实验指导书HJD1(校内).doc
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HJD-1系列机电一体化教学实验系统
实验指导书
华中科技大学机械学院工艺装备及自动化系
2006年8月
目录
前言
实验一三相异步电动机启停控制实验………………………………………
（1）
实验二PLC控制三相异步电动机正反转控制实…………………………………（4）
实验三PLC控制三相异步电动机变频调速实验…………………………………（8）
实验四PLC顺序控制程序设计与调试实验…………………………………（15）
实验五步进电机单轴定位控制实验……………………………………（18）
实验交流伺服电机单轴定位控制实验……………………………………（24）
实验六PC与PLC串行通信程序设计与调试实验…………………………（29）
实验七PC和PLC两级控制程序设计和调试实验…………………………（35）
实验八步进电机两轴联动控制实验……………………………………（39）
实验九数控机床基本组成及功能部件的认识实验……………………………（44）
实验十蜡模的定位钻孔加工实验……………………………………………（49）
实验十一蜡模的平面轨迹铣削加工实验………………………………（51）
前言
HJD-4型机电一体化教学实验系统是在深入调研和全面考察国内相关专业教学实验现状，掌握了大量第一手资料的基础上，研制开发出的新型教学实验产品。
它由PC机、电气控制系统和微加工中心机械平台及控制软件等组成。
其中电气控制系统包括：
PLC、变频调速器、交流伺服电动机及驱动、步进电动机及驱动、1PG、20GM定位模块、PLC与PC通信接口板、继电器和接触器及控制面板等。
HJD-4机电一体化教学实验系统是我们开发的机电一体化教学实验系列产品中最复杂的一种。
该教学实验产品具有如下用途：
1．可完成《机电传动控制》、《可编程控制器原理与应用》、《机床电气控制》、《机床概论》、《机械加工自动化》、《数控技术》、《数控机床》、《机电一体化控制技术与系统》等课程的实验教学；
2．为机电类本科生、专科生的课程设计及毕业设计提供实践条件；
3．为教师和相关科技人员从事机电产品开发提供实验平台；
4．为企业培养机电一体化设备的维护管理人员。
该产品因其具有先进性、启发性、实战性等特点，在向华中科技大学机械学院研究生、本科生、专科生开出实验后，受到了学生们的普遍欢迎，收到了良好的教学效果。
通过实验训练后，学生可根据实际需求独立设计和调试较复杂的机电控制系统。
自从该教学实验产品研制成功并投入使用以来，我们已接待了一大批来自全国各地高等院校的教师及有关专家的参观、咨询，得到了来访者的肯定和称赞。
概括起来就是：
“起点高，内容新，覆盖面广，实战性强，值得大力推广！
”。
该产品于2001年在北京市高校教设招标活动中一举中标；于2002年在世行贷款教设招标活动中一举中标。
现已有几十家兄弟院校有意向或已经购买该教学实验产品，如：
浙江大学、湘潭大学、北京石油化工学院等等。
本实验系统实验内容包括如下几个方面：
1．数控设备的基本结构和主要部件
开放式的数控平台对数控机床的基本结构和主要部件产生感性认识。
2．继电器接触器基本控制电路
电气控制系统中包括自动化设备中常用的手动电器、自动电器、保护电器。
通过继电器接触器组成的异步电动机启停控制、正反转控制等基本电路的设计和实验，使学生更进一步了解各种电器的基本结构、工作原理、作用、使用场合以及继电器接触器控制电路的组成和工作原理。
3．可编过程控制器的应用
包括PLC对异步电动机的启停和正反转控制、交通灯的控制、电梯的控制、PLC高速输出端实现单轴定位、PLC定位模块实现定位控制以及PLC与PC的通讯等实验。
通过实验使学生了解PLC在各种领域的应用，学会应用PLC组成各种控制系统的方法和技能以及PLC编程技巧。
4．交流异步电动机变频调速控制
PLC通过变频器实现主轴的无级调速控制，使学生弄清一般交流变频器的工作原理、使用方法以及利用PLC的高速输入端进行速度测量的方法和使用技巧。
5．步进电动机控制系统
通过PLC的定位模块对步进电动机驱动器进行控制，实现单轴定位。
通过设计、实验与分析更深刻理解步进电动机控制系统的工作原理和步进电动机的各种特性（如突跳频率、运行频率、低频振动等）以及步进电动机控制系统在定位控制中脉冲当量的计算方法、原位的意义。
6．交流伺服控制系统
通过PLC对交流伺服驱系统进行控制，实现单轴定位。
通过设计、实验与分析更深刻理解交流伺服系统的工作原理和各种特性以及脉冲单位的确定和脉冲当量的计算方法。
进一步了解步进电动机系统和交流伺服系统的性能差别。
7．计算机控制技术（CNC方面的应用）
使用PLC的PC编程软件进行PLC程序的编写、读入、写入、监控、参数的修改等，掌握PLC的PC编程软件的使用方法；使用高级语言编写和调试PC与PLC的串行通讯、控制接口、直线插补、圆弧插补、一般两级系统的控制、位置控制板卡的二次开发等程序，掌握计算机技术在自动化领域的应用技能。
本书作为该教学实验产品的配套实验指导书。
教师可根据课程类别以及学生情况来选择实验项目或在此基础上开发新的实验项目。
由于编者水平有限，错误或不足之处在所难免，殷望广大教师和读者不惜斧正。
编者
实验一三相异步电动机启停控制实验
一、实验目的
1、进一步学习和掌握接触器以及其它控制元器件的结构、工作原理和使用方法；
2、通过三相异步电动机的启、停控制电路的实验，进一步学习和掌握接触器控制电路的结构和工作原理。
二、实验原理
图1-1为三相异步电动机的继电器－接触器基本启停控制电路，左边为电路的主回路，右边为电路的控制回路。
图1-1三相异步电动机直接启停控制电路
图中：
QG——刀开关，为电源开关；
FU——熔断器，电路的基本保护之一，短路保护；
KH——热继电器，电路的基本保护之二，超载保护；
KM——接触器，是三相异步电动机起停控制的主要电器，线圈由控制回路控制
得电或失电，从而控制主触头闭合或断开，使电动机接通电源运行或断开电源停止。
1SB——启动按钮；
2SB——停止按钮。
电路的基本工作原理是：
首先合上刀开关QG，再按下启动按钮1SB，KM线圈得电并自锁，主触头闭合，电动机得电运行。
按下停止按钮2SB，KM线圈失电，主触头断开，电动机失电停止。
三、实验步骤
实验电路如图1-2所示。
图中QF5为断路器，它集刀开关、熔断器和热继电器的功能于一体，在电路中起电源开关、短路保护、超载保护以及欠压保护的作用。
电路中控制的交流电动机M为主轴电动机，因此，电动机运行时，主轴旋转。
1．在操作面板上找到交流电源、交流电机、接触器KM5以及操作按钮“启动”、“停止”所对应的接线端子；
2．按图1-2完成控制电路的接线（为了安全起见，虚线外的联机已接好，接线时请务必断开QF5）；
图1-2三相异步电动机直接启停控制电路接线图
3．经老师检查认可后进行下面操作；
4．合上断路器QF5，观察电动机和接触器的工作状态；
5．按下操作控制面板上“启动”按钮，观察接触器和电动机的工作状态；
6．按下操作控制面板上“停止”按钮，观察接触器和电动机的工作状态。
7．当未合上断路器QF5时，进行4和5步操作，观察结果。
四、注意事项
1．接线和拔线时，请务必断开QF5；
2．QF5合上后，请不要用手触摸接线端子；
3．请务必不能将导线一端接入交流电源、交流电机、KM5的接线端子上，另一端放在操作台上而合上QF5。
4．通电实验时，请不要用手触摸主轴。
五、实验用电器组件和工具
三相异步电动机1台
断路器（QF5）1个
接触器（KM5）1个
按钮2个
实验导线若干
六、实验前的准备
预习实验报告，复习教材的相关章节。
七、实验报告要求
1．记录实验中所用异步电动机的名牌数据；
2．弄清QF5型号和功能；
3．比较实验结果和电路工作原理的一致性；
4．说明6步的实验结果并分析原因。
八、思考题
1．控制回路的控制电压是多少？
2．接触器是交流接触器，还是直流接触器？
接触器线圈的工作电压是多少
3．如果将控制回路从W4的联机改接在W5上，电路是否能正常工作？
为什么？
4．控制电路是怎样实现短路保护和超载保护的？
5．电动机什么情况下采用直接启动方法？
实验二PLC控制三相异步电动机正反转实验
一、实验目的
1．学习和掌握PLC的实际操作和使用方法；
2．学习和掌握PLC控制三相异步电动机正反转的硬件电路设计方法；
3．学习和掌握PLC控制三相异步电动机正反转的程序设计方法；
4．学习和掌握PLC控制系统的现场接线与软硬件调试方法。
二、实验原理
三相异步电动机定子三相绕组接入三相交流电，产生旋转磁场，旋转磁场切割转子绕组产生感应电流和电磁力，在感应电流和电磁力的共同作用下，转子随着旋转磁场的旋转方向转动。
因此转子的旋转方向是通过改变定子旋转磁场旋转的方向来实现的，而旋转磁场的旋转方向只需改变三相定子绕组任意两相的电源相序就可实现。
如图2.1所示为PLC控制异步电动机正反转的实验原理电路。
图2.1PLC控制三相异步电动机正反转实验原理图
左边部分为三相异步电动机正反转控制的主回路。
由图可知：
如果KM5的主触头闭合时电动机正转，那么KM6主触头闭合时电动机则反转，但KM5和KM6的主触头不能同时闭合，否则电源短路。
右边部分为采用PLC对三相异步电动机进行正反转控制控制回路。
由图可知：
正向按钮接PLC的输入口X0，反向按钮接PLC的输入口X1，停止按钮接PLC的输入口X2；继电器KA4、KA5分别接于PLC的输出口Y33、Y34，KA4、KA5的触头又分别控制接触器KM5和KM6的线圈。
实验中所使用的PLC为三菱FX2N系列晶体管输出型的，由于晶体管输出型的输出电流比较小，不能直接驱动接触器的线圈，因此在电路中用继电器KA4、KA5做中间转换电路。
在KM5和KM6线圈回路中互串常闭触头进行硬件互锁，保证软件错误后不致于主回路短路引起断路器自动断开。
电路基本工作原理为：
合上QF1、QF5，给电路供电。
当按下正向按钮，控制程序使Y33为1，继电器KA4线圈得电，其常开触点闭合，接触器KM5的线圈得电，主触头闭合，电动机正转；当按下反向按钮，控制程序使Y34为1，继电器KA5线圈得电，其常开触点闭合，接触器KM6的线圈得电，主触头闭合，电动机反转。
三、实验步骤
1．断开QF1、QF5，按图2-2接线（为安全起见，虚线框外的联机已接好）；
2．在老师检查合格后，接通断路器QF1、QF5；
3．运行PC机上的工具软件FX-WIN，并使PLC工作在STOP状态；
4．输入对应上述控制电路的异步电动机正反转的PLC程序并将程序传至PLC；
5．使PLC工作在RUN状态，操作控制面板上的相应按钮，实现电动机的正反转控制。
在PC机上对运行状况进行监控，同时观察继电器KA4、KA5和接触器KM5、KM6的动作以及主轴的旋转方向，调试并修改程序直至正确；
6．重复4、5步骤，调试其它实验程序。
图2-2实验接线图
四、实验说明及注意事项
1．本实验中，继电器KA4、KA5的线圈控制电压为24VDC，其触点5A220VAC（或5A30VDC）；接触器KM5、KM6的线圈控制电压为220VAC，其主触点25A380VAC。
2．三相异步电动机的正、反转控制是通过正、反向接触器KM5、KM6改变定子绕组的相序来实现的。
其中一个很重要的问题就是必须保证任何时候、任何条件下正反向接触器KM5、KM6都不能同时接通，否则会造成电源相间瞬时短路。
为此，在梯形图中应采用正反转互锁，以保证系统工作安全可靠。
3．接线和拔线时，请务必断开QF5；
4．QF5合上后，请不要用手触摸接线端子；
5．请务必不能将导线一端接入交流电源、交流电机、KM5、KM6的接线端子上，另一端放在操作台上而合上QF5。
6．通电实验时，请不要用手触摸主轴。
五、实验用仪器工具
PC机1台
PLC1台
编程电缆线1根
三相异步电动机1台
断路器（QF1、QF5）2个
接触器（KM5、KM6）2个
继电器（KA4、KA5）2个
按钮3个
实验导线若干
六、实验前的准备
1．预习实验报告，复习教材的相关章节；
2．熟悉三菱FX2N编程工具、编程方法以及调试监控方法；
3．根据实验电路，编写好如下实验程序（梯形图、指令代码均可）：
1）按“正向”按钮，主轴正转，按“反向”按钮，主轴反转。
但主轴由正转变反转或由反转变正转必须先停止；
2）无论主轴处于何种状态（正转、反转或停止），按“正向”按钮，主轴正转，按“反向”按钮，主轴反转。
3）改变“正向”、“反向”、“停止”按钮与PLC输入接口的连接对应的程序。
七、实验报告要求
画出调试好的程序梯形图，写出指令代码，分析实验结果。
八、思考题
1．试比较继电器和接触器的结构及工作原理的异同点；
2．请说明本实验中继电器的线圈工作电压和接触器的线圈工作电压分别是多少？
3．试比较可编程控制器的三种输出接口：
晶体管输出方式、晶闸管输出方式、继电器输出方式的工作原理异同点；
4．能否将接触器KM5，KM6的线圈直接接至PLC的输出端Y33、Y34（注：
本实验所用的PLC为FX2N-64MT，其输出接口为晶体管型）？
实验三PLC控制三相异步电动机变频调速实验
一、实验目的
1.学习和掌握变频器的操作及控制方法；
2.深入了解三相异步电动机变频调速性能；
3.进一步学习PLC控制系统硬件电路设计和程序设计、调试。
二、实验原理
通过改变三相异步电动机定子绕组电压的频率，可以改变转子的旋转速度，当改变频率的同时改变电压的大小，使电压与频率的比值等于常数，则可保证电动机的输出转矩不变。
变频器就是专用于三相异步电动机调频调速的控制装置。
它的输入为单相交流电压（控制750W及以下的小功率电动机）或三相交流电压（控制750W以上的大功率电动机），而输出为幅值和频率均可调的三相交流电压供给三相异步电动机。
变频器的生产厂家很多，产品也很多，但基本原理相同。
本实验中采用的是三菱小型变频器E-500，有如下几种操作模式。
1．运行/停止、正转/反转的操作模式：
对于电动机的启动/停止以及正反转的控制有外部操作和面板操作两种模式，通过专用参数（Pr79）的设定来实现。
面板操作模式：
通过变频器自带面板上的操作键实现运行/停止、正转/反转控制；
外部操作模式：
通过接在变频器专用输入端开关信号的接通、断开实现运行/停止、正转/反转。
2．频率设定模式：
频率的设定分为面板设定、外部设定两种，通过专用参数（Pr79）和（Pr79）的设定来实现。
面板设定模式是根据面板上的电位器或专用键来设定频率的大小。
外部设定模式可以通过变频器上专用输入端上的电位器、电压信号、电流信号、开关编码信号以及PWM信号来实现频率的设定。
本次实验的主要内容有两种。
1．外部控制和外部电位器频率设定；
2．外部控制和外部开关编码信号频率设定。
实验原理电路如图3-1所示。
图3-1实验原理图
操作按钮“启动”、“正向”、“反向”、“停止”、“复位”以及主轴计数用行程开关“主轴准停”分别接在PLC的输入端X0、X1、X2、X3、X4和X5上，输出Y22控制KA3，而输出Y10～Y14根据变频器的工作方式不同，与变频器的控制信号的连接不同。
电路的基本工作原理是：
1．编写PLC程序，完成如下功能
1）当按下启动按钮时，程序使Y22为1，KA3线圈通电，动合触头闭合使接触器KM4线圈通电，KM4主触头闭合，变频器通电。
按下停止按钮，程序使Y22为0，变频器断电。
2）在外部控制模式下，按“正向”按钮，电动机正转，按“反向”按钮，电动机反转，按“停止”按钮，电动机停止运行。
3）“主轴准停”为安装于主轴上的接近开关的一个常开触点，用于测量主轴的旋转速度（r/min）。
X5作为高速计数输入端，与其相关联的内部高速计数器为C240。
在实验中，速度的测量方法是：
当速度达到稳定后，按“复位”按钮，定时器开始定时60S，同时计数器开始对“主轴准停”信号计数，当计数器的值稳定时（定时器定时时间到）即为主轴速度值（r/min）。
2．外部控制和外部电位器频率设定工作方式
1）采用外部控制和外部电位器频率设定工作方式时，电路连接如图3-2所示。
2）当采用外部控制和外部电位器频率设定工作方式时其相关参数设定见表3-1。
表3-1外部控制和外部电位器频率设定工作方式参数设定
参数编号
设定数据
意义
Pr79
0
输入端5的信号为“1”时，电动机正转，否则停止；
输入端6的信号为“1”时，电动机反转，否则停止；外部电位器设定频率大小
图3-2外部控制和外部电位器频率设定工作方式电路连接图
由图3-2和表3-1可知：
正转时，PLC程序要使Y10为1，反转时要使Y11为1，Y10、Y11不能同时为1，同时为0时电动机停止。
频率大小通过改变1、2、3端连接的电位器位置来调节。
3．外部控制和外部开关编码信号频率设定
1）采用外部控制和外部开关编码信号频率设定工作方式时，电路连接如图3-3所示。
2）当采用外部控制和外部开关编码信号频率设定工作方式时其相关参数设定见表3-2。
表3-2外部控制和外部开关编码信号频率设定工作方式参数设定
参数编号
设定数据
意义
Pr79
3
输入端5的信号为“1”时，电动机正转，否则停止；
输入端6的信号为“1”时，电动机反转，否则停止；
Pr59
0
频率由7、8、9端的开关信号确定。
图3-3外部控制和外部开关编码信号频率设定工作方式电路连接图
7、8、9端的开关信号与频率的关系如表3-3所示。
表3-37、8、9端的开关信号与频率的关系
端子号
运行频率
说明
9（Y14）
8（Y13）
7（Y12）
0
0
0
第1速
内部面板设定的频率
0
0
1
第2速
参数Pr06的设定值为工作频率
0
1
0
第3速
参数Pr05的设定值为工作频率
0
1
1
第4速
参数Pr34的设定值为工作频率
1
0
0
第5速
参数Pr04的设定值为工作频率
1
0
1
第6速
参数Pr25的设定值为工作频率
1
1
0
第7速
参数Pr26的设定值为工作频率
1
1
1
第8速
参数Pr27的设定值为工作频率
由图3-3和表3-2可知：
正转时，PLC程序要使Y10为1，反转时要使Y11为1，Y10、Y11不能同时为1，同时为0时电动机停止。
频率大小通过改变7、8、9端状态来调节。
三、实验步骤
（一）外部控制、外部电位器调频控制方式
1．按图3-2接线（虚线框外的联机已接好）；
2．征得老师同意后，合上断路器QF1和QF4，输入PLC程序并运行；
3．执行PLC中的“监控测试/开始监控”，PLC进入监控状态；
4．按“启动”按钮，变频器通电，按表3-1设定变频器参数；
参数设定方法如下：
1）按动变频器面板上的“MODE”键，直到显示参数号Pr01；
2）按“↑”或“↓”键，调节参数号，使其为所需设定的参数号；
3）按“SET”键，进入修改参数状态（数字闪烁）；
4）按“↑”或“↓”键，改变数字使其为所需设定的数字；
5）按“SET”键，设定值被写入；
6）重复2）、3）、4）、5）设定其它参数。
5．按“正向”按钮，Y10输出，电动机正转；
6．调节电位器旋钮，使变频器的显示频率分10；
7．按“复位”按钮，待计数器C240的计数值稳定后读取数据寄存器D0的值并记录于表3-4中；
表3-4实验记录表1
显示频率（HZ）
正转
反转
速度（r/min）
速度（r/min）
10
15
20
25
30
35
40
45
8．调节电位器的旋钮，使变频器的显示频率分别为表3-4中的资料，重复7；
9．按“反向”按钮，Y11输出，电动机反转，重复6、7、8；
10．按“停止”按钮，电动机停转；
11．断开电源QF1、QF4。
（二）外部控制、外部开关编码调频控制方式
1．按图3-3接线（虚线框外的联机已接好）；
2．征得老师同意后，合上断路器QF1和QF4，PLC运行；
3．按“启动”按钮，变频器通电，按表3-2设定变频器参数，并按表3-5设定参数；
4．执行PLC中的“监控测试/开始监控”，PLC进入监控状态；
5．按“正向”按钮，Y10输
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