毕业设计自动门气动系统设计及运动仿真

河南科技学院2012届本科毕业论文（设计） 论文题目：自动门气动系统设计及运动仿真 学生姓名: 所在院系： 所学专业：导师姓名：完成时间：摘 要自动门是自动化进程中的一个典型代表，此设计就是运用所学的知识，结合实际需要而进行研究的。本文主要对自动门的气动开闭系统进行了设计，并对其运动进行了仿真。通过对自动门功能、结构进行分析，确定了自动门气动控制系统原理图、编制了PLC控制程序，实现了自动门的工作过程。在此基础上利用Pro/E软件进行自动门结构三维建模、虚拟装配和工作过程的运动仿真。关键词： 自动门，气动系统，PLC自动控制，Pro/E建模仿真Automatic door Pneumatic system Design and motion SimulationAbstractThe automatic door is the automation in the process of a typical representative, this design is the use of learned knowledge, combined with the actual needs and make a study of. This paper focuses on the automatic door opening and closing s pneumatic system was designed, and its motion simulation. Through analyzed the automatic doors function and structure to identified the automatic pneumatic control system diagram, and compiled the PLC control procedures, to achieve the automatic door working process. On this basis, using Pro / E software for automatic door structure of 3D modeling, virtual assembly and motion simulation of the working process. Keywords: Automatic door, Automatic Control of Pneumatic System, PLC, Pro / E Modeling and Simulation 目 录1 前言11.1 自动门的概述11.2 国内自动门的发展现状11.3自动门的发展趋势22 自动门自动开闭气动系统设计方案22.1 自动开闭气动系统的主要构成装置22.2 自动门自动开闭气动系统的设计理念32.3 自动门自动开闭气动系统功能分析32.4 自动门的控制要求32.5气动系统的设计方案32.6自动门的结构设计方案43 气压传动53.1 气压传动的原理及组成53.2 气压传动的优缺点54 气动系统的选择64.1气泵的选择74.2 气缸的选择74.2.1 气缸主要尺寸的设计84.2.2 气缸的主要结构设计94.2.3 气缸的选择104.3 其它气动元件的选择125 可编程控制器（PLC）的选择125.1 PLC的产生与发展125.2 PLC的特点135.3 PLC的工作原理135.4 PLC的选型135.5 控制功能145.6 程序设计155.7 自动门的开闭方式分析165.8 PLC的硬件选择175.8.1 传感器的功能与选择175.8.2 PLC的硬件接线176 自动门的模拟186.1自动门主要部分的三维建模186.1.1 自动门主要部件图186.1.2 自动门主要部件的装配186.2自动门的运动仿真及结果分析207 设计总结22致谢24参考文献25 1 前言1.1 自动门的概述在现代社会生活中，人们的生活节奏越来越快，对效率的要求也越来越高，这体现在各个方面，而自动门控制系统正是基于这个社会背景产生的，自动门控制系统是一个应用非常广泛的设备，已广泛应用于酒店、银行、超市、停车场或公共建筑等地方。自动门就是能通过感应自动开闭的门：其将人或其他物体接近门的动作识别为开门信号的控制单元，并通过驱动系统将门开启，在人或其他物体离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现自动控制的系统。自动门的性能优劣主要取决于它的控制装置，早期的自动门控制系统采用继电器逻辑装置，这造成安装繁琐、体积大、不稳定、不易维修、易出故障等缺点已逐渐被淘汰。目前自动门的控制装置大多采用可编程控制器（PLC），PLC采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行顺序运算、逻辑运算、算术运算、计数和计时等操作的指令，控制各种类型的机械运动或自动化生产过程生产过程，PLC可靠性非常高，抗干扰能力特备强，功能也日趋完善，适用性很强，系统的设计、制造工作量较小，维护方便，调试简单，容易进行创新改造，体积很小，重量轻，能耗低等，这也特点使PLC在现代社会得到更加广泛的应用 1 。基于可编程控制器（PLC）控制的自动门由于故障率低、可靠性高、维修调试方便等优点，因而得到广泛的应用。在此设计中，以PLC为控制系统的核心元件，作信号的处理工作。而感应部分，采用光电传感器，实现人或物体进出时的信号转换装置。另外在实现门的开与关的方面，不再采用以往采用电机正反转来控制门的开闭，而是采用气压传动来控制门的开闭。以实现该功能，因为气压元件在生活中非常容易购买，且价格适宜，同时也便于维护，非常适合广泛生产应用，并且可以就地取材空气。本课题所研究的自动门控制系统，主要通过PLC作为控制基础，加上对光电传感器，以及气压传动的应用，从而实现了门的“自动”功能。1.2 国内自动门的发展现状(1)最近几年来， 自动门在国内有了快速的发展。据不完全统计，目前国内生产自动门的厂家已有几十家，但普遍生产规模小，自主研发能力差。从新产品开发能力和质量稳定性方面还不具备和进口产品竞争的实力。(2)专业化分工趋势显现，近两年来，出现了专门生产主要部件的厂家，这些厂家只生产其中的某个部件，这一趋势使生产的门槛降低，导致厂家进一步增多，竞争更加激烈，这在一定程度上推动了自动门的发展。 (3)竞争压力日益增加，竞争有来自国际和国内两个方面，尤其是进口产品借助质量和品牌优势，占据了高端市场，虽然目前国内厂家的产品基本上也都具备了比较完善的功能，但生产工艺略嫌粗糙，质量水平参差不齐，整体档次较低，主要集中在低端市场。这使国内市场的竞争更加残酷。 (4)自动门产品的种类呈多样化趋势，加之自动门产品往往是开发商而非最终用户在选择产品，所以价格因素加剧了市场竞争。竞争导致多厂家一味地降低价格，导致生产自动门的利润微薄。同时，由于价格普遍较低，使产品的持续改进和发展受到严重的限 1 。1.3自动门的发展趋势(1)智能化：自动门运用各种编程技术来实现其智能话，其中PLC编程技术最为简便与快捷，目前常用的PLC编程技术来实现门的自动化。(2)易维护：在设计的过程中采取多种措施，以尽量减少在使用过程中的维护工作。(3)个性化：将会有越来越多的不同外观和功能的产品出现，这将满足用户的不同需要。(4)安全性能高：随着用户安全意识的不断提高，安全性将成为生产商和用户都非常注重的一项指标，这也将是一项基本要求 1 。2 自动门自动开闭气动系统设计方案2.1 自动开闭气动系统的主要构成装置自动门自动开闭气动系统主要由以下几部分组成：(1)气泵气源装置，为系统提供压缩空气；(2)气缸执行元件，将压缩空气的压力能转变为机械能；(3)单向二位四通电磁换向阀控制元件，控制压缩空气流的流动方向，以便使执气缸完成预定运动规律；(4)光电传感器感应元件，通过感应来传递信号给PLC；(5)可编程控制器（PLC）控制换向阀的换向，从而控制气缸有规律的运动。2.2 自动门自动开闭气动系统的设计理念目前市场上的自动门几乎都通过PLC控制电动机的正反转来实现门的开启与闭合，这种控制系统的设计比较复杂， PLC的编程也较繁琐，当发生故障时不便检测和维修。因此，本设计中不再采用电动机控制，而是采用气压传动系统来控制自动门的开闭。此控制系统结构和原理简单，便于检测和维修。PLC编程也简单，便于调试。此系统的工作介质是空气，空气是取之不尽、用之不竭，所以此设计可节省能源，且气体的排放无污染。总之，自动门自动开闭气动系统的设计可以很好地满足社会的需求。2.3 自动门自动开闭气动系统功能分析(1)自动控制方式 当光电传感器检测到有人或其他物体接近门口且门未打开或者检测到已无人接近门口且门未关闭时，PLC输出信号控制气缸活塞伸出或者保持活塞伸出状态，从而使门处在开启状态。当光电传感器未检测到信号时，活塞缩回，使门处在关闭状态。 (2)手动控制方式 当光电传感器发生故障，未检测到信号时可以按手动开启按钮来实现门的开启，人通过门后，按手动关闭按钮后门自动闭合。2.4 自动门的控制要求(1)当有人通过自动门时，光电传感器检测到信号并将信号传给PLC，通过PLC控制电磁换向阀换向，气缸的活塞伸出，从而推动门的开启。(2)自动门在开门位置停留10秒后，当光电传感器未检查到信号时，电磁换向阀复位，气缸缩回，从而自动进入关门过程。(3)在关门过程中，当有人员通过自动门时，光电传感器检测到信号时，门立即停止关闭，并处在开启状态从而使人安全通过自动门。 (4)在门打开后的10秒等待时间内，若有人员通过自动门时，光电传感器检测到信号，须重新开始等待10秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。(5)若光电传感器出现故障无法感应信号实现电磁阀换向时，人可以按下手动按钮使电磁阀换向，从而控制门的开闭。2.5气动系统的设计方案根据自动门自动开闭系统的组成、功能和控制要求，设计自动门气动系统原理图，如图1所示。其中双作用气缸的活塞杆与齿条联接，来推动门的开闭。通过调节单向节流阀来控制流量，从而控制门的开闭速度。通过电磁换向阀换向控制气缸的运动，从而控制门的开闭。 图1 自动门气动系统原理A、B双作用气缸；1、2、3、4单向节流阀；5、6二位四通电磁换向阀；7、8消声器；9气泵；10FRL单元。图2 自动门的结构简图2.6自动门的结构设计方案采用齿条与齿轮结合的传动方式来实现门的自动开启与闭合，具体方式为：当光电传感器感应到信号时，将信号传给PLC，通过PLC控制二位四通电磁阀换向，从而使气缸伸出，推动齿条平行移动，再由齿条带动齿轮转动。当气缸完全伸出时，使自动门完全打开，门开启时间为10秒，10秒之后，若光电传感器未检测到信号，气缸开始缩回，缩回至最大位置时，从而实现门的关闭。若光电传感器出现故障，人只需按下手动按钮来控制二位四通电磁阀换向，从而控制门的开闭，这一过程门的开闭方式与传感器控制门的开闭方式完全一下所以不再重述。自动门的结构简图如图2所示。3 气压传动3.1 气压传动的原理及组成气压传动又简称气动，是指以压缩空气作为工作介质来传递动力和控制信号，控制和驱动各种机械和设备，以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。气压传动与液压传动的工作原理完全相同，都是以密封容积中的受压工作介质来传递运动和动力的。它先将机械能转换成压力能，然后通过各种元件组成的控制回路来实现能量的调控，最终再将压力能转换成机械能，使执行机构实现预定的运动。典型的气压传动系统由气源装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。(1)气源装置是将机械能转换成气体压力能的一种装置，它的作用是为系统提供压缩空气。 (2)执行元件是将压缩空气的压力能转变为机械能的能量转换装置。主要包括作直线往复运动的气缸，作连续回转运动的气马达和作不连续回转运动的摆动马达等元件。(3)控制元件又是用来控制压缩空气流的压力、流量和流动方向等，以便使执行机构完成预定运动规律的元件。包括各种压力阀、方向阀、流量阀、逻辑元件、射流元件、行程阀、转换器和传感器等。(4)辅助元件是使压缩空气净化、润滑、消声以及元件间连接所需要的一些装置。主要包括包括分水滤气器、油雾器、消声器以及各种管路附件等。 3.2 气压传动的优缺点气压传动有许多其他传动方式所不具有优点，气压传动的工作介质是空气，空气是取之不尽、用之不竭。与其他传动方式相比，气压传动能节约资源。气压传动工作环境适应性能好，对工作环境几乎没有特殊要求。特别是在易燃、易爆、强磁、辐射、多尘埃、振动等恶劣环境中，比其他传动更可靠；气动装置内部结构较简单，且成本低，维护方便，过载能自动实现保护。但是气压传动也有自身的不足，空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性和连续性较差，当外载发生变化时，对工作速度的影响比较大；气压传动装置工作时没有润滑液，所以采用气压传动时一般都需要加油雾器装置润滑，传动系统的噪声较大，因此往往需要在系统中设置消声装置。气压传动与其它传动方式性能的比较如表1所示 2 。表1 气压传动与其它传动方式性能的比较类 型操作力动作快慢环境要求构造负载变化影响操作距离无级调速工作寿命维护价格气压传动中等较快适应性好简单较 大中距离较好长一般便宜液压传动最大较慢不怕振动复杂有一些短距离良好一般要求高稍贵电传动电气中等快要求高稍复杂几乎没有远距离良好较短要求较高稍贵电子最小最快要求特高最复杂没有远距离良好短要求更高最贵机械传动较大一般一般一般没有短距离较困难一般简单一般通过表1我们可以看出本设计采用气压传动具有很多优点，例如，对环境的适应性好，构造简单，工作寿命长，维修简单，价格低廉等优点。但我们同时也应注意到气压传动的不足：气压传动受负载的影响较大，所以在设计中，应该特别注意。4 气动系统的选择气压传动与液压传动的工作原理完全相同，都是以密封容积中的受压工作介质来传递运动和动力的。它先将机械能转换成压力能，然后通过各种元件组成的控制回路来实现能量的调控，最终再将压力能转换成机械能，使执行机构实现预定的运动。典型的气压传动系统由气源装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。本次设计中，同样选择典型气动系统的四个组成部分来控制门的自动开闭，包括气泵、气缸、节流阀、二位四通电磁阀等元件。设计中选择的气动元件都来自于SMC(中国)有限公司生产的标准气动元件。 4.1气泵的选择 气泵是气动系统的动力源，它把机械能转换成气压能输送给气动系统。气压传动的压力一般都在范围内，因为CQ2系列的气缸最高使用压力为并且此次设计中所需要的使用的压力为，所以此次选用的气泵输出的最高压力必须大于，并小于，这样既能满足设计要求，又能保证即使压力达到最大时也不会对气缸造成损害。4.2 气缸的选择 气缸是气动系统的执行元件之一。除几种特殊气缸外，普通气缸其种类及结构形式与液压缸基本相同。目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。气缸是气动系统中使用最多的一种执行元件，根据使用条件不同，其结构、形状也有多种形式，气缸也有不同的分类方式。结合本次设计的需要，重点讨论以一下两种分类：(1)按压缩空气对活塞端面作用力的方向分1)单作用气缸 单作用气缸只有一个方向的运动是气压传动，活塞的复位靠弹簧力或自重和其他外力。2)双作用气缸 双作用气缸的往返运动全靠压缩空气来完成。(2)按气缸的功能分1)普通气缸 包括单作用式和双作用式气缸。常用于无特殊的场合。 2)缓冲气缸 气缸一端或两端带有缓冲装置，以防止和减少活塞运动到端点时对气缸缸盖的冲击。 3)气液阻尼缸 气缸与液压缸串联，可控制气缸活塞的运动速度，并使其速度相对稳定。 4)摆动气缸 用于要求气缸叶片轴在一定角度内绕轴线回转的场合，如夹具转为、阀门的启闭等。 5)冲击气缸 是一种以活塞杆高速运动形成冲击力的高速缸，可以用于冲压、切断等。 6)进步气缸 是一种根据不同的控制信号，使活塞杆伸出不同的相应位置的气缸 3 。 本次设计中需要使用气缸活塞的往返运动来控制门的自动开闭，由于气压传动受负载的影响较大，为了实现门的平稳开启，所选用的气缸需要带有缓冲装置。所以此次设计选择双作用缓冲气缸。在此次设计中，由于自动门分为左右两扇相同的玻璃门，因此需要选用两个相同的气缸。自动门的材质为玻璃，门的高为；宽为；厚为；每扇门的重量为。门与固定支座之间的摩擦因数为。传动机构齿轮的齿数为，模数为。根据以上的参数进行设计。4.2.1 气缸主要尺寸的设计 设计气缸气缸时，只有保证气缸的下边几个主要尺寸，才能实现气缸的功能。 (1)气缸的直径气缸的直径也就是气缸的内径，可根据外负载的大小来确定，当气源提供气压为时，气缸的内径为 （41）所求的D值，一般要提高再圆整到系列标准值。气缸的内径系列如表2所示。表2 气缸的内径系列气缸直径3240506380100125160200250320400500630活塞杆直径12141618202532405063708090100 在此设计中气缸的活塞与齿条联接，通过齿条带动齿轮转动，从而使自动门实现开闭。齿轮的齿数为；模数为；则由此可以计算出分度圆的直径为；又易知齿轮转动便可以实现自动门的完全开闭，自动门与固定支座间的摩擦力为： 令齿轮的传动力为，则根据理论力学中有关力矩的知识可得出从而求得；那么气缸的推动力至少应为，考虑到气缸运功过程中的误差的存在，取；取气源的供气压力为；根据公式（41）可知气缸的直径应满足；所求的D值，一般要提高再圆整到系列标准值。即；经圆整查表2可得气缸的直径为；活塞杆直径；(2)活塞的行程活塞的行程一般根据实际需要来确定，通常的值取。 (3)气缸进、排气口直径的大小，直接决定了气缸进气速度，亦决定了活塞的运动速度。设计中，应予以充分的重视，直径的确定可根据空气流经排气口的速度来计算，一般取，因而为 （42）式中，为工作压力下输入气缸的空气量。一般情况下进气口直径根据气缸的内径的大小来选取。如表3所示。表3 排气口直径与气缸内径的关系气缸内径进排气口直径4050，6380,100,125140,160,1808101520因为缸的直径为，所以查表3可得进排气口的直径。4.2.2 气缸的主要结构设计在设计气缸各部分机械结构时，主要要确定各部分的结构形式及主要尺寸。气缸的结构尺寸设计气缸筒的的主要作用是提供压缩空气的储存与膨胀空间及对活塞实现导向，从而通过活塞将压力能转化为机械能。气缸筒均为圆筒形状，要确定的主要尺寸为：(1)气缸的直径 已求出。 (2)气缸筒的壁厚 壁厚可利用薄壁圆筒的强度计算公式来确定 （43）式中：气缸工作压力；气缸内径；气缸材料的许用拉应力；，缸体材料的抗拉强度，安全系数，一般取；考虑到刚度、加工制造、腐蚀等要求所加的裕量。气缸的材料的许用拉应力通常取下来数据；铸铁和，；钢管，；45钢管，；铸造铝合金，。常用气缸直径、材料和壁厚的关系如表4所示。表4 气缸直径、材料和壁厚的关系材 料气缸直径5080100125160200250320壁厚铸铁78101012141616钢，Q235 5788991112铝合金ZL203本次设计中材料选用；缸的直径为，查表4可得缸的壁厚为。4.2.3 气缸的选择目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。本设计中所使用的气缸选择SMC(中国)有限公司生产的气缸系列 5 。(1)气缸系列的选择 SMC气缸的部分系列如表5所示。表5 SMC气缸的部分系列气缸系列气缸缸径 mm6810121620253240506380100CJ2系列小型不锈钢缸筒系列CM2系列轻型不锈钢缸筒系列CG1系列铝制缸筒、轻型CA2系列拉杆型中缸系列MB系列C85符合CETOP标准的气缸C95CQ2系列薄壁CQS系列紧凑，薄型因为所选用的气缸的直径应为；所以查表5中确定本设计选用系列的气缸。(2)气缸安装的形式选择不同气缸有不同的安装形式，而各系列亦有多种不同的安装形式可供选择，应根据气缸的不同用途来选择安装形式。安装形式可分为：普通型、脚座型、法兰型、耳环型、耳轴型。本设计中气缸选择脚座型安装形式。(3)气缸的缓冲方式选择 本设计中需要实现自动门的平稳开闭，故选择橡胶缓冲的形式。 气缸的缓冲方式选择如表6所示。表6 气缸的缓冲方式气缸系列缓冲形式CJ2CM2CG1CA2MBC95CQ2CQS无缓冲橡胶缓冲气缓冲液压缓冲(4)活塞杆端配件的选择活塞杆端的接头形式如表7所示。表7 活塞的接头形式肘接头I型单肘节头 Y型双肘节头浮动接头标准型 法兰型 脚座型浮动接头可避免工件与活塞轴向偏心的问题，故选用浮动接头的法兰型。(5)CQ气缸的选择根据设计参数，可确定本设计中选用的气缸型号为，其中表示气缸的系列，表示气缸的安装方式为脚座式，50表示缸的直径，125表示气缸的行程，D表示气缸的动作方式为双作用方式，C表示缓冲方式为添加缓冲垫。4.3 其它气动元件的选择(1)控制元件的选择1)二位四通电磁换向阀的选择选用SMC(中国)有限公司生产的单电控二位四通电磁换向阀，其型号为：；为单体式直接配管型；2)排气节流阀的选择节流阀依靠改变阀口的通流面积的大小或通流通道的长短来控制空气流量的。SMC(中国)公司生产的节流阀和气缸是配套使用的，因此根据气缸的型号便可以选出节流阀的型号。设计中选用SMC(中国)有限公司生产的排气节流阀，其型号为：。(2)其他气动元件的选择其它气动元件也全部选择SMC(中国)有限公司生产的系列产品。消声器选用消声效果为30分贝的消声器；气动三元件FRL单元空气组合元件；配管选用外径为的配管；选用浮动接头的型号为。5 可编程控制器（PLC）的选择5.1 PLC的产生与发展PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计。PLC的产生可追溯到上世纪70年代，1969年美国数据设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在GM公司的生产线上。其后日本、原联邦德国等相继引入，使其迅速发展起来。但这一时期它主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（programmable logic controller）。PLC从诞生至今，其发展大体经历了三个阶段：从20世纪70年代至80年代中期，以单机为主发展硬件技术，为取代传统的继电器接触器控制系统而设计各种型号的PLC。到80年代末期，为适应柔性制造系统的(FMS)的发展，在提高单片机功能的同时，加强软件的开发，提高同通信能力。90年代以来，为适应计算机集成制造系统（CIMS）的发展，采用多CPU的PLC系统，不断提高运算速度和数据处理能力。据有关数据统计显示，1987年世界PLC的销售额为25亿美元，此后每年以20%左右的速度递增。进入20世纪90年代以来，世界PLC的平均销售额在55亿美元以上，其中我国约占1%。当前PLC在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用PLC设计自动控制系统已成为世界潮流 7 。5.2 PLC的特点PLC工作的可靠性能高，抗干扰能力强 ，它采用隔离、滤波、屏蔽、联锁等措施，这些措施提高PLC的可靠性；采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境，已集成电路为基本元件，内部处理不依赖机械触电，以保证高可靠性。PLC的配套齐全，功能完善，适用性能强 ，可实现三电一体化，即电控、电仪、电传一体化，一台控制装置包括逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能三种功能，可以方便、灵活地适应各种工业需要。另外PLC技术易学易用，以继电器逻辑梯形图为编程语言，梯形图符号和定义与常规的继电器展开图完全一致，系统的设计、调试、建造工作量较小，调试、维护方便容易，并且程序容易变更 7 。5.3 PLC的工作原理PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，一个扫描周期主要可分为3个阶段。(1)输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。(2)程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。(3)输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出 8 。5.4 PLC的选型 本文选择松下电工FP0系列PLC，FP0是日本松下电工株式会社继小型机FP1系列之后又开放的小型PLC产品。它集CPU、I/O、通信等诸多功能模块与一体，具有体积小、功能强和性能价格比高等特点，适用单机、小规模控制，在机床、纺织、电梯控制等领域得到了广泛的应用，特别适合在我国的中小企业推广应用。其特点如下：(1)超小型尺寸，具有世界上最小的安装面积，宽25mm高90mm长60mm；(2)轻松扩展，扩展单元可直接连接到控制单元上、不需任何电缆；(3)从I/O 10点到最大I/O 128点的选择空间；(4)拥有广泛的应用领域。控制系统有自动门手动开启按钮1个，自动门手动关闭按钮1个，1个光电传感器，1个继电器。PLC需要3个输入点和1个输出点。根据系统的I/O点数要求，选择FP0系列PLC的C32型主机。其输入点数为16，输出点数为16，满足控制要求，故不需要对控制单元进行扩展 8 。PLC的I/O点分配如表9所示。表9 PLC的I/O点分配PLC点名称 连接外部设备 功能说明 X0 手动开启按钮SB1 手动开启 X1 手动关闭按钮SB2 手动关闭 X2 光电传感器SE1 自动开闭5.5 控制功能(1)当有人通过自动门时，光电传感器SE1检测到信号并将信号传给PLC，通过PLC控制电磁换向阀换向，气缸的活塞伸出，从而推动门的开启。(2)自动门在开门位置停留10秒后，当光电传感器SE1未检查到信号时，电磁换向阀复位，气缸缩回，从而自动进入关门过程。(3)在关门过程中，当有人员通过自动门时，光电传感器SE1检测到信号时，门立即停止关闭，并处在开启状态从而使人安全通过自动门。 (4)在门打开后的10秒等待时间内，若有人员通过自动门时，光电传感器SE1检测到信号，须重新开始等待10秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。(5)若光电传感器SE1出现故障无法感应信号实现电磁阀换向时，人可以按下手动按钮使电磁阀换向，从而控制门的开闭。自动门的开闭流程如图3所示。 人通过信号活塞伸出开门手动开按钮YN延迟10s再次信号Y活塞缩回关门再次信号结束NNY手动关按钮图3 自动门的开闭流程5.6 程序设计(1)梯形图语言PLC的梯形图在形式上沿袭了传统的继电器接触器控制图，是在原继电器接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。它将PLC内部的各种编程元件（如继电器的触点、线圈、定时器、计数器等）和各种具有特定功能的命令用专用图形符号、标号定义，并按逻辑要求及连接规律组合和排列，从而构成了表示PLC输入、输出之间控制关系的图形。由于它在继电器接触器的基础上加进了许多功能强大、使用灵活的指令，并将计算机的特点结合进去，使逻辑关系清晰直观、编程容易、可读性强，所实现的功能大大超过了传统的继电接触控制电路，所以很受用户欢迎。它是目前用的最多的PLC编程语言。(2)梯形图程序根据自动门的控制要求以及自动门的开闭流程图3，编写控制系统的PLC程序梯形图，如图4所示。图4 PLC程序梯形图5.7 自动门的开闭方式分析(1)自动开闭1)当有人员通过自动门，光电传感器SE1检测到信号时，电磁阀换向，气缸的活塞伸出，从而推动门的开启。2)自动门在开门位置停留10秒后，当光电传感器SE1未检查到信号时，电磁阀复位，气缸缩回，从而进入自动关门过程。3)在关门过程中，若有人员通过自动门时，光电传感器SE1检测到信号时，门立即停止关闭，并处在开启状态从而使人安全通过自动门。4)在门打开后的10秒等待时间内，若有人员通过自动门时，光电传感器SE1检测到信号，须重新开始等待10秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。(2)手动开闭若光电传感器SE1出现故障无法感应信号实现电磁阀换向时，人员通过自动门时可以按下手动按钮SB1使电磁阀换向，从而使自动门开启；通过自动门后，按下手动按钮SB2使电磁阀复位，从而使自动门关闭。这手动的过程中，门的开闭仍然是通过PLC控制的。5.8 PLC的硬件选择5.8.1 传感器的功能与选择(1)光电传感器的简单介绍传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成。在这次设计中所采用的是传感器是光电传感器，光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用 9 。(2)光电传感器的接线方式自动门的自动开闭气动系统采用光电传感器来检测信号的有无，其接线方法如图5所示。 图5 光电传感器接线5.8.2 PLC的硬件接线此次自动门的设计采用了自动开闭气动系统，改变了以往自动门的复杂编程设计，简单实用，可用于各种场合，PLC的编程比以往自动门的PLC编程要简单，容易理解，便于调试。绘制PLC的硬件接线图，如图6所示。 图6 PLC的硬件接线6 自动门的模拟6.1自动门主要部分的三维建模6.1.1 自动门主要部件图在自动门的主要部件建模中，使用了一些常用的命令，如拉伸、旋转、扫描、矩阵等Pro/ENGINEER Wildfire常用的建模命令。对门的主要部件的建模如图7所示。其中门的实际高度为，宽为，厚为，为了便于观察门的运动，建模时门的高度，宽为，厚为。6.1.2 自动门主要部件的装配Pro/ENGINEER Wildfire不仅提供了提供了强大的零件设计工功能，同时也提供了强大的零件装配功能。在Pro/ENGINEER Wildfire中，零件装备是通过定义零件模型之间的装配约束来实现的。装配的主要步骤包括建立零件装配模式和调入零件进行装配两个部分。自动门主要部件的装配过程是将前面已经建立好的各零部件模型组装在一起的过程，为后面的运动仿真及分析做基础。对自动门的主要部件进行装配的大致过程如下所示。(1)打开Pro/ENGINEER Wildfire4.0后，首先新建装配模型文件。单击主菜单下拉栏中的“新建”选项，选择类型中的“组件”选项，子类型仍然按系统默认的“设计”选项，在名称一栏输入“menzhuangpei”，取消“使用缺省模板”复选框，单击确定按钮，在接下来出现的对话框中勾选“mns_asm_design”作为装配模板，这样就选取了零件装配模式；(2)调入基准零件。单击主菜单栏中 “插入”选项的下拉菜单中的“元件”命令，然后在系统弹出的“元件”菜单中选择“装配”选项；或者直接点击右侧插入元件按钮，即可依次选择要装配的各元件； (a) 门 (b) 门框 (c) 齿轮 (d) 轴承 (e) 支座 (f) 轴图7 门的主要部件图(3)调入插入的零件。点击“打开”选项，系统将弹出放置对话框，按系统自身默认的“用户定义”、“自动”放置第一个组件，单击确定按钮即可；或者直接点击右侧插入元件按钮，插入需要装配的零件；(4)定义需要装配的零件之间的装配约束关系并确定这些约束关系的定义，完成两零件间的装配，约束的确定可以保证每个组件之间具有正确的位置关系；(5)选择其他需要装配的自动门零件，在系统弹出的对话框中选择“用户定义”和合适的装配方式，单击放置按钮，依次选择两零件将要配合的部分，即可将其装配一起，重复上述步骤，直到完全约束即可单击确定按钮，完成两个零件的装配；(6)重复上述步骤，依次装配好各个单元，装配图如图(8a)、(8b)所示。需要强调的是在装备门框时，应该选择的装配环境是“使用缺省模板”的环境，这样才能在仿真时保持门框的固定。 (a) 门正面 (b) 门背面 图8 门的装配图6.2自动门的运动仿真及结果分析机构运动学分析可以完成各种机构的运动仿真，在运动分析过程中，可以在不考虑模型系统的作用力及质量情况下分析机构的运动，并测量主体位置、速度和加速度的改变情况，检查元件之间的关系，输出运动轨迹和包络图等。本次自动门的设计中使用了机构运动分析模拟自动门自动开闭功能的基本过程，由于自动门组件模型的建立已经在装配过程中完成，所以接下来需要讨论的剩余过程主要包括连接设置、伺服电动机的定义、建立运动特性测量、定义并执行运动学分析以及查看运动分析结果等内容。 (1)连接设置 完成自动门的元件装配后，接下来是进入机构（Mechanism）环境进行连接设置，主要是对连接位置的设定、装配的检测及建立快照，其中连接位置可以再组件下完成，也可在机构下重新设置。在此次设计中采用用齿轮副连接，齿轮副连接用于定义两个连接轴的速度约束，Mechanism包括标准齿轮副和齿条与齿轮两种形式。此次设计中采用齿条与齿轮传动方式，齿轮与齿条副可以将平行移动转化为旋转运动，模型中必须包括一个旋转运动轴和一个平行运动轴。定义齿条与齿轮副过程如下：选择“插入”/“齿轮副”命令，或单击按钮弹出“齿轮副定义”对话框；在“名称”栏输入名称或接受内定名称；接着从“类型”列表中选取默认的“齿轮与齿条”类型齿轮副；在“小齿轮”栏中单击按钮选取旋转运动轴，此运动轴为带动门转动的轴。然后在“节圆”栏中输入直径值，节圆的值为；在“图标位置”栏为节线选取一个偏移的位置量；接着在“齿条”栏中单击按钮选取一个平移运动轴，此运动轴为气缸活塞的轴线；其余按照相同的操作完成齿条的定义。在“属性”栏中会自动显示齿条的比值，最后单击确定按钮即可完成齿轮齿条副的定义。(2)伺服电机的定义 伺服电机是动力学分析的动力源，它可以为连接接头设定各种位置、速度和加速度，使机构以特定方式运转。服电机施加位置、速度和加速度的方式是以时间函数的形式表达的，通过定义时间函数，如常数、线性函数、自定义函数等，可以得出每一时间各个主体的位置（轮廓）。在Mechanism中伺服电机包括运动轴伺服电机和几何伺服电机，运动轴伺服电动机用于建立某一方向上的明确定义的运动。本设计中采用的是运动轴伺服电机。建立伺服电机的过程如下：点击选择“插入”/“伺服电动机”命令，弹出“伺服电动机定义”对话框；在“名称”栏输入伺服电动机的名称；在“类型”“从动图元”栏选伺服电动机的类型“运动轴”。确定电动机类型后，在“轮廓”栏中定义运动的类型为“速度”，建立施加转速的伺服电机。在“规范”下拉列表选择速度，“模”下拉列表选择常数，并选择转速值为2；完成上诉过程后单击确定按钮退出伺服电动机定义。(3)建立运动特性测量 建立运动结果测量可以将机构运动分析得到的结果不仅使用动画的方式表现出来，而且还可以使用图表的形式获取每一时间点的数据，使用者可以准确的捕获用来改进机构设计的有关信息，以便以完成机构的优化设计。建立结果测量的具体步骤如下：选择“分析”/“测量”命令，系统弹出“测量结果”对话框；单击“新建测量”按钮弹出“测量定义”对话框；在“名称”栏输入测量名称或接受内定名称；在“类型”栏下拉列表选择测量结果的类型为“速度”；在“点或运动轴”栏单击按钮，并在组件中选择要定义测量的点或运动轴；重复上边的步骤操作，依次选取二轴，在“评估方法”栏选择评估方法为每个时间步长度，单击确定按钮即可以完成测量定义；(4)定义并执行运动学分析 通过设置机构建模图元定义机构的运动方式之后，建立一个运动分析计算机构运动过程中主体的各种运动特性。使用机构运动学分析模块可以建立位置分析和运动学分析。进行运动分析时不需要考虑力和质量，因此，不必为机构指定质量属性。运动分析可以计算几何图元和连接的速度、加速度以及作为捕获机构运动的包络。定义运动分析的操作过程如下：选择“分析”/“机构分析”命令，单击按钮弹出“分析定义”对话框；在名称栏输入分析的名称或接受内定名称；在“类型”栏下拉列表中选择分析类型“运动学”； 在“优先选项”栏中选取“长度和帧频”，输入开始时间0终止时间为96，帧频为50；在“电动机”栏中选择使用的驱动电机；直接单击“运行”按钮执行运动分析，完成后单击确定按钮。(5)查看运动分析结果 Mechanism的结果查看主要是通过使用图形显示测量结果和结果回放的方式完成的。在“测量结果”对话框上使用“图形工具”窗口，可以显示测量结果的图形及定义电动机和力轮廓函数。在此次设计中，只测量运动结果并查看运动结果，过程如下：结果回放：在播放结果集时可以通过设置“冲突检测设置”、“影片进度表”、“显示箭头”等操作在影片播放时检测软件之间的干涉，显示时间和进度及在播放的过程中显示测量值和方向。选择“分析”/“回放”命令，弹出“回放”对话框。单击 按钮进入动画播放窗口，然后单击按钮开始播放动画，按照上诉步骤即可以完成结果回放，从而观察门的开闭情况。7 设计总结 设计完成了自动门开闭气动系统理论设计和仿真要求。首先，进行了自动门的气动部分的设计，采用了典型的气压传动系统，由气源装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。所有气动装置都选择SMC（中国）有限公司生产的气动元件，这样的目的有一个，当其中某个气动元件出现故障时，可以和容易的选择同种型号的元件代替。再次，利用PLC技术来实现自动门的开闭，利用PLC控制二位四通电磁阀换向达到控制气动系统的目的，从而实现门的自动开闭，具体过程如下：当光电传感器感应到信号时，将信号传给PLC，通过PLC控制二位四通电磁阀换向，从而使气缸伸出，推动齿条平行移动，再由齿条带动齿轮转动。当气缸完全伸出时，使自动门完全打开，门开启时间为10秒，10秒之后，若光电传感器未检测到信号，气缸开始缩回，缩回至最大位置时，从而实现门的关闭。另外设计了手动按钮，当若光电传感器出现故障，人只需按下手动按钮来控制二位四通电磁阀换向，从而控制门的开闭。由于实际条件的限制，无法按照设计来来进行实际操作，故选择用Pro/ENGINEER Wildfire进行三建模及维模拟来演示自动开闭气动系统的控制过程，模拟主要包括连接设置、伺服电动机的定义、建立运动特性测量、定义并执行运动学分析以及查看运动分析结果等内容。通过建模和模拟，达到了自动门自动开闭过程的要求。本次设计中改变了以往大多数自动门用电机控制的模式，不再采用电动机控制，而是采用气压传动系统来控制自动门的开闭，简化了自动门的控制过程，使自动门的设计成本降低了。另外，此控制系统结构和原理简单，便于检测和维修。PLC编程也简单，便于调试。但是，大多数自动门都不采用此种技术，说明其存在着一定的确定，例如，气压传动受负载的影响较大。希望在以后的学习中能得到更多的方法来解决气压传动的不足。使此次设计在理论和实践中都得到更大进步。致谢本论文是指导老师的悉心指导和帮助下才完成的，在软件的学习与运用、结构分析、自动门部件的设计及建模装配仿真以及动画制作的过程中指导老师都给予了殷切指导和关注，提出许多中肯的建议，并对设计审阅修正。指导老师学识渊博，治学严谨，责任心强。在毕业设计期间，我除了学到许多专业知识外，还从导师身上学到对工作高度负责的精神和一丝不苟的求知态度。所有的这一切都将使我受益终生。最后，我要衷心感谢我的指导老师，感谢他们在指导我做毕业设计期间对我们无私的关怀和耐心细致的指导。但是我的能力有限，对于老师的一些好的指导与建议也没有能深刻体会。但在以后的学习中我会不断的去完善此次设计。同时也在此衷心的感谢在毕业设计期间关心、支持、帮助过我的全体同学。参考文献1黎虎. 基于PLC和变频器的直线电机驱动门控制系统J. 电机技术. 2008 (4)2左建民.液压与气压传动(第四版)M.北京：机械工业出版社，20113田勇，高长银.液压与气压传动技术及应用M.北京：电子工业出版社，20114张利平. 液压气动技术速查手册.北京：化学工业出版社，2006.125SMC（中国）有限公司. 现代实用气动技术M. 北京：机械工业出版社，2003.106SMC Bert pneumaltcr 中文第5版，7周美兰，周封，王岳宇. PLC电气控制与组态设计（第二版）M.北京：科学出版社，20098田瑞庭. 可编程控制器应用技术M. 机械工业出版社. 1993.社，20069李宝仁. 气动技术低成本综合自动化M. 北京：机械工业出