三自由度全電動機械手控制實訓指導書20160601

1、江門職業(yè)技術(shù)學院電子與信息技術(shù)系 一、三自由度全電動機械手模塊1、結(jié)構(gòu)圖 1-36 三自由度全電動機械手模塊編號名稱編號名稱夾指氣缸Z方向步進電機移動軸X方向伺服電機移動軸電磁閥控制組Y方向伺服電機移動軸2、功能當成品到達四工位轉(zhuǎn)盤模塊D工位時，三自由度全電動機械手通過程序設(shè)定各軸的脈沖數(shù)配合將其抓取，移至三維可調(diào)棧板設(shè)定的位置。三維空間定位，可升級作為空間任意位置定位作業(yè)的機器人模型。3、相關(guān)元件的工作原理（1） 夾指氣缸氣動手爪這種執(zhí)行元件是一種變型氣缸。它可以用來抓取物體，實現(xiàn)機械手各種動作。在自動化系統(tǒng)中，氣動手爪常應用在搬運、傳送工件機構(gòu)中抓取、拾放物體（圖 1-34 示）。圖 1-

2、37 平行手指剖面結(jié)構(gòu)與實物圖（2） 伺服電機 定義：伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。 圖 1-38 伺服電動機實物圖 原理： a.伺服系統(tǒng)（servo

3、mechanism）是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到0.001mm。直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易

4、，需要維護，但維護不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。 b.交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應用。 c.伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁

5、場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。（3） 對射式光電開關(guān)工作原理:光電開關(guān)(光電傳感器 )是光電接近開關(guān)的簡稱 ,它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射 ,由同步回路選通電路 ,從而檢測物體有無的 .物體不限于金屬 ,所有能反射光線的物體均可被檢測 .光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出,接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測.工作原理如圖 1-39（b）所示，多數(shù)光電開關(guān)選用的是波長接近可見光的紅外線光波型 .圖 1-39（a）是以歐姆龍公司的

6、部分光電開關(guān)外型圖 .槽式光電開關(guān):它通常采用標準的 U 字型結(jié)構(gòu),其發(fā)射器和接收器分別位于 U 型槽的兩邊,并形成一光軸 ,當被檢測物體經(jīng)過 U 型槽且阻斷光軸時 ,光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)量信號.槽式光電開關(guān)比較適合檢測高速運動的物體 ,并且它能分辨透明與半透明物體 ,使用安全可靠。 圖 1-39 U 型對射傳感器 使用注意事項 紅外線傳感器屬漫反射型的產(chǎn)品 ,所采用的標準檢測體為平面的白色畫紙。 紅外線光電開關(guān)在環(huán)境照度高的情況下都能穩(wěn)定工作 , 但原則上應回避將傳感器正對太陽光等強光源。 對射式光電開關(guān)最小可檢測寬度為該種光電開關(guān)透鏡寬度的 80%. 當使用感性負載(如燈、 電動機等)時,

7、其瞬態(tài)沖擊電流較大 ,可能劣化或損壞交流二線的光電開關(guān),在這種情況下,請將負載經(jīng)過交流繼電器來轉(zhuǎn)換使用。 紅外線光電開關(guān)的透鏡可用擦鏡紙擦拭 ,禁用稀釋溶劑等化學品 ,以免永久損壞塑料鏡。 針對用戶的現(xiàn)場實際要求 ,在一些較為惡劣的條件下 ,如灰塵較多的場合 ,所生產(chǎn)的光電開關(guān)在靈敏度的選擇上增加了 50%,以適應在長期使用中延長光電開關(guān)維護周期的要求。4、三維可調(diào)棧板模塊圖 1-41 三維可調(diào)棧板模塊 3×3棧位數(shù)，組合式機構(gòu)，X330mm、Y210mm、Z106mm三維度可調(diào)，通過變動棧板的不同位置，進行空間定位功能的訓練。二、PLC控制接線圖1、 2#PLC（S7-200）控制

8、接線圖圖 1 2#PLC（S7-200）接線圖2、定位模塊EM253接線圖圖 2 定位模塊EM253接線圖3、伺服與步進驅(qū)動器接線圖 圖 1-58 Y軸伺服驅(qū)動器接線圖 圖 1-59 步進驅(qū)動器接線圖實訓一 MAP函數(shù)庫與伺服電機的應用實訓1. 實驗目的（1）練習 MAP函數(shù)庫的應用（2）掌握 MAP函數(shù)庫的設(shè)置方法2. 實驗的組成及功能（1） S7-200 PLC 一臺（2） 裝有STEP 7-Micro/WIN 32編程軟件PC機一臺（3） USB-PPI通信電纜一條3. 實驗功能要求伺服系統(tǒng)是現(xiàn)在定位控制中使用非常廣泛的一個系統(tǒng)，和步進系統(tǒng)比較具有控制精度高，轉(zhuǎn)速快，帶負載能力強等特點，

9、當然價錢也比步進系統(tǒng)要貴的多。伺服系統(tǒng)在定位控 制中應包含三個方面的設(shè)備，一是伺服電機，二是伺服驅(qū)動器，三是控制的上位機，控制 的上位機可以是 PLC，單片機，還可以是專用的定位控制單元或模塊，如 EM253 定位模塊 等。在我們這個實習中，采用 PLC 作為控制器，重點是學習伺服驅(qū)動器的用法，如系統(tǒng)的 接線、參數(shù)設(shè)置、程序調(diào)試等。以 PLC 作為上位機進行控制。控制要求如圖 4-1 所示，按下啟動按鈕，電機旋轉(zhuǎn)，拖 動工作臺從 A 點開始向右行駛 80mm，停 2 秒，然后再向右行駛 30mm 至 B 點，再停 3 秒， 最后向左行駛返回 A 點,停4秒，如此循環(huán)運行，按下停止按鈕，工作臺行

10、駛一周后返回 A 點。畫出 控制原理圖，設(shè)置運行參數(shù)，寫出控制程序并進行調(diào)試。要求工作臺移動的速度要達到10mm/s。絲桿的螺距為 10mm；脈沖當量為 0.01m。4. 內(nèi)容及指導（1）畫出控制系統(tǒng)的原理圖并接線（2） 系統(tǒng)控制回路（3）程序的設(shè)計根據(jù)控制要求，工作臺從 A 點移到 B 點的距離為 80mm。電機轉(zhuǎn) 8 周，因此 PLC 要發(fā) 出 8000 脈沖；從 B 移到 C 的距離為 30mm。電機轉(zhuǎn) 3 周，因此 PLC 要發(fā)出 3000 脈沖；從 C 移到 A 的距離為 110mm。電機轉(zhuǎn) 11 周，因此 PLC 要發(fā)出 11000 脈沖。工作臺移動的速度要 達到 10mm/s，則

11、產(chǎn)生脈沖的頻率為 10000Hz。M0.1 為啟動信號，M0.0 為停止信號，脈沖 從 Q0.0 輸出，Q0.2 為控制方向。5I/O 分配表輸入輸出M0.0自動模式Q0.0脈沖輸出M0.1啟動Q0.2方向M0.2停止M0.3復位模式M0.4復位I0.0絲杠原點I0.1絲杠前限位I0.2絲杠后限位6. 控制程序主程序：初始化子程序：原點回歸子程序：自動運行子程序：實訓二 三軸機械手模塊實訓項目1. 實驗目的（1） 熟悉三軸機械手模塊的編程（2） 熟悉三軸機械手模塊的編程調(diào)試2. 實驗的組成及功能（1） 可編程序控制系統(tǒng)設(shè)計師二級設(shè)備一臺（2） 帶STEP 7-Micro/WIN 32 編程軟件

12、PC一臺（3） USB-PPI 通訊電纜一條3. 實驗功能要求具體的控制要求為： 設(shè)備上電后，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。 系統(tǒng)處于待機狀態(tài)下，允許通過人機界面進行操作模式的切換，可選擇的操作模式有：自動操作模式，手動操作模式，原點操作模式。 手動操作模式下，允許對X、Y、Z軸進行點動調(diào)試。u 按下左移按鈕，X軸向左移動，按下右移按鈕，X軸向右移動。u 按下前進按鈕，Y軸向前移動，按下后退按鈕，Y軸向后移動。u 按下上升按鈕，Z軸向上移動，按下下降按鈕，Y軸向下移動。u 各軸移動到達限位開關(guān)位置，該軸自動停止運行。 原點操作模式下，允許對三軸進行復位操作，按下復位按鈕后， Z軸先回到參考點，其后X軸及Y軸同時尋找參考點。 自動操作模式下，按下啟動按鈕且X軸、Y軸、Z軸處于參考點位置，系統(tǒng)進入自動運行狀態(tài)，執(zhí)行如下動作：a) 三軸機械手X軸及Y軸到達轉(zhuǎn)盤D工位上方。b) 三軸機械手 Z軸下降至D工位。c) 三軸機械手夾緊瓶子。d) 三軸機械手Z軸上升至安全位置。e) 三軸機械手X軸及Y軸到達堆垛9號工位上方。f) 三軸機械手Z軸下降至9工位。g) 三軸機械手松開瓶子。h) 三軸機械手Z軸上升至原點。i) 返回a。 自動運行狀態(tài)下，按下停止按鈕，三軸機械手搬運完當前瓶子后返回三軸返回原點位置待機。注：u 人機界面需包含三種操作模式選擇以及模式指示燈。u 不同操作模式之間需進行互鎖。u 當處于