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摘要：工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。PLC控制机械手体积小且可以在现场修改和调试程序，达到对生产要求的随时改变；因此应用PLC控制机械手可以实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。
关键词：可編程控制器 机械手 步进电机 精确定位
机械手顾名思义他能够实现人类手的部分功能，可以按设计的目的要求实现相关的动作，比如抓取物料，搬运东西等一些简单的动作。这种自动化装置可以代替生产车间里面繁重的人力劳动以及代替工人在一些高危环境，高危行业里面进行作业。工业机械手是近年来发展起来的高科技设备，它涉及机械，力学，自动控制，传感器，计算机等领域，是一个跨学科的综合性技术。由于机械手在工业部门的强大作用，必然为国民经济领域带来广泛的发展空间。为此对工业机械手的研究显得很有必要。
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。构成机械手传动及控制的主要部件是：步进电机及其驱动器，PLC，直流电机驱动及其他部分。现将主要部分主要功能介绍如下。
1 步进电机
步进电动机是将数字信号转换成机械运动的执行元件；是一种常用的动力驱动设备。
步进电机的工作原理：
在A相的A(+)、A(-)分别接+5V电源和-5V电源，在B相的B(+)、B(-)分别表示接+5V电源和-5V电源。当A相与B相按图1-1-1所示顺序通以正负5V电源时，步进电机的定子磁极部分将会在磁极以及相邻磁极之间按顺序感应出一对旋转的磁极与转子的永磁铁相对应，从而通过转矩拉动转子产生步进运行。这样，通过通电次序的改变达到改变步进电机的运行拍数、运转方向和运转速度。假定步进电动机正转运行的通电次序为顺时针，则典型的两相八拍步(两相八拍通电规律如图1-1-2)进电动机正转的通电状态的变化规律是：A(+)→A(+)B(-)→B(-)→B(-)A(-)→A(-)→A(-)B(+)→B(+)→A(+)B(+)→A(+)
2 可编程控制器
可编程控制器（简称PLC）：它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
本设计采用晶体管输出型S7-200 CPU224 CN可编程控制器，可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器，控制步进电机运行，它具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的命令，可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
3 PLC控制器与步进电机驱动器连接的工作原理
PLC控制步进电机驱动系统原理框图如下图3-1-1所示：
图中脉冲信号发生电路用以产生步进脉冲信号，其频率按步进电机进给速度的要求设计，步进量采用步进脉冲计数法进行控制，具体做法就是PLC的调整脉冲输入端和调整脉冲计数器对进给脉冲计数，按脉冲的个数控制进给量。采用硬件脉冲信号发生电路，工作频率较高，可在数控装置中作多轴插补控制，亦可方便地用于各种机械装置的驱动。
PLC控制器与步进电机驱动器工作原理如图3-1-2所示：驱动器电源由面板上电源模块提供，注意正负极性，驱动器信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻。驱动器输入端为低电平有效。
4 工业机械手PLC控制系统的控制要求
控制要求：实现把放在A地的物块拿到B地。并实现对机械手各动作的顺序控制。机械手传送工件系统示意图，如图4-1-1所示。
以机械手复位点为原点O（0，0，0），建立坐标系，单位为mm，如图4-1-2所示。A地的坐标是(80，50，0)，B地的坐标为(80，50，30)。根据控制要求，逻辑流程可以分为15个部分。系统启动时，程序运行复位，各映象寄存器清0，气夹、基座、X轴、Y轴复位。各部位复位完成后，延时2秒。当有工件放在工作台A上时，启动条件允许，则机械手横轴开始前伸80mm。当前伸到位时，停止前伸，机械手气夹旋转，旋转到位后，手张开(Q1.0=0)。然后机械手竖轴下降，下降50mm时，停止下降。
这时手开始夹紧工件（Q1.0=0），同时启动延时0.5s(可以取T40)。待T40时间到，竖轴开始上升50mm，上升到位时，停止上升。机械手横轴开始缩回80mm，当到后位时，停止缩回。这时基座开始旋转，并产生一个Vpp为24V的方波信号，每旋转3°编码器发出一个脉冲，用于机械手的定位控制。旋转到位后，横轴开始前伸80mm，当前伸到位后，停止前伸。手开始旋转。旋转到位后，竖轴开始下降50mm，当下降到低位时，停止下降。机械手在低位时开始松开工件，同时启动延时0.5s定时器(T40) 。待延时时间到，竖轴又开始上升。并通过程序，实现机械手软件复位。机械手等待工作台A再一次有物块时，进行下一周期操作。
根据机械手的控制要求，可以总结出基本的程序流程如图4-1-3所示：
5 关键问题解决
5.1 横轴、竖轴的定位控制
通过高速脉冲输出指令PTO，产生脉冲串，来控制步进电机。通过设定控制字、周期、脉冲数，可以实现横轴和竖轴的定位控制。本设计中，取周期为500微秒，频率为2000Hz。细分倍数设定为8，也就是说1600步数/圈，步距角为0.225Ｏ。螺距为5mm，传动速比约为1。根据控制要求，横轴移动80mm，竖轴移动50mm。在PLC 对步进电机的控制中，必须计算出如下三个参数:
根据这三个参数，才能计算出脉冲控制数据。
要实现基座定位的精确控制，需要首先构建闭环控制系统模型，并对基座定位系统的执行机构进行输出监控。在使用PLC作为主控单元的控制系统中，可以利用PLC 的高速计数功能读取和电机同步的光电码盘发出的高速脉冲信号，并对之进行计数，根据预定脉冲数和实际脉冲数的情况，具有高速脉冲输出功能的PLC，可向步进电机发出应脉冲，从而实现电机的闭环控制。PLC的高速计数模块在加减计数器中，可进行多个设定值区域的多段设定，进行计数时，计数值和设定值比较，在允许中断的状态下，当设定值和计数值一致时，则中断当前处理转去执行中断程序，中断程序执行完，则返回被中断处继续往下执行。
本设计中，基座每旋转3°，码盘发出一个脉冲。根据控制要求，基座旋转60°，所以可以用加计数器C1，进行计数，当计到20个时，基座停止旋转。
5.2 机械手各动作的顺序控制
S7-200中设置了256个顺序控制继电器（SCR），通过顺序控制指令来编制顺序控制程序。
编制顺序控制程序的步骤：①编制每一个顺序控制程序时，首先应启动相关的特殊标志位和状态位。在同一程序中，各程序的状态位不能相同。②每一个顺序控制程序都是以LSCR开始，启动状态位。以SCRT进行状态转换，结束前一个程序步，启动后一个程序步，则以SCRE结束。③在程序开始，使输出位置位。本设计采用状态继电器编程。状态继电器是专门为顺序控制设计提供的，在编制顺序控制程序时应与步进指令一起使用。要使用状态继电器编程必须把握两个关键词，即状态和转移条件。所谓状态就是每一状态应完成相应的动作；转移条件即是从上一个状态转移到下一个状态，所应满足的条件。这里所说的状态即是: 从原位开始，前伸、下降、夹紧、上升、缩回、旋转、前伸、下降、放松、上升、复位；这里所谓的转移条件即是: 前伸、缩回、上升、下降到位和夹紧、放松延时时间。先使各标志位和状态位都清零，再采用M0.1-M0.7，M1.0-M1.7，M2.0-M2.5，M3.0-M3.3等25个中间继电器，使机械手按控制流程图顺序动作。程序结束时，使输出位复位。
以上几个关键问题解决后，程序输入PLC，经过多次调试和修改，直至机械手按要求动作。到此，就达到了机械手控制系统的设计要求。
6 结束语
本文介绍了工业机械手的主要部分、机械手控制流程以及控制过程中应解决的主要问题。PLC控制器与步进电机驱动器连接工作可实现机械手的定位精准，最终可实现机械手在空间中的准确定位并抓放物体。本系可以根据机械手的不同作业要求，编程设计不一样的程序来实现预期的动作结果；很大程度上方便了用户企业使用者的调试。综上研究结果，本系统功能灵活，可实现动作多样，调试方便，定位快速，并可以根据用户相关控制需要调整参数，实现人机智能化。
关键词：可編程控制器 机械手 步进电机 精确定位
机械手顾名思义他能够实现人类手的部分功能，可以按设计的目的要求实现相关的动作，比如抓取物料，搬运东西等一些简单的动作。这种自动化装置可以代替生产车间里面繁重的人力劳动以及代替工人在一些高危环境，高危行业里面进行作业。工业机械手是近年来发展起来的高科技设备，它涉及机械，力学，自动控制，传感器，计算机等领域，是一个跨学科的综合性技术。由于机械手在工业部门的强大作用，必然为国民经济领域带来广泛的发展空间。为此对工业机械手的研究显得很有必要。
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。构成机械手传动及控制的主要部件是：步进电机及其驱动器，PLC，直流电机驱动及其他部分。现将主要部分主要功能介绍如下。
1 步进电机
步进电动机是将数字信号转换成机械运动的执行元件；是一种常用的动力驱动设备。
步进电机的工作原理：
在A相的A(+)、A(-)分别接+5V电源和-5V电源，在B相的B(+)、B(-)分别表示接+5V电源和-5V电源。当A相与B相按图1-1-1所示顺序通以正负5V电源时，步进电机的定子磁极部分将会在磁极以及相邻磁极之间按顺序感应出一对旋转的磁极与转子的永磁铁相对应，从而通过转矩拉动转子产生步进运行。这样，通过通电次序的改变达到改变步进电机的运行拍数、运转方向和运转速度。假定步进电动机正转运行的通电次序为顺时针，则典型的两相八拍步(两相八拍通电规律如图1-1-2)进电动机正转的通电状态的变化规律是：A(+)→A(+)B(-)→B(-)→B(-)A(-)→A(-)→A(-)B(+)→B(+)→A(+)B(+)→A(+)
2 可编程控制器
可编程控制器（简称PLC）：它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
本设计采用晶体管输出型S7-200 CPU224 CN可编程控制器，可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器，控制步进电机运行，它具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的命令，可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
3 PLC控制器与步进电机驱动器连接的工作原理
PLC控制步进电机驱动系统原理框图如下图3-1-1所示：
图中脉冲信号发生电路用以产生步进脉冲信号，其频率按步进电机进给速度的要求设计，步进量采用步进脉冲计数法进行控制，具体做法就是PLC的调整脉冲输入端和调整脉冲计数器对进给脉冲计数，按脉冲的个数控制进给量。采用硬件脉冲信号发生电路，工作频率较高，可在数控装置中作多轴插补控制，亦可方便地用于各种机械装置的驱动。
PLC控制器与步进电机驱动器工作原理如图3-1-2所示：驱动器电源由面板上电源模块提供，注意正负极性，驱动器信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻。驱动器输入端为低电平有效。
4 工业机械手PLC控制系统的控制要求
控制要求：实现把放在A地的物块拿到B地。并实现对机械手各动作的顺序控制。机械手传送工件系统示意图，如图4-1-1所示。
以机械手复位点为原点O（0，0，0），建立坐标系，单位为mm，如图4-1-2所示。A地的坐标是(80，50，0)，B地的坐标为(80，50，30)。根据控制要求，逻辑流程可以分为15个部分。系统启动时，程序运行复位，各映象寄存器清0，气夹、基座、X轴、Y轴复位。各部位复位完成后，延时2秒。当有工件放在工作台A上时，启动条件允许，则机械手横轴开始前伸80mm。当前伸到位时，停止前伸，机械手气夹旋转，旋转到位后，手张开(Q1.0=0)。然后机械手竖轴下降，下降50mm时，停止下降。
这时手开始夹紧工件（Q1.0=0），同时启动延时0.5s(可以取T40)。待T40时间到，竖轴开始上升50mm，上升到位时，停止上升。机械手横轴开始缩回80mm，当到后位时，停止缩回。这时基座开始旋转，并产生一个Vpp为24V的方波信号，每旋转3°编码器发出一个脉冲，用于机械手的定位控制。旋转到位后，横轴开始前伸80mm，当前伸到位后，停止前伸。手开始旋转。旋转到位后，竖轴开始下降50mm，当下降到低位时，停止下降。机械手在低位时开始松开工件，同时启动延时0.5s定时器(T40) 。待延时时间到，竖轴又开始上升。并通过程序，实现机械手软件复位。机械手等待工作台A再一次有物块时，进行下一周期操作。
根据机械手的控制要求，可以总结出基本的程序流程如图4-1-3所示：
5 关键问题解决
5.1 横轴、竖轴的定位控制
通过高速脉冲输出指令PTO，产生脉冲串，来控制步进电机。通过设定控制字、周期、脉冲数，可以实现横轴和竖轴的定位控制。本设计中，取周期为500微秒，频率为2000Hz。细分倍数设定为8，也就是说1600步数/圈，步距角为0.225Ｏ。螺距为5mm，传动速比约为1。根据控制要求，横轴移动80mm，竖轴移动50mm。在PLC 对步进电机的控制中，必须计算出如下三个参数:
根据这三个参数，才能计算出脉冲控制数据。
要实现基座定位的精确控制，需要首先构建闭环控制系统模型，并对基座定位系统的执行机构进行输出监控。在使用PLC作为主控单元的控制系统中，可以利用PLC 的高速计数功能读取和电机同步的光电码盘发出的高速脉冲信号，并对之进行计数，根据预定脉冲数和实际脉冲数的情况，具有高速脉冲输出功能的PLC，可向步进电机发出应脉冲，从而实现电机的闭环控制。PLC的高速计数模块在加减计数器中，可进行多个设定值区域的多段设定，进行计数时，计数值和设定值比较，在允许中断的状态下，当设定值和计数值一致时，则中断当前处理转去执行中断程序，中断程序执行完，则返回被中断处继续往下执行。
本设计中，基座每旋转3°，码盘发出一个脉冲。根据控制要求，基座旋转60°，所以可以用加计数器C1，进行计数，当计到20个时，基座停止旋转。
5.2 机械手各动作的顺序控制
S7-200中设置了256个顺序控制继电器（SCR），通过顺序控制指令来编制顺序控制程序。
编制顺序控制程序的步骤：①编制每一个顺序控制程序时，首先应启动相关的特殊标志位和状态位。在同一程序中，各程序的状态位不能相同。②每一个顺序控制程序都是以LSCR开始，启动状态位。以SCRT进行状态转换，结束前一个程序步，启动后一个程序步，则以SCRE结束。③在程序开始，使输出位置位。本设计采用状态继电器编程。状态继电器是专门为顺序控制设计提供的，在编制顺序控制程序时应与步进指令一起使用。要使用状态继电器编程必须把握两个关键词，即状态和转移条件。所谓状态就是每一状态应完成相应的动作；转移条件即是从上一个状态转移到下一个状态，所应满足的条件。这里所说的状态即是: 从原位开始，前伸、下降、夹紧、上升、缩回、旋转、前伸、下降、放松、上升、复位；这里所谓的转移条件即是: 前伸、缩回、上升、下降到位和夹紧、放松延时时间。先使各标志位和状态位都清零，再采用M0.1-M0.7，M1.0-M1.7，M2.0-M2.5，M3.0-M3.3等25个中间继电器，使机械手按控制流程图顺序动作。程序结束时，使输出位复位。
以上几个关键问题解决后，程序输入PLC，经过多次调试和修改，直至机械手按要求动作。到此，就达到了机械手控制系统的设计要求。
6 结束语
本文介绍了工业机械手的主要部分、机械手控制流程以及控制过程中应解决的主要问题。PLC控制器与步进电机驱动器连接工作可实现机械手的定位精准，最终可实现机械手在空间中的准确定位并抓放物体。本系可以根据机械手的不同作业要求，编程设计不一样的程序来实现预期的动作结果；很大程度上方便了用户企业使用者的调试。综上研究结果，本系统功能灵活，可实现动作多样，调试方便，定位快速，并可以根据用户相关控制需要调整参数，实现人机智能化。