武汉理工大学设计说明书.docx
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武汉理工大学设计说明书
武汉理工大学
毕业设计（论文）
自动输送控制系统开发
学院（系）：
机电工程学院
专业班级：
机自专业0701班
学生姓名：
张雅
指导教师：
卢红
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
年月日
学位论文版权使用授权书
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本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书
2、不保密囗。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
年月日
导师签名：
年月日
2自动输送系统概述6
2.2输送电机的驱动9
2.3GALIL运动控制卡的介绍11
2.4自动输送控制系统方案设计12
3、输送系统的硬件设计15
3.1自动输送系统硬件接线图15
3.2步进电机的选型及校核16
3.3运动控制卡的选择21
4、输送系统的软件设计22
4.1应用软件LABVIEW介绍22
4.2LABVIEW中数据采集系统的设计22
4.3主程序的设计23
4.4Sub子VI的设计28
4.5、自动输送系统运动仿真29
4.5、总结与展望33
摘要
自动输送系统在工业制造领域发挥了巨大的作用，本设计所采用的自动输送装置主要应用于自动矫直机的工件输送系统中。
自动矫直机的输送需要较精密仪器控制，控制电机选择混合式步进电机。
该设计采用Galil运动控制卡控制，通过PXI总线，信号接口板与步进电机驱动器相连，步进电机驱动器驱动步进电机，进行工件输送。
光幕传感器通过接受和发送信号给运动控制卡，由运动控制卡控制步进电机的启停顺序和速度控制。
本设计特色为自动输送系统上的控制面板采用LABVIEW软件编写，通过运用LABVIEW图形编程语言设计步进电机的简单控制系统，整个自动输送控制系统采用LABVIEW进行仿真分析，以此判断设计的可行性。
本系统的设计为虚拟仪器的设计寻找了一种普遍的方法。
关键词：
自动输送；步进电机；Galil控制卡；LABVIEW
Abstract
Automatictransmissionsystemshaveplayedahugeroleinthefieldoftheindustrialmanufacturing.Theautomatictransmissiondeviceinthisdesignismainlyusedintheworkpiececonveyorsystemofautomaticstraighteningmachine.
TheAutomaticstraighteningmachinesrequiremorepreciseinstruments,thecontrolmotorschoosethehybridsteppingmotors.ThedesignusesaGalilmotioncontrolcard,throughthePXIbus,thesignalinterfaceboardtobeconnectedwiththesteppermotordriver.Steppermotorcontrollersdrivesteppermotorstoconveytheworkpiece.Throughreceivingandsendingsignalstothemotioncontrolcardbythelightscreensensors,themotioncontrolcardcancontrolthestart-stopandthespeedofsteppermotors.
ThedesignfeatureisthatthecontrolpaneloftheautomatictransmissionsystemisdesignedwiththesoftwareLABVIEW.WecandesignasimplesteppermotorcontrolsystemthroughusinggraphicalprogramminglanguageLABVIEW.TheautomatictransmissioncontrolsystemissimulatedusingLABVIEW,tojudgethefeasibilityofthedesign.Thedesignofthesystemistofindacommonapproachforthevirtualinstrument.
KeyWords：
automatictransmission；steppermotor；Galilmotioncontrolcard；LabVIEW
1绪论
当今的工业产品几乎是大批量生产制造，自动输送系统发挥了巨大的重要性。
自动输送系统相对于手动操作不仅极大的提高了生产效率，而且减少了工人的劳动强度。
流水线的工作离不开自动输送系统，所以建立完备、易于操纵、稳定的自动输送系统在如今的制造领域是不可或缺的。
本文中自动输送装置为自动矫直机的工件输送部分，输送电机采用四相四拍步进电机控制，通过双链轮传动装置驱动输送辊道。
步进电机采用相应的驱动控制器，运动控制卡采用美国Galil运动控制卡控制各个电机轴。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行元件。
它是由电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的控制电机。
它可以看作是一种特殊运行方式的同步电动机。
每输入一个脉冲，步进电机就移动一步。
这种电动机的运动形式与普通迅速旋转的电动机有一定的差别，它是步进式运动的，所以称为步进电动机。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，因此广泛应用于机械、电子等精密控制。
步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度，改变脉冲输入频率，相应在单位时间内电机转动的角度就发生改变，从而实现了对电机速度的控制；改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，转子所受的磁力矩方向改变，就可以达到控制步进电机正反转的目的。
步进电机必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
双环形脉冲信号可以分配各相绕组的通电电流，而功率驱动电路是放大控制卡发送的脉冲信号，才能控制步进电机。
步进电机能够快速起动、停止以及频繁的定位动作，精度比较高且不积累，能在较高的温度环境下正常工作，也能在低速时正常运转。
和其它的电机相比具有比较明显的优势，但主要的不足是效率较低，而且不易控制。
对于自动输送控制系统的开发，传统的步进电机控制系统用PLC或者单片机控制步进电机，不仅电路复杂，控制精度不高，硬件连接后不易调整、灵活性差，不能实时满足用户对控制系统的要求，而且编程比较困难，开发周期长，非专业技术人员不易掌握。
因此，传统的步进电机系统具有很大的局限性，已经不能满足时代发展的要求。
本设计采用Galil运动控制卡，工作稳定，精度高，开发简单，最主要原因是矫直机系统控制模块复杂，用DMC-2163Galil独立式运动控制卡将使控制灵活、简单、高效。
Galil运动控制卡是一款马达运动控制卡，目前使用较多的是DMC-21x3独立型运动控制器。
DMC-21x3独立型运动控制器是GALIL公司Optima家族中的一员，它带有Ethernet及RS232通信接口，能够使局域网上的任意数量的计算机硬件装置（如I/O模块，MMI接口，PC，PLC及视觉系统）之间实现方便、高速、长距离通信。
DMC-21x3控制1~8轴伺服电机或步进电机或二者任意结合，体积小，安装方便，直接输入24V电源。
在自动输送控制系统上国内外差距如下：
（1）驱动方式我国为调速型液力偶合器和硬齿面减速器，国外传动方式多样，如BOSS系统、CST可控传动系统等。
（2）监控装置国外输送机已采用高档可编程序控制器PLC。
我国输送机仅采用了中档可编程序控制器来控制输送机的启动、正常运行、停机等工作过程。
我国输送机仅采用了中档可编程序控制器来控制输送机的启动、正常运行、停机等工作过程。
虽然能与可控启（制）支装置配合使用，达到可控启（制）动、带速同步、功率平衡等功能，但没有自动临近装置，没有故障诊断与查询等。
（3）输送机保护装置国外带式输送机除安装防止输送带跑偏、打滑、撕裂、过满堵塞、自动洒水降尘等保护装置外，近年又开发了很多新型监测装置：
传动滚筒、变向滚筒及托辊组的温度监测系统；烟雾报警及自动消防灭火装置；纤维织输送带纵撕裂及接头监测系统；防爆电子输送带秤自动计量系统。
这些新型保护系统我国基本处于空白。
现在的步进电机系统多数选用LabVIEW软件对步进电机进行控制。
LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发。
开发环境类似于C语言的开发环境。
使用这种语言编程时，基本上不用写程序代码，取而代之的是流程图或框图。
它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，有一个完成任何编程任务的通用的庞大函数库。
LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。
LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。
因此LabVIEW是一个面向最终用户的工具。
用户可以基于对LabVIEW软件比较熟悉的前提下根据自己的需要设计相应的程序以实现相应的功能，以达到设计自己需要的仪器的目的，本系统方案拟用LabVIEW软件对步进电机进行正反转的控制，并且将数据实时显示，以取得良好的控制效果。
以此了解虚拟仪器的开发过程，为以后虚拟仪器的设计打下一定的基础。
本设计为数控矫直机中的工件自动输送控制系统。
在矫直机工作过程中，首先由输入输送辊道将工件运送到加工工位，当光幕A探测到工件时，输入辊道停止运行，由夹头A将工件运送到准确工位。
矫直完成后，夹头B将工件输送出去，当光幕B探测到工件时，输出辊道工作，将矫直好的工件运送出去。
如图1.1所示：
1.1矫直机工作原理图
该系统采用工业控制计算机，Galil运动控制卡，信号接口板，通过PCI总线与步进电机相连。
输送机采用两相步进电机驱动，它可以在宽广的频率范围内，通过改变脉冲频率来实现调速，快速启停，正反转等。
步进电机和驱动控制器配合使用，驱动控制器用来放大脉冲信号，细分步进电机的脉冲和分配脉冲。
工控机上的操作界面采用Labview编写，步进电机的运动控制使用NI公司的Galil运动控制卡控制，采用虚拟仪器技术labview图形编程语言设计步进电机的简单控制系统，由Labview设计的系统具有控制灵活，人机交互性强，界面友好，操作性方便等特点。
本设计的预期目标：
采用GalilDMC运动控制卡和信号端口板控制步进电机，通过来自光电传感器检测的信号实现电机的启动和停止。
步进电机通过减速器，采用圆锥齿轮传动，驱动辊道输送工件。
通过改变控制卡发送脉冲的频率，对步进电机实行多档调速。
改变步进电机驱动器上脉冲通电顺序，实现正、反转。
工件输送过程中，碰到传感器A，传感器马上发送信号，中断输送给步进电机的脉冲；当工件碰到传感器B，传感器马上发送信号，重新输送给步进电机脉冲，从而实现辊道电机的启停。
2自动输送控制系统概述
通常步进电机系统大致可以分为控制模块、接口模块、驱动模块和步进电机四部分，它们相互联系密不可分。
如图所示：
图2.1步进电机系统框图
2.1输送电机概述
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置仅取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等优点，使得在速度、位置等控制领域步进电机运用的非常广泛而且控制起来也相对简单。
因此，步进电机广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠的获得较高的位置精度。
2.1.1步进电机的分类
步进电机的品种规格很多，按结构特点可大致分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。
步进电机主要结构类型如表2.1所示：
表2.1步进电机结构类型
旋转电机
反应式步进电机（VariableReluctance）
永磁式步进电机（PermanentMagnet）
混合式步进电机（Hybrid）
直线电机
VR型
PM型
HB型
图2.2三种结构类型的步进电机
由上图可以看出，反应式步进电动机在结构上，定子上有多相绕组、定子磁极，转子上开有小齿，反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出。
其主要优点是结构简单，成本低，坚固耐用;齿距角可以做得很小，步进角一般为1.5度，缺点是噪声和振动都很大，起动和运行频率较高，断电时无定位力矩，需用带电定位，消耗功率大，效率较低。
永磁式步进电动机转子为永磁体，要想减小步距角，可以通过增加转子的磁极数以及定子的齿数来实现。
但转子要制成N-S相间的多对磁极较为困难，而且定子的极数也必须相应增加，线圈数也相应增加，这将受到定子空间的限制，比较困难。
所以，永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般都比较大，步进角一般为7.5度或15度。
同时，其起动和运行频率较低，断电时有定位力矩，输出力矩大，消耗功率小，动态性能好。
混合式步进电动机综合了反应式步进电动机和永磁式步进电动机的相关性质。
混合式步进电动机的转子采用永磁体，某种程度是一种永磁式步进电动机，而同时定转子的铁芯均为齿状结构，具有很小的步距角，故又同反应式步进电动机结构相似，新型步进电机驱动电路的研制。
所以混合式步进电动机可以看作是VR和PM两种步进电动机的组合。
从转矩作用原理来看，混合式步进电动机可看作是定子磁势与转子永磁体相互作用的结果。
因而，混合式步进电机具有反应式步进电机和永磁式步进电机的双重优点。
2.1.2步进电机的工作原理
步进电机是由一组缠绕在电机固定部件——定子齿槽上的线圈驱动的。
一般情况下，一根表面涂有绝缘漆的金属丝绕成圆筒状叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则通常叫做线圈、或相。
现在我们以四相反应式步进电机为例对步进电机的工作原理作进一步阐述。
如下图1.4所示，该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。
图2.3四相步进电机步进示意图
开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，根据前面的安培定则和右手定则，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时由于定子一个圆周内均匀地分布八个齿，而转子一个圆周内均匀地分布六个齿，所以转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿就和C相绕组的磁极对齐。
同理0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子就会沿着逆时针方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等，但由于矢量叠加原理，单四拍的转动力矩比双四拍的转动力矩要小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.4左、中、右所示：
表2.2四相电机通电顺序
通电顺序
单四拍
A
B
C
D
双四拍
DA
AB
BC
CD
八拍
DA
A
AB
B
BC
C
CD
D
图2.4步进电机工作时序波形图
2.1.3步进电机的细分和正反控制
步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，同时也可以提高电机的运转精度。
通常情况下，步距角的大小只有两种，整步和半步，可达到的细分数很有限。
因此，在运行步进电机运行过程中需要细分。
步进电动机的细分驱动从本质上讲，就是通过控制步进电动机各相绕组中的电流，使其按一定的规律阶梯上升或下降，从而获得从零到最大相电流之间的多个稳定的中间电流状态，从而减弱电流变化的强度，相应地，内部的磁场矢量也就存在多个中间状态，这样各相的合成磁场也将有多个稳定的中间状态，并且转矩的大小也由合成磁场矢量的幅值决定，相邻两条合成磁场矢量的夹角可以影响微步距的大小。
转子沿着这些中间状态以微步距转动，电流分了多少个台阶，则转子就可以以同样的次数转过一个步距角，实现了步进电机步距角的细分。
这种将原先的一个步距角细分成若干步的驱动方法，称为细分驱动。
步进电机的正反转控制显得比较简单，只需将步进电机的通电顺序颠倒即可。
由前面介绍的步进电机的工作原理可知，现以四相四拍的电机的工作方式为例，若按照DA—AB—BC—CD—DA的通电顺序给A、B、C、D四相提供输入脉冲，步进电机就沿逆时针方向旋转，每步转过的角度是1.8度。
如果想实现步进电机的反向旋转，只需要按照DA—CD—BC—AB—DA顺序通电即可，这时电机顺时针旋转，从而实现了对电机的正反转控制。
2.2输送电机的驱动
步进电机与其它的电机不同，在使用控制过程中，步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统控制。
它的工作原理是利用电子电路，用环形分配器等为步进电机提供多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电。
其方框图如下：
图2.5步进电机驱动图
一、脉冲信号的产生
脉冲信号一般可以由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，需要的脉冲信号占空比就越大。
二、信号分配
我们可以通过环形分配器将信号处理成我们想要的信号。
其实现方法有三种，一种是采用计算机软件，利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配，简称软环分，该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点，但是软件分配占用计算机的运行时间，故会使插补一次的时间增加，影响步进电机的运行速度；第二种时采用小规模集成电路搭接而成的环形脉冲分配器，这种方式灵活性很大，可搭接任意相，任意通电顺序的环形分配器，同时在工作是不占用计算机的工作时间；第三种是采用专用的环形分配器，该方法使用方便，接口简单。
以四相的感应子式步进电机为例，四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-DA-A,（步距角为0.9度）。
三、功率放大
功率放大部分也是驱动系统中非常重要的部分。
从控制卡输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电机运转。
由于步进电机各相绕组都是绕在铁芯上的线圈，所以电感较大，绕组通电时，电感中磁场的储能元件将维持绕组中已有的电流而不能改变。
步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。
平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。
因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：
恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
为尽快提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。
例如SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：
图2.6步进电机驱动器接线图
说明：
CP接cpu脉冲信号（低电平有效）DIR方向控制
FREE脱机驱动电源不工作OPTO接cpu+5V
2.3Galil运动控制卡的介绍
Galil运动控制卡是一款马达运动控制卡，目前使用较多的是DMC-21x3独立型运动控制器。
DMC-21x3独立型运动控制器是GALIL公司Optima家族中的一员，它带有Ethernet及RS232通信接口，能够使局域网上的任意数量的计算机硬件装置（如I/O模块，MMI接口，PC，PLC及视觉系统）之间实现方便、高速、长距离通信。
DMC-21x3控制1~8轴伺服电机或步进电机或二者任意结合，体积小，安装方便，直接输入24V电源。
用2字符直观易懂的命令及全套支持软件工具（如WSDK伺服调整、分析，ActiveX针对VB、C-Programmers、C++及LABVIEW）使得二次开发异常简单。
图2.7GalilDMC-21x3运动控制卡及驱动器
其产品规格如下：
系统处理器：
32-BitMotorola68331SeriesMicrocomputer
通讯方式：
以太网10base-T和RS232，Ethernet支援多组主控装置及多组受控装置,并支援TCP/IP,UDP及ModBus协定。
运动模式：
点对点定位、速度控制、2D线性及圆弧插补、角刀跟随，可达八轴线性插补，位置追踪、螺旋模式、多组主控装置电子齿轮、电子凸轮、龙门同步模式、连续路径运动、示教模式
存储器：
记忆容量：
4MegRAMand4MegFlashEEPROM，变量个数：
254
数组大小：
8000个数组,可设定30个数组。
滤波器：
PID及速度及加速度前馈、凹陷滤波器，低通滤波器，速度平稳功能消除加速度之陡变（jerk）、极限扭力限制、补偿调整、压电陶瓷马达（piezo-ceramicmotors）控制选项。
运动参数：
单次位移：
32bit（每次运动可达±21.5亿编码器脉冲，自动更新，无限延续之速度控制及向量模式）
速度:
伺服每秒可高达1200万编码器脉冲
加速度:
每秒平方可高达6700万个编码器脉冲
任一轴均可控制步进或伺服马达，接收12MHz伺服编码器反馈信号；
16位DAC速度指令输出，3MHz步进电机命令（脉冲+方向）；
无刷伺服电机正弦波换向控制；多任务：
8个应用程序同时执行
输入输出I
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