基于labview运动控制系统设计

基于labview运动控制系统设计内容摘要：

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 2． 3 开环运动控制系统 X 向滚动直线导轨副 1. 各滚动载荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝ 130*＝ 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*＝ 38400 h L= 2ls ns *60 Lh /103 ＝ 2**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 ＝ ， f a ＝ ， f w ＝ 1，取 f h ＝ 1。 额定动载荷 ca ≥ f w pc 1* 3 6912 L *3 ＝ ＝ f h ft f c f a K 1*1** 50 查表选用 GGB16AA2P 1 2*1000*E 直线滚动导轨副， 该导轨副的 ca ＝ , coa ＝。 向滚动直线导轨副选择 1． 各滚动载荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝ 130*＝ 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*＝ 38400h L= 2ls ns *60 Lh /103 ＝山东建筑大学毕业论文 7 2**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 ＝， f a ＝ ， f w ＝ 1，取 f h ＝ 1。 额定动载荷 ca ≥ f w pc 1* 3 6912 L *3 ＝ ＝ f h ft f c f a K 1*1** 50 查表选用 GGB16AA2P 1 2*1000*E 直线滚动导轨副， 该导轨副的 ca ＝ , coa ＝ 要实现对 XY 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 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 24 所示。 图 24 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 25 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 26 所示： 图 26 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 27 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 PCI－ 7314 组成给更复杂的步进电机控制系统，见图 28。 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 28 完整的步进电机控制系统 上述系统再加上 XY 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 21 XY 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。 山东建筑大学毕业论文 8 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 3． 1 滚珠丝杠副的选择 X 向滚珠丝杠副的选择 XY 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 ? ＝ ， 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 ＝。 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 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 ＝ μMg ＝ *（ 30＋ 50） * = N Fa ＝ F f ＝ 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/s＝ v/ Ph ＝ 2020/5 = 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 = Kh Fa = * = Kn f∑ * （ 2）寿命 Lh 由工作条件查得 （ 3）综合系数 f ∑ Lh ＝ 15000h， K h ＝， K n ＝ f∑ = ft f h f a f k 1*1*1* = = fw 查表得： f t ＝ 1， f h ＝ 1， f a ＝ 1 ， f w =, f k ＝ （ 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： FFZD2020，额定动负荷 ca ＝ 9 KN ；预紧力 F0 = 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 ＝山东建筑大学毕业论文 9 300+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 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 2 * nc = 9910 = 9910 = 13941r / min nmax ， 满 足 要 Lc 2 求。 （ 1）丝杠底径 d 2 ：查表得 d 2 ＝ mm＝ m （ 2）支承方式系数 f 2 ，查表得 f 2 ＝ (3)临界转速计算长度 Lc Lc = 100 540 ? 448 + 300 + 24 + = 424mm = 2 2 7．压杆稳定性校核 临界压缩载荷 Fc ＝ *10 10 * f1d 24 =*10 10 *2* / 2 =*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 ＝ L 0 ≈ （ ～ ）行程＋（ 10～ 14） Ph 取 L 0 ＝ 行程＋ 12 Ph ＝*300+12*5＝ 381 mm＝ m 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 FS 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 δ s max = Fa l π *106 = * /(4* * * *1011 ) *106 ＝ 4 AE 4 ? m (2)丝杠与螺母间的接触变形 δc = Fa ＝ ＝ ? m Kc 查表得 FFZD2020 型滚珠丝杠副的接触刚度： K c ＝ 536 N/ ? m (3)轴承的接触变形 δ B 轴向弹性变形 δ B ＝ * 3 Fa2 =* 3 =*10 ?4 mm＝ ? m Dw Z 2 4*132 滚珠数目 Z=13 (4)丝杠系统的总位移 δ = δ s max + δ c + δ B ＝ ++ ＝ ? m （ 5）定位精度 δ s max 发生在螺母处于丝杠中部的地方， δ c 和 δ 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 ? m ， 位置误差为 ? m ， 能满足 的定位精度要求。 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 山东建筑大学毕业论文 10 2. 丝杠转速 nmax 丝杠最大转速 nmax ＝ v/s＝ v/ Ph ＝ 2020/6= r/min F f ＝μMg ＝ *（ 30+30+50） *= N Fa ＝ Ff ＝ N 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 = Kh Fa = * = N Kn f∑ * （ 2）寿命 Lh 由工作条件查得 （ 3）综合系数 f ∑ Lh ＝ 15000h， K h ＝， K n ＝ f∑ = ft f h f a f k 1*1*1* = = fw 查表得： f t ＝ 1， f h ＝ 1， f a ＝ 1 ， f w =, f k ＝ （ 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： FFZD2020，额定动负荷 ca ＝ 9 KN ；预紧力 F0 = 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*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 nc = 9910 f22 * d2 2 * = 9910 = 13941r / min nmax ， 满 足 要 Lc 2 求。 （ 1）丝杠底径 d 2 ： 查表得 d 2 ＝ mm＝ m （ 2）支承方式系数 f 2 ，查表得 f 2 ＝ （ 3）临界转速计算长度 Lc ： Lc = 100 540 ? 448 + 300 + 24 + = 424mm = 2 2 7. 压杆稳定性校核 临界压缩载荷 Fc ＝ *10 10 * *10 4 N f1d 24 =*10 10 *2*（ 1）支承方式系数 f 1 （ 2）最大受压长度 L 0 查表得 f 1 ＝ L 0 ≈ （ ～ ）行程＋（ 10～ 14） Ph 取 L 0 ＝ 行程＋ 12 Ph ＝ *300+12*5＝ 381mm＝ 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 FS 支承形式，无需预拉伸，因而不必进行预拉伸计算。 δ s max = Fa l π *106 = * /(4* * * *1011 ) *106 ＝ 4 AE 4 ? m （ 2）丝杠与螺。