靳亮 劉瑞國 武超 崔曉璇 吳利曉

【摘要】現(xiàn)在越來越多的高等院校開始注重實驗教學(xué)，想把普通的機(jī)械手控制設(shè)備用于《PLC原理與應(yīng)用》和《運(yùn)動控制系統(tǒng)》等課程的實驗教學(xué)工作，因此本設(shè)計主要面向大學(xué)本、?？齐姎夤こ膛c自動化類專業(yè)開展基礎(chǔ)理論與創(chuàng)新實驗教學(xué)模型，利用LOGO！0BA7控制器作為核心控制部件，實現(xiàn)火炮模型的運(yùn)動控制的演示，用來完成被控對象的建模與經(jīng)典PID控制算法的教學(xué)與實驗，并可輕松擴(kuò)展用于創(chuàng)新型實驗。

【關(guān)鍵詞】實驗教學(xué);PLC;PID;運(yùn)動控制

引言

我國高等院校逐步開展創(chuàng)新實驗室建設(shè)，各高校多以工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的工業(yè)機(jī)械人作為教學(xué)和實驗器材，但由于存在著一系列的問題，難以適應(yīng)教學(xué)和實驗的需求，由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各廠家生產(chǎn)的機(jī)器人彼此獨(dú)立，控制和操作復(fù)雜，缺乏通用性。而且控制器和軟件出于各種目的不對用戶開放，僅提供有限的外部接口和庫函數(shù)，而且操作不太方便，極大地影響了教學(xué)效果，更不適合二次開發(fā)，學(xué)生參與動手能力差。目前普遍的教學(xué)類機(jī)器人不論機(jī)械、電氣都是集成一體設(shè)計，學(xué)生只能觀看和簡單操作，無法對機(jī)器人本體和電控系統(tǒng)拆裝，無法深入了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理。使得開展相關(guān)教學(xué)和培訓(xùn)單位對購買此類機(jī)器人設(shè)備變得越來越慎重，造成有教學(xué)、無實驗，重理論、輕實踐的局面，違背了建設(shè)創(chuàng)新型實驗的初衷。

本設(shè)計想把普通的機(jī)械手控制設(shè)備用于《自動控制原理》、《運(yùn)動控制系統(tǒng)》和《PLC原理與應(yīng)用》等課程的實驗教學(xué)工作，設(shè)計開發(fā)模塊化、低成本、開放化，體現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人基本理論和技術(shù)，面向以理論教學(xué)、操作實踐為目的的模塊化工業(yè)型教學(xué)機(jī)器人（機(jī)械手）。

1.設(shè)計功能介紹

本設(shè)計主要通過文本顯示器+LOGO！0BA7控制器+伺服驅(qū)動器+伺服電機(jī)+機(jī)械結(jié)構(gòu)等設(shè)備的有效連接，實現(xiàn)了具有2個自由度轉(zhuǎn)動的機(jī)械火炮模型，足以達(dá)到高校本科電氣類專業(yè)實驗教學(xué)。本設(shè)計是一個優(yōu)良的被控對象，可以直接用于高等院校實驗教學(xué)工作，主要用來完成被控對象的建模與經(jīng)典控制算法的研究與教學(xué)工作，可以讓學(xué)生們更好的了解使用LOGO！控制器、文本顯示器、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)的原理結(jié)構(gòu)與控制過程;如果在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上外加具有2個自由度的夾持設(shè)備，可完成機(jī)械手的4自由度控制操作，也可以用來搬運(yùn)小型貨。設(shè)備購買成本較低，實驗室一次可引入多臺組成一組的實驗設(shè)備，對于本科階段的實驗教學(xué)任務(wù)完成與創(chuàng)新實驗室建設(shè)將起到錦上添花的效果。本設(shè)計具有優(yōu)質(zhì)的人機(jī)對話功能，LOGO！0BA7控制器通過標(biāo)準(zhǔn)的sub-D型電纜與文本顯示器（LOGO！ TD）的通訊接口進(jìn)行連接，信號傳輸穩(wěn)定可靠。普通高校在完成實驗教學(xué)任務(wù)時，可以通過文本顯示器對LOGO！控制器進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)定，使火炮模型產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。在實驗教學(xué)的過程中，可利用游戲操作搖桿作為控制器的輸入量，通過伺服電機(jī)對火炮模型進(jìn)行精確控制。通過激光頭與目標(biāo)靶位配合完成射擊，目標(biāo)靶子為黑色物體，激光頭對準(zhǔn)靶位時有返回信號，否則無返回信號。利用LOGO！0BA7控制器完成射擊的計分工作，并及時的將分?jǐn)?shù)顯示在文本顯示器上。當(dāng)火炮模型發(fā)生水平、垂直擺動或者擊中目標(biāo)靶位后，控制器發(fā)出信號給語音芯片，控制揚(yáng)聲器發(fā)出相對應(yīng)的聲音，能給學(xué)生帶來較為逼真的游戲體驗，提高對實驗的興趣。

2.外形設(shè)計

“教學(xué)火炮”主要由操作桿、控制箱、火炮模型組成，如圖1所示。該產(chǎn)品的核心組件是LOGO！0BA7為主控制器與伺服單元連接，完成控制。該模塊由LOGO！0BA7控制器發(fā)送開關(guān)信號給伺服驅(qū)動器，通過伺服驅(qū)動器對伺服電機(jī)的進(jìn)行控制。同時，伺服電機(jī)上安裝有伺服電機(jī)編碼器，用來測量磁極位置和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速，把測量信號反饋給伺服控制器，實現(xiàn)對伺服電機(jī)的高精度的控制。火炮中共使用兩個伺服驅(qū)動器驅(qū)動兩個伺服電機(jī)，從而實現(xiàn)機(jī)械模型的水平，垂直運(yùn)動，可用于運(yùn)動控制的教學(xué)，還可以在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上外加激光頭和游戲操作搖桿，可以在枯燥的實驗教學(xué)中增加性。

圖1 火炮組成示意圖

3.工作原理介紹

如圖2所示，教學(xué)火炮主要由安裝座、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)M1、轉(zhuǎn)臺，伺服電機(jī)M2、機(jī)械臂和激光頭組成。安裝座與地面用螺栓連接，是機(jī)械模型穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。伺服電機(jī)M1和水平旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成水平位移機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)M1驅(qū)動，可以實現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)M2和垂直位移驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成垂直位移機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)M2驅(qū)動，可以實現(xiàn)機(jī)械臂的上下運(yùn)動。由LOGO！0BA7控制器發(fā)出信號給伺服驅(qū)動器，通過伺服驅(qū)動器控制伺服電機(jī)M1、伺服電機(jī)M2實現(xiàn)上下左右的運(yùn)動。

圖2 教學(xué)火炮模型結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)開始使用，打開“啟動”開關(guān)，電機(jī)開閘。

（1）模式選擇為：教學(xué)模式

（a）如果左或右限位傳感器有信號，伺服電機(jī)M1轉(zhuǎn)動方向發(fā)生改變，機(jī)械模型水平向左或右運(yùn)動。

（b）如果上或下限位傳感器有信號，伺服電機(jī)M2轉(zhuǎn)動方向發(fā)生變化，機(jī)械模型完成垂直向上或向下運(yùn)動。

這樣可以完成由控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)組成的運(yùn)動控制系統(tǒng)的教學(xué)實驗，用于自控原理、運(yùn)動控制和PLC控制與仿真等一些實驗教學(xué)工作。

在教學(xué)模式下，在擴(kuò)展模擬量模塊的條件下可以自動調(diào)整控制規(guī)律和參數(shù)。

（2）模式選擇為：娛樂模式

通過手動操作桿控制火炮模型轉(zhuǎn)動，尋找到目標(biāo)時，通過操作桿按鈕模擬發(fā)射火炮，激光探頭發(fā)出激光，控制器檢測激光返回信號，控制器根據(jù)操作桿信號和激光頭返回信號控制語音芯片和擴(kuò)音器發(fā)出相應(yīng)的聲音。

4.工作流程

教學(xué)火炮工作過程流程包括以下步驟：

步驟1：火炮模型處于原始位置。

步驟2：火炮模型啟動，開始工作，M1電機(jī)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺逆時針轉(zhuǎn)動，M2電機(jī)轉(zhuǎn)，火炮模型同時向上擺動。

步驟3：由轉(zhuǎn)臺的激光頭檢測水平位置到位后，轉(zhuǎn)臺停止轉(zhuǎn)動，火炮炮口的激光探頭檢測目標(biāo)，如果檢測到目標(biāo)，發(fā)送信號給控制器，如果沒有檢測到目標(biāo)，進(jìn)入步驟4。

步驟4：到達(dá)左限位開關(guān)后，由伺服電機(jī)M1反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺順時針轉(zhuǎn)動，由轉(zhuǎn)臺的激光頭檢測水平位置到位后，轉(zhuǎn)臺停止轉(zhuǎn)動，伺服電機(jī)M2反轉(zhuǎn)，機(jī)械手向下擺動。

步驟5：激光探頭檢測到目標(biāo)后，發(fā)送信號給控制器，控制器可輸出信號，擴(kuò)音器發(fā)出聲音。

5.設(shè)計說明

如圖3所示，LOGO！0BA7控制器通過標(biāo)準(zhǔn)的sub-D型電纜與文本顯示器（LOGO！ TD）的通訊接口進(jìn)行連接，實現(xiàn)人機(jī)對話。LOGO！0BA7控制器通過擴(kuò)展模塊DM16 24R接收操作桿的6個開關(guān)量信號，實現(xiàn)操作指令的接收，LOGO！0BA7通過擴(kuò)展模塊DM16 24R三個輸出信號控制語音模塊發(fā)出3種模擬聲音，實現(xiàn)游戲體驗效果。LOGO！0BA7通過激光頭的連接實現(xiàn)模擬開火與目標(biāo)擊中檢測。LOGO！AM2 AQ模塊適用于教學(xué)模式下的自動速度給定輸出，通過調(diào)整控制規(guī)律和控制參數(shù)實現(xiàn)火炮的自動控制。LOGO！0BA7控制器通過標(biāo)準(zhǔn)電纜與伺服驅(qū)動器連接，實現(xiàn)兩種速度控制和正反轉(zhuǎn)、限位、使能信號的控制。伺服驅(qū)動器與伺服電機(jī)用電纜連接，伺服電機(jī)編碼器直接固定在伺服電機(jī)的一端，檢測伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角實時反饋到伺服驅(qū)動器上。LOGO！0BA7控制器、伺服電機(jī)采用220V交流供電，另需安裝一個電源轉(zhuǎn)換模塊（220V AC輸入/24V DC輸出）給伺服驅(qū)動器、伺服編碼器、操作桿、語音模塊、揚(yáng)聲器提供24V直流供電。

圖3 主控器連接示意圖

6.總結(jié)

教學(xué)火炮可以完成實驗教學(xué)，也可以在控制箱上安裝游戲手柄，在機(jī)械模型的頂端炮口位置安裝激光頭，用來檢測目標(biāo)，實現(xiàn)教學(xué)化?？捎糜凇蹲詣涌刂圃怼?、《運(yùn)動控制系統(tǒng)》和《PLC原理與應(yīng)用》等課程的實驗教學(xué)工作，使學(xué)生深入了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理，完成對PLC工作原理的學(xué)習(xí)，實現(xiàn)火炮模型的運(yùn)動控制的演示，以及完成被控對象的建模與經(jīng)典PID控制算法的教學(xué)與實驗，使得學(xué)生學(xué)習(xí)理論與實踐相結(jié)合，提高學(xué)習(xí)的興趣，并可輕松擴(kuò)展用于創(chuàng)新型實驗，使學(xué)生更好的完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]張有良，荀向敏.碼垛機(jī)械手的設(shè)計和電氣控制[J].包裝與食品機(jī)械，2007，25（5）：23-25.

[2]蔣少茵.PLC控制的機(jī)械手[J].微計算機(jī)信息，2002，22（25）：59-61.

作者簡介：靳亮（1990—），男，山東萊蕪人，山東科技大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向：自動檢測監(jiān)控與系統(tǒng)集成。