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1、计算机文化基础计算机文化基础作业题 目：院 （部）： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 目 录摘 要 III第 1 章 绪论 111 课题背景 11.1.1介绍 11.1.2 机电一体化产品构成 11.1.3市场行情 112 设计任务说明 113 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 221 X-Y 工作台控制系统简述及控制方案选择 22.1.1 滚珠丝杠副的选择 22.1.2 Y 向滚动直线导轨副选择 32.1.3 工作台开环控制系统框图 工作台的闭环控制 322 开环运动控制系统的工作原理 42.2.1 X 向滚动直线导

2、轨副 42.2.2 Y 向滚动直线导轨副选择 52.2.3 步进电机驱动系统主要用于开环位置控制 523 开环运动控制系统 62.2.1 X 向滚动直线导轨副 62.2.2Y 向滚动直线导轨副选择 62.2.3 步进电机驱动系统主要用于开环位置控制 7第 3 章 双坐标运动控制系统的机械系统设计 831 滚珠丝杠副的选择 83.1.1 X 向滚珠丝杠副的选择 83.1.2 Y 方向滚珠丝杠副的选择 93.1.3 脉冲 1132 滚珠丝杠副的选择 113.2.1 X 向滚动直线导轨副选择 113.2.2 Y 向滚动直线导轨副选择 113.2.3驱动器 1233 XY 工作台的定型 123.3.1

3、确定工作台的型号 123.3.2 步进电机 133.3.3 步进电机种类 14第 4 章 系统执行装置的设计与选择 1441 步进电机的选择 144.1.1 X向步进电机的选择 144.1.2 Y向步进电机的选择 154.1.3 所选电机类型 1642 步进电机驱动器的选择 164.2.1 步进电机驱动部分的组成 164.2.2 步进电机驱动器的选择 174.2.3 驱动器控制信号的设定 174. 3开环控制系统 184.3.1 选择 184.3.2 脉冲数 184.3.3 滚珠丝杠副的型号 21第 5 章 系统控制部分的设计及选择 2251 运动控制卡简述 225.1.1基于PC的运动控制卡

4、的作用 225.1.2 多轴运动的基本形式 245.1.3 驱动器控制信号的设定 2452 基于运动控制卡的运动形式 255.2.1 单轴运动的基本形式 255.2.2 多轴运动的基本形式 265.2.3 驱动器控制信号的设定 2653 运动控制卡的选择 265.3.1 选择合适的运动控制卡 265.3.2 功能特点的介绍 275.3.3 驱动器控制信号的设定 27第 6 章 基于 LabVIEW 的运动控制的实现 2761 虚拟仪器技术简介 276.1.1 虚拟仪器的概念 276.1.2 LabVIEW的简介及组成 286.1.3 LabVIEW的应用 2962 基于 LabVIEW 的运动

5、控制 296.2.1LabVIEW 在运动控制方面的应用 296.2.2 基于 LabVIEW 对双轴运动控制的实现 316.3常用的功率放大电路 336.3.1常用的功率放大电路 336.3.2 步进电机驱动器的选择 336.3.3执行装置 34第 7 章 总结 36参考文献 38摘 要 双坐标运动平台，也即 XY 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，XY 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

6、轴步进电机运动控制卡 PCI7314 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：XY 工作台；开环运动控制；步进电机；运动控制卡第 1 章 绪论 11 课题背景1.1.1介绍

7、 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). 1.1.2 机电一体化产品构成 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

8、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 I 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 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.

9、1.3市场行情通过对南京顺康 数码科技有限公司（以下简称南京顺康）和苏州钧信自动控制有限公司（以 下简称苏州钧信）等几家生产工作台的厂家的对比，发现南京顺康各种档位 的工作台，而苏州钧信只提供高精度的工作台。 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；

10、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 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 90BYG5

11、50B 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

12、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 XY 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。2.1.2 Y 向滚动直线导轨副

13、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 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 2.26k

14、N 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

15、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

16、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*9.8/4318.5N 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

17、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 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

18、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 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

19、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 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

20、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。 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

21、所示。 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 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

22、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 2.2.1 X 向滚动直线导轨副 1. 各滚动载荷 P 1 = P2 = P3 = P4 130*9.8/4318.5N 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，

23、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 GGB16-AA2P 1 2*1000*E 直线滚动导轨副， 该导轨副的 ca

24、 7.4kN, coa 11.2kN。2.2.2Y 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 0.81，f a 0.9，f w 1，取 f h 1。 额定动载荷 ca

25、 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 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

26、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。 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

27、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

28、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 第 3 章 双坐标运动控制系统的机械系统设计 31 滚珠丝杠副的选择3.1.1 X 向滚珠丝杠副的选择 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

29、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 mx 30kg， my 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 v2m/min；我们设进给时 X，Y 向速度相等；工件重量为 50kg,选用滚动直 线导轨，滚动摩擦系数0.005。两个方向的行程均较短，位置精度较低， 故滚珠丝杠副预选采用一端固定一端游动支承方式，丝杠精度

30、为 13 级， 丝杠螺母副材料硬度 HRC5860， 工作温度小于 100 0 C ， 可靠性要求为 96%。 1. 丝杠载荷 F 导轨摩擦力 丝杠载荷 F f Mg0.005*（3050）*9.8 = 3.92 N Fa F f 3.92 N 10 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 2. 丝杠转速 nmax 丝杠最大转速 nmax v/sv/ Ph 2000/5 = 400r/min 其中，v2m/min 为丝杠最大移动速度， Ph 5mm 为丝杠导程。 3. 初选滚珠丝杠副 （1）计算动负荷caj = Kh 1.44 Fa = *3.92 = 30.1N Kn f 0.46 *0.408

31、（2）寿命 Lh 由工作条件查得 （3）综合系数 f Lh 15000h， K h 1.44， K n 0.46 f = ft f h f a f k 1*1*1*0.53 = = 0.408 fw 1.3 查表得： f t 1， f h 1， f a 1 ， f w =1.3, f k 0.53 （4）滚珠丝杠副的型号 选用 FFZD 型内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杠副， 其型号为： FFZD2005，额定动负荷 ca 9 KN ；预紧力 F0 =0.25 ca 1 Fa ，满足要求。 3 2250N 4 丝杠螺纹部分长度 lu lu =工作台最大行程螺母长度两端余量， lu 300+100+2*24448 mm 5 支承距离 l 支承距离 l 应该大于丝杠螺纹部分长度 lu ，选取 l 540 mm 11 山东建筑大学网络教育学院