郑大机电一体化技术答案.docx

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郑大机电一体化技术答案

郑州大学现代远程教育《机电一体化技术》

课程考核要求

说明：

本课程考核形式为提交作业，完成后请保存为WORD2003版本格式的文档，登陆学习平台提交，并检查和确认提交成功（能够下载，并且内容无误即为提交成功）。

一．作业要求

请任选一题，认真、独立完成。

二．作业内容

三．作业内容

题目一送料小车运行控制系统设计

1.设计目的：

通过对送料小车运行的控制系统设计，使学生们掌握控制系统硬件设计及软件编程方法，具有灵活运用相关知识的能力；

2.设计内容及要求：

下图为送料小车运行过程图。

当小车处于后端，按下起动按钮，小车向前运行，压下前限位开关后，翻斗门打开；7s后小车向后运行，到后端，即压下后限位开关后，打开小车底门，完成一次工作循环。

小车运行过程图

设计要求：

能够控制小车的远行，并具有以下几种方式：

（1）手动；

（2）自动单周期，即小车住复运行一次后停在后端等待下次起动；（3）自动连续，即小车起动后自动往复运行；（4）单步运行，即每步动作都要起动；（5）往复运行2次即小车往复运行2次后，回到后端停下，等待起动。

3.设计成果：

1）相关硬件电路图

2）相关程序

设计成果：

1）相关硬件电路图：

 深入了解和分析小车运料控制系统的控制要求，画出工序图。

1）小车在初始位置处，Y420为ON，若按下开始按钮SB，则小车前行，电机正转，

2）小车到达当运行至料斗下方时，Y410为ON，电机停转，小车停止，打开料斗门，延时7S；

 3）7S时间到，装料完成，翻斗门关闭，小车后退，电机反转；

 4）返回至Y420处，电机停转，小车停止，打开小车底门卸料,

5）卸料完毕，一个工作过程结束，1）步开始一个新的工作周期。

根据小车的工作过程，画出小车工作工序图，如图：

1、确定I/O设备

1）小车前行和后退需要一交流电机（电机的选择要根据小车的最大载荷确定），电机正反转控制需要2个接触器KM1、KM2，KM1控制小车前行，KM2控制小车后退；

2）为检测小车是否到达原位和料斗下方，需要两个限位开关：

Y420原位，Y410料斗处；

3）为打开和关闭料斗门和小车底门，需要两个继电器：

KA1料斗门，KA2小车底门，通过继电器控制直流电机，继电器通电则电机得电，门打开，继电器断电，则电机失电，门依靠弹簧装置关闭；

4）启动按钮：

用于工作方式选择的开关SA；由以上分析可知：

系统需如下I/O设备：

限位开关2个：

Y420（原位）、Y410（装料位置）；交流接触器2个：

KM1（控制小车前行）、KM2（控制小车后退）；继电器2个：

KA1（控制料斗门开关）、KA2（控制小车底门开关）；启动按钮1个；方式选择开关SA。

2、分配I/O点地址并绘制硬件连接图

1）I/O地址分配

2）PLC型号选择根据系统对I/O点数的要求，选择PLC型号：

系统需要10个输入点，4个输出点，所以选择CPU226即可满足要求，且还有一定的余量，以备系统扩展；因为输出设备既有交流器件又有直流器件，所以选用继电器输出类型。

 3）件连线图，如图：

3）绘制顺序功能图并编学梯形图程序

小车运行过程分为手动、单周期、连续循环三种工作方式，单周期和连续循环模式采用顺序控制指令，手动操作采用普通逻辑指令，编程时采用跳转指令分别指向不同工作方式，程序结构如图所示。

选择手动模式时，10.3为1，,10.4、10.5为0。

10.3常闭点断开，10.4、10.5常闭触点均为闭合状态，执行手动程序，跳过自动程序。

方式选择开关接通单周期或连续操作方式时，10.3触点闭合，10.4、10.5触点断开，使程序跳过手动程序而选择执行自动程序。

2）相关程序 PLC控制软件如下：

Network1

//送料小车控制系统梯形图

//网络注释

 10.0启动

 10.1停止

 LD10.0 

 OM0.0 AN 

 10.1=M0.0 

 Network2

//Y430送料小车前进

LDN  

 T38 A 

 M0.0 LD 

 T41 O 

 Y430 O 

 10.0 ALD TON 

 T38，100=Y430 

 Network 3

// Y432送料小车卸料

 LDN  T38 O 

 Y432 ALD=Y432 TON T39,10 

Network4//Y420送料小车后退LDNT40AM0.0LDT39OY420ALD=Y420TONT40，100Network5//Y410送料小车装料LDNT41AM0.0LDT40OY410ALD=Y410TONT41，20

题目二机械手控制系统设计

1.设计目的：

通过对机械手的控制系统设计，使学生们掌握控制系统硬件设计及软件编程方法，具有灵活运用相关知识的能力；

2.设计内容及要求：

要求根据机械手工作过程，设计出其控制系统

3.设计成果：

1）相关硬件电路图

2）相关程序

设计思路：

1、下图是可编程控制器控制盘面板布置图，其中包括加载选择和自动方式选择，而加载选择包括上/下、左/右、夹/松六个动作；工作方式分为两种，即自动和手动，其中，自动操作又分为步进、单周期、连续操作方式。

可编程控制器控制盘面板布置

 接通I0.7是单操作方式。

按加载选择开关的位置，用启动/停止按钮选择加载操作，当加载选择开关打到左/右置时，按下启动按钮，机械手右行；若按下停止按钮，机械手左行。

用上述操作可使机械手停在原点。

接通I1.0是步进方式。

机械手在原点时，按下启动按钮，向前操作一步；每按启动按钮一次，操作一步。

接通I1.1是单周期操作方式。

机械手在原点时，按启动按钮，自动操作一个周期。

接通I1.2是连续操作方式。

机械手在原点时，按下启动按钮，连续执行自动周期操作，当按下停止按钮，机械手完成此周期动作后自动回到原点并不再动作。

2、机械手的整体设计机械手的整体设计包括单操作程序、步进操作程序、自动操作的设计。

1）单操作程序如下图所示，此操作为单操作方式，即用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制。

指令如下：

若选择单操作工作方式，I0.7断开，接着执行单操作程序。

单操作程序可以独立于自动操作程序，可另行设计。

2）步进操作程序如下图所示，此操作位步进操作图，即每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。

指令如下：

在连续操作方式下，可执行自动操作程序。

在步进操作程序，按一下启动按钮执行一个动作，并按规定顺序进行。

3）自动操作如下图所示，此操作位自动操作，即按启动按钮，机械手会自动完成所需完成的动作。

在需要自动操作方式时，中间继电器M1.0接通。

步进工作方式、单操作工作方式和自动操作方式，都用同样的输出继电器。

指令如下

机械手的动作过程如上图所示。

从原点开始，按下启动按钮，下降电磁阀通电，机械手下降。

下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。

夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。

上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。

右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。

若此时右工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。

下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。

放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。

上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。

左移到位时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。

至此，机械手经过八部动作完成了一个周期的动作3、机械手的手动单步操作程序1）机械手左行/右行如下图所示，I1.3为常开触点，即左/右档，I0.2为上线位置，它主要起上限安全连锁保护的作用，而机械手左行/右行两个动作只能当机械手处在上限位置时才能执行。

I0.0是启动按钮，而I0.6为停止按钮，将加载开关扳到左/右档，按下启动按钮，通过控制右行电磁阀Q0.3，机械手向右行；按下停止按钮，通过控制左行电磁阀Q0.4，机械手向左行。

程序指令如下：

2）机械手夹紧/松开如下图所示，I1.5为常开触点，即夹/松加载档，将加载选择开关扳到“夹/送”档，按启动按钮I0.0，过控制夹紧电磁阀，机械手执行夹紧动作；按停止按钮I0.6，机械手执行松开工作。

程序指令如下：

3）机械手上升/下降如下图所示，I1.4为常开触点，即上升/下降加载档，将加载选择开关扳到“上/下”档，按启动按钮I0.0，通过控制下降电磁阀，机械手执行下降动作；当按下停止按钮I0.6，通过控制上升电磁阀，机械手执行上升动作。

程序指令如下

4、自动控制程序1）机械手下降/夹紧如下图所示，PLC由STOP转为RUN时，初始脉冲SM0.1对状态进行初始复位，并执行转移指令，当EN有效时，把0输出到SW0中。

当机械手的上限限位开关I0.2和左限限位开关I0.4有效时，机械手在原点，且状态S0.0置1，这是第一步。

按下启动按钮后，置位状态S0.1，同时将原工作状态S0.0清0，输出继电器下降电磁阀Q0.0得电，原点指示Q0.5复位，原点指示灯熄灭，机械手执行下降动作。

当机械手下降到底碰到下限位开关时，I0.1接通，置位状态转移到S0.2，同事将状态S0.1清0，输出继电器Q0.0复位置1，于是机械手停止下降，而此时输出继电器夹紧电磁阀Q0.2得电，机械手执行夹紧动作。

程序指令如下

2）机械手上升和右行如下图所示，按照工作方式分类，定时器T37属于通电延时型定时器，使能端（IN）输入有效，定时器开始计时。

当前值从0开始递增，当大于或等于预置值（PT）17时，定时器输出状态位置1（输出触头有效时），当前值最大值3276.7S。

使能端无效（断开）时，定时器复位。

当定时器T37开始计时，延时1.87S后，接通T37常开触点将状态S0.3置1，同时将工作状态S0.2清0，而输出继电器上升电磁阀Q0.1得电，机械手执行上升动作。

由于夹紧电磁阀Q0,2已被置1，夹紧动作继续执行。

当上升到上限位时，I0.2接通，置位状态转移到S0.4，同时将状态S0.3清0，上升电磁阀Q0.1失电，不再上升，而右行电磁阀Q0.3得电，机械手执行右行动作。

程序指令如下：

3）机械手的下降和松开如下图所示，当机械手右行至右限限位开关时，I0.3接通，Q0.3失电，机械手停止右行，如此时接通无工件检测开关I0.5，则转台转移到S0.5，同时将状态S0.4清0，而Q0.0再次得电，机械手执行下降动作，当机械手下降到底碰到下限限位开关时，I0.1接通，状态转移到S0.6，同时将状态S0.5清0，输出继电器原点指示Q0.0复位，夹紧电磁阀Q0.2被复位，于是机械手停止下降，执行松开动作。

程序指令如下：

4）机械手上升和左行 如下图所示，按照工作方式分类，定时器T38属于通电延时型定时器，使能端（IN）输入有效，定时器开始计时。

当前值从0开始递增，当大于或等于预置值（PT）15时，定时器输出状态位1（输出触头有效时），当前值最大值为3276.7S。

使能端无效（断开）时，定时器复位。

当定时器T38开始时，延时1.5S后，接通T38常开触点将状态S0.7置1，同时将工作状态S0.6清0，而输出继电器上升电磁Q0.1得电，机械手执行上升动作。

行至限位开关位置，上限限位开光I0.2接通，状态转移到S0.1，同时将状S0.7清0，上升电磁阀Q0.1失电，机械手停止上升，而左行电磁阀Q0.4得电，机械手执行左行动作。

程序令如下

5）机械手回零如下图所示，当机械手行至上限位置，上限限位开关I0.2接通，状态转移到S0.1，同时将状态S0.7清0，上升电磁阀Q0.1失电，机械手停止上升，而左行电磁阀Q0.4得电，机械手执行左行动作。

当机械手到达左限限位开关I0.4接通，将状态S1.0清0。

如果此时为连续工作状态，M0.1置1，即状态转移回到S0.1，重复执行自动程序。

若为单周期操作方式，状态转移到S0.0，则机械手停在原点。

程序指令如下

题目三数控加工中心刀具库的自动控制系统设计

1.设计目的：

通过对数控加工中心刀具库自动控制系统设计，使学生们掌握控制系统硬件设计及软件编程方法，具有灵活运用相关知识的能力；

2.设计内容及要求：

因原有的刀具库控制方式过于陈旧、功能过于单一且智能度不高，刀盘只能单向转动，效率较低并且指示灯设计不合理，对刀成功后没有正确与否的提示。

针对原有功能的的不足提出自己的改进方法。

对位成功的进行指示灯闪烁提示，调取不是当前工位的刀时，系统能根据调取刀号的大小自动选择最佳刀盘转动方向，以提高取刀效率。

改进后的基本特征：

1）当机械手位置 = 程序调取刀号位，换刀成功指示灯闪烁3秒。

2）当机械手位置 > 程序调取刀号位，刀具盘逆转,调刀指示灯亮,到位后, 换刀成功指示灯闪烁3秒。

3）当机械手位置 < 程序调取刀号位，刀具盘顺转, 调刀指示灯亮,到位后,换刀成功指示灯闪烁3秒。

机械手位置与调取刀号位之间的偏差是选择正反转的根据。

3.设计成果：

1）相关硬件电路图

2）相关程序

课程设计的参数设置：

1、寄存器D0；机械手当前位置寄存器。

2、寄存器D1；程序刀号寄存器。

3、寄存器D3；偏差寄存器。

4、参数K：

参数K1、K2、K3、K4、K5、K6分别为1、2、3、4、5、6。

列出I/O配置表

刀盘取刀示意图：

如下图所示，以1号刀位在机械手位置处为例。

1）调取当前刀号。

机械手在1号刀位D0=K1，系统调取当前刀号，D0=K1，两值比较D0=D1，此时，到位指示灯直接亮起，接着换刀成功指示灯闪烁，表示换刀完成。

2）调取2（或3、4）号刀。

机械手在1号位D0=K1，系统调取2号刀，D1=K2，两值比较D0K3，M10动作，刀盘逆转。

如下图所示：

4）如下图所示，调取5（或6）号刀，机械手在1号位置D0=K1，系统调取5号刀，D1=K5，两值比较D0

系统梯形图及指令表

指令表：

题目四C6132普通车床的数控改造设计

1.设计目的：

通过C6132普通车床的数控改造，使学生们掌握普通机床改造的方法，具有灵活运用相关知识的能力；

2.设计内容及要求：

C6132型车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床。

本设计任务是对C6132普通车床进行数控改造。

利用微型计算机对纵、横向进给系统进行开环控制．纵向脉冲当量为0.01mm／脉冲．横向脉冲当量为0.005mm／脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。

3.设计成果：

1）电动机的选取

2）相关硬件电路图

一、伺服控制系统的选择（半闭环控制系统如下图所示）

半闭环控制系统原理图二、机械部分改造1.床头箱部分保留主轴箱内的滑移齿轮，取消操作手柄。

将原床身的挂轮、进给箱及内部传动齿轮系统去除，其余部分保持不变。

在该处安装纵向伺服电动机与齿轮减速箱总成。

丝杠、光杠和操作杆（“三杆”）拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠。

滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座原来装轴承座的部分。

并在主轴箱后端安装光电编码器。

编码器的安装方式有两种，一种是安装，另一种是异轴安装。

因为原机床主动挂轮与主轴传动比为1:

1，所以可将编码器安装于原机床主动挂轮处。

这种安装方式较简单，易安装。

2.进给系统（横向）的改造将车床溜板箱拆除，在原处安装滚珠丝杠螺母座，丝杠螺母固定在其上。

将横溜板中的普通丝杠、螺母拆除，在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副，伺服电机与丝杠间采用一级减速器联接，以缩小传动链，提高系统刚度，并减少传动链误差。

横向伺服电动机与齿轮减速器总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠通过膜片联轴器相连。

膜片联轴器的特点是易平衡，不需润滑。

结构简单，有一定的补偿性能和缓冲性能。

因其尺寸较大，故可将其放在减速箱内。

横向滚珠丝杠选择南京工艺装备公司生产的FFZL型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副。

型号为FFZL2505-3，其工程直径0d=25mm，基本导程0L=5mm。

滚珠丝杠的支承方式选用两端固定式，其传动精度高，并有较好的刚度。

适合于距离不长的场合。

滚珠丝杠需要预紧，其大小约为轴向力的三分之一。

减速箱齿轮传动初定传动比为2，可去Z1=24，则Z2=48，齿宽B=16。

在设计齿轮传动时，为了提高传动精度，必须消除齿轮副的间隙。

数控机床进给系统由于经常处于变向状态，反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隙，就会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其传动精度，因此24/48这一对齿轮还必须采取措施消除齿轮传动中的间隙，以提高数控机床进给系统的传动精度。

齿轮间隙的调整采用圆柱薄片齿轮可调拉簧错齿法来实现，其结构如下图所示：

齿轮间隙的调整结构图

图中，在2个薄片齿轮1和2上装有螺纹的凸耳4和8，弹簧的一段钩在凸耳4上，另一端钩在螺钉5上。

弹簧3所受的张力大小可用螺母6来调节螺钉5的伸出长度，调整好后再用螺母7锁紧。

在选择伺服电机时应考虑以下几点：

a、惯量匹配，即0.25≤Jd/Jm≥1，其中Jd为折算到电动机的负载惯量，Jm为电动机转到惯量。

b、转矩伺服电机的额定转矩必须满足实际需要，但是不需要留有过多的余量，因为一般情况下，其最大转矩为额定转矩的3倍。

C、短时间特性（加减速转矩），工作负载转矩大于电动机加减速转矩。

根据以上原则，取电动机型号为1FT5066-OA01△3.导轨及刀架改造因原机床的导轨精度不能满足数控机床的要求。

但改造的原则是尽量保持原机床的部件。

故只能将导轨加以利用。

导轨表面贴塑的方法可使得导轨精度提高。

因此可在导轨上加四氟乙烯软带，其特点是：

摩擦系数低，运动平稳，可吸收震动，维修方便，损坏后更换容易。

在本次设计中采用美国霞板公司研制的德尔赛塑料导轨软带。

数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。

根据加工对象，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。

回转刀架上分别安装四把、六把或更多刀具，并按数控装置的指令换刀。

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减少刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。

由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀架部要进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位机构，以保证回转刀架在每次转为之后具有高的重复定位精度（一般位0.001～0.005mm）。

考虑经济性以及利于普通车床数控化改造，本设计采用四方回转刀架。

并设计成螺旋升降式四房回转刀架。

三、数控系统的选择机床数控系统（CNC系统）是数控机床的控制核心，随着机床数控技术的不断发展与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产效率提高得更为显著。

现在，数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用。

目前市场上流行的数控系统，如FANUC、西门子、华中数控系统等，本设计为经济型数控车床，只要满足设计要求功能及精度即可。

通过比较，国内的华中数控系统步进能达到要求，并且价格便宜，是数控机床的改造的首选系统，根据功能要求，选择华中HNC-21TF型数控系统。

四、结论经过改造后的机床如下图所示：

题目五双坐标十字滑台设计及控制

1.设计目的：

加深理解和掌握机电一体化、计算机接口技术、计算机控制技术、数控技术等课程的基本知识，提高学生综合运用所学知识能力

2.设计内容及要求：

工作台行程：

工作台长度100mm；宽度100mm；

脉冲当量：

0.005～0.008mm/P

其它参数如下表所列

3.设计成果：

1）相关计算

2）相关硬件电路图

3）相关程序

数控工作台采用由步进电机驱动的开环控制结构，其单向驱动系统结构简图如下图所示：

计算动载荷Cj

表3

1.计算载荷

根据Ca选择滚珠丝杠副根据《机电一体化设计基础》，滚珠丝杠副额定动载荷Ca等于或者大于Ca的原则，选用得丝杠副数据：

电机的初选

步进电机转矩校核

步进电机转矩校核

题目六四工位组合机床PLC控制系统设计

1、设计目的：

  学生通过四工位组合机床课程设计,对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高,并运用所学理论,,受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力。

2、设计内容及要求：

四工位组合机床由四个工作滑台，各带一个加工动力头，组成四个加工工位。

除了四个加工工位外，还有夹具、上下料机械手和进料器四个辅助装置以及冷却和液压系统共四部分。

工艺要求为由上料机械手自动上料，机床的四个加工动力头同时对一个零件进行加工，一次加工完成一个零件，通过下料机械手自动取走加工完的零件。

要求具有全自动、半自动、手动三种工作方式。

3、设计成果：

1）相关机械系统元件选择

2）相关硬件电路图

控制流程当按下启动按钮后，上料机械手向前，将零件送到夹具上，夹具夹紧零件，进料装置进料，然后四个工作滑台向前，四个加工动力头同时加工，加工完成后，各工作滑台退回原位，接下来下料机械手向前抓住零件，夹具松开，下料机械手带料退回原位并松开，完成一个工作循环。

要求组合机床能以手动、半自动、全自动三种工作方式工作。

全自动工作方式为一个工作循环结束后，自动进入下一个工作循环；半自动工作方式为一个工作循环结束后，机床将停车于初始状态；手动方式是用于手动调整的。

一、主电路设计1.设计要求

（1）主轴电动机单方向起动，要求有过载及短路保护。

（2）液压泵电动机单方向起动，过载及短路保护。

（3）冷却泵电动机单向工作，过载及短路保护。

2.元件选用根据上面要求，要选用三台电动机：

3、作出草图如下

二、控制电路设计1.设计要求：

主轴电动机M1和液压泵电动机M2可以同时起停，也可以单独起停。

要求在动力头工作进给时，冷却泵电动机M3才接通，但也可以随时调整。

2.元件选用：

3、工作原理

3.电控系统输入输出信号

（1）输入信号（共42个）。

其中：

SQ、YJ为位置检测传感器开关；SA为选择开关；SB为按钮。

（2）输出信号（共27个）。

其中：

YV为电磁阀；KM为接触器；HL为指示灯

3）输入元件数量行程开关12个按钮24个选择开关1个检测元件5个（4）输出元件数量电磁阀16个接触器6个指示灯5个根据本设计选用的PLC机型，将输入输出元件分配到PLC的输入输出接口。

根据本文所给的输入输出元件可列下表

输入输出信号地址表

4.设计PLC控制系统电气原理图I/O接口图它反映的是PLC输入输出模块与现场设备的连接。

PLC的输入点大部分是共点式，即所有输入点具有一个公共端COM。

I/O电气接口图如下图所示：

5.设计PLC控制系统操作面板控制系统的操作面板是向PLC控制系统发布控制命令的主令元件组合而成的。

本设计中，输入元件共42个，其中按钮SB24个、检查元件YJ5个、行程开关SQ12个，选择开关1个，基于对机床工作方式的控制要求，面板上应设有选择开关ISA、预停按钮；鉴于手动调整方式下，相应按钮发出控制命令，驱动组合机床相应部件运动，因此面板上应设相应按钮5SB-24SB，鉴于对组合机床的启动，停止及润滑故障的处理控制，应在操作面板上设有按钮2SB、总停按钮1SB、润滑故障切除按钮4SB、其他输入元件均为检测元件，不在操作面板中设置，由