基于LOGO！控制器的二自由度教學火炮設計

靳亮 劉瑞國 武超 崔曉璇 吳利曉

【摘要】現在越來越多的高等院校開始注重實驗教學，想把普通的機械手控制設備用于《PLC原理與應用》和《運動控制系統》等課程的實驗教學工作，因此本設計主要面向大學本、專科電氣工程與自動化類專業開展基礎理論與創新實驗教學模型，利用LOGO！0BA7控制器作為核心控制部件，實現火炮模型的運動控制的演示，用來完成被控對象的建模與經典PID控制算法的教學與實驗，并可輕松擴展用于創新型實驗。

【關鍵詞】實驗教學;PLC;PID;運動控制

引言

我國高等院校逐步開展創新實驗室建設，各高校多以工業現場應用的工業機械人作為教學和實驗器材，但由于存在著一系列的問題，難以適應教學和實驗的需求，由于缺乏統一的標準，各廠家生產的機器人彼此獨立，控制和操作復雜，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，而且操作不太方便，極大地影響了教學效果，更不適合二次開發，學生參與動手能力差。目前普遍的教學類機器人不論機械、電氣都是集成一體設計，學生只能觀看和簡單操作，無法對機器人本體和電控系統拆裝，無法深入了解內部結構和原理。使得開展相關教學和培訓單位對購買此類機器人設備變得越來越慎重，造成有教學、無實驗，重理論、輕實踐的局面，違背了建設創新型實驗的初衷。

本設計想把普通的機械手控制設備用于《自動控制原理》、《運動控制系統》和《PLC原理與應用》等課程的實驗教學工作，設計開發模塊化、低成本、開放化，體現工業機器人基本理論和技術，面向以理論教學、操作實踐為目的的模塊化工業型教學機器人（機械手）。

1.設計功能介紹

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

2.外形設計

“教學火炮”主要由操作桿、控制箱、火炮模型組成，如圖1所示。該產品的核心組件是LOGO！0BA7為主控制器與伺服單元連接，完成控制。該模塊由LOGO！0BA7控制器發送開關信號給伺服驅動器，通過伺服驅動器對伺服電機的進行控制。同時，伺服電機上安裝有伺服電機編碼器，用來測量磁極位置和伺服電機轉角及轉速，把測量信號反饋給伺服控制器，實現對伺服電機的高精度的控制。火炮中共使用兩個伺服驅動器驅動兩個伺服電機，從而實現機械模型的水平，垂直運動，可用于運動控制的教學，還可以在原有設備的基礎上外加激光頭和游戲操作搖桿，可以在枯燥的實驗教學中增加性。

圖1 火炮組成示意圖

3.工作原理介紹

如圖2所示，教學火炮主要由安裝座、旋轉驅動機構、步進電機M1、轉臺，伺服電機M2、機械臂和激光頭組成。安裝座與地面用螺栓連接，是機械模型穩定工作的關鍵。伺服電機M1和水平旋轉驅動機構組成水平位移機構，由伺服電機M1驅動，可以實現水平旋轉。伺服電機M2和垂直位移驅動機構組成垂直位移機構，由伺服電機M2驅動，可以實現機械臂的上下運動。由LOGO！0BA7控制器發出信號給伺服驅動器，通過伺服驅動器控制伺服電機M1、伺服電機M2實現上下左右的運動。

圖2 教學火炮模型結構示意圖

當開始使用，打開“啟動”開關，電機開閘。

（1）模式選擇為：教學模式

（a）如果左或右限位傳感器有信號，伺服電機M1轉動方向發生改變，機械模型水平向左或右運動。

（b）如果上或下限位傳感器有信號，伺服電機M2轉動方向發生變化，機械模型完成垂直向上或向下運動。

這樣可以完成由控制器、伺服驅動器、伺服電機組成的運動控制系統的教學實驗，用于自控原理、運動控制和PLC控制與仿真等一些實驗教學工作。

在教學模式下，在擴展模擬量模塊的條件下可以自動調整控制規律和參數。

（2）模式選擇為：娛樂模式

通過手動操作桿控制火炮模型轉動，尋找到目標時，通過操作桿按鈕模擬發射火炮，激光探頭發出激光，控制器檢測激光返回信號，控制器根據操作桿信號和激光頭返回信號控制語音芯片和擴音器發出相應的聲音。

4.工作流程

教學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電機正轉，轉臺逆時針轉動，M2電機轉，火炮模型同時向上擺動。

步驟3：由轉臺的激光頭檢測水平位置到位后，轉臺停止轉動，火炮炮口的激光探頭檢測目標，如果檢測到目標，發送信號給控制器，如果沒有檢測到目標，進入步驟4。

步驟4：到達左限位開關后，由伺服電機M1反轉，轉臺順時針轉動，由轉臺的激光頭檢測水平位置到位后，轉臺停止轉動，伺服電機M2反轉，機械手向下擺動。

步驟5：激光探頭檢測到目標后，發送信號給控制器，控制器可輸出信號，擴音器發出聲音。

5.設計說明

如圖3所示，LOGO！0BA7控制器通過標準的sub-D型電纜與文本顯示器（LOGO！ TD）的通訊接口進行連接，實現人機對話。LOGO！0BA7控制器通過擴展模塊DM16 24R接收操作桿的6個開關量信號，實現操作指令的接收，LOGO！0BA7通過擴展模塊DM16 24R三個輸出信號控制語音模塊發出3種模擬聲音，實現游戲體驗效果。LOGO！0BA7通過激光頭的連接實現模擬開火與目標擊中檢測。LOGO！AM2 AQ模塊適用于教學模式下的自動速度給定輸出，通過調整控制規律和控制參數實現火炮的自動控制。LOGO！0BA7控制器通過標準電纜與伺服驅動器連接，實現兩種速度控制和正反轉、限位、使能信號的控制。伺服驅動器與伺服電機用電纜連接，伺服電機編碼器直接固定在伺服電機的一端，檢測伺服電機的轉速、轉角實時反饋到伺服驅動器上。LOGO！0BA7控制器、伺服電機采用220V交流供電，另需安裝一個電源轉換模塊（220V AC輸入/24V DC輸出）給伺服驅動器、伺服編碼器、操作桿、語音模塊、揚聲器提供24V直流供電。

圖3 主控器連接示意圖

6.總結

教學火炮可以完成實驗教學，也可以在控制箱上安裝游戲手柄，在機械模型的頂端炮口位置安裝激光頭，用來檢測目標，實現教學化。可用于《自動控制原理》、《運動控制系統》和《PLC原理與應用》等課程的實驗教學工作，使學生深入了解其內部結構和原理，完成對PLC工作原理的學習，實現火炮模型的運動控制的演示，以及完成被控對象的建模與經典PID控制算法的教學與實驗，使得學生學習理論與實踐相結合，提高學習的興趣，并可輕松擴展用于創新型實驗，使學生更好的完成學習任務。

參考文獻

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

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

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