踝泵运动机设计——控制系统PLC

1、淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 页 共 页目 录1 绪论 11.1 课题背景与研究意义 11.2 踝泵运动的定义及优点 21.3 论文主要工作 21.4 本章总结 22 踝泵运动机控制系统概述及方案选择 32.1 踝关节运动模型分析 32.2 工作模式及轨迹控制 52.3 踝泵运动机的医学参数 52.4 本章总结 53 踝泵运动机的机械部分 63.1 踝泵运动机的机械组成 63.2 踝泵运动机运动的实现 63.3 医学参数的实现 73.4 数据参数输入方式选型 73.5 电机的选择 83.6 踝泵运动机主控制器方案论述 93.7 总体控制方案 113.8 本

2、章小结 124 踝泵运动机控制系统硬件设计与选型 124.1 触摸屏的选型 124.2 步进电机与驱动器选型 124.3 PLC 选型 154.4 其他器件选型 174.5 踝泵运动机的接线图设计 175 踝泵运动机触摸屏系统设 195.1 DOP-Soft 软件的使用方法 195.2 踝泵运动机的触摸屏画面设计 216 PLC 程序设计 246.1 PLC 程序设计的基本原则 246.2 控制运行要求 246.3 系统的 I/O 地址分配 256.4 本章小结 267 系统安装与调试 27淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第页 共 页7.1 硬件接线 287.2

3、 调试 287.3 本章小结 288 结 论 28致 谢 29参考文献 30淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 1 页 共 33 页1 1 绪论绪论1.11.1 课题背景与研究意义课题背景与研究意义随着人们的生活水平的提高，以及生活节奏的变快，人口老龄化也成为了一个不可避免的问题，而且汽车的增多也加大了交通事故的发生率，不管是老人还是发生交通事故，都会导致这些人群的肢体在运动上非常的不方便，而脚踝是人体中承重最大的一个部位，人体的绝大部分的体重都会在脚踝上产生作用，比如说在人们的生活中，不管是人们在正常的走路中，还是在弹跳运动中，这些动作主要就是依靠脚踝的屈伸进

4、行的，而老年人的脚踝是最容易发生损伤的，人们在运动中也比较容易损伤脚踝，而脚踝一旦发生损伤，就会使得人们行走困难，从而对人们的生活产生巨大的影响，而且如果长期的不能走路的话，就会造成肌肉萎缩这样严重的疾病，甚至，更严重的会造成静脉血栓1。所以说，对于脚踝来说，进行康复练习是非常重要的，对于一些运动障碍的疾病来说，早期就进行康复练习对于运动障碍的恢复是非常有好处的，不仅仅能够促进身体的恢复，还能够促进静脉中血液的流动，使得身体越来越健康。对于脚踝的康复训练可以利用一些医疗器械，促进脚踝的自主运动，并增强脚踝的柔韧性，以及增加脚踝之间的协调性，主要就是以自主运动为主要的训练方法，而以被动的辅助性的

5、运动为次要的方式，通过对脚踝运动的刺激，能够使得脚踝的肌肉群更加的发达，并产生柔韧性，对于脚踝的下次损伤也有一定的预防的作用2-4。而目前来说，对于脚踝的训练还是以人工为主，就是通过支付昂贵的训练成本来请专业的康复训练师来进行训练，而这种训练方式除了会增加较高的费用之外，还会有一些缺点，比如不能够对康复训练实现强度较高的训练，而且不能够实现多次的重复性的训练，对于训练也无法进行完全针对性的练习，对于训练成效也不能进行在线的实时的监控，而只能依靠训练师的主观的判断，此外，目前市场上的脚踝康复训练机械大都是需要较多的人为的参与，而且，功能也较少，所以对于研制一套综合性的、先进的脚踝训练机还是非常具

6、有现实意义的，并且还会具有较为广阔的市场前景，还能够大大的降低康复训练的成本。淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 2 页 共 33 页1.21.2 踝泵运动的定义及优点踝泵运动的定义及优点踝泵运动，就是通过踝关节的运动，像泵一样促进下肢血液循环和淋巴回流。踝泵运动是下肢骨折功能锻炼最简便、有效的训练方法，主要通过踝关节的活动带动下肢肌肉收缩，加快血液回流，促进肿胀消除及肢体功能康复；术后早期的踝泵训练能使高凝状态的血液流动增快6。1.1.3 3 论文主要工作论文主要工作 （1）通过查阅资料，分析了脚踝康复机的研究背景与研究意义，并介绍了脚踝康复机目前的研究概况。

7、 （2）进行脚踝运动机控制系统的方案设计，并进行主要控制器的选型。 （3） 对 PLC 进行了详细的介绍，给出了 PLC 的两种定义，以及 PLC 的主要功能还有主要特点，并给出了 PLC 的硬件组成，以及 PLC 的工作原理。 （4） 对脚踝运动机控制系统进行硬件设计与选型，详细介绍了脚踝运动机控制系统中 PLC 的选型，以及 I/O 地址分配。 （5） 给出了脚踝运动机控制系统设计的流程图，然后给出了系统接线图以及人机界面的组态图。1.1.4 4 本章总结本章总结 本章为脚踝运动机控制系统的绪论部分，首先介绍了本课题踝泵运动机的背景以及本课题关于脚踝运动机的研究意义，接着介绍了脚踝运动机控

8、制系统的发展概况，最后介绍了本设计的主要工作。淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 3 页 共 33 页2 2 踝泵运动机控制系统概述及方案选择踝泵运动机控制系统概述及方案选择2 2.1.1 踝关节运动模型分析踝关节运动模型分析2.1.1 踝关节运动分析在人体进行运动的过程中，踝关节扮演着非常重要的角色，而几乎所有的运动都可以分解为几个基本的动作:背屈/跖屈、外翻/内翻、外旋/内旋，如图 2.1 所示从左至右依次为：背屈、跖屈、外翻、内翻、外旋/内旋图 2. 1 脚踝运动示意图脚踝的几个基本运动的运动范围，如表 2.1 所示: 表 2.1 脚踝基本运动的运动范围脚

9、踝基本动作背屈跖屈外翻内翻外旋内旋运动范围020045550200102.1.2 踝关节康复运动的简化模型 从上述中关于踝关节的主要运动可以知道踝关节在运动过程中的几个主要的动作，而对脚踝关节进行康复运动的时候，也是需要重复这几个动作，也就是对踝关节进行跖屈，背屈，外翻，内翻，内旋，外旋运动，而一些更复杂的康复运动都可以以这几个运动形式进行组合，在进行脚踝运动模型简化的时候，可以将这几个运动简化为 XYZ 三个坐标轴的转动，以及沿着各个轴线的移动。如图 2.2 所示：淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 4 页 共 33 页 图 2.2 踝关节运动模型图 a:跖屈

10、 图 c:内旋 图 e ：内翻 图 b:背屈 图 d ：外旋 图 f ：外翻图 2.3 踝关节三种基本运动和幅度在上图中，YZ 轴的平面的运动定义为绕着 X 轴转动的背屈跖屈这两个运动，跖屈范围为 0 到 45，背屈范围为20到 0；而 XY 面为横向的平面，这个平面的050图 a：背伸45淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 5 页 共 33 页运动绕着 Z 轴进行转动，或者沿着 Z 轴进行移动，这就是内旋外旋运动，内旋范围为 0 到 10，外旋范围为-20到 0；而对于 ZX 平面，这个平面的运动绕着 Y 轴转动，主要做内翻外翻的动作，内翻外翻都小于 5设计时

11、可依靠固定脚踝的弹性绷带予以少度的偏转。为了方便设计，可以将每一种运动幅度取为 20。踝关节三种基本运动和幅度如图 2.3 所示：2.2.2 2 工作模式及轨迹控制工作模式及轨迹控制根据踝泵运动的动作，为达到对踝关节充分训练的目的，踝泵运动机需要三种工作模式，一是针对踝关节主要的运动方式背伸和跖屈进行训练，二是针对踝关节综合运动进行训练，具体模式如下：模式一：屈伸动作。训练针对人体踝关节主要的运动方式，背屈和跖屈。其中动作组数及每组次数均可调节。模式二：左脚环绕。训练针对人体踝关节各种基本运动的综合。其中动作组数及每组次数均可调节。模式二：右脚环绕。训练针对人体踝关节各种基本运动的综合。2.3

12、2.3 踝泵运动机医学参数踝泵运动机医学参数明确脚踝康复医学参数是完成设计任务的前提和保证。本康复机适用于脚踝康复初期使用，通过模仿理疗医师对患者手动完成背屈、跖屈和脚踝康复环绕运动，促进患者脚部血液循环，减轻疼痛，防止组织坏死，并起到预防深静脉血栓的作用。具体医学参数如下：（1）背屈的角度 20，跖屈的角度 45。（2）内旋的角度 20，外旋的角度 10。（3）要求完成一次背屈和跖屈的时间在 40 秒，完成一次环绕运动的时间在 2分钟。（4）腿部、小腿和护具使用弹力绷带固。2.42.4 本章小结本章小结本章为踝泵运动机的控制系统方案设计，首先介绍了脚踝运动的主要动作的解淮淮阴阴工工学学院院毕

13、毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 6 页 共 33 页析，然后对于解析出来的动作进行模型简化，确定了踝泵运动机的工作模式及轨迹控制。最后分析了踝泵运动机的医学参数3 3 踝泵运动机机械部分踝泵运动机机械部分3.13.1 踝泵运动机的机械组成踝泵运动机的机械组成此机构的工作原理是将电机的旋转运动转换为滑块的移动，再将移动转换为执行机构的摆动，其动作原理为：减速步进电机 11 在驱动器的驱动下带动丝杆 10 的旋转，从而使滑块组件 9 来回移动，安装在组件上的小球 8 也随之一起运动，带动连杆 1 的前后左右摆动，以此实现汇交的两轴在规定的角度内摆动，来达到脚踝康复环绕运动的目的。汇交

14、的两轴中心正好位于脚踝踝关节中心，从而也满足了设计的要求。连杆 1 与垂直轴组件 4 刚性连接，连杆 1 在外力的作用下左右摆动，带动垂直轴组件 4 左右摆动并使前后摆动框在垂直组件 4 的外力作用下前后摆动，两者复合运动便组成脚踝康复环绕运动。1.连杆 2.支座 3.额状轴组件 4.垂直轴组件 5.光轴座 6.带座轴承 7.短轴8.小球 9.滑块组件 10.丝杆 11.减速步进电机图 3.1 踝泵运动机机械结构图淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 7 页 共 33 页3.23.2 踝泵运动机运动的实现踝泵运动机运动的实现要达到设计的三种踝泵运动训练模式，需要研

15、究对脚的轨迹控制，脚步机构的动作是有步进电机带动的丝杆滑台的运动来控制的，实质上转化为对丝杆滑台的控制。步进电机转过一周，对应的丝杆转过一周，滑台移动一个导程（L），通过改变脉冲频率 f 来改变步进电机的转速，从而改变滑台的移动速度；改变脉冲周期数来控制步进电机转过的圈数，来控制滑台的移动距离9。3.33.3 医学参数的实现医学参数的实现踝泵运动机应根据医疗训练要求，具有很好的柔性，可根据每位患者的训练程度不同，设定不同的参数。这样就能适用范围更广，使康复疗效做到最佳。本踝泵运动机需要调节的主要参数有角度、运动速度、运行次数、间隔停顿时间等。（1）角度 步进电机是将脉冲信号转化成角位移的执行机

16、构：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。踝泵运动机的角度可以通过脉冲信号来实现控制。（2）运行速度 当步进电机的步距角确定后，转速 n 可表达为：式中 n6fn电机转速；步距角；f脉冲频率。输入的脉冲频率越高，步进电机的转速越高，可以通过控制步进电机的脉冲频率来得到相应的转速。则对应的滑台移动速度为：；式中 v滑台移动速度；L丝杆导程；通过改变脉冲频率即可6/fLnLv改变滑台移动速度，若加入减速器，则滑台速度为：；k减速比。所以运行kvv 1速度可以通过改变脉冲频率来实现。（3）运行次数 踝泵

17、运动机的运行次数可以通过触摸屏进行参数设置，由控制器程序负责实现运行次数的控制。（4）间隔停顿时间 通过控制系统程序来控制步进电机以实现对间隔停顿时间的控制。3.43.4 数据参数输入方式选型数据参数输入方式选型常见的参数输入方式有键盘和触摸屏，下面将分别展示两者特点，并进行输入元件淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 8 页 共 33 页选型3.4.1 触摸屏输入的特点（1）触摸屏是绝对坐标系统,要选哪就直接点那，与鼠标这类相对定位系统的本质区别是一次到位的直观性。绝对坐标系的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系，触摸屏在物理上是一套独立的坐标定位系统，

18、每次触摸的数据通过校准数据转为屏幕上的坐标。（2）触摸屏是直接输入，接口很多，操作界面和输出界面在一起，参数交换速度快。3.4.2 键盘输入的特点（1）键盘输入接口需要与计算机相连，限制了控制器的选型（2）操作界面和输出界面分开，参数交换较慢本文选用的是触摸屏作为参数输入，因为他交换速度快，输入准确，符合本设计的需求3.53.5 电机的选择电机的选择常见的电机有普通电机、步进电机、伺服电机。下面将分别比较步进电机、普通电机，步进电机、伺服电机间的特点3.5.1 步进电机与普通电机的比较 （1）步进电机属于位置控制 普通电机一般都是速度控制 两者的控制方式不一样。位置控制就是说你可以设定要求你的

19、电机转多少度（一圈 360 度），速度控制就是说你的电机是多少转/分钟。（2）步进电机转速低，普通电机属于转速高。 （3）步进运行精度高、控制特性好，以脉冲方式工作，每接收到一个或几个脉冲，电机的转子就移动一个位置，移动的距离可以很小。3.5.2 步进电机与伺服电机的比较（1）控制精度不同。步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越高，伺服电机取块于自带的编码器，编码器的刻度越多，精度就越高。淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 9 页 共 33 页（2）低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载

20、起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。（3）步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000RPM 或 3000RPM） 以内都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但考虑控制要求、成本等多方面的因素，本设计采用步进电机作为控制电机。3.63.6 踝泵运动机主控制器方案论述

21、踝泵运动机主控制器方案论述在进行踝泵运动机控制系统的设计中，有许多种方式能够进行选择，常规的控制器有继电器-接触器、单片机、PLC,理论上说都能达到设计的目的，但是在这三种方案中选择一条经济可靠的控制方案，下面进行 PLC 与继电器-接触器控制方案、单片机控制方案进行比较。3.6.1 PLC 与继电器-接触器方案比较 （1）控制逻辑方面 PLC 的控制逻辑全部在 PLC 器件内部完成的，就是通过编程就能够完成所有的控制逻辑，而不需要复杂的接线，而且，一旦控制逻辑发生变化，只要简单的修改程序即可，而不需要再次更改硬件连线，这就能看出 PLC 控制的灵活性，而相反的，继电器-接触器的控制逻辑全部是

22、通过硬件连线完成的，并且连线复杂，就增加了系统的不稳定性，一旦需要更改控制逻辑就需要从新进行接线，所以这种方式扩展性能非常差，而且不够灵活。（2）控制速度继电器-接触器的控制过程中，在执行控制命令的时候，都是采用接触点的开闭淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 10 页 共 33 页来实现的，一个打开或者关闭的动作需要几十个毫秒，而且，硬件连线越多，各个接触点动作就会越慢，这 PLC 则不然，PLC 是采用软件来控制半导体电路进行执行开关动作的，一次开关动作只需要几个微秒就可以，控制速度上，明显改善。（3）定时控制方式在定时控制方式上，二者明显不同，继电器-接触器

23、的定时方式是采用时间继电器来完成的，时间继电器的定时精度不高，而且还会受到环境的影响而导致定时不准，PLC 的定时则是软件来实现的，所有的定时基准都是通过晶体振荡器来实现的，所以，定时精度高，受环境影响小。（4）维护性继电器-接触器控制方式需要许多硬件的连线来实现控制的逻辑，这样就大大降低了系统的可靠性，而且许多的连线也造成了系统不容易维护，而 PLC 全部有软件完成，并且 PLC 还有自诊断、自监视功能，能够大大方便系统的调试。3.6.2 PLC 与单片机控制方案比较 （1）编程难度高 单片机的编程采用 C 语言或者汇编语言进行编程，需要专业的软件知识与硬件领域的知识，而且 C 语言变化灵活

24、，PLC 的编程方式是采用梯形图进行编程的，在 PLC 编程的设计中，正是考虑了利用工程人员很容易理解的图形进行编程，而对梯形图，软件能够自动的编译成汇编语言，这样在编程方式上，就变的非常容易上手。（2）设计复杂单片机控制系统的设计中，单片机的外围设备需要进行复杂的设计才能满足要求，比如 IO 口的驱动能力不足等问题，而 PLC 则设计的非常巧妙，只需要连接电源，连接好输入输出口，就能满足设计的要求，因为 PLC 的所有 IO 口都有一定的驱动能力，这就大大简化了系统的设计。（3）稳定性不高单片机最大的缺点就是稳定性不如 PLC，在工业现场中，环境非常复杂，所以难免会遇到干扰情况，这就需要设计

25、的控制系统具有很强的抗干扰能力，单片机在这方面就大大逊色，而 PLC 专门设计了抗干扰措施，使得 PLC 的稳定性、抗干扰能力都大大提升10-13。淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 11 页 共 33 页通过上述几种方案的比较，可以得出结论，本设计采用 PLC 进行设计是非常合适的，是能够满足工业的稳定性、抗干扰性能的要求的。3.6.3 PLC 的主要特点PLC 是主要应用在工业领域的控制器，其主要特点如下： （1）可靠性高，抗干扰能力强 由于 PLC 主要应用在工业领域，所以其设计之初就考虑了把可靠性作为 PLC 设计的首要目标，并考虑复杂的工业环境，所以，

26、PLC 一般还具有很强的抗干扰能力。 （2）编程灵活，通用性强 在 PLC 的应用环境中，与其配套的硬件设施也非常的完善，不同性能的 PLC 可以搭配不同的硬件设备，一旦确定好某个生产过程的硬件，如果需要更改生产流程，一般无需更换硬件，只要进行编程的更新即可，所以 PLC 的通用性非常的强（3）功能强，适应面广 目前的 PLC 控制器功能越来越强大，不仅仅满足定时、逻辑控制等功能，还能够进行模拟量的运算，各个 PLC 之间或者 PLC 与电脑之间的通信，还有很好的人机交互界面。（4）编程非常简单 现在的 PLC 的编程方式还是进行梯形图的编程，梯形图编程非常的简单、直观、清晰，3.73.7 总

27、体控制方案总体控制方案基于对脚踝训练原理分析，在已经设计好的两轴交汇机械结构的基础上，结合自己所学专业知识，提出踝泵运动机的控制总体方案。控制方案是以 PLC 为控制核心，上位机为监控及输入装置，接近开关传感器为信号元件，两台步进电机和丝杆螺母副滑台为被控对象。两丝杆滑台正交布置，PLC 通过控制步进电机带动丝杆上的滑台做直线运动，从而带动两轴交汇结构的摆动，两步进电机同时动作可以实现汇交的两轴在规定的角度内摆动，来达到脚踝康复环绕运动的目的。控制系统的难点在于对滑台的轨迹控制。总体方案构成如图 3.2 所示：淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 12 页 共 3

28、3 页PLC 步进电机驱动器1触摸屏电源模块步进电机驱动器2步进电机1+丝杆滑台1步进电机2+丝杆滑台2图 3.2 总体控制方案构成3.83.8 本章总结本章总结本章先介绍了踝泵运动机的机械组成，然后对电机、参数输出方式进行了比较选择，接着进行了踝泵运动机的控制系统的方案选择，在此方案选择中，首先介绍了继电器-接触器控制方案的特点，然后介绍了单片机控制系统的优缺点，然后介绍了 PLC 进行踝泵运动机控制的特点，最终选择 PLC 作为本设计的主要处理器。最后给出了总体控制方案。4 4 踝泵运动机控制系统硬件设计与选型踝泵运动机控制系统硬件设计与选型4.14.1 触摸屏选型触摸屏选型对于人机交互的

29、界面来说，能够实现一些基本的功能，比如，实现信息的显示，以及数据的输入，能对画面数据进行存储，还能够方便的与控制器进行通信，并且需要性价比比较高，选择一个价格合适的触摸屏，本设计正是通过这些选型的原则选择了台达公司生产的 DOP-B07S411 触摸屏，如图 4.1 所示：淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 13 页 共 33 页图 4.1 台达 DOP-B07S411 触摸屏 这种触摸屏能够采用 RS-485 通信方式与 PLC 直接相连，而且这种触摸屏能够很好的兼容西门子 S7-200，分辨率为 800600 像素，4.4.2 2 步进电机与驱动器选型步进电

30、机与驱动器选型4.2.1 步进电机选型所谓的步进电机就是能够将控制器发出的一定的脉冲信号能够转变为角位移进行输出的装置，一般情况下，步进电机接收到控制器发来一个脉冲信号，就能够前进一定的角度，这个固定的最小的角度就是步距角，也就是说步进电机的位移量是与控制器的脉冲的数量成正比的，而步进电机运动的速度是与控制器发出脉冲的频率成正比的，这样就可以通过控制器的输出脉冲数来精确的控制步进电机的位移，而通过控制脉冲的频率，就可以控制步进电机的速度，还可以控制其加速度，而电机的旋转方向是通过改变其通电顺序来实现的13。步进电机主要特点：（1）步进电机由电脉冲严格控制，输入的电脉冲的脉冲频率和脉冲数量与步进

31、电机的转速和转过的角度成正比，几乎不会有累积误差。（2）在停止电脉冲的输入的时候，如果继续保持步进电机的绕组不变，那么电机就停在某个位置上固定不动。（3）步进电机的旋转方向可以由绕组的通电顺序决定。（4）步进电机本身的缺点是效率低，拖动负载的能力不大，脉冲当量即步距角不易过大，速度的调节范围也不大，输入的最高的脉冲频率一般不要超过 18HZ。本设计中的步进电机的型号选为 42BYG250C，这种步进电机的详细的参数如表 4.2所示：表 4.1Y2IP54 三相异步电机主要技术参数淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 14 页 共 33 页型号42BYG250C相数

32、2步距角（0）0.9/1.8电压(V)24VDC电流(A)1.5保持转矩(N.m)0.54定位转矩(N.m)0.025空载频率(KHZ)1.5转动惯量（g.cm2）82相电阻（）2重量（KG）0.36图 4.2 步进电机：42BYG250C4.2.2 步进电机驱动器选型本设计对于步进电机的驱动部分选择 THB7128，这种驱动器能够驱动两相步进电机，还可以对电机的转动方向进行控制，该驱动器的接口利用高速光耦进行了隔离，具体的参数如表 4.3 所示：表 4.2 步进电机驱动器的参数输入电压9-32V，推荐使用 24V输入电流推荐使用开关电源功率 24V/3A输出电流0.5-3.0A最大功率72W

33、细分1、2、4、8、16温度工作温度-1045；存放温度-4070淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 15 页 共 33 页湿度不能结露，不能有水珠气体禁止有可燃气体和导电灰尘 重量0.15 千克步进电机驱动器实物如图 4.2 所示：图 4.3 步进电机驱动器驱动器接线如图 4.4 所示： 图 4.4 驱动器接线淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 16 页 共 33 页4.4.3 3 PLCPLC 选型选型4.3.1 输入输出(I/0)点数的估算 在进行 PLC 的选型中，I/O 点数是非常重要的一个数据，在 I/O 点数的确定中

34、，应该以项目中所有的点数为参考进行选择，通常情况下，应该为项目的扩展留有足够的 I/O 余量，通常根据项目总所有的点数之外，还要加上 10%-20%的余量进行设计，这样就可以确定 PLC 的大概的点数。3.3.2 PLC 存储器容量的估算PLC 器件的存储器的容量就是能够存储数据与程序的大小空间，PLC 器件的存储容量各不不同，所有的 PLC 的参数都能从 PLC 的说明手册里查到，比如西门子的S7-314 PLC，这种 PLC 的用户程序存储容量为 64KB，S7-315-2DP PLC 的用户程序存储容量为 128KB。在存储器的选择时，需要对程序的容量进行估算，估算程序容量，许多文献资料

35、中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数的 1015 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数(16 位为一个字)，另外再按此数的25考虑余量。4.3.3 PLC 机型的选择在 PLC 机型的选择上，有整体型的 PLC，还有模块型的 PLC，这两种形式的 PLC各有优劣。一般来说，整体型的 PLC 由于不能拆卸与扩展，所以 I/O 点数有限，并且一定型号的 PLC 的 I/O 点数是固定的，这种 PLC 主要用在小型的控制系统中，比如西门子公司的 S7-200 系列、三菱公司的 FX 系列、欧姆龙公司的 CPM1A 系列等。而模块型的 PLC 则不然，因为是各个

36、模块分别可以插接的，所以扩展非常方便，并且用户能够根据项目灵活的选择 I/O 点数，这样的 PLC 多用在大型的控制系统中。在进行 PLC 的选型时，经济型也是需要考虑的重要方面，随着输入输出点数的增加，PLC 的存储器容量，功能都会相应的增加，这也就无形的增大了 PLC 器件的价格，增加了项目成本，所以，在进行 PLC 选型时，需要充分考虑项目的经济情况，本设计自动门控制系统设计，所需输入输出点数有限，并且对成本敏感，所以，需要选择整体性 PLC19。淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 17 页 共 33 页S7-200 有 CPU224 和 CPU224XP

37、 两种，I/O 点数均能满足，用户的存储容量也能满足条件。两者的主要区别在于（1）CPU224XP 本体上有两个 RS-485 通信接口，而CPU224 上只有一个 RS-485 通信接口；（2）CPU224XP 的脉冲输出频率可达100kHz，CPU224 为 20kHz；综合以上考虑，本设计选择 PLC 型号为西门子 S7-200 CPU224xp 进行自动门控制系统的设计，其中之所以选择 xp 是因为传动比算出的频率超过 20kHz，S7-200 CPU224xp 的 PLC 参数如表 4.3 所示：表 4-3 S7 200 cpu224xp 的参数表型号s7-200 cpu224xp供

38、电电压直流 24VI/O 点数14 DI/10 DO数据存储区10KB程序执行时间0.22um脉冲输出2100kHz通讯接口2RS-485高速计数器430kHz2100kHz实时时钟内置4.44.4 其他器件选型其他器件选型在进行其他的元器件的选型中，主要考虑就是尽量的降低成本，并且方便后续的维护，而且尽量采用的是各个模块都兼容的型号，具体的各个元器件的型号如表4.4 所示：表 4.4 各型号元器件序号名称型号数量1PLCs7-200 cpu224xpDC/DC/DC12步进电机42BYG250C23步进电机驱动器THB71282淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文）

39、第 18 页 共 33 页4减速器M80GX/减速比 1：1725开关电源S-100-2416急停按钮AD16 LA16-11ZS17光电传感器LJ12A3-4-Z/BX68丝杆M8导程 L=824.54.5 踝泵运动机踝泵运动机的接线图设计的接线图设计踝泵运动机控制原理接线图如图 4.5 所示：淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 19 页 共 33 页S7-200 PLC1MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.51LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7L+MSQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6X轴中心检测Y轴中心检测X轴左

40、限位X轴右限位Y轴左限位Y轴右限位+24VDC0VDC驱动器1PUL+PUL-DIR+DIR-ENA+ENA-V+GNDA+A-B+B-驱动器2PUL+PUL-DIR+DIR-ENA+ENA-V+GNDA+A-B+B-+24VDC0VDCKA1KA2+24VDC0VDC+24VDC0VDC+24VDC0VDCKA1KA2M步进电机1M步进电机2台达触摸屏+24VDC0VDC 图 4.5 踝泵运动机控制原理接线图淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 20 页 共 33 页5 5 踝泵运动机触摸屏系统设计踝泵运动机触摸屏系统设计5.15.1 DOP-SoftDOP-S

41、oft 软件的使用方法软件的使用方法（1）打开软件打开软件 DOP-Soft。如下图 5.1 所示：图 5.1DOP-Soft 软件打开界面（2）创建画面在文件下拉菜单中选择新建画面，在这个界面中需要选择触摸屏的型号，本设计中选择的是 B07S411，设置画面的名称，其它的选择默认进入通讯设定界面，由于本设计使用的 PLC 是 s7-200 cpu224xp，在这个界面中控制器选择西门子的 S7-200，其余的选择默认，点击完成设置（3）画面属性编辑按照以上步骤设定，新建画面完成，进入画面编辑界面，如图 5.2 所示：在画面编辑界面，可以设置画面的属性，在右侧画面属性视窗中可以设置画面的名称、

42、背景颜色以及画面的进阶属性（本设计不需要），点击下一步21-23。淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 21 页 共 33 页图 5.2 画面编辑界面（4）编辑画面内容触摸屏软件提供了丰富的按钮、数值输入、数值显示、指示灯、图表等丰富的软元件，下面以新建一个启动按钮为例，说明编辑画面内容的方法，其他的编程画面都类似。在按钮下拉菜单中选择，交替型的按钮，拖入画面 1 中。 双击拖入按钮，进入属性界面，在属性界面中，可以编辑文字显示，表示按钮的含义，这里写入“启动”，最重要的是在存储地址和读取地址中填入需要的地址，就可以控制地址的接通与断开。输入 M0.0，当按钮按下

43、时，程序中的 M0.0 接通，松开时 M0.0 断开。 点击完成，其他画面内容编辑均照此，如图 5.3 所示：图 5.3 按钮编辑完成界面淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 22 页 共 33 页5.25.2 踝泵运动机的触摸屏画面设计踝泵运动机的触摸屏画面设计本设计采用了台达公司的 DOPSoft 来进行本设计的界面设计，本设计的主要设计过程如下所示： (1)主画面:主画面为状态显示画面，显示运行模式，记录运行次数。分别显示本次运行需要运行的组数及每组次数，已经完成的组数及每组完成的次数；两个指示灯可显示正在运行和复位正在运行，本踝泵运动机为保证运行的位置准确

44、，在运行程序前要保证滑块的位置停在原点，所以在上电后/使用设备前要先进行复位，如图 5.4 所示：图 5.4 状态显示 （3）参数设置画面。根据不同患者的不同康复训练需要，需要设置不同的有针对性的参数。本踝泵运动机需要调节的主要参数有角度、运动速度、运行次数、间隔停顿时间等。具体画面如图 5.5 所示：角度调节 为了各个运动都不超出脚踝承受范围，需要对角度进行调整如图 5.5 a 所示：淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 23 页 共 33 页a 角度调节速度调节 速度调节界面如图 5.5 b 所示：b 速度调节运行次数调节 每个模式下的运动组数和次数可调。：可

45、以设定每组模式下的组数及每组次数，并且其次数均可以通过按钮调节；当踝泵运动机的位置超出极限位置时，可在此画面选择手动位置调节按钮，进行手动调节位置；可根据患者的实际情况，设置适合患者的参数，可以选择参数调节按钮，进行参数调整；选择模式完成后，可以电机启动按钮，程序即会运行，停止按钮会停止程序，复位按钮用于重新定位如图图 5.5 c 所示： 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 24 页 共 33 页c 运行次数时间间隔停顿 时间间隔停顿设置画面如图 5.5 d 所示：d 间隔时间停顿 （4）使用说明画面：说明本系统运行的方法。如图图 5.6 所示：淮淮阴阴工工学学

46、院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 25 页 共 33 页图 5.6 使用说明界面6 6 PLCPLC 程序设计程序设计6.16.1 PLCPLC 程序设计的基本原则程序设计的基本原则在 PLC 控制系统的设计中，设计的过程中需要遵循许多的原则，但是比较基本的原则如下所示： (1)可靠性原则在 PLC 控制系统的设计中，最重要的一点就是需要确保系统是可靠的，这是最先被满足的原则。(2)完整性原则在 PLC 控制系统的设计中，需要尽量的考虑设计要求，在设计时，在满足稳定性、可靠性的前提下，另一个非常重要的一点就是需要尽可能的满足控制要求。(3)经济型原则在 PLC 控制系统的设计

47、中，除了满足稳定性的原则、完整性原则，还有一个就是需要尽可能的降低成本，尽量使得控制系统结构简单，费用低。(4)发展性原则在 PLC 控制系统的设计中，还应该考虑工程的扩展性能，就是需要满足工业中工艺改进的要求，这就需要在设计时，留有足够余量的 I/O 口以及选择合适的 PLC 器件。6.26.2 控制运行要求控制运行要求（1）有三种模式可选，在进行每组模式训练前先要进行复位动作；（2）开始运行后要先有预热运动，以便患者能够先适应本次的康复训练；（3）有很好的柔性，淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 26 页 共 33 页其中运动的组数及每组次数、运行间隔时间、

48、运动速度、角度等均可调；（4）按下停止按钮可停止本次训练，下次使用前需要先复位；（5）本设计默认的速度为，做完一组背屈与跖屈动作需要 40 秒，完成一个环绕动作需要两分钟；（6）当位置超程时会有报警提示，滑块在极限位置外时，可以选择手动调节。本设计采用了子程序调用思想，将一个将复杂系统划分成多个模块进行设计的思想使程序结构更加清晰、合理，同时也有利于每个模块单独调试和各程序模块的整合。PLC 控制程序使用 STEP 7-Micro/WIN 编程软件编程，具体流程如图 6.1 所示开始复位左脚环绕停止达到每组次数？停顿计时达到每组次数？循环次数加1达到每组次数？右脚环绕停止/急停达到每组次数？停

49、顿计时达到每组次数？循环次数加1达到每组次数？屈伸动作达到每组次数？停顿计时达到每组次数？循环次数加1达到每组次数？NNNYNNNNNNYYYYYYYY图 6.1 PLC 程序设计流程图6.36.3 系统的系统的 I/OI/O 地址分配地址分配对踝泵运动机控制系统设计中，进行 I/O 地址分配是进行后续编程的第一步，在选型之后，就要进行 I/O 地址的分配工作，本设计的 PLC 控制系统的 I/O 地址分配表如表 6.1 所示：淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 27 页 共 33 页表 6.1 I/O 地址分配表序号地址连接元件注释1I0.0传感器 1X 轴中

50、心检测2I0.1传感器 2Y 轴中心检测3I0.2传感器 3X 轴左限位4I0.3传感器 4X 轴右限位5I0.4传感器 5Y 轴左限位6I0.5传感器 6Y 轴右限位7I0.6继电器 1选择左脚8I0.7继电器 2选择右脚9I1.0急停按钮急停10O0.0电机 1电机 1 脉冲信号11O0.1电机 2电机 2 脉冲信号12O0.2电机 1电机 1 方向信号13O0.3电机 2电机 2 方向信号6.46.4 本章小结本章小结本章进行了 PLC 的程序设计，先介绍了 PLC 程序设计的基本原则，接着分析了控制运行要求，最后进行了 I/O 分配。7 7 系统安装与调试系统安装与调试7.17.1 硬

51、件接线硬件接线（1）首先观察各个元器件的明细，检测元件是否充足，然后借助于万用表来检测各个元件的常开触点是否发生损坏，或者常闭触点以及各个线圈是否损坏。（2）进行布线，查看各个导线的绝缘是否完好，以及导线的截面积是否正确。7.27.2 调试调试(1）通电前检查1各个元器件的代号、标志是否与原理上的一致，是否齐全。淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 28 页 共 33 页2各个安全保护措施是否安全可靠。3控制电路是否满足原理图所要求的各种功能。4各个电气元件安装是否正确和牢靠。5各个接线端子是否连接牢固。6布线是否符合要求、分布是否整齐。7各个按钮、光标按钮和各种

52、电路绝缘导线是否符合要求。8保护电路导线连接是否正确、牢固可靠。9电气绝缘电阻是否符合要求。(2)通电试验在进行通电的时候，首先应该检查各个系统的电源是不是正确连接相对应的端子，而且，开始上电，检查各个器件的温升情况，如果一旦发生温度升高过快，就需要立即断电，再一次检测。(3)PLC 程序调试调试包括 PLC 程序调试和触摸屏画面程序调试，本系统 PLC 程序分多个模块，故调试也需分模块调试，验证每个模块的正确性，再验证整体程序的正确性，主要包括一下几个方面：（1）I/O 点确认。根据设计的 I/O 分配表，逐个确认。（2）分块程序调试。通过程序设置将不同功能部分分开调试，修改程序，使得程序运

53、行功能符合要求。（3）整体程序调试。根据脚踝康复机的功能要求，调试整个程序。确保各个功能模块互不影响。7 7. .3 3 本章小结本章小结本章为踝泵运动机是 PLC 程序的调试，需要分别对各个模块进行调试，并最后对整体模块进行调试。淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 29 页 共 33 页8 8. . 结结论论8 8.1.1 结结论论 本文为踝泵运动机的控制系统设计，我首先了解了本课题脚踝运动机的背景以及本课题关于脚踝运动机的研究意义，接着查阅了脚踝运动机控制系统的发展概况，最后明确了本设计的主要工作。 （1）设计踝泵运动机的控制系统方案。先介绍了脚踝运动的主要

54、动作的解析，然后对于解析出来的动作进行模型简化，并给出了踝泵运动机的控制系统原理框图，接着进行了踝泵运动机的控制系统的方案选择，在此方案选择中，首先介绍了继电器-接触器控制方案的特点，然后介绍了单片机控制系统的优缺点，然后介绍了 PLC进行踝泵运动机控制的特点，最终选择 PLC 作为本设计的主要处理器。（2）完成了踝泵运动机的控制系统的硬件设计与选型。先介绍了 PLC 控制系统的工作环境，然后进行了 I/O 点数的估算，接着进行了 PLC 存储器容量的估算以及PLC 机型的选择，接下来给出了步进电机的原理与选型，以及步进电机驱动器的原理与选型，接着是触摸屏的选型，并给出了各个元器件的选型参数，

55、接着对踝泵运动机的控制系统 I/O 地址进行分配，然后给出了然后是踝泵运动机的控制原理的接线图，然后是踝泵运动机的 IO 端子的接线图。（3）进行踝泵运动机的控制系统的软件设计。先给出了踝泵运动机的整体的软件流程图的设计，并对于该流程图进行了简要的描述，然后是触摸屏的画面设计部分，并分别给出了各个主要部分的界面，比如状态的显示界面，以及模式的选择界面等，最后是系统的安装与调试部分，首先就是系统的硬件连线部分，接下来就是系统的调试部分，首先就是通电前的检查工作，并进行上电检测，观察测试的结果，最后是 PLC 程序的调试，需要分别对各个模块进行调试，并最后对整体模块进行调试。淮淮阴阴工工学学院院毕

56、毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 30 页 共 33 页致 谢本设计在我们殷永华老师的指导下顺利的完成，并且殷老师对我们的设计要求非常的严格，不管是在论文的选题阶段，还是论文的设计阶段，都包含着老师的心血，在我的论文写作阶段，出现了很多的问题，老师都会根据我们的问题进行逐一的解答，并提出了非常好的建议与意见，在专业问题上，老师的功劳是功不可没的，老师教学严谨，工作认真，对我们的完成论文的写作具有非常重要的指导性。在此我们的论文完成阶段，对我们的指导老师表示非常真诚的诚恳的感谢。在接近毕业的这段时间里，我还要向教授我知识的老师们致以感谢，感谢这些老师对我的栽培与培养，没有你们就没有我的现在，更没有我的未来，谢谢这些认真的老师对我的培养，让我在专业知识上与做人的道路上能够走出更好的一步，对这些默默奉献的老师表示感谢。经过很多次的修改，毕业设计的论文工作总算告一段落，但是，由于认识的