【正文】 Mg ＝ *（ 30＋ 50） * = N Fa ＝ F f ＝ N 10 西北工山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 20 業(yè)大學(xué)網(wǎng)絡(luò) 教育學(xué)院畢業(yè)論文 2. 絲杠轉(zhuǎn)速 nmax 絲杠最大轉(zhuǎn)速 nmax ＝ v/s＝ v/ Ph ＝2020/5 = 400r/min 其中， v＝ 2m/min 為絲杠最大移動(dòng)速度， Ph ＝ 5mm 為絲杠導(dǎo)程。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于開環(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。在下面的章節(jié)中主要是對(duì)此進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。 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。 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： 7 西北工業(yè)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 圖 27 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。對(duì)步進(jìn)電機(jī)送入一個(gè)控制脈沖，其轉(zhuǎn) 軸就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度或者移動(dòng)一個(gè)直線位移，稱為一步。 雙 /單脈沖控制方式的設(shè)定可由驅(qū)動(dòng)器面板 “ 雙 /單脈沖 ” 開關(guān)實(shí)現(xiàn)。 28 山東建筑大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 方向電山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 18 平信號(hào)（ dir）：此信號(hào)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。 其性能指標(biāo)見表 42： 電氣性能（環(huán)境溫度 T j = 250 C 時(shí)） 供電電源 單相 80VAC 177。常用的功率放大電路有：?jiǎn)坞妷候?qū)動(dòng)，雙電 壓驅(qū)動(dòng)，斬波驅(qū)動(dòng)電路等。 由于分配器 是周而復(fù)始的重復(fù)進(jìn)行， 故又稱環(huán)形分配器。我 們要求負(fù)載啟動(dòng)頻率不超過 1 KHz，就有 f q ＝ 2 KHz。 3. 計(jì)算出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TF 應(yīng)滿足： 24 山東建筑大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 TF ≤ ( )T j max 對(duì)于相數(shù)較多、突跳頻率要求不高時(shí)取系數(shù)大值；反之取小值。 2．步距角選擇 θ= 3600 * i 3600 *1 δ= = S 5 此式是步距角 θ （ 0 ）的計(jì)算公式，式中 S＝ 5 mm 為絲杠螺距； δ ＝ ； i ＝ 1 為電機(jī)與絲杠之間的齒輪傳動(dòng)比，由 于本系統(tǒng)對(duì)電機(jī)速度要求不高，沒有采用齒輪減速器，故傳動(dòng)比值取 為 1。 由于我們搭建的運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)對(duì)負(fù)載能力要求不高，故可按 f qF ＝ f q 估算啟動(dòng)頻率 f q 。 22 山東建筑大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 TF = ( F + ?W ) S *10?3 [600 + (30 + 50)] = 5*10?3 = Nm 2πη i 2***1 式中， TF 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ Nm）； F 為運(yùn)動(dòng)方向的阻抗切削力（ N），設(shè) 為 600N； ? ＝ 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； W ＝ 50＋ 30＝ 80kg 為工件及工 作臺(tái)重量（略去電機(jī)自重）； η ＝ 為絲杠的傳動(dòng)效率； i ＝ 1 為系 統(tǒng)的減速比。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 15 XY 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置是由步進(jìn)電機(jī)和專用驅(qū)動(dòng)器組成的 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng) 用范圍很廣，特別是在辦公自動(dòng)化和工廠自動(dòng)化中得到廣泛應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī) 種類 步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（ PM），反應(yīng)式（ VR）和混合式（ HB）。 相對(duì)來(lái)說， 混合式步進(jìn)電機(jī)具有高精度、高轉(zhuǎn)矩、步距角小的優(yōu)點(diǎn)。廣 泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、 復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。我 們要求負(fù)載啟動(dòng)頻率不超過 1 KHz，就有 f q ＝ 2 KHz。 3. 計(jì)算出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TF 應(yīng)滿足： 24 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 TF ≤ ( )T j max 對(duì)于相數(shù)較多、突跳頻率要求不高時(shí)取 系數(shù)大值；反之取小值。 2．步距角選擇 θ= 3600 * i 3600 *1 δ= = S 5 此式是步距角 θ （ 0 ）的計(jì)算公式，式中 S＝ 5 mm 為絲杠螺距； δ ＝ ； i ＝ 1 為電機(jī)與絲杠之間的齒輪傳動(dòng)比，由 于本系統(tǒng)對(duì)電機(jī)速度要求不高，沒有采用齒輪減速器，故傳動(dòng)比值取 為 1。 3． 3 X－ Y 工作臺(tái)的定型 確定工作臺(tái)的型號(hào) 經(jīng)過對(duì) X－ Y 工作 臺(tái)的關(guān)鍵部件滾珠絲杠和滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)及計(jì)算， 我們就可以根據(jù)絲杠和導(dǎo)軌的性能參數(shù)確定工作臺(tái)的型號(hào)。比如說， dir 信號(hào) 為高電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)， dir 信號(hào)為低電平時(shí)電機(jī)則反轉(zhuǎn)。 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 ＝ 驅(qū)動(dòng)器 驅(qū) 動(dòng)器是把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供的弱電信號(hào)放大為步進(jìn)電機(jī)能夠接受 的強(qiáng)電流信號(hào)，控制系統(tǒng)提供給驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)一般有兩種設(shè)置方式：?jiǎn)蚊}沖 控制方式（ step/dir）和雙脈沖控制方式（ cw/ccw）。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖 頻率。 3． 2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的選擇 計(jì)算機(jī)控制的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)要求移動(dòng)部件對(duì)指令做出快速響應(yīng)的同時(shí)，還 要求有恒定摩擦阻力和無(wú)爬行現(xiàn)象，故采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。 （ 1）絲杠底徑 d 2 ： 查表得 d 2 ＝ mm＝ m （ 2）支承方式系數(shù) f 2 ，查表得 f 2 ＝ （ 3）臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 Lc ： Lc = 100 540 ? 448 + 300 + 24 + = 424mm = 2 2 7. 壓桿穩(wěn)定性校核 臨界壓縮載荷 Fc ＝ *10 10 * *10 4 N f1d 24 =*10 10 *2*（ 1）支承方式系數(shù) f 1 （ 2）最大受壓長(zhǎng)度 L 0 查表得 f 1 ＝ L 0 ≈ （ ～ ）行程＋（ 10～ 14） Ph 取 L 0 ＝ 行程＋ 12 Ph ＝ *300+12*5＝ 381mm＝ 8. 預(yù)拉伸計(jì)算 9. 軸承的選擇 查表，固定端采用 F 型軸端，軸承型號(hào) 36203，角接觸球軸承需成對(duì)使 用，故固定端裝兩個(gè)軸承，面對(duì)面 安裝，游動(dòng)端采用 A 型軸端，軸承 型號(hào) 202。查表，取絲杠精度等級(jí)為 3 級(jí)，任意 300mm 的行程公差為 8 ? m ， 加上絲杠系統(tǒng)的總位移 ? m ， 位置誤差為 ? m ， 能滿足 的定位精度要求。 3 2250N 4． 絲杠螺紋部分長(zhǎng)度 lu lu =工作臺(tái)最大行程＋螺母長(zhǎng)度＋兩端余量， lu ＝山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 9 300+100+2*24＝ 448 mm 5． 支承距離 l 支承距離 l 應(yīng)該大于絲杠螺紋部分長(zhǎng)度 lu ，選取 l ＝ 540 mm 11 山東建筑大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 6． 臨界轉(zhuǎn)速 nc 校核 f22 * d2 2 * nc = 9910 = 9910 = 13941r / min nmax ， 滿 足 要 Lc 2 求。 在該部分的設(shè)計(jì)中 ,工作臺(tái) X， Y 方向的行程均為 300mm，最高運(yùn)行速度 v＝ 2m/min；我們?cè)O(shè)進(jìn)給時(shí) X， Y 向速度相等；工件重量為 50kg,選用滾動(dòng)直 線導(dǎo)軌，滾動(dòng)摩擦系數(shù) μ ＝ 。 9 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 章 雙坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3． 1 滾珠絲杠副的選擇 X 向滾珠絲杠副的選擇 XY 工作臺(tái)的機(jī)械傳動(dòng)的關(guān)鍵部分采用滾珠絲杠副和滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。 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)的開環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 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)。 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)。 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。 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)的開環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 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)。 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)。 表 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，開機(jī)率 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 5 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。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 4 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)。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 3 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。一般來(lái)說， XY 工 作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有三種：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系 統(tǒng)。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)。 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。 本次設(shè)計(jì)所要搭建的雙坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)便是一個(gè)典型的機(jī)電一體化 系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞 ： X－ Y 工作臺(tái) ； 開環(huán)運(yùn)動(dòng)控制 ； 步進(jìn)電機(jī) ； 運(yùn)動(dòng)控制卡 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 1． 1 課題背景 介紹 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。 本文所