機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

第一章緒論

L1序言

用于再現(xiàn)人手時(shí)的功能的技術(shù)裝置稱為機(jī)械手。機(jī)械手是模

仿著人手H勺部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和規(guī)定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、

搬運(yùn)或操作日勺自動(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)器人的一種重要分支。他口勺特點(diǎn)是可

以通過(guò)編程來(lái)完畢多種預(yù)期日勺作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)

器各自時(shí)長(zhǎng)處，尤其體目前人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)日勺精

確性和環(huán)境中完畢作業(yè)H勺能力，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，他有多種自由度，可以搬運(yùn)物體以完畢在不一樣環(huán)境中H勺工

作。

機(jī)械手日勺構(gòu)造形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)樸，專用性較強(qiáng)。伴隨工業(yè)

技術(shù)的發(fā)展，制成了可以獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)反復(fù)操作，合用

范圍比較廣出J“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于

通用機(jī)械手能很快的變化工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，因此它在不停

變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛口勺引用。

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)器人性能不停提高(高速度、高精度、高可靠性、

便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不停下降，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)械構(gòu)造向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中H勺伺

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)器人整機(jī)；國(guó)外已經(jīng)有模塊化妝配機(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)［1勺開(kāi)放型控制器方向發(fā)

展，便于原則化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且

采用模塊化構(gòu)造:大大提高了系統(tǒng)日勺可靠性、易操作性和可維修

性。

(4)機(jī)器人中KI傳感器作用日益重要，除采用老式的位置、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)中已經(jīng)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。

(6)現(xiàn)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)器人走出試驗(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H勺領(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J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)用在汽車制造廠的

焊裝線上。但總口勺來(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)外比尚有一定日勺距離，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)己安裝日勺國(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)日勺萬(wàn)分之四。以上原因重要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)

業(yè)，目前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)顧客的規(guī)定，“一客戶，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，并且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要

處理產(chǎn)業(yè)化前期H勺關(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)日勺智能機(jī)器人和

特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也獲得了不少成果。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)。不

過(guò)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

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

一、設(shè)計(jì)題目

機(jī)械手模型日勺PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

二、設(shè)計(jì)目口勺

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，掌握一般措施和環(huán)節(jié)，提高運(yùn)用PLC

進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的能力。

b)掌握經(jīng)典機(jī)械手日勺工作原理和設(shè)計(jì)思緒

c)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)立完畢課題日勺工作能力。

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

心觀測(cè)、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H勺工作流程是：開(kāi)始運(yùn)行后，假如機(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，同步橫軸縮回、底盤電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)底問(wèn)

旋轉(zhuǎn)；當(dāng)橫軸、豎軸、底盤都到位后，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)規(guī)定

(1)輸入電壓：AC220?240V或DC24V

(2)消耗功率：＜250W

(3)氣源不小于0.2Mpa且不不小于0.85Mpa

(4)外型尺寸：60cmx45cmx55cm

3、重要參數(shù)

(1)負(fù)荷參數(shù)：額定負(fù)荷為1kg,最大負(fù)荷為3kg

（2）臂H勺運(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18（）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)規(guī)定

1、控制規(guī)定

（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分派

（3）PLC控制程序設(shè)計(jì)

（4）按規(guī)定撰寫設(shè)計(jì)闡明書

（5）繪制設(shè)計(jì)圖樣

五、參照資料

1、可編程控制器及應(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)三部分構(gòu)成構(gòu)

成

2.2執(zhí)行系統(tǒng)

（1）手部既直接與工件接觸H勺部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)

型（多為回轉(zhuǎn)型，因其構(gòu)造簡(jiǎn)樸）。手部多為兩指（也有多指）；

根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩和I也可以用負(fù)壓式或真空式的

空氣吸盤（重要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電

磁吸盤。

傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用日勺有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、

斜械杠桿式、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J部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓物

體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變口勺更機(jī)靈，

適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。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)再增長(zhǎng)一種上下擺動(dòng)即可滿足工

作規(guī)定，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)樸的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化構(gòu)造，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，它的構(gòu)造緊湊，機(jī)靈但回轉(zhuǎn)角度小（一般不不小于270°）,

并且規(guī)定嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在規(guī)定

較大回轉(zhuǎn)角日勺狀況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系構(gòu)造。

（3）臂部手臂部件是機(jī)械手口勺重要握持部件。它口勺作用是

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)的目日勺：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。假

如變化手部H勺姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(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規(guī)定，即手臂的伸縮、

左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。

手臂的多種運(yùn)動(dòng)一般用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和多

種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力狀況分析，它在工作中既受腕

部、手部和工件出J靜、動(dòng)載荷，并且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。

因此，它的構(gòu)造、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H勺工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國(guó)的正處

在仿真階段。

2.3控制系統(tǒng)

在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和持續(xù)控制兩種方式。大多

數(shù)用插銷板進(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、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。重要控

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)械手的重要構(gòu)成部分。根據(jù)動(dòng)力源H勺不一

樣，工業(yè)機(jī)械手日勺驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大體可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械

驅(qū)動(dòng)等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，構(gòu)造簡(jiǎn)樸、尺寸緊湊、重

量輕、控制以便。

2.5可行性分析

該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是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)需要配置一種專門口勺驅(qū)動(dòng)電源,驅(qū)動(dòng)電

源的輸出受外部H勺脈沖信號(hào)和方向信號(hào)控制。每一種脈沖信號(hào)可

使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一種固定的角度,這個(gè)角度稱為步距角。脈沖口勺數(shù)

量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度,脈沖的頻率決定了旋轉(zhuǎn)的速度。方向信號(hào)

決定了旋轉(zhuǎn)的方向。就一種傳動(dòng)速比確定的詳細(xì)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)于那些控制精度規(guī)定不是很高的應(yīng)用場(chǎng)所，用開(kāi)環(huán)方式控制是

一種較為簡(jiǎn)樸而又經(jīng)濟(jì)的電氣控制技術(shù)方案。

此外,步進(jìn)電機(jī)日勺細(xì)分運(yùn)轉(zhuǎn)方式非常實(shí)用，盡管其步距角受到

機(jī)械制造日勺限制,不能制作得很小，但可以通過(guò)電氣控制日勺方式使

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)由本來(lái)日勺每個(gè)整步提成m個(gè)小步來(lái)完畢，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)

于某些在運(yùn)行過(guò)程中移動(dòng)距離和速度均確定日勺詳細(xì)設(shè)備，采用

PLC（可編程控制器）是一種理想日勺技術(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口勺運(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,到達(dá)對(duì)距離、速度、

方向控制出J目W、J,見(jiàn)圖1。操作面板上出J位置旋鈕控制移動(dòng)W、J距離,

速度旋鈕控制移動(dòng)口勺速度，方向按鈕控制移動(dòng)口勺方向，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提成兒擋，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)的不一樣跳線進(jìn)行編碼,可

減少操作面板與PLC的連線數(shù)量,同步也減少了PLCH勺輸入點(diǎn)數(shù)，

節(jié)省了成本。一種n刀波段開(kāi)關(guān)時(shí)最多擋位可到達(dá)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。

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日勺位窗。同步，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出J總點(diǎn)數(shù)并考慮此后系統(tǒng)的調(diào)整W、J擴(kuò)充，在實(shí)際的I/。

點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上，一般應(yīng)加上10%?20%口勺備用點(diǎn)數(shù)。多數(shù)小型PLC

為整體式，具有體積小、價(jià)格廉價(jià)等長(zhǎng)處，適于工藝過(guò)程比較穩(wěn)

定，控制規(guī)定比較簡(jiǎn)樸的系統(tǒng).模塊構(gòu)造的JPLC采用主機(jī)模塊與

輸入模塊、功能模塊組合使用口勺措施，比整體式以便靈活，維修

更換模塊、判斷處理故障迅速以便，合用于工藝變化交多、控制

規(guī)定復(fù)雜日勺系統(tǒng).

此外，還應(yīng)考慮顧客儲(chǔ)存器的容量、PLC的處理速度與否滿

足實(shí)時(shí)控制出J規(guī)定、編程器與外圍設(shè)備的選擇等.

本設(shè)備控制的對(duì)象是一種開(kāi)關(guān)量控制的系統(tǒng),同步運(yùn)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具有性價(jià)比高、功能完善、指令豐富等長(zhǎng)處，能滿足

本對(duì)象各項(xiàng)控制性能規(guī)定，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.

重要參數(shù)：

輸入交流電壓:11()?22()V/5()Hz、60Hz

輸出直流電壓:24V/6.5A

最大功率：156W

工作環(huán)境:-1境40°C

3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

采用二相八拍混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，重要特點(diǎn):體積小，具有交高的

啟動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)距等長(zhǎng)處.型號(hào)42BYGH10L電器原理

快接線插頭中的紅色表達(dá)A相，藍(lán)色表達(dá)B相.

使用時(shí)假如發(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，重要由電源輸入部分、信號(hào)輸

入部分、輸出部分等.如下圖

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

保護(hù)電路原理圖

O

保CP步進(jìn)脈沖

護(hù)

【方向電平

電DR

踣FREE脫機(jī)電平

OPTO公共陽(yáng)極

公,電源輸入(24?40V)

0------------------------------------

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,而輸入部分日勺電平為5V,中間加了保護(hù)電路.

輸出部分:與步進(jìn)電機(jī)連接，注意相序.

5、傳感器

采用靠近開(kāi)關(guān)作為手抓旋轉(zhuǎn)和底回旋轉(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。

靠近開(kāi)關(guān)：靠近開(kāi)關(guān)有三根連接線（紅、藍(lán)、黑）紅色接電

源的正極、黑色接電源日勺負(fù)極、藍(lán)色為輸出信號(hào)，當(dāng)與擋塊靠近

時(shí)輸出電平為低電平，否則為高電平。其構(gòu)造如下圖所示。

傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電源正

輸出

電源負(fù)

接近開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

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），其構(gòu)造

如圖所示。

微動(dòng)開(kāi)關(guān)原理圖

6.FX2N?40MR模塊

由三菱FX2N-40MRH勺PLC晶體管輸出的主機(jī)，具有高速運(yùn)

算能力、PID調(diào)整功能，同步可以輸出兩路脈沖控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)

出J長(zhǎng)處。輸出兩路脈沖梯形圖及f/t圖如圖所示。

曲出〃，坐標(biāo)圖（共輸出594。個(gè)脈沖）

/?Hz

2000

FPO脈沖輸出控制梯形圖及〃，圖

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12~24V,由

FX2N-40MR模塊控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)。

8.旋轉(zhuǎn)碼盤

機(jī)械手每旋轉(zhuǎn)3°發(fā)出一種脈沖，旋轉(zhuǎn)碼盤的構(gòu)造如圖所示。

旋轉(zhuǎn)碼盤

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。在非超載的狀況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖

信號(hào)H勺頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一種

脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一種步距角。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)樸。

雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象一般

日勺直流電機(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)電路等構(gòu)成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非

易事，它波及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。

目前，生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家確實(shí)不少，但具有專業(yè)技術(shù)人

員，可以自行開(kāi)發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、

二十人，連最基本日勺設(shè)備都沒(méi)有。僅僅處在一種盲目的仿制階段。

這就給顧客在產(chǎn)品選型、使用中導(dǎo)致許多麻煩。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)樸特點(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°/0.720,從

規(guī)格上分有口42-(pl30,從靜力矩上分有O.1N?M~4ON?M。

簽于上述狀況，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例c

論述其基本工作原理。望能對(duì)廣大顧客在選型、使用、及整機(jī)改

善時(shí)有所協(xié)助。

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成

使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等構(gòu)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)分派

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，詳細(xì)分派如下：二

相四拍為AB?麗?福,步距角為L(zhǎng)8度；二相八拍為

AB-B-AB-A-AB-B-AB-A-AB，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-BOC-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)最為重要日勺部分。步進(jìn)電機(jī)在一定

轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它出J動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上

H勺電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要到達(dá)平

均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)口勺反電勢(shì)。因而不一樣

口勺場(chǎng)所采用不一樣的的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有

如下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高下壓驅(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)分派、功率放大構(gòu)

成步進(jìn)電機(jī)出J驅(qū)動(dòng)電源。我廠生產(chǎn)出JSH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：

脈沖信號(hào)TJ-

單CPA

OPTO

片+5V飛

機(jī)

地

或B

FREE

CPUDIRB

VCCGND

3

闡明：

CP接CPU脈沖信號(hào)（負(fù)信號(hào)，低電平有效）

OPTO接CPU+5V

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

A接電機(jī)引出線紅線

A接電機(jī)引出線綠線

B接電機(jī)引出線黃線

B接電機(jī)引出線藍(lán)線

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，力距越大則規(guī)定電機(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)變化相鄰（A,

B）電流的大小，以變化合成磁場(chǎng)日勺夾角來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)日勺。

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，假如機(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，同步橫軸縮回、底盤電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)

底回旋轉(zhuǎn)；當(dāng)橫軸、豎軸、底盤都到位后，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H勺選擇（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），尚有執(zhí)行元件日勺選擇以及控制臺(tái)、柜的設(shè)計(jì)等。硬件設(shè)計(jì)

還包括PLC輸入/輸出通道的分派，為便于程序設(shè)計(jì)和閱讀，常

做I/O通道分派表，表中包具有I/O編號(hào)、設(shè)備代號(hào)、名稱及功

能等。

機(jī)械手控制系統(tǒng)電器原理如圖所示。

V

X.40)YO

1

XLY2

2

XF

X3Y1

4

xX

5Y

xI

2

x65

7Y.

xN

8M

xY

x9I

x10Z1o

1

x1

011

x12

xM2

13

1XOPTO公共陽(yáng)極

hA?

x14A-

r

x15B+

B-

caMcM

OK+電源埼人

_(24-40V)

如圖可編程控制器采用三菱FX2N-40MRH勺PLC作為基本模

塊。由于靠近開(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。

3.4I/O接口功能

輸入端（20點(diǎn)）

（按鈕類）

啟動(dòng)SB1XO

手動(dòng)SB2XI

持續(xù)SB3X2

夾緊SB4X3

放松SB5X4

停止SB6X5

手抓旋轉(zhuǎn)SB7X6

地回旋轉(zhuǎn)SB8X7

回原點(diǎn)SB9X8

單步上升SB10X17

單步下降SB11X18

單步左移SB12X19

單步右移SB13X20

（開(kāi)關(guān)類）

左限行程SQ1X9

右限行程SQ2X10

上限行程SQ3XII

下限行程SQ4X12

手抓正限SQ5X13

手抓負(fù)限SQ6X14

底盤正限SQ7X15

底盤負(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

底盤電動(dòng)機(jī)KM2Yll

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)

4.1PLC程序設(shè)計(jì)闡明

該程序?qū)崿F(xiàn)日勺動(dòng)作是

開(kāi)始運(yùn)行后，假如機(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，同步橫軸縮回、底盤電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)底回旋轉(zhuǎn)；當(dāng)橫軸、豎軸、

底盤都到位后，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=450/100000s

軸每秒所轉(zhuǎn)日勺圈數(shù)：396n/min/60=6.6n/s

走450mm所轉(zhuǎn)的圈數(shù)：450/100000s/6.6n/s=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=5940

4.2回原位程序

LDM8002SETS001STLS001

LDX008SETS010STLS010

RSTY012RSTY000RSTY001

OUTY000LDX011SETSOH

STLSOURSTY004RSTY003

OUTY004LDX009SETS012

STLS012SETM8043RSTS012

OUTS012RET

4.3手動(dòng)單步運(yùn)行程序

xooo

匚MOn

XOO13

MOXOO3

H

宿LvVi??Ry

MOXOO-I

IIHPji<xr

XOOG>

n4V1O

r-iowIir?z

IFTk匚v>

XOlzxoie

I-l

HHMO\ZK*3OODIO

MCJX/K2?OOQM1OO

M1OO

M

-V\-II

MIOO

MO\ZK<iiOO

DMOVK

LL3Y八1OOO

XO10XOlI

-IF-無(wú)MO\ZKC5OODIO

MO\ZK^OOOMIOO

MIOOEii

w

-\A~

MIOODll

XO1SXOlI

KC3OO

MDXZKeoooMIOO

MIOO

l/lII

MIOO匚121

Xr?QCXOl1XCl1c

Hk

MIUOl?.-1

M

u

M10tJ

LDXOOOORX001ANIX005

OUTMOLDMOANDX003

SETY012LDMOANDX004

RSTY012LDMOANDX006

OUTYO1OLDMOANDX007

OUTYOULDMOANDX007

OUTYOHLDX017ANIX012

MPSMOVK500MPP

DIO

MOVK2023LDM100ANIDll

M100

ORBLDIMl00ANDDll

OUTDllMPSMOVK500D12

MPPMOVK5940MPS

D13

MOVK0D14MPPPLSYKI()00

D13Y4

LDX018ANIX011MPS

MOVK500MPPMOVX2023

DIOM100

LDM100ANIDllORB

LDIM100ANDDllOUTDll

MPSMOVK500MPP

D12

MOVK5940MPSMOVK0D14

D13

PLSYKI000LDX019ANDX011

D13Y4

ANIX009MPSMOVK500D20

MPPMOVK2023LDM101

M101

ANID21ORBLDIM101

ANDD21OUTD21MPS

MOVK500MPPDMOVK5940

D22D23

MPSMOVK0D24MPP

PLSYKI000LDX020ANDX011

D23Y0

ANIX010MPSMOVK500D20

MPPMOVK2023LDM101

M101

ANID21ORBLDIM101

ANDD21OUTD21MPS

MOVK500MPPDMOVK5940

D22D23

MPSMOVK0D24MPP

PLSYKI000D23

Y0

4.4持續(xù)自動(dòng)運(yùn)行程序

LDX002ANDX000ANDX011

ANIX009ANIY012MPS

MOVK500MPPMOVK2023

D020M101

LDM101ANID021ORB

LDIM101ANDD021OUTD021

MPSMOVK500MPP

D022

DMOVK5940MPSMOVKOD024

DO23

MPPPLSYK1000LDX010

D023YOOO

MPSMOVKOD030MPP

PLSYKI000LDX006ANDX002

D030YOOO

ANIX014OUTY010LDX013

OUTY012OUTT450K0.5

LDIX011ANIT450MPS

MOVK500MPPMOVK2023

D010M100

LDM100ANIDOHORB

LDIMl00ANDDOUOUTD011

MPSMOVK500MPP

D012

DMOVK5940MPSMOVKODOU

D013

MPPPLSYK1000LDX012

DO13Y004

MPSMOVKODO31MPP

PLSYKI000LDIX012OUTX012

D031Y004

OUTY012OUTT451KI

LDIX016ANIX012ANIT451

MPSMOVK500MPP

D020

MOVK2023LDM101ANID021

M101

ORBLDIM101ANDD021

OUTD021MPSMOVK500

D022

MPPDMOVK5940MPS

D023

MOVKOD024MPPPLSYKI000

D023Y000

MPSMOVK500MPP

D010

MOVK2023LDM100ANID011

M100

ORBLDIM100ANDDOH

OUTDOHMPSMOVK500

D012

MPPDMOVK5940MPS

D013

MOVKODO14MPPPLSYKI00()

D013Y004

OUTYOULDX015ANDX009

ANDX011MPSMOVKOD032

MPPPLSYK1(X)()MPS

D032Y004

MOVKOD033MPPPLSYKI000

D033Y000

LDX011ANIX009MPS

MOVK500MPPMOVK2023

D020MI01

LDM101ANID021ORB

LDIM101ANDD021OUTD021

MPSMOVK500MPP

D022

DMOVK5940MPSMOVKOD024

D023

MPPPLSYK1000LDX101

D023Y000

MPSMOVKOD034MPP

PLSYKI000LDX006ANDX002

D034Y000

ANIX014OUTY010LDIX014

ANIX011MPSMOVK500

D010

MPPMOVK2023LDM100

M100

ANIDO11ORBLDIMl0()

ANDDOHOUTDO11MPS

MOVK500MPPDMOVK5940

D012D013

MPSMOVK0DOMMPP

PLSYKI000LDX012MPS

D013YOM

MOVKODO35MPPPLSYKI000