基于PLC的小型电动清洁车设计

题 目： 基于PLC的小型电动清洁车设计 目录摘要11、 前言3（一）研究现状和发展趋势2、 设计准备6（1） 市场调研（2） 选择PLC的原因（3） 设计思路及可行性 自动避障 电源设计电路设计（四）设计所需准备内容3、 设计过程 9（一）设计草图制作（二）装配图组装（三）装配图渲染（四）动画演示（五）电路设计电路板尺寸布置散热设计电磁兼容型设计地线设计4、 结论15五、致谢166、 参考文献18诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计基于PLC的小型电动清洁车设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日摘要从“智能家居”想法的萌生开始，全球智能化家居产业就飞速发展，从十几年前比尔盖茨的智能豪宅内部细节公诸于世，到现在扫地机器人、自动洗碗机等智能家居的屡见不鲜，短短数十年，智能化、自动化的产品已经对我们的家庭生活进行了天翻地覆的改变。本设计意在通过设计出一款智能清洁小车，探究其加入智能家居其中一环的可能性，并以小窥大，研究其是否能应用在更大的领域目前城市街道清洁，目前城市道路清洁丶重工业工厂丶日化工厂等环境仍在采用人工清洁的方式进行着清洁工作，这些人工清洁的方式让清洁工人饱受危险和折磨，但其实这些工作任务都是我们设计出来的产品完全能够胜任的，它们能够代替清洁人员进行工作，并且在不少相关纪录片中，出现了这样的身影，清洁机器人让这些工厂丶企业降低了清洁成本的同时，高效地完成了清洁任务，我们使用SW等软件设计，意在将我们的想法变成现实，我们的设计结果也十分成功，达到了预期效果。清楚了研究的现状及其意义利于我们进一步的研究和设计。关键词：PLC 清洁小车 渲染仿真AbstractSince the birth of the idea of Intelligent furniture, the global Intelligent furniture industry has been developing rapidly. From the internal details of Bill Gatess Smart House published more than ten years ago to the common occurrence of smart home, such as floor sweeper robot, automatic dishwasher, etc., in just a few decades, intelligent and automatic products have changed our family life dramatically.The purpose of this design is to design an intelligent cleaning car to explore the possibility of adding it into the smart home, and to study whether it can be applied in a larger area by peeping into the big area - at present, the urban street cleaning, at present, the urban road cleaning, heavy industry factory, daily chemical factory and other environments are still cleaning in the way of artificial cleaning The way makes the cleaner suffer from danger and torture, but in fact, these tasks are completely competent by the products designed by us. They can replace the cleaner to work, and in many related documentaries, there are such figures. The cleaning robot enables these factories and enterprises to reduce the cost of cleaning, at the same time, effectively complete the cleaning task. We Using SW and other software design, we intend to turn our ideas into reality, and our design results are also very successful, achieving the expected results.A clear understanding of the status and significance of the study is conducive to our further research and design.Key words: PLC cleaning car rendering simulation前言 随着智能家居发展日新月异，城市中上班族白领等这一类的人群平时家庭卫生清洁就成为了一个问题，为了满足这类人的需求，一款智能的清洁小车就应运而生。之前做过的机电产品市场营销的市场调研分析中,曾对于智能家电有过大数据的分析研究其中我们通过问卷调查的形式对各个年龄层的消费者进行过问卷调查。有四成的人觉得传统家居能满足当前生活的所有基本需求, 在这他们当中, 不乏有许多是曾经尝试购买使用过的用户，他们的初体验比较糟糕, 不想再进行尝试;还有部分中老年人, 我们口中所谓的“先进、便捷”反而成为他们的麻烦。也拒绝进行学习和尝试。有六成的消费者愿意接受, 希望自己的生活向便捷化发展, 受访者跨越各个年龄段;还有部分持观望态度, 不反对也不支持。完善产品, 降低产品入门门槛，利用起数量庞大潜在客户数量，迫在眉睫。因为其 拥有十分可观的发展前景。我国现阶段正处于居民消费能力高速发展的阶段。国家为了促进城市发展,提出了许多惠民政策, 这为行业的发展奠定了厚实的基础。打开各类网购平台，在搜索引擎上搜索“扫地机器人”等字样，出来的产品琳琅满目，小米、美的等等知名的国电品牌都有推出他们的相关产品，多品牌竞争一方面利好：促进产品去陈出新、加快产品的功能更新、更加贴合消费者的使用需求潮流，另一方面则会让消费者陷入选择困难的境地，在相同价格预期、功能日渐相似的产品当中，一个“业务能力”可靠的产品才能够脱颖而出。以智能清洁车为例，那么强劲的清洁能力、可远程操控的特点，我相信这将会是一个好的能够被消费者选择的重要原因。消费者的体验是智能家居市场规模的决定性因素, 在我们的调查报告中显示, 虽然有六成的人愿意接受智能家居, 但是在这其中有七成的人对智能家居的体验并不满意, 他们的智能家居体验与购买之前的预期情况不一样甚至大部分产品比他们预期的差许多。我们设计出的产品是要让用户满意, 让用户体会到智能家居的安全可靠、便捷方便。在选择不购买扫地机器人的消费者中，其中一个原因是它的价格昂贵, 不能被大部分人负担，该类型产品甚至有两千至三千的价位，但是功能性与均价一千的产品所差无几，无非是提供了许多附加功能，而商家所美化的所谓“附加功能”在日常生活中使用的次数十分有限。昂贵的智能家居并不是智能家居的真正产品,标价虚高更多的是品牌价值。 我相信智能终端远程控制一定会带给消费者完美的用户体验。许多被调查者中大部分是工薪阶层, 他们希望下班到家时就能有一个舒适、干净的环境，这正好切合所需。这次设计是在当前市场上有相关产品的前提下，进行的研究，我们利用大学所学的专业知识，意在了解清洁小车的工作流程，并且自制一台功能清晰、定位明确的理想机器，让我们从智能家居的一个角落“管中窥豹”得到智能家居浪潮中的少许启发。本设计是基于大二所学的PLC课程，从课程中了解到的存在，让我们能够方便可靠地去实现电气设备的自动化，而设计目的就是在于利用简单的编程，和合理化的小车设计从而实现代替人力去对家庭环境进行保洁，使得人们的生活体验、生活幸福指数得到提升，以上我们的设计理念。研究现状和发展趋势（1）研究现状 智能小车、机器人的发展研究从上世纪60年代至今已有几十年的历史，自上世纪60年代末期，第一台自主移动机器人问世之后，经过几十年的优胜劣汰，智能机器人已经从最初的示范教学模仿机器人发展到现在的具有自我感知、学习功能的智能产品，在技术上取得了很大的进步，许多国家都对智能机器人进行了大量的研究。由于各国的科研实力不同，其水平也有高低，且研发策略方向各有不同，其中美国和日本在目前研究中处于世界领先地位。 法国提出了让智能机器人具有自动认知功能的一项科技策略，使其能够在复杂的环境中通过自主感知、判断从而自动执行各种动作。美国发明的智能机器人，可以帮助人们送信件、食品等生活用品，还可以牵引吸尘器来打扫卫生。 日本目前已经研制成功的人形机器人，其可以模仿人们的各种面部表情而且非常逼真。近年来出现的手术机器人已经广泛的应用在实际医疗手术中，而且稳定性好，安全性高。我国的智能小车、机器人的研究已经有三十多年的历史，特别是在军事领域的应用方面已经取得了较大的成果，已经相继研制出了复杂的智能机器人，危险作业机器人、仿人机器人、复合结构移动机器人等。国内的许多高校也都在进行着这方面的研究，而且也有了层出不穷的成果，例如中科院研制的能够和人对话的机器人、上海交大研制的具有较强越障能力的仿人关节结构的机器人等等。与此同时，我国也开展了智能移动机器人基础理论研究，在某些方面取得了世界领先的成果，正在逐渐缩小与发达国家的差距。（2）发展趋势 随着各方面技术的不断进步与完善，各个国家对于智能小车、机器人的科研能力都在逐步的加强，未来的智能机器人可能会朝着以下几个方面发展：使用高强度的轻质材料让其的结构越来越轻便，动作执行更加灵活；应用网络化技术来远距离操作控制机器人群体为人们的生活带来方便；通过复杂生物机电系统和人机耦合系统来研究出具有仿生感知、生物神经的仿人机器人。相信未来会有具有更高智能化的、更加生动有趣的智能机器人出现在我们的周围，而且会极大的改变和方便人们的生产生活。设计准备（1） 市场调研在清洁小车、扫地机器人的设计过程中，设计者经常会将产品设计成圆形的机器，在外观上收到部分消费者的喜爱，但是忽略了清洁死角会因为这个外形设计而存在，所以在设计中将清洁小车设计成方形，使得清洁范围内无死角，这是其一。在与设计小组成员的讨论中，我们对小车的颜色定下了主要基调，使用撞色的极强反差，让清洁小车成为智能家居的一员的同时，能够带给成年人、幼童、宠物极强的警示作用，保证了安全性，也确保了清洁小车的工作正常运行。（2） 选择PLC的原因PLC即可编程控制器的应用广泛，在大二专业课对PLC的使用让我们记忆犹新，简单的逻辑图、梯形图即可完成一整套清晰的逻辑，从而快速直接地完成用户所需。PLC可靠性高、抗干扰能力强，其内部采用大规模集成电路技术，生产制造工艺十分严格，内部采用了先进的技术进行了抗干扰处理，这也使得PLC有非常高的可靠性。PLC的应用场景广泛，我们的设计小巧，而三菱FN系列的PLC完全有能力胜任承担起清洁小车心脏的作用。Plc的功能单元在近几年得到开发，数量增多，PLC在其担任的角色上也显得更加如鱼得水。体积小、重量轻、能耗低，这三点完全掩盖过同行的光芒，由于它体积小，也更加容易装配在清洁小车的内部，为小车装配其他功能元件给予了更加多的可能性。近些年的发展PLC实现通信技术全覆盖，能够远距离、跨区域进行I/O口的控制，多台plc之间能够实现同位连接，这也意味着以plc为核心的电气元件能够远端控制了。主机接受计算机的命令，并将执行结果通知远端的另一台计算机。当然，我们的设计中存在多电路控制，但是不存在多PLC，但是这意味着，用户可进行远距离控制智能清洁小车的工作、停止。控制系统的监控功能也是一大亮点，它能够记忆某些异常情况，比如工业上的温度控制处理、地铁隧道中的实时监控，在异常情况发生时自动终止程序运行，可靠并且稳定，因为其可以调整时间、温度、压力等等的设定值，使得调试、使用、维护更加方便。（三）设计思路及可行性 设计思路主要从清洁小车的功能切入，首先清洁小车清洁吸尘功能为首位，结合日常城市道路中的清洁车，我们的设计就有了大概框架，车头部分加入了两个清洁毛刷，双边刷的设计，双向聚灰聚尘，有效聚拢细小灰尘、毛发等，边边角角除尘能力显著。其次清洁小车是自动寻迹小车，在室内进行避障、循环运行，那么传感器部分就顺理成章地加入到车身，同时灵活的轮胎转向器也加入到设计中，再融入供电设备及连接传感器的电路板主板，一个智能清洁小车的雏形就已经完成了大概了。 感应避障方案方案一：采用红外感应器及配套的障碍物来检测小车前方的障碍。红外感应器分布在小车的四个轮子的正上方。其运行避障的流程如下：红外发射器发出红外光，遇到距离过近的物体，红外线就会反射回来，然后被光敏三极管吸收，并输入信号，PLC进行反应，输出信号，轮毂驱动电机做出反应，进行左右的转向调节，当然在前方无障碍物的情况下，清洁小车将保持电位持续运行，以达到全方位、全面积的清洁效果。方案二：超声波的避障原理与红外感应器的原理大致相同，同样在遇到障碍物的时候，此时是超声波发射装置发出的信号被超声波接收装置所感应，输入信号至PLC相应模块做出反应并且发出信号，给到轮毂驱动电机，使得轮毂进行转向。 在本设计中我们采用了第一种方案，实现小车的自动避障功能。 电源模块的选择 电源是小车系统运行的基本条件，电源性能直接影响整个系统运行的稳定性。小车的供电电源我们选择的是干电池集合模块分组进行供电。这样即使有一个电源模块无法正常运行、亦或是发生泄漏等极端情况，小车也能正常运行，并且得到反馈之后可以第一时间进行修复、替换。方案一：采用8节1.5V干电池串联共12V直接给轮毂驱动电机及其他电路供电，然后通过稳压电路降压后给PLC进行供电。方案二：采用12V蓄电池直接供电，同样的方法降压后给PLC供电。蓄电池具有较长的续航能力以及电压输出的值基本不怎么变化，但是因为蓄电池的体积和质量过大，并不符合我们的设计要求。在本设计中我们采用了第一种方案，实现小车的供电。 硬件电路设计 本设计的智能清洁小车有三个：红外感应模块、给水模块和智能小车部分硬件模块。其中红外感应模块包含红外线发射、红外线电源模块，两个子模块；给水模块包括水泵、蓄水箱，也是两个子模块，智能小车部分硬件模块包含PLC、电机驱动模块、避障循迹模块、红外接收器模块、电源模块6个子模块。（四）设计所需准备内容 基于PLC的清洁小车，所需准备内容有三菱PLC的FN系列产品。通过查阅SOLIDWORKS的教学材料、书籍，学习使用软件SOLIDWORKS 2018参与进行小车的装配图制作、小车的渲染图制作、小车的仿真动画制作。设计过程（1） 设计草图制作 使用SW 2018软件是因为，他太像之前熟练操作过的CAD软件了。只是从之前的平面设计制图，三视图变成了现在的立体零件装配图，并且能够模拟仿真，转化成为爆炸图等优质功能。SW几乎涵盖了智能清洁小车设计的整个生命链从草图绘制，零件装配图的尺寸确定再到装配体的仿真、材料选定，到最后的动画模拟仿真，它全部都能够胜任，甚至能够返璞归真，将设计好的小车的三视图进行导出。主要是确定大的框架后，对内部尺寸进行再细化的安排，首先小车的底盘进行数据的预估计，这样就相应地得出小车的轮毂尺寸信息，其次小车的结构注定承重条件有限，过大的水箱会影响之后的电路板拼接安装，并且会增加轮毂驱动电机的负载，所以水箱容量的设置是在100ml-200ml的合适范围内，安装在小车的中间。再其次预估PLC及电源元件、线路板的尺寸，我们将小车尾部做为核心：驱动元件的上方成为了线路板排式插入的空间。 在初步确定小车各个零件尺寸之后，使用SolidWorks 2018 进行零件图的绘制。 （二）装配图组装装配图组装通过网课的学习，掌握了SolidWorks2018的基本操作包括：裁剪实体、延伸、拉伸等等，通过同轴线、同轴心以及基准点的配合实现装配体的组装，通过参考文献得到零件参数规格，基本操作后通过零件图调整基准点后的相互配合得到装配图。（三）装配图渲染 PhotoView 360渲染，通过内置的的3D渲染插件，可以对零件以及零件构成的装配图进行外观、布景的美化和贴图编辑，选择日常生活中该设计的工作场所进行布景、装饰，然后对零件进行渲染处理，并对渲染细节进行设置。在SW 2018版本中，“PhotoView 360”作为SW本身的一个插件存在，无需额外安装，可以给到十分醒目的仿真体验。装配图渲染是SW自带的功能，首先将清洁小车表面选择合适的材料，在这里我选择了镀铬的哑光材料，当然在实物制作中会选择其他价格适中、强度到位的材料作为替换。其次选择醒目的撞色配色，最后将小车渲染，放入软件自带的环境模拟场景中得到渲染后的清洁小车如下图所示。（四）动画演示通过Instant 3D插件，使智能清洁小车和模拟家庭场景的路面基准点配合，特意在模拟路面上，刻画出弯曲的路径曲线，并加入带有警示的雪糕筒作为测试道具，从而模拟清洁小车在家庭环境中的避障、防倒、防侧翻的功能。使用SolidWorks来进行动画仿真并非是设计内容，Instant 3D作为插件能够做出多轴减速器、摇杆结构等等机械设计的仿真，给予观众更直观的认识，能更加清楚的认识到不管是纯机械部件也好，亦或是电气设备，它们背后的机械原理，正逢疫情，我们的实验小组因为时间、地点的约束，选择采用一种动画仿真的形式代替实物进行展示。（五）电路设计 智能清洁小车的电路设计是分开设计的，不共地的分开设计，让功能区域和驱动区域电路在运行当中，波形图正常且不会失真，大大增强了电路的可靠性。 以上排线图将电源电路、复位电路、晶振电路红外遥控接收电路、举升电路分开接地，完成了以上所述，在现实的运行中，保证了清洁小车的“心脏”部分有条不紊地工作，该设计部分必不可少。输入接口 输入开关名称 输出接口 驱动设备 吸尘风机驱动电路：P0.1-P0.2 风机驱动开关 P1.1-P1.2 吸尘风机水泵电机驱动电路： P0.3-P0.4 水泵驱动开关 P1.3-P1.4 水泵电机轮毂电机驱动电路： P0.5-P0.6 单轮开关 P1.5-P1.6 单轮电机 P0.7-P2.0 单轮开关 P1.7 单轮电机 P2.1-P2.2 单轮开关 P3.3 单轮电机P2.3-P2.4 单轮开关 P3.2 单轮电机清洁扫刷电机驱动电路： P2.5-P2.6 左扫刷开关 P3.5 扫刷电机 P2.7 P3.0 右扫刷开关 P3.4 扫刷电机1、 电路板的尺寸与器件的布置国家的印制电路板标准隔几年会更新一次，电路板根据网上的尺寸数据，按需求选择。大了印制线条就会长，继而增加了阻抗，抗噪声能力直线下滑，电路板的制作费用随之提高；电路板的大小偏小，那么使得散热也会成为问题，同时也会干扰附近的线路。在电元器件的安装摆放方面与其它逻辑电路的安装大致相同，需要把同一大类的电元器件尽量靠着摆放，相互靠近可以让小车在清洁作业中减少噪音。在相关实验当中得出的实验结果也印证了这一点。逻辑电路附近保持空缺是最好的，在此处我们选择启用多个电路板，并且在彩图绘制之初，就在后轮电机上方留下了电路板的放置空间，假如无该空间，电路板安装在小车底部，则会增加小车运行风险与不确定性，并且电路板外置会减少可使用的时间长短。 二、散热设计 由于散热而导致的机器失灵屡见不鲜，采用何种方式进行排版是重中之重，我们通过查阅相关资料，将排列规则反复研究，最终确定了直排立式的安装方式。（1） 利用空气冷却，冷热空气对流的方式，可冷却PCB板，这种情况将其纵向排列即可，可充分降温。（2） 小的窍门，将PCB板上的元器件进行区分，电容、集成电路等等放在上风口处。大规模的集成电路可以放置在下风口进行通风。前者为低耗元件。后者为高耗能元件。（3） 大功率的元器件我们放置在PCB板的末端，也就是靠近清洁小车外壳的一端，纵向层面大功率元件靠上，横向层面大功率元件靠机箱外壳，即可充分降温。 （4） 一些受热影响使用的电元器件应放在通风良好的地方（即小车尾部的空间）避免将它放在热源的顶部，良好的PCB板布局实际上也是保障了核心的安全问题。（5） 设备内PCB板的散热主要依靠空气流动，在组装时可以外置散热风扇，功率合理的情况下，使得小车电路部分更加安全。配置器件、印制电路板做到避免在某个区域留有较大的空缺部分，这是考虑到空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动。三、电磁兼容性设计 电子设备在电磁环境下能够正常运转则非常考验它的电磁兼容性。通过改变物理参数使得电子设备能够在强磁干扰、正常完成清洁任务，并且自身所释放的电子干扰不会影响其它电器的使用，这就是此设计的目的所在。（1）导线宽度 PCB板排线上所产生的电磁干扰主要是来源于电感因素而产生的，因此应尽量降低PCB板排线的电感量。PCB板排线的电感量通过公式得知和它的长度是成正比的，和它的径向长度是呈现反比的，排线越短、越细越能抑制这种现象。驱动器衔接的信号线会有瞬变电流通过，PCB板排线越短越好短。我们设计的电路PCB板排线宽在0.5mm。（2）排线方式 在PCB板排线正面进行横向排线，反面进行交叉方向的排线，然后在使用用金属化孔连接的方式。不用长距离的排线也是进一步抑制它们线与线之间的电磁干扰。四、接地的情况分析 接地是使得干扰减少的普遍做法。将驱动、功能模块大大小小电路全部分开接地这样就解决大部分因共接地线而产生的干扰问题，让元件能够正常运行。1、接地点数 低频电路涉及到接地点数的问题，则要考虑工作频率。如果信号的工作频率在1MHz以下，PCB板排线的布线和电源器间的电磁感应影响较小，此时接地电路形成的环流对PCB板上元件影响较大，此时应使用单点接地。工作频率在10MHz以上的时候，地线阻抗上升，那么降低地线的阻抗，所以多点接地适用。2、数电模电分离 增加线性电路的接地面积。PCB板上高速逻辑电路、线性电路相分离，两条地线也同时分开，分别与电源端的地线连接。3、接地线加粗 接地线过细，接地电位将会因为电流的改变而发生改变，电子设备的电平不稳，抗噪声性能失效。我们将接地线的设计尽可能地加粗，使它能通过位于PCB板的允许电流。最终我们的设计规格选择接地线的宽度为2mm。4、接地线构成闭环路 PCB板地线系统只通过数电来构成，PCB板上的大小集成电路组件，碰上功耗大的电元器件时，接地线直径大小会产生较大的电位差，抗噪音能力下降，接地结构成环路，电位差值相应减小，元件因抗噪音能力恢复而恢复稳定。结论通过完成这次毕业设计，我能感觉得到大学专业基础课的学习都是铺垫，至于做出实物还是需要更多地去自我提高软件的操作，大学的意义更多地教会我们自学的能力以及解决问题的思维。 这次毕业设计中，清洁小车仍然存在很多漏洞，比如世面上的相关产品最热门的就是自动分区域清洁功能、可远程控制，在这方面我们的设计仍然有功能性的缺失，还有就是外形的设计上，没有考虑到桌子、床铺的高度，外观设计上可能没有考虑到这点。 采用PLC的作品可能在运算方面有所欠缺、进而使得功能性无法覆盖更多。 该设计构成了新型居住环境控制的小系统、小生态, 在对人们日常生活质量的改善起到了极其重要的作用, 具有优秀的应用价值和良好的发展前景。就目前国内市场环境来看, 人们使用该系统的成本还相对较高, 加之行业目前并没有形成完善的管理标准, 对我国智能家居的发展造成了很大的阻碍。因此, 在未来的发展中, 应逐渐解决以上问题, 才能使我国智能家居产业大生态环境赢得更好的发展趋势。 最后，要强调的是这次设计，小组成员分工明确，保证了软件电路、结构组成、外形渲染仿真三合一，让我们学会了更全面地去思考，并将虚拟的设计带入到现实的生活场景中。这种学习的经验将会对我们以后的工作生活带来许多积极影响！参考文献1 向晓汉，PLC编程，化工出版社2 廖常初，PLC应用技术，机械工程出版社3 黄永红，电器控制与PLC应用技术，机械工程出版社4 张晓智，SolidWorks从入门到精通，机械工业出版社5 赵罘，SolidWorks机械实例版，化学工业出版社6 程龙泉，PLC编程与应用技术，冶金工业出版社7 陈建明，电气控制与PLC应用，电子工业出版社8 马华玲， 仿真软件在高校电子类课程设计中的应用J， 教育教学论坛9刘侠, 尹家军, 饶勇平,等.一种除尘清洁小车定位装置及其定位方法10段春艳 光伏智能运维机器人跨行运载小车的优化设计J. 电子技术与软件工程, 2019(11).11杨志宇, 程鹏, 起航. 基于PLC对小车自动控制J. 神州, 12杜莹. SolidWorks:简化的3D设计J. 中国制造业信息化, 2012, 41(Z1):37-37.12杨国新, 王定标. 基于SolidWorks的机械零部件虚拟装配体设计技术J. 煤矿机械, 2007, 028(007):75-77.13Guo-Quan X U , Zhi-Chao H . Research on Parametric Design in Its Further Development Based on SolidWorksJ. machine design & research, 2007.2017(3):25-25.- 17 -