1  引言
机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工作或操纵工具的自动化装置。而可编程逻辑控制器(PLC)由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改、易于扩展和维护、环境要求低、体积小巧、安装测试方便等性能在工业控制中有着广泛的应用。根据我们所设计的机械手的驱动部件为步进电机驱动器的特点，我们采用了日本OMRON公司生产的位置控制单元模块NC111，用来产生脉冲和方向电平，来控制机械手的运行。

2  四自由度机械手的结构及运动
四自由度机械手为圆柱坐标型，可实现X轴伸缩、Z轴升降、底盘、腕回转功能。驱动全部采用步进电机控制，夹爪采用气动方式控制。机械手主要完成从3台辊道输送带到立体仓库出货台之间的货物传递。
(1) 四自由度机械手主要性能指标
X轴:最大移动距离420mm
Z轴:最大移动距离420mm
底盘回转:最小控制转角0.09°，最大回转角小于等于300°

图1   四自由度机械手限位开关示意图

图1为四自由度机械手的限位开关示意图，其中SQ1~SQ7为限位开关。其作用是保护运行时不会因为过限而造成机械上的损坏。
(2) 运动流程根据实际需要而定，如上升嘧笮朽逆时针旋转嘧ナ肿ソ羿下降嘤倚朽顺时针旋转嘧ナ址潘舌返回，还可以有其他工作流程。

3  机械手的工作原理
机械手的伸缩、升降、转盘、抓手的运动是由步进电机驱动器来控制的，型号为SH-2H057。其步进电机驱动器的输入脉冲和电平信号是由PLC上的NC111模块来提供的。其电路原理图如图2所示。

图2   机械手工作的电路原理图

(1) 步进电机驱动器
本驱动器的输入信号共有3路，分别是:步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE。它们在驱动器内部分别通过270Ω的限流电阻接入负输入端，且电路形式完全相同。OPTO端为3路信号的公共正端(3路光耦的正端输入)，3路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC是+5V则可以直接接入;如果VCC不是+5V则需外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流。
a)  步进脉冲信号CP
步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说,驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角，改变CP脉冲的频率,能改变步进电机的转速，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位。这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的，本驱动器的CP信号为低电平有效，要求CP信号的驱动电流为8-15mA，对CP的脉冲宽度也有一定的要求，一般不小于5μS，如图3所示。
b) 方向信号DIR
方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此信号为高电平时，电机正转;为低电平时，电机反转。电机要转向，必须在电机停止以后进行，如图4所示。

图3   CP的脉冲宽度以及高低电平方式

图4   方向信号DIR

c) 脱机电平信号FREE
当驱动器上电以后，步进电机处于锁定状态(未施加CP脉冲时)或运行状态(施加CP脉冲时)，可以用FREE信号,手动调整电机而不关闭驱动器。
(2) NC111模块的工作原理
C200-NC111是C200PC用于位置控制的智能单元。它可以为步进电机驱动器或伺服电机驱动器输出脉冲，以控制运动部件的位置和速度。
a) 性能指标
l 每个单元可以控制一个轴;
l 输出控制脉冲:-8388607~+8388606;
l 脉冲速率:1~99990个/s;
l 脉冲速率得变化:控制系统可实现阶梯式自动加减速,加速度为每毫秒1~999每秒脉冲;
l 原点搜索:可监测原点或原点信号;也可进行原点补偿0~9999个脉冲;也可高速或接近现有速度搜索原点;
l 间隙补偿:0~9999个脉冲;
l 手动操作:可高速点动，低速点动和微动;
l 多点定位:可一次定位20点，以15种速度变化;
b) 系统配置
图5为NC111的结构框图。
位控单元有自己的微处理器和存储器，还有脉冲发生器和I/O接口。位控单元既可以被PC主CPU单元控制，也可以直接由控制台的外部输入信号控制。一方面它通过总路线及接口电路与C200HPC相连，与主CPU频繁交换信息;另一方面又通过I/O连接器接收外部开关量输入及输出脉冲。位控单元根据PC发出的控制指令和接收到的

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图5   NC111的结构框图

外部输入信号，由自身的CPU执行具体的定位算法，并依执行的结果控制脉冲发生器输出脉冲数及频率。位控单元减轻了主CPU的负担，它最终还是作为C200HPC的一个智能接口单元，占用相应的I/O地址。NC111插入C200HPC的底板槽中，通过一条40芯插头与外部I/O连接。NC111接收外部的操作按钮、限位开关的信号，输出脉冲信号，用户通过PC向NC111设置参数及发出命令，NC111即可自动根据现场的检测信号和PC的命令来调整控制输出，达到准确定位。

4  机械手流程图及NC111模块的数据区设置
4.1 启动后机械手的流程
(1) 首先进行机械手的伸缩、升降、转盘和抓手的重启动和原点搜索;
(2) 机械手的伸缩臂向前，同时转盘顺时针旋转，一直分别运行到NC111模块positioning action #0中设置的输出脉冲个数时停止;
(3) 机械手下降，一直到下降到NC111模块positioning action #0中设置的输出脉冲个数时停止;
(4) 抓手电磁闸启动，抓手抓紧，抓起货物A;
(5) 机械手的升降进行原点搜索;
(6) 机械手的伸缩臂向后，同时转盘逆时针旋转，一直分别运行到NC111模块positioning action #1中设置的输出脉冲个数时停止;
(7) 机械手下降，一直到下降到NC111模块positioning action #1中设置的输出脉冲个数时停止;
(8) 抓手电磁闸再次启动，抓手放松，货物A放下;
(9) 再次对机械手的升降进行原点搜索;
(10) 机械手的伸缩臂、转盘进行原点搜索，全部复位。
图6是完成用机械手把货物从辊道上运到堆垛机货台上的一个流程。其它流程与其大体相似，只是在脉冲个数上的设置有所不同。本程序已经投入使用，一切工作正常。

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图6   机械手流程图

4.2 NC111模块在DM区的数据设置
NC111模块在DM区的数据设置如图7所示。

图7   NC111模块在DM区的数据设置

5  结束语
本文以武汉大学物流控制系统实验装置为例，介绍了日本ＯＭＲＯＮ公司生产的NC111位置控制单元模块在机械手步进控制中的设计应用。说明了机械手的动作原理、设计要求、程序设计方法。本文介绍的程序已在实际生产中获得了成功的应用。