总体设计报告

极坐标数控工作台总体设计书小组成员：董胤泽陈伯良唐浩然郑贤德目录一需求分析1.1用途与水平1.2主功能1.3主功能频次与精度二功能与技术指标三系统结构原理方案设计3.1总体原理方案分析3.2总体方案选择3.3机械类功能方案实施安排3.4控制类功能方案分析3.5控制类功能方案实施安排3.6可行性分析-1-一需求分析现代工业生产线中，经常要用到分拣装置。对于细小零件的筛选与分拣，是生产线中重要的一环。本组针对于生产线上细小零件的分拣，设计了一种极坐标工作吊臂的移动机构。本机构可以针对传送带弯道的大量产品做出快速分拣。达到整理产品的目的。同时，因为本装置是在弯道工作的，可以大大缩短流水线的的长度。在工程实际上，有一定的应用价值1.1用途与水平极坐标工作台能够安装在生产线上，与机械爪结合，达到快速分拣与整理的目的。1.2主功能①该装置应能实现平面极坐标形式（旋转+直线移动）连续运动。②可以显示运动位置参数（角度和直线移动位置）。③既可以自动运行也可以手动调整。④控制电路包括步进电机与直线驱动功能。⑤控制方式为闭环系统。1.3主功能频次与精度极坐标工作台属于材料加工类的一般产品，应用频率较高。工作强度大。作为生产线上的产品，每天12小时,工作8年,250天/年，对系统的可靠性要求较高，精度达0.1mm。-2-二、功能与技术指标序号技术项目技术要求备注1工作台最大移动距离500mm2工作台最大移动速度100mm/s3工作台定位精度0.2mm4工作台最大负载5kg5工作台转动角度90°三系统结构原理方案设计3.1总体原理方案分析数控极坐标工作台分两大类功能单元构成：机械类功能单元、控制类功能单元。机械类功能单元分为机械本体、传动机构、导向机构、电机以及主轴组件。控制类功能单元分为上位机用户界面软件、单片机及相应串口、驱动电路。图1极坐标工作台功能单元组成图3.2总体方案选择方案1：采用两个直线电机，配合工作台完成在半圆范围的运动极坐标工作台机械类功能单元控制类功能单元机械本体传动机构导向机构电机支撑机构上位机用户界面软件驱动电路单片机及其串口-3-方案2：使用两个步进电机，配合滚珠丝杠，导轨，实现两坐标的运动方案3：直线电机和步进电机相结合方案4：使用液压装置与液压泵制作机械手臂讨论：首先，我们的装置是要低成本的，液压装置的使用，与机械手臂的开发都是比较昂贵的。所以淘汰方案4.其次，直线电机的优点是响应速度快，最大速度与最大加速度都比步进电机大。同时可以承受的负载较高。但其造价远高于步进电机。稳定性与安全性相对于步进电机较弱。针对我们的设计面对的是小型加工流水线，且在精度方面，步进电机也能达到要求。最终决定，使用方案2，即使用两个步进电机。3.2.1导向机构的选择基于我们设计的机械结构，我们的导向机构有2种方案方案1：使用滑动导轨方案2：使用滚动导轨讨论：滑动导轨要想做到与滚动导轨相同的性能，所需价格远高于后者，且滑动导轨易磨损，保养困难。所以最终选择方案2.3.2.2传动机构的选择极坐标工作台一轴要求将电机的旋转运动转换为直线运动，同时要满足精度要求高的要求，选用滚动丝杠螺母副。滚动丝杠螺母副具有传动精度高、动态响应快、运转平稳、预紧后可消除反响间隙等优点。-4-另一轴有两种方案方案1：使用蜗轮蜗杆结构方案2：使用齿轮传动讨论：蜗轮蜗杆传动精度高，传动力矩大，有自锁功能。齿轮传动速度快，无自锁功能，传动效率高。考虑到装置的快速性，并且齿轮传动也能满足精度要求的情况下，我们选择了方案2.3.2.3电机选用步进电机是一种能直接将数字信号转换为角位移或者线位移的控制驱动软件，具有快速启停的特点，其驱动速度和指令能严格同步，具有较高的重复定位精度，并能实现正反转和平滑速度调节，运动速度不受电源电压及负载的影响。选用步进电机即可满足要求。3.2.4机械本体设计机械本体支撑导向机构，安装机械爪、驱动电路板。满足布局合理、结构紧凑、安全可靠的要求。由于我们设计进度比较靠前，这里给出整体结构模型。-5-3.3机械类功能方案实施安排项目负责人完成时间1、确定执行机构种类，机械本体结构，画出机构简图董胤泽已完成2、画出零件草图、确定尺寸唐浩然已完成3、建立零件三维模型，并装配为SolidWorks三维数字样机唐浩然已完成4、画出总体装配图唐浩然详细设计第二天-6-5、审核总装图唐浩然详细设计第四天表3机械类功能方案实施安排3.4控制类功能方案分析用户界面软件：用户界面软件为实现整个工作台功能的主体软件，用LabWindows/CVI平台完成。在用户界面软件上能进行控制工作台开与停、显示工作台已走轨迹，设计运动轨迹等功能。3.4.1软件设计方案5.1上位机采用Labwindows/CVI设计软件界面，利用Labwindows强大的图形编辑功能进行界面的设计，设计的界面主要完成路径的输入，插补运算，路径的实时显示，脉冲的输出，串口通讯等等功能。插补运算分成两大类：脉冲增量插补和数据采样插补。因为系统硬件为“PC+运动控制器”的开放式结构，所以课程设计应当采用数据采样插补算法。计算机软件插补把动点轨迹分割成若干段，运动控制器在每段的起点和终点间进行数据“密化”，使动点的轨迹在允许的误差内，也就是软件实现粗插补，硬件实现精插补。用户操作界面设计如下：-7-插补过程如下：首先利用X=Rcosθ；Y=Rsinθ将极坐标转化为直角坐标，再利用直角坐标中的直线，顺圆，逆圆插补算法进行设计即可。直线插补：插补开始初始化Xe,Ye,F=0,n=Xe+YeYF=0N+∆X+∆YF=F-YeF=F+Xe-8-n=n-1Nn=0插补结束逆圆插补：插补开始初始化X=Xo,Y=Yo,F=0,n=|Xe-Xo|+|Ye-Yo|NF=0Y+∆Y+∆XF=F+2Y=1;Y=Y+1F=F-2X+1;X=X-1n=n-1Nn=0插补结束顺圆插补与逆圆插补相反-9-2下位机底层的软件采用VC++6.0语言和KeiluVision2综合开发，包括硬件的初始化，脉冲的产生函数、SCI中断函数、行程开关的检测，采用程序查询式进行检测两坐标工作台是否在处在行程末端，以达到保护机械系统的目的。另外行程开关还可以作为标定的起点。硬件层协议：波特率选取为9600；通信帧选取为6个字节，首字节做帧头，高两位字节给X轴，低两位字节给Y轴，最后一个字节做检验；上位机发送频率选取为100Hz;单片机接收和处理方式选择为查询方式。软件可行性分析LabwindowsCVI带有RS232函数库，可以配置串口输入输出，这为串口通讯提供了必要的条件，内部的Time控件可以实现定时输入输出功能。CANVAS控件可以实现图形的显示功能。LabWindows/CVI是一个完全的标准C开发环境，用于开发虚拟仪器系统。它将源代码编辑、32位ANSIC编辑、联接、调试以及标准ANSIC库等集成在一个交互式开发环境中。编程技术方面主要采用事件驱动方式与回调函数方式，编程方法简单。同时Labwindows/CVI对每一个函数都提供一个函数面板，可进行交互式编程，大大减少了源代码语句的键入量，减少了程序语法错误，提高了课程设计效率和可靠性。插补程序以一定的时间间隔定时（插补周期）运行，在每个周期内根据进给速度计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量（数字量）。-10-其基本思想是：用直线段（内接弦线，内外均差弦线，切线）来逼近曲线和直线。软件插补运算，插补运算速度与步进电机速度无严格的关系。因而采用这类插补算法时，可达到较高的进给速度（100mm/s）以上。插补算法可用于交、直流伺服电机伺服驱动系统的闭环、半闭环工作系统，也可以用步进电机伺服系统的开环系统，应用广泛，实现简单。3.4.2硬件设计方案界面软件将用户所绘制的图形数据经USB串口传给C8051F041单片机，单片机发出指令脉冲，脉冲经驱动电路放大处理驱动电机运动，同时单片机将脉冲信号传给上位机显示电机即将运动的轨迹。单片机选型：C8051F041，通讯方式：串口通讯上位机人机交互界面单片机驱动器步进电机机械结构步进电机驱动器机械结构-11-电机驱动芯片：TOSHIBATB6560AHQ电源稳压：MC7812:24v—12v;MC7805:12v—5v;URA2405-YMD-6WR3:24v—5v;IL1117-3.3:5v—3.3v光耦隔离：TLP-281—4（1）步进电机的选择我们利用与实验室同型号的步进电机（57BYGH系列）作为我们设计的极坐标工作台的控制驱动电机。（2）信号传输信号用光耦传输。对于CLK、CW信号，采用TLP-281—4进行光耦隔离。（3）驱动方式驱动时采用1/8细分，电流适当衰减，采用自动半流电路74CH123减小电机发热。（4）驱动芯片的选择步进电机驱动电路常用的芯片有L297和L298组合应用、3977、8435等，这些芯片一般单相驱动电流在2A左右，无法驱动更大功率电机，限制了其应用范围。TB6560是东芝公司推出的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片。其主要特点有：内部集成双全桥MOSFET驱动；最高耐压40V，单相输出最大电流3.5A(峰值)；具有整步、1／2、1／8、1／16细分方式；内置温度保护芯片，温度大于150℃时自动断开所有输出；具有过流保护；采用HZIP25封装。TB6560步进电机驱动电路主要包括3部分电路：控制信号隔离电路、主电路和自动半流电路。一路作为单片机驱动电压，另一路作为数字电路电压。数字地与功率地隔离。因此，我们选择其作为电机驱动芯片。-12-3.5控制类功能方案实施安排项目负责人完成时间1、设计硬件电路框图陈柏良总体设计阶段2、根据框图设计各单元电路陈柏良总体设计阶段3、选择合适的单片机陈柏良总体设计阶段4、将各单元电路组成系统硬件电路陈柏良详细设计阶段5、根据硬件电路设计印刷电路板陈柏良方案实施阶段6、根据功能要求和工艺流程设计程序流程图郑贤德详细设计阶段7、编写程序郑贤德详细设计阶段8、程序调试郑贤德详细设计阶段9、软硬件综合调试董胤泽，陈柏良，唐浩然，郑贤德方案实施阶段表4控制类功能方案实施安排3.6可行性分析在设计过程中的误差分析系统主要由机械类功能模块、和控制类功能模块组成，控制类模块将脉冲指令驱动步进电机，这一过程精度较高，考虑系统误差时主要考-13-虑机械类功能模块。产品由设计文件和图纸转变成产品实体被用户认可，必须经过零件的制造、安装和调试等工艺才能实现。这些环节必然会有加工误差和检验误差。然而误差大小和方向未能确切掌握，只能估算其不超出某一极限范围的系统误差，按未定系统误差模型计算。采用标准差合成公式进行误差合成siiia12。在极坐标工作台中直线部分的齿轮传动精度齿、滚珠螺旋传动精度螺和控制系统精度对系统的定位精度定都有影响，其中控制系统的精度又主要来源于两个方面，其一是插补误差插，其二是步进电机的转角误差步。取传递系数1i于是：定=f(齿、螺、插、步)按统计学规律，有：定螺齿插步2222课程设计要求是：定位精度在200m内，假设根据技术的难易程度这样分配各模块的公差：齿=20m、螺=20m、插=20m、步=20m则：1定=34.641μm对于极坐标部分，是靠齿轮齿弧实现的。考虑其误差，主要有初始0度的初始误差△初，步进电机角度误差△步，齿轮传动误差△齿，转动中心轴的安装与定位误差△轴，-14-定螺齿插步2222△初=15μm△步=35μm△齿=20μm（直径50，模数5）△轴=20μm2定=47.434μm△定=58.74μm在设计制造每一个模块时，必须保证每一个模块不要超差，这样产品的质量就能得到保证。在实施过程中，我们有参加智能车大赛和机械创新设计大赛获奖的同学，对机械设计、机械制图、编程、电路板制作较为熟悉，还有教员的悉心指导。小组综合评估，方案切实可行。