【正文】 1 1 前言 自動(dòng)門(mén)的概述 在現(xiàn)代社會(huì)生活中，人們的生活節(jié)奏越來(lái)越快，對(duì)效率的要求也越來(lái)越高，這體現(xiàn)在各個(gè)方面，而自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)正是基于這個(gè)社會(huì)背景產(chǎn)生的，自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)是一個(gè)應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于酒店、銀行、超市、停車(chē)場(chǎng)或公共建筑等地方。 自動(dòng)門(mén)就是能通 過(guò)感應(yīng)自動(dòng)開(kāi)閉的門(mén) ： 其將人或其他物體接近門(mén)的動(dòng)作識(shí)別為開(kāi)門(mén)信號(hào)的控制單元，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將門(mén)開(kāi)啟，在人或其他物體離開(kāi)后再將門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，并對(duì)開(kāi)啟和關(guān)閉的過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)。自動(dòng)門(mén)的性能優(yōu)劣主要取決于它的控制裝置，早期的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)采用繼電器邏輯裝置，這造成安裝繁瑣、體積大、不穩(wěn)定、不易維修、易出故障等缺點(diǎn)已逐漸被淘汰。目前自動(dòng)門(mén)的控制裝置大多采用可編程控制器（ PLC） ， PLC 采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行順序運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)等操作的指令，控制各種類(lèi)型的機(jī)械運(yùn)動(dòng)或自動(dòng)化 生產(chǎn)過(guò)程生產(chǎn)過(guò)程， PLC 可靠性非常高，抗干擾能力特備強(qiáng)，功能也日趨完善，適用性很強(qiáng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造工作量較小，維護(hù)方便，調(diào)試簡(jiǎn)單，容易進(jìn)行創(chuàng)新改造，體積很小，重量輕，能耗低等，這也特點(diǎn)使 PLC 在現(xiàn)代社會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用 [1] 。 基于可編程控制器（ PLC）控制的自動(dòng)門(mén)由于故障率低、可靠性高、維修調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛的應(yīng)用。 在 此設(shè)計(jì)中，以 PLC 為控制系統(tǒng)的核心元件，作信號(hào)的處理工作。而感應(yīng)部分，采用光電傳感器， 實(shí)現(xiàn)人或物體進(jìn)出時(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。另外在實(shí)現(xiàn)門(mén)的開(kāi)與關(guān)的方面， 不再采用以往采用電機(jī)正反 轉(zhuǎn)來(lái)控制門(mén)的開(kāi)閉，而是采用氣壓傳動(dòng)來(lái)控制門(mén)的開(kāi)閉。以實(shí)現(xiàn)該功能，因?yàn)闅鈮涸谏钪蟹浅Ｈ菀踪?gòu)買(mǎi)，且價(jià)格適宜，同時(shí)也便于維護(hù)，非常適合廣泛生產(chǎn)應(yīng)用，并且可以就地取材 ——空氣。 本課題所研究的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)，主要通過(guò) PLC 作為控制基礎(chǔ)，加上對(duì)光電傳感器，以及氣壓傳動(dòng)的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)了門(mén)的 “ 自動(dòng) ” 功能。 國(guó)內(nèi)自動(dòng)門(mén)的發(fā)展現(xiàn)狀 (1)最近幾年來(lái)， 自動(dòng)門(mén)在國(guó)內(nèi)有了快速的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)自動(dòng)門(mén)的廠(chǎng)家已有幾十家，但普遍生產(chǎn)規(guī)模小，自主研發(fā)能力差。從新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力和質(zhì)量穩(wěn)定性方面還不具備和進(jìn)口產(chǎn) 品競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力。 (2)專(zhuān)業(yè)化分工趨勢(shì)顯現(xiàn)，近兩年來(lái)，出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)主要部件的廠(chǎng)家，這些廠(chǎng)家只生產(chǎn)其中的某個(gè)部件，這一趨勢(shì)使生產(chǎn)的門(mén)檻降低，導(dǎo)致廠(chǎng)家進(jìn)一步增2 多，競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，這在一定程度上推動(dòng)了自動(dòng)門(mén)的發(fā)展。 (3)競(jìng)爭(zhēng)壓力日益增加，競(jìng)爭(zhēng)有來(lái)自國(guó)際和國(guó)內(nèi)兩個(gè)方面，尤其是進(jìn)口產(chǎn)品借助質(zhì)量和品牌優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了高端市場(chǎng)，雖然目前國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家的產(chǎn)品基本上也都具備了比較完善的功能，但生產(chǎn)工藝略嫌粗糙，質(zhì)量水平參差不齊，整體檔次較低，主要集中在低端市場(chǎng)。這使國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)更加殘酷。 (4)自動(dòng)門(mén)產(chǎn)品的種類(lèi)呈多樣化趨勢(shì)，加之 自動(dòng)門(mén)產(chǎn)品往往是開(kāi)發(fā)商而非最終用戶(hù)在選擇產(chǎn)品，所以?xún)r(jià)格因素加劇了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致多廠(chǎng)家一味地降低價(jià)格，導(dǎo)致生產(chǎn)自動(dòng)門(mén)的利潤(rùn)微薄。同時(shí)，由于價(jià)格普遍較低，使產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展受到嚴(yán)重的限 [1] 。 自動(dòng)門(mén)的發(fā)展趨勢(shì) (1)智能化：自動(dòng)門(mén)運(yùn)用各種編程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其智能話(huà)，其中 PLC 編程技術(shù)最為簡(jiǎn)便與快捷，目前常用的 PLC 編程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)門(mén)的自動(dòng)化。 (2)易維護(hù)：在設(shè)計(jì)的過(guò)程中采取多種措施，以盡量減少在使用過(guò)程中的維護(hù)工作。 (3)個(gè)性化：將會(huì)有越來(lái)越多的不同外觀和功能的產(chǎn)品出現(xiàn)，這將滿(mǎn)足用戶(hù)的不同需要 。 (4)安全性能高：隨著用戶(hù)安全意識(shí)的不斷提高，安全性將成為生產(chǎn)商和用戶(hù)都非常注重的一項(xiàng)指標(biāo)，這也將是一項(xiàng)基本要求 [1] 。 2 自動(dòng)門(mén)自動(dòng)開(kāi)閉氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 自動(dòng)開(kāi)閉氣動(dòng)系統(tǒng)的主要構(gòu)成裝置 自動(dòng)門(mén)自動(dòng)開(kāi)閉氣動(dòng)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成： (1)氣泵 氣源裝置，為系統(tǒng)提供壓縮空氣 ； (2)氣缸 執(zhí)行元件，將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 ； (3)單向二位四通電磁換向閥 控制元件，控制壓縮空氣流的流動(dòng)方向，以便使執(zhí)氣缸完成預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律 ； (4)光電傳感器 感應(yīng)元件，通過(guò)感應(yīng)來(lái)傳遞信號(hào)給 PLC； (5)可編程控制器（ PLC） 控制換向閥的換向，從而控制氣缸有規(guī)律的運(yùn)動(dòng) 。 3 自動(dòng)門(mén)自動(dòng)開(kāi)閉氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念 目前市場(chǎng)上的自動(dòng)門(mén)幾乎都通過(guò) PLC 控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)門(mén)的開(kāi)啟與閉合，這種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜， PLC 的編程也較繁瑣，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)不便檢測(cè)和維修。因此，本設(shè)計(jì)中不再采用電動(dòng)機(jī)控制，而是采用氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)控制自動(dòng)門(mén)的開(kāi)閉。此控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，便于檢測(cè)和維修。 PLC 編程也簡(jiǎn)單，便于調(diào)試。此系統(tǒng) 的工作介質(zhì)是空氣，空氣是取之不盡、用之不竭，所以此設(shè)計(jì)可節(jié)省能源，且氣體的排放無(wú)污染?？傊?，自 動(dòng)門(mén)自動(dòng)開(kāi)閉氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以很好地滿(mǎn)足社會(huì)的需求。 自動(dòng)門(mén)自動(dòng)開(kāi)閉氣動(dòng)系統(tǒng)功能分析 (1)自動(dòng)控制方式 當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到有人或其他物體接近門(mén)口且門(mén)未打開(kāi)或者檢測(cè)到已無(wú)人接近門(mén)口且門(mén)未關(guān)閉時(shí)， PLC 輸出信號(hào)控制氣缸活塞伸出或者保持活塞伸出狀態(tài)，從而使門(mén)處在開(kāi)啟狀態(tài)。當(dāng)光電傳感器未檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，活塞縮回，使門(mén)處在關(guān)閉狀態(tài)。 (2)手動(dòng)控制方式 當(dāng)光電傳感器發(fā)生故障，未檢測(cè)到信號(hào)時(shí)可以按手動(dòng)開(kāi)啟按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)門(mén)的開(kāi)啟，人通過(guò)門(mén)后，按手動(dòng)關(guān)閉按鈕后門(mén)自動(dòng)閉合。 自動(dòng)門(mén)的控制要 求 (1)當(dāng)有人通過(guò)自動(dòng)門(mén)時(shí)，光電傳感器檢測(cè)到信號(hào)并將信號(hào)傳給 PLC，通過(guò)PLC 控制電磁換向閥換向，氣缸的活塞伸出，從而推動(dòng)門(mén)的開(kāi)啟。 (2)自動(dòng)門(mén)在開(kāi)門(mén)位置停留 10 秒后，當(dāng)光電傳感器未檢查到信號(hào)時(shí)，電磁換向閥復(fù)位，氣缸縮回，從而自動(dòng)進(jìn)入關(guān)門(mén)過(guò)程。 (3)在關(guān)門(mén)過(guò)程中，當(dāng)有人員通過(guò)自動(dòng)門(mén)時(shí)，光電傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，門(mén)立即停止關(guān)閉，并處在開(kāi)啟狀態(tài)從而使人安全通過(guò)自動(dòng)門(mén)。 (4)在門(mén)打開(kāi)后的 10 秒等待時(shí)間內(nèi)，若有人員通過(guò)自動(dòng)門(mén)時(shí)，光電傳感器檢測(cè)到信號(hào)，須重新開(kāi)始等待 10 秒后，再自動(dòng)進(jìn)入關(guān)門(mén)過(guò)程，以保證人 員安全通過(guò)。 (5)若光電傳感器出現(xiàn)故障無(wú)法感應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)電磁閥換向時(shí)，人可以按下手動(dòng)按鈕使電磁閥換向，從而控制門(mén)的開(kāi)閉。 氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 根據(jù)自動(dòng)門(mén)自動(dòng)開(kāi)閉系統(tǒng)的組成、功能和控制要求，設(shè)計(jì)自動(dòng)門(mén)氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖，如圖 1 所示 。其中雙作用氣缸的活塞 桿 與齒條聯(lián)接， 來(lái)推動(dòng)門(mén)的開(kāi)閉。通 4 過(guò)調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥來(lái)控制流量，從而控制門(mén)的開(kāi)閉速度。 通過(guò) 電磁換向閥 換向控制氣缸的運(yùn)動(dòng) ，從而控制門(mén)的開(kāi)閉。 圖 1 自動(dòng)門(mén)氣動(dòng)系統(tǒng)原理 A、 B—雙作用氣缸； 4—單 向節(jié)流閥 ； 6—二位四通 電磁換向閥 ； 8—消 聲 器； 9—?dú)獗茫?10—FRL 單元 。 圖 2 自動(dòng)門(mén)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 自動(dòng)門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 采用齒條與齒輪結(jié)合的傳動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)門(mén)的自動(dòng)開(kāi)啟與閉合，具體方式為：當(dāng)光電傳感器感應(yīng)到信號(hào)時(shí)，將信號(hào)傳給 PLC，通過(guò) PLC 控制二位四通電磁閥 5 換向，從而使氣缸伸出，推動(dòng)齒條平行移動(dòng)，再由齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)氣缸完全 伸出時(shí)，使自動(dòng)門(mén)完全打開(kāi)，門(mén)開(kāi)啟時(shí)間為 10 秒， 10 秒之后，若光電傳感器未檢測(cè)到信號(hào)，氣缸開(kāi)始縮回，縮回至最大位置時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)門(mén)的關(guān)閉。 若光電傳感器出現(xiàn)故障， 人只需按下手動(dòng)按鈕來(lái)控制二位四通電磁閥換向，從而控制門(mén)的開(kāi)閉，這一過(guò)程門(mén)的開(kāi)閉方式與傳感器控制門(mén)的開(kāi)閉方式完全一下所以不再重述。 自動(dòng)門(mén)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 2 所示。 3 氣壓傳動(dòng) 氣壓傳動(dòng)的原理 及組成 氣壓傳動(dòng)又簡(jiǎn)稱(chēng)氣動(dòng)，是指以壓縮空氣 作 為工作介質(zhì)來(lái)傳遞動(dòng)力和控制信號(hào)，控制和驅(qū)動(dòng)各種機(jī)械和設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化、自動(dòng)化的一門(mén)技術(shù)。氣壓傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)的工作原理完全相同，都是以密封容積中的受壓工作介質(zhì)來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。它先將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能，然后通過(guò)各種元件組成的控制回路來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的調(diào)控，最終再將壓力能 轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)。 典型的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)由氣源裝置、執(zhí)行元件、控制元件和輔助元件四個(gè)部分組成。 (1)氣源裝置是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的一種裝置，它的作用是為系統(tǒng)提供壓縮空氣。 (2)執(zhí)行元件是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。主要包括作直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的氣缸，作連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣馬達(dá)和作不連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)馬達(dá)等元件。 (3)控制元件又是用來(lái)控制壓縮空氣流的壓力、流量和流動(dòng)方向等，以便使執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的元件。包括各種壓力閥、方向閥、流量閥、邏輯元件、射流元件、行程閥 、轉(zhuǎn)換器和傳感器等。 (4)輔助元件是使壓縮空氣凈化、潤(rùn)滑、消聲以及元件間連接所需要的一些裝置。主要包括包括分水濾氣器、油霧器、消聲器以及各種管路附件等。 氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn) 氣壓傳動(dòng)有許多其他傳動(dòng)方式所不具有 優(yōu) 點(diǎn)， 氣壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)是空氣，空氣是取之不盡、用之不竭。與其他傳動(dòng)方式相比，氣壓傳動(dòng)能節(jié)約資源。氣壓傳動(dòng)工作環(huán)境適應(yīng)性能好，對(duì)工作環(huán)境幾乎沒(méi)有特殊要求。特別是在易燃、易爆、強(qiáng)磁、輻射、多塵埃、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，比其他傳動(dòng)更可靠； 氣動(dòng)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，且成本低，維護(hù)方便，過(guò)載能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。 但是氣壓傳動(dòng)也有自身6 的不足，空氣的可壓縮性較大，氣動(dòng)裝置的動(dòng)作穩(wěn)定性和連續(xù)性較差，當(dāng)外載發(fā)生變化時(shí)，對(duì)工作速度的影響比較大；氣壓傳動(dòng)裝置工作時(shí)沒(méi)有潤(rùn)滑液，所以采用氣壓傳動(dòng)時(shí)一般都需要加油霧器裝置潤(rùn)滑，傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲較大，因此往往需要在系統(tǒng)中設(shè)置消聲裝置。 氣壓傳動(dòng)與其它傳動(dòng)方式性能的比較如表 1 所示 [2] 。 表 1 氣壓傳動(dòng)與其它傳動(dòng)方式性能的比較 類(lèi) 型 操作 力 動(dòng)作快慢 環(huán)境要 求 構(gòu)造 負(fù)載變化影響 操作距 離 無(wú)級(jí)調(diào) 速 工作壽命 維護(hù) 價(jià)格 氣壓傳動(dòng) 中等 較快 適應(yīng)性 好 簡(jiǎn)單 較 大 中距離 較 好 長(zhǎng) 一般 便宜 液壓傳動(dòng) 最大 較慢 不怕振 動(dòng) 復(fù)雜 有一些 短距離 良好 一般 要求高 稍貴 電 傳 動(dòng) 電氣 中等 快 要求高 稍復(fù)雜 幾乎沒(méi)有 遠(yuǎn)距離 良好 較短 要求較高 稍貴 電子 最小 最快 要求特高 最復(fù)雜 沒(méi)有 遠(yuǎn)距離 良好 短 要求更高 最貴 機(jī)械傳動(dòng) 較大 一般 一般 一般 沒(méi)有 短距離 較困難 一般 簡(jiǎn)單 一般 通過(guò)表 1 我們可以看出本設(shè)計(jì)采用氣壓傳動(dòng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好，構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作壽命長(zhǎng)，維修簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。但我們同時(shí)也應(yīng)注意到氣壓傳動(dòng)的不足： 氣壓傳動(dòng)受負(fù)載的影響較大，所以在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該特別注意。 4 氣動(dòng)系統(tǒng)的選擇 氣壓傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)的工作原理完全相同，都是以密封容積中的受壓工作介質(zhì)來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。它先將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能，然后通過(guò)各種元件組成的控制回路來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的調(diào)控，最終再將壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)。典型的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)由氣源裝置、執(zhí)行元件、控制元件和輔助元件四個(gè)部分組成。 本次設(shè)計(jì)中，同樣選擇典型氣動(dòng)系統(tǒng)的四個(gè)組成部分來(lái)控制門(mén)的自動(dòng)開(kāi)閉，包括氣泵、氣缸、 節(jié)流閥、二位四通電磁閥等元件。 設(shè)計(jì)中選擇的氣動(dòng)元件都來(lái)自于 SMC(中國(guó) )有限公司生產(chǎn) 的 標(biāo)準(zhǔn) 氣動(dòng)元 件 。 7 氣泵的