机电一体化系统设计典型实例

1、第七章机电一体化系统设计典型实例笫一节车床的机电一体化改造第二节&流伺服电动机控制系统设计笫三节用气动执行机构的传送装Jt的控刎第四节简单自动门控制系跳第五"步进电动机的控制第六节步进电动机的传动装Jt的控制系蜕第一节车床的机电一体化改造(车床回转刀架纵*粕&图开环控制系统框图一、数控机床概述1、数控机床简介零件图一程序载体A数控微机系统.伺服驱动系统机床本体反馈系统二、车床的机械传动系统简化(-)改造前的结构介绍C620-1车床外形(-)结构改进与简化挂轮架系统进给齿轮箱溜板齿轮箱横向拖板5、刀架体一自动转位刀架(并列举四工位刀架)1电动机，2-铜仃JL； 3十字槽

2、轮.4一刀装1-电动机，2-安全金3一解把婿杆ih4-内装信号盘15一刀架,6一驾母；7-“怩盘图自动转位刀架原理示意图6、尾架一电动尾架1轴套2原尾架体3丝杠螺母4-蝶形弹簧5顶杠6一微型限位开关7调整螺钉电动机9减速箱10主动齿轮11从动齿轮12丝杠13一顶尖推动丝杠三、车床机电一体化改造的性能及精度选择2、进给运动（进给速度、快速进给、脉冲当量）3、刀架（自动转位刀架、工位数、重复定位精度）4、其它性能指标的选择（1）刀具补偿（磨损影响）（2）间隙补偿（间隙消除机构、微机控制）（3）显示（LED、LCD）（4）诊断功能（防止程序有误和机床的误动作）四、进给系统的主要设计计算（-）实例说明

3、：（以数控车床纵向Z设计为例）设某车床，其纵向（z）进给丝杠改用滚珠丝杠，其基本导程/。=6；纵向溜板箱及横向工作台与刀架等可移动部件总质量为400kg（实际设计时应根据图纸进行计算或拆卸称重）；脉冲当量力取0.01mm/脉冲（该值应根据被加工零件的最高精度的尺寸公差来选定，一般取其公差的1/2）；取工件进给速度为、，溜=60mmzmin、快速进给速度取为v溜=2m/min；步进电机的步距角。预选为0.75（°）/step。（-）设计计算：1、纵向进给丝杠的负载分析（1）切削负载（2）摩擦阻力（3）等效转动惯量（4）丝杠摩擦力矩计算（5）等效负载转矩计算（6）启动惯性转矩计算（7）步

4、进电动机输出轴上总负载转矩的计算2、步进电机的匹配选择Tq>T13、滚珠丝杠的校核(1)承载能力选择FQ=K/LfHfwFmax(2)压杆稳定性核算Fk=fk7r2El/(Kl;)>五max(3)刚度的验算=ES2%IE五、单片机控制系统设计(XY工作台)(-)工作台组成及控制要求1、步进电机选用四相八拍，其脉冲当量为0.01mm/step；2、能用键盘输入控制命令，控制工作台的X、Y方向上的运动及实现其功能，其运动范围为0200mm；3、能实现显示工作台的当前运动位置；4、具有超程指示警报及停止功能；5、采用硬件进行环形分配，字符发生及键盘扫描均由软件实现。（-）控制系统硬件组成

5、微型计算机数器车床-光栅专用控制程 序 EPROM用户加工程 序夕卜部RAM刀架 移动刀架架动 上键盘显示驱动、VA-N'm图车床闭环控制系统功放光电 隔惠X或Y向 步进电机8031单片机（三）微处理器系统及接口AD?&4I-o*5VI IOOQXS自向各向自a P C D H P G ulI I.741.3KMPm3 田 " w f5.1WX4-o»5VPC1 rcy FC, c a 2 y U 10 3 2、乎？ K处JSISSMIUI4-六、数控软件（一）数据输入模块系统输入的数据主要是零件的加工程序（指令），一般通过键盘、光电读带机或盒式磁带等输入，

6、也有从上一级微机直接传入的（如CAD/CAM系统）。系统中所设计的输入管理程序通常采用中断方式。例如，当读带机读入一个数据后，就立即向CPU发出中断，由中断服务程序将该数据读入内存。每按一次键，键盘就向CPU发出一次中断请求，CPU响应中断后就转入键盘服务程序，对应的按键名令进行处理。（二）数据处理模块输入的零件加工程序是用标准的数控语言编写的ASCII字符串，因此需要把输入的数控代码转换成系统能进行运算的二进制代码，还要进行必要的单位换算和数控代码的功能识别，以便确定下一步的操作内容。（三）插补运算模块数控系统必须按照零件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等，按插补原理进行运算，

7、并向各坐标发出相应的进给脉冲。进给脉冲通过伺服系统驱动刀具或工作台相应的运动，完成程序规定的加工。插补运算模块除实现插补各种运算外，还有实时性要求，在数控过程中，往往是一边插补一边加工的，因此插补运算的时间要尽可能短。（四）速度控制模块一条曲线的进给运动往往需要刀具或工作台在规定的时间内走许多步来完成，因此除输出正确的插补脉冲外，为了保证进给运动的精度和平稳性，还应控制进给的速度，在速度变化较大时，要进行自动加减速控制，以避免速度突变造成伺服系统的驱动失步。（五）输出控制模块输出控制包括：1、伺服控制：将插补运算出的进给脉冲转变为有关坐标的进给运动。2、误差补偿：当进给脉冲改变方向时，根据机床

8、精度进行反向间隙补偿处理。3、M、S、T等辅助功能的输出：在加工中，需要启动机床主轴、调整主轴速度和换刀等，因此，软件需要根据控制代码，从相应的硬件输出口输出控制脉冲或电平信号。（六）管理程序管理程序负责对数据输入、处理、插补运算等操作，对加工过程中的个程序模块进行调度管理。管理程序还要对面板命令、脉冲信号、故障信号等引起的中断进行处理。（七）诊断程序系统应对硬件工作状态和电源状况进行监视，在系统初始化过程中还需对硬件的各个资源，如存储器，I/O等进行检测，使系统出现故障时能够及时停车并指示故障类型和故障源。第二节直流伺服电动机控制系统设计、直流伺服电动机的控制1、连接2、动作按钮1 int

9、kaiten(int n, int od);2 main()3 (4 unsigned int st,stp;5outp(0xd6,0x90);6do7 st=inp(0xd0)&0xl0;8while(st!=OxlO);9n=100;od=0xl;10kaiten(n9od);11n=200;od=0x3;12kaiten(n9od);13 二、控制程序14kaiten(intnjntod)1516unsignedintn9nn9nh9ls9h9od;17h=0xl;nn=018nh=n*2;19outp(0xd29od);20do(21ls=inp(0xd0)&0xl;2

10、2if(ls=h)2324nn=nn+l;25h=h;/*-：取反26h=h&0xl;27)28while(nn!=nh);29oupt(0xd2,0x0);3()第三节用气动执行机构的传送装置的控制1、执行机构组件（1）手爪的伸缩组件（2）手爪的升降组件（3）手爪的转动组件图执行机构组件（气缸A：电磁阀A, （气缸B：电磁阀B, （气缸C：电磁阀C,位置传感器SA1、SA2）位置传感器SB1、SB2）位置传感器SC1、SC2）（4）手爪（手爪执行机构：电磁铁D,位置传感器SD1、SD2）（3）传感器开关电路用反相功能 的斯特触 发电路开关接点2、控制装置（1）执行机构控制电路A、装置

11、起停B、执行机构动作（2）电磁阀驱动电路二、与个人计算机的连接A口：输入口B口：输出口C口：输入口电磁阀升降汽缸伸缩汽缸W1旋转执行机构停关急开动关禁止H开三、动作手爪下降抓住手爪上升手爪缩向并左转动作示意（到起始位置）表各彩或移输入输出数据表仃力X；切条q入敷也汁人：嗜抠（*山可操作行程启动手爪伸出r水下a爪住,竹水上升作紫念小止开关掾八自动开关,宜冷片i“m(r(5a)uuEu1"。瞋IIJOUKaUKJJ>U4ALJQEK3013手爪缩回爪右族F爪伸出手爪下降松开工件F爪上升手爪编向并左旋90度0HO四、程序（顺序执行输入输出数据）UQq!qlo|oirrrrIoooio

12、onhSHEi6T6I。16Tolojo市|oo叵(O)ia第四节简单自动门控制系统图自动门一、自动门的构造（-）动力源与执行（元件）机构（二）传感器1、检测人的传感器2、门的位置传感器（三）构造二、控制假想的自动门图假想的自动门（-）构造1、控制动作2、采用单方向开门方式3、驱动方式4、人的检测5、停止位置与开始位置（二）控制电路与个人计算机的连接1、个人计算机端的接口2、电动机驱动电路12VTr6-Tri0:2SC1815Ci :74LSO4Tri-Tr5:2SC633图电动机驱动电路3、制动器动作驱动电路与电动机驱动电路共用图制动器动作驱动电路4、检测人的传感器检测人的门外传感器超声波传

13、感器处理电路检测人的门内传感器超声波传感器处理电路Ri外购解件计算8我接端子图检测人的传感器5、开关输入（临近传感器、停止传感器、紧急开关）（三）口连接制动侑闻稣-制动器-电源通断信号常速信号中速信号低速信号门开、闭信W通；I新；0一电动机开：I闭：0（四）基本动作1、从检测人的传感器起作用开始，就对处于范围内的人进行监视。2、当检测到人信号时，就开门。门以低速开0.5秒后进入中速，并从临近闭端起，开始常速运行。3、若开端的临近检测传感器检测到门，则使开门经过0.5秒后，由中速运行进入低速运行。4、当开端的停止传感器检测到门，门就停止运行。5、门开一段时间，当检测人的传感器确认无人后，闭门。6

14、、闭门行程也从闭门开始到结束附近，改变运行速度，平滑地运行。7、在门运行过程中，用检测传感器监视人，若检测到人，则返回开门行程。8、门的停止运行是切断电动机的电流，约0.5秒后，使制定器起作用。开门时，当制动器松开0.5秒后，使电动机运行。(-)定义1、口地址#define APORT OxdO#define BPORT 0xd2#define CPORT 0xd4#deflne CWREG 0xd62、输入数据#define HITOKEN#define OPNTEMAE#define OPNTEISI#define CLSTEMAE#define CLSTEISI六A 口地址"B

15、 口地址口地址/*CW 口地址0x10/卓检测人的数据0x1/*开端临近传感器0x2浮开端停止传感器0x4/*闭端临近传感器0x6/*闭端停止传感器3、输出数据#define OPN#define OPL2#define OPL1#deflne OPNSTP#define CLS#define CLSL2#define CLSL1#define CLSSTP#define BREAKE0x19开门运行0x15户开门中速0x13 /*开门低速0x1/*门全开停止0x18 /*闭门运行0x14 /*闭门中速0x12 /*闭门低速0x0/*门全闭停止0x20 /*制动（二）（三）函数程序（见word

16、）Q次判断偏为小次判断函数）C结束 ）（四）main程序（见word）U冲飘电路塞励电路第五节步进电动机的控制一、信号与连接1、脉冲信号2、连接图步进电动机控制系统二、控制程序1、动作2、程序1 intpulse(intnjntho);2 main()34unsignedintn.h,hojd.st;5outp(ox(l6«0x90);6 do(7 piintf(,旋转量=")；8 scanf("q令d'&ii);9 do(10 prtntf(“方向(CW=LCCW=0)=");11 scanfCdMt&h);12 if(h=0)

17、13 14 ho=OxO;15 )16 elseif(h=1)17 18 ho=Ox2x19 20 else21 22 h=2:23 24while(h=2);25do26printfC,启动(1)?=");27scanf("d'',&k);28while(k!=1);29pulse(n9ho);30行一次？(是=1)”)；31scanf("cF,&r);32while(r=1);3334pubc(intnjnth)35(36unsignedintht.odh.odl;37for(i=l;i<=n;i-M-)38(39odh=

18、ho+0xl;40<>dl=h<H4)xO;41outp(0xd2wodh);42for(t=l;t<=100;t-w-);43outp(0xcl2«odl):44for(t=l：t<=100：t+);4546第六节实例三：步进电动机的传动装置的控制系统(略)一、步进电动机传送装置(-)构造(-)驱动控制电路1、步进电动机(1)步进电动机的规格图传送装置构造图脉冲信号输入旋转方向信号输入步进电动机y 黄白甑绿红黑设定相励磁(双相励磁)(2)驱动电路IC(3)脉冲信号(4)脉冲发生电路05VRc-oON-OFF输入f脉冲输出2、控制电路(1)计算机控制与手

19、动操作的选择(2)手动操作¥机连接管脚“冲信号咏冲俏蜉C§SW,转向信号髭嬴转向信号5VG人加帙口崖罹曲I】3A出XI】埃揉一入U（3）计算机控制-。A9计笈迂接管脚脉冲信时cysw>叱一。转向侑苫cVswT*方法2计«机连接管完（4）两端的界限处理开关动作限粒开关为0IAND（与）电跻穴值表OR（或）电路直值表（5）开关电路图移行两端界限处理原理脉冲信号,入8 2 5 5 接口A U .输入用76543210二二 n二（三）计算机的连接1、输入返回起始点开关自动开关左端限位开关右端限位开关2、输出*冷产生后动m号（0：停止1：启动）76543210B口输出

20、用法行力向信号（0|右1s左）起始点指示灯产生脉冲的白功信号移行方向信号脉冲信号片A 口地址号/卓B 口地址号 片C 口地址号 /*CW 口地址号 浮右端限位开关数据 /中左端限位开关数据 /*移行方向向右/*移行方向向左/*脉冲高电平信号/*脉冲低电平信号/*最大行程二、控制程序（一）定义将口地址号置换成为口名称。# deHneAPORTOxdO# defineBPORT0xd2# defineCPORT0xd4# defineCWREG0xd6# defineRLS0x1# defineLLS0x2# defineRGT0x0# defineLFT0x2# definePLSH0x1# definePLSL0x0# defineMAXL300移动工作台（二）控制1（往复）1、动作（1）将移动工作台设置在左端让移动工作台往左运行，当确认左端限位开关动作时，就停止。（2）在屏幕上指定往返多少次。（3）让移动工作台往右方移行，确认右端限位开关动作就停止。（4）经一定时间后往左移行，确认左端限位开关动作，就停止。（5）往返移行后，对左端限位开关每次增加1的动作进行计数，并与指定次数相比较，若一致就停止移行。2、程序将运行程序输出T输入一比较T输出的程序，编写为一个函数程序。函数syori()程序1 syori(unsignedint,unsign