機電一體化系統(tǒng)設計典型實例第1頁/共58頁第一節(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58頁一、數控機床概述1、數控機床簡介2、數控機床的組成與研究對象零件圖程序載體數控微機系統(tǒng)伺服驅動系統(tǒng)機床本體反饋系統(tǒng)第3頁/共58頁二、車床的機械傳動系統(tǒng)簡化（一）改造前的結構介紹第4頁/共58頁（二）結構改進與簡化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58頁5、刀架體→自動轉位刀架（并列舉四工位刀架）圖自動轉位刀架原理示意圖第6頁/共58頁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7—調整螺釘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58頁三、車床機電一體化改造的性能及精度選擇第8頁/共58頁1、主軸2、進給運動（進給速度、快速進給、脈沖當量）3、刀架（自動轉位刀架、工位數、重復定位精度）4、其它性能指標的選擇刀具補償（磨損影響）間隙補償（間隙消除機構、微機控制）顯示（LED、LCD）診斷功能（防止程序有誤和機床的誤動作）四、進給系統(tǒng)的主要設計計算第9頁/共58頁（一）實例說明：（以數控車床縱向Z設計為例）設某車床，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量為400kg（實際設計時應根據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。（二）設計計算：第10頁/共58頁1、縱向進給絲杠的負載分析切削負載摩擦阻力等效轉動慣量絲杠摩擦力矩計算等效負載轉矩計算啟動慣性轉矩計算步進電動機輸出軸上總負載轉矩的計算2、步進電機的匹配選擇3、滾珠絲杠的校核承載能力選擇壓桿穩(wěn)定性核算剛度的驗算第11頁/共58頁五、單片機控制系統(tǒng)設計（X-Y工作臺）第12頁/共58頁（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其功能，其運動范圍為0～200mm；3、能實現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。（二）控制系統(tǒng)硬件組成計數器專用控制程序EPROM用戶加工程序外部RAM鍵盤顯示驅動8031單片機I/O計數器光電隔離功放X或Y向步進電機驅動電路三相異步電機刀架移動刀架刀架轉動主軸刀架進給脈沖第13頁/共58頁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)（三）微處理器系統(tǒng)及接口第14頁/共58頁六、數控軟件第15頁/共58頁（一）數據輸入模塊系統(tǒng)輸入的數據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據后，就立即向CPU發(fā)出中斷，由中斷服務程序將該數據讀入內存。每按一次鍵，鍵盤就向CPU發(fā)出一次中斷請求，CPU響應中斷后就轉入鍵盤服務程序，對應的按鍵名令進行處理。（二）數據處理模塊第16頁/共58頁輸入的零件加工程序是用標準的數控語言編寫的ASCII字符串，因此需要把輸入的數控代碼轉換成系統(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控代碼的功能識別，以便確定下一步的操作內容。（三）插補運算模塊數控系統(tǒng)必須按照零件加工程序中提供的數據，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插補各種運算外，還有實時性要求，在數控過程中，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。（四）速度控制模塊第17頁/共58頁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變?yōu)橛嘘P坐標的進給運動。2、誤差補償：當進給脈沖改變方向時，根據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、調整主軸速度和換刀等，因此，軟件需要根據控制代碼，從相應的硬件輸出口輸出控制脈沖或電平信號。（六）管理程序第18頁/共58頁管理程序負責對數據輸入、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)出現故障時能夠及時停車并指示故障類型和故障源。第二節(jié)直流伺服電動機控制系統(tǒng)設計一、直流伺服電動機的控制1、連接第19頁/共58頁2、動作二、控制程序第20頁/共58頁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}第三節(jié)用氣動執(zhí)行機構的傳送裝置的控制一、裝置的構造第21頁/共58頁傳送裝置簡圖1、執(zhí)行機構組件圖 執(zhí)行機構組件手爪的伸縮組件（氣缸A：電磁閥A，位置傳感器SA1、SA2）手爪的升降組件（氣缸B：電磁閥B，位置傳感器SB1、SB2）手爪的轉動組件（氣缸C：電磁閥C，位置傳感器SC1、SC2）手爪（手爪執(zhí)行機構：電磁鐵D，位置傳感器SD1、SD2）第22頁/共58頁2、控制裝置執(zhí)行機構控制電路

A、裝置起停B、執(zhí)行機構動作電磁閥驅動電路（3）傳感器開關電路第23頁/共58頁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58頁三、動作圖 動作示意圖第25頁/共58頁表 各形成開關輸入輸出數據表第26頁/共58頁四、程序（順序執(zhí)行輸入輸出數據）第四節(jié)簡單自動門控制系統(tǒng)圖自動門第27頁/共58頁一、自動門的構造（一）動力源與執(zhí)行（元件）機構（二）傳感器1、檢測人的傳感器2、門的位置傳感器（三）構造二、控制假想的自動門（一）構造1、控制動作2、采用單方向開門方式3、驅動方式圖假想的自動門第28頁/共58頁4、人的檢測5、停止位置與開始位置（二）控制電路與個人計算機的連接光電耦合器電路圖電動機驅動電路第29頁/共58頁1、個人計算機端的接口2、電動機驅動電路3、制動器動作驅動電路光電耦合器圖制動器動作驅動電路第30頁/共58頁4、檢測人的傳感器圖 檢測人的傳感器5、開關輸入（臨近傳感器、停止傳感器、緊急開關）超聲波傳感器處理電路第31頁/共58頁超聲波傳感器處理電路5V信號G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第32頁/共58頁常速信號中速信號低速信號制動器

驅動電路電源通斷信號電動機驅動電門開、閉信號路（三）口連接（四）基本動作第33頁/共58頁1、從檢測人的傳感器起作用開始，就對處于范圍內的人進行監(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。三、程序第34頁/共58頁（一）定義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、輸入數據#define

HITOKEN0x10/*檢測人的數據#define

OPNTEMAE0x1/*開端臨近傳感器#define

OPNTEISI0x2/*開端停止傳感器#define

CLSTEMAE0x4/*閉端臨近傳感器#define

CLSTEISI0x6/*閉端停止傳感器3、輸出數據#define

OPN#define

OPL2

0x15#define

OPL1

0x13#define

OPNSTP#define

CLS#define

CLSL2#define

CLSL1#define

CLSSTP#define

BREAKE第35頁/共58頁0x19

/*開門運行/*開門中速/*開門低速0x1

/*門全開停止0x18

/*閉門運行0x14

/*閉門中速0x12

/*閉門低速0x0

/*門全閉停止0x20

/*制動一次判斷函數第36頁/共58頁兩次判斷函數（二）函數（四）main程序（見word）（三）函數程序（見word）第五節(jié)步進電動機的控制圖步進電動機控制系統(tǒng)第37頁/共58頁一、信號與連接1、脈沖信號2、連接1

int

pulse(int

n,int

ho);24}while(h=

=2);2main()25do{3{26printf(“啟動（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(“旋轉量＝”)；30 printf(“再執(zhí)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頁/共58頁二、控制程序1、動作2、程序第六節(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（一）構造（二）驅動控制電路1、步進電動機（1）步進電動機的規(guī)格圖傳送裝置構造圖第39頁/共58頁1615

14

13

12

1110

9步進電動機驅動IC1

2

3

4

5

6

7

8第40頁/共58頁（2）驅動電路IC（3）脈沖信號8

7

6

5定時器IC1

2

3

4第41頁/共58頁（4）脈沖發(fā)生電路161091784658

70.1μF（IC2）5551

2

315

14

13

12

110.1μF驅動IC（IC1）2

3

4

5

6IC3IC4

IC57142、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58頁（3）計算機控制*方法1*方法2第43頁/共58頁（4）兩端的界限處理圖 移行兩端界限處理原理第44頁/共58頁（5）開關電路（三）計算機的連接1、輸入2、輸出第45頁/共58頁二、控制程序第46頁/共58頁（一）定義將口地址號置換成為口名稱。＃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口地址號/*B口地址號/*C口地址號/*CW口地址號/*右端限位開關數據/*左端限位開關數據/*移行方向向右/*移行方向向左/*脈沖高電平信號/*脈沖低電平信號/*最大行程（二）控制-1（往復）移動工作臺1、動作第47頁/共58頁將移動工作臺設置在左端讓移動工作臺往左運行，當確認左端限位開關動作時，就停止。在屏幕上指定往返多少次。讓移動工作臺往右方移行，確認右端限位開關動作就停止。經一定時間后往左移行，確認左端限位開關動作，就停止。往返移行后，對左端限位開關每次增加1的動作進行計數，并與指定次數相比較，若一致就停止移行。2、程序第48頁/共58頁將運行程序輸出→輸入→比較→輸出的程序，編寫為一個函數程序。函數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（往復運行）第49頁/共58頁/*――――――――――――――――――――－－－－－―標示名稱的置換/*A口地址號/*B口地址號/*C口地址號/*CW口地址號/*右端限位開關數據/*左端限位開關數據/*向左移行輸出數據/*向右移行輸出數據/*停止輸出數據/*處理函數＃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);}/*輸出移行的信號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頁/共58頁/*輸入輸出口的用法設置/*將工作臺設置在左端/*清屏/*用鍵盤鍵入/*向右移行/*向左移行/*往返次數計數器（三）控制-2（起始點設置）向左移行起始點設置移動工作臺第51頁/共58頁編制將左端設置的起始點的函數[genten()]。脈沖由個人計算機輸出。1、動作（1）將移動工作臺從左往右設置2、程序第52頁/共58頁編制輸出脈沖，若限位開關動作，就停止PULS函數程序。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

}<起始點設置的函數>第53頁/共58頁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(“《起始點設置結束》”)；11

}（四）控制-3以起始點（左端）為起點，按指定方向與距離移動。1、動作設置移動工作臺的起始點。在屏幕上輸入移動方向與距離。當按下啟動按鈕，則移動到指定的位置圖操作-3（指定移動）第54頁/共58頁2、程序/*口使用方法的設置/*設置起點/*清屏prinrf(