课程实验指导书.doc

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1、课 程 实 验 指 导 书（机电一体化系统设计）刘亚梅 编机电工程学院2013年10月机电一体化系统设计1. 本实验课在培养实验能力中的地位和作用：机电一体化系统设计实验主要包括：综合性、验证性实验，属于机械电子工程专业必修实验，是机械电子工程专业的重要组成部分。通过本实验的学习，可以培养学生综合运用多学科知识的能力，充分发挥学生的主观能动性，培养学生从事实际工作的动手能力。2. 应达到的实验能力标准：在实验教学过程中培养学生的实验技能和科学研究能力，引导学生利用机电一体化技术、计算机控制技术、机械结构设计技术等理论知识，掌握利用先进的检测手段控制机构精度和计算机控制技术在实际工作中的应用。通

2、过本课程实验的学习，应达到实验要求：独立设计机电一体化控制系统的能力，进而全面提高学生的动手能力和综合素质。3. 实验教材、参考资料：（1）实验教材机电一体化系统设计实验指导书自编（2）参考教材：机电一体化数控系统设计 赵松年主编 机械工业出版社机电一体化机械系统设计 赵松年主编 同济大学出版社机电一体化系统设计 张建民主编 北京理工大学出版社机电电力进给驱动装置 Hans Gross主编 机械工业出版社4. 实验项目汇总：序号实验项目名称学时实验类型实验类别每组学生数1伺服电机控制实验4验证性必修51三坐标工作台控制实验3验证性必修52简易工业过程控制实验3综合性必修5实验一 伺服电机控制实

3、验一、实验目的1、掌握步进电机工作原理；2、熟悉对步进电机转向、速度、行程进行控制的方法。二、实验内容 针对步进电机工作原理，采用PLC软硬件对步进电机的转向、转速、行程进行控制。三、实验原理、方法和手段1、步进电机工作原理步进电机按工作原理可分为电磁式、磁阻式、永磁式、混合式四类。其中混合式步进电机从定子或转子的导磁体来看，它如反应式步进电机，所不同的是它的转子上置有磁钢，反应式转子则无磁钢。从它的磁路内含有永久磁钢这一点来说，又可以说它是永磁式，但因其结构不同，使其作用原理及性能方面，都与永磁式步进电机有明显区别。它好像是反应式和永磁式的结合，所以常称为混合式。混合式步进电机具有驱动电流小

4、，效率高，过载能力强、控制精度高等特点，是目前市面上应用最为广泛的一种步进电机。左图是两相混合式步进电机的剖面示意图。定子上有两个等分的磁极，相邻两个磁极间的夹角为90。磁极上面装有控制绕组且联成A、B两相，转子上均匀分布两个齿，齿间距为180。以A、B表示两相绕组正向电流工作，、表示反向电流工作，可实现：1、两相激励四拍整步运行方式，即ABBA或单相激励的四拍运行方式，即AB。 2、八拍半步运行方式，即ABBB AA。两相混合式步进电机剖面示意图 此外还有1/4步距的运行方式、微步距控制运行方式，这里不一一叙述。本节以八拍半步运行方式为例，讲述其工作原理，从下图可看出，（a）图为当A、B两相

5、同时正向通电时，转子受到两相转矩的矢量和而转至该位置，(b)图为B相通电瞬间时转子的受力情况，(c)图为A相接反向电流，而B相接正向电流时转子受到两相转矩的矢量和而转到该位置，依此类推，可得出八拍半步运行方式（图中只给出了前三拍运行方式）。由此可将该步进电机转矩的大小及工作方式用下图表示出来。图中，当两相同时通电时，转矩由两相转矩矢量合成，比单相转矩要大（约1.414倍）。为使步进电机匀速转动，应保持各拍转矩相等，故应使相电流降低到60%，由于磁路原先有饱合效应，此时每相转矩可能增大到70%左右，两相合成转矩则接近于1。 步进电机运行方式 步进电机转矩的工作方式2、 软件设置1）设置步进电机控

6、制指令控制字本实验软件采用松下FP0型PLC，它的步进电机指令控制字为DT9052。它有两路脉冲输出功能，可以同时控制两路步进电机。脉冲的输出和停止可以是当程序执行到一定的结果时完成，也可以是利用外部信号随时终止脉冲输出或启动脉冲输出。设定特殊数据寄存器DT9052需要使用F0（MOV）指令，将对应的控制字送入DT9052中。以下是CH0的几种控制示例：允许软件复位H1（0001）高速计数禁止H2（0010）停止脉冲输出H8（1000）停止脉冲输出并且复位高速计数经过值H9（1001）2）步进指令使用的特殊内部继电器、特殊寄存器通道特殊内部继电器经过值寄存器目标值寄存器0CHR903ADT90

7、44DT9045DT9046DT90471CHR903BDT9048DT9049DT9050DT9051特殊内部继电器的状态是根据程序的执行状态来改变的，用户只可以读出其中的状态是ON还是OFF，而不可以改写。以OCH为例，R903A当OCH正在执行高速计数器指令（F166F170）时为ON。当R903A为ON期间，与0CH有关的高速计数指令（F166F170）不会被执行。使R903A状态变为OFF的情况可以是以下几种情况中的一种：高速计数器指令被禁止，如DT9052的BIT3被送入了1。高速计数指令执行完成，如脉冲输出指令执行完成。当脉冲输出指令开始被执行时，内部特殊继电器R903A变为ON

8、并保持，目标值寄存器中被自动写入目标数据。DT9047为高16位，DT9046为低16位，因为是32位寄存器，所以可以写入的数据为K-8，388，6088，388，607（HFF800000H007FFFFF）。在脉冲输出指令执行期间，经过值寄存器中的数据根据指令执行结果不断改变。当经过值寄存器中的数据与目标值寄存器中的数据相等，脉冲输出指令停止执行，同时内部特殊继电器R903A变为OFF。一般情况下，经过值寄存器中的数据用户只能读出，不能被用户改写。 特殊数据寄存器DT9052的设定3）脉冲输出指令F168：指令格式：s：脉冲输出指令应读取的数据表首地址，数据表占据相邻的7个寄存器。n：只能

9、被写入K0或K1。 K0：脉冲输出使用CH0，Y0输出脉冲信号，Y2输出方向控制信号。 K1：脉冲输出使用CH1，Y1输出脉冲信号，Y3输出方向控制信号。数据表设置SS+6： S 控制代码 S+1 初始启动频率（HZ），范围K40K5，000 S+2 脉冲运行频率（HZ），范围K40K9，500 S+3 加速/减速时间（ms），范围K30K32，767 S+4，S+5 脉冲目标值个数设定，范围K-8，388，6088，388，607 S+6 脉冲输出指令表结束，必须写入“K0”脉冲输出示意图控制代码设定 控制代码设定3、系统的机械结构立体仓库的X、Y向工作台分别由两个相同的两相八拍混合式步进电

10、机与执行部件滚珠丝杠相连接，将旋转运动转换为工作台的直线运动，转换关系如下：，其中N：PLC发出的控制脉冲个数t：丝杠螺纹距：步进电机步距角n：步进电机驱动器的脉冲细分数4、软件对应的脉冲控制指令数据表：DT100：控制代码为H102，固定脉宽、相对控制方式，增量输出；DT101：初始起动频率（HZ），范围在K40K5，000；DT102：脉冲运行频率（HZ），范围在K40K9，500；DT103：加速/减速时间（ms），范围在K30K32，767；DT104、DT105：脉冲目标值个数，范围在K-8，388，608K8，388，607；DT106：脉冲输出指令表结束，必须写入“K0”。四、实

11、验条件本实验在实验室中进行，所需要的仪器设备有：微型计算机、TVTB立体仓库模拟实验装置、通讯线等。五、实验步骤1、熟悉立体仓库模拟实验装置的结构、组成及工作原理；2、熟练掌握西门子PLC软件编程方法及软件使用方法；3、检查设备间各连接线、通讯线是否正确，确认无误后，经指导教师认可后方可开机进行实验；4、将所编写的程序进行在线调试、运行。六、实验报告与总结上交实验报告及程序。实验二 三坐标工作台控制实验一、实验目的1、了解三坐标工作台机械结构及数控工作原理；2、采用PLC编程语言编制控制程序并运行。二、实验内容可分为三大部分：第一部分：控制部分，由松下FP0-C16T可编程控制器作为主控单元，

12、FP0-E16T作为扩展单元，存贮空间为2.7K步。第二部分：机械传动部分，是一个典型的三坐标工作台。其中X、Y轴机械结构相同，均由一个步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠来传递运动；Z轴由直流电机带动普通丝杠来传递运动。三轴配合，协调运动，从而完成取、送货物的动作过程。第三部分：检测与传感部分，检测并告之某个仓位上是否有货物。有，置高电平“1”，无，置低电平“0”。三、实验原理、方法和手段立体仓库的使用：1、输入输出的分配情况具体输入输出的分配情况见下表： 输入部分 输出部分X0Y0 横轴脉冲X1Y1 竖轴脉冲X2Y2 横轴方向1/0X3Y3 竖轴方向1/0X4 货台回位限制Y4X5 货台到位限制

13、Y5X6 货台是否有物Y6 货台前升X7 自动/手动（0/1）Y7 货台退回X20 十六 进制 输入 键盘值1位Y20 显示部分 就绪X21 键盘值2位Y21 取X22 键盘值3位Y22 放X23 键盘值4位Y23 十位显示X24 横轴右限位 Y24 BCD码输出显示 BCD码1位X25 横轴左限位Y25 BCD码2位X26 竖轴上限位Y26 BCD码3位X27 竖轴下限位Y27 BCD码4位注：X40-X4C为0至12个仓库的传感器2、具体操作步骤（1）熟悉控制面板上的开关及按钮功能及仓位号仓库仓位号分布（2）接通电源。 （3）将选择开关置于手动位置（此时16号有效）。（4）分别点动按键12

14、3456，观察水平（X轴）垂直（Y轴）前后(Z轴)各丝杠运行情况，运行应平稳，在接近极限位置时，应执行限位保护（运行自动停止）。（5）用计算机或手持编程器写程序并下装至PLC。（6）将选择开关置于自动位置。（7）将一带托盘汽车模型置零号仓位，放置模型时，入位要准确，并注意到仓位底部检测开关已动作。（8）执行送指令选择欲送仓位号，按动仓位对应按钮，控制面板上的数码管显示仓位号。按动送指令按钮，观察送入动作（若被选择仓位内已有汽车，则该指令不被执行）。 指令完成后，机械自动返回。 零号仓位已无汽车，则下一个送指令（误操作）将不被执行。（9）执行取指令 选择欲取仓位号，按动仓位号，控制面板上的数码管

15、显示仓位号。 按动取指令按钮，观察取动作（若被选择仓位内无汽车，则该指令不被执行）。 指令完成后，机械自动复位。 零号仓位已有汽车，则下一个取指令（误操作），将不被执行。四、实验条件本实验在实验室中进行，所需要的仪器设备有：微型计算机、TVTB立体仓库模拟实验装置、通讯线等。五、实验步骤1、熟悉立体仓库模拟实验装置三个坐标轴的结构、组成及工作原理；2、熟练掌握西门子PLC软件编程方法及软件使用方法；3、检查设备间各连接线、通讯线是否正确，确认无误后，经指导教师认可后方可开机进行实验；4、将所编写的程序进行在线调试、运行。六、实验报告与总结总结，写出实验报告，上交实验报告和程序清单。实验三 简易

16、工业过程控制实验（小型数控设备拆装及控制实验）一、实验目的1、通过对双工位工作台流水线、气动加工中心、六自由度机械手等小型数控设备的拆装，掌握其机械结构及组成，2、通过实验，掌握采用计算机监控技术对小型数控设备工作过程进行控制的方法；二、实验内容针对慧鱼创意组合模型，分别对双工位工作台、三自由度机械手、气动加工中心等模拟实验装置进行拆装及工业过程控制实验，学生根据要求及安装手册自行安装并自行编制控制程序进行实验调试。三、实验原理、方法和手段1、根据安装手册，将各零部件进行安装、调配。2、采用专用编程软件ROBPRO编制好运行程序后,通过R232串行通讯接口对各种小型数控设备上的伺服电机进行速度、方向、行程的控制，通过光电检测反馈具体位置以及速度信号，从而实现所需的各种轨迹控制。 双工位工作台操作流水线模型气动加工中心模型四、实验条件本实验在实验室中进行，所需要的仪器设备有：微型计算机、慧鱼创意组合模型模拟实验装置、连接线等。五、实验步骤1、熟悉慧鱼创意组合模型模拟实验装置各个零部件的结构及安装技巧；2、熟练掌握ROBPRO软件编程方法及软件使用方法；3、检查设备间各连接线、通讯线是否正确，确认无误后，经指导教师认可后方可开机进行实验；4、将所编写的程序进行在线调试、运行。六、实验报告与总结总结，写出实验报告，上交程序清单。13