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I天津职业技术师范大学师范技能训练作业机械设计专业：机械制造工艺教育班级学号：03310111320学生姓名：欧阳凯旋II论文题目：双坐标运动控制系统设计及实现学科专业：机械工程及自动化摘要双坐标运动平台，也即X－Y工作台，是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。在经济型数控车床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统以及平面绘图仪的绘图系统等中，X－Y工作台都有着广泛的应用。本文所设计的双坐标运动控制系统是一个典型的机电一体化系统。该系统是以微型计算机（PC）为平台、4轴步进电机运动控制卡PCI－7314为核心的开环运动控制系统，系统采用了步进电机及其驱动器作为执行装置。其控制原理是计算机通过控制软件对电机控制卡进行读写操作，向控制卡发送位置、速度以及加速度命令；然后由控制卡产生脉冲序列，输出到驱动器；驱动器则根据接受到的脉冲信号，产生脉冲驱动信号控制步进电机旋转；最后由电机带动丝杠驱动工作台运动。本文采用LabVIEW作为控制步进电机的编程软件，实现了单轴的点位运动、连续运动以及双轴的直线插补运动控制，并提出了实现圆弧插补运动的思想。关键词：X－Y工作台，开环运动控制，步进电机，运动控制卡，LabVIEWIII目录第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……………………………………42.1X-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……………………………………………………103.1.1X向滚珠丝杠副的选择………………………………………103.1.2Y方向滚珠丝杠副的选择……………………………………143.2滚动直线导轨副的选择……………………………………………173.2.1X向滚动直线导轨副选择……………………………………173.2.2Y向滚动直线导轨副选择……………………………………183.3X－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……………………………………………………224.1.1X向步进电机的选择…………………………………………224.1.2Y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……………………………………………356.1.2LabVIEW的简介及组成………………………………………366.1.3LabVIEW的应用………………………………………………376.2基于LabVIEW的运动控制的实现…………………………………386.2.1LabVIEW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………………………43第7章总结……………………………………………………………………51参考文献………………………………………………………………………53I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2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；32.美国NI公司4轴步进电机控制卡PCI－7134一块、UMI－7764接线盒一个以及专用电缆SH68－C68－S一根；3.南京顺康数码科技有限公司生产的SZHT3030双坐标工作台一座；4.北京四通公司生产的90BYG550B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；6.连线若干。4第2章双坐标运动控制系统的总体设计2．1X-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Y向移动的工作台。其工作原理是X、Y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。上位机驱动器步进电动机工作台指令脉冲图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。5上位机位置比较电路速度控制电路伺服电动机工作台指令值位置反馈速度反馈＋－图2-2工作台闭环控制系统框图工作台的半闭环控制，是将检测元件安装在电机的端头，见图2-3。由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及工作台。所以可以获得比较稳定的控制特性。上位机位置比较电路速度控制电路伺服电动机工作台指令值角位置反馈速度反馈＋－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6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。步进电机驱动器步进电机AC电源脉冲信号图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7运转起来。步进电机驱动器步进电机AC电源脉冲信号脉冲信号源图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：正转（CW）脉冲信号反转（CCW)脉冲信号步距角选择输入电机使能输入信号地图2-6驱动器的控制信号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：4.5-5V脉冲个数决定了步进电机的旋转步距角数脉冲频率决定了电机的转速8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。上位机（含4轴步进控制卡）步进电机驱动器步进电机步进电机驱动器步进电机X-Y工作台PC总线AC电源步进电机驱动器步进电机脉冲信号脉冲信号步进电机控制卡步进电机控制卡上位机9图2-1X-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。10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＝0.005，X向工作台在Y向工作台上滚动，设二者质量分别为xm＝30kg，ym＝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，Y方向的行程均为300mm，最高运行速度v＝2m/min；我们设进给时X，Y向速度相等；工件