靳亮 劉瑞國(guó) 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(shí)驗(yàn)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(dòng)控制系統(tǒng)》等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，因此本設(shè)計(jì)主要面向大學(xué)本、?？齐姎夤こ膛c自動(dòng)化類專業(yè)開展基礎(chǔ)理論與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型，利用LOGO！0BA7控制器作為核心控制部件，實(shí)現(xiàn)火炮模型的運(yùn)動(dòng)控制的演示，用來完成被控對(duì)象的建模與經(jīng)典PID控制算法的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)，并可輕松擴(kuò)展用于創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)教學(xué);PLC;PID;運(yùn)動(dòng)控制

引言

我國(guó)高等院校逐步開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，各高校多以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的工業(yè)機(jī)械人作為教學(xué)和實(shí)驗(yàn)器材，但由于存在著一系列的問題，難以適應(yīng)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)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(duì)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(dòng)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(jì)，學(xué)生只能觀看和簡(jiǎn)單操作，無法對(duì)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(duì)購(gòu)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(shí)驗(yàn)，重理論、輕實(shí)踐的局面，違背了建設(shè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的初衷。

本設(shè)計(jì)想把普通的機(jī)械手控制設(shè)備用于《自動(dòng)控制原理》、《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》和《PLC原理與應(yīng)用》等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)功能介紹

本設(shè)計(jì)主要通過文本顯示器+LOGO！0BA7控制器+伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)+機(jī)械結(jié)構(gòu)等設(shè)備的有效連接，實(shí)現(xiàn)了具有2個(gè)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械火炮模型，足以達(dá)到高校本科電氣類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本設(shè)計(jì)是一個(gè)優(yōu)良的被控對(duì)象，可以直接用于高等院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，主要用來完成被控對(duì)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(dòng)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(gè)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(gòu)買成本較低，實(shí)驗(yàn)室一次可引入多臺(tái)組成一組的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)于本科階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)完成與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)將起到錦上添花的效果。本設(shè)計(jì)具有優(yōu)質(zhì)的人機(jī)對(duì)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(hào)傳輸穩(wěn)定可靠。普通高校在完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)時(shí)，可以通過文本顯示器對(duì)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(dòng)。在實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)準(zhǔn)靶位時(shí)有返回信號(hào)，否則無返回信號(hào)。利用LOGO！0BA7控制器完成射擊的計(jì)分工作，并及時(shí)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(dòng)或者擊中目標(biāo)靶位后，控制器發(fā)出信號(hào)給語音芯片，控制揚(yáng)聲器發(fā)出相對(duì)應(yīng)的聲音，能給學(xué)生帶來較為逼真的游戲體驗(yàn)，提高對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。

2.外形設(shè)計(jì)

“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(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，通過伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)伺服電機(jī)的進(jìn)行控制。同時(shí)，伺服電機(jī)上安裝有伺服電機(jī)編碼器，用來測(cè)量磁極位置和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速，把測(cè)量信號(hào)反饋給伺服控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的高精度的控制。火炮中共使用兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)伺服電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械模型的水平，垂直運(yùn)動(dòng)，可用于運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)M1、轉(zhuǎn)臺(tái)，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(dòng)機(jī)構(gòu)組成水平位移機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)M2和垂直位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成垂直位移機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)M2驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的上下運(yùn)動(dòng)。由LOGO！0BA7控制器發(fā)出信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)M1、伺服電機(jī)M2實(shí)現(xiàn)上下左右的運(yùn)動(dòng)。

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(dòng)”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(hào)，伺服電機(jī)M1轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生改變，機(jī)械模型水平向左或右運(yùn)動(dòng)。

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

這樣可以完成由控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)組成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，用于自控原理、運(yùn)動(dòng)控制和PLC控制與仿真等一些實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)操作桿控制火炮模型轉(zhuǎn)動(dòng)，尋找到目標(biāo)時(shí)，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(cè)激光返回信號(hào)，控制器根據(jù)操作桿信號(hào)和激光頭返回信號(hào)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(dòng)，開始工作，M1電機(jī)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺(tái)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，M2電機(jī)轉(zhuǎn)，火炮模型同時(shí)向上擺動(dòng)。

步驟3：由轉(zhuǎn)臺(tái)的激光頭檢測(cè)水平位置到位后，轉(zhuǎn)臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，火炮炮口的激光探頭檢測(cè)目標(biāo)，如果檢測(cè)到目標(biāo)，發(fā)送信號(hào)給控制器，如果沒有檢測(cè)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(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由轉(zhuǎn)臺(tái)的激光頭檢測(cè)水平位置到位后，轉(zhuǎn)臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)M2反轉(zhuǎn)，機(jī)械手向下擺動(dòng)。

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

5.設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。LOGO！0BA7控制器通過擴(kuò)展模塊DM16 24R接收操作桿的6個(gè)開關(guān)量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)操作指令的接收，LOGO！0BA7通過擴(kuò)展模塊DM16 24R三個(gè)輸出信號(hào)控制語音模塊發(fā)出3種模擬聲音，實(shí)現(xiàn)游戲體驗(yàn)效果。LOGO！0BA7通過激光頭的連接實(shí)現(xiàn)模擬開火與目標(biāo)擊中檢測(cè)。LOGO！AM2 AQ模塊適用于教學(xué)模式下的自動(dòng)速度給定輸出，通過調(diào)整控制規(guī)律和控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)火炮的自動(dòng)控制。LOGO！0BA7控制器通過標(biāo)準(zhǔn)電纜與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，實(shí)現(xiàn)兩種速度控制和正反轉(zhuǎn)、限位、使能信號(hào)的控制。伺服驅(qū)動(dòng)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(cè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)反饋到伺服驅(qū)動(dòng)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(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊（220V AC輸入/24V DC輸出）給伺服驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(cè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)化?？捎糜凇蹲詣?dòng)控制原理》、《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》和《PLC原理與應(yīng)用》等課程的實(shí)驗(yàn)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(duì)PLC工作原理的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)火炮模型的運(yùn)動(dòng)控制的演示，以及完成被控對(duì)象的建模與經(jīng)典PID控制算法的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生學(xué)習(xí)理論與實(shí)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(shí)驗(yàn)，使學(xué)生更好的完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)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(dòng)檢測(cè)監(jiān)控與系統(tǒng)集成。