5 安装与调试
5.1安装调试过程
5.1.1 立体存储单元结构与功能分析
立体存储单元用于接收前一单元送来的工件，按照预定的工件信息而自动运送至相应指定的仓位口，并将工件推入立体仓库完成工件的存储功能。在该典型的自动化生产线中，立体存储单元作为最后一单元，模拟工业自动化生产过程中物件的分类存储功能，如图5-1所示为立体存储单元的整体结构。立体存储单元主要由直线驱动模块、工件推料装置、立体仓库、I/O转接端口模块、电气控制板、操作面板、CP阀岛及气源处理装置等部件组成。
图5-1 立体存储单元
直线驱动模块主要由步进电机及驱动器、滚珠丝杠机构和直线导向杆等部件组成，用于将步进电机的旋转运动转换成滚珠丝杠螺母移动块的直线往复运动，如图5-2左图所示。立体存储单元中具有X轴方向和Y轴方向的两套直线驱动模块，它们相互呈90°垂直安装于铝合金工作台面上，共同构成一个 X-Y平面运动系统，如图5-2右图所示。在该两套直线驱动模块装置上均设有一个工作零点，安装有电感式接近开关进行零点位置检测，用于系统位置校正和参考点设置。同时，在丝杠机构的运动极限位置处均安装有运动行程保护开关，用来防止丝杠螺母移动块过量而产生机械性损坏。
图5-2 直线驱动模块
工件推出装置由一个双作用直线气缸、推块和一个接收工件的工作平台（推块导槽）组成。整体安装固定在Y轴丝杠螺母移动块的侧面上随着其在X-Y平面移动，主要功能是将放置在推块导槽的工件，通过直线气缸推动推块将工件推进对应存储
13
库位内，如图5-3所示。同样，为了保证推出装置的准确动作，其上安装有磁性开关进行限位检测。
图5-3 工件推出装置 图5-4 立体仓库
立体仓库是一个由4行4列共16个方格组成的镂空存储铁架，每个方格之间距离分别为40 mm，用于分类存放不同的工件。立体仓库垂直安装在直线驱动模块X-Y运动平面的一侧，用于接收工件推料装置送出的工件，如图5-4所示。
立体存储单元上除了具有以上介绍的组成模块外，同样也配备有电磁阀、I/O转接端口模块、电气控制板以及操作面板等组件，他们的结构和功能都和搬运单元上的一样，在此不再详述。
5.1.2 立体存储单元机械及气动元件安装与调整
立体存储单元的X-Y轴运动部分通过步进电机驱动运行，在Z轴直线气缸工作配合下完成整个立体存储运行过程。下面进行具体的机械及气动元件安装与调整步骤介绍。立体存储单元详细的机械及气动元件安装过程可观看教材附带光盘中视频文件。
1、在标准导轨上依次安装I/O转接端口模块、步进电机驱动器、电磁阀。然后将导轨用螺钉固定到铝合金面板下方位置上，在面板的右上角安装气源处理装置。
2、独立进行X轴方向上的直线驱动模块安装，如图5-5（a）图所示。首先在丝杠上依次装入丝杠固定机端、轴承、丝杠轴套，使丝杠固定块机端不动，将丝杠旋出；其次在丝杠旋出端安装上联轴器，再套入步进电动机固定块，电动机输出转轴配合安装到联轴器另一端，并用螺钉将电动机固定块连接紧固到步进电动机上；再将丝杠固定机端退回到紧贴电动机固定块位置，用螺杆将固定机端与电动机固定块锁紧连接，将丝杆驱动导向杆两端分别安装在丝杠两端固定块机端上，在丝杆固定块上用紧固螺钉锁紧；最后，在两端丝杠固定块下分别安装对称的丝杠垫块用螺钉锁紧。特别需要注意，丝杠和导向杆在安装到固定块机端时，要随时检测丝杠是否保持转动运行流畅。
3、当独立安装好X轴向直线驱动模块后，在铝合金台面的中间偏下的位置上，借助两端的丝杠垫块用螺杆和T型螺母将其水平安装到工作台面上，如图5-5（b）图所示。安装时尽量保证丝杠的螺母滑动块行程范围左右对称。
4、Y轴方向上驱动装置独立安装方式与X轴方向的驱动装置是相同的，但它不需要安装丝杠垫块。将直线气缸安装到推料导槽上，工件推块安装到直线气缸的活塞杆上，用螺钉锁紧工件推料导槽安装到导槽底板上，最后将其整体安装定位到Y轴丝杠装置的螺母滑动块的侧面上，如图5-5（c）图所示。然后将Y轴方向上驱动装置垂直定位到X轴方向驱动装置的螺母滑动块上，Y轴丝杠的下固定机端与X轴丝杠的螺母滑动块之间通过螺钉锁紧连接一体。对于X、Y轴驱动装置进行配合安装时，必须保证二者的垂直度，且必须锁紧。
14
5、根据X、Y轴方向驱动装置的位置，在面板上相对位置安装立体仓库，以立体仓库安装的位置不与驱动装置X-Y平面运动发生干涉为宜，如图5-5（d）所示。但要注意，必须保证立体仓库所有的仓位位于工件推料装置能达到的范围之内。
6、根据各运动机构之间的运动空间要求，局部调整各模块的相对位置，保证各模块安装稳固，防止发生干涉，再进行加固处理。最后，在单元设备上相应安装上气缸节流阀、磁感应式接近开关、电感式接近开关及行程保护开关等。
（a） （b）
（c） （d）
图5-5 立体存储单元的安装示意图
5.1.3 立体存储单元气动回路分析、安装与调试
如图5-6所示为立体存储单元气动控制回路原理图。在本原理图中只有一个控制直线气缸活塞杆伸出气动控制回路。
图5-6 立体存储单元气动控制回路原理图 图5-7 立体存储单元气动控制回路安装连接图
15
根据图5-6立体存储单元气动控制回路原理图，结合气路回路的运行控制过程要求，绘制其相应的气路连接图，如图5-6所示。
立体存储单元的气动控制回路的运行分析、安装连接、调试方法及步骤与前面单元中介绍的一样。读者可以根据图5-6原理图和图5-7安装连接图，再参照前面单元的相关内容自己分步实施，完成本单元的气动控制回路安装与调试任务，保证其满足设备需要而正确可靠工作。
5.1.4 步进电动机的使用 步进电机运行受脉冲控制，其转子的角位移和转速严格与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，可以通过控制脉冲频率来控制电动机的转速，改变通电脉冲的顺序来控制步进电机的运动方向。因此，在计算机控制领域中步进电动机应用极为普遍。 立体存储单元直线驱动模块的X、Y轴运行采用Microtep 17HS101两相混合式步进电动机进行驱动，其步距角为1.8°，输出相电流为1.7A，驱动电压为DC 24V。该步进电动机的内部接线示意图和实物具体如图5-8所示。
图5-8 Microtep 17HS101步进电动机
由于步进电动机的控制指令是不能形成连续的旋转磁场，为了使步进电动机能够旋转并步进，就要形成连续旋转磁场，这必须依靠变换器即环形脉冲分配器来实现。环形分配器把来自加、减电路的一系列进给脉冲指令转换成控制步进电动机定子绕组通、断电的电平信号。电平信号状态的改变次数及顺序要与进给脉冲的个数和方向对应。由于环形分配器输出的信号仅仅是步进电机要产生期望角位移的数字逻辑控制信号，一般是TTL输出电平，只有mW数量级的功率，这样就需要经过功率放大后，再接到步进电动机相应的相上，才能带动步进电动机正常转动。大部分的步进电动机的控制都倾向采用硬件环形脉冲分配器，因此硬件环形脉冲分配器往往与功率放大器集成在一起，构成步进电动机的驱动装置。
立体存储单元中采用SH-2H040Ma来控制驱动Microtep 17HS101步进电动机运行。该步进电动机驱动器集硬件环形脉冲分配器与功率放大器于一起，为2/4相混合型步进电机驱动器，可以与之配套电机还有17HS001、17HS111和23HS2001等。驱动器实物如图3-89左图所示，在驱动器上有1个4位的拨位开关（DIP1～DIP4），通过DIP1和DIP2不同设置组合（00、01、10）分别选择对应工作步距角为0.9°、0.45°、0.225°。同时在驱动器上还有1个10位接口的接线端口接线排，分别用于与控制器和步进电动机进行连接。该步进电机驱动器工作电流输出为1.7A，工作电压为DC24V。
16
图5-9 SH-2H040Ma驱动器与步进电动机接线原理
如图5-9右图所示为步进电动机17HS101与其配套驱动器SH-2H040Ma的电气接线原理图。将步进电动机相应相的接线端子连接到步进电动机驱动器对应端子上即可。具体连接时，将步进电动机引出的接线红线、绿线、黄线、蓝线的接线分别对应连接到步进电动机驱动器的A、A负、B、B负连接端子上。图中CP+与CP-为脉冲信号，脉冲的数量、频率和步进电动机的位移、速度成正比例；DIR+和DIR-为方向信号，它的高低电平决定电动机的旋转方向。另外，驱动器的CP+、DIR+两端口引出接线上均串上一个2K的电阻，当驱动器与控制器PLC之间建立电气连接时，该电阻就会串联在CP+与CP-、DIR+和DIR-两个电气回路中进行回路电流的限流保护作用。同时驱动器要工作，其上需要连接上24V的直流工作电源。由此可以看出步进电动机接收控制器的低压低功耗控制信号，为步进电动机输出两相脉冲功率电源。
如前所述，驱动器的侧面上有一个4位DIP功能设定开关，可以用来设置选择本驱动器的工作方式和工作参数。DIP1、DIP1位置状态决定驱动器的细分步数，本步进电动机驱动器细分设置如表5-1所示。
表5-1 细分设置表
DIP 1 0 0 1 DIP2 0 1 0 （步/转） 400 800 1600 角度/步 0.9° 0.45° 0.225° 下面以该步进电动机控制直线驱动模块移动一个仓位间距40mm为例，给出了一种具体的测试操作步骤和控制实现方法。
1、按照图5-9完成步进电动机与驱动器之间的所有电气连接关系，同时将CP+串电阻后与PLC的Q0.0端口相连，DIR+串电阻后与PLC的Q0.2端口相连，而CP-、DIR-均与PLC输出端口公共端1M相连接。
2、设置步进电动机驱动器上拨码开关，使DIP1为0，DIP2为1，DIP3、DIP4为都1的状态，即每转的细分步数为800步/转，输出电流为1.7A。
3、根据运动距离和设置情况计算控制脉冲数量。本单元中滚珠丝杠的螺距为4mm,步进电动机每工作一转，螺母移动块运行4mm，而上步中驱动器细分选择为800步/转，因此每步移动块移动的距离为0.005mm。如果要移动一个仓位40mm的间距，需要的脉冲数为40/0.005=8000。
4、进行S7-200 PLC的脉冲输出及位置控制程序编写与下载，让PLC的Q0.0输出端口提供给步进电动机驱动器8000个脉冲信号即可。
17