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：1.2m/min; 切削：0.6m/min；交流伺服电机运行方式：空载：15m/min;切削：6m/min；5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式0.005mm/step；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。
四、工作内容、进度安排1、总体设计分析、确定方案、设计计算------- --0.5周2、机械部分结构设计、装配图绘制----------------1.0周3、硬件电路设计----------------------------------------0.5周4、撰写说明书---------------------------------------------5天5、答辩-------------------------------------------------------2天五、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..[6] 滚珠丝杠、线性滑轨[OL].天津海特传动机械有限公司.[7] 步进电机及驱动器[OL].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[OL].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[OL].深圳市湘聚事业有限公司，[10] RORZE高精度步进电机及驱动器[OL].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[OL].广州菱科自动化设备有限公司：[12] 日本富士、美国Copley等交流伺服电机[OL].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：/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:/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、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单片机目录第一章二维运动平台总体设计方案 (3)1.1 系统运动方式的确定与驱动系统的选择 (6)1.2 机械传动方式 (6)1.3 计算机系统选择 (6)1.4 总体方案的确定 (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)2.1 要求 (6)2.1.1 技术参数 (8)2.1.2 设计要求 (8)2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (9)2.2.1 X向进给丝杠 (9)2.2.2 Y向进给丝杠 (13)2.3 滚动导轨的计算与选择 (15)2.3.1 滚动导轨副的额定寿命 (15)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 (17)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 (23)3.2 单片微机系统硬件电路设计内容 (23)3.2.1 绘制电气控制系统框图 (23)3.2.2 选择CPU的类型 (24)3.2.3 存储器扩展电路的设计 (24)3.2.4 I/O接口电路设计 (20)3.3 各类芯片简介 (25)3.3.1 8031芯片简介 (25)3.3.2 74LS373芯片简介 (25)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 (27)3.4.2 数据存储器RAM的扩展 (28)3.4.3 译码电路的设计 (28)3.5 I/O接口电路的设计 (28)3.5.1 8255可编程接口芯片 (29)3.6 8031的时钟电路 (29)3.7 复位电路 (29)3.8 越界报警电路 (29)3.9 控制系统的功能 (30)3.10 控制系统的工作原理 (30)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。
1.4 总体方案的确定图1—1 X —Y 数控工作台总体方案设计微机驱动器驱动器 步进电机步进电机 工作平台中拖板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：1.2m/min; 切削：0.6m/min；交流伺服电机运行方式：空载：15m/min;切削：6m/min；5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step；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700N2.1.2 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。