机电一体化系统设计典型实例

机电一体化系统设计典型实例第1页/共58页第一节 车床的机电一体化改造图开环控制系统框图第2页/共58页一、数控机床概述1、数控机床简介2、数控机床的组成与研究对象零件图程序载体数控微机系统伺服驱动系统机床本体反馈系统第3页/共58页二、车床的机械传动系统简化（一）改造前的结构介绍第4页/共58页（二）结构改进与简化1、挂轮架系统2、进给齿轮箱3、溜板齿轮箱4、横向拖板第5页/共58页5、刀架体→自动转位刀架（并列举四工位刀架）图自动转位刀架原理示意图第6页/共58页6、尾架→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—微型限位开关7—调整螺钉8—电动机9—减速箱10—主动齿轮11—从动齿轮12—丝杠13—顶尖推动丝杠第7页/共58页三、车床机电一体化改造的性能及精度选择第8页/共58页1、主轴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刀具补偿（磨损影响）间隙补偿（间隙消除机构、微机控制）显示（LED、LCD）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第9页/共58页（一）实例说明：（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l0=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δ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v溜＝60mm/min、快速进给速度取为v溜＝2m/min；步进电机的步距角a预选为0.75（º）/step。（二）设计计算：第10页/共58页1、纵向进给丝杠的负载分析切削负载摩擦阻力等效转动惯量丝杠摩擦力矩计算等效负载转矩计算启动惯性转矩计算步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3、滚珠丝杠的校核承载能力选择压杆稳定性核算刚度的验算第11页/共58页五、单片机控制系统设计（X-Y工作台）第12页/共58页（一）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0～200mm；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。（二）控制系统硬件组成计数器专用控制程序EPROM用户加工程序外部RAM键盘显示驱动8031单片机I/O计数器光电隔离功放X或Y向步进电机驱动电路三相异步电机刀架移动刀架刀架转动主轴刀架进给脉冲第13页/共58页光栅车床微型计算机零位脉冲主轴脉冲编码器图 车床闭环控制系统（三）微处理器系统及接口第14页/共58页六、数控软件第15页/共58页（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，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）数据处理模块第16页/共58页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，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）速度控制模块第17页/共58页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）管理程序第18页/共58页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一、直流伺服电动机的控制1、连接第19页/共58页2、动作二、控制程序第20页/共58页14kaiten(int

n,int

od)12345678910111213int

kaiten(int

n，int

od);main(){unsigned

intst,stp;outp(0xd6,0x90);do{st=inp(0xd0)&0x10;}while(st!=0x10);n=100;od=0x1;kaiten(n,od);n=200;od=0x3;kaiten(n,od);}1516171819202122232425262728{unsigned

intn,nn,nh,ls,h,od;h=0x1;nn=0nh=n*2;outp(0xd2,od);do{ls=inp(0xd0)&0x1;if(ls=

=h){nn=nn+1;h=~h;

/*~：取反

h=h&0x1;}}while(nn!=nh);29oupt(0xd2,0x0);30}第三节用气动执行机构的传送装置的控制一、装置的构造第21页/共58页传送装置简图1、执行机构组件图 执行机构组件手爪的伸缩组件（气缸A：电磁阀A，位置传感器SA1、SA2）手爪的升降组件（气缸B：电磁阀B，位置传感器SB1、SB2）手爪的转动组件（气缸C：电磁阀C，位置传感器SC1、SC2）手爪（手爪执行机构：电磁铁D，位置传感器SD1、SD2）第22页/共58页2、控制装置执行机构控制电路

A、装置起停B、执行机构动作电磁阀驱动电路（3）传感器开关电路第23页/共58页A口：输入口

B口：输出口

C口：输入口二、与个人计算机的连接第24页/共58页三、动作图 动作示意图第25页/共58页表 各形成开关输入输出数据表第26页/共58页四、程序（顺序执行输入输出数据）第四节简单自动门控制系统图自动门第27页/共58页一、自动门的构造（一）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（一）构造1、控制动作2、采用单方向开门方式3、驱动方式图假想的自动门第28页/共58页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光电耦合器电路图电动机驱动电路第29页/共58页1、个人计算机端的接口2、电动机驱动电路3、制动器动作驱动电路光电耦合器图制动器动作驱动电路第30页/共58页4、检测人的传感器图 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）超声波传感器处理电路第31页/共58页超声波传感器处理电路5V信号G传感器电路波形整形电路波形整形电路波形整形电路波形整形电路第32页/共58页常速信号中速信号低速信号制动器

驱动电路电源通断信号电动机驱动电门开、闭信号路（三）口连接（四）基本动作第33页/共58页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、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。三、程序第34页/共58页（一）定义1、口地址#define

APORT0xd0/*A口地址#define

BPORT0xd2/*B口地址#define

CPORT0xd4/*C口地址#define

CWREG0xd6/*CW口地址2、输入数据#define

HITOKEN0x10/*检测人的数据#define

OPNTEMAE0x1/*开端临近传感器#define

OPNTEISI0x2/*开端停止传感器#define

CLSTEMAE0x4/*闭端临近传感器#define

CLSTEISI0x6/*闭端停止传感器3、输出数据#define

OPN#define

OPL2

0x15#define

OPL1

0x13#define

OPNSTP#define

CLS#define

CLSL2#define

CLSL1#define

CLSSTP#define

BREAKE第35页/共58页0x19

/*开门运行/*开门中速/*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

/*制动一次判断函数第36页/共58页两次判断函数（二）函数（四）main程序（见word）（三）函数程序（见word）第五节步进电动机的控制图步进电动机控制系统第37页/共58页一、信号与连接1、脉冲信号2、连接1

int

pulse(int

n,int

ho);24}while(h=

=2);2main()25do{3{26printf(“启动（1）？＝”);4 unsigned

intn,h,ho,id,st;27scanf(“%d”,&k);5

outp(oxd6,0x90);28}while(k!=1);6

do{29pulse(n,ho);7printf(“旋转量＝”)；30 printf(“再执行一次？（是＝1）”);8scanf(“%d”,&n);31

scanf(“%d”,&r);9do{32 }while(r=

=1);10printf(“方向（CW＝1，CCW＝0）＝”);33

}11scanf(“%d”,&h);34

pulse(int

n,int

h)12if(h=

=0)35{13{36 unsigned

inti,t,odh,odl;14ho=0x0;37

for(i=1;i<=n;i++)15}38

{16else

if(h=

=1)39odh=ho+0x1;17{40odl=ho+0x0;18ho=0x2；41outp(0xd2,odh);19}42for(t=1;t<=100;t++);20else43outp(0xd2,odl);21{44for(t=1;t<=100;t++);22h=2;45}23}46}第38页/共58页二、控制程序1、动作2、程序第六节实例三：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（一）构造（二）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第39页/共58页1615

14

13

12

1110

9步进电动机驱动IC1

2

3

4

5

6

7

8第40页/共58页（2）驱动电路IC（3）脉冲信号8

7

6

5定时器IC1

2

3

4第41页/共58页（4）脉冲发生电路161091784658

70.1μF（IC2）5551

2

315

14

13

12

110.1μF驱动IC（IC1）2

3

4

5

6IC3IC4

IC57142、控制电路（1）计算机控制与手动操作的选择（2）手动操作第42页/共58页（3）计算机控制*方法1*方法2第43页/共58页（4）两端的界限处理图 移行两端界限处理原理第44页/共58页（5）开关电路（三）计算机的连接1、输入2、输出第45页/共58页二、控制程序第46页/共58页（一）定义将口地址号置换成为口名称。＃define

APORT0xd0＃define

BPORT0xd2＃define

CPORT0xd4＃define

CWREG0xd6＃define

RLS

0x1＃define

LLS

0x2＃define

RGT

0x0＃define

LFT

0x2＃define

PLSH

0x1＃define

PLSL

0x0＃define

MAXL

300/*A口地址号/*B口地址号/*C口地址号/*CW口地址号/*右端限位开关数据/*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-1（往复）移动工作台1、动作第47页/共58页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。在屏幕上指定往返多少次。让移动工作台往右方移行，确认右端限位开关动作就停止。经一定时间后往左移行，确认左端限位开关动作，就停止。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、程序第48页/共58页将运行程序输出→输入→比较→输出的程序，编写为一个函数程序。函数syori（）程序syori（unsigned

int，unsigned

int

hd）{unsigned

int

ls；outp(BPORT,odl);do{ls=inp(APORT)&hd;}while(ls<=hd);outp(BPORT,0x0);9

}Main程序（往复运行）第49页/共58页/*――――――――――――――――――――－－－－－―标示名称的置换/*A口地址号/*B口地址号/*C口地址号/*CW口地址号/*右端限位开关数据/*左端限位开关数据/*向左移行输出数据/*向右移行输出数据/*停止输出数据/*处理函数＃define

APORT0xd0＃define

BPORT0xd2＃define

CPORT0xd4＃define

CWREG0xd6＃define

RLS

0x1＃define

LLS

0x2＃define

LIDO

0x6＃define

RIDO

0x4＃define

STP

0x0syori

(unsigned

int

hd,unsigned

int

odl){unsigned

int

lsoutp

(BPORT,odl);do{ls=inp(APORT)&hd;}while(ls<=hd);Outp(BPORT,0x0);}/*输出移行的信号main

(

){unsignedint,nn,n;outp(CWREG,0x90);syori(LLS,SIDO);print(￥x1b[2J]);print(“往返多少次？”n＝);scanf(“%d”,&n);nn=0do{syori(RLS,RIDO);syori(LLS,LIDO);nn=nn+1;}while(nn!=n);}第50页/共58页/*输入输出口的用法设置/*将工作台设置在左端/*清屏/*用键盘键入/*向右移行/*向左移行/*往返次数计数器（三）控制-2（起始点设置）向左移行起始点设置移动工作台第51页/共58页编制将左端设置的起始点的函数[genten()]。脉冲由个人计算机输出。1、动作（1）将移动工作台从左往右设置2、程序第52页/共58页编制输出脉冲，若限位开关动作，就停止PULS函数程序。1 puls(unsigned

int

plsu,unsigned

int

plhb,unsigned

int

hoko,unsigned

int

bit,unsigned

int

limit)2

{unsigned

int

t,h,ls,odt1,odt2;odt1=hook|PLSH;odt2=hook|PLSL;For(t=

=;t<=plsu;t++){outp(BPORT,odt1);for(h=

=1;h<=plhb;h++);outp(BPORT,odt2);ls=inp(APORT)&bit;if(ls=

=limit){break;15

}16

}17

}<起始点设置的函数>第53页/共58页genten(){3

puls(100,50,RGT,RLS);4 for(t==1;t<=1000,t++);puls(2000,50,LET,LLS,LLS);for(t==1;t<=1000;t++);puls(100,200,RGT,RLS,0x0);outp(BPORT,0x10);printf(￥x1B[2J])printf(“《起始点设置结束》”)；11

}（四）控制-3以起始点（左端）为起点，按指定方向与距离移动。1、动作设置移动工作台的起始点。在屏幕上输入移动方向与距离。当按下启动按钮，则移动到指定的位置图操作-3（指定移动）第54页/共58页2、程序/*口使用方法的设置/*设置起点/*清屏prinrf(