机电一体化系统设计实验指导书12精.docx
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机电一体化系统设计实验指导书12精
机电一体化系统设计实验指导书
周慧编撰
湖南工程学院机电教研室
2007.9
前言
为了适应应用型机电类本科人才的培养,促进教学改革和教学质量的提高,配合《机电一体化系统设计》课程深入系统地教学,特遍撰了与理论课程相3的实验教材。
根据不同的培养要求,选择不同的实验内容。
本书共设五个基本实验,其中,设计型实验2个、综合型实验1个、验证型实验2个。
从机电一化系统的驱动控制、执行件运动参数的检测,到典型机电一体化系统整机的结构、控制,为学生较全面地了解机电一体化系统所涉及的知识,设置了必须了解和掌握的实验内容。
本书重点突出,选材慎重,从实验原理到实验设备、步骤、内容都有较详细的阐述。
对于设计型实验,专门设有重要的参考资料,帮助学生解决实验设计中的难题。
由于撰写时间仓促,加之个人的理论水平有限,在撰写过程中难免存在缺点和错误,敬请各位读者给予批评指正,本人不胜感激。
作者:
周慧
2007年9月
1《执行元件的驱动控制及接口》实验（1
2《加工中心结构与控制剖析》实验（13
3《检测传感器及微机接口》实验（19
4《三坐标测量机结构与控制认识》实验（24
5《加工中心结构与控制认识》实验（25
1《执行元件的驱动控制及接口》实验
1.1实验目的
1.掌握软件脉冲分配工作原理。
2.设计简单的软件脉冲分配模拟验证电路。
1.2实验原理
在机电一体化系统中,最常用的执行元件是步进电动机。
而步进电动机的运转控制是通过对电动机绕组分配通、断电来完成的,即使用一组脉冲序列来控制电动机绕组的通、断电。
当改变脉冲序列的频率时,可以改变绕组通、断电的时间,即改变步进电动机的运转速度。
CPU根据轨迹控制要求,产生控制脉冲并启动或终止执行元件的工作。
利用开关模拟启/停控制功能;利用修改定时参数实现变速功能;利用电平变换实现通、断电控制;通过改变通、断电顺序实现电动机旋转方向的控制。
1.3实验设备与涉及的基本电路
1.设备
AEDK5196实验机;PC机。
2.芯片及基本电路
CPU（8031;译码器（74LS138;并行接口（8255、74LS273、74LS244;驱动器（74LS240。
彩色灯电路;单色灯电路;定时器;开关电路;地址锁存电路;地址确认电路等。
3.验证参考电路
选择不同执行元件和控制元件,软件脉冲环行分配的验证电路有所不同。
当不设开关控制环分演示时,可按图1-1所示模式设计验证显示电路。
当设置开关控制时,可按图1-2所示模式设计验证显示电路。
无开关控制的模拟显示参考电路参见图1-3、1-4、1-5所示,有开关控制的模拟显示参考电路参见图1-6、1-7所示。
1.4实验步骤
1.设计脉冲环形分配模拟电路
按三相、四相或五相步进电机的控制模式,根据指导教师分配的实验任务,在表1-1中选择模拟电路的配置方案,设计脉冲环形分配模拟电路。
提示:
设计模拟电路图时,可参考《单片机原理与接口》实验指导书提供的基本电路,绘制所需的模拟电路。
2.设计脉冲环形分配程序
按照单三拍、双三拍、单双混拍供电方式,设计一种脉冲环形分配程序。
其中,包括控制方式（无开关、有开关、中断程序段;延时程序段;数据处理程序段;模拟演示程序段。
3.录入并修改程序
通过PC机输入已编写好的程序,并汇编作语法检查做适当修改,使其符合自己实验所涉及的控制要求。
表1-1模拟电路配置方案一览表
控制方案三相环分四相环分五相环分
4.检查实验装置
检查AEDK实验机的实际工作状态,打开机箱电源,按键,检查数码管显示器显示状态是否正常。
通过PO口、74LS240驱动器、单色或彩色灯,检查所使用导线是否导通。
通过单色灯、导线连接开关,检查开关的开、合状态。
5.观察软件环形分配结果
按设计好模拟电路接线,随后合上AEDK实验机的电源,再将调试好的程序传至单片机,并全速运行该程序,观察运行情况,及时记录出现的问题。
1.5实验要求与报告
1.严格按操作步骤操作,接线前,先测试连线的导通状态,然后断电连线。
2.接线完成后,先自查两遍,再请实验指导老师检查一遍,方可通电。
3.不允许随意通电,或拆装实验装置。
4.记录实验调试过程中出现的问题,以及解决的方法。
5.撰写实验报告:
（1实验目的、实验设备、实验原理;（2环形分配模拟电路接线图;（3环形分配控制程序流程框图;（4环形分配控制程序清单;
（5简述实验中遇到的问题及解决方法;（6实验结论及实验体会。
1.6实验参考资料
1.延时参数的计算（1软件延时
假设:
AEDK实验机的晶体振荡频率为fOSC=11.0592MHz,需要延时0.2s,采用双重计数循环来延时,则延时程序中的时间参数应按下列方法确定。
MOV
direct1,#n1;2TLP1:
MOVdirect2,#n2;2TLP2:
NOP;1TNOP
;1TDJNZdirect2,LP2;2TDJNZdirect1,LP1;2TRET
;2T
①估算延时程序的最大定时长度
t=2T+[2T+（1T+1T+2Tn2+2T]n1=4T[1+（1+n2n1]
当s（0592
.T6
OSCf-⨯==、n1=n2=256时,程序循环次数最多,定时最长。
（[]s（285559.00592
.1110124tt6
max
=⨯++⨯⨯⨯==-
②相对精确计算延时参数
∵t=4T[1+（1+n2n1]=0.2（s
∴1n460791n1
1T4tn1
1612-=--⨯⨯⨯=--=
循环参数计算值参见表1-2.所示。
表1-2循环参数取值一览表
n1256249245235230179.295n2
178.996
185.056
187.077
195.081
199.343
256
讨论:
当n1=256、n2=178.996时,圆整后取n2=179,循环误差最小,但为“超时”误差。
当n1=249、n2=185.056时,圆整后取n2=185,循环误差次之,并产生“欠时”误差。
在考虑其它程序语句对定时控制的影响时,可以选用有“欠时”误差的循环参数。
否则,选用误差最小的循环参数。
（2硬件延时
假设:
利用定时器T0或T1提供的基本定时、计数功能,完成所需要的延时长度。
实际应用时可参考下列做法进行。
设T0——定时器,T1——计数器.,均按方式1计数。
①估算T0、T1共同作用时最大定时长度T0独立完成定时任务时,可产生的延时量为
（
fs（071111.00592
.1110
12212
Z2t6
16OSC
0160=⨯⨯
=⨯-=-
当T0、T1的计数器初值TLi0=0、THi0=0时,通过T0、T1共同作用可获得最长的定时。
即
（（
h（294538.1（min672296.77s（338.
.12
Z2Z2tNt6
16
16
OSC
01611601f===⨯⨯⨯=⨯
-⨯-=⨯=-式中:
t——总时间;N1——T1的最大计数值;t0——T0的最长定时量;
Z1——计数器T1的计数初值;Z0——定时器T0的计数初值。
②相对精确计算延时参数
设置0.5s的定时时钟,T0提供50ms的基本时钟、T1提供10次的循环定时操作,则T0、T1的计数器初值分别为
H400B4608012
100592.2t2
Z6316OSC16
0==⨯⨯⨯-=⨯-=-f
Z1=216-10=65526=FFF6H
即:
TL0=00H、TH0=0B4H;TL1=0F6H、TH1=0FFH。
③T0、T1的初始化参考程序方式控制字格式参见表1-3。
表1-3T0、T1方式字格式
T1T0
D7
D6D5D4
D3D2D1D0GATEC/TM1M0GATEC/TM1M00
10
1
1
TMOD=51H,P3.0接P3.5（T1计数脉冲输入端。
初始化程序:
MOVTMOD,#51HMOVTL1,#0F6HMOVTH1,#0FFHMOVTL0,#00HMOVTH0,#0B4HCLR
P3.0
SETBTR1
SETBTR0
用查询方式判断T0、T1的工作情况。
当TF1=1时,约定时间到。
其程序段为TT0:
CLRP3.0
JNBTF0,TT0
MOVTL0,#00H
MOVTH0,#0B4H
SETBP3.0
CLRTF0
JNBTF1,TT0
CLRTR0
CLRTR1
2.并行接口的选用及初始化
（1PO口
当PO口采用一般I/O接口芯片74LS273、并通过地址译码器74LS138选择接口地址时,没有接口的初始化问题,只需使用片外寻址方式对PO口进行操作即可。
例如:
输入用“MOVXA,@DPTR”,输出用“MOVX@DPTR,A”。
（28255芯片
8255A有两个控制字:
工作方式控制字、C口置位控制字。
工作方式控制字的作用:
设置端口PA、PB、PC的工作模式,是三个8位I/O口,还是四个I/O口,是单向口还是双向口等。
其控制字格式如表1-4所示。
表1-48255方式字格式
8255用基本输入/输出工作模式时,初始化仅涉及芯片工作方式控制字的设置。
例如:
PA口——输入、接开关,控制系统启动/停止操作;PB口——输出,接
指示灯,模拟状态。
其控制字为:
=82H,初始化程序:
MOVA,#82H
MOVX@DPTR,A
C口置位控制字的作用:
设置端口PA、PB在选同方式或双向方式下所需控制线的初始状态,其控制字格式如表1-5所示。
表1-58255PC口工作方式控制字格式
3.三相步进电动机脉冲环行分配参考程序
（1基本实验条件
=00为单三拍;
①20H单元寄存脉冲分配与电机旋向模式:
20H.1、20H.0=11为双三拍;
=10为混拍。
20H.7=0——为正转;20H.7=1——为反转。
②单三拍、双三拍、混拍环分控制字参见表1-6所示。
表1-6三相步进电动机脉冲环行分配控制字表
③P3.2——K1停止开关;P3.3——K2启动开关。
④定时器:
T0,基本时间50ms。
⑤计数器:
R7——通电循环计数器;R3——延时循环计数器。
⑥寄存器:
DPTR——数表指针;SP——堆栈指针;R0——脉冲值偏移量。
⑦模拟灯的连接:
P1.0——DG1（或DR1;P1.1——DG2（或DR2;P1.2——DG3（或DR3。
（2参考程序
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0100H
START:
MOVSP,#60H;设置堆栈指针
MOVTMOD,#01H;设置定时器T0,方式1
MOVDPTR,#TAB;脉冲数据表指针
WAIT1:
SETBP3.2
JBP3.2,WAIT1;若停止开关合上,则结束脉冲分配CONTINUE:
WAIT:
MOVP3,#0FFH;P3口置读数状态
JNBP3.3,WAIT;若启动开关未合上,则等待启动
MOVA,20H;启动脉冲分配,取模式值,A←（20H
ANLA,#03H;保留脉冲分配模式值,即最低两位待查
JNZLOOP1;脉冲分配非单三拍转至LOOP1处
JB20H.7,DFZ;20H.7=1转“单三拍反转”程序DFZ
MOVR0,#0H;单三拍,正转,置脉冲数表偏移量初值
MOVR7,#3;单三拍循环计数器
NEXT:
JBP3.2,JS;查询有无电机停止信号,有则停机MOVA,R0;取脉冲数表偏移量
MOVCA,@A+DPTR;读取脉冲分配值
MOVP1,A;输出脉冲分配值
LCALLDISPLAY;延时1s
INCR0;脉冲数表按“+1”修正
DJNZR7,NEXT;若三拍循环未完,则进入下一拍
AJMPCONTINUE;循环结束,则继续测试电机的运行状态DFZ:
MOVR0,#03H;单三拍反转脉冲数表偏移量初值SJMPNEXT;转入脉冲分配操作
LOOP1:
JNBACC.0,LOOP2;脉冲分配为混拍方式,转LOOP2处理MOVR7,#3;脉冲分配双三拍,置计数器初值
JB20H.7,SFZ;20H.7=1,转“双三拍反转SFZ”处理
MOVR0,#06H;置双三拍正转脉冲数表偏移量初值
SJMPNEXT;转脉冲分配操作
SFZ:
MOVR0,#09H;置双三拍反转脉冲数表偏移量初值SJMPNEXT;转脉冲分配操作
LOOP2:
MOVR7,#6;置混拍循环计数器初值
JB20H.7,HFZ;20H.7=1,转“混拍反转HFZ”处理
MOVR0,#0CH;置混拍正转脉冲数表偏移量初值
AJMPNEXT;转脉冲分配操作
HFZ:
MOVR0,#12H;置混拍反转脉冲数表偏移量初值AJMPNEXT;转脉冲分配操作
DISPLAY:
MOVR3,#20;延时,t=20×50ms=1s,R3=20
LOOP4:
MOVTH0,#4BH;时间常数,定时50ms
MOVTL0,#00H
HERE:
SETBTR0;启动定时器T0
JNBTF0,HERE;查询50ms是否延时已到
CLRTF0;50ms时间到后,清除中断标志
CLRTR0;关闭定时器T0
DJNZR3,LOOP4;若1s的延时未到,将继续延时
RET;延时1s到后返回
JS:
SJMPJS;脉冲分配结束
TAB:
DB0FEH,0FDH,0FBH,0FEH,0FBH,0FDH;单三拍正、反转脉冲分配值DB0FCH,0F9H,0FAH,0FAH,0F9H,0FCH;双三拍正、反转脉冲分配值DB0FEH,0FCH,0FDH,0F9H,0FBH,0FAH;混拍正转脉冲分配值
DB0FEH,0FAH,0FBH,0F9H,0FDH,0FCH;混拍反转脉冲分配值
END
2《加工中心结构与控制剖析》实验
2.1实验目的
1.掌握加工中心的工作原理及控制特点。
2.熟悉加工中心的基本结构和控制功能。
3.了解加工中心的加工测量范围与工艺特点。
4.了解加工中心常用的刀具、夹具、附件。
2.2实验原理
通过对加工中心的现场观察与操作,找出加工中心的控制规律,结构特点,运动形式。
2.3实验设备与实验条件
1.实验设备
欧玛加工中心;标准50刀柄;简易组合夹具;对刀杆等。
2.实验条件
若干把标准刀具;对刀仪;虎钳以及若干常用工具等。
2.4实验步骤
1.了解欧玛加工中心常用的刀具、夹具、附件的种类及其使用方法,欧玛加工中心工艺特点和加工范围。
2.欧玛加工中心机械结构的观察与记录,并徒手绘制主要执行件的传动系统图。
（1绘制主系统传动图
（2绘制进给系统传动图
（3绘制辅助系统传动系统图
【提示】:
主要观察机床的整体布局;三维坐标系统;主轴及主轴箱;刀库等重要结构的特征、功能。
表2-1欧玛加工中心机械结构的观察记录表序号观察项目部件名称部件特征、功能
1
坐
标
系
统X轴
2Y轴
3Z轴
4主传动
系统
5
6
刀库
7
3.数控装置基本功能剖析。
主要观察CNC在编辑状态下提供的基本功能,并一一记录。
【提示】仔细观察实验指导老师的演示操作过程,主要观察参数的输入、修改、存储;加工程序输入、存储、调用;操作区域的划分与使用等人机交互界面的设置形式,以及内容的配置情况（徒手绘制界面图。
表2-2编辑状态基本功能观察记录表
序号观察项目操作过程
1
程
序
操
作录入
2修改
3存储
4调用
5
参
数
操
作录入
6修改
7存储
8其它
图2-1编辑界面分布记录图
4.主轴及主轴箱功能剖析。
调用已存的加工程序,并开动机床自动运行,观察
主轴的运动情况。
或手动操作主轴系统,观察主轴的运动控制情况,并记录。
【提示】:
观察数控装置的变化、主轴及主轴箱的运动情况:
上下、旋转、停止等运动的速度与位置控制;喷淋冷却与中孔冷却的执行部件及其控制。
表2-3主轴及主轴箱功能观察记录表
序号观察项目执行部件运动控制操作过程
1
上下运动Vmax
2Vmin
3位置精度
4
回转运动nmax
5nmin
6位置精度
7其它
5.刀库系统功能剖析。
调用已存的加工程序,并开动机床自动运行,观察刀库运动情况。
或手动操作刀库系统,观察其运动控制情况,并记录。
【提示】:
观察数控装置在换刀过程的变化、刀盘转位控制、刀库进退移动及定位控制,刀库与主轴的协调运动控制等。
表2-4刀库功能观察记录表
序号观察项目执行部件运动控制操作过程
1
进退运动V平均
2前进极限
3后退极限
4
回转运动n平均
5位置精度
6n平均
7位置精度
6.工作台功能剖析。
手动操作工作台或调用已存程序,按自动运行方式驱动工作台运动。
【提示】:
观察数控装置在工作台手动方式或自动方式下的变化;工作台的驱动方式;运动范围;运动速度;结构尺寸;承载能力;精度等级等。
表2-5刀库功能观察记录表
序号观察项目执行部件运动控制操作过程
1
进退运动V平均
2前进极限
3后退极限
4
回转运动n平均
5位置精度
6n平均
7位置精度
7.机床操作面板功能剖析。
观察加工中心的各种工作方式,并记录其控制特点。
【提示】:
观察数控装置在机床选择自动运行、手动运行和步进运行方式。
表2-6机床控制面板功能观察记录表
序号观察项目执行部件运动控制显示屏幕数据变化特点操作过程1
自动运行主运动
nmin
2nmax3
进给运动
Vmin4Vmax5
手动运行主运动
nmin
6nmax
7
进给运动
Vmin
8Vmax
9其它
2.5实验要求与报告
1.严格按实验室的操作规程进行,只观看实验指导老师的演示操作,认真记录操作过程及出现的各种变化。
2.认真聆听实验指导老师的讲解,在适当的实验进行期间与实验指导老师交谈,询问不解的问题和自己感兴趣的专业问题。
3.不允许拆装实验装置和损坏实验设备,以及其它实验装置与工具。
4.记录实验设备的独立单元控制内容、关联单元协调控制关系,以及调试过程中出现的问题和解决该问题的方法。
5.撰写实验报告:
（1认真填写实验观察项目。
（2描述独立单元控制内容（主轴箱、工作台、刀库、CNC装置。
（3绘制相关单元协调动作控制流程框图。
（4绘制加工中心简易传动关系图。
（5对加工中心的结构、控制特点做一个简单的概述。
（6实验中遇到的问题,及解决方法。
（7实验体会与感想。
3《检测传感器及微机接口》实验
3.1实验目的
1.掌握位置传感器的工作原理。
2.掌握A/D转换芯片0809与单片机的接口方法。
3.了解A/D转换芯片0809转换性能及接口编程方法。
4.学会使用单片机进行数据采集与处理。
3.2实验原理
位置测量传感器通常是利用电参数的变化来表示被测器件当前位置的。
采用旋移电位器,改变其电压来模拟被测器件的位移状态。
利用模/数转换装置A/D,采集并处理来自电位器模拟的现场数据。
由CPU对采集来的数据进行可视化处理,通过指示灯亮灯的数量来模拟被测器件的实际位置。
ADC0809为逐次逼近式8位A/D转换器,28条引脚,双列直插式封装,能转换8路模拟量,转换时间大约100s,AEDK5196实验机A/D转换器的基本电路如图3-1所示。
其中,
（1引脚IN0~IN7为模拟量输入端,用来接8路被测模拟信号;
（2D0~D7为数据线,输出经A/D转换后的结果;
（3A、B、C为模拟通道选择线,形成编码选择采集模拟量输入通道;
（4ALE为地址锁存允许,有效时确认ADC0809模拟量采集通道;
（5START为A/D转换信号,有效时进行A/D转换;
（6EOC为转换结束信号,采用中断控制A/D转换时,可选其作为中断请求
信号;
（7OE为输出允许信号,有效时允许A/D转换结果从D0~D7输出。
ADC0809模拟通道由A、B、C所连接的地址线决定,一般情况C、B、A接单片机地址总线的低三位,也可以接其它地址线。
AEDK5196实验机的A、B、C线接系统地址总线的A3、A2、A1。
因此,通道地址由片选CS地址和A、B、C编码地址两部分组成,即CS值加上地址总线A1、A2、A3的值,参见通道的选择表3-1。
表3-1模拟通道一览表
例如:
CS接8100H,选择通道IN3,则通道地址为CS+6,即8106H。
实验时模拟量输入由电位器W1提供,电位器的一端接地（已接好,另一端+VREF接VCC（+5V,结构如图3-3所示。
通过调节电位器W1,可以向ADC0809提供0~+5V的模拟电压。
转换后的8位数字量,由系统数据总线输出。
若A/D转换后的数字量输出至发光二极管,便可直接观察A/D转换后的结果。
A/D转换结束信号EOC,可用作中断请求信号,经过反相后接外部中断INT0（P3.2,在中断服
务程序中读A/D转换结果,可以提高单片机的工作效率。
3.3实验设备与涉及的基本电路
1.设备
AEDK5196实验机;PC机;数字电表。
2.芯片
CPU（8031;A/D转换器（0809;电位器（W1;地址译码器（74LS138;并行接口（8255、74LS273;驱动器（74LS240。
3.基本电路
彩色灯电路;单色灯电路;定时器;地址锁存电路;地址确认电路等。
3.3实验内容
1.采集与显示方案的设计
以CPU主控器,选择A/D数据转换装置、单色或彩色灯为模拟显示装置、电位器为位移信号采集装置,另加地址确认部分,形成一个信号采集与显示控制装置,各部分的连接方案可参考图3-2设计。
2.模拟量采集电路的设计
选择8031为主控芯片,模拟量采集选用ADC0809,信号采集选用电位器W1,采集电路可参照图3-3设计。
要求:
模拟输入通道基本地址为8200H（即IN0;随机采集位移信号;完成A/D转换后能产生中断请求信号。
3.设置转换结果显示电路
选用并行接口（8255或74LS273作为A/D转换结果的模拟输出口,利用驱动
器74LS240驱动单色灯或彩色灯进行模拟显示,转换结果显示电路可参照图3-4设计。
4.编写数据采集与显示程序
参照框图3-5编写传感器采集数据程序。
主要功能为:
读取模拟量并转换为数
字量,数字量大小与指示灯点亮数成正比,循环检测,随机显示。
3.4实验步骤
1.检查导线、指示灯是否能正常工作。
2.测量电位器的电压变化,并记录。
3.编写程序,并录入程序,汇编程序,将其传送至单片机。
4.按设计的电路连线,运行程序,旋动W1,观察LED灯L1~L8的变化情况。
3.5实验要求与结论
1.根据程序流程框图,编写A/D转换程序,并对程序进行注释。
2.画出实验所涉及器件连接原理图,弄清各接口芯片的含义以及使用方法。
3.整理实验记录,撰写实验报告,主要内容为:
实验原理、设备、步骤;模拟
传感
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