双坐标运动控制系统设计及实现.doc

第1章绪论 11.1课题背景介绍 11.2设计任务说明 21.3搭建双坐标运动控制系统所用的设备 2第2章 双坐标运动控制系统的总体设计 42.1 X-Y工作台控制系统简述及控制方案选择 42.2开环运动控制系统的工作原理 6第3章双坐标运动控制系统的机械系统设计 103.1滚珠丝杠的选择 103.1.1 X 向滚珠丝杠副的选择 103.1.2 Y 方向滚珠丝杠副的选择 143.2滚动直线导轨副的选择 173.2.1 X 向滚动直线导轨副选择 173.2.2 丫 向滚动直线导轨副选择 183.3 X —Y工作台的定型 19第4章 系统执行装置的设计与选择 214.1步进电机的选择 224.1.1 X 向步进电机的选择 224.1.2 丫 向步进电机的选择 234.1.3 所选电机类型 254.2步进电机驱动器的选择 264.2.1 步进电机驱动部分的组成 264.2.2 步进电机驱动器的选择 274.2.3 驱动器控制信号的设定 28第5章系统控制部分的设计及选择 305.1运动控制卡简述 305.2基于运动控制卡的运动形式 325.2.1 单轴运动的基本形式 325.2.2 多轴运动的基本形式 325.3运动控制卡的选择 33第6章基于LabVIEW的运动控制的实现 356.1虚拟仪器技术简介 356.1.1 虚拟仪器的概念 356.1.2 LabVIEW 的简介及组成 366.1.3 LabVIEW 的应用 376.2基于LabVIEW的运动控制的实现 386.2.1 LabVIEW 在运动控制方面的应用 386.2.2 基于LabVIEW对单轴运动控制的实现 396.2.3 基于LabVIEW对双轴运动控制的实现 4351第7章 总结致谢 53参考文献 54附录一 开题报告附录二 英文资料及翻译附录三 工作台装配图及零件图（附图）III第 1章 绪论1．1 课题背景介绍微电子技术、计算机技术特别是微型计算机技术的迅速发展，促进了电 子技术、检测传感器技术、自动控制技术、计算机技术和机械技术等多种技 术相互交叉、渗透与融合。

机电一体化（ Mechatronics ）这一复合型边缘学 科在这种背景下便应运而生，Mechatronics 是Mechanics （机械学）和 Electronics （电子学）的复合词机电一体化是机械工程领域发展的必然 趋势，它包括机电一体化技术和机电一体化产品（或系统）.一个典型的机电一体化产品或系统一般都具备以下四个组成部分：1. 机械本体 由传动部分和结构部分构成；2. 传感器 用于检测机电一体化产品或系统工作时所要监视和控制的 那些物理量、化学量、生物量，并对检出信号进行转换；3. 执行装置 其功能是根据信息处理与控制装置 （计算机）发出的控制 信号，传动（拖动）机械本体中的运动部件，使之实现要求的动作；4. 信息处理与控制部分 通常包括输入设备、 输出设备、接口、外存储 器和微型计算机等本次设计所要搭建的双坐标运动控制系统便是一个典型的机电一体化系统双坐标运动平台又称 X-Y工作台，在经济型数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统、机械手、搬运检测装置以及实验教学等领域都有广泛的应用1．2 设计任务说明在本次设计中，我们所要解决的问题及任务有：1. 对双坐标运动控制系统进行总体设计，确定可行的设计方案；2. 对系统机械传动部分进行设计，根据滚珠丝杠和滚动直线导轨的设 计、选择，最终确定工作台的选型；3. 对系统执行装置（电机及驱动器）的选择；4. 对系统控制部分进行设计、选择，确定所需的运动控制器及其配件；5. 了解市场行情，联系购买所需的实验设备；6. 进行系统硬件的连接以及工作台的调试；7. 对工作台进行测绘，用 CAD绘制工作台A0装配图1张、A3零件图 3张；8. 编写LabVIEW程序，实现对双坐标工作台的运动控制。

1．3 搭建双坐标运动控制系统所用的设备实现双坐标运动平台基本运动控制所需的器材：1. 工业计算机一台；2. 美国NI公司4轴步进电机控制卡 PCI—7134 —块、UMI-7764接线盒一个以及专用电缆 SH6—C68-S 一根；3. 南京顺康数码科技有限公司生产的 SZHT303C双坐标工作台一座；4. 北京四通公司生产的90BYG550五相混合式步进电机及其驱动器 SH—50806B 两套；5. 5V直流稳压电源一个、80VAC驱动器电源两个；连线若干3第2章 双坐标运动控制系统的总体设计2. 1 X-Y工作台控制系统简述及控制方案选择X—Y工作台是指能分别沿着X向和丫向移动的工作台其工作原理是X、 丫向采用步进或伺服电机，通过齿轮减速器（降低速度、放大动力）和滚珠 丝杠传动，驱动工作台作 X—Y向的运动工作台的运动控制系统是将机械 系统、电气系统与电子系统结合而形成的一个有机整体一般来说，X-Y 工 作台的运动控制系统有三种：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系 统工作台的开环控制，这类控制不带位置检测反馈装置由上位机（控制 单元）输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动步进电动机转动，再经 传动机构带动工作台移动。

见图2-1图2-1工作台开环控制系统框图工作台的闭环控制，这类控制带有位置检测反馈装置位置检测装置安 装在工作台上，用以检测工作台的实际位置，并与上位机输出的指令位置进 行比较，用差值进行控制，其程序框图如图 2-2所示图2-2工作台闭环控图2-2工作台闭环控制系统框图工作台的半闭环于闭环的环路内不包括扌控制，是将检测元件安装在电机的端头，傲 电路3 括丝杠、螺母副及工作台亍所以可以获得比较稳定的控由制特性螺母副及工作台所以可以获得比较稳定的控图2-3工作台半闭环控制系统框图上述的三种控制系统中，开环控制的工作台运动比较稳定，反应快，调 试方便，维修简单，但控制精度较低，这类控制系统多为经济型；而闭环控 制的工作台的控制精度高，适合对运动的精密控制，但需要增加速度检测元 件和位置检测检测元件，这样使控制系统变得复杂，成本也大为增加；半闭 环控制的精度高于开环控制，低于闭环控制，成本也介于两者之间鉴于开环控制系统的成本较低，维修简单，在合理选用步进电机的情况5下，又能满足精度的要求，我们所设计的 X-Y工作台的运动控制系统选用了开环控制系统2. 2开环运动控制系统的工作原理要实现对X-Y工作台的开环控制，即位置控制和速度控制，也就是要实 现对其驱动装置步进电机的位移和速度控制。

步进电动机，也叫脉冲电动机或电脉冲马达，是一种将电脉冲信号转换 成相应的角位移或线位移的控制电机对步进电机送入一个控制脉冲，其转 轴就转过一个角度或者移动一个直线位移，称为一步脉冲数增加，角位移 （或线位移）随之增加；脉冲频率高，则步进电机的旋转速度就高，反之则 低；脉冲频率变化越快，步进电机的加速度越大，反之越小；分配脉冲的相 序改变后，步进电动则反转步进电机驱动系统主要用于开环位置控制，它由两大部分组成，即：步 进电机+驱动器，如图2-4所示图2-4步进电机驱动系统在上图中控制系统还不完整，还要有脉冲信号源整个步进电机系统才能6运转起来图2-5完整的步进电机驱动系统在实际中，步进电机驱动器要求的控制信号要复杂一些，举例如 2-6所示:图2-6驱动器的控制信号脉驱动器要求的脉冲信号一般为TTL电平兼容的方波信号，而步距角选择和电机使能信号为TTL电平信号，如图2-7所示：7正转（CW）脉冲信弓2站（目永7中信匕图2-7步进电机旋转的脉冲信号用普通脉冲频率发生器可对步进电机进行速度控制 （手工调节脉冲频率输出旋钮），但它不能精确控制所输出的脉冲数，也就不能精确控制步进电 机的旋转角度根据应用需要，我们选用了 NI公司的MotionControl系列的 步进控制板卡PCI — 7314组成给更复杂的步进电机控制系统，见图 2-8。

步进电机控制j ■■■'■■■■I urMiBi iiviiiBHMHim ■■■■«■■ ii^i■ PC总线: 上「位I| j AC电源i 机 i i I …■ : •-— ;脉冲信号 = I 步进电机步进电机控制卡图2-8完整的步进电机控制系统上述系统再加上X-Y工作台就构成了工作台的开环运动控制系统图 2-1 X-Y 工作台的开环运动控制系统上位机：上位机（工业计算机或 PC 机）通过控制软件对电机控制卡进 行读写操作，可向控制卡发送位置、速度、加速度命令步进电机控制卡：控制卡根据主机的命令产生脉冲序列，脉冲个数（位 置）、频率（速度）及频率变化率（加速度）均受主机控制步进电机驱动器：步进电机驱动器根据接收到的脉冲信号，产生多拍节 脉冲驱动信号控制步进电机旋转9第 3章 双坐标运动控制系统的机械系统设计X-Y 工作台的机械传动的关键部分采用滚珠丝杠副和滚动直线导轨副 滚珠丝杠副和滚动直线导轨副，具有精度高、效率高、寿命长、磨损小、结 构紧凑、通用性强等优点在下面的章节中主要是对此进行设计与计算滚珠丝杠摩擦系数 厂0.005, X向工作台在丫向工作台上滚动，设二 者质量分别为mx = 30kg, my = 30kg，设工作台上所放物体的最大质量 m =50kg。

在该部分的设计中，工作台X，丫方向的行程均为300mm最高运行速度v = 2m/min;我们设进给时X, 丫向速度相等；工件重量为50kg,选用滚动直 线导轨，滚动摩擦系数卩二0.005两个方向的行程均较短，位置精度较低， 故滚珠丝杠副预选采用一端固定一端游动支承方式，丝杠精度为 1〜3级，丝杠螺母副材料硬度HRC58— 60,工作温度小于1000C，可靠性要求为96%3. 1滚珠丝杠副的选择3．1．1 X 向滚珠丝杠副的选择1. 丝杠载荷 F导轨摩擦力 Ff =卩 Mg= 0.005* (30 + 50) *9.8 = 3.92 N丝杠载荷 Fa = Ff = 3.92 N2. 丝杠转速nmax丝杠最大转速 nmax =v/s =v/ Fh =2000/5 = 400r/min其中，v=2m/min为丝杠最大移动速度，R =5mm为丝杠导程3. 初选滚珠丝杠副(1) 计算动负荷 Caj = Kh Fa = 144 *3.92 = 30.1NKn Xf^ 0.46*0.408⑵寿命Lh由工作条件查得 Lh =15000h Kh =1.44, Kn =0.4612#(3)综合系数f二1*1*1*0.53=1.3=0.408##查表得:ft = 1, fh = 1, fa = 1 , fw=1.3, fk = 0.53(4)滚珠丝杠副的型号选用FFZD型内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杠副,其型号为：FFZD2005额定动负荷 q =9 KN ；预紧力F0=0.25 ca =1 2250N〉1 Fa，满足要求。

34. 丝杠螺纹部分长度lul u =工作台最大行程+螺母长度+两端余量，lu = 300+100+2*24 = 448。