机电一体化系统设计典型实例

（二）控制系统硬件组成
微型计算机
计数器 专用控制程 序EPROM 8031 单 片 机 光电 隔离 I/O 功放 X或Y向 步进电机 刀架 移动
车床
光栅
刀 架
用户加工程 序外部RAM
驱动电路
三相异步电机
刀架 转动
键盘显 示驱动 零位脉冲 计数器 刀架进给脉冲
主 轴 主轴脉冲编码器
图
车床闭环控制系统
（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。
（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 图 自动门
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
4、人的检测
5、停止位置与开始位置
图 假想的自动门
（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
（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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 int kaiten(int n，int od); main() { unsigned int st,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); } 14 kaiten(int n,int od) 15 { 16 unsigned int n,nn,nh,ls,h,od; 17 h=0x1;nn=0 18 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 }
（四）main程序（见word）
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 int pulse(int n,int ho); 2 main() 3{ 4 unsigned int n,h,ho,id,st; 5 outp(oxd6,0x90); 6 do{ 7 printf(“旋转量＝”)； 8 scanf(“%d”,&n); 9 do{ 10 printf(“方向（CW＝1，CCW＝0）＝”); 11 scanf(“%d”,&h); 12 if(h= =0) 13 { 14 ho=0x0; 15 } 16 else if(h= =1) 17 { 18 ho=0x2； 19 } 20 else 21 { 22 h=2; 23 } 24 }while(h= =2); 25 do{ 26 printf(“启动（1）？＝”); 27 scanf(“%d”,&k); 28 }while(k!=1); 29 pulse(n,ho); 30 printf(“再执行一次？（是＝1）”); 31 scanf(“%d”,&r); 32 }while(r= =1); 33 } 34 pulse(int n,int h) 35 { 36 unsigned int i,t,odh,odl; 37 for(i=1;i<=n;i++) 38 { 39 odh=ho+0x1; 40 odl=ho+0x0; 41 outp(0xd2,odh); 42 for(t=1;t<=100;t++); 43 outp(0xd2,odl); 44 for(t=1;t<=100;t++); 45 } 46 }
（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。
（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＝
2、步进电机的匹配选择
Tq T
3、滚珠丝杠的校核
（1）承载能力选择
FQ 3 L f H fW Fmax
Fk f k 2 EI Kl s2 Fmax
Fl0 Ml02 L ES 2 IE
（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）
光 电 耦 合 器 电 路
图 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
4、检测人的传感器
超声波传感 器处理电路 超声波传感 器处理电路
5V 信号 G
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
制动器 驱动电路
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
#define OPNTEMAE
#define OPNTEISI #define CLSTEMAE
0x1
0x2 0x4
/*开端临近传感器
/*开端停止传感器 /*闭端临近传感器
#define CLSTEISI
0x6
/*闭端停止传感器
3、输出数据 #define OPN 0x19 0x13 0x1 0x18 0x14 0x0 0x20 /*开门运行 /*开门低速 /*门全开停止 /*闭门运行 /*闭门中速 /*门全闭停止 /*制动
电源通断信号 电 动 常速信号 机 中速信号 驱 动 低速信号 电 门开、闭信号 路
（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。
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。
#define OPL2
#define OPL1 #define OPNSTP #define CLS #define CLSL2
0x15 /*开门中速
#define CLSL1
#define CLSSTP #define BREAKE
0x12 /*闭门低速
（二）函数
一次判断函数 两次判断函数
（三）函数程序（见word）
2、控制装置 （1）执行机构控制电路 A、装置起停 B、执行机构动作 （2）电磁阀驱动电路 （3）传感器开关电路
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
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
一、自动门的构造
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
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）
第七章 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
第二节 直流伺服电动机控制系统设计
第三节 用气动执行机构的传送装置的控制
第四节 简单自动门控制系统
第五节 步进电动机的控制
第六节 步进电动机的传动装置的控制系统
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
（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。
第三节 用气动执行机构的传送装置的控制
一、装置的构造
Hale Waihona Puke Baidu
• 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）
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
三、程序
（一）定义 1、口地址
#define APORT 0xd0 #define BPORT 0xd2 #define CPORT 0xd4 #define CWREG 0xd6 /*A口地址 /*B口地址 /*C口地址 /*CW口地址 0x10 /*检测人的数据
2、输入数据
#define HITOKEN
（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