【正文】 自動門自動開閉氣動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念 目前市場上的自動門幾乎都通過 PLC 控制電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)門的開啟與閉合，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)生故障時不便檢測和維修。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，且氣體的排放無污染。 (2)手動控制方式 當(dāng)光電傳感器發(fā)生故障，未檢測到信號時可以按手動開啟按鈕來實(shí)現(xiàn)門的開啟，人通過門后，按手動關(guān)閉按鈕后門自動閉合。 (4)在門打開后的 10 秒等待時間內(nèi)，若有人員通過自動門時，光電傳感器檢測到信號，須重新開始等待 10 秒后，再自動進(jìn)入關(guān)門過程，以保證人 員安全通過。通 4 過調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥來控制流量，從而控制門的開閉速度。當(dāng)氣缸完全 伸出時，使自動門完全打開，門開啟時間為 10 秒， 10 秒之后，若光電傳感器未檢測到信號，氣缸開始縮回，縮回至最大位置時，從而實(shí)現(xiàn)門的關(guān)閉。氣壓傳動與液壓傳動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)來傳遞運(yùn)動和動力的。 (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。 (4)輔助元件是使壓縮空氣凈化、潤滑、消聲以及元件間連接所需要的一些裝置。氣壓傳動工作環(huán)境適應(yīng)性能好，對工作環(huán)境幾乎沒有特殊要求。 表 1 氣壓傳動與其它傳動方式性能的比較 類 型 操作 力 動作快慢 環(huán)境要 求 構(gòu)造 負(fù)載變化影響 操作距 離 無級調(diào) 速 工作壽命 維護(hù) 價格 氣壓傳動 中等 較快 適應(yīng)性 好 簡單 較 大 中距離 較 好 長 一般 便宜 液壓傳動 最大 較慢 不怕振 動 復(fù)雜 有一些 短距離 良好 一般 要求高 稍貴 電 傳 動 電氣 中等 快 要求高 稍復(fù)雜 幾乎沒有 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 沒有 遠(yuǎn)距離 良好 短 要求更高 最貴 機(jī)械傳動 較大 一般 一般 一般 沒有 短距離 較困難 一般 簡單 一般 通過表 1 我們可以看出本設(shè)計(jì)采用氣壓傳動具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，對環(huán)境的適應(yīng)性好，構(gòu)造簡單，工作壽命長，維修簡單，價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。典型的氣壓傳動系統(tǒng)由氣源裝置、執(zhí)行元件、控制元件和輔助元件四個部分組成。 氣壓傳動的壓力一般都在 ~ MP 范圍內(nèi)， 因?yàn)?CQ2 系列的氣缸最高使用壓力為 并且此次設(shè)計(jì)中所需要的使用的壓力為 ，所以此次選用的氣泵輸出的最高壓力必須大于 ，并小于 ，這樣 既能滿足設(shè)計(jì)要求，又能保證即使壓力達(dá)到最大時也不會對氣缸造成損害。 氣缸是氣動系統(tǒng)中使用最多的一種執(zhí)行元件，根據(jù)使用條件不同 ， 其結(jié)構(gòu)、形狀也有多種形式， 氣缸也有不同的分類方式。常用于無特殊的場合。 5)沖擊氣缸 是一種以活塞桿高速運(yùn)動形成沖擊力的高速缸， 可以用于沖壓、切斷等。 在此次設(shè)計(jì)中，由于自動門分為左右兩扇相同的玻璃門，因此需要選用兩個相同的氣缸。根據(jù)以上的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 表 2 氣缸的 內(nèi)徑系列 氣缸直徑 mm/D 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 活塞桿直徑mm/d 12 14 16 18 20 25 32 40 50 63 70 80 90 100 在此設(shè)計(jì)中氣缸的活塞與齒條聯(lián)接，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而使自動門實(shí)現(xiàn)開閉。d 的大小，直接決定了氣缸進(jìn)氣速度，亦決定了活塞的運(yùn)動速度。 （ 4— 2） 式中， q 為工作壓力下輸入氣缸的空氣量。 表 3 排氣口直徑與氣缸內(nèi)徑的關(guān)系 氣缸內(nèi)徑 mm/D 進(jìn)排氣口直徑 mm/d 40 50， 63 80,100,125 140,160,180 8 10 15 20 因?yàn)楦椎闹睆綖?mm50?D ，所以查表 3 可得進(jìn)排氣口的直徑 mm10?d 。 (2)氣缸筒的壁厚 ? 壁厚 ? 可利用 薄壁圓筒的強(qiáng)度計(jì)算公式來確定 CpD?? ][2?? （ 4— 3） 式中 ： p —— 氣缸工作壓力 )(MPa ； D —— 氣缸內(nèi)徑 )mm( ； ? —— 氣缸材料的許用拉應(yīng)力 )(MPa ； nb/][ ?? ? ， b? —— 缸體材料的抗拉強(qiáng)度 )(MPa ， n —— 安全系數(shù)，一般取 8~6 ； C —— 考慮到剛度、加工制造、腐蝕等要求所加的裕量。 氣缸的選擇 目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。 (2)氣缸安裝的形式選擇 不同氣缸有不同的安裝形式，而各系列亦有多種不同的安裝形式可供選擇，應(yīng)根據(jù)氣缸的不同用途來選擇安裝形式。 氣缸的緩沖方式選擇如表 6 所示。 12 其它氣動元件的選擇 (1)控制元件的選擇 1)二位四通電磁換向閥的選擇 選用 SMC(中國 )有限公司生產(chǎn)的 單電控二位四通電磁換向閥 ，其型號為：551121 MLVQD ?? ；為單體式直接配管型 ； 2)排氣 節(jié)流閥的選擇 節(jié)流閥依靠改變閥口的通流面積的大小或通流通道的長短來控制空氣流量的。 消聲器選用消聲效果為 30 分貝的 8200 KMAN — 消聲器；氣動三元件 FRL 單元空氣組合元件； 配管選用外徑為 8? 的配管；選用浮動接頭的型號為 1501063 ??JB 。 PLC 的產(chǎn)生可追溯到上世紀(jì) 70 年代， 1969 年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（ DEC）研制出世界上第一臺可編程控制器，并成功地應(yīng)用在 GM 公司的生產(chǎn)線上。到 80 年代末期，為適應(yīng)柔性制造系統(tǒng)的 (FMS)的發(fā)展，在提高單片機(jī)功能的同時，加強(qiáng)軟件的開發(fā)，提高同通信能力。當(dāng)前 PLC 在國際市場上已成為最受歡迎的工業(yè)控制暢銷產(chǎn)品，用 PLC 設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流 [7] 。 PLC 的 工作原理 PLC 則是采用循環(huán)掃描的工作方式。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。 PLC 的選型 本文選擇松下電工 FP0 系列 PLC， FP0 是日本松下電工株式會社繼小型機(jī)14 FP1 系列之后又開放的小型 PLC 產(chǎn)品。 PLC 需要 3 個輸入點(diǎn)和 1 個輸出點(diǎn)。 表 9 PLC 的 I/O 點(diǎn)分配 PLC 點(diǎn)名稱 連接外部設(shè)備 功能說明 X0 手動開啟按鈕 SB1 手動開啟 X1 手動關(guān)閉按鈕 SB2 手動關(guān)閉 X2 光電傳感器 SE1 自動開閉 控制功能 (1)當(dāng)有人通過自動門時，光電傳感器 SE1 檢測到信號并將信號傳給 PLC，通過 PLC 控制電磁換向閥換向，氣缸的活塞伸 出，從而推動門的開啟。 (5)若光電傳感器 SE1 出現(xiàn)故障無法感應(yīng)信號實(shí)現(xiàn)電磁閥換向時，人可以按下手動按鈕 使電磁閥換向，從而控制門的開閉。 由于它在繼電器接觸器的基礎(chǔ)上加進(jìn)了許多功能強(qiáng)大、使用靈活的指令，并將計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)結(jié)合進(jìn)去，使邏輯關(guān)系清晰直觀、編程容易、可讀性強(qiáng)，所實(shí)現(xiàn)的功能大大超過了傳統(tǒng)人通過 信號 活塞伸出 開門 手動開按鈕 Y N 延遲 10s 再次信號 Y 活塞縮回 關(guān)門 再次信號 結(jié)束 N N Y 手動關(guān)按鈕 16 的繼電接觸控制電路，所以很受用戶歡迎。 2)自動門在開門位置停留 10 秒后，當(dāng)光電傳感器 SE1 未檢查到信號時，電磁閥復(fù)位，氣缸縮回，從而進(jìn)入自動關(guān)門過程。這手動的過程中，門的開 閉 仍然是通過 PLC 控制的。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此 ， 光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。 (2)光電傳感器的接線方式 自動門的 自動開閉氣動系統(tǒng) 采用光電傳感器來檢測信號的有無，其接線方法如圖 5 所示。 對門的主要 部 件的建模如圖 7 所示。裝配的主要步驟包括建立零件裝配模式和調(diào)入零件進(jìn)行裝配兩個部分。 單 擊 主菜單 下拉欄 中 的 “ 新建 ” 選項(xiàng) ， 選擇 類型中的 “ 組件 ” 選項(xiàng)， 子類型 仍然 按系統(tǒng) 默認(rèn)的 “ 設(shè)計(jì) ” 選項(xiàng)，在名稱一欄輸入 “menzhuangpei”，取消 “使用缺省模板 ”復(fù)選框，單擊確定按鈕，在接下來出現(xiàn)的對話框中 勾選 “mns_asm_design”作為裝配模板，這樣就選取了零件裝配模式； (2)調(diào)入基準(zhǔn)零件。 (a) 門正面 (b) 門背面 圖 8 門的裝配圖 自動門的運(yùn)動仿真及結(jié)果分析 機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析可以完成各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真，在運(yùn)動分析 過程 中，可以在不考慮模型系統(tǒng)的作用力 及質(zhì)量 情況下分析機(jī)構(gòu) 的 運(yùn)動，并測量主體位置、速度和加速度的改變 情況 ，檢查 元 件之間的關(guān)系， 輸出運(yùn)動軌跡和包絡(luò)圖 等 。 此次設(shè)計(jì)中采用齒條與齒 輪 傳動方式，齒輪與齒條副可以將平行移動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，模型中必須包括一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動軸和一個平行運(yùn)動軸。 (2)伺服電機(jī)的定義 伺服電機(jī)是動力學(xué)分析的動力源，它可以為連接接頭設(shè)定各種位置、速度和加速度，使機(jī)構(gòu)以特定方式運(yùn)轉(zhuǎn)。建立伺服電機(jī)的過程如下： 點(diǎn)擊 選擇 “ 插入 ” /“ 伺服電動機(jī) ” 命令，彈出 “ 伺服電動機(jī)定義 ” 對話框；在 “ 名稱 ” 欄輸入伺服電動機(jī)的名稱； 在 “ 類型 ”“ 從動圖元” 欄選伺服電動機(jī)的類型 “ 運(yùn)動軸 ” 。建立結(jié)果測量的具體步驟如下： 選擇 “分析” /“測量” 命令， 系統(tǒng)彈出 “ 測量結(jié)果 ” 對話框；單擊 “ 新建測量 ” 按鈕彈出 “ 測量定義 ” 對話框；在 “ 名稱 ” 欄輸入測量名稱或接受內(nèi)定名稱；在 “ 類型 ” 欄下拉列表選擇測量結(jié)果的類型為 “ 速度 ” ；在 “ 點(diǎn)或運(yùn)動軸 ”欄單擊按鈕，并在組件中選擇要定義測量的點(diǎn)或運(yùn)動軸；重復(fù)上邊的步 驟操作，依次選取二軸，在 “ 評估方法 ” 欄選擇評估方法為每個時間步長度，單擊確定按鈕即可以完成測量 定義； (4)定義并執(zhí)行運(yùn)動學(xué)分析 通過設(shè)置機(jī)構(gòu)建模圖元定義機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方式之后，建立一個運(yùn)動分析計(jì)算機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中主體的各種運(yùn)動特性。定義運(yùn)動分析的操作過程如下： 選擇 “ 分析 ” /“ 機(jī)構(gòu)分析 ” 命令，單擊 按鈕彈出 “ 分析定義 ” 對話 框；在名稱欄輸入分析的名稱或接受內(nèi)定名稱；在“類型”欄下拉列表中選擇分析類型 “ 運(yùn)動學(xué) ” ； 在 “ 優(yōu)先選項(xiàng) ” 欄中選取 “ 長度和幀頻 ” ， 輸入開始時間 0 終止時間為 96，幀頻為 50； 在 “ 電動機(jī) ” 欄中選擇使用的驅(qū)動電機(jī)；直接單擊 “ 運(yùn)行 ” 按鈕執(zhí)行運(yùn)動分析，完成后單擊確定按鈕。選擇 “ 分析 ” /“ 回放 ” 命令，彈出 “ 回放 ” 對話框。所有氣動裝置都選擇 SMC（中國）有限公司生產(chǎn)的氣動元件，這樣的目的有一個，當(dāng)其中某個氣動元件出現(xiàn)故障時，可以和容易的選擇同種型號的元件代替。 由于實(shí)際條件的限制，無法 按照設(shè)計(jì)來來進(jìn)行實(shí)際操作，故選擇 用 Pro/ENGINEER Wildfire 進(jìn)行三 建模及維模擬來演示自動開閉氣動 系統(tǒng)的控制過程 ，模擬 主要包括連接設(shè)置、伺服電動 23 機(jī)的定義、建立運(yùn)動特性測量、定義并執(zhí)行運(yùn)動學(xué)分析以及查看運(yùn)動分析結(jié)果等內(nèi)容。PLC 編程也簡單，便于調(diào)試。 24 致謝 本論文是指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)和幫助下 才 完成的 ， 在 軟件的學(xué)習(xí) 與運(yùn)用 、結(jié)構(gòu)分析、 自動門部件 的設(shè)計(jì)及 建模 裝配 仿真 以及 動畫制作 的過程中指導(dǎo)老師都給予了殷切指導(dǎo)和關(guān)注， 提出許多中肯的建議， 并對設(shè)計(jì)審