三自由度全电动机械手控制实训指导书20160601

1、江门职业技术学院电子与信息技术系 一、三自由度全电动机械手模块1、结构图 1-36 三自由度全电动机械手模块编号名称编号名称夹指气缸Z方向步进电机移动轴X方向伺服电机移动轴电磁阀控制组Y方向伺服电机移动轴2、功能当成品到达四工位转盘模块D工位时，三自由度全电动机械手通过程序设定各轴的脉冲数配合将其抓取，移至三维可调栈板设定的位置。三维空间定位，可升级作为空间任意位置定位作业的机器人模型。3、相关元件的工作原理（1） 夹指气缸气动手爪这种执行元件是一种变型气缸。它可以用来抓取物体，实现机械手各种动作。在自动化系统中，气动手爪常应用在搬运、传送工件机构中抓取、拾放物体（图 1-34 示）。图 1-

2、37 平行手指剖面结构与实物图（2） 伺服电机 定义：伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 图 1-38 伺服电动机实物图 原理： a.伺服系统（servo

3、mechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易

4、，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 b.交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 c.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁

5、场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。（3） 对射式光电开关工作原理:光电开关(光电传感器 )是光电接近开关的简称 ,它是利用被检测物对光束的遮挡或反射 ,由同步回路选通电路 ,从而检测物体有无的 .物体不限于金属 ,所有能反射光线的物体均可被检测 .光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出,接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测.工作原理如图 1-39（b）所示，多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型 .图 1-39（a）是以欧姆龙公司的

6、部分光电开关外型图 .槽式光电开关:它通常采用标准的 U 字型结构,其发射器和接收器分别位于 U 型槽的两边,并形成一光轴 ,当被检测物体经过 U 型槽且阻断光轴时 ,光电开关就产生了开关量信号.槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体 ,并且它能分辨透明与半透明物体 ,使用安全可靠。 图 1-39 U 型对射传感器 使用注意事项 红外线传感器属漫反射型的产品 ,所采用的标准检测体为平面的白色画纸。 红外线光电开关在环境照度高的情况下都能稳定工作 , 但原则上应回避将传感器正对太阳光等强光源。 对射式光电开关最小可检测宽度为该种光电开关透镜宽度的 80%. 当使用感性负载(如灯、 电动机等)时,

7、其瞬态冲击电流较大 ,可能劣化或损坏交流二线的光电开关,在这种情况下,请将负载经过交流继电器来转换使用。 红外线光电开关的透镜可用擦镜纸擦拭 ,禁用稀释溶剂等化学品 ,以免永久损坏塑料镜。 针对用户的现场实际要求 ,在一些较为恶劣的条件下 ,如灰尘较多的场合 ,所生产的光电开关在灵敏度的选择上增加了 50%,以适应在长期使用中延长光电开关维护周期的要求。4、三维可调栈板模块图 1-41 三维可调栈板模块 33栈位数，组合式机构，X330mm、Y210mm、Z106mm三维度可调，通过变动栈板的不同位置，进行空间定位功能的训练。二、PLC控制接线图1、 2#PLC（S7-200）控制接线图图 1

8、 2#PLC（S7-200）接线图2、定位模块EM253接线图图 2 定位模块EM253接线图3、伺服与步进驱动器接线图 图 1-58 Y轴伺服驱动器接线图 图 1-59 步进驱动器接线图实训一 MAP函数库与伺服电机的应用实训1. 实验目的（1）练习 MAP函数库的应用（2）掌握 MAP函数库的设置方法2. 实验的组成及功能（1） S7-200 PLC 一台（2） 装有STEP 7-Micro/WIN 32编程软件PC机一台（3） USB-PPI通信电缆一条3. 实验功能要求伺服系统是现在定位控制中使用非常广泛的一个系统，和步进系统比较具有控制精度高，转速快，带负载能力强等特点，当然价钱也比

9、步进系统要贵的多。伺服系统在定位控 制中应包含三个方面的设备，一是伺服电机，二是伺服驱动器，三是控制的上位机，控制 的上位机可以是 PLC，单片机，还可以是专用的定位控制单元或模块，如 EM253 定位模块 等。在我们这个实习中，采用 PLC 作为控制器，重点是学习伺服驱动器的用法，如系统的 接线、参数设置、程序调试等。以 PLC 作为上位机进行控制。控制要求如图 4-1 所示，按下启动按钮，电机旋转，拖 动工作台从 A 点开始向右行驶 80mm，停 2 秒，然后再向右行驶 30mm 至 B 点，再停 3 秒， 最后向左行驶返回 A 点,停4秒，如此循环运行，按下停止按钮，工作台行驶一周后返回

10、 A 点。画出 控制原理图，设置运行参数，写出控制程序并进行调试。要求工作台移动的速度要达到10mm/s。丝杆的螺距为 10mm；脉冲当量为 0.01m。4. 内容及指导（1）画出控制系统的原理图并接线（2） 系统控制回路（3）程序的设计根据控制要求，工作台从 A 点移到 B 点的距离为 80mm。电机转 8 周，因此 PLC 要发 出 8000 脉冲；从 B 移到 C 的距离为 30mm。电机转 3 周，因此 PLC 要发出 3000 脉冲；从 C 移到 A 的距离为 110mm。电机转 11 周，因此 PLC 要发出 11000 脉冲。工作台移动的速度要 达到 10mm/s，则产生脉冲的频

11、率为 10000Hz。M0.1 为启动信号，M0.0 为停止信号，脉冲 从 Q0.0 输出，Q0.2 为控制方向。5I/O 分配表输入输出M0.0自动模式Q0.0脉冲输出M0.1启动Q0.2方向M0.2停止M0.3复位模式M0.4复位I0.0丝杠原点I0.1丝杠前限位I0.2丝杠后限位6. 控制程序主程序：初始化子程序：原点回归子程序：自动运行子程序：实训二 三轴机械手模块实训项目1. 实验目的（1） 熟悉三轴机械手模块的编程（2） 熟悉三轴机械手模块的编程调试2. 实验的组成及功能（1） 可编程序控制系统设计师二级设备一台（2） 带STEP 7-Micro/WIN 32 编程软件PC一台（3

12、） USB-PPI 通讯电缆一条3. 实验功能要求具体的控制要求为： 设备上电后，系统处于待机状态。 系统处于待机状态下，允许通过人机界面进行操作模式的切换，可选择的操作模式有：自动操作模式，手动操作模式，原点操作模式。 手动操作模式下，允许对X、Y、Z轴进行点动调试。u 按下左移按钮，X轴向左移动，按下右移按钮，X轴向右移动。u 按下前进按钮，Y轴向前移动，按下后退按钮，Y轴向后移动。u 按下上升按钮，Z轴向上移动，按下下降按钮，Y轴向下移动。u 各轴移动到达限位开关位置，该轴自动停止运行。 原点操作模式下，允许对三轴进行复位操作，按下复位按钮后， Z轴先回到参考点，其后X轴及Y轴同时寻找参考点。 自动操作模式下，按下启动按钮且X轴、Y轴、Z轴处于参考点位置，系统进入自动运行状态，执行如下动作：a) 三轴机械手X轴及Y轴到达转盘D工位上方。b) 三轴机械手 Z轴下降至D工位。c) 三轴机械手夹紧瓶子。d) 三轴机械手Z轴上升至安全位置。e) 三轴机械手X轴及Y轴到达堆垛9号工位上方。f) 三轴机械手Z轴下降至9工位。g) 三轴机械手松开瓶子。h) 三轴机械手Z轴上升至原点。i) 返回a。 自动运行状态下，按下停止按钮，三轴机械手搬运完当前瓶子后返回三轴返回原点位置待机。注：u 人机界面需包含三种操作模式选择以及模式指示灯。u 不同操作模式之间需进行互锁。u 当处于自