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开环运动控制计算机文化基础设计方案 11 课题背景1.1.1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). 1.1.2 机电一体化产品构成 1.1.3市场行情 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 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 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 2.26kN 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*9.8/4318.5N 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 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 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 2.26kN 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 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，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 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 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 （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毕业论文 6 临界转速 nc 校核 f22 * d2 3.927 2 *0.0164 nc = 9910 = 9910 = 13941r / min nmax ， 满 足 要 Lc 2 0.4242 求。 （1）丝杠底径 d 2 ：查表得 d 2 16.4 mm0.0164 m （2）支承方式系数 f 2 ，查表得 f 2 3.927 (3)临界转速计算长度 Lc Lc = 100 540 ? 448 + 300 + 24 + = 424mm = 0.424m 2 2 7压杆稳定性校核 临界压缩载荷 Fc 3.4*10 10 * f1d 24 =3.4*10 10 *2* 0.01644 /0.381 2 =3.39*10 4 N L2 0 (1)丝杠支承方式系数 f 1 (2)最大受压长度 L 0 查表得 f 1 2.00 L 0 （1.051.07）行程（1014） Ph 取 L 0 1.07 行程12 Ph 1.07*300+12*5381 mm0.381 m8预拉伸计算 9轴承的选择 查表，固定端采用 F 型轴端，轴承型号 36203，角接触球轴承需成对使 用，故固定端装两个轴承，面对面安装，游动端采用 A 型轴端，轴承 F-S 支承形式，无需预拉伸，因而不必进行预拉伸计算。 12 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 型号 202。 10. 定位精度校核 (1)丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移 s max = Fa l *106 = 3.92*0.54 /(4* *0.0164 * 2.1*1011 ) *106 4 AE 4 0.021 ? m (2)丝杠与螺母间的接触变形 c = Fa 3.92/5360.007 ? m Kc 查表得 FFZD2005 型滚珠丝杠副的接触刚度： K c 536 N/ ? m (3)轴承的接触变形 B 轴向弹性变形 B 0.0024* 3 Fa2 3.922 =0.0024* 3 =6.8*10 ?4 mm0.68 ? m Dw Z 2 4*132 滚珠数目 Z=13 (4)丝杠系统的总位移 = s max + c + B 0.021+0.007+0.68 0.771 ? m （5）定位精度 s max 发生在螺母处于丝杠中部的地方， c 和 B 与螺母的位置无 13 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 关。查表，取丝杠精度等级为 3 级，任意 300mm 的行程公差为 8 ? m ， 加上丝杠系统的总位移 0.771 ? m ， 位置误差为 8.771 ? m ， 能满足 0.1mm 的定位精度要求。3.1.2 Y 方向滚珠丝杠副的选择 1丝杠载荷 F 导轨摩擦力 丝杠载荷 2. 丝杠转速 nmax 丝杠最大转速 nmax v/sv/ Ph 2000/6=333.3 r/min F f Mg0.005*（30+30+50）*9.8=5.39 N Fa Ff 5.39 N 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 = *5.39 = 41.4 N Kn f 0.46 *0.408 （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， 14 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 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 2250N4 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 mm5. 支承距离 l 支承距离 l 应该大于丝杠螺纹部分长度 lu ，选 l 540 mm 6 临界转速 nc 校核 nc = 9910 f22 * d2 3.927 2 *0.0164 = 9910 = 13941r / min nmax ， 满 足 要 Lc 2 0.4242 求。 （1）丝杠底径 d 2 ： 查表得 d 2 16.4 mm0.0164 m （2）支承方式系数 f 2 ，查表得 f 2 3.927 （3）临界转速计算长度 Lc ： Lc = 100 540 ? 448 + 300 + 24 + = 424mm = 0.424m 2 2 7. 压杆稳定性校核 临界压缩载荷 Fc 3.4*10 10 * 3.39*10 4 N f1d 24 =3.4*10 10 *2*0.0164/0.381 2 = 2 L0 15 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 （1）支承方式系数 f 1 （2）最大受压长度 L 0 查表得 f 1 2.00 L 0 （1.051.07）行程（1014） Ph 取 L 0 1.07 行程12 Ph 1.07*300+12*5381mm0.381m 8. 预拉伸计算 9. 轴承的选择 查表，固定端采用 F 型轴端，轴承型号 36203，角接触球轴承需成对使 用，故固定端装两个轴承，面对面安装，游动端采用 A 型轴端，轴承 型号 202。 10. 定位精度校核 （1）丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移 F-S 支承形式，无需预拉伸，因而不必进行预拉伸计算。 s max = Fa l *106 = 5.39*0.54 /(4* *0.0164 * 2.1*1011 ) *106 4 AE 4 0.029 ? m （2）丝杠与螺母间的接触变形 c = Fa 5.39/5360.01 ? m Kc 查表得 FFZD2005 型滚珠丝杠副的接触刚度： K c 536 N/ ? m （3）轴承的接触变形 B 轴向弹性变形 Fa2 5.392 3 B 0.0024* =0.0024* =8.4*10 ?4 mm0.84 ? m 2 2 Dw Z 4*13 3 滚珠数目 Z=13 16 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 （4） 丝杠系统的总位移 = s max + c + B 0.029+0.01+0.84 0.879 ? m （5）定位精度 s max 发生在螺母处于丝杠中部的地方， c 和 B 与螺母的位置无关。 查表， 取丝杠精度等级为 3 级， 任意 300mm 的行程公差为 15 ? m ， 加上丝杠系统的总位移 0.6944 ? m ，位置误差为 15.6944 ? m ，能满 足 0.1mm 的定位精度要求。 32 滚动直线导轨副的选择 计算机控制的运动系统要求移动部件对指令做出快速响应的同时，还 要求有恒定摩擦阻力和无爬行现象，故采用滚动直线导轨。选用 GGB-AA 型滚动直线导轨（四方向等载荷型） ，两根导轨，每根导轨上两个滑块。 设工作台每分钟往复次数 n s =5,滚动直线导轨副目标寿命为 10 年，导轨 精度等级为 E 级3.1.3 脉冲 我们知道，步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或 直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增 量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲 频率。 32 滚珠丝杠副的选择3.2.1 X 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%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 7.4kN, coa 11.2kN。3.2.2 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 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 11.2Kn3.2.3驱动器 驱动器是把计算机控制系统提供的弱电信号放大为步进电机能够接受 的强电流信号，控制系统提供给驱动器的信号一般有两种设置方式：单脉冲 控制方式（step/dir）和双脉冲控制方式（cw/ccw）。 1. 单脉冲控制方式（step/dir） 步进脉冲信号（step）：驱动器没接受一个脉冲信号就驱动步进电机旋 转一个步距角，脉冲信号的频率和步进电机的速度成正比，脉冲信号的个数 就决定了步进电机的旋转角度。这样控制系统就可以通过脉冲信号就可以达 到电机调速和定位的目的。 28 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 方向电平信号（dir）：此信号控制电机的旋转方向。比如说，dir 信号 为高电平时电机正转，dir 信号为低电平时电机则反转。此种换向方式，我 们称之为单脉冲方式。 2. 双脉冲控制方式（cw/ccw） 此控制方式，驱动器接受两种脉冲信号正转（cw）和反转（ccw）， 当其中一路（如 cw）有脉冲信号，电机正转；当另一路（如 ccw）有脉冲信 号，电机反转。 双/单脉冲控制方式的设定可由驱动器面板“双/单脉冲”开关实现。 33 XY 工作台的定型 3.3.1确定工作台的型号 经过对 XY 工作台的关键部件滚珠丝杠和滚动直线导轨的设计及计算， 我们就可以根据丝杠和导轨的性能参数确定工作台的型号。 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。根据实验的设计要求，我们 最终选择了南京顺康的产品，性价比较高的 SZHT3030XY 工作台。其 外型尺寸均在附录三工作台的装配图中标出，技术指标如表 3-1 所示： 19 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 项 目 负载 定位精度 重复定位精度 台面运行平行度 运行直线度 X、Y 运行直角度表 3-1 工作台技术指标 指 标 50 kg 0.025 mm 0.003 mm 0.025 mm 0.015 mm 0.025 mm 20 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 1步进电机种类选择 混合式步进电机：与其他两种类型的步进电机相比，混合式步进电机 具有高转矩、高精度、步距角小、运行性能好等有点。 2步距角选择 = 3600 * i 3600 *1 = 0.01 = 0.720 S 5 此式是步距角 （ 0 ）的计算公式，式中S5 mm为丝杠螺距； 0.01mm/脉冲为脉冲当量； i 1为电机与丝杠之间的齿轮传动比，由 于本系统对电机速度要求不高，没有采用齿轮减速器，故传动比值取 为1。 4最大静态转矩 T j max 的选择 选择步进电机时，首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的 功率。所以，应先计算机械系统的负载转矩，且使步进电机的转矩大 于负载转矩，保证步进电机可靠运行。 TF = ( F + ?W ) S *10?3 600 + 0.005(30 + 30 + 50) = 5*10?3 = 0.53 Nm 2 i 2*3.14*0.9*1 式中， TF 为负载转矩（Nm）； F 为运动方向的阻抗切削力（N），设 为600N；? 0.005为导轨摩擦系数；W 503030110kg为工件 及工作台重量（略去电机自重）； 0.9为丝杠的传动效率； i 1 为系统的减速比。 3. 计算出的负载转矩 TF 应满足： 24 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 TF (0.2 0.4)T j max 对于相数较多、突跳频率要求不高时取系数大值；反之取小值。由于 从步距角 的计算得知 为 0.720 ，需选取五相混合式步进电机，同时 对电机的突跳频率要求不高，故系数取为0.4,由上式我们可计算得 T j max ： T j max 2.5TF = 1.325 Nm 由以上分析计算，我们初选北京四通公司的五相混合式步进电机 90BYG550B。 4启动频率 f q 的选择 步进电机在带负载启动时， 其启动频率会降低。 由于我们搭建的运动 平台对负载能力要求不高，故可按 f qF 0.5 f q 估算启动频率 f q 。我 们要求负载启动频率不超过1 KHz，就有 f q 2 KHz。所选电机 f q 2.7 KHz满足要求。3.3.2 步进电机 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定 速控制。 步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广 泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、 复印机、传真机等。永磁 式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5度 或15度；反 应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为1.5度，但噪 声和振动都很大，在欧美等发达国家80年代已被淘汰。混合式步进电机既有 永磁式步进电机特性，又有反应式步进电机的特性。一般来说，它又分为两 相和五相， 两相步距角一般为1.8度而五相步距角一般为 0.72度。 相对来说， 混合式步进电机具有高精度、高转矩、步距角小的优点。这种步进电机的应 用范围很广，特别是在办公自动化和工厂自动化中得到广泛应用。 选择步进电机时，应根据总体设计方案的要求，在满足技术性能的前提 21 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 下，综合考虑步进电机的参数。 通常需要考虑的问题有：步进电机的种类，步距角 ，最大静态转矩 T j max ，启动频率 f q 等的选择。3.3.3 步进电机种类 步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。 永磁 式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5度 或15度；反 应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为1.5度，但噪 声和振动都很大，在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进电机既有 永磁式步进电机特性，又有反应式步进电机的特性。一般来说，它又分为两 相和五相， 两相步距角一般为1.8度而五相步距角一般为 0.72度。 相对来说， 混合式步进电机具有高精度、高转矩、步距角小的优点。这种步进电机的应 用范围很广，特别是在办公自动化和工厂自动化中得到广泛应用。 选择步进电机时，应根据总体设计方案的要求，在满足技术性能的前提 21 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 下，综合考虑步进电机的参数。 通常需要考虑的问题有：步进电机的种类，步距角 ，最大静态转矩 T j max ，启动频率 f q 等的选择。第 4 章 系统执行装置的设计与选择 41 步进电机的选择 4.1.1 X向步进电机的选择 1步进电机种类选择 混合式步进电机：与其他两种类型的步进电机相比，混合式步进电机 具有高转矩、高精度、步距角小、运行性能好等有点。 X-Y工作台运动控制系统的执行装置是由步进电机和专用驱动器组成的 步进驱动系统。 2步距角选择 = 3600 * i 3600 *1 = 0.01 = 0.720 S 5 此式是步距角 （ 0 ）的计算公式，式中S5 mm为丝杠螺距； 0.01mm/脉冲为脉冲当量； i 1为电机与丝杠之间的齿轮传动比，由 于本系统对电机速度要求不高，没有采用齿轮减速器，故传动比值取 为1。 3最大静态转矩 T j max 的选择 选择步进电机时，首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的 功率。所以，应先计算机械系统的负载转矩，且使步进电机的转矩大 于负载转矩，保证步进电机可靠运行。 22 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 TF = ( F + ?W ) S *10?3 600 + 0.005(30 + 50) = 5*10?3 = 0.53 Nm 2 i 2*3.14*0.9*1 式中， TF 为负载转矩（Nm）； F 为运动方向的阻抗切削力（N），设 为600N； ? 0.005为导轨摩擦系数； W 503080kg为工件及工 作台重量（略去电机自重）； 0.9为丝杠的传动效率； i 1为系 统的减速比。 计算出的负载转矩 TF 应满足： TF (0.2 0.4)T j max 对于相数较多、突跳频率要求不高时取系数大值；反之取小值。由于 从步距角 的计算得知 为 0.720 ，需选取五相混合式步进电机，同时 对电机的突跳频率要求不高，故系数取为0.4,由上式我们可计算得 T j max ： T j max 2.5TF = 1.325 Nm 由以上分析计算，我们初选北京四通公司的五相混合式步进电机 90BYG550B。 4启动频率 f q 的选择 步进电机在带负载启动时， 其启动频率会降低。 由于我们搭建的运动 平台对负载能力要求不高，故可按 f qF 0.5 f q 估算启动频率 f q 。我 们要求负载启动频率不超过1 KHz，就有 f q 2 KHz。所选电机 f q 2.7 KHz满足要求。 4.1.2 Y向步进电机的选择 1步进电机种类选择 混合式步进电机：与其他两种类型的步进电机相比，混合式步进电机 具有高转矩、高精度、步距角小、运行性能好等有点。 2步距角选择 = 3600 * i 3600 *1 = 0.01 = 0.720 S 5 此式是步距角 （ 0 ）的计算公式，式中S5 mm为丝杠螺距； 0.01mm/脉冲为脉冲当量； i 1为电机与丝杠之间的齿轮传动比，由 于本系统对电机速度要求不高，没有采用齿轮减速器，故传动比值取 为1。 4最大静态转矩 T j max 的选择 选择步进电机时，首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的 功率。所以，应先计算机械系统的负载转矩，且使步进电机的转矩大 于负载转矩，保证步进电机可靠运行。 TF = ( F + ?W ) S *10?3 600 + 0.005(30 + 30 + 50) = 5*10?3 = 0.53 Nm 2 i 2*3.14*0.9*1 式中， TF 为负载转矩（Nm）； F 为运动方向的阻抗切削力（N），设 为600N；? 0.005为导轨摩擦系数；W 503030110kg为工件 及工作台重量（略去电机自重）； 0.9为丝杠的传动效率； i 1 为系统的减速比。 3. 计算出的负载转矩 TF 应满足： 24 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 TF (0.2 0.4)T j max 对于相数较多、突跳频率要求不高时取系数大值；反之取小值。由于 从步距角 的计算得知 为 0.720 ，需选取五相混合式步进电机，同时 对电机的突跳频率要求不高，故系数取为0.4,由上式我们可计算得 T j max ： T j max 2.5TF = 1.325 Nm 由以上分析计算，我们初选北京四通公司的五相混合式步进电机 90BYG550B。 4启动频率 f q 的选择 步进电机在带负载启动时， 其启动频率会降低。 由于我们搭建的运动 平台对负载能力要求不高，故可按 f qF 0.5 f q 估算启动频率 f q 。我 们要求负载启动频率不超过1 KHz，就有 f q 2 KHz。所选电机 f q 2.7 KHz满足要求。 4.1.3 所选电机类型 通过以上的分析计算，我们最终选择了北京四通公司的五相混合式步进 电机，型号为90BYG550B-SAKRML-0301，其技术数据见表4-1： 25 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 相数 步距角 （0） 静态相电流 （A） 相电阻 （?） 相电感 保持转矩 （mH） （Nm） 2.0 5 空载启动 频率（KHz） 2.7 0.36/0.72 定位转矩 （Nm） 0.2 3 重量 （Kg） 3.4 0.25 转动惯量 （ gcm 2 ） 4500 2.0 表4-1 五相混合式步进电机90BYG550B-SAKRML-0301的技术数据 42 步进电机驱动器的选择 4.2.1 步进电机驱动部分的组成 步进电机驱动器和步进电机共同组成了一套步进驱动系统，步进电机驱 动器的作用是根据接收到的脉冲信号（来自运动控制卡或是单片机等） ，产 生多拍节脉冲驱动信号控制步进电机旋转。 步进电机驱动器的驱动部分由两部分组成：脉冲信号分配电路，功率驱 动电路，其驱动框图如图4-1所示： 图4-1 驱动器工作框图 1脉冲分配电路 脉冲分配电路也称脉冲分配器，它的功能是将来自控制环节的的指令脉 26 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 冲按着一定的顺序和分配方式，分配给步进电机各绕组，使其按事先规定的 时间顺序通、 断电。 由于分配器是周而复始的重复进行， 故又称环形分配器。 步进电机的相数和运行方式不同，其环形分配器也不相同，因此要结合运行 方式设计环形分配器结构，这是设计驱动电路的第一步。环形分配器可用普 通集成电路，专用集成电路或微机来实现。 2功率放大器 步进电机的功率放大器是把环形脉冲分配器的微弱信号加以放大，以推 动电机的运行，也称驱动电源。常用的功率放大电路有：单电压驱动，双电 压驱动，斩波驱动电路等。 对功率放大器的要求是：能够提供出幅值足够大，并且前后沿较好的矩 形波励磁电流，电路本身的功耗小，效率高；能够保证系统稳定运行，驱动 电源成本低等。 4.2.2 步进电机驱动器的选择 从步进电机的工作原理以及对工作条件的要求，步进电机驱动器必须满 足一下基本要求： 1 驱动器的相数、通电方式、电压、电流应与步进电机的基本参数相 适应； 2 能满足步进电机启动频率和运行频率的要求； 3 工作可靠，抗干扰能力强； 4 成本低，效率高，安装和维护方便。 基于以上要求，我们选择了同一家步进电机生产厂商生产的五相混合式 27 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 步进电机驱动器SH50806B。 其性能指标见表4-2： 电气性能（环境温度 T j = 250 C 时） 供电电源 单相80VAC 25，50/60Hz，容量200VA 输出电流 1 6 A/相（有效值） 驱动方式 升频升压恒流恒速 励磁方式 整步五相十拍/半步五相二十拍（由面板开关选择） 绝缘电阻 在常温常压下100 M ? 绝缘强度 1KV,1分钟表4-2 驱动器SH50806B的电气性能 4.2.3 驱动器控制信号的设定 驱动器是把计算机控制系统提供的弱电信号放大为步进电机能够接受 的强电流信号，控制系统提供给驱动器的信号一般有两