基于LOGO！控制器的二自由度教学火炮设计

靳亮 刘瑞国 武超 崔晓璇 吴利晓

【摘要】现在越来越多的高等院校开始注重实验教学，想把普通的机械手控制设备用于《PLC原理与应用》和《运动控制系统》等课程的实验教学工作，因此本设计主要面向大学本、专科电气工程与自动化类专业开展基础理论与创新实验教学模型，利用LOGO！0BA7控制器作为核心控制部件，实现火炮模型的运动控制的演示，用来完成被控对象的建模与经典PID控制算法的教学与实验，并可轻松扩展用于创新型实验。

【关键词】实验教学;PLC;PID;运动控制

引言

我国高等院校逐步开展创新实验室建设，各高校多以工业现场应用的工业机械人作为教学和实验器材，但由于存在着一系列的问题，难以适应教学和实验的需求，由于缺乏统一的标准，各厂家生产的机器人彼此独立，控制和操作复杂，缺乏通用性。而且控制器和软件出于各种目的不对用户开放，仅提供有限的外部接口和库函数，而且操作不太方便，极大地影响了教学效果，更不适合二次开发，学生参与动手能力差。目前普遍的教学类机器人不论机械、电气都是集成一体设计，学生只能观看和简单操作，无法对机器人本体和电控系统拆装，无法深入了解内部结构和原理。使得开展相关教学和培训单位对购买此类机器人设备变得越来越慎重，造成有教学、无实验，重理论、轻实践的局面，违背了建设创新型实验的初衷。

本设计想把普通的机械手控制设备用于《自动控制原理》、《运动控制系统》和《PLC原理与应用》等课程的实验教学工作，设计开发模块化、低成本、开放化，体现工业机器人基本理论和技术，面向以理论教学、操作实践为目的的模块化工业型教学机器人（机械手）。

1.设计功能介绍

本设计主要通过文本显示器+LOGO！0BA7控制器+伺服驱动器+伺服电机+机械结构等设备的有效连接，实现了具有2个自由度转动的机械火炮模型，足以达到高校本科电气类专业实验教学。本设计是一个优良的被控对象，可以直接用于高等院校实验教学工作，主要用来完成被控对象的建模与经典控制算法的研究与教学工作，可以让学生们更好的了解使用LOGO！控制器、文本显示器、伺服驱动器、伺服电机的原理结构与控制过程;如果在原有设备的基础上外加具有2个自由度的夹持设备，可完成机械手的4自由度控制操作，也可以用来搬运小型货。设备购买成本较低，实验室一次可引入多台组成一组的实验设备，对于本科阶段的实验教学任务完成与创新实验室建设将起到锦上添花的效果。本设计具有优质的人机对话功能，LOGO！0BA7控制器通过标准的sub-D型电缆与文本显示器（LOGO！ TD）的通讯接口进行连接，信号传输稳定可靠。普通高校在完成实验教学任务时，可以通过文本显示器对LOGO！控制器进行相应参数的设定，使火炮模型产生转动。在实验教学的过程中，可利用游戏操作摇杆作为控制器的输入量，通过伺服电机对火炮模型进行精确控制。通过激光头与目标靶位配合完成射击，目标靶子为黑色物体，激光头对准靶位时有返回信号，否则无返回信号。利用LOGO！0BA7控制器完成射击的计分工作，并及时的将分数显示在文本显示器上。当火炮模型发生水平、垂直摆动或者击中目标靶位后，控制器发出信号给语音芯片，控制扬声器发出相对应的声音，能给学生带来较为逼真的游戏体验，提高对实验的兴趣。

2.外形设计

“教学火炮”主要由操作杆、控制箱、火炮模型组成，如图1所示。该产品的核心组件是LOGO！0BA7为主控制器与伺服单元连接，完成控制。该模块由LOGO！0BA7控制器发送开关信号给伺服驱动器，通过伺服驱动器对伺服电机的进行控制。同时，伺服电机上安装有伺服电机编码器，用来测量磁极位置和伺服电机转角及转速，把测量信号反馈给伺服控制器，实现对伺服电机的高精度的控制。火炮中共使用两个伺服驱动器驱动两个伺服电机，从而实现机械模型的水平，垂直运动，可用于运动控制的教学，还可以在原有设备的基础上外加激光头和游戏操作摇杆，可以在枯燥的实验教学中增加性。

图1 火炮组成示意图

3.工作原理介绍

如图2所示，教学火炮主要由安装座、旋转驱动机构、步进电机M1、转台，伺服电机M2、机械臂和激光头组成。安装座与地面用螺栓连接，是机械模型稳定工作的关键。伺服电机M1和水平旋转驱动机构组成水平位移机构，由伺服电机M1驱动，可以实现水平旋转。伺服电机M2和垂直位移驱动机构组成垂直位移机构，由伺服电机M2驱动，可以实现机械臂的上下运动。由LOGO！0BA7控制器发出信号给伺服驱动器，通过伺服驱动器控制伺服电机M1、伺服电机M2实现上下左右的运动。

图2 教学火炮模型结构示意图

当开始使用，打开“启动”开关，电机开闸。

（1）模式选择为：教学模式

（a）如果左或右限位传感器有信号，伺服电机M1转动方向发生改变，机械模型水平向左或右运动。

（b）如果上或下限位传感器有信号，伺服电机M2转动方向发生变化，机械模型完成垂直向上或向下运动。

这样可以完成由控制器、伺服驱动器、伺服电机组成的运动控制系统的教学实验，用于自控原理、运动控制和PLC控制与仿真等一些实验教学工作。

在教学模式下，在扩展模拟量模块的条件下可以自动调整控制规律和参数。

（2）模式选择为：娱乐模式

通过手动操作杆控制火炮模型转动，寻找到目标时，通过操作杆按钮模拟发射火炮，激光探头发出激光，控制器检测激光返回信号，控制器根据操作杆信号和激光头返回信号控制语音芯片和扩音器发出相应的声音。

4.工作流程

教学火炮工作过程流程包括以下步骤：

步骤1：火炮模型处于原始位置。

步骤2：火炮模型启动，开始工作，M1电机正转，转台逆时针转动，M2电机转，火炮模型同时向上摆动。

步骤3：由转台的激光头检测水平位置到位后，转台停止转动，火炮炮口的激光探头检测目标，如果检测到目标，发送信号给控制器，如果没有检测到目标，进入步骤4。

步骤4：到达左限位开关后，由伺服电机M1反转，转台顺时针转动，由转台的激光头检测水平位置到位后，转台停止转动，伺服电机M2反转，机械手向下摆动。

步骤5：激光探头检测到目标后，发送信号给控制器，控制器可输出信号，扩音器发出声音。

5.设计说明

如图3所示，LOGO！0BA7控制器通过标准的sub-D型电缆与文本显示器（LOGO！ TD）的通讯接口进行连接，实现人机对话。LOGO！0BA7控制器通过扩展模块DM16 24R接收操作杆的6个开关量信号，实现操作指令的接收，LOGO！0BA7通过扩展模块DM16 24R三个输出信号控制语音模块发出3种模拟声音，实现游戏体验效果。LOGO！0BA7通过激光头的连接实现模拟开火与目标击中检测。LOGO！AM2 AQ模块适用于教学模式下的自动速度给定输出，通过调整控制规律和控制参数实现火炮的自动控制。LOGO！0BA7控制器通过标准电缆与伺服驱动器连接，实现两种速度控制和正反转、限位、使能信号的控制。伺服驱动器与伺服电机用电缆连接，伺服电机编码器直接固定在伺服电机的一端，检测伺服电机的转速、转角实时反馈到伺服驱动器上。LOGO！0BA7控制器、伺服电机采用220V交流供电，另需安装一个电源转换模块（220V AC输入/24V DC输出）给伺服驱动器、伺服编码器、操作杆、语音模块、扬声器提供24V直流供电。

图3 主控器连接示意图

6.总结

教学火炮可以完成实验教学，也可以在控制箱上安装游戏手柄，在机械模型的顶端炮口位置安装激光头，用来检测目标，实现教学化。可用于《自动控制原理》、《运动控制系统》和《PLC原理与应用》等课程的实验教学工作，使学生深入了解其内部结构和原理，完成对PLC工作原理的学习，实现火炮模型的运动控制的演示，以及完成被控对象的建模与经典PID控制算法的教学与实验，使得学生学习理论与实践相结合，提高学习的兴趣，并可轻松扩展用于创新型实验，使学生更好的完成学习任务。

参考文献

[1]张有良，荀向敏.码垛机械手的设计和电气控制[J].包装与食品机械，2007，25（5）：23-25.

[2]蒋少茵.PLC控制的机械手[J].微计算机信息，2002，22（25）：59-61.

作者简介：靳亮（1990—），男，山东莱芜人，山东科技大学在读硕士研究生，主要研究方向：自动检测监控与系统集成。