機(jī)械手模型的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一章 緒論1.1前言用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱(chēng)為機(jī)械手。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱(chēng)為工業(yè)機(jī)械手。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。機(jī)械手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)

2、境中的工作。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性較強(qiáng)。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱(chēng)通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.2機(jī)械手的前景與展望機(jī)械手的前景：(1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的6.5萬(wàn)美元。(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)

3、器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人

4、。(6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。(7)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元

5、器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶(hù)的要求，“一客戶(hù)，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠

6、性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地

7、系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中1.3設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、設(shè)計(jì)題目機(jī)械手模型的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)目的a)           通過(guò)設(shè)計(jì)掌握PLC的基本原理及應(yīng)用，使學(xué)生受到PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合訓(xùn)練，掌握一般方法和步驟，提高利用PLC進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的能力。b)           掌握典型機(jī)械手的工作原理和設(shè)計(jì)思路c)  

8、         培養(yǎng)學(xué)生查閱技術(shù)資料的能力，和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，結(jié)合實(shí)際獨(dú)立完成課題的工作能力。d)           提高學(xué)生對(duì)工作認(rèn)真負(fù)責(zé)、一絲不茍，對(duì)事物能潛心觀察、勇于創(chuàng)新、勇于實(shí)踐的基本素質(zhì)。三、設(shè)備概述及技術(shù)數(shù)據(jù)1、機(jī)械手工作過(guò)程概述機(jī)械手的工作流程是：開(kāi)始運(yùn)行后，如果機(jī)械手不在初始位置上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)（橫軸向手抓方向移動(dòng)，豎軸向上移動(dòng)）。歸位后首先橫軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，橫軸前伸；前伸到位后，手爪

9、電動(dòng)機(jī)得電帶動(dòng)手爪旋轉(zhuǎn)；當(dāng)傳感器檢測(cè)到限位磁頭時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止，PLC控制電磁閥動(dòng)作，手張開(kāi)；延時(shí)一段時(shí)間，豎軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，豎軸下降；下降到位后，電磁閥復(fù)位，手爪夾緊；延時(shí)過(guò)后，豎軸上升，同時(shí)橫軸縮回、底盤(pán)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)底盤(pán)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)橫軸、豎軸、底盤(pán)都到位后，橫軸前伸；到位后，手爪旋轉(zhuǎn)，然后豎軸下降，電磁閥動(dòng)作，手爪張開(kāi)；延時(shí)后豎軸上升復(fù)位，然后開(kāi)始下一周期動(dòng)作。2、技術(shù)要求（1）輸入電壓：AC220240V或DC24V（2）消耗功率：<250W（3）氣源大于0.2Mpa且小于0.85Mpa（4）外型尺寸：60cm×45cm×55cm3、主要參數(shù)（1）負(fù)荷參數(shù)：額定負(fù)荷為

10、1kg，最大負(fù)荷為3kg（2）臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：橫軸方向移動(dòng)范圍是450mm，速度是100m/s；豎軸方向移動(dòng)范圍是450mm，速度是100m/s（3）手爪運(yùn)動(dòng)參數(shù)：旋轉(zhuǎn)角度為180度（4）機(jī)械手運(yùn)動(dòng)參數(shù)：旋轉(zhuǎn)角度為270度四、設(shè)計(jì)要求1、控制要求（1）手臂上下直線運(yùn)動(dòng)、左右直線運(yùn)動(dòng)（2）手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（3）手爪夾緊動(dòng)作（4）機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 手臂采用電氣驅(qū)動(dòng)，由PLC發(fā)出控制脈沖控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手臂的進(jìn)給和定位，手爪采用氣壓驅(qū)動(dòng)。2、設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）設(shè)計(jì)電氣控制原理圖（2）進(jìn)行PLC選型及I/O分配（3）PLC控制程序設(shè)計(jì)（4）按要求撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（5）繪制設(shè)計(jì)圖樣五、參考資料1、可編程控

11、制器及應(yīng)用2、機(jī)械手第二章 各部分功能2.1機(jī)械手系統(tǒng)構(gòu)成工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成組成2.2執(zhí)行系統(tǒng)（1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤(pán)（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤(pán)。 傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。（2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的

12、自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專(zhuān)用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。（3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕

13、部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。（4） 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國(guó)的正處于仿真階段。2.3控制系統(tǒng)在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷(xiāo)板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤(pán)磁帶、穿孔卡等記錄程序。

14、主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。2.4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類(lèi)。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。2.5可行性分析該設(shè)計(jì)的核心是PLC控制步進(jìn)電機(jī)技術(shù)，下面，僅對(duì)該技術(shù)進(jìn)行分析：1 步進(jìn)電機(jī)、脈沖與方向信號(hào)步進(jìn)電機(jī)作為一種常用的電氣執(zhí)行元件,廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)需要配備一個(gè)專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電源,驅(qū)動(dòng)電源的輸出受外部的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)控制。每一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度,這個(gè)角度稱(chēng)為步距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度,脈沖的頻

15、率決定了旋轉(zhuǎn)的速度。方向信號(hào)決定了旋轉(zhuǎn)的方向。就一個(gè)傳動(dòng)速比確定的具體設(shè)備而言,無(wú)需距離、速度信號(hào)反饋環(huán),只需控制脈沖的數(shù)量和頻率即可控制設(shè)備移動(dòng)部件的移動(dòng)距離和速度;而方向信號(hào)可控制移動(dòng)的方向。因此,對(duì)于那些控制精度要求不是很高的應(yīng)用場(chǎng)合,用開(kāi)環(huán)方式控制是一種較為簡(jiǎn)單而又經(jīng)濟(jì)的電氣控制技術(shù)方案。另外,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分運(yùn)轉(zhuǎn)方式非常實(shí)用,盡管其步距角受到機(jī)械制造的限制,不能制作得很小,但可以通過(guò)電氣控制的方式使步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)由原來(lái)的每個(gè)整步分成m個(gè)小步來(lái)完成,以提高設(shè)備運(yùn)行的精度和平穩(wěn)性。控制步進(jìn)電機(jī)電源的脈沖與方向信號(hào)源常用數(shù)控系統(tǒng),但對(duì)于一些在運(yùn)行過(guò)程中移動(dòng)距離和速度均確定的具體設(shè)備,采用PL

16、C(可編程控制器)是一種理想的技術(shù)方案。2 控制方案在操作面板上設(shè)定移動(dòng)距離、速度和方向,通過(guò)PLC的運(yùn)算產(chǎn)生脈沖、方向信號(hào),控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源,達(dá)到對(duì)距離、速度、方向控制的目的,見(jiàn)圖1。操作面板上的位置旋鈕控制移動(dòng)的距離,速度旋鈕控制移動(dòng)的速度,方向按鈕控制移動(dòng)的方向,啟/停按鈕控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止。在實(shí)際系統(tǒng)中,位置與速度往往需要分成幾擋, 故位置、速度旋鈕可選用波段開(kāi)關(guān),通過(guò)對(duì)波段開(kāi)關(guān)的不同跳線進(jìn)行編碼,可減少操作面板與PLC的連線數(shù)量,同時(shí)也減少了PLC的輸入點(diǎn)數(shù),節(jié)省了成本。一個(gè)n刀波段開(kāi)關(guān)的最多擋位可達(dá)到2n。在對(duì)PLC選型前,應(yīng)計(jì)算系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量。

17、根據(jù)脈沖頻率可以確定PLC高速脈沖輸出時(shí)需要的頻率,根據(jù)脈沖數(shù)量可以確定PLC的位寬。同時(shí),考慮到系統(tǒng)響應(yīng)的及時(shí)性、可靠性和使用壽命,PLC應(yīng)選擇晶體管輸出型。第三章 機(jī)械手硬件設(shè)計(jì)3.1 可編程控制器PLC及個(gè)部分的選擇1、PLC選型PLC的總點(diǎn)數(shù)并考慮今后系統(tǒng)的調(diào)整的擴(kuò)充，在實(shí)際的I/O點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上，一般應(yīng)加上10%20%的備用點(diǎn)數(shù)。多數(shù)小型PLC為整體式，具有體積小、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，適于工藝過(guò)程比較穩(wěn)定，控制要求比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)的PLC采用主機(jī)模塊與輸入模塊、功能模塊組合使用的方法，比整體式方便靈活，維修更換模塊、判斷處理故障快速方便，適用于工藝變化交多、控制要求復(fù)雜的系統(tǒng)此外，還應(yīng)

18、考慮用戶(hù)儲(chǔ)存器的容量、PLC的處理速度是否滿足實(shí)時(shí)控制的要求、編程器與外圍設(shè)備的選擇等.本設(shè)備控制的對(duì)象是一個(gè)開(kāi)關(guān)量控制的系統(tǒng),同時(shí)利用脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),故應(yīng)采用晶體管形式的輸出.三菱FX2N系列小型PLC具有性?xún)r(jià)比高、功能完善、指令豐富等優(yōu)點(diǎn),能滿足本對(duì)象各項(xiàng)控制性能要求,因此,本系統(tǒng)采用三菱FX2N系列的FX2N-40MR作為基本模塊,能輸出兩路脈沖信號(hào)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的控制2、電源模塊采用Dm150系列開(kāi)關(guān)電源.其特點(diǎn)是輸出功率大、體積小、重量輕,可靠性高,適應(yīng)寬范圍輸入的輸入電壓波動(dòng),具有完備的過(guò)電壓、過(guò)流保護(hù)功能.主要參數(shù):輸入交流電壓:110220V/50Hz、60Hz輸出直流電

19、壓:24V/6.5A最大功率:156W工作環(huán)境:-1040°C3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用二相八拍混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī),主要特點(diǎn):體積小,具有交高的啟動(dòng)和運(yùn)行頻率,有定位轉(zhuǎn)距等優(yōu)點(diǎn).型號(hào):42BYGH101.電器原理圖如下快接線插頭中的紅色表示A相,藍(lán)色表示B相.使用時(shí)如果發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向不對(duì)時(shí)可以將A相或B相兩根線對(duì)調(diào).4、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 SH系列步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,主要由電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分等.如下圖電源輸入部分由電源模塊提供,用兩根導(dǎo)線連接,注意極性.信號(hào)輸入部分:信號(hào)源由FX2N主機(jī)提供.由于FX2N提供的電平為24V,而輸入部分的電平為5V,中間加了保護(hù)電路.輸出部分:與步

20、進(jìn)電機(jī)連接,注意相序.5、傳感器采用接近開(kāi)關(guān)作為手抓旋轉(zhuǎn)和底盤(pán)旋轉(zhuǎn)限位檢測(cè)用；采用微動(dòng)開(kāi)關(guān)作為橫軸、縱軸限位檢測(cè)用。接近開(kāi)關(guān)：接近開(kāi)關(guān)有三根連接線（紅、藍(lán)、黑）紅色接電源的正極、黑色接電源的負(fù)極、藍(lán)色為輸出信號(hào)，當(dāng)與擋塊接近時(shí)輸出電平為低電平，否則為高電平。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。微動(dòng)開(kāi)關(guān)：當(dāng)擋塊碰到微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作（常開(kāi)點(diǎn)閉合），其結(jié)構(gòu)如圖所示。6FX2N-40MR模塊由三菱FX2N-40MR的PLC晶體管輸出的主機(jī)，具有高速運(yùn)算能力、PID調(diào)節(jié)功能，同時(shí)可以輸出兩路脈沖控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。輸出兩路脈沖梯形圖及f/t圖如圖所示。7直流電動(dòng)機(jī)采用36ZYJ5-12型直流電動(dòng)機(jī)。輸出電壓為1224V，由

21、FX2N-40MR模塊控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)。8旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)機(jī)械手每旋轉(zhuǎn)3°發(fā)出一個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)的結(jié)構(gòu)如圖所示。3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理步電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。  雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電

22、路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。      目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開(kāi)發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒(méi)有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶(hù)在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。  步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的一種開(kāi)環(huán)線性執(zhí)行元件，具有無(wú)累積誤差、成本低、控制簡(jiǎn)單特點(diǎn)。產(chǎn)品從相數(shù)上分有二、三、四、五相，從步距角上分有0.9°/1.8°、0.36°/0.

23、72°，從規(guī)格上分有口42130，從靜力矩上分有0.1N·M40N·M。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例。敘述其基本工作原理。望能對(duì)廣大用戶(hù)在選型、使用、及整機(jī)改進(jìn)時(shí)有所幫助。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成      使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下：1、脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。      脈沖信號(hào)一般由單片機(jī)或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為0.3-0.4左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。2、信號(hào)分配  &

24、#160;   我廠生產(chǎn)的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以二、四相電機(jī)為主，二相電機(jī)工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為,步距角為1.8度；二相八拍為,步距角為0.9度。四相電機(jī)工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為0.9度）。3、功率放大      功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要

25、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。因而不同的場(chǎng)合采取不同的的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。      為盡量提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，將信號(hào)分配、功率放大組成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。我廠生產(chǎn)的SH系列二相恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及電機(jī)接線圖如下：說(shuō)明：    CP      接CPU脈沖信號(hào)（負(fù)信號(hào)，低電平有效）    OPTO    接CPU+5V

26、    FREE     脫機(jī)，與CPU地線相接，驅(qū)動(dòng)電源不工作    DIR      方向控制，與CPU地線相接，電機(jī)反轉(zhuǎn)    VCC      直流電源正端    GND      直流電源負(fù)端     

27、0;   A       接電機(jī)引出線紅線          接電機(jī)引出線綠線      B       接電機(jī)引出線黃線           接電機(jī)引出線藍(lán)線  

28、60;   步進(jìn)電機(jī)一經(jīng)定型，其性能取決于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機(jī)的電流越大，驅(qū)動(dòng)電源的電壓越高。電壓對(duì)力矩影響如下： 4、細(xì)分驅(qū)動(dòng)器      在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過(guò)改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場(chǎng)的夾角來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。3.3步進(jìn)電機(jī)的PLC控制機(jī)械手工作流程如圖所示把可編程控制器的開(kāi)關(guān)撥開(kāi)，開(kāi)始運(yùn)行后，如果機(jī)械手不在初始位置上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)（橫軸向手抓方向移動(dòng)，豎軸向上移動(dòng)）。歸位后首先橫軸

29、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，橫軸前伸；前伸到位后，手爪電動(dòng)機(jī)得電帶動(dòng)手爪旋轉(zhuǎn)；當(dāng)傳感器檢測(cè)到限位磁頭時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止，PLC控制電磁閥動(dòng)作，手張開(kāi)；延時(shí)一段時(shí)間，豎軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，豎軸下降；下降到位后，電磁閥復(fù)位，手爪夾緊；延時(shí)過(guò)后，豎軸上升，同時(shí)橫軸縮回、底盤(pán)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)底盤(pán)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)橫軸、豎軸、底盤(pán)都到位后，橫軸前伸；到位后，手爪旋轉(zhuǎn)，然后豎軸下降，電磁閥動(dòng)作，手爪張開(kāi)；延時(shí)后豎軸上升復(fù)位，然后開(kāi)始下一周期動(dòng)作。五控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)(一) 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)PLC硬件設(shè)計(jì)是指PLC外部設(shè)備的設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)中要進(jìn)行輸入設(shè)備的選擇（如控制按鈕、開(kāi)關(guān)及計(jì)量保護(hù)裝置的輸入信號(hào)等），還有執(zhí)行元件的選擇以及控制臺(tái)

30、、柜的設(shè)計(jì)等。硬件設(shè)計(jì)還包括PLC輸入/輸出通道的分配，為便于程序設(shè)計(jì)和閱讀，常做I/O通道分配表，表中包含有I/O編號(hào)、設(shè)備代號(hào)、名稱(chēng)及功能等。機(jī)械手控制系統(tǒng)電器原理如圖所示。如圖可編程控制器采用三菱FX2N-40MR的PLC作為基本模塊。由于接近開(kāi)關(guān)有三根線，接線時(shí)注意把紅色的線接電源的正極，黑色的線接電源的負(fù)極，藍(lán)色的線接PLC的輸入端子。3.4 I/O接口功能輸入端（20點(diǎn)）（按鈕類(lèi)）啟動(dòng)SB1X0手動(dòng)SB2X1連續(xù)SB3X2夾緊SB4X3放松SB5X4停止SB6X5手抓旋轉(zhuǎn)SB7X6地盤(pán)旋轉(zhuǎn)SB8X7回原點(diǎn)SB9X8單步上升SB10X17單步下降SB11X18單步左移SB12X19單

31、步右移SB13X20（開(kāi)關(guān)類(lèi)）左限行程SQ1X9右限行程SQ2X10上限行程SQ3X11下限行程SQ4X12手抓正限SQ5X13手抓負(fù)限SQ6X14底盤(pán)正限SQ7X15底盤(pán)負(fù)限SQ8X16輸出端（12點(diǎn)）橫軸步進(jìn)脈沖CPY0橫軸方向電平DIRY1橫軸脫機(jī)電平FREEY2橫軸公共陽(yáng)端OPTOY3豎軸步進(jìn)脈沖CPY4豎軸方向電平DIRY5豎軸脫機(jī)電平FREEY6豎軸公共陽(yáng)端OPTOY7手抓電動(dòng)機(jī)KM1Y10底盤(pán)電動(dòng)機(jī)KM2Y11手抓電磁閥YVY12原點(diǎn)指示燈ELY13第四章 機(jī)械手軟件設(shè)計(jì)4.1 PLC程序設(shè)計(jì)說(shuō)明該程序?qū)崿F(xiàn)的動(dòng)作是開(kāi)始運(yùn)行后，如果機(jī)械手不在初始位置上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)（橫軸向手

32、抓方向移動(dòng)，豎軸向上移動(dòng)）。歸位后首先橫軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，橫軸前伸；前伸到位后，手爪電動(dòng)機(jī)得電帶動(dòng)手爪旋轉(zhuǎn)；當(dāng)傳感器檢測(cè)到限位磁頭時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止，PLC控制電磁閥動(dòng)作，手張開(kāi)；延時(shí)一段時(shí)間，豎軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，豎軸下降；下降到位后，電磁閥復(fù)位，手爪夾緊；延時(shí)過(guò)后，豎軸上升，同時(shí)橫軸縮回、底盤(pán)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)底盤(pán)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)橫軸、豎軸、底盤(pán)都到位后，橫軸前伸；到位后，手爪旋轉(zhuǎn)，然后豎軸下降，電磁閥動(dòng)作，手爪張開(kāi)；延時(shí)后豎軸上升復(fù)位，然后開(kāi)始下一周期動(dòng)作。PLC輸入脈沖數(shù)計(jì)算走450mm用時(shí)：t=450/s軸每秒所轉(zhuǎn)的圈數(shù)：396n/min/60=6.6n/s走450mm所轉(zhuǎn)的圈數(shù)：450/s/6.6n/s

33、=29.7*10-7軸轉(zhuǎn)一周步距角變換次數(shù)：360/1.8=200總輸入脈沖數(shù)：200*29.7=59404.2回原位程序LD M8002SET S001STL S001LD X008SET S010STL S010RST Y012RST Y000RST Y001OUT Y000LD X011SET S011STL S011RST Y004RST Y003OUT Y004LD X009SET S012STL S012SET M8043RST S012OUT S012RET4.3手動(dòng)單步運(yùn)行程序LD X000OR X001ANI X005OUT M0LD M0AND X003SET Y012LD

34、 M0AND X004RST Y012LD M0AND X006OUT Y010LD M0AND X007OUT Y011LD M0AND X007OUT YO11LD X017ANI X012MPSMOV K500 D10MPPMOV K2000 M100LD M100ANI D11ORBLDI M100AND D11OUT D11MPSMOV K500 D12MPPMOV K5940 D13MPSMOV K0 D14MPPPLSY K1000 D13 Y4LD X018ANI X011MPSMOV K500 D10MPPMOV X2000 M100LD M100ANI D11ORBLDI

35、M100AND D11OUT D11MPSMOV K500 D12MPPMOV K5940 D13MPSMOV K0 D14PLSY K1000 D13 Y4LD X019AND X011ANI X009MPSMOV K500 D20MPPMOV K2000 M101LD M101ANI D21ORBLDI M101AND D21OUT D21MPSMOV K500 D22MPPDMOV K5940 D23MPSMOV K0 D24MPPPLSY K1000 D23 Y0LD X020AND X011ANI X010MPSMOV K500 D20MPPMOV K2000 M101LD M101

36、ANI D21ORBLDI M101AND D21OUT D21MPSMOV K500 D22MPPDMOV K5940 D23MPSMOV K0 D24MPPPLSY K1000 D23 Y04.4連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行程序LD X002AND X000AND X011ANI X009ANI Y012MPSMOV K500 D020MPPMOV K2000 M101LD M101ANI D021ORBLDI M101AND D021OUT D021MPSMOV K500 D022MPPDMOV K5940 D023MPSMOV K0 D024MPPPLSY K1000 D023 Y000LD X010

37、MPSMOV K0 D030MPPPLSY K1000 D030 Y000LD X006AND X002ANI X014OUT Y010LD X013OUT Y012OUT T450K0.5LDI X011ANI T450MPSMOV K500 D010MPPMOV K2000 M100LD M100ANI D011ORBLDI M100AND D011OUT D011MPSMOV K500 D012MPPDMOV K5940 D013MPSMOV K0 D014MPPPLSY K1000 D013 Y004LD X012MPSMOV K0 D031MPPPLSY K1000 D031 Y00

38、4LDI X012OUT X012OUT Y012OUT T451K1LDI X016ANI X012ANI T451MPSMOV K500 D020MPPMOV K2000 M101LD M101ANI D021ORBLDI M101AND D021OUT D021MPSMOV K500 D022MPPDMOV K5940 D023MPSMOV K0 D024MPPPLSY K1000 D023 Y000MPSMOV K500 D010MPPMOV K2000 M100LD M100ANI D011ORBLDI M100AND D011OUT D011MPSMOV K500 D012MPPD

39、MOV K5940 D013MPSMOV K0 D014MPPPLSY K1000 D013 Y004OUT Y011LD X015AND X009AND X011MPSMOV K0 D032MPPPLSY K1000 D032 Y004MPSMOV K0 D033MPPPLSY K1000 D033 Y000LD X011ANI X009MPSMOV K500 D020MPPMOV K2000 M101LD M101ANI D021ORBLDI M101AND D021OUT D021MPSMOV K500 D022MPPDMOV K5940 D023MPSMOV K0 D024MPPPLS

40、Y K1000 D023 Y000LD X101MPSMOV K0 D034MPPPLSY K1000 D034 Y000LD X006AND X002ANI X014OUT Y010LDI X014ANI X011MPSMOV K500 D010MPPMOV K2000 M100LD M100ANI D011ORBLDI M100AND D011OUT D011MPSMOV K500 D012MPPDMOV K5940 D013MPSMOV K0 D014MPPPLSY K1000 D013 Y014LD X012MPSMOV K0 D035MPPPLSY K1000 D035 Y004LD

41、I X012OUT Y012OUT T452K0.5LD T452ANI X012MPSMOV K500 D010MPPMOV K2000 M100LD M100ANI D011ORBLDI M100AND D011OUT D011MPSMOV K500 D012MPPDMOV K5940 D013MPSMOV K0 D014MPPPLSY K1000 D013 Y004LDI X011MPSMOV K0 D036MPPPLSY K1000 D036 Y004LDI X011ANI X015OUT Y011LDI X016RETEND4.5完整程序LD X000ANI X001CJ P0LDI

42、 X021CJ P1LD X008LD M8002 (回原位程序)SET S001STL S001LD X008SET S010STL S010RST Y012RST Y000RST Y001OUT Y000LD X011SET S011STL S011RST Y004RST Y003OUT Y004LD X009SET S012STL S012SET M8043RST S012OUT S012RETLD X011AND X009ANI Y012OUT Y013（原點(diǎn)指示燈亮）LD M8000IST X020 S020 S027P0LD X000（手動(dòng)）OR X001ANI X005OUT M

43、0LD M0AND X003SET Y012LD M0AND X004RST Y012LD M0AND X006OUT Y010LD M0AND X007OUT Y011LD M0AND X007OUT YO11LD X017ANI X012MPSMOV K500 D10MPPMOV K2000 M100LD M100ANI D11ORBLDI M100AND D11OUT D11MPSMOV K500 D12MPPMOV K5940 D13MPSMOV K0 D14MPPPLSY K1000 D13 Y4LD X018ANI X011MPSMOV K500 D10MPPMOV X2000 M

44、100LD M100ANI D11ORBLDI M100AND D11OUT D11MPSMOV K500 D12MPPMOV K5940 D13MPSMOV K0 D14PLSY K1000 D13 Y4LD X019AND X011ANI X009MPSMOV K500 D20MPPMOV K2000 M101LD M101ANI D21ORBLDI M101AND D21OUT D21MPSMOV K500 D22MPPDMOV K5940 D23MPSMOV K0 D24MPPPLSY K1000 D23 Y0LD X020AND X011ANI X010MPSMOV K500 D20

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