项目七+++输送单元控制系统实训

项目七输送单元控制系统实训7.1输送单元的结构与工作过程7.2输送单元安装技能训练7.3相关的知识点7.4输送单元的PLC控制与编程7.1输送单元的结构与工作过程输送单元工艺功能是：驱动其抓取机械手装置精确定位到指定单元的物料台，在物料台上抓取工件，把抓取到的工件输送到指定地点然后放下的功能。输送单元由抓取机械手装置、直线运动传动组件、拖链装置、PLC模块和接线端口以及按钮/指示灯模块等部件组成。1、抓取机械手装置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。机械手具体构成如下：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。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。回转气缸：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。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。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。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。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。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。4、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7.2输送单元安装技能训练安装技能7.3相关的知识点输送单元中，驱动抓取机械手装置沿直线导轨作往复运动的动力源，可以是步进电机，也可以是伺服电机，视实训的内容而定。变更实训项目时，由于所选用的步进电机和伺服电机，它们的安装孔大小及孔距相同，更换是十分容易的。7.3.1认知步进电机及驱动器步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊执行电动机。每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度，它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机。1.步进电动机的工作原理：下图是一台三相反应式步进电动机的原理图。定子铁心为凸极式，共有三对（六个）磁极，每两个空间相对的磁极上绕有一相控制绕组。转子用软磁性材料中制成,也是凸极结构，只有四个齿，齿宽等于定子的极宽。当A相控制绕组通电，其余两相均不通电，电机内建立以定子A相极为轴线的磁场。由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，使转子齿1、3的轴线与定子A相极轴线对齐，若A相控制绕组断电、B相控制绕组通电时，转子在反应转矩的作用下，逆时针转过30°，使转子齿2、4的轴线与定子B相极轴线对齐，即转子走了一步。如此按A—B—C—A的顺序轮流通电，转子就会一步一步地按逆时针方向转动。其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。若按A—C—B—A的顺序通电，则电动机按顺时针方向转动。上述通电方式称为三相单三拍。“三相”是指三相步进电动机；“单三拍”是指每次只有一相控制绕组通电；控制绕组每改变一次通电状态称为一拍，“三拍”是指改变三次通电状态为一个循环。把每一拍转子转过的角度称为步距角。三相单三拍运行时，步距角为30°。显然，这个角度太大，不能付诸实用。如果把控制绕组的通电方式改为A→AB→B→BC→C→CA→A，即一相通电接着二相通电间隔地轮流进行，完成一个循环需要经过六次改变通电状态，称为三相单、双六拍通电方式。当A、B两相绕组同时通电时，转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡的中间位置，才是转子的平衡位置。这样，单、双六拍通电方式下转子平衡位置增加了一倍，步距角为15°。进一步减少步距角的措施是采用定子磁极带有小齿，转子齿数很多的结构，分析表明，这样结构的步进电动机，其步距角可以做得很小。一般地说，实际的步进电机产品，都采用这种方法实现步距角的细分。例如输送单元所选用的Kinco三相步进电机3S57Q-04056，它的步距角是在整步方式下为1.8°，半步方式下为0.9°。2.步进电机的使用一是要注意正确的安装，二是正确的接线。安装步进电机，必须严格按照产品说明的要求进行。步进电机是一精密装置，安装时注意不要敲打它的轴端，更千万不要拆卸电机。不同的步进电机的接线有所不同，3S57Q-04056接线图如图所示，三个相绕组的六根引出线，必须按头尾相连的原则连接成三角形。改变绕组的通电顺序就能改变步进电机的转动方向。步进电机的驱动装置：每一台步进电机大都有其对应的驱动器，例如，Kinco三相步进电机3S57Q-04056与之配套的驱动器是Kinco3M458三相步进电机驱动器。驱动器可采用直流24V～40V电源供电。输出电流和输入信号规格：输出相电流为3.0A～5.8A，输出相电流通过拨动开关设定；驱动器采用自然风冷的冷却方式；控制信号输入电流为6～20mA，控制信号的输入电路采用光耦隔离。输送单元PLC输出公共端Vcc使用的是DC24V电压，所使用的限流电阻R1为2KΩ。典型接线图：步进电机驱动器的功能是接收来自控制器（PLC）的一定数量和频率脉冲信号以及电机旋转方向的信号，为步进电动机输出三相功率脉冲信号。步进电机驱动器的组成包括脉冲分配器和脉冲放大器两部分，主要解决向步进电机的各相绕组分配输出脉冲和功率放大两个问题。脉冲分配器是一个数字逻辑单元，它接收来自控制器的脉冲信号和转向信号，把脉冲信号按一定的逻辑关系分配到每一相脉冲放大器上，使步进电机按选定的运行方式工作。由于步进电机各相绕组是按一定的通电顺序并不断循环来实现步进功能的，因此脉冲分配器也称为环形分配器。实现这种分配功能的方法有多种，例如，可以由双稳态触发器和门电路组成，也可由可编程逻辑器件组成。3M458驱动器采取如下一些措施，大大改善了步进电机运行性能：1.具有电机静态锁紧状态下的自动半流功能，可大大降低电机的发热。而为调试方便，驱动器还有一对脱机信号输入线FREE+和FREE-，当这一信号为ON时，驱动器将断开输入到步进电机的电源回路。YL-335B没有使用这一信号，目的是使步进电机在上电后，即使静止时也保持自动半流的锁紧状态。2.部驱动直流电压达40V，能提供更好的高速性能。3.3M458驱动器采用交流伺服驱动原理，把直流电压通过脉宽调制技术变为三路阶梯式正弦波形电流，阶梯式正弦波形电流按固定时序分别流过三路绕组，其每个阶梯对应电机转动一步。通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电机转速，而输出的阶梯数确定了每步转过的角度，当角度越小的时候，那么其阶梯数就越多，即细分就越大，从理论上说此角度可以设得足够的小，所以细分数可以是很大。3M458最高可达10000步/转的驱动细分功能，细分可以通过拨动开关设定。驱动器的侧面连接端子中间有一个红色的八位DIP功能设定开关，可以用来设定驱动器的工作方式和工作参数，包括细分设置、静态电流设置和运行电流设置。细分设置表DIP1DIP2DIP3细分ONONON400步/转ONONOFF500步/转ONOFFON600步/转ONOFFOFF1000步/转OFFONON2000步/转OFFONOFF4000步/转OFFOFFON5000步/转OFFOFFOFF10000步/转输出电流设置表DIP5DIP6DIP7DIP8输出电流OFFOFFOFFOFF3.0AOFFOFFOFFON4.0AOFFOFFONON4.6AOFFONONON5.2AONONONON5.8A步进电机传动组件的基本技术数据如下：3S57Q-04056步进电机步距角为1.8度，即在无细分的条件下200个脉冲电机转一圈（通过驱动器设置细分精度最高可以达到10000个脉冲电机转一圈）。对于采用步进电机作动力源的YL335-B系统，出厂时驱动器细分设置为10000步/转。如前所述，直线运动组件的同步轮齿距为5mm，共12个齿，旋转一周搬运机械手位移60mm。即每步机械手位移0.006mm；电机驱动电流设为5.2A；静态锁定方式为静态半流。3、使用步进电机应注意的问题控制步进电动机运行时，应注意考虑在防止步进电机运行中失步的问题。步进电动机失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数小于脉冲数，越步时，转子前进的步数多于脉冲数。丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动；越步严重时，设备将发生过冲。使机械手返回原点的操作，常常会出现越步情况。当机械手装置回到原点时，原点开关动作，使指令输入OFF。但如果到达原点前速度过高，惯性转矩将大于步进电机的保持转矩而使步进电机越步。因此回原点的操作应确保足够低速为宜；当步进电机驱动机械手装配高速运行时紧急停止，出现越步情况不可避免，因此急停复位后应采取先低速返回原点重新校准，再恢复原有操作的方法。（注：所谓保持扭矩是指电机各相绕组通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转距，它是步进电机最主要参数之一）由于电机绕组本身是感性负载，输入频率越高，励磁电流就越小。频率高，磁通量变化加剧，涡流损失加大。因此，输入频率增高，输出力矩降低。最高工作频率的输出力矩只能达到低频转矩的40—50%。进行高速定位控制时，如果指定频率过高，会出现丢步现象。此外，如果机械部件调整不当，会使机械负载增大。步进电机不能过负载运行，哪怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复振动。7.3.2认知伺服电机及伺服放大器1.交流伺服电机的工作原理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。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。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），而不是象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。3、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