机电一体化技术课程实验指导 周建平祁文军姜宏方建疆阿曼主编 新疆大学机械工程学院 2008年11月
机电一体化技术课程实验指导 周建平 祁文军 姜宏 方建疆 阿曼主编 新疆大学机械工程学院 2008 年 11 月
目录 目录 2 实验一数控车床自动回转刀架机电系统结构分析设计 3 实验二微机数控XY工作台机电系统综合实验 .6 实验三微机数控车床机电系统综合实验. 12 实验四步进电动机半闭环控制系统分析实验 16
2 目 录 目 录.2 实验一 数控车床自动回转刀架机电系统结构分析设计.3 实验二 微机数控 X-Y 工作台机电系统综合实验.6 实验三 微机数控车床机电系统综合实验.12 实验四 步进电动机半闭环控制系统分析实验.16
实验一数控车床自动回转刀架机电系统结构分析设计 一、实验目的 数控车床自动回转刀架是一个典型的机电一体化部件。学生通过自己动手 装拆自动回转刀架，了解几种典型的机械结构，并且学习电气控制原理；在此基 础上，学习机械和电气的接口设计方法，相互间的匹配方式，初步建立起机电 体化系统设计的概念。 二、实验的主要内容 1,认识了解自动回转刀架的各个零部件机械结构和工作原理，掌握机械系 统的换刀工作原理： 2.学习了解刀架电气控制原理图，掌握有关电子元器件知识。 三、实验设备和工具 1.FUT-1机电一体化实验教学平台： 2.常州市新月电机厂LD4自动回转刀架，发信式电动刀架控制箱。 四、实验原理 要求学生实验前预习下述内容： 1.数控机床教材中有关自动回转刀架的内容： 2.霍尔开关的工作原理和引脚定义，555集成芯片及其工作原理； 3.自己查找资料，了解端面齿轮的工作原理和参数。 五、实验方法和步骤 1,逐一拆卸刀架机械部分，对照刀架装配图，认识刀架各个机械零件，从 而深入地掌握自动刀架换刀原理： 2.亲手实际操作自动回转刀架的控制盒，观察手动换刀过程：结合刀架电 气原理图，认识控制盒中每一个电子元器件： 3.深入研究电气原理图，了解每一个器件的工作原理和作用，在此基础上， 掌握电气系统的手动与机动工作原理。 3
3 实验一 数控车床自动回转刀架机电系统结构分析设计 一、实验目的 数控车床自动回转刀架是一个典型的机电一体化部件。学生通过自己动手 装拆自动回转刀架，了解几种典型的机械结构，并且学习电气控制原理；在此基 础上，学习机械和电气的接口设计方法，相互间的匹配方式，初步建立起机电一 体化系统设计的概念。 二、实验的主要内容 1. 认识了解自动回转刀架的各个零部件机械结构和工作原理，掌握机械系 统的换刀工作原理； 2. 学习了解刀架电气控制原理图，掌握有关电子元器件知识。 三、实验设备和工具 1. HFUT-1 机电一体化实验教学平台； 2. 常州市新月电机厂 LD4 自动回转刀架，发信式电动刀架控制箱。 四、实验原理 要求学生实验前预习下述内容： 1. 数控机床教材中有关自动回转刀架的内容； 2. 霍尔开关的工作原理和引脚定义，555 集成芯片及其工作原理； 3. 自己查找资料，了解端面齿轮的工作原理和参数。 五、实验方法和步骤 1. 逐一拆卸刀架机械部分，对照刀架装配图，认识刀架各个机械零件，从 而深入地掌握自动刀架换刀原理； 2. 亲手实际操作自动回转刀架的控制盒，观察手动换刀过程；结合刀架电 气原理图，认识控制盒中每一个电子元器件； 3. 深入研究电气原理图，了解每一个器件的工作原理和作用，在此基础上， 掌握电气系统的手动与机动工作原理
六、实验报告主要内容及要求 实验报告是根据在实验中观察和发现的问题，经过自己分析研究或分析讨 论后写出的心得体会。实验报告要简明扼要、字迹清楚、图表整洁、结论明确。 实验后每人独立完成一份实验报告，按时送交指导教师检查批阅。 回答下列问题： 1.画出刀架机械传动示意图，并概述换刀工作原理。 2.简述霍尔元件3144的工作原理以及在电路中是如何具体工作的。 3.对刀架的蜗杆蜗轮主要参数进行计算。 七、实验注意事项 实验课的目的在于培养学生掌握基本的实验方法与操作技能。培养学生学 会根据实验目的，实验内容及实验设备拟定实验线路，选择所需工具，确定实验 步骤，测取所需数据，进行分析研究，得出必要结论，从而完成实验报告。在整 个实验过程中，必须集中精力，及时认真做好实验。现按实验过程提出下列基本 要求。 1.实验前的准备 实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、项 目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按照实验项目准备有关材料。 认真作好实验前的准备工作，对于培养同学独立工作能力，提高实验质量 和保护实验设备都是很重要的。 2.实验的进行 ()建立小组，合理分工每次实验都以小组为单位进行，每组由5~7人组 成，每人应有明确的分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠。 (2)选择设备和有关零部件 实验前先熟悉该次实验所用的设备和有关零部件，不清楚的地方找有关资 料预习。 (3)注意安全，认真仔细地进行试验 在装拆零部件时，要注意安全：对实验中出现的问题多思考、多讨论，培 养认真分析、深入钻研的工作作风。 (4)实验有始有终
4 六、实验报告主要内容及要求 实验报告是根据在实验中观察和发现的问题，经过自己分析研究或分析讨 论后写出的心得体会。实验报告要简明扼要、字迹清楚、图表整洁、结论明确。 实验后每人独立完成一份实验报告，按时送交指导教师检查批阅。 回答下列问题： 1. 画出刀架机械传动示意图，并概述换刀工作原理。 2. 简述霍尔元件 3144 的工作原理以及在电路中是如何具体工作的。 3. 对刀架的蜗杆蜗轮主要参数进行计算。 七、实验注意事项 实验课的目的在于培养学生掌握基本的实验方法与操作技能。培养学生学 会根据实验目的，实验内容及实验设备拟定实验线路，选择所需工具，确定实验 步骤，测取所需数据，进行分析研究，得出必要结论，从而完成实验报告。在整 个实验过程中，必须集中精力，及时认真做好实验。现按实验过程提出下列基本 要求。 1. 实验前的准备 实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、项 目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按照实验项目准备有关材料。 认真作好实验前的准备工作，对于培养同学独立工作能力，提高实验质量 和保护实验设备都是很重要的。 2. 实验的进行 (1) 建立小组，合理分工每次实验都以小组为单位进行，每组由 5～7 人组 成，每人应有明确的分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠。 (2) 选择设备和有关零部件 实验前先熟悉该次实验所用的设备和有关零部件，不清楚的地方找有关资 料预习。 (3) 注意安全，认真仔细地进行试验 在装拆零部件时，要注意安全；对实验中出现的问题多思考、多讨论，培 养认真分析、深入钻研的工作作风。 (4) 实验有始有终
实验完毕，经指导教师认可后，把实验所用的器件、导线及仪器等物品整 理好。 3.实验安全操作规程 为了确保实验时人身与设备安全，要严格遵守如下规定的安全操作规程： ()实验时，人体不可接触带电线路。 (2)接线或拆线都必须在切断电源的情况下进行。 ()必须经指导教师检查和允许，方可接通电源。实验中如发生事故，应立 即切断电源，经查清问题和妥善处理故障后，才能继续进行实验。 (4)总电源或实验台控制屏上的电源应由实验指导人员米接通。其他人只能 由指导人员允许后方可操作，不得自行合闸
5 实验完毕，经指导教师认可后，把实验所用的器件、导线及仪器等物品整 理好。 3. 实验安全操作规程 为了确保实验时人身与设备安全，要严格遵守如下规定的安全操作规程： (1) 实验时，人体不可接触带电线路。 (2) 接线或拆线都必须在切断电源的情况下进行。 (3) 必须经指导教师检查和允许，方可接通电源。实验中如发生事故，应立 即切断电源，经查清问题和妥善处理故障后，才能继续进行实验。 (4) 总电源或实验台控制屏上的电源应由实验指导人员来接通。其他人只能 由指导人员允许后方可操作，不得自行合闸
实验二微机数控XY工作台机电系统综合实验 一、实验目的 微机数控XY工作台是一个典型的机电一体化装置：本实验首先对机械部件进行 现场教学，完成前期有关课程的感性认识，并具体了解典型机械部件的设计方法：对两 种工作台电气控制系统的组成进行现场教学，要求学生比较其优缺点和应用场合：在此 基础上，对工作台电气系统对机械系统的控制方法，以及两者相互之间的设计匹配原则， 有一个完整的学习和实验的实例，逐步建立机电一体化系统的概念。 二、实验的主要内容 1.了解系统主要零部件的工作原理、结构组成，重点是步进电机、交流伺服电机、 滚动丝杠、滚动导轨、接近开关： 2.了解电气控制系统的组成以及主要元器件的功能；比较两种系统的优缺点和其 适用场合： 3.进行工作台的运行实验，了解软件的操作过程和参数定义，观察运行效果。 三、实验设备和工具 1.合肥工业大学HUTI型机电一体化实验教学平台，HFD步进型工作台： 2.固高科技有限公司GXY交流伺服工作台。 四、实验原理 1.教材和《机电工程综合课程设计指导书》中有关内容： 2.有关步进电机、交流伺服电机、滚动丝杠、滚动导轨、接近开关的内容： 3.单片机课程有关内容。 五、实验方法和步骤 1.FUT-1型机电一体化实验教学平台 ()对照设计装配图，指出步进电机、联轴器、滚动丝杠、导轨、限位开关等部件： (2)在教师指导下对有关部件进行拆卸和装配，了解其工作原理与结构组成： (③)观察电气控制系统的结构组成，认识主要的电气模块和器件： (4)观察电气信号线、控制线、动力线的布置和走向： 6
6 实验二 微机数控 X-Y 工作台机电系统综合实验 一、实验目的 微机数控 X-Y 工作台是一个典型的机电一体化装置；本实验首先对机械部件进行 现场教学，完成前期有关课程的感性认识，并具体了解典型机械部件的设计方法；对两 种工作台电气控制系统的组成进行现场教学，要求学生比较其优缺点和应用场合；在此 基础上，对工作台电气系统对机械系统的控制方法，以及两者相互之间的设计匹配原则， 有一个完整的学习和实验的实例，逐步建立机电一体化系统的概念。 二、实验的主要内容 1. 了解系统主要零部件的工作原理、结构组成，重点是步进电机、交流伺服电机、 滚动丝杠、滚动导轨、接近开关 ； 2. 了解电气控制系统的组成以及主要元器件的功能；比较两种系统的优缺点和其 适用场合； 3. 进行工作台的运行实验，了解软件的操作过程和参数定义，观察运行效果。 三、实验设备和工具 1. 合肥工业大学 HFUT-1 型机电一体化实验教学平台，ＨＦJD 步进型工作台； 2. 固高科技有限公司 GXY 交流伺服工作台。 四、实验原理 1. 教材和《机电工程综合课程设计指导书》中有关内容； 2. 有关步进电机、交流伺服电机、滚动丝杠、滚动导轨、接近开关的内容； 3. 单片机课程有关内容。 五、实验方法和步骤 1．HFUT-1 型机电一体化实验教学平台 (1) 对照设计装配图，指出步进电机、联轴器、滚动丝杠、导轨、限位开关等部件； (2) 在教师指导下对有关部件进行拆卸和装配，了解其工作原理与结构组成； (3) 观察电气控制系统的结构组成，认识主要的电气模块和器件； (4) 观察电气信号线、控制线、动力线的布置和走向；
(⑤)工作台运行实验， 2.固高GXY交流伺服工作台 ()感性认识GXY工作台的各组成部分 ①关闭整个装置的电源：找出伺服电机及编码器、交流伺服驱动器、丝杠螺母 滚动导轨、限位开关等部件：部分部件的参考图片如图1至4所示。 图1交流伺服电机及编码器 图2滚动导轨 图3光电式限位开关 图4交流伺服驱动器 ②在老师的指导下打开PC机主机箱，指出装在PC机PCI插槽上的运动控制 卡： ③在老师的指导下打开电控箱盖：认识电机驱动器和GT400端子板： ④认清各信号线的来源及去向。 (2)认识基于工业控制卡的控制程序 ①系统上电，打开“DEMO”文件夹中“GTCMDPCI_CH”程序。进入程序后界面如 图5所示 7
7 (5) 工作台运行实验。 2. 固高 GXY 交流伺服工作台 (1) 感性认识 GXY 工作台的各组成部分 ①关闭整个装置的电源：找出伺服电机及编码器、交流伺服驱动器、丝 杠 螺 母、 滚动导轨、限位开关等部件；部分部件的参考图片如图 1 至 4 所示。 图 1 交流伺服电机及编码器 图 2 滚动导轨 图 3 光电式限位开关 图 4 交流伺服驱动器 ②在老师的指导下打开 PC 机主机箱，指出装在 PC 机 PCI 插槽上的运动控制 卡； ③在老师的指导下打开电控箱盖；认识电机驱动器和 GT400 端子板； ④认清各信号线的来源及去向。 (2) 认识基于工业控制卡的控制程序 ①系统上电，打开“DEMO”文件夹中“GTCMDPCI_CH”程序。进入程序后界面如 图 5 所示：
窗口右边侧栏所显示的是轴系状态和坐标系状态，选中轴系状态观察轴的状态有 没有异常。 分别用挡片放在各光电限位开关中间，手动使X轴正限位开关动作、X轴负限 位开关动作、Y轴正限位开关动作和Y轴负限位开关动作，观察界面右边“轴系状态” 中1轴和2轴的“正限位动作”和“负限位动作”是否正常点亮。 手动转动X轴电机轴一圈，观察界面右下边“轴当前位置”中轴1的读数，因 为板卡具有4倍频的功能，所以电机转动一圈，其读数应该为电机编码器线数的4倍。 例如：编码器线数为2500PR,则电机转动一圈，其读数为10000： &CT Comsander PCI 3.1 D多口为坠隐色正三接上0法√滋兵0w凸口 坐标秀状态轴系长态 G00g0 GT CO Tech GoogolTe 当前位 16 中新计数圈：0中新状洁：0 图5PC机的控制软件界面 ②点击工具栏中“”打开轴控制窗口，如图6所示
8 窗口右边侧栏所显示的是轴系状态和坐标系状态，选中轴系状态观察轴的状态有 没有异常。 分别用挡片放在各光电限位开关中间，手动使 X 轴正限位开关动作、X 轴负限 位开关动作、Y 轴正限位开关动作和 Y 轴负限位开关动作，观察界面右边“轴系状态” 中 1 轴和 2 轴的“正限位动作”和“负限位动作”是否正常点亮。 手动转动 X 轴电机轴一圈，观察界面右下边“轴当前位置”中轴 1 的读数，因 为板卡具有 4 倍频的功能，所以电机转动一圈，其读数应该为电机编码器线数的 4 倍。 例如：编码器线数为 2500P/R，则电机转动一圈，其读数为 10000。 图 5 PC 机的控制软件界面 ②点击工具栏中“ ”打开轴控制窗口，如图 6 所示
基于轴的控制 断点积式设置 同服打开同眼关闭 ◆取消断点模子 伺服滤波器参数设王 ◇正位置断点有效 比例培益： 。负位且厮点有艺 前袖的保位开关有效 ◇原点信号断点有效 。运动到位断点有效 微分增益： 速度前馈培益 ome捕获ndex辅获 输出柜式：0同服电机、 识积分饱和值 32767 梯龙曲线s-线速度跟踪电子齿轮 出馆丸知值： 32767 目标位置：0 力加速度：0 出季点偏值 0 速度： 0 位妥误差极眼： 32767 设中新轴司报输出位置同步 设置实际位置： 命今状客位置描法值立即停止 加速度极： 16384 驱动复位位置清季平滑湾止 断点位置：0 轴中断屏蔽字：0 洁状洁梦数更新 图6基于轴的控制对话框 设置伺服滤波器参数中比例增益为“3”和微分增益为“10”，其它保持初始值： 点击“参数更新”更新参数： 点击“伺服打开/伺服关闭”打开伺服： 注意：点击“伺服打开/同服关闭”时如果出现异常，请及时关断电控箱电源。 设置目标位置、加速度和速度，如图7。 梯形曲线S曲鳞速度跟踪电子齿轮 目标位置：10000 加速度：0.01 速度： 1 图7对话框 点击“参数更新”更新参数，电机开始转动，带动平台移动：给一个很大的目标 位置，让电机带动平台移动到正向限位位置，观察限位开关是否触发，平台是否自动停 止运动。如果有误，请按下急停开关保护设备。 (3)插补实验 ①直线插补 9
9 图 6 基于轴的控制对话框 设置伺服滤波器参数中比例增益为“3”和微分增益为“10”，其它保持初始值； 点击“参数更新”更新参数； 点击“伺服打开/伺服关闭”打开伺服； 注意：点击“伺服打开/伺服关闭”时如果出现异常，请及时关断电控箱电源。 设置目标位置、加速度和速度，如图 7。 图 7 对话框 点击“参数更新”更新参数，电机开始转动，带动平台移动；给一个很大的目标 位置，让电机带动平台移动到正向限位位置，观察限位开关是否触发，平台是否自动停 止运动。如果有误，请按下急停开关保护设备。 (3) 插补实验 ①直线插补
打开测试程序，点击界面工具条中“”图标，进入XY平台测试界面，如图 8所示。点击XY工作台的四个方向可以实现工作台的自由移动，点击各坐标轴的回 零按钮可以使轴回到零点。 牛台控制 目动操作 单段运行 运行模式一 回Run c代码 。负载运行 运动方式选舞平而商线邦 回Pause 模运 X牌点：000 0000 将点：0000 ▣ston 畏 时：时计， 少开拾污动 手动操作 控特卡参数设型 A X+ Y+ 手动博量增显佰mm进给注m心】 正向回季Y正向回零 正向回专 ⊙X负向回零⊙Y负向回警 ⊙7量向回 图8XY平台控制对话框 在“运动方式选择”中选择“XY平面直线插补” 设置“X终点”和“Y终点” 点击“宁开始运动”运行直线插补。 ②圆弧插补 在“运动方式选择”中选择“XY平面圆弧（圆心和角度）”进行圆弧插补测试 设定“X圆心”和“Y圆心”： 同样，点击“宁开始运动”运行测试。 ③NC代码运行 运行NC代码，雕刻“高”字： 点击“区”NC代码文件：选择gAO.NC文件，观察XY平台的工作运行情况。 六、实验报告主要内容及要求 1.画出HFUT工作台的机械传动示意图，并对主要机械结构予以概要说明：
10 打开测试程序，点击界面工具条中“ ”图标，进入 XY 平台测试界 面，如 图 8 所示。点击 XY 工作台的四个方向可以实现工作台的自由移动，点击各坐标轴的回 零按钮可以使轴回到零点。 图 8 XY 平台控制对话框 在“运动方式选择”中选择“XY 平面直线插补”； 设置“X 终点”和“Y 终点”； 点击“ ”运行直线插补。 ②圆弧插补 在“运动方式选择”中选择“XY 平面圆弧（圆心和角度）”进行圆弧插补测试； 设定“X 圆心”和“Y 圆心”； 同样，点击“ ”运行测试。 ③ NC 代码运行 运行 NC 代码，雕刻“高”字； 点击“ ”NC 代码文件；选择ｇAO.NC 文件，观察 XY 平台的工作运行情况。 六、实验报告主要内容及要求 1. 画出 HFUT 工作台的机械传动示意图，并对主要机械结构予以概要说明；