1 引言
機械手是一種能模擬人手臂部分動作，按預定程序軌跡及其它要求，實現抓取、搬運工作或操縱工具自動化裝置。而可編程邏輯控制器(PLC)其具有高可靠性、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工業控制中有著廣泛應用。我們所設計機械手驅動部件為步進電機驅動器特點，我們采用了日本OMRON公司生產位置控制單元模塊NC111，用來產生脈沖和方向電平，來控制機械手運行。2 四自由度機械手結構及運動
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°
腕回轉:最小控制角0.9°，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過限而造成機械上損壞。
(2) 運動流程實際需要而定，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 機械手工作原理
機械手伸縮、升降、轉盤、抓手運動是由步進電機驅動器來控制，型號為SH-2H057。其步進電機驅動器輸入脈沖和電平信號是由PLC上NC111模塊來提供。其電路原理圖如圖2所示。

圖2 機械手工作電路原理圖
(1) 步進電機驅動器
本驅動器輸入信號共有3路，分別是:步進脈沖信號CP、方向電平信號DIR、脫機信號FREE。它們驅動器內部分別270Ω限流電阻接入負輸入端，且電路形式完全相同。OPTO端為3路信號公共正端(3路光耦正端輸入)，3路輸入信號驅動器內部接成共陽方式，OPTO端須接外部系統VCC，VCC是+5V則可以直接接入;VCC+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脈沖頻率,能改變步進電機轉速，控制CP脈沖個數，則可以使步進電機精確定位。這樣就可以很方便達到步進電機調速和定位目，本驅動器CP信號為低電平有效，要求CP信號驅動電流為8-15mA，對CP脈沖寬度也有一定要求，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，必須電機停止以后進行，如圖4所示。

圖3 CP脈沖寬度以及高低電平方式

圖4 方向信號DIRc) 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模塊工作原理
C200-NC111是C200PC用于位置控制智能單元。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結構框圖。
位控單元有自己微處理器和存儲器，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外部輸入信號控制。它總路線及接口電路與C200HPC相連，與主CPU頻繁交換信息;另又I/O連接器接收外部開關量輸入及輸出脈沖。位控單元PC發出控制指令和接收到

圖5 NC111結構框圖外部輸入信號，由自身CPU執行具體定位算法，并依執行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負擔，它最終作為C200HPC一個智能接口單元，占用相應I/O址。NC111插入C200HPC底板槽中，一條40芯插頭與外部I/O連接。NC111接收外部操作按鈕、限位開關信號，輸出脈沖信號，用戶PC向NC111設置參數及發出命令，NC111即可自動現場檢測信號和PC命令來調整控制輸出，達到準確定位。4 機械手流程圖及NC111模塊數據區設置
4.1 啟動后機械手流程
(1) 首先進行機械手伸縮、升降、轉盤和抓手重啟動和原點搜索;
(2) 機械手伸縮臂向前，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) 機械手升降進行原點搜索;
(6) 機械手伸縮臂向后，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) 再次對機械手升降進行原點搜索;
(10) 機械手伸縮臂、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一個流程。其它流程大體相似，脈沖個數上設置有所不同。本程序已經投入使用，一切工作正常。

圖6 機械手流程圖4.2 NC111模塊DM區數據設置
NC111模塊DM區數據設置如圖7所示。
圖7 NC111模塊DM區數據設置
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NC111位置控制單元模塊機械手步進控制中設計應用。說明了機械手動作原理、設計要求、程序設計方法。本文介紹程序已實際生產中獲了成功應用。