通用二维运动平台设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 1 页 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： 切削： 交流伺服电机运行方式：空载： 15m/削 ： 6m/ 5、系统分辨率：开环模式 闭环模式 6、系统定位精度：开环模式 闭环模式 7、切削负载： 00N； 00N； 00N 设计要求 1、实现 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 制 二维运动平台 的结构图，并进行详细设计，最后用 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2 页 2、 硬件电路图 控制芯片可采用 8031、 80基于 运动控制技术，在 9 环境下，进行控制电路图的设计，电路图幅为 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。 四、工作内容、进度安排 1、总体设计分析、确定方案、设计计算 2、机械部分结构设计、装配图绘制 3、硬件电路设计 4、撰写说明书 5、答辩 五、主要参考文献 1 林述温等 . 机电装备设计 M械工业出版社， 2002. 2 机床设计手册组 三分册） M机械工业出版社， 1986. 3 王爱玲 M器工业出版社， 1999. 4 尹志强等 M机械工业出版社， 20097 5 滚珠丝杠、线性滑轨 汉意精工 .6 滚珠丝杠、线性滑轨 天津海特传动机械有限公司 7 步进电机及驱动器 北京斯达微步控制技术有限公司 8 步进电机及驱动器、交流伺服电机及系统 步进机电有限公司 . 9 伺服电机相关技术、直线运动产品、光电传感器 深圳市湘聚事业有限公司，10 精度步进电机及驱动器 北京伟恒升级团 11 步进联轴器，编码器联轴器，微型电机联轴器 广州菱科自动化设备有限公司：12 日本富士、美国 交流伺服电机 重庆钧智自动化仪器控制有限公司 13 山东博特精工股份有限公司： 14 台达交流伺服电机等 . 台湾电子工业股份有限公司 :（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： _ 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 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 作台即能沿着 X 向、 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，主要设计和研究工作台及其电气原理图。确定工作台的传动系统，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、 盘与显示、 I/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、 7474155、 8255可编程 I/ 关键词：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；工作台； 51单片机 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 第一章 二维运动平台总体设计方案 . 3 统运动方式的确定与驱动系统的选择 . 6 械传动方式 . 6 算机系统选择 . 6 体方案的确定 . 7 第二章 二维运动平台进给驱动系统机械部分设计计算 . 8 求 . 6 术参数 . 8 计要求 . 8 珠丝杠螺母副的计算与选型 . 9 向进给丝杠 . 9 向进给丝杠 . 13 动导轨的计算与选择 . 15 动导轨副的额定寿命 . 15 2. 4 步进电机的计算与选择 . 4. 1 步进电动机减速箱的选用 . 转动惯量与转矩的计算 . 17 轴器的选择 . 联轴器的选择 . 联轴器的转矩 . 确定联轴器的型号 .三章 微机系统硬件电路设计 .算机系统 . 23 片微机系统硬件电路设计内容 . 23 制电气控制系统框图 . 23 择 类型 . 24 储器扩展电路的设计 . 24 ， Q 号交流 401339828 或 11970985 4片简介 . 25 4片简介 . 21 279 芯片简介 . 21 255 芯片简介 . 22 储器扩展电路设计 . 程序存储器 扩展 . 27 据存储器 扩展 . 28 码电路的设计 . 28 ， Q 号交流 401339828 或 11970985 第一章 二维运动平台总体设计方案 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 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 位精度也为 载最快移动速度也只有1200mm/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。 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。 算机系统选择 根据设计要求，采用 8位微机。由于 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 51系列的 8031、 808155、 8255 等 I/于 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 体方案的确定 图 1 1 X 微 机 驱动器 驱动器 步进电机 步进电机 工作平台 中拖板 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第二章 二维运动平台进给驱动系统机械部分设计计算 求 （ 包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等） 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： 切削： 交流伺服电机运行方式：空载： 15m/削： 6m/ 5、系统分辨率：开环模式 闭环模式 6、系统定位精度：开环模式 闭环模式 7、切削负载： X 向 500N； 00N； 00N 计要求 1、实现 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 珠丝杠螺母副的计算与选型 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 N）； 500N,600N,700N. G N）； G=800N 导轨型式而不同； = K= 6 5)8 0 06 0 07 0 0( 2、计算最大动载荷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下式计算选择： 3/1060 1060 01000s 式中 0 106 转为一单位 1 一般运转时 取 ( 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 n r ，用下式计算 m ， T h ，对于数控机床取 5000 ； 初选导程由任务书可知最大切削力下的速度 m ，则0 m ,代入公式可计算得 m 2 05 0 01 0 0 0 rP 10810 1 5 00 0120601060 660 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 504 表 3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 1D D 4D L B h 1 2 M G 25 4 40 66 53 44 11 6 0 6M 7674 20423 287 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4、传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 ： tg 珠丝杠的滚动摩擦系数 03.0f ，其摩擦角约等于 10 。 将公称直径0d=25 程为 代入 0/ta n h ，得丝杠螺旋升角 = 将摩擦角 = 10 ，代入 tg 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 65N,由螺母装配总长度为 44杠螺纹长度取 328计长度为 480杠螺母及轴承均进行预紧 ,预紧力为最大轴向负载的 1/3. 图 2向进给系统计算简图 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 1 G J M L 1J 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 SE 1式中 位为 N； a 位为 E 的 ； S d 确定的截面积，单位为 2 M 位为 ； I d 确定的截面惯性矩（ 6442 ），单位为 4 将数据 2222 3 8 ， 28 带入式中，计算得 。 （ 2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 有预紧时 3 22 中 位为 Z 列数圈数 Z 30 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 31 时， 2 值可减少一半左右。 将公称直径 50 ，滚珠直径 代入 30 ，得单圈滚珠数 30，代入 列数圈数 得滚珠数总量 120，预紧力杠的最大工作载荷65N，代入3 22 计算得 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 （ 3）21 总，计算得 总4级精度滚珠丝杠有效行程 250 315程偏差允许达到 16 m ，所以 向进给丝杠 1、计算进给牵引 计算公式为： )( 式中 N）； 500N,600N,700N. G N）； G=800N 导轨型式而不同； = K= 6 0)8 0 07 0 05 0 0( 2、计算最大动载荷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下式计算选择： 3/1060 1060 01000s 式中 0L 106 转为一单位 1 ；有一般运转时 取 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 n r ，用下式计算 m ， T h ，对于数控机床取 5000 ； 初选导程由 任务书可知最大 切削力下的速度 m ，则0 m ,代入公式可计算得 m 2 05 0 01 0 0 0 rP vn h s 10810 1 5 00 0120601060 660 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 504同 4、传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 ： tg 珠丝杠的滚动摩擦系数 03.0f ，其摩擦角约等于 10 。 计算结果同 % 。 5、刚度的验算 计算过 程同 ， ， 总4级精度滚珠丝杠有效行程 250 315程偏差允许达到 16 m ，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 所以 6、压杆稳定性校核 22 单推 1 442 6 8 54303 7 0 52 故丝杠不会失稳 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f = ；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。 动导轨副的额定寿命 1、滑块承受工作载荷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 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： 4动部件重量 00 ，外加载荷 00 ,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 5 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 700 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)*(3m a x L 位为 ； F 单位为 f ； 导轨上的滑块数为 2 查相关资料 ； 道硬度不得低于 通常取 1度等级 4级， 入公式计算得： 50)*(3m a x 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 = =大于期望值 50距离额定寿命满足要求。 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。 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： 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如下： 已知：滚珠丝杠的公称直径 50 ，导程 ，材料密度33 /1085.7 ，移动部件总重量 00 滚珠丝杠的转动惯量 222 10800242 j 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 工作台折算到丝杠上的转动惯量 222 8 初选步进电动机型号为 90两相混合式，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 2.4 m (2) 计算加在步进电动机转轴上的等效 负载转矩1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩1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部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩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0T。因为滚珠丝杠副传动效率很高，0以忽略不计。则有 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： 1602m a x a 式中 位为 r 位为 s。 360式中 务书指定为 1200 选电动机为 务书指定为 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 将以上各值代入式中，算得 00m a x 步进电动机由静止到加速至 ，则 a m a x 移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 i 2 )( 式中 动导轨取 载时 取 0 f 04)8 0 00(0 0 因此，求得 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 0 6 a 2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 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0T，0以忽略不计。则有 2 折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 给载荷 00,则有 0 02 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 0 0 0 07 0 0(0 0 ( 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 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： 4 5 7.0,m 1 （ 3） 步进电动机最大静转矩的选定 根据要考虑安全系数。本例中，安全系数取 4K ,则步进电动机的最大静转矩应满足： a x 上述初选的步进电动机型号为 90型号最大静转矩 6，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 m 00m a x f 电动机对应 的运行频率为 0 0 a xm a x 查表 4此频率下，电动机的输出转矩 远远大于最大买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 工作负载转矩 满足要求。 2) 最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定的工作台最快空载移动速度 200m a x 电动机对应的运行频率 20060 m a xm a x 查表 4此频率下，电动机的输出转矩 5远远大于 ,满足要求。 3) 最快空载移动时电动机输出转矩校核 与最快空载移动速度 200m a x 对应的电动机运行频率为 2000表 40电动机的空载运行 频率可达 20000见没有超出上限。 4) 起动频率的计算 电动机转子惯量 2.4 电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 800要想保证步进电动机起 动时不失步，任何时候的起动频率到必须小于1126 综上，步进电动机 90 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 表 4 永磁感应式步进电动机的技术参数 轴器的选择 轴器 的选择 轴器的转矩 传动轴上的公称转矩 550实际计算时，应将公称转矩 K ,得到计算转矩 。 定联轴器的型号 根据计算转矩 则联轴器可以确定。 型 号 相 数 步 距 角 / 电 压 V/ 电 流 A/ 最 大 静转 矩 空 载 起动 频 率 空 载 运行 频 率 转 动