机械手电气控制系统的设计.doc

井式加热炉抓取机械手电气控制系统的设计作者姓名：王强专业名称：自动化指导教师：杨斌 讲师摘要工业机械手是一种仿人操作、自动控制、可重复编程且能在四维空间完成各种作业的机电一体化自动生产设备。对稳定和提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要作用，特别适合于多品种、变批量的柔性生产。本课题主要任务是设计一抓取机械手来完成无人化工厂中某一阶段性工作。机械手系统采用圆柱坐标方式，由PLC作为中央控制单元，控制三路交流伺服驱动器、位置单元模块及其它功能块，驱动各轴伺服电机准确定位。定位完成后，再执行手部抓取动作，以完成指定任务。设计了上位机组态，方便人们监视现场运行情况以及实现故障准确定位，并简单叙述系统参数设置及调试方法。本文重点解决的问题电气控制系统设计本课题中主要内容：(1) 机械手方案设计及驱动电机选型；(2) 电气控制系统硬件线路设计；(3) 控制系统程序设计；(4) 上位机组态设计及系统调试；关键词：机械手 交流伺服控制器 PLC 组态 松下AbstractIndustrial machinery hand is a fake person operation, automatic control, programmable and can complete all kinds of operations in four-dimensional space electromechanical integration automatic production equipment. To stabilize and improve product quality, improve production efficiency, improve labor conditions and the rapid upgrading of products plays a very important role, especially suitable for many varieties, varying quantities of flexible production.The main task is to design a gripping manipulator to complete no chemical plant in a phased work. Manipulator system using a cylindrical coordinate, by PLC as the central control unit, control of three AC servo driver, position unit module and other functional blocks, the axis servo motor positioning. Positioning is completed, then the execution of hand grasping movements, to complete the assigned task. Design of PC configuration, convenient for people to monitor the site operation and the realization of accurate fault location, and briefly narrates system parameter setting and debugging method.This paper focus on solving problems - electrical control system designIn this paper the main contents:(1) manipulator design and drive the motor selection;(2) the electrical control system hardware circuit design;(3) the control system program design;(4) PC configuration design and system debugging;Key words: manipulator, Panasonic, AC servo controller, PLC, configuration目录摘要2Abstract3目录4前言61 绪论81.1机械手概况81.2 机械手简史81.3 机械手发展状况91.4 简述机械手分类101.5 机械手发展趋势121.6 本课题任务122 抓取机械手方案设计142.1机械手总体结构设计及基本参数142.2手部结构设计152.3机械手移动基座设计172.3.1基座设计172.3.2 基座伺服电机选型182.4 升降系统机构设计202.4.1 升降机构设计202.4.2 升降伺服电机选型213 机械手电气控制系统设计233.1 伺服电机及驱动器简介233.1.1 交流伺服电机233.1.2 伺服控制器243.2 机械手电气系统设计273.2.1主电路设计273.2.2控制电路设计284 机械手控制系统设计324.1 可编程逻辑控制器324.2 系统I/O点数及地址分配364.3 系统程序设计394.3.1 加热炉放料程序设计394.3.2 加热炉取料及淬火程序设计455上位机组态及系统调试495.1 组态概念介绍495.2 机械手系统组态设计51总结53致谢54参考文献55附录一56附录二57前言用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1 绪论1.1机械手概况机械手是由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种能在四维空间完成各种作业的机电一体化设备。特别适合多品种、变批量的柔性生产。它对提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用，因此，机械手广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手技术是综合控制论、信息论、计算机、机构学、传感技术、人工智能、运筹学、仿生学等多学科而形成的高技术，也是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。一般说来，机械手的应用情况，可衡量了一个国家的工业自动化水平。机械手是综合了人和机器的特长，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，可以说它是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。1.2 机械手简史现代意义的机械手最先是由美国开始研制的。它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于二十世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台电子计算机问世以来，计算机取得惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国1947年开发了遥控式机械手，第二年又开发了主从式机械手。1958年，美国联合控制公司研制出示教型机械手，结构是机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁阀抓放机构。1962年，公司在上述方案基础上又研发一台数控示教再现型机械手。取名为Unimate，运动系统仿照坦克炮塔，手臂可以回转、俯仰、伸缩，使用液压驱动，控制系统采用磁鼓作为存储装置。很多球面坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年，该公司与普尔曼公司合并出成立万能自动公司，专门生产工业机械手。1978年美国Unimate公司与斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Viccarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。二十世纪八十年代以后，机械手的应用领域不断拓展，性能指标在不断提高。目前，机械手不仅应用于传统制造业如采矿、冶金、石油、化工、船舶等领域，同时也扩大到航空、航天、医药、生化、军事等高科技领域以及诸如家庭保洁、医疗康复等服务行业。机械手的发展可大致分为三个阶段。第一阶段，机械手只能根据事先编制好的程序来工作，纯机械式操作。第二阶段，机械手具有触觉、视觉、听觉、力觉等功能，它可以根据外界的不同信息做出相应的反馈。第三阶段，机械手不仅能感知外面的世界，还具有自我学习，知识记忆的功能，它与电子计算机和电视设备保持实时联系，并逐步发展为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。1.3 机械手发展状况现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程自动化已经基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产环节不是连续的。因此，比如迫切需求装卸、搬运等工序机械化，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。近年来全球机械手行业发展迅速（图1-1）。人性化、重型化、微型化、智能化已经成为未来机械手产业的主要发展趋势。有资图1.1 全球每年新投入使用的机械手数量料显示，工业机械手在汽车工业、机床工业、金属加工业和食品工业应用明显增加。同时，服务机械手的市场前景也不容小觑，如家用服务机械手、割草机械手、康复机械手等。我国于1972年开始研制工业机械手，经过几年攻关，完成了示教再现式工业机械手成套技术（包括机械手本体、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生产的工艺技术等）的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机械手整机，几类专用和通用控制系统及关键元部件等，并在生产中经过实际应用考核。在国家政策的支持下，经过不懈努力，九十年代后半期实现了国产机械手商品化，为产业化奠定基础。1.4 简述机械手分类工业机械手的种类很多，目前国内尚无统一的分类标准。工业界一般按驱动方式、使用范围和控制系统等进行划分。按驱动方式，机械手分可液压传动、气压传动、机械传动和电力传动。液压机械手主要特点是，抓重可达几百千克以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，且不宜在高温、低温下工作。若采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，这使得机械手通用性扩大，但其制造精度高，油液过滤严格。气压传动机械手主要特点为输出力小、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性差，冲击大，抓重一般为30千克一下，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中工作。机械传动机械手运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变，常被用于工作主机的上、下料。电力传动机械手不需要中间的转换机构，故机械结构简单，维护和使用方便。按使用用途可分为专用机械手和通用机械手两种。专用机械手是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低廉等特点，适用于大批量自动化生产，如自动机床、自动上产线上的上下料机械手、自动换刀机械手等。而通用机械手具有独立控制系统、程序可变、动作灵活多样的特点。在性能范围内，其动作程序可变，通过调整可在不同的场合中使用，工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。按控制方式分可分为点位控制和连续轨迹控制。点位控制其实是空间点到点的移动，只能控制运动过程中的几个点的位置，不能控制其运动轨迹，若控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。而连续轨迹控制其特点是设定点为无限个，整个移动过程平稳、准确，并且适用范围广，但电气控制系统复杂，这类工业机械手一般采用微型计算机控制，如PLC、单片机、嵌入式PC等。本论文机械手采用电力传动方式，机械结构简单，重量轻，精度高，工作迅速、平稳、可靠，因而广泛应用于机械加工业，如喷漆、码垛等。1.5 机械手发展趋势自20世纪90年代以来，由于具有一般功能的传统工业机械手的应用趋向饱和，而许多高级生产和特种应用则需要具有各种智能的机械手参与，因而促使智能机械手获得较为迅速的发展。无论从国际或国内角度看，复苏和继续发展机械手产业的一条重要路径就是开发各种智能机械手，以提高机械手的性能，扩大其功能和应用领域。回顾近年来国内外机械手的发展历程，大致有以下发展趋势。传感型智能机械手发展较快，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能机械手系统、人工神经网络、专家系统等。智能机械手和高级工业机械手的结构要力求简单紧凑，其高性能部件甚至全部机构的设计已向模块化方向发展。汽车工业、工程机械、建筑、电子、电机工业及家电行业在开发新产品时，引进高级机械手技术，采用柔性自动化和智能化设备，改造原有生产手段，使机械手及其生产系统的发展呈上升趋势。重型、小型和微型机械手的研究也是热点之一，重型机械手可应用于大型和重型装备智能化和无人化，小型机械手移动灵活方便、速度快、精度高，适于进入大中型工件进行直接作业，微型机械手可用于医疗和军事领域。机械手的应用领域向非制造业和服务业发展也是一个重要方向。1.6 本课题任务本课题主要任务是设计一机械手来完成无人化工厂中某一阶段性工作。移动式机械手在将来料传送带上的工件放入井式加热炉中，加热时间不低于5小时，随后将其取出，在淬火池F中淬火60秒，最后取出工件，放入去料传送带上，然后返回来了传送带，点并重复以上操作，其过程均为自动完。移动式机械手将来料传送带A上的工件放入井式加热炉中，加热时间不低于5小时，随后将其取出，在淬火池F中淬火60秒，最后取出工件，放入去料传送带G上，然后返回来了传送带，点并重复以上操作，其过程均为自动完成。系统设定为，当加热炉内工件放满后，外围系统自动将炉盖关闭，在取出工件时，又自动打开，并且来料传送带末端、去料传送带始端都安装有工件检测装置。图1.2 机械手系统运行平面图机械手系统控制要求如下：1 该抓取式机械手系统，机械手基座通过伺服电机驱动，可在导轨上来回滑动，为保证基座在移动的过程中不至于机械损伤，在导轨的两端分别加入限位开关。同理，升降和回转两轴也分别加入限位开关，使机械手系统运行更可靠。2 机械手三轴可联动，当某一轴到达指定位置时，其余轴可继续动作。3 工件在井式加热炉中保温至少5小时，淬火60秒。4 机械手基座和升降装置速度最大为，加速度最大为，其中基座可移动范围为，升降装置移动范围。摇臂装置回转角度，其旋转半径为。5 机械手系统还具有完善的报警功能，且故障能迅速定位。6 对机械手的操作要有手动控制功能，手动只在应急、检修等情况下临时使用。2 抓取机械手方案设计2.1机械手总体结构设计及基本参数根据本课题机械手示意图如图2.1所示，机械手底座采用单轴滑台移动方式，机械手可往复旋转，升降采用丝杠传动，其图2.1 机械手示意图驱动均采用交流伺服电机。手臂不可伸缩，手部采用夹持式抓取工件，由于工作环境温度高，驱动手部动作的电磁线圈及其附属电气设备均远离抓手。本设计方案采用圆柱坐标式结构，各动作由交流伺服电机驱动控制，动作的先后顺序按照运行中的限位开关、PLC的定时器和中间继电器等控制，机械手主要作用是完成工件在加工过程中的抓取和搬运等任务。本装置主要由机械手臂、交流伺服电机、抓手、导轨、可编程序控制器（PLC）等组成。机械手手臂为曲线运动，由伺服电机驱动，机械抓手的张、合等动作由电磁线圈驱动完成。为提高控制精度，伺服系统采用位置控制模式。课题基本参数的确定1、 手部负重：10Kg（抓取物体的形状为正六柱体，密度）2、 自由度数：2个，沿Z轴上下移动，绕Z轴转动，机座可沿X轴直线往复移动3、 坐标形式：圆柱坐标4、 手臂运动参数：旋转半径：上下行程：升降速度：小于或等于回转角度： 回转速度：小于或等于5、 机座（X轴）运行参数：行程：速度：小于或等于6、 定位方式：闭环伺服定位7、 重复定位精度：8、 驱动方式：交流伺服电机，电磁方式9、 控制方式：可编程序控制器（PLC）2.2手部结构设计手部机构是机械手直接与工件、工具等接触的部件，它能模仿人手的部分功能，根据被抓去工件、工具等的形状、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙度的不同，工业中使用多种形式的手部机构，如钳爪式、磁吸式等。而钳爪式手部机构是最常见的形式之一，手爪有两个、三个或多个，其中两个的最多。抓取共工件方式有外卡式和内撑式，本文采用外卡式机械机构。在设计时还要考虑以下问题。在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应该考虑在操作过程中所产生的惯性力和震动，以保证工件不致于产生松动或脱落。两手指张开与闭合的两个极限位置的夹角应该保证工件能顺利进入或脱开。根据工件形状选取相应的手指形状以便准确抓取。机械手指还应有足够的强度和刚度，并且耐高温，以防折断和弯曲，尽量使结构简单紧凑，自重轻。本课题机械手手指结构如图2.2所示，抓取工件重量，其中 ，V型手指的角度，摩擦系数，根据手指夹持工件方位，可得握力计算公式算公式图2.2 机械手手指示意图代入解得，其驱动力大小代入解得，实际驱动力传力机构采用齿轮齿条传动，取，若抓取工件的最大加速度取时，则所以因此，夹持工件时所需加紧的驱动力为。所以，电磁线圈最小驱动力大于夹紧时的驱动力。选择驱动能力为2500N的电磁线圈作为抓手驱动器。2.3机械手移动基座设计2.3.1基座设计机械手底座由机座滑块、导轨、交流伺服电机等组成，机座采用滚珠丝杆传动，它可将回转运动转化成直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想装置，其示意结构图如图2.3所示。图2.3 基座传动结构图滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力兼具高精度、可逆性和高效率等特点，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠与滑动丝杠相比驱动力为三分之一，由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到三分之一以下，即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的三分之一，因此，在节能方面很有帮助。利用滚珠运动，启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。滚珠丝杠副可以加予压力，由于予压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性。同时，滚珠丝杠由于运动效率高、发热小，所以可实现高速进给运动。2.3.2 基座伺服电机选型 机座伺服电机容量选择。滚珠丝杠基本参数确定为：机身与负载部分总质量，滚珠丝杠的长度，滚珠丝杠直径，滚珠丝杠螺距，滚珠丝杠效率，移动距离，联轴器惯量，移动速度，加速度。以下为计算主过程：滚珠丝杆质量负载部分惯量预选松下交流伺服电机MSME系列，则惯量比若选用，则，其惯量比为。转速最长加速时间，最长减速时间，匀速时间移动转矩加速时转矩由于，同理可得，减速时转矩。已知最大转矩。查表附录一，1.5KW额定转矩。所以， 。根据以上计算，转矩有较大的余量，惯量比也在适当范围内，选择MSME系列的伺服电机是正确的。再根据松下电机说明书，选择电机电压规格200V，旋转编码器选择增量式，选择直轴、无制动器和有油封的电机结构，则该电机型号为MSME152G1S。2.4 升降系统机构设计2.4.1 升降机构设计 在当今的工程实际中，对于垂直升降机构的应用已经十分广泛，常见的有“剪叉式”和“伺服电机+滚珠丝杠”方式，不过由于使用场合、提升要求达到的精度以及垂直方向上空间的限制的要求不同，两种驱动方式也有很大的差异。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转旋转运图2.4 升降结构示意图动转换成直线运动。滚珠丝杠副具有传动效率高、磨损小、运动平衡、无爬行现象，传动精度高等优点。它是传统滑动丝杠的进一步延伸拓展，滚珠丝杠因优良的摩擦特性使其广泛应用于各种工业设备、精密仪器。“伺服电机+滚珠丝杠+滚动直线导轨”驱动主要用于环境洁净为100级、垂直方向上空间尺寸受限制且精度要求较高的场合。升降机构安装在密闭的箱子里面，其中是洁净度为100级的环境，箱子中内部净高，需要在里面实现提升有效行程为，才能把物体送达指定位置。因此，选用“伺服电机+滚珠丝杠”最为适宜。升降结构主要由交流伺服电机、涡轮蜗杆减速器、托板、连接块、滚珠丝杠、直线滚动导轨等组成。机械手小臂固定在托板上面，由于丝杠仅能承受轴向力，为了避免偏载对丝杠的弯矩，设计两根滚珠直线导轨并固定在滚珠丝杠的两侧，同时为了防止丝杠在运动中卡死现象，使连接块与托板不刚性连接且留有微量间隙。丝杠传动带动托板上下运动，从而带动机械手的上下运动，以达到升降的目的。2.4.2 升降伺服电机选型 升降机构伺服电机的选型，拖动总质量为，滚珠丝杠长度为，滚珠丝杠直径为，滚珠丝杠螺距，滚珠丝杠传动效率，移动距离，联轴器惯量，加速度，移动速度为。计算主要过程如下：滚珠丝杠质量负载部分惯量预选松下MSME交流伺服电机，则 惯量比转速加速时间加速升降高度由于，减速时间匀速运行时间移动转矩加速时转矩由于，同理可得，减速时转矩，已知最大转矩。查表附录一，750W额定转矩。所以。根据以上计算，转矩有较大的余量，惯量比也在适当范围内，选择MSME系列的伺服电机是可行的。再根据松下电机说明书，选择伺服电机型号为MSME082G1S。3 机械手电气控制系统设计3.1 伺服电机及驱动器简介3.1.1 交流伺服电机交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。其中一组为励磁绕组，另一组为控制绕组， 交流伺服电动机使用时，励磁绕组两端施加恒定的励磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。 通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。 为了在电机内形成一个圆形旋转磁场，要求励磁电压Uf和控制电压UK之间应有90度的相位差，常用的方法有：利用三相电源的相电压和线电压构成90度的移相；利用三相电源的任意线电压；采用移相网络；在激磁相中串联电容器。交流伺服电动机的转速能随着控制电压的变化在宽广的范围内连续调节，整个运行范围内的机械特性接近线性，以保证伺服电机运行的稳定性，并有利于提高控制系统的动态精度。伺服电机还具有无“自转”现象，即当控制电压为零时，电机立即停止运转，并且其机电时间常数比较小，动态响应快速，堵转转动力矩大，转动惯量小等特点。因此，在控制系统中常被作为执行元件。对交流伺服电机的而言，从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载46倍而不损坏。为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。同时电机还应能承受频繁启、制动和反转。本文采用松下交流伺服电机A5 MSME系列产品。该系列产品它具有小型化设计，通过对通过对驱动器进行最佳热分析实现小型化，与过去相比，体积75%，重量80% ，使用薄模具钢板的新冲片工艺，大幅度降低铁损，电机长度缩短(过去的70%)。方便备货与维护采用电流分级法，一款驱动器适配多款电机，并且增加了高速超小惯量电机以适应更多场合。它还具有良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡。效率可达到90%以上，发热量低。高速、高精确的位置控制，并且在额定运行区域内，能实现恒力矩。低噪音，没有电刷的磨损，免维护。不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境，性价比较高。图3.1 伺服电机结构3.1.2 伺服控制器伺服驱动器又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。图3.2 松下伺服驱动器A5目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，伺服驱动器可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。伺服进给系统的要求调速范围宽、定位精度高并且有足够的传动刚性和高的速度稳定性，同时还应具有快速响应，无超调。为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，伺服驱动器还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。伺服控制器可低速大转矩，过载能力强。一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载46倍而不损坏。它可靠性高，要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。本论文选用松下伺服驱动器A5系列E型产品，其前面板如图3.2所示。该系列产品采用独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500HZ，定位超调整定时间缩短为以往产品的四分之一。还具有共振抑制和控制功能，可涵盖机械的刚性不足，从而实现高速定位。A5系列产品具有全闭环控制功能，通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。它还具有一系列方便使能的功能，内设有频率解析功能（FFT），从而可检测出机械的共振点，便于系统调整。驱动器上配有RS485、RS32C通信接口，上位控制器可同时控制多达16个轴。驱动器可选配多种编码器，有普通型、高精度型和特殊型之分，因此，适用范围比较广。3.2 机械手电气系统设计3.2.1主电路设计主电路主要有漏电断路器（RCD）、配线断路器（MCCB）、噪音滤波器（NF）、电磁接触器（MC）、电抗器（L）、伺服驱动器、交流伺服电机等组成。漏电断路器主要是当电路中漏电电流超过预定值时能自动动作的开关。常用的漏电断路器分为电压型和电流型两类，而电流型又分为电磁型和电子型两种。 漏电断路器还可用于防止人身触电，应根据直接接触和间接接触两种触电防护的不同要求来选择。同时为了保护电源线路，需要配置与电源容量相匹配的配线断路器，以作为过电流保护装置。加入噪音滤波器是为了防止外部噪音进入驱动器电源线路，也降低驱动器对外部线路的噪音干扰。电磁接触器是为接通或断开驱动器的主电源，且严禁将其用于电机的运转和停止操作。电抗器可抑制浪涌电流，在大功率电力电子电路中，合闸瞬间，往往产生一个很大的冲击电流（浪涌电流），浪涌电流虽然作用时间短，但峰值却很大。比如，电弧炉、大型轧钢机，大型开关电源，UPS电源，变频器等，开机浪涌电流往往超过正常工作电流的100倍以上。在输入侧串接电抗器，能有效的抑制这种浪涌电流。同时还可以抑制谐波电流，随着电力电子技术的广泛图3.3 系统主线路接线图应用，我们的电网中增加了大量的非线性负载，比如，ACDC电源，UPS，变频器等，它们都是以开关方式工作的。这些以开关方式工作的用电设备，往往变成了谐波电流的发生源，“污染”电网，使电网电压波形畸变。谐波的危害之一便是中心线过载发热燃烧。电抗器的接入，能有效抑制谐波污染。机械手系统主电路接线如图3.3所示。伺服驱动器上B2、B3之间通常保持短路状态。该系列伺服驱动器对电源电压等级要求比较宽泛，可在170V250V 之间正常运行。当闭合漏电断路器，电源经过噪音滤波器滤波，再经过熔断器FU2，伺服驱动器控制电源马上得电，其电源指示灯点亮。此时，按下启动按钮ON时，电磁接触器MC线圈得电，其常开触点闭合，并进入自保持状态，为不致使控制线路因浪涌电流而出现故障，再加一个浪涌吸收器并联在MC两端。常开触电闭合后，电源再经过电抗器后就直接进入驱动器的主回路。若断开伺服驱动器主回路，只需按一下常闭开关OFF，电磁接触器线圈失电，常开触点由原来的闭合转换成断开状态，同时，控制线路中的自保持解锁，伺服驱动器主电路失电。若机械手系统发生故障，则常闭触点ALM处于断开状态，同样可使伺服驱动器主电路断电，来确保系统故障不进一步扩大。伺服驱动器主电路输出端U、V和W三个接线端子分别接入伺服电机线缆的红、白、黑三线，电机上的绿皮线与伺服控制器图3.5 系统运行框图接地螺钉相连接，为防止触电，再将驱动器上的接地线端子与控制盘的地线进行连接。驱动器上的外置再生放电电阻接线端子B3与B2短路，NC端子悬空。3.2.2控制电路设计整个系统运行框图如图3.5所示，从图中可以看出，PLC处于机械手系统的核心部位。既与上位机进行时时通讯，可监控整个机械手系统运行状态，又是控制三个伺服驱动器、位置控制器的主控元件，并且还控制手部抓取电磁阀等。驱动器主电路就直接挂接伺服电机，而编码器将电机转速反馈给驱动器，以达到精确位置控制目的。由于是三轴控制，参照松下位置控制单元用户手册和交流伺服马达驱动器系列使用说明书，选择产品如下表31所示。表3-1 松下选型产品类别伺服驱动器位置控制器伺服电机基座系统MDDHT5540AFPG432MSME152G1S*升降系统MDDHT3520AFPG432MSME082G1S*摇臂系统MDDHT5540AFPG432MSME102G1S*三轴上所选用产品仅功率不一致外，其他大体相同。因此，驱动部分电气连接以基座系统为例。位置控制器上的顺时、逆时针脉冲指令输出分别连接到伺服驱动器A5上的指令脉冲输入，位置控制的原点输入接到驱动器的Z相输出，当驱动器输出高电平，说明目标位置已达到原点。偏差计数器清零输出端与驱动器的计数器清零相连接，位置控制器由晶体管输出，当偏差计数器清零指令下达时，晶体管基极为高电平，晶体管导通，同时集电极为低电平，驱动器输入端光耦（发光二极管）导通，计数器清零指令就进入到驱动器内部，再经过内部电路相关处理，完成该任务。位置控制器上的原点接近输入与基座上的原点附近传感器相连接，若机械手图3.6 位置单元与伺服驱动器连线基座移动到原点附近，传感器有常开开关转换成闭合状态，控制器输入端光耦导通，位置信号传入位置控制器。驱动器上的伺服ON输入、增益切换输入、警报解除输入、正向和方向驱动禁止输入分别接入到PLC I/O的输出端，而伺服准备就绪输出、伺服警报输出、定位完成输出分别接入PLC I/O的输入端，这样可对机械手基座进行精确、复杂的控制。另外，顺时针、逆时针限位传感器分别接入到PLC的PLC I/O的输入端，以更好的保护系统的安全。位置单元与驱动器连线图如3.6所示，它们的供电电源均使用直流24V。转速检测采用数字化使得测速精度高、分辨能力强、受器件影响小的优点，被广泛应用于调速要求高、调速范围大的调速系统和伺服系统。本论文采用松下伺服电机自带的光电式编码器，以便于检测转速或转角。当电机转动时，带动编码器旋转，产生转速或转角信号。旋转编码器又分为绝对式和增量式两种。绝对式编码器在码盘上分层刻上表示角度的二进制数码或循环码，通过接收器将该数值送入计算机，它常用为转角检测。增量式编码器在码盘上均匀的刻制一定数量的光栅，当电机旋转时，码盘随之一起转动。通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭光通路，因此，在接收装置的输出端变得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，从而可计算出转速。松下编码器连接端的输入电源电压范围为DC 4.9V-5.25V，引线连接如上图3.7所示。图 3.7 20位增量式编码器连接线路4 机械手控制系统设计4.1 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器（PLC）实质是一种专用于工业控制的计算机，可编程逻辑控制器其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本组成包括电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块等。当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，可编程逻辑控制器即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段，完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，其运行框图如图4.1所示。在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。编程语言也是PLC的重要组成部分，PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序需要。PLC提供的编程语言通常有以下几种：梯形图、功能块图、顺序功能图、结构化文本和指令表。由于PLC生产厂家众多，PLC的编程语言也存在或大或小的差异，这种差异限制了PLC的开放性、可复用性和互图4.1 PLC运行原理图换性，同时也为用户学习和使用带来诸多不变。可编程逻辑控制器具有鲜明的特点，系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长，也能进行连续过程的PID回路控制，并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。PLC使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。并且能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。梯形图是最早使用的一种编程语言，也是现在最常用的，是从继电器控制原理图的基础上演变过来的，继承了继电器控制系统中的基本工作原理和电气逻辑关系的表示方法，所以在逻辑顺序控制系统中得到广泛的应用，它简单明了，易于理解，是所有编程语言中的首选。本课题采用松下可编程器，该产品通过配备32位RISC处理器，实现了小型PLC的超高速运算处理。为充分适应通信、定位、模拟量控制等不断扩大的功能需求，使用备有32K部程序存储器。即使将来进行设备改造，也因程序容量有充足余量而可放心使用。要在计算机管理程序时，常常难以确定哪个是最终的程序，从而将正在工作的设备内的PLC中所存储的程序作为最终程序。FP中配备了独立的注视存储器，所以注释均可与程序一起存储至PLC内，因此便于对程序进行管理，便于维护。中间定为控制单元，左侧可扩展4台扩展单元，右侧可扩展3台。以此可达到最大I/O点数384点，实现超过小型PLC领域的控制功能。位置控制单元RTEX可对应松下电器产业制造的MINAS A4N“Real Time Express”构建高速、省配线的网络伺服系统。复杂的配线作业可大幅度减少，有助于实现多轴控制装置的迅速启动运行。脉冲输出型位置控制单元可实现0.005ms高速启动，最适用于电子零部件的码垛等高速、反复进行短行程操作的应用程序。还具有开放式网络，如果使用FNS单元，可作为从站分别与PROFIBUSDP、DeviceNet、CANopen连接。如果使用FP-WEB-SERVER2，可通过LAN电路简单地进行检查数据、生产数据以及错误信息的收集。可使用工具软件FP Web Configurator Tool，方便地进行FP WEBSERVER2的连接设定。在空调温度控制等方面，发挥强大威力。如果安装CC-Link单元，可与其他公司的PLC(三菱电机公司制造)等进行数据交换。如果使用通信插件(RS485型)，可在最多16台FP之间方便地共享位数据/字数据。(与FP-X、FP0R、FP-X0、FP2可混合使用)可简单地对应松下开放协议“MEWTOCOL”的设备之间进行无程序通信。如果使用FP0-A80可测量最大24点的电压/电流。具有模拟量输出4ch单元，并配备有输入2ch/输出1ch混合单元。压力、流量测量以及电磁阀开关量、变频器输出频率的控制等，可在广泛的领域中使用。4.2 系统I/O点数及地址分配通过对系统控制要求的分析可知，系统开关量输入点28点，开关量输出点25点，由于定位控制需要位置控制单元3块，而单元模块本身就自带16个输入点、16个输出点，扩展单元仅安装在控制单元的左侧，扩展单元的的I/O编号从靠近控制单元的地方依次从右向左，数字从小到大自动分配，因此无需设置，其编号仅与连接位置有关。所以选择控制单元型号为，其输入也是16点、输出16点，I/O端口有足够的余量共系统使用。控制系统的输入、输出信号及地址编号如表4-1所示。表4-1 PLC输入输出信号代码和地址编号表PLC输入端口PLC输出端口名称代码地址编号名称代码地址编号自动运行按钮SF1X0基座伺服ON/Y0手动运行按钮SF2X1摇臂原点复位启动/Y1停止运行按钮SF3X2基座警报解除/Y2抓手电磁线圈反馈QB1X3基座正向驱动禁止/Y3基座伺服准备就绪/X4基座反向驱动禁止/Y4基座伺服警报/X5摇臂伺服ON/Y5基座定位完成/X6上下原点复位启动/Y6基座左限位开关BG1X7摇臂警报解除/Y7基座右限位开关BG2X8摇臂正向驱动禁止/Y8摇臂伺服准备就绪/X9摇臂反向驱动禁止/Y9摇臂伺服报警/XA升降伺服ON/YA摇臂定位完成/XB升降警报解除/YC摇臂顺时针限位开关BG3XC升降正向驱动禁止/YD摇臂逆时针限位开关BG4XD升降反向驱动禁止/YE升降伺服准备就绪/XE抓手电磁线圈驱动KF1YF升降伺服报警/XF加热炉炉盖开关KF2Y100升降定位完成/X100基座原点复位启动/Y101升降上限限位开关BG5X101紧急停止运转/Y102升降下限限位开关BG6X102基座电机正转/Y103来料传送带工件检测KF1X103基座电机反转/Y104去料传送带工件检测KF2X104升降电机正转/Y105基座复位完成KF3X105升降电机反转/Y106摇臂复位完成KF4X106摇臂电机正转/Y107升降复位完成KF5X107摇臂电机反转/Y108基座脉冲输出标志/X108报警主电路切断开关KF3Y109摇臂脉冲输出标志/X109升降脉冲输出标志/X10APLC端子和位置控制单元接线如图4.2，图中如A 29表示基座伺服驱动器X4接口29号端子，其电源为直流24V均是从开关电源获取。特别说明PLC的YB号端子悬空。再结合第三章伺服电机主电路前端接线图3.4和位置单元与伺服驱动器连线图3.6，整个机械手系统的主接线图清晰明了。其它单元接线，诸如与上位机通信连接等，请参考相关产品说明书，由于篇幅有限，此处就不一一介绍4.2 PLC端子和位置控制单元接线4.3 系统程序设计PLC编程工具使用FPWIN GR2.8版本的上位机软件，其编程界面如下图4.3所示。图4.3 编程工具界面图4.3.1 加热炉放料程序设计当按下自动运行按钮SF1，手动、停止运行按钮处于常闭，系统进入自检过程，当来料传送带末端负责工件检测的光电开关BG103检测到有物料时，光电开关输出高电平，当去料传送带始端负责工件检测的光电开关BG104检测到无物料时，光电开关输出低电平，同时驱动三轴的伺服驱动器都无报警输出，此时自检过程结束，系统打开加热炉炉盖，可进入系统的下一步运行。若自检到错误时，系统禁止启动并报警输出。当系统运行准备完成后，机械手每次在启动时，首先要进行原点复位操作。复位完成后，机械手电磁线圈驱动夹手抓取工件，PLC下达上升指令，当上升到1450mm时，机械手摇臂系统和基座系统同时动作，基座右移800mm，顺时针旋转，到达加热炉指定工件位置B。此时机械手下降750mm后，松开夹手，工件顺利放置在加热炉中，然后上升至1450mm处。为提高生产效率，基座电机和摇臂电机实行联动操作，基座左移800mm，且逆时针旋转，到达指定位置后，下降750mm，又返回到原点。再次执行抓取命令，第二次放置目标为加热炉中的C点，基座要右移至1012mm处，摇臂摆动角度不变，完成第二次操作后，系统沿原路径返回原点。系统开始执行第三次抓取操作，此次在第二次基础上，只需改变摇摆角度，就可放置在D点。第四次在上一次的路径上修改基座移动的位置，即可把工件放在E位置。放置完成后，夹手松开，机械手上升1450mm后，逆时针旋转后，机械手暂停工作且系统自动关闭加热炉炉盖。工件在加热炉中保温，当保温结束后，机械手再次运行。机械手从来料传送带取料，向加热炉中放料，其流程如图4.4所示。图4.4加热炉放料流程图机械手系统手动运行与自动运行既实现电气互锁，并且还可自由切换。当按下停止运行按钮SF3时，系统即刻停止运行。系统启动及报警程序如图4.5所示，当基座、升降和摇臂系统有报警信号输入时，中间报警软继电器R2接通，由Y109输出高电平，使主电断电。图4.5 机械手系统启动及报警程序原点复位子程序以SUB 0为标号，当主程序调用SUB0时，R0导通时，经上升沿微分指令DF后，使触点接通一个扫描周期。基座原点复位完成脉冲指令R5断开，R3接通并自保持，基座正处于原点复位中。当R3在处于上升沿瞬间，R4导通，原点复位启动并输出基座原点指令脉冲，系统执行位置控制代码。当复位完成时，PLC输入端口输入基座定位完成信号，上升沿触发R5导通一个扫描周期，同时将原点复位完成信号保存在R9中。而摇臂和上升系统的原点复位类似，分析在此省略。由于篇幅有限，整个系统程序放置在附录，而放料过程调用子程序代号如下表4-2表，所提及到的位置是表机械手相对位置。表4-2 加热炉子程序调用代号子程序代号完成功能子程序代号完成功能SUB0原点复位SUB6右移1012mmSUB1上升1450mmSUB7顺时针旋转187.6度SUB2下降750mmSUB8逆时针旋转187.6度SUB3左移800mmSUB9顺时针旋转172.4