，，对于数控机床取；
初选导程=5，由任务书可知最大切削力下的速度，则,代入公式可计算得
min /1205
6.010001000r P v n h s =?== 1081015000120601060660=??=??=
T n L N F f f L F m H W Q 23.594396013.1108330=???==
3、滚珠丝杠螺母副的选型
应使其额定动载荷，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。（同X 方向选型）
4、传动效率计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率：
式中 ---丝杠螺旋升角；
---摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。
计算结果同X 方向一致，。
5、刚度的验算
计算过程同X 方向一致，，，
4级精度滚珠丝杠有效行程250mm 在≤315mm 时，行程偏差允许达到16，所
以Y 向丝杠刚度足够。
6、压杆稳定性校核
≥
单推-单推方式，故,
6.43685430
358.11703101.214.31252=?????=K F ≥ 故丝杠不会失稳
2.3 滚动导轨的计算与选择
目前，滚动导轨在数控机床上应用非常广泛，因为其摩擦系数=；动、静摩
擦系数很接近，几乎不受运动速度的变化的影响，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低度运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，所以选用滚动导轨。
2.3.1 滚动导轨副的额定寿命
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副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑在最不利的情况，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：
其中，移动部件重量，外加载荷,代入式中，得最大工作载荷。
根据工作载荷，初选直线滚动导轨副的型号为海特SBG 15 FL 。
直线导轨副参数
任务书规定工作台面尺寸为400×320，加工范围为250×200，考虑工作行程应留有一定余量，故选取导轨长度为700mm 。
2、距离额定寿命L 的计算
滚动体为球时，其计算公式如下： 50)*(3max
?=F C f f f f f L a W R C T H
式中 ---距离额定寿命，单位为；
---额定动载荷，；
---滑块上的工作载荷,单位为；
---温度系数,；
---接触系数,导轨上的滑块数为2查相关资料；
---载荷系数，
---硬度系数，滚道硬度不得低于HRC58故通常取
---精度系数，精度等级4级， =0.9
代入公式计算得： 50)*(3max
?=F C f f f f f L a W R C T H =509.033.85.19.081.0113????? ?
???? =4550.8km
远大于期望值50km ，故距离额定寿命满足要求。
2.4 步进电机的计算与选择
选用步进电机时，必须首先根据机械设计结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效惯量，分别计算各种共况条件下所需的等效力矩，再根据步进电机最大转矩选择合适的步进电机。
2.4.1 步进电动机减速箱的选用
已知工作台的脉冲当量，滚珠丝杠的导程，初选步进电动机的步距角 算得减速比：101.036049.0360=??== δαh P i
故本设计并不需要减速箱。
2.4.2 转动惯量与转矩的计算
（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量
各个零部件转动惯量如下：
已知：滚珠丝杠的公称直径，导程，材料密度，移动部件总重量
滚珠丝杠的转动惯量
2
22.32.010800242cm kg g G P J h W =???? ??=???? ??=ππ
kg D v m j 45.26.6321085.723=???? ?????=?=-πρ
工作台折算到丝杠上的转动惯量
2
22
.91.185.245.28cm kg D m J j S =?==
初选步进电动机型号为90BYG2502，为两相混合式，二相八拍驱动时步距
角，查得该型号电动机转子的转动惯量
2.2
3.691.132.04cm kg J J J J s w m eq =++=++=
(2) 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩
分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算
1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩
包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，相对于和很小，可以忽略不计。则有
① 考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大
加速度转矩：
式中 ---对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为 ---步进电动机由静止到加速至转速所需要的时间，单位为s 。
式中 ---空载最快移动速度，任务书指定为1200
---步进电动机步距角，预选电动机为
---脉冲当量，任务书指定为0.01mmstep
将以上各值代入式中，算得
步进电动机由静止到加速至转速所需要的时间，传动链总效率，则
m N T a .06.07
.05.0603001023.624max =?????=-π ② 移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为
式中 ---导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005
---垂直方向的切削力，空载时取0
---传动链总效率，取0.7
则
m N T f .004.01
7.014.32104)8000(005.03
=?????+?=- 因此，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩
m N T T T f a eq .064.0004.006.0max 1=+=+=
2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩
包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可以忽略不计。则有
① 折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩
本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷,则有
m N i P F T h
f t .45.01
7.02004.05002=???==ππη ② 计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 N i P G F T h Z f 007.01
7.02004.0)800700(005.02)(=???+?=+=ππημ 因此，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩
m N T T T f t eq .457.0007.045.02=+=+=
经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：
{}m N T T T eq eq eq .457.0,max 21==
（3）步进电动机最大静转矩的选定
根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中，安全系数取,则步进电动机的最大静转矩应满足：
m N T T eq j .828.1457.044max =?=≥
上述初选的步进电动机型号为90BYG2502，该型号最大静转矩，满足要求。
（4）步进电动机的性能校核
1) 最快工进速度时电动机输出转矩校核
任务书给定的最快工进移动速度
电动机对应的运行频率为Hz V f f
f 100001
.06060060max max =?==δ 查表4-7知，在此频率下，电动机的输出转矩远远大于最大工作负载转矩