4.5.3　搬运机械手的定位控制

2026年01月15日

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4.5.3　搬运机械手的定位控制

1.任务引入

输送单元中驱动搬运机械手沿直线导轨做往复运动的动力源，既可以是步进电动机，也可以是伺服电动机，视实训的内容而定。步进电动机和伺服电动机都是机电一体化技术的关键产品，可以将电脉冲信号转换成执行机构的位移、速度等。伺服电动机的许多性能都优于步进电动机，如定位精度、脉冲频率等，因此，在一些要求不高的场合经常用步进电动机来作执行电动机。但在要求较高的场合，则可以使用伺服电动机实现精确的定位，如智能生产线的输送单元要求搬运机械手能够准确定位到相应的工作单元，就采用了伺服电动机。

2.任务目标

1）知识目标

（1）了解伺服系统的主要组成。

（2）掌握伺服系统控制电路接线原理。

2）技能目标

能够完成搬运机械手的定位控制调试。

3）素养目标

让学生体验企业实际的生产过程，实现产教融合，进行岗位体验。

3.任务分析

本任务的控制要求如下。

设备上电后，按下SB1按钮，搬运机械手执行回原点的动作，在复位的过程中黄色指示灯（HL1）闪烁，复位完成后，HL1常亮。

当搬运机械手回到原点位置时，按下定位测试按钮SB2，搬运机械手按照下述顺序执行定位操作。首先在供料单元的物料回转台上放上工件，搬运机械手执行抓取动作，抓取动作完成后，伺服电动机驱动搬运机械手移动到装配单元装配台正前方放下工件，等待2 s后，搬运机械手抓取工件，伺服电动机驱动搬运机械手向加工单元移动，移动到加工单元加工台的正前方后放下工件，2 s后，搬运机械手再次抓取工件，手臂逆时针旋转90°，伺服电动机驱动搬运机械手从装配单元向分拣单元移动，到达分拣单元传送带上方后放下工件，搬运机械手缩回，然后执行返回原点的操作。达到原点后，摆台顺时针旋转90°。搬运机械手的移动速度为200 mm/s。

当搬运机械手返回原点后，一个测试周期结束，再按一次按下SB2按钮，开始新一轮测试。

4.相关知识

伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。控制器按照伺服系统（如PLC等）的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量。功率驱动装置作为伺服系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小；另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电，电动机则按供电大小驱动搬运机械手运转。

伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统（简称直流电动机）、交流电动机伺服系统（简称交流电动机）。

1）松下A5永磁交流伺服系统

现代高性能的伺服系统，大多数为永磁交流伺服系统，它与直流电动机伺服系统相比，对外界产生的电磁干扰小、响应速度快，但是控制相对复杂。永磁交流伺服系统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。在智能生产线的输送单元上，采用了松下MHMD022P1U永磁同步交流伺服电动机及MADHT1507E02松下A5系列全数字交流永磁同步伺服驱动器作为搬运机械手的运动控制装置。

（1）永磁同步交流伺服电动机。

永磁同步交流伺服电动机（PMSM）主要由定子、转子及测量转子位置的传感器（位置传感器）构成。定子和一般的三相交流感应电动机类似，采用三相对称绕组结构，它们的轴线间彼此相差120°。转子上贴有磁性体，一般有2对以上的磁极。位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器。

伺服电动机内部的转子是永磁铁，伺服驱动器控制的U、V、W三相电形成电磁场，定子绕组产生旋转磁场（这和三相交流感应电动机是相同的），转子在此磁场的作用下转动，同时伺服电动机自带的编码器反馈信号给伺服驱动器，伺服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。伺服电动机的精度取决于编码器的精度（线数），MHMD022P1U永磁同步交流伺服电动机配有20位的增量式编码器，脉冲数为2 500/r，分辨率为10000，输出信号线数为5根，在低刚性机器上有较高的稳定性，并可在高刚性机器上进行高速、高精度的运转，因此广泛应用于各种机器。

（2）全数字交流永磁同步伺服驱动器。

全数字交流永磁同步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，以减小启动过程对伺服驱动器的冲击。

（3）永磁交流伺服系统的位置控制模式。

伺服系统用于定位控制时，位置指令输入位置控制器，PI控制前面的电子开关切换到位置控制器输出端，滤波器前面的电子开关也切换到位置控制器的输出端。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。

伺服驱动器接收运动控制器送来的位置指令信号，以脉冲+方向指令信号形式为例：脉冲个数决定了伺服电动机的运动位置；脉冲的频率决定了伺服电动机的运动速度；而方向信号电平的高低决定了伺服电动机的运动方向。

另外，伺服驱动器输出到伺服电动机的三相电压波形基本是正弦波，而不是像步进电动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。

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，伺服系统的稳态误差接近零。这就是说，在稳态时，伺服电动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，伺服系统将在偏差信号的作用下驱动伺服电动机加速或减速。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），伺服电动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。

（4）位置控制模式伺服驱动器的接线。

①伺服系统的主电路接线。MADHT1507E02伺服驱动器面板上有多个接线端口，智能生产线上伺服系统的主电路接线只使用了电源接口XA、电动机接口和外置再生放电电阻XB、编码器信号接口X6，具体连接要求如下。

XA：电源接口。交流220 V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，L2端子不用。

XB：电动机接口和外置再生放电电阻接口。U、V、W端子用于连接电动机。必须注意，电源电压务必按照伺服驱动器铭牌上的指示，伺服电动机接线端子（U、V、W）不可以接地或短路，伺服电动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，必须保证伺服驱动器上的U、V、W、E接线端子与伺服电动机主回路接线端子按规定的次序一一对应，否则可能造成伺服驱动器损坏。伺服电动机的接地端子和伺服驱动器的接地端子以及滤波器的接地端子必须保证可靠地连接到同一个接地点上，机身也必须接地。B1、B2、B3端子外接放电电阻，而智能生产线没有使用外接放电电阻。

X6：编码器信号接口。连接电缆应选用带有屏蔽层的双绞电缆，屏蔽层应接到伺服电动机侧的接地端子上，并且应确保将编码器电缆屏蔽层连接到插头的外壳（FG）上。

②伺服系统的控制电路接线。控制电路接线均在I/O控制信号端口X4上完成，该端口是一个50针端口，各引出线的功能与控制模式有关，不同模式下的接线请参考相应手册。智能生产线输送单元中的伺服电动机用于定位控制，选用位置模式，并根据设备工作要求，只使用了部分端子，它们分别如下。

a.脉冲输入信号端（1脚OPC1，4脚PULS2，1脚OPC2，6脚SING2）。

b.越程故障信号输入端：正向驱动禁止输入（9脚POT），反向驱动禁止输入（8脚NOT）。

c.伺服ON输入端（29脚SRV_ON）。

d.伺服警报输出端（36脚ALM-，37脚ALM+）。

其中，伺服ON输入端（SRV_ON）和伺服警报输出负端（ALM-）连接到COM-端（0 V），OPCK OPC2连接到COM+端（+24 V），COM+和COM-为电源引线，用来连接直流24 V电源。

MADHT1507E02伺服驱动器的电气接线如图4-56所示。

图4-56　MADHT1507E02伺服驱动器的电气接线

（5）伺服驱动器参数设置方式操作说明。

伺服驱动器具有设定其特性和功能的各种参数，参数分为7类，每类参数的用途不同，见表4-48。参数的表示形式为Pr*.**。设置参数的方法：一是通过与PLC连接后在专门的调试软件上进行设置；二是在伺服驱动器的前面板上进行设置。若参数设置不多，则在伺服驱动器的前面板上进行设置即可。

表4-48　MADHT1507E02伺服驱动器参数分类说明

续表

2）FX3U系列PLC定位指令

晶体管输出的FX3U系列PLC CPU单元支持高速脉冲输出功能，但仅限于Y000、Y001、Y002三点。输出脉冲的频率最高可达100 kHz。

对输送单元搬运机械手的控制主要是返回原点控制和定位控制，可以使用原点回归指令FNC156（ZRN）、相对位置控制指令FNC158（DRVI）、绝对位置控制指令FNC158（DRVA）来实现精确定位。

（1）原点回归指令FNC156（ZRN）。

为了在直线运动传动组件上实现定位控制，直线运动传动组件应该有一个参考点（原点），并指定运动的正方向。智能生产线输送单元的直线运动传动组件，其原点位于原点接近开关的中心线，搬运机械手从原点向分拣单元运动的方向为正方向，可通过设定伺服驱动器的Pr0.00参数确定。

PLC进行定位控制前，必须搜索到原点位置，从而建立运动控制的坐标系。定位控制从原点开始，时刻记录控制对象的当前位置，根据目标位置的要求驱动控制对象运动。当PLC断电时，当前记录值会消失，因此上电和初始运行时，必须执行原点回归动作，事先写入机械动作原点位置的数据。

（2）位置控制指令。

进行定位控制时，目标位置的指定可以用两种方式：一种是指定当前位置到目标位置的位移量；另一种是直接指定目标位置对于原点的坐标值，PLC根据当前的位置信息自动计算目标位置的位移量，实现定位控制。前者为相对驱动方式，后者为绝对驱动方式。FX3U系列PLC有用于相对位置控制和绝对位置控制的指令。

在智能生产线输送单元搬运机械手的定位控制中，主要使用绝对位置控制指令，这是因为若使用相对位置控制指令，在某些情况下（例如紧急停车后再启动），编程计算当前位置的位移量会比较烦琐。

①绝对位置控制指令FNC158（DRVA）。它是以绝对驱动方式执行单速度位置控制的指令，其格式如图4-57所示。

图4-57　绝对位置控制指令格式

②相对位置控制指令FNC158（DRVI）。它是以相对驱动方式执行单速度位置控制的指令，其格式如图4-58所示。

图4-58　相对位置控制指令格式

（3）定位指令相关软元件说明。

FX3U系列PLC用一系列特殊软元件来记录定位控制的参数信息。下面仅对定位控制中所使用的部分特殊软元件进行介绍。(https://www.daowen.com)

①相关的特殊辅助继电器。输送单元搬运机械手的定位控制，只使用了脉冲输出中的监控标志、脉冲输出停止指令和指令执行完成标志（M8029）3个标志位，见表4-49。

表4-49　定位控制指令的相关标志位（使用Y0时）

当使用Y1进行脉冲输出时，相应的特殊辅助继电器为M8350、M8359；当使用Y2进行脉冲输出时，相应的特殊辅助继电器为M8360、M8369；M8029适用于所有应用指令。具体可以参考有关编程手册。

②相关的特殊数据寄存器。表4-50所示为当使用Y0进行脉冲输出时定位指令所使用的部分特殊数据寄存器。其中最高速度、基底速度、加速时间和减速时间是定位控制的基本参数信息，如果需要修改其初始值，必须在PLC上电首个扫描周期写入设定值。

表4-50　定位指令的特殊数据寄存器（使用Y0时）

当使用Y1进行脉冲输出时，相应的特殊数据寄存器为D835*；当使用Y2进行脉冲输出时，相应的特殊数据寄存器为D836*。

5.任务实施

1）电气接线

根据伺服电动机位置控制连接线路，左、右两极限开关SQ1和SQ2的动合触点分别连接PLC输入点X002和X001。必须注意的是，SQ1、SQ2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X4的CC W（9脚）和C W（8脚）作为硬联锁保护，目的是防范程序错误引起冲击极限故障而造成设备损坏，接线时应注意。

2）伺服系统参数设置

在智能生产线上，伺服驱动装置工作于位置控制模式，采用脉冲+方向的控制方式，FX3U-48MT的Y000输出脉冲作为伺服驱动器的位置指令，脉冲的数量决定了伺服电动机的旋转位移，即搬运机械手的直线位移，脉冲的频率决定了伺服电动机的旋转速度，即搬运机械手的运动速度。FX3 U-48 MT的Y002输出作为伺服电动机的方向控制信号，在控制要求较为简单时，伺服驱动器可采用自动增益调整模式。伺服系统参数设置应满足控制要求，并与PLC的输出匹配。

（1）设置前面板显示用LED的初始状态（Pr5.28）。

参数设定范围为0～35，初始设定为1，显示伺服电动机实际转速。

（2）指定伺服电动机旋转的正方向（Pr0.00）。

如果Pr0.00设定值为0，则正向指令时，伺服电动机旋转方向为CC W方向（从轴侧看伺服电动机为逆时针方向）；如果Pr0.00设定值为1，则正向指令时，伺服电动机旋转方向为C W方向（从轴侧看伺服电动机为顺时针方向）。

智能生产线的输送单元要求搬运机械手运动的正方向是向远离伺服电动机的方向。这时要求电动机旋转方向为C W方向（从轴侧看伺服电动机为顺时针方向），故Pr0.00设定为1。如果输送单元直线导轨上的原点接近开关移动至直线导轨的左侧，这时Pr0.00应设定为0。

（3）指定伺服系统的运行模式（Pr0.01）。

Pr0.01参数设定范围为0～6，默认值为0，指定为位置控制模式。

（4）设定运行中发生越程故障时的保护策略（Pr5.04）。

若设定为0，发生正方向（POT）或负方向（NOT）越程故障时，驱动禁止，但不发生报警；若设定为1，POT/NOT驱动禁止无效；若设定为2，POT/NOT任一方向的输入都将导致Err38.0（驱动禁止输入保护）出错报警。

智能生产线在运行时若发生越程，可能导致设备损坏事故，故该参数设定为2。这时伺服电动机立即停止。仅当越程信号复位，且伺服驱动器断电后重新上电，报警才能复位。

（5）指令脉冲旋转方向设置（Pr0.06）。

指令脉冲极性用Pr0.06参数设置。Pr0.06设定指令脉冲信号的极性，设定为0时为正逻辑，输入信号高电平（有电流输入）为“1”；设定为1时为负逻辑。PLC的定位控制指令都使用正逻辑，故Pr0.06应设定为0。

（6）指令脉冲输入方式设置（Pr0.07）。

Pr0.07用来确定指令脉冲旋转方向的表征方式。旋转方向可用两相正交脉冲、正向旋转脉冲和反向旋转脉冲、指令脉冲+指令方向3种方式来表征，当设定Pr0.07=3时，选择指令脉冲+指令方向。FX3U系列PLC的定位控制指令采用这种表征方式。

（7）指令脉冲的行程设定设置（电子齿轮比Pr0.08）。

MADHT1507E02伺服驱动器引入了Pr0.08这一参数，其含义为“伺服电动机每旋转1次的指令脉冲数”。该参数以编码器分辨率[（2 500/r）×4=10 000 p/r]为电子齿轮的分子，以Pr0.08的设置值为分母构成电子齿轮比。当指令脉冲数恰好为设置值时，偏差器给定输入端的脉冲数正好为10 000，从而达到稳态运行时伺服电动机旋转一周的目标。

在智能生产线中，伺服电动机所连接的同步齿轮数为12，齿距为5 mm，故伺服电动机每旋转一周，搬运机械手移动60 mm。为了便于编程计算，希望脉冲当量为0.01 mm，即伺服电动机旋转一周，需PLC发出6 000个脉冲，故应把Pr0.08设置为6 000。

电子齿轮的设置还用于更加复杂的场合，需要分别设置电子齿轮比的分子和分母，这时应设定Pr0.08=0，用参数Pr0.09＞Pr0.10来设置电子齿轮比。

以上7项参数是智能生产线的伺服系统在正常运行时所必需的。需注意的是，参数Pr0.00、Pr0.01、Pr5.04、Pr0.06、Pr0.07、Pr0.08的设置必须在控制电源断电重启之前才生效。

设置伺服系统参数前，先进行参数初始化，以避免已有参数的干扰。本任务的参数设置要求为：LED显示伺服电动机速度；当发生越程故障时，发生Err38.0报警；伺服电动机工作在位置控制模式，控制方式为指令脉冲+指令方向；原点接近开关在直线导轨的左侧（靠近伺服电动机的一侧）；伺服电动机旋转一周所需的脉冲数为6 000。

3）PLC程序设计

搬运机械手的整个功能测试过程应包括复位、传送功能测试、紧急停止处理、状态指示等部分，加上搬运机械手的抓放料动作，其中搬运机械手的回原点、抓料、放料、移动程序在整个搬运机械手运行过程中不止一次用到，因此可以进行模块化处理，分别设置成4个独立的子功能模块且可以进行单独调试，调试完成后，程序的其他地方需要使用时，直接调用即可。

每个模块都有一个入口地址和一个完成标志，在模块程序执行过程中还会用到一些过程量并产生一些中间变量，这些地址和标志可以用PLC内部的辅助继电器和数据寄存器实现。表4-51所示为输送单元的4个子功能模块的软元件地址分配。

表4-51　输送单元的4个子功能模块的软元件地址分配

（1）回原点模块。

搬运机械手返回原点的操作，在输送单元的整个工作过程中都会频繁地进行。因此，编写一个子功能模块供需要时调用是必要的。

在回原点设计中，使用DZRN指令执行回原点功能，根据前面的指令介绍，可以知道执行原点回归动作后，搬运机械手的中心位置与原点接近开关的中心线不在同一条直线上，因此在进行程序设计时，还有一个绝对定位指令，用于使搬运机械手的中心线与原点接近开关的中心线对齐。

（2）移动模块。

输送单元程序控制的关键是伺服电动机的定位控制，本模块采用FX3U的绝对位置控制指令来定位，因此需要知道各工作单元的绝对位置脉冲数。

①计算绝对位置脉冲数。搬运机械手定位到各个工作单元的物料回转台前方，根据各个工作单元之间的实测距离，计算出伺服电动机所需要的脉冲数，如目标单元到原点接近开关中心线的距离为200 mm，根据上一任务伺服电动机参数设置的内容可知，伺服电动机旋转一周所需的脉冲数为6 000，伺服电动机旋转一周移动的距离为60 mm，那么理论上一个脉冲对应移动距离为0.01 mm，要使搬运机械手移动200 mm，PLC要发送的脉冲数为20 000。

②移动速度的变更方法。采用直接指定伺服电动机速度的方式，如果想要根据要求进行改变，则也可以用数据寄存器变更其速度值。

（3）主程序设计。

系统上电且按下复位按钮后，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。

在复位过程中要检查各气动执行元件是否处于初始位置，搬运机械手装置是否在原点位置，否则应进行相应的复位操作，直至准备就绪。

设备准备好后，按下测试按钮，进入传送功能测试过程，该过程是一个单序列的步进顺序控制过程。

4）任务调试

（1）程序编好后，进行变换，如果变换无误，则下载到PLC进行调试。

（2）将PLC的RUN/STOP开关置在“STOP”位置，运行程序，按照控制要求进行操作，并记录调试过程中的问题。调试步骤见表4-52。

表4-52　调试步骤