【正文】 ........... 24 參考文獻 ...................................................................................................................... 25 1 1 前言 自動門的概述 在現(xiàn)代社會生活中，人們的生活節(jié)奏越來越快，對效率的要求也越來越高，這體現(xiàn)在各個方面，而自動門控制系統(tǒng)正是基于這個社會背景產(chǎn)生的，自動門控制系統(tǒng)是一個應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于酒店、銀行、超市、停車場或公共建筑等地方。通過對自動門功能、結(jié)構(gòu) 進行分析，確定了自動門氣動控制系統(tǒng)原理圖、編制了 PLC 控制程序，實現(xiàn)了自動門的工作過程。 河南科技學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 論文題目：自動門氣動系統(tǒng)設(shè)計及運動仿真 學(xué)生姓名 : 所在院系： 所學(xué)專業(yè)： 導(dǎo)師姓名： 完成時間： 摘 要 自動門是自動化進程中的一個典型代表，此設(shè)計就是運用所學(xué)的知識，結(jié)合實際需要而進行研究的。 本文 主要對自動 門的 氣動 開閉系統(tǒng)進行了設(shè)計 ， 并對其運動進行了仿真 。在此基礎(chǔ)上利用Pro/E 軟件進行自動門結(jié)構(gòu)三維建模、虛擬裝配和工作過程的運動仿真。 自動門就是能通 過感應(yīng)自動開閉的門 ： 其將人或其他物體接近門的動作識別為開門信號的控制單元，并通過驅(qū)動系統(tǒng)將門開啟，在人或其他物體離開后再將門自動關(guān)閉，并對開啟和關(guān)閉的過程實現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)。目前自動門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器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行順序運算、邏輯運算、算術(shù)運算、計數(shù)和計時等操作的指令，控制各種類型的機械運動或自動化 生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程， PLC 可靠性非常高，抗干擾能力特備強，功能也日趨完善，適用性很強，系統(tǒng)的設(shè)計、制造工作量較小，維護方便，調(diào)試簡單，容易進行創(chuàng)新改造，體積很小，重量輕，能耗低等，這也特點使 PLC 在現(xiàn)代社會得到更加廣泛的應(yīng)用 [1] 。 在 此設(shè)計中，以 PLC 為控制系統(tǒng)的核心元件，作信號的處理工作。另外在實現(xiàn)門的開與關(guān)的方面， 不再采用以往采用電機正反 轉(zhuǎn)來控制門的開閉，而是采用氣壓傳動來控制門的開閉。 本課題所研究的自動門控制系統(tǒng)，主要通過 PLC 作為控制基礎(chǔ)，加上對光電傳感器，以及氣壓傳動的應(yīng)用，從而實現(xiàn)了門的 “ 自動 ” 功能。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)生產(chǎn)自動門的廠家已有幾十家，但普遍生產(chǎn)規(guī)模小，自主研發(fā)能力差。 (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)其中的某個部件，這一趨勢使生產(chǎn)的門檻降低，導(dǎo)致廠家進一步增2 多，競爭更加激烈，這在一定程度上推動了自動門的發(fā)展。這使國內(nèi)市場的競爭更加殘酷。競爭導(dǎo)致多廠家一味地降低價格，導(dǎo)致生產(chǎn)自動門的利潤微薄。 自動門的發(fā)展趨勢 (1)智能化：自動門運用各種編程技術(shù)來實現(xiàn)其智能話，其中 PLC 編程技術(shù)最為簡便與快捷，目前常用的 PLC 編程技術(shù)來實現(xiàn)門的自動化。 (3)個性化：將會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 。 2 自動門自動開閉氣動系統(tǒng)設(shè)計方案 自動開閉氣動系統(tǒng)的主要構(gòu)成裝置 自動門自動開閉氣動系統(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方向，以便使執(zhí)氣缸完成預(yù)定運動規(guī)律 ； (4)光電傳感器 感應(yīng)元件，通過感應(yīng)來傳遞信號給 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)律的運動 。因此，本設(shè)計中不再采用電動機控制，而是采用氣壓傳動系統(tǒng)來控制自動門的開閉。 PLC 編程也簡單，便于調(diào)試?？傊?動門自動開閉氣動系統(tǒng)的設(shè)計可以很好地滿足社會的需求。當(dāng)光電傳感器未檢測到信號時，活塞縮回，使門處在關(guān)閉狀態(tài)。 自動門的控制要 求 (1)當(dāng)有人通過自動門時，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，從而推動門的開啟。 (3)在關(guān)門過程中，當(dāng)有人員通過自動門時，光電傳感器檢測到信號時，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門。 (5)若光電傳感器出現(xiàn)故障無法感應(yīng)信號實現(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。其中雙作用氣缸的活塞 桿 與齒條聯(lián)接， 來推動門的開閉。 通過 電磁換向閥 換向控制氣缸的運動 ，從而控制門的開閉。 圖 2 自動門的結(jié)構(gòu)簡圖 自動門的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 采用齒條與齒輪結(jié)合的傳動方式來實現(xiàn)門的自動開啟與閉合，具體方式為：當(dāng)光電傳感器感應(yīng)到信號時，將信號傳給 PLC，通過 PLC 控制二位四通電磁閥 5 換向，從而使氣缸伸出，推動齒條平行移動，再由齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動。 若光電傳感器出現(xiàn)故障， 人只需按下手動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。 3 氣壓傳動 氣壓傳動的原理 及組成 氣壓傳動又簡稱氣動，是指以壓縮空氣 作 為工作介質(zhì)來傳遞動力和控制信號，控制和驅(qū)動各種機械和設(shè)備，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程機械化、自動化的一門技術(shù)。它先將機械能轉(zhuǎn)換成壓力能，然后通過各種元件組成的控制回路來實現(xiàn)能量的調(diào)控，最終再將壓力能 轉(zhuǎn)換成機械能，使執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)預(yù)定的運動。 (1)氣源裝置是將機械能轉(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。主要包括作直線往復(fù)運動的氣缸，作連續(xù)回轉(zhuǎn)運動的氣馬達和作不連續(xù)回轉(zhuǎn)運動的擺動馬達等元件。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。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。與其他傳動方式相比，氣壓傳動能節(jié)約資源。特別是在易燃、易爆、強磁、輻射、多塵埃、振動等惡劣環(huán)境中，比其他傳動更可靠； 氣動裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡單，且成本低，維護方便，過載能自動實現(xiàn)保護。 氣壓傳動與其它傳動方式性能的比較如表 1 所示 [2] 。但我們同時也應(yīng)注意到氣壓傳動的不足： 氣壓傳動受負載的影響較大，所以在設(shè)計中，應(yīng)該特別注意。它先將機械能轉(zhuǎn)換成壓力能，然后通過各種元件組成的控制回路來實現(xiàn)能量的調(diào)控，最終再將壓力能轉(zhuǎn)換成機械能，使執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)預(yù)定的運動。 本次設(shè)計中，同樣選擇典型氣動系統(tǒng)的四個組成部分來控制門的自動開閉，包括氣泵、氣缸、 節(jié)流閥、二位四通電磁閥等元件。 7 氣泵的選擇 氣泵是氣動系統(tǒng)的動力源，它把機械能轉(zhuǎn)換成氣壓能輸送給氣動系統(tǒng)。 氣缸的 選擇 氣缸是氣動系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一。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。結(jié)合本次設(shè)計的需要，重點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方向的運動是氣壓傳動 ， 活塞的復(fù)位靠彈 簧力或自重和其他外力。 (2)按氣缸的功能分 1)普通氣缸 包括單作用式和雙作用式氣缸。 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動到端點時對氣缸缸蓋的沖擊。 4)擺動氣缸 用于要求氣缸葉片軸在一定角度內(nèi)繞軸線回轉(zhuǎn)的場合，如夾具轉(zhuǎn)為、閥門的啟閉等。 6)進步氣缸 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] 。所以此次設(shè)計選擇雙作用緩沖氣缸。自動門的材質(zhì)為玻璃，門的高為 m2 ；寬為 m1 ；厚為 ；每扇 8 門的重量為 kg17 。傳動機構(gòu)齒輪的齒數(shù)為 40?Z ，模數(shù)為 3?m 。 氣缸主要尺寸的設(shè)計 設(shè)計氣缸氣缸時，只有保證氣缸的下邊幾個主要尺寸，才能實現(xiàn)氣缸的功能。氣缸的內(nèi)徑系列 如 表 2 所示 。 齒輪的齒數(shù)為 40?Z ；模 數(shù)為 3?m ；則由此可以計算出分度圓的直徑為mm120??? zmd ；又易知齒輪轉(zhuǎn)動 ?90 便可以實現(xiàn)自動門的完全開閉 ， 自動門與固定支座間的摩擦力為 ： Nmgf ????? ? 令齒輪的傳動力為 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? ；那么氣缸的推動力至少應(yīng)為 N708 ，考慮到氣缸運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）可知氣缸的直徑應(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。 (3)氣缸進、排氣口直徑 。設(shè)計中，應(yīng)予以充分的 重視，直徑 。d 為 ][4vqd ??。 一般情況下進氣口直徑 。如表 3 所示 。 氣缸的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計 在設(shè)計氣缸各部分機械結(jié)構(gòu)時，主要要確定各部分的結(jié)構(gòu)形式及主要尺寸。氣缸筒均為圓筒形狀，要確定的主要尺寸為 ： (1)氣缸的直徑 D 已求出。 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][ ?? 。 表 4 氣缸直徑、材料和壁厚的關(guān)系 材 料 氣缸直徑 mm/D 50 80 100 125 160 200 250 320 壁厚 mm/? 鑄鐵 150HT 7 8 10 10 12 14 16 16 45 鋼， Q235 5 7 8 8 9 9 11 12 鋁合金 ZL203 12~8 14~12 17~14 本次設(shè)計中材 料選用 23545 Q鋼， ；缸的直徑為 mm50?D ，查表 4 可得缸的壁厚為 mm5?? 。本設(shè)計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] 。 表 5 SMC 氣缸的部分系列 氣缸系列 氣缸缸徑 mm 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 CJ2 系列 小型不銹鋼缸筒系 列 √ √ √ CM2 系列 輕型不銹鋼缸筒系列 √ √ √ √ CG1 系列 鋁制缸筒、輕型 √ √ √ √ √ √ √ √ CA2 系列 拉桿型中缸系列 √ √ √ √ √ MB 系列 √ √ √ √ √ √ C85 符合 CETOP 標(biāo)準(zhǔn)的氣缸 √ √ √ √ √ √ C95 √ √ √ √ √ √ CQ2 系列 薄壁 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ CQS 系列 緊湊，薄型 √ √ √ √ 11