1 引言
機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預(yù)定的程序軌跡及其它要求，實現(xiàn)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(huán)境要求低、體積小巧、安裝測試方便等性能在工業(yè)控制中有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)我們所設(shè)計的機械手的驅(qū)動部件為步進電機驅(qū)動器的特點，我們采用了日本OMRON公司生產(chǎn)的位置控制單元模塊NC111，用來產(chǎn)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(jié)構(gòu)及運動
四自由度機械手為圓柱坐標型，可實現(xiàn)X軸伸縮、Z軸升降、底盤、腕回轉(zhuǎn)功能。驅(qū)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(zhuǎn):最小控制轉(zhuǎn)角0.09°，最大回轉(zhuǎn)角小于等于300°
圖1 四自由度機械手限位開關(guān)示意圖
圖1為四自由度機械手的限位開關(guān)示意圖，其中SQ1~SQ7為限位開關(guān)。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(jù)實際需要而定，如上升嘧笮朽逆時針旋轉(zhuǎn)嘧ナ腫ソ羿下降嚶倚朽順時針旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤、抓手的運動是由步進電機驅(qū)動器來控制的，型號為SH-2H057。其步進電機驅(qū)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(qū)動器
本驅(qū)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(qū)動器內(nèi)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(qū)動器內(nèi)部接成共陽方式，所以O(shè)PTO端須接外部系統(tǒng)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(qū)動器內(nèi)部光耦提供8-15mA的驅(qū)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(qū)動器每接受一個CP脈沖就驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角，改變CP脈沖的頻率,能改變步進電機的轉(zhuǎn)速，控制CP脈沖的個數(shù)，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(diào)速和定位的目的，本驅(qū)動器的CP信號為低電平有效，要求CP信號的驅(qū)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(zhuǎn)方向。此信號為高電平時，電機正轉(zhuǎn);為低電平時，電機反轉(zhuǎn)。電機要轉(zhuǎn)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(qū)動器上電以后，步進電機處于鎖定狀態(tài)(未施加CP脈沖時)或運行狀態(tài)(施加CP脈沖時)，可以用FREE信號,手動調(diào)整電機而不關(guān)閉驅(qū)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(qū)動器或伺服電機驅(qū)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(tǒng)可實現(xiàn)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(jiān)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(xiàn)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(tǒng)配置
圖5為NC111的結(jié)構(gòu)框圖。
位控單元有自己的微處理器和存儲器，還有脈沖發(fā)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(guān)量輸入及輸出脈沖。位控單元根據(jù)PC發(fā)出的控制指令和接收到的
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圖5 NC111的結(jié)構(gòu)框圖
外部輸入信號，由自身的CPU執(zhí)行具體的定位算法，并依執(zhí)行的結(jié)果控制脈沖發(fā)生器輸出脈沖數(shù)及頻率。位控單元減輕了主CPU的負擔(dān)，它最終還是作為C200HPC的一個智能接口單元，占用相應(yīng)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(guān)的信號，輸出脈沖信號，用戶通過PC向NC111設(shè)置參數(shù)及發(fā)出命令，NC111即可自動根據(jù)現(xiàn)場的檢測信號和PC的命令來調(diào)整控制輸出，達到準確定位。
4 機械手流程圖及NC111模塊的數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)，一直分別運行到NC111模塊positioning action #0中設(shè)置的輸出脈沖個數(shù)時停止;
(3) 機械手下降，一直到下降到NC111模塊positioning action #0中設(shè)置的輸出脈沖個數(shù)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(zhuǎn)盤逆時針旋轉(zhuǎn)，一直分別運行到NC111模塊positioning action #1中設(shè)置的輸出脈沖個數(shù)時停止;
(7) 機械手下降，一直到下降到NC111模塊positioning action #1中設(shè)置的輸出脈沖個數(shù)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(zhuǎn)盤進行原點搜索，全部復(fù)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(shù)上的設(shè)置有所不同。本程序已經(jīng)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(qū)的數(shù)據(jù)設(shè)置
NC111模塊在DM區(qū)的數(shù)據(jù)設(shè)置如圖7所示。
圖7 NC111模塊在DM區(qū)的數(shù)據(jù)設(shè)置
5 結(jié)束語
本文以武漢大學(xué)物流控制系統(tǒng)實驗裝置為例，介紹了日本ＯＭＲＯＮ公司生產(chǎn)的NC111位置控制單元模塊在機械手步進控制中的設(shè)計應(yīng)用。說明了機械手的動作原理、設(shè)計要求、程序設(shè)計方法。本文介紹的程序已在實際生產(chǎn)中獲得了成功的應(yīng)用。