机电一体化系统设计典型实例

第一节车床的机电一体化改造图

开环控制系统框图一、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二、车床的机械传动系统简化（一）改造前的结构介绍（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—顶尖推动丝杠三、车床机电一体化改造的性能及精度选择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（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（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：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（1）承载能力选择（2）压杆稳定性核算（3）刚度的验算五、单片机控制系统设计（X-Y工作台）（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转动刀架主轴刀架进给脉冲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，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，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

一、直流伺服电动机的控制1、连接2、动作二、控制程序1 int

kaiten(intn，int

od);2 main()3 {4 unsignedint

st,stp;5 outp(0xd6,0x90);6 do{7 st=inp(0xd0)&0x10;8 }while(st!=0x10);9 n=100;od=0x1;10 kaiten(n,od);11 n=200;od=0x3;12 kaiten(n,od);13 }14 kaiten(int

n,int

od)15 {16 unsignedint

n,nn,nh,ls,h,od;17 h=0x1;nn=018 nh=n*2;19 outp(0xd2,od);20 do{21 ls=inp(0xd0)&0x1;22 if(ls==h)23 {24 nn=nn+1;25 h=~h;/*~：取反26 h=h&0x1;27 }28 }while(nn!=nh);29 oupt(0xd2,0x0);30 }第三节用气动执行机构的传送装置的控制一、装置的构造传送装置简图1、执行机构组件图执行机构组件（1）手爪的伸缩组件（气缸A：电磁阀A，位置传感器SA1、SA2）（2）手爪的升降组件（气缸B：电磁阀B，位置传感器SB1、SB2）（3）手爪的转动组件（气缸C：电磁阀C，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）2、控制装置（2）电磁阀驱动电路（1）执行机构控制电路

A、装置起停

B、执行机构动作（3）传感器开关电路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三、动作图动作示意图表各形成开关输入输出数据表四、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）构造图假想的自动门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图

电动机驱动电路光电耦合器电路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图

制动器动作驱动电路光电耦合器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电源通断信号常速信号中速信号低速信号门开、闭信号制动器驱动电路电动机驱动电路（三）口连接（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、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、程序一次判断函数两次判断函数（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一、信号与连接1、脉冲信号2、连接1int

pulse(int

n,intho);2main()3{4unsignedint

n,h,ho,id,st;5outp(oxd6,0x90);6do{7printf(“旋转量＝”)；8scanf(“%d”,&n);9do{10printf(“方向（CW＝1，CCW＝0）＝”);11scanf(“%d”,&h);12if(h==0)13{14ho=0x0;15}16elseif(h==1)17{18ho=0x2；19}20else21{22h=2;23}24}while(h==2);25do{26printf(“启动（1）？＝”);27scanf(“%d”,&k);28}while(k!=1);29pulse(n,ho);30printf(“再执行一次？（是＝1）”);31scanf(“%d”,&r);32}while(r==1);33}34pulse(int

n,inth)35{36unsignedint

i,t,odh,odl;37for(i=1;i<=n;i++)38{39odh=ho+0x1;40odl=ho+0x0;41outp(0xd2,odh);42for(t=1;t<=100;t++);43outp(0xd2,odl);44for(t=1;t<=100;t++);45}46}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图

传送装置构造图（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16151413121110912345678步进电动机驱动IC（2）驱动电路IC（3）脉冲信号87651234定时器IC（4）脉冲发生电路16151413121110912345678123487650.1μF（IC2）5550.1μF驱动IC（IC1）IC3IC4IC57142、控制电路（1）计算机控制与手动操作的选择（2）手动操作（3）计算机控制*方法1*方法2（4）两端的界限处理图

移行两端界限处理原理（5）开关电路（三）计算机的连接1、输入2、输出二、控制程序（一）定义将口地址号置换成为口名称。＃defineAPORT0xd0 /*A口地址号＃defineBPORT0xd2 /*B口地址号＃defineCPORT0xd4 /*C口地址号＃defineCWREG0xd6 /*CW口地址号＃defineRLS0x1 /*右端限位开关数据＃defineLLS0x2 /*左端限位开关数据＃defineRGT0x0 /*移行方向向右＃defineLFT0x2 /*移行方向向左＃definePLSH0x1 /*脉冲高电平信号＃definePLSL0x0 /*脉冲低电平信号＃defineMAXL300 /*最大行程（二）控制-1（往复）移动工作台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→输入→比较→输出的程序，编写为一个函数程序。函数syori（）程序1syori（unsignedint，unsignedint

hd）2{3unsignedint

ls；4outp(BPORT,odl);5do{6ls=inp(APORT)&hd;7}while(ls<=hd);8outp(BPORT,0x0);9}Main程序（往复运行）

/*――――――――――――――――――――－－－－－―标示名称的置换＃defineAPORT0xd0 /*A口地址号＃defineBPORT0xd2 /*B口地址号＃defineCPORT0xd4 /*C口地址号＃defineCWREG0xd6 /*CW口地址号＃defineRLS0x1 /*右端限位开关数据＃defineLLS0x2 /*左端限位开关数据＃defineLIDO0x6 /*向左移行输出数据＃defineRIDO0x4 /*向右移行输出数据＃defineSTP0x0 /*停止输出数据syori(unsignedint

hd,unsigned

int

odl) /*处理函数{unsignedint

ls /*输出移行的信号outp(BPORT,odl); do{

ls=inp(APORT)&hd;}while(ls<=hd);Outp(BPORT,0x0);}main(){unsignedint,nn,n;outp(CWREG,0x90); /*输入输出口的用法设置

syori(LLS,SIDO); /*将工作台设置在左端

print(￥x1b[2J]); /*清屏

print(“往返多少次？”n＝);

scanf(“%d”,&n); /*用键盘键入

nn=0do{

syori(RLS,RIDO); /*向右移行

syori(LLS,LIDO); /*向左移行

nn=nn+1; /*往返次数计数器

}while(nn!=n);}（三）控制-2（起始点设置）1、动作（1）将移动工作台从左往右设置（2）向左移行（3）起始点设置移动工作台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。2、程序编制输出脉冲，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

intlimit)2{3unsignedintt,h,ls,odt1,odt2;4odt1=hook|PLSH;5odt2=hook|PLSL;6For(t==;t<=plsu;t++)7{8outp(BPORT,odt1);9for(h==1;h<=plhb;h++);10outp(BPORT,odt2);11ls=inp(APORT)&bit;12if(ls==limit)13{14break;15}16}17}<起始点设置的函数>1genten()2{3puls(100,50,RGT,RLS);4for(t==1;t<=1000,t++);5puls(2000,50,LET,LLS,LLS);6for(t==1;t<=1000;t++);7puls(100,200,RGT,RLS,0x0);8outp(BPORT,0x10);9printf(￥x1B[2J])10printf(“《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（1）设置移动工作台的起始点。（2）在屏幕上输入移动方向与距离。（3）当按下启动按钮，则移动到指定的位置图

操作-3（指定移动）2、程序1main()2{3outp(CWREG,ox90); /*口使用方法的设置4genten(); /*设置起点5for(;;)6{7printf(￥x1B[2J]); /*清屏8prinrf(“移动方向（向右+，向左+）与移动距离”＝)9scanf(“%d”,&ido); /*将键入的移动方向与距离的输入数据代入变量id10