机电一体化xy运动平台控制系统设计

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1、机电一体化XY运动平台控制系统设计1概述机电一体化Mechatronics一词是机械和电子两个词的合成词20世纪70年代中期由日本首先开始使用很快便得到欧美各国的普遍认同并得到广泛使用但迄今为止其精确定义尚不明确但从广义上可简要概括微机械工程与电子工程相结合的技术以及应用这些技术的机械电子装置实际上机电一体化是机械工程学科电子工程学科以及控制信息工程学科等的多学科综合技术可以毫不过分地说当今世界上各种灵巧便利的机械都是基于机电一体化技术制造的此外机电一体化在家用电器各种车辆医疗器械工厂游乐园等各种领域场所都得到了广泛的应用表1是机电一体化应用的分类和实例表1机

2、电一体化实例应用举例发条式钟表→石英钟表原来由机械机构实现动作的装置通过与手动照相机→自动微机控制照相机电子技术相结合来实现同样运动的新的装机械式缝纫机→电动电子式缝纫机置机械式调速器→电子式调速器自动售货机自动柜员机ATM邮局自原来由人来判断决定动作的装置变为无人动分拣机无人仓库船舶和飞机的自动操作的装置导航装置等按照人编制的程序来实现灵活动作的装置数控机床工业机器人智能机器人等采用机电一体化技术的产品和系统具有以下几个方面的特点1体积小重量轻由于半导体和集成电路技术的提高和液晶技术的发展使得控制装置和测量装置的重量和体积大大减小迅速向轻型化和小型化发展2速

3、度快精度高随着电路集成度的不断提高处理速度和响应速度也迅速提高使机电一体化装置总的处理速度能够充分满足实际应用的需要3可靠性高由于激光和电磁应用技术的发展传感器和驱动控制器等装置已采用非接触式取代了接触式避免了原来机械接触存在的注油磨损断裂等问题使可靠性得到大幅度提高4柔性好机电一体化系统通常可以通过改变计算机软件就可以实现最佳运动并增加新的运动具有很强的可扩展性机电一体化系统的组成如图1所示大致可以分成四个部分lab311.gfkd.mtn图1机电一体化系统的组成1机械部分像数控工作台和机器人那样实现目标轨迹和动作2执行装置将信息转化为力和能量以驱动机械部分

4、运动3传感器用于对输出端的机械运动结果进行测量监控和反馈4控制装置对机电一体化系统的控制信息和来自传感器的反馈信息进行处理1向执行装置发出动作指令机电一体化系统的规划和设计方法因操作目的的不同而千差万别但作为共性问题包括以下几个方面1认真分析系统操作目的确定系统操作功能2根据系统操作功能确定系统的动作机构和运动组合顺序3确定操作力的大小和方向并据此确定动力源和驱动装置4选择并确定控制检测所需要的各种传感器5确定控制算法和控制系统用框图或流程图来表达所要控制的目标6对上述2345项进行机械电气硬件和软件的设计对材料强度结构体积和和重量进行校验并进行软件编制7必要

5、时进行模拟仿真对算法和系统进行检验8进行产品制造和订货采购9进行精加工装配和调试2XY运动平台控制系统介绍XY运动平台是许多数控加工设备和电子加工设备目前最为典型的机电一体化系统的基本部件如数控车床的纵横进刀装置数控铣床和数控钻床的XY工作台激光加工设备工作台表面贴装设备等一系统构成XY运动平台控制系统主要由计算机运动控制器伺服步进电机及相关软件等组成控制计算机可以是普通的PC机运动控制器是安装在计算机总线扩充槽内的电机运动控制卡如图2所示为XY运动平台机械本体它由两个直线运动单元组成每个直线运动单元主要包括工作台面滚珠丝杆导轨轴承座基座等部分通过两个直线运动

6、单元的组合运动可以使工作台面产生两个自由度图2XY运动平台XY轴方向的平面运动二电机与驱动装置根据驱动和控制精度的要求XY运动控制系统的执行装置可以分别选用交流伺服电机直流伺服电机和步进电机直流伺服电机具有起动转矩大体积小重量轻转矩和转速容易控制效率高的优点但维护困难使用寿命短速度受到限制直流伺服电机的转速控制采用电压控制方式因为控制电压与电机转速成正比直流伺服电机的转矩控制采用电流控制方式因为电机的转矩与控制电流成正比lab311.gfkd.mtn交流伺服电机具有高速高加速度无电刷维护环境要求低等优点但驱动电路复杂价格高交流伺服电机的控制分为电压控制和频率控

7、制两种方式异步电机通常采用电压控制方式步进电机不需要传感器不需要反馈用于实现开环控制步进电机可以直接用数字信号进行控制与计算机的接口比较容易没有电刷维护方便寿命常启动停止正转反转容易控制步进电机的缺点是能量转换效率低易失步输入脉冲而电机不转动等对步进电机的控制包括单相励磁双相励磁及单双相励磁控制其中单相励2磁精度高但易失步双相励磁输出转矩大转子过冲小为步进电机的常用控制方式但效率低单双相励磁控制方式分辨率高运转平稳三位置传感器机电一体化系统中常用的位置传感器包括旋转编码器和电位器等1旋转编码器旋转编码器是一种角位移传感器它分为光电式接触式和电磁感应式三种从输出

8、量上可分为增量编码器和绝对编码器两种其