【正文】 圖中控制系統(tǒng)還不完整，還要有脈沖信號源整個步進電機系統(tǒng)才能運轉起來。脈沖數(shù)增加，角位移 （或線位移）隨之增加；脈沖頻率高，則步進電機的旋轉速度就高，反之則 低；脈沖頻率變化越快，步進電機的加速度越大，反之越??；分配脈沖的相 序改變后，步進電動則反轉。 步進電動機，也叫脈沖電動機或電脈沖馬達，是一種將電脈沖信號轉換 成相應的角位移或線位移的控制電機。 向滾動直線導軌副選擇 1． 各滾動載荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝130*＝ 2． 將目標壽命換算為 km 壽命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，開機率 80% 算，預期壽命時數(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． 額定動載荷 18 山東建筑大學網絡教育學院畢業(yè)論文 查表得 f t ＝1，f c ＝，f a ＝，f w ＝1，取 f h ＝1。 9 山東建筑大學網絡教育學院畢業(yè)論文 2．3 開環(huán)運動控制系統(tǒng) X 向滾動直線導軌副 1. 各滾動載荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝130*＝ 2. 將目標壽命換算為 km 壽命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，開機率 80%計 17 山東建筑大學網絡教育學院畢業(yè)論文 算，預期壽命時數(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． 額定動載荷 查表得 f t ＝1，f c ＝，f a ＝，f w ＝1，取 f h ＝1。 步進電機控制卡：控制卡根據(jù)主機的命令產生脈沖序列，脈沖個數(shù)（位 置） 、頻率（速度）及頻率變化率（加速度）均受主機控制。 步進電機控制 PC 總線 上 位 AC 電源 機 脈沖信號 步進電機 步進電機控制卡 圖 28 完整的步進電機控制系統(tǒng) 上述系統(tǒng)再加上 XY 工作臺就構成了工作臺的開環(huán)運動控制系統(tǒng)。 步進電機旋轉的脈沖信號 用普通脈沖頻率發(fā)生器可對步進電機進行速度控制（手工調節(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電 機的旋轉角度。 圖 24 步進電機驅動系統(tǒng) 在上圖中控制系統(tǒng)還不完整，還要有脈沖信號源整個步進電機系統(tǒng)才能運轉起來。脈沖數(shù)增加，角位移 （或線位移）隨之增加；脈沖頻率高，則步進電機的旋轉速度就高，反之則 低；脈沖頻率變化越快，步進電機的加速度越大，反之越小；分配脈沖的相 序改變后，步進電動則反轉。 步進電動機，也叫脈沖電動機或電脈沖馬達，是一種將電脈沖信號轉換 成相應的角位移或線位移的控制電機。 Y 向滾動直線導軌副選擇 1． 各滾動載荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝130*＝ 2． 將目標壽命換算為 km 壽命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，開機率 80% 算，預期壽命時數(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． 額定動載荷 18 山東建筑大學網絡教育學院畢業(yè)論文 查表得 f t ＝1，f c ＝，f a ＝，f w ＝1，取 f h ＝1。 試驗值、文獻分析的數(shù)值和ANSYS分析值的對比鋼框架極限承載力（KN）柱頂位移（mm）誤差（％）試驗值承載力誤差柱頂位移誤差文獻[] 的值本文分析值 2．2 開環(huán)運動控制系統(tǒng)的工作原理 X 向滾動直線導軌副 1. 各滾動載荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝130*＝ 2. 將目標壽命換算為 km 壽命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，開機率 80%計 17 山東建筑大學網絡教育學院畢業(yè)論文 算，預期壽命時數(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． 額定動載荷 查表得 f t ＝1，f c ＝，f a ＝，f w ＝1，取 f h ＝1。 圖 23 工作臺半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 上述的三種控制系統(tǒng)中，開環(huán)控制的工作臺運動比較穩(wěn)定，反應快，調 試方便，維修簡單，但控制精度較低，這類控制系統(tǒng)多為經濟型；而閉環(huán)控 制的工作臺的控制精度高，適合對運動的精密控制，但需要增加速度檢測元 件和位置檢測檢測元件，這樣使控制系統(tǒng)變得復雜，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。 圖23系統(tǒng)框圖由于閉環(huán)的環(huán)路內不包括絲杠、螺母副及工作臺。位置檢測裝置安 裝在工作臺上，用以檢測工作臺的實際位置，并與上位機輸出的指令位置進 行比較，用差值進行控制，其程序框圖如圖 22 所示。 Y 向滾動直線導軌副選擇 1． 各滾動載荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝130*＝ 2． 將目標壽命換算為 km 壽命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，開機率 80% 算，預期壽命時數(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． 額定動載荷 18 山東建筑大學網絡教育學院畢業(yè)論文 查表得 f t ＝1，f c ＝，f a ＝，f w ＝1，取 f h ＝1。由上位機（控制 單元）輸出的指令脈沖經驅動電路的功率放大，驅動步進電動機轉動，再經 傳動機構帶動工作臺移動。一般來說，XY 工 作臺的運動控制系統(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 向采用步進或伺服電機，通過齒輪減速器（降低速度、放大動力）和滾珠 絲杠傳動，驅動工作臺作 X－Y 向的運動。由上位機（控制 單元）輸出的指令脈沖經驅動電路的功率放大，驅動步進電動機轉動，再經 傳動機構帶動工作臺移動。一般來說，XY 工 作臺的運動控制系統(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 搭建雙坐標運動控制系統(tǒng)所用的設備 實現(xiàn)雙坐標運動平臺基本運動控制所需的器材： 1. 工業(yè)計算機一臺； 2 山東建筑大學網絡教育學院畢業(yè)論文 2. 美國 NI 公司 4 軸步進電機控制卡 PCI－7134 一塊、UMI－7764 接線 盒一個以及專用電纜 SH68－C68－S 一根； 3. 南京順康數(shù)碼科技有限公司生產的 SZHT3030 雙坐標工作臺一座； 4. 北京四通公司生產的 90BYG550B 五相混合式步進電機及其驅動器 SH －50806B 兩套； 5. 5V 直流穩(wěn)壓電源一個、80VAC 驅動器電源兩個； 6. 連線若干。 Mechatronics 是 Mechanics（機械學）和 Electronics（電子學）的復合詞。開環(huán)運動控制計算機文化基礎設計方案 1．1 課題背景 微電子技術、計算機技術特別是微型計算機技術的迅速發(fā)展，促進了電 子技術、檢測傳感器技術、自動控制技術、計算機技術和機械技術等多種技 術相互交叉、滲透與融合。機電一體化（Mechatronics）這一復合型邊緣學 科在這種背景下便應運而生。機電一體化是機械工程領域發(fā)展的必然 趨勢，它包括機電一體化技術和機電一體化產品(或系統(tǒng)). 機電一體化產品構成 1．2 設計任務說明 在本次設計中，我們所要解決的問題及任務有： 1. 對雙坐標運動控制系統(tǒng)進行總體設計，確定可行的設計方案； 2. 對系統(tǒng)機械傳動部分進行設計，根據(jù)滾珠絲杠和滾動直線導軌的設 計、選擇，最終確定工作臺的選型； 3. 對系統(tǒng)執(zhí)行裝置（電機及驅動器）的選擇； 4. 對系統(tǒng)控制部分進行設計、 選擇， 確定所需的運動控制器及其配件； 5. 了解市場行情，聯(lián)系購買所需的實驗設備； 6. 進行系統(tǒng)硬件的連接以及工作臺的調試； 7. 對工作臺進行測繪，用 CAD 繪制工作臺 A0 裝配圖 1 張、A3 零件圖 3 張； 8. 編寫 LabVIEW 程序，實現(xiàn)對雙坐標工作臺的運動控制。 3 山東建筑大學網絡教育學院畢業(yè)論文 工作臺的運動控制系統(tǒng)是將機械 系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)與電子系統(tǒng)結合而形成的一個有機整體。 工作臺的開環(huán)控制，這類控制不帶位置檢測反饋裝置。第 2 章 雙坐標運動控制系統(tǒng)的總體設計 2．1 XY 工作臺控制系統(tǒng)簡述及控制方案選擇 滾珠絲杠副的選擇 X－Y 工作臺是指能分別沿著 X 向和 Y 向移動的工作臺。工作臺的運動控制系統(tǒng)是將機械 系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)與電子系統(tǒng)結合而形成的一個有機整體。 工作臺的開環(huán)控制，這類控制不帶位置檢測反饋裝置。見圖 21。 額定動載荷 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 直線滾動導軌副， 該導軌副的 ca ＝, coa ＝ 圖2—1 受力分析圖示 工作臺開環(huán)控制系統(tǒng)框圖 工作臺的閉環(huán)控制 這類控制帶有位置檢測反饋裝置。 4 山東建筑大學網絡教育學院畢業(yè)論文 圖 22 工作臺閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 工作臺的半閉環(huán)控制，是將檢測元件安裝在電機的端頭，見圖 23。所以可以獲得比較穩(wěn)定的控 制特性。 鑒于開環(huán)控制系統(tǒng)的成本較低，維修簡單，在合理選用步進電機的情況 5 山東建筑大學網絡教育學院畢業(yè)論文 下，又能滿足精度的要求，我們所設計的 XY 工作臺的運動控制系統(tǒng)選用了 開環(huán)控制系統(tǒng)。 額定動載荷 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 直線滾動導軌副， 該導軌副的 ca ＝, coa ＝。 額定動載荷 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 直線滾動導軌副， 該導軌副的 ca ＝, coa ＝ 要實現(xiàn)對 XY 工作臺的開環(huán)控制，即位置控制和速度控制，也就是要實現(xiàn)對其驅動裝置步進電機的位移和速度控制。 對步進電機送入一個控制脈沖，其轉 軸就轉過一個角度或者移動一個直線位移，稱為一步。 步進電機驅動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制 步進電機驅動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制，它由兩大部分組成，即：步 進電機+驅動器，如圖 24 所示。 圖 25 完整的步進電機驅動系統(tǒng) 在實際中，步進電機驅動器要求的控制信號要復雜一些，舉例如 26 所示： 圖 26 驅動器的控制信號 驅動器要求的脈沖信號一般為 TTL 電平兼容的方波信號， 而步距角選擇 和電機使能信號為 TTL 電平信號，如圖 27 所示。根據(jù)應用需要，我們選用了 NI 公司的 MotionControl 系列的 步進控制板卡 PCI－7314 組成給更復雜的步進電機控制系統(tǒng)，見圖 28。 8 山東建筑大學網絡教育學院畢業(yè)論文 圖 21 XY 工作臺的開環(huán)運動控制系統(tǒng) 上位機：上位機（工業(yè)計算機或 PC 機）通過控制軟件對電機控制卡進 行讀寫操作，可向控制卡發(fā)送位置、速度、加速度命令。 步進電機驅動器：步進電機驅動器根據(jù)接收到的脈沖信號，產生多拍節(jié) 脈沖驅動信號控制步進電機旋轉。 額定動載荷 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 直線滾動導軌副， 該導軌副的 ca ＝, coa ＝。 額定動載荷 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 直線滾動導軌副， 該導軌副的 ca ＝, coa ＝ 要實現(xiàn)對 XY 工作臺的開環(huán)控制，即位置控制和速度控制，也就是要實現(xiàn)對其驅動裝置步進電機的位移和速度控制。 對步進電機送入一個控制脈沖，其轉 軸就轉過一個角度或者移動一個直線位移，稱為一步。 步進電機驅動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制 步進電機驅動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制，它由兩大部分組成，即：步 進電機+驅動器，如圖 24 所示。 圖 25 完整的步進電機驅動系統(tǒng) 在實際中，步進電機驅動器要求的控制信號要復雜一些，舉例如 26 所示： 圖 26 驅動器的控制信號 驅動器要求的脈沖信號一般為 TTL 電平兼容的方波信號， 而步距角選擇 和電機使能信號為 TTL 電平信號，如圖 27 所示。根據(jù)應用需要，我們選用了 NI 公司的 MotionControl 系列的 步進控制板卡 PCI－7314 組成給更復雜的步進電機控制系統(tǒng)，見圖 28。 8 山東建筑大學網絡教育學院畢業(yè)論文 圖 21 XY 工作臺的開環(huán)運動控制系統(tǒng) 上位機：上位機（工業(yè)計算機或 PC 機）通過控制軟件對電機控制卡進 行讀寫操作，可向控制卡發(fā)送位置、速度、加速度命令。 步進電機驅動器：步進電機驅動器根據(jù)接收到的脈沖信號，產生多拍節(jié) 脈沖驅動信號控制步進電機旋轉。 滾珠絲杠副和滾動直線導軌副，具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、結 構緊湊、通用性強等優(yōu)點。 滾珠絲杠摩擦系數(shù) ? ＝，X 向工作臺在 Y 向工作臺上滾動，設二 者質量分別為 mx ＝30kg， my ＝30kg，設工作臺上所放物體的最大質量 m＝ 50kg。兩個方向的行程均較短，位置精度較低， 故滾珠絲杠副預選采用一端固