机械手(臂)旋转动作驱动控制系统的设计

机械手（臂）旋转动作驱动控制系统的设计作者姓名： 指导教师：

申请学位级别：学科专业名称：论文提交日期：学位授予日期：评阅人：

学 位 论 文

关晓斌 王 丹 副教授

东北大学机械工程与自动化学院

硕 士 学科类别： 专业学位 机械工程

2006年7月论文答辩日期： 2006年8月27日 答辩委员会：

东 北 大 学 2006年6月

A Dissertation in Mechanical Engineering

Drive System Design for Rotary Motion of

Mechanical Hand(Arm)

By Guan XiaoBin

Supervisor：Vice Professor Wang Dan

Northeastern University

June 2006

独创性声明

本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：

日 期：

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本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。

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学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 签字日期：

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东北大学硕士学位论文 摘要

机械手（臂）旋转动作驱动控制系统的设计

摘 要

20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料﹐人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温﹑污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床﹑自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和操作对象而不同，常见的有夹持﹑托持和吸附等类型。运动机构一般由液压、气动、电气装置驱动。机械手可地实现伸缩﹑旋转和升降等运动。

本文研究的是上轴承生产线内圆磨床所使用的机械手，它的主要工作是对上轴承进行搬运，由入口到夹盘，再由夹盘到出口。上轴承也是三洋压缩机内部的重要部件。由于原有的内圆磨床所采用的机械手是几十年前的产品,因此有很多地方已经不能适应现在的生产要求,比如说机械手所使用伺服电机和伺服放大器已经被淘汰,备件很难购买,一旦故障就很难修理。其次就是控制系统已经过时,操作维护都显得很烦琐等等。本文就根据这种情况,对机械手的整个控制系统(包括伺服电机,伺服放大器等)进行了研究与设计。对伺服放大器的性能、功能进行了研究并加以设计，并对伺服电机选型,并在实际工作中得到了应用达成了节约成本,提高效率的目的。

关键词：机械手；伺服电机；伺服放大器；上轴承；空调压缩机

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东北大学硕士学位论文 摘要

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东北大学硕士学位论文 Abstract

Drive System Design for Rotary Motion of Mechanical

Hand(Arm)

Abstract

A mechanical hand was first used to carry radioactive materials in the nuclear experiment

made by the USA at late stage in 1940s when human beings operated the mechanical hand in a safety cage to make all sorts of experiments. Mechanical hands have been gradually extended to industrial production department since 1950s to take work pieces and handle materials where it is seriously polluted at high temperature. It is also used for automatic machine. Automatic production line, and machining center as an auxiliary device to charge and discharge, take a cutting tool from tool storage, and replace a cutting tool according to fixed program. A mechanical hand mainly consists of a hand mechanism and a kinematic one. The hand mechanism varies with application and action-object and usually falls into gripping, holding, and absorbing types. The kinematic mechanism is generally driven by hydraulic, pneumatic, and electrical hand may independently realize stretching, rotation, and up and down movements.

In the article it is to make a study of mechanical hand used for internal grinder in a bearing production line, which is mainly to carry upper from entrance to chuck, from chuck to discharge point. Upper bearing is also an important part in a compressor of Sanyo. Much of the mechanical hand used for previously internal grinder cannot meet current production requirements as it was it a product of several decades age; for example, the servomotor and servo amplifier used for the mechanical hand have become out of date. It is very difficult to purchase their spare parts, and it is will be very hard to repair in the case of failure. Secondly the control system is out of date, and it is very complicate and maintain. The whole control system of the mechanical hand (including the servo motor and servo amplifier) is analyzed and designed in the article according to the above-mentioned. The performance and function of the servo amplifier are analyzed and designed, and pattern selection is made for the servo motor. It has used been used in practice for the purpose of being cost saving and efficient.

Key words: mechanical hand; servomotor; servo amplifier; upper bearing;

air-conditioning compressor

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东北大学硕士学位论文 Abstract

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东北大学硕士学位论文 目录

目 录

独创性声明..........................................................................................i 摘 要.................................................................................................ii Abstract..............................................................................................iii 第一章 绪论.....................................................................................1

1.1机械手概述.....................................................................................................................1 1.1.1机械手的概况...........................................................................................................1 1.1.2机械手的发展...........................................................................................................2 1.2机械手分类[5]..................................................................................................................4 1.2.1按机械手的使用范围分类.......................................................................................4 1.2.2按机械手臂部的运动坐标型式分类.......................................................................5 1.3应用机械手的意义[10].....................................................................................................6 1.4本文主要工作内容......................................................................................................6

第二章 上轴承内圆磨床机械手概况介绍.......................................7

2.1 上轴承在制冷压缩机中的应用情况.............................................................................7 2.1.1制冷压缩机的概况[16]..............................................................................................7 2.1.2上轴承在制冷压缩机中的作用[17]..........................................................................7 2.2上轴承内圆磨床机械手的组成[10].................................................................................8 2.3本章小结.......................................................................................................................11

第三章 控制部分硬件的设计.........................................................12

3.1电机的选型...................................................................................................................12 3.2伺服控制装置的选型...................................................................................................18 3.3本章小结.......................................................................................................................24

第四章 控制部分软件参数设置及论述.........................................25

4.1机能选择常数...............................................................................................................25 4.2增益关系常数...............................................................................................................30 4.3位置关系常数...............................................................................................................38 4.4速度关系常数...............................................................................................................46 4.5转矩关系常数...............................................................................................................49 4.6顺序关系常数...............................................................................................................51

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东北大学硕士学位论文 目录

4.7本章小结.......................................................................................................................56

第五章 结 论...............................................................................57 参考文献...........................................................................................58 致 谢...............................................................................................60

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东北大学硕士学位论文 第一章 绪论

第一章 绪论

1.1机械手概述

1.1.1机械手的概况

机械手是机器人的一个分支，是指能按给定的程序或要求，自动的完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它的设计构想是以人的手为基础，以机械拉来实现人的动作，一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。

近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：

(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 (2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。

(3)可在劳动条件差，单调重复易于疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。 (4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。 (5)宇宙及海洋的开发。

(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验等等。

目前的机械手都以经有了较为完善的功能，良好的界面，易于操作。供给用户的选择也非常完善。结构也很轻便，价格适中，深得广大厂家青睐。

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东北大学硕士学位论文 第一章 绪论

1.1.2机械手的发展

专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用研究和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域在不断地扩大。 早在四十年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。五十～六十年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手，如尤尼曼特(Unimate)机械手，即属于这种类型。

一九六八～一九七〇年，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即使第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。七十、八十年代机械手可以说是处于技术发展阶段，主要有以下几个发展方向：

(1)研制有更多自由度的机械手。

(2)研制有行走机构的机械手。 这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。

(3)研制能自动编制和自动改变程序的机械手。

(4)研制具有一定“感触”和“智力”的智能机器人。这种机器人,具有各种传感装置，并配备有计算机。根据仿生学的理论,用计算机充当其“大脑”使它能“思考”，能“分析”、能“记忆”。用电视摄像机、测距仪、纤维光学传感器、导光管或其他光敏元件作为“眼睛”，在其视野范围内能“看”。用听筒和声敏元件等做“耳朵”能“听”。用扬声器等作“嘴”能“说话”进行“应答”。用热电偶和电阻应变仪等作为“触觉”能“感触”。用滚轮或双足式的行走机构作“脚”来实现自动位移。这样的智能机器人，可由人用的特殊的语言（计算机语言甚至是口语）对其下达命令、布置任务。得到指令后的智能机器人，即可根据现场环境的各种条件或信息，地“分析”和“判断”并自编或自变程序地进行工作；能够自动找寻物件的方位，调整作用力的大小，找寻传送路线以避开障碍物。因此，它将成为“无人化”系统，即由计算机实现群控的各种设备、辅助装置和机械手等所组成的完全自动化生产线或车间的重要组成环节之一。

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东北大学硕士学位论文 第一章 绪论

在国外广泛采用的“示教再现式”通用机械手，虽然一般也都具有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或是在其工作之前由人进行示教一次，而后机械手即按照示教的工作内容自行正确的完成再现工作。如果把这种再现通用机械手称为第二代机械手的话，那么智能机器人就是第三代了。

进入九十年代后，因为电脑技术、电子产品及生物遗传工程等技术的大踏步发展，第三代智能机器人的研发热潮已从专业人士的实验室中走了出来，成为一种综合科研能力的开发活动，参与者也打破了各行各业的画地为牢、各自为政的困局，开始了纵横连合，争奇斗妍，蔚成热潮的研究与制作尝试。 未来的机器人将会朝着三个方向发展：

(1)与人类社会的生活更为密切地结合起来，以为人做出更多的服务作为要素。二十年后，家中扫除、清洁的工作或者老人的护理保健的工作可能全由机器人取代。美国旧金山的医院已开始使用机器人为病人送药、配药的服务。美国的阿伊机器人公司的总裁接受媒体采访时表示，该公司生产的家用大扫除机器人产品，2002年只有一百二十万美元销售额，到2004年已猛增10倍以上。还有，家居的全自动化，无需驾驶的自动汽车，等等，实在无法一一计数或做出预计。

(2)仿生性，生物性的大趋向。以趣味性、生物性来制造机器狗、猫、鱼等动物。譬如日本三菱重工附属公司Ryomei Engineering研制成功的金色机械鱼“金鱼虎”长1公尺，重25公斤，是一只不小的巨鱼，能自动畅游于水中，可协助监察桥梁的保安和搜集鱼汛的情况，监视河水污染等。索尼公司研制的Aibo机器狗会对主人声音有情绪反应，已能够模仿喜怒哀乐和恐惧等情绪，将来可出现代替真正导盲犬的机器狗。 (3)最重要的发展是人性化。2006年3月至9月于日本爱知县举行的万国博览会，被称为机器人的大集合之展览会，有人甚至将之称作“机器人万国博览会”，从中亦可看出日本的这一产业优势及成果。在展场中，接待处、大会清扫工作、警备工作等，多以机器人的形式出现与取替。博览会期间还举办多项人与机器人有关的活动，其中最引人注目的还是人工智能及人性化的机器人的表演，譬如接待处的一位女性机器人能听、说六国语言，而且说话时眼、嘴皆会动，面部肌肉也有活动。大阪大学工学院在人工智能机器人的开发方面有不俗的成绩，石黑浩教授制作“Actroid Repliee”，以“电视台新闻播音员”的外貌现世，其手、头和上身皆可自如活动，外形逼真，惟妙惟肖。

我国的机器人研发工作基本上属于科学研究的项目，据说，中国科学院目前已造出

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东北大学硕士学位论文 第一章 绪论

说话时嘴唇能够活动、眼睛能转动、具视觉功能的机器人，其水准可媲美日本同行，但这台机器人体形甚大，却未能以双脚走路。在日本，机器人能否以二脚行走已成为一个热门及熟练的技术竞赛项目，譬如有“二足机械人竞赛大会”（分等级）。其实，机器人的制作绝对并非只是液压机械与电子产品的混成物，要将机器人造得越来越有人性化，就要兼及生命医学、传感、光学及创造性的文化产业等方面，比如机器人的关节就需要研究中医的经络学、生物学上的神经刺激反应以及文化产品的某种造型特征（其中很重要的是民族特征的外表）等等。

我国在“863”计划的支持下，智能机器人也取得了不少重大成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

1.2机械手分类[5]

目前，机械手尚无通用的分类法。它们可按不同特点，如按照机械手的驱动方式分类，可分为机械式、电气式、液压式和复合式四类，其中液压类作用力最大。按照机械手臂部的运动坐标形式分类，有直角坐标式机械手、圆柱坐标式机械手、球坐标式机械手和多关节式机械手等。总之，分类方法较多，这里着重对几种常见的分类方法进行一下介绍。

1.2.1按机械手的使用范围分类

专用机械手：一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线，用以制动的传送物件或操作某一工具。这类机械手一般不能完全模仿人手关节的动作。但是由于其结构简单、价格便宜，因而获得了广泛的应用，是最普通的机械手，这种机械手适合动作比较简单的大批量生产的场合。例如“齿坯上下料机械手”、“曲拐

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东北大学硕士学位论文 第一章 绪论

自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。

专用机械手在机械加工中有很多应用，如上文提到的曲拐自动车床机械手在压缩机生产中也有应用，在一个大型的曲拐加工组合机床上，机械手的主要作用就是搬运工件。在一道工序加工完成后，由机械手抓起，通过一系列提升、平移、翻转等动作，将工件运送到了下一个需要加工的位置，节约了大量人力。本论文所研究的就是属于这种类型的机械手，主要在内圆磨床中进行搬运工作。在内圆磨床加工完一个工件后，将已加工完的工件搬出，同时搬入尚未加工的工件。

通用机械手（也称工业机器人）：指具有可变程序和单独驱动的控制系统，又不从属于某种机器，而是能自动的完成传送物件或操作某些工具的机械装置。

通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只能是点位控制，故属于程序控制类型；伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。

这种机械手，由于手指可换或可调整，程序可变，故适用于中、小批生产。但因其运动较多，结构较复杂，技术条件要求高，因此制造成本一般也较高。

1.2.2按机械手臂部的运动坐标型式分类

直角坐标式机械手：臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动。即臂部可以前后伸缩(定为X方向的移动)。左右移动(定为沿Y方向的移动) 和上下升降 (定为沿Z方向的移动)。本文论述的机械手就是此类机械手。

圆柱坐标式机械手：手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动。又可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动γ角)，亦即臂部可以前后伸缩，上下升降和左右转动。

球坐标式机械手：臂部可以沿直角坐标轴X方向移动,还可以绕Y轴和Z轴转动,亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)，上下摆动(定为绕Y轴摆动β角)和左右转动(仍定为绕Z轴转动γ角)。

多关节式机械手：这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。 其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动α角，大臂可绕肩部摆动(仍定为绕Y轴摆动)β角，手臂还可以左右转动(仍定为绕Z轴转动γ角)。

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东北大学硕士学位论文 第一章 绪论

1.3应用机械手的意义[10]

随着科学技术的发展，机械手也越来越多地被应用。在机械工业中, 铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。其它部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。

可以提高生产过程的自动化程度。应用研究机械手,有利于实现材料的传送，工件的装卸，刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

可以改善劳动条件,避难所免人身事故。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，使劳动条件得劲改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中,以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

可以减少人力，并便于有节奏地生产。应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。

综上所述,有效地应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。

1.4本文主要工作内容

本文工作是对沈阳华润三洋机械手上轴承内孔磨床机械手的控制系统进行改造。三洋机械手的电机和伺服系统已经使用多年，已趋于老化，并时常发生故障，维修的时间和费用也在逐渐增大，尤其是伺服控制系统，已经无法买到备件，严重影响到了正常的生产。因此要将此系统进行改造，对机械手的结构进行深入的了解，再选择比较先进的能胜任现在生产要求的伺服控制系统，对其参数进行深入的研究和重新设置，通过研究能编辑出新系统的机械手加工程序，同时在众多型号的电机中选用适合的伺服电机，组 成一套完整的机械手伺服控制和运动系统。通过以上研究和工作希望能达到或超过原有水平，使其能恢复并满足企业生产的要求。

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东北大学硕士学位论文 第二章 上轴承内圆磨床机械手设计

第二章 上轴承内圆磨床机械手概况介绍

2.1 上轴承在制冷压缩机中的应用情况

2.1.1制冷压缩机的概况[16]

活塞式压缩机发展历史悠久，具有丰富的设计、制造和运行的经验，至今在各个领域中仍然被广泛采用和得到发展，制冷压缩机的持续进步也反映在其种类的多样化方面，活塞以外的各类压缩机型，如离心式、螺杆式、滚动转子式和涡旋式等都在被卓有成效的开发而各具特色，令人刮目相看。在这种背景下活塞式压缩机的使用范围必然收到影响而出现逐渐缩小的趋势，这种趋势在大冷量范围内表现的更显著。但是在中小冷量范围内，实用上还是以活塞式压缩机为主。

随着压缩机本身可靠性和耐久性不断的提高和压缩机紧凑轻量化的追求，制冷压缩机从开启式逐渐向封闭式发展式很自然的，如在日本，15～22KW之间的活塞式压缩机中90%以上实现了半封闭化；对于不能依赖外界维修的、船舶、车辆以及边远地区，便于现场维修的开启式压缩机还是有它的优势的。

在小型制冷压缩机中，旋转式压缩机作为大批量生产的某些是制冷设备（如电冰箱、房间空调）的专用压缩机，其产量和应用较多，但在压缩冷凝机组这类通用机械中，活塞式压缩机的应用还是占多数的。

为了提高制冷系统的综合运转性能，对制冷压缩机的容量控制能力提出了越来越高

的要求。小型制冷压缩机本身从结构上难以设置合适的输气量调节机构，1980年，空调用变频器控制的产品25～90Hz的出现和应用是制冷空调装置技术进步的重大创举，它不仅使空调器更迎合人们的舒适感要求，而且对膨胀阀、换热器等系统构件产生了很大的影响，如今，变频控制在7.5KW以下的全封闭式制冷压缩机和3～11KW的半封闭式活塞式制冷压缩机上的应用已经商品化，预计这类变频压缩机将会成为未来的发展潮流

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2.1.2上轴承在制冷压缩机中的作用[17]

本文所涉及到的压缩机为空调用滚动转子压缩机。

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东北大学硕士学位论文 第二章 上轴承内圆磨床机械手设计

图2.1为滚动转子压缩机工作原理图。气缸6的中心和偏心轴7同心，气缸内的滚动转子8套在主轴偏心轴段上。电动机带动主轴绕气缸中心线旋转时，滑片3在其背端弹簧力和高压气体作用下，始终垂直压在滚动转子8的外表面上，形成一条密封线。滚动转子紧贴在气缸内表面上滚动。滚动转子外 表面、滑片侧面、气缸内表面和气缸两端面便形成了两个基元容积。与吸气孔5相通的一侧称为吸气腔。通过排气阀2与排气管相通的一侧称为排气腔。当转子与气缸的接触点转到超过吸气口5时，滑片右侧至接触点之间的吸气腔与吸气口5相通，而且容积随转子的转动而逐渐增大，并从吸气口5吸入气体当转子接触点转到最上面位置时，吸气腔容积达到最大值，既充满了低压制冷剂蒸汽。转子继续旋转，接触点再次通过吸气口位置时，吸入的低压气体因容积逐渐缩小而受到压缩，达到排气压力

时，则排气阀2开启，开始排气，直至转子接触点通过排气口1结束。由于气缸内有滑片分割吸气腔吸气的同时排气腔也在压缩（或排气），所以，以一个基元容积为研究对象，滚动转子式压缩机中，吸气、压缩、排气等过程。

上轴承是压缩机泵体的核心部件，起着承上启下的作用。它的内圆是用来跟曲轴配合，使曲轴能在里面以最小的摩擦进行旋转。端面是用来和下面的气缸的端面进行配合，由螺丝将上轴承紧固在气缸上，两端面要紧密配合，达到良好的气密性。

图2.1 滚动转子压缩机工作原理示意图

Fig.2.1 Roll compressor operation principle sketch map of the rotor

2.2上轴承内圆磨床机械手的组成[10]

机械手的组成及相互间的关系如图2.2所示。

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东北大学硕士学位论文 第二章 上轴承内圆磨床机械手设计

驱动部分 传送机构 控制部分 行程检测装置 手部 传感装置 被传送工件

图2.2 机械手组成关系图

Fig2.2 The manipulator makes up the relation picture

机械手的的结构简图如图2.3所示。

图2.3 圆柱坐标式机械手

Fig 2.3 Circular cylindrical coordinate type manipulator

（1）手部（或称抓取机构）包括手指、传动机构等，主要起抓取和放置物件的作用。 （2）传送机构（或称臂部）包括手腕、手臂等，主要起改变物件方位和位置的作用。 （3）驱动部分是驱动前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式。

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东北大学硕士学位论文 第二章 上轴承内圆磨床机械手设计

（4）控制部分是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等。

（5）其它部分如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等： （a）机体（也称机身）是用以支撑和连接其它零件、部件的基础件。

（b）行走机构是为了扩大机械手的使用空间而设置的。它本身又包括力源、传动（减速）机构、滚轮或连杆机构等。目前大多数机械手还缺乏行走机构。 （c）行程检测装置是检测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。

（d）传感装置其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的方位是否正确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应等。

论文所设计的是上轴承内圆磨床的机械手（见图2.4）。

图2.4内圆磨床机械手

Fig2.4Manipulator of the internal grinder

机械手由同一轴上的两个机械臂，两个由气动机械爪，一台伺服电机，一个液压油

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东北大学硕士学位论文 第二章 上轴承内圆磨床机械手设计

缸，由花键套和花键轴组成的连接传动装置组成。两个机械臂之间的夹角固定为110度。机械手的作用为对工件进行取送作业。机械手的动作分解来看有以下几个，由电磁阀控制的油缸带动机械手进行前后运动，由伺服电机带动机械手转动，转动位置分为上升端、中间位置、下降端，同时还有通过气缸带动的两个机械爪分别对工件进行抓取。

2.3本章小结

制冷压缩机的使用已经越来越广泛了，冰箱、空调等等方面。空调的核心部件就是压缩机，而上轴承在压缩机中的有着重要的作用，是泵体的重要组成部分。由此看来为了保证压缩机也是保证空调能良好的运转，必然对上轴承的加工过程要求十分严格。在加工中，内圆磨床机械手的搬运过程既要做到快速，以保证产量，又要做到十分准确，可以保证上轴承在搬运过程中不受到任何损伤。这就需要我们对搬运机械手进行设计、改造，以达到我们所期望的要求。

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东北大学硕士学位论文 第三章 控制部分硬件的设计

第三章 控制部分硬件的设计

3.1电机的选型

电机的种类很多，结构、样式也有一些差别，并不是每种电机都适用于本文设计的机械手。

（1）步进电机

步进电机是一种利用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应角位移的电磁装置。步进电机主要用于经济型数控机床的进给转动，一般采用开环的控制结构。

步进电机的激励电源脉冲电源，步进电机跟随车从脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个因定的角度，称动一步，每一步所转过的角度叫做步距角。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格地成正比，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量，频率及电机绕组通电相序，便可获得所需的转角，转速及旋转方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而牌定位状态。

（a）步进电机的结构与工作原理

步进电机定子上有6个均布的磁极，在直径相对的两个极上的线图串联，成了一相控制绕组。极与极之间的夹角为60°每个定子极上均布5个齿,齿槽距相等.齿间夹角为9°转子上无绕组,只有均匀分盛开的40个齿,齿槽等宽齿间夹角也是9°,三相(U、V、W)定子磁极和转子上相应的齿依次错开了1/3齿距。这样若按三相六拍方式给定子能电，即可控制步进电机的1.5°的距角（每次通电步进电机的转动角度）作正向或反向旋转。

步进电机的步距角大小，有仅与通电方式有关，而且还与转子的齿数有关，计算公式为 Q=式中 M—定子励磁绕组相数

360°

MZK

Z—转子齿数

K—通电方式，相邻两次通民相数一样，K=1，不同时K=2，步进电机的转速计算公式为 N=

QQF

×605= 360°6

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东北大学硕士学位论文 第三章 控制部分硬件的设计

式中 N—转速

F—控制脉冲频率，即每秒输入步进电机的脉冲数。 Q—用角度表示的步距角 （b）步进电机的应用

由步距角计算式可知，循环拍数越多，步距角越小，因此定位精度越高，另外通电循环拍数和每拍通电相数对步进电机的矩频特性，稳定性等都有很大的影响。步进电机的相数也对步进电机的运行性能有很大的影响，为提高步进电机的输出转矩工作频率和稳定性，可通用多相步进电机，并采用2×M拍工作方式，但2×M拍工作方式的功耗比单M拍的大。

步进电机由于采用脉冲方式工作，且各相需按一定规律分配脉冲，因此，在步进电机控制系统中，需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑。而脉冲的多少需要根据控制对象的运行轨迹计算得到，因此还需要插补运算器，数控机床所用的功率步进电机要求控制驱动系统必须有足够的驱动功率，所以还要求功率驱动部分。为了保证步进电机不失步地启停，要求控制系统具有开降速控制环节。

（2）直流伺服电机

由于数控机床对于伺服驱动装置要求较高，而直流电机具有良好的调速特性。因此，以往数控机床的半闭环。闭环控制系统的伺服驱动大多采用直流伺服电机。

（a）直流电机的特点和分类

常用的直流电机有永磁式直流电机、励磁式直流电机、混合式直流电机、无刷直流电机和直流力矩电机等。直流进给伺服系统使用永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型）直流主轴伺服系统使用励磁式直流电机类型中的他激直流电机。此外，永磁式直流电机还包括无槽电枢永磁直流电机、杯型电枢永磁直流电机和印刷绕组电枢永磁直流电机等。这几种电机均为小惯量电机，适用于要求快速响应和频繁启动的伺服系统，但其过载能力低，电枢惯量比机械传动系统配较差。普通型永磁式直流电机产量大，应用广泛。

（b）永磁式直流伺服电机的结构和特点

普通型永磁直流伺服电机的转子惯量大，调速范转宽，所以也叫大惯量宽速永磁直流伺服电机，广泛地应用在进给直流伺服系统中，它的特点如下：

a)低速大惯量，此种电机具有较大的惯量，电机的额定转速较低。可以直接和机床

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东北大学硕士学位论文 第三章 控制部分硬件的设计

的进给传动杆相连，因而省掉了减速机构。

b)转矩大，输出的转矩比较大，特别是低速时转矩大，能够满足数控机床在低速时，进行大吃刀量加工的要求，为加大力矩采用高导磁的磁性材料。

c)启动力矩大，该电机具有很大的电流过载倍数，启动时，加速成电流允许为额定电流的10倍。因而使得力矩/惯性比大，快速性好。

d)调速范围大，低速运行平稳，力矩波动小。该电机转子的槽数增多，并采用斜槽，使低速运行平稳（能在0.1-1的速动下运行）。

永磁式直流伺服电机，电机壳，磁极电柜和换向器等组成。反馈用的检测元件有测速发动机，旋转变压器和光电脉冲编器，这三种检测元件均可按货在电机的尾部。定子磁极是一个永久磁体。

由此建立磁场。高性能直流电机采用 稀土永磁材料。磁极的形状大都为瓦 状结构，并加上极靴或磁轭。以聚集 隙磁面，电枢由有槽铁心和绕组两部分 组成。它的作用是将外加的直滚电源引 向电枢绕组。完成换向工作。

电枢（转子）图3.1永磁直流电机结构示意图

Fig.3.1 Structural sketch map of the direct current machine of permanent magnetism

极靴机壳瓦状永磁定材料 （定子） （c）直流主体由伺服电机机床主轴驱动和进给驱动有很大差别，主轴直流伺服电机要求有很宽的调速范围和很大的转矩及功率。

一般直流主轴电机的结构与进给驱动的永磁式直流伺服电机不同，不做成永磁式，而与普通励磁直流电机相同，为他励式。

（d）直流伺服电机的速度控制方法

对于直流电机而言，要改变它的转速，有三种方法：

a)改变电机电枢回路外加电压U，即改变电压，此方法可得到调速范围较宽的恒转矩特性，适于进给驱动及主轴驱动的低速段。

b)变气隙磁通量φ，此方法可得到恒功率特性，适于主轴电机的高速段。

c)改变电枢电路的电阻Rd，此方法得到的机械特性较差，因此在数控机床上较少采用。

若采用调压与调磁两种方法互相配合，可以获得很宽的调整范围，又可充分利用

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东北大学硕士学位论文 第三章 控制部分硬件的设计

电机的容量。在数控机床驱动装置中，直流电机速度控制多采用晶闸管（可控）调速系统和晶体管脉宽调制（QWM）调速系统。

（3）交流伺服电机

交流伺服电机可采用异步和同步两类，它们的差别是：同步电机的转速及电源的频率之间存在严格的关系，即在电源电压和频率固定不变时，其转速保持稳定不变。若采用变频电源给同步电机供电，可方便地获得为频率成正比的速度，同时可以得到较好的机械特性及较宽的调速范围。目前和磁式同步伺服电机多用于数控机床的进给驱动系统。

（a）永磁交流同步伺服电机的结构

如图：主要分为3个部分：定子、转子和检测元件。定子有齿槽，内有三相绕组，其外形呈多边形，和散热；原子由多块永久磁铁和铁心组成，对多极对数的交流同步电机转子的转速N为

N=nf=605p

式中 f—电源频率

P—磁极对数 （b）变频调速

交流伺服电机调速的关键部件是变频器，变频器是将电网电压、提供的恒压频

CVCF（const Voltage Constant Frequency）交流电，变换为变压变频VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）交流电，变频伴随变压，对交流电机实现无极调速。

（4）伺服电机的选择

旋转运动采用交流伺服电机控制。

新的安川伺服电机，型号为 SGMAH-08AAA4P，如图3.2

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东北大学硕士学位论文 第三章 控制部分硬件的设计

图 3.2 安川伺服电机

Fig.3.2 Servo electrical machinery

型号含义如下：

SGMAH—08AAA4P

伺服电机类型

电机容量（0.75kw） 电压200伏 串行偏的器类型

13位

图3.3 伺服电机

Fig.3.3 Servo electrical machinery

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无抱闸 轴头标准 设计序号

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改造前的为三洋的伺服电机。由于电机老化，备件已购买不到，一旦损坏将很难修理，所以更换为安川伺服电机SGMAH—08AAA4B。

表3.1标准伺服电机的技术参数

Table 3.1 Specification of the standard servo electrical machinery

伺服电机型号

出力规格KW

转矩N·m

瞬间最大转矩N·m

电流规格A

SGMAH 0.75 2.39 瞬间最大电流A 回转速度规格min-1

最高转速min-1

7.16 转矩常数nm/A

4.4 定子惯性力矩X10-4kg·m2

13.4 3000 5000 0.5% 0.672 电压 V

功率延时KW/S

角加速度规格yad/s2

机械常数ms

电压常数ms

200 84.8 回转速度（mm-1）

35500 0.26 8.7

5000

A：连续使用领域 B：反复使用领域 4000

3000

2000

1000

0

0 1 2 3 4

转矩(n·m) 图3.4转矩回转速度特性

Fig.3.4Gyration pace characteristic of the torque

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3.2伺服控制装置的选型

在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试使用十分简单，因而备受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（Digital ，可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和Signal Processor，DSP）

电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机器共振点，并通过陷波滤波方式消除机器共振。一般情况下，这种控制方式对于传动链尚的间隙及误差不能克服或补偿。为了更好的控制精度，应在最终的运动部分安装高精度的检测元件（如：光栅尺、光电编码器等），即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法时：伺服系统只接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器来完成。这样大大增加了上位控制器的难度，也了伺服系统的推广。目前，国外已经出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统，使高精度自动化的设备的实现更为容易。该系统克服了半闭环控制系统的缺陷，伺服控制器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件，作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如齿轮间隙、丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因此越来越多的行业在其自动化设备的改着和研制中，开始采用这种伺服系统。本文进行设计的就是在此基础上进行的。

使用伺服放大器用于伺服电机，由下面两部分构成。 （1） 比较控制放大器

“比较部”对“位置和速度”的输入指令和反馈信号进行比较，作出“差值 首先，

信号”。然后，通过“控制部”对“差值信号”进行放大和变形，也就是进行“比例控”和“比例积分控制（PI控制）”。 制（P控制）

（2） 功率放大器

“比较控制放大器”输出成比例的速度和转矩，驱动伺服电机的部分。 是根据上述的

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东北大学硕士学位论文 第三章 控制部分硬件的设计

是通过50Hz的市网电源，制出和指令速度成比例的频率的交流，以此驱动伺服电机动作。

我们选用的是安川伺服放大器，因为其有着价格便宜，性能稳定等有点，同时也可以和我们选用的安川伺服电机配套使用。

安川伺服放大器，型号为SGDM—10ADA 如图3.5。型号各含义如下：

SGDM—10 A D A

伺服放大器类型 设计序号

最大适用电机容量码 转矩 速度 位置控制用

（0.75kw） 电压200V

图3.5 伺服放大器型号

Fig.3.5 servo amplifier size

三洋伺服放大器结构依次为机械手控制盒、功率放大器、伺服电源。

由于安川的伺服放大器接线方式与三洋的伺服放大器不同，所以通过一个接线端子排，进行调整。调整后再经由信号控制板进行调整后将信号传入伺服放大器。图3.6为信号控制板接线方法

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东北大学硕士学位论文 第三章 控制部分硬件的设计

Y7 RESET Y6 SVON

CLE ZIN SVOFF ILK RUN D2 PFIN D0 D1 ALM FWD RVS ZRT SVRD EMR

X0X1X2X3X4X5X6X7X8X9XAXBXCXDXEXFZIN PFIN DIRECTION PULSE ALM SVRD Y1 COM Y0 COM

3K+24V 0V 图3.6信号控制板

Fig.3.6 Control panel of the signal

松下机械手控制盒，它的可通过数据线连接电脑，由电脑编程后的程序可直接传入，具有方便、快捷、清晰、操作简单等优点。原有的伺服放大器需要外接编程器，操作繁琐，容易出错。以下为设计后的机械手使用的松下PLC程序：

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D> DT90044,K0 X5R0X4XE1 1[F1 DMV , H 1126 , DT 200] [F1 DMV , K 400 , DT 202] [F1 DMV , K 500 , DT 204] [F1 DMV , K 150 , DT 206] [F1 DMV , K 0 , DT 208] [F171 SPDH , DT 200 , K0] X5R0X4XED< DT90044,K0 1 1[F1 DMV , H 1113 , DT 100] [F1 DMV , K 4000 , DT 102] [F1 DMV , K 5000 , DT 104] [F1 DMV , K 300 , DT 106] [F1 DMV , K 0 , DT 108] [F1 DMV , K 0 , DT 110] [F171 SPDH , DT 100 , K0] X6 X9 X8 X5 R5 X4XE1 1[F1 DMV , H 1113 , DT 300] [F1 DMV , K 4000 , DT 302] [F172 SPDH , DT 300 , K0] X6 X9 X8 X5 R5 X4XE1 1[F1 DMV , H 1122 , DT 300] [F1 DMV , K 2000 , DT 302] [F172 SPDH , DT 300 , K0] X6 X9 X8 X5 R1 1 1[F1 DMV , H 1113 , DT 100] [F1 DMV , K 80000 , DT 102][F1 DMV , K 96000 , DT 104][F1 DMV , K 300 , DT 106] [F1 DMV , K 4300 , DT 108] [F1 DMV , K 0 , DT 110] [F171 SPDH , DT 100 , K0] – 21–

东北大学硕士学位论文 第三章 控制部分硬件的设计

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东北大学硕士学位论文 第三章 控制部分硬件的设计

X6 X9 X8 X5 R1 [F1 DMV , H 1113 , DT 100] [F1 DMV , K 200 , DT 102] [F1 DMV , K 30000 , DT 104] [F1 DMV , K 100 , DT 106] [F1 DMV , K 0 , DT 108] [F1 DMV , K 0 , DT 110] [F171 SPDH , DT 100 , K0] X6 X9 X8 X5 R1 11XF (DF) 1XF (DF/) 1X0 X3 [F1 DMV , H 1113 , DT 100] [F1 DMV , K 80000 , DT 102] [F1 DMV , K 96000 , DT 104] [F1 DMV , K 300 , DT 106] [F1 DMV , K -3720 , DT 108] [F1 DMV , K 0 , DT 110] [F171 SPDH , DT 100 , K0] 1 [F0 MV , H 8 , DT 90052] 1 [F0 MV , H 0 , DT 90052] Y7 [ ] Y6 [ ] R5 [ ] R4 [ ] R0 [ ] R1 [ ]

D>DT90044,K4300 D< DT90044,K-3720 X6 X9 X8 X6 X8 TMX 0, K 10TMX 0, K 10– 23–

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3.3本章小结

伺服电机是机械手的重要驱动部件，它的选型就显得相当重要了。电机的种类很多，也很复杂。随着交流变频调速技术的飞速发展，交流伺服电机得到了广泛的应用，它克服了直流伺服电机在结构上存在机械整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受到制等缺点，同时又发挥了坚固耐用、转子惯量小，经济可靠及动态响应好等优点。所以我们选用交流伺服电机。

通过对松下编程软件的研究，编制了一套机械手加工程序，经过试验完全可以替代原有的加工程序。

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东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

第四章 控制部分软件参数设置及论述

本章针对伺服系统SGDM，按期参数排列逐个进行选取，且对各个参数的概念及含义进行简要的论述，并说明参数的单位设定范围。

4.1机能选择常数

主要功能为控制电机的旋转方向，设定超程数值，设定电机状态及电机停止方法。

Pn000：机能选择基本开关（回转方向的设定）

选择反转模式方式 Pn000选择1 电机转向如图4.1

PBO（B相）

图4.1 电机转向设定

从伺服单元输出 的编码器信号

CW

CCW

从伺服单元输出 的编码器信号

PAO（A相） PAO（A相）

PBO（B相）

Table 4.1 The electrical machinery changes direction and establishes

Pn000：超程设定

规定一个可动区域，超出此区域时，强制停止，引入超程极限开关的输入信号与对应的伺服单元CN1接头中相应编号正确连接，见图4.2，表4.1

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东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

表4.1 驱动状态列表

Table 4.1 Drive the state tabulation

→输入AP-OT CN1-42 →输入AP-OT CN1-43

禁止正方向驱动(正转侧超程) 禁止反方向驱动(反转侧超程)

正方向

速度,转矩控制位置控制速度,转矩控制位置控制

SGM□ 伺服单元 设置极限开关 反方向 SGDB 伺服单元 P—OT P—OT 图4.2 超程设定

CN1-42 CN1-43 Fig.4.2 Exceed one to establish

输入信号“接通/断开”时的驱动状态，见表4.2

表4.2 驱动状态列表

Table 4.2 Drive the state tabulation

P-OT

接通时 CN1—42“L”电平 断开时 CN1—42“H”电平 接通时 CN1—43“L”电平 断开时CN1—43“H”电平

正转驱动许可状态通常运行状态 正转驱动禁止状态。（反方向旋转） 反转驱动许可状态通常反转状态 反转驱动禁止状态。（正转方向旋转）

N-OT

设定切换转入信号的使用/不使用。

切换超程输入信号的使用/不使用，请设定下面的“用户常数”见表4.3

表4.3 Pn50A 3，Pn50B 0指令

Table 4.3 Pn50A 3， Pn50B 0 Order

用户常数

设定

项目

使用禁止正转输入信号

（CN1—42断开禁止正转，OV时允许正转） 不使用禁止正转输入信号

（通常允许正转，CN1—42与OV短路相同） 使用禁止反转输入信号

（CN1—43断开禁止反转，OV时允许正转） 不使用禁止正转输入信号

（通常允许反转，CN1—43与OV短路相同）

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Pn 50A 3

2

（出厂设定）

8 3

（出厂设定）

8

Pn 50B 0

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Table 4.4 Pn001.0 Order使用超程时，电机停止的选择方法，见图4.3。

表4.4Pn001.1指令

Table 4.4Pn001.1 Order

Pn001.1

选择超程时电机停止方法

出厂设定 0

速度，转矩控制位置控制

已设定使用超程时，配合电机的停止方法，设定如下的用户常数电机转动时选择有以下的输入信号悍的停止方法。见表4.4

禁止正转输入（P-OT CN1-42） 禁止反转输入（P-OT CN1-43）

超程

图4.3 超程时电机停止方法 自由状态 停止方法 停止后 Pn001.1的设定

Pn001.0=0 Pn001.0=0 1 DB停止 自由状态 0

2 自行停止 Pn001.0=1 或2 零钳位状态 减速停止 1 2 Fig.4.3 Method that the electrical machinery stops while exceeding the journey

表4.5Pn001.0指令

Table 4.5 Pn001.0 Order

用户常数

设定

项目

用动态 态动（DB）停止

停止后DB状态被保持 自动态制动停止

停止后DB状态解除 自由状态 自由停止

电机不通电，用机械摩擦来停止

0

（出厂设定）

Pn001.0

1 2

选择伺服断开时电机停止方法，见图4.4

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SGOM伺服单元为以下情况时，伺服断开 A伺服接通信号断开时（/S—ON.CN.40） B发生伺服报警时

C电源断开时 停止方法

停止后

伺服断开

Pn001.0=0或1

0

DB停止

自由状态

1

自由状态

自行停止

Pn001.0=2

自由状态

DB就是动态制动中，是用阻抗来抵消电机旋转能量

图4.4 伺服断开时电机停止方法

Fig. 4.4 The electrical machinery stops the method at the time of servo disconnection

Pn002 转矩前馈功能

转矩前馈功能只在速度控制（模拟指令）时有效

转矩前馈功能可缩短定位时间。在上位装置侧（用户准备）对速度指令进行微分，生成转矩前馈指令，并将速度指令发至伺服单元，见图4.5

上位装置发出一速度指令与V-REF（CN1—5，6）连接，转矩前馈指令与T—REF（CN1—9，10）连接。

微分 KFFT-REFPn400+-+++伺服电机电流环 位置+ 指令 - V-REFKP Pn300Pn100积分(Pn101)M速度计算分频图4.5 转矩前馈指令控制框图

PG Fig.4.5 Feed forward instruction control block diagram of the torque

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KP:位置环增益 KFF:前馈增益

转矩前馈控制功能的使用方法

为了使用转矩前馈功能,请设定内丰开判断”2”

表4.6Pn002指令

Table 4.6 Pn002 Order

Pn002=0

内容

0 无效

1 T-REF端子外部转矩入力使用 2 T-REF端子转矩前馈功能使用

模拟电压指令转矩功能不能与模拟电压指令进行转矩,限期功能同时使用。

Pn003 模拟监视

利用专用电缆从CN5接口可以监视信号，见图4.6，表4.7

黑 黑

CN5

白 红

CN5局部放大图

图4.6 电缆颜色及位置

Fig.4.6 Cable color and position 表4.7不同颜色电线的作用

Table 4.7 Different color electric wire function

电缆颜色 白 红

信号名 模拟监视一 模拟监视二

内 容

转矩指令：1VA100%定格转矩

黑（2根） GND（OV）

通过改变Pn003，OB Pn003.1确定监视内容，见表4.8

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表4.8 Pn003，Pn003.1指令

Table 4.8 Pn003，Pn003.1 Order

Pn003.0 Pn003.1 的设定

0 1 2 3 4 5 6 7 8-E

监视信号

观测增益

电机回转速度 1V/1000min-1 速度指令 1V/1000min-1 转矩指令 1V/100%定格转矩 位置偏差 0.05V/1指令单位 位置偏差 0.05V/100指令单位 指令脉冲周波数 （回转速度换算值）

1V/1000min-1

电机回转速度 1V/250min-1 电机回转速度 1V/125min-1 预约监视信号

选监视一 Pn003.0=6

Pn004

Pn005 固定数 选0

4.2增益关系常数

此常数主要设定速度环的反馈，积分常数，速度前馈的反向补正等等。 速度环增益 Pn100

速度环相关的增益，作为常数，根据需要设定下列“用户常数”，见表4.9

表4.9 Pn100，Pn101指令

Table 4.9 Pn100，Pn101 Order

Pn100 Pn101

速度环增益（KV） 单位HZ速度环积分

时间常数（Ti）

单位 0.01ms

设定范围 1～2000 设定范围 15～51200

出厂设定

40 出厂设定

2000

速度,转矩控制

位置控制 速度,转矩控制

位置控制

伺服驱动器内部的速度环增益和积分时间常数速度环增益越大,速度环积分时间常数值越小,响应性的高速控制越好。

选Pn100=40HZ Pn101=2000 位置环增益Pn102

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位置环有关的增益，作为常数，根据需要设定下列“用户常数”，见表4.10

表4.10 Pn102指令

Table 4.10 Pn102 Order

位置环增益

设定范围

单位1/S

（KP）

出厂设定

速度，转矩控制位置控制

Pn102

1～2000 40

伺服驱动器内部的位置环增益。位置环增益的值越大，越能进行响应性能高，偏差小的位置控制。本增益在零夹紧功能的动作时也有效。

惯性比 Pn103

电机轴换算的负荷惯性力矩（JL）惯性比＝×100%

伺服电机的负载惯性力矩（JM）选择Pn103=0

第一速度环增益 选择Pn104=40 H2

第二速度积分常数 选择Pn105=2000 单位：0.01ms 第二位置环增益 选择Pn106=40 单位：1/s 速度偏置设定

设定下面的“用户常数”根据输出伺服单元内部的速度指令偏差可以缩短定位的整定时间，见表4.11

表4.11 P107，Pn108指令

Table 4.11 P107，Pn108 Order

Pn107 Pn108

偏置 偏置加算幅

单位 Min-1 单位 指令单位

设定范围 0-450 设定范围 0-250

出厂设定 0 出厂设定 7

位置控制 位置控制

用于缩短整定时间，按照相应机械条件进行设定

选Pn107=0，n108=87 前馈 Pn109

根据设定下列用户常数进行前馈控制，可以缩短定位时间，见表4.12

表4.12 n109指令

Table 4.12 n109 Order

Pn109

前馈增益

单位 %

设定范围 0-100

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出厂设定

0

位置控制

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伺服驱动器内部的位置控制环中增加了前馈可以缩短定位时间，设定值不宜过大，过大有机器振动的可能性。一般的机器设定为80%以下，选Pn109=0。 前馈控制过滤时常数，选Pn10A=0。

增益关系应用开关Pn10B模式开关是左下列情况下使用

a在速度控制时，抑制加速减速时成过调量。

b在位置控制时，抑制定位动作的负脉冲信号，缩短整定时间。

具体的在某项条件成立时，将伺服单元内部的速度控制方式，由[PI控制]自动地转换到[P控制]有效的伺服增益下降，伺服系统趋于稳定。见图4.7，表4.13。

过调量

速度

指令 实际的电机动作 时间 下冲 整定时间

图4.7 模式开关

Fig.4.7 Mode switch

表4.13Pn10B 指令

Table 4.13Pn10B Order

Pn10B.0

模式开关设定 转矩指令作为检测量 (标准设置)

设定常数

设定单位

0 Pn10C 额定转矩的% 电机转速min-1 电机加速度指令 10(min-1)/s 指令单位 指令单位

1 2 3 4

速度指令作为检测量 Pn10D 把加速度作为检测 Pn10E 把偏差脉冲作为检测 Pn10F 不使用模式开产关 Pn10F

将转矩指令作为模式开关检测量时(标准设置)转矩指令超过用户常数Pn10C所设定的转矩时,速度环成为P控制。如图4.8

– 32–

东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

使用实例，如图4.9

不使用模式开关，在一般的PI控制时，

由于加减速时的转矩已饱和，电机速度有时有过调，下冲现象。 由于使用模式开关，可控制转矩饱和，消除电机速度的过调、下冲现象。

图4.8 速度环控制方法

Fig.4.8 The pace ring controls the method

速度

指令速度

电机速度

把速度指令作为模式开关的检测量时，速度指令超过了用户常数所设定的[Pn10D]的速度时,速度环为P控制。如图4.9

图4.8 速度环控制方法 Fig.4.8 The pace ring controls the method 图4.9 速度环控制方法

Fig.4.9 The pace ring controls the method

使用实例，如图4.10

用于缩短整定时间，一般在缩短整定时间时，有必要提高环增益，控制此时的过调、下冲。

– 33–

东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

图4.10 使用实例

Fig.4.10 Use the embodiment

模式开关的检测量为加速度时，电机的加速度超过了用户常数Pn10CE）所设定的加速度，速度环为P控制。如图4.11

图4.11速度环控制方法 Fig.4.11 The pace ring controls the method 使用实例，如图4.12

不用模式开关，在一般的PI控制时，因为加减速时的转矩已饱和，电机速度有过调、下冲现象。由于使用模式开关，可控制转矩的饱和，消除电机速度的过调、下冲现象。

– 34–

东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

模式开关的检测量为偏差脉冲时，这个设定只有位置控制时有效。偏差脉冲超过用户常数（Pn10F）所设定的脉冲时，速度环为P控制。如图4.13

图4.12 使用实例 Fig.4.12 Use the embodiment 图4.13速度环控制方法 Fig. 4.13 The pace ring controls the method 使用实例，如图4.14

用于缩短整定时间，一般为缩短整定时间，有必要提高环增益，控制此时的过调、下冲。

– 35–

东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

图4.14 使用实例

Fig.4.14Use the embodiment 选择Pn10B=0 Pn10C=0 Pn10D=0 Pn10E=0 Pn10F=0

自动调谐，如表4.14

表4.14Pn10.0指令

Table 4.14Pn10.0 Order

Pn10.0的设定

内容

0 电源投入后最初运动时调谐，负荷惯性力矩计算后，计算数据更新

1 通常调谐（惯性力矩的计算）

2

连线自动调谐机能

选Pn110.0=2

速度前馈反向补正机能的选择，如表4.15

表4.15 n10.1指令

Table 4.15 Pn10.1 Order

Pn110.1的设定

内容 0 有效 1

无效

选Pn110.1=0

速度前馈反向补正，在定位置整定时间缩短的场合下使用，如图4.15。选Pn111=100 – 36–

单

东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

位%

速度前馈反向补正机选Pn110.1 速度前馈反向补正Pn111 速度前馈反向偏差 位置环增益 积 分 Pn101 + - 速度环增益Pn102 Pn100 + + 转矩指令过滤 Pn401 转矩指令 图4.15速度前馈反向补正

Fig.4.15 The pace feedforward is added and corrected

其它固定常数选择，如表4.16

表4.16其它固定常数选择

Table 4.16 Other regular constants are chosen

用户常数

单位

范围

出厂设定

实际选取

Pn112 % 0～1000 100 100 Pn113 Pn114 Pn115 Pn116

— — — —

0～1000 1000 1000 0～1000 200 200 0～65535 32 0～65535 16

32 16

Pn117 % 20～100 100 100 Pn118 % 50～100 100 100 Pn119 1/S 1～2000 50

50

Pn11A 0.1% 1～2000 1000 1000 Pn11B Hz 1～150 50 50 Pn11C Hz 1～150 70 70

– 37–

东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

Pn11D % 0～150 100 100 Pn11E % 0～150 100 100 Pn11F ms 0～2000 0 Pn120 0.01ms 0～51200 0 Pn121 Hz 10～250 50 Pn122 Hz 0～250 0 Pn123 % 0～100 0

0 0

4.3位置关系常数

主要控制电机定位，旋转角度以及根据电子齿轮的设定。 脉冲输入指令

根据脉冲输入给移动指令，可以对应如下3种输出状态。如图4.16

A 线性驱动输出 B +12V开式断电器输出 C +5V开式断电器输出

指令脉冲形态选择，使用下列常数，表4.17

表4.17选择指令脉冲状态

Table 4.17 Order pulse state

→输入 PULS CN1-7 输入指令脉冲 →输入 ※PULS CN1-8 输入指令脉冲 →输入 SIGN CN1-11 输入指令符号 →输入 ※PIGN CN1-12 输入指令符号

位置控制 位置控制 位置控制 位置控制

电机的旋转角度与输入脉冲成正比

表 4.18 Pn200.0 指令

Table 4.18 Pn200.0 Order

Pn200.0

指令脉冲形态选择

出厂设定 0

位置控制

设定从外部发给伺服单元的指令脉冲的脉冲形态，请配合上位置型号进行设定，如图4.17，表4.18。

– 38–

东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

指令脉冲输入

※

PULS PULS P CN1 -8-7CN1 ※

指令符号输入

SIGN SIGN P CNH1 CNH2 清除输入

※

CLR CLR P P：该符号为绞线

图4.16 脉冲输入后的三种输出状态

Fig.4.16 Three kinds of output states after the pulse is input

上位装置

位置指令伺服单元脉冲 PULS CN1-7

CN1-11 SIGN

图4.17指令脉冲形态

Fig.4.17 Instruction pulse shape

– 39–

东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

表4.19 Pn200 指令

Table 4.19 Pn200 Order

Pn200.0

指令脉冲形态

输入倍增

理论

电机正转指令

电机反转指令

0 符号+脉冲列

PULS

(CCN1-7) SIGN

(CN1-11)

正 理 论

PULS (CCN1-7) SIGN (CN1-11) PULS (CCN1-7) SIGN (CN1-11) PULS (CCN1-7) SIGN (CN1-11) PULS (CCN1-7) SIGN (CN1-11) PULS (CCN1-7) SIGN (CN1-11) PULS (CCN1-7) SIGN (CN1-11)

1

CW脉冲+CCW脉冲

PULS (CCN1-7) SIGN (CN1-11) PULS (CCN1-7) SIGN (CN1-11) PULS (CCN1-7) SIGN (CN1-11)

2 3 4

90°相位差 2相脉冲

×1 ×2 ×4

5 符号+脉冲列

6

CW脉冲+CCW脉冲

负 理 论

PULS (CCN1-7) SIGN (CN1-11) PULS (CCN1-7) SIGN (CN1-11)

7 ×1

8 9

90°相位差

2相脉冲

×2 ×4

输入增倍机能90°相位差的二相脉冲序列指令形态时，可以使用指令脉 冲增倍功能，如图4.19。选Pn200=0

– 40–

东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

PULS

(CCN1-7) SIGN (CN1-11)

电机的移动脉冲量

8 6 4 2 0

输入指令脉冲

图 4.18 指令脉冲增倍功能

Fig. 4.18 The order pulse increases one time of functions

脉冲分频比的设定

将编码器输出的倍量在伺服内部进行分频后再向外部输出,以便设定脉冲分频比的用户常数如下，表4.20:

表4.20 Pn201指令

Table 4.20 Pn201 Order

Pn201 PG分频比设定

单位P/R

设定范围 16～16384

出厂设定 16384

速度，转矩控制位置控制

设定向外部输出的PG信号（PAO ※PAO、PBO、※PBO）的输出脉冲数，以此处所设定的脉冲数将编码器（PG）的脉冲进行分频输出，如图4.19。

输入端子

伺服电机编码器 伺服单元

PG○A相B相 PAO(CN1-36) A相

分频 输出

B相

※

PAO(CN1-34)

PAO(CN1-35) ※

PAO(CN1-33)

图4.19 编码器脉冲输出

Fig.4.19 The encoder pulse is exported

设定值为电机转一圈所输出的脉冲数请配合机械和控制器的指令单位进行设定，设

– 41–

东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

定范围，根据所用编码器型号不同而不同，表4.21。

表4.21 编码器规格

Table 4.21 Encoder specification

编码器规格

分辨率比特

编码器脉冲数(P/R)

设定范围

S 13 2048 16～2048 B,1 16 16384 16～16384

C,2 17 32768

选Pn201=2048 电子齿轮

使用电子齿能可以任意设定一个输入指令脉冲所相当的电机移动量，发出指令脉冲的上位装无需关注机械减速比和编码器脉冲数就可以进行控制，如图4.20。

编码器脉冲：2048 滚珠丝杠节距：6㎜

则10/6≈1.6666转

件和指令单位

如每圈为6㎜

请事先定义电子齿轮的机械条编码器脉冲：2048 滚珠丝杠节距：6㎜

未使用电子齿能

工件

使用电子齿能

工件

指令单位：1㎜

2048×4个脉冲每1圈

指令输入13653个脉冲须在上位装1.6666×2048×4≈13653脉冲

工件移动10㎜ 指令单位1um则

10mm

=10000脉冲 1μm

置执行该换算

图4.20 电子齿轮的使用对照

Fig.4.20 Contrast of using of the electronic gear

电子齿轮设定方法

按以下步骤计算电子齿轮（B/A）用户常数Pn202、Pn203设定该值。

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1、确认机构形式，如图4.21 与电子齿轮相关的要素 减速比 滚珠丝杠节距

滚珠丝杠节距 减速比 皮带轮半径 图4.21电子齿轮 Fig.4.21 Electronic gear wheel 2、确认伺服电机编码器脉冲数，见表4.22

表4.22 伺服电机编码器规格

Table 4.22 Specification of the encoder of the servo electrical machinery 编码器规格

编码器种类

编码器脉冲数（P/R）

A 13 bit 2048 C

17 bit

32768

B 16 bit 16384 增量型编码器

1 16 bit 16384

绝对值编码器

2 17 bit 32768

3、决定指令单位

所谓指令单位是指负载所移动的最小位置数据单位（上位装置指令的最小单位） 如：0.01㎜，0.001㎜，0.1㎜，

0.01英寸输入1个指令冲，移动1个指令单位

当指令单位1um时，输入指令脉冲50000，则移动量为50000Y

1um=50㎜

4、以负载轴转1圈的负载移动量为指令单位来求解。 负载轴转1圈的移动量（指令单位）=

5、求电子齿轮比（

B

） A

n m

负载轴转一圈的移动量

指令单位

电机轴与负载轴的减速比为

（电机转m圈，负载轴转n圈） 电子齿轮比 =

编码器脉冲数×4B

× A负载轴转一圈的移动量（指令单位）

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东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

此式满足以下条件0.01≤电子齿轮比≤（超过范围时，伺服单元不能正确动作 6、在用户常数中进行设定均分电子齿轮比（数内进行选择，如表4.23。

B

）≤100 A

B

）的值，根据A，B在小于65536的整A

表4.23 电子齿轮比

Table 4.23 Proportion of the electronic gear wheel Pn202 Pn203

电子齿轮比（分子） 电子齿轮比（分母）

至此完成了电子齿轮设定。

表4.24 Pn202，Pn203指令

Table 4.24 Pn202，Pn203 Order

Pn202 Pn202

电子齿轮比分子 电子齿轮比分母

单位 元 单位 元

设定范围 1～65535 设定范围 1～65535

出厂设定

4 出厂设定

1

位置控制 位置控制

设定电子齿轮的齿轮比，配合机械形式设定

电子齿轮比（

BPn202）= APn203

B=编码器脉冲数×4×电机轴转速

A=指令单位（负荷轴转1圈时的负载移动量×负载轴速度） 伺服电机控制框图，如图4.22

图4.22伺服电机控制框图 Fig.4.22 Servo electrical machinery control diagram

伺服单元控制框图，如图4.23

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Pn 109 Pn 202Pn10A前馈一次延时B微分 增益 A滤波器Pn 204 Pn 202 Pn 203Pn 102位置指令加减数常数 Pn 108Pn 108偏差偏差加算符电流环伺服电机 指令Pn 200.0 X1 脉冲 X2 PG信X3 号输出 BA偏差计数器 K0速度环MPn 203 分频 PG 编码器 图4.23伺服单元控制框图

Fig.4.23 The servo unit controls the block diagram

位置指令加减速常数

在伺服单元内部，输入一定频率的“指令脉冲”按照一定的加速度，润滑的执行加、减速，见表4.25。

表4.25 Pn204指令

Table 4.25 Pn204 Order

Pn204

位置指令加减速常数

单位 0.01ms

设定范围 0～00

出厂设定

0

位置控制

选Pn204=3200

在指令脉冲中，执行加减整。 在以下情况中防止电机做阶跃状运动 输出指令的上位装置未执行加减速时 指令脉冲频率低时

指令电子齿轮比较大时（10倍以上） 多回转数据扔，表4.26

表4.26 Pn203指令

Table 4.26 Pn203 Order

Pn205

多回转设定

单位reV

设定范围 0～65535

出厂设定 65535

速度，转矩控制位置控制

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东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

设定65535时，数据在[-32768～+32768]范围内变化 设定Pn205后，数据在[0～+Pn205]范围内变化 选Pn205=65535 因定常数Pn206 P/rev 513～65535 出厂设定16384

位置指令滤波器的选择。根据上位装置的脉冲输出部分的状态。来选择伺服装置内部的指令脉冲输入部分的滤波器，表4.27。

表4.27 Pn207指令

Table 4.27 Pn207 Order

Pn207 0 1

内容 加减速滤波器 平均移动

选Pn207=0

位置指令移动平均时间，表4.28

表4.28 Pn208指令

Table 4.28 Pn208 Order

Pn208

位置指令移动平均时间

单位0.01ms

设定范围 0～00

出厂设定

0

位置控制

选Pn208=00

4.4速度关系常数

设定电机的启动速度，运动中的第一速度，第二速度等参数。 速度指令转入增益，表4.29

表4.29 Pn300指令

Table 4.29 Pn300 Order

Pn300

速度指令输入增益

单位0.01V额定设定速度

设定范围 150～3000

速度控制

设定速度指令输入的电压范围，见图4.24

配合上位装置及外部回路的输出状态进行设定，选Pn300=200。

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东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

图4.24 设定速度指令输入的电压范围 指定速度

转矩设定成这样的倾斜位置

（r/mm）

指令电压（V）

Fig.4.24 Establish the voltage range that the pace order is input

内部设定速度选择

选择内部设定速度不是事先在用户常数中设定了三种运转速度，从外部按点输入选择其中之一进行运行，如图4.25。

图4.25 伺服电机速度控制

Fig.4.25 The pace of the servo electrical machinery is controlled 按点输入

速度1 速度2 速度3

伺服电机

伺服单元 按内部设定的速度运行电机

选择内部速度时，设定电机旋转速度，设定了电机的最大速度以上的值，则按最大速度旋转，见表4.29。

表4.30 Pn301，Pn302，Pn303指令 Table 4.30 Pn301，Pn302，Pn303 Order

Pn301 Pn302 Pn303

第一速度 第二速度 第三速度

单位 m1m-1 单位 m1m- 单位 m1m- 设定范围 0～10000 设定范围 0～10000 设定范围 0～10000 出厂设定 100 出厂设定 200 出厂设定 300

速度控制 速度控制 速度控制

操作盘操纵速度，表4.31

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表4.31 Pn304指令 Table 4.31 Pn304 Order

Pn304

作业速度

CJOG 单位 m1m-1 设定范围0～10000出厂设定500 速度，转矩控制位置控制

转起动及转起动时间，表4.32

转起动，在伺服内部，按照一定的加速度缓慢呈阶梯状输入时，能够使电机执行起动，如图4.26。

表4.32 Pn305，Pn306指令 Table 4.32 Pn305，Pn306 Order

Pn305 Pn306

转起动时间 （加速时间） 转起动时间 （减速时间） 单位 ms 单位 ms 设定范围 0～1000 设定范围 0～1000 出厂设定

0 出厂设定

0

速度控制速度控制

Pn306设定该时间

图4.26 Pn305，Pn306设定的时间 Fig.4.26 Pn305，Pn306 Time to set for

表4.33 Pn307，Pn308指令

最高速度 伺服单元 内部速度指令 最高旋转速度 速度指令

转起动 Pn305设定该时间 Table 4.33 Pn307，Pn308 Order

Pn307 Pn308

速度指令滤波器常数 速度F/B滤波器常数

单位 0.01ms 单位 0.01ms

设定范围 0～65535 设定范围 0～65535

出厂设定 40 出厂设定

0

实际选择 10 实际选择

0

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4.5转矩关系常数

设定电机转距控制时电机所旋转速度的极限值。

表4.34 Pn400 指令 Table 4.34 Pn400 Order

Pn400 转矩指令增益

单位 0.1V/额定转矩 设定范围 10～100 出厂设定

30 速度,转矩控制

位置控制

设定转矩指令输入[T-REF](CN1-9)的电压范围，校验并设定上位装置及外部回路的输出状态。如图4.27，表4.32。

指令转矩 额定转矩

指令电压（V）

设定此指令电压

图4.27 指定电压

Fig. 4.27 Appointed voltage

表4.35 Pn401指令

Table 4.35 Pn401 Order

Pn401

转矩指令滤波器常数

单位 0.01ms

设定范围 0～65535

出厂设定 100

速度,转矩控制

位置控制

当认为是由于伺服驱动而引起的机械系统振动时,调整Pn401来减小振动，见表4.35。

转矩极限

设定使用转矩控制时电机旋转速度的值，防止机械速度超速时使用，见表4.35，表4.36。

表4.36 Pn402，Pn403指令

Table 4.36 Pn402，Pn403 Order

Pn402 Pn403

正转转矩极限 反转转矩极限

单位

% 单位 %

设定范围0～800 设定范围0～800

出厂设定 800 出厂设定 800

速度,转矩控制

位置控制 速度,转矩控制

位置控制

选Pn402=800 Pn403=0

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表4.37 Pn404，Pn405指令

Table 4.37 Pn404，Pn405 Order

Pn404 Pn405

正转侧外部转矩极限 反转侧外部转矩极限

单位 % 单位 0

设定范围0～800 设定范围0～800

出厂设定800 出厂设定

800

速度,转矩控制位置控制 速度,转矩控制位置控制

选Pn404=100 Pn405=100 非常停止转矩，见表4.38。

表4.38 Pn4.06指令

Table 4.38 Pn406 Order

Pn406

非常停止转矩

单位 %

设定范围

0～800

出厂设定 800

Pn0.001.1=1时有效

转矩控制时的速度极限，表4.39，图4.28。

表4.39 Pn407指令

Table 4.39 Pn407 Order

Pn407

转矩控制速度极限 单位m1m-1

设定范围 0～10000

出厂设定 10000

速度,转矩控制

转矩控制 的范围

转矩

图4.28转矩控制时的速度极限

Fig.4.28 Speed limit when the torque is controlled

表4.40 Pn408，Pn409指令

转矩速度极限

转矩控制的范围

Table 4.40 Pn408，Pn409 Order

Pn408 Pn409

陷波滤波器机

能选择 陷波滤波器固波数

0 1 单位HZ

无此机能 有此机能 设定范围 50～2000

出厂设定

0 出厂设定 50

转矩,速度控制 位置控制 速度,转矩控制

选Pn408.0=1 Pn409=2000

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4.6顺序关系常数

设定定位置完成的幅度，电机运转时输出制动指令时速度水平，瞬时停电的保持时间等。

表4.41 Pn500指令 Table 4.41 Pn500 Order

Pn500

定位置完成的幅度

单位指令单位

设定范围 0～250

出厂设定 7

位置控制

输入位置命令的脉冲结束后，电机定位完毕，设定输出结束信号（/CO1N）的时间点。

定完值，是偏差脉冲的脉冲数，用指令单位设定（用电子齿轮已定义的输入脉冲的单位），见表4.39。

值过髟低速移动时，偏差小[/COIN]连续输出。 这个定位置完了幅度的设定，不影响最终的定位精度。 选Pn500=14

表4.42 Pn501指令

Table 4.42 Pn501 Order

Pn501 零夹紧装置等数

单位min-1

设定范围

0～1000

出厂设定

10

位置控制

在选择带“零夹紧装置”速度控制时，设定进入“零夹紧装置”运转时的速度，见表4.41。如该速度在电机的最大速度以上时，实际速度仍是最大速度。“零夹紧装置”的动作条件。以下条件全具备进入“零夹紧装置”动作。

选择带“零夹紧装置”速度控制（用户常数Pn000.1-A） 将[/P-CON]（CN1-41）置为ON状态（即OV） 电机速度指令值Pn501设定值以下场合，见表4.43。

表4.43 Pn502，Pn503指令

Table4.43 Pn502，Pn503 Order

Pn502 回转检出等级 Pn503 速度一致信号输出幅

单位

min-1 单位min-1

设定范围 0～1000 设定范围 0～100

出厂设定

20 出厂设定

10

速度，转矩控制

位置控制 速度控制

设置速度一致信号[/V-CMP]的输出条件范围速度指令和实际电机旋转速度的差，见图4.29，比设定值低时，输出[/V-CMP]信号。

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东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

电机机旋转 速度 指令速度 在这个范围内输出 [V-CMP]

Pn503

图4.29 [V-CMP]输出范围

Fig.4.29 [V-CMP] Output the range

表4.44 Pn504指令

Table 4.44 Pn504 Order

Pn504 NEAR信号幅度

单位

指令单位

设定范围 0～250

出厂设定

7

位置控制

NEAR信号，见表4.44，通常设定比定位置完了的幅度大，见图4.30。

图4.30 NEAR信号

Fig.4.30 NEAR Signal

设定检查偏差脉冲溢出报警的偏差脉冲电平，见表4.45。

表4.45 Pn505指令

Table 4.45 Pn505 Order

Pn505

溢出

单位205指令单位

设定范围 0～32767

出厂设定

1024

位置控制

只能上范围设定位置的增益（Pn505）的机械在高速运转时会出现溢出报警，图4.31。

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东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

+

偏差脉冲

Pn505 0 -

图4.31 溢出报警

Fig.4.32 Overflow and call the police of the state

表4.46 Pn506指令

Table 4.46 Pn506 Order

Pn506

从制动器指令到伺服关

的延迟时间

单位 10ms

设定范围

0～50

出厂设定

0

速度，转矩控制位置控制

设定使用输出信号BK进行制动控制的及伺服闭的时间点，这时由于机械构成制动器特性或于机械重力而使机械有微少量移动时，使用这个用户常数，由于伺服关动作后，使机械能够不移动。

该值设定的是在电机停止状态的时间点，见图4.32。

伺服ON/OFF动作

（电机通电状态）

延迟时间

图4.32 电机停止状态的时间点

Fig.4.32 The electrical machinery stops the time point /BK输出） /S-ON输入 （CN1-40）

伺服ON 伺服OFF 释放 制动器制动 电机通电 电机断电 电机旋转时的制动动作在Pn507、Pn508中设定，表4.47。

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东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

表4.47 Pn507，Pn508指令

Table 4.47 Pn507,Pn508 Order

Pn507 电机运转时输出制

动指令时速度水平

Pn508 电机运转时输出制

动指令时间点

单位min-1 单位 10MS

设定范围 0～10000 设定范围 10～1000

出厂设定

100 出厂设定

50

速度，转矩控制

位置控制 速度，转矩控制

位置控制

使用带制动器的伺服电机时，在电机运转中，根据输入信号/S-ON（CN1-40）的变化，或由于报警而使伺服关断的情况下，设定伺服电机的制动动作的延迟时间点，因为伺服电机的制动器是为了保持状态而设计的，所以有必要设定从电机停止到制动器动作的延迟时间点。请在观察机械动作的同时，调整该用户常数。经过这段延迟时间后电机的旋转速度不会影响制动动作了，再将/BK信号输出，图4.33。

/S-ON输入或

有报警发生

伺服ON 伺服OFF

PB停止或自由停止（Pn001.0）

电机旋转速度

/BK输出 制动器 释 放

图4.33 制动器时间设定 Fig.4.33 Brake time establishes

表4.48Pn509指令

Table 4.48 Pn509 Order

Pn509

瞬时停电时的保持时间

单位 msec

设定范围 10～1000

出厂设定 20

速度，转矩控制

位置控制

在瞬间停电时，设定瞬时停电的保持时间，停电时间在此时间内可保持系统运转。如图4.34。

– –

东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

瞬间停电发生 电源电压 t OFF 时间 1、Pn509的设定值＞t OFF

2、Pn509的设定值＜t OFF1、情况

伺服ON 2、情况

伺服ON 伺服OFF 图3.34 瞬间停电的情况框图

Fig.3.34 Lose electrical power block diagram of

the situation in the twinkling of an eye

表4.49 Pn50A，Pn50B，Pn50C，PN50D，Pn50E，Pn50F,Pn511,Pn512指令

Table 4.49 Pn50A，Pn50B，Pn50C，PN50D，Pn50E，Pn50F,Pn511,Pn512 Order Pn50A Pn50B Pn50C Pn50D Pn50E Pn50F Pn510 Pn511 Pn512

输入信号选择1 输入信号选择2 输入信号选择3 输入信号选择4 输出信号选择1 输出信号选择2 输出信号选择3 固定常数 输出信号反转设定

出厂设定 2100 出厂设定 63 出厂设定 8888 出厂设定 8888 出厂设定 3211 出厂设定 0000 出厂设定 0000 出厂设定 8888 出厂设定 0000

速度，转矩控制

位置控制 速度，转矩控制

位置控制 速度，转矩控制

位置控制 速度，转矩控制

位置控制 速度，转矩控制

位置控制 速度，转矩控制

位置控制 速度，转矩控制

位置控制

速度，转矩控制

位置控制

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东北大学硕士学位论文 第四章 控制部分软件参数设置及论述

4.7本章小结

伺服控制系统的软件参数的设置十分复杂。而参数的设置也决定了伺服电机的运动是否符合加工的要求，比如位置是否正确，会不会对上轴承造成损伤，运动速度是否符合加工产量的要求，电机受力是否正常等等。在参数设置方面考虑到参数的影响，慎重的选择每一个参数的值，以满足加工的要求。通过设计改造，使机械手定位精度大大提高，已经超过了原有水平，使运行更加稳定安全。同时因为减少了故障率，也就大大降低了维修成本，达到了设计的目的。

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东北大学硕士学位论文 第五章 结论

第五章 结 论

随着空调行业的不断发展，对压缩机的需求量也不断增加，伴随而来的却是压缩机生产线上机床的不断老化，生产能力逐渐的下降，机床的故障率不断上升，维修的次数和时间也不断增加，已不能满足当前的生产要求。本文所做的改造针对的就是这样的情况。

对内圆磨床的机械手控制系统的改造具有很强的实际意义。正常使用方面，它和原有系统的功能是完全一样的，机械手不会有多余的动作，也没有因为改造而造成任何比以前更加繁琐的操作。但它在保养、维修和调整方面却比原有系统有着很大的优势。

（1）改造后的伺服电机比以前体积更小、精度也更高、更先进，故障率有很大降低，而且拆卸和安装都很方便、简单。原有系统的定位精度为0.14o，而改造后的系统的定位精度能达到0.04o。

（2）改进后的伺服系统则是功能更为强大，它运用了很先进的安川的伺服放大器，及可以和电脑直接连接同步传输的程序控制盒。

（3）在体积来说，改变很大，由原来需要出一个小型电控柜来安装的伺服放大器和程序控制盒，改变为可以在主电控柜内就能进行安装。极大的节省了空间，降低了能源消耗，提升运行效率。

（4）在程序调整方面，因原有系统的调整需要外接一个操作盒，同时因设计原因操作盒每次只能看到并更改一个参数，使得调整起来又繁琐又费时，而且极易出错，查找起来很麻烦，所以摒弃了原有的系统。新的系统可以和电脑直接进行连接，可以在电脑上直观的看到机械手加工程序的梯型图，及机械手的各项坐标参数。使机械手的各项调整更为方便快捷，节省了调整维修的时间。

（5）在经济效益方面，原有机械手的控制系统在日本已经停止生产，若请日本人帮助改造，报价为五十万人民币，但是我们自己的改造费用只用了六万元，为企业节省了四十四万元，而且缩短了改造的时间，也为今后的技术改造奠定了一定的基础。提高了企业的竞争力。

在工厂，减少机床的故障率，减少调整维修的停机时间实际就相当于减少成本、增加利润。改造的机械手控制系统已在实际工作中应用，并取得了良好的效果。

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东北大学硕士学位论文 致 谢

致 谢

本课题是在老师悉心的关怀与指导下完成的。在这里表示衷心地感谢。老师认真负责的工作态度、严谨的治学风格，使我深受启发；设计的同时，不断的学习也使我获益匪浅。我基本学会对机械手改造的方法同时更重要的是学到了老师兢兢业业，奋发向上的精神，这种精神是我今后人生前进道路上的一种力量。所以我再次感谢老师对我的帮助。

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