详细设计报告

极坐标数控工作台详细设计报告书

小组成员：董胤泽陈伯良唐浩然郑贤德

目录

一、需求分析 (3)

1.1用途与水平

1.2主功能

二、功能与技术指标 (3)

三、总体方案 (4)

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

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控制方式为开环系统。

二、功能与技术指标

三、总体方案

图1 效果图四、机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θ=90°，加工范围为π*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：

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Wθ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下:

X向直线导轨尺寸为:

长*宽*高=600*75*50

质量:按质量=体积*材料密度估算为:

W= 600*75*50*10-3*7.8*10-3kg=17.5kg

x

θ向导轨(包含底板)尺寸为:

高*底面面积=15*π*600*600*90/360

质量：

Wθ=15*π*600*600*90/360*10-3*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=69.5kg

4.2机械零件设计选用

这是我们的SolidWorks图：

图2 工程图

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）

图3 球保持器型LM智能组合单元SKR型的结构

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57BYGH301。

4.3参数计算

脉冲当量的确定

脉冲当量δp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±0.01mm，因此选择脉冲当量选定为0.01mm。

因为工作台本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 0L =6mm 的滚珠丝杠，电动机步距角选为 b θ=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

82D M J C =

电机等效转动惯量

2360cm g J D ⋅=

联轴器等效转动惯量

初选联轴器直径 cm D 3=，长度cm L 3=

)(1895.0103378.01078.023434cm Kg L D J L ⋅=⨯⨯⨯=⨯=--

滚珠丝杠等效转动惯量