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

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。

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

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

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。

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。

3.3机械类功能方案实施安排

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：

首先利用X=Rcosθ；Y=Rsinθ将极坐标转化为直角坐标，再利用直

直线插补：插补开始

n=n-1

顺圆插补与逆圆插补相反

2下位机

底层的软件采用VC++6.0语言和Keil uVision2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

Labwindows CVI 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。CANV AS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）。