智能還書機的設(shè)計與開發(fā)*

翟 建， 孫玉芹

(青島濱海學(xué)院，山東 青島 266555)

智能還書機的設(shè)計與開發(fā)*

翟 建， 孫玉芹

(青島濱海學(xué)院，山東 青島 266555)

針對現(xiàn)有進(jìn)口還書機成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，根據(jù)目前我國圖書館普遍人工辦理還書工作的現(xiàn)狀，利用平面曲柄搖桿機構(gòu)原理設(shè)計的圖書館用智能還書機，克服了還書機高價位、普及難、通用性差的不足，實現(xiàn)了還書的自助性和自主性及隨機性。現(xiàn)場試驗及試運行證實該設(shè)計方案可靠，對圖書館實現(xiàn)智能管理、延伸服務(wù)空間時間具有實用性，對智能還書機的研發(fā)具有借鑒和推廣價值。

智能還書機；圖書館；曲柄搖桿機構(gòu)

Abstract: Aiming at problems of the existing imported book machine including high cost, complex structure, according to the present situation that artificial management is generally used in the library in our country, the intelligent library book machine which is designed according to the principle of planar crank rocker mechanism, has overcome the disadvantages of high price, difficult to popularize, poor generality and realized self-service, autonomy and randomness. Field test and trial operation show that this design is reliable and practical to extend the service space and service time, it will contribute the reference value and promotion to the intelligent book machine.

Key words: intelligent return the book machine；library；crank-rocker mechanism

0 引 言

目前，國際上的還書機大多由美國3M公司開發(fā)的自助借還書系統(tǒng)壟斷，其價格昂貴[1]。國內(nèi)部分圖書館與3M公司合作開發(fā)還書系統(tǒng)，結(jié)果不夠理想，造成還書機的使用難以推廣。其主要原因是：開發(fā)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于我國各類學(xué)校及社會圖書館圖書普遍使用的條碼標(biāo)簽識別，存在著通用性差和穩(wěn)定性差低等缺陷，且暫時尚未有成熟產(chǎn)品，這成為制約圖書館實現(xiàn)智能管理、延伸服務(wù)拓展空間的瓶頸。針對目前我國圖書館實際需求，根據(jù)曲柄搖桿機構(gòu)原理設(shè)計了圖書館用智能還書機。

1 圖書館用智能還書機方案設(shè)計

1.1 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)對國內(nèi)數(shù)十家學(xué)校和社會團體圖書館的調(diào)研，確定相關(guān)設(shè)計參數(shù)：外形尺寸： 953 mm×700 mm×1 713 mm(長×寬×高)；工作頻率：ISM 902～928 MHz；符合標(biāo)準(zhǔn)：ISO 18000-6B/ISO18000-6C；通信接口：10 M/100 M/1000 M；兼容性：條碼標(biāo)簽；工作溫度：-10～+50 ℃；工作濕度：10%～90%；工作電壓：AC220V±10%；硬件配置：Intel Xeon四核，主頻2 Ghz；軟件部分：Windows XP、win7 、win8；數(shù)據(jù)庫軟件：MySQL5.0。

1.2 結(jié)構(gòu)及工作原理

圖書館用智能還書機主要有四部分組成，如圖1所示。其包括機箱、輸送機構(gòu)、落書機構(gòu)、書箱、機架等。觸摸屏一體機置于機箱上方，面對使用者便于智能控制還書機。

圖1 智能還書機

圖書從還書口推進(jìn)，經(jīng)掃描檢測通過后，由輸送機構(gòu)送至?xí)淙肟谔?，落書機構(gòu)將圖書翻轉(zhuǎn)滑落至?xí)洌被卮鼱顟B(tài)，完成一次還書過程。

2 主要機構(gòu)設(shè)計

圖書館用智能還書機功能的實現(xiàn)，主要是由圖書輸送機構(gòu)和圖書落書機構(gòu)來完成的，是智能還書機的核心機構(gòu)[1]。

2.1 圖書輸送機構(gòu)設(shè)計

2.1.1 圖書輸送機構(gòu)

圖書輸送機構(gòu)主要用來承接還書者由還書口推送進(jìn)來的圖書，經(jīng)掃描檢測通過后，將圖書輸送至?xí)淙肟谔?。圖書傳輸機構(gòu)由托架、軸承座、兩根鋁合金傳動軸軸、輸送帶、電機等構(gòu)成，如圖2所示。

依據(jù)不同圖書外形尺寸大小，按最大圖書尺寸設(shè)定托架尺寸為：340 mm×427 mm。

在托架上裝有軸承座，支持兩根傳動軸，輸送帶將兩傳動軸連接，其中一根軸通過聯(lián)軸器外接電機。

圖2 智能還書機的機構(gòu)

2.1.2 驅(qū)動電機的選擇

考慮到圖書為低速輸送特點，經(jīng)過試驗選用速度為v=200 mm/s=0.2 m/s左右。

由此計算，電機功率為：

P=Fr×v=50×0.2=10 (W)

電機轉(zhuǎn)速為：

n=v/(πD)=200/(50π)=1.27 r/s=76 (r/min)

根據(jù)驅(qū)動電機的功率、轉(zhuǎn)速，選用永磁同步齒輪減速電機：電機型號：90TDY060A4-1；電機功率：40 W；電機電壓：220 V(單相)；額定轉(zhuǎn)矩：1 900 mN·m ；移相電容：2.7/400 μf/V；移相電阻：800/50 Ω/W。

2.2 圖書落書機構(gòu)設(shè)計

2.2.1 圖書落書機構(gòu)

圖書落書機構(gòu)主要用于將輸送至?xí)淙肟谔幍膱D書送至?xí)洌瓿梢淮芜€書動作。

圖書落書機構(gòu)是由機架、偏心輪、連桿、連架桿組成，其中偏心輪充當(dāng)曲柄作為主動件，連桿作為傳動件，執(zhí)行元件托架作為搖桿，機架作為固定桿，以此形成曲柄搖桿機構(gòu)[3]。當(dāng)電機帶動偏心輪回轉(zhuǎn)時，連架桿連接托架(托架)實現(xiàn)擺動，托架上圖書將沿傾斜面滑入書箱[2]。如圖2所示。

形成平面曲柄搖桿機構(gòu)須滿足的條件：①桿長條件；②連架桿(或機架)作最短桿[3]。

為了保證待機時機構(gòu)的穩(wěn)定性，即搖桿處于水平狀態(tài)，曲柄搖桿在初始位置需有自鎖性。此時，曲柄與連桿共線，機構(gòu)處于死點位置。

由于受還書機箱的空間大小的限制要求，取機架(電機軸心與軸承座距離)b=200 mm，搖桿a=150 mm，連桿和曲柄尺寸均不能過大，設(shè)連桿長X1， 曲柄長X2。

根據(jù)試驗圖書滑落最小傾角不小于25°，為保證圖書滑落的可靠性，設(shè)定搖桿的擺角θ=30°。如圖3所示。

圖3 曲柄搖桿機構(gòu)

利用圖解法，確定連桿長X1=214.5 mm。

建立幾何關(guān)系：

a2+b2=(x1+x2)2

a2+b2=(x1-x2)2=2abcos 60°

計算得曲柄長X2:

X2=34.5 mm

為保證主動件傳動的平穩(wěn)性，將曲柄設(shè)計成偏心輪，其直徑Φ=120 mm，rMAX=34.5 mm。

2.2.2 翻轉(zhuǎn)電機的選擇

搖桿處于在極限位置時，已知連桿x1承受托架壓力G=50 N，搖桿拉力為F1，連桿受壓力F2，根據(jù)平衡條件：

G+F1=F2

即，F(xiàn)2MAX/(X1+X2)=G/200

F2MAX=63 N

則，電機扭矩M=F2×r

又，rMAX=34.5 mm

MMAX=F2MAX×rMAX

=63×35 (N·mm)

=2 188 (N·mm)

根據(jù)電機最大額定扭矩并考慮實際轉(zhuǎn)速，選用永磁同步齒輪減速電：電機型號：90TYJ060D4-5；電機功率：60 W；電機電壓：220 V(單相)；額定轉(zhuǎn)矩：1 070 N·cm；移相電容：2.2/400 μf/V；移相電阻：800/50 Ω/W。

3 機架和書箱設(shè)計

機架用來連接和支撐圖書傳輸機構(gòu)和圖書落書機構(gòu)。機架選用Q235A角鋼25×25×4焊接成型，下面有導(dǎo)軌主要用來保證書箱滾輪沿軌道的運動，并且安裝有限位裝置以確定書箱的可靠位置，書箱采用ABS板制作。機架、書箱結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 機箱設(shè)計

機箱主要考慮其美觀、人性化、耐用等，同時參照目前流行的立式ATM自助取款機而設(shè)計。

材料選用ABS，其尺寸穩(wěn)定性、抗沖擊、硬度高。如圖5所示。

圖4 機架、書箱 圖5 機箱

5 電氣控制設(shè)計

5.1 主要元件的選擇

主機：清華同方V38-22一體機，屏幕尺寸21.5英寸。掃描儀：Symbol LS7808掃描器。PLC控制器：和利時LM3107。光電開關(guān)：PM18-D1MPA-Y3L2/C65；接近開關(guān)：LJ12A3-4-Z/BY/PNP DC24V。

5.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)主要從從軟件和硬件方面進(jìn)行設(shè)計。對于硬件，根據(jù)控制對象的輸入量和輸出量特點和大小，選擇和利時LM310機型。

對于軟件，從易于編程和盡量減少指令及運行時間等方面的考慮，根據(jù)還書的基本操作程序，確定輸入、輸出個數(shù)，最終確定 PLC的點數(shù)，利用編程軟件CoDeSys編寫梯形圖程序。為使PLC的運行安全，采用繼電器轉(zhuǎn)換。在試驗中完善程序、完成PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[2]。

6 結(jié) 語

智能還書機主要用于各類學(xué)校及社會圖書館，可以24小時開放，解決了還書讀者還書受時間地點限制的難題，經(jīng)實際使用和檢測效果理想。該設(shè)計方案為各類圖書館還書問題提供一種思路，具有實際應(yīng)用價值和推廣意義，也為同行類似設(shè)計的還書機機提供了參考。

[1] 孫玉芹.臥式雙還書口還書機的設(shè)計[J].中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫，2011(S1)：1140-531-1-1140-531-58.

[2] 孫玉芹.圖書館自助還書機翻板落書機構(gòu)的設(shè)計[J]. 現(xiàn)代機械，2011(1):46-48.

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Design and Development of Intelligent Return Book Machine

ZHAI Jian, SUN Yu-qin

(QingdaoBinhaiUniversity,QingdaoShandong266555，China)

2014-06-12

翟 建(1963-),男,山東淄博人，副教授,主要從事機械設(shè)計制造及其自動化研究方面的工作。

TH12

A

1007-4414(2014)04-0155-03