XY绘图仪设计.docx

绘图仪设计专 业： 学 号:学生姓名:指导教师：摘要本课题是设计xy平面绘图仪，这是一个较为完善的机电一体化系统单片 机通过接收PC机软件的绘图信息，控制步进电机形成x方向和y方向的移动来 完成图形的绘制本设计包括绘图仪机械部分，电路部分和软件部分机械部分 包括绘图仪外形尺寸设计，滚珠丝杠的选择，导轨副的选择及步进电机的选择等 根据设计要求确定绘图仪的尺寸，通过计算选取滚珠丝杠以及滚动导轨根据总 转动惯量来选取步进电机电路部分包括储存器扩展电路，步进电机驱动电路， 主芯片的选择和各种辅助电路设计软件部分包括主控程序设计，xy方向移动 的程序设计等关键词：xy绘图仪；单片机；滚珠丝杠The design of plotterAbstractThe course design is design the XY plan plotter,it is a perfect integration of machinery system.By receiving graphics information from PC by software,The SingleChip control step motor to complete the graph drawing. This design including the mechanical part ,the circuit part and the software part. Mechanical part includes plotters shape dimension design, the ball screw choice, the selection of guide rail and the step motor selection. According to the requirements determine the size of the plotters ,through the calculation select the ball screw and guide. According to the general of inertia to selection stepping motor. Circuit part including expansion circuit, stepping motor drive circuit, the choice of the chips and all kinds of auxiliary circuit design. Software part including master program design, xy direction program design.Keyword: XY plan plotter ； SingleChip ； Ball screw目录摘要 IAbstract II第一章绪论 1第二章总体方案的确定 4第三章机械部分的设计与选型 53.1 确定系统脉冲当量 53.2 绘图仪外形尺寸及重量初步估算 63.3 导轨副的计算、选择 73.4 滚珠丝杠计算、选择 83.5 步进电机惯性负载的计算 93.6 步进电机的计算选择 10第四章硬件电路设计 114.1 设计内容 124.2 设计步骤 124.3存储器扩展电路设计 154.4 步进电机驱动电路设计 164.5 其他辅助电路设计 17第五章控制软件的设计 185.1 系统控制软件的主要内容 185.2 软件设计 19参考文献(References) 45致谢 46附录 47附录A外文翻译 47in第一章绪论绘图仪是一种输出图形的硬拷贝设备。

绘图仪在绘图软件的支持下课绘制出 复杂、精确的图形，是各种计算机辅助设计不可缺少的工具绘图仪的性能指标 主要有绘图笔数、图纸尺寸、分辨率、接口形式及绘图语言等绘图仪一般是由驱动电机、插补器、控制电路、绘图台、笔架、机械传动等 部分组成绘图仪除了必要的硬设备之外，还必须配备丰富的绘图软件只有软 件与硬件结合起来，才能实现自动绘图软件包括基本软件和应用软件两种绘 图仪的种类很多，按结构和工作原理可以分为滚筒式和平台式两大类20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图 输出功能的被动式的计算机辅助设计技术60年代初期出现了绘图的曲面技术， 中期推出商品化的计算机绘图设备70年代，完整的绘图仪系统开始形成，后 期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标，图形出入版等多 种形式的图形输入设备，促进了绘图技术的发展80年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出 现，工程工作站问世，绘图技术在中小型企业逐步普及80年代中期以来，绘 图技术向标准化，集成化，智能化方向发展一些标准的图形接口软件和图形功 能相继推出为绘图技术的推广，软件的移植和数据共享起了重要的促进作用； 系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联 成一体的计算机集成制造系统；固化技术，网络技术，多处理机和并行处理技术 在绘图仪控制系统中的应用，极大的提高了绘图系统的性能。

绘图仪种类很多，按结构和工作原理可以分为滚筒式和平台式两大类：①滚 筒式绘图仪当X向步进电机通过传动机构驱动滚筒转动时，链轮就带动图纸移 动，从而实现X方向运动Y方向的运动，是由Y向步进电机驱动笔架来实现的 这种绘图仪结构紧凑，绘图幅面大但它需要使用两侧有链孔的专用绘图纸② 平台式绘图仪绘图平台上装有横梁，笔架装在横梁上，绘图纸固定在平台上 X向步进电机驱动横梁连同笔架，作X方向运动；Y向步进电机驱动笔架沿着横 梁导轨，作Y方向运动图纸在平台上的固定方法有3种，即真空吸附、静电吸 附和磁条压紧平台式绘图仪绘图精度高，对绘图纸无特殊要求，应用比较广泛按照绘图方式可分为笔试和喷墨两种：①笔式绘图仪，用过绘图笔将纸样绘 制在纸上，绘图时，绘图纸会来回的滚动所以对绘图纸张的要求就稍微高些② 喷墨绘图机是利用墨水将线条喷在纸上，有特制和使用HP通用喷头两种，由于 是单方向的走纸，于是对纸张的要求就不是很高，如此绘图仪磨损也较小使用寿 命更长目前绘图仪技术已趋于成熟，绘图仪种类日渐增多，应用领域不断扩大，绘图 仪制造商的队伍也不断壮大因此,绘图仪市场竞争更加激烈从国际上看，美国 垄断着大部分绘图仪市场,其次是日本、德国、法国、丹麦等。

如美国的Calcomp 公司、HP公司，日本的Copyer公司、Canon公司，德国的Aristo公司，法国的Benson公司等，他们生产着各种各样的绘图仪目前绘图仪主要应用于需要大幅面出图的企业，比如机械制造，设计图需要 打印到图纸上审核，修改，备案，施工等等还有规划局，设计院，等等，输出 大幅面的设计规划图纸还有气象领域，打印遥感图像勘探，建筑设计，航天, 石油气，自来水，等等等等还有就是影像行业，需要打印60寸以上的照片， 2400DPI的分辨率，效果优于传统银盐冲印，色彩还原的很好在实际应用中应用中常用到的绘图仪举例如下：两自由度绘图仪：本毕设设计的是两自由度绘图仪，通过计算机控制两个步进电机，带动两根 滚珠丝杠实现一个X_Y平面的绘图机构绘制直线曲线的过程由计算机程序控制 电机来实现步进电机由计算机并行接口对其发出脉冲，通过改变程序可实现任 意平面图形的插补激光绘图仪：它是静电打印技术，激光打印技术，计算机技术和先进的精密机械技术的综 合应用其特点是分辨率高（600dpi）,速度快（4—8米/分），网络性能强，应 用灵活方便，扩展性能强与喷墨绘图仪相比，激光绘图仪有如下优势：① 速度快，激光绘图仪的速度一般在4米/分以上，相当于每分钟五张A1的 速度，而喷墨绘图仪的速度一般出一张图要几分钟时间。

因此，激光绘图仪的工 作效率非常高② 成本低，由于激光绘图仪像激光打印机一样注意耗材是墨粉，其每米成本 只有几毛钱③ 质量好，它包括两个方面：一是出图质量好，由于利用激光打印技术，分 辨率在600dpi以上，无论线条粗细皆可清晰表现二是设备质量稳定，由于采 用感光鼓显影的静电技术，它运行比喷墨机平稳，均匀因此，其故障率极低第二章总体方案的确定总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确 定，步进电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择进行方案的分析、 比较和论证系统运动方式的确定：该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制 方式伺服系统的选择：开环伺服系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得 到广泛应用考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电 机开环伺服系统驱动计算机系统的选择：采用MCS-51系列中的8051单片机扩展控制系统MCS-51单片机的主要特 点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高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、步进功率放大电路等组成系统的工 作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和工作状 态等信息绘图仪的传动方式：为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动 副选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考 虑步进电机负载匹配，采用联轴器来联动总体方案如下图1图2. 1绘图仪总体图绘图仪在基于上面的xy平台设计，效果图如下:图2. 2绘图仪效果图为了让绘图仪能够绘制A0图纸，将在平台上加装一块尺寸为1200*900*1 的绘图板第三章机械部分的设计与选型机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步 进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等4. 1确定脉冲当量脉冲当量久是一个进给指令时绘图仪的位移量，应小于等于绘图仪的位置 精度，由于定位精度为±0. 01mm因此选择脉冲当量为0. 01mm4.2作台外形尺寸及重量初步估算大致工作台如下X向拖板(上拖板)尺寸为：长*宽*高=220*220*20重量:按重量二体积*材料比重估算为：Ml=220*220*20*10_9*7.8*103=7.5kgY向拖板(下拖板)尺寸为：220*220*20M2= 220*220*20*10'9*7.8*103=7.5kg上导轨(含电机)重量约为M3=(1150*n *18*18+2*1000* n *18*18) *10'9*7.8**103=3.2KG 夹具及工件重量:约1KGX-Y工作台运动部分总重量为：M=7.5*2+3.2+l=19.2kg4.3导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数/sl=Co/P, 式中：Co为导轨的基本静额定载荷；导轨摩擦系数为0.002； /sl=1.0~3.0(-般 运行状况)。

根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统为一般运动，因此取Fsl = 2.0Co = FslPxyPxy = 0.002(Fz + Wxy)Px = 0.002(Fz + Wx) = 0.002(192 + 75) = 0.534NPy = Px = Q.534NCox = 2 * 0.534Coy = 2 * 0.534因为载荷较小，主要根据设计所需导轨长度初选导轨:选择GGB20BA系列滚动直线导轨。