翟海祥，肖光潤(rùn)，吳何畏

（湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽441053）

基于PLC的可調(diào)按摩椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翟海祥，肖光潤(rùn)，吳何畏

（湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽441053）

為了緩解長(zhǎng)時(shí)間工作后身體的不適，本文采用西門子PLC設(shè)計(jì)出一套按摩椅控制系統(tǒng)，用于按摩椅控制系統(tǒng)中，旨在控制按摩椅平穩(wěn)、高效工作，從而滿足消費(fèi)者對(duì)于可調(diào)按摩椅的使用需求。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，設(shè)計(jì)系統(tǒng)將采用西門子PLC/S7-200作為主控單元，對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)。同時(shí)由高速脈沖輸出個(gè)數(shù)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，通過傳感器響應(yīng)控制步進(jìn)電機(jī)往返運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)絲桿上的按摩小球同步往返運(yùn)動(dòng)。按摩小球是按摩椅的重要部位，由于前面對(duì)步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)、高效控制，最終可使按摩椅按照使用者的需求正常工作，達(dá)到緩解使用者身體不適的目的。

按摩椅；西門子PLC；步進(jìn)電機(jī)；高速脈沖

可調(diào)按摩椅功能最為全面、按摩效果最受認(rèn)可的按摩器械之一，盡管國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了各式各類的電動(dòng)按摩產(chǎn)品，也有很多的相關(guān)的企業(yè)，但是我國的按摩椅行業(yè)起步比較晚，按摩椅的普及程度不高，具有較大的市場(chǎng)潛力[1]。針對(duì)市面上出現(xiàn)的問題，根據(jù)人體工程和傳統(tǒng)的按摩理論，研究開發(fā)一種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能齊全，具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的可調(diào)按摩椅。該按摩椅采用靈活的編程方法，通過簡(jiǎn)易的操作按鈕，實(shí)現(xiàn)按摩椅復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的控制，增加按摩椅的可調(diào)性能；采用的比較輕質(zhì)的材料，使得按摩椅整體的重量輕，便于搬運(yùn)；采用簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可使運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單易行，節(jié)約按摩椅的成本，它對(duì)人們的身心健康具有積極的意義。

1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架見圖1，按摩椅整體系統(tǒng)分為3個(gè)部分，（1）座椅曲面設(shè)計(jì)，根據(jù)人體對(duì)于座椅舒適度的感覺，將按摩椅靠背設(shè)計(jì)出長(zhǎng)曲面型，同時(shí)座椅轉(zhuǎn)角處設(shè)計(jì)成內(nèi)凹形，有利于使用者整體更好坐在椅上；同時(shí)在座椅的右邊，有一個(gè)可調(diào)節(jié)架構(gòu)，可有效調(diào)節(jié)靠背的傾斜角度。（2）運(yùn)動(dòng)部分，運(yùn)動(dòng)部分是采用42步進(jìn)電機(jī)KH42HM2B115微型馬達(dá)電機(jī)拖動(dòng)絲桿，在絲桿的滑塊上裝有按摩小球，隨著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，按摩小球會(huì)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，按摩小球凸出部位可有效的與人體接觸，起到按摩效果。在按摩椅的左右兩邊上，裝有若干操作按鈕，可對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如運(yùn)動(dòng)的速度、工作時(shí)間，從而滿足不同使用者的要求。（3）控制部分，采用PLC/S7-200作為主控，通過編程控制細(xì)分步進(jìn)電機(jī)TB6600驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過輸出脈沖個(gè)數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，通過控制延時(shí)繼電器控制按摩椅工作時(shí)間，通過控制電平的高低，進(jìn)而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的往返。

圖1 按摩椅側(cè)面輪廓

1.1 機(jī)械硬件

1.1.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)按摩小球運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)需求，本文選取滑動(dòng)絲桿作為動(dòng)力裝置，可有效實(shí)現(xiàn)左右往返運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滑塊上按摩小球往返運(yùn)動(dòng)。

1.1.2 座椅調(diào)節(jié)裝置

由于使用者對(duì)于靠背的傾斜度要求不同，因此，本文采用可調(diào)節(jié)裝置，類似飛機(jī)上的座椅，可以通過調(diào)節(jié)柄，控制靠背的傾斜度，從而滿足不同使用者的需求[2]。

1.2 PLC硬件

1.2.1 驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)介

步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。即，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角、步距角）。通過對(duì)于程序設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)精確控制。精確度的高低取決于單位時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)，個(gè)數(shù)越多控制就越細(xì)，精度也就越高。

細(xì)分步進(jìn)電機(jī)TB6600驅(qū)動(dòng)器[3]，實(shí)物模型可以分為以下三部分。

1.2.2 電源電壓連線

VCC：電源正端“+” GND：電源負(fù)端“-”

1.2.3 信號(hào)輸入端

PUL+：脈沖信號(hào)輸入端 PUL-：脈沖信號(hào)輸入負(fù)

DIR-：電機(jī)正、反控制負(fù) EN+：電機(jī)脫機(jī)控制正

EN-：電機(jī)脫機(jī)控制負(fù)

1.2.4 電機(jī)繞組

A+：連接電機(jī)繞組A+相 A-：連接電機(jī)繞組A-相

DIR+：電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制正 B-：連接電機(jī)繞組B-相

B：連接電機(jī)繞組B-相

1.3 驅(qū)動(dòng)器的使用說明

1.3.1 驅(qū)動(dòng)器功能

步進(jìn)電機(jī)作為一種控制精密位移及大范圍調(diào)速專用的電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以自身固有的步距角一步一步運(yùn)行的，其特點(diǎn)是每旋轉(zhuǎn)一步，步距角始終不變，能夠保持精密準(zhǔn)確的位置。所以無論旋轉(zhuǎn)多少次，始終沒有積累誤差。由于控制方法簡(jiǎn)單，成本低廉，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要有脈沖分配的功率型裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。它接收控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)，按照步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，順序分配脈沖，實(shí)現(xiàn)控制角位移、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向、制動(dòng)加載狀態(tài)、自由狀態(tài)。控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器就能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。因此，對(duì)于按摩椅往返控制需要通過對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)精確控制。

1.3.2 共陽極接法：

分別將PUL+，PUL-接到控制系統(tǒng)的電源上，如果此電源是+5 V，則可直接接入，如果此電源大于+5 V，則必須外部另加限流電阻R接入，方向信號(hào)通過DIR-接入，使能通過EN-接入。

1.3.3 共陰極接發(fā)：

分別將PUL-，DIR-，EN連接到控制系統(tǒng)的地端；脈沖輸入信號(hào)通過PUL+接入，方向信號(hào)通過DIR+接入，使能信號(hào)通過EN+接入。若需限流電阻R的接法取值與共陰極接法相同。

兩種接法原理上是一樣的，實(shí)現(xiàn)的過程也類似，只不過對(duì)于輸出端點(diǎn)電平信號(hào)高低有所區(qū)別，控制動(dòng)作有所不同，但是可以通過轉(zhuǎn)變程序里觸點(diǎn)的動(dòng)斷，來控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的外接設(shè)備，基本參數(shù)引腳圖見圖2.

圖2 驅(qū)動(dòng)器的引腳分配

2 系統(tǒng)控制及動(dòng)力部分接線圖

本文采用共陰極接法，將圖2、圖3對(duì)應(yīng)端子接起來，根據(jù)實(shí)際情況，將驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)以及PLC對(duì)應(yīng)端接在一起，將電源端接入外接電源，由于本文選用的PLC/S7-200/CPU224DC[4]，因此電源接入端為外接直流24 V，直流24 V可由外接24 V電源提供。由驅(qū)動(dòng)器根據(jù)使用說明可知，電源端也為24 V直流。整體控制接線見圖4、5.

圖3 系統(tǒng)接線圖

圖4 實(shí)物接線圖

圖5 接線調(diào)試

3 系統(tǒng)軟件部分

如圖6所示，當(dāng)接通程序時(shí)，在第一個(gè)掃描周期內(nèi)高速脈沖會(huì)復(fù)位[5]一次，即對(duì)輸出脈沖初始化一次，實(shí)現(xiàn)過程是由西門子編程中的傳送指令完成。如圖7所示，是高速脈沖輸出以及電機(jī)移動(dòng)方向的控制，通過傳感器和限位開關(guān)進(jìn)行控制，可以通過左右端的限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

圖6 輸出脈沖初始化

圖7 左右往返控制

4 系統(tǒng)執(zhí)行說明

4.1 系統(tǒng)程序執(zhí)行說明

在本文中，由于M0.0串聯(lián)在每條程序中，且是常開狀態(tài)，當(dāng)按下輸入按鈕SB0，接通中間繼電器M0.0，并且自鎖，即可啟動(dòng)程序執(zhí)行往返運(yùn)動(dòng)，當(dāng)按下手動(dòng)急停按鈕SB5時(shí)，會(huì)斷開繼電器M0.0所在線路，從而使整個(gè)過程停止。在滑臺(tái)兩端分別裝有限位開關(guān)，靠近步進(jìn)電機(jī)端接I0.1，另一端接I0.3；同時(shí)在靠近電機(jī)端接入行程開關(guān)I0.2，另一端接行程開關(guān)I0.4，對(duì)應(yīng)的手動(dòng)按鈕如上圖3、圖4、圖5接線所示。程序開始執(zhí)行時(shí)，假設(shè)此時(shí)絲桿上的金屬塊正處在靠近電機(jī)端，這時(shí)由于行程開關(guān)接收到金屬信號(hào)，觸發(fā)I0.1，同時(shí)輸出端QO.1接通，電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向改變，朝著另一端運(yùn)動(dòng)，同樣當(dāng)行程開關(guān)I0.3檢測(cè)到金屬塊時(shí)，也會(huì)觸發(fā)輸入端動(dòng)作，此時(shí)，輸出端Q0.1由高電平變?yōu)榈碗娖?，從而使電機(jī)方向向靠近電機(jī)一端運(yùn)動(dòng)，就這樣形成一個(gè)循環(huán)，在無意外情況或者是認(rèn)為干涉的情況下，電機(jī)會(huì)一直這樣循環(huán)下去，持續(xù)工作。同時(shí)也可通過修改程序，對(duì)電機(jī)輸入脈沖個(gè)數(shù)[6]進(jìn)行修改，從而對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的快慢進(jìn)行修改，由于步進(jìn)電機(jī)不適合太高的脈沖個(gè)數(shù)，因此，在修改脈沖個(gè)數(shù)時(shí)要以電機(jī)的實(shí)際參數(shù)作為依據(jù)，以免損壞電機(jī)。如果電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度過快，在靠近行程開關(guān)時(shí)未能及時(shí)響應(yīng)，此時(shí)左右兩端的限位開關(guān)會(huì)接入線路中，進(jìn)行及時(shí)換向控制，確保設(shè)備和人身安全。

4.2 控制部分接線和調(diào)試

根據(jù)上述說明和器件實(shí)際接線，步進(jìn)電機(jī)正常工作，按摩小球可以隨著絲桿滑塊正常運(yùn)行。不僅可以實(shí)現(xiàn)往返控制，而且還可以通過修改程序?qū)敵雒}沖進(jìn)行控制，從而控制運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行流程說明，操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，發(fā)現(xiàn)工作狀況與設(shè)計(jì)思想一致，可以實(shí)現(xiàn)往返調(diào)速控制，同時(shí)可以人為隨時(shí)中止設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備可控，具體接線見圖4、圖5.

5 總結(jié)

對(duì)比國內(nèi)外對(duì)按摩椅的研究歷史與現(xiàn)狀，以及按摩椅中存在的不足，對(duì)本文設(shè)計(jì)的可調(diào)按摩椅提出具體的設(shè)計(jì)要求。采用西門子PLC/S7-200為主控，通過PLC控制細(xì)分步進(jìn)電機(jī)TB6600驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過修改程序中參數(shù)大小，可以設(shè)置脈沖輸出個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電機(jī)細(xì)分控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于按摩小球的控制。同時(shí)，在步進(jìn)電機(jī)兩端的絲桿上裝有行程開關(guān)和限位保護(hù)開關(guān)，使得步進(jìn)電機(jī)可以自動(dòng)換向且進(jìn)行平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，由于設(shè)定有急停按鈕，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)隨時(shí)中止，提高設(shè)備可控性。本文最大的特色在于將驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、限位開關(guān)以及行程開關(guān)全部組合在一起，從理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向?qū)嶋H操作，將其應(yīng)用于實(shí)際生活中，解決生活中一些常見問題，使得科技更好的為人類服務(wù)。本文設(shè)計(jì)思想在于讓電機(jī)輸出更加平穩(wěn)可控，且能自動(dòng)進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，提高效率，綜合以上優(yōu)點(diǎn)，該按摩椅不僅坐著舒服，而且還可以緩解使用者身體的不適。

[1]中國按摩椅市場(chǎng)現(xiàn)狀分析.http：//www.icinet.com.cn/hyzx/gyzz/scfx/2012-06-25/6180.shtml環(huán)球資訊，2012.

[2]尤向陽.零起點(diǎn)超快學(xué) PLC技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.3.

[3]唐佳偉.兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制器的設(shè)計(jì)[D].浙江理工大學(xué)，2016.

[4]陳忠平，侯玉寶，李 燕.西門子S7-200 PLC從入門到精通[M].北京：中國電力出版社，2015.1.

[5]趙景波，阿 倫，鞏 雪.零基礎(chǔ)學(xué)西門子S7-200 PLC（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.8.

[6]常 麗.四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（03）：225-226+241.

Design of Adjustable Massage Chair Control System Based on PLC

ZHAI Hai-xiang，XIAO Guang-run，WU He-wei
（School of Mechanical and Automotive Engineering，Hubei College of Arts and Sciences，Xiangyang Hubei 441053，China）

In order to alleviate the long-term work after the discomfort of the body，this article uses Siemens PLC designed a massage chair control system for massage chair control system，designed to control the massage chair smooth and efficient work to meet the consumer for adjustable massage chair The use of demand.In order to achieve the above functions，the design system will use Siemens PLC/S7-200 as the main control unit，the stepper motor drive control，and then control the working state of stepper motor.At the same time by the number of high-speed pulse output，the stepper motor speed control，through the sensor response control stepper motor reciprocating movement，so as to drive the screw on the massage ball reciprocating movement.Massage ball is an important part of the massage chair，due to the front of the stepper motor smooth and efficient control，and ultimately the massage chair in accordance with the needs of users to work properly to achieve the purpose of alleviating the user’s physical discomfort.

massage chair；SIEMENS PLC；stepping motor；high speed pulse

TP27

A

1672-545X（2017）09-0213-04

2017-06-10

1.面向高光譜圖像分類的函數(shù)型數(shù)據(jù)分析方法研究，湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃青年人才項(xiàng)目，編號(hào)：Q20162603，2016-2017，主持，在研；2.基于函數(shù)型數(shù)據(jù)分析的高光譜圖像分類研究，湖北文理學(xué)院教師科研能力培育基金，編號(hào)：2016ZK014，2016-2017，主持，在研；3.面向機(jī)械產(chǎn)品無損檢測(cè)的高光譜圖像處理技術(shù)研究，“汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心”開放基金，編號(hào)：hbuas201514，2015-2017，主持，在研；4.面向微流控芯片微加工形貌特征的視覺評(píng)價(jià)方法研究，“機(jī)電汽車”湖北省優(yōu)勢(shì)特色學(xué)科群2017年度開放基金項(xiàng)目，編號(hào)：XKQ2017037，2017-2018，主持，在研。

翟海祥（1994－），男，湖北棗陽人，本科，研究方向：高端智能裝備 ；肖光潤(rùn)（1987－），男，湖北宜城人，博士，講師，研究方向：高端智能裝備、機(jī)器視覺；吳何畏（1976－），男，湖北襄陽人，副教授，研究方向：機(jī)電一體化及自動(dòng)化。