淮陰工學院畢業(yè)設計說明書（論文）第Ⅱ頁共Ⅱ頁淮陰工學院畢業(yè)設計說明書（論文）第Ⅰ頁共Ⅱ頁目錄199801緒論1113071.1課題背景與研究意義頁1緒論1.1課題背景與研究意義隨著人們的生活水平的提高，以及生活節(jié)奏的變快，人口老齡化也成為了一個不可避免的問題，而且汽車的增多也加大了交通事故的發(fā)生率，不管是老人還是發(fā)生交通事故，都會導致這些人群的肢體在運動上非常的不方便，而腳踝是人體中承重最大的一個部位，人體的絕大部分的體重都會在腳踝上產生作用，比如說在人們的生活中，不管是人們在正常的走路中，還是在彈跳運動中，這些動作主要就是依靠腳踝的屈伸進行的，而老年人的腳踝是最容易發(fā)生損傷的，人們在運動中也比較容易損傷腳踝，而腳踝一旦發(fā)生損傷，就會使得人們行走困難，從而對人們的生活產生巨大的影響，而且如果長期的不能走路的話，就會造成肌肉萎縮這樣嚴重的疾病，甚至，更嚴重的會造成靜脈血栓[1]。所以說，對于腳踝來說，進行康復練習是非常重要的，對于一些運動障礙的疾病來說，早期就進行康復練習對于運動障礙的恢復是非常有好處的，不僅僅能夠促進身體的恢復，還能夠促進靜脈中血液的流動，使得身體越來越健康。對于腳踝的康復訓練可以利用一些醫(yī)療器械，促進腳踝的自主運動，并增強腳踝的柔韌性，以及增加腳踝之間的協(xié)調性，主要就是以自主運動為主要的訓練方法，而以被動的輔助性的運動為次要的方式，通過對腳踝運動的刺激，能夠使得腳踝的肌肉群更加的發(fā)達，并產生柔韌性，對于腳踝的下次損傷也有一定的預防的作用[2-4]。而目前來說，對于腳踝的訓練還是以人工為主，就是通過支付昂貴的訓練成本來請專業(yè)的康復訓練師來進行訓練，而這種訓練方式除了會增加較高的費用之外，還會有一些缺點，比如不能夠對康復訓練實現強度較高的訓練，而且不能夠實現多次的重復性的訓練，對于訓練也無法進行完全針對性的練習，對于訓練成效也不能進行在線的實時的監(jiān)控，而只能依靠訓練師的主觀的判斷，此外，目前市場上的腳踝康復訓練機械大都是需要較多的人為的參與，而且，功能也較少，所以對于研制一套綜合性的、先進的腳踝訓練機還是非常具有現實意義的，并且還會具有較為廣闊的市場前景，還能夠大大的降低康復訓練的成本。1.2踝泵運動的定義及優(yōu)點踝泵運動，就是通過踝關節(jié)的運動，像泵一樣促進下肢血液循環(huán)和淋巴回流。踝泵運動是下肢骨折功能鍛煉最簡便、有效的訓練方法，主要通過踝關節(jié)的活動帶動下肢肌肉收縮，加快血液回流，促進腫脹消除及肢體功能康復；術后早期的踝泵訓練能使高凝狀態(tài)的血液流動增快[6]。1.3論文主要工作（1）通過查閱資料，分析了腳踝康復機的研究背景與研究意義，并介紹了腳踝康復機目前的研究概況。（2）進行腳踝運動機控制系統(tǒng)的方案設計，并進行主要控制器的選型。（3）對PLC進行了詳細的介紹，給出了PLC的兩種定義，以及PLC的主要功能還有主要特點，并給出了PLC的硬件組成，以及PLC的工作原理。（4）對腳踝運動機控制系統(tǒng)進行硬件設計與選型，詳細介紹了腳踝運動機控制系統(tǒng)中PLC的選型，以及I/O地址分配。（5）給出了腳踝運動機控制系統(tǒng)設計的流程圖，然后給出了系統(tǒng)接線圖以及人機界面的組態(tài)圖。1.4本章總結本章為腳踝運動機控制系統(tǒng)的緒論部分，首先介紹了本課題踝泵運動機的背景以及本課題關于腳踝運動機的研究意義，接著介紹了腳踝運動機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況，最后介紹了本設計的主要工作。

2踝泵運動機控制系統(tǒng)概述及方案選擇2.1踝關節(jié)運動模型分析2.1.1踝關節(jié)運動分析在人體進行運動的過程中，踝關節(jié)扮演著非常重要的角色，而幾乎所有的運動都可以分解為幾個基本的動作:背屈/跖屈、外翻/內翻、外旋/內旋，如圖2.1所示從左至右依次為：背屈、跖屈、外翻、內翻、外旋/內旋圖2.1腳踝運動示意圖腳踝的幾個基本運動的運動范圍，如表2.1所示:表2.1腳踝基本運動的運動范圍腳踝基本動作背屈跖屈外翻內翻外旋內旋運動范圍0—20°0—45°＜5°＜5°0—20°0—10°2.1.2踝關節(jié)康復運動的簡化模型從上述中關于踝關節(jié)的主要運動可以知道踝關節(jié)在運動過程中的幾個主要的動作，而對腳踝關節(jié)進行康復運動的時候，也是需要重復這幾個動作，也就是對踝關節(jié)進行跖屈，背屈，外翻，內翻，內旋，外旋運動，而一些更復雜的康復運動都可以以這幾個運動形式進行組合，在進行腳踝運動模型簡化的時候，可以將這幾個運動簡化為XYZ三個坐標軸的轉動，以及沿著各個軸線的移動。如圖2.2所示：圖2.2踝關節(jié)運動模型圖2.2踝關節(jié)運動模型圖a:跖屈圖c:內旋圖e：內翻圖b:背屈圖a：背伸45°圖d：外旋圖a：背伸45°圖2.3踝關節(jié)三種基本運動和幅度在上圖中，YZ軸的平面的運動定義為繞著X軸轉動的背屈跖屈這兩個運動，跖屈范圍為0到45°，背屈范圍為﹣20°到0°；而XY面為橫向的平面，這個平面的運動繞著Z軸進行轉動，或者沿著Z軸進行移動，這就是內旋外旋運動，內旋范圍為0到10°，外旋范圍為-20°到0；而對于ZX平面，這個平面的運動繞著Y軸轉動，主要做內翻外翻的動作，內翻外翻都小于5°設計時可依靠固定腳踝的彈性繃帶予以少度的偏轉。為了方便設計，可以將每一種運動幅度取為20°。踝關節(jié)三種基本運動和幅度如圖2.3所示：2.2工作模式及軌跡控制根據踝泵運動的動作，為達到對踝關節(jié)充分訓練的目的，踝泵運動機需要三種工作模式，一是針對踝關節(jié)主要的運動方式背伸和跖屈進行訓練，二是針對踝關節(jié)綜合運動進行訓練，具體模式如下：模式一：屈伸動作。訓練針對人體踝關節(jié)主要的運動方式，背屈和跖屈。其中動作組數及每組次數均可調節(jié)。模式二：左腳環(huán)繞。訓練針對人體踝關節(jié)各種基本運動的綜合。其中動作組數及每組次數均可調節(jié)。模式二：右腳環(huán)繞。訓練針對人體踝關節(jié)各種基本運動的綜合。2.3踝泵運動機醫(yī)學參數明確腳踝康復醫(yī)學參數是完成設計任務的前提和保證。本康復機適用于腳踝康復初期使用，通過模仿理療醫(yī)師對患者手動完成背屈、跖屈和腳踝康復環(huán)繞運動，促進患者腳部血液循環(huán)，減輕疼痛，防止組織壞死，并起到預防深靜脈血栓的作用。具體醫(yī)學參數如下：（1）背屈的角度20°，跖屈的角度45°。（2）內旋的角度20°，外旋的角度10°。（3）要求完成一次背屈和跖屈的時間在40秒，完成一次環(huán)繞運動的時間在2分鐘。（4）腿部、小腿和護具使用彈力繃帶固。2.4本章小結本章為踝泵運動機的控制系統(tǒng)方案設計，首先介紹了腳踝運動的主要動作的解析，然后對于解析出來的動作進行模型簡化，確定了踝泵運動機的工作模式及軌跡控制。最后分析了踝泵運動機的醫(yī)學參數3踝泵運動機機械部分3.1踝泵運動機的機械組成此機構的工作原理是將電機的旋轉運動轉換為滑塊的移動，再將移動轉換為執(zhí)行機構的擺動，其動作原理為：減速步進電機11在驅動器的驅動下帶動絲桿10的旋轉，從而使滑塊組件9來回移動，安裝在組件上的小球8也隨之一起運動，帶動連桿1的前后左右擺動，以此實現匯交的兩軸在規(guī)定的角度內擺動，來達到腳踝康復環(huán)繞運動的目的。匯交的兩軸中心正好位于腳踝踝關節(jié)中心，從而也滿足了設計的要求。連桿1與垂直軸組件4剛性連接，連桿1在外力的作用下左右擺動，帶動垂直軸組件4左右擺動并使前后擺動框在垂直組件4的外力作用下前后擺動，兩者復合運動便組成腳踝康復環(huán)繞運動。1.連桿2.支座3.額狀軸組件4.垂直軸組件5.光軸座6.帶座軸承7.短軸8.小球9.滑塊組件10.絲桿11.減速步進電機圖3.1踝泵運動機機械結構圖3.2踝泵運動機運動的實現要達到設計的三種踝泵運動訓練模式，需要研究對腳的軌跡控制，腳步機構的動作是有步進電機帶動的絲桿滑臺的運動來控制的，實質上轉化為對絲桿滑臺的控制。步進電機轉過一周，對應的絲桿轉過一周，滑臺移動一個導程（L），通過改變脈沖頻率f來改變步進電機的轉速，從而改變滑臺的移動速度；改變脈沖周期數來控制步進電機轉過的圈數，來控制滑臺的移動距離[9]。3.3醫(yī)學參數的實現踝泵運動機應根據醫(yī)療訓練要求，具有很好的柔性，可根據每位患者的訓練程度不同，設定不同的參數。這樣就能適用范圍更廣，使康復療效做到最佳。本踝泵運動機需要調節(jié)的主要參數有角度、運動速度、運行次數、間隔停頓時間等。角度步進電機是將脈沖信號轉化成角位移的執(zhí)行機構：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。踝泵運動機的角度可以通過脈沖信號來實現控制。運行速度當步進電機的步距角確定后，轉速n可表達為：式中n—電機轉速；θ—步距角；f—脈沖頻率。輸入的脈沖頻率越高，步進電機的轉速越高，可以通過控制步進電機的脈沖頻率來得到相應的轉速。則對應的滑臺移動速度為：；式中v—滑臺移動速度；L—絲桿導程；通過改變脈沖頻率即可改變滑臺移動速度，若加入減速器，則滑臺速度為：；k—減速比。所以運行速度可以通過改變脈沖頻率來實現。運行次數踝泵運動機的運行次數可以通過觸摸屏進行參數設置，由控制器程序負責實現運行次數的控制。間隔停頓時間通過控制系統(tǒng)程序來控制步進電機以實現對間隔停頓時間的控制。3.4數據參數輸入方式選型常見的參數輸入方式有鍵盤和觸摸屏，下面將分別展示兩者特點，并進行輸入元件選型3.4.1觸摸屏輸入的特點（1）觸摸屏是絕對坐標系統(tǒng),要選哪就直接點那，與鼠標這類相對定位系統(tǒng)的本質區(qū)別是一次到位的直觀性。絕對坐標系的特點是每一次定位坐標與上一次定位坐標沒有關系，觸摸屏在物理上是一套獨立的坐標定位系統(tǒng)，每次觸摸的數據通過校準數據轉為屏幕上的坐標。（2）觸摸屏是直接輸入，接口很多，操作界面和輸出界面在一起，參數交換速度快。3.4.2鍵盤輸入的特點（1）鍵盤輸入接口需要與計算機相連，限制了控制器的選型（2）操作界面和輸出界面分開，參數交換較慢本文選用的是觸摸屏作為參數輸入，因為他交換速度快，輸入準確，符合本設計的需求3.5電機的選擇常見的電機有普通電機、步進電機、伺服電機。下面將分別比較步進電機、普通電機，步進電機、伺服電機間的特點3.5.1步進電機與普通電機的比較（1）步進電機屬于位置控制普通電機一般都是速度控制兩者的控制方式不一樣。位置控制就是說你可以設定要求你的電機轉多少度（一圈360度），速度控制就是說你的電機是多少轉/分鐘。（2）步進電機轉速低，普通電機屬于轉速高。（3）步進運行精度高、控制特性好，以脈沖方式工作，每接收到一個或幾個脈沖，電機的轉子就移動一個位置，移動的距離可以很小。3.5.2步進電機與伺服電機的比較（1）控制精度不同。步進電機的相數和拍數越多，它的精確度就越高，伺服電機取塊于自帶的編碼器，編碼器的刻度越多，精度就越高。（2）低頻特性不同步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。（3）步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但考慮控制要求、成本等多方面的因素，本設計采用步進電機作為控制電機。3.6踝泵運動機主控制器方案論述在進行踝泵運動機控制系統(tǒng)的設計中，有許多種方式能夠進行選擇，常規(guī)的控制器有繼電器-接觸器、單片機、PLC,理論上說都能達到設計的目的，但是在這三種方案中選擇一條經濟可靠的控制方案，下面進行PLC與繼電器-接觸器控制方案、單片機控制方案進行比較。3.6.1PLC與繼電器-接觸器方案比較（1）控制邏輯方面PLC的控制邏輯全部在PLC器件內部完成的，就是通過編程就能夠完成所有的控制邏輯，而不需要復雜的接線，而且，一旦控制邏輯發(fā)生變化，只要簡單的修改程序即可，而不需要再次更改硬件連線，這就能看出PLC控制的靈活性，而相反的，繼電器-接觸器的控制邏輯全部是通過硬件連線完成的，并且連線復雜，就增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，一旦需要更改控制邏輯就需要從新進行接線，所以這種方式擴展性能非常差，而且不夠靈活。（2）控制速度繼電器-接觸器的控制過程中，在執(zhí)行控制命令的時候，都是采用接觸點的開閉來實現的，一個打開或者關閉的動作需要幾十個毫秒，而且，硬件連線越多，各個接觸點動作就會越慢，這PLC則不然，PLC是采用軟件來控制半導體電路進行執(zhí)行開關動作的，一次開關動作只需要幾個微秒就可以，控制速度上，明顯改善。（3）定時控制方式在定時控制方式上，二者明顯不同，繼電器-接觸器的定時方式是采用時間繼電器來完成的，時間繼電器的定時精度不高，而且還會受到環(huán)境的影響而導致定時不準，PLC的定時則是軟件來實現的，所有的定時基準都是通過晶體振蕩器來實現的，所以，定時精度高，受環(huán)境影響小。（4）維護性繼電器-接觸器控制方式需要許多硬件的連線來實現控制的邏輯，這樣就大大降低了系統(tǒng)的可靠性，而且許多的連線也造成了系統(tǒng)不容易維護，而PLC全部有軟件完成，并且PLC還有自診斷、自監(jiān)視功能，能夠大大方便系統(tǒng)的調試。3.6.2PLC與單片機控制方案比較（1）編程難度高單片機的編程采用C語言或者匯編語言進行編程，需要專業(yè)的軟件知識與硬件領域的知識，而且C語言變化靈活，，PLC的編程方式是采用梯形圖進行編程的，在PLC編程的設計中，正是考慮了利用工程人員很容易理解的圖形進行編程，而對梯形圖，軟件能夠自動的編譯成匯編語言，這樣在編程方式上，就變的非常容易上手。（2）設計復雜單片機控制系統(tǒng)的設計中，單片機的外圍設備需要進行復雜的設計才能滿足要求，比如IO口的驅動能力不足等問題，而PLC則設計的非常巧妙，只需要連接電源，連接好輸入輸出口，就能滿足設計的要求，因為PLC的所有IO口都有一定的驅動能力，這就大大簡化了系統(tǒng)的設計。（3）穩(wěn)定性不高單片機最大的缺點就是穩(wěn)定性不如PLC，在工業(yè)現場中，環(huán)境非常復雜，所以難免會遇到干擾情況，這就需要設計的控制系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力，單片機在這方面就大大遜色，而PLC專門設計了抗干擾措施，使得PLC的穩(wěn)定性、抗干擾能力都大大提升[10-13]。通過上述幾種方案的比較，可以得出結論，本設計采用PLC進行設計是非常合適的，是能夠滿足工業(yè)的穩(wěn)定性、抗干擾性能的要求的。3.6.3PLC的主要特點PLC是主要應用在工業(yè)領域的控制器，其主要特點如下：（1）可靠性高，抗干擾能力強

由于PLC主要應用在工業(yè)領域，所以其設計之初就考慮了把可靠性作為PLC設計的首要目標，并考慮復雜的工業(yè)環(huán)境，所以，PLC一般還具有很強的抗干擾能力。

（2）編程靈活，通用性強

在PLC的應用環(huán)境中，與其配套的硬件設施也非常的完善，不同性能的PLC可以搭配不同的硬件設備，一旦確定好某個生產過程的硬件，如果需要更改生產流程，一般無需更換硬件，只要進行編程的更新即可，所以PLC的通用性非常的強（3）功能強，適應面廣

目前的PLC控制器功能越來越強大，不僅僅滿足定時、邏輯控制等功能，還能夠進行模擬量的運算，各個PLC之間或者PLC與電腦之間的通信，還有很好的人機交互界面。（4）編程非常簡單

現在的PLC的編程方式還是進行梯形圖的編程，梯形圖編程非常的簡單、直觀、清晰，3.7總體控制方案基于對腳踝訓練原理分析，在已經設計好的兩軸交匯機械結構的基礎上，結合自己所學專業(yè)知識，提出踝泵運動機的控制總體方案。控制方案是以PLC為控制核心，上位機為監(jiān)控及輸入裝置，接近開關傳感器為信號元件，兩臺步進電機和絲桿螺母副滑臺為被控對象。兩絲桿滑臺正交布置，PLC通過控制步進電機帶動絲桿上的滑臺做直線運動，從而帶動兩軸交匯結構的擺動，兩步進電機同時動作可以實現匯交的兩軸在規(guī)定的角度內擺動，來達到腳踝康復環(huán)繞運動的目的。控制系統(tǒng)的難點在于對滑臺的軌跡控制。總體方案構成如圖3.2所示：圖3.2總體控制方案構成3.8本章總結本章先介紹了踝泵運動機的機械組成，然后對電機、參數輸出方式進行了比較選擇，接著進行了踝泵運動機的控制系統(tǒng)的方案選擇，在此方案選擇中，首先介紹了繼電器-接觸器控制方案的特點，然后介紹了單片機控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，然后介紹了PLC進行踝泵運動機控制的特點，最終選擇PLC作為本設計的主要處理器。最后給出了總體控制方案。4踝泵運動機控制系統(tǒng)硬件設計與選型4.1觸摸屏選型對于人機交互的界面來說，能夠實現一些基本的功能，比如，實現信息的顯示，以及數據的輸入，能對畫面數據進行存儲，還能夠方便的與控制器進行通信，并且需要性價比比較高，選擇一個價格合適的觸摸屏，本設計正是通過這些選型的原則選擇了臺達公司生產的DOP-B07S411觸摸屏，如圖4.1所示：圖4.1臺達DOP-B07S411觸摸屏圖4.1臺達DOP-B07S411觸摸屏這種觸摸屏能夠采用RS-485通信方式與PLC直接相連，而且這種觸摸屏能夠很好的兼容西門子S7-200，分辨率為800×600像素，4.2步進電機與驅動器選型4.2.1步進電機選型所謂的步進電機就是能夠將控制器發(fā)出的一定的脈沖信號能夠轉變?yōu)榻俏灰七M行輸出的裝置，一般情況下，步進電機接收到控制器發(fā)來一個脈沖信號，就能夠前進一定的角度，這個固定的最小的角度就是步距角，也就是說步進電機的位移量是與控制器的脈沖的數量成正比的，而步進電機運動的速度是與控制器發(fā)出脈沖的頻率成正比的，這樣就可以通過控制器的輸出脈沖數來精確的控制步進電機的位移，而通過控制脈沖的頻率，就可以控制步進電機的速度，還可以控制其加速度，而電機的旋轉方向是通過改變其通電順序來實現的[13]。步進電機主要特點：（1）步進電機由電脈沖嚴格控制，輸入的電脈沖的脈沖頻率和脈沖數量與步進電機的轉速和轉過的角度成正比，幾乎不會有累積誤差。（2）在停止電脈沖的輸入的時候，如果繼續(xù)保持步進電機的繞組不變，那么電機就停在某個位置上固定不動。（3）步進電機的旋轉方向可以由繞組的通電順序決定。（4）步進電機本身的缺點是效率低，拖動負載的能力不大，脈沖當量即步距角不易過大，速度的調節(jié)范圍也不大，輸入的最高的脈沖頻率一般不要超過18HZ。本設計中的步進電機的型號選為42BYG250C，這種步進電機的詳細的參數如表4.2所示：表4.1Y2IP54三相異步電機主要技術參數型號42BYG250C相數2步距角（0）0.9/1.8電壓(V)24VDC電流(A)1.5保持轉矩(N.m)0.54定位轉矩(N.m)0.025空載頻率(KHZ)1.5轉動慣量（g.cm2）82相電阻（Ω）2重量（KG）0.36圖4.2步進電機：42BYG250C圖4.2步進電機：42BYG250C4.2.2步進電機驅動器選型本設計對于步進電機的驅動部分選擇THB7128，這種驅動器能夠驅動兩相步進電機，還可以對電機的轉動方向進行控制，該驅動器的接口利用高速光耦進行了隔離，具體的參數如表4.3所示：表4.2步進電機驅動器的參數輸入電壓9-32V，推薦使用24V輸入電流推薦使用開關電源功率24V/3A輸出電流0.5-3.0A最大功率72W細分1、2、4、8、16溫度工作溫度-10～45℃；存放溫度-40℃～70℃濕度不能結露，不能有水珠氣體禁止有可燃氣體和導電灰塵重量0.15千克步進電機驅動器實物如圖4.2所示：圖4.3步進電機驅動器驅動器接線如圖4.4所示：圖4.4驅動器接線圖4.4驅動器接線4.3PLC選型4.3.1輸入輸出(I/0)點數的估算在進行PLC的選型中，I/O點數是非常重要的一個數據，在I/O點數的確定中，應該以項目中所有的點數為參考進行選擇，通常情況下，應該為項目的擴展留有足夠的I/O余量，通常根據項目總所有的點數之外，還要加上10%-20%的余量進行設計，這樣就可以確定PLC的大概的點數。3.3.2PLC存儲器容量的估算PLC器件的存儲器的容量就是能夠存儲數據與程序的大小空間，PLC器件的存儲容量各不不同，所有的PLC的參數都能從PLC的說明手冊里查到，比如西門子的S7-314PLC，這種PLC的用戶程序存儲容量為64KB，S7-315-2DPPLC的用戶程序存儲容量為128KB。在存儲器的選擇時，需要對程序的容量進行估算，估算程序容量，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數字量I/O點數的10～15倍，加上模擬I/O點數的100倍，以此數為內存的總字數(16位為一個字)，另外再按此數的25％考慮余量。4.3.3PLC機型的選擇在PLC機型的選擇上，有整體型的PLC，還有模塊型的PLC，這兩種形式的PLC各有優(yōu)劣。一般來說，整體型的PLC由于不能拆卸與擴展，所以I/O點數有限，并且一定型號的PLC的I/O點數是固定的，這種PLC主要用在小型的控制系統(tǒng)中，比如西門子公司的S7-200系列、三菱公司的FX系列、歐姆龍公司的CPM1A系列等。而模塊型的PLC則不然，因為是各個模塊分別可以插接的，所以擴展非常方便，并且用戶能夠根據項目靈活的選擇I/O點數，這樣的PLC多用在大型的控制系統(tǒng)中。在進行PLC的選型時，經濟型也是需要考慮的重要方面，隨著輸入輸出點數的增加，PLC的存儲器容量，功能都會相應的增加，這也就無形的增大了PLC器件的價格，增加了項目成本，所以，在進行PLC選型時，需要充分考慮項目的經濟情況，本設計自動門控制系統(tǒng)設計，所需輸入輸出點數有限，并且對成本敏感，所以，需要選擇整體性PLC[19]。S7-200有CPU224和CPU224XP兩種，I/O點數均能滿足，用戶的存儲容量也能滿足條件。兩者的主要區(qū)別在于（1）CPU224XP

本體上有兩個RS-485通信接口，而CPU224上只有一個RS-485通信接口；（2）CPU224XP

的脈沖輸出頻率可達100kHz，CPU224為20kHz；綜合以上考慮，本設計選擇PLC型號為西門子S7-200CPU224xp進行自動門控制系統(tǒng)的設計，其中之所以選擇xp是因為傳動比算出的頻率超過20kHz，S7-200CPU224xp的PLC參數如表4.3所示：表4-3S7200cpu224xp的參數表型號s7-200cpu224xp供電電壓直流24VI/O點數14DI/10DO數據存儲區(qū)10KB程序執(zhí)行時間0.22um脈沖輸出2×100kHz通訊接口2×RS-485高速計數器4×30kHz2×100kHz實時時鐘內置4.4其他器件選型在進行其他的元器件的選型中，主要考慮就是盡量的降低成本，并且方便后續(xù)的維護，而且盡量采用的是各個模塊都兼容的型號，具體的各個元器件的型號如表4.4所示：表4.4各型號元器件序號名稱型號數量1PLCs7-200cpu224xp—DC/DC/DC12步進電機42BYG250C23步進電機驅動器THB712824減速器M80GX/減速比1：1725開關電源S-100-2416急停按鈕AD16LA16-11ZS17光電傳感器LJ12A3-4-Z/BX68絲桿M8—導程L=824.5踝泵運動機的接線圖設計踝泵運動機控制原理接線圖如圖4.5所示：圖4.5踝泵運動機控制原理接線圖5踝泵運動機觸摸屏系統(tǒng)設計5.1DOP-Soft軟件的使用方法（1）打開軟件打開軟件DOP-Soft。如下圖5.1所示：圖5.1DOP-Soft軟件打開界面（2）創(chuàng)建畫面在文件下拉菜單中選擇新建畫面，在這個界面中需要選擇觸摸屏的型號，本設計中選擇的是B07S411，設置畫面的名稱，其它的選擇默認進入通訊設定界面，由于本設計使用的PLC是s7-200cpu224xp，在這個界面中控制器選擇西門子的S7-200，其余的選擇默認，點擊完成設置（3）畫面屬性編輯按照以上步驟設定，新建畫面完成，進入畫面編輯界面，如圖5.2所示：在畫面編輯界面，可以設置畫面的屬性，在右側畫面屬性視窗中可以設置畫面的名稱、背景顏色以及畫面的進階屬性（本設計不需要），點擊下一步[21-23]。圖5.2畫面編輯界面（4）編輯畫面內容觸摸屏軟件提供了豐富的按鈕、數值輸入、數值顯示、指示燈、圖表等豐富的軟元件，下面以新建一個啟動按鈕為例，說明編輯畫面內容的方法，其他的編程畫面都類似。在按鈕下拉菜單中選擇，交替型的按鈕，拖入畫面1中。雙擊拖入按鈕，進入屬性界面，在屬性界面中，可以編輯文字顯示，表示按鈕的含義，這里寫入“啟動”，最重要的是在存儲地址和讀取地址中填入需要的地址，就可以控制地址的接通與斷開。輸入M0.0，當按鈕按下時，程序中的M0.0接通，松開時M0.0斷開。點擊完成，其他畫面內容編輯均照此，如圖5.3所示：圖5.3按鈕編輯完成界面5.2踝泵運動機的觸摸屏畫面設計本設計采用了臺達公司的DOP—Soft來進行本設計的界面設計，本設計的主要設計過程如下所示：(1)主畫面:主畫面為狀態(tài)顯示畫面，顯示運行模式，記錄運行次數。分別顯示本次運行需要運行的組數及每組次數，已經完成的組數及每組完成的次數；兩個指示燈可顯示正在運行和復位正在運行，本踝泵運動機為保證運行的位置準確，在運行程序前要保證滑塊的位置停在原點，所以在上電后/使用設備前要先進行復位，如圖5.4所示：圖5.4狀態(tài)顯示（3）參數設置畫面。根據不同患者的不同康復訓練需要，需要設置不同的有針對性的參數。本踝泵運動機需要調節(jié)的主要參數有角度、運動速度、運行次數、間隔停頓時間等。具體畫面如圖5.5所示：角度調節(jié)為了各個運動都不超出腳踝承受范圍，需要對角度進行調整如圖5.5a所示：a角度調節(jié)速度調節(jié)速度調節(jié)界面如圖5.5b所示：b速度調節(jié)運行次數調節(jié)每個模式下的運動組數和次數可調。：可以設定每組模式下的組數及每組次數，并且其次數均可以通過按鈕調節(jié)；當踝泵運動機的位置超出極限位置時，可在此畫面選擇手動位置調節(jié)按鈕，進行手動調節(jié)位置；可根據患者的實際情況，設置適合患者的參數，可以選擇參數調節(jié)按鈕，進行參數調整；選擇模式完成后，可以電機啟動按鈕，程序即會運行，停止按鈕會停止程序，復位按鈕用于重新定位如圖圖5.5c所示：c運行次數時間間隔停頓時間間隔停頓設置畫面如圖5.5d所示：d間隔時間停頓（4）使用說明畫面：說明本系統(tǒng)運行的方法。如圖圖5.6所示：圖5.6使用說明界面6PLC程序設計6.1PLC程序設計的基本原則在PLC控制系統(tǒng)的設計中，設計的過程中需要遵循許多的原則，但是比較基本的原則如下所示：(1)可靠性原則—在PLC控制系統(tǒng)的設計中，最重要的一點就是需要確保系統(tǒng)是可靠的，這是最先被滿足的原則。(2)完整性原則—在PLC控制系統(tǒng)的設計中，需要盡量的考慮設計要求，在設計時，在滿足穩(wěn)定性、可靠性的前提下，另一個非常重要的一點就是需要盡可能的滿足控制要求。(3)經濟型原則—在PLC控制系統(tǒng)的設計中，除了滿足穩(wěn)定性的原則、完整性原則，還有一個就是需要盡可能的降低成本，盡量使得控制系統(tǒng)結構簡單，費用低。(4)發(fā)展性原則—在PLC控制系統(tǒng)的設計中，還應該考慮工程的擴展性能，就是需要滿足工業(yè)中工藝改進的要求，這就需要在設計時，留有足夠余量的I/O口以及選擇合適的PLC器件。6.2控制運行要求（1）有三種模式可選，在進行每組模式訓練前先要進行復位動作；（2）開始運行后要先有預熱運動，以便患者能夠先適應本次的康復訓練；（3）有很好的柔性，其中運動的組數及每組次數、運行間隔時間、運動速度、角度等均可調；（4）按下停止按鈕可停止本次訓練，下次使用前需要先復位；（5）本設計默認的速度為，做完一組背屈與跖屈動作需要40秒，完成一個環(huán)繞動作需要兩分鐘；（6）當位置超程時會有報警提示，滑塊在極限位置外時，可以選擇手動調節(jié)。本設計采用了子程序調用思想，將一個將復雜系統(tǒng)劃分成多個模塊進行設計的思想使程序結構更加清晰、合理，同時也有利于每個模塊單獨調試和各程序模塊的整合。PLC控制程序使用STEP7-Micro/WIN編程軟件編程，具體流程如圖6.1所示圖6.1PLC程序設計流程圖6.3系統(tǒng)的I/O地址分配對踝泵運動機控制系統(tǒng)設計中，進行I/O地址分配是進行后續(xù)編程的第一步，在選型之后，就要進行I/O地址的分配工作，本設計的PLC控制系統(tǒng)的I/O地址分配表如表6.1所示：表6.1I/O地址分配表序號地址連接元件注釋1I0.0傳感器1X軸中心檢測2I0.1傳感器2Y軸中心檢測3I0.2傳感器3X軸左限位4I0.3傳感器4X軸右限位5I0.4傳感器5Y軸左限位6I0.5傳感器6Y軸右限位7I0.6繼電器1選擇左腳8I0.7繼電器2選擇右腳9I1.0急停按鈕急停10O0.0電機1電機1脈沖信號11O0.1電機2電機2脈沖信號12O0.2電機1電機1方向信號13O0.3電機2電機2方向信號6.4本章小結本章進行了PLC的程序設計，先介紹了PLC程序設計的基本原則，接著分析了控制運行要求，最后進行了I/O分配。7系統(tǒng)安裝與調試7.1硬件接線首先觀察各個元器件的明細，檢測元件是否充足，然后借助于萬用表來檢測各個元件的常開觸點是否發(fā)生損壞，或者常閉觸點以及各個線圈是否損壞。進行布線，查看各個導線的絕緣是否完好，以及導線的截面積是否正確。7.2調試(1）通電前檢查1°各個元器件的代號、標志是否與原理上的一致，是否齊全。2°各個安全保護措施是否安全可靠。3°控制電路是否滿足原理圖所要求的各種功能。4°各個電氣元件安裝是否正確和牢靠。5°各個接線端子是否連接牢固。6°布線是否符合要求、分布是否整齊。7°各個按鈕、光標按鈕和各種電路絕緣導線是否符合要求。8°保護電路導線連接是否正確、牢固可靠。9°電氣絕緣電阻是否符合要求。(2)通電試驗在進行通電的時候，首先應該檢查各個系統(tǒng)的電源是不是正確連接相對應的端子，而且，開始上電，檢查各個器件的溫升情況，如果一旦發(fā)生溫度升高過快，就需要立即斷電，再一次檢測。(3)PLC程序調試調試包括PLC程序調試和觸摸屏畫面程序調試，本系統(tǒng)PLC程序分多個模塊，故調試也需分模塊調試，驗證每個模塊的正確性，再驗證整體程序的正確性，主要包括一下幾個方面：（1）I/O點確認。根據設計的I/O分配表，逐個確認。（2）分塊程序調試。通過程序設置將不同功能部分分開調試，修改程序，使得程序運行功能符合要求。（3）整體程序調試。根據腳踝康復機的功能要求，調試整個程序。確保各個功能模塊互不影響。7.3本章小結本章為踝泵運動機是PLC程序的調試，需要分別對各個模塊進行調試，并最后對整體模塊進行調試。

8.結論8.1結論本文為踝泵運動機的控制系統(tǒng)設計，我首先了解了本課題腳踝運動機的背景以及本課題關于腳踝運動機的研究意義，接著查閱了腳踝運動機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況，最后明確了本設計的主要工作。（1）設計踝泵運動機的控制系統(tǒng)方案。先介紹了腳踝運動的主要動作的解析，然后對于解析出來的動作進行模型簡化，并給出了踝泵運動機的控制系統(tǒng)原理框圖，接著進行了踝泵運動機的控制系統(tǒng)的方案選擇，在此方案選擇中，首先介紹了繼電器-接觸器控制方案的特點，然后介紹了單片機控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，然后介紹了PLC進行踝泵運動機控制的特點，最終選擇PLC作為本設計的主要處理器。（2）完成了踝泵運動機的控制系統(tǒng)的硬件設計與選型。先介紹了PLC控制系統(tǒng)的工作環(huán)境，然后進行了I/O點數的估算，接著進行了PLC存儲器容量的估算以及PLC機型的選擇，接下來給出了步進電機的原理與選型，以及步進電機驅動器的原理與選型，接著是觸摸屏的選型，并給出了各個元器件的選型參數，接著對踝泵運動機的控制系統(tǒng)I/O地址進行分配，然后給出了然后是踝泵運動機的控制原理的接線圖，然后是踝泵運動機的IO端子的接線圖。（3）進行踝泵運動機的控制系統(tǒng)的軟件設計。先給出了踝泵運動機的整體的軟件流程圖的設計，并對于該流程圖進行了簡要的描述，然后是觸摸屏的畫面設計部分，并分別給出了各個主要部分的界面，比如狀態(tài)的顯示界面，以及模式的選擇界面等，最后是系統(tǒng)的安裝與調試部分，首先就是系統(tǒng)的硬件連線部分，接下來就是系統(tǒng)的調試部分，首先就是通電前的檢查工作，并進行上電檢測，觀察測試的結果，最后是PLC程序的調試，需要分別對各個模塊進行調試，并最后對整體模塊進行調試。致謝本設計在我們殷永華老師的指導下順利的完成，并且殷老師對我們的設計要求非常的嚴格，不管是在論文的選題階段，還是論文的設計階段，都包含著老師的心血，在我的論文寫作階段，出現了很多的問題，老師都會根據我們的問題進行逐一的解答，并提出了非常好的建議與意見，在專業(yè)問題上，老師的功勞是功不可沒的，老師教學嚴謹，工作認真，對我們的完成論文的寫作具有非常重要的指導性。在此我們的論文完成階段，對我們的指導老師表示非常真誠的誠懇的感謝。在接近畢業(yè)的這段時間里，我還要向教授我知識的老師們致以感謝，感謝這些老師對我的栽培與培養(yǎng)，沒有你們就沒有我的現在，更沒有我的未來，謝謝這些認真的老師對我的培養(yǎng)，讓我在專業(yè)知識上與做人的道路上能夠走出更好的一步，對這些默默奉獻的老師表示感謝。經過很多次的修改，畢業(yè)設計的論文工作總算告一段落，但是，由于認識的不足，理解能力的限制，一定會有很多的不足。在論文的寫作的過程中，老師給予我的指導起到了畫龍點睛的作用，每次都在我沒有思路的時候，給我明燈一樣的指導，從題目的選擇，以及對題目的推敲，都離不開老師的智慧，還有老師的辛勞，選擇一個論文的題目之后，老師給我的題目進行了詳細的分析，從每一章節(jié)的思路，到整個篇幅的思想，都是老師智慧的點撥，同時，還有同學們的幫助，如果讓我獨立的完成論文，中間遇到的困難是數不勝數的，但是多虧了同學們的無私的幫助，在尋找素材，尋找資料的過程中，都離不開同學們的幫助。在這里我還要感謝我的父母，沒有我的父