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摘 要：本文介绍了如何利用PLC（可编程控制器）的自动控制和逻辑运算的优点改变PLC的程序及参数，通过对物料搬运机械手装置结构与功能的介绍，重点分析了基于PLC的机械手控制系统组成，以及PLC对步进电机和直流电机进行综合控制的软、硬件实现方法。
关键词：可编程控制器（PLC）；机械手；步进电机；直流电机
引言
PLC是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称，它是一种新型的通用自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，专门为工业控制而设计，具有功能强、通用灵活，可靠性高、环境适宜性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻等一系列优点。近年来，随着我国自动化技术的提高， PLC作为一个新兴的工业控制器，在多个方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。
一、机械手系统的设计
机械手是一种模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓、吸、搬运工件或工具进行操作的自动化装置。本系统的机械手部分由底盘、立杆、手臂、手组成。机械手移动到传送带B工件处夹紧工件，然后将工件移动到指定位置传送带A，接着放下工件，最后机械手回到初始位置（机械手的立杆最高，手臂最短，手最松）。其中底盘由一个直流电机驱动，该电机的正/反旋转控制底盘的顺时针/逆时针旋转；立杆由一个步进电机驱动，通过改变CP脉冲的频率来改变步进电机的速度，从而改变立杆的上升/下降的速度；手臂由另一个步进电机驱动，通过改变CP脉冲的频率来改变步进电机的速度，从而改变手臂的伸/缩速度；手由一个直流电机控制，该电机的顺时针/逆时针旋转控制手的抓紧/放松。在机械手的各个相应位置都有行程开关用于定位。
1. 机械手的单个工作流程
机械手移动到传送带B工件处——夹紧工件——将工件移动到指定位置传送带A——放下工件——机械手回到初始位置五个过程完成，机械手通过PLC来控制，可实现这五个过程全自动依次运行：
A） 机械手移动到工件B处：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传送带B）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制；
B） 工件移动到指定位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传送带A）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制；
C） 夹放工件：通过夹紧/放下直流电机的正转来控制，夹紧工件通过定时器来控制，即凭经验设定一个时间（本系统设为5S），在这个时间内机械手能完全夹紧工件；
D） 放下工件：通过夹紧/放下直流电机的反转来控制，通过松限开关来控制；
E） 机械手回到初始位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到初始位置处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制。
2. 机械手的操作方式
机械手的操作方式可分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。
1）手动：用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制，如：当选择上/下运动时，按下起动按钮，机械手上升，按下停止按钮，机械手下降；当选择左/右运动时，按下起动按钮，机械手左移，按下停止按钮，机械手右移；当选择夹紧/放松按钮时，按下起动按钮，机械手夹紧，按下停止按钮，机械手放松，该方式用于机械手系统的“回原位”操作本系统中，可用手动方式用于机械手的初始状态定位，用操作面板（图2）上的按钮（SB5，SB6，SB7，SB8，SB9，SB10）来点动执行相应的各动作；
2）单步：每按一次起动按钮SB3，机械手完成一步动作后，自动停止；
3）单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮SB3，机械手自动完成一个周期的动作后，返回原位（如果在动作过程中，按下停止按钮SB4，机械手停在该工序上，再按下起动按钮SB3，则又从该工序继续工作，最后停在原位），本系统采用单周期方式进行机械手的工艺过程（机械手移动到传送带B——夹紧工件——将工件移动到指定位置传送带A——放下工件——机械手回到初始位置）；
4）连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮SB3，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环，在工作中，若按一下停止按钮SB4，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。
3. 对直流电机的正/反转的控制
直流电机的正、反转控制也是生产线上常见的控制要求，实现起来也是比较简单的，只是在应用中要注意以下一些方面：
A. 在某些应用电路中，是不允许正、反转控制继电器同时得电闭合的，在这种控制方式中，单纯的依靠软件户所来保证正、反转控制继电器不要同时得电是不可靠的，这是因为PLC执行指令的速度很快，而外部的实际继电器由线圈得电到触电闭合，以及由线圈失电到触点断开均需要延迟一段时间。在这种情况下，电路中不仅要有软件互锁，而且要由硬件互锁。具体的如图3所示。
B. 在实际应用中，可以采用H桥驱动直流电机，实现正、反转控制。
图4所示的电路结构十分简单，广泛应用于小型低转动惯量直流电动机控制电路中。因为这种电路KM1或KM2单独闭合时，直流电动机可以正向旋转或者反向旋转；当KM1和KM2均闭合或者均不闭合，这时候直流电动机相当于电枢短接，可以将直流电动机很快的制动停止，此时制动电流与直流电动机的容量以及转动惯量有直接的关系，所以不适合大容量的直流电动机和大转动惯量的控制应用中。
4. 对步进电机的控制
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制微电机，其位移量严格正比于输入脉冲数，平均转速正比于输入脉冲的频率，同时，在其工作频率内，可以从一种运动状态稳定转换到一种运动状态。它是一种性能很良好的数字化执行元件，在数控系统的点、位控制中，可利用步进电机作为驱动电机，在开环控制中，步进电机由一定频率的脉冲控制，由PLC直接产生脉冲来控制步进电机，可以有效地简化系统的硬件电路，进一步提高可靠性，由于PLC是以循环扫描方式工作，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间，因此受到PLC工作方式的限制以及掃描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，而应该在低频下工作，脉冲信号频率选为十至几十赫兹左右。 步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在极低频下运行时，其转速必然很低，而为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角时，工作台移动的距离又不能太大，这两个因素合在一起，带来可一个突出的问题：定位时间太长，为了保证定位精度，脉冲信号当量不能太大，但却影响了定位速度。因此要解决好既能提高定位速度，同时又能保证定位精度的矛盾。步进电机和生产机械的连接有很多种，常见的一种时步进电机和丝杠杆连接，将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动。步进电机位置控制系统如图5所示。
PLC要和步进电机配合实现运动控制，还要在PLC内部进行一系列的设定，或者是编制一定的程序设计。另外，步进电机控制是要用高速脉冲控制的，所以PLC必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式，不可以使用继电器输出形式的PLC来控制步进电机。
二、机械手系统程序设计
1. 手动方式回原点
第一程序段应用于控制机械手的底盘的顺时针旋转运动，第二程序段应用于控制机械手的手臂的回缩运动，第三程序段应用于机械手的立杆的上升。下面以第一程序段为例进行解释：
第一程序段应用于机械手的底盘的顺时针旋转，即，当我们选择了“手动方式”时，按下“SB10”后，机械手的底盘开始顺时针旋转，当触及“X3”即原点限位开关或按下“停止”按钮或出现紧急情况即“X2”闭合，则机械手的底盘停止顺时针旋转。
2. 直流电机的运行
由于直流电机应用于底盘的顺时针/逆时针旋转和手的抓紧/放松，下面以底盤的顺时针旋转为例进行解释：
当机械手的“X10”（缩限位开关）、“X6”（上限位开关）、“X4”（目的限位开关）、“X11”（松限位开关）闭合时，底盘开始顺时针旋转，当底盘触及原点限位开关时即“X3”闭合时，底盘停止旋转。
3. 步进电机的可调速运行
由于步进电机应用于立杆的上升/下降和手臂的伸/缩，下面以立杆的可调速上升为例进行解释：
当杆开始上升时，速度比较快，接近上限位开关时，根据可调脉冲输出指令进行减速速度逐渐减慢。接到了输入端口，确认运动机构均可以正常运动，不会产生碰撞、卡死、打滑等现象。
杆开始上升时，我们设定[S1]为2000HZ，总输出脉冲位2000个，加减速时间为400ms，一段时间过后，使用比较指令“DCMP”，检验实际输出脉冲是否达到2000个脉冲，若已达到，则重新设定[S1]为500HZ，总输出脉冲为1000个，加减速时间为400ms，因为[S1]的大、小与决定了步进电机的快、慢，[S2]的大、小决定了步进电机运行的时间长短，以此类推，可以逐步控制杆进行减速以至达到“伸限位开关”。
三、系统调试
1. 硬件调试
首先在PLC处于编程状态下，检测各种按钮、开关、传感器，以确认这些信号能够正确地连接到了输入端口，确认运动机构均可以正常运动，不会产生碰撞、卡死、打滑等现象。
2. 软件调试
在运动控制系统中，因为涉及到运动控制的内容，所以在编程时，建议将可运动部件的运动速度不要设定得太高。在调试软件时，要充分利用特殊内部继电器和特殊数据寄存器，以及各种指令。例如R9010，R9011，CNDE指令，END指令等。调试程序是可以充分利用这些指令及继电器，使程序执行一段后停止，观察上一段程序的执行结果，这样做近似于计算机中的断点调试方法。在系统中有很多种功能，要本着先单一，后多种，先简单，后复杂的顺序来调试程序。系统中的功能可以先是实现一种，然后往上添加。比较复杂的功能控制，如运动中变换速度，可以先使系统以一定速度运动起来，运行过程正确无误后，再考虑加、减速的问题。
四、结束语
综上所述，PLC具有软件简单易学， 使用维护方便，运行稳定可靠，设计施工周期短等特点；PLC可进行模拟量控制，位置控制。PLC现已广泛用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的进程。在机械手系统中，采用PLC控制，将传统的继电器控制逻辑变为PLC的程序控制逻辑。PLC的内部继电器可代替所有用于逻辑控制的中间继电器，使噪音下降，使用设备寿命延长，体积减小。
参考文献
[1]陈立定，苏开才 《电气控制与可编程控制器》.广州：华南理工大学出版社， 2001
[2]廖常初 《PLC编程及应用》.北京：机械工业出版社，2003
[3]吕景泉 《可编程控制器技术教程》.北京：高等教育出版社， 2001
[4]台方 《可编程序控制器应用教程》.北京：中国水利水电出版社， 2001
关键词：可编程控制器（PLC）；机械手；步进电机；直流电机
引言
PLC是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称，它是一种新型的通用自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，专门为工业控制而设计，具有功能强、通用灵活，可靠性高、环境适宜性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻等一系列优点。近年来，随着我国自动化技术的提高， PLC作为一个新兴的工业控制器，在多个方面具有独特的优点，在各个领域获得了广泛应用。
一、机械手系统的设计
机械手是一种模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓、吸、搬运工件或工具进行操作的自动化装置。本系统的机械手部分由底盘、立杆、手臂、手组成。机械手移动到传送带B工件处夹紧工件，然后将工件移动到指定位置传送带A，接着放下工件，最后机械手回到初始位置（机械手的立杆最高，手臂最短，手最松）。其中底盘由一个直流电机驱动，该电机的正/反旋转控制底盘的顺时针/逆时针旋转；立杆由一个步进电机驱动，通过改变CP脉冲的频率来改变步进电机的速度，从而改变立杆的上升/下降的速度；手臂由另一个步进电机驱动，通过改变CP脉冲的频率来改变步进电机的速度，从而改变手臂的伸/缩速度；手由一个直流电机控制，该电机的顺时针/逆时针旋转控制手的抓紧/放松。在机械手的各个相应位置都有行程开关用于定位。
1. 机械手的单个工作流程
机械手移动到传送带B工件处——夹紧工件——将工件移动到指定位置传送带A——放下工件——机械手回到初始位置五个过程完成，机械手通过PLC来控制，可实现这五个过程全自动依次运行：
A） 机械手移动到工件B处：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传送带B）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制；
B） 工件移动到指定位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传送带A）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制；
C） 夹放工件：通过夹紧/放下直流电机的正转来控制，夹紧工件通过定时器来控制，即凭经验设定一个时间（本系统设为5S），在这个时间内机械手能完全夹紧工件；
D） 放下工件：通过夹紧/放下直流电机的反转来控制，通过松限开关来控制；
E） 机械手回到初始位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到初始位置处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制。
2. 机械手的操作方式
机械手的操作方式可分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。
1）手动：用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制，如：当选择上/下运动时，按下起动按钮，机械手上升，按下停止按钮，机械手下降；当选择左/右运动时，按下起动按钮，机械手左移，按下停止按钮，机械手右移；当选择夹紧/放松按钮时，按下起动按钮，机械手夹紧，按下停止按钮，机械手放松，该方式用于机械手系统的“回原位”操作本系统中，可用手动方式用于机械手的初始状态定位，用操作面板（图2）上的按钮（SB5，SB6，SB7，SB8，SB9，SB10）来点动执行相应的各动作；
2）单步：每按一次起动按钮SB3，机械手完成一步动作后，自动停止；
3）单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮SB3，机械手自动完成一个周期的动作后，返回原位（如果在动作过程中，按下停止按钮SB4，机械手停在该工序上，再按下起动按钮SB3，则又从该工序继续工作，最后停在原位），本系统采用单周期方式进行机械手的工艺过程（机械手移动到传送带B——夹紧工件——将工件移动到指定位置传送带A——放下工件——机械手回到初始位置）；
4）连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮SB3，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环，在工作中，若按一下停止按钮SB4，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。
3. 对直流电机的正/反转的控制
直流电机的正、反转控制也是生产线上常见的控制要求，实现起来也是比较简单的，只是在应用中要注意以下一些方面：
A. 在某些应用电路中，是不允许正、反转控制继电器同时得电闭合的，在这种控制方式中，单纯的依靠软件户所来保证正、反转控制继电器不要同时得电是不可靠的，这是因为PLC执行指令的速度很快，而外部的实际继电器由线圈得电到触电闭合，以及由线圈失电到触点断开均需要延迟一段时间。在这种情况下，电路中不仅要有软件互锁，而且要由硬件互锁。具体的如图3所示。
B. 在实际应用中，可以采用H桥驱动直流电机，实现正、反转控制。
图4所示的电路结构十分简单，广泛应用于小型低转动惯量直流电动机控制电路中。因为这种电路KM1或KM2单独闭合时，直流电动机可以正向旋转或者反向旋转；当KM1和KM2均闭合或者均不闭合，这时候直流电动机相当于电枢短接，可以将直流电动机很快的制动停止，此时制动电流与直流电动机的容量以及转动惯量有直接的关系，所以不适合大容量的直流电动机和大转动惯量的控制应用中。
4. 对步进电机的控制
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制微电机，其位移量严格正比于输入脉冲数，平均转速正比于输入脉冲的频率，同时，在其工作频率内，可以从一种运动状态稳定转换到一种运动状态。它是一种性能很良好的数字化执行元件，在数控系统的点、位控制中，可利用步进电机作为驱动电机，在开环控制中，步进电机由一定频率的脉冲控制，由PLC直接产生脉冲来控制步进电机，可以有效地简化系统的硬件电路，进一步提高可靠性，由于PLC是以循环扫描方式工作，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间，因此受到PLC工作方式的限制以及掃描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，而应该在低频下工作，脉冲信号频率选为十至几十赫兹左右。 步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在极低频下运行时，其转速必然很低，而为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角时，工作台移动的距离又不能太大，这两个因素合在一起，带来可一个突出的问题：定位时间太长，为了保证定位精度，脉冲信号当量不能太大，但却影响了定位速度。因此要解决好既能提高定位速度，同时又能保证定位精度的矛盾。步进电机和生产机械的连接有很多种，常见的一种时步进电机和丝杠杆连接，将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动。步进电机位置控制系统如图5所示。
PLC要和步进电机配合实现运动控制，还要在PLC内部进行一系列的设定，或者是编制一定的程序设计。另外，步进电机控制是要用高速脉冲控制的，所以PLC必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式，不可以使用继电器输出形式的PLC来控制步进电机。
二、机械手系统程序设计
1. 手动方式回原点
第一程序段应用于控制机械手的底盘的顺时针旋转运动，第二程序段应用于控制机械手的手臂的回缩运动，第三程序段应用于机械手的立杆的上升。下面以第一程序段为例进行解释：
第一程序段应用于机械手的底盘的顺时针旋转，即，当我们选择了“手动方式”时，按下“SB10”后，机械手的底盘开始顺时针旋转，当触及“X3”即原点限位开关或按下“停止”按钮或出现紧急情况即“X2”闭合，则机械手的底盘停止顺时针旋转。
2. 直流电机的运行
由于直流电机应用于底盘的顺时针/逆时针旋转和手的抓紧/放松，下面以底盤的顺时针旋转为例进行解释：
当机械手的“X10”（缩限位开关）、“X6”（上限位开关）、“X4”（目的限位开关）、“X11”（松限位开关）闭合时，底盘开始顺时针旋转，当底盘触及原点限位开关时即“X3”闭合时，底盘停止旋转。
3. 步进电机的可调速运行
由于步进电机应用于立杆的上升/下降和手臂的伸/缩，下面以立杆的可调速上升为例进行解释：
当杆开始上升时，速度比较快，接近上限位开关时，根据可调脉冲输出指令进行减速速度逐渐减慢。接到了输入端口，确认运动机构均可以正常运动，不会产生碰撞、卡死、打滑等现象。
杆开始上升时，我们设定[S1]为2000HZ，总输出脉冲位2000个，加减速时间为400ms，一段时间过后，使用比较指令“DCMP”，检验实际输出脉冲是否达到2000个脉冲，若已达到，则重新设定[S1]为500HZ，总输出脉冲为1000个，加减速时间为400ms，因为[S1]的大、小与决定了步进电机的快、慢，[S2]的大、小决定了步进电机运行的时间长短，以此类推，可以逐步控制杆进行减速以至达到“伸限位开关”。
三、系统调试
1. 硬件调试
首先在PLC处于编程状态下，检测各种按钮、开关、传感器，以确认这些信号能够正确地连接到了输入端口，确认运动机构均可以正常运动，不会产生碰撞、卡死、打滑等现象。
2. 软件调试
在运动控制系统中，因为涉及到运动控制的内容，所以在编程时，建议将可运动部件的运动速度不要设定得太高。在调试软件时，要充分利用特殊内部继电器和特殊数据寄存器，以及各种指令。例如R9010，R9011，CNDE指令，END指令等。调试程序是可以充分利用这些指令及继电器，使程序执行一段后停止，观察上一段程序的执行结果，这样做近似于计算机中的断点调试方法。在系统中有很多种功能，要本着先单一，后多种，先简单，后复杂的顺序来调试程序。系统中的功能可以先是实现一种，然后往上添加。比较复杂的功能控制，如运动中变换速度，可以先使系统以一定速度运动起来，运行过程正确无误后，再考虑加、减速的问题。
四、结束语
综上所述，PLC具有软件简单易学， 使用维护方便，运行稳定可靠，设计施工周期短等特点；PLC可进行模拟量控制，位置控制。PLC现已广泛用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的进程。在机械手系统中，采用PLC控制，将传统的继电器控制逻辑变为PLC的程序控制逻辑。PLC的内部继电器可代替所有用于逻辑控制的中间继电器，使噪音下降，使用设备寿命延长，体积减小。
参考文献
[1]陈立定，苏开才 《电气控制与可编程控制器》.广州：华南理工大学出版社， 2001
[2]廖常初 《PLC编程及应用》.北京：机械工业出版社，2003
[3]吕景泉 《可编程控制器技术教程》.北京：高等教育出版社， 2001
[4]台方 《可编程序控制器应用教程》.北京：中国水利水电出版社， 2001