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1、（建筑电气工程）机电一体化教学设备电气控制部分设计目录目录1摘要3摘要：31.绪论51.1 课题研究的意义51.2 课题研究的目的61.3机电一体化系统概述62 系统设计92.1机电一体化实验教学设备总体结构92.2控制系统的总体方案确定103 控制系统硬件结构设计123.1 控制系统组成结构及分类123.1.1 控制系统组成结构123.1.2 控制系统的分类133.3 PMAC硬件结构及软件设计153.3.1 运动控制卡153.3.2 硬件结构特点173.3.3 软件控制特点183.3.4系统控制环调整193.3.5 PID调整原理简介223.3.6 差补原理233.4机电一体化系统检测元件
2、选择243.4.1 数控机床测量系统的分类与特点243.4.2 常用的测量元件253.4.2 码盘、光栅尺的选择273.4.2 编码器测速原理及保证回零精度的工作原理273.5 伺服电动机设计293.5.1 交流伺服电机的分类和特点293.5.2 交流伺服电机的控制方式303.6 系统电气电路的设计与实现313.7控制系统的具体配置324. 结论335.参考文献346致谢35摘要本设计的主要工作是对机电一体化教学设备的控制系统的设计，由于教学设备属立式加工中心范畴，故此次设计以对加工中心的设计方法及步骤为主线展开设计，包括控制系统总体设计，系统软、硬件的选择，系统的调试等内容。设计配置如下：信
3、息处理和控制由美国Deltatau公司的PMAC（可编程多轴运动控制器，型号为PMAC2A-PC104，）完成；驱动元件为日本富士伺服驱动器（200W），执行机构是它的配套电机；机械本体为一个两维的X-Y工作平台，是工业应用中最典型的控制对象之一；反馈用检测元件为光栅尺。关键词：PMAC运动控制卡；系统控制环；检测元件；光栅尺AbstractThe design of the main work is the integration of teaching equipment, electromechanical control systems design, As teaching equi
4、pment is the vertical machining center areas, herefore, the current design of the processing center, the design method and steps to design the main line, including the control system design, System software and hardware choices, the system debugging content. Design configuration is as follows : Info
5、rmation management and control of the company by the United States Deltatau the PMAC (programmable multi-axis motion controller, Model for PMAC2A - PC104), completed; Driver components for Japans Fuji servo actuator (200W), the executing agency is supporting its motor; Ontology machinery for a two-d
6、imensional X-Y platforms, Industrial Application is the most typical one of the control object; Feedback detection components for grating feet. Keyword: PMAC sport controls card; The system controls wreath; Examine a component; Light grid Chinese foot1. 绪论1.1 课题研究的意义机电一体化技术是一项将机械、电子等技术有机结合综合运用的新兴技术。
7、该技术主要涉及精密机械、自动控制、检测传感、信息处理、伺服传动、计算机等相关领域，是高等学校教育和职业学校培训的重要内容。机电一体化技术的日新月异使高等学校和职业学校在教学实践上面临着新的挑战。传统的机电一体化教学理论教学内容很多，而学生实验很少甚至没有，即使有也是针对于使用和操作机电设备，学生缺少在实践动手中联系理论知识的机会。比如讲到伺服控制中的三环：位置环、速度环、电流环的理论知识，老师讲了很多，但学生却缺少相应实验自己去操作从感性上认识加深这些理论知识，这样就使得毕业生走上社会以后面临重重困难，难以适应工作岗位的具体要求。很多学校传统的实验教学采用的模式是购买一些数控及机电一体化的机床
8、，然后让学生参观或在上面进行简单的零件加工实验。这种实验教学方式当然可以在一定程度上培养学生学习的兴趣和动手操作能力，但这些实验很难让学生深入的掌握到机电一体化技术的核心内容，理论联系实际远远不够，因为没有一所学校开实验课会让学生把成套的数控设备拆散然后在分成各个环节刨析其中的重要技术细节。为了达到在机电一体化实验教学中充分实现理论联系实际的教学目标，让培养出来的学生不仅仅只是一个会开数控设备的操作工，而成为一个在机电一体化技术方面有所特长的人才，设计机电一体化教学实验台尤为重要，本次设计的课题就是机电一体化教学用实验台的电气控制设计。该机电一体化教学设备的特点是：1、去除真实机电一体化设备中
9、的一些辅助器件和辅助功能，但机电一体化技术中各环节的核心仍然采用真实的工业器件和先进的技术，比如运动部件仍然采用真实数控设备采用的直线导轨和丝杠，但去掉了润滑等辅助设施；用一只笔代替了加工工件的刀具；使用工业场合真实应用的伺服驱动和电机，但却不将这些全部封闭而让学生可以直接操作连接等等。这样做既减小了设备体积，增加了安全性和灵活性，又不象一些塑料教具（类似玩具）不能给学生以工业应用的真实感觉。2、整个设备采用开放式的数控结构，这也是当今数控的流行趋势，学生使用后可以举一反三，一劳永逸，深入理解机电一体化技术的各个关键部分。3、设备的硬件核心均采用世界上领先成熟的技术，比如控制器采用在运动控制界
10、享有很高声誉的美国Deltatau公司的PMAC（可编程多轴运动控制器），交流伺服采用日本松下的伺服驱动器和电机等等。4、该设备体积小功能全，可以开展多项实验课程，而且可以作为项目开发的实验平台，解决既不能靠纯软件仿真解决又不能在（或没有）真实设备上直接操作的棘手问题，一机多用。5、设备本身安全方便，经济可靠，除了做为学生实验的教具还可以用做为工业企业员工的培训设备。1.2 课题研究的目的本课题研究的目的就是为了方便学生进行以下实验：1伺服电机转矩控制实验2全闭环调整实验3PVT（厄米特样条）插补实验4半闭环系统和开环系统的精度比较5垂直度测量及软件修正安装误差实验1.3机电一体化系统概述机电
11、一体化技术涉及到传感器技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、计算机技术等关键技术。典型的机电一体化系统包含以下几个部分：图 1-1 机电一体化系统组成（1） 信息处理与控制系统：信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理/运算和决策，实现要求的控制功能。本课题研究的机电一体化实验台中，信息处理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口所组成。硬件包括输入输出设备、显示器、可编程控制器（PLC）和数控装置等。本机电一体化实验台要求信息处理速度高，A/D和D/A转换及分时处理时的输入输出可靠，抗干扰能力强。（2）驱动元件系统：按照系统的要求
12、，为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作，以完成预定的主功能。本机电一体化实验台采用的是富士公司的伺服电动机作为动力驱动元件。（3） 执行机构系统：在控制信息的作用下完成要求的动作，实现机电一体化实验设备的主功能。执行部件为运动部件，本机电一体化设备采用的是机械机构，即电动机带动滚珠丝杠作X、Y方向的位移，以完成设备的主功能。执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性能好坏直接决定着整个产品的性能，因而是机电一体化实验设备中重要的组成部分。（4） 机械本题系统：机械本体是机电一体化实验设备的基础，用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理的结合起来，形成有机的整体。（5） 检测
13、元件系统：在系统运行过程中将自身和外界环境的各种参数转换成可以测定的物理量进行测定，为系统提供运行控制所需的各种信息。本试验台的传感与检测系统的功能由是由传感器（即光栅尺）实现，对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰能力强等。由上述5个组成部分在工作时的相互协调，共同完成所规定的目的功能。综上所述，本课题所面临的关键技术有：传感器技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、精密机械技术等。其中，信息处理技术是否能及时、准确的处理工作过程中各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等，直接影响到系统工作的质量和效率。在机电一体化实验台中，实
14、现信息处理技术的主要装置是控制信息处理器（即控制计算机）它能控制和指挥整个产品的运行，是本机电一体化设备的核心。驱动器主要是执行元件和驱动装置驱动器一方面通过接口电路与控制单元相连，接受控制系统的指令；另一方面，通过机械接口与机械传动与执行机构相连，以实现规定的动作，因而驱动器直接影响着本机电一体化实验设备的执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等产生决定性的影响。因此控制信息处理器和驱动器是本机电一体化设备组成要素中紧密相连的两大核心部分。2 系统设计2.1机电一体化实验教学设备总体结构本课题设计的AC-200型交流伺服教学设备是一款多功能机电一体化教学设备。如图21所示
15、。其实质为数控铣床，有X，Y两个直线运动坐标，即工作台承担运动功能为纵向（X轴）和横向（Y轴）两个方向的移动，由两个伺服电机分别控制。它能够使工件在一次装夹后完成安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合箱体类工件的加工。图21 系统实物图2.2控制系统的总体方案确定根据一般数控铣床的结构组成以及教学设备的特点，本机电一体化教学实验台的控制系统组成应包含运动控制器、实验机柜、操作平台及相关软件、资料和电缆等元件。由计算机编制程序，控制器对伺服驱动器发出指令进行控制，同时检测元件对精密平台进行监测，从而实现零件的加工。控制系统如图22所示。由上图可知，PMAC-104控制器是本套系统的核心部件，它包含有伺服运动控制及I/O点的过程控制功能。在运动控制功能中，由它发送控制指令，接受编码器或光栅的反馈构成闭环系统，并且通过串口通计算机通讯（可选USB接口）。本次设计的AC200型数控系统主要由PC机、运动控制卡、伺服驱动装置、检测装置
