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1、摘 要虚拟仪器技术是一种与计算机结合的新型仪器技术。基于计算机和标准仪器总线技术的测量技术使其有功能多、灵活性强、速度快、人机界面友好等优点。美国国家仪器公司（National Instruments，NI）推出面向测量仪器的控制和管理的LabVIEW虚拟仪器软件平台，集测量、管理和控制于一身。将虚拟仪器技术应用在现代农业方面，可以缩短开发时间，降低开发成本，提高农产品质量，提高农业现代化水平。工程学院精细农业研究室的“果树仿形喷施农药方法与技术研究”国家自然基金课题研究是精确农业的一个方向，关于测量农作物生物量方面将使用虚拟仪器。本设计是课题的一部分，设计利用NI公司开发的LabVIEW软件
2、和相关硬件，设计生物量测量的自动定位机构，通过控制定位机构带动传感器采集数据并传输给计算机存储处理。首先设计系统硬件部分，选择步进电机作为动力输出机构，滚珠螺杆与皮带皮带轮作为驱动机构来带动传感器实现数据采集。还包括整个系统的设计，将所有的控制元件集成整体模块，通过冷却风扇将元件集成模块控制在一定的温度范围，以维持整体机构正常的工作状态。其次设计系统软件部分，根据数据采集行走机构行列式扫描的要求，布局整体设计思路，根据设计思路再设计整个系统的控制线路。数据采集行走机构基于LabVIEW虚拟仪器软件的编程和NI公司开发的配套硬件数据采集卡DAQ结合为基础，编辑程序产生信号控制继电器开关选择电机与
3、电机正反转工作状态，实现电机工作与数据采集的实时控制。通过对数据采集行走机构工作实况的实验结果验证，误差能控制在允许范围内，也证明本系统能达到定位精度高，行走稳定，采集点均匀等实验要求，能保证质量完成该实验的任务。机构性能可靠、功能变动灵活、系统扩展性强，除了在精确农业研究方面可作为数据采集行走机构外，在其他方面可以作为自动定位系统运用，同时也为合作小组关于木板自动分选系统的木板自动送出机构提供方案。关键词： 农业现代化 虚拟仪器 LabVIEW 数据采集行走机构 编程 自动定位1 前言11.1 介绍科学农业背景11.1.1 关于农业现代化11.1.2 关于精确农业11.1.3 关于叶面积指数
4、LAI与光合有效辐射PAR21.2 介绍虚拟仪器31.2.1 虚拟仪器的发展31.2.2 虚拟仪器的特点31.2.3 虚拟仪器的结构41.3 介绍LabVIEW51.3.1 LabVIEW简介51.3.2 LabVIEW与其他编程语言比较61.3.3 LabVIEW的特点62 目标任务与总体方案设计72.1 目标任务72.2总体方案设计72.3 总体布局83 系统硬件部分93.1 问题的提出与探讨93.2 行走机构各部件选择方案拟定103.2.1 导轨与皮带传动装置的选择103.2.2 步进电机的选择103.3 Y方向导轨与步进电机选择计算143.3.1 导轨机构的相关计算143.3.2 步进
5、电机的相关计算163.4 电机与导轨装备方式设计203.4.1 联轴器选择203.4.2 法兰盘设计203.5 X方向传动皮带与电机的选择计算213.5.1 决定驱动机构213.5.2 确认电机所要求的规格213.5.3 必要转矩计算224 系统软件部分234.1 系统线路总体布局234.2 软件编程234.2.1 编程思路234.2.2 具体程序234.2.3电机工作状态设置分析234.3 控制器与驱动器工作箱234.3.1 驱动器选择234.3.2 工作箱布局234.3.3 布局设计说明234.3.4 冷却风扇选择235 设计相关简介235.1 测试环境概述235.2 光合有效辐射仪选择2
6、35.3 PAR数据采集与信号调理介绍236 结论与讨论236.1 测试部分236.2 定位机构部分23致 谢23参 考 文 献23英文摘要23附录23411 前言1.1 介绍科学农业背景1.1.1 关于农业现代化(1)二十一世纪是科学的世纪二十一世纪是科学的世纪，是自动化，智能化，信息化，高科技的世纪，我们的生活质量在这些科学技术的不断更新与发展中改进，各个领域都以科学武装的形式进行着翻天覆地的革新！“人以食为天”，农业是其他产业的基础，农业的发展也离不开科技的支持，科学技术的使用使农业科技也在不断进步，农业现代化，是一场伟大的技术革命，它的核心是工具和其他技术手段的变革。(2)农业现代化农
7、业现代化最显著的特征是要在生产中大量采用各种先进的工业技术和新材料，即现代化农业要由工业部门投入大量物资，用现代工业的装备武装农业。从世界范围来看，由现代技术逐步代替传统农业技术，是农业现代化最重要的基础。农业现代化包括的内容很多，大体可归纳为：农业机械化、农业工厂化、农业电气化与信息化以及农业和技术装备的一体化。(3)农业信息化计算机和信息技术将使“从事生物性生产的农业的分散性、地域性、变异性、经验性以及稳定性和可控程度差等的影响自身发展的行业性弱势得到全面的改善”。信息技术不仅可为农户广泛提供科技、生产、市场咨询服务，向农业生产者及农业主管领导提供有效利用农业资源、优化农业生产技术规程和科
8、学经营管理决策，将现有单项农业技术进行综合组装配套实现高层次的科技创新，全面提高农业和农村科技的总体水平。正确信息对农业生产多方面的预期性是科学农业一个重要特征，这样可以使农业生产避免盲目性与探索性，减少农业投资风险，使农业资源有效利用，进行科学农业。1.1.2 关于精确农业(1)精确农业的发展历史在20世纪70年代美国开始注意土壤和农作物条件的变化与改善管理的关系，1992年明尼苏达大学土壤系在程惠贤教授指导下开始使用“Precision Agriculture（PA）”一词，并为学校、公司、政府机构普遍接受。现在PA的研究及应用涉及土壤、气候、病虫害、地理统计、地貌模型（DEM）、GPS、
9、RS、GIS等等与PA有关的各个方面。 “精确农业”已发展成新的农业工业，并在世界范围内形成的新的农业科学发展道路。精确农业是一个整体的系统概念，目前已应用的只是其中的少部分。(2)精确农业的特点与发展前景精确农业的基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。精确农业将3S技术、计算机技术、自动化技术、网络技术等高科技应用于农业，逐步
10、实现精确化、集约化、信息化的现代控制农业。精准农业按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整土壤和作物的各项管理措施，最大限度地优化使用各项农业投入，以获取最高产量和最大经济效益，同时保护农业生态环境、保护土地等农业自然资源，给农业技术推广实施带来革命性的变革精确农业的技术体系结构包括全球定位系统，地理信息系统GIS，遥感系统 RS，作物生产管理专家决策系统，田间肥力、墒情、苗情、杂草及病虫害监测及信息采集处理技术设备等等，其中带GPS系统的智能化农业机械装备技术：如带产量传感器及小区产量生成图的收获机械；自动控制精密播种、施肥、喷洒农药机械等等是近年来研究的热门项目。1.1.3 关于叶面
11、积指数LAI与光合有效辐射PAR 叶面积指数(Leaf Area Index, 简称LAI)定义为单位土地面积上单面的植物光合组织面积，LAI是无量纲的，此值越大，表示叶子交错重叠程度越大。在一定范围内，植物干物质量随叶面积指数的增加而增加，但当叶面积指数达到一定数量的时候，由于叶片之间的相互重叠，有效的光合叶面积不在随叶面积指数的增加而增加，而随叶面积指数的增加，呼吸作用消耗量却随之增加，造成植物干物质量会下降。因而合理密植，适时进行修剪，适量施肥，以提高有效光合面积，减少呼吸消耗量是提高产量的重要措施。总辐射中能被绿色植物用来进行光合作用的能量称为光合有效辐射QPAR（Quality of
12、 Photosynthesis Availability Radiancy，简称PAR），常用光合有效辐射系数表示光资源中被植物利用，参与光合作用的比例。在植物生长和发育过程中，光辐射因子起着重要的作用。首先辐射是植物光合作用的能源，影响着光合作用过程中形成的产量与产品的质量。其次，光作为一种起调节作用的，还对植物的形态生产与发展、叶子的形状与大小以及营养生长到生殖生长的转变速度起着重要作用。因此国际上普遍重视这一问题的研究，在农林业，畜牧业方面对此问题的研究有重大意义，特别是农业方面关于叶面积指数LAI（leaf area index）的测定。估计一个植物冠层的健康状况时光合有效辐射（PAR
13、）和叶面积指数（LAI）的测量都非常重要。通过光合有效辐射的测量，可以知道植物光合作用利用光能的大小，而通过叶面积指数测量可以知道植物冠层的生长状况好坏并表明生物量大小。通过光合有效辐射测量仪测量植物叶片的光合有效辐射，同时也就能计算叶面积指数。本设计是国家自然科学基金项目“果树仿形喷施农药的方法与技术研究”的一部分，“果树仿形喷施农药技术研究对我国精确农业的发展有重要意义！对人类的可持续发展也有重大意义。”本设计的目的就是“利用现代科技改进植物生物量（PAR与LAI）的测量方法，提高测量速度与效率。”（洪添胜，2005）1.2 介绍虚拟仪器1.2.1 虚拟仪器的发展20世纪80年代中期，美国
14、国家仪器公司（National Instruments，NI）首先提出了“软件就是仪器”（The Software is the Instrument）这一虚拟仪器概念。虚拟仪器VI（Virtual Instruments，简称VI）也被称为个人计算机仪器，为用户定义、构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。它通过应用程序将通用计算机与功能化的通用模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，从而完成对被测
15、对象的采集、分析、判断、显示数据、存储等。 “通用计算机上的一组软件或硬件，使用者操纵这台计算机，就像它是自己的一台专门设计的传统电子仪器，彻底打破了传统仪器只能由生产厂商定义，用户无法改变的局面。它是对传统仪器概念的重大突破。”（秦树人，2000；Benneff，1993）。1.2.2 虚拟仪器的特点在虚拟仪器技术发展中有两个突出方面，一是VXI总线标准的建立和推广；二是图形化编程语言的出现和发展。前者从仪器的硬件框架上实现设计先进的分析与测量仪器所必须的总线结构，后者从软件编程上实现面向工程师的图形化而非程序代码的编程方式，两者统一形成虚拟仪器的基础规范。 要保证虚拟仪器具备与传统仪器匹配
16、的实时处理能力和兼容性，取决于传输测量数据的总线结构。虚拟仪器中的分析功能是由计算机来控制的，所以接口总线的速度和兼容性是关键，VXI总线标准的建立，使得用户可以从访问寄存器来设计和安排仪器功能，也使得用户化仪器功能设计得以实现。采用普通PC总线，尤其是工业PCI总线的虚拟仪器也在不断发展，这类虚拟仪器主要面向一般工业控制，过程监测和实验室应用。软件技术的发展和有关国际标准的建立也推动了虚拟仪器技术发展，在GPIB接口总线出现以后，关于程控仪器的句法格式、信息交换协议和公用命令的标准化，一直是人们关心的问题。标准程序命令（SCPI）标准的建立，向解决程控命令与仪器厂家无关这一目标迈进了重要的一
17、步。 过去仪器驱动都是由仪器厂家专门设计的，缺乏标准，使得用户在仪器软件方面的投资得不到保护。为此，国际上专门制定了虚拟仪器软件体系（VISA）标准，建立了与仪器接口总线无关的标准I/O软件，与LabVIEW、HPVEE、Lab windows等先进开发环境软件相适应。开发一个用户定制的虚拟仪器在软件技术上已经成熟。虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成系统所需的附件，由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。比较两者如下：表1 虚拟仪器与传统仪器的比较（NI，1997）传 统 仪 器虚 拟 仪 器开发与维护费用高价格昂贵软件使开发与维护费用较低、性价比高
18、、可复用技术更新周期长(510年)技术更新周期短(0.51年)硬件是关键软件是关键厂商定义仪器功能用户定义仪器功能数据无法编辑数据可编辑存储打印封闭、固定开放、灵活，与计算机技术保持同步发展功能单一、操作不便自动化、智能化、网络化、远距离传输功能特定，与其它设备连接受到限制可用网络与周边各仪器建立连接1.2.3 虚拟仪器的结构虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。它的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。硬件接口模块包括插入式数据采集卡(DAQ)、串，并口、IEEE488接口(GPIB)卡、VXI控制器等等。较为常用的虚拟
19、仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统，以及这三者的任意组合。硬件仅仅是为解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键(Tom Williams,1996)。图1 NI公司提出的虚拟仪器的组成其结构如图所示，图1是NI公司所描绘的虚拟仪器的基本组成以及相互之间的关系，图2是虚拟仪器的一般硬件组成图。图2 虚拟仪器硬件结构综观虚拟仪器的发展与运用领域，以及与传统仪器特点比较，预示着“现代仪器发展的新阶段，未来仪器的发展趋势虚拟仪器！”（王 承,何志伟,许东芹，2001）1.3 介绍LabVIEW1.3.1 LabVIEW简介在虚拟仪器中通过编写不同的软件配合硬件构造一个虚拟
20、仪器系统实现不同的功能。构造和使用VI程序（虚拟仪器程序）的关键在于应用软件，这是因为应用软件为用户构造或使用VI提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。LabVIEW是实验室虚拟仪器工程平台（集成环境）（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的简称，是美国国家仪器公司（NI）开发的一种图形化编程环境（Graphical Development Environment）软件产品，可运行于多种系统，是一种灵活有效的仪器控制和数据分析软件系统，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。LabVIEW在
21、一般VI应用中充当的就是软件的作用。（邓焱，2004）1.3.2 LabVIEW与其他编程语言比较传统的编程语言如C、C+和Visual Basic等所有基于文本的高级语言都存在的一个根本性问题是要求使用仪器的用户必须将他们关于仪器和应用的知识转化翻译成程序代码以形成测试程序，只有这样才可以应用它。这个过程对那些很少编程或没有什么编程经验的用户是麻烦事，对于典型文本式语言一定要经过某种程度的正规培训才能掌握使用，这样就给用户进行程控仪器编程带来许多负担。图形化编程环境正是科研工作者理想的程序设计语言。当今，应用软件流行的趋势之一是图形化编程环境。LabVIEW的诞生证明了这点。LabVIEW广
22、泛应用于数据采集与控制、信号处理以及数据表达等方面，对软件对象“虚拟仪器（VI）” 进行图形化的组合操作。LabVIEW程序的执行顺序是按数据流的方式确定的，可以实现多任务的并行。在虚拟仪器设计中，从控制模板中选取所需的控制及显示对象构建出仪器的操作界面；在功能模板中选取适当的功能模块并进行必要的连接与设置，程序的模块化与层次化更为直观。1.3.3 LabVIEW的特点综上，G语言与传统高级编程语言最大的差别在于编程方式。G语言编写的程序称为虚拟仪器 VI，因为它的界面和功能与真实仪器十分相像，在LabVIEW环境下开发的应用程序都被冠以 .VI后缀，以表示虚拟仪器的含义。LabVIEW具有如
23、下特点：(1)打破了传统仪器的“万能”功能概念；(2)强调“软件就是仪器”的新概念；(3)仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，可方便地同外设、网络及其它应用连接；(4)鉴于虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准；(5)支持多种系统平台，在不同系统平台上，NI公司都提供了相应版本的软件，并且平台之间开发的应用程序可直接进行移植。(6)网络功能：LabVIEW支持TCP/IP、DDE和IAC等功能（金鑫，2004；王常廷，1996）。2 目标任务与总体方案设计2.1 目标任务在前面已经介绍了科学农业精确农业的对中国农业发展的
24、长远意义，叶面积指数（LAI）和光合有效辐射（PAR）的测量在生物研究学上的重要作用，基于虚拟仪器较传统仪器有如此突出的特点，NI公司开发的LabVIEW软件和相关的数据采集卡、集成硬件模块在虚拟仪器界领先的水平，本设计将采用LabVIEW编程，6024E数据采集卡配合相关数据采集机构和数据采集传感器，信号调理模块SCXI，设计必需的控制电路，进行在特定测试环境（仿真树和人造太阳）下进行特定要求（在一定区域内均匀精确采集一定量的点）与方式进行生物量（PAR值）的测量。具体叙述在以下各章节。2.2总体方案设计本实验根据需要设计准备如下部件以及各部分功能：(1)硬件：NI公司数据采集卡DAQ（Da
25、ta Acquisition,简称DAQ）6024E型号，引出引脚提供控制电路、数据采集、信号调理与计算机连接的通道；个人计算机，提供人机交换的界面，提供数据分析处理与信号发生传送的中央处理单元；(2)软件：LabVIEW，编程对整个系统控制与操作，包括对数据采集机构运动的控制编程， 对光合有效辐射数据采集并处理分析；(3)信号调理（SCXI）部分：对于一些由数据采集设备难于测量的信号，使用信号调理可以使它们改变成易于测量的信号，是否使用信号调理取决于被测信号的质量。本设计主要用来调理光合有效辐射仪器采集的微电压信号；(4)控制与采集线路部分：包括光合有效辐射仪数据传输线路部分，选择电机与控制
26、电机正反转的继电器电路部分，步进电机驱动器部分；(5)数据采集传感器部分：即光合有效辐射仪，通过模拟信号（连续变化的光合辐射值）转化为数字信号（采集时间点所采集经转化的电压值），即进行模/数转换（Analog/Digital转换，A/D转换）。光电效应将光合辐射值转化为电压值数据方便采集，进而方便PAR值的转化计算与处理；(6)数据采集机构行走机构部分：步进电机与导轨皮带传动共同构成行走机构，实现在一定面积范围内均匀精确地采集一定量的点的数据值（光合有效辐射）；(7)测试环境部分：包括仿真树与人造太阳（高亮度高平行度氙灯），提供理想的实验环境，使实验分析具科学性与准确性；(8)工作箱与冷却风扇
27、部分：所有的控制电路元器件必需合理放置与布局，集成统一整体，为确保所有的发热元器件正常工作必需有冷却与散热通风系统。2.3 总体布局图3是本设计的总体布局，大致分两大路线，1.控制数据采集机构行走路线2.数据采集与信号调理路线（测试环境与测试计算是本组设计的合作课题，这里只概括论述，在后面测试环境简介）。介绍与说明如下： 图3 设计总体布局图 LabVIEW软件部分、计算机显示与操作部分； 数据采集卡6024E（内装，两块）；6024E68位标准接线口集成板块；信号调理模块（SCXI）；电机控制与控制装备冷却部分；光合有效辐射仪（PAR）；数据采集行走机构（电机a与b、导轨、皮带传动）。（接线
28、部分将在附图电路图详细说明）总体原理框图如图4，箭头线表示数据信号的传输方向：图4 总体原理框图3 系统硬件部分3.1 问题的提出与探讨本试验要求实现生物量PAR测量采样仪器在一定面积范围内移动取点采样，即通过行走机构驱动PAR传感器在一定的植物冠层投影范围内移动取点采样，测量相关PAR值，采集数据并把数据传送到计算机进行处理。整个机构的工作原理框架图如图5。 （以Lab VIEW为处理平台的计算机） 行走机构控制单元数据采集处理单元数据采集行走机构数据采集传感器传输控制信号传输采集数据带动图5 机构工作原理框架图图6行走路线图7 X-Y工作台Y方向X方向因此对装置的转速、运行周期、停止位置精
29、度，电动机的制动特性、速度控制等特性皆有要求。要求采集点的行走机构定位准确，分辨率高，行走轻便，急停时间短，急停波动小，必须考虑选择高精度与高分辨率的传动机构与驱动装置。行走机构通过S形行走路线实现平面扫描均匀采点（图6），要求在横竖方向达到1m0.3m的面积，采集点的个数要求10030=3000个，设计采用x-y型工作台，工作原理如图7。现在考虑方案为上下行走机构重叠的方式（X-Y工作台方式），原因是在1m0.3m的面积上0.3m的宽度分别设立机构独立运行资金比较浪费，而且行走位置精度不够高。对于此类小型机构选用重叠式比较可行具体分析在以下计算。3.2 行走机构各部件选择方案拟定3.2.1
30、导轨与皮带传动装置的选择采集点的行走机构主要是定位要准确，而非负载上的要求，所以选择高精度与高分辨率的传动机构，行走机构是实现平面s形扫描采点，要求在横竖方向达到1m0.3m的面积，结合上下传动机构重叠的方式作如下分析：1）上传动机构X轴方向为皮带传动传动机构X方向电机走动的步数明显要比Y方向的多（上30100=3000步，下100步），但距离又不远30cm，所以要求尽量减少上层质量，一是减少能量损失，二是避免电机因过度疲劳而寿命缩短，减少可以避免的磨损；减少上层的重量可减轻工作台Y轴方向传动（下层传动）机构的负载，从而减少负载惯性惯量，对工作台Y 轴方向的导轨与电机选择带来方便；选择皮带传动
31、也是因为皮带所起的缓冲作用避免了由于导轨在急停急走时带来的工作台震动，选择小型导轨由于其刚性大而强度小将不能承受高速急停工作台物（滑架与传感器）所带来的惯性冲击，也可使下导轨传动时带动上导轨时稳定性好，减少抖动，采样点时间减少，同时也并且使采样位置精度提高，提高采样的质量。为了减少位移误差选用了齿带传动，提高传动精度。另外也降低使用导轨而增加的成本。2）下传动机构Y轴方向为滚珠螺杆传动下传动机构Y轴方向选用螺杆传动，因为螺杆输出扭矩大，主要是满足带动上面重量的要求；螺杆传动停走稳定，可减少上工作台（X方向）的震动，并且急停急走定位精度比其他传动方式高，下传动机构行走一步精度高低将影响到上传动机
32、构走30步的传动精度，且在带动质量大（惯性大）的工作物时减少位移误差，这样才能满足整体的停走定位精度高。另外，滚珠螺杆的定位精度由螺距和配套的电机分辨率决定，所以要相应的选择高精度分辨率的电机。3.2.2 步进电机的选择步进电机是一种能将数字输入脉冲把电磁感应能量转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。本实验采集点定位，因此选择步进电机作为传动装置。下面简单介绍步进电机的构造与工作原理：1）步进
33、电动机的构造步进电动机构造上大致分为定子与转子两部分。转子朝轴方向已经磁化。定子拥有小齿状的磁极，共有10个，皆绕有线圈。其线圈的对角位置的磁极相互连接着，电流流通后，线圈即会被磁化成同一极性。对角线的2个磁极形成1个相，而由于有A相至E相等5个相位，因此称为5相步进电动机。 2）步进电动机的作原理(1)A相励磁图9 B相励磁图8 A相励磁将A相励磁，会使得磁极磁化成S极，而其将与带有N极磁性的转子1的小齿互相吸引，并与带有S极磁性的转子2的小齿相斥平衡后停止。此时，没有励磁的B相磁极的小齿和带有S极磁性的转子2的小齿互相偏离0.72。（图8）(2)B相励磁正转励磁相位随A相B相C相D相E相A
34、相依次转换，则步进电动机以每次0.72做正确的转动。同样，希望作反方向转动时，只需将励磁顺序倒转，依照A相E相D相C相B相A相励磁即可。（图9）3）选择步进电机选择步进电机时，一般来说多根据对装置要求的性能来选择电动机，除了电动机的运行性能以外，对装置的转速、运行周期、停止位置精度的要求，电动机的制动特性、速度控制等特性皆为选用上的重点。选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩-频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，还应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到所需的脉冲当量。在机械传动过程
35、中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定，在此选择高精度高分辨率电机同时，也要选择高精度与高分辨率的传动机构导轨与皮带。根据上述可知，选择符合设备要求规格、功能完备的电动机是提高设备的可靠性与经济效益的重要因素。对在不同工作环境下工作的电机有不同要求，选择电机也必须符合强度，刚度，配合精确度，寿命等方面技术的要求，一般情况是按下面的选用步骤：(1)决定驱动机构代表性的驱动机构有简单的旋转体，以及滚珠螺杆、皮带轮、齿条齿轮等，预先决定搬运物的质量、各部位的尺寸、滑动面的摩擦系数等再
36、决定电机的种类型号。根据实验的要求与条件初次选定实验采样驱动机构上驱动机构为皮带皮带轮驱动，下传动为滚珠螺杆驱动。(2)确认所要求的规格(设备的规格)若为移动速度及驱动时间、定位运行时，则必须确认定位距离与定位时间等的驱动条件，并且要确认停止精度、分辨率、位置保持、使用电压、使用环境等。所选的电机与驱动传动机构还要作进一步的验算与校合。(3)计算负载计算电动机驱动轴上的负载转矩及负载惯性惯量，不同物体形状的惯性惯量有不同的计算公式与方法，这与所选的驱动机构有关。还要计算驱动机构的加速转矩，目的是最终计算出机构的必要转矩进而依据转速转矩的特性来决定电机的选择与校合。(4)选择电动机机种依据采集的
37、要求已选择步进电动机作为传动驱动，根据估算选择好后进行选用计算再决定。(5)选用计算从机械强度、加速时间、加速转矩等各方面确认所选电动机的规格是否符合所有要求规格，然后决定所选电动机是否被用。每一个电动机机种要确认的项目都不一样，必须确认选用的计算公式与选用重点。一般需要计算如下参量，进行以下计算： 计算减速比 根据所要求脉冲当量，减速比计算如下: (1-1) 式中 步进电机的基本步距角（必要分辨率）丝杆螺距 /脉冲 计算工作台、丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量 （1-2） 式中 折算至电机轴上的惯量 齿轮惯量（有减速机时才需要计算） 滚珠螺纹螺杆惯量 工作台重量 滚珠螺纹螺杆螺距计算电机输出
38、的总力矩 （1-3）式中 电机启动加速力矩 导轨摩擦折算至电机的转矩 切削力折算至电机力矩 （车床类计算）负载起动频率估算数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 （1-4） 式中 带载起动频率空载起动频率 起动频率，由力矩-频率特性决定的电机输出力矩若负载参数无法精确确定,则可按进行估算。运行的最高频率与升速时间的计算由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由力矩-频率特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。 负载力矩和最大静力矩 电机在最大进给速度时，由力矩-频率决定的电机输出力矩要大于与之和，并留有余量。一般来说，与之和应小于（0.2 0
39、.4) .同时对于电机的连轴器，选用不同的传动方式也有不同的要求，下面分别对机构X方向行走与Y方向行走（上传动与下传动）的电机与传动机构选择作详尽的分析与校对。3.3 Y方向导轨与步进电机选择计算首先要对所选的导轨的相关技术参数计算与查询，然后与所选的电机所能达到的技术要求校合，必须分别对导轨机构与步进电机的相关具体的运算，然后再进行耦合，其中最主要是要根据电机的转速-转矩特性来决定电机与导轨是否相配，工作单元示意图:图10导轨工作单元示意图具体计算与分析如下：3.3.1 导轨机构的相关计算1）负载转矩的计算 已决定用步进电机和滚珠螺杆驱动，并且采用联轴器直接耦合方式，如图所示：图11 滚珠螺
40、杆驱动联轴器直接耦合方式查资料得出滚珠螺杆的负载转矩的计算公式如下：轴方向负载预负载预压螺帽的内部摩擦系数（0.10.3）效率（0.850.95）减速比（机构的减速比）滚珠螺杆螺距/rev外力主轴开始运转时的力量（ 弹簧秤值（）g/）工作物与工作台的总质量kg滑动面的摩擦系数（0.05）（测量）倾斜角度重力加速度/(9.807)根据实验所选用的滚珠螺杆导轨所有的参数，并把实际所得数据代入公式得：轴方向负载 （质量m为上传动机构的总质量）预负载 （给估算和保守值）负载转矩所选的东方电机型号为PK596H-B，查它的参数允许的最大转矩为，导轨计算负载转矩小于电机所能承受的负载。2）加速转矩的计算（
41、1）计算导轨机构的全惯性惯量工作台与工作物（皮带轮传动架与小电机与传感器）的惯性惯量属于直线运动物体，利用如下公式计算： m=3.5kg 工作台与工作物质量 =0.02m/rev单位移动量（螺距）代入数据计算可得到滚珠螺杆的惯性惯量可以看作是做旋转运动的圆柱体，计算公式为： 滚珠螺杆全长滚珠螺杆轴直径滚珠螺杆材质密度（铁）代入数据计算可得到全惯性惯量（2）计算导轨机构的加速转矩用公式 计算。可查预选东方电机PK596型号的转动惯量为，电机基本步距角（必要分辨率）为 。起动脉冲速度，运行脉冲速度，加减速时间，三个参量的确定必须参照预选电机和以下方法计算，最后才能确定其加速转矩。3.3.2 步进电
42、机的相关计算1） 要求分辨率 螺距 基本步距角（必要分辨率）代入数据计算可得到本实验要求取样为10030=3000个点，传动导轨的要求分辨率为，电机的分辨率精度达到工作要求分辨率精度。2）工作脉冲数 1次移动量(实验要求的一次移动量为) 螺距(查导轨的技术参数) 基本步距角(5相PK系列为1转500割) 代入数据计算可得到3）加减速时间进电机的运行模式有下图二种：图12 两种运行模式加速时间的计算通常是以方式a的加减速运行模式为一般的情形，转速低速、负载惯性惯量小时，可以采取方式b的自起动运行，本实验速度与负载均比较小，以自启动方式运行即可。4）运行脉冲速度 工作脉冲数（根据一次移动量要求计算
43、的结果） 运行时间（与停止采集数据时间相同）计算运行脉冲速度5）运行转速6）根据电机参数计算导轨加速转矩由于采用自启动方式，未计算出加减速时间，但为了估算出加速转矩，假设加减速时间，取保守值为运行时间的，即，计算加速转矩： 7）计算导轨必要转矩知道负载转矩与加速转矩后即可计算出必要转矩:查表选择安全系数为2，计算可得3.3.3 验证电机选择是否合理1)工作状态的确认步进电动机不宜连续运行，适用于以运行时间与停止时间的关系所表示的工作状态的 50%以下为标准，工作状态 运行时间/（运行时间停止时间）100%，在使用时必须注意这点，通过电机控制程序延时部分可以设定（程序部分已论述）。2)惯性比若惯性比大，则起动、停止时的过冲与回冲亦变大，因而会影响起动、稳定时间。此外，因使用条件不同亦有无法驱动的情形。按以下公式计算惯性比并确认计算结果是否在表中规定的范围以内。 惯性比机器全惯性惯量 /电动机转动惯量 /。表2 电机惯性比查询参考值名 称安装尺寸惯性比AC小型标准电动机28,42,60,8530以下无刷直流电动机20,285以下步进电动机42,60,8510以下根据上面所得数据得出惯性比为30查上表符合要求。4)求出电机的运行速度与必要的转矩，查找电机PK-596-A型号的转速转矩特性如图13。转速 转矩 符合要求。3.4 电机与导轨装备方式设计3.4.1 联轴器选择选好电动机的种