开环运动控制计算机文化基础设计方案Word文档下载推荐.docx

1、 12 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。 13

2、 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； 2 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 2. 美国 NI 公司 4 轴步进电机控制卡 PCI7134 一块、UMI7764 接线 盒一个以及专用电缆 SH68C68S 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。 3 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 工作台的运动控制系统是将机

3、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。第 2 章 双坐标运动控制系统的总体设计 21 X-Y 工作台控制系统简述及控制方案选择2.1.1 滚珠丝杠副的选择 XY 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

4、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。见图 2-1。2.1.2 Y 向滚动直线导轨副选择 1 各滚动载荷 P 1 = P2 = P3 = P4 130*9.8/4318.5N 2 将目标寿命换算为 km 寿命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，开机率 80% 算，预期寿命时数 L h 10*300*2*8*0.838400h L= 2ls ns *60 Lh /103 2*0.3*5*60*38400/10 3 6912km ls 最大行程 3 额定动载荷 18 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 查表得 f t 1，f c

5、0.81，f a 0.9，f w 1，取 f h 1。 额定动载荷 ca f w pc 1*0.3185 3 6912 L *3 2.26kN f h ft f c f a K 1*1*0.81*0.9 50 查表选用 GGB16-AA2P 1 2*1000*E 直线滚动导轨副， 该导轨副的 ca 7.4KN, coa 11.2Kn 图21 受力分析图示2.1.3 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。 4 山东建筑大学网络

6、教育学院毕业论文 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。 图2-3系统框图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。 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

7、的成本较低，维修简单，在合理选用步进电机的情况 5 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 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。表2.2 试验值、文献分析的数值和ANSYS分析值的对比钢框架极限承载力（KN）柱顶位移（mm）误差（）试验值25.2176.5663承载力误差柱顶位移误差文献2.16 的值23.9572.75194.9984.982本文分析值24.4674.31142.97502.9451 22 开环运动控制系统的工作原理 2.2.1 X 向滚动直线导轨副 1. 各滚动载荷 P 1 = P2 = P3 = P4 130*9.8/4318

8、.5N 2. 将目标寿命换算为 km 寿命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，开机率 80%计 17 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 算，预期寿命时数 L h 10*300*2*8*0.838400 h L= 2ls ns *60 Lh /103 2*0.3*5*60*38400/10 3 6912km ls 最大行程 3 额定动载荷 查表得 f t 1，f c 0.81，f a 0.9，f w 1，取 f h 1。 额定动载荷 ca f w pc 1*0.3185 3 6912 L *3 2.26kN f h ft f c f a K 1*1*0.81*0.9 50 查表选用

9、 GGB16-AA2P 1 2*1000*E 直线滚动导轨副， 该导轨副的 ca 7.4kN, coa 11.2kN。2.2.2 Y 向滚动直线导轨副选择 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

10、相 序改变后，步进电动则反转。2.2.3 步进电机驱动系统主要用于开环位置控制 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。 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运转起来。 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： 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。 步进电机旋转的脉冲信号 用普通脉冲频率发生器

11、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 PCI7314 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 PC 总线 上 位 AC 电源 机 脉冲信号 步进电机 步进电机控制卡 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。 8 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 图 2-1 X-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。 9 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 23 开环运动控制系统 2.2.2Y 向滚动直线导轨副选择