三自由度全电动机械手控制实训指导书20160601

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

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 1-37 平行手指剖面结构与实物图

（2） 伺服电机

① 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

② 原理：

a.伺服系统（servo 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，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

① 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。

② 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。

③ 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%. ④ 当使用感性负载(如灯、 电动机等) 时, 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。

⑤ 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。

⑥ 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

3×3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 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 M AP 函数库的应用 （2）掌握 M AP 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 P LC 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 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，则产生脉冲的频率为 10000Hz 。M0.1 为启动信号，M0.0 为停止信号，脉冲 从 Q 0.0 输出，Q0.2 为控制方向。

5．I/O 分配表

6. 控制程序

主程序：

原点回归子程序：

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） USB-PPI 通讯电缆一条 3. 实验功能要求 具体的控制要求为：

① 设备上电后，系统处于待机状态。

② 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。

③ 手动操作模式下，允许对X 、Y 、Z 轴进行点动调试。

◆ 按下左移按钮，X 轴向左移动，按下右移按钮，X 轴向右移动。 ◆ 按下前进按钮，Y 轴向前移动，按下后退按钮，Y 轴向后移动。 ◆ 按下上升按钮，Z 轴向上移动，按下下降按钮，Y 轴向下移动。 ◆ 各轴移动到达限位开关位置，该轴自动停止运行。

④ 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。

⑤ 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 。

⑥ 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：

◆ 人机界面需包含三种操作模式选择以及模式指示灯。 ◆ 不同操作模式之间需进行互锁。

◆ 当处于自动操作下，方允许进行启动及停止操作。 ◆ 当处于手动操作下，方允许进行点动操作。 ◆ 当处于原点操作下，方允许进行复位操作。 ◆ 系统自动运行过程中，不允许切换操作模式。 ◆ 人机界面可实时监控三轴机械手当前三轴坐标。

◆ 当系统处于待机状态下时，可通过人机界面对转盘D 工位及堆垛9号工

位三轴坐标的修改。 4. 内容及指导 （1） 实验程序

a) 三轴CTRL ：

b) 三轴回原点

c) 三轴手动

d) 三轴自动

江门职业技术学院电子与信息技术系

e) 主程序

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