機器人焊縫跟蹤驅(qū)動系統(tǒng)設計

1、畢畢業(yè)業(yè)設設計計（論論文文）任任務務書書 專業(yè)專業(yè) 班級班級 姓名姓名 一、課題名稱： 機器人焊縫跟蹤驅(qū)動系統(tǒng)設計 二、主要技術(shù)指標： 用于機器人焊接過程中的焊縫跟蹤 1)二維滑臺滑動范圍:500 500 2)最高移動速度：1mm/s 3)最高移動速度：50mm/s 4)開環(huán)定位精度：0.02mm 三、主要工作內(nèi)容： 1）課題研究與發(fā)展趨勢 2）二維滑臺機械系統(tǒng)設計 3）維滑臺的控制系統(tǒng)硬件設計 4）kpci882 控制卡的功能說明與圖紙 四、主要參考文獻： 1 張建民. 機電一體化系統(tǒng)設計 m. 北京：北京理工大學出版社 .1996 2 林述溫. 機電裝備設計 m.北京：機械工業(yè)出版社 .2

2、000 3 徐錦康. 機械設計 m.北京：高等教育出版社 .2004 4 葉偉昌. 機械工程及自動化簡明設計手冊 c.機械工業(yè)出版社 .2001 5 成大先. 機械設計手冊 c.化學工業(yè)出版社 .2002 學 生（簽名） 年 月 日 指 導 教師（簽名） 年 月 日 教研室主任（簽名） 年 月 日 系 主 任（簽名） 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）開題報告畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題設計（論文）題 目目 機器人焊縫跟蹤驅(qū)動系統(tǒng)設計 一， 選題的背景和意義： 計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，在機械工業(yè)自動 化中出現(xiàn)了一些運動控制新技術(shù)推動著工業(yè)運動控制技術(shù)不

3、斷進步，出現(xiàn)了一種 pc 技術(shù) 的運動控制 ，為開發(fā)和制造工業(yè)自動化設備提供了高效率的手段。這也必將促使我國的機電 一體化技術(shù)水平不斷提高 ，使我們的生活更美好。 二， 課題研究的主要內(nèi)容： 機器人焊縫自動化過程中，運動控制卡通常采用專業(yè)運動控制芯片或高速dsp 作為運 動控制核心， 所以研究運動控制卡是主要的一方面。大多用于控制步進電機或伺服電機 ， 所以研究運動控制卡是主要的一方面。一般地，運動控制卡與 pc 機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)： pc 機負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作（例如鍵盤和鼠標的管 理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運動軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控等等）；控

4、制卡 完成運動控制的所有細節(jié) （包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等 信號的檢測等等）。運動控制卡都配有開放的函數(shù)庫供用戶在windows 系統(tǒng)平臺下自行開 發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng) ，要完成自動化過程，就要需要從以上的點一步一個腳印探索。 三， 主要研究（設計）方法論述： 1、要求將所學知識應用于實際，設計合理、實用； 2、驅(qū)動系統(tǒng)機械及電氣系統(tǒng)總體設計，選擇合適的零部件、元器件； 3、設計驅(qū)動系統(tǒng)機械總裝配圖；電氣系統(tǒng)電路圖； 4、匯編語言控制程序的設計； 5、編制設計說明書。 四、設計（論文）進度安排： 時間（迄止日期）工 作 內(nèi) 容 2009.8.1 2009.8.3

5、查閱相關(guān)圖書資料，并做好有關(guān)記錄。同時在網(wǎng)上搜尋相關(guān)信息，下 載有用的資料。 2009.8.4 2009.8.5 寫好開題報告，準備論文材料 2009.8.6 2009.8.10 上網(wǎng)和結(jié)合自己所學的知識整理二維滑臺機械系統(tǒng)設計 2009.8.11 2009.8.16用電腦軟件 cad 等做好維滑臺的控制系統(tǒng)硬件設計 2009.8.16 2009.8.17 完成畢業(yè)設計所有項目，做好所需要的必需圖紙和說明 2009.8.18 2009.8.19提交初步完成的畢業(yè)設計，在指導老師的幫助下進行修改，進一步完 善初稿 2009.8.20 2009.8.21 仔細閱讀畢業(yè)設計，查找基本錯誤 2009.

6、8.22 2009.8.30翔實相關(guān)論點、論據(jù)，積極準備畢業(yè)設計的答辯。 五、指導教師意見： 指導教師簽名： 年 月 日 六、系部意見： 系主任簽名： 年 月 日 機器人焊縫跟蹤驅(qū)動系統(tǒng)設計 摘 要： 計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，在機械工 業(yè)自動化中 出現(xiàn)了一些運動控制新技術(shù)推動著工業(yè)運動控制技術(shù)不斷進步，出現(xiàn)了 一種先進的運動控制 技術(shù)，為開發(fā)和制造工業(yè)自動化設備提供了高效率的手段。 這也必將促使我國的機電一體化技術(shù)水平不斷提高。 運動控制卡通常采用專業(yè)運動控制芯片或高速dsp 作為運動控制核心，大多 用于控制步進電機或伺服電機。一般地 ，運動控制卡與 pc

7、機構(gòu)成焊縫跟蹤驅(qū)動 系統(tǒng)設計 ：pc 機負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作 （例如鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運動軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外 部信號的監(jiān)控等等）；控制卡完成運動控制的所有細節(jié) （包括脈沖和方向信號的 輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等） 。運動控制卡都配有 開放的函數(shù)庫供用戶在 windows 系統(tǒng)平臺下自行開發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。 關(guān)關(guān)鍵鍵詞詞:二維滑臺 kpci884 運動卡控制步進電機 seam tracking robot-driven system design abstract： computer technology

8、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 a

9、n 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

10、 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, su

11、ch 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, automat

12、ic 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

13、movement kpci884 slide stepper motor control card nahtfurung robot-system design zusammenfassung： computer-technologie und der rasanten entwicklung der mikroelektronik-technologie, frderte die rasche entwicklung der traditionellen industrien in der industriellen automation von maschinen gab es einig

14、e 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

15、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

16、 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 gesen

17、det 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 i

18、st 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 錄 引言 .1 1 課題研究與發(fā)展趨勢.2 1.1 課題背景 .3 1.2 課題相關(guān)研究及發(fā)展趨勢 .4 2 二維滑臺機械系統(tǒng)設計 .5 2.1

19、設計要求 .6 2.2 機械傳動部分計算與選型 .7 2.3 滾動導軌的選型及計算 .12 2.4 步進電機的驗算 .13 3 維滑臺的控制系統(tǒng)硬件設計 .15 3.1 步進電機的控制方案比較.15 3.2 控制系統(tǒng)電路圖設計 .16 4 kpci882 控制卡的功能說明 .22 4.1 kpci882 軟硬件功能簡介 .22 4.2 連續(xù)脈沖驅(qū)動 .23 4.3 恒速驅(qū)動 .24 4.4 線性加減速驅(qū)動及參數(shù)設定示例.25 4.5 脈沖寬度和速度的精度 .26 4.6 直線插補 .27 4.7 脈沖輸出類型 .27 5 cad 圖紙制作 .28 6 結(jié)束語 .29 致謝 .30 參考文獻 .

20、31 機器人焊縫跟蹤驅(qū)動系統(tǒng)設計 引引言言 計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā) 展，推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，在機械 工業(yè)自動化中出現(xiàn)了一些運動控制新技術(shù)推動著工業(yè)運動控制技術(shù)不斷進步，出 現(xiàn)了一種先進的運動控制 技術(shù)，為開發(fā)和制造工業(yè)自動化設備提供了高效率的手 段。這也必將促使我國的機電一體化技術(shù)水平不斷提高。 1 1 課課題題研研究究與與發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢 信息時代的高新技術(shù)推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，在機械工業(yè)自動化中出現(xiàn)了 一些運動控制新技術(shù) 。本文主要分析和綜述了運動控制卡的基本原理、特點和應 用現(xiàn)狀。 運動控制卡通常采用專業(yè)運動控制芯片或高速dsp 作為運動控制核心，大多 用于控制步進電機

21、或伺服電機。一般地 ， 運動控制卡與 pc 機構(gòu)成機器人焊縫 跟蹤驅(qū)動 ：pc 機負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作 （ 例如鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運動軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、 外部信號的監(jiān)控等等）；控制卡完成運動控制的所有細節(jié)（包括脈沖和方向信號的 輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等） 。運動控制卡都配有 開放的函數(shù)庫供用戶在 dos 或 windows 系統(tǒng)平臺下自行開發(fā)、構(gòu)造所需的控制系 統(tǒng)。因而這種結(jié)構(gòu)開放的運動控制卡能夠廣泛地應用于制造業(yè)中設備自動化的各個 領(lǐng)域。 1.1 課題相關(guān)研究 我國的數(shù)控裝備業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雖然取得了很大

22、的成就，但在些關(guān) 鍵技術(shù)上還受制于國外，尤其在高性能 (高性價比、高速、高效等 )的運動控制系 統(tǒng)方面。由于不能生產(chǎn)高性能的運動控制系統(tǒng)，因此無法集成復雜運動的整機。此 外，隨著網(wǎng)絡技術(shù)的迅猛發(fā)展，英特網(wǎng)正把全世界的計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)逐漸集 成起來，這樣，如何順利解決 “本地簡單，異地復雜 ”的問題，也成為未來數(shù)控 裝備技術(shù)的關(guān)鍵。目前，使運動控制技術(shù)與網(wǎng)絡技術(shù)有機結(jié)合，即基于英特網(wǎng)的運 動控制技術(shù)研究 ,在國內(nèi)外尚處于起步階段。 1.2 運動控制器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 運動控制技術(shù)是推動新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。運動控 能夠快速發(fā)展有兩大原因 :其一是得益于計算機、高速數(shù)字處理器

23、( dsp)、自動控 制、網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展；其二是有龐大的市場需求。 2 2 二二維維滑滑臺臺機機械械系系統(tǒng)統(tǒng)設設計計 2.1 設計要求 2.1.1 二維工作滑臺總體方案設計要求 總體方案設計應考慮機械系統(tǒng)運行方式 ,伺服系統(tǒng)的類型 ,計算機的選擇 , 以及傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等 (1) 整個二維工作滑臺系統(tǒng)應具有定位 ,縱向和橫向的直線插補 ,圓弧插 補功能；還應要求有急停等功能，因此，整個機械系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。 (2) 在保證一定加工精度的前提下，應簡化機構(gòu)，降低成本。因此，進給 伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 (3) 工作臺縱向 和橫向運動是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、聯(lián)軸

24、 器、絲杠螺 母副組成。 (4) 為了保證伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的 滾珠絲杠螺母副，并應有預緊機構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙。 (5) 采用矩形滾動直線導軌，以減少導軌的摩擦力。 機械系統(tǒng)總體方案如圖 2-1 所示。 2.1.2 設計任務 機械結(jié)構(gòu)布局圖，a0 圖紙一張。要求重要剖面表 達完整，向 視表達完整， 視圖適合標準。 x 向x 向 2.1.3 設計參數(shù)的確定 （1）二維滑臺滑動范圍：； mm500500 （2）工作臺重量：；nw250 1 （3）機器人及其他部件重量：；nw2000 max2 （4）最低移動速度：；smm/1 （5）最高移動速度： smm/

25、50 （6）設起動加速時間為：； s5 . 0 （7）開環(huán)定位精度： 0.02mm。 2.2 機械傳動部分計算與選型 二維工作滑臺控制系統(tǒng)機械部分的計算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當量，計 算載荷力，滾珠絲杠螺母副的設計、計算與選型，步進電機的計算與校核等。 2.2.1 確定脈沖當量 脈沖當量，是指一個脈沖所產(chǎn)生的進給軸移動量，用表示。應根據(jù)工 p 作臺進給系統(tǒng)所要求的定位精度來選定脈沖當量。考慮到機械傳動系統(tǒng)的誤差， 脈沖當量值必須小于定位精度值。因此，根據(jù)所給定的要求，可確定脈沖當量 為。脈沖/01. 0mm p 2.2.2 滾珠絲杠副的特點 滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件

26、，其作用是將旋轉(zhuǎn) 運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。它是在絲杠和螺母滾道之 間放入適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦，滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使 其廣泛的運用于各種工業(yè)設備、精密儀器。與滑動螺旋傳動或其他直線運動副 相比，滾珠螺旋傳動有下列特點： （1）傳動效率高 在滾珠絲杠副中，自由滾動的滾珠將力與運動在絲杠與 螺母之間傳遞。因而以極小的滾動摩擦代替了傳統(tǒng)絲杠的滑動摩擦，使?jié)L珠絲 杠腹地傳動效率達到 90%以上，整個傳動副的驅(qū)動力矩減少至滑動絲杠的1/3 左右，發(fā)熱率也因此大副降低。 （2）定位精度高 滾珠絲杠副發(fā)熱率低，溫升小以及在加工過程中對絲杠 采取預拉伸并預緊消除軸向間隙

27、等措施，使絲杠副具有高的定位精度和重復定 位精度。 （3）傳動可逆性 滾珠絲杠副沒有滑動絲杠粘滯摩擦，消除了在傳動過程 中可能出現(xiàn)的爬行現(xiàn)象，滾珠絲杠副能夠?qū)崿F(xiàn)兩種傳動方式。 （4）同步性能好 由于滾珠絲杠運轉(zhuǎn)順滑、消除軸向間隙以及制造的一致 性，采用多套滾珠絲杠副方案驅(qū)動同一裝置或多個相同部件時，可獲得很好的 同步工作。 2.2.3 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 (1)確定滾珠絲杠的導程 h p 根據(jù)本進給系統(tǒng)定位精度的要求，采用步進電機作為伺服驅(qū)動裝置。初步采 用 90byg550c 步進電機，當五相十拍時（半步運行） ，=0.36 。當時， s 0 1i 可使步進電機直接與絲杠聯(lián)接，有利于

28、簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。當選定執(zhí)行元件 （步進電機）步距角、系統(tǒng)脈沖當量和減速比 之后，其導程應滿足 s p i h p 匹配關(guān)系為： (2-1) 360 p h i p 代入公式(2-1)可得： 360 360 0.01 1 10() 0.36 p h i pmm (2)滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算 a. 最小載荷，是指機器空載時滾珠絲杠的傳動力。 min f 本文主要是指導軌摩擦力 (2-2)wfff 式中：為導軌上的摩擦系數(shù)，對滾動導軌， f005 . 0 f 根據(jù)公式 (2-2)可得：nff25.11)2502000(005 . 0 b. 最大載荷 mzx f 選機器承受最大負荷時滾珠絲杠的

29、傳動力，本文主要是指工作臺在加速時所 承受的最大軸向力。 236.2525.111 . 0)2502000( fmzx fmafn c. 當量轉(zhuǎn)速及當量載荷 m n m f 當負荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化時，各種轉(zhuǎn)速機會均等，可采用下列公式計算： min/153 2 6300 2 minmax r nn nm 當量載荷按最大載荷計算，即 max fnfm25.236 (3)確定預期額定動載荷 按預期工作時間估算： （2- ca wm hmam ff ff lnc 100 60 3 3） 其中，：預期額定動載荷； am cn ：負荷性系數(shù)，無沖擊取； w f2 . 1 w f ：精度系數(shù)，取； a f

30、1 a f ：可靠性 97%，??； c f44 . 0 c f 已知：小時15000 h l 代入公式(2-3)得：ncam3327 44 . 0 1100 2 . 125.236 1500015360 3 (4)確定允許的最小螺紋底徑 估算絲杠允許的最大軸向變形量 m 定位精度 (2-4)4/1 ( m )5/1 ：最大軸向變形量 m )( m 代入公式 (2-4)得m m 2 估算最小螺紋底徑 滾珠絲杠副安裝方式為一端固定，一端游動時 (2-5) m m lf d 0 2 078 . 0 導軌靜摩擦力 (n),； 0 f 100 wf 工作臺導軌的靜摩擦力； 0 滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支

31、承的最大距離(mm)l 已知：行程為 500mm,=500n, 1 w15 . 0 0 取1.1(1014)1.1 500(1014) 10(650690) h lpmm行程 取 l=650mm 代入公式(2-5)得： 2 500 0.15 650 0.07812.18 2 m dmm (5)確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 根據(jù)傳動方式及使用情況，按照樣本可以確定滾珠螺母型式。按照已估算 出的,查閱機械設計手 冊選用外循環(huán)埋入式大導程滾珠絲杠副 h p am c m d2 dcm2010-2.5，knn，10 h p494.11 a c6996 am c 1 . 15 2 dmmd m 23.11

32、2 (6)確定滾珠絲杠副支承所用的軸 承規(guī)格型號 由于絲杠主要承受軸向力，一般采用推力軸承作支承。固定端采用成對 60 接觸角推力球軸承支承，其型號7001c/db，其尺寸參數(shù)為： 、d=32mm、b=10mm。技術(shù)參數(shù)為：、mmd12kncnc orr 52 . 3 ,7350 簡支端支撐采用 6002 型深溝球軸承，其參數(shù)為.min/17000rnmzx d=32mm、b=9mm、,15mmd kncr5580kncor28500 。 min/19000 max rn 2.2.4 滾珠絲杠副校核 滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和 運動平穩(wěn)性。滾珠絲杠副的軸向

33、變形包括 絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間 滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的 縱向變形以及螺母座的 變形和滾珠 絲杠軸承的軸向接觸變形。滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小，對縱向變形的影響更 小，可忽略不 計。螺母座只要 設計合理，其 變形量也可忽略不 計，只要滾珠 絲杠支承的 剛度設計得好，軸承的軸向接觸變形在此也可以不予考 慮。 (1)絲杠的拉壓變形量 1 滾珠絲杠應計算滿載時拉壓變形量： (2-6) ea lfm 1 式中：為在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量 (mm)； 1 m f 為絲杠的工作載荷 (n)；為滾珠絲杠在支承間的受力長度 (mm)；為材料 m fle 彈性模量，對鋼；a

34、 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積 (mm )； a mpe 4 10 6 . 20 2 “”號用于拉伸， “”號用于壓縮。 已知： ，nfm25.236 a mpe 4 10 6 . 20 222 2 99.178 1 . 1514 . 3 4 1 4 1 mmda 650lmm 代入公式 (2-6)得： 1 4 236.25 650 0.0042 20.6 10178.99 mm (2)滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 2 該變形量與滾珠列、圈有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠的長度無關(guān)。 其計算公式如下： (2-7) 3 2 w m 2 d f 0013 . 0 zfyj 式中：為滾珠直徑（ m

35、m） ；為滾珠總數(shù)量；為 w d z列數(shù)圈數(shù) zzz 一圈的滾珠數(shù)， w ddz/ 0 已知：，602 . 4 w dnfm30014602 . 4 /20z 代入公式 (2-7)可得：mm0040 . 0 3575.78602 . 4 25.236 0013 . 0 32 2 (3)滾珠絲杠副剛度的驗算 絲杠的總變形量應小于允許的變形量，否則，應考慮選用較大公稱 21 直徑的滾珠絲杠副。 由上面計算可知 12 0.00420.00400.00820.02mmmm 故所選滾珠絲杠副能夠滿足剛度要求。 (4)壓桿穩(wěn)定性驗算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作載荷過大，將使絲杠失 去穩(wěn)定

36、而產(chǎn)生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為 k f （n） (2-8) 2 2 l eif f z k 式中：e 為材料彈性模量，對鋼 e，i 為截面慣性矩，對絲 a mp 4 10 6 . 20 杠圓截面（為絲杠底徑） ；l 為絲杠最大工作長度（ mm） ；)(64/ 44 1 mmdi 1 d 為絲杠支承方式系數(shù)。 z f 本設計中，支承方式選用一端軸向固定一端自由，即0 . 2 z f 所以代入公式 (2-8)得： = (n) 2 2 l eif f z k 24 2 2.0 3.1420.6 102550.69 24523 650 臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大

37、k f m f k n k n 于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，則滾珠絲杠不會失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿 k n 穩(wěn)定條件為： （2- k m k k n f f n 9） 一般取2.54，考慮到絲杠自重對水平滾珠的絲杠的影響可取 k n 。 4 k n 24523 103 236.25 k kk m f nn f 故滾珠絲杠都不會失穩(wěn)。 (5)滾珠絲杠螺母副的選擇 由上面計算結(jié)果查 機械設計手冊 單行本查得外循環(huán)埋入式大導程滾珠 絲杠副 dcm 2010-2.5 的螺母安裝、連接尺寸 (mm)如表 2-1 所示: 表 2-1 dcm2010-2.5 螺母安裝及連接尺寸 公稱 直徑 基本 道程 埋入式

38、 滾珠絲桿 副規(guī)格 0 d h p 1 d d 4 d b 5 d 6 d h dcm 2010-2.52010507663155.5105.7 2.3 滾動導軌的選型及計算 2.3.1 滾動導軌的結(jié)構(gòu)、優(yōu)點 滾動導軌是在靜、動導軌面之間放置滾動體如滾珠、滾柱、滾針或滾動導軌 快構(gòu)成的。本次畢業(yè)課題選滾動直線導軌副，它是由導軌、滑塊、鋼球、返向 器、保持架、密封端蓋及擋板等組成（見圖2-2） 。當導軌與滑塊作相對運動 時，鋼球就沿著導軌上經(jīng)過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道，在滑塊端部 鋼球又通過返回裝置進入返回孔后再進入滾道，鋼球就這樣周而復始地進行滾 動運動。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可

39、有效地防止灰塵、屑末進入滑塊內(nèi) 部。 如圖 2-2 與滑動導軌相比，滾動導軌有以下幾個優(yōu)點： a.靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號和機械動作滯后的 時間間隔極短，有益于提高系統(tǒng)的響應速度和靈敏度。 b.動功率大副度下降，只相當于普通機械的十分之一。 c.應高速直線運動，其瞬時速度比滑動速度導軌提高約10 倍。 d.實現(xiàn)高定位精度和重復定位精度。 2.3.2 初選導軌型號 本設計選用導軌為直線滾動矩形導軌，共用4 條導軌，每條導軌用 2 個 滑塊，根據(jù)最大動載荷 c=6996n,通過樣本查得初選 4 條導軌的型號都為 gda20zv,其額定動載 c=11.5kn,額定靜載 c =14.5

40、kn。 0 2.3.3 計算滾動導軌副的額定壽命l 滾動直線導軌副的壽命計算公式為： （km） 3 )(50 cw acth p c f ffff l (2-9) 式中：為滾動導軌副的距離額定壽命（ km） ；為額定載荷（ n） ，查表lc 得11500n；為硬度系數(shù)導軌面的硬度為5864hrc 時，1.0；c h f h f 為溫度系數(shù)，當工作溫度不超過1000c 時，1；為接觸系數(shù)，每根導 t f t f c f 軌條上裝二個滑塊時0.81；為精度系數(shù)，數(shù)控精密工作臺精度等級為 c f a f 3 級，；為載荷系數(shù)，無沖擊振動或，1.2；1 a f w fmin/15mv w f 。是每個

41、滑塊的工作載荷 c p 代入公式（ 2-9）得： kmkml5036.392) 5 . 62 11500 2 . 1 0 . 181 . 0 11 (50 3 大于滾動導軌的期望壽命，滿足設計要求，初選的滾動導軌副可采用。l 2.4 步進電機的驗算 2.4.1 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是一種慣性負載 ,在電機選用時必須加以考慮。由于 傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機軸同軸線，還存在各傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向 電機軸折算問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量， 即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。本設計需要對電機轉(zhuǎn)子,聯(lián)軸節(jié),絲杠,工作臺進行 轉(zhuǎn)動慣量的計算。 （1）電機轉(zhuǎn)子

42、轉(zhuǎn)動慣量的折算 d j 由四通公司提供的 90byg550c 型號，查出該電機的轉(zhuǎn)動慣量=8 d j 2 cm （2）聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量的折算 l j 查機械設計實用手冊 ，選用 tl1 聯(lián)軸器，可查出它844323 259 149 gb j j 轉(zhuǎn)動慣量為 0.0005，得出。 2 mkg 2 0005 . 0 mkgjl （3）滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量的折算 s j 4 0 32 s d l j （2-10） 式中：為滾珠絲杠的名義直徑；為絲杠的總長度；代入公式（ 2-10） 0 dl 可得： 443 2 0 3.14 265 7.85 10 0.85 3232 s d l jkg cm （4）工作臺

43、質(zhì)量的折算 g j 工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按 g j 下式進行計算： (2-11)m p j h g 2 ) 2 ( 式中，為絲杠導程（ cm） ；為工作臺質(zhì)量（ kg） 。 h pm 222 65 . 0 5 . 25) 28 . 6 1 () 2 (cmkgm p j h g （5）傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 j 2 5 . 1465 . 0 85 . 0 58cmkgjjjjj gsld 2.4.2 驗算矩頻特性 步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機的定位轉(zhuǎn)矩 (靜止狀態(tài) )，可從樣本中 maxj m 查出。步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為： mq m

44、maxj m maxjmq mm 查表可知951. 0 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空 載啟動力矩可按下列計算： 0 mmmm kfkakq 式中： 為空載啟動力矩；為空載啟動時運動部件由靜止 kq m)(cmn ka m 升速到最大快進速度，折算到電機軸上的加速力矩；為空載時折)(cmn kf m 算到電機軸上的摩擦力矩； 為由于絲杠預緊，折算到電機軸上的附)(cmn 0 m 加摩擦力矩。)(cmn 初選電機型號時應滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉(zhuǎn) 矩，即 maxjmqkq mmm 有關(guān)的各項力矩值計算如下： kf m (1)加速力矩 3

45、60 10 60 2 max max 2max p b ka v n t n jjm 式中：為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量；為電機最大角加速度；為與運 j max n 動部件最大快進速度對應的電機最大轉(zhuǎn)速；t 為運動部件從靜止啟動加速到最 大快進速度所需的時間，為運動部件最大快進速度；為初選步進電機的 max v b 步距角；為脈沖當量。 p min/300 36001 . 0 36 . 0 3000 360 max max r v n p b cmnmka 106 . 9 10 5 . 060 30014 . 3 2 5 . 14 2 (2)空載摩擦力矩 i pfw m h kf 2 式中：為運動部

46、件的總重量；為導軌摩擦系數(shù)；齒輪傳動降速比；w f i 為傳動系數(shù)總效率，取0.8；為滾珠絲杠的基本導程。則 h p cmmkf 99 . 2 18 . 014 . 3 2 1005 . 0 3000 (3)附加摩擦力矩 2 00 1 2 i pf m hyj 式中：為滾珠絲杠預緊力；為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，現(xiàn)取 yj f 0 0.92。 0 cmnm 215 . 2 )92 . 0 1 ( 192 . 0 14 . 3 2 1 3 . 83 2 0 所以，步進電機所需空載啟動力矩： mncmmmmm kfkakq 143 . 0 311.14215 . 2 99 . 2 106 . 9

47、 0 初選電機型號 (表 2-1)應滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名 義啟動轉(zhuǎn)矩，即 mnmmm jmqkq 951 . 0 0 . 1951 . 0 max 表 2-1 步進電機性能參數(shù) 型號 相 數(shù) 步 距角 ( 0 ) 電 流 a 空載啟動頻率 (半步方式) hz 保 持轉(zhuǎn)矩 nm 定位 轉(zhuǎn)矩 nm 轉(zhuǎn)動慣 量(g.cm ) 2 90byg 550c 5 0. 36 3250061.08000 從上式可知，初選電機滿足空載啟動要求。 2.4.3 啟動矩頻特性校核 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進 電機從靜止狀態(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為

48、零。在一段時間內(nèi)，按 一定的升速規(guī)律升速。啟動結(jié)束 時，步進電機達到了最高運行速 度。此時相應 的運行頻率為。 max f 從圖(2-3)的頻矩特性表可 以看出，初選步進電機空載啟動 力矩遠遠小于允 許啟動頻率所對 應的啟動力矩， 所以步進電機空 載起動時不會 丟步。 3 3 維維滑滑臺臺的的控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)硬硬件件設設計計 3.1 步進電機的控制方案比較 對于步進電動機 ,有多種控制方法 ,在此,僅介紹幾種較為常見的、普遍的 控制方法。 3.1.1 用單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)運動控制 此系統(tǒng)由單片機芯片、外圍擴展芯片以及通過搭建外圍電路組成。在 “位置控制 ”方式時，通過單片機的 i/o 口發(fā)數(shù)字脈

49、沖信號來控制執(zhí)行機構(gòu)行 走；“速度控制 ”方式時，需加 d/a 轉(zhuǎn)換模塊輸出模擬量信號達到控制。此方 案優(yōu)點在于成本較低，但由于一般單片機i/o 口產(chǎn)生脈沖頻率不高，對于分辨 率高的執(zhí)行機構(gòu)尤其是對于控制伺服電機來說，存在速度達不到，控制精度受 限等缺點。對于運動控制復雜的場合，例如升降速的處理，多軸聯(lián)動，直線、 圓弧插補等功能實現(xiàn)起來都需要自己編寫算法，這必將帶來開發(fā)起來難度較大， 研發(fā)周期較長，調(diào)試過程煩瑣，系統(tǒng)一旦定型不太容易擴充功能、升級、柔性 不強等問題。因此這種方案一般適用于產(chǎn)品批量較大、運動控制系統(tǒng)功能簡單、 且有豐富的單片機系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的用戶。 采用專業(yè)運動控制 plc 來實現(xiàn)

50、運動 控制 目前，許多品牌的 plc 都可選配定位控制模塊，包括脈沖輸出功能，模擬 量輸出等等。使用這種 plc 來做運動控制系統(tǒng)的上位控制時，可以同時利用 plc 的 i/o 口功能，可謂一舉兩得。 plc 通常都采用梯形圖編程，對開發(fā)人員 來說簡單易學，省時省力。還有一點不可忽視，但具有脈沖輸出功能的plc 大多都是晶體管輸出類型的，這種輸出類型的輸出口驅(qū)動電流不大，一般只有 0.10.2a。在工業(yè)生產(chǎn)中，作為 plc 驅(qū)動的負載來說，很多繼電器開關(guān)的容 量都要比這大，需要添加中間放大電路或轉(zhuǎn)換模塊。與此同時，由于plc 的 工作方式（循環(huán)掃 描）決定了它作為上位控制時的實時性能不是很高，

51、要受 plc 每步掃描時間的限制。而且控制執(zhí)行機構(gòu)進行復雜軌跡的動作就不太容易實 現(xiàn)，雖說有的 plc 已經(jīng)有直線插補、圓弧插補功能，但由于其本身的脈沖輸出 頻率也是有限的（一般為 10k100k），對于諸如伺服電機高速高精度多軸聯(lián) 動，高速插補等動作，它實現(xiàn)起來仍然較為困難。 3.1.2 設計方案的提出 本次步進電機控制系統(tǒng)就是采用 “pc+運動控制卡 ”作為上位控制，通過 運動控制卡發(fā)出脈沖和方向信號。用microsoft visualbasic 編輯界面程序。 調(diào)用控制卡中的運動函數(shù)庫，動態(tài)改變脈沖頻率，控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從 而在開環(huán)控制狀態(tài)下實現(xiàn)對步進電機的控制。既提高了實時性和快

52、速性，又方 便又實用。圖 (3-1)就是典型的步進電機控制系統(tǒng)。 圖 3-1 步進電機控制系統(tǒng)方案圖 3.2 控制系統(tǒng)電路圖設計 根據(jù)老師要求，我們選用了北京和利時電機技術(shù)有限公司(原四通電機公 司)90byg550c-sakrma-0301 型步進電機與其配套的驅(qū)動器及北京科日新控電子 技術(shù)有限公司的 kpci-884 運動控制卡。 kpci-882 卡是基于 pc 機 pci 總線的 步進電機或數(shù)字伺服電機的上位控制單元，它與pc 機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)： pc 機負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作（例如鍵盤 和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控等

53、等）； kpci-884 卡完成運動控制的所有細節(jié)（包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降 速的處理、原點和限位等信號的檢測等等） 。 3.2.1 步進電機的特點及工作原理 （1）步進電機的特點 步進電機可以簡單地定義為 :是一種用電脈沖信號進行控制 ,將電脈沖轉(zhuǎn) 換成相應的角位移或線位移的執(zhí)行機構(gòu) .通俗一點講 :當步進驅(qū)動器接收到一個 脈沖信號 ,它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個角度(及步距角 )。可能通 過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時通過控制 脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)整的目的。 步進電機有以下特點 :步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種干擾

54、因素(如 電源電壓的波動、電流的大小與波形的變化、溫度等)的影響，只要他們的大 小在未引起步進電機產(chǎn)生 “丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作； 步進 電動機的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)?“零” ，因此不會長期累積； 控制性能好，在 起動、停止、反轉(zhuǎn)時不易 “丟步” 。 一般步進電動機主要分為三大類，永磁式 (pm-permanent magnet)、磁阻 式（vr-variable reluctance） 、混合式（ hb-hybrid） 。 （2）步進電機工作原理 以三相磁阻式（反應式）步進電機為例敘述步進電機原理,該電機轉(zhuǎn)子均勻

55、分 布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯 開 0、1/3 、2/3 ,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即 a 與齒 1 相對齊， b 與齒 2 向右錯開 1/3 ，c 與齒 3 向右錯開 2/3 ，a與 齒 5 相對齊，( a就是 a，齒 5 就是齒 1)下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖： 如 a 相通電， b，c 相不通電時，由于磁場作用，齒1 與 a 對齊， （轉(zhuǎn)子不 受任何力以下均同）。如 b 相通電， a，c 相不通電時，齒 2 應與 b 對齊，此 時轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 ，此時齒 3 與 c 偏移為 1/3 ，齒 4 與 a 偏移（ - 1/3 ）=2/

56、3 。如 c 相通電， a，b 相不通電，齒 3 應與 c 對齊，此時轉(zhuǎn)子 又向右移過 1/3 ，此時齒 4 與 a 偏移為 1/3 對齊。如 a 相通電， b，c 相 不通電，齒 4 與 a 對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 這樣經(jīng)過 a、b、c、a 分別通 電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 a 相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果 不斷地按 a，b，c，a通電，電機就每步（每脈沖） 1/3 ,向右旋轉(zhuǎn)。 如 按 a，c，b，a通電，電機就反轉(zhuǎn)。 不難推出：電機定子上有 m 相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移 1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制 這

57、是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相 的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。 步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備步進 電機驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與電動機自身的性能有關(guān)外，也在 很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。步進電機驅(qū)動器的主要構(gòu)成如圖3-2 所示， 一般由環(huán)形分配器、信號處理級、推動級、驅(qū)動級等部分組成。用于功率步進 電機的驅(qū)動器還要有多種保護線路。 圖 3-2 步進電機驅(qū)動器組成 3.2.2 系統(tǒng)控制方案及電路接線設計 （1）以步進電機及其驅(qū)動器作為的執(zhí)行部件的位置伺服系統(tǒng),它最大的 優(yōu)點能夠在開環(huán)

58、系統(tǒng)中達到精確的控制。在該開環(huán)步進式位置伺服系統(tǒng)中指令 信號是單向流動的，由 kpci884 運動控制卡發(fā)出的指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動器sh- 50806b、五相混合式步進電機，通過滾珠絲杠驅(qū)動二維工作臺移動。系統(tǒng)開環(huán) 控制方案如圖 3-3 所示。 圖 3-3 開環(huán)控制系統(tǒng)方案圖 （2）驅(qū)動器 sh-50806b 說明書 sh-50806b 型驅(qū)動器主要用于驅(qū)動 90 及 110 機 座號五相混合式步進電動 機。sh-50806b 采用數(shù)字式 升頻升壓驅(qū)動方式，并結(jié) 合了恒電流控制技術(shù) ，電機 采用五根線接法。適配本 公司生產(chǎn)的步距角為 0.36的步進電機時，具 有極高的定位精度。驅(qū)動器 在整個運行頻

59、域內(nèi)不存在 明顯的振蕩區(qū)，特別適用 于 定位精度高、運行振動小、 噪音要求低的場合，如： 經(jīng)濟型數(shù)控機床，雕刻 機等。 脈沖信號輸入： 單脈沖控制方式時為脈沖信號輸 入端，雙脈沖控制方式時 為正轉(zhuǎn)脈沖信號輸入端。輸 入信號脈沖為沿有效方式， 對于驅(qū)動器的正確運行來 說，有效電平信號占空比 應在 50%以下，為了確保脈 沖信號的可靠響應，脈沖 低電平的持續(xù)時間不應少于 10s。 方向信號輸入： 單脈沖模式下該端的內(nèi)部光耦的 通、斷被解釋為電機運行 的兩個方向，方向信號的改變將使電機運行的方向發(fā) 生變化，該端的懸空被等效認為輸入高電平。要注意一點是，應確保方向信號 領(lǐng)先脈沖信號輸入至少 10s 建

60、立，從而避免驅(qū)動器對脈沖信號的錯誤響應。 當不需換向時，方向信號端可懸空 。雙脈沖模式下本端口接收反轉(zhuǎn)脈沖，接口 邏輯要求與脈沖輸入端口一致。輸入信號脈沖為沿有效方式。 輸出信號是光耦集電極開路輸出，接點容量dc24v/15ma，低電平有效。 在本設計中根據(jù)工作實際的需要，決定對步進電機驅(qū)動器選取單脈沖、半步 的運行方式。 （3）運動控制卡 kpci882 接口說明 kpci882 是 pci 總線兩軸伺服 /步進電機運動控制卡，它以高頻率脈沖串輸 出方式，控制伺服 /步進電機的運動。該卡能精確地控制所發(fā)出的脈沖頻率（電 機速度）、脈沖個數(shù)（電機轉(zhuǎn)角）及脈沖頻率變化率（電機加速度），它能滿 足