XY工作台设计说明书

1、目录一、机电专业课程设计目的、总体方案设计二3三、机械系统设计 4 1、计工作台外形尺寸及重量估算 52、电动机滚动导轨的参数确定53、滚珠丝杠的设计计算 674、步进电机的选用四、绘制装配图五、电气原理图设计101、 功率单片机的选择102、 外部程序存储器的扩展103、 外部数据存储器的扩展 1011 口扩展电路I/O 4 、11 5、显示器接口设计116、键盘接口电路设计11、步进电机的接口电路设计711 8、其他参考文献 12六、机电专业课程设计目的本课程设计是学生在完成专业课程学习后， 所进行的机电一体化设备设计的综合性训练。通过该环节达到下列目的：（1）巩固和加深专业课所学的理论知

2、识；（2）培养理论联系实际， 解决工程技术问题的动手能力； （ 3）进行机电一体化设备设 计的基本功训练，包括以下 10方面基本功： 1）查阅文献资料； 2）分析与选择设 计方案； 3）机械结构设计； 4）电气控制原理设计； 5）机电综合分析； 6）绘工 程图； 7）运动计算和精度计算； 9）撰写设计说明书； 10）贯彻设计标准。二、总体方案设计2.1 设计任务（1）题目：二坐标数控工作台设计。（2）设计内容及要求：1 ）工作台总装图一张（ 0 号图纸）2 ）控制电气图一张（ 1 号图纸）3 ）设计说明书一份（ 10-20 页）4 ）具体设计参数如下：180 140行程 X：140；Y:110

3、台面尺寸：Y 0.015/300mmmmX 300013/0. 定位精度：2.0m/min2.0m/min；Y：，X:典型工艺参数：台面速度 NN ； X: 225； Y:150进给抗力工作物重： 8。 Kg2.2 总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统 由于工件在移动的过程中受到负载力较小， 为了简化结构， 降低成本，采用步 工 作台。X-Y进电机开环伺服系统驱动.（ 2）计算机系统本设计采用了与MCS-5係列的8031单片机控制系统。它的主要特点是集成度高， 可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比，且易扩展。MCS-51的程序存储器空间为64K字节。对于片内无ROM勺单片机8031,

4、需进行 程序存储器的扩展。本控制系统由由 8031型单片机、数据锁存器74LS373存 储器EPROM2764RAM6264地址译码器74LS138并行I/O接口 8255等集成电 路构成（3）X-Y工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。 为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大， 因此采用直线滚珠导轨。 采用滚珠导轨可减少两个 相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。 考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率和结构简单的要求， 尽可能使传动比为 1 。三、机械系统设计3.1、工作

5、台外形尺寸及重量估算180 140,查课程设计指导书表由台面尺寸为 3-23，估计取工作台厚度30mm则重量：按重量二体积x材料比重估算3 2180 140 30 10 7.8 10 98Nl I II查表5-4取X向拖板（上拖板）：估计上丝杆长度，由，余程20mm eVue则丝 杆长度约为320。电动机约2kg，托板和导轨合估计为3 2320 180 30 10 7.8 10 2 10 210N80N工作物重为则X-Y工作台运动部分的总重量：约 388N3.2、滚动导轨的参数确定、导轨型式：直线滚动导轨、导轨长度向）X上导轨（.140 I取动导轨长度b140 I动导轨行程20 I余程约为e3

6、00 I I IL支承导轨长度eB340查标准，取值2, 假设重物处于台中央，然后扩大载荷计算四滑块的载荷，工作台重量98N倍。GF N 45P 4 90N。 扩大后 3PfL _ 伽 C 一a50ffff计算需要的动载荷，acth1f 810.f 1 1f ff 1。查长方资料得： ， tchawN2700C， 代入数据得HJG-DA15C由长方资料取取滚 动导轨型号为：a ,满足要求。额定动载荷为6.8KN向）下导轨（Y20 I180 I110 I eB310 I I ILeB340查标准，取值2倍。计算四滑块的载荷，总重量 388N,假设重物处于台中央，然后扩大载荷GF N 360P 4

7、 720N。 扩大后 aPf10w Ca1 f1f 50ffff ，查长方资料得：计算需要的动载荷，thatchN f0 5800.81 C1 ff 1，由长方资料取滚动导轨型。 代入数据得，acwa号为： HJG-DA15C额定动载荷为6.8KN，满足要求。3.3、滚珠丝杠的设计计算上丝杠（X向）由表5-3，初选滚珠丝杠的基本导程为 5mmI I IIII为丝杠螺纹全长，其中，为丝杠有效行程，3-1根据式（）euVeuV.l=320mm20mm贝U余程，根据表5-4，取余程T3级。下，丝杠的精度等级为 在有效行程300mm定位精度为13um根据表5-5滚珠丝杠副的计算轴向动载荷为 1n Lf

8、60F - 3eweh C aj510ffffkath225 150 0.03 114F .75N e2,其中0.03 （淬火钢滚珠导轨的摩擦系数）取滚动导轨的摩擦系数为1000 2 minrn 400 e51f 1f 1f f 115000 fO.95L , 查表：，khathwC 775.5N,查阅工厂资料，取代入数 据，得HJG-S2005-3，其额定动载荷aj为9022N,足够用。下丝杠（丫向）由表5-3，初选滚珠丝杠的基本导程为 5mm1 I 1111为丝杠螺纹全长，为丝杠有效行程，其中，根据式（3-1）eVueVu余程，根据表5-4，取余程20mml=310mm则uT3级。丝杠的精

9、度等级为300mm定位精度为13um下，根据表5-5， 在有效行程滚珠丝杠副的计算轴向动载荷为1n60LFf .3ewhe C aj610ffffktha150 225 0.03 78.375F N 2、其中取滚动导轨的摩擦系数为0.03.1000 2 min n/r 400 e51f 1f 11f f 15000.095L f，查表：，ktahhwC 530.5N 其额定动载荷为HJG-S2005-3,得代入数据，取查阅工厂资料，列9022N,足够用。3.4、步进电机的选用（考虑到重力影响，丫向电机负载较大，因此确定此向电机。）、脉冲当量选择0.36，由于要求平台定位初选五相电机，按五相十拍

10、工作时，步距角11 0.015Y /300mmX 0.013/300mm32）精度：，取定位精度的（。初定0.005mm/p，中间齿轮传动比为脉冲当量t0.36 5sp i 1 360 0360.005，（2）、等效转动惯量计算滚珠丝杠转动惯量（不计传动效率）443 Id10 72.85 32 42om10kgJ 0.394 s3232丫以上平台和工作物重总重折算到轴上的转动惯量2 2t 63880G.1W sp22 6 mkg 0.36 10Jw 12 22980gi因此，折算到电机轴上的等效转动惯量J42s 0.J 3966 10kg mJ we2i。（3）、等效负载转矩计算（以下均为折算

11、到电机轴的转矩）由式（4-7）-（ 4-9）可知：tFuF 0. .03225005150 0spyx 0.132 MN m t 18 22 i0.f 2i0.28 1Ft50 0.005sppo22 mN 0M 1 .008 1 0.90010.28i2tF 0388. 0.03005spf 0. M 003N m滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.90为丝杠预紧时的传动效率，取0.8 ,上式中F为预紧力,0p11F 150 50y33v20000.3&ax 400 r /minnmax 0.005360360t 0.03s取启动加速时间a查表，初选电动机型号75BF005,矩频特性如

12、m N1.23M最大静转矩 maxj2fcm15kg J 0.=1500Hz.转动惯量， mm故n2 8332 4max 0.259N .M JJ3966 0.013m 10 0me60t60 0.03aM M M M 0.259 0.003 0.008 0.2601N momaxqfamN 0.143.132 0003 0.008.M MMM 00tfcm 011 0.N008003 MM M0. 0.okfO.2601 0. M/M21M maxq1.23做为初选电动机的依据，从上可知，一般情况q满足所需的转矩要求。步进电机动态特性校验（4）39660.6442. me150.小于4说明惯

13、量可以匹配。电机带惯量最大启动频率 f2500m 1242f .9Hzl1 J/J1 2.644mev2000max 3333.3f Hz q 60 060.01ff，所以与大于对应的最大静转矩校核，显然满足要求。cl综上所述，可选该型号的步进电机，具有一定的裕量。3.5、确定联轴器的型号由于数控平台有冲击，且电动机工作时经常变速，故选用挠性联轴器。查阅 参考书表10-43选用A23型联轴器。计算联轴器的转矩： 由估算功率摩擦力作用很小，可忽略：2 5W 0.005KWP F v 150yy600050P.mN0.032T9550 95501500n0.5N mn 1500r/min远小于允小

14、于联轴器的允许转矩，且工作速度许最高转速25000.故满足要求。四、绘制装配图1. 标注装配图尺寸、配合与精度等级。包括特性尺寸、最大体形尺寸、安装尺寸 和主要零件的配合尺寸。2. 写出工作台的技术特征。3. 编写技术要求。4. 对所有零件进行编号。5. 列出零件明细表及标题栏。6检查装配图。五、电气原理图设计典型数控工作台电气原理图的说明单片机是把微型计算机的主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，因而可以把它看成是一个不带外部设备的微型计算机。不同系列的单片机共同的特 点是：控制功能强；体积小；功耗低；成本低。由于上述优越性能，单片机已在工业、民用、军用等工业控制领域得到广泛应用，

15、特别是随着数字技术的发展，它在很大程度上改变了传统的设计方法。在软件和 扩展接口支持下，单片机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统。如电气原理图所示的就是通过单片机及其外围接口实现的二坐标数控工作台电气原理图。它由8031型单片机、数据锁存器74LS373存储器EPROM276RAM6264 地址译码器74LS138并行I/O接口 8255等集成电路构成。下面分别说明它们 在整个控制部分中的功能、用法及其选择原则。5.1、单片机的选择设随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的 型号很多，而目前市场上应用 MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前 应用最广的

16、8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。在一些复杂的系统中就不得不考虑使用 16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应 用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统， 它具有较强的运算和 扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。计单片机应用系统，首先要设计其核心的单片机系统。从一开始就有一个单片机 芯片选型问题。面对不同字长，如4位、8位、16位，各具特色的单片机芯片如 何进行选择呢？首先要满足所设计系统的功能和性能要求； 其次要选择价格较低 的芯片，不要盲目追求过多功能和过高性能；另外要选择那些在国内有成熟的开 发系统和稳定的供货来源。 如采用流行普

17、遍使用的芯片， 资料丰富， 能有效地缩 短开发周期。本课程设计目的是设计一种经济型的二坐标数控工作台， 其功能比较简单， 成本 低。因而这里选用MCS-51系列的8031单片机作为CPU它具有良好的性能价格 比，且易扩展。5.2 、外部程序存储器的扩展MCS-51的程序存储器空间为64K字节。对于片内无ROM勺单片机（如8031）， 或当单片机内部程序存储器容量不够时，进行程序存储器的扩展是必不可缺的。 半导体存储器EPROM EEPROMROM等在原理上都可用作单片机的外部程序存储 所以单片机外部扩展的程序存储器一般为性能可靠，价格低廉，EPRO由于器。. EPRO芯片（紫外线可擦除、电可编

18、程的只读存储器），掉电后信息不会丢失。 在选择外部程序存储器电路时，应注意电路的读取时间能否与 MCS-51的PESN 信号匹配。其片选端接地。由于本设计程序容量不大，因而选用 2764作为外部程序存储器。5.3 、外部数据存储器的扩展对大多数控制性应用场合，MCS-51系列单片机内部RAM已能满足系统对数 据存储的要求。 对需要较大容量数据缓冲器的应用系统， 就需要在单片机的外部 扩展数据存储器。在电气原理图中根据设计功能要求选用一片 6264作为外部数据存储器。图 中其高5位地址线 A8A12由8031的P2.0P2.4 口线提供，低8位地址线 A0A7 接地址锁存器74LS373输出端。

19、读、写控制信号分别接 8031的RD WE其片选 信号通过地址译码法进行选通。5.4 、I/O 口扩展电路本课程设计因采用步进电机作为驱动装置。 为了降低成本， 特采用可编程外 围并行接口芯片 8255。使其不仅完成驱动步进电机的功能，同时完成与键盘 / 显 示器的接口操作功能。5.5 、显示器接口设计电气原理图中，由10片共阳极LED显示块拼成10位LED显示器。为了简化 硬件电路，采用动态显示方式。即所有位的段选线相应地并联在一起，由 8031 的P1.0P1.7 口来控制LED显示器的段码，而各位的位选线分别由相应的 I/O 口线控制。即PC0PCM PB6PB7共 10个I/O 口线控

20、制，实现各位的分时选通。 为了保证各位LED能够显示出本位相应的显示字符，而不出现闪烁，导致人眼看 不清，必须根据人眼视觉暂留现象， 选择一个合适的扫描频率。 图中选用 74LS07 进行同相驱动。5.6 、键盘接口电路设计键盘实质上是一组按键开关的集合。电气原理图中采用矩阵式键盘接口，键盘接口电路通过 8255 （U5）的PA0PA3和PC0PC7 PB6PB7勾成行、列线。 按照逐行逐列地检查键盘状态（即扫描）来确定闭合键的位置。5.7 、步进电机的接口电路设计对于本课程设计中选用的步进电机，为五相，无论它工作在什么方式，都 需要五路控制电路，并且每一路对应于步进电机的一相。 而每一路控制电路的结 构是一样的。CPU接口部分包括传感