五关节教程机械手——说明书.doc

基于基于 PLCPLC 的五轴教学机械手设计的五轴教学机械手设计 摘要摘要 本毕业设计要求学生掌握机械手或工业机械手的结构及工作原理 设计一 关节型五轴教学用机械人的控制系统 整个设计以控制为主 结构设计可参考 同类机械人 机械人共有五个关节动作和一个抓手动作 使用五个步进电机分 别控制五个关节的动作 抓手的抓物动作由气阀控制 控制箱部分由电源 可 编程控制器 步进电机驱动模块及相应的按钮组成 具有手动和自动控制功能 所设计机械人可进行简单机械手模拟控制的实验 主要任务包括机械手总体设计 型式选择 机械手的 I O 配置 设计机械 手的流程图 设计机械手的梯形图 编制机械手的语句表 选择传感器等元件 及设计系统图 关键词 关键词 教学机械手 五自由度 步进电机 气阀控制 PLC PLC basedPLC based teachingteaching ofof five axisfive axis manipulatormanipulator designdesign Abstract Design requirements of the graduate students to master the structure and working principle of manipulator or industrial robot design a control system of the five axis teaching type robot The whole design is base on control system structural design can refer to the same robot There are five robot joint action and a handle movement the movement of five joints were controlled by five separate stepper motor the grasping movements were controlled by the valve Control box in part by the power supply programmable controller stepper motor drive module and the corresponding button of the function with manual and automatic control Designed robot manipulator can be simple analog control experiment The main tasks include robot design type selection the robot I O configuration the flow chart of robot design the ladder diagram of robot design the STL of robot design select the design of sensor components and systems Keywords Teaching manipulator Five degrees of freedom Stepping Motor Valve control PLC 目目 录录 绪论绪论 1 第一章第一章 机械手的总体设计机械手的总体设计 3 1 1 运动设计要求 3 1 2 驱动系统的选择 3 1 3 教学型五关节机械手机构简图 3 第二章第二章 气动机械手的气缸设计气动机械手的气缸设计 5 2 1 基座及连杆的结构 5 2 1 1 基座的结构 5 2 1 2 大臂的结构 6 2 1 3 小臂的结构 6 2 1 4 手腕的结构 7 2 2 机械手手部的设计 8 2 2 1 根据课程选择手部类型 8 2 2 2 手部的设计 8 2 3 机械手的驱动与转动 10 2 3 1 手臂部分的传动方案 11 2 3 2 手指驱动缸的设计和选定 14 第三章第三章 机械手的控制系统设计机械手的控制系统设计 19 3 1 步进电机控制系统的设计 19 3 1 1PLC 对步进电机的控制 19 3 1 2 脉冲分配器的选择 20 3 1 3 功率放大电路的设计 22 3 2 气动部分控制系统的设计 23 3 2 1 气动系统的介绍 24 3 2 2 气动系统的分类 25 3 2 3 气动控制方式 25 3 2 4 装置的技术要求 27 3 2 5 控制方式的选择 27 3 2 6 气动回路的设计 27 3 2 7 传感器的选择 33 第四章第四章 机械手机械手 PLC 程序设计程序设计 37 4 1 PLC 概述 37 4 2 输入和输出点分配表 37 4 3 PLC 软件程序 39 4 3 1 PLC 梯形图 39 4 3 2 PLC 语句表 43 4 3 3 机械手控制面板 45 参考文献参考文献 46 绪论绪论 一 机械手的研究现状 热加工是高温 危险的笨重体力劳动 很久以来就要求实现自动化 为了 实现高效率租工作安全 尤其对于大件 少量 低速和人力所不能胜任的作业 就更需要采用机械手操作 国内首先是用锻造操作机 装取料机械手来代替人 工操作 减轻劳动强度 后来在精锻机上采用机械手 使精锻过程自动化 代 替人工喂料 国外对锻造机械手的研制工作十分重视 如美国采用圆柱坐标式 机械手在 1300 吨锻压机上锻造齿轮毛坯 瑞典采用 unimate 型机城手在压力机 上锻造曲轴 采用 Versatran 型机械手生产大型轴承环 机械手在两台液压机 间传送轴承环的坯料 联邦德国在一条模锻线上采用自动送料装置和操作机械 手 能从炉子内取出毛坯 在粗杆 短行程模锻锤的三个模膛中进行锻造 然 后取出 锻压机械手的手指部位必须采用耐热钢制造 相当于 40CrNi2Mo 的材 料 同时用空气 水喷雾冷却 机械手外部装有防热护翠 内部通水冷却 机 械手在铸造 熔炼方面的应用 国内已研制成功压铸机上下料机械手 仁下箱 合箱 浇注机械手 以及铸件表面清理机械手等 有些工厂还将机械手和造型 机配合组成铸造生产自动线 彻底改变了铸造幸产的面貌 属外对电炉炼钢过 程中采用机械手进行了大量的研究 由于强大电流的干扰 影响了机械手的采用 并由于熔渣和钢水难以区别 往往在浇注过程中容易液 渣不分 需研究带有 特殊传感装置的机械手 才能实现浇注的机械化和自动化 冷加工方面机械手主要用于柴抽机配件以及轴类 盘类和箱体类等零件单 机加工时的上下料和刀具安装等 进国内机械工业 铁路工业中首先在单机 专机上采用机械手上下料 减轻工人劳动强度 如在轴类 螺栓 气阀和螺撑 帽坐等零件的加工机床上配置了机械手 代替人工上下料 在三通阀体 轴瓦 平斜铁 柴油机摇臂加工生产自动线上采用单臂 双臂圆柱式机械手 成为联 接工序 运送工件的重要装备 并在连杆粗加工自动线上采用数控机械手 这 样它不仅担负自动线上机床工件的装卸 运输 并能发出指令指挥全线工作 国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴 轮对等大 中批量零部件 并和 机床设备共同组成一个综合的数控加工系统 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一 促进了机械手的发 展 目前国内铁路工厂 机务段等部门 已采用机械手拆装三通阀 钩舌 分 解制动缸 装卸轴箱 组装轮对 清除石棉等 减轻子劳动强度 提高了拆修 装的效率 近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手 可用以对客车内部进 行连续喷漆 以改善劳动条件 提高喷漆的质量和效率 为了改善货车油漆作业 日本 美国 苏联 法国等国以货车 漏斗车 油罐车和 TGV 电动车组为对象 采用一种带转向架的货车徐漆机械手 英国铁 路工程公司采用机械手焊接电动车组零件 美国铁路维修公司采用机械手进行 调车 还利用悬挂行车式机械手完成有盖漏斗车内部的清洗工作 采用机械手 进行装配更是目前研制的重点 国外已研究采用摄象机和力的传感装置和微型 计算机联接在一起 能确定零件的方位 达到镶装的目的 二 课题研究的意义 机械手在工业生产的应用极为广泛 一般将其用在注塑机的上料 合模 成型 分模等自动工件循环 冲床的自动上下料冲压循环 机械手还用在锻 铸 焊 热处理等热加工方面 实现进出料自动化 总的来说 机械手对坏境的适应性 强 能代替人从事危险 有害的操作 在长时间工作对人体有害的场所 机械 手不受影响 只要根据工作环境进行合理设计 选择适当的材料和结构 机械 手就可以在异常高温或低温 异常压力和有害气体 粉尘 放射线作用下 以 及冲压 灭火等危险环境中胜任工作 由此可见 机械手的特点使其在工业生 产中得到了广泛的应用 所以机械手功能的好坏 影响着产品的质量和生产的 效率 教学用机械手正正是为了学习机械手的技术和原理而设计的 随着机电 一体化技术应用的发展 在了解中职机电一体化技术教育需求的基础上 在学 习 PLC 编程的基础上 教学用机械手可以实现编程 安装 调试 运行 检测 的实际训练 并获取更多接近实际工业应用的工作经验 通过实际操作 进一 步强化 PLC 编程的技能和实际应用能力 同时 认识常用传感器和气动元件 了解机械手的多种工业应用 第一章第一章 机械手的总体设计机械手的总体设计 机械手对坏境的适应性强 能代替人从事危险 有害的操作 在长时间工 作对人体有害的场所 机械手不受影响 可以在异常高温或低温 异常压力和 有害气体 粉尘 放射线作用下 以及冲压 灭火等危险环境中胜任工作 机 械手的特点使其在工业生产中得到了广泛的应用 教学用机械手正正是为了学 习机械手的技术和原理而设计的 随着机电一体化技术应用的发展 在了解机电一体化技术教育需求的基础 上 教学用机械手使学生在学习 PLC 编程的基础上进一步强化 PLC 编程的技能 和实际应用能力以及了解机械手的多种工业应用 1 1 运动设计运动设计要求要求 要求该机械手能够实现手动和自动控制功能 自动控制功能用一个机械手 的搬运动作为例进行编程 所设计的机械人可进行简单机械手模拟控制的实验 1 2 驱动系统的选择驱动系统的选择 考虑到该机械手是用于教学 实验室的环境比较理想 没有高磁性 高温 粉尘等恶劣因素 机械手模拟实验要求的机械手的负载比较小 对机械手的精 度要求不高 故使用五个步进电机分别控制五个关节的动作 抓手的抓物动作 由气动控制 为了实现机械手的自动控制 另附 PLC 系统设计程序 该机械手 有五个自由度 包括腰部转动 大臂 小臂的摆动 还有手腕的仰俯摆动和转 动 的根据机械手的动作要求 采用 5 个步进电机 1 3 教学型五关节机械手机构简图教学型五关节机械手机构简图 教学型五关节机械手的手部所握持的工件 或工具 在空间的位置 是由 臂部 腕部以至整机等各自独立运动的合成来确定的 本设计的气动机械手具 有五个自由度 能够实现抓取 搬运 完成工件的上料或卸料 为执行这些动 作 系统共设有五个步进电机 可在五个坐标内工作 该机械手的结构简图如 下 图 1 1 机械手结构简图 该机械手分为 底座 腰部 大臂 小臂 腕部和手部等六个部分 图中 的五个关节的转动都是通过五台不进电机来实现 而手部的夹紧动作是通过气 动控制实现 第二章第二章 五关节机械手的设计五关节机械手的设计 关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式 它像人手一样有肘 关节 可实现多个自由度 动作比较灵活 适于在狭窄空问工作 本设计具有 五台步进电机 分别控制腰部的转动 大臂的摆动 小臂的摆动 手腕的转动 手腕的仰俯运动 每个步进电机有各自的作用和负载 因此需要根据各自的情 况选择电机的型号 2 1 基座及连基座及连杆杆的设计的设计 2 1 12 1 1 基座的设计基座的设计 基座是整个机器人本体的支撑 为了保持机械手运行的稳定性 固采用实 心铸铁作为基座的底部 基座内安装了一台步进电机和一组传动齿轮和连接轴 与机械手的腰部相 连 其功能是实现机械手腰部的回转运动 图 2 1 基座及腰部外形 2 1 22 1 2 大臂的设计大臂的设计 大臂长度 198mm 具体尺寸如图 2 2 所示 图 2 2 大臂外形 2 1 32 1 3 小臂的设计小臂的设计 大臂长度 203mm 具体尺寸如图 2 3 所示 图 2 3 小臂外形 2 1 42 1 4 手腕的设计手腕的设计 手腕半径 40mm 具体尺寸如图 2 4 所示 图 2 4 小臂末端及手腕外形 2 2 机械手手部的设计机械手手部的设计 手部 亦称抓取机构 是用来直接握持工件的部件 由于被握持工件的形状 尺寸大寸 重量 材料性能 表面状况等的不同 所以工业机械手的手部结构 是多种多样的 大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的 归结起来 常用的手部 按其握持工件的原理 大致可分成夹持和吸附两大类 2 2 1 根据课程选择手部类型根据课程选择手部类型 根据课题 该机械手用于机电一体化的教学以及实验 在手部类型的选取 上 因为考虑到用于教学的关系 所以选择了夹钳式和吸附式共用的方案 这 种方案的特点是使用同一个驱动系统来驱动两种不同类型的机械手 使用时只 需把对应的手部装上 无需更换驱动系统 这样的设计可以只用同一个机械手 就可以进行夹钳式机械手和吸附式机械手两方便的教学和实验 节省了教学资 源的同时也能使学生对机械手有更多方面的了解 2 2 2 手部的设计手部的设计 1 夹钳式 夹钳式手部是由手指 传动机构和 驱动装置三部分组成的 它对抓取各种形 状的工件具有较大的适应性 可以抓取轴 盘 套类零件 一般情况下 多采用两个 手指 少数采用三指或多指 驱动装置为 传动机构提供动力 驱动源有液压的 气 动的和电动的等几种形式 常见的传动机 构往往通过滑槽 斜楔 齿轮齿条 连杆 机构实现夹紧或松开 图 2 5 为滑槽杠杆式手部的结构 其 工作原理是通过杠杆的上下运动 利用销 轴带动滑槽 使手指张开和闭合 图 2 5 滑槽杠杆式手部结构 1 手指 2 销轴 3 杠杆 在杠杆 3 作用下 销轴 2 向上 的拉力为 F 并通过销轴中心 O 点 两手指 1 的滑槽对销轴的反作用力 为 F1 F2 其力的方向垂直于滑槽的 是中心线 OO1 和 OO2 并指向 O 点 由 得 0Fx 21 FF 由 得 0Fy 2cos F F 1 11 FF 由 得 0 F MojbFhF N1 图 2 6 滑槽杠杆式手部受力分析 cos a h N 2 F cos a 2b F 2 吸盘式 吸盘式抓取机构是利用特制的橡胶皮碗形成真空而将工件 吸住 它与机械式手爪相比 具有结构简单 重量轻 表面吸 附力分布均匀 以及能自动对准等特性 适用于板材 玻璃件 弧形壳体零件 特别适用于冲压零件 但要求被吸物体表面光 滑 无孔无糟 根据工件的大小和轻重 可将几个吸盘同时装 在一个手腕上 图 2 7 机械手 用吸盘 图 2 8 为吸盘的受力分析图 工件受到大气压强 P0 和内腔的大气压强 P 的共同作用 作用在工件上的 压力 即吸盘吸力 等于内外压强差与吸盘面积的乘积 即 F P0 P S 式中 F 吸盘吸力 公斤 P0 大气压强 公斤 厘米 2 P 内墙压强 公斤 厘米 2 S 吸盘面积 厘米 2 图 2 8 吸盘 受力分析 2 3 机械手的驱动与传动机械手的驱动与传动 该机械手一共具有五个独立的转动关节 连同末端机械手的运动 一共需 要六个动力源 机械手常用的驱动方式有液压驱动 气压驱动和电机驱动三种类型 这三 种方法各有所长 各种驱动方式的特点见表 2 1 表 2 1 机械手各种驱动方式比较表 电机驱动 比较内容 传递方式 气压驱动 异步电机 直流电 机 步进电机 伺服电 机 液压驱动 输出力气体压力少 输出 力较少 输出力可较大输出力较小液体压力高 可 以获得较大输出 力 控制性能 可高速 冲击较严 重 精确定位困难 气体压缩性大 低 速不易控制 控制性能较差 惯 性大 不易精确定 位 控制性能好 能精 确定位 但控制系 统复杂 可压缩性很小 压力流量均较易 控制 可无级变 速 反应灵敏 能实现连续动作 体积体积较大需要减速装置 体 积较大 体积较大 在输出相同的条 件下 体积小 维修及使用 维修简单 能在高 温粉尘恶劣环境中 使用 泄漏影响少 维修 使用方便 维修 使用复杂 维修方便 液体 对温度的变化敏 感 易泄漏 应用范围 中小型专用 通用 机械手都不应用 适用于抓重大 速 度低的专用机械手 可用于程序复杂 轨迹要求严格的小 型通用机械手 中小型专用 通 用机械手均有应 用 特别是中心 机械手都采用液 压传动 成本结构简单 能源方 便 成本低 成本低成本较高 液压元件成本较 高 管路较复杂 对于教学用机械手 通常对驱动系统的要求有 1 驱动系统的质量尽可能要轻 单位质量的输出功率要高 效率也要高 2 反应速度要快 即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大 能够进行 频繁地 起 制动 正 反转切换 3 驱动尽可能灵活 位移偏差和速度偏差要小 4 安全可靠 5 操作和维护方便 6 对环境无污染 噪声要小 7 经济上合理 尤其要尽量减少占地面积 基于上述驱动系统的特点和机械手驱动系统的设计要求 所以选用步进电 机驱动的方式对机械手的五个关节部分进行驱动 选用气压驱动的方式对机械 手的手部进行驱动 2 3 1 手臂部分的传动方案 手臂部分的传动方案 图 2 9 五关节机械手传动原理 五关节机械手的的传动系统一共用了 24 个齿轮 为了实现在同一平面改变 传递方向 90 有 10 个齿轮为锥齿轮 有利于简化系统运动方程的结构形式 如果采用蜗轮蜗杆机构 则必然以空间交叉方式变向 就不利于简化系统运动 方程式的结构形式 各关节传动特征 关节 1 关节 1 的传动分为两级 两级都为直齿 轮传动 关节传输路线 关节 1 电机 Z1 Z2 轴 Z3 Z4 轴 关节 1 关节输出轴转速 n1 n1 机 Z1 Z2 Z3 Z4 图 2 10 关节 1 传动简图 关节 2 关节 2 的传动分三级 第一级为锥齿轮传动 后两级都为直齿轮传动 关 节传输路线 关节 2 电机 Z5 Z6 轴 Z7 Z8 轴 Z9 Z10 轴 关节 2 关节输出轴转速 n2 n2 机 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 关节 3 关节 3 的传动分三级 第一级为锥齿轮传动 后两级都为直齿轮传动 关 节传输路线 关节 3 电机 Z11 Z12 轴 Z13 Z14 轴 Z15 Z16 轴 关节 3 关节输出轴转速 n3 n3 机 Z11 Z12 Z13 Z14 Z15 Z16 图 2 11 关节 2 3 传动简图 关节 4 关节 4 的传动分两级 都为直齿轮传动 关节传输路线 关节 4 电机 Z17 Z18 轴 Z19 Z20 轴 关节 4 关节输出轴转速 n4 n4 机 Z17 Z18 Z19 Z20 关节 5 关节 5 的传动分两级 前一级为直齿轮传动 后一级为锥齿轮传动 关节 传输路线 关节 5 电机 Z21 Z22 轴 Z23 Z24轴 关节 5 关节输出轴转速 n5 n5 机 Z21 Z22 Z23 Z24 Z25 Z26 图 2 12 关节 4 5 传动简图 各关节传动比看表 2 2 表 2 2 各关节传动比 关节关节转角关节电机输出转角转动比 i 1 由结构测得 48 27 290 6270 67 69 67 345 1897 60 42 17 4 见注 47 83 590 3510 39 注 关节 4 转角 90 第一级齿轮输出 12 转角是 2130 67 1 其传动比 i2为第一级 齿轮传动比 测试数据为 i2 2130 67 360 i1 z17 z18 105 13 8 08 所以 i i1 i2 5 92 8 08 47 83 表 2 3 为选定的各个关节电机型号及其相关参数 表 2 3 机械手驱动电机参数 电机参数腰部转动大臂摆动小臂摆动手腕转动手腕摆动 型号 VRDM368VRDM368VRDM368VRDM366VRDM366 相电流 5 8A5 8A5 8A5 8A5 8A 保持转矩 1 74N m1 74N m1 74N m1 2N m1 2N m 工作扭矩 1 5N m1 5N m1 5N m0 9N m0 9N m 空载启动 速度 6 3r s6 3r s6 3r s6 3r s6 3r s 转动惯量 0 38kgcms20 38kgcms20 38kgcms20 22kgcms20 22kgcms2 步进电机相电压分为325VAC 和155VAC 两种 电机每转的步数可任意设置为 200 400 500 1000 2000 4000 5000 10000步 转 2 3 2 手指驱动缸的设计和选定手指驱动缸的设计和选定 1 1 根据机构运动要求选择气缸的类型 根据机构运动要求选择气缸的类型 夹钳式手部的驱动装置较多采用往复直线运动的单杆活塞气动缸 气缸的 往复运动带动夹钳式手部的杠杆 使夹钳式手部的手指完成张合的动作 而吸 盘式手部的驱动装置较多采用真空泵 通过真空泵使吸盘式手部的内腔形成真 空 与外界产生压力差 把工件吸起 因为本机械手要求共用夹钳式和吸盘式 结构的手部 如果分别用两种不同的驱动装置的话 不但增加成本 而且使结 构复杂化 违背了教学用机械手设计的准则 因此驱动装置必须做到用一个驱 动装置就能驱动这两种结构的手部 2 2 气缸的设计和受力分析气缸的设计和受力分析 手部的驱动部件采用两气缸串联的形式 如图 2 13 所示 当选用夹钳式手部结构时 换向阀 B 左位 当换向阀 A 左位时 气体推动 气缸 A 的活塞向左运动 体推动气缸 B 的活塞向左运动 从而使连接夹钳式手 部的活塞运动 使手指产生一个张开的动作 当换向阀右左位时 气体推动气 缸 A 的活塞向右运动 气缸 A 的杠杆推动气缸 B 的活塞向右运动 从而使连接 夹钳式手部的活塞运动 使手指产生一个夹紧的动作 当选用吸盘式手部结构时 开始换向阀 B 右位 换向阀 A 左位 气体推动 气缸 A 的活塞向左运动 体推动气缸 B 的活塞向左运动 把气缸 B 右端的气体 排出 然后换向阀 B 右位 换向阀 A 右位 气体推动气缸 A 的活塞向右运动 气缸 A 的杠杆推动气缸 B 的活塞向右运动 使气缸 B 的右端气缸形成真空 从 而形成压力差 把工件吸起 GKKKFN 321 g a K 1 2 图 2 13 手部驱动气缸示意图 夹钳式手部驱动力的计算夹钳式手部驱动力的计算 手部尺寸如图 2 14 所示 a 20 b 50 30 2 120 工件移动速度为 0 1m s 达到最高速度的 响应时间为 0 5s 工件重力为 3N 手指对工件的夹 紧力 式中 K1 安全系数 通常取 1 2 2 K2 工作情况系数 主要考虑惯性力的影 响 K2 可近似按下式估算 其中 a 运载工件时重力方向的最大上升加速度 g 重力加速度 vmax 运载工件时重力方向的最大上升速度 系统达到最高速度的时间 根据设计参数选取 响 t K3 方位系数 根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定 G 被抓取工件所受重力 设K1 1 5 02 1 8 9 5 0 1 0 11 2 g a K K3 1 03 代入公式得 NNFN00 5 309 102 1 5 1 N算算 F a b F 2 cos 2 把已知条件代入得 NNF 算算 75 1800 5 30cos 20 502 2 取 0 85 N NF F06 20 85 0 75 18 计算 实际 气缸直径 D 的确定 PD 4 Pd D 4 222 实际 F 设活塞直径 d 0 5D 气缸工作压力为 标准大气压 Pa 5 108 8 PaP 5 101 mmm P P F D N 6006 0 101 4 108 83 4 14 3 06 20 4 3 4 5 5 夹钳式手部驱动力的计算夹钳式手部驱动力的计算 响 计算 g 1 max tv GF 响 t v a max NF06 3 8 9 5 0 1 0 1 N3 计算 取 0 85 N NF F60 3 85 0 06 3 计算 实际 气缸直径 D 的确定 PD 4 2 Pd D 4 222 实际 F 设活塞直径 d 0 5D 气缸工作压力为 标准大气压 Pa 5 108 8 PaP 5 101 mmm P P F D N 3003 0 1012 4 108 83 4 14 3 6 3 4 3 4 5 5 根据两种手部手部结构的计算以及 SDA 薄型气缸系列的种类 取 D 12mm 即 d 6mm 表 2 4 Sda12x8 基本参数 缸径 mm 12 流体空气 动作形式双动 保证耐压力 10 5kgf cm2 最高使用压力 9 0kgf cm2 最低使用压力 1 0kgf cm2 环境和流体温度0 C 70 C 活塞速度50 500mm s 润滑不需要 行程误差0 250 10 251 500 10 接口管径 M5 8 第第 3 章章 机械手的控制系统设计机械手的控制系统设计 本机械手分别采用五台步进电机和两个寸连的薄型气缸进行驱动 因此需 要对两个驱动系统分别进行控制系统的设计 3 13 1 步进电机控制系统的设计步进电机控制系统的设计 步进电动机在开环控制系统中具有控制精度高 可精确到 1 度以下 可靠 性高 使用方便等优点 所以其应用非常普遍 尤其随着混合式步进电机的产 生和应月 步进电机的输出功率和力矩不断增加 而成本价格不断降低 为步 进电机的推广和应用打下了良好基础 PLC 作为一种工业控制计算机 对步进 电机具有良好的控制能力 3 1 13 1 1 PLCPLC 对步进电机的控制对步进电机的控制 PLC 控制步进电机常用的形式有普通用 PLC 控制和 PLC 专用步进驱动模块 控制等两种 模块式控制方式具有控制可靠性高的优点 而普通型通用步进驱动 系统 具有 PLC 系统构成简单 工程造价低等优点 易于推广应用 考虑到本 机械手是教学用机械手 普通型通用步进电机系统不仅价格便宜 更重要的是 它比步进电机驱动模块更利于学生对 PLC 步进电机控制系统的了解 所以本设 计采用普通用 PLC 控制方式 小型可编程控制器为非模块设计结构 无专用的步进驱动模块 而且 一般输入输出响应速度较慢 不能同时满足步进电机高分辨率的控制精度和进 给速度对应的高频脉冲处理的要求 实际应用时 可利用 PL C 的高速计数器与 外置电路配合使用 小型 PLC 控制步进电机驱动系统原理图如图 3 1 所示 图中脉冲信号发生 电路用以产生步进脉冲信号 其频率按步进电机进给速度的要求设计 步进量 采用步进脉冲计数法进行控制 具体做法是利用 PL C 的高速脉冲输人端 其响 应频率可达 2KH z 以上 和高速脉冲计数器对进给脉冲计数 按脉冲的个数控制进给量 图 3 1 PLC 控制步进电机驱动系统原理图 整个步进电机控制系统包括 4 部分 分别是可编程控制器 PLC 脉冲分 配器 功率放大器以及步进电机 3 1 23 1 2 脉冲分配器的选择脉冲分配器的选择 脉冲分配器是时序逻辑电路的一种 它接受脉冲发生器的控制脉冲信 号 输出按一定时序排列的多路电路电平信号 通常电机的脉冲分配器为环形 分配器 即时序按环形移位封闭排列 脉冲分配器的工作方式是步进电机的相 数 拍数 运行状态 正反转等要求有关 脉冲分配器可以由分立元件组成数 字电路 但较复杂 可靠性差 目前 脉冲分配器大多数采用专用集成电路组 成 已完成各种脉冲分配方式 本机械手选用的是一款比较简单的脉冲分配器 PMM8713 图 3 2 PMM8713 原理图 PMM8713 具有把时钟脉冲分配给三相或四相的功能 有六钟通电状态可供 选择 三相三种 四相三种 该电路采用 cmos 铝栅工艺结构 输入端与标准 cmos 兼容 而且均采用施密特整形电路 输出端驱动力不低于 20ma 同时还将 控制器的状态变成检测信号输出 图 3 3 PMM8713 外形图 各管脚功能如下 1 脚 Cu 正转时钟脉冲输入端 当该端有脉冲输人时 那么在输出端 1 4将有正转脉冲序列输出 2 脚 CD 反转时钟脉冲输入端 当该端有脉冲输入时 那么在输出端 1 4将有反转脉冲序列输出 3 脚 CK 正 反转时钟脉冲输入端 4 脚 U D 正 反转控制端 1 2 与 3 4 脚构成本电路的一两种时钟脉冲输人模式 前者采用正反转 两种脉冲分别输人 后者则仅需要一个脉冲输入 正反转用一开关控制 两者 不能同时使用 如采用 1 2 脚输人时钟脉冲 则端 3 脚应接低电平 如采用端 3 4 输人模式 则端 1 2 应接低电平 5 6 脚 EA EB 励磁切换控制 当 EA EB同时为低电平 0 时 输出为 双励磁方式 当 EA EB为不同电平时 输出为单励磁方式 当 EA En 同为高电平 1 时 愉出为 1 2 双励磁方式 7 脚 C 三相 四相控制 该端为低电平 0 时 为三相输出 高电平 1 时 为四相输出 8 脚 Uss 电源接地端 9 脚 复位端 将输出复位到初始状态 R 10 13 脚 4 1 一相输出端 输出端驱动能力不低于 20mA 14 脚 EM 励磁方式检测输出 15 脚 CO 时钟脉冲检测输出 16 脚 UDD 电源端 十 4 十 18V 3 1 3 功率放大电路的设计功率放大电路的设计 动器也称为功率放大器 由于从环形分配器来的脉冲电流只有几毫安 而步进电机绕组需要很大的电流 一般为 1 10 A 才足以驱动步进电动机 旋转 一般采用功率放大器将环形分配器送来的脉冲电流进行放大 且功率放 大器的负载为步进电动机的绕组 是感性负载 故与一般功率放大器相比 步 进电动机使用的功率驱动器有其特殊性 如电感较大会影响快速性 感性负载 会带来功率管保护问题等 可见 功率放大电路的性能对步进电动机的运行性 能影响很大 驱动电路的核心问题是如何提高步进电动机的快速性和平稳性 步进电机的功率放大电路分为 4 种 单电压限流型驱动电路 高低压切换 型驱动电路 斩波恒流驱动电路 调频调压驱动电路 由于本教学用机械手的要求 因此选用结构简单 容易维修的单电压限流 型驱动电路 图 3 4 所示是步进电动机一相的驱动电路 L 是电动机绕组 晶体管 VT 可 以认为是一个无触点开关 它的理想工作状态应使电流流过绕组 L 的波形尽可 能接近矩形波但电感线圈中的电流不能突变 接通电源后绕组中的电流按指数 规律上升 其时间常数 须经 3时间后才能达到稳态电流 L 为绕组电rL 感 r 为 绕组电阻 由于步进电动机绕组本身的电阻很小 零点几欧 所以 时间常数很大 从而严重影响电动机的启动频率 为了减小时间常数 在励磁 绕组中串以电阻 R 这样 时间常数就大 RrL 大减小 缩短了绕组中电流上升的 过渡过程 从而提高了工作速度 在电阻 R 两端并联电容 C 是由于电容上的电压不 能突变 在绕组由截止到导通的瞬间 电源电压全部降落在绕组上 使电流上 升更快 所以 电容 C 又称为加速电容 二极管 V 在晶体管 VT 截止时起续流和保护作用 以防止晶体管截止瞬间绕 组产生的反电动势造成管子击穿 串联电阻 RD使电流下降更快 从而使绕组电 流波形后沿变陡 图 3 5 电压驱动电路 步进电机的总体控制方案如下 图 3 6 步进电机总体控制方案 3 23 2 气动部分控制系统的设计气动部分控制系统的设计 气动技术是实现工业生产机械化 自动化的方式之一 由于气压传动 系统使用安全 可靠 可以在高温 振动腐蚀 易燃 易爆 多尘埃 强磁 辐射等恶劣环境下工作 所以应用日益广泛 3 2 1 气动系统的介绍气动系统的介绍 气压传动在工业机械手 特别在高速机械手中应用较多 它能够快速自动 完成上料 下料动作 刚性好 成本低 空气泄漏对环境无污染 对管路要求 低 气动系统的特点如下 1 结构简单 维护使用方便 成本低廉 投资回收快 2 工作环境适应性好 能在温度变化范围宽 温度高 多灰尘 振动等 环境中可靠地工作 3 无火灾 爆炸危险 4 工作寿命长 5 压缩空气粘度小 执行元件输出速度高 直线运动可达 15m s 6 工作介质容易获得 处理方便 外漏不会对环境造成严重污染 可集 中供气及远距离输送 7 气动元件工作压力较低 有过载保护能力 8 由于空气具有可压缩性 工作速度稳定性差 速度控制困难 要达到 精确位置精度 技术要求较高 9 远距离传递信号的速度较慢 气信号传递不适用高速传递复杂的回路 10 噪声较大 故高速排气时要加消声器 11 因工作压力低 而结构尺寸又不宜过大 故输出力小 通常不大于 10 40KN 要获得较大的出力 其结构相对很大 3 2 2 气动系统的分类气动系统的分类 3 2 33 2 3 气动控制方式气动控制方式 对气动系统而言 控制包含对气动控制元件动力管路的控制及为了总 体控制对传送信号控制管路的控制 一般而言 有以下几种控制方式 1 电气顺序控制电气顺序控制 一般的 气动系统的控制方式是以电气回路为主的顺序控制 用电磁阀实 现电 气转换 一般采用的电器元件为继电器 接触器等 2 程序器控制程序器控制 PLC 是程序器控制的代表 在程序控制中 很容易建立控制内容及进行变 更 而且能在其内部用程序控制器处理各种控制 气动回路也可以大大简化 但是 如果维修人员对程序器内容不了解 则排出故障有困难 因此 在 气动回路中必须考虑维修性和安全措施 3 连续控制连续控制 在位置 压力的连续控制中 使用电 气转换器及电气比例阀等 用模拟 信号或数字信号进行连续控制 在进行自动控制时 通过信号转换器在 PLC 等 中给出输入 并根据需要进行反馈 一般来说 在这种情况下控制器所给出的 是适合用户需要的输入 4 全气动控制回路全气动控制回路 在以下有特殊条件和要求的场合 可考虑采用全气动控制回路 使用 与 或 非 等逻辑元件及定时元件等气动信号处理元件 1 比电气防爆系统更简单 2 元件数较少的小型系统 3 耐水或在水中使用 4 不允许有电磁噪声 表 3 1 气动和电气控制方式的特性对比 项目气动电气 输出部中等输出 可高速动作 输出力密度中等 功率密度大 直线 振动 旋转 输出范围大 输出力密度大 以旋转运动为主 动力源气压源及其驱动动力源发电设备或电源设备 控制性因为有压缩性 在位置控制 中受负载变动影响 力控制容易 小输出和中等输出下可以 精密控制 大输出下响应性下降 位置和速度控制容易 效率低高 信号处理 部分 逻辑元件和阀如果小型化可 进行信号处理 信号处理及控制功能强 传送部分可以用管路传送功率和低速 信号 不需要回气管 距离可达数百米 靠线路传送功率和信号 能长距离传送 易燃易爆 性 气罐有易爆性 其他元件没 有 火花引起火灾或爆炸 维护保养空气容易泄漏 但不引起污 染 漏电危险性大 需要专业 人员进行漏电管理 温度和噪 声 工作温度范围很宽 空压机和排气噪声大 电动机一般不能在高温下 使用 噪声小 3 2 4 装置的技术要求装置的技术要求 用途或技术目的用途或技术目的 移动载荷等机械作业 被驱动部分的结构 被驱动部分的结构 手指张合 吸盘吸附 驱动方式 驱动方式 气动与电路控制 控制方式 控制方式 信号处理方式 装置的使用条件为 装置的使用条件为 在室温下 周围湿度正常 无易爆气体 无腐蚀性气 体 等一般环境下 3 2 5 控制方式的选择控制方式的选择 虽然气动控制有其优点 但如果采用全气动驱动机械手的话 效率比 较低 反应比较慢 而且管路布置复杂 并且由于此机械手并非在高磁性或其 他特殊环境下使用 因此 根据机械手的动作要求及使用的工作环境 为了简 化回路及提高机械手的精度 故不采用全气动控制方式 而采用电气控制 即 固定程序控制器 该控制方式适用于工件安放位置和机械手安装位置固定的场 合 既能远程控制 减少管路的交叉 又可以提高机械手的动作精度 提高工 作效率 3 2 6 气动回路的设计气动回路的设计 气动系统的控制方式是以电气回路为主的顺序控制 用电磁阀实现电 气 转换 以下为气动基本回路简图 该基本回路仅表明回路中所需元件及元件与气 缸的联接的状态图 该基本回路图中各个气缸的动作由电磁阀的通电来控制 当电磁阀通 电时 推杆将把换向阀推向通电那端 并由于电磁铁断电后仍能保留通电时的 状态 故减少了电磁铁的通电时间 延长了电磁铁的寿命 节约了能源 此外 当电源因故中断时 电磁阀的工作状态仍能保留下来 可以避免系统失灵或出 现在事故 这种 记忆 功能对于一些连续作业的自动化机械和自动线来说 往往是十分重要的 图 3 7 气动回路简图 以下是气动回路的电路表 该电路表是根据各气缸的执行动作时的状态来设计 的 电磁阀 动作 KAA0KAA1KAB0KAB1 手指张开 手指夹紧 吸盘排气 吸盘吸气 吸盘放物 气源回路元件的选择及气源回路的设计 1 空气压缩机的选用 一般气压系统的工作压力为 0 5 0 8MPa 考虑到缸 C 所承受的压力 是最大的 其耐压力是 1 5MPa 故选用额定排气压力为 1 10MPa 的中压空压 机 根据容积型空气压缩机具有背压稳定 输出压力范围大 效率高及适应性 强 单机能适应多种流量 排气量可在较广范围内选择 并且考虑到噪声比较 低等特点 选择容积型回转式压缩机 滑片式压缩机是唯一采用接触密封的回转压缩机 它具有回转压缩机的一 切优点 但比其它结构形式的回转压缩机更胜任处理小流量气体 滑片式压缩机 工作时 滑片在离心力的作用下始终紧贴气缸内壁 完全隔断了高 低压腔 使高压气体不可能向低压侧返流 转子将大量润滑油甩向气缸内壁 使滑片与气 缸之间形成良好的液体润滑 所以滑片式压缩机比其它结构形式的回转压缩机 工作温度更低 噪音更小 更节能 由于在处理小流量气体时也能用很低的转速 工作 机器的可靠性仍然很高 所以滑片式压缩机是小流量范围内的首选机型 此外滑片式压缩机结构简单 零件少 加工无须昂贵的专用设备和仪表 生产 成本较低 价格更贴近普通用户 滑片式空气压缩机的固有噪音比螺杆压缩机 低的多 达到同样的低噪音水平 滑片式空气压缩机的费用较小 根据网上相关滑片式空压机的资料 选用康普艾公司的 HV02RM 储气罐安装 该型号的空压机已经包括空压机 冷却器及储气罐 表 3 2 HV02RM 基本资料如下 型号 HV02RM 储气罐 安装 系列HV 系列 类型 风霸 HV 系列 额定压力下自由空气输出量 m3 min 0 24 最大或额定工作压力 Bar g 10 电机输出 kW 2 2 噪声水平 db 69 长度 mm 1153 宽度 mm 300 高度 mm 681 压缩空气排气口 Inches 0 375 重量 Kg 77 速度 rpm 2900 机油容量 l 1 冷却系统风冷 储气罐 l 75 空气洁净度 mg m3 0 01 在额定工作压力下 10 MPa 自由空气输出量 0 24 m3 min 接收机 l 75 速度 rpm 2900 2 空气过滤器的选用 根据所选为普通气缸 故选用过滤精度较小的分水过滤器 查找 SMC 产品样本 中的相关过滤器 选取 AC1010 4010 系列的空气过滤组合 表 3 3 AC1010 M5 基本资料 型号手动排水型 AC1010 M5 过滤器连减压 阀 AW1000 组 件 油雾器 AL1000 额定流量 90 l min 接管口径 M5 0 8Rc PT 压力表口径 1 16 Rc PT 重量 0 22kgf 托架 Y10T 压力表 G27 10 R1 保证耐压力 1 5MPa 最高使用压力 1 0MPa 环境及流体温度5 60 过滤孔径 40 m 建议用油透平 1 号油 ISOVG32 杯材料聚碳酸脂 杯防护罩AC1010 2010 无 AC3010 4010 有 调压范围AC1000 0 05 0 7MPa AC2000 6000 0 05 0 85MPa 阀型带溢流型 3 水份分离器的选用 根据所选用的空压机的电机输出为 2 2Kw 选择 SMC 产品样本中的 AMG 系列 型号为 AMG150 02 表 3 4 AMG150 02 基本资料如下 型号 AMG150 02 使用液体压缩空气 最高使用压力 1 0MPa 最低使用压力 0 15 MPa 保证耐压力 1 5 MPa 环境和流体温度2 60 除水率 99 排水手动 适用压缩机 2 2Kw 额定流量 300 l min 接管口径 1 4 重量 0 38kgf 4 气源装置 空气压缩机 储气罐 冷却器 空气过滤器组合 水份分离器 干燥器 过滤器 制止阀 气体输出 3 执行回路相关辅件的选择 1 电磁阀的选用 根据所要执行的动作及选用的双作用气缸 选择二位五通阀 选取 SMC 产品样 本中的 SY3260 4DD M5 SY3260 系列 4 200VAC D DIN 插座式 M5 M5 0 8 螺纹接管 该型号的特点 轻巧 体积小 流量大 采用 DIN 导轨安装方式 方便 快捷 电磁阀数量可随意增加减少 表 3 5 SY3260 4DD M5 基本资料如下 型号 SY3260 4DD M5 液体空气 环境及流体温度最高 50 润滑不需要 手动操作螺丝刀按入锁定型 抗冲击 震动能力 150 30m s 密封防灰尘 接电方式DIN 插座式 D 标准电压交流 110V 220V 直流 12V 24V 容许电压变动范围额定电压的 10 直 流 0 5W 0 55 带指示灯 功率消耗 交 流 110 1 1VA 220 2 0VA 位置数2 位 电磁线圈双线圈 操作压力范围0 15 0 7 1 5 7 1 MPa kgf cm 反应时间10 毫秒以下 最高操作频率 10 接管口径 M5 0 8 有效断面积 3 6 0 2 mm 重量 58 专用消声器 AN203 KM8 2 位置检测装置 由所选的气缸自带行程 磁性开关 3 气缸限流器的选用 为了调节各个气缸的运动速度 在气缸的输入 输出端分别加限流器 根 据二位五通阀的有效断面积为 3 2mm 选择 AS 系列 气缸限流器 由于出入口 均接限流器 故选择偏轴型的限入 限出型 该限流器的特点是 能安装在美制 NPT 日本 PT 德国 PF 及英国 BSP 螺 纹上 偏轴型软管入口可自由转动 360 表 3 6 AS2301F U01 04 气动技术也是实现工业自动化的重要手 段 并且已广泛地应用于各工业部门 在机械产品自动化 工业自动化及企业 技术改造方面占有重要的地位 气压传动的介质来自于空气 环境污染小 工程 容易实现 4 2 输入和输出点分配表输入和输出点分配表 此次的 PLC 程序设计 采用的是三菱 GX Develop 编程软件 根据相 关的机械手 PLC 设计思路编写的 表 4 1 是机械手传送系统输入点分配表 表 4 2 是机械手传送系统输出点分配表 表 4 1 机械手传送系统输入点分配表 输入输入 设备名称 地址 号 设备名称地址号 启动按钮 X1 手腕反转按钮 X17 停止按钮 X2 手腕俯动按钮 X20 腰部转动传感器 X3 手腕仰动按钮 X21