毕业设计（论文）机器人焊缝跟踪驱动系统设计

常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告I毕毕业业设设计计（论论文文）任任务务书书专业专业 班级班级 姓名姓名 一、课题名称： 机器人焊缝跟踪驱动系统设计 二、主要技术指标： 用于机器人焊接过程中的焊缝跟踪 1)二维滑台滑动范围:500 500 2)最高移动速度：1mm/s 3)最高移动速度：50mm/s 4)开环定位精度：0.02mm 三、主要工作内容： 1）课题研究与发展趋势 2）二维滑台机械系统设计 3）维滑台的控制系统硬件设计 4）KPCI882 控制卡的功能说明 与图纸 四、主要参考文献：1 张建民. 机电一体化系统设计 M. 北京：北京理工大学出版社 .1996 2 林述温. 机电装备设计 M.北京：机械工业出版社 .2000 3 徐锦康. 机械设计 M.北京：高等教育出版社 .2004 4 叶伟昌. 机械工程及自动化简明设计手册 C.机械工业出版社 .2001 5 成大先. 机械设计手册 C.化学工业出版社 .2002 学 生（签名） 年 月 日 指 导 教师（签名） 年 月 日 教研室主任（签名） 年 月 日 系 主 任（签名） 年 月 日毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题设计（论文）题目目机器人焊缝跟踪驱动系统设计一， 选题的背景和意义：计算机技术和微电子技术的快速发展，推动了传统产业的迅速发展，在机械工业自动化中出现了一些运动控制新技术推动着工业运动控制技术不断进步，出现了一种 PC 技术的运动控制 ，为开发和制造工业自动化设备提供了高效率的手段。这也必将促使我国的机电一体化技术水平不断提高 ，使我们的生活更美好。二， 课题研究的主要内容： 机器人焊缝自动化过程中，运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP 作为运动控制核心， 所以研究运动控制卡是主要的一方面。大多用于控制步进电机或伺服电机 ，所以研究运动控制卡是主要的一方面。一般地，运动控制卡与 PC 机构成主从式控制结构：PC 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节 （包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在Windows 系统平台下自行开发、构造所需的控制系统 ，要完成自动化过程，就要需要从以上的点一步一个脚印探索。三， 主要研究（设计）方法论述：1、要求将所学知识应用于实际，设计合理、实用；2、驱动系统机械及电气系统总体设计，选择合适的零部件、元器件；3、设计驱动系统机械总装配图；电气系统电路图；4、汇编语言控制程序的设计； 5、编制设计说明书。四、设计（论文）进度安排：时间（迄止日期）工 作 内 容2009.8.1 2009.8.3查阅相关图书资料，并做好有关记录。同时在网上搜寻相关信息，下载有用的资料。2009.8.4 2009.8.5 写好开题报告，准备论文材料2009.8.6 2009.8.10 上网和结合自己所学的知识整理二维滑台机械系统设计2009.8.11 2009.8.16用电脑软件 CAD 等做好维滑台的控制系统硬件设计2009.8.16 2009.8.17 完成毕业设计所有项目，做好所需要的必需图纸和说明2009.8.18 2009.8.19提交初步完成的毕业设计，在指导老师的帮助下进行修改，进一步完善初稿2009.8.20 2009.8.21 仔细阅读毕业设计，查找基本错误2009.8.22 2009.8.30翔实相关论点、论据，积极准备毕业设计的答辩。五、指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日六、系部意见： 系主任签名： 年 月 日机器人焊缝跟踪驱动系统设计摘 要：计算机技术和微电子技术的快速发展，推动了传统产业的迅速发展，在机械工业自动化中 出现了一些运动控制新技术推动着工业运动控制技术不断进步，出现了一种先进的运动控制 技术，为开发和制造工业自动化设备提供了高效率的手段。这也必将促使我国的机电一体化技术水平不断提高。 运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP 作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地 ，运动控制卡与 PC 机构成焊缝跟踪驱动系统设计 ：PC 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节 （包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等） 。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在 Windows 系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。关关键键词词:二维滑台 KPCI884 运动卡控制步进电机Seam tracking robot-driven system design Abstract：Computer technology and the rapid development of microelectronic technology, promoted the rapid development of traditional industries in the industrial automation of machinery there have been some movement driven by new technologies to control industrial motion control technology continues to progress, there has been an advanced motion control technology, in order to development and manufacturing of industrial automation equipment to provide a highly efficient means. This will also facilitate the integration of Chinas Electrical and constantly improve the Motion control card used to control professional sports or high-speed DSP chip as the core motion control, most of them used to control stepper motor or servo motor. In general, the motion control card with the PC body into master-slave control structure: PC machine interface, human-computer interaction is responsible for management and control systems, such as real-time monitoring of the work (such as keyboard and mouse of the management, system status shows that trajectory planning, control commands sent, external signal monitoring, etc.); Control Motion Control Card to complete all the details (including pulse and direction output signals, automatic take-off and landing speed of processing, such as the origin and the limit of detection of signals, etc.). Motion control card is equipped with an open library for users in DOS or Windows system platform developed under the structure of the control system requirements. Key words: two-dimensional movement KPCI884 Slide stepper motor control cardNahtfurung robot-system designZusammenfassung：Computer-Technologie und der rasanten Entwicklung der Mikroelektronik-Technologie, frderte die rasche Entwicklung der traditionellen Industrien in der industriellen Automation von Maschinen gab es einige Bewegung durch neue Technologien zur Kontrolle industrieller Motion Control-Technologie weiter voran, es wurde eine fortgeschrittene Motion-Control-Technologie, um Entwicklung und Fertigung von Industrie-Automatisierung, um ein hoch effizientes Mittel. Dadurch wird auch die Integration von China ber die elektrische und die stndige Verbesserung der technischen Niveau. Motion-Control-Karte verwendet, um professionelle Sport-und High-Speed-DSP-Chip, wie die Kern-Motion Control, die meisten von ihnen zur Steuerung Schrittmotor oder Servomotor. Im Allgemeinen ist die Motion-Control-Karte mit dem PC Krper in Master-Slave-Struktur: PC-Maschine-Schnittstelle, Mensch-Computer-Interaktion ist zustndig fr die Verwaltungs-und Kontrollsysteme, wie die Echtzeit-berwachung der Arbeiten (z. B. Tastatur und Maus des Management-, System-Status zeigt, dass die Flugbahn Planungs-, Kontroll-Befehle gesendet werden, externes Signal, etc.); der Motion-Control-Karte, um alle Einzelheiten (einschlielich der Puls und Richtung Ausgang Signale, automatische Start-und Landegebhren Geschwindigkeit der Verarbeitung, wie die Herkunft und die Begrenzung der Erkennung von Signalen, etc.). Motion-Control-Karte ist mit einer offenen Bibliothek fr die Benutzer in der DOS-oder Windows-System-Plattform im Rahmen der Struktur der Steuerung Anforderungen. Schlsselwrter: zwei-dimensionale Bewegung KPCI884 Folie Stepper Motor-Control-Karte 目 录引言 .11 课题研究与发展趋势.21.1 课题背景 .31.2 课题相关研究及发展趋势 .42 二维滑台机械系统设计 .52.1 设计要求 .62.2 机械传动部分计算与选型 .72.3 滚动导轨的选型及计算 .122.4 步进电机的验算 .133 维滑台的控制系统硬件设计 .153.1 步进电机的控制方案比较.153.2 控制系统电路图设计 .164 KPCI882 控制卡的功能说明 .224.1 KPCI882 软硬件功能简介 .224.2 连续脉冲驱动 .234.3 恒速驱动 .244.4 线性加减速驱动及参数设定示例.254.5 脉冲宽度和速度的精度 .264.6 直线插补 .274.7 脉冲输出类型 .275 CAD 图纸制作 .286 结束语 .29致谢 .30参考文献 .31 常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告1机器人焊缝跟踪驱动系统设计引引言言计算机技术和微电子技术的快速发 展，推动了传统产业的迅速发展，在机械工业自动化中出现了一些运动控制新技术推动着工业运动控制技术不断进步，出现了一种先进的运动控制 技术，为开发和制造工业自动化设备提供了高效率的手段。这也必将促使我国的机电一体化技术水平不断提高。1 1 课课题题研研究究与与发发展展趋趋势势信息时代的高新技术推动了传统产业的迅速发展，在机械工业自动化中出现了一些运动控制新技术 。本文主要分析和综述了运动控制卡的基本原理、特点和应用现状。运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP 作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地 ， 运动控制卡与 PC 机构成机器人焊缝跟踪驱动 ：PC 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作 （ 例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等） 。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在 DOS 或 Windows 系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结 构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。1.1 课题相关研究我国的数控装备业经过几十年的发展，虽然取得了很大的成就，但在些关 键技术上还受制于国外，尤其在高性能 (高性价比、高速、高效等 )的运动控制系统方面。由于不能生产高性能的运动控制系统，因此无法集成复杂运动的整机。此外，随着网络技术的迅猛发展，英特网正把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，这样，如何顺利解决 “本地简单，异地复杂 ”的问题，也成为未来数控装备技术的关键。目前，使运动控制技术与网络技术有机结合，即基于英特网的运动控制技术研究 ,在国内外尚处于起步阶段。1.2 运动控制器的现状与发展趋势运动控制技术是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。运动控能够快速发展有两大原因 :其一是得益于计算机、高速数字处理器 ( DSP)、自动控制、网络技术的发展；其二是有庞大的市场需求。2 2 二二维维滑滑台台机机械械系系统统设设计计2.1 设计要求2.1.1 二维工作滑台总体方案设计要求总体方案 设计应考虑机械系统运行方式 ,伺服系统的类型 ,计算机的选择 ,以及传动方式和执行机构的选择等(1) 整个二维工作滑台系统应具有定位 ,纵向和横向的直线插补 ,圆弧插补功能；还应要求有急停等功能，因此，整个机械系统选连续控制系统。(2) 在保证一定加工精度的前提下，应简化机构，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。(3) 工作台纵向 和横向运动是两套独立的传动链，它们 由步进电机、联轴器、丝杠螺 母副组成。(4) 为了保证伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。(5) 采用矩形滚动直线导轨，以减少导轨的摩擦力。 机械系统总体方案如图 2-1 所示。2.1.2 设计任务机械结构布局图，A0 图纸一张。要求重要剖面表 达完整，向 视表达完整，视图适合标准。X 向X 向2.1.3 设计参数的确定（1）二维滑台滑动范围：； mm500500（2）工作台重量：；NW2501（3）机器人及其他部件 重量：；NW2000max2（4）最低移动速度：；smm/1（5）最高移动速度： smm/50（6）设起动加速时间为：； s5 . 0（7）开环定位精度： 0.02mm。2.2 机械传动部分计算与选型二维工作滑台控制系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量，计算载荷力，滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型，步进电机的计算与校核等。2.2.1 确定脉冲当量脉冲当量，是指一个脉冲所产生的进给轴移动量，用表示。应根据工p作台进给系统所要求的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差，脉冲当量值必须小于定位精度值。因此，根据所给定的要求，可确定脉冲当量为。脉冲/01. 0mmp2.2.2 滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。它是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦，滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器。与滑动螺旋传动或其他直线运动副相比，滚珠螺旋传动有下列特点：（1）传动效率高 在滚珠丝杠副中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杠与螺母之间传递。因而以极小的滚动摩擦代替了传统丝杠的滑动摩擦，使滚珠丝杠腹地传动效率达到 90%以上，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠的 1/3左右，发热率也因此大副降低。（2）定位精度高 滚珠丝杠副发热率低，温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预紧消除轴向间隙等措施，使丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度。（3）传动可逆性 滚珠丝杠副没有滑动丝杠粘滞摩擦，消除了在传动过程中可能出现的爬行现象，滚珠丝杠副能够实现两种传动方式。（4）同步性能好 由于滚珠丝杠运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套滚珠丝杠副方案驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好的同步工作。2.2.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型(1)确定滚珠丝杠的导程hP根据本进给系统定位精度的要求，采用步进电机作为伺服驱动装置。初步采用 90BYG550C 步进电机，当五相十拍时（半步运行） ，=0.360。当时，s1i可使步进电机直接与丝杠联接，有利于简化结构，提高精度。当选定执行元件（步进电机 ）步距角、系统脉冲当量和减速比 之后，其导程应满足spihP匹配关系为 ： (2-1)360phiP代入公式(2-1)可得：360360 0.01 110()0.36phiPmm(2)滚珠丝杠副的载荷及转速计算 a. 最小载荷，是指机器空载时滚珠丝杠的传动力 。minF本文主要是指导轨摩擦力 (2-2)WfFf式中：为导轨上的摩擦系数，对滚动导轨，f005. 0f根据公式 (2-2)可得：NFf25.11)2502000(005. 0b. 最大载荷mzxF选机器承受最大负荷时滚珠丝杠的传动力，本文主要是指工作台在加速时所承受的最大轴向力 。236.2525.111 . 0)2502000(fmzxFmaFNc. 当量转速及当量载荷mnmF当负荷与转速接近正比变化时，各种转速机会均等，可采用下列公式计算：min/153263002minmaxrnnnm当量载荷按最大载荷计算，即maxFNFm25.236(3)确定预期额定动载荷按预期工作时间估算 ： （2-cawmhmamfffFLnC1006033）其中，：预期额定动载荷；amCN ：负荷性系数，无冲击取；wf2 . 1wf ：精度系数，取；af1af ：可靠性 97%，取；cf44. 0cf已知：小时15000hL代入公式(2-3)得：NCam332744. 011002 . 125.23615000153603(4)确定允许的最小螺纹底径估算丝杠允许的最大轴向变形量m定位精度 (2-4)4/1 (m)5/1：最大轴向变形量m)( m代入公式 (2-4)得mm2估算最小螺纹底径滚珠丝杠副安装方式为一端固定，一端游动时 (2-5)mmLFd02078. 0导轨静摩擦力 (N),；0F100WF工作台导轨的静摩擦力；0滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离(mm)L已知：行程为 500mm,=500N,1W15. 00取1.1(1014)1.1 500(1014) 10(650690)hLPmm:行程取 L=650mm代入公式(2-5)得：2500 0.15 6500.07812.182mdmm(5)确定滚珠丝杠副的规格代号 根据传动方式及使用情况，按照样本可以确定滚珠螺母型式。按照已估算出的,查阅机械设计手 册选用外循环埋入式大导程滚珠丝杠副hPamCmd2DCM2010-2.5，kNN，10hP494.11aC6996amC1 .152dmmdm23.112(6)确定滚珠丝杠副支承所用的轴 承规格型号由于丝杠主要承受轴向力，一般采用推力轴承作支承。固定端采用成对60 接触角推力球轴承支承，其型号7001C/DB，其尺寸参数为：、D=32mm、B=10mm。技术参数为：、mmd12kNCNCorr52. 3,7350简支端支撑采用 6002 型深沟球轴承，其参数为.min/17000rnmzxD=32mm、B=9mm、,15mmd kNCr5580kNCor28500。 min/19000maxrn2.2.4 滚珠丝杠副校核滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性。滚珠丝杠副的轴向变形包括 丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、丝杠的扭转变形引起的 纵向变形以及螺母座的 变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。滚珠丝杠的扭转变形较小，对纵向变形的影响更小，可忽略不 计。螺母座只要 设计合理，其 变形量也可忽略不 计，只要滚珠丝杠支承的 刚度设计得好，轴承的轴向接触变形在此也可以不予考 虑。(1)丝杠的拉压变形量1滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量： (2-6)EALFm1式中：为在工作载荷作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量 (mm)；1mF为丝杠的工作载荷 (N)；为滚珠丝杠在支承间的受力长度 (mm)；为材料mFLE弹性模量，对钢；A 为滚珠丝杠按内径确定的截面积 (mm )；aMPE4106 .202“”号用于拉伸， “”号用于压缩。已知：，NFm25.236aMPE4106 .20222299.1781 .1514. 34141mmdA 650Lmm代入公式(2-6)得： 14236.25 6500.004220.6 10178.99mm(2)滚珠与螺纹滚道间的接触变形2该变形量与滚珠列、圈有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠的长度无关。其计算公式如下： (2-7)32wm2DF0013. 0ZFYJ式中：为滚珠直径（ mm） ；为滚珠总数量；为wDZ列数圈数ZZZ一圈的滚珠数，wDdZ/0已知：，602. 4wDNFm30014602. 4/20Z代入公式 (2-7)可得：mm0040. 03575.78602. 425.2360013. 0322(3)滚珠丝杠副刚度的验算丝杠的总变形量应小于允许的变形量，否则，应考虑选用较大公称21直径的滚珠丝杠副。由上面计算可知120.00420.00400.00820.02mmmm故所选滚珠丝杠副能够满足刚度要求。(4)压杆稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作载荷过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向弯曲，即失稳。失稳时的临界载荷为kF （N） (2-8)22LEIfFZK式中：E 为材料弹性模量，对钢 E，I 为截面惯性矩，对丝aMP4106 .20杠圆截面（为丝杠底径） ；L 为丝杠最大工作长度（ mm） ；)(64/441mmdI1d为丝杠支承方式系数。zf本设计中，支承方式选用一端轴向固定一端自由，即0 . 2zf所以代入公式 (2-8)得：= (N)22LEIfFZK2422.0 3.1420.6 102550.6924523650临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大KFmFKnKn于许用稳定性安全系数，则滚珠丝杠不会失稳。因此，滚珠的丝杠的压杆 Kn稳定条件为： （2- KmKKnFFn9） 一般取2.54，考虑到丝杠自重对水平滚珠的丝杠的影响可取 Kn。 4Kn 24523103236.25KKKmFnnF故滚珠丝杠都不会失稳。(5)滚珠丝杠螺母副的选择 由上面计算结果查 机械设计手册 单行本查得 外循环埋入式大导程滚珠丝杠副 DCM 2010-2.5 的螺母安装、连接尺寸 (mm)如表 2-1 所示:表 2-1 DCM2010-2.5 螺母安装及连接尺寸公称直径基本道程埋入式滚珠丝杆副规格0dhP1DD4DB5D6DhDCM 2010-2.52010507663155.5105.72.3 滚动导轨的选型及计算2.3.1 滚动导轨的结构、优点滚动导轨是在静、动导轨面之间放置滚动体如滚珠、滚柱、滚针或滚动导轨快构成的。本次毕业课题选滚动直线导轨副，它是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成（见图2-2） 。当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道，在滑块端部钢球又通过返回装置进入返回孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。如图 2-2与滑动导轨相比，滚动导轨有以下几个优点：a.静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号和机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高系统的响应速度和灵敏度。b.动功率大副度下降，只相当于普通机械的十分之一。c.应高速直线运动，其瞬时速度比滑动速度导轨提高约10 倍。d.实现高定位精度和重复定位精度。2.3.2 初选导轨型号本设计选用导轨为直线滚动矩形导轨，共用4 条导轨，每条导轨用 2 个滑块，根据最大动载荷 C=6996N,通过样本查得初选 4 条导轨的型号都为GDA20ZV,其额定动载 C=11.5KN,额定静载 C =14.5KN。02.3.3 计算滚动导轨副的额定寿命L滚动直线导轨副的寿命计算公式为： （km） 3)(50cwacthPCfffffL(2-9)式中：为滚动导轨副的距离额定寿命（ km） ；为额定载荷（ N） ，查表LC得11500N；为硬度系数导轨面的硬度为5864HRC 时，1.0；Chfhf为温度系数，当工作温度不超过1000C 时，1；为接触系数，每根导tftfcf轨条上装二个滑块时0.81；为精度系数，数控精密工作台精度等级为Cfaf3 级，；为载荷系数，无冲击振动或，1.2；1afWfmin/15mv Wf。是每个滑块的工作载荷cP代入公式（2-9）得： kmkmL5036.392)5 .62115002 . 10 . 181. 011(503 大于滚动导轨的期望寿命，满足设计要求，初选的滚动导轨副可采用。L2.4 步进电机的验算2.4.1 传动系统等效转动惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载 ,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。本设计需要对电机转子,联轴节,丝杠,工作台进行转动惯量的计算。（1）电机转子转动惯量的折算DJ由四通公司提供的 90BYG550C 型号，查出该电机的转动惯量=8DJ2cm（2）联轴器转动惯量的折算LJ查机械设计实用手册 ，选用 TL1 联轴器，可查出它844323259149GBJJ转动惯量为 0.0005，得出。2mkg 20005. 0mkgJL（3）滚珠丝杠转动惯量的折算 SJ 4032sd lJ （2-10）式中：为滚珠丝杠的名义直径；为丝杠的总长度；代入公式（ 2-10）0dl可得：443203.14 265 7.85 100.853232sd lJkg cm（4）工作台质量的折算GJ工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按GJ下式进行计算： (2-11)MPJhG2)2(式中，为丝杠导程（ cm） ；为工作台质量（ kg） 。hPM22265. 05 .25)28. 61()2(cmkgMPJhG（5）传动系统等效转动惯量计算J 25 .1465. 085. 058cmkgJJJJJGSLD2.4.2 验算矩频特性步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩 (静止状态 )，可从样本中maxjM查出。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为：mqMmaxjMmaxjmqMM查表可知951. 0步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下列计算：0MMMMkfkakq 式中： 为空载启动力矩；为空载启动时运动部件由静止KqM)(cmN kaM升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩；为空载时折)(cmN KfM算到电机轴上的摩擦力矩； 为由于丝杠预紧，折算到电机轴上的附)(cmN 0M加摩擦力矩。)(cmN 初选电机型号时应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即maxjmqkqMMM有关的各项力矩值计算如下：KfM(1)加速力矩36010602maxmax2maxpbKavntnJJM式中：为传动系统等效转动惯量；为电机最大角加速度；为与运Jmaxn动部件最大快进速度对应的电机最大转速；t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，为运动部件最大快进速度；为初选步进电机的maxvb步距角；为脉冲当量。pmin/30036001. 036. 03000360maxmaxrvnpbcmNMka106. 9105 . 06030014. 325 .142(2)空载摩擦力矩iPfWMhkf2式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数；齿轮传动降速比；Wf i为传动系数总效率，取0.8；为滚珠丝杠的基本导程。则hPcmMkf99. 218 . 014. 321005. 03000(3)附加摩擦力矩20012iPFMhYJ式中：为滚珠丝杠预紧力；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取YJF00.92。0cmNM215. 2)92. 01 (192. 014. 3213 .8320所以，步进电机所需空载启动力矩：mNcmMMMMKfKaKq143. 0311.14215. 299. 2106. 90初选电机型号 (表 2-1)应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即 mNMMMjmqKq951. 00 . 1951. 0max表 2-1 步进电机性能参数型号相数步距角(0)电流A空载启动频率(半步方式) HZ保持转矩Nm定位转矩 Nm转动惯量(g.cm )290BYG550C50.363250061.08000从上式可知，初选电机满足空载启动要求。2.4.3 启动矩频特性校核步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。此时相应 的运行频率为。maxf从图(2-3)的频矩特性表可以看出，初选步进电机空载启动力矩远远小于允 许启动频率所对应的启动力矩， 所以步进电机空载起动时不会 丢步。3 3 维维滑滑台台的的控控制制系系统统硬硬件件设设计计3.1 步进电机的控制方案比较对于步进电动机 ,有多种控制方法 ,在此,仅介绍几种较为常见的、普遍的控制方法。3.1.1 用单片机系统来实现运动控制此系统由单片机芯片、外围扩展芯片以及通过搭建外围电路组成。在“位置控制 ”方式时，通过单片机的 I/O 口发数字脉冲信号来控制执行机构行走；“速度控制 ”方式时，需加 D/A 转换模块输出模拟量信号达到控制。此方案优点在于成本较低，但由于一般单片机I/O 口产生脉冲频率不高，对于分辨率高的执行机构尤其是对于控制伺服电机来说，存在速度达不到，控制精度受限等缺点。对于运动控制复杂的场合，例如升降速的处理，多轴联动，直线、圆弧插补等功能实现起来都需要自己编写算法，这必将带来开发起来难度较大，研发周期较长，调试过程烦琐，系统一旦定型不太容易扩充功能、升级、柔性不强等问题。因此这种方案一般适用于产品批量较大、运动控制系统功能简单、且有丰富的单片机系统开发经验的用户。 采用专业运动控制 PLC 来实现运动控制 目前，许多品牌的 PLC 都可选配定位控制模块 ，包括脉冲输出功能，模拟量输出等等。使用这种 PLC 来做运动控制系统的上位控制时，可以同时利用PLC 的 I/O 口功能，可谓一举两得。 PLC 通常都采用梯形图编程，对开发人员来说简单易学，省时省力。还有一点不可忽视，但具有脉冲输出功能的PLC大多都是晶体管输出类型的，这种输出类型的输出口驱动电流不大，一般只有0.10.2A。在工业生产中，作为 PLC 驱动的负载来说，很多继电器开关的容量都要比这大，需要添加中间放大电路或转换模块。与此同时，由于PLC 的工作方式（循环扫 描）决定了它作为上位控制时的实时性能不是很高，要受PLC 每步扫描时间的限制。而且控制执行机构进行复杂轨迹的动作就不太容易实现，虽说有的 PLC 已经有直线插补、圆弧插补功能，但由于其本身的脉冲输出频率也是有限的（一般为 10K100K），对于诸如伺服电机高速高精度多轴联动，高速插补等动作，它实现起来仍然较为困难。3.1.2 设计方案的提出本次步进电机控制系统就是采用 “PC+运动控制卡 ”作为上位控制，通过运动控制卡发出脉冲和方向信号。用Microsoft VisualBasic 编辑界面程序。调用控制卡中的运动函数库，动态改变脉冲频率，控制电机的转向和转速，从而在开环控制状态下实现对步进电机的控制。既提高了实时性和快速性，又方便又实用。图 (3-1)就是典型的步进电机控制系统。图 3-1 步进电机控制系统方案图3.2 控制系统电路图设计根据老师要求，我们选用了北京和利时电机技术有限公司(原四通电机公司)90BYG550C-SAKRMA-0301 型步进电机与其配套的驱动器及北京科日新控电子技术有限公司的 KPCI-884 运动控制卡。 KPCI-882 卡是基于 PC 机 PCI 总线的步进电机或数字伺服电机的上位控制单元，它与PC 机构成主从式控制结构：PC 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；KPCI-884 卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等） 。3.2.1 步进电机的特点及工作原理（1）步进电机的特点步进电机可以简单地定义为 :是一种用电脉冲信号进行控制 ,将电脉冲转换成相应的角位移或线位移的执行机构 .通俗一点讲 :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角度(及步距角 )。可能通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调整的目的。步进电机有以下特点 :步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等)的影响，只要他们的大小在未引起步进电机产生 “丢步”现象之前，就不影响其正常工作； 步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为 “零” ，因此不会长期累积； 控制性能好，在起动、停止、反转时不易 “丢步” 。一般步进电动机主要分为三大类，永磁式 (PM-Permanent Magnet)、磁阻式（VR-variable Reluctance） 、混合式（ HB-Hybrid） 。（2）步进电机工作原理以三相磁阻式（反应式）步进电机为例叙述步进电机原理,该电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开 0、1/3 、2/3 ,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A 与齿 1 相对齐， B 与齿 2 向右错开 1/3 ，C 与齿 3 向右错开 2/3 ，A与齿 5 相对齐，( A就是 A，齿 5 就是齿 1)下面是定转子的展开图：如 A 相通电， B，C 相不通电时，由于磁场作用，齿1 与 A 对齐， （转子不受任何力以下均同）。如 B 相通电， A，C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向右移过 1/3 ，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3 ，齿 4 与 A 偏移（ -1/3 ）=2/3 。如 C 相通电， A，B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过 1/3 ，此时齿 4 与 A 偏移为 1/3 对齐。如 A 相通电， B，C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3 这样经过 A、B、C、A 分别通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到 A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲） 1/3 ,向右旋转。 如按 A，C，B，A通电，电机就反转。不难推出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能，除与电动机自身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。步进电机驱动器的主要构成如图3-2 所示，一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等部分组成。用于功率步进电机的驱动器还要有多种保护线路。图 3-2 步进电机驱动器组成3.2.2 系统控制方案及电路接线设计（1）以步进电机及其驱动器作为的执行部件的位置伺服系统,它最大的优点能够在开环系统中达到精确的控制。在该开环步进式位置伺服系统中指令信号是单向流动的，由 KPCI884 运动控制卡发出的指令脉冲，经驱动器SH-50806B、五相混合式步进电机，通过滚珠丝杠驱动二维工作台移动。系统开环控制方案如图 3-3 所示。图 3-3 开环控制系统方案图（2）驱动器 SH-50806B 说明书SH-50806B 型驱动器主要用于驱动 90 及 110 机座号五相混合式步进电动 机。SH-50806B 采用数字式升频升压驱动方式，并结 合了恒电流控制技术 ，电机采用五根线接法。适配本 公司生产的步距角为0.36的步进电机时，具 有极高的定位精度。驱动器在整个运行频域内不存在 明显的振荡区，特别适用 于定位精度高、运行振动小、 噪音要求低的场合，如：经济型数控机床，雕刻 机等。脉冲信号输入： 单脉冲控制方式时为脉冲信号输入端，双脉冲控制方式时 为正转脉冲信号输入端。输入信号脉冲为沿有效方式， 对于驱动器的正确运行来说，有效电平信号占空比 应在 50%以下，为了确保脉冲信号的可靠响应，脉冲 低电平的持续时间不应少于10s。方向信号输入： 单脉冲模式下该端的内部光耦的通、断被解释为电机运行 的两个方向，方向信号的改变将使电机运行的方向发生变化，该端的悬空被等效认为输入高电平。要注意一点是，应确保方向信号领先脉冲信号输入至少 10s 建立，从而避免驱动器对脉冲信号的错误响应。当不需换向时，方向信号端可悬空 。双脉冲模式下本端口接收反转脉冲，接口逻辑要求与脉冲输入端口一致。输入信号脉冲为沿有效方式。输出信号是光耦集电极开路输出，接点容量DC24V/15mA，低电平有效。在本设计中根据工作实际的需要，决定对步进电机驱动器选取单脉冲、半步的运行方式。（3）运动控制卡 KPCI882 接口说明KPCI882 是 PCI 总线两轴伺服 /步进电机运动控制卡，它以高频率脉冲串输出方式，控制伺服 /步进电机的运动。该卡能精确地控制所发出的脉冲频率（电机速度）、脉冲个数（电机转角）及脉冲频率变化率（电机加速度），它能满足步进电机的各种复杂的控制要求。可对电机进行位置控制、插补驱动、加速/减速等控制。具有圆弧、直线插补功能。它含有丰富的，功能齐全的软件库函数资源。在 Windows9X/2000 环境下，用户可直接使用我们为您提供的 ”DLL”动态连接库函数；以最大方便地使您在Microsoft Visual BASIC 、Visual C+及各种其他软件环境中使用。使用该卡可以方便地开发出您自己的运动控制系统如数控系统、检测设备、自动生产线、绘图仪、雕刻机、打标机、绕线机、医疗设备、包装机械、纺织机械等。KPCI882控制卡采用 DB37接口，外接线可采用屏蔽线缆，以提高控制卡的抗干扰能力。其中开关量信号（原点 、点动、限位以及 I/O信号等）采用1224DCV 开关电源；脉冲量信号（脉冲、方向等）采用5DCV 开关电源。本次毕业设计内容电机的控制可以任意选择电脑控制或外部控制（手动控制），则KPCI882运动控制器由 二块板卡组成： KPCI882主板，转接板 : a KPCI882主板完成运动控制功能，有两个接口： DB37和转接板， DB37接口主要用于运动控制，通过转接板与驱动器等外部设备相连。b 转接板是 KPCI882主板与电机驱动器的连接桥梁，提供脉冲和方向差分输出，也是通用I/O信号与KPCI882主板的连接桥梁 。(4) KPCI882信号接口定义引脚号定 义说 明引脚号定 义信 号 定 义1XCW/CPX轴正向脉冲（X轴脉冲）20XCCW/DIRX轴负向脉冲 (或X轴DIR)2XLMT+X轴正向限位输入21XLMT-X轴反向限位输入3XEXOP+X轴正向点动输入22XEXOP-X轴负向点动输入4XINPOSX轴伺服电机到位输入23XALARMX轴伺服报警输入5X_in1X轴通用数字I/O输入24X_in2X轴通用数字I/O输入6XZERO0X轴原点检索输入025XZERO1X轴原点检索输入17EMG紧急停车输入26X_out0X轴通用数字I/O输出8X_out1X轴通用数字I/O输出270V外接电源地9+24V外接电源28+24V外接电源10 0V外接电源地29YCW/CPY轴脉冲（正向脉冲+）11YCCW/DIRY轴负向脉冲 (或Y轴DIR)30YLMT+Y轴正向限位输入12YLMT-Y轴正向限位输入31YEXOP+Y轴正向点动输入 13YEXOP-X轴正向限位输入32YINPOSY轴伺服电机到位输入14YALARMY轴伺服报警输入33Y_in1Y轴通用数字I/O输入15Y_in2Y轴通用数字I/O输入34YZERO0Y轴原点检索输入016YZERO1Y轴原点检索输入135Y_out0Y轴通用数字I/O输出17Y_out1Y轴通用数字I/O输出360V外接电源地 180V外接电源地37+24V外接电源地 19+24V外接电源3.2.3 控制电路接线示意图图 3-4 控制电路接线示意224 4 K KP PC CI I8 88 82 2 控控制制卡卡的的功功能能说说明明4.1 KPCI882 软硬件功能简介KPCI882 卡是基于 PC 机 PCI 总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元 ,它与 PC 构成主从式控制结构 :PC 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作 (如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等 )；该卡可控制 2 轴步进电机或数字式伺服电机，并支持多卡共用，以实现多轴控制；每轴均可输出脉冲和方向信号，以控制电机的运转；同时可以外接原点、减速、限位等开关信号，以实现回原点、保护等功能，开关信号由KPCI882 卡自动检测并作出反应。KPCI882 卡提供了功能强大的运动控制函数库，并可以充分利用计算机资源开发出完美的运动控制系统。 KPCI884 控制卡的结构如图 4-1 所示。如图 4-1 KPCI882 控制卡的结构示意图4.1.1 定长脉冲输出驱动如果想实现将一个电机移动N 步:(即 KPCI882 卡向步进电机发出 N 个脉冲)需要设置加减速 A/D，驱动速度 V，初始速度 SV，输出脉冲P。KPCI882 将自动输出。当输出的脉冲数等于设置的脉冲数P 时，KPCI882 立即停止输出脉冲。4.1.2 在驱动中改变输出脉冲在定长脉冲驱动中，输出脉冲数是可以改变的，脉冲输出状况如图4-2。23图 4-2 在匀速、减速段脉冲增加脉冲数4.1.3 加/减速驱动的缓冲设置用户在定长脉冲情况下可以改变加 /减速点，如图 4-3 所示。KPCI882将自动地计算出加 /减速点，并且使加速段的脉冲数等于减速段的脉冲数。当为减速设置缓冲值 (shift pulse)时，KPCI882 将会因为缓冲值提前减速。减速完成后剩余的脉冲数（ shift pulse）将会以初始速度输出，如图4-4。KPCI882 初始化时，缓冲脉冲数（ shift pulse）的默认值为 8。在直线加/减速定长脉冲驱动时并不需要改变缓冲脉冲数。如图 4-3 定长脉冲驱动模式24如图4-4 定长方式的缓冲脉冲4.2 连续脉冲驱动当将 KPCI882 卡的脉冲输出模式设置为连续驱动状态时，KPCI882 将一直以特定的速度驱动脉冲输出直至接收到停止命令或是外部停止信号，如图 4-5 所示。如图 4-5 连续脉冲驱动可用“减速至停 DecStop”和“立即停止 “InstStop”等函数中断连续驱动脉冲；也可由外部信号使制动。4.3 恒速驱动当 KPCI882 的驱动速度设置得低于初始速度时，它并不执行加/减驱动，而是开始以驱动速度恒速驱动。4.4 线性加减速驱动及参数设定示例25线性加/减速驱动按线性规律将输出脉冲速度从初始速度增加至所需的速度。同时， KPCI882 还会记录加速段的脉冲数；并与剩余的脉冲数进行比较；当剩余脉冲数小于加速脉冲数时， KPCI882 使开始从驱动速度减速至初始速度。当在加速驱动过程中出现减速指令，或当定长脉冲数小于所需要的驱动速度的时侯。则 KPCI882 将在加速阶段便开始减速，如图4-6 所示。通常，加速脉冲数和减速脉冲数是相等的。但是，当使用手动减速（HandDec）则就不同了。如图 4-7，从实际初始速度 500PPS(脉冲/秒)加速至 15000PPS，时间为 0.3(秒)，最高输出频率的倍数 M=2(初始化默认值为 1)初始速度 SV=500PPS/M=250PPS驱动速度 V=15000PPS/M=7500PPS加速度 A=(15000-500)PPS/0.3S/M=24167PPS/S图 4-6 直线加/减速图 4-7 定长脉冲驱动模式如图 4-8 从实际初始速度 500PPS 加速至 15000PPS，时间为 0.3S,则最高输出频率的倍数 M=2(初始化默认为 M=1)初始速度 SV=500PPS/M=250PPS26驱动速度 V=15000PPS/M=7500PPS加速度 A=(15000-500)PPS/0.3S/M=24167PPS/S减速度 D=(15000-500)PPS/0.1S/M=72500PPS/S图 4-8 定长脉冲驱动模式加 /减速度不