翟21
浅论运动控制新技术在机械工业自动化中的应用 摘要：目前，运动控制新技术已经逐渐发展成熟。运动控制新技术在机械工业自动化领域中得到推广和应用，必将促进机械工业自 动化的发展。本文从四个方面探讨了运动控制新技术在机械工业自动化中的应用。 关键词：运动控制新技术机械工业 随着现代科学技术的快速发展，高新 技术不断引导传统产业实施变革。机械工 业作为传统产业之一，在这种潮流的影响 下也在逐渐开展一场大规模的机电一体化 技术革命。随着电子计算机技术、电子电 力技术和传感器技术的发展，各个国家的 机电一体化产品层出不穷。在机电一体化 技术迅速发展的同时，运动控制技术作为 其关键的组成部分，也得到了前所未有的 发展和进步。本文主要介绍全闭环交流伺 服驱动技术、可编程计算机控制器、直线 电机驱动技术和运动控制卡等几项具有代 表性的新技术。 1全闭环交流伺服驱动技术 交流伺服系统在一些定位精度或动态 相应要求比较高的机电一体化产品中的应 用越来越广，其中数字式交流伺服系统更 符合目前数字化控制模式这一潮流，并且 这一系统使用简单，便于调试。数字是交 流伺服系统运用先进的数字信号处理器作 为驱动器的主要组成部分，可以对电机轴 后端的光电编码器进行位置采样，从而在 驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环 控制系统，并且充分发挥数字信号处理器 的高速运算能力，进而自动完成整个伺服 系统的增益调节，甚至还可以跟踪负载的 变化，实时调节系统增益。 这种数字式交流伺服系统在一般工作 在半闭环的控制方式中，也就是伺服电机上 的编码器既要作为速度环，同时也要作位置 环。但是这种控制方式存在一个弊端，也就 是不能克服和补偿传动链上的间隙和误差。 为了能够实现更高的控制精度，一般应该在 最终的运动部分安装上高精度的检测元件， 从而实现全闭环控制。相对比较传统的全 闭环控制方法是伺服系统只是接受速度指 令，完成对速度环的控制，而位置环的控制 是由上位控制器来完成的。这样，就增加了 上位控制器的难度，也在一定程度上阻碍了 伺服系统的推广和应用。 目前，国外的数字式伺服系统发展比 较好，出现了能够很好地实现高精度自动 化设备的运行，这就是全闭环数字式伺服 系统。这一系统能够有效克服上述半闭环 控制系统存在的问题，伺服驱动器可以直 接采用装在最后一级机械运动部件上的位 置反馈元件作为位置环，电机上的编码器 只是作为速度环。这样一来，伺服系统就 可以消除机械传统上存在的间隙，也可以 补偿机械传动件的制造误差，从而实现真 正的全闭环位置控制功能，得到较高的定 位精度。 2计算机控制器技术 目前，可编程计算机控制器已经成为 新一代可编程控制器。与传统的可编程控 制器相比，可编程计算机控制器最大的特 点在于它类似于大型计算机得分是多任务 操作系统和多样化的应用软件的设计。传 统的可编程控制器大多采用单任务的时钟 扫面或监控程序来处理程序本身的逻辑运 算指令和外部的I/O通道的状态才与与刷 新。结果是这样的处理方式直接导致了可 编程控制器的控制速度主要有应用程序的 大小来决定，这与I/O通道中高实时性的 控制要求并不相符。但是，可编程计算机 控制器却能完全解决这个问题，主要表现 在可编程计算机控制器采用了分时多任务 机制打造应用程序的运行平台，这样应用 程序的运行周期与程序的大小没有必然的 联系，而是由操作系统的循环周期来决定 时间的长短。因此，可编程计算机控制器 能将应用程序的扫描周期同外部的控制周 期分开来，从而满足了实时控制的要求。 随着电子计算机中央处理器技术的发展， 电子计算机处理数据的能力极大地提高， 这就为可变成计算机控制器提供了相应的 硬件技术支持。 可编程计算机控制器在工业控制中已 经显现出了强大的优势功能，体现了可编 程控制器与工业控制计算机及分布式工业 控制系统技术的相互融合。虽然说这一技 术的发展历程并不长，还仍是一项正被探 索的技术，但是其被越来越多地应用到各 个领域中，显示出了强大的生机与潜力。 3直线电机驱动技术 机床进给伺服系统中应用直线电机技 术，近些年来得到了世界范围内机床行业的 重视，特别是在西欧的发达工业地区，已经 出现了“直线电机热”这一高潮。在机床 的进给系统中，运用直线电机直接驱动比原 旋转电机传动的最大优势是取消了从电机 到工作台之间的机械传动环节，进而将机床 进给传动链的长度缩短为零，因此这种传动 方式有被称为“零传动”。正是因为这种“零 传动”的方式，给机床带来了原旋转电机驱 动方式无法达到的性能和优势。 这些性能和优势主要体现在：快速响 应。由于伺服系统中直接取消了一些响应 时间较长的机械传动建，使得整个闭环控 制系统的反应速度大大提高，变得快速直 接；高精度。直线驱动系统取消了由丝杠 等机械结构所产生的传动间隙和误差，减 少了插补运动时因传动系统之后所可能带 来的跟踪误差，运用直线定位检测反馈控 制，大大提高了机床的定位精度；高传动 刚度。由于直接驱动避免了气动、变速和 换向时因为中间传动环节的弹性变形、摩 擦磨损和反向间隙所造成的运动滞后现 象，提高了传动刚度；行程长度不受限制。 在导轨上通过串联直线电机，可以无限制 地延长其行程长度，具有过去间接驱动系 统所无法比拟的优势；噪音低。由于现代 工业生产所要求的排放的噪音具有一定的 指标，而直接驱动系统由于取消了传动丝 杠等部件的机械摩擦，同时其导轨又可以 采用滚动式或者磁悬浮式，因而大大降低 了运动时所产生的噪音；高效率。无中间 传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗， 大大提高了传动效率。 4运动控制卡 运动控制卡是一种上位控制单元，主 要运用于工业电子计算机和各种运动控制 场合上。之所以运动控制卡能够出现，主 要体现在以下几个方面：首先，为了满足 新型数控系统的标准化、柔性和开放性的 需求。运动控制卡可以自行调节，来达到 上述要求；其次，对运动控制模块硬件平 台的需求。当前，各种工业设备、国防装备 制造与操作、医疗智能设备在进行自动控 制系统研制和改造过程中急需运动控制模 块硬件平台，而运动控制卡则能满足上述 要求；第三，发挥电子计算机功能的需求。 电子计算机在各种工业现场的应用，要求 配备相应的控制卡来提高电子计算机的性 能和功能。 目前，由于运动控制模式在国外自动 化设备的控制系统中相当流行，因而运动 控制卡耶行程了一个独立专门行业，不少 国外的公司专业从事运动控制卡的研发， 在国内，也有同类产品的出现，并已经被成 功地应用到数控打孔机、汽车零部件性能 检验等自动化设备上。 参考文献 [1]江平宇网络化计算机辅助设计与制造 技术(第1版)[M]北京：机械工业出版 社， [2]王德祥柔性控制技术在包装机械自动 化中的应用[J]石油化工应用，2007(4) [3]冯衡滨试论我国机械自动化技术的发 展[J]民营科技，2008(2) 
这篇格式还比较完整，论文也还有点深度，你参考下1、对蜗杆传动的类型进行选择利用GB-T10085-1988中数据的条件，本次蜗杆利用蜗杆（ZI）。2、对蜗杆和蜗轮材质的选择蜗轮采用模具铸造而成，材质采用锡磷青铜。围绕着保护环境节约价值高的材料，因此齿圈利用青铜铸造而成，而轮芯则采用材质更好的灰铸铁铸造而成。蜗杆与蜗杆之间传动的能量一般，之间传动的速度并不是很快，蜗杆采用45钢；并在蜗杆螺旋表面做淬火处理。采用45钢可以增强效率和耐磨性，提高韧性，加强强度。3、对齿根弯曲疲劳强度检验和对接触疲劳强度设计传动之间的中心距为 （4-6）1）计算T2的大小根据Z1=8，估计选择效率η1=85，则T2=55×106=55×106=55×106=932）确定载荷系数K蜗轮和蜗杆的转速并不是很高，他们之间冲撞不是很高，因此选择系数为Kv=05;则K=KβKAKv=1×1×05=15。蜗轮蜗杆载荷比较稳定，因此载荷系数为Kβ=1;在利用12-5[8]中数据可以知道帮并选择系数KA=1。3）对ZE的确定蜗轮的材质ZCuSn10PI和钢蜗杆匹配，所以 弹性影响系数为160。 4）对于Zp的选择首先预先估计d1/a=35，然后利用图12-13[8]中的数据可以知道Zρ=9。5） 对于[σH]的选择依照蜗轮的材质采用ZCuSn10PI构成并由模具压铸而来，因此螺旋齿面的硬度应该超过45HRC，然后可以利用表12-7[8]中数据可以知道蜗轮 [σH]＇等于245MPa N=60jn2Lh=60×1×20×12000/5=67×107 KHN==8845则 a≥=75mm6）计算中心距预先定其中心距为220mm，又根据i=5，所以可以利用表12-2[8]中数据可以知道模数为8mm可以确定分度圆直径大小为70mm。这时d1/a=4，再次利用表12-18[8]中数据可以知道Zρ＇等于65，得出Zρ＇小于Zρ，所以以上假设成立，可以使用。。4、对于蜗杆和蜗轮的各种具体数字准确的计算1）蜗杆首先对蜗杆的轴向齿距和轴向齿厚大小进行判断得出Pa=133mmSa=5664mm;然后对直径的系数大小和齿顶圆齿根圆以及分度圆导程角q=10；da1=96mm; df1=8mm; γ=11°18´36"。2）蜗轮对于蜗轮主要对蜗轮的分度圆直径d2，齿根圆和喉圆直径df2，da2；以及蜗轮的齿数z2和变位系数x2和对传动比的验证iz2=40;x2=-5;i=40/8=5；d2=mz2=8×40=320mm；da2=d2+2ha2=320+2×8=336mm；df2=d2-2hf2=320-2×2×8=8mm；rg2=a- da2/2=200-5×336=32mm。5）、对齿根圆强度的校核 齿数为 zv2===08因为x2=-5， zv2=08，所以利用12-14[8]中数据可以知道YFa2=87 Yβ=1-=9192许用应力[σF]= [σF] ＇KFN。利用12-8[8]中数据可以知道并得出铸锡磷青铜制造的蜗轮的弯曲应力 [σF]＇=56MPa。由以上数据可以得出其寿命的系数为 KFN==985其强度满足实际要求，合理。 6）、蜗杆蜗轮的精度根据GB/T10089-1988这个，可以从其中圆柱形蜗杆，蜗轮的精度等级为8级，侧隙的种类为f，因此标注是8f GB/T10089-1988，以上都是选择都是由于蜗杆属于通用机械减速器。4 链传动设计 已知链传动传动比i=5，输入功率P=86W。 1 选择链轮齿数z1，z2 假定链速υ=3～8m/s，由表9-8[8]选取小链轮齿数z1=22，从动链轮齿数z2=iz1=5×22=55。2 计算功率Pca查得工作情况系数KA=2，故Pca=2×86=83W3 确定链条链节数Lp初定中心距a0=40p，则链节数为Lp==[]节 =12节，最终确定Lp=124节。4 对链条节数的选择和确定利用9-10[4]中数据可以查询知道齿数的系数大小为Kz=11; KL=06;利用9-13[8]中数据可以对小链轮的转速进行预先估计，因为链板有可能会发生疲劳破坏，这是由于链板在功率曲线顶点左侧。链板选择用单排链，利用9-11[8]中数据可以查询知道多排链的系数为KP=1，因此功率为是P0===4W为了验证上面预计的链的工作的点在功率曲线的顶点的左侧是否是对的，利用n1=04r/min和P0=4W，再根据9-13[8]中数据查询并选择单排链。因此上述假设成立。再根据9-1[8]中数据可以查询知道节距p=875mm。5 计算链长和中心距L===97ma= =mm =642mm（002～004）a=（002～004）×642mm =3～6mma＇=a-△a=642-(3～6)mm=7～4mm取 a＇=640mm6 验算带速υ==m/s=5m/s，满足实际要求。利用9-4[8]中数据可以知道小链轮毂孔直径dkmax=59mm， 并大于电动机的轴径大小，因此比较满足要求。8对压轴力的计算和确定 圆周力的的计算==30N将其依照水平方向安置取，因此其系数为KFP=15，所以=40N5 齿轮传动设计根据已知功率输入为P=79W，小齿轮转速 n1=15转/分传动比i=2。 1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1）选择直齿圆柱齿轮 2）齿轮速度中等不是很快，因此选择7级精度 3）对齿轮的材质进行选择。利用10-1[5]表中数据选择小齿轮材料的选择为40 Cr，并且做出调质处理，与此同时可以得出其硬度为280HBS；和上一个一样的道理大齿轮所用材质是45钢，并知道其硬度为240HBS。4）对小齿轮的齿数进行选择z1=25，对大齿轮的齿数的选择和计算z2=iz1=2×25=50。 2 对齿轮的设计用接触疲劳强度来设计 先根据计算公式来计算，即 1）弄清公式中各个代表的数值大小； (a) 首先对载荷系数的确定Kt=2； (b) 对其传动的转矩大小进行确定=5×105×44679/15Nmm=845×105N·mm (c) 由表10-7[9]选取齿宽系数ød=1 (d) 利用10-6[9]中数据可以知道其材质的ZE大小；ZE=8MPa1/2 (e) 利用10-21d[9]中数据可以查询到其齿面硬度的接触疲劳强度σHlim1=600MPa;同理也可以查询到大齿轮的强度为σHlim2=550MPa； (f) 根据10-13[9]中的公式来计算循环次数 N1=60n1jLh=60×15×1×(2×8×300×15)=65×109 N2=N1/i=65×109 /2=325×109 (g) 利用10-19[9]中数据可以知道KHN1=90;KHN2=95； (h) 对其应力的计算利用（10-12）[9]中数据可以得到 2）计算 (a) 对分度圆直径的计算，将其代[σH]入中最小的值 d1t≥==50mm (b) 计算圆周速度υ (c) 对齿宽的计算 (d) 计算b/h的大小 mt=d1t/z1=50/25=78 h=25mt=25×78=505 mm b/h=50/505=11 (e) 对载荷的系数的计算因为υ=07422m/s，所以精度等级为7，在利用10-8[9]中数据可以查询知道KV=12；预先估计KAFt/b＜100N/m。在利用表10-3[9]中数据可以查询知道KHα=KFα=2；再利用10-2[9]中数据可以知道系数KA=1；再次利用10-4[9]中数据可以知道精度等级为7级、两个小齿轮不是相互对称安装时相对支撑时，KHβ=12+18（1+6）+23×10-3b把上述数值代到下面可以得到KHβ=12+18（1+6×）×+23×10-3×5=425；由b/h=11，KHβ=425；再利用10-13[9]中数据可以查询得到KFβ=35；因此得到 =1×12×425×35=918。（f）对分度圆直径的验证，根据（10-10a）[9]中数据可以知道===49 mm（g）对模数的确定m=d1/z1=49/25=42 mm3 对其强度计算弯曲强度设计公式为 （4-9）1）对计算中强度极限和寿命安全系数的确定（a）σFE1=500 MPa，σFE2=380 MPa；（b）KFN1=85， KFN1=88；（c）S=4；[σF]1==85×500/4 MPa=57 MPa；[σF]2==88×380/4 MPa=86 MPa；（d）对载荷系数的确定K=KAKVKFαKFβ=1×12×2×35=814（e）查取齿行系数=65，=226。（f）查取应力校正系数=58，=764。（g）计算大小齿轮的并加以比较==01379，==01644大齿轮数值大。2）设计计算=98就近取m=4，d1=49，算出小齿轮齿数z1= d1/m=49/4=27，z2=i z1=2×27=54。4 对其具体尺寸的计算1）齿轮分度圆的直径的计算d1=z1 m=27×4=108 mm， d2=z2 m=54×4=216 mm2）计算中心距 a=(d1+d2)/2==(108+216)/2=162mm3）对齿轮的宽度进行计算 b==1×108=108mm，取b1=108mm，b2=113mm5 验算 Ft=2T1/d1=2×845×/108=52 N ==73 N/mm＜100 N/mm，合适。5互感器线圈绝缘包纸机工作执行部分设计设计一个机械设备的最终目的是能让所设计的设备投入实际生产，并要达到生产的要求。设计包纸机的目的是它的工作部分能实现包纸，并达到所要求的技术参数[10]。互感器线圈绝缘包纸机工作执行部分由包纸轮、放纸架和一个压紧装置组成。包纸轮的材料是45钢，轮体加工后进行抛光处理，表面镀铬，结构如图2。由电动机经带传动带动包纸轮转动，同时纸从上方的放纸架上包在包纸轮上。包纸轮上有槽，纸包在轮上的同时经过槽再包在需要包纸的线圈上。线圈在包纸轮内部，并和它同轴转动。 图2存放待用纸的地方是放纸架。放纸架由电木盘、放纸架支架、尼龙滚、星形电木杆很多部件构成。因为放纸架所受载荷不大，其各个部件的材料为酚醛布板、尼龙棒等。压紧结构示意图在图三所展示。保证包纸的紧凑性就是利用这个装置，工作时通过旋转外面的轮盘，通过一个蜗轮蜗杆传动带紧一根橘皮带，橘皮带再带紧正在进行包扎的纸，从而达到工作目的。 图3结 论综上所述，互感器线圈绝缘包纸机性能优越，完全能满足现在社会工业发展的要求。它在工作时具有以下优点：（1） 互感器线圈绝缘包纸机在工作时能够通过压紧装置，经过人工简单的操作使包纸紧凑；（2） 从电机到实现包纸只经过了两次带传动，传动过程简洁合理； （3）互感器线圈绝缘包纸机的直线行走部分行走范围达3000mm，能实现较长距离包纸；另外，互感器线圈绝缘包纸机具有高效率、稳定的可靠性以及耐用持久等特点，而这些都是机械设备的基本要求。其次是成本低，无论是制造、运营还是维修，互感器线圈绝缘包纸机的成本相比同类设备来说都降低了不少；然后是该设备的环保性能好。随着社会的发展，环保将会是机械设备最基本的要求。而此次设计的包纸设备完全不同于以往的包纸机，它的噪音、废弃物污染都降到了最低程度；最后是互感器线圈绝缘包纸机的操作和使用非常便利简单易于维修，对人体没有危害。综上所述，互感器线圈绝缘包纸机将会有良好的前景，当然，随着科学技术的发展，相信包纸设备将会进一步改进。致 谢毕业设计马上就要结束了。随之四年的大学生活也接近尾声，在这一学期的毕业设计时间里，非常感谢老师给予的指导，和同学们对我的帮助，非常感谢大家对我的指导和监督。在毕业设计过程中，我的指导老师从始至终都认认真真、勤勤恳恳地指导我进行设计，在他身上我不仅学到一些本科专业知识，还学到了他对工作认真负责的态度，这些都是我终身受益的，他们在我毕业设计过程中给予了我鼓励和帮助，感谢他们的耐心指导，祝老师，身体健康，在各自的工作岗位上创出良好的佳绩。还有一同设计的同学们，在共同相处的一学期里，我感到非常愉快，没有他们给予的帮助，我无法如此顺利的完成设计任务。同时，也感谢各位评审老师。毕业答辩是我大学的最后一次考核，为了我们顺利毕业，各位老师在这炎热的六月坚守岗位，尽职尽责。祝各位评审老师工作顺利。我向那些曾经给予我巨大帮助和鼓励的老师和16级机自2班的全体同学表示感谢，谢谢他们四年里对我无微不至的关怀和照顾，祝他们身体健康，前途无量！参考文献[1] 石娜 一种简易实用的引线包纸机 [J]变压器 ，1998 ，(01): 9—[2] 刘力，周伟组合导线联合包纸机设计[J]变压器 ，2004 ，(07): 12—[3] 胡来榕，陈启松机械传动手册[M] 北京: 煤炭工业出版社 ，[4] 王凤兰， 宗振奇 机械设计学[M] 长春: 吉林科学技术出版社， 2[5] 成大先 机械设计手册[M] 北京: 化学工业出版社 ，[6] 余梦生，吴宗泽机械零部件手册[M]北京: 机械工业出版社 ，[7] 张富洲轴承设计手册[M] 北京: 机械工业出版社 ，[8] 濮良贵， 纪名刚 机械设计[M] 北京: 高等教育出版社， 12[9] 朱孝录齿轮传动设计手册[M] 北京 : 化学工业出版社 ，[10] 成大先 机械设计图册[M] 北京: 化学工业出版社 ，[11] 孙振权 电子式电流器互感器研发现状与应用前景[J] 高压电器 ，2004 ，(12）: 8—[12] 司徒东语 红外光技术在组合导线包纸机上的应用 [J] 变压器 ，2001 ，(11）: 31—[13] 郎沪勇 一种新颖高效的包纸设备[J] 变压器 ，2001 ，(01): 24—[14] 张贵芳 滑动轴承[M] 北京: 高等教育出版社 ，[15] 吴宗泽 机械设计课程设计手册（第二版）[M] 北京: 高等教育业出版社 ，[16] Orlov P Fundamentala of Machine D Moscow: Mir P ，
