【正文】 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。 3. 初選滾珠絲杠副 （ 1）計(jì)算動(dòng)負(fù)荷 caj = Kh Fa = * = N Kn f∑ * （ 2）壽命 Lh 由工作條件查得 （ 3）綜合系數(shù) f ∑ Lh ＝ 15000h， K h ＝， K n ＝ f∑ = ft f h f a f k 1*1*1* = = fw 查表得： f t ＝ 1， f h ＝ 1， f a ＝ 1 ， f w =, f k ＝ （ 4）滾珠絲杠副的型號(hào) 選用 FFZD 型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器，雙螺母墊 片預(yù)緊滾珠絲杠副， 14 山東建筑大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 其型號(hào)為： FFZD2020，額定動(dòng)負(fù)荷 ca ＝ 9 KN ；預(yù)緊力 F0 = ca ＝ 1 Fa ，滿足要求。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。 12 山東建筑大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教 育學(xué)院畢業(yè)論文 型號(hào) 202。 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。 1. 絲杠載荷 F 導(dǎo)軌摩擦力 絲杠載荷 F f ＝ μMg ＝ *（ 30＋ 50） * = N Fa ＝ F f ＝ N 10 山東建筑大學(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。 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 ＝ 。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。 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。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 8 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)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)。 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。 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。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)。 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 ＝山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 7 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。 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)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)。 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。 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。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)。 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。 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。 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)控制的精度高于開環(huán)控制，低于閉環(huán)控制，成本也介于兩者之間。 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)。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。 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。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)。一般來說， 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)。 其工作原理是 X、 Y 向采用步進(jìn)或伺服電機(jī)，通過齒輪減速器（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)。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)。一般來說， 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)。 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。 通過對(duì)南京順康 數(shù)碼科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱南京順康）和蘇州鈞信自動(dòng)控制有限公司（以 下簡(jiǎn)稱蘇州鈞信） 等幾家生產(chǎn)工作臺(tái)的廠家的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)南京順康各種檔位 的工作臺(tái)，而蘇州鈞信只提供高精度的工作臺(tái)。 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)。 Mechatronics 是 Mechanics（機(jī)械學(xué)）和 Electronics（電子學(xué)）的復(fù)合詞。 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。其控制原理是計(jì) 算機(jī)通過控制軟件對(duì)電機(jī)控制卡進(jìn)行讀寫操作，向控制卡發(fā)送位置、速度以及加 速度命令；然后由控制卡產(chǎn)生脈沖序列，輸出到驅(qū)動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)器則根據(jù)接受到的 脈沖信號(hào)，產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)；最后由電機(jī)帶動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)工作