自动收衣系统设计应用论文（五篇范文）

第一篇：自动收衣系统设计应用论文

1.自动收衣系统的结构

本产品主要由处理器、主控面板、雨量传感器模块、风速传感装置模块、电源模块、减速电机等模块组成。

1.1自动收衣系统的传动机构

本设计的自动晾衣架与晾衣架相配套的遮雨布安装在阳台，机械部分是在普通不锈钢管晾衣架两端各安装一个滑轮和光轴，再穿入钢丝绳，由电机控制其上升/下降，另一个电机控制不锈钢管向前/向后运转，达到晾衣架的伸缩和上升、下降的效果。左、右两侧支架的前后端分别安装有限位开关，控制其运动行程，当螺母运动到极限位置时，限位开关动作，使电动机停止运行。

1.2自动收衣系统的工作原理

本文从实用角度出发，设计了自动控制和手动控制两种工作模式，且可自动在自动控制和人工控制两种工作模式之间切换。在自动控制模式下，该系统可以实时感知天气变化，实时控制晾衣架的自动伸缩。当天晴时，通过温湿传感器和风速传感器检测户外空气的温度、湿度和风速，并将信号传递给单片机，将接收到的信号进行分析之后，单片机发出相应的控制信号驱动电机使晾衣架伸出，当晾衣架完全伸出时，限位开关动作并将信号传递给单片机，使晾衣架停止继续伸出，从而达到晴天自动晒衣的功能。下雨或刮大风的时候，利用雨量、风速传感器检测雨滴和风速，并将信号传递给单片机，单片机发出相应的控制信号驱动电机使晾衣架收回，当晾衣架完全收回时，限位开关动作并将信号传递给单片机，使晾衣架停止继续收缩，从而达到雨天自动收衣的功能。在人工控制模式下，通过人机对话，可人工控制晾衣架的伸缩。当用户需要收回衣服时，只需按下收衣按钮，即可将衣服收回；当用户需要晾晒衣服时，只需按下晒衣按钮，即可将衣服伸出晾晒。此外，为保护传感器使晾衣架能够正常工作，当晾衣架工作在人工控制模式时，温湿度传感器和风速传感器会自动停止工作，这样既节约了电能，又延长了传感器的使用寿命。

2.硬件电路设计说明

2.1单片机控制模块

P2.6、P2.5：该两个按钮是带锁的白色按钮；P2.4、P2.3：该两个按钮是不带锁的黑色按钮；P2.2、P2.0：是给1602作为写入数据，读出数据用的；P1.0、P1.1：是用来分别导通2个接触器J1和J2；P1.2：当雨量传感器有反转信号时候，这个I/O口设置为低电平，然后LED红灯就会导通；P1.4：雨量传感器的信号线；P3.4：测量光电传感器的脉冲数。

2.2电机模块

当继电器J1闭合时：J1常闭触头断开并且常开触头闭合。此时，电流通过LED灯DS3和电机M1。当继电器J2闭合时：J2常闭触头断开并且常开触头闭合。此时，电流通过LED灯DS2和电机M1。若电机J1和J2同时得电，LED灯和电机都不动作。

2.3雨量检测模块

VCC通过上拉电阻R15回到P1.4等待三极管Q3导通。当有导电物体碰到雨量传感器的时候，三极管Q3就会被导通，P1.4的电平拉低，单片机就得到一个反转信号，同时M2电机开始运转，加快雨量传感器的风干。

2.4风力检测模块电路

二极管部分：VCC通过1K电阻限流，然后导通红外的LED二极管再回到负极。三极管部分：VCC经过上拉电阻10K，回到TL0保持高电平，等到三极管导通。当红外LED被导通时，三极管得到电流信号导通，TL0就被拉到低电平，当有障碍物阻挡红外LED灯的时候，三极管就会断开，TL0又被拉到高电平。利用这个通断的原理，通过不同导通频率来检测出风力。

3.自动收衣系统的软件设计

系统软件设计包括主程序设计和多个子程序设计。

4.试验及应用验证

该自动收衣系统样机做成并安装好后，对其进行了模拟降雨试验，通过人工加湿的方式反复进行了多次试验，其中有98%次成功实现智能收衣，保证衣物未被雨水淋湿。

5.结语

本文设计的基于单片机的自动收衣系统，以直流电机作为动力源带动滑轮机构从而实现电动晾衣和收衣功能，直流电机采用继电器电路进行控制，操作方便，同时通过雨量传感器检测天气的变化并自动控制直流电机运转，实现降雨时自动收衣的功能。经过试验及实际应用验证表明，该系统安装使用方便，智能检测雨滴、风速、湿度等因素，自动收衣晾衣成功率高，可实现无人监控，具有较好的应用前景。

第二篇：自动骑马订书机系统设计

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摘要

骑马订书机一种快速高性能的订书设备，大部分印刷厂都配有该设备。传统的骑马订书机设备，在高速工作状态下，很容易发生堵纸现象。本次设计中对传统的骑马订书机的电气系统进行了改造，对订书机头增加了电磁控制装置，在容易发生堵纸增加了微动开关，增加了光电传感器检测装置，从而很好地解决了，高速工作下的堵纸现象。本设计中还对传统骑马订书机的控制系统进行了PLC改造，使其控制系统更加智能化，提高了工作效率，减少了工人的工作量。关键词：电磁控制；光电传感器；微动开关；PLC

I

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Abstract Combined saddle stitching, a fast high-performance stapler device, most of the printers are equipped with the device.Stapler riding equipment, state of the high-speed operation, it is prone to the phenomenon of blocking the paper.The design of the electrical system of the traditional riding stapler transformation of electromagnetic control device, a micro switch prone to blocking the paper, an increase of the photoelectric sensor detection device on the stapler head, so good the solution to the phenomenon of blocking paper in the high-speed work.This design the control system of the traditional riding stapler PLC transformation to make it more intelligent control system to improve the work efficiency, reduce the workload of the workers.Key words: electromagnetic control； photoelectric sensor；micro switch；PLC

II

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目录

摘要......................................................................I ABSTRACT.................................................................II 第1章 绪论..............................................................1 1.1 骑马订书机的产生背景及印刷行业的发展状况..........................1 1.2 骑马订书机的发展趋势..............................................2 1.3 骑马订书机的书钉成型过程...........................................4 第2章 自动骑马订书机的传动机构的设计....................................5 2.1 电动机的选择......................................................5 2.1.1电动机类型的选择..............................................5 2.1.2电机容量的选择................................................5 2.2 齿轮传动设计......................................................6 2.2.1齿轮传动的简介................................................6 2.2.3按齿面接触强度设计齿轮........................................8 2.2.4按齿根弯曲强度设计...........................................11 2.2.5齿轮几何尺寸的计算...........................................13 2.3 轴的设计及校核...................................................13 2.3.1 齿轮作用在传动轴上的力.......................................13 2.3.2初步估算轴的最小直径.........................................15 2.3.4轴上的载荷...................................................17 2.3.5校核轴的强度.................................................17 2.4 带传动的设计.....................................................20 2.4.1概述.........................................................20 2.4.2带传动的设计计算.............................................21 2.5 凸轮的设计.......................................................24 2.5.1凸轮的简介...................................................24 2.5.2确定凸轮的基本外形尺寸.......................................24 第3章 骑马订书机的电气控制设计.........................................30 3.1 骑马订书机的特点及控制要求.......................................30 3.2 电气线路设计.....................................................30 3.2.1 执行电路的设计..............................................30 3.2.2控制电路的设计...............................................31 I

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3.3电器元件的选择....................................................31 3.4编制电气元件明细表................................................35 第4章 自动骑马订书机的PLC控制设计.....................................36 4.1 PLC的简介.......................................................36 4.1.1PLC的定义及基本结构..........................................36 4.1.2PLC的特点及应用范围..........................................37 4.1.3PLC的工作原理................................................38 4.1.3PLC的选择原则................................................38 4.2 自动骑马订书机的PLC选型及控制电路改造...........................39 4.2.1自动骑马订书机的PLC类型选择.................................39 4.2.2PLC控制电路设计..............................................40 结论.....................................................................43 参考文献.................................................................44 致谢.....................................................................45 II

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第1章

绪论

1.1 骑马订书机的产生背景及印刷行业的发展状况

20世纪50年代，二次世界大战结束世界经济逐步发展，印刷行业的业务量日益增加，老式的订书机设备已不能满足大批量的印刷的要求，高效率的骑马订书机应运而生。20世纪60年代骑马订书机逐步在各个国家得到应用，极大地提高了，印刷行的工作效率。

近年来，我国经济飞速发展，其中广告类印刷品，连续5年保持7.5%以上的高速增长，2011年的总产值突破15万亿大关。其它的文化印刷品也有很大的提高。根据十二五规划，“十二五”期间，文化产业要实现跨越式发展，并在2016年成为国民经济支柱性产业。作为文化产业的一个重要组成部分，印刷产业尚有很大发展空间。党的十七届六中全会通过的《关于深化文化体制改革推动社会主义文化大发展大繁荣若干重大问题的决定》，给文化产业重要组成部分的印刷业也带来了前所未有的发展机遇。随着人民群众的生活水平的提高，随着文化大发展大繁荣，群众在文化消费上将迎来一个高消费期。

新闻出版总署“十二五”期间实施重大项目带动印刷产业发展的重要举措和引导产业实现转型升级扶持政策的相继出台，为印刷产业发展创造了良好的文化氛围和市场政策环境，印刷行业形成的绿色、创意、和谐发展的印刷产业发展理念，为印刷产业发展打开了智慧的闸门，对绿色印刷业的推进，将促进印刷企业有一个飞跃性的发展，也将牵动着含有绿色印刷技术、符合环保要求的设备、器材、出版、包装、个性化印刷品产业链条的膨胀性的迅猛发展。

刚刚过去的北京国际图书节以“绿色印刷”为主题。绿色印刷也是未来印刷业发展的一个重要方向。从实施绿色印刷战略合作协议到未来五年实施绿色印刷的阶段性目标的确立，一直到关于中小学教科书实施绿色印刷的通知的颁布，我国绿色印刷工作已经进入实质性实施阶段。不久前，全国评选出来的获得环境标志产品认证的印刷企业已经达到103家，我们可以看出来全国范围的绿色印刷工作也在有条不紊的展开着。从这一份103家印企获绿色“身份证”的印刷企业名单中，我们可以清楚的看到北京地区获得环境标产品认证的印刷企业已经达到15家，仅次于江苏省，屈居第二位。同时，有10家及以上印企获得认证的地区包括北京、上海、江苏、广东。可见在这些区域印刷行业的发展还是很发达的，对于绿色印刷工作的开展也是十分积极。为了促进绿色印刷工程的实施，从不久前的针对中小学教科书提出来的要求从今年秋季学期起，全国各地使用的绿色印刷中小学教科书数量要占到本地中小学教科书使用总量的30％；再经过1到2年，1

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基本实现全国中小学教科书绿色印刷全覆盖。到现在首批绿色印刷婴幼儿图书首发以及获得环境标志产品认证的企业不断增多。

可见，为了推动我国绿色印刷行业的发展，从政府到企业，再到个人，大家都用不同的方式积极地促进着，从政策的制定，通知的颁布，到具体的实施，每个人为绿色印刷的有利实施做着贡献。一系列的事实说明我的印刷行业正在向着绿色节能高效的可持续发展的道路上来。

1.2 骑马订书机的发展趋势

骑马订书机机最早出现在欧洲，经过几十年的发展．技术有了很大的提高。近几年，随着计算机技术网路技术，PLC技术的发展，相应的的技术不断应用到骑马订书机机上使其功能越来越完善。同时，随着客户要求的不断提高．骑马装订联动机又增设了许多新功能．如卡纸粘贴、自动上书帖、喷码等。随着自动控制技术以及自动控制技术的发展自动骑马订书机主要有以下的发展趋势。

1、自动化程度越来越高

随着社会经济的发展，印刷行业的生产批量日益增多，印刷行业的熟练工有严重匮乏，自动化程度的提高显得日益重要。自动化程度的提高主要体现在PLC技术的应用、自动调整书帖规格以及完善的总体自动检测检测系统3个方面。自动调整整书帖规格开本大小已经成为骑马装订联动机的总体发展趋势，只要在屏幕中输入书本的控制器便能自动对开本大小进行调整。精密达FENGMI半自动骑马订书机上淮南光华光神DQ404-02半自动骑马订书机上海紫光DQB450自动骑马订书机都具备该功能，并且上海紫光DQB450自动骑马订书机还具有接收网络数据的功能，即能够根据网络上的相关数据对机器进行调整，从而实现印前、印刷及印后装订的全程数字化。

2、功能越来越完善[1] 随着客户要求的不断提高，以及相应技术的发展自动骑马装订机又增设了卡纸粘贴、自动上书帖、喷码等新功能。如瑞安市缪氏印刷机械有限公司产品新设备DQ404A-02/DQ404B-02型半自动骑马订书机淮南光华光神机械电子有限公司光华光神的DDQ404-02GD半自动骑马订书机都备有自动上书贴功能以减轻工人的劳动强度，提高生产效率。此外，书本装订时，通过喷码机器对书册内外侧进行喷码，如邮政编码、地址等。Osako公司的Prima 能够完成这项个性化的装订功能，而且上海紫光公司计划将其应用到下一代骑马装订联动机中。

3、速度越来越高，功能越来越稳定[2]

早在20世纪70年代初，上海订书机械厂就已生产了PDQ一02型骑马装订联动机，最大生产能力为6000本/小时。到了20世纪90年代，又研制出FENGMING型骑马装 2

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订联动机（如图1-1），最高速度达1万本/小时，不仅改进和提高了稳定性、可靠性和操作性，而且在外观上都有了不同程度的改善。2003年．上海紫光机械有限公司相继研制出LQDl0和LQD8F骑马装订联动机，LQDl0的性能与LQD8E相比有了很大的提高．最高速度达到1．2万本/小时最大开本尺寸为480mm×320mm。搭页机叼纸轮轴采用双叼牙结构．提高了搭页过程的稳定性，对于正反长短边书帖．既能用钢皮叼牙打开，也能用真空吸嘴搭无长短边书帖。三面切书机改进为先切前1：3，再切边口的形式。海德堡和马天尼公司是生产骑马装订联动机的两家大公司，其中海森堡公司最新研制的自动骑马订书机速度在2万本/小时以上。

图1-1 “FENGMING”骑马订书机

4、集成化、绿色化程度越来越高

进入21世纪来社会经济的飞速发展，化石能源的日益枯竭低耗能、高效率的的发展模式越来受到各国政府及企业的重视。绿色低耗能低污染化，绿色技术是一门综合技术，节约能源、节约资源、提高生产率是绿色制造技术的核心要求。事实上，绿色制造技术的应用既是可持续发展的客观要求，也是市场竞争的需要。近几年由于电力电子和数控技术的进步，以及直线电机、力矩电机、电主轴、光栅检测等部件的成熟，直驱技术订书机的应用速度加快，国外多家订书机企业的新产品已使用直线电机驱动。直驱技术的应用将极大推动订书机的结构改变和性能提高，也大大降低了订书机的能耗。

近几年来印刷行业迅速发展，人工成本越来越高，选择高效率的机器逐渐成为大型印刷行业的共识。随着计算机技术，PLC技术的发展，订书机越来越集成化，订书，裁 3

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剪，印刷逐渐集为一体。集成化的订书机，能够同时完成多项功能，提高了机器的效率，减少了工人的工作强度，同时又节约了工人成本，增加了企业的竞争力。

1.3 骑马订书机的书钉成型过程

骑马订书机的书钉成型过程包括：送料，切断，和做订三个过程。送料时中刀滑板下行，短销推动连杆单向机构逆时针旋转，铁丝从穿丝嘴穿入，铁丝便夹在二滚轮中靠摩擦力传动，经铁丝导轨从切料轴的孔中穿出，进入成型模长槽中。切料当铁丝到达一定位置时，边刀滑板上行，其中部的凸块推动切丝摇臂的斜面而使其逆时针旋转，由此刀架下移，刀片把铁丝切断。中刀滑板上行到一定高度，成型模由压簧推入，是切断了的铁丝边刀上铁丝槽的正下方，随后，边刀滑板下行，边刀的上的铁丝槽压向成型模两端伸出的铁丝，弯成门字形的订书钉。成订过程如图1-2所示：

1-切料刃轴；2-切料刀片；3-成形钩；4-铁丝；5-咬丝钩；6-边刀滑板；

图1-2 骑马订书机的成钉过程

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第2章

自动骑马订书机的传动机构的设计

2.1 电动机的选择

2.1.1电动机类型的选择

电磁调速异步电动机又称滑差电机[7]，它是一种利用直流电磁滑差恒转矩控制的交流无级变速电动机。由于它具有调速范围广、速度调节开滑、起动转矩大、控制功率小、有速度负反馈、自动调节系统时机械特性硬度高等一系列优点，因此在印刷机及骑马订书机、无线装订、高频烘干联动机、链条锅炉炉排控制中都得到广泛应用。如801型对开立式停回转凸版印刷机、JS2101型对开双面胶印机，J2105型对开单色胶印机、J2108型对开单色胶印机、PZ4880－01A型对开四色胶印机等印刷机械采用这种电动机就更能符合印刷工艺要求。

因此，本次设计选择电磁调速异步电动机（又称滑差电机）。该电动机具有以下主要优点：

（1）交流无级调速，机械特性硬度较高；

（2）结构简单、工作可靠、维护方便、价格低廉；

（3）调速范围大，用在像印刷机这样的恒转矩负载时，一般可达10：1，有特殊要求（如轮转机）时亦可达50：1；

（4）可调节转矩。在现代化的联合轮转机中，都应用了自动化的纸张拉紧机械，它可以达到随着卷筒纸直径的变化，调节离合器的转矩经保持拉力不变。

2.1.2电机容量的选择

电机工作的有效功率

该设备，切钢丝所用力为F=9.2KN，传从速度为V=0.6m/s电机工作的有效功率为`

PWFv1000W92000.6W

10000.846.57KW从电动机到工作机输送带间的总效率为

31234

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式中

1、

2、

3、4分别为联轴器、轴承、齿轮传动和凸轮的传动效率[5]，有表可查10.99、20.98、30.97、40.94 则

W0.990.9830.970.940.84

电机的转速

二级圆柱齿轮减速器传动比i08~10，V带传动比范围i12~4作轴转速为n020r/min所以电动机的转速的可选范围为

ni0i1n0320~800r/min

查表可知：可选JZT251—4型电机，120—1200r/min，7.5KW 2.2 齿轮传动设计

2.2.1齿轮传动的简介

齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。

齿轮传动的特点：传动效率较高，传动过程平稳，使用寿命长，齿轮之间的传动比精确，工作状况可靠，能够传动功率范围大。例如齿轮的传递功率范围可以从很几瓦到几万千瓦；传动速度高达300m/s；齿轮直径范围大，可以从手表用的几毫米齿轮到大型水利工程用的二十多米齿轮，但是制造大型齿轮需要有专门的齿轮制造设备，大型齿轮啮合传动会产生很大的噪声，而且大型齿轮的精度不易保证。

齿轮的齿面应具有较高的耐磨性能、抗塑性变形、抗点蚀、抗胶合的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对轮齿材料性能的基本要求为：齿面要用硬度较高的材料、齿芯要韧性较好的材料。常用的齿轮材料是铸铁 钢、和无机非金属材料。钢材的韧性交好，抗冲击能力强，还可以通过物理及化学处理改善其钢材力学性能，所以钢材最适合用来制造齿轮。

齿轮在工作过程中 HB＜350时，称为软齿面H8＞350时，称为硬齿面齿面硬度 HB＜350 时

常用材料；

45、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB。特点： 具有较好的综合性能，齿面具有较高强度和硬度，齿芯具有较好韧性。热处理后切齿精度可达8级。制造简单、经济、生产率高，对精度要求不高。齿面硬度 HB＞350大于 采用中碳钢时： 常用材料：

45、40Cr、40CrNi。特点：齿面硬度高 HRC＝48-55，接触强度高，耐磨性好。齿芯保持调质后的韧性，耐冲击能力好，承载能力较高。精度可达7级精度。

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适用于大量生产，如：汽车、机床等中速中载变速箱齿轮。采用低碳钢时：常用材料；20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnTo。

齿轮在工作时由于某种原因而损坏，使其失去正常工作能力的现象称为失效。齿轮的失效形式有很多种，常见的失效形式有：

1、齿面磨损

齿轮在传动过程中，轮齿啮合处存在滑动摩擦。齿轮在受力情况下，齿面间的相对滑动使齿面发生磨损。磨损会破坏齿面形状，造成传动不平稳；另外，磨损使轮齿变薄，造成齿侧间隙增大，轮齿强度降低。齿面磨损是润滑条件差的开式齿轮传动(外露的齿轮传动)的主要失效形式，也是开式蜗杆传动的主要失效形式。

2、轮齿折断

齿轮在工作中，其轮齿的受力状况相当于悬臂梁，齿根处受到的弯矩最大，所产生的应力集中。在啮合过程中，齿轮根部所受的弯矩是交替变化的，因此，在该处最容易产生疲劳裂纹而使轮齿折断，轮齿的这种失效形式称为轮齿的疲劳折断。齿轮的另一种折断是长期过载或受到过大冲击载荷时的突然折断，称为过载折断。

3、轮齿塑性变形

在低速重载的工作条件下，齿轮的齿面承受很大的压力和摩擦力，由于这些力的作用，材料较软的齿轮的局部齿面可能产生塑性流动，使齿面出现凹槽或凸起的棱台，从而破坏齿轮的齿廓形状，使齿轮丧失工作能力。齿轮的这种失效形式称为轮齿的塑性变形。

4、齿面点蚀

齿轮工作时，当啮合表面反复受到接触挤压作用，且由此所产生的压力过大或使用时间过长时，齿面会产生细微的疲劳裂纹。随着齿轮的连续工作，裂纹会沿表层不断扩大，使齿面出现小块金属剥落，形成麻点和斑坑。轮齿齿面发生的这种失效形式称为齿面点蚀。严重的齿面点蚀会破坏齿轮轮齿的工作表面，造成传动不平稳，产生噪声，甚至使齿轮失去工作能力。齿面点蚀这种失效形式多发生在润滑条件良好的闭式齿轮传动中。

5、齿面胶合

在高速重载的闭式齿轮传动中，齿面润滑较为困难，啮合面在重载作用下产生局部高温使其粘结在一起，当齿轮继续运动时，会在较软的齿面上撕下部分金属材料而出现撕裂沟痕，这种由于齿面粘结和撕裂而造成的失效称为齿面胶合。齿面出现胶合现象后，将严重损坏齿面而导致齿轮失效。闭式蜗杆传动中极易发生这种失效。

2.2.2选定各齿轮类型，精度等级，材料及齿数

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本设计中，已知输入功率为7.5KW，小齿轮转速为860r/min，齿数比为3.2。工作寿命为15年（每年工作300天），每天工作8小时。

（1）本设计中骑马订书机主轴齿轮精度选择

根据本设计方案，选用直齿圆柱齿轮。骑马订书机为一般工作机器，速度不高，故运用7精度(GB 10095—88)。

（2）材料选择

综合设计思路方案，根据濮良贵《机械设计》第八版191页选择小齿轮材料为40C(质)，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢(调质)，硬度为240HBS。

（3）齿数选择

选择小齿轮齿数z124，大齿轮z2243.276.8，取z277

2.2.3按齿面接触强度设计齿轮[3]

由濮良贵《机械设计》第八版203页齿面接触强设计计算公式进行计算，即

32ZEKT1u1d1t2.32·uHd式中

d1t——所求齿轮直径（mm）

T1——齿轮传动的转矩（N·mm）

ZE——弹性影响系数（MPa）

12(21)

d——齿宽系数

K——载荷系数

（1）确定公式内的各个计算数值

1）试选载荷系数Kt1.3 2）计算小齿轮传递的转矩

T195.510

5P1n1(22)

95.51057.5Nmm 8608.328104Nm3）根据濮良贵《机械设计》第八版表10-7选取出齿宽系数

d1

4）根据濮良贵《机械设计》第八版表10-6查得材料的弹性影响系数

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ZE189.8MPa

5）根据濮良贵《机械设计》第八版表10-21查得小齿轮的接触疲劳强度极限

12Hlim600MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim550MPa

6）计算应力循环次数

N160n1jLh

(23)

6086083002153.7151093.715109N2 3.21.1611097）根据濮良贵《机械设计》第八版表10-19查得接触疲劳寿命系数KHN10.90，KHN20.95

8）计算接触疲劳许用应力通常取失效概率为1%，安全系数S=1

H1KHN1lim1S0.9600540MPa

（2-4）S0.95550522.5MPa H2KHN2lim2（2）计算

1）计算小齿轮分度圆直径

3d1t2.323ZEKT1u1·u Hd4189.81.38.328104.2· 522.513.22 = 2.32= 61.634mm 2）小计算圆周速度v

v

d1tn16010003.1461.634860m/s6010002.77m/s(25)

3）计算齿宽b 9

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bdd1t

(26)

161.634mm 61.634mm4）计算齿宽与齿高比

b h模数

mtd1tz161.634242.568mm

（2-6）

齿高

H2.25mt5.778mm宽与齿高比

(2-7)

b61.63410.67 h5.7785)计算载荷系数

根据v2.77ms，7级精度根据濮良贵《机械设计》第八版图10-8查得动载荷系数

KV1.12

对于直齿轮

KHKF1；

根据濮良贵《机械设计》第八版表10-2查得使用系数KA1； 查得7级精度小齿轮相对支承非对称布置时KHB1.423由表得KFB1.35

载荷系数为：

b10.67，KH1.423查hKKAKVKH

(28)

11.1211.4231.5946）按实际的载荷系数校正所算得的小分度圆直径

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d1d1t3KKt3(29)

1.5941.365.968mm61.6347)计算模数m

md165.9682.748mm

z1242.2.4按齿根弯曲强度设计[3]

齿根弯曲强度设计公式为 m2KT1YFaYsa2dz1F(210)

式中

FE1——齿轮的弯曲疲劳强度极限(1)确定公式内的各计算数值

由濮良贵《机械设计》第八版图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限：

FE1500MPa

大齿轮的弯曲疲劳极限：

FN1380MPa

查得弯曲疲劳寿命系数：

KFN10.85，KFN20.88

计算弯曲疲劳许用应力：取弯曲疲劳完全系数S1.4，得

F1KFN1FE

1S0.85500MPa1.4303.57MPa(211)

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F2KFN2FE2S0.88380MPa

1.4238.86MPa计算载荷系数：

KKAKVKFaKFb11.1211.351.512

由濮良贵《机械设计》第八版表10-5查得齿形系数

YFa12.65，YFa22.226

查取应力校正系数

YSa11.58，YSa21.764

计算大小齿轮的YFaYSaF并加以比较

YFaYSaF12.651.580.01379303.57

2.2261.7640.01644238.86

F2由上式可知大齿轮的数值较大 设计计算

3YFaYSam21.5128.3281040.016442.05mm1242

由计算结果可知，齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，齿轮模数m主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得的模数2.05并就近圆整为标准值m=2.5mm，按接触强度算的的分度圆直径d1=65.968mm。

算出小齿轮的齿数：

z1d165.96826 m2.5大齿轮的齿数：

z23.22683.2取z284

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2.2.5齿轮几何尺寸的计算

（1）计算分度圆的直径

小齿轮分度圆直径

d1z1m262.565mm

大齿轮分度圆直径

d2z2m842.5210mm

（2）确定齿轮中心距的

d1d2265210

2137.5mma（3）计算齿轮宽度

(212)

bddd116565mm

2.3轴的设计及校核

2.3.1 齿轮作用在传动轴上的力

分析骑马订书机的传动系统图可知主轴箱内各轴均为转轴。已知电机功率为7.5KW，转速为120~1200r/min，小齿轮工作转速为860r/min，齿数比为3.2。现对主轴进行分析和设计：

1、轴上的输出功率P2 p2p127.59.89.7

26.9KW2、轴上的转矩T2

由于n120~1200r/min，当n120r/min时，轴的转矩

PT295500002

n2 13

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6.9Nmm 12054625Nmm 9550000

3、作用在齿轮上的力[3]

Ft2T2254625520N d210FrFttan520tan20189N

FnFt520554Ncoscos20

式中圆周力Ft，径向力Fr及轴上的法向力Fn如图2-1所示

MMH2MV2

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图2-1 轴的载荷分析图

2.3.2初步估算轴的最小直径

选取材料为45钢，调质处理，根据表15-3，取A0100，可得

dminA03p2n2

6.912038.5mm 1003轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径，为了确定轴的最小直径，必须先确定联轴器的孔径。考虑到转矩变化很小，取KA=1.3

TcaKAT21.35462571012.5Nmmd=40mm故，轴的最小直径dmin=40mm

(213)

按照转矩Tca的条件，查表GB/T 5014—2003，选用LX3弹性柱销联轴器，孔径为2.3.3轴的结构设计

（1）拟定轴上零件的分配方案，如图2-2所示。

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2-2轴的结构与装配

（2）确定各轴段直径和长度

1）初步选择滚动轴承。因同时受径向载荷和很小的轴向载荷作用，故选深沟球轴承。初定dIIIdIIIIV65mm，因此，选深沟球轴承6413，其尺寸为dDB65mm120mm23mm，于是有lI—II23mm。选定，dIIIII90mm，lIIIII54mm。

2)安装z84齿轮的轴段III-IV的直径dIVV60mm，齿轮左端用套筒定位，右端用轴肩定位，dIVV60mm 为了使套筒可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取lIVV61mm。dVVI45mm，lVVI8mm。

3）查表GB/T 5014—2003取联轴器LX3的Y型，孔长60mm，石棉垫片宽度为6mm故，lVIVII60mm6mm66mm，dVIVII40mm

4）轴的长度为：

l23mm54mm64mm61mm8mm66mm276mm

（3）轴上零件的周向定位

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齿轮与轴，联轴器与轴，均采用平键连接，由表查得，齿轮与轴的平键截面为bh14mm9mm，键槽长定为54mm，联轴器与轴的平键为bh12mm8mm，长为40mm 2.3.4轴上的载荷

可化为简支梁的轴跨距为L2L3L461mm8mm66mm135mm，根据计算，截面C为危险截面，做出轴的扭矩图和弯矩图，各个数值参考如表2-2：

表2-1 轴的各个计算数值

载荷

水平面H

垂直面V 支反力F

FNH1274N FNH2274N

FNV1100N FNV289N

弯矩

MH20207.5Nmm

MV7375Nmm 总弯矩M

M22Nmm 20207.5737521511扭矩T

T254625Nmm

2.3.5校核轴的强度

（1）轴的计算应力

轴的计算应力校核时，只需校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度，本设计中最大最大弯矩和扭矩的截面为C面，根据表中数据以及扭转应力为脉动循环变应力，取0.6，轴的计算应力[3]

caMT422W(214)

2215110.65462520.1453MPa43MPa

前已选定轴的材料为45钢，调质处理，查濮良贵《机械设计》第八版表15-1可知，160MPa，因此1）判断危险截面 ca1，故安全。

（2）校核轴的疲劳强度

齿轮轴段弯矩最大，截面III为危险截面，其它截面均按扭转强度较宽设定的，故，只需轴的右侧即可。

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2）截面右侧各个系数的计算[3]

抗弯截面系数：

W0.1d30.14036400mm3抗扭截面系数：

WT0.2d30.240312800mm3截面左侧弯矩M为：

73.7530.5M2151112615Nmm73.75截面上的转矩：

(215)

(216)

T254625Nmm

截面上的弯曲应力：

M126151.97MPa W6400b截面上的扭转切应力 ：

T546254.27MPa WT12800轴的材料为45钢，调质处理[6]。由濮良贵《机械设计》第八版表15-1查得

TB640MPa，1275MPa，1155MPa。

截面上由于轴肩而形成理论应力集中系数及，由濮良贵《机械设计》第八版

D44r2.01.1，经插值后得1.82，1.20。0.05，附表3-2查取因d40d40濮良贵《机械设计》第八版附图3-2查得轴材料的敏性系数为

q0.82，q0.85

k1q(1)

(217)

10.82(1.821)1.68k1q(1)(218)

由图表选出

10.85(1.21)1.17

0.67，0.82

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轴按磨削加工，查图可得表面质量系数

0.92

轴的表面未经强化处理，即q1，按濮良贵《机械设计》第八版公式（3-12）及（3-12a）的轴的综合系数为

碳钢的特性系数

计算安全系数 [3]

Kk111.680.6710.9212.60Kk111.170.8210.921 1.510.1~0.取0.10.05~0.1取0.05S1Kam2752.64.860.1021.76S1Kam

1551.5117.8020.0517.80211.1619

(219)

(220)

(221)

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ScaSSSS21.7611.162222(221)

21.7611.169.9S1.5故可知轴是安全的。

2.4 带传动的设计

2.4.1概述[4] 带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮和传动带。当主动轮转动时，利用摩擦，将动力通过传动带传递给从动轮。工作示意图如图2-3所示：

（a）不工作

（b）工作

2-3传动带工作示意图

带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、能够轻易实现远距离，价格便宜、维护容易等特点。在近代机器设备中应用广泛。摩擦型带传动能够实现过载打滑、而且机器工作时噪声低，但摩擦型带传动比不够精确；同步带传动能够保证一定的传动比，但是对带的载荷变动量的吸收能力差，高速速运转时噪声很大。根据用途不同，有一般工业用传动带、汽车用传动带、农业机械用传动带和家用电器用传动带。摩擦型传动带根据其截面形状的不同又分平带、V带和特殊带等。

带传动的功率损失有：

（1）滑动损失 摩擦型V带传动工作时，由于带轮上下边的拉力差及其带轮不同变形差形成弹性滑动，从而导致带与从动轮的速度损失。弹性滑动功率损失率通常在1%～2%之间。严重滑动，特别是过载打滑，会使带的运动长时间处于不稳定状态，效率急剧下降，摩擦磨损加剧，从而严重影响带的寿命。滑动损失随紧边与松边拉力差的增大而增大，随带体弹性模量的增大而减小。

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（2）内摩擦损失 带在运行中的反复伸缩，会使带体内部产生摩擦引起功率损失。内摩擦损失随预紧力、带厚与带轮直径比的增大而增大。减小带的带轮之间的拉力变化，可减小带传动的内摩擦损失。

（3）空气阻力损失 带轮高速运行时，运行风阻引起的功率损失。带传动的功率损失与速度的平方成正比。因此设计高速带传动时，应减小带的表面积，尽量用厚窄的带；带轮的轮辐表面应平滑或用辐板以减小风阻。

（4）轴承摩擦损失 轴承受带拉力的作用产生摩擦，也会导致带传动的功率损失，轴承摩擦损失是引起功率损失的重要因素之一。

综合上述损失，带传动的效率约在80%～96%范围内，设计带传动时，要根据带综合因素来选取带轮与传动带的形状。

2.4.2带传动的设计计算

骑马订书机带式传动系统中采用V带传动。已知电动机功率为P7.5kW，转速为n11200r/min，传动比i3.4，每天工作8小时

1、确定计算功率Pca[4] 由带传动工作情况系数表查得濮良贵《机械设计》第八版表8-7知KA1.1，故

PcaKAP1.17.5kW8.25kW

2、选择V带的带型根据Pca、n1由普通V带选型图，选用A型。

3、确定带轮基准直径dd并验算带速v 1）选择取小带轮基准直径

dd1120mm

2）验算带速 由经验知

vdd1n16010003.141201200

6010007.54m/s

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因为5 m/s < v < 30 m/s，故带速合适。3）计算大带轮基准直径

dd2idd13.4120mm 408mm元整取dd2400mm

4、确定V带中心距a和基准长度Ld 1）初定中心距

0.7(dd1dd2)a02(dd1dd2)

初定中心距a0 = 600 mm 2)计算带所需基准长度 L2a0(dd2dd1)d02(dd1dd2)4a0260022(120400)(400120)4600

2050mm

查表得基准长度：

Ld =2000 mm 3）带的实际中心距a

aa0LdLd0

2200020506002mm575mm

4）中心距变化范围[3] amina0.015Ld6000.0152000570mmamaxa0.03Ld6000.032000660mm

222）(223)

（

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中心变化距范围570~660 mm

4、计算验证小带轮上的包角1[3] 1180(dd2dd1)

57.3a57.3180(400120)57515290(224)

5、计算带的根数z 1）计算单根V带的额定功率Pr 由dd1120mm和n11200r/min,查表得P02.28kW

根据n11200r/min,i3.4查表得

P00.15kW

查表得K0.925，KL0.93于是

Pr(P0P0)KKL

2）计算V带的根数

(225)

(2.280.15)0.9250.93kW2.2kWz

取4根

6、单根V带的初始拉力最小值[3]

Pca8.253.75 Pr2.2F0min500500232N应使初拉力F0>F0min

7、轴的最小压力[3]

(2.5K)Pcaqv2Kzv（224）

(2.50.925)8.250.17.5420.92547.54 23

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Fpmin2zF0minsin12152 224161sin1251N2.5 凸轮的设计

2.5.1凸轮的简介[5]

凸轮是一种机械机械回转或滑动部件，它把运动传递给紧靠它边缘运动的滚轮或在槽面上运动的针杆。凸轮在各种机械中广泛的应用，尤其在纺织机械，印刷机械，冲压机床等自动控制装置中应用最为广泛。随着制造技术的发展，凸轮的制造越来越精确，应用范围也逐渐扩大。凸轮传动的特点如下： 只要合理的设计出凸轮的轮廓，就能很容易地获得预期的运动规律。2 凸轮的响应速度快 3 凸轮机构结构简单紧凑 凸轮轮廓线与推杆之间为点线接触，易磨损。5 凸轮制造困难。

凸轮的种类很多，按凸轮的形状分类可分为盘形凸轮和圆柱形凸轮；按推杆分类可分为，尖顶推杆凸轮，滚子推杆凸轮和平底推杆凸轮；按接触的方式不同可分为，力封闭凸轮和几何封闭凸轮。

2.5.2确定凸轮的基本外形尺寸

自动骑马订书机采用直动滚子推杆盘形凸轮机构，工作条件是高速轻载。对推杆的要求为：当凸轮转过90°时，推杆上升150mm，凸轮继续转过90°时时，推杆停止不动；凸轮再继续转过60°时，推杆下降150mm，凸轮转过其余角时，推杆又停止不动。、确定凸轮机构的基本尺寸 基圆半径

初步确定基圆的半径r0=300mm，推杆棍子半径为rr=60mm。本此设计的工作条件是高速轻载，选用冲击较小的运动规律。

2、确定凸轮机构的运动方程

初步选定，推程阶段为正弦加速运动规律，回程阶段选用五次多项式运动规律[5]。运动规律如图2-4所示：

（1）正弦运动规律的方程式为：

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vh1cos(2/0)/0a2h2sin(2/0)/02sh(/0)sin(2/0)/(2)

（2）五次多项式的运动规律方程为：

sC0C1C22C33C44C55vds/dtC12C23C324C435C54 adv/dt2C226C3212C42220C523

(a)正弦运动规律图

（b）五次多项式运动规律

图2-4 凸轮推程与回程阶段的运动规律

由图知正弦加速运动规律和五次多项式运动规律都没有柔性冲击和刚性冲击，适合高速轻载的凸轮设计。

3、计算凸轮的理论廓线

对于对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，凸轮的理论轮廓线坐标为

x(s0s)sinecosy(s0s)cosesinsr0，求得：

(225)

本次骑马订书机的设计中e0x(r0s)sin

y(r0s)cos对上式中的位移s进行分段计算

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（1）骑马订书机凸轮的推程阶段

0290/2

0190/2

s1h(1/01)sin(21/01)/(2)

h(21/)sin(41)/(2)

10,/2

（2）骑马订书机凸轮的远休止阶段

0290/2

s21

5（3）骑马订书机凸轮的回程阶段0360/3

s3346h55310h3/0315h43/033/0

327h033/3121h543/4145h853/5

（4）骑马订书机凸轮近休止阶段

041202/3

s40

推程和回程阶段的压力角

arctands/drs

0去计算间隔为5°计算以上各式的值，将结果写入表格中。计算结果时：推程阶段：1远休止阶段：123

回程阶段：123近休止阶段：12345

4、计算凸轮的实际工作廓线

20,/2

30,/3

40,/3

（2-26）

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其中

xxrrcosyyrrsin(227)

sin(dx/d)/(dx/d)2(dy/d)2 cos(dy/d)/(dx/d)2(dy/d)2

（1）骑马订书机凸轮的实际工作推程阶段 10,/2

dx/d(ds/d)sin1(r0s)cos12h 1cos4(1)sin1(r0s)cos1



dy/d(ds/d)cos1(r0s)sin12h

1cos4(1)cos1(r0s)sin1



（2）骑马订书机凸轮的实际工作远休止阶段

20,/2

dx/d(r0s)cos(/22)dy/d(r0s)sin(/22)

（3）骑马订书机凸轮的实际工作回程阶段

30,/3

dx/d(ds/d)sin(3)(r0s)cos(3)

(81h032/3486h033/4729h034/5)sin(3)

(r0s)cos(3)

35dy/d(810h3/34860h34/47290h3/5)cos(3)(r0s)sin(3)

4）骑马订书机凸轮的实际工作远休止阶段

30,2/3

dx/d(r0s)cos(4/34)

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dy/d(r0s)sin(4/34)

凸轮的工作曲线与实际曲线的计算结果如表2-2

表2-2 凸轮的各个计算数值



0 5 10

350 x

0.000 26.175 52.365

y

300.000 299.185 296.226

x

0.000 21.602 44.468



240.000 238.885 237.228-52.092-26.148 0.000

295.446 298.984 300.000

-41.468-20.916 0.000

236.352 238.645 240.000 355 360

由表中各个数值计算结果，可作出凸轮的轮廓曲线如图2-5所示：

图2-5 凸轮的轮廓曲线

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凸轮机构推程阶段最大的压力角为19.856°，相应凸轮的转角为45°；回程阶段的最大压力角为27.658°，相应的凸轮转角为210°，凸轮的最大压力角小于许用压力角，故凸轮的尺寸设计合理。

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第3章

骑马订书机的电气控制设计

3.1 骑马订书机的特点及控制要求

1、骑马订书机的运动由电动机M传动

2、主轴制动靠刹车轮的摩擦制动

3、到发生堵纸现象时，微动开关启动，电机M断电，机器停止工作。

4、机器的运动与停止等操作都集中在电气操作箱上。

电动机M的型号：JZT251—4 7.5kW 220V 1200r/min 3.2 电气线路设计

3.2.1 执行电路的设计

根据骑马订书机的工作要求，为了调速，并降低启动电流，电动机M选用松下变频器BFV00072G 220V 0.75KW。总电路的过载保护选用，选用熔断器FU[10]。执行电路图如3-1所示：

图3-1 自动骑马订书机的执行电路图

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3.2.2控制电路的设计

光电传感器的初状态闭合，当检测到书帖信号时，光电传感器SL1的长闭触电开启，继电器KM3断开，从而使电磁铁主回路中的电流继电器KA1失电断开，电磁铁YV不工作，离合机构啮合，订书机机头工作。当无书帖时，光电传感器SL1闭合，继电器KM3得电触点闭合，从而使从而使电磁铁主回路中的电流继电器KA1得电闭合，电磁铁电磁铁YV工作，离合机构断开，订书机机头不工作。接近开关SL2同步复位KM3，以保证装订机头，停于上限位置。当发生纸张拥堵时，微动开关SS1断开，继电器KM1失电，变频器的控制回路中的开关SA开启，变频器失电，停止工作，电动机M停止。当光电传感器SL1检测到书帖时，SL1-2触电闭合，计数器得到一次信号，累加一次。当无书帖时，计数器无信号，不累加。控制电路图如3-2所示

图3-2 自动骑马订书机的控制电路图

3.3电器元件的选择[6]

1、电源引入开关Q

电源引入开Q关主要起外部输入电路的作用，可根据电机M的额定电流选用。

P7500IA19.7A U380选用HZ-25/3型开关，额定电流25A

2、变频器[12] 变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流 31

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变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。为了电动机M调速，并降低启动电流，电动机M选用松下变频器BFV00072G 220V 0.75KW。

3、电位器

电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件。电位器通常由电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与位移量成一定关系的电阻值或电压。电位器既可作三端元件使用也可作二端元件使用。后者可视作一可变电阻器。工作示意图图如3-3所示：

图3-3 电位器工作原理图

本设计中为了获得部分稳定的电压输出，选用日本思博（sakae）22HP-10电位器，主要参数如下：

功率：2W

最大工作电压：250V 预期旋转寿命：1000000次

4、光电传感器[16] 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同。光电电传感器具有检测距离长；对检测物体的限制少； 响应时间短 ；分辨率高 ；可实现非接触的检测 ；可实现颜色判别 ；便于调整等优点。

本设计中当每个书帖装订好时，为使其信号转化为计数器能识别的电信号，选用PIH-TC20NOC3D（对射型NPN常开+常闭 / 距离3CM / DC10-30V）光电传感器。

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5、熔断器FU1，FU2 FU1是对总电路的保护熔断器。熔体电流为：

P7500IRA19.7A

U380可选用RL-15熔断器，配用20A的熔断器。FU2，选用RL-15熔断器，配用2A的熔断器。

6、继电器KA，KA1，KA2及KA3 继电器专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。

固态KA选用固态继电器SAP-4040D 40A，各项参数如下 负载最大电流：40A；

负载电压：40V-480V；

控制电压：3-32VDC；

频率范围：47/63HZ 工作环境温度：-40-80℃

动作状态指示：LED，KA1，KA2及KA3选用SSR-10DA(10A)单相固态继电器 各项参数如下： 负载最大电流：10A；

负载电压：40V-480V；

控制电压：3-32VDC；

频率范围：47/63HZ 工作环境温度：-30-75℃

动作状态指示：LED，7、停止开关SB1，启动开关SB2 停止开关SB1选用LA10绿色，启动开关SB2选用LA10红色

8、电磁铁YT 电磁铁控制电磁离合机构的啮合与断开，选用直流推拉式电磁铁HCNE-1038主要参数如下：

吸力：5N

行程：10mm

控制电压：DC24V

9、开关电源

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。本次设计中所选开关电源为欧姆龙开关电源S8JC-100-24 100W DC24V。如图3-4所示：

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图3-4 S8JC-100-24型欧姆龙开关电源

10、计数器

本设计中选用JDM9-6数显智能计数器（图3-5）220V交流 110V 24V交直流电压均可直接工作 计数范围：6位LED数码管0-999999

图3-5 JDM9-6型数显智能计数器

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3.4编制电气元件明细表

根据3.3所选电气元件，列出3-1所示，电气元件表

3-1 自动骑马订书机电气元件明细表

符号 M Q RP U SL 名 称 异步电动机 组合开关 电位器 变频器 光电传感器

型 号 JZT251-4 HZ-25/3 22HP-10 BFV00072G PIH-TC20NOC3D

规

格

380V 1200r/min 7.5KW 3极

500V

25A

2W 250V 220V 0.75KW 距离3CM

DC10-30V KA 固态继电器

SAP-4040D

40A 控制电压：

3-32vDC KA1 继电器

SSR-10DA

10A 控制电压：

3-32vDC KA2 继电器

SSR-10DA

10A 控制电压：

3-32vDC KA3 SB1 SB2 YT FU1 FU2 G C 继电器 控制按钮 控制按钮 电磁铁 熔断器 熔断器 开关电源 计数器

SSR-10DA LA10 LA10 HCNE-1038 RL-15 RL-15 S8JC-100-24 JDM9-6

10A 控制电压：

3-32vDC 绿色 红色

吸力5N 行程10mm

DC24V 500V 熔体 10A 500V 熔体

2A 100W 24V

24V 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 数量 1 1 1 1 2

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第4章

自动骑马订书机的PLC控制设计

4.1 PLC的简介

4.1.1PLC的定义及基本结构[18] PLC又称可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机。

PLC硬件的基本结构包括：电源、中央处理器（CPU）、储存器、输入输出借口、外部设备。

1、电源

电源是PLC的能量源，可靠稳定的电源很大程度上决定了PLC工作性能。如果没有一个持续稳定的电源系统PLC是无法正常工作的。因此，PLC控制器的制造商对电源的设计和制造十分重视。PLC的电源有直流和交流两种，直流多为24V的电源，交流多为220V电源，PLC电源的抗干扰能力都很强，有的交流电源PLC供电范围在140V~250V之间。

2、中央处理器(CPU)

中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的核心部件，是PLC的控制运算中心。它负责处理PLC接受的用户程序和数据，检查电源、存储器、计数器、定时器等部件的运行状态，并能够判断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并存入“内存映像”，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，按指令执行逻辑或算数运算，当所有的用户程序执行完毕之后，将输入输出映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

3、存储器

存储器主要用来存放用户的程序及数据。存储器的主要种类有，ROM、EPROM、EEROM。

4、输入输出接口

PLC输入输出接口是CPU与外部设备之间交换信息的连接电路，它们通过总线与CPU相连，简称I/O接口。PLC的输入输出接口包括：数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输入模块和模拟量输出模块四大部分。PLC之所以能够在恶劣的工业环境中正常工作，输入输出接口起了重要作用。

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5、外部设备

PLC的外部设备主要有：显示器、打印机、编程器等。目前，PLC多采用个人计算机编程，PLC通过通信电缆与PC连接，从而使PLC的编程、监控达到了真正意义上的快捷、方便。

4.1.2PLC的特点及应用范围[12] PLC是面向用户的专用控制器，相对于应用广泛的继电—接触系统以及单片机应用系统具有很多特点。

（1）PLC控制器的考干扰能力强，一般的PLC控制系统不用考虑干扰问题，继电气控制虽然能够抵抗一般的电磁干扰，但在高电磁环境中，可靠性会急剧下降。单片机控制系统则要专门设计抗干扰系统，非常容易受到电磁干扰，不能够在较高电磁环境下工作，应用范围较小。

（2）PLC系统的维护方便，利用PLC自我诊断功能可以很快的找出故障点及时排除故障。继电器控制系统常用的电子元件容易损坏，更换时检查非常不方便费时费力。单片机控制系统需要定期维护且维护复杂，技术难度较高，需要专门的技术人员。（3）PLC程序开发采用梯形图，明了简便易学不需要专门的计算机知识。机电控制系统开发时图样多，线路复杂接线工作量大，出现错误排查困难系统的调试工作量大周期长。单片机控制系统设计复杂，系统的调节测试技术难度大，需要有专门计算机技术知识的人进行测试。

（4）PLC控制系统通用性较好，适用范围广非常适合在恶劣的工业环境中工作，而且系统易于扩展，接口即插即用。继电器控制系统铺设好后改装麻烦，费时费力，一般为专用系统。单片机系统改造时要经过专门的软硬件技术改造再能使用，改造时间长。（5）PLC的硬件成本相对于继电器控制系统和单片机控制系统较高，这是制约PLC控制系统应用的一个重要因素。

随着工业自动化的提高，如今只要涉及控制的地方，都离不开PLC这个大脑，可大概分为两个领域：

（1）单机控制为主的自动化设备，比如：包装机械、印刷机械、纺织机械、注塑机械、自动焊接设备、机床设备、冶金行业的辊压、连铸机械等。这些设备的所有动作，加工都需要靠依据工艺设定在PLC内的程序来指导执行和完成，就如人的大脑。（2）以过程控制为主的流程自动化设备，比如污水处理、自来水处理、楼宇控制、火电主控、辅控、水电主控、辅控、太阳能、水泥、石油、石化、铁路交通等。这些行业所有设备的连续生产运行，总存在许多的监控点和大量的实时参数，而要监视、控制、和采集这些流程参数和相关的工艺设备，也必须依靠PLC这个大脑来完成，当然传统叫法也有DCS，尽管设计之初的理念不一样，但现技术路线已逐渐融合。

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4.1.3PLC的工作原理[19] PLC采用循环扫描的方式工作，实际工作时，用户设定好程序后，CPU从第一条程序开始执行，执行方式是从上向下，从左向右，程序结束时，再返回第一执行直到循环结束。工作过程如图4-1所示。

4-1 PLC的工作过程框图

1、自诊断

PLC在扫描用户程序之前，都首先进行自我诊断。自我诊断包括输入输出接口，储存器，CPU等，发现异常情况，停机显示出错。若PLC自我诊断正常，用户程序开始执行。

2、通信

在通信阶段PLC编程器或计算机有通信请求，PLC会在这段时间内完成数据收发工作。

3、读入现场信号

在这个阶段PLC对各个输入端信号进行扫描，将外部输入存入映像寄存器。对于接通电路输入信号，映像寄存器中状态为“1”；对于断开电路输入信号，映像寄存器的状态为“0”，也就是说某一个输入信号相对应的电器元件在映像寄存器中为“1”时，该电器元件的状态为“ON”，在映像寄存器中为“0”时，该电气元件的状态为“OFF”。

4、程序执行

这一阶段CPU将用户当前程序调出，逐条执行，程序的运算结果会存在映像寄存器中。如果在这一阶段用户改变程序内容，PLC不会立刻执行，要在下一个扫描周期执行。

5、输出结果

当PLC将程序执行完毕后，PLC会把输出状态寄存器的指令状态，转化成执行元件所能够识别的电信号，从而控制被控设备及电器元件。

4.1.3PLC的选择原则[19] PLC系统设计时，明确控制方案后就是PLC的选型问题了。PLC的选择依据主要有 如下：

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（1）输入输出点数的估算，PLC选择是输入输出点数要留一定的余量，通常是比实际所需点数高10%到40%，也可根据实际情况自行考虑。

（2）储存量的估算，PLC选择时要首先根据机器所执行的功能，初步估算应用程序的大小，从而初步确定储存器的大小。

（3）控制功能的选择，用户选择PLC设备时，要熟悉所控制设备的主要功能及控制方式，来确定PLC的类型。

（4）PLC机型的选择，以上三个步骤完成之后，PLC的各项参数基本确定，就要考虑机型问题。PLC的产品种类很多，用户要根据自身经济情况和所控机器的情况综合考虑，选择性价比合适的产品。

4.2 自动骑马订书机的PLC选型及控制电路改造

4.2.1自动骑马订书机的PLC类型选择

根据自动骑马订书机的规格和各项技术要求，可选用日本三菱公司生产FX2N-32MR-001型PLC[15]（如图4-2）。FN系列PLC是日本三菱公司制造的高性能小型PLC，性能稳定，速度快是现有PLC产品中性价比较高的产品，其中FN2系列是FN系列中速度最快的型号。FX2N-32MR-001型PLC的规格如下：

电源规格：AC 100V~240V，DC24V

输入输出点数：输入16，输出16（继电器）外形尺寸：150×87×90（mm）

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图4-2 FX2N-32MR-001型PLC 4.2.2PLC控制电路设计

（1）自动骑马订书机的输入输出点数如表4-1所示：

表4-1地址分布表

输入地址 X0 X1

注释 电机启动按钮SB1 光电传感器SL1未检测到数

到书帖信号

光电传感器SL1检测到数贴

信号

光电传感器SL2检测到数贴

信号

纸张拥堵微动开关SS1 错帖微动开关SS2 电机停止SB2

输出地址 Y0 Y1

注释 电动机启动 继电器ＫA1得

电闭合 电磁铁ＹT得电闭合 电动机停止 X2 Y2 X3 X4 X5 X6

Y3

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（2）自动骑马订书机的PLC接线图如图4-3所示

图4-3自动骑马订书机的PLC接线图

（3）自动骑马订书机的PLC程序图如图4-4所示: 41

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图4-4 自动骑马订书机的PLC程序图

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结论

紧张忙碌的毕业设计，终于接近尾声。在毕业设计这段时间里，我学到了很多知识，同时也对大学所学知识做了一次系统的总结。在毕业设计初期，我遇到了很大的困难，面对题目不知如何下手。在老师指导下我查逐步理清了设计思路，通过查阅相关资料，向老师请教和同学们讨论我逐步解决了毕业设计中的相关难题。最终，我顺利完成了毕业设计论文。

此次设计，我对传统骑马订书机的电气部分精进行了设计改装，传在对订书机头增加了电磁控制装置，在容易发生堵纸增加了微动开关，增加了光电传感器检测装置，从而很好地解决了，传统骑马订书机在高速工作下状态了的容易堵纸的现象。本设计中还对传统骑马订书机的控制系统进行了PLC改造，使其控制系统更加智能化，提高了工作效率，减少了工人的工作量。

总结此次设计，我遇到了很多棘手的难题，但在老师和同学们的帮助下通过查阅相关资料我都一一解决了。通过这次设计，增强了我的分析思考能力和团队合作能力，为我日后的工作打下了良好的基础。

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参考文献

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致谢

时光如白驹过隙，转眼间美好的四年大学时光即将结束。大学的最后一项重要工作——毕业设计，也接近尾声。回首四年的大学生活，我受益颇多。在做毕业设计的这段时间里，同学们和老师都给了我无私的帮助。在此，对帮助我的人致以诚挚的感谢。在毕业设计中我遇到了很多困难，在同学和老师的帮助下我都逐一解决。我要特意感谢李东升老师，李西兵老师，尤其是我的毕业设计导师郭建华教授，他严谨的治学风格，幽默的说话方式，独特的人格魅力深深的感染了我，使我受益匪浅。我还要感谢我的同组同学，张阳、高先龙他们给我了很多帮助。我还要特别感谢18#317兄弟们，你们不仅在学习上给我了很多帮助，还在生活中给我了很大的帮助，你们都是我的好兄弟。最后谢谢所有帮助过我的人，谢谢你们。

第三篇：禁系统应用论文

1概述

随着网络技术的发展和广泛的应用,门禁系统的发展也由传统的主从式智能门禁系统模式转换为基于Internet的远程、网络控制模式。门禁管理系统由单一的门禁控制管理功能发展到集计算机技术、通讯技术、自动识别技术、机械工程和安全管理的大型门禁综合管理系统。

地铁门禁系统属于大型门禁系统,它具有控制点数多、数据通讯量大、数据传输距离远、联动设备多、安全性能要求高等特点。

下面就对门禁系统在地铁中的构成及其功能进行介绍。

2地铁门禁系统的构成 地铁门禁系统构成由四大部分构成:第一,系统通讯网络;第二,中央级门禁管理系统;第三,车站级门禁管理系统;第四,现场级门禁设备。在运营中形成了两级管理三级控制的管理模式。

地铁门禁系统是以车站为单位,由车站控制室的车站级门禁系统工作站对车站内设备房门禁设备进行统一管理。各车站的车站门禁系统管理工作站通过光纤通讯网络将各站点的数据信息上传至中央级门禁系统。中央级门禁系统统一管理全线门禁系统。

2.1系统通讯网络

系统通讯网络由两部分构成,第一,全线骨干网络。即各站点门禁系统工作站由光纤网络连接进行全线通讯;第二,车站级网络。车站级网络采用现场总线方式将车站内各现场门禁设备连接。

2.1.1全线骨干网

门禁系统数据传输的骨干网采用的是基于工业以太网技术。工业以太网是以太网技术在控制网络延伸的产物,协议组包括了物理层的以太网物理层、链路层的以太网MAC、网络层的网络互联协议Ip、传输层的传输控制协议TCp和用户数据协议UDp等,工业以太网与OSI互联参考模型的对照关系如下图1所示。工业以太网的物理层与链路层采用IEEE802.3标准。

地铁门禁系统是通过基于工业以太网进行数据通信,车站门禁系统管理工作站通过工业级千兆光纤交换机可以直接上全线光纤以太网,通信速率达10M或100M,系统任何一台车站门禁系统工作站可以直接以TCp/Ip或IpX协议与客户内部服务器进行数据交换,实时共享全系统所有资源。其特点是:数据传输、交换、共享以及远程访问容易、方便,数据处理速度快,动作响应速度快。地铁全线门禁系统网络如图2所示。

2.1.2车站级门禁系统网络

车站门禁系统网络采用的是现场总线方式,将多台门禁网络控制器分别挂在RS485现场总线上,通过ATM方式进行数据通讯,所有设备的信息通过RS485转RS232的转换器与车站的工作站连接。特点是通讯距离远,RS485现场总线在不加中继的情况下有效通讯距离是1200米;门禁网络控制器的每个RS485口,可带多台门禁控制器设备。车站级门禁系统包括各车站级的门禁系统和控制中心站级的门禁系统。车站门禁系统网络如图3所示。

2.2中央级门禁管理系统

中央级门禁系统是集中处理下级门禁系统的数据信息,即通过中央级门禁系统对控制中心大楼、各车站级门禁系统的下一级进行操作管理。

主要的设备有中央门禁管理服务器、管理工作站、数据服务器、数据库软件、门禁系统管理操作软件以及交换机。

2.2.1门禁系统管理服务器

门禁系统管理服务器主要功能是监视各车站门状态、故障信息以及存储历史记录。

2.2.2中央级系统管理工作站

中央级系统管理工作站是门禁系统的管理控制中心,实现对各车站(区域)系统内的所有门禁终端的监控,满足系统运作、授权、设备监测与控制、网络管理、数据库管理、维修管理、及系统数据的集中采集、统计、保存、查询等功能。

2.2.3数据库软件

数据库就是将数据以一定的格式、一定的标准,按照一定的数据结构要求,构造的一组数据文件,按照确定的存取路径,实现对数据资源的调用。常用的数据库有SQLServer、Oracle、Sybase。

2.2.4工业级交换机

中央级门禁系统工业级交换机具有支持网管功能。可以对信息流量进行管理监视、分析;可以为应用数据流分配带宽、优先级及控制

网络访问;可以通过VLAN(虚拟局域网络)技术强化网络管理和网络安全,控制不必要的数据广播。

2.2.5门禁系统管理操作软件

门禁系统管理软件基于视窗操作平台,稳定运行于WINDOWS2000、WINDOWSNT、WINDOWSXp等操作系统。

主要功能如下:

控制器管理功能:监控车站级工作站运行状态,收集车站级工作站运行状态数据,数据库的建立、备份、清除;门禁卡授权管理功能设置车站系统运作参数,下达运作命令及设置系统运行模式到各个车站;紧急状态下可以解除车站门禁状态。

卡片管理功能:发卡、退卡、挂失卡。

记录管理功能:对操作信息、报警信息进行实时记录、历史记录;进行故障查询和分析,可以自行编辑报表,也可自动生成日、周、月、年的报表;进行档案资料的记录和存储。

网络监视管理功能:对系统及网络具有在线监视、自诊断、自恢复及在线修复功能,并可显示网络负荷情况。

2.3车站级门禁系统

车站级门禁系统是由车站门禁系统管理工作站对本站门禁进行数据管理、处理。监视现场设备状态、故障等。

车站级门禁系统由车站系统管理工作站、门禁网络控制器、车站门禁系统管理软件构成。

2.3.1车站级门禁系统管理工作站

车站级门禁系统管理工作站是车站门禁系统实现对本车站系统内的所有门禁终端的监控,满足系统运作、授权、设备监测与控制、网络管理、数据库管理、维修管理、及系统数据的集中采集、统计、保存、查询等功能。

2.3.2门禁网络控制器

门禁网络控制器将电源、控制、驱动、通讯集成为一体的设备,通过提供RS232转RS485的通讯接口与车站级的门禁控制器连接。门禁网络控制器提供了多个RS485通讯接口,一般有2至8个通讯接口,每条RS485总线可以驱动多个门禁控制器。理论上,每条RS485总线可以携带256台门禁控制器,但是考虑到工程实施的实际情况,一般只携带不大于32台门禁控制器。

2.3.3车站门禁系统管理软件

通讯管理功能:能接收中央级管理工作站系统下达的系统参数,同时将参数下达到相关门禁终端;车站管理工作站与中央级系统管理工作站之间网络中断时,车站门禁系统也能正常工作,在通讯网络连通时,将网络中断时间内的数据上传至中央级系统管理工作站。

管理功能:能监控门禁终端的运行状态,在门禁终端状态变化时应能自动接收其状态数据,自动查询门禁终端的状态数据,保存接收设备状态数据。

软件自动更新功能:车站级系统管理工作站应能接收中央级系统管理工作站下载的门禁终端更新软件,具备自身及通过车站(或本区域)网络对门禁终端的软件更新功能。

2.4现场级门禁系统

现场级门禁系统由门禁控制器、读卡器、门锁、紧急开门按钮等设备构成。

2.4.1门禁控制器

门禁控制器通常可分为一体式和分体式,一体式即控制器与读卡器连成一体的门禁设备。它具有体积小、功能简洁、安装简易等特点。在民用建筑上使用较多。分体式即控制器与读卡器分散独立安装。特点是接线较多、复杂,体积较一体式大。

分体式门禁系统是典型结构,下面就对该典型结构进行分析:

门禁控制器是将电源、控制、驱动、通讯集成为一体的设备。实现功能如下:可以实现联网或独立工作;当与门禁网络控制器联系中断时,门禁控制器能自动转入独立工作模式,并能识别门禁卡中与系统吻合的密码,从而实现基本的门禁功能;对数据进行存储和保护;对非正常状态的开门即时报警,将报警信息上传门禁网络控制器;可以通过通讯网络下载更新车站系统软件。

2.4.2读卡器

读卡器是将读取到的卡片信息进行鉴证、识别,并将数据处理上传至门禁控制器由门禁控制器发出相关工作指令,门锁执行动作。

2.4.3卡片

通过读卡或读卡加密方式来识别进出权限,按卡片的种类可以分为磁卡和射频卡两种卡片。

磁卡:采用接触式读取卡片的信息。其特点成本低,读卡设备易磨损,使用寿命

短,卡片易复制,卡片信息容易在外界磁场下丢失,导致卡片无效。

射频卡:射频卡采用非接触方式与读卡设备进行数据交换,一般采用13.56MHz的频率进行数据交换。具有方便安全,使用寿命长,卡片很难被复制,卡片信息保存10年。射频卡可以分为Mifare1卡、Motorola卡、EM卡、HID卡、Legic卡等。

2.4.4门锁

门锁是门禁系统的执行部件,根据门的材料、出门要求等不同的需求选取不同的锁具:主要有以下几种类型:

电磁锁:电磁锁断电开门,符合消防要求。并配有多种安装架以供选择。适用于单向的木门、玻璃门、防火门、对开的电动门。

阳极锁:阳极琐是断电开门,符合消防要求。安装在门框的上部与电磁锁不同的是阳极锁适用于双向的木门、玻璃门、防火门,而且本身带有门磁检测器,可随时检测门的安全状态。

阴极锁:阴极锁一般为通电开门,适用单向木门。安装需配UpS电源,停电时阴极锁是所门的。

2.4.5紧急开门按钮

紧急开门按钮直接接在电琐的供电回路里,安装方式与门锁的安装有关,在打碎玻璃后保证电锁处于打开状态,在紧急情况下保证疏散通道畅通。

3系统运行模式

地铁门禁系统现场设备运作模式有三种:第一,在线模式;第二,离线模式;第三,灾害模式。

在线模式:即全线各车站处于正常的运行状态,门禁系统的所有设备都处于正常的工作状态。门禁控制器将信息上传到车站级设备,收到车站级设备的指令。

离线模式:根据所保存的安全参数进行分析判断,使门的正常开启不受影响。在与车站级设备的通信中断的情况下,自动的转为离线模式工作,且离线后重新在线时,离线的信息可以重新上传到车站级设备。

灾害模式:当发生火灾时,自动的转为灾害模式。将所有设备房电锁均处于开门状态,与此同时,自动售检票系统的闸机门也处于打开状态。

4结束语

随着技术的不断发展更新,相信在不久的将来门禁系统为地铁带来更加的安全、有效、方便、快捷。

第四篇：机场自动气象站的应用设计

机场自动气象站的设计及广泛应用

随着民用航空气象的飞速发展，对航空气象服务的要求越来越高，发展气象探测技术，完善气象观测资料种类与数量为航空气象的发展提供重要的促进作用。同时，由于数值天气预报技术的不断发展，对各种探测资料、预报产品的需求也日益增多。气象自动观测系统通过设立气象自动站，为机场提供气象信息，对未来天气形式提供了参考，很大程度上的提高了预报的准确度，进一步提高监测预报的服务水平，特别是灾害性天气的临时预报准确率，更好的发挥气象在民用航空的作用具有重要意义。

机场自动气象站是针对民航各机场使用气象数据的特点，充分利用现代数据库技术和先进的网络技术实现了对自动气象观测系统(AWOS)原始数据电报的接收、处理、控制和存储，能动态实时地显示AWOS各种气象数据、观测METAR报文，提供AWOS各种传感器的监控，并在设备故障后及时自动报警；同时，利用其存储的数据，回放过去任意时间段各种气象数据的历史曲线，分析对比各种数据曲线。该系统是一款集风向传感器、风速传感器、气压传感器、气温传感器、湿度传感器、雨量传感器、云高仪、大气透射仪或前向散射仪、背景光亮度传器等仪器得综合自动监测应用系统。它为飞机的安全起飞、降落提供精确可靠的气象数据和科学依据。

系统内容

机场自动气象站是按照现有航空气象要求、专为保障各类机场的正常安全运营而设计的一款的气象监测系统。是一套无需人工值守、自动化程度高、测量气象要素种类多、测量精确、与机场兼容性高的民用航空自动气象观测系统。该系统对影响飞行的气象要素进行自动测量，测量值通过网络系统传输到塔台、飞行指挥人员甚至飞行员。

它可以对采集到的气象数据进行计算、处理和存储等；它为航空安全所提供的气象服务，适用于任何的机场及地面航空场所。它不仅仅是具有观测精度高、可靠、实时性强的优点，还具有安装快捷、结构简单、性价比高、自动化等优点。

系统指标

工作环境：-50～+50℃、0～100%RH 可 靠 性：平均无故障时间>6000小时

防护等级：IP66，防雷击、防电磁干扰、防盐雾腐蚀 采 集 器：嵌入式操作系统采集器，智能化32位CPU 数据存储：1.7M FLASH 数据存储器,存储卡最大可扩充至256M 走时精度：实时时钟，准确度优于 20秒/月 系统供电：太阳能/交流供电模式，自备可充电电池 系统功耗：依据配置标定 采集功能：采样存储可远程升级 通讯方式：GPRS/CDMA/ 卫星远传中心站及现场直连 数据输出：气象规范/用户定制

功能特点

高度集模块化组配 支持多种终端访问 大容量数据存储 多点扩展测量要素 支持多种通讯方式

典型应用

机场气象环境监测 机场天气现象监测 航空飞行安全预警

系统组成

传感器：风速+风向+温度+湿度+雨量+气压+天气现象+云高+道面状况+大气透射

FANDA-CJ80综合数据采集器（可扩展4G存储卡 GPRS/CDMA无线数据通讯/LAN/RS485直连通讯

太阳能供电系统：太阳能电源控制器+铅酸蓄电池+12V太阳能电池板 FAMEMS自动气象环境监测软件

气象观测系统是机场建设的配套系统，气象观测的目的是为机场飞机飞行活动提供实时的飞行气象要素数据，为飞行安全保驾护航。目前我国的民航事业正处于高速发展阶段，航空需求日益旺盛，空中交通流量也日益增加，落后的气象观测手段和观测设备已经不能满足日益增加的需求。因此，对航空气象观测系统进行研究，提高气象观测自动化水平，提高气象数据报告质量，对于民航事业发展和航空安全都具有十分重要的意义。

第五篇：地铁AFC系统应用论文

自动售检票（AFC）系统是综合技术性很强的一个专业系统，涉及到机械、电子、微控、传感、计算机、网络、数据库和系统集成等多个方面，整个系统实现具有很大难度。AFC应用系统软件是其中最具有代表性的，它不仅要集成所有售检票设备信息，还要对车票和现金等实物进行管理，涉及车站管理、收益管理和车票管理等各个环节，数据关系较为复杂，需求难以把握，开发具有一定难度，是实现AFC系统集成的关键环节。

1AFC应用系统在开发和应用中遇到的问题

深圳地铁AFC系统的建设是在探索中前进的，作为第一个具有自主知识产权的国产化AFC系统来讲，它不断要根据实际情况做出改进。但对于这个涉及面广、层次多的庞大系统而言，达到应用系统的需求一步到位是不可能的。这就对AFC项目的使用维护方提出了高水平的要求，要在掌握到第一线的乘客需求、车站运作情况和目前应用系统软件所实现功能的前提下，提出AFC系统的改进方向。对项目的开发方而言，用户需求的多变是让开发人员头痛的问题，如何快速地根据用户需求改进软件，尽快拿出满足用户需求的软件更是增加了开发的难度。

通过深圳地铁AFC系统两年来的实际使用，其中存在的一些问题显现出来，比如，管理信息不完整，部分统计数据不能满足实际运营需要，系统功能待改进等，造成工作效率低下、人力资源浪费和运作成本提高。在此基础之上，经深入讨论研究，使用快速原型法可以使实际和应用结合的较为紧密，是解决以上问题的有效方法。

2快速原型法技术介绍

快速原型法（Rapid prototyping Method）是近年来提出的一种以计算机为基础的系统开发方法，它首先构造一个功能简单的原型系统，然后通过对原型系统逐步求精，不断扩充完善得到最终的软件系统。原型就是模型，而原型系统就是应用系统的模型。这个模型可在运行中被检查、测试和修改，直到它的性能达到用户需求为止。因而这个工作模型很快就能转换成原样的目标系统。

快速原型法主要包括两种开发方法：快速建立需求规格模型法和快速建立渐进原型法。快速原型法在优化AFC应用

系统中的应用统的神经中枢，它实现系统运作、收益及设备维护集中管理功能。监控并管理车站AFC系统内的所有设备，采集并上传售检票设备的交易、工作状态等信息，储存并下载运营和设置参数，具备售检票设备及运营的收益管理功能，能统计、生成及打印地铁运营日的现金收益、车站管理和票卡管理等报表，具备辅助分析功能。

（1）通过快速建立需求规格模型法建立用户需求

深圳地铁AFC应用系统的优化和改进首先采用了“快速建立需求规格模型法”来确认用户需求。这种快速原型法通过建立模型反映系统的某些方面，密切用户和开发人员的关系，促进相互了解，因此，有助于获得更完整精确的需求说明书。对深圳地铁AFC应用系统而言，采用快速原型法为AFC用户需求建立一个模型，该模型是系统功能的一个子集，开发人员测试通过后将这个模型提交给用户，通过用户的测试使用可以发现这个模型是否满足预想的需求，哪些功能冗余，哪些地方需要改进。

（2）通过快速建立渐进原型法逐步优化系统

待用户和开发人员逐步确定需求说明书之后，其后的开发工作采用“快速建立渐进原型法”来完成系统优化。“快速建立渐进原型法”采用循环进化的开发方式，对系统模型作连续的精化，将系统需具备的性质逐步添加上去，直到所有的性质全部满足，此时，模型也就成为我们所需的系统目标了。

在AFC应用系统的优化过程中，我们提出一个更新或改进的书面报告，开发人员根据报告的描述，并同我们讨论具体需求后，设计出一个模型，通过开发人员的内部测试后，将模型提交给我们。在深圳地铁培训中心测试平台的支持下，用户严格测试系统的功能和各

部件的接口，修改所发现的问题，直至模型测试通过。测试完后，用户和开发人员一起进行原型审查，确定正确无误后，就可让系统进入车站试用。开发人员也可以通过用户的使用加深对用户需求的了解，经过相互了解促进这样一个过程，直至模型确定。最后，将测试通过的模型转变成目标系统，小规模的上线使用，观察一段时间，经过实地运作确保不产生其他影响后，才全线铺开实施。

4快速原型法在深圳地铁应用中的优点

通过不断跟进深圳地铁票务人员、车站人员和乘客使用AFC系统的情况和根据得到的反馈，快速原型法使用户在感性的层面上了解系统的概貌，通过与用户的交流，能很好地理解用户的意图与需求。在采用快速原型法的开发过程中，开发人员一直与用户密切联系，以少量代价快速地构造一个可执行的软件系统模型，使用户和开发人员可以较快地确定需求。在初步了解用户的基本需求后，开发人员建立一个他们认为符合用户要求的模型系统并交给用户检验，由于模型是可以执行的，所以为用户提供了获得感性认识的学习机会。增进了用户和开发人员之间的沟通交流，节省了开发时间，降低了开发强度，需求可以更快地得以确定，目标也能加快实现。

5结束语

快速原型法这种支持用户的方法，使得用户在系统生存周期的设计阶段起到积极的作用。它能减少系统开发的风险，特别是在深圳地铁AFC项目投入运营后，由于对项目需求的分析难以一次完成，而且时间紧迫，采用快速原型法效果更为明显。它既适用于系统的重新开发，也适用于对系统的修改，也可以与传统的生命周期方法相结合使用，这样会扩大用户参与需求分析、初步设计及详细设计等阶段的活动，加深对系统的理解。在采用快速原型法设计的过程中，加入再用式软件开发方法，采用快速原型法做需求分析，后续阶段使用重用机制，还能够有效地降低开发成本。

结合几年来对AFC系统研究的逐步深入，和近两年的实际运作管理经验，加之对票务业务管理流程的不断深入领会，采用快速原型法优化后的AFC应用系统精简了票务管理流程，极大减少人为的统计分析和干预，其智能化、模块化和个性化地提供后台统计分析的数据及报表，同时也为深圳地铁运营决策层提供了高效的素材和有利的保障。