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1、简易绘图仪设计摘要自动绘图机是直接由电子计算机或数字信号控制，用以自动输出各种图形、图像和字符的绘图设备，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。绘图仪的种类很多，按结构和工作原理可以分为滚筒式和平台式。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。本课题采用平台式结构来设计简易XY绘图仪。同时，利用慧鱼模型散件搭建数控绘图仪，实现绘图仪的XY方向的二维运动，并这逐点比较法插补原理编写了Robopro程序。关键词： X-Y平面绘图仪；十字型；数控轨迹插补；Robo Pro软件；全套图纸加扣 3346389411或3012250582Design and
2、 model making ofsimpleplotterAbstractAutomatic drawing machine is directly controlled by the computer or digital signal and is used to automatically output of graphics, image and character. Generally it is by the drive motor, interpolation device, control circuit, drawing machine, pen rack, mechanic
3、al transmission, etc. Many different kinds of plotter, according to the structure and working principle can be divided into drum peace desktop.Platform plotter drawing is the feature of high precision, no special requirements on the drawing paper.It is widely applied.This topic apply the platform st
4、ructure to design a simple XY plotter.At the same time, the use of fischer model bulk building CNC plotter, realize the plotter two-dimensional motion in the direction of x, y, and the principle of point-by-point comparison interpolation write Robo Pro program.Keywords：X-Yplanimetricplotter ;Cross;
5、Numerical control track interpolation; Robo Pro software;目录简易绘图仪设计3摘要3Design and model making of simple plotter3Abstract3目录41.原理方案的选定51.1绘图仪种类选定51.2绘图仪机械结构选定52.设计任务及结果63.总体方案64.简易X-Y绘图仪设计74.1机械部分设计及标准件选定74.2丝杠的有限元分析84.3三维效果图及装配图124.4控制系统设计135.慧鱼模型设计14总结17参考文献18致谢18本课题主要是设计简易X-Y平面绘图仪，单片机通过接受PC机软件的绘图信
6、息，控制步进电机行成X、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，导轨副的选择以及步进电机的选择等。1.原理方案的选定1.1绘图仪种类选定绘图仪的种类很多，按结构和工作原理可以分为滚筒式和平台式两大类：滚筒式绘图仪、平台式绘图仪。由于平台式所应用的技术较符合本专业的范围，课题组决定选择此种绘图仪。1.2绘图仪机械结构选定经过初步的分析，课题组确定了两种机械结构原理方案：十字型和工字型。a.十字型此种结构的主要部件有滚珠丝杠副（滚珠丝杠+螺母)、导轨副（导轨座+移动滑板)、笔和平台等。优点是结构简单、传动环节少、能
7、极大地减小传动误差；缺点是总体结构刚度小、比绘图面积小。图1b.工字型此种结构主要部分有步进电机、传动带等。图2优点主要是总体结构刚度大、稳定性较大、比绘图范围大；缺点是结构较复杂、传动环节多、易产生额外误差。综合以上结构的优缺点，由于滚珠丝杠的传动精度较高，并且可以采用标准件，结合慧鱼模型设计的需要，课题组决定采用十字型方案。2.设计任务及结果（1）可以完成A3图纸幅面工程图的绘制；（2）输入参数由键盘录入，绘制给定直线和圆弧；（3）由程序控制绘制组合图形；（4）根据系统的功能要求设计四象限直线插补和圆弧插补软件； （5）掌握计算机控制系统的软件设计与调试，实现要求功能。设计完毕后，绘图仪的
8、性能及结构参数表如下表：表13.总体方案简易X-Y绘图仪机械传动系统，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠副，以及步进电动机等部件组成。其中，步进电动机用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台直线移动。通过电磁铁的推拉运动实现画笔的起落。因此，能完成二维工程图纸的绘制。导轨副、滚珠丝杠螺母副和步进电动机等均已标准化，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统选用以步进电机为驱动装置的开环控制。控制要求不高，故选用选用MCS-51系列的AT89C52，应该能够满足设计任务给定的相关指标。考虑到X、Y两个方向的工作范围额相差不大。同时，Y工作平台重量不大。为此
9、，承受的载荷也相差不多，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、步进电动机拟采用相同的型号与规格，以Y轴的要求设计。4.简易X-Y绘图仪设计4.1机械部分设计及标准件选定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p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0.1mm，选择脉冲当量为0.01mm。4.2运动工作平台的重量初步估算根据工作台尺寸，确定运动工作平台的质量为60kg。4.3滚珠丝杆副的选型及计算经过计算选定滚珠丝杠型号及结构
10、尺寸。详见绘图仪设计说明书。4.3.1确定滚珠丝杆副的规格代号：根据条件得选用滚珠丝杆副的型号为GD32104，公称直径4.3.2 对预紧滚珠丝杆副，确定其预紧力Fb：由最大轴向工作载荷Fmax确定4.3.3确定滚珠丝杆副的螺纹长度Le=40mm Lu=有效行程+螺母长度=500+8Ph=580mm得4.3.4 滚珠丝杆螺母的安装连接尺寸：D1=53mm, D=90mm, D4=71mm, B=15mm, D5=9mm, D6=15mm，h=9mm。4.3.5校核验算经校核，验算合格。4.4电机的选型与计算总转动惯量J主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电机轴上的转动惯
11、量。总负载转矩为:如果选上述预选的电动机90BYG550C,其最大静转矩Tjmax=6.3Nm。在五相十拍驱动时，其步矩角为0.36()/setp。电动机的起动转矩必须满足：Tjmax由Tjmax =6.3Nm=，故选用合适。4.5轴承的选择与验算根据前面的计算,我们预选轴承为角接触球轴承.选用型号为:7205AC验算合格。4.6联轴器的选用由上述电动机的型号可查得输出转轴的直径为14mm,于是可以选择圆锥套筒联轴器。4.7滚动直线导轨选择，计算和验算本设计采用滚动直线导轨,其最大优点是摩擦系数小,动,静摩擦系数差很小。根据以上原则且因为所设计的机械所受的力不是很大,所以初选导轨为GGB16A
12、A。验算合格。下表为标准件的选定表格。表24.2丝杠的有限元分析4.2.1问题分析分析丝杠的静力问题并校核。在结构方面，分析的丝杠只是中间有螺纹，而两端是光轴。总体上，是阶梯轴。但由于丝杠太细长而螺纹细节太多，分析时划分网格太复杂而且多。我已经尝试过。正是由于网格太多，分析无法进行，程序会闪退。那么，我们就要把问题简化。考虑到螺纹细节太多，我们就可以去除螺纹，采用丝杠小径的值为24.7。而两端的半径为25。那么，我们就可以将丝杠简化成半径为25的无螺纹的圆轴。在受力方面，丝杠在绘图仪中受的主动力有电机的扭矩和螺母的轴向力。如果考虑导轨的变形，则丝杠可能还受垂直的径向力。支撑约束是一对正装的角接
13、触轴承。4.2.2单元类型及其他参数选择全局采用国际单位。由于分析的是圆轴，那么我们可以选择的单元类型为beam188，并设定截面形状和尺寸。同时，设定材料属性：弹性模量为2.12e11，泊松比为0.288.4.2.3建模及网格划分画出一长度为0.780的直线，并将直线均匀划分为130段，即完成划分工作。4.2.4载荷及约束设定表 3序号类型作用点大小方向载荷11扭矩X=06X轴负方向12轴向力X=0.662008X轴负方向13径向力X=0.66600Y轴负方向表 4序号作用点约束约束21X=0.03UX、UY、UZ22X=0.66RX23X=0.75UY、UZ图34.2.5解算及结果分析受力
14、变形：图4垂直方向上的位移：最大位移为0.0272mm，符合要求图5图6横截面的扭转变形：最大扭转角度为0.0045，符合要求图7应力分布：最大应力为4.34Mpa小于200Mpa,符合要求图8危险界面的应力分布：最大应力出现在轴的上表面。4.3三维效果图及装配图三维图：图9图10装配图：4.4控制系统设计图11控制系统的目标是绘制出给定参数的直线和圆。控制原理应用数控轨迹插补。硬件选择步进电机。插补算法选用脉冲增量插补。脉冲增量插补也称行程标量插补，适用于以步进电动机为驱动装置的开环位置系统。其特点是每次插补的结果仅产生一个行程标量，以一个脉冲的方式输出给步进电动机，脉冲增量插补的实现方法较
15、简单，通常仅用加法和移位就可完成插补。控制系统图：选用电子元器件：表5插补程序选用逐点比较法，基本程序分为直线插补和圆弧插补。逐点比较法的每个插补循环由偏差判别、进给、偏差函数计算和终点判别四个步骤组成。图12图135.慧鱼模型设计利用慧鱼零件，项目组组装出了X-Y绘图仪的慧鱼模型。其机械结构组成如下图所示：图14性能如下：脉冲当量：0.0625mm 作图范围：80X170 绘图笔数：1定位精度：2mm图15控制系统为：绘图仪的控制程序包含两个模块，如下图：图16下图是本课题组编写的X-Y绘图仪的主程序：图17利用编写的程序对该模型进行测试，测试结果表明该模型可实现预想的功能，包括可以完成A4
