機電一體化系統(tǒng)設(shè)計典型實例第1頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)車床的機電一體化改造圖開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第2頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五一、數(shù)控機床概述1、數(shù)控機床簡介2、數(shù)控機床的組成與研究對象零件圖程序載體數(shù)控微機系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)機床本體反饋系統(tǒng)第3頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五二、車床的機械傳動系統(tǒng)簡化（一）改造前的結(jié)構(gòu)介紹第4頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（二）結(jié)構(gòu)改進與簡化1、掛輪架系統(tǒng)2、進給齒輪箱3、溜板齒輪箱4、橫向拖板第5頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五5、刀架體→自動轉(zhuǎn)位刀架（并列舉四工位刀架）圖自動轉(zhuǎn)位刀架原理示意圖第6頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五6、尾架→電動尾架1—軸套2—原尾架體3—絲杠螺母4—蝶形彈簧5—頂杠6—微型限位開關(guān)7—調(diào)整螺釘8—電動機9—減速箱10—主動齒輪11—從動齒輪12—絲杠13—頂尖推動絲杠第7頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五三、車床機電一體化改造的性能及精度選擇1、主軸2、進給運動（進給速度、快速進給、脈沖當量）3、刀架（自動轉(zhuǎn)位刀架、工位數(shù)、重復定位精度）4、其它性能指標的選擇（1）刀具補償（磨損影響）（2）間隙補償（間隙消除機構(gòu)、微機控制）（3）顯示（LED、LCD）（4）診斷功能（防止程序有誤和機床的誤動作）第8頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五四、進給系統(tǒng)的主要設(shè)計計算（一）實例說明：（以數(shù)控車床縱向Z設(shè)計為例）

設(shè)某車床，其縱向（z）進給絲杠改用滾珠絲杠，其基本導程l0=6；縱向溜板箱及橫向工作臺與刀架等可移動部件總質(zhì)量為400kg（實際設(shè)計時應根據(jù)圖紙進行計算或拆卸稱重）；脈沖當量δ取0.01mm/脈沖（該值應根據(jù)被加工零件的最高精度的尺寸公差來選定，一般取其公差的1/2）；取工件進給速度為v溜＝60mm/min、快速進給速度取為v溜＝2m/min；步進電機的步距角a預選為0.75（o）/step。第9頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（二）設(shè)計計算：1、縱向進給絲杠的負載分析

（1）切削負載 （2）摩擦阻力 （3）等效轉(zhuǎn)動慣量 （4）絲杠摩擦力矩計算 （5）等效負載轉(zhuǎn)矩計算 （6）啟動慣性轉(zhuǎn)矩計算 （7）步進電動機輸出軸上總負載轉(zhuǎn)矩的計算第10頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五2、步進電機的匹配選擇3、滾珠絲杠的校核（1）承載能力選擇（2）壓桿穩(wěn)定性核算（3）剛度的驗算第11頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五五、單片機控制系統(tǒng)設(shè)計（X-Y工作臺）（一）工作臺組成及控制要求1、步進電機選用四相八拍，其脈沖當量為0.01mm/step；2、能用鍵盤輸入控制命令，控制工作臺的X、Y方向上的運動及實現(xiàn)其功能，其運動范圍為0～200mm；3、能實現(xiàn)顯示工作臺的當前運動位置；4、具有超程指示警報及停止功能；5、采用硬件進行環(huán)形分配，字符發(fā)生及鍵盤掃描均由軟件實現(xiàn)。第12頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（二）控制系統(tǒng)硬件組成計數(shù)器專用控制程序EPROM用戶加工程序外部RAM鍵盤顯示驅(qū)動8031單片機I/O計數(shù)器光電隔離功放X或Y向步進電機驅(qū)動電路三相異步電機刀架移動刀架轉(zhuǎn)動刀架主軸刀架進給脈沖光柵車床微型計算機零位脈沖主軸脈沖編碼器圖車床閉環(huán)控制系統(tǒng)第13頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（三）微處理器系統(tǒng)及接口第14頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五六、數(shù)控軟件（一）數(shù)據(jù)輸入模塊

系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)主要是零件的加工程序（指令），一般通過鍵盤、光電讀帶機或盒式磁帶等輸入，也有從上一級微機直接傳入的（如CAD/CAM系統(tǒng)）。系統(tǒng)中所設(shè)計的輸入管理程序通常采用中斷方式。例如，當讀帶機讀入一個數(shù)據(jù)后，就立即向CPU發(fā)出中斷，由中斷服務程序?qū)⒃摂?shù)據(jù)讀入內(nèi)存。每按一次鍵，鍵盤就向CPU發(fā)出一次中斷請求，CPU響應中斷后就轉(zhuǎn)入鍵盤服務程序，對應的按鍵名令進行處理。第15頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（二）數(shù)據(jù)處理模塊

輸入的零件加工程序是用標準的數(shù)控語言編寫的ASCII字符串，因此需要把輸入的數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)能進行運算的二進制代碼，還要進行必要的單位換算和數(shù)控代碼的功能識別，以便確定下一步的操作內(nèi)容。（三）插補運算模塊

數(shù)控系統(tǒng)必須按照零件加工程序中提供的數(shù)據(jù)，如曲線的種類、起點、終點等，按插補原理進行運算，并向各坐標發(fā)出相應的進給脈沖。進給脈沖通過伺服系統(tǒng)驅(qū)動刀具或工作臺相應的運動，完成程序規(guī)定的加工。插補運算模塊除實現(xiàn)插補各種運算外，還有實時性要求，在數(shù)控過程中，往往是一邊插補一邊加工的，因此插補運算的時間要盡可能短。第16頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（四）速度控制模塊

一條曲線的進給運動往往需要刀具或工作臺在規(guī)定的時間內(nèi)走許多步來完成，因此除輸出正確的插補脈沖外，為了保證進給運動的精度和平穩(wěn)性，還應控制進給的速度，在速度變化較大時，要進行自動加減速控制，以避免速度突變造成伺服系統(tǒng)的驅(qū)動失步。（五）輸出控制模塊

輸出控制包括：

1、伺服控制：將插補運算出的進給脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)橛嘘P(guān)坐標的進給運動。

2、誤差補償：當進給脈沖改變方向時，根據(jù)機床精度進行反向間隙補償處理。

3、M、S、T等輔助功能的輸出：在加工中，需要啟動機床主軸、調(diào)整主軸速度和換刀等，因此，軟件需要根據(jù)控制代碼，從相應的硬件輸出口輸出控制脈沖或電平信號。第17頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（六）管理程序

管理程序負責對數(shù)據(jù)輸入、處理、插補運算等操作，對加工過程中的個程序模塊進行調(diào)度管理。管理程序還要對面板命令、脈沖信號、故障信號等引起的中斷進行處理。（七）診斷程序

系統(tǒng)應對硬件工作狀態(tài)和電源狀況進行監(jiān)視，在系統(tǒng)初始化過程中還需對硬件的各個資源，如存儲器，I/O等進行檢測，使系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能夠及時停車并指示故障類型和故障源。第18頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)直流伺服電動機控制系統(tǒng)設(shè)計

一、直流伺服電動機的控制1、連接2、動作第19頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五二、控制程序1 intkaiten(intn，intod);2 main()3 {4 unsignedintst,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(intn,intod)15 {16 unsignedintn,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20頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)用氣動執(zhí)行機構(gòu)的傳送裝置的控制一、裝置的構(gòu)造傳送裝置簡圖第21頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五1、執(zhí)行機構(gòu)組件圖執(zhí)行機構(gòu)組件（1）手爪的伸縮組件（氣缸A：電磁閥A，位置傳感器SA1、SA2）（2）手爪的升降組件（氣缸B：電磁閥B，位置傳感器SB1、SB2）（3）手爪的轉(zhuǎn)動組件（氣缸C：電磁閥C，位置傳感器SC1、SC2）（4）手爪（手爪執(zhí)行機構(gòu)：電磁鐵D，位置傳感器SD1、SD2）第22頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五2、控制裝置（2）電磁閥驅(qū)動電路（1）執(zhí)行機構(gòu)控制電路

A、裝置起停

B、執(zhí)行機構(gòu)動作（3）傳感器開關(guān)電路第23頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五A口：輸入口B口：輸出口C口：輸入口二、與個人計算機的連接第24頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五三、動作圖動作示意圖第25頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五表各形成開關(guān)輸入輸出數(shù)據(jù)表四、程序（順序執(zhí)行輸入輸出數(shù)據(jù)）第26頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)簡單自動門控制系統(tǒng)圖自動門一、自動門的構(gòu)造（一）動力源與執(zhí)行（元件）機構(gòu)（二）傳感器1、檢測人的傳感器

2、門的位置傳感器

（三）構(gòu)造第27頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五二、控制假想的自動門（一）構(gòu)造圖假想的自動門1、控制動作2、采用單方向開門方式3、驅(qū)動方式4、人的檢測5、停止位置與開始位置第28頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（二）控制電路與個人計算機的連接圖電動機驅(qū)動電路光電耦合器電路1、個人計算機端的接口2、電動機驅(qū)動電路第29頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五3、制動器動作驅(qū)動電路圖制動器動作驅(qū)動電路光電耦合器第30頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五4、檢測人的傳感器圖檢測人的傳感器5、開關(guān)輸入（臨近傳感器、停止傳感器、緊急開關(guān)）超聲波傳感器處理電路超聲波傳感器處理電路5V信號G第31頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五傳感器電路波形整形電路波形整形電路波形整形電路波形整形電路電源通斷信號常速信號中速信號低速信號門開、閉信號制動器驅(qū)動電路電動機驅(qū)動電路（三）口連接第32頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（四）基本動作1、從檢測人的傳感器起作用開始，就對處于范圍內(nèi)的人進行監(jiān)視。2、當檢測到人信號時，就開門。門以低速開0.5秒后進入中速，并從臨近閉端起，開始常速運行。3、若開端的臨近檢測傳感器檢測到門，則使開門經(jīng)過0.5秒后，由中速運行進入低速運行。4、當開端的停止傳感器檢測到門，門就停止運行。5、門開一段時間，當檢測人的傳感器確認無人后，閉門。6、閉門行程也從閉門開始到結(jié)束附近，改變運行速度，平滑地運行。7、在門運行過程中，用檢測傳感器監(jiān)視人，若檢測到人，則返回開門行程。8、門的停止運行是切斷電動機的電流，約0.5秒后，使制定器起作用。開門時，當制動器松開0.5秒后，使電動機運行。第33頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五三、程序（一）定義1、口地址

#defineAPORT 0xd0 /*A口地址

#defineBPORT 0xd2 /*B口地址

#defineCPORT 0xd4 /*C口地址

#defineCWREG0xd6 /*CW口地址2、輸入數(shù)據(jù)

#defineHITOKEN 0x10 /*檢測人的數(shù)據(jù)

#defineOPNTEMAE 0x1 /*開端臨近傳感器

#defineOPNTEISI 0x2 /*開端停止傳感器

#defineCLSTEMAE 0x4 /*閉端臨近傳感器

#defineCLSTEISI 0x6 /*閉端停止傳感器第34頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五3、輸出數(shù)據(jù)

#defineOPN 0x19 /*開門運行

#defineOPL2 0x15 /*開門中速

#defineOPL1 0x13 /*開門低速

#defineOPNSTP 0x1 /*門全開停止

#defineCLS 0x18 /*閉門運行

#defineCLSL2 0x14 /*閉門中速

#defineCLSL1 0x12 /*閉門低速

#defineCLSSTP 0x0 /*門全閉停止

#defineBREAKE 0x20 /*制動第35頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五一次判斷函數(shù)兩次判斷函數(shù)（二）函數(shù)（四）main程序（見word）（三）函數(shù)程序（見word）第36頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五第五節(jié)步進電動機的控制圖步進電動機控制系統(tǒng)一、信號與連接1、脈沖信號2、連接第37頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五1intpulse(intn,intho);2main()3{4unsignedintn,h,ho,id,st;5outp(oxd6,0x90);6do{7printf(“旋轉(zhuǎn)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(“啟動（1）？＝”);27scanf(“%d”,&k);28}while(k!=1);29pulse(n,ho);30printf(“再執(zhí)行一次？（是＝1）”);31scanf(“%d”,&r);32}while(r==1);33}34pulse(intn,inth)35{36unsignedinti,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、動作2、程序第38頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五第六節(jié)實例三：步進電動機的傳動裝置的控制系統(tǒng)（略）一、步進電動機傳送裝置圖傳送裝置構(gòu)造圖（一）構(gòu)造（二）驅(qū)動控制電路1、步進電動機（1）步進電動機的規(guī)格第39頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五16151413121110912345678步進電動機驅(qū)動IC（2）驅(qū)動電路IC（3）脈沖信號第40頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五87651234定時器IC（4）脈沖發(fā)生電路第41頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五16151413121110912345678123487650.1μF（IC2）5550.1μF驅(qū)動IC（IC1）IC3IC4IC57142、控制電路（1）計算機控制與手動操作的選擇（2）手動操作第42頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（3）計算機控制*方法1*方法2第43頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（4）兩端的界限處理圖移行兩端界限處理原理（5）開關(guān)電路第44頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（三）計算機的連接1、輸入2、輸出第45頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五二、控制程序（一）定義將口地址號置換成為口名稱。＃defineAPORT0xd0 /*A口地址號＃defineBPORT0xd2 /*B口地址號＃defineCPORT0xd4 /*C口地址號＃defineCWREG0xd6 /*CW口地址號＃defineRLS0x1 /*右端限位開關(guān)數(shù)據(jù)＃defineLLS0x2 /*左端限位開關(guān)數(shù)據(jù)＃defineRGT0x0 /*移行方向向右＃defineLFT0x2 /*移行方向向左＃definePLSH0x1 /*脈沖高電平信號＃definePLSL0x0 /*脈沖低電平信號＃defineMAXL300 /*最大行程第46頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（二）控制-1（往復）移動工作臺1、動作（1）將移動工作臺設(shè)置在左端讓移動工作臺往左運行，當確認左端限位開關(guān)動作時，就停止。（2）在屏幕上指定往返多少次。（3）讓移動工作臺往右方移行，確認右端限位開關(guān)動作就停止。（4）經(jīng)一定時間后往左移行，確認左端限位開關(guān)動作，就停止。（5）往返移行后，對左端限位開關(guān)每次增加1的動作進行計數(shù)，并與指定次數(shù)相比較，若一致就停止移行。第47頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五2、程序

將運行程序輸出→輸入→比較→輸出的程序，編寫為一個函數(shù)程序。函數(shù)syori（）程序1syori（unsignedint，unsignedinthd）2{3unsignedintls；4outp(BPORT,odl);5do{6ls=inp(APORT)&hd;7}while(ls<=hd);8outp(BPORT,0x0);9}第48頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五Main程序（往復運行）

/*――――――――――――――――――――－－－－－―標示名稱的置換＃defineAPORT0xd0 /*A口地址號＃defineBPORT0xd2 /*B口地址號＃defineCPORT0xd4 /*C口地址號＃defineCWREG0xd6 /*CW口地址號＃defineRLS0x1 /*右端限位開關(guān)數(shù)據(jù)＃defineLLS0x2 /*左端限位開關(guān)數(shù)據(jù)＃defineLIDO0x6 /*向左移行輸出數(shù)據(jù)＃defineRIDO0x4 /*向右移行輸出數(shù)據(jù)＃defineSTP0x0 /*停止輸出數(shù)據(jù)syori(unsignedinthd,unsignedintodl) /*處理函數(shù){unsignedintls /*輸出移行的信號outp(BPORT,odl); do{ls=inp(APORT)&hd;}while(ls<=hd);Outp(BPORT,0x0);}第49頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五main(){unsignedint,nn,n;outp(CWREG,0x90); /*輸入輸出口的用法設(shè)置

syori(LLS,SIDO); /*將工作臺設(shè)置在左端

print(￥x1b[2J]); /*清屏

print(“往返多少次？”n＝);scanf(“%d”,&n); /*用鍵盤鍵入

nn=0do{syori(RLS,RIDO); /*向右移行

syori(LLS,LIDO); /*向左移行

nn=nn+1; /*往返次數(shù)計數(shù)器

}while(nn!=n);}第50頁，共54頁，2023年，2月20日，星期五（三）控制-2（起始點設(shè)置）1、動作（1）將移動工作臺從左往右