机电一体化系统设计典型实例课堂
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（二）控制系统硬件组成
微型计算机
计数器
专用控制程
8031
序EPROM
单
片
机
I/O
用户加工程 序外部RAM
光电 隔离
功放
X或Y向 步进电机
驱动电路
三相异步电机
车床
光栅
刀架 移动 刀
架 刀架 转动
键盘显 示驱动
计数器
零位脉冲 刀架进给脉冲
主轴 主轴脉冲编码器
图 车床闭环控制系统
13
（三）微处理器系统及接口
16
（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。
15
（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。
6
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
7
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
18
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
19
二、控制程序
1 int kaiten(int n ，int od);
2 main()
3{
4 unsigned int st,stp;
5 outp(0xd6,0x90);
6 do{
7
st=inp(0xd0)&0x10;
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（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。
8 }while(st!=0x10);
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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。
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来自百度文库
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Ml02
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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。
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
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第一节 车床的机电一体化改造
图 开环控制系统框图
2
一、数控机床概述
（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）
8
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 。
9
（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
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2、步进电机的匹配选择
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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
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
3
二、车床的机械传动系统简化
（一）改造前的结构介绍
4
（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
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
（二）控制系统硬件组成
微型计算机
计数器
专用控制程
8031
序EPROM
单
片
机
I/O
用户加工程 序外部RAM
光电 隔离
功放
X或Y向 步进电机
驱动电路
三相异步电机
车床
光栅
刀架 移动 刀
架 刀架 转动
键盘显 示驱动
计数器
零位脉冲 刀架进给脉冲
主轴 主轴脉冲编码器
图 车床闭环控制系统
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（三）微处理器系统及接口
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（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。
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（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。
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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
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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
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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
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二、控制程序
1 int kaiten(int n ，int od);
2 main()
3{
4 unsigned int st,stp;
5 outp(0xd6,0x90);
6 do{
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st=inp(0xd0)&0x10;
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（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。
8 }while(st!=0x10);
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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。
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来自百度文库
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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。
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
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第一节 车床的机电一体化改造
图 开环控制系统框图
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一、数控机床概述
（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）
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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 。
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（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
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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 （2）压杆稳定性核算 （3）刚度的验算
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
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二、车床的机械传动系统简化
（一）改造前的结构介绍
4
（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
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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