【正文】 )競爭壓力日益增加，競爭有來自國際和國內(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，占據(jù)了高端市場，雖然目前國內(nèi)廠家的產(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。 國內(nèi)自動(dòng)門的發(fā)展現(xiàn)狀 (1)最近幾年來， 自動(dòng)門在國內(nèi)有了快速的發(fā)展。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)的信號轉(zhuǎn)換裝置。自動(dòng)門的性能優(yōu)劣主要取決于它的控制裝置，早期的自動(dòng)門控制系統(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。通過對自動(dòng)門功能、結(jié)構(gòu) 進(jìn)行分析，確定了自動(dòng)門氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖、編制了 PLC 控制程序，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)門的工作過程。 本文 主要對自動(dòng) 門的 氣動(dòng) 開閉系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì) ， 并對其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真 。 自動(dòng)門就是能通 過感應(yīng)自動(dòng)開閉的門 ： 其將人或其他物體接近門的動(dòng)作識別為開門信號的控制單元，并通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將門開啟，在人或其他物體離開后再將門自動(dòng)關(guān)閉，并對開啟和關(guān)閉的過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)。 在 此設(shè)計(jì)中，以 PLC 為控制系統(tǒng)的核心元件，作信號的處理工作。 本課題所研究的自動(dòng)門控制系統(tǒng)，主要通過 PLC 作為控制基礎(chǔ)，加上對光電傳感器，以及氣壓傳動(dòng)的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)了門的 “ 自動(dòng) ” 功能。 (2)專業(yè)化分工趨勢顯現(xiàn)，近兩年來，出現(xiàn)了專門生產(chǎn)主要部件的廠家，這些廠家只生產(chǎn)其中的某個(gè)部件，這一趨勢使生產(chǎn)的門檻降低，導(dǎo)致廠家進(jìn)一步增2 多，競爭更加激烈，這在一定程度上推動(dòng)了自動(dòng)門的發(fā)展。競爭導(dǎo)致多廠家一味地降低價(jià)格，導(dǎo)致生產(chǎn)自動(dòng)門的利潤微薄。 (3)個(gè)性化：將會(huì)有越來越多的不同外觀和功能的產(chǎn)品出現(xiàn)，這將滿足用戶的不同需要 。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)來控制自動(dòng)門的開閉?？傊?，自 動(dòng)門自動(dòng)開閉氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以很好地滿足社會(huì)的需求。 自動(dòng)門的控制要 求 (1)當(dāng)有人通過自動(dòng)門時(shí)，光電傳感器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(dòng)門的開啟。 (5)若光電傳感器出現(xiàn)故障無法感應(yīng)信號實(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，從而控制門的開閉。 通過 電磁換向閥 換向控制氣缸的運(yùn)動(dòng) ，從而控制門的開閉。 若光電傳感器出現(xiàn)故障， 人只需按下手動(dòng)按鈕來控制二位四通電磁閥換向，從而控制門的開閉，這一過程門的開閉方式與傳感器控制門的開閉方式完全一下所以不再重述。它先將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能，然后通過各種元件組成的控制回路來實(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)。主要包括作直線往復(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。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。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)較簡單，且成本低，維護(hù)方便，過載能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。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。 本次設(shè)計(jì)中，同樣選擇典型氣動(dòng)系統(tǒng)的四個(gè)組成部分來控制門的自動(dòng)開閉，包括氣泵、氣缸、 節(jié)流閥、二位四通電磁閥等元件。 氣缸的 選擇 氣缸是氣動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一。結(jié)合本次設(shè)計(jì)的需要，重點(diǎn)討論以一下兩種分類： (1)按壓縮空氣對活塞端面作用力的方向分 1)單作用氣缸 單作用氣缸只有一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)是氣壓傳動(dòng) ， 活塞的復(fù)位靠彈 簧力或自重和其他外力。 2)緩沖氣缸 氣缸一端或兩端帶有緩沖裝置，以防止和減少活塞運(yùn)動(dòng)到端點(diǎn)時(shí)對氣缸缸蓋的沖擊。 6)進(jìn)步氣缸 是一種根據(jù)不同的控制信號，使活塞桿伸出不同的相應(yīng)位置的氣缸 [3] 。自動(dòng)門的材質(zhì)為玻璃，門的高為 m2 ；寬為 m1 ；厚為 ；每扇 8 門的重量為 kg17 。 氣缸主要尺寸的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)氣缸氣缸時(shí)，只有保證氣缸的下邊幾個(gè)主要尺寸，才能實(shí)現(xiàn)氣缸的功能。 齒輪的齒數(shù)為 40?Z ；模 數(shù)為 3?m ；則由此可以計(jì)算出分度圓的直徑為mm120??? zmd ；又易知齒輪轉(zhuǎn)動(dòng) ?90 便可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門的完全開閉 ， 自動(dòng)門與固定支座間的摩擦力為 ： Nmgf ????? ? 令齒輪的傳動(dòng)力為 F ，則根據(jù)理論力學(xué)中有關(guān)力矩的知識可得出 50060 ??? fF 從而求得 NF 708? ；那么氣缸的推動(dòng)力至少應(yīng)為 N708 ，考慮到氣缸運(yùn)功過程中的誤差的存在，取 NF 750? ； 取氣源的供氣壓力為 MPap ? ；根據(jù)公式（ 4— 1）可知?dú)飧椎闹睆綉?yīng)滿足 7504 ????D；所求的 D 值，一般要提高 %20 再圓整到系列標(biāo)準(zhǔn)值。設(shè)計(jì)中，應(yīng)予以充分的 重視，直徑 。 一般情況下進(jìn)氣口直徑 。 氣缸的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)氣缸各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，主要要確定各部分的結(jié)構(gòu)形式及主要尺寸。 氣缸的材料的許用拉應(yīng)力通常取下來數(shù)據(jù)； 鑄鐵 150HT 和 200HT ，10 MPa30][ ?? ； 235Q 鋼管， MPa60][ ?? ； 45 鋼管， MPa120][ ?? ； 鑄造鋁合金203ZL ， MPa30][ ?? 。本設(shè)計(jì)中所使用的氣缸選擇 SMC(中國 )有限公司生產(chǎn)的氣缸系列 [5] 。安裝形式可分為：普通型、腳座型、法蘭型、耳環(huán)型、耳軸型。 表 6 氣缸的緩沖方式 氣缸系列 緩沖形式 CJ2 CM2 CG1 CA2 MB C95 CQ2 CQS 無緩沖 √ √ 橡膠緩沖 √ √ √ √ √ 氣緩沖 √ √ √ √ √ √ 液壓緩沖 (4)活塞桿端配件的選擇 活塞桿端的接頭形式 如表 7 所示。 SMC(中國 )公司生產(chǎn)的節(jié)流閥和氣缸是配套使用的，因此根據(jù)氣缸的型號便可以選出節(jié)流閥的型號。 5 可編程控制器（ PLC）的選擇 PLC 的產(chǎn)生與發(fā)展 PLC 是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。其后日本、原聯(lián)邦德國等相繼引入，使其迅速發(fā)展起來。 90 年代以來，為適應(yīng)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ CIMS）的發(fā)展，采用多 CPU 的 PLC 系統(tǒng)，不斷提高運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)處理能力。 PLC 的特點(diǎn) PLC 工作的 可靠性能高，抗干擾能力強(qiáng) ，它 采用隔離、濾波、屏蔽、聯(lián)鎖等措施 ，這些措施 提高 PLC 的可靠性；采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，已集成電路為基本元件，內(nèi)部處理不依賴機(jī)械觸電，以保證高可靠性。對每個(gè)程序， CPU 從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的 程序循環(huán)掃描， 一個(gè)掃描周期主要可分為 3 個(gè)階段。 (2)程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。它集 CPU、 I/O、通信等諸多功能模塊與一體，具有體積小、功能強(qiáng)和性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，適用單機(jī)、小規(guī)?？刂疲跈C(jī)床、紡織、電梯控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別適合在我國的中小企業(yè)推廣應(yīng)用。根據(jù)系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)要求，選擇 FP0 系列 PLC 的 C32 型主機(jī)。 (2)自動(dòng)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(shí)，電磁換向閥復(fù)位，氣缸縮回，從而自動(dòng)進(jìn)入關(guān)門過程。 15 自動(dòng)門的開閉流程如圖 3 所示 。它是目前用的最多的 PLC 編程語言。 3)在關(guān)門過程中，若有人員通過自動(dòng)門時(shí)，光電傳感器 SE1 檢測到信號時(shí)，門立即停止關(guān)閉，并處在開啟狀態(tài)從而使人安全通過自動(dòng)門。 17 PLC 的硬件選擇 傳感器的功能 與 選擇 (1)光電傳感器的簡單介紹 傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號的裝置；簡單說傳感器是將外界信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。 光 電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。 圖 5 光電傳感器接線 PLC 的硬件接線 此次自動(dòng)門的設(shè)計(jì)采用了 自動(dòng)開閉氣動(dòng) 系統(tǒng)，改變了以往自動(dòng)門的復(fù)雜 編程設(shè)計(jì)， 簡單實(shí)用，可用于各種場合， PLC 的編程比以往自動(dòng)門的 PLC 編程要簡單，容易理解，便于調(diào)試。 其中 門的實(shí)際高度為 m2 ，寬為 1m ，厚為 ，為了便于觀察門的 運(yùn)動(dòng)，建模時(shí)門的高度 ，寬為 ，厚為 。 自動(dòng)門主要部件的裝配過程是將前面已經(jīng)建立好的各零部件模型組裝在一起的過程，為后面的運(yùn)動(dòng)仿真及分析做基礎(chǔ)。單擊主菜單欄 中 “ 插入 ” 選項(xiàng)的 下拉菜單中的 “ 元件 ”命令，然 后 在系統(tǒng)彈出的 “ 元件 ” 菜單中選 擇 “ 裝配 ” 選項(xiàng) ；或者直接點(diǎn)擊右側(cè) 19 插入元件按鈕 ，即可依次選擇要裝配的各元件； (a) 門 (b) 門框 (c) 齒輪 (d) 軸承 (e) 支座 (f) 軸 圖 7 門的主要部件圖 (3)調(diào)入插入的零件。本次 自動(dòng)門的 設(shè)計(jì)中 使用 了 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模擬 自動(dòng)門自動(dòng)開閉 功 能 的基本過程，由于 自動(dòng)門 組件模型 的 建立已經(jīng)在裝配 過程 中完成， 所以 接下來需要討論的 剩余過程主要包括連接設(shè)置、伺服電動(dòng)機(jī) 的 定義、建立運(yùn)動(dòng)特性測量、定義并執(zhí)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 以及 查看運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果等 內(nèi)容 。定義齒條與齒輪副過程如下： 選擇 “ 插入 ” /“ 齒 輪副 ” 命令，或單擊 按鈕彈出 “ 齒輪副定義 ” 對話框；在 21 “ 名稱 ” 欄輸入名稱或接受內(nèi)定名 稱 ； 接著 從 “ 類型 ” 列表中選取默認(rèn)的 “ 齒輪與齒條 ” 類型齒輪副； 在 “ 小齒輪 ” 欄中單擊 按鈕 選取旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸，此運(yùn)動(dòng)軸為帶動(dòng)門轉(zhuǎn)動(dòng)的軸。服電機(jī)施加位置、速度和加速度的方式是以時(shí)間函數(shù)的形式表達(dá)的，通過定義時(shí)間函數(shù)，如常數(shù)、線性函數(shù)、自定義函數(shù)等，可以得出每一時(shí)間各個(gè)主體的位置（輪廓）。確定電動(dòng)機(jī)類型后， 在 “ 輪廓 ” 欄中定義運(yùn)動(dòng)的類型為 “ 速度 ” ，建立施加轉(zhuǎn)速的伺服電機(jī)。使用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模塊可以建立位置分析22 和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。 (5)查看運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果 Mechanism 的結(jié)果查看主要是通過使用圖形顯示測量結(jié)果 和結(jié)果回放 的方式完成的。單擊 按鈕進(jìn)入動(dòng)畫播放窗口，然后單擊 按鈕開始播放動(dòng)畫，按照上訴步驟即可以完成結(jié)果回放，從而觀察門的開閉情況。再次，利用 PLC 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門的開閉，利用 PLC 控制二位四通電磁閥換向達(dá)到控制氣動(dòng)系統(tǒng)的目的，從而實(shí)現(xiàn)門的自動(dòng)開閉，具體過程如 下 ： 當(dāng)光電傳感器感應(yīng)到信號時(shí)，將信號傳給 PLC，通過 PLC控制二位四通電磁閥換向，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)。通過建模和模擬，達(dá)到了自動(dòng)門自動(dòng)開閉過程的要求。 但是，大多數(shù)自動(dòng)門都不采用此種技術(shù)，說明其存在著一定的確定，例如，氣壓傳動(dòng)受負(fù)載的影響較大。指導(dǎo)老師學(xué)識淵博，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，責(zé)任心強(qiáng)。 但是我的能力有限，對于老師的一些好的指導(dǎo)與建議也沒有能