1 引言
機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預定的程序軌跡及其它要求，實現抓取、搬運工作或操縱工具的自動化裝置。而可編程邏輯控制器(PLC)由于其具有的高可靠性、編程方便、易于使用和修改、易于擴展和維護、環境要求低、體積小巧、安裝測試方便等性能在工業控制中有著廣泛的應用。根據我們所設計的機械手的驅動部件為步進電機驅動器的特點，我們采用了日本OMRON公司生產的位置控制單元模塊NC111，用來產生脈沖和方向電平，來控制機械手的運行。
2 四自由度機械手的結構及運動
四自由度機械手為圓柱坐標型，可實現X軸伸縮、Z軸升降、底盤、腕回轉功能。驅動全部采用步進電機控制，夾爪采用氣動方式控制。機械手主要完成從3臺輥道輸送帶到立體倉庫出貨臺之間的貨物傳遞。
(1) 四自由度機械手主要性能指標
X軸:最大移動距離420mm
Z軸:最大移動距離420mm
底盤回轉:最小控制轉角0.09°，最大回轉角小于等于300°
圖1 四自由度機械手限位開關示意圖
圖1為四自由度機械手的限位開關示意圖，其中SQ1~SQ7為限位開關。其作用是保護運行時不會因為過限而造成機械上的損壞。
(2) 運動流程根據實際需要而定，如上升嘧笮朽逆時針旋轉嘧ナ腫ソ羿下降嚶倚朽順時針旋轉嘧ナ址潘舌返回，還可以有其他工作流程。
3 機械手的工作原理
機械手的伸縮、升降、轉盤、抓手的運動是由步進電機驅動器來控制的，型號為SH-2H057。其步進電機驅動器的輸入脈沖和電平信號是由PLC上的NC111模塊來提供的。其電路原理圖如圖2所示。
圖2 機械手工作的電路原理圖
(1) 步進電機驅動器
本驅動器的輸入信號共有3路，分別是:步進脈沖信號CP、方向電平信號DIR、脫機信號FREE。它們在驅動器內部分別通過270Ω的限流電阻接入負輸入端，且電路形式完全相同。OPTO端為3路信號的公共正端(3路光耦的正端輸入)，3路輸入信號在驅動器內部接成共陽方式，所以OPTO端須接外部系統的VCC，如果VCC是+5V則可以直接接入;如果VCC不是+5V則需外部另加限流電阻R，保證給驅動器內部光耦提供8-15mA的驅動電流。
a) 步進脈沖信號CP
步進脈沖信號CP用于控制步進電機的位置和速度，也就是說,驅動器每接受一個CP脈沖就驅動步進電機旋轉一個步距角，改變CP脈沖的頻率,能改變步進電機的轉速，控制CP脈沖的個數，則可以使步進電機精確定位。這樣就可以很方便的達到步進電機調速和定位的目的，本驅動器的CP信號為低電平有效，要求CP信號的驅動電流為8-15mA，對CP的脈沖寬度也有一定的要求，一般不小于5μS，如圖3所示。
b) 方向信號DIR
方向電平信號DIR用于控制步進電機的旋轉方向。此信號為高電平時，電機正轉;為低電平時，電機反轉。電機要轉向，必須在電機停止以后進行，如圖4所示。
圖3 CP的脈沖寬度以及高低電平方式
圖4 方向信號DIR
c) 脫機電平信號FREE
當驅動器上電以后，步進電機處于鎖定狀態(未施加CP脈沖時)或運行狀態(施加CP脈沖時)，可以用FREE信號,手動調整電機而不關閉驅動器。
(2) NC111模塊的工作原理
C200-NC111是C200PC用于位置控制的智能單元。它可以為步進電機驅動器或伺服電機驅動器輸出脈沖，以控制運動部件的位置和速度。
a) 性能指標
l 每個單元可以控制一個軸;
l 輸出控制脈沖:-8388607~+8388606;
l 脈沖速率:1~99990個/s;
l 脈沖速率得變化:控制系統可實現階梯式自動加減速,加速度為每毫秒1~999每秒脈沖;
l 原點搜索:可監測原點或原點信號;也可進行原點補償0~9999個脈沖;也可高速或接近現有速度搜索原點;
l 間隙補償:0~9999個脈沖;
l 手動操作:可高速點動，低速點動和微動;
l 多點定位:可一次定位20點，以15種速度變化;
b) 系統配置
圖5為NC111的結構框圖。
位控單元有自己的微處理器和存儲器，還有脈沖發生器和I/O接口。位控單元既可以被PC主CPU單元控制，也可以直接由控制臺的外部輸入信號控制。一方面它通過總路線及接口電路與C200HPC相連，與主CPU頻繁交換信息;另一方面又通過I/O連接器接收外部開關量輸入及輸出脈沖。位控單元根據PC發出的控制指令和接收到的
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圖5 NC111的結構框圖
外部輸入信號，由自身的CPU執行具體的定位算法，并依執行的結果控制脈沖發生器輸出脈沖數及頻率。位控單元減輕了主CPU的負擔，它最終還是作為C200HPC的一個智能接口單元，占用相應的I/O地址。NC111插入C200HPC的底板槽中，通過一條40芯插頭與外部I/O連接。NC111接收外部的操作按鈕、限位開關的信號，輸出脈沖信號，用戶通過PC向NC111設置參數及發出命令，NC111即可自動根據現場的檢測信號和PC的命令來調整控制輸出，達到準確定位。
4 機械手流程圖及NC111模塊的數據區設置
4.1 啟動后機械手的流程
(1) 首先進行機械手的伸縮、升降、轉盤和抓手的重啟動和原點搜索;
(2) 機械手的伸縮臂向前，同時轉盤順時針旋轉，一直分別運行到NC111模塊positioning action #0中設置的輸出脈沖個數時停止;
(3) 機械手下降，一直到下降到NC111模塊positioning action #0中設置的輸出脈沖個數時停止;
(4) 抓手電磁閘啟動，抓手抓緊，抓起貨物A;
(5) 機械手的升降進行原點搜索;
(6) 機械手的伸縮臂向后，同時轉盤逆時針旋轉，一直分別運行到NC111模塊positioning action #1中設置的輸出脈沖個數時停止;
(7) 機械手下降，一直到下降到NC111模塊positioning action #1中設置的輸出脈沖個數時停止;
(8) 抓手電磁閘再次啟動，抓手放松，貨物A放下;
(9) 再次對機械手的升降進行原點搜索;
(10) 機械手的伸縮臂、轉盤進行原點搜索，全部復位。
圖6是完成用機械手把貨物從輥道上運到堆垛機貨臺上的一個流程。其它流程與其大體相似，只是在脈沖個數上的設置有所不同。本程序已經投入使用，一切工作正常。
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圖6 機械手流程圖
4.2 NC111模塊在DM區的數據設置
NC111模塊在DM區的數據設置如圖7所示。
圖7 NC111模塊在DM區的數據設置
5 結束語
本文以武漢大學物流控制系統實驗裝置為例，介紹了日本ＯＭＲＯＮ公司生產的NC111位置控制單元模塊在機械手步進控制中的設計應用。說明了機械手的動作原理、設計要求、程序設計方法。本文介紹的程序已在實際生產中獲得了成功的應用。