機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程指導書

1、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程實驗指導書（可編程控制器原理及工程應(yīng)用）實驗一 步進電機控制實驗一、實驗目的1、掌握步進電機工作原理；2、熟悉對步進電機轉(zhuǎn)向、速度、行程進行控制的方法。二、實驗要求1、通過實驗，加深并驗證學過的理論知識，掌握實驗的基本方法和實驗原理；2、正確使用儀器設(shè)備；3、認真觀察儀器設(shè)備的運動方式，獨立編寫控制程序并進行操作。4、學生在實驗過程中，應(yīng)學會獨立思考，應(yīng)用所學專業(yè)理論知識分析和解決實驗中遇到 的具體問題；三、實驗原理1、步進電機工作原理 步進電機按工作原理可分為電磁式、 磁阻式、永磁式、混合式四類。其中混合式步進電機從 定子或轉(zhuǎn)子的導磁體來看， 它如反應(yīng)式步進電機， 所不

2、同的是它的轉(zhuǎn)子上置有磁鋼， 反應(yīng)式 轉(zhuǎn)子則無磁鋼。從它的磁路內(nèi)含有永久磁鋼這一點來說， 又可以說它是永磁式， 但因其結(jié)構(gòu) 不同，使其作用原理及性能方面， 都與永磁式步進電機有明顯區(qū)別。 它好像是反應(yīng)式和永磁 式的結(jié)合，所以常稱為混合式?；旌鲜讲竭M電機具有驅(qū)動電流小，效率高，過載能力強、控 制精度高等特點，是目前市面上應(yīng)用最為廣泛的一種步進電機。 左圖是兩相混合式步進電機的剖面示意圖。 定子上有兩個等分的磁極， 相鄰兩個磁極間的夾 角為90° o磁極上面裝有控制繞組且聯(lián)成A、B兩相，轉(zhuǎn)子上均勻分布兩個齒， 齒間距為180°。以A、B表示兩相繞組正向電流工作，、表示反向電流工作

3、，可實現(xiàn)：1、 兩相激勵四拍整步運行方式，即AA 4 TA或單相激勵的四拍運行方式， 即 2 B- T o2、 八拍半步運行方式，即AB Bt Bt t t ta ta。兩相混合式步進電機剖面示意圖此外還有 1/4 步距的運行方式、微步距控制運行方式，這里不一一敘述。本節(jié)以八拍半步運行方式為例，講述其工作原理，從下圖可看出，（a）圖為當A、B兩相同時正向通電時，轉(zhuǎn)子受到兩相轉(zhuǎn)矩的矢量和而轉(zhuǎn)至該位置，（b）圖為B相通電瞬間時轉(zhuǎn)子的受力情況，（c）圖為A相接反向電流，而 B相接正向電流時轉(zhuǎn)子受到兩相轉(zhuǎn)矩的矢量和而轉(zhuǎn)到該位置， 依此類推，可得出八拍半步運行方式 （圖中只給出了前三拍 運行方式）。由此

4、可將該步進電機轉(zhuǎn)矩的大小及工作方式用下圖表示出來。圖中，當兩相同時通電時，轉(zhuǎn)矩由兩相轉(zhuǎn)矩矢量合成，比單相轉(zhuǎn)矩要大（約 1.414 倍）。為使步進電機勻速 轉(zhuǎn)動，應(yīng)保持各拍轉(zhuǎn)矩相等，故應(yīng)使相電流降低到60%，由于磁路原先有飽合效應(yīng)，此時每相轉(zhuǎn)矩可能增大到 70%左右，兩相合成轉(zhuǎn)矩則接近于1。步進電機運行方式 步進電機轉(zhuǎn)矩的工作方式2、軟件設(shè)置1）設(shè)置步進電機控制指令控制字本實驗軟件采用松下 FP0型PLC它的步進電機指令控制字為DT9052它有兩路脈沖輸出功能，可以同時控制兩路步進電機。 脈沖的輸出和停止可以是當程序執(zhí)行到一定的結(jié)果時完成， 也可以是利用外部信號隨時終止脈沖輸出或啟動脈沖輸出。設(shè)

5、定特殊數(shù)據(jù)寄存器 DT9052需要使用F0 （ MOV指令，將對應(yīng)的控制字送入DT9052中。以下是CH0的幾種控制示例：允許軟件復位(0001)高速計數(shù)禁止,H2(0010)停止脈沖輸出,H8(1000)停止脈沖輸出并且復位高速計數(shù)經(jīng)過值,H9 (1001)2) 步進指令使用的特殊內(nèi)部繼電器、特殊寄存器通道特殊內(nèi)部繼電器經(jīng)過值寄存器目標值寄存器0CHR903ADT9044- DT904DT9046- DT904751CHR903BDT9048- DT9049DT9050- DT9051特殊內(nèi)部繼電器的狀態(tài)是根據(jù)程序的執(zhí)行狀態(tài)來改變的，用戶只可以讀出其中的狀態(tài)是ON還是OFF,而不可以改寫。以

6、OCH為例，R903A當OCH正在執(zhí)行高速計數(shù)器指令 (F166 F170) 時為ON當R903A為ON期間，與0CH有關(guān)的高速計數(shù)指令(F166F170)不會被執(zhí)行。使 R903A狀態(tài)變?yōu)镺FF的情況可以是以下幾種情況中的一種：高速計數(shù)器指令被禁止，如DT9052的BIT3被送入了 1。高速計數(shù)指令執(zhí)行完成，如脈沖輸出指令執(zhí)行完成。當脈沖輸出指令開始被執(zhí)行時，內(nèi)部特殊繼電器R903A變?yōu)镺N并保持，目標值寄存器中被自動寫入目標數(shù)據(jù)。DT9047為高16位，DT9046為低16位，因為是32位寄存器，所以可以 寫入的數(shù)據(jù)為 K-8，388，608 8，388，607( HFF800000- H

7、007FFFFF。在脈沖輸出指令 執(zhí)行期間，經(jīng)過值寄存器中的數(shù)據(jù)根據(jù)指令執(zhí)行結(jié)果不斷改變。當經(jīng)過值寄存器中的數(shù)據(jù)與目標值寄存器中的數(shù)據(jù)相等，脈沖輸出指令停止執(zhí)行，同時內(nèi)部特殊繼電器 R903A變?yōu)镺FF。一般情況下，經(jīng)過值寄存器中的數(shù)據(jù)用戶只能讀出，不能被用戶改寫。特殊數(shù)據(jù)寄存器DT9052的設(shè)定3) 脈沖輸出指令 F168:指令格式：s：脈沖輸出指令應(yīng)讀取的數(shù)據(jù)表首地址，數(shù)據(jù)表占據(jù)相鄰的7個寄存器。n只能被寫入K0或K1。K0 :脈沖輸出使用 CHQ Y0輸出脈沖信號，Y2輸出方向控制信號。K1 :脈沖輸出使用CH1, Y1輸出脈沖信號，Y3輸出方向控制信號。數(shù)據(jù)表設(shè)置S S+6:S控制代碼

8、S+1 初始啟動頻率(HZ)，范圍K40 K5, 000S+2 脈沖運行頻率(HZ)，范圍 K40 K9, 500S+3 加速/減速時間(mS，范圍 K30 K32，767S+4，S+5脈沖目標值個數(shù)設(shè)定，范圍K-8，388，6088，388，607S+6脈沖輸出指令表結(jié)束，必須寫入“ K0'脈沖輸出示意圖控制代碼設(shè)定控制代碼設(shè)定3、系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)立體倉庫的X、Y向工作臺分別由兩個相同的兩相八拍混合式步進電機與執(zhí)行部件滾珠絲杠 相連接，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為工作臺的直線運動，轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：，其中N： PLC發(fā)出的控制脈沖個數(shù)t ：絲杠螺紋距0 :步進電機步距角n步進電機驅(qū)動器的脈沖細分數(shù)4、

9、軟件對應(yīng)的脈沖控制指令數(shù)據(jù)表：DT100:控制代碼為H102，固定脈寬、相對控制方式，增量輸出；DT101:初始起動頻率（HZ）,范圍在 K40K5, 000 ；DT102:脈沖運行頻率（HZ）,范圍在 K40K9, 500 ；DT103:加速/減速時間（ms）,范圍在 K30K32, 767 ；DT104、 DT105 脈沖目標值個數(shù)，范圍在 K-8 ， 388， 608K8， 388， 607；DT106:脈沖輸出指令表結(jié)束，必須寫入“K o”。四、實驗所用儀器1 、 TVT-99C 立體倉庫模型一套；2、奔 II 以上計算機一臺；五、實驗步驟和方法1、熟悉編程環(huán)境,輸入所編制的程序；2、

10、接通立體倉庫電源、串口通訊線；3、將程序下載至PLC并運行。六、實驗注意事項 經(jīng)指導教師檢查同意后,方可接通電源進行實驗操作。七、實驗預習要求1、預習PLC編程環(huán)境，上機前預先將控制程序編制完成；2、預習步進電機工作原理。八、數(shù)據(jù)處理1、 變化DT101DT105中的數(shù)據(jù)（至少兩組數(shù)據(jù)），重新運行程序，觀察X、Y軸運行情況并 記錄。2、參考梯形圖九、實驗報告要求 實驗報告的主要內(nèi)容1 、實驗目的2、實驗所用儀器3、實驗原理方法簡要說明4、程序清單。實驗二 三坐標工作臺控制實驗一、實驗目的1 、了解三坐標工作臺機械結(jié)構(gòu)及數(shù)控工作原理；2、采用PLC編程語言編制控制程序并運行。二、實驗要求1、通過

11、實驗,加深理解學過的理論知識,掌握實驗的基本原理。2、使學生受到必要的專業(yè)實驗技能訓練。3、要求學生獨立思考、獨立動手來解決實際問題。4、學生要學會正確使用儀器設(shè)備。5、經(jīng)指導教師檢查同意后,方可接通電源,進行實驗。三、實驗原理立體倉庫的組成可分為三大部分：第一部分：控制部分，由松下FP0-C16T可編程控制器作為主控單元，F(xiàn)P0-E16T作為擴展單元，存貯空間為2.7K步。第二部分：機械傳動部分，是一個典型的三坐標工作臺。其中X、Y軸機械結(jié)構(gòu)相同，均由一個步進電機通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠來傳遞運動；Z軸由直流電機帶動普通絲杠來傳遞運動。三軸配合，協(xié)調(diào)運動，從而完成取、送貨物的動作過程。第三部分

12、：檢測與傳感部分，檢測并告之某個倉位上是否有貨物。有，置高電平“1”，無，置低電平“ 0”。立體倉庫的使用：1、輸入輸出的分配情況具體輸入輸出的分配情況見下表：輸入部分輸岀部分X0Y0橫軸脈沖X1Y1豎軸脈沖X2Y2橫軸方向1/0X3Y3豎軸方向1/0X4貨臺回位限制Y4X5貨臺到位限制Y5X6貨臺是否有物Y6貨臺前升X7自動/手動(0/1 )Y7貨臺退回X20十六鍵盤值1位Y20顯示就緒X21進制鍵盤值2位Y21部分取X22輸入鍵盤值3位Y22放X23鍵盤值4位Y23十位顯示X24橫軸右限位Y24BCD碼BCD碼1位X25橫軸左限位Y25輸出BCD碼2位X26豎軸上限位Y26顯示BCD碼3位

13、X27豎軸下限位Y27BCD碼4位注：X40-X4C為0至12個倉庫的傳感器2、具體操作步驟(1) 、熟悉控制面板上的開關(guān)及按鈕功能及倉位號倉庫倉位號分布(2) 、接通電源。(3) 、將選擇開關(guān)置于手動位置(此時16號有效)。(4) 、分別點動按鍵 1、2 J、3、4/、5f、6/,觀察水平( X軸)、垂直(Y軸) 、前后(Z軸)各絲杠運行情況，運行應(yīng)平穩(wěn)，在接近極限位置時，應(yīng)執(zhí)行限位保護(運行自動停止)。(5) 、用計算機或手持編程器寫程序并下裝至PLG(6) 、將選擇開關(guān)置于自動位置。(7) 、將一帶托盤汽車模型置零號倉位，放置模型時，入位要準確，并注意到倉位底部檢 測開關(guān)已動作。(8)

14、、執(zhí)行送指令 選擇欲送倉位號，按動倉位對應(yīng)按鈕，控制面板上的數(shù)碼管顯示倉位號。 按動送指令按鈕，觀察送入動作（若被選擇倉位內(nèi)已有汽車，則該指令不被執(zhí)行）。 指令完成后，機械自動返回。 零號倉位已無汽車，則下一個送指令（誤操作）將不被執(zhí)行。（9）、執(zhí)行取指令 選擇欲取倉位號，按動倉位號，控制面板上的數(shù)碼管顯示倉位號。 按動取指令按鈕，觀察取動作 （若被選擇倉位內(nèi)無汽車，則該指令不被執(zhí)行）。 指令完成后，機械自動復位。 零號倉位已有汽車，則下一個取指令（誤操作），將不被執(zhí)行。四、實驗所用儀器1、立體倉庫2、奔n以上計算機一臺3、實驗連接導線一套五、實驗步驟和方法1、編制并調(diào)試程序2、聯(lián)好儀器，接通電源3、運行程序六、實驗注意事項 調(diào)試程序時須拔掉電源七、實驗預習要求 預先編制控制程序再到實驗室進行實驗上機調(diào)試參考程