机电一体化系统设计实验指导书.docx

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机电一体化系统设计实验指导书

机电一体化系统设计

实验指导书

机械与车辆学院机电教研室

安全注意事项

机电一体化实验平台主要用于教学和科研。

在安装，使用和维护之前，请仔细阅读机电一体化测试平台使用手册的相关文档。

并将机电一体化测试平台使用手册备在身边，以备需要时随时查阅。

使用注意事项

使用（安装、运转、保养、检修）前，请务必熟悉并全部掌握本手册和其它相关资料，在熟知全部机器知识、安全知识、以及注意事项后再使用设备。

本手册将安全注意事项分为“危险”“注意”“强制”“禁止”分别记载。

表0-1警告标志

不正确的操作将会导致重大人身事故。

不正确的操作会导致设备损坏。

必须要做的操作。

被禁止的操作。

另外，即使“注意”所记载的内容，也可能因为不同的情况产生严重后果，因此任何一条注意事项都很重要，在设备使用过程中请严格遵守。

虽然不符合“危险”“注意”的内容，但是用户在使用过程中必须严格遵守的事项，在相关地方以记载。

实验一FMS认知实验

一、实验目的

通过操作MES终端软件，实现对柔性制造系统的任务下达和控制加工，让学生了解CIMS系统在现代自动化加工系统中的重要作用。

二、柔性制造系统基础知识

简称ＦＭＳ，是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。

柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成。

柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统（FlexibleManufacturingSystem），英文缩写为FMS。

FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产（即具有“柔性”），并能及时地改变产品以满足市场需求。

三、实验安排

4学时、根据场地大小安排人员

四、实验步骤

1.参看入库实验完成堆垛机回零。

将水晶样件或亚克力样件入库（参考入库实验）。

2.将数控雕刻机联机。

1）、按启数控雕刻机操作面板上的电源开启按钮，使数控雕刻机上电

2）、进入数控系统后，按启操作面板上的——RefPoint——进回零界面，分别按启显示面板上的F1——确定，F2——确定，F3——确定，三轴单独回零完成后会提示系统工作正常。

3）、系统回零完成后，按操作面板上的MainMeun按钮，在此界面中按显示面板上的F5（诊断）进入联机界面。

4）、在联机界面中按F6（联机），此时在界面的左上方——联机状态中会显示——联机。

（在联机之前请开启服务器工控机的FMS系统解析软件）

3.将激光内雕机联机。

1）首先把钥匙开关、急停开关和电源开关都打开，按启操作面板上START按钮，再等内雕机冷却系统的显示温度和设定温度相等时（+-0.1度）再按顺序开启LASER按钮——SCAN按钮，雕刻水晶块时，请旋转激光电流调节旋钮，把电流调整到17.2左右。

（请注意：

如果要关闭激光内雕机电源时，请把激光电流调到最小，再按照开机步骤反过来关闭各电源。

）

2）打开激光内雕机的软件

3）打开加工文件

内雕机软件打开后，在文件中选择——导入——在外部文件导入对话框中选择您想导入的文件——点击打开——就完成了加工文件的导入。

4）联机设置

文件导入后——选择：

设置—网络设置（IP地址192.168.0.100）—再点击确定，连接成功。

4.打开生产管理软件后，输入密码：

88888888。

5.在固高科技自动化生产管理系统中点击展开MES-控制平台，点击展开生产调度管理，

点击生产管理选择生产产品确定数量及创建者，点击下达任务。

（要确定仓库中有）

6.待加工任务执行完毕，产品自动入库。

实验二伺服控制系统实训与故障诊断实验

2.1实验目的

1、了解交流伺服系统的组成和控制原理；

2、熟悉交流伺服驱动器参数的设置，控制系统的参数设置等；

3、熟悉交流伺服系统的操作和使用方法；

4、掌握交流伺服控制系统的电气故障诊断与排除方法；

2.2实验设备

机电一体化综合测试平台（含交流伺服控制模块）1台

2.3实验原理

2.3.1交流伺服电机的控制方式

目前常用的交流伺服驱动器多为智能型驱动器，即除了电流放大作用外，也存在简单的控制功能。

一般的永磁同步伺服电动机即AC伺服电动机有位置（脉冲）控制、速度（模拟量）控制和转矩（模拟量）控制以及复合控制，控制方式的选择取决于系统的要求。

它们的主要区别在于控制信号是一个什么指令以及使用的哪一环进行闭环（相对于驱动器，如图2-1所示）。

位置控制时，控制信号是一个位置指令，速度环2、电流环1都是内环；速度控制时，控制信号是一个速度指令，位置环1没有接进来；转矩控制时，控制信号是一个转矩（电流）指令，位置环1和速度环2都未接入。

复合控制用于一些特殊场合，或者先位置控制，后速度控制，或者先速度，后转矩控制。

由于控制方式不同，控制信号及驱动器参数设置，外部接线都不一样。

位置控制信号大都是脉冲加方向信号，而速度和转矩指令大都是模拟电压信号。

位置指令速度指令电流指令

1

位置环

2

速度环

3

电流环

互感器

电机

位置反馈

速度反馈

电流反馈

编码器

图2-1交流伺服电机的控制方式

2.3.2交流伺服控制原理

永磁同步电机是由永磁材料制作的转子和通三相交流电源产生旋转磁场的定子构成。

目前常用的永磁同步伺服驱动的调速主回路采用矢量变换SPWM变频控制方式。

矢量变换

的基本思路是将定子电流分解成励磁电流和转矩电流，在调速过程中保持转子磁链（即定子的励磁电流分量）不变，此时交流电机的调速原理就和直流电机相同了，这样就可以通过改变供电电源的频率

即PWM控制来实现调速了。

固高机电一体化技术综合测试平台采用的松下交流伺服电动机，驱动器

也是采用矢量变换正弦波PWM控制方式，由内部微处理器对定子电流进行矢量变换运算，然后进行

PWM调制来调速。

其控制原理方框图如图6所示，控制框图只画出了速度环和电流环部分。

光电编码器产生的脉冲信号经速度解码器处理成数字信号直接送到CPU，在数字调节器中与速度给定信号进

行比较运算（PID）后产生三相交流的电流幅值信号IM。

为了提高速度调节品质，现在的驱动器大都采用了以下两项关键技术：

一是在速度解码器中采用M/T测速方法，即在电动机高速运转时，通过记

录单位时间内的脉冲个数来实现速度测量，而在电动机低速运转时，通过记录两脉冲之间的时间长短来实现速度测量。

这样无论是在高速或低速时都能很准确的测定电动机的转速。

二是数字调节器算法

中采用先进的滑模算法，这种算法根据电动机在高速和低速运行状态上的不同特性，分别给定不同的PID调节参数，使各阶段的参数都能得到优化。

这样就使电动机在低速运行时平稳性好，高速时跟随误差小，松下伺服驱动器采用了这种算法。

图2-2交流伺服控制原理

为生成三相交流电，需通过乘法器将电流幅值信号IM与电动机转子位置信号θ通过矢量乘法运算来合成（按以下公式）。

位置信号θ由光电编码器产生的脉冲信号经位置解码器处理成数字的电动机转子角位置。

iu=IMsinθiv=IMsin（θ+120o）iw=IMsin（θ+240o）

当三相电流获得后送入电流调节器同反馈回来的电流信号进行比较运算后经PWM调制后到驱动电

路，最后驱动伺服电动机工作。

除了这些基本结构外，电路中还加入了故障处理和保护环节，如过压、欠压、过流、断相及电动机过热等硬件检测及保护电路。

一旦出现故障将通知CPU并封锁输出。

同步电机转子转速与定子旋转磁场的转速相同，当电源频率不变时，同步电动机的转速为常数，与负载无关。

n=n1

=60fp

（f为电源频率，p为转子磁极极对数）

同步电机的转速正比于电源的线电压（在额定速度以内，超出额定速度时由于弱磁控制，电压将被嵌位于定值），这就是永磁同步伺服电机的调节特性。

如图7所示：

交流永磁同步电机在额定速度以内具有恒转矩的特性，超出额定速度后，由于弱磁控制，具有恒功率的特性。

这样在额定速度以内，负载一定时，交流永磁同步伺服电机就不像步进电机、直流伺服电机一样，

随着速度的增加，输出转矩下降。

这样的特性非常适合于恒转矩类型的负载，比如机床的进给系统。

交流电机的输出功率计算公式为:

W=V⨯N

19.55

（W：

单位瓦，V：

单位转/分，N：

单位牛.米）

由上式可以看出，在负载一定时，伺服电机的输出功率同速度成正比。

交流伺服驱动器输入功率计算公式为：

W0=3⨯U⨯I

（U：

线电压，I：

线电流）

2.4交流伺服系统控制面板结构

交流伺服控制面板具体结构图（驱动器部分），如图2-2所示，主要包括电机连接线、编码器反馈信号、与运动控制器相连信号以及驱动器本体组成；

交流驱动器

控制信号

电机连接

线

编码器反馈信

号

信号测试

点

图2-2交流伺服驱动面板

（1）电机连接线

U，V，W信号为交流伺服电机的电源线，PE为接地线。

（2）本体编码器反馈信号

A+,A-,B+,B-,C+,C----本体反馈到驱动器的编码器信号；

5+,0V---------------------编码器的电源信号；

此处采用的是增量式编码器，用于反馈电机轴的实际位置。

（3）连接运动控制器信号

A,/A,B,/B,C,/C---------为驱动器反馈给运动器控制器的编码器信号；

+5V----------------------为编码器提供电源；

PUL+,PUL--------------为脉冲信号，用于位置模式下的电机控制；

DIR+,DIR---------------为方向信号，用于位置模式下的电机控制；

DAC---------------------为驱动器接受的模拟控制信号，范围一般为-10V-10V，用于速度模式下的电机控制；

OGND,OVCC,GND----分别为电源地，电源和数字地；

RESET--------------------驱动器的复位信号；ALM----------------------驱动器的报警信号；ENABLE-----------------驱动器的使能信号；

2.5实验步骤

2.5.1接线实验

根据电气连接图搭建交流伺服运动控制系统，具体接线步骤如下所示：

1）电机电源接线将交流伺服控制面板上左上角的电机动力线接口“U，V，W，PE”分别和机械本体信号接口面板上的“U，

V，W，PE”相连（Note1）；

交流伺服控制面板机械本体信号接口面板

Note1:

当交流轴位于X轴时,与机械本体信号接口面板的X轴电机信号部分的信号相连接;当交流轴位于Y轴时,与机械本体信号接口面板的Y轴电机信号部分的信号相连接;当交流轴位于Z轴时,与机械本体信号接口面板的Z轴电机信号部分的信号相连接;

2）机械本体编码器反馈到驱动器连接

将交流伺服控制面板上左下角的编码器信号A+、A-、B+、B-、C+、C-、5+、0V和机械本体信号接口面板的A+、A-、B+、B-、C+、C-、5+、0V一一连接（Note2）；

交流伺服控制面板机械本体信号接口面板

Note2:

当交流轴位于X轴时,与机械本体信号接口面板的X轴编码器信号部分的信号相连接;当交流轴位于Y轴时,与机械本体信号接口面板的Y轴编码器信号部分的信号相连接;当交流轴位于Z轴时,与机械本体信号接口面板的Z轴编码器信号部分的信号相连接;

3）驱动器和运动控制器之间的连接线

a）、交流伺服驱动器为位置模式时、控制指令为脉冲+方向；

将交流伺服控制面板上右边PUL+、PUL-、DIR+、DIR-、OGND、+5V、0VCC、GND、RESET、ALM、ENABLE信号和机械本体接口面板的PUL+、PUL-、DIR+、DIR-、+5V、OGND、0VCC、GND、RESET、ALM、ENABLE一一相连接；

b）、交流伺服驱动器为速度模式时，控制指令为模拟电压信号；

将交流伺服控制面板上右边A、/A、B、/B、C、/C、+5V、OGND、0VCC、GND、DAC、

RESET、ALM、ENABLE信号和运动控制器信号接口面板的A、/A、B、/B、C、/C、+5V、OGND、

0VCC、GND、DAC、RESET、ALM、ENABLE一一相连接（Note3）；

交流伺服控制面板运动控制器信号接口面板

Note3:

当交流轴位于X轴时,与运动控制器接口面板的X轴的信号相连接;当交流轴位于Y轴时,与运动控制器接口面板的Y轴的信号相连接;当交流轴位于Z轴时,与运动控制器接口面板的Z轴的信号相连接;

4）机械本体和运动控制器之间的连接线

a）、将机械本体信号接口面板上的HOME、LIM+、LIM-与运动控制器信号接口面板上的HOME、

LIM+、LIM-相连接（Note4）；

HOME-------用来检测机械本体上的零点信号；机械回零时，需要用到该信号；

LIM+--------用来检测机械本体上的正限位信号，保护轴在运动过程中，平台不与机械端面发生碰撞，避免超出行程；

LIM---------用来检测机械本体上的负限位信号，保护轴在运动过程中，平台不与机械端面发生碰撞，避免超出行程；

机械本体信号接口面板运动控制器信号接口面板

Note4:

当交流轴位于X轴时,与运动控制器接口面板的X轴辅助信号相连接;当交流轴位于Y轴时,与运动控制器接口面板的Y轴辅助信号相连接;当交流轴位于Z轴时,与运动控制器接口面板的Z轴辅助信号相连接;

b）、将机械本体信号接口面板上辅助编码器信号A5+、A5-、B5+、B5-、+5V、GND与运动控制器信号接口面板上辅助编码器信号A5+、A5-、B5+、B5-、+5V、GND一一对应相连接（Note5）；

Note5：

当交流轴位于X轴时，需要连接该部分的信号，用来进行反向间隙实验；

c）、将机械本体信号接口面板上的OVCC、OGND与运动控制器信号接口面板上的OVCC、OGND

相连接；OGND为电源地，该信号不接，则会造成I/O信号没有电源地，造成I/O信号不对；

机械本体信号接口运动控制器信号接口面板

5）接线确认无误后，给系统上电；

6）等待一会儿，系统自动进入机电一体化技术综合测试平台软件界面（如图2-3所示）；

图2-3机电一体化技术综合测试平台程序主界面

2.5.2驱动器参数设置

按照松下伺服驱动器手册，进行相应的参数设置，出厂默认设置：

驱动器工作在位置模式下；

2.5.3交流伺服系统实训实验

该部分主要用来检测电气接线是否连接正确，让学生加深对交流伺服系统电气图的连接；熟悉各个部分的电气连接；具体步骤：

1）在机电一体化技术综合测试平台软件主界面（图2-3），点击“实训与故障诊断实验”按钮，进入“实训与故障诊断实验”界面（图2-4）；

图2-4实训与故障诊断实验主界面

2）击相应的轴通道接线按钮（Note4）；进入相应的轴接线显示界面（图2-5），在该界面可以看到连线的接通状态；接线连接通，相应按钮会亮绿色；反之，则表明连线未接通，请检查连接是否接错；对照交流伺服控制系统的电气图纸，核对与驱动器连接部分的信号，在图2-5中是否都接通；如果没有，请查找接线错误，直到接线错误排除为止；

Note4:

图2-5交流伺服控制面板

当交流轴位于X轴时,点击“X轴连线”按钮；进入X轴接线；当交流轴位于Y轴时,点击“Y轴连线”按钮；进入Y轴接线；当交流轴位于Z轴时,点击“Z轴连线”按钮；进入Z轴接线；

3）点击“返回”按钮，在图2-4界面，点击“机械本体”按钮，查看机械本体与运动控制器的信号连接；如图2-6所示：

图2-6机械本体信号接口面板

4）点击“返回”按钮，回到图2-4界面，在“Teacher’sFaultList”下面的列表没有错误提示（有错误提示时，会看到相应的组号有红色显示）；可以进行该轴的其它实验（Note5）；

Note5：

该轴指的是图2-5中显示的轴号；

2.6故障诊断实验

在工厂企业中，自动化生产设备常常会出现一些故障，造成故障出现的原因有多种，而任何一套自动化生产设备，无非由执行元件、传感器部分、控制器部分几大部分组成；在执行元件部分，包括电气元件，气动元件和液压元件。

三种不同执行器的差别仅限于驱动方式和控制媒介的不同。

执行器主要包括电机，电缸，气缸，液压缸；传感器主要有电容式，电感式，光电式，磁感应式，压阻式等；控制器除了运动控制器或者PLC外，如果执行机构是电机，还要有相应的专用的步进或伺服控制器传感器等；所谓的故障诊断，分为调试中的故障诊断和运行中的故障诊断。

两者的唯一区别在于调试是设备的初次运行，在能够正常工作之前，可以在任何环节出现故障。

而运行中的故障诊断，表示设备已经可以正常工作，但由于某些原因，突然不工作或不按正常运动顺序工作；在机电一体化技术综合测试平台上，主要讲调试中的故障诊断，而且是电气控制系统“弱电”部分的故障诊断，即与控制器相关的故障诊断；

针对交流伺服控制系统，目前可以设置与运动控制器相关的故障实验，具体如下：

（1）ENABLE------使能信号交流伺服控制系统中，使能信号主要用来给驱动器伺服使能，如果该信号线出现故障，则会

造成电机无法运动；

（2）PUL+-------正脉冲控制信号在交流伺服控制系统中，该信号用来给驱动器发送脉冲控制指令，如果该信号线出现故障，

则会造成电机无法运动（在交流伺服驱动器设置为位置模式时，该信号才启作用）；

（3）DIR+--------正方向信号在交流伺服控制系统中，该信号用来控制电机的运动方向，如果该信号线出现故障，则无论

下达正方向运动信号、还是下发反方向运行信号，电机均只朝一个方向运动（在驱动器设置为位

置模式时，该信号才启作用）；

（4）DAC-------模拟电压控制信号在交流伺服控制系统中，该信号用来给驱动器发送模拟电压控制指令，如果该信号线出现故

障，则会造成电机无法运动（在交流伺服驱动器设置为速度模式时，该信号才启作用）；

（5）A、B、C-------编码器信号在交流伺服控制系统中，该信号可以用来反馈速度信号、位置信号；说明：

在交流伺服驱动器设置为速度模式时，如果该编码器信号任何一个相信号线出现故障，如果在运动控制器上进行位置环控制，会造成“电机飞车”现象；

在交流伺服驱动器设置为位置模式时，如果该编码器信号出现故障，只是在程序上不能读取电机的位置和速度而已，不会出现“电机飞车”现象，因为在运动控制器一端进行的是开环控制；

（6）OVCC------电源端，给驱动器提供+24V

在交流伺服控制系统中，该信号用来给驱动器提供I/O的电源；如果该信号线出现故障，

（7）HOME-------轴的零位信号

在交流伺服控制信号中，该信号主要在采用“HOME回零方式”时，用来检测零位信号，如果该信号线不接，则会造成在以“HOME回零方式”时，找不到零位信号，轴无法实现回零；

（8）LIM+、LIM---------轴的正负限位信号在交流伺服控制系统中，正负限位信号用来确认平台可用的行程范围；避免平台在运动过

程中，碰撞平台的最左端和最右端，起到保护的作用；如果该信号线不接，则会造成在运动时，

无法判断平台可用的行程范围，会造成碰撞；而且在采用“限位回零方式”时，由于找不到零位信号，轴无法实现回零；

针对以上故障类型，在机电一体化技术综合测试平台上，采用功能程序测试法和手动方式来进行故障诊断；在机电一体化技术综合测试平台上，提供了两个层次的训练：

一、学生自行设置故障，观察故障现象；二、教师设置故障，学生通过故障现象，来确定具体故障；

2.6.1学生自行设置故障实验部分

为了让学生更好地了解和掌握排除交流伺服控制系统电气故障的排查方法，方便学生控制信号的通与断；在交流伺服控制面板（如图2-7）、机械本体信号接口面板（如图2-8）上设置了多个拨码开关，学生可以通过必要的诊断手段，来了解交流伺服控制系统电气故障的现象；

拨码开关

图2-7交流伺服控制面板

HOME、LIM

拨码开关

图2-8机械本体信号接口面板

在图2-7、图2-8上面，学生可以通过拨动拨码开关，来控制相应信号的通与断；此时，在程序的交流伺服控制面板、机械本体信号接口面板上看到相应的信号指示灯变红；自行设置

故障实验的具体步骤如下：

（一）ENABLE信号故障测试

1）、在交流伺服控制面板上，把拨码开关SW10朝左断开，断开ENABLE信号；

2）、进入程序的交流伺服控制面板，此时可以看到ENABLE的信号指示灯变红（如图2-9所示）；

图2-9交流伺服控制面板

3）、点击“返回”按钮，再在“实训与故障诊断实验主界面”上，点击“返回”按钮，返回到程序主界面；

4）、点击“系统测试”按钮，进行轴控制，显示如下界面（如图2-10所示）；

图2-10系统测试界面

5）、点击“伺服使能”按钮，使得电机上伺服，可以看到使能变绿（如图2-11所示）；

图2-11轴使能

6）、此时可以用手去旋转电机轴的联轴器，记录下轴的状态；注意事项：

在旋转电机联轴器时，请注意安全，并不能点击程序功能的功能按钮

7）、再在交流伺服控制面板上，把拨码开关SW10朝右拨动，接通ENABLE信号，再用手去旋转电机轴的联轴器，记录下轴的状态；

注意事项：

在旋转电机联轴器时，请注意安全，并不能点击程序功能的功能按钮

8）、对比步骤6）、步骤7）两次的测试结果，理解掌握ENABLE信号的作用；

（四）DAC信号故障测试

在进行该信号的故障测试时，请确认交流伺服驱动器工作在速度模式，并且运动控制器的控制方式为“模拟电压”；具体步骤如下：

1）、在交流伺服控制面板上，把拨码开关SW7朝左断开，断开DAC信号；

2）、进入程序的交流伺服控制面板，此时可以看到DIR+的信号指示灯变红（如图2-16所示）；

图2-16交流伺服控制面板

3）、点击“返回”按钮，再在“实训与故障诊断实验主界