点胶机控制器的驱动设计方案

在进行点胶机控制器的总体设计时，需要考虑到控制系统和驱动系统的协调。点胶机的动作控制绝大部分属于逻辑控制，因此选择单片机来完成机床的动作控制。点胶机驱动系统是接收信号后利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动胶枪和工件以进行各种动作完成理想运动的执行机构。驱动系统主要是实现对工作台的控制，使其根据控制系统的指令做出合适的动作。

点胶机的传动方式

XY平台的运动方式有两种可以选择的方式，一种是基于单轴运动模式，另一种就是基于多轴协调运动模式。单轴运动是极坐标的控制形式，通过控制单轴的长度和角度来实现各种运动轨迹。多轴模式是常见的XY工作台，通过多轴的协调动作实现理想轨迹。出于节约时间，提高效率的考虑，工作平台采用多轴协调运动的方式实现直线插补和圆弧插补。

描述复杂的多轴协调运动轨迹的最简单的方法是利用坐标系。由于在坐标系内能够方便地描述运动对象的运动轨迹，所以多轴协调运动又称为坐标系运动。在坐标系运动控制模式下可以实现单段轨迹运动、多段轨迹连续运动。

一个典型的控制进给系统，由运动控制器、驱动单元、机械传动装置和执行元件等几部分组成。其中，机械传动装置是位置控制中的一个重要环节。机械传动装置，是指将驱动源的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链。

点胶设备的工作台，大多只需要完成平面二维运动。每一维的运动机构，都由电机提供动力，传动机构将电机的旋转运动转变为直线运动，或者直接采用直线电机的方式。传统的传动结构大都使用滚珠丝杠传动和齿轮齿条传动，传动方式对运动控制有较大影响，要综合考虑。

（1）丝杆螺母传动：通过丝杆螺母将伺服电机的旋转运动转为定位平台的直线运动，结构简单、安装维护方便。但是长距离滚珠丝杠受自身重力作用及旋转时产生的惯性作用造成的丝杠变形负载不能太大，寿命低，成本高，对污染较为敏感。

（2）齿轮齿条传动：耗能小，可靠，噪音低，传动功率大，效率高。但容易发生齿面磨损，并且要求润滑条件好。由于齿间间隙，会出现一段空行程，在数控机床中并不适用。

由于机械设备不断向高精度、高速度、大功率、长寿命、低噪声、低成本和紧凑化方向发展，近年来带传动产品在保证一定强度条件下逐步向轻薄方向发展。同步带传动在汽车制造、机床、纺织机械等行业得到广泛应用。

同步带传动又称齿形带传动。它集齿轮、链条、带传动等优点于一体，具有传动效率高、传动比准确、噪声小、节能、维修方便等特点，20世纪80年代起，逐步成为精密机械的主导传动产品。齿形带与传统传动带的最大差别在于同步、静音。因此，它是当今最受推崇的环保型产品。

同步带的工作面呈齿形，与带轮的齿槽作啮合运动，并由带的抗拉层承受载荷，以保持带的接线长度不变，故带与带轮之间没有相对滑动，可以实现带与带轮之间的同步传动。同步带除了传递运动动力外，还可以进行高精度的定位运动，精密输送等。同步带传动的主要失效形式包括带的疲劳断裂、带齿的剪切和压溃以及同步带两侧面的磨损。

 同步带的特点：

（1）传动精确。带和带轮之间的间隙很小，严格同步传动，不打滑、传动比准确，角速度恒定，故常用于精确传动。

（2）传动效率高。由于传动无滑差，初张力较小，带体轻薄，传动时产生热量小，传动效率可达99.5%，因此传动效率高。

（3）传动大，载荷范围大。其传动比可高达20以上，传动功率从几瓦到数百千瓦。

（4）传动速度高。能适应现代机械要求，进行高速连续运转，其速度可高达80m/s。

（5）结构紧凑。同步带强度高，带体轻薄，曲扰性好，能适应较小的带轮直径，传动中心矩小，故结构紧凑。                

（6）冲击小，传动平稳。同步带传动时，啮合面为金属与非金属接触，冲击比齿轮传动小的多，也没有链条传动时节线上下跳动的现象。因此，同步带传动平稳，冲击小，适用于精密传动。

（7）无需润滑。同步带的齿面具有自润滑性，与带轮槽接触时，无需润滑，因此也无污染。

（8）维护保养方便。同步带在使用过程中基本不伸长，所以在安装时给定的初张力，在使用中不必调整，能适应在人员不宜接触和操作的地方使用。

（9）噪声小，它的噪声小于齿轮传动和链条传动。

（10）传动机构质量轻。同步带传动中的带轮可以使用铝合金或塑料，因此在传动相同功率时，使用同步带传动可以减轻传动机构的质量。

利用齿形带传动代替传统丝杠传动，相对齿轮齿条传动中能量损耗较小，可靠，噪音低，传动功率大，效率高。介于此，本项目采用同步带传动，研究同步带传动在数控机床上的应用。

执行元件分析

执行元件，是根据来自控制器的控制信息完成对受控对象的控制作用的元件，是控制系统的重要组成部分。它将电能或流体能量转换成机械能或其他能量形式，直接作用于受控对象，按照控制要求改变受控对象的机械运动状态。

根据其在系统中的作用，选择执行元件时一般的考虑原则是：

(1)在整个工作循环中都能拖动负载按预期的运动要求。

(2)执行元件的性能是运动控制系统动态响应的基本限制因素，所以选择执行元件不但要考虑满足负载拖动的要求，还要考虑它对系统控制性能的影响。

(3)对启、停频率要求低，还要低速平稳及扭矩脉动小，高速运行时振动噪音小。

在机械自动化系统中，执行元件根据输入能量的不同可分为电动、气动和液压三类。电动执行元件安装灵活，使用方便，在自动控制系统中应用最广。气动执行元件结构简单，重量轻，工作可靠并具有防爆特点，在中、小功率的化工石油设备和机械工业生产自动线上应用较多。液压执行元件功率大，快速性好，运行平稳，广泛用于大功率的控制系统。

  根据本课题的实际情况，应选用电动执行元件，即将电能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的电磁元件。电动执行元件具有调速范围宽、灵敏度高、响应速度快、无自转现象等性能，并能长期连续可靠地工作。常用的电动执行元件有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、电磁制动器、继电器等。为了适应数字化技术发展趋势，目前控制电机大多采用步进电机或全数字交流伺服电机。

步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在数控系统中得到广泛应用。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置，只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制，变得简单精确。步进电机的调速，一般是改变输入的脉冲频率来实现的。运动控制器每给一个脉冲，步进电机就转动一个固定的角度。这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔，来改变脉冲的频率，用延时长短具体控制步进角，来改变转速，从而实现对步进电机的调速。

由步进电机组成的步进传动系统具有如下优点：

(a)步进电机是一种离散运动的执行装置，它和现代数字控制技术有着内在的联系，很容易和其他数字器件进行接口。

(b)步进电机，位置误差无积累。

(c)步进电机可以位置开环方式进行控制，位甓开环，不需要位置反馈，系统结构简单，不存在系统稳定性的问题。

 (d)永磁式或混合式步进电机，除停转期间消耗的电能较小以外，它们还具有记忆转矩的功能。可以在停电的条件下将转子锁定在特定的位置上。

步进电机主要应用在开环、控制精度及响应速度要求不太高的运动控制场合。如数字控制系统、工具控制系统、程序控制系统等。 步进电机最简单的运行方式是与控制脉冲组成开环系统，如图3．4表示由步进电机、驱动控制器和控制脉冲组成的开环系统。

脉冲分配器主要通过一个脉冲输入控制步进电机的速度，一个输入端控制电机的转向，并有与步进电机相数相同数目的输入端分别控制电机的各相。这种硬件脉冲分配器通常直接包含在步进电机驱动器内。在数控系统中，通过插补运算，得到每个坐标轴的位移信号，通过输出接口，步进电机驱动器发出高速脉冲信号和正反转信号，可以控制步进电机的运行^[41]。

交流伺服电机

交流伺服电机分为交流永磁式伺服电机和交流感应式伺服电机。永磁式伺服电机机相当于交流同步电动机，常用于进给伺服系统；感应式交流伺服电机相当于交流感应 异步电机，常用于主轴伺服系统。两种伺服电机的原理都是由定子绕组产生旋转磁场，使转子跟随定子旋转磁场一起运行。不同点是交流永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系，即电动机的转速等于同步转速；而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩，所以电动机的转速低于同步转速，转速差随着负载的增大而增大。同步转速的大小等于交流电源的频率除以电机极对数。因而交流伺服电机可以通过改变供电电源频率的方法来调节其转速。

交流伺服系统由交流伺服电机和伺服驱动器组成。它是作为无刷直流伺服系统的替代产品出现的。由于直流电机具有优良的调速性能，因此长期以来，在调速性能要求较高的场合，直流电机调速一直占据主导位置。但是由于它的电刷和换向的磨损，有时会产生火花，电动机的最高速受到限制，而且直流电机结构复杂，成本较高，所以在使用中受到一定的限制。丽近年来，交流伺服驱动技术有了飞速的发展，它不仅克服了直流伺服电机结构上存在整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受到限制的缺点，同时又发挥了交流伺服电机的坚固耐用、经济可靠、动态响应好、输出功率大等优点，在某些场合交流伺服电机已经逐渐取代了直流伺服电机。

根据电动机的类型，目前将交流伺服系统分为同步型交流伺服系统和异步型交流伺服系统。通常永磁同步交流伺服系统在定位运动控制系统，特别是在数控机床进给伺服中应用广泛。同步型交流伺服系统按照驱动电流的波形及工作原理，又可分为矩形波电流驱动的交流伺服系统和正弦波电流驱动的交流伺服系统。从发展趋势来看，正弦波驱动将成为主流。

电机的脉冲控制

在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。点胶机执行机构功能主要包括点胶轨迹控制、胶枪上下移动定位两部分，对于精度的要求并不是很高，在工作中对电机的要求也相对于数控机床宽松很多。考虑到运动控制器的选取和系统的实际要求，本课题选用步进电机作为执行元件，接受运动控制器的控制。

自动点胶机工作时步进电机处于低速，三相电机的步距角在1.5°左右，使用时工作效率高，噪音低。通过静力矩和电流的分析，选择斯达特57BYG350B型电机。

步进电机作为一种控制精密位移及大范围调速专用的电机,由于控制方法简单，成本低廉，广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行需要有脉冲分配的功率型电子装置进行驱动, 这就是步进电机驱动器。它接收控制系统发出的脉冲信号，按照步进电机的结构特点，顺序分配脉冲，实现控制角位移、旋转速度、旋转方向、制动加载状态、自由状态。控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就能够驱动步进电机旋转一个步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。角位移量与脉冲个数相关。

1、必要脉冲数的计算

必要脉冲数是指传动装置将物体从起始位置传送到目标位置所需要提供给步进电机的脉冲数。必要脉冲数按下面公式计算：

N:必要脉冲数S1:物体移动的距离 S2：距离电机旋转一周移动的距离

a步进角

2、驱动脉冲速度的计算

驱动脉冲速度是指在设定的定位时间中电机旋转过一定角度所需要的脉冲数。

驱动脉冲数可以根据必要脉冲数、定位时间和加/减速时间计算得出。

（1）自启动运行方式

自启动运行方式是指在驱动电机旋转和停止时不经过加速、减速阶段，而直接以驱动脉冲速度启动和停止的运行方式。

自启动运行方式通常在转速较低的时候使用。同时，因为在启动/停止时存在一个突然的速度变化，所以这种方式需要较大的加/减速力矩。

自启动运行方式的驱动脉冲速度计算方法如下：

V驱动脉冲速度N必要脉冲数T定位时间

（2）加/减速运行方式

加//减速运行方式是指电机首先以一个较低的速度启动，经过一个加速过程后达到正常的驱动脉冲速度，运行一段时间之后再经过一个减速过程后电机停止的运行方式。其定位时间包括加速时间、减速时间和以驱动脉冲速度运行的时间。

加/减速时间需要根据传送距离、速度和定位时间来计算。在加/减速运行方式中，因为速度变化较小，所以需要的力矩要比自启动方式下的力矩小。加/减速运行方式下的驱动脉冲速度计算方法如下：                       

交流伺服电机一般由永磁同步电机、转子位置传感器、速度传感器组成，交流伺服 电机和它的驱动器组成一个伺服系统。交流伺服系统是一个典型的速度闭环系统；伺服驱动器从主控制系统接收电压变化范围为—的速度指令信号。电压从变化到的过程中，伺服电机可实现从反转最高速变化到零，然后再变化到正转最高速^[34]。但是，这种交流伺服系统只能实现对速度的闭环控制，还不能直接实现对位置的闭环控制。要实现对位置的闭环控制，必须在电机和控制系统间构成一个位置环,如图3.5所示。