机械手的研究与设计开发.docx

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机械手的研究与设计开发

天津机电职业技术学院

毕业综合实践报告

姓名张荣庭

专业电气自动化

班级电气自动化三班

学号2012321308

指导教师王延盛

2015年3月13日

1机械手的基本介绍

1.1机械手的基本结构组成

1.1.1气动手爪

用于在各个工作站物料台上抓取/放下工件。

由一个二位五通双向电控阀控制。

见图1-1

图1-1气动手爪

1.1.2伸缩气缸

用于驱动手臂伸出缩回。

由一个二位五通单向电控阀控制。

见图1-2

图1-2伸缩气缸

1.1.3回转气缸及垫板

用于驱动手臂正反向90度旋转，由一个二位五通单向电控阀控制。

见图1-3，图1-4

图1-3气动摆台

图1-4垫板

1.1.4提升气缸

用于驱动整个机械手提升与下降。

由一个二位五通单向电控阀控制。

见图1-5

图1-5提升机构

1.2直线运动传动组件

直线运动传动组件用以拖动抓取机械手装置作往复直线运动，完成精确定位的功能。

抓取机械手装置是一个能实现三自由度运动（即升降、伸缩、气动手指夹紧/松开和沿垂直轴旋转的四维运动）的工作单元，该装置整体安装在直线运动传动组件的滑动溜板上，在传动组件带动下整体作直线往复运动，定位到其他各工作单元的物料台，然后完成抓取和放下工件的功能传动组件由直线导轨底板、伺服电机及伺服放大器、同步轮、同步带、直线导轨、滑动溜板、拖链和原点接近开关、左、右极限开关组成。

伺服电机由伺服电机放大器驱动，通过同步轮和同步带带动滑动溜板沿直线导轨作往复直线运动。

从而带动固定在滑动溜板上的抓取机械手装置作往复直线运动。

同步轮齿距为5mm，共12个齿即旋转一周搬运机械手位移60mm。

抓取机械手装置上所有气管和导线沿拖链敷设，进入线槽后分别连接到电磁阀组和接线端口上原点接近开关和左、右极限开关安装在直线导轨底板上。

原点接近开关是一个无触点的电感式接近传感器，用来提供直线运动的起始点信号。

左、右极限开关均是有触点的微动开关，用来提供越程故障时的保护信号：

当滑动溜板在运动中越过左或右极限位置时，极限开关会动作，从而向系统发出越程故障信号。

1.3气动控制回路

输送单元的抓取机械手装置上的所有气缸连接的气管沿拖链敷设，插接到电磁阀组上，其气动控制回路如图1-6所示。

图1-6输送单元气动控制回路原理图

在气动控制回路中，驱动摆动气缸和气动手指气缸的电磁阀采用的是二位五通双电控电磁阀。

双电控电磁阀与单电控电磁阀的区别在于，对于单电控电磁阀，在无电控信号时，阀芯在弹簧力的作用下会被复位，而对于双电控电磁阀，在两端都无电控信号时，阀芯的位置是取决于前一个电控信号。

2传感器部分

2.1传感器简介

本机械手设计所使用的传感器都是接近传感器，它利用传感器对所接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号，因此，接近传感器通常也称为接近开关。

2.2磁性开关

磁性开关用来检测气缸活塞位置的，即检测活塞的运动行程的。

气缸的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，从而提供一个反映气缸活塞位置的磁场。

而安装在气缸外侧的磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件。

当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。

触点闭合或断开即提供了气缸活塞伸出或缩回的位置。

磁性开关安装位置的调整方法是松开它的紧定螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧紧固螺栓。

2.3光电传感器和光纤传感器

光电传感器“光电传感器”是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。

其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。

漫射式光电开关是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体反射的光线为漫射光，故称为漫射式光电接近开关。

它的光发射器与光接收器处于同一侧位置。

且为一体化结构。

图2-1E3Z-L61光电开关电路原理图

3伺服电机应用

3.1伺服系统

现代高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。

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）。

交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。

结构组成如图3-1所示。

图3-1系统控制结构

伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是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。

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。

逆变部分（DC-AC）采用功率器件集成驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块（IPM），主要拓扑结构是采用了三相桥式电路，原理图见图3-2。

利用了脉宽调制技术即PWM，（PulseWidthModulation）通过改变功率晶体管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率,改变每半周期内晶体管的通断时间比,也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压副值的大小以达到调节功率的目的

图3-2三相逆变电路

3.2交流伺服系统的位置控制模式

伺服驱动器输出到伺服电机的三相电压波形基本是正弦波（高次谐波被绕组电感滤除），而不是像步进电机那样是三相脉冲序列，即使从位置控制器输入的是脉冲信号。

伺服系统用作定位控制时，位置指令输入到位置控制器，速度控制器输入端前面的电子开关切换到位置控制器输出端，同样，电流控制器输入端前面的电子开关切换到速度控制器输出端。

因此，位置控制模式下的伺服系统是一个三闭环控制系统，两个内环分别是电流环和速度环。

由自动控制理论可知，这样的系统结构提高了系统的快速性、稳定性和抗干扰能力。

在足够高的开环增益下，系统的稳态误差接近为零。

这就是说，在稳态时，伺服电机以指令脉冲和反馈脉冲近似相等时的速度运行。

反之，在达到稳态前，系统将在偏差信号作用下驱动电机加速或减速。

若指令脉冲突然消失（例如紧急停车时，PLC立即停止向伺服驱动器发出驱动脉冲），伺服电机仍会运行到反馈脉冲数等于指令脉冲消失前的脉冲数才停止。

位置控制模式下电子齿轮的概念位置控制模式下，等效的单闭环系统方框图如图3-3所示。

图3-3等效的单闭环位置控制系统方框图

图中，指令脉冲信号和电机编码器反馈脉冲信号进入驱动器后，均通过电子齿轮变换才进行偏差计算。

电子齿轮实际是一个分-倍频器，合理搭配它们的分-倍频值，可以灵活地设置指令脉冲的行程。

松下MINASA4系列AC伺服电机•驱动器在机械手中，采用了松下MADDT1207003全数字交流永磁同步伺服驱动装置作为运输机械手的运动控制装置。

MHMD022P1U的含义：

MHMD表示电机类型为大惯量，02表示电机的额定功率为200W，2表示电压规格为200V，P表示编码器为增量式编码器，脉冲数为2500p/r，分辨率10000，输出信号线数为5根线。

图3-4伺服电机结构概图

MADDT1207003的含义：

MADDT表示松下A4系列A型驱动器，T1表示最大瞬时输出电流为10A，2表示电源电压规格为单相200V，07表示电流监测器额定电流为7.5A，003表示脉冲控制专用。

3.3接线

MADDT1207003伺服驱动器面板上有多个接线端口，其中：

X1：

电源输入接口，AC220V电源连接到L1、L3主电源端子，同时连接到控制电源端子L1C、L2C上。

X2：

电机接口和外置再生放电电阻器接口。

U、V、W端子用于连接电机。

必须注意，电源电压务必按照驱动器铭牌上的指示，电机接线端子（U、V、W）不可以接地或短路，交流伺服电机的旋转方向不像感应电动机可以通过交换三相相序来改变，必须保证驱动器上的U、V、W、E接线端子与电机主回路接线端子按规定的次序一一对应，否则可能造成驱动器的损坏。

电机的接线端子和驱动器的接地端子以及滤波器的接地端子必须保证可靠的连接到同一个接地点上。

机身也必须接地。

RB1、RB2、RB3端子是外接放电电阻MADDT1207003的规格为100Ω/10W，没有使用外接放电电阻。

X6：

连接到电机编码器信号接口，连接电缆应选用带有屏蔽层的双绞电缆，屏蔽层应接到电机侧的接地端子上，并且应确保将编码器电缆屏蔽层连接到插头的外壳（FG）上。

X5：

I/O控制信号端口，其部分引脚信号定义与选择的控制模式有关，不同模式下的接线请参考《松下A系列伺服电机手册》。

伺服电机用于定位控制，选用位置控制模式。

所采用的是简化接线方式。

3.4伺服驱动器的参数设置与调整

松下的伺服驱动器有七种控制运行方式，即位置控制、速度控制、转矩控制、位置/速度控制、位置/转矩、速度/转矩、全闭环控制。

位置方式就是输入脉冲串来使电机定位运行，电机转速与脉冲串频率相关，电机转动的角度与脉冲个数相关；速度方式有两种，一是通过输入直流-10V至—+10V指令电压调速，二是选用驱动器内设置的内部速度来调速；转矩方式是通过输入直流-10V至—+10V指令电压调节电机的输出转矩，这种方式下运行必须要进行速度限制，有如下两种方法：

1）设置驱动器内的参数来限制，2）输入模拟量电压限速。

3.4.1参数设置方式操作说明

MADDT1207003伺服驱动器的参数共有128个，Pr00-Pr7F，可以通过与PC连接后在专门的调试软件上进行设置，也可以在驱动器上的面板上进行设置。

在PC上安装，通过与伺服驱动器建立起通信，就可将伺服驱动器的参数状态读出或写入，非常方便。

当现场条件不允许，或修改少量参数时，也可通过驱动器上操作面板来完成。

3.4.2面板操作说明：

①参数设置，先按“Set”键，再按“Mode”键选择到“Pr00”后，按向上、下或向左的方向键选择通用参数的工程，按“Set”键进入。

然后按向上、下或向左的方向键调整参数，调整完后，按“S”键返回。

选择其它项再调整。

②参数保存，按“M”键选择到“EE-SET”后按“Set”键确认，出现“EEP-”，然后按向上键3秒钟，出现“FINISH”或“reset”，然后重新上电即保存。

③手动JOG运行，“Mode”按键选择到“AF-ACL”然后按向上、，下键选择到“AF-JOG”按“Set”键一次，显示“JOG-”，然后按向上键3秒显示“ready”，再按向左键3秒出现“on”锁紧轴，按向上、下键，点击正反转。

注意先将S-ON断开。

3.4.3部分参数说明

伺服驱动装置工作于位置控制模式，S7-226的Q0.0输出脉冲作为伺服驱动器的位置指令，脉冲的数量决定伺服电机的旋转位移，即机械手的直线位移，脉冲的频率决定了伺服电机的旋转速度，即机械手的运动速度，S7-226的Q0.1输出脉冲作为伺服驱动器的方向指令。

对于控制要求较为简单，伺服驱动器可采用自动增益调整模式。

根据上述要求，伺服驱动器参数设置如图3-5（见附录）

S7-200PLC的脉冲输出功能及位控编程

S7-200有两个内置PTO/PWM发生器，用以建立高速脉冲串（PTO）或脉宽调节（PWM）信号波形。

一个发生器指定给数字输出点Q0.0，另一个发生器指定给数字输出点Q0.1。

当组态一个输出为PTO操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进电机或伺服电机的速度和位置的开环控制。

内置PTO功能提供了脉冲串输出，脉冲周期和数量可由用户控制。

但应用程序必须通过PLC内置I/O提供方向和限位控制。

为了简化用户应用程序中位控功能的使用，STEP7--Micro/WIN提供的位控向导可以帮助用户在很短的时间内全部完成PWM、PTO或位控模块的组态。

向导可以生成位置指令，用户可以用这些指令在其应用程序中为速度和位置提供动态控制。

开环位控用于步进电机或伺服电机的基本信息借助位控向导组态PTO输出时，需要用户提供一些基本信息，逐项介绍如下：

3.5最大速度（MAX_SPEED）和启动/停止速度（SS_SPEED）

图3-6是这两个概念的示意图。

MAX_SPEED是允许的操作速度的最大值，它应在电机力矩能力的范围内。

驱动负载所需的力矩由摩擦力、惯性以及加速/减速时间决定。

图3-6最大速度和启动/停止速度示意

SS_SPEED的数值应满足电机在低速时驱动负载的能力，如果SS_SPEED的数值过低，电机和负载在运动的开始和结束时可能会摇摆或颤动。

如果SS_SPEED的数值过高，电机会在启动时丢失脉冲，并且负载在试图停止时会使电机超速。

通常，SS_SPEED值是MAX_SPEED值的5%至15%。

加速时间ACCEL_TIME：

电机从SS_SPEED速度加速到MAX_SPEED速度所需的时间。

减速时间DECEL_TIME：

电机从MAX_SPEED速度减速到SS_SPEED速度所需要的时间。

图3-7加速和减速时间

加速时间和减速时间的缺省设置都是1000毫秒。

通常，电机可在小于1000毫秒的时间内工作。

参见图3-7。

这2个值设定时要以毫秒为单位。

电机的加速和失速时间通常要经过测试来确定。

开始时，应输入一个较大的值。

逐渐减少这个时间值直至电机开始失速，从而优化应用中的这些设置。

3.6移动包络

一个包络是一个预先定义的移动描述，它包括一个或多个速度，影响着从起点到终点的移动。

一个包络由多段组成，每段包含一个达到目标速度的加速/减速过程和以目标速度匀速运行的一串固定数量的脉冲。

位控向导提供移动包络定义界面，应用程序所需的每一个移动包络均可在这里定义。

PTO支持最大100个包络。

定义一个包络，包括如下几点：

①选择操作模式；②为包络的各步定义指标。

③

为包络定义一个符号名。

选择包络的操作模式：

PTO支持相对位置和单一速度的连续转动两种模式，如图3-8所示，相对位置模式指的是运动的终点位置是从起点侧开始计算的脉冲数量。

单速连续转动则不需要提供终点位置，PTO一直持续输出脉冲，直至有其他命令发出，例如到达原点要求停发脉冲。

图3-8一个包络的操作模式

一个步是工件运动的一个固定距离，包括加速和减速时间内的距离。

PTO每一包络最大允许29个步。

每一步包括目标速度和结束位置或脉冲数目等几个指标。

3-9图所示为一步、两步、三步和四步包络。

注意一步包络只有一个常速段，两步包络有两个常速段，依次类推。

步的数目与包络中常速段的数目一致。

图3-9包络的步数示

4PLC程序编写

4.1PLC的选型和I/O接线

输送单元所需的I/O点较多。

其中，输入信号包括来自按钮/指示灯模块的按钮、开关等主令信号，各构件的传感器信号等；输出信号包括输出到抓取机械手装置各电磁阀的控制信号和输出到伺服电机驱动器的脉冲信号和驱动方向信号；此外尚须考虑在需要时输出信号到按钮/指示灯模块的指示灯，以显示本单元或系统的工作状态。

由于需要输出驱动伺服电机的高速脉冲，PLC应采用晶体管输出型。

基于上述考虑，选用西门子S7-226DC/DC/DC型PLC，共24点输入，16点晶体管输出。

表4-1（见附录）给出了PLC的I/O信号表。

左右两极限开关LK2和LK1的动合触点分别连接到PLC输入点I0.2和I0.1。

必须注意的是，LK2、LK1均提供一对转换触点，它们的静触点应连接到公共点COM，而动断触点必须连接到伺服驱动器的控制端口CNX5的CCWL（9脚）和CWL（8脚）作为硬联锁保护目的是防范由于程序错误引起冲极限故障而造成设备损坏。

接线时请注意

晶体管输出的S7-200系列PLC，供电电源采用DC24V的直流电源，与前面各工作单元的继电器输出的PLC不同。

接线时也请注意，千万不要把AC220V电源连接到其电源输入端。

4.2伺服电机驱动器参数设置

表4-2伺服电机驱动器参数设置表

序号

参数

设置值

功能和含义

参数编号

参数名称

1

Pr4

行程限位禁止输入无效设置

2

当左或右限位动作，则会发生Err38行程限位禁止输入信号出错报警。

设置此参数值必须在控制电源断电重启之后才能修改、写入成功。

2

Pr20

惯量比

1678

该值自动调整得到，具体请参AC伺服

电机·驱动器使用说明书

3

Pr21

实时自动增益设置

1

实变化事自动调情况很整小为。

常规模

式，运行时负载惯量的

序号

参数

设置值

功能和含义

参数编号

参数名称

4

Pr22

实时自动增益的机械刚性选择

1

此参数值设得很大，响应越快。

5

Pr41

指令脉冲旋转方向设置

1

指令脉冲+指令方向。

设置此参数值必须在控制电源断电重启之后才能修改、写入成功。

6

Pr42

指令脉冲输入方式

3

7

Pr4B

指令脉冲分倍频分母

6000

如果一圈所需pr48的指或pr49=0令脉

冲数，pr4B即可设为电机每转

4.3编写和调试PLC控制程序

主程序清单如主程序梯形图所示

图4-3主程序梯形图

4.4初态检查复位子程序和回原点子程序

系统上电且按下复位按钮后，就调用初态检查复位子程序，进入初始状态检查和复位操作阶段，目标是确定系统是否准备就绪，若未准备就绪，则系统不能启动进入运行状态。

抓取机械手装置返回原点的操作，在输送单元的整个工作过程中，都会频繁地进行。

因此编写一个子程序供需要时调用是必要的。

回原点子程序是一个带形式参数的子程序，在其局部变量表中定义了一个BOOL输入参数START，当使能输入（EN）START和输入为ON时，启动子程序调用，如图4-4（a）所示。

子程序的梯形图则如图4-4（b）所示，当START（即局部变量L0.0）ON时，置位PLC的方向控制输出Q0.0，并且这一操作放在PTO0_RUN指令之后，这就确保了方向控制输出的下一个扫描周期才开始脉冲输出。

（a）回原点子程序的调用

（b）回原点子程序梯形图

图4-4回原点子程序

带形式参数的子程序是西门子系列PLC的优异功能之一，输送单元程序中好几个子程序均使用了这种编程方法。

4.5急停处理子程序

当系统进入运行状态后，在每一扫描周期都调用急停处理子程序。

该子程序也带形式参数，在其局部变量表中定义了二个BOOL型的输入/输出参数ADJUST和MAIN_CTR,参数MAIN_CTR传递给全局变量主控标志M2.0，并由M2.0当前状态维持，此变量的状态决定了系统在运行状态下能否执行正常的传送功能测试过程。

参数ADJUST传递给全局变量包络调整标志M2.5，并由M2.5当前状态维持，此变量的状态决定了系统在移动机械手的工序中，是否需要调整运动包络号。

急停处理子程序梯形图如图4-5所示，说明如下：

①当急停按钮被按下时，MAIN_CTR置0，M2.0置0，传送功能测试过程停止。

②若急停前抓取机械手正在前进中，（从供料往加工，或从加工往装配，或从装配往分拣），则当急停复位的上升沿到来时，需要启动使机械手低速回原点过程。

到达原点后，置位ADJUST输出，传递给包络调整标志M2.5，以便在传送功能测试过程重新运行后，给处于前进工步的过程调整包络用，例如，对于从加工到装配的过程，急停复位重新运行后，将执行从原点到装配的包络。

③若急停前抓取机械手正在高速返回中，则当急停复位的上升沿到来时，使高速返回步复位，转到下一步即摆台右转和低速返回。

图4-5急停处理子程序

事实上，其他各工步编程中运用的思路和方法，基本上与上述三步类似。

按此，不难编制出传送功能测试过程的整个程序。

“抓取工件”和“放下工件”子程序较为简单，此处不再详述

个人收获

随着毕业日子的到来，毕业设计也接近尾声，经过几周的奋战我的毕业实践终于完成了。

本次毕业实践主要包括机械手的零件图设计，机械手装配步骤介绍，传感器的应用介绍，伺服电机参数设置和使用说明，三相异步电动机的使用介绍，西门子PLC的使用和简单的程序编写。

通过本次毕业实践让我学到了很多，同时也发现了很多自己的不足之处。

因为课题的选择是机械手设计，我查阅了大量的机械设计专业的文献，学到了很多设计原理，发现了很多开始的想法不切实际，设计出的机械手跟一开始自己想象的有所出入。

比如，原先我的设计思想是机械手可以实现三百六十度旋转，但是实际设计起来技术有限达不到这用要求，只能退而求其次，完成九十度旋转。

另外对伺服电机了解不多，我查阅了松下伺服电机的说明手册，才能完成参数设置等的设计要求。

另外对于西门子PLC的程序编写让我学到了很多自动化的知识。

让我的知识面拓宽。

总之，这次毕业设计不仅是我学习知识的检验，也是对我能力的依次检验，更让我认识到了我的擅长之处和不足之处。

感谢这次毕业设计带给我的提高。

参考文献

[1]唐树忠，张素琴，韩群生，机械制图基础，天津大学出版社，2004

[2]丁树模，机械工学，机械工业出版社，2005

[3]张萃，王磊，液压与气压传动，清华大学出版社，2011

[4]胡幸鸣，电机及拖动基础，机械工业出版社，2007

[5]孔凡才，自动控制原理与系统，机械工业出版社，2007

[6]张玉莲，传感器与自动检测技术，机械工业出版社，2012

[7]寇宝泉，程树康，交流伺服电机及其控制，机械工业出版社。

[8]王阿根，电气可编程控制原理与应用，清华大学出版社，2010

附录

3-6伺服参数设置表格

序号

参数

设置数值

功能和含义

参数编号

参数名称

1

Pr01

LED初始状态

1

显示电机转速

2

Pr02

控制模式

0

位置控制（相关代码P）

3

Pr04

行程限位禁止输入无效设置

2

当左或右限位动作，则会发生Err38行程限位禁止输入信号出错报警，设置此参数值必须在控制电源断电重启后才能修改写入成功

4

Pr20

惯量比

1678

该值自动调整得到，具体请参AC

5

Pr21

实时自动增益设置

1

实时自动调整为常规模式，运行时负载惯量的变化情况很小。

6

Pr22

实时自动增益的机械刚性选择

1

此参数值设置的越大，响应越快。

7

Pr41

指令脉冲旋转方向设置

1

指令脉冲+指令方向。

设置此参数值必须在控制电源断点重启后才能修改、写入成功

8

Pr42

指令脉冲输入方式

3

每转所需指令脉冲数=编码器分辨率

Pr4B/Pr48·2Prμ

现编码器分辨率为10000（25000p/rx4）,参数设置如表，则，每转所需指令脉冲数=10000

Pr4B/Pr48·2Pr