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机电一体化系统设计实验指导书

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2020年4月19日
文档仅供参考

机电一体化系统设计实验指导书

朱艳彩 戴士杰 李慨

河北工业大学机电传动与控制实验室

9月

目录

实验一：伺服电机控制实验…………………….2
实验二：机械手综合实验……………………….8

实验一 伺服电机控制实验

一、实验目的

三菱通用交流伺服放大器MR-J2S系列是在MR-J2系列的基础上开发的具有更高性能和更高功能的伺服系统，其控制模式有位置控制，速度控制和转矩控制以及它们之间的切换控制方式可供选者。 
   ●该伺服放大器应用领域广泛，不但能够用于工作机械和一般工业机械等需要高精度位置控制和平稳速度控制的应用，也可用于速度控制和张力控制的领域。 
   ●该产品还有RS-232和RS-422串行通讯功能，经过安装有伺服设置软件的个人计算机就能进行参数设定，试运行，状态显示和增益调整等操作。
   ●与MR-J2S系列配套的伺服电机编码器采用了分辨率为131072脉冲/转的绝对位置编码器，因此比MR-J2系列具有进行更高精度控制的能力，采用高性能的CPU，大大提高产品的响应性，速度环路频率响应提高到550HZ。
   ●多种系列伺服马达适应不同控制需求，马达上的编码器均支持ABS模式，只要在伺服放大器上另加电池，就能构成绝对位置系统。
   ●使用更为方便，具有优异的自动调谐性能，机械分析功能，能够轻松实现抑制机械振动，增益搜索功能，能够自动找出最佳增益值。

二、实验内容

（一）、试运行
电源接通后，按照以下步骤选择点动运行或无电机模式运行。使用“MODE”按钮切换到诊断画面。

1、点动运行
①、连接EMG-SG、VDD-COM，按UP/DOWN按钮可使伺服电机旋转。松开按钮，伺服电机便停止。经过伺服设置软件可改变运行的条件。运行的初始条件和设定范围如下表所示。
项目
初始设定值
设定范围
速度[r/min]
200
0-瞬时允许速度
加减速时间常数
1000
0-50000

按钮的说明如下：

按 钮
内 容
“UP”
按下时，以逆时针方向旋转。释放时，伺服电机将停止。
“DOWN”
按下时，以顺时针方向旋转。释放时，伺服电机将停止。

②、在能够运行点动的状态下，按下MODE，则将显示“状态显示”画面，在这个画面上，用UP、DOWN进行点动运行。每按1次MODE按钮，就会移到下一个状态显示画面。移到1周后又回到点动运行状态。
③、经过断开电源、按下“MODE”切换到另外画面或按“SET”2秒以上来结束点动运行。
2、定位运行
①、连接EMG-SG、VDD-COM，按下伺服设置软件上的“正转”/“反转”按钮，伺服电机便会旋转，并在移动设定的移动量后停止。运行条件可经过伺服设置软件改变。运行的初始条件和设定范围说明如下

项目
初始设定值
设定范围
移动量（脉冲）
10000
0—9999999
速度[r/min]
200
0—瞬时允许速度
加减速时间常数
1000
0—50000

按钮的说明如下：

按 钮
内 容
正 转
按下“正转”时，以逆时针方向旋转进行定位。
反 转
按下“反转”时，以顺时针方向旋转进行定位。
暂 停
运行时，按下“暂停”机器将暂停运行，再按一次，残留的距离将会消去。重新运行时，所按的按钮与开始运行时的所用的一样。

3、速度控制模式
①、接线如下：

在CN1A中，连接SP1-SG（速度选择1）；在CN1B中，连接SON-SG（伺服开启）、LSP-SG（正转行程末端）、LSN-SG（反转行程末端）、EMG-SG（紧急停止）、VDD-COM（电源）。

②、参数设定
参数
名 称
设定值
内 容
No.0（*STY）
控制模式选择
0002
速度控制模式
No.8（*SC1）
内部速度指令1
1000
设为1000r/min
No.9（*SC2）
内部速度指令2
1500
设为1500r/min
No.10（*SC3）
内部速度指令3

设为 r/min
No.11（）
加速度时间常数
1000
设为1000ms
No.12（）
减速度时间常数
500
设为500ms
各参数设定后，需将电源断开，再重新接通电源，参数才能生效。
③、伺服运行
接通主电源和控制电源，将伺服开启信号置为ON（SON-SG之间接通）。经过速度选择1（SP1）/速度选择2（SP2）选择伺服电机的速度，如果正转开始（ST1）设置为ON，伺服电机就正转；如果反转开始（ST2）设置为ON，伺服电机就会反转。开始时应用低速旋转以确定旋转方向。如果旋转方向不对，请检查输入的信号。
经过显示器检查伺服电机的速度，负载率等参数。
④、停止
如果处于以下状态，伺服放大器将中断运行，停止伺服电机。
（a）伺服开启信号（SON）OFF
（b）报警发生
（c）紧急停止（EMG）OFF
（d）行程末端（LSP，LSN）OFF
（e）正转开始信号（ST1）/反转开始信号（ST2）同时设为ON或OFF
（二）、实例操作
在速度控制模式下，连接线路，编写程序，实现伺服电机以下的动作：正转开始-加速-反转开始-加速。
PLC和伺服系统接线方式如下：
在CN1A中，和PLC接线如下：Y1-SP1、COM2-SG、COM4-SG、COM5-SG。
在CN1B中，和PLC的接线如下：COM1-SG、Y2-SP2、Y4-ST1、Y5-ST2。另外，在CN1B中，连接SON-SG、EMG-SG、LSP-SG、LSN-SG、VDD-COM。
编写PLC程序如下：

三、思考题
1、简述伺服电动机的种类、特点及应用。
2、交流伺服系统有哪几种控制模式，在不同模式下，系统参数对典型环节动特性的影响？

实验二 机械手综合实验

一、实验目的
该实验可培养学生掌握PLC编程及系统调试、掌握直流电机、步进电机的使用及速度位置控制、差补控制、传感器的使用及调整，经过该实验的学习可让学生掌握位置控制技术，培养学生构建控制系统的能力。

二、主要设备仪器配置及简介
99D机械手模型。
99D机械手模型采用台式结构，配有带位控功能的PLC主机、滚珠丝杆、滑轨、气动元件、步进电机及其驱动模块、传感器、光电编码器等。该系统由机械手本体、PLC控制单元、电源单元、接口单元等组成，经过该系统可实现机械手五维控制，完成料块的码放、移动等。
机械手本体按功能分为二轴平移机构、旋转底盘、旋转手臂机构、气动夹手、支架、限位开关等部件组成。按活动关节分为S轴、L轴、U轴、T轴、B轴等机构，其中S轴为旋转底盘机构、L轴为竖直机构、U轴为水平机构、T轴为旋转手臂机构、B轴为气动夹手机构。
三、实验内容
机械手工作过程如下：通电后，机械手先行复位。然后，机械手臂前伸，手开始旋转至所需位置；机械手臂下降；机械手臂上升；机械手臂收回，底盘旋转，底盘旋转至指定位置后；机械手臂前伸；机械手臂下降；机械手臂上升，手复位。至此，一个工作周期结束。
根据动作顺序，系统的工作流程如图1所示：

否
否
否
是
是
是
是
否
动器
否
否
否
是
是
否
否
是
是
是
通电，传入程序
横、竖轴复位？
横轴前伸
抓手、底盘复位？
到达指定位置？
抓手张开，竖轴下降
下降到指定位置？
抓手夹紧
是否夹紧？
竖轴上升抓手夹紧
上升到指定位置？
横轴收回
底盘旋转
是否转动？
横轴前伸
抓手旋转
是否转动？
竖轴下降
否
到达指定位置？
到达指定位置？
抓手张开，竖轴上升
到达指定位置？
手复位
运行结束
图1.系统的工作流程图
系统的初始复位包括硬件复位和软件复位。其中硬件复位是指机械手臂处于左限位状态和上限位状态，底盘处于回位状态；软件复位是指系统的参数设置恢复到初始状态。当初始化完成后，横轴前伸，手开始旋转至所需位置，横轴下降至物品处，竖轴上升。横轴收回，底盘旋转；横轴前伸，手旋转；竖轴下降；竖轴上升，手复位。至此，整个机械手动作全部结束。
（1） 系统的I/O分配
表1. 系统的I/O分配表

输入接口
输出接口
PLC端
单元板端口
注释
PLC端
单元板端口
注释
x4
SQ3
旋转码脉冲输出
y0
U轴CP
水平轴脉冲信号
x0
SQ6
L轴原点
Y1
L轴CP
垂直轴脉冲信号
x1
SQ4
U轴限位
Y2
U轴DIR
水平轴方向信号
x2
SQ7
L轴限位
Y3
L轴DIR

垂直轴方向信号
x3
SQ5
U轴原点
Y10
T轴F
手臂顺时针转动
x10
SQ9
T轴原点（手臂）
Y11
T轴R
手臂逆时针转动
x11
SQ8
T轴限位（手臂）
Y4
S轴F
底盘顺时针转动
x12
SQ2
S轴原点（底盘）
Y5
S轴R
底盘逆时针转动
x13
SQ1
S轴限位（底盘）
Y6
B轴YV-
气动夹手

（2） 系统的接线图
系统的接线图如图2所示。

PLC
微动开关
微动开关
微动开关
微动开关
S轴（手臂）电机
T轴（底盘）电机
垂直轴方向
水平轴方向
L轴步进电机驱动器
U轴步进电机驱动器
接近开关
接近开关
接近开关
接近开关
光电传感器
旋转码盘
S轴限位
DC+
DC—
S轴原点
DC+
DC—
T轴限位
DC+
DC—
T轴原点
U轴限位
U轴原点
L轴限位
L轴原点
X0 Y0
X2
Y1
X1
Y2
X3
Y3

X4

X10

X11 Y10

Y11

X12 Y4

Y5
X13
COM Y6
COM1
COM2
COM3
COM4

CP
DIR
OPT
A
A DC+
B DC—
B

转换器
步进电机
CP
DIR
OPT
A
A DC+
B DC—
B

转换器
步进电机
F M+

R M-
DC+ DC-
直流电机
F M+

R M-
DC+ DC-
直流电机
电磁阀
开关电源
24V 0V
DC+
DC—
DC+
DC—
图2. 系统接线原理图
四、实验要求
根据系统的工作流程、I/O分配表及接线图写出PLC程序。

五、实验结果

附：系统的程序设计如下