焦亚伟，郑夕雨，刘祥雨
(中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300)
摘要：针对危险警示栏收放的三自由度收放机构的运动控制问题，基于S7-200 PLC核心控制器，采用继电器分时控制与传感器限位保护，设计收放机构的收放控制硬件电路；给出一个收放运动控制算法，并经过软件编程调试实现收放机构三自由度平稳直线运动的手动及自动控制。对收放机构控制的实验测试表明，该控制电路的设计以及控制算法是合理可行的。
关键词：自动收放机构；三自由度；运动控制；安全遮栏
机械臂被广泛应用于工业、农业、医疗、军事、航天等领域，因此，对于机械臂结构与控制的研究也就成为了当下的热点课题[1-5]。电力施工需要在施工地周围放置安全警示遮栏，以防止无关人员误入，造成不必要的损伤。由于该项工作具有一定的危险性，且属于重复机械作业，技术含量低，劳动强度大，故使用机器替代人工作业具有很高的可行性和很大的优势。由于遮栏收放的动作是在一个狭长的作业空间中完成，故设计了由三套直线模组构成的三自由度收放机构。本文对收放机构的控制问题进行了设计与实验，考虑真实的工程背景(警戒栏的重量、外形材质和机械机构的强度等)，通过对收放机构控制电路及控制程序的研究设计[6-7]，实现了收放机构的自动定位收放的控制。
1.1 收放机构的机械结构
收放机构的结构三维图如图1所示，它由3个直线模组连接而成，3个直线模组分别实现收放机构的前进与后退、上升与下降、夹紧与松开的功能。收放机构可实现把安全遮栏从地面收到移动平台或从移动平台放到地面的功能。
图1 收放机构的结构三维图
1.2 收放机构的电气控制硬件设计
收放机构电气控制硬件部分由遥控接收模块、核心控制器PLC、步进电机和配套步进电机专用驱动器、传感器组成。当PLC接收到来自遥控器的收放遮栏指令后，高速脉冲口输出脉冲，经电机驱动模块驱动步进电机，带动收放机构向目标位置运动。传感器在收放机构到位后将到位信号传回PLC，使收放机构停止运动，等待下一步的指令，这样逐步完成整个收放过程。收放机构电气控制框图如图2所示。
图2 收放机构电气控制框图
1.2.1 核心控制器PLC
作为控制模块以及整个机械臂控制系统的核心，本方案所采用的西门子 S7-200 PLC将一个微处理器、一个集成电源和数字I/O点集成在一个封装中，还提供了多种类型的扩展模块。它控制的设备较多，在自动化方面的应用也很多，能够满足各种控制要求，且具有结构紧凑、配置灵活、指令集强大的特点。
1.2.2 收放机构的控制电路设计
收放机构的控制电路包括遥控器硬件电路和收放机构运动控制电路两大部分。遥控器硬件设计电路图如图3所示，它由单片机最小系统、按键电路、无线模块等组成，实现遥控器与PLC间的通信，从而通过遥控器远程控制收放机构的工作。
收放机构运动控制电路图如图4所示。它包括核心控制器PLC、控制脉冲通路的3个继电器、3个步进电机控制器和收放机构运动中限位保护所需要的传感器，以实现根据遥控器指令对安全遮栏进行收放的功能和机构限位保护功能。PLC向电机控制器提供高速脉冲、电机方向控制指令和接收传感器的信号进而控制电机；由于3个步进电机所需的脉冲都是由一个高速脉冲口发出，为分别控制3个步进电机的运动，因此在两者之间加入了控制继电器，通过继电器的通断控制各步进电机的运动，从达到分时控制的目的；传感器起到限位保护的作用，若运动到规定点时运动并未停止，该点的磁或光电传感器则强制使继电器断开，运动停止。
图3 遥控器硬件设计电路图
图4 收放机构的运动控制电路图
安全遮栏收放机构的运动控制主要是通过控制步进电机的转速和位置实现的，从而达到用遥控器来控制收放机构收放的目的。图5为总程序流程图，先检测遥控器处于手动或自动模式，然后根据遥控器指令执行相应模式的运动(当遥控器在手动模式下按下上升按键时，收放机构以程序设定的速度上升)。为使收放机构每次运动前都处于同一位置，编写了复位程序，其流程图如图6所示。使前后运动的直线模组处于最后端，上下运动的直线模组处于最下端，夹持的处于松开状态。
手动控制收放时，按下遥控器上的运动(上升或前进等)按键，收放机构接收到指令后，执行指令所对应的控制程序，到达位置后，按下停止按键，收放机构停止运动。
自动程序工作时，收放机构自动放遮栏的流程图如图7所示。通过编程控制收放机构的运动速度，并由相应的传感器进行限位保护。自动收遮栏的程序和自动放的程序原理相同，逻辑相反，在此不再赘述。
图5 总程序流程图
图6 复位程序流程图
根据上述设计完成遥控器及PLC的编程，然后通过实验调试，对程序进行进一步优化。经过调试和实验，最终得到自动放置警戒栏的相关实验数据如表1所示，自动收警戒栏的相关实验数据如表2所示。
图7 收放机构的自动放遮栏程序流程图
表1 自动放警戒栏的实验数据
平移(滑动)运动直线模组上下运动直线模组夹持运动直线模组位移(cm)时间(s)电机平均速度(cm/s)位移(cm)时间(s)电机平均速度(cm/s)位移(cm)时间(s)电机平均速度(cm/s)用时(s)到预夹持位置2021058511.60005机械臂夹紧000000531.673上升到最高点0008180001后退到中间点404100000004下降到中间点00064512.80005机械臂松开000000522.52复位605120000005总用时(s)?25
表2 自动收警戒栏的实验数据
平移(滑动)运动直线模组上下运动直线模组夹持运动直线模组位移(cm)时间(s)电机平均速度(cm/s)位移(cm)时间(s)电机平均速度(cm/s)位移(cm)时间(s)电机平均速度(cm/s)用时(s)到预夹持位置605120000005机械臂夹紧000000531.673上升到最高点00064610.70006后退到中间点404100000004下降到中间点0008180001机械臂松开000000522.52复位2021058414.50004总用时(s)?25
在收放机构预位和复位阶段，收放机构未夹持安全遮栏，可实现三自由度的同步运动；而在夹持遮栏进行运动阶段，由于运载平台的限制，多自由度运动会不可避免地产生碰撞，故采用各自由度逐次运动的控制逻辑。这在实验数据中得到了充分体现，预位和复位动作的耗时要远小于遮栏收放动作的耗时。
本文为实现安全遮栏收放机构的运动控制设计了相关的硬件电路，并进行了程序的编写和调试，实现了安全遮栏收放机构的伺服控制。根据实验数据可以看出，该系统能够高效、快速地完成安全遮栏的自动收放。参考文献：
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(英文摘要
JIAO Ya-wei, ZHENG Xi-yu, LIU Xiang-yu
(College of Electronic Information and Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)
Abstract：In order to control the three degrees of freedom(3-DOF) retraction mechanism for safety barrier, this paper proposed a circuit and a motion control algorithm. The proposed circuit was based on PLC S7-200, and the manual and automatic control on smooth linear motion of 3-DOF retraction mechanism was achieved through time-sharing control and position limitation protection. The experiment shows that the circuit with the motion control algorithm can work effectively.
Key words：automatic retraction mechanism; three degrees of freedom; motion control; safety barrier
文章编号：1672- 6413(2017)01- 0173- 03
*中国民航大学大学生创新创业训练计划项目(201510059080)
收稿日期：2016- 04- 05；
修订日期：2016- 11- 16
作者简介：焦亚伟(1993-)，男，河南商丘人，在读本科生，专业为电气工程及其自动化。
中图分类号：TP273
文献标识码：A
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