【正文】 開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案 1．1 課題背景 微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電 子技術(shù)、檢測(cè)傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多種技 術(shù)相互交叉、滲透與融合。機(jī)電一體化（Mechatronics）這一復(fù)合型邊緣學(xué) 科在這種背景下便應(yīng)運(yùn)而生。 Mechatronics 是 Mechanics（機(jī)械學(xué)）和 Electronics（電子學(xué)）的復(fù)合詞。機(jī)電一體化是機(jī)械工程領(lǐng)域發(fā)展的必然 趨勢(shì)，它包括機(jī)電一體化技術(shù)和機(jī)電一體化產(chǎn)品(或系統(tǒng)). 機(jī)電一體化產(chǎn)品構(gòu)成 1．2 設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明 在本次設(shè)計(jì)中，我們所要解決的問(wèn)題及任務(wù)有： 1. 對(duì)雙坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確定可行的設(shè)計(jì)方案； 2. 對(duì)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)滾珠絲杠和滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的設(shè) 計(jì)、選擇，最終確定工作臺(tái)的選型； 3. 對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行裝置（電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器）的選擇； 4. 對(duì)系統(tǒng)控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)、 選擇， 確定所需的運(yùn)動(dòng)控制器及其配件； 5. 了解市場(chǎng)行情，聯(lián)系購(gòu)買所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備； 6. 進(jìn)行系統(tǒng)硬件的連接以及工作臺(tái)的調(diào)試； 7. 對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行測(cè)繪，用 CAD 繪制工作臺(tái) A0 裝配圖 1 張、A3 零件圖 3 張； 8. 編寫 LabVIEW 程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙坐標(biāo)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制。 1．3 搭建雙坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所用的設(shè)備 實(shí)現(xiàn)雙坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基本運(yùn)動(dòng)控制所需的器材： 1. 工業(yè)計(jì)算機(jī)一臺(tái)； 2 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 2. 美國(guó) NI 公司 4 軸步進(jìn)電機(jī)控制卡 PCI－7134 一塊、UMI－7764 接線 盒一個(gè)以及專用電纜 SH68－C68－S 一根； 3. 南京順康數(shù)碼科技有限公司生產(chǎn)的 SZHT3030 雙坐標(biāo)工作臺(tái)一座； 4. 北京四通公司生產(chǎn)的 90BYG550B 五相混合式步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器 SH －50806B 兩套； 5. 5V 直流穩(wěn)壓電源一個(gè)、80VAC 驅(qū)動(dòng)器電源兩個(gè)； 6. 連線若干。 3 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是將機(jī)械 系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)與電子系統(tǒng)結(jié)合而形成的一個(gè)有機(jī)整體。一般來(lái)說(shuō)，XY 工 作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有三種：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系 統(tǒng)。 工作臺(tái)的開(kāi)環(huán)控制，這類控制不帶位置檢測(cè)反饋裝置。由上位機(jī)（控制 單元）輸出的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路的功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。第 2 章 雙坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 2．1 XY 工作臺(tái)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述及控制方案選擇 滾珠絲杠副的選擇 X－Y 工作臺(tái)是指能分別沿著 X 向和 Y 向移動(dòng)的工作臺(tái)。 其工作原理是 X、 Y 向采用步進(jìn)或伺服電機(jī)，通過(guò)齒輪減速器（降低速度、放大動(dòng)力）和滾珠 絲杠傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)作 X－Y 向的運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是將機(jī)械 系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)與電子系統(tǒng)結(jié)合而形成的一個(gè)有機(jī)整體。一般來(lái)說(shuō)，XY 工 作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有三種：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系 統(tǒng)。 工作臺(tái)的開(kāi)環(huán)控制，這類控制不帶位置檢測(cè)反饋裝置。由上位機(jī)（控制 單元）輸出的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路的功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。見(jiàn)圖 21。 Y 向滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副選擇 1． 各滾動(dòng)載荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝130*＝ 2． 將目標(biāo)壽命換算為 km 壽命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，開(kāi)機(jī)率 80% 算，預(yù)期壽命時(shí)數(shù) L h ＝10*300*2*8*＝38400h L= 2ls ns *60 Lh /103 ＝2**5*60*38400/10 3 ＝6912km ls ——最大行程 3． 額定動(dòng)載荷 18 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 查表得 f t ＝1，f c ＝，f a ＝，f w ＝1，取 f h ＝1。 額定動(dòng)載荷 ca ≥ f w pc 1* 3 6912 L *3 ＝ ＝ f h ft f c f a K 1*1** 50 查表選用 GGB16AA2P 1 2*1000*E 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副， 該導(dǎo)軌副的 ca ＝, coa ＝ 圖2—1 受力分析圖示 工作臺(tái)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖 工作臺(tái)的閉環(huán)控制 這類控制帶有位置檢測(cè)反饋裝置。位置檢測(cè)裝置安 裝在工作臺(tái)上，用以檢測(cè)工作臺(tái)的實(shí)際位置，并與上位機(jī)輸出的指令位置進(jìn) 行比較，用差值進(jìn)行控制，其程序框圖如圖 22 所示。 4 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 圖 22 工作臺(tái)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 工作臺(tái)的半閉環(huán)控制，是將檢測(cè)元件安裝在電機(jī)的端頭，見(jiàn)圖 23。 圖23系統(tǒng)框圖由于閉環(huán)的環(huán)路內(nèi)不包括絲杠、螺母副及工作臺(tái)。所以可以獲得比較穩(wěn)定的控 制特性。 圖 23 工作臺(tái)半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 上述的三種控制系統(tǒng)中，開(kāi)環(huán)控制的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)比較穩(wěn)定，反應(yīng)快，調(diào) 試方便，維修簡(jiǎn)單，但控制精度較低，這類控制系統(tǒng)多為經(jīng)濟(jì)型；而閉環(huán)控 制的工作臺(tái)的控制精度高，適合對(duì)運(yùn)動(dòng)的精密控制，但需要增加速度檢測(cè)元 件和位置檢測(cè)檢測(cè)元件，這樣使控制系統(tǒng)變得復(fù)雜，成本也大為增加；半閉 環(huán)控制的精度高于開(kāi)環(huán)控制，低于閉環(huán)控制，成本也介于兩者之間。 鑒于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的成本較低，維修簡(jiǎn)單，在合理選用步進(jìn)電機(jī)的情況 5 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 下，又能滿足精度的要求，我們所設(shè)計(jì)的 XY 工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)選用了 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 試驗(yàn)值、文獻(xiàn)分析的數(shù)值和ANSYS分析值的對(duì)比鋼框架極限承載力（KN）柱頂位移（mm）誤差（％）試驗(yàn)值承載力誤差柱頂位移誤差文獻(xiàn)[] 的值本文分析值 2．2 開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理 X 向滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副 1. 各滾動(dòng)載荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝130*＝ 2. 將目標(biāo)壽命換算為 km 壽命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，開(kāi)機(jī)率 80%計(jì) 17 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 算，預(yù)期壽命時(shí)數(shù) L h ＝10*300*2*8*＝38400 h L= 2ls ns *60 Lh /103 ＝2**5*60*38400/10 3 ＝6912km ls ——最大行程 3． 額定動(dòng)載荷 查表得 f t ＝1，f c ＝，f a ＝，f w ＝1，取 f h ＝1。 額定動(dòng)載荷 ca ≥ f w pc 1* 3 6912 L *3 ＝ ＝ f h ft f c f a K 1*1** 50 查表選用 GGB16AA2P 1 2*1000*E 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副， 該導(dǎo)軌副的 ca ＝, coa ＝。 Y 向滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副選擇 1． 各滾動(dòng)載荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝130*＝ 2． 將目標(biāo)壽命換算為 km 壽命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，開(kāi)機(jī)率 80% 算，預(yù)期壽命時(shí)數(shù) L h ＝10*300*2*8*＝38400h L= 2ls ns *60 Lh /103 ＝2**5*60*38400/10 3 ＝6912km ls ——最大行程 3． 額定動(dòng)載荷 18 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 查表得 f t ＝1，f c ＝，f a ＝，f w ＝1，取 f h ＝1。 額定動(dòng)載荷 ca ≥ f w pc 1* 3 6912 L *3 ＝ ＝ f h ft f c f a K 1*1** 50 查表選用 GGB16AA2P 1 2*1000*E 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副， 該導(dǎo)軌副的 ca ＝, coa ＝ 要實(shí)現(xiàn)對(duì) XY 工作臺(tái)的開(kāi)環(huán)控制，即位置控制和速度控制，也就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)其驅(qū)動(dòng)裝置步進(jìn)電機(jī)的位移和速度控制。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，也叫脈沖電動(dòng)機(jī)或電脈沖馬達(dá)，是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換 成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機(jī)。 對(duì)步進(jìn)電機(jī)送入一個(gè)控制脈沖，其轉(zhuǎn) 軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度或者移動(dòng)一個(gè)直線位移，稱為一步。脈沖數(shù)增加，角位移 （或線位移）隨之增加；脈沖頻率高，則步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就高，反之則 低；脈沖頻率變化越快，步進(jìn)電機(jī)的加速度越大，反之越??；分配脈沖的相 序改變后，步進(jìn)電動(dòng)則反轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于開(kāi)環(huán)位置控制 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于開(kāi)環(huán)位置控制，它由兩大部分組成，即：步 進(jìn)電機(jī)+驅(qū)動(dòng)器，如圖 24 所示。 圖 24 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 在上圖中控制系統(tǒng)還不完整，還要有脈沖信號(hào)源整個(gè)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)才能運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。 圖 25 完整的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 在實(shí)際中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器要求的控制信號(hào)要復(fù)雜一些，舉例如 26 所示： 圖 26 驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào) 驅(qū)動(dòng)器要求的脈沖信號(hào)一般為 TTL 電平兼容的方波信號(hào)， 而步距角選擇 和電機(jī)使能信號(hào)為 TTL 電平信號(hào)，如圖 27 所示。 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的脈沖信號(hào) 用普通脈沖頻率發(fā)生器可對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度控制（手工調(diào)節(jié)脈沖頻率 輸出旋鈕） ，但它不能精確控制所輸出的脈沖數(shù)，也就不能精確控制步進(jìn)電 機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)應(yīng)用需要，我們選用了 NI 公司的 MotionControl 系列的 步進(jìn)控制板卡 PCI－7314 組成給更復(fù)雜的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖 28。 步進(jìn)電機(jī)控制 PC 總線 上 位 AC 電源 機(jī) 脈沖信號(hào) 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)控制卡 圖 28 完整的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 上述系統(tǒng)再加上 XY 工作臺(tái)就構(gòu)成了工作臺(tái)的開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 8 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 圖 21 XY 工作臺(tái)的開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 上位機(jī)：上位機(jī)（工業(yè)計(jì)算機(jī)或 PC 機(jī)）通過(guò)控制軟件對(duì)電機(jī)控制卡進(jìn) 行讀寫操作，可向控制卡發(fā)送位置、速度、加速度命令。 步進(jìn)電機(jī)控制卡：控制卡根據(jù)主機(jī)的命令產(chǎn)生脈沖序列，脈沖個(gè)數(shù)（位 置） 、頻率（速度）及頻率變化率（加速度）均受主機(jī)控制。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)接收到的脈沖信號(hào)，產(chǎn)生多拍節(jié) 脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。 9 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 2．3 開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) X 向滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副 1. 各滾動(dòng)載荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝130*＝ 2. 將目標(biāo)壽命換算為 km 壽命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，開(kāi)機(jī)率 80%計(jì) 17 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 算，預(yù)期壽命時(shí)數(shù) L h ＝10*300*2*8*＝38400 h L= 2ls ns *60 Lh /103 ＝2**5*60*38400/10 3 ＝6912km ls ——最大行程 3． 額定動(dòng)載荷 查表得 f t ＝1，f c ＝，f a ＝，f w ＝1，取 f h ＝1。 額定動(dòng)載荷 ca ≥ f w pc 1* 3 6912 L *3 ＝ ＝ f h ft f c f a K 1*1** 50 查表選用 GGB16AA2P 1 2*1000*E 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副， 該導(dǎo)軌副的 ca ＝, coa ＝。 向滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副選擇 1． 各滾動(dòng)載荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝130*＝ 2． 將目標(biāo)壽命換算為 km 壽命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，開(kāi)機(jī)率 80% 算，預(yù)期壽命時(shí)數(shù) L h ＝10*300*2*8*＝38400h L= 2ls ns *60 Lh /103 ＝2**5*60*38400/10 3 ＝6912km ls ——最大行程 3． 額定動(dòng)載荷 18 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 查表得 f t ＝1，f c ＝，f a ＝，f w ＝1，取 f h ＝1。 額定動(dòng)載荷 ca ≥ f w pc 1* 3 6912 L *3 ＝ ＝ f h ft f c f a K 1*1** 50 查表選用 GGB16AA2P 1 2*1000*E 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副， 該導(dǎo)軌副的 ca ＝, coa ＝ 要實(shí)現(xiàn)對(duì) XY 工作臺(tái)的開(kāi)環(huán)控制，即位置控制和速度控制，也就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)其驅(qū)動(dòng)裝置步進(jìn)電機(jī)的位移和速度控制。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，也叫脈沖電動(dòng)機(jī)或電脈沖馬達(dá)，是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換 成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機(jī)。 對(duì)步進(jìn)電機(jī)送入一個(gè)控制脈沖，其轉(zhuǎn) 軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度或者移動(dòng)一個(gè)直線位移，稱為一步。脈沖數(shù)增加，角位移 （或線位移）隨之增加；脈沖頻率高，則步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就高，反之則 低；脈沖頻率變化越快，步進(jìn)電機(jī)的加速度越大，反之越小；分配脈沖的相 序改變后，步進(jìn)電動(dòng)則反轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于開(kāi)環(huán)位置控制 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于開(kāi)環(huán)位置控制，它由兩大部分組成，即：步 進(jìn)電機(jī)+驅(qū)動(dòng)器，如圖 24 所示。 圖 24 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 在上圖中控制系統(tǒng)還不完整，還要有脈沖信號(hào)源整個(gè)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)才能運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。 圖 25 完整的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 在實(shí)際中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器要求的控制信號(hào)要復(fù)雜一些，舉例如 26 所示： 圖 26 驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào) 驅(qū)動(dòng)器要求的脈沖信號(hào)一般為 TTL 電平兼容的方波信號(hào)， 而步距角選擇 和電機(jī)使能信號(hào)為 TTL 電平信號(hào)，如圖 27 所示。 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的脈沖信號(hào) 用普通脈沖頻率發(fā)生器可對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度控制（手工調(diào)節(jié)脈沖頻率 輸出旋鈕） ，但它不能精確控制所輸出的脈沖數(shù)，也就不能精確控制步進(jìn)電 機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)應(yīng)用需要，我們選用了 NI 公司的 MotionControl 系列的 步進(jìn)控制板卡 PCI－7314 組成給更復(fù)雜的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖 28。 步進(jìn)電機(jī)控制 PC 總線 上 位 AC 電源 機(jī) 脈沖信號(hào) 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)控制卡 圖 28 完整的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 上述系統(tǒng)再加上 XY 工作臺(tái)就構(gòu)成了工作臺(tái)的開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 8 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 圖 21 XY 工作臺(tái)的開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 上位機(jī)：上位機(jī)（工業(yè)計(jì)算機(jī)或 PC 機(jī)）通過(guò)控制軟件對(duì)電機(jī)控制卡進(jìn) 行讀寫操作，可向控制卡發(fā)送位置、速度、加速度命令。