(完整PPT)机电一体化系统设计典型实例.ppt
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1、第一节第一节 车床的机电一体化改造车床的机电一体化改造图图 开环控制系统框图开环控制系统框图 一、数控机床概述一、数控机床概述 1 1、数控机床简介、数控机床简介2 2、数控机床的组成与研究对象、数控机床的组成与研究对象 零件图零件图程序载体程序载体数控微机系统数控微机系统伺服驱动系统伺服驱动系统机床本体机床本体反馈系统反馈系统二、车床的机械传动系统简化二、车床的机械传动系统简化(一)改造前的结构介绍(一)改造前的结构介绍(二)结构改进与简化(二)结构改进与简化 1 1、挂轮架系统挂轮架系统2、进给齿轮箱进给齿轮箱3、溜板齿轮箱溜板齿轮箱4、横向拖板横向拖板5、刀架体、刀架体自动转位刀架(并列
2、举四工位刀架)自动转位刀架(并列举四工位刀架)图图 自动转位刀架原理示意图自动转位刀架原理示意图 6、尾架、尾架电动尾架电动尾架 1轴套轴套 2原尾架体原尾架体 3丝杠螺母丝杠螺母 4蝶形弹簧蝶形弹簧 5顶杠顶杠6微型限位开关微型限位开关 7调整螺钉调整螺钉8电动机电动机 9减速箱减速箱 10主动齿轮主动齿轮 11从动齿轮从动齿轮 12丝杠丝杠 13顶尖推动丝杠顶尖推动丝杠 三、车床机电一体化改造的性能及精度选择三、车床机电一体化改造的性能及精度选择 1、主轴、主轴2、进给运动(进给速度、快速进给、脉冲当量)、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
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、其它性能指标的选择(1)刀具补偿)刀具补偿(磨损影响)(磨损影响)(2)间隙补偿()间隙补偿(间隙消除机构、微机控制间隙消除机构、微机控制)(3)显示()显示(LED、LCD)(4)诊断功能(防止程序有误和机床的误动作)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四、进给系统的主要设计计算(一)实例说明:(以数控车床纵向(一)实例说明:(以数控车床纵向Z设计为例)设计为例)设某车床,其纵向(设某车床,其纵向(z)进给丝杠改用滚珠丝杠,其基本导程)进给丝杠改用滚珠丝杠,其基本导程l0=6;纵向溜板;纵向溜板
4、箱及横向工作台与刀架等可移动部件箱及横向工作台与刀架等可移动部件总质量为总质量为400kg(实际设计时应根据图纸进(实际设计时应根据图纸进行计算或拆卸称重)行计算或拆卸称重);脉冲当量脉冲当量取取0.01mm/脉冲(该值应根据被加工零件的最脉冲(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);取工件进给速度为v溜溜60mm/min、快速进给速度取为、快速进给速度取为v溜溜2m/min;步进电机的步距角;步进电机的步距角a预选为预选为0.75()/step。(二)设计计算:(二)设计计算:1、纵向进给丝杠的负载分析
5、、纵向进给丝杠的负载分析(1)切削负载)切削负载(2)摩擦阻力)摩擦阻力(3)等效转动惯量)等效转动惯量(4)丝杠摩擦力矩计算)丝杠摩擦力矩计算(5)等效负载转矩计算)等效负载转矩计算(6)启动惯性转矩计算)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)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、步进电机的匹配选择 TTq3、滚珠丝杠的校核、滚珠丝杠的校核(1)承载能力选择)承载能力选择 max3FffLFWHQ(2)压杆稳定性核算)压杆稳定性核算 max22FKlEIfFskk(3)刚度的验算)刚度的验算 IEMlESFlL2200五、单片机控制系统设计(五、单片
6、机控制系统设计(X-Y工作台)工作台)(一)工作台组成及控制要求(一)工作台组成及控制要求 1、步进电机步进电机选用四相八拍,其脉冲当量为选用四相八拍,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、能用键盘输入控制命令,控制工作台的X、Y方向上的运动及实方向上的运动及实现其功能,其运动范围为现其功能,其运动范围为0200mm;3、能实现显示工作台的当前运动位置;、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;、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。、采用硬件进行环形分配,字符发生及键盘扫描均由软件实
7、现。(二)控制系统硬件组成(二)控制系统硬件组成 计数器计数器专用控制程专用控制程序序EPROM用户加工程用户加工程序外部序外部RAM键盘显键盘显示驱动示驱动8031单单片片机机I/O计数器计数器光电光电隔离隔离功放功放X或或Y向向步进电机步进电机驱动电路驱动电路三相异步电机三相异步电机刀架刀架移动移动刀架刀架转动转动刀刀架架主主 轴轴刀架进给脉冲刀架进给脉冲光栅光栅车床车床微型计算机微型计算机零位脉冲零位脉冲主轴脉冲编码器主轴脉冲编码器图图 车床闭环控制系统车床闭环控制系统(三)微处理器系统及接口(三)微处理器系统及接口六、数控软件六、数控软件(一)数据输入模块(一)数据输入模块 系统输入的
8、数据主要是零件的加工程序(指令),一般通过键盘、光电读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)。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,发出中断,由中断服务程序将该数据读入内存。每按一次键,键盘就向键盘就向CPU发出一次中断请求,发出一次中断请求,CPU响应中
9、断后就转入键盘服务程序,对应的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。按键名令进行处理。(二)数据处理模块(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。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(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、
10、起点、终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。的,因此插补运算的时间要尽可能短。(四)速度控制模块(四)速度控制模块 一
11、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。成伺服系统的驱动失步。(五)输出控制模块(五)输出控制模块 输出控制包括: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。、伺服控制:将插补运算
12、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、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。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。冲或电平信号。(六)管理程序(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管理程序负责对数据输入、处理、插补运算等
13、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。中断进行处理。(七)诊断程序(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,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。并指示故障类型和故障源。第二节第二节 直流伺服电动机控制系统设计直流伺服电动机控制系统设
14、计 一、直流伺服电动机的控制一、直流伺服电动机的控制1、连接、连接2、动作动作 二、控制程序二、控制程序 1int kaiten(int n,int od);2main()34 unsigned int st,stp;5 outp(0 xd6,0 x90);6 do7 st=inp(0 xd0)&0 x10;8 while(st!=0 x10);9 n=100;od=0 x1;10 kaiten(n,od);11 n=200;od=0 x3;12 kaiten(n,od);13 14 kaiten(int n,int od)15 16 unsigned int n,nn,nh,ls,h,od;
15、17 h=0 x1;nn=018 nh=n*2;19 outp(0 xd2,od);20 do21 ls=inp(0 xd0)&0 x1;22 if(ls=h)23 24 nn=nn+1;25 h=h;/*:取反:取反26 h=h&0 x1;27 28 while(nn!=nh);29 oupt(0 xd2,0 x0);30 第三节第三节 用气动执行机构的传送装置的控制用气动执行机构的传送装置的控制一、装置的构造 传送装传送装置简图置简图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、S
16、B2)(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、动作图图 动作示意图动作示意图 表表 各形成开关输入输出数据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)第四节第四节 简单自动门控制系统简单自动门控制系统 图图 自动门自动门 一、自动门的构造一、自动门的构造(一)动力源与执行(元件)机构(一)动力源与执行(元件)机构(二)传感器(二
17、)传感器 1、检测人的传感器、检测人的传感器 2、门的位置传感器、门的位置传感器(三)构造(三)构造 二、控制假想的自动门二、控制假想的自动门(一)构造(一)构造 图图 假想的自动门假想的自动门 1、控制动作、控制动作 2、采用单方向开门方式、采用单方向开门方式 3、驱动方式、驱动方式 4、人的检测、人的检测 5、停止位置与开始位置、停止位置与开始位置(二)控制电路与个人计算机的连接(二)控制电路与个人计算机的连接 图图 电动机驱动电路电动机驱动电路 光光电电耦耦合合器器电电路路1、个人计算机端的接口、个人计算机端的接口 2、电动机驱动电路、电动机驱动电路 3、制动器动作驱动电路、制动器动作驱
18、动电路 图图 制动器动作驱动电路制动器动作驱动电路 光光电电耦耦合合器器4、检测人的传感器、检测人的传感器 图图 检测人的传感器检测人的传感器 5、开关输入(临近传感器、停止传感器、紧急开关、开关输入(临近传感器、停止传感器、紧急开关)超声波传感超声波传感器处理电路器处理电路超声波传感超声波传感器处理电路器处理电路5V信号信号G传感器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电源通断信号常速信号常速信号中速信号中速信号低速信号低速信号门开、闭信号门开、闭信号制动器制动器驱动电路驱动电路电电动动机机驱驱动动电电路路(
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