机械工程毕业论文

天津职业技术师范大学 师范技能训练作业

机械设计

专 业： 机械制造工艺教育 班级学号： 03310111320 学生姓名： 欧阳凯旋

I

论文题目：双坐标运动控制系统设计及实现 学科专业：机械工程及自动化

摘 要

双坐标运动平台，也即X－Y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，X－Y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轴步进电机运动控制卡PCI－7314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：X－Y工作台，开环运动控制，步进电机，运动控制卡，LabVIEW

II

目 录

第1章 绪论??????????????????????????1

1.1 课题背景介绍 ?????????????????????1 1.2 设计任务说明 ?????????????????????2 1.3 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??????????????4

2.1 X-Y工作台控制系统简述及控制方案选择 ?????????4 2.2 开环运动控制系统的工作原理 ??????????????6 第3章 双坐标运动控制系统的机械系统设计????????????10

3.1 滚珠丝杠的选择 ????????????????????10 3.1.1 X向滚珠丝杠副的选择???????????????10 3.1.2 Y方向滚珠丝杠副的选择??????????????14

3.2 滚动直线导轨副的选择 ?????????????????17 3.2.1 X向滚动直线导轨副选择??????????????17 3.2.2 Y向滚动直线导轨副选择??????????????18 3.3 X－Y工作台的定型 ???????????????????19 第4章 系统执行装置的设计与选择????????????????21

4.1 步进电机的选择 ????????????????????22 4.1.1 X向步进电机的选择????????????????22 4.1.2 Y向步进电机的选择????????????????23 4.1.3 所选电机类型 ??????????????????25 4.2 步进电机驱动器的选择 ?????????????????26 4.2.1 步进电机驱动部分的组成 ?????????????26 4.2.2 步进电机驱动器的选择 ??????????????27 4.2.3驱动器控制信号的设定???????????????28 第5章 系统控制部分的设计及选择????????????????30

5.1 运动控制卡简述 ????????????????????30 5.2 基于运动控制卡的运动形式 ???????????????32 5.2.1 单轴运动的基本形式 ???????????????32 5.2.2 多轴运动的基本形式 ???????????????32 5.3 运动控制卡的选择 ???????????????????33 第6章 基于LabVIEW的运动控制的实现??????????????35

6.1 虚拟仪器技术简介 ???????????????????35 6.1.1 虚拟仪器的概念 ?????????????????35 6.1.2 LabVIEW的简介及组成???????????????36 6.1.3 LabVIEW的应用??????????????????37 6.2 基于LabVIEW的运动控制的实现 ?????????????38 6.2.1 LabVIEW在运动控制方面的应用???????????38 6.2.2 基于LabVIEW对单轴运动控制的实现?????????39 6.2.3 基于LabVIEW对双轴运动控制的实现?????????43 第7章 总结??????????????????????????51 参考文献 ???????????????????????????53

III

第1章 绪论

1．1 课题背景介绍

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).

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

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。

1．2 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。

1．3 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

2. 美国NI公司4轴步进电机控制卡PCI－7134一块、UMI－7764接线

盒一个以及专用电缆SH68－C68－S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

第2章 双坐标运动控制系统的总体设计

2．1 X-Y工作台控制系统简述及控制方案选择

X－Y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－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。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。

指令脉冲上位机驱动器步进电动机工作台

图2-1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

上位机指令值＋位置比较电路－位置反馈速度控制电路速度反馈伺服电动机工作台图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。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。

指令值＋上位机位置比较电路－角位置反馈速度控制电路速度反馈伺服电动机工作台图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

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。

2．2 开环运动控制系统的工作原理

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。

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。

脉冲信号步进电机驱动器步进电机AC电源

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

6

运转起来。

脉冲信号脉冲信号源步进电机驱动器步进电机AC电源

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：

正转（CW）脉冲信号反转（CCW)脉冲信号步距角选择输入电机使能输入信号地

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：

脉冲个数决定了步进电机的旋转步距角数脉冲频率决定了电机的转速4.5-5V 7

图2-7 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PCI－7314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。

步进电机驱动器步进电机X-Y工作台上位机（含4轴步进控制卡）步进电机驱动器

8

步进电机图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

第3章 双坐标运动控制系统的机械系统设计

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v＝2m/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μ＝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1～3级，丝杠螺母副材料硬度HRC58－60，工作温度小于1000C，可靠性要求为96%。

3．1 滚珠丝杠副的选择

3．1．1 X向滚珠丝杠副的选择 1. 丝杠载荷F

导轨摩擦力 Ff＝μMg＝0.005*（30＋50）*9.8 = 3.92N 丝杠载荷 Fa＝Ff＝ 3.92N

10

2. 丝杠转速 nmax

丝杠最大转速 nmax＝v/s＝v/Ph＝2000/5 = 400r/min 其中，v＝2m/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?（2）寿命Lh

由工作条件查得 Lh＝15000h，Kh＝1.44，Kn＝0.46 （3）综合系数f? f??ftfhfafk1*1*1*0.53??0.408 fw1.3Kh1.44*3.92?30.1N Fa?0.46*0.408Kn?f?查表得：ft＝1，fh＝1，fa＝1 ，fw=1.3,fk＝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＝9KN；预紧力F0=0.25ca＝2250N>

1F，满足要求。 3a4． 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*24＝448 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

6． 临界转速nc校核

f22*d23.9272*0.0164 nc?9910?9910?13941r/min>nmax，满足要

Lc20.4242求。

（1）丝杠底径d2：查表得d2＝16.4 mm＝0.0164 m （2）支承方式系数f2，查表得f2＝3.927 (3)临界转速计算长度Lc

Lc?100540?448?300?24??424mm?0.424m 22

7．压杆稳定性校核 临界压缩载荷

f1d24Fc＝3.4*10*2=3.4*1010*2*0.01644/0.3812=3.39*104N

L010(1)丝杠支承方式系数f1 查表得f1＝2.00

(2)最大受压长度L0 L0?（1.05～1.07）行程＋（10～14）Ph 取L0＝1.07行程＋12Ph＝1.07*300+12*5＝381 mm＝0.381 m 8．预拉伸计算 F-S支承形式，无需预拉伸，因而不必进行预拉伸计算。 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

12

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

?smax?Fal?*106?3.92*0.54/(4**0.0164*2.1*1011)*106＝ 4AE40.021?m

(2)丝杠与螺母间的接触变形 ?c?Fa＝3.92/536＝0.007?m Kc查表得FFZD2005型滚珠丝杠副的接触刚度： Kc＝536 N/?m

(3)轴承的接触变形?B 轴向弹性变形

Fa23.922?43=0.0024*=6.8*10mm＝0.68?m ?B＝0.0024*322DwZ4*13滚珠数目Z=13 (4)丝杠系统的总位移

???smax??c??B

＝0.021+0.007+0.68 ＝0.771?m （5）定位精度

?smax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

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 Ff＝μMg＝0.005*（30+30+50）*9.8=5.39N 丝杠载荷 Fa＝Ff＝5.39N 2. 丝杠转速 nmax

丝杠最大转速 nmax＝v/s＝v/Ph＝2000/6=333.3 r/min 其中，v＝2m/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?（2）寿命Lh

由工作条件查得 Lh＝15000h，Kh＝1.44，Kn＝0.46 （3）综合系数f? f??ftfhfafk1*1*1*0.53??0.408 fw1.3Kh1.44*5.39?41.4N Fa?0.46*0.408Kn?f?查表得：ft＝1，fh＝1，fa＝1 ，fw=1.3,fk＝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

其型号为： FFZD2005，额定动负荷ca＝9KN；预紧力F0=0.25ca＝2250N>

1F，满足要求。 3a4． 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*24＝448 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 l＝540 mm 6． 临界转速nc校核

f22*d23.9272*0.0164 nc?9910?9910?13941r/min>nmax，满足要

Lc20.4242求。

（1）丝杠底径d2： 查表得d2＝16.4 mm＝0.0164 m （2）支承方式系数f2，查表得f2＝3.927 （3）临界转速计算长度Lc：

Lc?100540?448?300?24??424mm?0.424m 227. 压杆稳定性校核

f1d24临界压缩载荷Fc＝3.4*10*2=3.4*1010*2*0.0164/0.3812 =

L0103.39*104N

15

（1）支承方式系数f1 查表得f1＝2.00

（2）最大受压长度L0 L0?（1.05～1.07）行程＋（10～14）Ph 取L0＝1.07行程＋12Ph＝1.07*300+12*5＝381mm＝0.381m 8. 预拉伸计算 F-S支承形式，无需预拉伸，因而不必进行预拉伸计算。 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

?smax?Fal?*106?5.39*0.54/(4**0.0164*2.1*1011)*106＝ 4AE40.029?m

（2）丝杠与螺母间的接触变形 ?c?Fa＝5.39/536＝0.01?m Kc查表得FFZD2005型滚珠丝杠副的接触刚度： Kc＝536 N/?m （3）轴承的接触变形?B

轴向弹性变形

2Fa25.39=0.0024*3=8.4*10?4mm＝0.84?m ?B＝0.0024*322DwZ4*13滚珠数目Z=13

16

（4） 丝杠系统的总位移

???smax??c??B

＝0.029+0.01+0.84 ＝0.879?m （5）定位精度

?smax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。

3．2 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ns=5,滚动直线导轨副目标寿命为10年，导轨精度等级为E级。

3．2．1 X向滚动直线导轨副选择

1. 各滚动载荷 P1?P2?P3?P4＝130*9.8/4＝318.5N 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

算，预期寿命时数

Lh＝10*300*2*8*0.8＝38400 h

L=2lsns*60Lh/103＝2*0.3*5*60*38400/103＝6912km

ls——最大行程

3． 额定动载荷

查表得ft＝1，fc＝0.81，fa＝0.9，fw＝1，取fh＝1。 额定动载荷

ca?

1*0.318536912fwpcL＝2.26kN *3＝1*1*0.81*0.950fhftfcfaK 查表选用GGB16-AA2P12*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 P1?P2?P3?P4＝130*9.8/4＝318.5N 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

Lh＝10*300*2*8*0.8＝38400h

L=2lsns*60Lh/103＝2*0.3*5*60*38400/103＝6912km

ls——最大行程

3． 额定动载荷

18

查表得ft＝1，fc＝0.81，fa＝0.9，fw＝1，取fh＝1。

额定动载荷

ca?1*0.318536912fwpcL＝2.26kN *3＝1*1*0.81*0.950fhftfcfaK 查表选用GGB16-AA2P12*1000*E直线滚动导轨副，该导轨副的ca＝7.4KN,coa＝11.2Kn

3．3 X－Y工作台的定型

经过对X－Y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SZHT3030——X－Y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

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

第4章 系统执行装置的设计与选择

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。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。

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。

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

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

Tjmax，启动频率fq等的选择。

4．1 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。 2．步距角选择

3600*i3600*1????0.01?0.720

S5此式是步距角?（0）的计算公式，式中S＝5 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Tjmax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

(F??W)S*10?3[600?0.005(30?50)]TF??5*10?3?0.53 Nm

2??i2*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＝50＋30＝80kg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)Tjmax

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

Tjmax：

Tjmax?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fq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fqF＝0.5fq估算启动频率fq。我们要求负载启动频率不超过1 KHz，就有fq＝2 KHz。所选电机fq＝2.7 KHz满足要求。

4．1．2 Y向步进电机的选择

23

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*i3600*1????0.01?0.720

S5此式是步距角?（0）的计算公式，式中S＝5 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Tjmax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。

(F??W)S*10?3[600?0.005(30?30?50)]TF??5*10?3?0.53Nm

2??i2*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＝50＋30＋30＝110kg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：

24

TF?(0.2?0.4)Tjmax

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

Tjmax：

Tjmax?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fq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fqF＝0.5fq估算启动频率fq。我们要求负载启动频率不超过1 KHz，就有fq＝2 KHz。所选电机fq＝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

相数 步距角 （0） 静态相电流 （A） 3 重量 （Kg） 3.4 相电阻 （?） 0.25 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 ?2.0 转动惯量 （gcm2） 4500 表4-1 五相混合式步进电机90BYG550B-SAKRML-0301的技术数据

4．2 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：

脉冲信号源脉冲分配器功率放大电路步进电机

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

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

步进电机驱动器SH－50806B。

其性能指标见表4-2：

电气性能（环境温度Tj?250C时）

供电电源 单相80VAC?25％，50/60Hz，容量200VA 输出电流 1?6A/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>100M? 绝缘强度 1KV,1分钟 表4-2 驱动器SH－50806B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

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。

29

第5章 系统控制部分的设计及选择

在一个运动控制系统中上位控制单元和执行装置是举足轻重的两个组成部分。执行装置一般不外乎步进电机、伺服电机、直流电机以及相应的驱动器等。它们作为执行装置，带动刀具（工作台）或工件动作，如果我们将整个运动控制系统比作一个人，那么它们就是四肢；上位控制单元的方案主要有四种：单片机系统，专业运动控制PLC，PC+运动控制卡以及专用控制系统。上位控制是指挥执行机构动作的，我们将它形象的比作人的大脑。

由于单片机成本低、集成度高、使用方便，现在自动化设备的运动控制中被广泛应用，但是受到其性能的限制，很难控制3轴以上的设备； PLC工作可靠、控制的I/O点数多，但控制2个电机进行插补运动困难，控制多轴设备时，运动控制器的成本高。

专用的控制系统一般都是针对专用设备或专用行业而设计开发生产的，它们功能丰富，性能稳定可靠，比如德国西门子的车床数控系统、铣床数控系统等。但专用控制系统代价高昂，适用于控制要求较高且产品档次较高的数控设备生产厂家和使用者。

随着PC机的发展和普及，采用PC+运动控制卡作为上位控制将是运动控制系统的一个主要发展趋势。这种方案可充分利用计算机资源，用于运动过程、运动轨迹都比较复杂，且柔性比较强的机器和设备。

5．1 运动控制卡简述

基于PC的运动控制卡的作用是接收主机的命令产生脉冲序列，以实现对被控对象位移、速度以及加速度的控制。板卡产生的脉冲个数(位移)、频率

30

（速度）和频率变化率（加速度）均受主机的控制。

从用户使用的角度来看，基于PC机的运动控制卡主要是功能上的区别：硬件接口（输入/输出信号的种类、性能）和软件接口（运动控制函数库的功能函数）。

根据信号类型，运动控制卡一般可分为两种：模拟卡和数字卡。 1．模拟卡用于控制模拟式的伺服电机；

2．数字卡一般用于控制步进电机和伺服电机，数字卡又可分为步进卡和伺服卡，步进卡的脉冲输出频率一般较低，适用于控制步进电机；伺服卡的脉冲输出频率较高，能够满足伺服电机的控制。目前随着数字式伺服电机的普及，数字卡逐渐成为运动控制卡的主流。

从运动控制卡的主控芯片来看，一般可分为如下三种：单片机、专用运动控制芯片、DSP。

1．以单片机为主控芯片的运动控制卡，成本较低，外围电路较为复杂。由于这种方案仍是采用在程序中靠延时来控制发脉冲，脉冲波形的质量和频率都受到限制，所以一般用于步进电机的控制；

2．以专用运动控制芯片为主控芯片的运动控制卡，成本较高；但其运动控制功能由硬件电路实现，而且集成度高，所以可靠性、实时性等都比较好；输出脉冲频率可以达到几兆赫兹，能够满足数字伺服电机的控制，可以用作步进卡和伺服卡；

3．以DSP为主控芯片的运动控制卡利用了DSP对数字信号的高速处 理功能，能够实时完成极其复杂的轨迹运算，常用于象工业机器人等运动复杂的

31

自动化设备中。

除了以上对控制卡的分类，控制卡还可以分为单轴、多轴控制卡（从1轴到8轴）；根据总线的不同，又可分为PCI总线、PXI总线以及ISA总线控制卡等。

5．2 基于运动控制卡的运动形式

5．2．1 单轴运动的基本形式

1．点位运动

点位运动是指被控轴以各自的速度分别移动指定的距离，在到达目标位置时自动停止。

2. 连续运动

连续运动是指被控轴以各自的速度按给定的方向一直运动，直到碰到限位开关或调用制动函数才会停止。 3. 回原点运动

回原点运动是指被控轴以各自的速度按给定的方向一直运动，直到碰到原点信号限位开关或调用制动函数才会停止。 5．2．2 多轴运动的基本形式

1. 多轴独立运动

多轴独立运动是指两轴或多轴能以独立的形式进行点位运动、连续运动和回原点运动，同时开始但不一定同时到达。

32

2. 多轴插补运动

插补运动是指两轴或多轴按照一定的算法进行联动，被控轴同时启动，并同时到达目标位置。插补运动以矢量速度运行，矢量速度分为常矢量速 度和梯形矢量速度。插补运动按照运动轨迹的不同可分为以下几种形式：

1） 线性插补运动

线性插补运动是指两轴或多轴以矢量速度作线性联动，每个被控轴的运动速度为矢量速度在该轴上的分速度，各个被控轴同时启动，并同时到达目标位置。

2） 圆弧插补运动

圆弧插补运动是指两轴或多轴以矢量速度沿给定圆弧作联动，每个被控轴的运动速度为矢量速度在该轴上的分速度，由于矢量速度的方向在不断改变，各被控轴的运动分速度也在不断改变。各个被控轴同时启动，并同时到达目标位置，并且两个轴的合成运动轨迹为给定的圆弧。

如果两轴或多轴按照给定的椭圆或者螺旋线做插补运动，则叫做椭圆或者螺旋插补运动。

5．3 运动控制卡的选择

在确定了要构建PC+运动控制卡的上位控制单元之后，接下来就是选择合适的运动控制卡了。在选择运动控制卡时，我们需要考虑的问题有：

1. 根据要开发设备的工作特点，确定电机的类型；

33

2. 确定要控制的电机轴数和电机工作模式；

3. 确定控制系统类型，开环还是闭环，有无位置检测、速度检测装置等；

4. 确定输入输出开关量的数量。

此外我们选择控制卡的一个重要考虑——必须支持LabVIEW编程，因为我们的目的是基于LabVIEW编程语言，对实现X-Y工作台的运动控制作一些有益的探索。另外，价格因素也是我们选择产品的一个重要参考。

基于对以上问题的考虑，我们选择了美国国家仪器（NI）公司生产的四轴步进电机控制卡PCI－7314及其配件UMI－7764接线盒一个和专用线缆SH68－C68－S一根。下面是对运动控制卡PCI－7314功能特点的介绍：

PCI－7314是基于PC机或者工业计算机PCI总线的开环步进电机控制卡，它可以编程实现对1－4轴独立的运动控制，支持点位控制、速度轮廓控制、基于事件运动轮廓控制等形式，支持的编程语言有LabVIEW、LabWindows/CVI、C、Visual Basic和其他一些高级语言，其控制模式有整步、半步以及微步三种。

34

第6章 基于LabVIEW的运动控制的实现

6．1 虚拟仪器技术简介

6．1．1 虚拟仪器的概念

所谓虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）技术，就是用户在通用计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计仪器的测试功能，其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能。它是由计算机技术、测量技术和微电子技术高速发展而孕育出的一项革命性技术。这一创新使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像创通一起那样受到仪器厂商的限制。虚拟仪器的出现彻底改变了传统的仪器方法，开辟了测控技术的新纪元，代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向。

一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件（例如插入式板卡）及驱动软件，它们在一起共同完成传统仪器的功能。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变。以软件为主的测量系统充分利用了常用台式计算机和工作平台的计算、显示和互联网等诸多用于提高工作效率的强大功能。虽然PC机和集成电路技术在过去的20年里有显著的发展和提高，但是，软件才是在功能强大的硬件基础上创建虚拟仪器系统的真正关键所在。

“软件就是仪器”（The Software is the Instrument）反映了虚拟仪

35

器技术的本质特征。

6．1．2 LabVIEW的简介及组成

美国NI公司的虚拟仪器平台LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是目前最主要、最为成功的虚拟仪器开发软件。LabVIEW是一种图形化编程语言（Graphical Programming Language），简称G语言，G语言是一种适合应用于任何编程任务，具有扩展函数库的通用编程语言。和Basic或C语言一样，G语言定义了数据模型、结构类型和模块调用语法规则等编程语言的基本要素，它还包括常用的程序调试工具，比如允许设置断点、单步调试和动态显示执行程序流等功能。同时，它还提供了丰富的主要面向数据采集、GPIB和串行仪器控制，以及数据存储、显示和分析等的扩展函数库，为用户编程提供了极大的方便。即使是个编程新手，也能用全图形化方式编程的LabVIEW很快的“画”出程序来。

G语言编写的程序称为虚拟仪器VI，在LabVIEW环境下开发的应用程序都被冠以.VI后缀，以表示虚拟仪器的含义。一个用LabVIEW开发的应用程序VI包括三个部分：前面板、框图程序以及图标连接端口。

1. 前面板

VI前面板又称图形交互式接口，它模拟真实仪器的前面板，用于设置输入量和观察输出量。前面板可以包含旋钮、刻度盘、开关、图表、图形以及其他界面工具。

2. 框图程序

每一个VI前面都有相应的框图程序与之对应。框图程序用图形化编程语

36

言编写，相当于传统程序中的源代码。框图中的部件可以看成程序节点，如

结构和算术功能等。这些部件都用连线连接，以定义框图内的数据流动方向。

3. 图标连接端口

图标连接端口可以让用户把VI程序变成一个对象（VI子程序，即SubVI），然后在其他VI程序中像子程序一样调用它。图标表示在其他VI程序中被调用的SubVI，而连接端口则表示图标的输入/输出口。 6．1．3 LabVIEW的应用

LabVIEW以其强大的功能和作为一个完整优异的的图形化软件开发环境得到了工业界和学术界的广泛认可，随着LabVIEW版本（目前NI公司已经推出LabVIEW7.1版）的不断更新，其编程环境不断完善，功能不断拓展，应用也越来越广泛。目前主要应用于：

1. 测试与测量

LabVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB、VXI、PLC、串行设备和插卡式数据采集板可以构成实际的数据采集系统。

2. 过程控制与工业自动化

LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程控制和工业自动化领域。

3. 实验室研究与自动化

LabVIEW为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线形代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可满足各种计算和分析需要。

37

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i1n7.html