基于plc控制机械手的运动设计0711毕业论文初稿.doc

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1、天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业： 电气技术教育 班级学号： 电气0711 - 27 学生姓名： 徐飞 指导教师： 田库 副教授 二一二年六月 天津职业技术师范大学本科生毕业论文基于PLC控制机械手的运动设计DesignofMovementofManipulatorBased on PLC 专业班级：电气0711班学生姓名：徐飞指导教师：田库 副教授学 院：自动化与电气工程2012年 6月摘 要本设计的控制对象为机械手，是具有六个自由度的关节型机器人，属于工业机器人中的一种。机器人不仅有较高的工

2、作精度，极大地提高了生产效率，还能根据不同的环境进行适当的调整，有较强的适应性。该机械手各关节运动是通过步进电机进行控制的，PLC与位置控制模块向步进电机发出脉冲从而控制步进电机动作。位置控制模块是一种扩展的智能单元，能独立发出脉冲来控制步进电机运作，并提供了多种控制模式供用户选择。文中介绍了搬运机械手系统的设计过程，详细论述了机械手运动轨迹规划的过程以及PLC与位置控制模块对步进电机进行控制的方式。采用RS232总线与其它PLC组成工业控制网络，完成了对多台步进电机的同时控制，可以达到较高控制的精度，实现了位置控制的目的。关键词：机械手；运动轨迹；PLC；步进电机ABSTRACTContro

3、l object of the present design is manipulator which is an articulated robot with six degrees of freedom belonging to an industrial robot. The robot not only has higher accuracy, which greatly improves production efficiency, but also makes an appropriate adjustment depending on the environment, there

4、 is a strong adaptability. Joint movement of the manipulator is controlled by the stepper motor, PLC and position control module send pulses to the stepper motor to control the stepper motor action. Position control module is an extension of the intelligent unit, which can send pulses to control the

5、 stepper motor operation, and provides a variety of control modes for the user to choose.This paper introduces the design process of the handling manipulator system, discusses the robot trajectory planning process in detail as well as PLC and position control module of the stepper motor in a control

6、led manner. The RS232 bus with other PLC forms an industrial control network, completed the control on the stepper motor at the same time, which can achieve a higher control accuracy to achieve the purpose of the position control.Key Words：Manipulator；Motion trajectory；PLC；Stepper motor目 录1绪论11.1机器人

7、概述11.2研究内容32机械手系统的硬件设计42.1机械手硬件结构42.2机械手的保护装置52.3设计控制总体方框图62.4 PLC型号的选择62.5位置控制模块的选择及其基本功能82.6步进电机及其驱动器112.6.1步进电机的选择112.6.2步进电机驱动器122.6.3步进电机的控制与接线143轨迹规划与方案选择173.1机械手运动轨迹的要求173.2轨迹规划的方法173.3轨迹规划的方案比较与选择173.3.1方案比较173.3.2机械手转角计算步骤183.4机械手转角的简便计算方法203.5输出脉冲数的计算244 PLC控制机械手运动轨迹软件设计与分析254.1控制过程分析254.2

8、 I/O分配264.3程序设计28结 论38参考文献39致 谢4040天津职业技术师范大学2012本科生毕业设计1绪论1.1机器人概述机器人一词最早出现于1920年捷克作家Karel Capek的剧本罗萨姆的万能机器人中，在该剧中，机器人“Robota”这个词的本意是苦力，是一种人造的劳动力,而实际上的机器人与人很少有相似之处。“机器人”这一词出现的较晚，但这一概念在人们想象中早已出现。在我国东汉（公元12世纪）科学家张衡发明的指南车可以说是最早的机器人雏形。18世纪瑞士钟表匠德罗斯父子制造了机器人玩具，由弹簧驱动，用凸轮控制，可以写字，弹风琴。1893年加拿大人摩尔设计了用蒸汽驱动的能行走的

9、机器人。1真正的现代机器人是从二次大战后发展起来的。 1949年，美国需要研制新型的军用飞机，这种飞机的零件要用机械加工出来。这就发起了对数控铣床的研制。数控铣床于1953年在麻省理工学院（MIT）辐射实验室被研制出来。60年代，George C. Devol 研制出一种装置,称之为可编程序关节型搬运装置,他将遥控操作器的连杆机构与数控铣床的伺服轴结合起来，预定的机械手动作一经编程输入后,机械手就可离开人的辅助而独立运行.这种机器人也可接受示教而完成各种简单任务.示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置,并将这些位置序列记录在数字存储器内,任务执行过程中,机器人可以再现这些位置

10、。随着电子计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及空间技术的进步，机器人技术在一些发达国家迅速发展起来。进入70年代，机器人在工业中逐步推广应用，这又促使了机器人技术的发展。1979年Unimation公司推出PUMA系列工业机器人。同年，日本山梨大学的牧野洋研制成具有平面关节的SCARS型机器人，到了1980年全世界约有2万余台机器人在工业中应用。美国是最先研制机器人的地方，经过几十年的发展，目前美国机器人制造厂家多达几百上千家。机器人产业的发展对美国经济发展起了巨大作用。据资料表明：仅2002年，美国共装备机器人11100台，截止至2002年底，美国共装备各类机器人104700台。进入

11、20世纪70年代以后，日本工业生产的高速发展和劳动力的严重短缺，为工业机器人发展带来了有利的客观条件，工业机器人很快受到日本政府和工业界的广泛重视。在日本各界的大力扶持下，20世纪70年代成为日本工业机器人迅速发展时期，超过美国，成为当今世界第一号“机器人王国”。据资料表明：仅2002年一年日本共装备机器人28400台，到2002年底，日本已装备机器人达352800台。机器人的应用领域不再局限于工业，而是深入到军事、航天、医疗、服务等各领域。（1）机器人在核领域中的应用2在核能设施中存在有对人类伤害极大的放射性物体，因此人们很早就考虑到使用远距离操作与及自动化（机器人化）。机器人能代替人类自动

12、地远距离处理长尺寸、大重量、大体积的物体，能进行复杂作业，能在大范围内进行多种检测处监视。（2）点焊机器人与弧焊机器人（3）喷漆机器人（4）柔性制造系统和工业机器人（5）水下机器人1）德国1100m水下机器人主要用于石油与天然气的开发。2）英国HYBALL水下机器人。HYBALL 水下机器人可用于军事上的搜索、排障、排雷等。还可用海洋考察、勘探、石油开发、船底检查清理等方面。3）日本万米水下机器人。4）中国无缆水下机器人。 （6）空间机器人空间机器人是代替宇航员进行空间科学研究的有力工具，并伴随空间技术的发展而发展。空间机器人有以下几种。1）空间站机器人 这类机器人包括空间站大型机械臂、空间站

13、舱外自由移动机器人和空间站舱内服务机器人。2）行星探测机器人。3）自由飞行空间机器人。（7）军用机器人机器人技术现被广泛的应用于军事上。如自主地面战车、地面军用遥控机器人、战场机器人、扫雷清障机器人、处理爆炸物机器人、机器人卫士、昆虫机器人、消防机器人、无人侦察机等 。机械手是一种机械装置，由一系列彼此之间装有关节或可相对滑动的段节构成，为了抓握和移动物体，一般有几个自由度。手工操纵机械手可能代替人在放射性的，极热或极冷、有毒的环境下，以及在真空或高压有害条件下工作。在工业中常用于弧焊、点焊、喷漆、搬运、夹持物品等等。工业机器人的主体主要是一只类似于人上肢功能的关节型机械手,其基本结构一般由人

14、机接口、控制系统、驱动系统与机械手部分组成。系统构成如图1-1所示。3图1-1 工业机械手系统结构图当今高性能的通用型工业机器人一般采用关节式的机械结构，每个关节中独立安装驱动电机，通过计算机对驱动单元的功率放大电路进行控制，实现机器人的操作。工业机器人通常具有示教再现和位置控制两种方式。示教再现控制就是操作人员通过示教装置把作业程序内容编制成程序，输入到记忆装置中，在外部给出启动命令后，机器人从记忆装置中读出信息并送到控制装置，发出控制信号，由驱动机构控制机械运动。机器人位置控制又分为点位控制和连续路径控制。点位控制这种方式中控制机器人操作器的起点和终点位置，而不关心这两点间的运动轨迹。连续

15、路径控制这种方式不仅要求机器人以一定的精度达到目标点，而且对移动轨迹也有一定精度要求。1.2研究内容在本次设计中所控制的机器人为六自由度的机械手。机械手有五个转动关节分别由步进电机控制，剩余一个自由度由气动电磁阀控制。机械手的运动精度主要由步进电机控制精度与机械精度来决定。步进电机的运动控制主要由PLC与位置控制模块来实现。本次设计的机械手应能够完成对工件的送取过程，即机械手移动到输送带旁，从输送带一端夹起工件，并将工件放于指定位置。此期间机械手搬运工件运动的轨迹可以人为设定，机械手根据所设定的轨迹来完成运动。机械手要达到此动作要求需要机械手中六个转动关节共同协作完成。在本次设计中的机械手由步

16、进电机控制运动，而步进电机的控制又是由PLC与位置控制模块来控制。根据机械手的运动控制要求通过PLC与位置控制模块对步进电机发出适当的脉冲数来达到控制机械手运动目的。在本次设计中就涉及到对于PLC与步进电机的选择与控制问题。如何选用合适的PLC与位置控制模块对步进电机进行准确的控制是本次设计的关键。2机械手系统的硬件设计2.1机械手硬件结构通常机械手的结构由以下几部分组成：（1）执行机构执行机构是由杆件与关节组成，从功能上可分为手部、腕部、臂部、腰部与基座。1）手部手部又称末端执行器，是机械手直接进行工作的部分，本次设计机械手有两个自由度，夹手由5轴步进电机带动实现360旋转，并通过气动电磁阀

17、控制夹手夹紧/放松。2）腕部腕部与手部相连，通常有3个自由度，主要是带动手部完成预定姿态。本次设计中机械手腕部有两个自由度，主要由3轴、4轴两部分组成(见图2-1)。3）臂部臂部是用以连接腰部与腕部的部件。通常由两个连杆组成，用以带动腕部作平面运动。本次设计机械手的臂部为2轴（见图2-1）。4）腰部腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动加上臂部的平面运动就能带动腕部作空间运动。腰部是执行机构的关键部件，它的制造误差、运动精度和平稳性对机器人定位精度有决定性的影响。本次设计的机械手腰部为1轴。（见图2-1）。5）基座基座是整个机器人的支持部分，因此该部件具有足够的刚性与稳定性。

18、（2）驱动传动装置驱动传动装置包括驱动器和传动机构两部份，它们通常与执行机构连成一体。驱动装置采用的是步进电机；传动机构采用的是同步带轮传动,带轮传动在电机堵转时带轮会产生打滑现象,在一定基础上可以保护电机,使电机不易损坏。（3）控制系统控制系统在本次设计中采用两台PLC通过RS232进行串行通信对三台步进电机进行控制,并在PLC上连接位置控制模块,通过位置控制模块对两台步进电机进行控制。本次设计的机械手中五个转动关节主要由五台步进电机驱动，每个转动关节都装有机械限位装置，即在每个运动关节的极限位置都装有回零位的行程开关。在机械手的手部用气动电磁阀来控制夹手的夹紧与放松。在搬运物品的起始端与终

19、止端装有传感器以检测物品是否搬运到位。1-1轴 2-2轴 3-3轴 4-4轴 5-夹手 6-基座 图2-1 机械手结构示意图2.2机械手的保护装置机械手在运动过程中每个运动关节都存在着运动限位，每个转动关节的运动范围都有机械限位与软件限位两种，机械限位一般由机械手硬件结构构成，机械手在制作的过程中总存在着硬件的极限位置限制了机械手的运动范围，当机械手运动到极限位置便停止机械手的运动。机械手的软件限位一般由软件编程来实现，软件限位一般置于机械限位之前，在编制程序的过程中当机械手运动到极限位置时发出信号停止机械手的运动以达到保护的目的。在此次的设计中机械手只采用了软件限位与硬件保护。软件限位通过软

20、件编程限制机械手的运动范围，硬件保护通过机械手的硬件来实现，硬件保护只能保护机械手不受损坏而不能停止机械手电机动作。零点位置是机械手能按轨迹准确运动的重要位置。机械手在运动过程中必须有参考点，我们将机械手的零点作为运动的参考点，任何运动都要在此基础上开始。机械手在完成搬运过程后都要回到零点，为下一次搬运做好准备。我们将机械手最原始的静止位置作为机械手的零点，在此位置上各轴安装上行程开关，通过行程开关的通断为机械手提供是否回零点的信号，控制机械手能否执行下一步动作程序。在搬运物品的起始点与终止点都应安装检测物品的传感器，起始位置上若传感器检测出有需要搬运的物品时就能发出信号控制PLC，通过程序控

21、制机械手搬运物品。在搬运物品的终止点也安放传感器，通过传感器发出的检测信号控制机械手下放物品，以达到准确定位的目的。终止端的传感器是否发出检测信号就能检测出机械手搬运物品是否精确，若机械手不能准确的物品放在终止点的位置上就不能控制机械手执行下一步的搬运。因此，在选择传感器的型号是一个关键，传感器不能有误动作的情况，并且一定要使机械手准确的达到起始位置上与终止位置上才能发也触发信号。选用传感器的型号为CX-24，该型号的传感器为扩散反射型短距离传感器，有较强的抗干扰能力，能检测出透明、半透明、不透明物品，检测距离只有300mm,如流水线上物品的检测。该传感器的反应时间小于1ms,体积小适合于安装

22、在狭小位置。CX-24不附带安装的支架，在安装的过程中可以将传感器固定在搬运物品起始步与终止点位置。在传感器的工作中我们可以通过调整传感器的旋钮来调节传感器的灵敏度，该传感器没有安装反射板，在工作中传感器发射出光线，若没有检测出物品便无法将光线反射回来，若检测到物品光线就通过物品反射回传感器的接收管。机械手到达起始位置或终止位置便要控制夹手开合来夹起下放物品。夹手使用SVK0120型气动电磁阀。气动电磁阀是二位五通电磁阀，操作压力为0.15-0.9MPa,反应时间小于30ms,最高操作频率为5次秒。控制夹手的夹紧与放松是通过PLC发出控制信号使电磁阀接通到不同的位上来控制的。由于该机械手属于教

23、学实验型机械手，因此在该型号气动电磁阀基本上能满足控制要求。2.3设计控制总体方框图图2-2 设计总体方框图本次控制方案如图2-2所示，其中1号PLC控制两台步进电机，通过RS-232串行通信与2号PLC进行联机，2号PLC控制1台步进电机，1号PLC扩展位置控制模块，该模块控制两台步进电机，且1号PLC通过PC-Link与其它加工单元进行通信。2.4 PLC型号的选择一、PLC控制的可靠性工业生产一般要求控制设备具有很强的抗干扰能力，能在恶劣的环境中可靠地工作，对可靠性要求很高，绝大多数用户也都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，平均无故障工作时间比继

24、电器系统和微机系统长，可靠性高，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。（1）硬件措施对供电系统以及I/O线路采用了较多的滤波环节。如采用LC、型滤波网络，对高频干扰信号有良好的抑制作用。对微处理器所需的+5V电源，采用多级滤波并用集成电压调整器进行调整，以适应电网电压波动，它对过电压、欠电阻均有定的保护作用。为防止PLC故障和误动作，在微处理器部分及I/O回路之间采用了多种形式的隔离措施，这样能有效地隔离输入、输出间电的联系。在PLC中，所有输出模块都受开门信号控制，而这个信号只有在规定的条件都满足时才有效，以防止被控对象误动作。PLC大多采用模块结构，这对缩短故障修复时间方面有着重要作用。当

25、故障查出在某一模块上，只要及时更换，就大大缩小了寻找范围，加快修复速度。（2）抗干扰软件措施PLC除了采用硬件措施来提高系统的抗干扰能力之外，还充分利用本身具有微机的高速、大容量的特点，发挥软件的优势，保证系统不因干扰而停止而且又能达到工程所要求的精度和速度。对于较低信噪比的模拟量输入信号,PLC采用A/D模块转换后变为离散的数字信号，将形成的数据时间序列存入计算机内存，利用数据滤波程序对此进行处理，从而滤去噪音部分而获得单纯信号。对于开关量输入，为防止输入触点的抖动和接触不良，PLC采用了逐次扫描输入和扫描输出的方法提高运行的可靠性。PLC有比较完整的故障检测系统，软件能定期地检测外界环境，

26、如掉电，强干扰信号等等，以便及时地进行故障处理。对于偶发性故障，PLC能在检测到故障条件时，立即把状态存入存储器，并以软硬配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储器内容被破坏。这样，一旦检测到外界环境正常后，便可恢复故障前的状态，继续原来的处理。在PLC中还采用程序驱动故障指示的诊断方法。这是用一般经常执行的程序，使硬件产生一些规定的信号，用这个信号来指示CPU处于正常状态，万一CPU发生故障，这个规定信号就不再出现，从而指示CPU的故障状态。二、松下PLC的特点在对机械手的控制中选松下PLC来控制步进电机。松下FP系列PLC有以下几方面特点：6（1） 丰富的指令系统在FP系列P

27、LC中即使是小型机也具有近200条指令，除能实现一般逻辑控制还可进行运动控制、复杂数据处理，甚至可以控制变频器实现电机的调速与对步进电机的控制。（2） 快速的CPU处理速度 FP系列机中CPU速度均优于同类产品，小型机尤为突出。（3） 大程序容量 FP系列的用户程序容量也较同类机型大，其小型机一般可达3千步左右，最多可达5千步，而大型机最高可达60千步。（4） 功能强大的编程工具 FP系列机不论采用的是手持编程器还是编程工具软件，其编程及监控功能都很强。（5） 强大的网络通信功能。 FP系列的各种机型都提供了通信功能，而且它们所采用的应用层通信协议具有一致性，这为构成多级PLC网络，开发PLC

28、网络应用程序提供了方便。并且在PLC最高层的管理网络中采用了包含TCP/IP技术的Ethemet网，可通过它连接到计算机互联网上。三、PLC型号的选择此次研究的机械手驱动电机为步进电机，步进电机主要由PLC与位置控制模块来控制，机械手的运动是由五台步进电机协调运作而完成的，其中PLC控制三台步进电机，位置控制模拟控制两台步进电机。因此在选用PLC的型号时就应在满足机械手的硬件要求下完成的。在本次设计中要选用两台PLC通过采用RS-232通信端口使用串行通信传输数据来控制三台步进电机。本次设计选择PLC型号为松下FP-32。FP-32型PLC输入/输出点数为16点，体积小，容量大，具有12K的编

29、程容量，并且具有中型PLC所具备的所有功能。可实现全方位通信功能，使用工具口（RS232C）通过它主机能够与触摸屏或电脑实现通信。此外，我们还可选择带有RS232C和RS485接口的通信卡实现通信功能。安装一个双通道的RS232C型通讯卡，主机就能通过RS232口实现与两套外设的连接。可实现最大100KHZ（使2通道时为60HZ）的梯形加减速控制，能够控制步进电机和伺服电机。提供梯形控制、返回原点、点动运行等专用高级指令。脉冲输出能实现四种形式：脉冲/信号输出，CW/CWW输出。FP的控制单元最多可连接三块FP0的扩展单元或FP0的智能单元。对于扩展单元的排序和类型没有单独要求，继电器输出类型

30、和晶体管输出类型的组合也是可行的。72.5位置控制模块的选择及其基本功能在位置控制模块中通过对控制字的控制可以选择不同的加/减速模式、方向控制与工作模式。该控制模块为操作者提供几种加/减速模式，即线性模式、正弦模式、二次曲线模式、摆线模式与三次曲线模式。操作者可以根据不同的控制要求来选择不同的加/减速模式。本模块还提供几种基本工作方式给操作者选择，工作方式有如下几种：（1）E point control(单一速度控制)在此控制方式中操作者可以根据需要设置控制字、起始速度、终止速度、加/减速时间、输出脉冲个数五个参数来控制步进电机。但此控制方式只有一种终止速度。（2）P point contro

31、l(多种速度控制)在此控制方式中操作者可以根据需要设置控制字、起始速度、终止速度、加/减速时间、输出脉冲个数五个参数来控制步进电机。但此控制方式有多种终止速度，操作者可以根据需要编制程度以获得多种速度。此种方式较适用于电机带载起动。（3）JOG Operation(JOG操作)JOG操作工作方式用户只需设置控制字，起始速度、终止速度与加/减速时间四个参数便可控制电机动作。电机走过的脉冲数由外部起动开关来控制，当开关闭合时电机按所设置的参数运行，当开关断开后电机按所设置参数的加速率从终止速度开始减速至起始速度后停止脉冲输出。此工作方式相当于继电控制中的点动控制。（4）JOG Positionin

32、g(JOG位置控制)JOG位置控制工作方式用户通过设置控制字、起始速度、终止速度、加/减速时间、输出脉冲个数五个参数便可控制电机动作。此工作方式与E point control有类似之处即只能有一种终止速度，不同的是此工作方式在外部开关闭合后电机按所设置的参数加速到终止速度后并不执行位置操作而是位置控制开始的输入闭合后才按所设置输出脉冲。位置控制开始属于时间输入，可接外部控制。通过操作者的需要控制具体时间以控制位置控制的开始。但在该工作方式中不能采用绝对控制，否则会造成错误。（5）Home Return(回零点操作)本模块中提供了几种回零的模式，用户可根据具体需要来设置控制字来选择不同的回零方

33、式。具体的回零方式中有零点寻找与回零点操作两种工作方式。在此操作中只要设置控制字、起始速度、终止速度、加/减速时间四个参数来达到控制要求。(6）Deceleration Stop and Forced Stop(正常停止与急停)在该模块中提供了两种停止方式即正常停止与急停。正常停止是在停止信号发出后该模块按加速率从终止速度减速至起始速度后停上脉冲输出使电机停止。急停是指停止信号发出后电机没有减速过程立即停止。停止信号由外部开关发出，为控制模块提供停止信号。(7）Pulser Input Operation(脉冲发生器输入操作)在该模块接入脉冲发生器，根据用户需要设置不同的控制字，控制模块可以根

34、据控制字的设置对脉冲发生器输入的脉冲进行不同的细分，用细分后的脉冲来控制电机。在使用该功能中用户中只设置控制字与终止速度两参数就可实现该功能。此功能不能与反馈计数器同时操作。(8）Feedback Counter(反馈计数器)利用在程序中可以监控反馈计数器中的脉冲个数与位置控制经过值相比较，若两值的差值在允许范围内说明电机运行精度满足控制要求，若两差值不在允许范围内就应采取适当的措施。该功能可以对电机的输出进行监控，以满足控制精度要求，适用于闭环控制。此项功能不能与脉冲发生器输入操作同时进行。在对步进电机控制过程中除了PLC通过编程对步进电机发出控制脉冲以达到控制步进电机的目的。松下的位置控制

35、模块配合松下FPPLC共同使用对步进电机发出控制脉冲，以达到控制的目的。松下的位置控制模块是松下PLC一种智能扩展模块，它与松下PLC一样用同样的编程语言编程，并且具有多种控制方式可供用户选择。在控制模块中，可以通过修改其控制字来改变步进电机旋转方向、加/减速模式、工作方式与各种极限位置的保护等等。在本次设计中有三台在步进电机由PLC控制，有两台步进电机由位置控制模块控制。在选择位置控制模块的过程中，选用控制模块的型号为AFPG431.该模块输入点数为32点，输出点数为32点，外部可接电路电压为直流21.6-26.4V、电流35mA,内部最大电流为220mA，控制模块可发出的脉冲数为（-214

36、74836482147483647），速度可达1PPS4MPPS（PPS脉冲/秒）。图2-3 位置控制模块接线图机械手的AFPG431控制中位置控制模块控制两台步进电机，选用松下的位置控制模块是因为该模块不仅能同进控制两台步进电机发出驱动脉冲、控制步进电机转动方向、控制加减速度、改变加减速时间还有多种工作方式给操作者选择。该模块通过FP-32的扩展口连接，通过PLC直接编程传入位置控制模块的共享寄存器来达到控制步进电机的目的。使用此扩展模块不仅满足了控制要求还无需其他的编程语言便可达到控制目的。位置控制模块控制步进电机接线如图2-3所示。图2-3所示的连接图中位置控制模块对步进电机发出脉冲、方

37、向进行控制，其中脱机信号按PLC进行控制，外接行程开关进行回零位控制。2.6步进电机及其驱动器2.6.1步进电机的选择一、基本原理与特点(1）步进电机基本原理步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。(2）步进电机特点：1）一般步进电机的精度为步进角的3-5，且不累积。2）步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。一般来说，磁性材

38、料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上。3）步进电机在运行时电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势。频率越高，反向电动势越大。因此电机随频率或速度的增大而使电流减小，从而导致力矩下降。4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声二、步进电机的选择步进电机是一种性能很好的数字化执行元件，在数控系统的点、位控制中，可利用步进电机作为驱动电机，在本次设计的机械手中要满足技术要求对机械手进行轨迹控制，使机械手按所设定的轨迹运动。机械手的1轴、2轴、3轴与4轴基本控制了机械手的运动轨迹。只要这几部分步进电机能按照人为设计的轨迹准确的运动就可以使步进电机按

39、所规定的轨迹准确的运动。在本次设计中采用开环控制，因此控制精度不如闭环控制精度高，但要在一定程度上满足机械手的控制要求就要提高各部位关节步进电机的运动精度。因此在本次设计中各关节的步进电机选用了两相混合式步进电机。混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点，它输出转矩大，动态性能好，步距角小，高速特性好，但结构复杂，成本较高。存在低速振动区。所用步进电机的型号是57BYG250C,2相四线输出，步距角为0.9/1.8。在此基础上选用驱动器的型号为SH-20403。2.6.2步进电机驱动器步进电机运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器。步进电机驱动器就是把控制系统发出的脉冲信号

40、转化为步进电机的角位移，或者说控制系统每发一个脉冲信号通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。驱动器一般有以下几部分组成：公共端、信号输入部分、输出部分等。（1）公共端：本驱动器的输入信号采用共阳极接线方式，输入信号的电源正极连到该端子上，将输入的控制信号连接到对应的信号端子上。控制信号低电平有效。（2）信号输入部分：共有三路输入信号，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE。脉冲输入信号下降沿为一有效脉冲，驱动电机运行一步，为了能确保脉冲信号的可靠响应，脉冲信号低电平的持续时间应不小于10S，响应频率为70KHZ。方向信号输入时用高低电平控制电机的两个转向，共阳极此端悬空

41、为默认为高电平。脱机信号低电平有效，这时电机相电流被切断，转子处于自由状态； 若为高电平或悬空不接时，转子处于锁定状态。信号源由PLC主机提供。由于PLC提供的电压为24v，而输入部分的电压为5V，所以中间加了保护电路。步进电机驱动器主要构成如图2-4所示，一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成。5图2-4 步进电机驱动器组成（1）环形分配器环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲，并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个CP脉冲，环形分配器的输出转换一次。因此，步进电机转速的高低、升速或降速、起动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率。同时，环

42、形分配器还要接受控制器的方向信号，而决定其输出的状态转换是按正序或者按反序转换，于是就决定了步进电动机的转向。（2）信号放大与处理从环形分配器输出的各相导通或截止的信号送入信号放大与处理级。信号放大的作用是将环形分配器的输出信号加以放大，转换成足够大的信号送入推动级。这中间需要电压放大，也需电流放大。信号处理是实现信号的某些转换、合成等功能，产生斩波、抑制等特殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。（3）推动级推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级输入的较大信号。有时还承担电平转换的作用。（4）保护级保护级的作用是保护驱动级的安全。一般需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压

43、保护等。有时还需要对输入信号进行监护，发现输入异常也提供保护动作。本驱动器采用开关电源设计以保证较宽的电压范围，电压可在10V-40VDC之间选择。 输出最大电测为3A/相（峰值），通过驱动器面板上的六位拨码开关第5、6、7三门可组合出八种状态，对应输出八种电流，从0.9A到3A（具体选择方式如表2-1）。在细分选择方面，有七种运动模式，分别为整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分。利用驱动器面板上六位拔码开关中第1、2、3位的组合可以得出不同的细分状态（具体选择方式如表2-2）。半自动电流是上位控制机在半秒钟内没有发出步进脉冲信号，驱动器将自动进入节电的半电流运行模式，

44、在此状态下电机绕组的相电流减少原设定值的一半，电机与驱动器的功耗与力矩也相应下降，这种状态直至下一脉冲到来时自动结束并恢复原设定值。错相保护是驱动器中一个自动保护的方式，即用户在两相电机与驱动器连接错相时驱动器也不会损坏，但电机运行不正常，力矩极小。散热问题是驱动器正常运行极为重要的问题。有效的散热可以提高驱动器的可靠性与运行寿命，因此可以将驱动器固定在金属机箱上，并在接触面上加硅脂等导热材料或外加散热风扇协助驱动器散热。表2-1 驱动器拔码开关的电流选择567IONONON0.9AONONOFF1.2AOFFONON2.1AOFFONOFF2.4AONOFFON1.5AONOFFOFF1.8

45、AOFFOFFON2.7AOFFOFFOFF3A表2-2 驱动器拔码开关细分数的选择123细分数ONONON保留OFFONON64细分ONONOFF8细分OFFONOFF4细分ONOFFON32细分OFFOFFON16细分ONOFFOFF半步OFFOFFOFF整步步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在低频下运行时，其转速必然很低，而为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角时，机械手移动的距离又不能太大，这两个因素合在一起，带来可一个突出的问题：定位时间太长，为了保证定位精度，脉冲信号当量不能太大，但却影响了定位速度。因此要解决好既能提高定位速度，同时又能保证定位精度

46、的矛盾。并且电机在工作过程中，由于各种原因可能会产生共振，影响电机低频、低速时的工作特性，为了避免电机工作的共振点，改善电机在低频低速时的工作特性，并进一步提高步进电机的控制精度，通常用细分电路来解决这一问题。细分是驱动器的一项十分重要的性能，步进电机在驱动器上选择合适的细分数下将步进电机原有的步距角细分成不同的等分。若所选的细分数为32细分，那电机只转动了0.9/320.028125，这就是细分所起的作用。在细分之下可以弥补机械加工对步距角的限制，细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机的机械结构无关。用户可以根据驱动器来选择不同的细分数以达到所要求的控制要求。细分虽然将

47、步距角变小，但系统步进信号的频率相应的提高。因此，我们也不能盲目的选择细分数，而应在考虑步进信号的频率之下选择合适的细分数。选择合适的细分数对是十分重要的，细分数越大，电机步距角就越小，机械手控制的就越精确。我们可以利用电机的细分所提高的精度来弥补开环系统所带来的误差。不仅如此，细分后还可消除电机的低频振荡，提高电机的输出转矩。2.6.3步进电机的控制与接线（1）步进电机电气连接原理图如图2-5所示。本次选用的步进电机为两相四线制，图2-5中电枢绕组为串联连接，其中A、A-、B、B-为电枢的四根引线，在与驱动器连接时注意不要接错相。图2-5 步进电机电气原理图（2）步进电机驱动模块图2-6 驱动模块连接图图2-6中由于PLC与位置控制模块的输出电压为24V,因此PLC与位置控制模块连接时要连接保护电路将电压降至5V。驱