THJDJX1B 实训指导书.docx
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THJDJX1B实训指导书
目录
第一章机械手实训装置产品简介2
一、产品概述2
二、装置特点2
三、技术参数2
四、装置组成2
五、实训工作任务3
第二章步进电机驱动器使用说明4
第一节3ND583步进驱动器4
第二节M415B步进驱动器9
第三章实训项目12
实训一步进电机控制实训12
实训二编码器及高速计数器实训16
实训三单工件多点搬运实训20
实训四机械手多轴联动控制实训24
附录一THJDJX-1B型机械手实训装置使用说明30
附录二THJDJX-1B型机械手实训装置图纸33
附录三故障箱故障设置及排故说明38
附录四西门子编程软件STEP7-MicroWIN使用说明40
附录五三菱编程软件GXDeveloper使用说明48
第一章机械手实训装置产品简介
一、产品概述
本实训装置是针对机电一体化教学的要求而研发的，装置集PLC、步进电机、直流电机三维位置控制技术于一体的教学实训系统。
通过传感器信号采集，PLC编程，对步进电机、直流电机、舵机控制、位置控制、时序逻辑控制，实现对机械手行程范围内任一位置物体的抓取、移动、存放功能。
通过不同控制程序的编写训练，可培养学员的复杂动作编程能力、全局思考能力、安全意识、效率意识。
本装置也适用于机械制造及自动化、电气自动化、电气工程等专业的《机电传动与控制》、《运动控制》、《机电一体化技术》、《检测与转换技术》等课程开设实训课。
本装置采用型材桌及伸缩式网孔板抽屉结构，全开放式布局且具有设故排故单元，可充分锻炼操作者系统接线、机械调试安装、软件编程、独立构建控制系统、反馈整定、故障检测及检修的能力。
二、装置特点
1、机械手实训装置型材结构实训桌、旋转底座、手爪、三维运动机械、电气控制、工件及物料台等部分组成。
三维运动机械部分采用滚珠丝杠传动和齿轮传动相结合的模块化结构，由步进电机及驱动器、电动手指等组成。
具备底盘旋转、手臂升降、手臂伸缩、手爪旋转等多个自由度控制的功能，可实现在一定范围内物体的抓取控制，用于实现定位功能。
2、PLC可选用西门子或三菱或欧姆龙系列的可编程控制器，其中西门子主机为CPU224DC/DC/DC内置数字量I/O（14路数字量输入/10路数字量输出）；三菱主机为FX1N-24MT-D内置开关量I/O（14路开关量输入/10路晶体管输出）；欧姆龙主机CPM2AH-30CDT-D内置开关量I/O（18路开关量输入/12路晶体管输出）。
3、装置设有黄、绿、红及急停等控制按钮，方便操作者编写机械手各种控制功能；设有限位开关可供学员使用，防止损坏设备。
三、技术参数
1、输入电源：
单相AC220V±10%50Hz
2、工作环境：
温度-10℃～40℃相对湿度≤85%（25℃）海拔＜4000m
3、装置容量：
≤0.5KVA
4、外形尺寸：
1000mm×640mm×1420mm
四、装置组成
实训装置主要由型材结构实训桌、旋转底座、手爪、三维运动机械、工件、物料台、设故排故单元及电气控制等组成。
1、实训桌由型材桌面、型材支架、固定板、伸缩式抽屉及自锁紧轮子组成。
抽屉上安装有网孔板，可灵活布局器件。
自锁紧轮子使整个装置可灵活移动及固定
2、旋转定位机构为底盘旋转采用稳定的行星直流减速电机传动，配置光电传感器及编码器，可实现水平旋转方向的精确定位。
3、电动抓手，能快速抓取放开物体。
4、运动机械采用滚珠丝杆、齿轮等机械部件组成。
5、电气方面由步进电机级驱动器、多种类型的直流减速电机、传感器、光电编码器等组成。
6、机械手爪旋转控制为减速直流电机。
7、设故排故单元主要有故障设置箱及排故端子排组成。
通过该单元可设置机械手的10种故障，由操作者根据故障现象，线路的测量、对照原理图分析后，可通过在端子排上排除故障。
8、保护功能：
底盘机械旋转角度限位保护功能；上升、下降机械限位保护功能；前后机械限位保护功能；手旋转限位保护功能。
9、开关电源为输入电源220VAC50Hz，提供直流电源DC24V。
五、实训工作任务
1.电气控制电路的安装
通过配置的直流电机、步进电机、编码器和传感器等，可完成下列电气安装的工作任务；
Ø步进电机控制电路的连接
Ø直流电机控制电路的连接
Ø直流电机正反转控制电路的链接
Ø传感器检测电路的连接
2.步进电机实训
Ø步进电机的启动特性：
修改控制脉冲频率、运动行程等，观察步进电机的特性。
Ø步进电机的细分特性：
改变细分拨码开关，观察步进电机在不同速度下的运行特性。
3.PLC编程
ØPLC基本指令练习
Ø高速计数器应用实训
Ø步进电机定位实训
Ø编码器的定位实训
Ø单轴往返运动控制实训
Ø双轴手臂直线运动控制实训
Ø机械手空间直线控制实训
Ø机械手搬运控制技术实训
Ø机械手故障分析及排除实训
Ø机械手多点定位控制实训
Ø机械手多轴联动控制实训
4.机电设备安装与调试
通过配置的机电一体化设备部件、PLC模块、步进电机模块、指令开关、传感器及故障设置及排除系统，可完成下列机电设备安装和机电一体化技术的工作任务：
Ø丝杆传动机构的安装调试
Ø机械手整体安装和运行调试
Ø机电一体化设备安装与调试
第二章步进电机驱动器使用说明
第一节3ND583步进驱动器
一、概述
3ND583是雷赛公司最新推出的一款采用精密电流控制技术设计的高细分三相步进驱动器，适合驱动57~86机座号的各种品牌的三相步进电机，由于采用了先进的纯正弦电流控制技术，电机噪音和运行平稳性明显改善。
和市场上的大多数其他细分驱动产品相比，3ND583驱动器与配套电机的发热量降幅达15%~30%以上。
而且3ND583驱动器与配套三相步进电机能提高位置控制精度，因此特别适合于要求低噪声、低电机发热与高平稳性的高要求场合。
二、特点
●高性能、低价格、超低噪声
●电机和驱动器发热很低
●供电电压可达50VDC
●输出电流峰值可达8.3A（均值5.9A）
●输入信号TTL兼容
●静止时电流自动减半
●可驱动3，6线三相步进电机
●光隔离差分信号输入
●脉冲响应频率最高可达400KHz（更高可选）
●多达8种细分可选
●具有过压、欠压、短路等保护功能
●脉冲/方向或CW/CCW双脉冲功能可选
三、应用领域
适合各种中小型自动化设备和仪器，例如：
雕刻机、打标机、切割机、激光照排、绘图仪、数控机床、自动装配设备等。
在用户期望小噪声、高精度、高速度的设备中应用效果特佳。
四、电气指标
说明
最小值
典型值
最大值
单位
输出电流
2.1
——
8.3（均值5.9）
A
输入电源电压
18
36
50
VDC
控制信号输入电流
7
16
mA
步进脉冲频率
0
400
KHz
脉冲低电平时间
1.2
µs
绝缘电阻
500
MΩ
五、驱动器接口和接线介绍
1.P1端口控制信号接口描述
名称
功能
PUL+（+5V）
脉冲控制信号：
脉冲上升沿有效；PUL-高电平时4-5V，低电平时0-0.5V。
为了可靠响应脉冲信号，脉冲宽度应大于1.2μs。
如采用+12V或+24V时需串电阻。
PUL-（PUL）
DIR+（+5V）
方向信号：
高/低电平信号，为保证电机可靠换向，方向信号应先于脉冲信号至少5μs建立。
电机的初始运行方向与电机的接线有关，互换三相绕组U、V、W的任何两根线可以改变电机初始运行的方向，DIR-高电平时4-5V，低电平时0-0.5V。
DIR-（DIR）
ENA+（+5V）
使能信号：
此输入信号用于使能或禁止。
ENA+接+5V，ENA-接低电平（或内部光耦导通）时，驱动器将切断电机各相的电流使电机处于自由状态，此时步进脉冲不被响应。
当不需用此功能时，使能信号端悬空即可。
ENA-（ENA）
2.P2端口强电接口描述
名称
功能
GND
直流电源地
+V
直流电源正极，+18V---+50V间任何值均可，但推荐值+36VDC左右
U
三相电机U相
V
三相电机V相
W
三相电机W相
3.输入接口电路
3ND583驱动器采用差分式接口电路可适用差分信号，单端共阴及共阳等接口，内置高速光电耦合器，允许接收长线驱动器，集电极开路和PNP输出电路的信号。
在环境恶劣的场合，我们推荐用长线驱动器电路，抗干扰能力强。
现在以集电极开路和PNP输出为例，接口电路示意图如下：
共阳极接法
共阴极接法
注：
VCC为5V时，R短接；VCC为12V时，R为1k，大于1/8w电阻；VCC为24V时，R为2k，大于1/8w电阻；R必须接在控制器的信号端。
4.接线要求
（1）为防止驱动器受干扰，建议控制信号采用屏蔽电缆线，并且屏蔽层与地短接，除特殊要求外，控制信号电缆的屏蔽线单端接地：
屏蔽线的上位机一端接地，屏蔽线的驱动器一端悬空。
同一机器内只允许在同一点接地，如果不是真实接地线，可能干扰严重，此时屏蔽层不接。
（2）脉冲和方向信号线与电机线不允许并排包扎在一起，最好分开至少10cm以上，否则电机噪声容易干扰脉冲方向信号引起电机定位不准，系统不稳定等故障。
（3）如果一个电源供多台驱动器，应在电源处采取并联连接，不允许先到一台再到另一台链状式连接。
（4）严禁带电拔插驱动器强电P2端子，带电的电机停止时仍有大电流流过线圈，拔插P2端子将导致巨大的瞬间感生电动势将烧坏驱动器。
（5）严禁将导线头加锡后接入接线端子，否则可能因接触电阻变大而过热损坏端子。
（6）接线线头不能裸露在端子外，以防意外短路而损坏驱动器。
六、电流、细分拨码开关设定
3ND583驱动器采用八位拨码开关设定细分精度、动态电流和半流/全流。
详细描述如下：
1.电流设定
（1）工作（动态）电流设定
用四位拨码开关一共可设定16个电流级别，参见下表：
（2）静止（静态）电流设定
静态电流可用SW5拨码开关设定，OFF表示静态电流设定为动态电流的一半，ON表示静态电流与动态电流相同。
如果点击停止时不修要很大的保持力矩，建议吧SW5设成OFF，使得电机和驱动器的发热减少，可靠性提高。
脉冲串停止后约0.4秒左右电流自动减至一半左右（实际值的60%），发热量理论上减至36%。
2.细分设定
细分精度由SW6—SW8三位拨码开关设定，参见下表：
七、供电电源选择
电源电压在DC20-50V之间都可以正常工作，3ND583驱动器最好采用非稳压型直流电源供电，也可以采用变压器降压＋桥式整流＋电容滤波，电容可取6800uF或10000uF。
但注意应使整流后电压纹波峰值不超过50V。
建议用户使用24V-45V直流供电，避免电网波动超过驱动器电压工作范围。
如果使用稳压型开关电源供电，应注意电源的输出电流范围需设成最大。
请注意：
（1）接线时要注意电源正负极切勿反接；
（2）最好用非稳压型电源；
（3）采用非稳压电源时，电源电流输出能力应大于驱动器设定电流的60%即可；
（4）采用稳压开关电源时，电源的输出电流应大于或等于驱动器的工作电流；
（5）为降低成本，两三个驱动器可共用一个电源，但应保证电源功率足够大。
八、电机选配
3ND583可以用来驱动3、6线的三相混合式步进电机，步距角为1.2度和0.6度的均可适用。
选择电机时主要由电机的扭矩和额定电流决定。
扭矩大小主要由电机尺寸决定。
尺寸大的电机扭矩较大；而电流大小主要与电感有关，小电感电机高速性能好，但电流较大。
九、保护功能
1.欠压保护
当直流电源电压+V低于18V时，驱动器绿灯灭红灯闪烁，进入欠压保护状态。
若输入电压继续下降至16V时，红绿灯均会熄灭。
当输入电压回升至20V，驱动器会自动复位，进入正常工作状态。
2.过压保护
当直流电源电压+V超过51VDC时，保护电路动作，电源指示灯变红，保护功能启动。
3.过电流和短路保护
电机接线线圈绕组短路或电机自身损坏时，保护电路动作，电源指示灯变红，保护功能启动。
当过压、过流、短路保护功能启动时，电机轴失去自锁力，电源指示灯变红。
若要恢复正常工作，需确认以上故障消除，然后电源重新上电，电源指示灯变绿，电机轴被锁紧，驱动器恢复正常。
一十、常见问题和处理方法
现象
可能问题
解决措施
电机不转
电源灯不亮
检查供电电路，正常供电
电机轴有锁紧力
脉冲信号弱，信号电流加大至7-16mA
细分太小
选对细分
电流设定是否太小
选对电流
驱动器已保护
重新上电
使能信号为低
此信号拉高或不接
对控制信号不反应
为上电
电机转向错误
电机线不接
互换三相绕组U、V、W的任何两根线可以改变电机初始运行方向
电机线由断路
检查并接对
报警指示灯亮
电机线接错
检查接线
电压过高或过低
检查电源
电机或驱动器损坏
更换电机或驱动器
位置不准
信号受干扰
排除干扰
屏蔽地未接获未接好
可靠接地
电机线由断路
检查并接好
细分错误
设对细分
电流偏小
加大电流
电机加速时堵转
加速时间太短
设定更长的加速时间
电机力矩太小
选更大力矩的电机
电压偏低或电流太小
适当提高电压或电流
第二节M415B步进驱动器
一、概述
M415B是采用中国专利技术生产的细分型高性能步进驱动器（M=Microstep）,适合驱动中小型的任何1.5A相电流以下的两相或四相混合式步进电机。
由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的电机时可以比其它驱动方式输出更大的速度和功率。
其细分功能使步进电机运转精度提高1-64倍。
每秒两万次的斩波频率，可以消除驱动器中的斩波噪声。
另一有用的功能是静止自动减流：
当电机处于停止状态时，输出电流可自动降至较低值，从而减少电机和驱动器的发热。
静止电流值可由用户视具体应用自由设定。
二、特点
●高性能、低价格
●供电电压可达40VDC
●驱动电流可达1.5A
●静止时电流可自动减半
●细分精度64细分可选,动态可改细分
●光隔离信号输入
●电机噪声优化功能
●可驱动任何1.5A相电流以下两相、四相混合式步进电机
●双极恒流斩波方式
●20KHz斩波频率，最高频率100KHz
●精巧的外形尺寸便于安装
三、应用领域
适合各种小型自动化设备和仪器，例如：
气动打标机、贴标机、割字机、激光打标机、绘图仪、小型雕刻机、数控机床、拿放装置等。
在用户期望低振动、小噪声、高精度、高速度的小型设备中效果特佳。
四、电气指标
说明
最小值
典型值
最大值
单位
供电电压
18
24
40
V
均值输出电流
0.21
1
1.5
A
逻辑输入电流
6
15
30
mA
步进脉冲响应频率
——
——
100
kHz
脉冲低电平时间
5
——
1
us
五、接线信号描述
信号
功能
PUL
脉冲信号：
上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步
DIR
方向信号：
用于改变电机转向，TTL电平驱动
OPTO
光耦驱动电源
ENA
使能信号：
禁止或允许驱动器工作，低电平禁止
GND
直流电源地
+V
直流电源正极典型值24V
A+
电机A相
A-
电机A相
B+
电机B相
B-
电机B相
六、电流、细分拨码开关设置
1.电流设置
2.细分设置
七、接线图
使用24V电源时在信号线上串2K电阻。
第三章实训项目
实训一步进电机控制实训
一、实训目的
1.熟悉步进电机驱动器设置。
2.熟悉编程软件的使用。
3.熟悉脉冲输出指令应用。
二、实训设备（具有西门子或者三菱其中一种PLC即可）
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
实训装置
THJDJX-1B
1
横轴
2
编程电缆
PC/PPI
1
西门子
SC-90
1
三菱
3
计算机
V4.0STEP7MicroWINSP6软件
1
自备
GXDeveloper
三、控制要求
1.本次实训以“横轴机械手”为动作单元，动作前请确保横轴由足够的运动空间。
2.按下黄色“复位”按钮，机械手横轴先返回左运动；到左边原点（碰触到右侧限位I0.5或X0.5）后，以相同的速度向右运动至零点后停止。
3.机械手横轴复位完成后，可按绿色“启动”按钮启动机械手，过程动作如下:
向右运动较长路程靠近目标→0.2s后继续向右运动到达目标→0.6s返回零点→完成后重复上述2的复位动作，完成后停止。
4.再次按绿色“启动”按钮，机械手可重复上述3的动作过程。
5.在“横轴机械手”动作过程中，按下急停按钮，系统立即停止，必须先按“复位”，完成“横轴机械手”可再次启动运行。
四、端口分配及接线图
1.端子分配及功能表
序号
PLC地址（西门子）
PLC地址（三菱）
功能说明
1
I0.4
X4
X轴左限
2
I0.5
X5
X轴右限
3
I1.0
X10
正转
4
I1.1
X11
反转
5
I1.3
X13
急停
6
Q0.0
Y0
步进电机PUL+
7
Q0.2
Y2
步进电机DIR+
2.M415B步进电机参数设置
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
OFF
OFF
ON
OFF
OFF
ON
3.步进电机接线图（西门子）
4.
步进电机接线图（三菱）
5.接线图（西门子）
6.接线图（三菱）
五、实训步骤
1.本次实训以“横轴机械手”为动作单元，动作前请确保横轴由足够的运动空间。
2.检查实训设备器材是否齐全。
3.认真阅读PLC接线图、步进电机接线图，充分理解控制原理。
4.根据步进电机参数设置表，正确设置步进电机驱动器参数。
5.根据控制要求、端子分配及功能表、接线图，编写控制程序。
编译编写完成程序，根据提示信息修改程序直至无误。
6.用编程电缆连接PLC编程口和计算机串口，将程序下载到PLC中，下载完毕将PLC的“RUN/STOP”拨码开关拨到“RUN”状态。
7.根据控制要求，按下“启动”按钮、“停止”按钮，“急停”按钮观察步进电机的运动情况。
适当修改控制程序，直至完全符合控制要求中。
8.调试完毕，保存程序。
注：
程序运行过程中，请勿人为干扰设备运行，否则可能造成人身伤害及设备损坏。
实训二编码器及高速计数器实训
一、实训目的
1.掌握高速计数器指令的使用方法。
2.编写控制程序，实现机械手底座的定位控制。
二、实训设备（具有西门子或者三菱其中一种PLC即可）
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
实训装置
THJDJX-1B
1
横轴
2
编程电缆
PC/PPI
1
西门子
SC-90
1
三菱
3
计算机
V4.0STEP7MicroWINSP6软件
1
自备
GXDeveloper
三、控制要求
1.本次实训以“底座单元”为控制对象。
动作前，请确保机械手处于合适位置，避免底座旋转时机械手碰撞，损害设备。
（可用综合控制程序使机械手复位完成后，处于左上方零点位置）
2.配置西门子的高速计数器，i0.3作为编码器的脉冲输入点，实现编码器脉冲的读取。
3.配置三菱的高速计数器，X0作为编码器的脉冲输入点，实现编码器脉冲的读取。
4.编写控制程序实现如下动作过程（从抽屉侧上方俯视，顺时针为正转）：
程序具有正转（黄色）、反转（绿色）、急停控制按钮。
按下“正转”、“反转”按钮，可实现底座单元正转或反转至400脉冲目标位置，如果400脉冲途中，经过的原点开关，底座单元立即停止转动，此时按与原来转动方向相反的按钮，机械手可转动至400脉冲目标位置后停止。
按下急停按钮，底座立即停止转动。
四、端口分配及接线图
1.端子分配及功能表
序号
PLC地址（PLC端子）
PLC地址（三菱）
功能说明
1
I0.0
X3
原点
2
I0.3
X0
编码器脉冲
3
I1.0
X10
正转
4
I1.1
X11
反转
5
I1.3
X13
急停
6
Q0.5
Y5
基座正转
7
Q0.6
Y6
基座反转
2.接线图（西门子）
3.接线图（三菱）
4.
基座电机正反转控制电路（西门子）
5.基座电机正反转控制电路（三菱）
五、实训步骤
1.确保机械手处于合适位置，避免底座旋转时机械手碰撞，损害设备。
2.检查实训设备器材是否齐全。
3.认真阅读PLC接线图、直流电机真反转控制电路，充分理解控制原理。
4.根据控制要求、端子分配及功能表、接线图，编写控制程序。
编译编写完成程序，根据提示信息修改程序直至无误。
5.用编程电缆连接PLC编程口和计算机串口，将程序下载到PLC中，下载完毕将PLC的“RUN/STOP”拨码开关拨到“RUN”状态。
6.根据控制要求，按下“黄色”按钮、“绿色”按钮，“急停”按钮观察步进电机的运动情况。
适当修改控制程序，直至完全符合控制要求中。
7.调试完毕，保存程序。
注：
程序运行过程中，请勿人为干扰设备运行，否则可能造成人身伤害及设备损坏。
实训三单工件多点搬运实训
一、实训目的
1.掌握步进驱动器使用方法
2.掌握各种传感器的实际应用。
3.掌握高速计数指令、脉冲指令、移位指令等各种指令使用方法，且可以灵活运用。
4.培养学员的全局思维、逻辑关系判断、系统编程能力。
二、实训设备（具有西门子或者三菱其中一种PLC即可）
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
实训装置
THJDJX-1B
1
横轴
2
编程电缆
PC/PPI
1
西门子
SC-90
1
三菱
3
气泵
0.55～0.8Mpa
1
自备
3
计算机
V4.0STEP7MicroWINSP6软件
1
自备
GXDeveloper
三、控制要求
1.设置X、Z轴的步进驱动器M415B、3ND583的驱动细分及电流。
2.控制程序具有“复位”、“启动”、“停止”及“急停”功能，黄色按钮为“复位”、绿色按钮为“启动”、红色按钮为“停止”。
3.按下“复位”按钮，机械手基座正转返回原点，气夹正转至原位（右限位传感器有信号），同时X、Z轴运动至零点（先向左、向上运动至限位开关，再向右、向下运动一段距离作为零点），复位完成。
4.复位完成后，按下“启动”按钮，机械手按下述流程动作：
机械手先运动至1号物料台位置，完成工件抓取；取出工件后，往2号物料台位置
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