详细设计报告

1、极坐标数控工作台详细设计报告小组成员：董胤泽 陈伯良唐浩然郑贤德、需求分析1.1 用途与水平1.2 主功能二、功能与技术指标三、总体方案目录四、机械传动部件的计算与选型4.1 总体参数4.2 机械零件设计选用4.3 参数计算五、控制器与驱动器设计5.1 电源模块5.2 单片机模块5.3 电机驱动模块六、软件设计方案七、精度分析八、感想与体会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

2、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 该装置应能实现平面极坐标形式（旋转+直线移动）连续运动。 可以显示运动位置参数（角度和直线移动位置） 既可以自动运行也可以手动调整。 控制方式为开环系统。、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495mm2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°二、总体方案步进电机机 械 结 构人机交互界面*步进电机*机械结构图1效果图四、机

3、械传动部件的计算与选型4. 1总体参数我们的目的是设计一个极坐标工作台及其控制系统， 该工作台可 安装在工厂生产流水线上，用于小型工件的分拣与传输。应选择适当 大小的工作台及加工范围，根据实际情况及设计要求，选用工作台直 线方向移动范围为X=495mm,角度方向移动范围为0 =90°，加工范围为n *495*495*90/360mm2,确定最大移动速度为 100mm/s。极坐标工作台主体材料为经济易得、加工性能好的45号碳钢。综合参数如下:加工材料直线方向移 动范围角度方向移 动范围工作台加工范围（mm）最大移动 速度碳钢X=495mm0 =90°n *495*495*90

4、/360mm2100mm/s表2工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，可估算直线方向与角度方向导轨重量 WX和W 0与工作台运动部分的总重量，碳钢的密度为7.81-7.85吨/立方米，取材料密度为7.8吨/立方米。因为工作台尺寸应比工作加工范围略大， 所以设计工作台尺寸如X向直线导轨尺寸为:长 * 宽 * 高=600*75*50质量:按质量二体积*材料密度估算为:Wx= 600*75*50*10-3*7.8*10-3kg=17.5kg0向导轨（包含底板）尺寸为:高 * 底面面积=15* n *600*600*90/360质量:W 0 =15* n *600*600*90/360*10

5、-3*7.8*10-3kg=33kg两个电机估算质量为：4kg夹具及工件质量：15kg极坐标工作台总重量为：17.5kg+33kg+4kg+15kg=69.5kg4.2机械零件设计选用这是我们的SolidWorks图:t時“Ain直线导轨副的选用要设计数控极坐标工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲 当量小，定位精度较高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。丝杠螺母副的选用伺服步进电机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.01mm脉冲当量和0.01mm的定位精度。螺旋传动副有滑动丝杠副与滚动丝杠副两种方案，滑动丝杠副摩擦阻力大,传动

6、效率低（30%-40%）,同时传动精度较低；与滑动丝杠副相比,滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙，故选用滚珠丝杠副。根据上述需求我们通过查询相关资料得到几种规格参数比较接近的导轨副与丝杠螺母副，经过反复比较最终选取THK公司的SKR33-6-A-0495-P滚动导轨智能组合单元（该公司的LM滚动导轨智能组合单元同时包含了直线滚动导轨副和滚珠丝杠副）内滑块滚珠丝杠轴-外侧轨道球保持器图3球保持器型LM智能组合单元SKR型的结构公称型号的构成例型号滝珠if杠导行程SKR3310A0195p®5KR2001 : immA0025 :25mm无

7、符号：普通级SKR26G2 : SmrnB0050;SOmmH :高级SKR3306 - 6mrnCiP :梢寥经图4 SKR导轨公称型号构成例伺服电动机的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。在我们经过相关计算后决定使用的电机型号是57B YGH301电机型号步距角机身长电压电流电阻电感静力矩引线数转动惯量重量modelste P an gleLen gthRatedVotageRatedCu

8、rre ntP haseResista nePhaseIn ducta neeHoldi ngTorqueLeadWireRotorIn ertiaMotorWeight(°)L(mm)(V)(A)(Q)(mH)(kg.em) (Num)(g.em2)(kg)57BYGH3011.8563.631.251243600.824.3参数计算脉冲当量的确定脉冲当量 B是一个进给指令时工作台的位移量，要使得设计的 工作台符合精度要求，不考虑其他误差影响时，应使脉冲当量小于等 于工作台的位置精度，由于开环控制定位精度最高一般可为士0.01mm,因此选择脉冲当量选定为 0.01mm。因为工作台本

9、身需要很好的位移精度和分辨率才能满足定位精 度的要求，所以要求传动系统刚度要高、摩擦要小、效率要高，一般 螺旋丝杠往往不能满足这些要求，而滚珠丝杠能较好地满足这些要求, 所以选用滚珠丝杠传动。初步选取传动比为1,用联轴器将电机和丝杠直接连接，有利于简化结构，提高精度。常见的滚珠丝杠导程有4mm、5mm、6mm、10mm、12mm等，选用导程 Lo=6mm的滚珠丝杠，电动机步距角选 为 b=1.8°。传动系统等效转矩惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载， 选用电机时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都是与电机轴同轴线,还存在各转动部件转动惯量向电机轴的折算问题。 最后，要计

10、算整个传动系统折算 到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量对于轴、轴承、齿轮、联轴器、丝杆等圆柱体的转动惯量计算公式为2McD电机等效转动惯量JD 360g cm2联轴器等效转动惯量初选联轴器直径 D 3cm，长度L 3cmJL O.78D4L 10 30.78 34 3 10 30.1895(Kg cm2)滚珠丝杠等效转动惯量丝杠直径D 13cm，初步估计丝杠长度L 495cm。43432Js0.78D L 100.78 1.349.5 100.11(Kg cm )工作台等效转动惯量cm2)L0 20.6 2500Jg (;)2M ()2 乔 0.465(kg229.8传动系统总的转

11、动惯量J Jl Js Jg 0.1895 0.1120.4650.7595 (kg .cm )惯量匹配电动机轴上的总当量负载转矩惯量Jd与电机轴自身转动惯量J m的比值应该控制在一定的范围内，既不应太大，也不应太少，即伺服 系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件的变化而引起的 负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较 大变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。如 果该比值太小，说明电动机选择或传动比设计不太合理，经济性较差。为使该系统惯量达到较合理的匹配，进行惯量匹配。JL / Jm 4JL/Jm 0.7595/0.36 2.14五、控制器与驱动器设

12、计针对我们的机械和驱动电机，我们采用了 C8051F041单片机作为下位机对电机进行控制。驱动芯片采用TOSHIBA公司的TB6560。F面分模块详细说明硬件电路原理。5.1 电源模块：电路板采用运动控制器与驱动电路集成在一块板上的结构，供电 电源为 24V 直流。对于单片机电源，采用开关型 DC-DC 芯片 URA2405_YMD-6WR3进行隔离，以消除电机驱动部分的大功率电流对单片机运行造成影响。URA2405_YMD-6WR3 芯片具有宽输入电压范围、 效率高、空载功耗 低、隔离电压能力强等特点。通过 DC-DC 芯片实现 24V-5V 稳压后 进行滤波，再通过线性稳压芯片IL1117

13、-3.3将5V稳压至3.3V给单片 机供电。对于驱动电路的工作供电，采用 MC7812 稳压芯片和 MC7805 稳 压芯片将24V稳压至5V，中间加入滤波等环节，再接到 555芯片、TB6560 芯片供电。对于驱动电路的驱动供电，采用 24V 直接供电，中间加入大电解 电容滤波储能。每一个电源模块相应的外围电路都按要求放置。在布局布线时充 分考虑到稳压芯片、 电机驱动芯片的散热片安装问题， 预留足够的空 间。LI图5ft电源原理图5.2单片机模块:单片机采用 C8051F041单片机，该单片机是 Silicon Laboratories公司出品，是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），具有

14、与MCS-51 完全兼容的指令内核。该单片机采用流水线处理技术，不再区分时钟 周期和机器周期，能在执行指令期间预处理下一条指令， 提高了指令 执行效率。而且具备控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、ADC、DAC、电压比较器、电压基准输出、定时器、PWM、定时器捕捉和方波输出等，并具备多种总线接口，包括UART、SPI、SMBUS（与I2C兼容）总线以及CAN总线。采用Flash Rom技术，集成JTAG,支持在线编程。为实现单片机的正常工作，使用了芯片手册推荐的外围最小系统 电路。选用贴片元件减小 PCB板面积，降低成本。在布局布线上符合布线原则，旁路、去耦电容尽量靠近管脚，晶振管脚走线

15、对称、距离短，晶振下不走线。运用良好的布局布线技术手段提高PCB的电磁兼容性与抗干扰能力。采用覆铜的形式连接地平面。此工作台采用UART串口与上位机进行通讯，传达上位机解算出来的插补结果。需要一个串口芯片MAX3232将单片机的RX、TX接 口与上位机连接以实现通讯。MAX3232是市场上技术成熟、应用广 泛的一款串口通讯芯片，外围电路简单。按照要求连接好电路即可。单片机上的 P0.0 P0.1分别对应 TX0、RX0，分别与 MAX3232的T1IN 和 R1OUT 连接。为实现对两个步进电机的控制，单片机需要分别输出两路CLK信号，两路 ENABLE信号，两路 DIR信号。对ENABLE信

16、号与DIR信号，直接采用简单的10 口输出即可。对CLK信号，由于没有专用 的信号输出接口，就采用10 口开关来模拟方波输出。于是将 P2.0、P3.0用作 CLK 信号接口； P2.1、P3.1 用作 ENABLE 接口； P2.2、P3.2用作DIR接口，输出电机控制信号。信号线尽量粗。TaVk 盂-I JJ.TS<tl=匚 :一 VCJ UJm-二 hTA 4WL_.J出匚 =二lt/vfel3z逛ipITePi SiW 壬h=jftU&CaO5LFfl41/3/5/7bF s OiX弋|>=二姿 巧 usrrvs5-R-<1 Mm岸一IT 二曳三MW 弋二剎二

17、-nryuiwu MALKntrlMr.ahf 二岸 一 IM 二 IH一吒 一蛍嗥-二芒叫is M-ss 一三*TLim -)API GT、IADLCl>l_t糧:口畔JAJ>D* ”A&JCJW JVPP.WCIM>.计bF厂吕緒AZ咒:AJIaAIRjEAr./A；占UK?FhRy：-F】J-TGVLIT?IT- - Js叮CKJ±S1*rnr图6单片机原理图5.3 电机驱动模块：采用以 2 块 TB6560 电机驱动芯片为核心的电机驱动电路。由于 市场上 TB6560 芯片的运用已经非常成熟，所以我们采用了类似的电 路，成本低，可靠性好。它的工作电压

18、由MC7812与MC7805两块稳 压芯片通过串联稳压将24V电源稳定到5V，以驱动芯片工作。由于单片机的工作电源是3.3V，又为了实现功率地与数字地的完 全隔离，来自单片机的六路控制信号通过 2块 TLP28 1 -4四通道高速光耦隔离，并连接驱动芯片的相应管脚。2个TB6560芯片可以设置细分、电流衰减和工作电流模式。采用拨码开关连接M1、M2管脚实现细分选择；2个拨码开关连接DCY1、DCY2管脚实现电流衰减选择。为了减小电机发热和节约能耗、增长电路电机使用寿命，采用了来实现TB6560芯片的自动半流功能。这 需要TB6560的TQ2和TQl引脚电平在电机工作时设置为电流输出最 大，在电

19、机不工作时电流减半甚至更小，故称为“自动半流电路” 用NFA、NFB定义最大输出电流后，通过TQ2和TQI设置电流比率输 出，设为00、 01、 10、 11时，输出的电流分别为最大电流的 100、 75、 50、 25。改变电机的驱动电流，也就改变了电机输出扭矩的大小。自动半流电路设计选用以 555芯片为核心的单稳态触发电路，用电机的驱动脉冲CLK作为单稳态电路的触发脉冲。单稳态电路的反 向输出接TQ2引脚，电机驱动脉冲持续时TQ2一直保持低电平，无驱 动脉冲时保持高电平。电路中，TQ1连接3个跳线帽。接跳线1, TQ2、TQI始终同为高或低电平，驱动电流在25%100%切换；接跳线2,TQ

20、2始终为低，电流在50%100 %切换；接跳线3,电流在25%75%切换。可根据工作驱动电流需要选择不同跳线。在24V驱动电源走线上，线粗100mil，电容靠近管脚。电机各相供 电线也有60mil粗，满足要求。地平面整体覆铜，但与单片机的地完全隔离。5V28V_ +lknx29CLK $ENABLE 420 MO g| PROTECT > A >OUT AP OUTAMOUT BP OUT3MNFA18162Iktlx?22ML23DtVl 25CLK cw/ccw ENABLE rtesET 1Q2 TQl M2 Ml DCY2 DCYlNFSxzzooo12r* 14I TB6

21、560715 I I2Q/5Wx2跳线1跳线2 ”跳线3畫yUsaopiliUJy图7驱动原理图«、2t 口一 :« 4 4 «I - HGGG6 *点 *_糸« 4 4 2DC IL3£nmn兀聿Es?is5*+*+ITE 1 ? H H- H4 4 4 31-£LLI 12 f口可取E?4f 4?：a 忡障al 一44.0图8 PCB正面:*4 4 44 :z2 1玉rrw 匚 * " * ;匚匚匚 "产的上聞 B1辛 土W:UJAMP2> « > *:OTzBI C52> UlJ*

22、 * t4l * 4 鬧匚Ir 1r*c檢2ClV«* 17<r05nmns.'曹+53Gi 斗D&24*£tenCL(J)*EP图9 PCB背面六、软件设计方案上位机界面采用LabwindowsCVI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。用户操作界面设计如下:加工2JKadiL；s tXXXltJOAngle 0000 00SimulateResetCkdrPauseQuit两轴工作台Code： GOL QOO 100.00EELAngle : PI) :0.00C

23、ods；QKESC整体思路:首先将输入的极坐标点转化为直角坐标中的点，利用直角坐标进 行插补，提高了稳定性与精确性，方便进行函数编写，最后再将输出 的直角坐标点转化为极坐标中的点进行显示。主要函数 ：1、将输入的直角坐标转化为极坐标的函数GetCtrlAttribute (panelHandle_2, PANEL_2_RING_TYPE, ATTR_CTRL_VGetCtrlAttribute (panelHandle_2, PANEL_2_NUMERIC_RADIUS, &Radius);/读取极半径GetCtrlAttribute (panelHandle_2, PANEL_2_N

24、UMERIC_ANGLE, &Angle);/读取极角AL, &type);ATTR_CTRL_VAL,ATTR_CTRL_V AL,Angle=Angle*PI;/ 输入的极坐标点转化到直角坐标中x=Radius*cos(Angle),y=Radius*sin (Angle);r = fabs(Radius/2);2、在直角坐标中的插补函数 ： Interpolation_VEL()1)直线：case LINE:Dx-=Dl_added_x;Dy-=Dl_added_y;if(Dx<=0 && Dy<=0) interpolation_end_fl

25、ag=END_STEP; Dl_start=Dl_end; Dx+=Dl_added_x; Dy+=Dl_added_y;g_i_pos_dest_x=(int)( (x)/g_d_pulse_equ )+g_i_pos_base_x; g_i_pos_dest_y=(int)( (y)/g_d_pulse_equ )+g_i_pos_base_y;elseif(Dx<0) Dx+=Dl_added_x;if(Dy<0) Dy+=Dl_added_y;Dl=(int)(sqrt(Dx*Dx+Dy*Dy);Dl_start=0;Dl_end=Dl;Dl_added_x=(int)(D

26、l_added*Dx)/Dl);Dl_added_y=(int)(Dl_added*Dy)/Dl); g_i_pos_dest_x+=(Dl_added_x*dir_x); g_i_pos_dest_y+=(Dl_added_y*dir_y);/计算直线长度/ 起始长度为 0 /终止长度为直线长度/ 单位周期内 X 走的长度 / 单位周期内 Y 走的长度Dl_start+=Dl_added;break;2) 顺圆 ：case ARC_P:g_d_vel_dest_x=sin(fabs(theta_start)*g_d_interpolation_speed/g_d_pulse_equ*0.00

27、02; g_d_vel_dest_y=cos(fabs(theta_start)*g_d_interpolation_speed/g_d_pulse_equ*0.0002;theta_start-=theta_added; if(theta_start<=theta_end) theta_start=theta_end;interpolation_end_flag=END_STEP;g_i_pos_dest_x=(int)(r*cos(theta_start)+g_d_Xc)/g_d_pulse_equ+g_i_pos_base_x); g_i_pos_dest_y=(int)(r*si

28、n(theta_start)+g_d_Yc)/g_d_pulse_equ+g_i_pos_base_y); break;3）逆圆：case ARC_N:g_d_vel_dest_x= sin(fabs(theta_start)*g_d_interpolation_speed/g_d_pulse_equ*0.0002;g_d_vel_dest_y= cos(fabs(theta_start)*g_d_interpolation_speed/g_d_pulse_equ*0.0002;theta_start+=theta_added; if(theta_start>=theta_end) th

29、eta_start=theta_end;interpolation_end_flag=END_STEP;g_i_pos_dest_x=(int)(r*cos(theta_start)+g_d_Xc)/g_d_pulse_equ+g_i_pos_base_x); g_i_pos_dest_y=(int)(r*sin(theta_start)+g_d_Yc)/g_d_pulse_equ+g_i_pos_base_y); break;3、Timer 控件、 画图以及输出的直角坐标点转化为极坐标显示：/插补函数Interpolation_VEL();/插补作图PlotLine(panelHandle,

30、PANEL_GRAPH,g_i_pos_temp_x*g_d_pulse_equ,g_i_pos_temp_y*g_d_p ulse_equ,g_i_pos_dest_x*g_d_pulse_equ, g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ, VAL_YELLOW);g_i_pos_temp_x=g_i_pos_dest_x; g_i_pos_temp_y=g_i_pos_dest_y;FinalR=sqrt(g_i_pos_dest_x*g_d_pulse_equ*g_i_pos_dest_x*g_d_pulse_equ+g_i_pos_dest_y*g _d_pulse_

31、equ*g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ );/求出直角坐标点的极半径/求出直角坐标点的极角if(g_i_pos_dest_x*g_d_pulse_equ)>0 && (g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ)>0) FinalAngle= asin(g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ)/FinalR);/第一象限if(g_i_pos_dest_x*g_d_pulse_equ)<0 && (g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ)>0) FinalAngle

32、= PI-asin(g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ)/FinalR);/第二象限if(g_i_pos_dest_x*g_d_pulse_equ)<0 && (g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ)<0) FinalAngle= PI-asin(g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ)/FinalR);/第三象限if(g_i_pos_dest_x*g_d_pulse_equ)>0 && (g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ)<0)FinalAngle= 2

33、*PI+asin(g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ)/FinalR);/第四象限if(g_i_pos_dest_x*g_d_pulse_equ)=0 && (g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ)>0)FinalAngle= 0.5*PI;/Y 正半轴if(g_i_pos_dest_x*g_d_pulse_equ)=0 && (g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ)<0)FinalAngle= 1.5*PI;/Y 负半轴if(g_i_pos_dest_x*g_d_pulse_equ)&g

34、t;0 && (g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ)=0)FinalAngle= 0;/X 正半轴if(g_i_pos_dest_x*g_d_pulse_equ)<0 && (g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ)=0) FinalAngle= PI;/X 负半轴if(g_i_pos_dest_x*g_d_pulse_equ)=0 && (g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ)=0)FinalAngle= 0;/ 坐标原点FinalAngle=FinalAngle/PI*180;

35、/弧度制化为角度制SetCtrlVal(panelHandle,PANEL_NUMERIC_POS_RADIUS,FinalR);SetCtrlVal(panelHandle,PANEL_NUMERIC_POS_ANGLE,FinalAngle);/显示4、串口函数OpenComConfig (1, "", 9600, 0, 8, 1, 512, 512);dx = g_i_pos_dest_x*g_d_pulse_equ - g_i_pos_temp_x*g_d_pulse_equ; dy = g_i_pos_dest_y*g_d_pulse_equ - g_i_pos_

36、temp_y*g_d_pulse_equ;/X 增量/Y 增量xcmd = (unsigned char)(int)(fabs(dx * MM2PULSE) & 0xFF); ycmd = (unsigned char)(int)(fabs(dy * MM2PULSE) & 0xFF);/X 增量脉冲数/Y 增量脉冲数buf = 0x0;if(dx < 0.0)buf = buf | 0x80;/串口传输/前四位赋给 X ，第一位为方向位，后三位为脉冲数if(dy < 0.0)buf= buf | 0x08;xcmd = xcmd & 0x07;xcmd = xcmd << 4;后四位赋给丫