劉林 李靜 王欣

[摘? ? ? ? ? ?要]? 為提高學(xué)生對(duì)機(jī)電專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)自動(dòng)控制相關(guān)概念的理解與應(yīng)用掌握。設(shè)計(jì)平衡球滾動(dòng)測(cè)試平臺(tái)作為示教實(shí)例，為了方便教學(xué)，基于S7-1200 Siemens PLC 作為控制核心。此類示教實(shí)例旨在利用擺桿的角度傾斜，控制小球滾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，涉及小球位置、速度及加速度等多種物理量的精確操控，同時(shí)也可結(jié)合小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中數(shù)學(xué)物理模型的建立，將自動(dòng)控制中的定時(shí)、中斷、循環(huán)掃描等方法巧妙地引入其中，達(dá)到較好的示教與實(shí)訓(xùn)效果。測(cè)試結(jié)果證明，該平衡球滾動(dòng)示教平臺(tái)可行性高，教學(xué)效果良好且節(jié)省了教學(xué)資源和成本。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 平衡球滾動(dòng);示教平臺(tái);定時(shí)中斷

[中圖分類號(hào)]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2019）21-0114-02

高等職業(yè)?？茖W(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)造能力的培養(yǎng)是以高職高專學(xué)生為主要對(duì)象，根本目的是最大限度地激發(fā)學(xué)生的積極性、主動(dòng)性、創(chuàng)造性，潛移默化地提高學(xué)生動(dòng)手能力，并讓學(xué)生掌握獨(dú)立面對(duì)與處理問(wèn)題的辦法，從而提升學(xué)生在生活中的實(shí)踐創(chuàng)造力。

本文針對(duì)我系電子電氣專業(yè)“高職創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)”課程，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)平衡球滾動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)作為示教項(xiàng)目。通過(guò)該示教項(xiàng)目，教師可以將一個(gè)系統(tǒng)的高職高專創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的原理、操作等呈現(xiàn)給學(xué)生。此外，S7-1200為最新一代Siemens PLC，借此平臺(tái)可提供較好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，豐富實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)新型PLC的感性認(rèn)知程度，增加教學(xué)過(guò)程的靈活性。

一、示教平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分

本文所采用的平衡球滾動(dòng)控制示教系統(tǒng)裝置，包括作為基礎(chǔ)平臺(tái)的平臺(tái)架以及左端經(jīng)橫轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈在平臺(tái)架中的擺動(dòng)桿和設(shè)置在該擺動(dòng)桿上能沿?cái)[動(dòng)桿導(dǎo)向來(lái)回滾動(dòng)的平衡球，擺動(dòng)桿的右端為自由端，該擺動(dòng)桿的右端設(shè)有直線導(dǎo)軌副;直線導(dǎo)軌副包括固定在擺動(dòng)桿右端一側(cè)面上的直線導(dǎo)軌和與該直線導(dǎo)軌滑動(dòng)配合的導(dǎo)軌滑塊;平臺(tái)架中縱向安裝有滾珠絲杠副，滾珠絲杠副包括受步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠和與絲杠螺旋配合能沿絲杠上下移動(dòng)的絲杠滑塊，絲杠滑塊與導(dǎo)軌滑塊相連接，如圖1所示。

擺動(dòng)桿上間隔設(shè)有多個(gè)與S7-1200 PLC輸入信號(hào)相連的平衡球位置傳感器，平臺(tái)架中安裝有用于限定絲杠滑塊移動(dòng)最大上限的上限位置傳感器和用于限定絲杠滑塊移動(dòng)最大下限的下限位置傳感器，單片機(jī)依據(jù)平衡球位置傳感器反饋的平衡球滾動(dòng)位置信號(hào)以及上限位置傳感器反饋的絲杠滑塊的上限信號(hào)和下限位置傳感器反饋的絲杠滑塊的下限信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部綜合運(yùn)算處理后電信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，該步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副利用直線導(dǎo)軌副帶動(dòng)擺動(dòng)桿以橫轉(zhuǎn)軸為旋轉(zhuǎn)軸心上下旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)擺動(dòng)桿的傾斜角度，以控制平衡球的預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)平衡球在擺動(dòng)桿上靜止或做周期性往復(fù)滾動(dòng)的精控示教。

二、示教平臺(tái)硬件部分

S7-1200作為Siemens最新一代PLC的可編程控制核心，其卓越的性能致使設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)效率達(dá)到最優(yōu)的效果?；赟7-1200的控制系統(tǒng)在最大限度上優(yōu)化了整體的設(shè)計(jì)，且將項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本控制到最好的結(jié)果。因此，本示教項(xiàng)目的滾動(dòng)球示教平臺(tái)采用以S7-1200 PLC為核心控制芯片。

平衡球滾動(dòng)示教平臺(tái)控制系統(tǒng)包括5個(gè)模塊。（圖2）

其中，電源模塊，用于為示教平臺(tái)供電; S7-1200 PLC，用于處理I/O交互信息，控制每個(gè)模塊高效運(yùn)行;霍爾接近開(kāi)關(guān)模塊，用來(lái)檢測(cè)小球滾動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中其所處的位置以及通過(guò)監(jiān)測(cè)相鄰兩點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間來(lái)推算當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度;限位模塊，用于控制擺桿的運(yùn)動(dòng)位置不過(guò)限位;步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)擺桿移動(dòng)至相應(yīng)的角度以控制小球以預(yù)定的速度運(yùn)動(dòng)到目的地位置。

三、示教平臺(tái)軟件及界面

（一）軟件部分

本論文的平衡球滾動(dòng)控制示教系統(tǒng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)的示教功能及軟件算法如下：

1.可實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)桿的水平定位，其主要實(shí)現(xiàn)方法是：首先通過(guò)PLC控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，使擺動(dòng)桿右端低速向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至下限位時(shí)即限定絲杠滑塊移動(dòng)的最大下限位，減速停止。而后步進(jìn)電機(jī)反向快速運(yùn)動(dòng)，使擺動(dòng)桿到達(dá)水平位置（位移量能經(jīng)準(zhǔn)確測(cè)量后給定）;此時(shí)，將一小球即平衡球放在擺動(dòng)桿上的任意位置，小球靜止不動(dòng)。

2.將小球放置擺動(dòng)桿的最左端即左限位擋板限定的左端位置，通過(guò)控制擺桿傾斜一定的角度，使其滾動(dòng)起來(lái)，經(jīng)過(guò)平衡球位置傳感器時(shí)，通過(guò)軟件實(shí)時(shí)掃描可觸發(fā)相應(yīng)開(kāi)關(guān)，并通過(guò)調(diào)整擺動(dòng)桿的角度來(lái)控制小球的預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡。最終可使小球在擺動(dòng)桿上做周期性往復(fù)滾動(dòng)，控制則由PLC控制實(shí)現(xiàn)。具體算法框圖如圖3所示：

3.通過(guò)測(cè)量擺動(dòng)桿上任意連續(xù)兩點(diǎn)間的小球滾動(dòng)時(shí)間，可測(cè)量當(dāng)前擺動(dòng)桿的傾斜角度，此項(xiàng)可采用單片機(jī)中的定時(shí)中斷結(jié)合外部中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，外部中斷主要用于將平衡球位置傳感器的信號(hào)輸入控制系統(tǒng)內(nèi)部，用于觸發(fā)定時(shí)中斷開(kāi)啟累計(jì)毫秒個(gè)數(shù)，直至小球滾動(dòng)到下一檢測(cè)點(diǎn)時(shí)即下一個(gè)平衡球位置傳感器時(shí)，停止計(jì)數(shù)，所統(tǒng)計(jì)的時(shí)間可用于改變擺動(dòng)桿的傾角，以控制小球的預(yù)定走位。其具體算法如圖4所示。

（二）界面部分

本文根據(jù)高職學(xué)生實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的特點(diǎn)，在S7-1200上位觸摸屏設(shè)計(jì)了平衡球示教監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)。控制界面設(shè)定包含平衡球的運(yùn)行速度，霍爾接近開(kāi)關(guān)傳感器用于檢測(cè)小球滾動(dòng)位置。Auto控制與Manual控制界面實(shí)現(xiàn)了觸摸屏與平衡球系統(tǒng)之間的全雙工通信。

四、結(jié)論

本文通過(guò)研制平衡球滾動(dòng)實(shí)訓(xùn)示教平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)一種利用示教結(jié)合實(shí)訓(xùn)的方法來(lái)進(jìn)行“高職高專創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)”課程的理實(shí)一體化教學(xué)方法。本示教實(shí)例是以平衡球滾動(dòng)的示教機(jī)構(gòu)為主體，讓學(xué)生能夠扎實(shí)學(xué)習(xí)并掌握以下關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)：

（1）PLC可編程控制器以及其數(shù)字模擬量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法;（2）PLC可編程控制器的定時(shí)、中斷軟件高階編程方法;（3）PLC控制器與其他傳感器或硬件的連接;（4）學(xué)習(xí)并掌握下位機(jī)（lower）與上位機(jī)（upper）之間通信方式;（5）觸摸屏編程語(yǔ)言學(xué)習(xí)及組態(tài)軟件設(shè)計(jì)方法。

參考文獻(xiàn)：

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