基于PLC控制的自動(dòng)晾衣架設(shè)計(jì)

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(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇 南京 211156)

Design of Automatic Clothes Hanger Based on PLC

ZHAO Caihong ，YIN Juan，LU Siyuan， ZHANG Heci

(Department of Mechatronics Engineering of Nanhang Jincheng College，Nanjing 211156，China)

基于PLC控制的自動(dòng)晾衣架設(shè)計(jì)

趙彩虹，尹涓，盧思源，張鶴詞

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇 南京 211156)

DesignofAutomaticClothesHangerBasedonPLC

ZHAOCaihong，YINJuan，LUSiyuan，ZHANGHeci

(DepartmentofMechatronicsEngineeringofNanhangJinchengCollege，Nanjing211156，China)

摘要：針對(duì)現(xiàn)代生活中實(shí)際晾曬時(shí)會(huì)遇見(jiàn)的日曬雨淋，以光照、濕度、溫度為判別依據(jù)設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)晾衣架。詳細(xì)闡述了基于Pro/E仿真和有限元分析的自動(dòng)晾衣架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了基于PLC技術(shù)的自動(dòng)晾衣架的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分析了雨滴傳感器，光敏傳感器、溫度傳感器的應(yīng)用原理。晾衣架的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了裝置的自動(dòng)化與智能化，實(shí)用性強(qiáng)，適合未來(lái)智能家居的時(shí)代發(fā)展需求，具有一定的應(yīng)用前景和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)晾衣架； S7-200 PLC光敏傳感器；雨滴傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TH39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)10-0045-03

收稿日期：2015-07-06

基金項(xiàng)目：江蘇省高校自然科學(xué)研究面上資助經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(14KJB460017)；南京航空天大學(xué)金城學(xué)院院重點(diǎn)教改項(xiàng)目；南京航空天大學(xué)金城學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目

Abstracts：A kind of auto clothes hanger controlled by light ， humidity， and temperature is designed for drying the clothes without worrying about the bad?weather.The structure of the hanger is elaborated which is designed by Pro/E and analysed by ANSYS and the control system of the clotheshorse which is based on PLC is introducede， andthe application theory of the raindrop sensor， light sensitive sensor and temperature sensor is expounded. The auto clothes hanger is suitable for the need of the intelligent home furnishing in the future.

作者簡(jiǎn)介：趙彩虹(1981- ) 女，江蘇淮安人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化、傳感器技術(shù)、CAD技術(shù)的研究。

Keywords：automaticclotheshanger；S7-200PLC；lightsensitivesensor；raindropsensor

0引言

中國(guó)制造2025的啟動(dòng)，機(jī)電一體化技術(shù)和傳感器原理技術(shù)將迎來(lái)新的時(shí)代。作為一款機(jī)電一體化的智能家居產(chǎn)品，根據(jù)外界環(huán)境作出智能判斷并自動(dòng)伸縮的自動(dòng)晾衣架將有益于上班一族的快節(jié)奏生活需求。

設(shè)計(jì)從智能控制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和實(shí)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一款能夠水平伸縮的全自動(dòng)晾衣架。全自動(dòng)晾衣架能實(shí)時(shí)監(jiān)控天氣狀況，根據(jù)溫度、光照、濕度判斷晾曬狀態(tài)，將監(jiān)控信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，下雨時(shí)自動(dòng)收回，天晴時(shí)自動(dòng)晾曬，能檢測(cè)白天和黑夜甚至霧天，能根據(jù)光照強(qiáng)度判斷以保護(hù)衣物的耐用度和品質(zhì)。運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，運(yùn)用ANSYS校核主體的強(qiáng)度，選用雨滴傳感器、光照傳感器、溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，結(jié)合西門(mén)子S7-200PLC控制技術(shù)對(duì)晾曬環(huán)境自動(dòng)判斷并控制晾曬機(jī)構(gòu)的運(yùn)作。

1系統(tǒng)總體方案[1-]2]

確定方案時(shí)考慮了以下因素：①全自動(dòng)晾衣架結(jié)構(gòu)上有足夠的強(qiáng)度，能承受足夠重量的衣服及其自身；②負(fù)載時(shí)候能伸縮自如，避免運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因摩擦過(guò)大而造成電機(jī)損壞；③懸掛衣物時(shí)確保懸掛可靠，有一定的室外防風(fēng)要求；④晾衣架選用電機(jī)帶動(dòng)鋼絲傳遞動(dòng)力，鋼絲傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)可靠，并具有一定的抗震動(dòng)、防松脫的性能；⑤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保持簡(jiǎn)約美觀(guān)，并充分考慮到產(chǎn)品的可拆裝性。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定全自動(dòng)晾衣架設(shè)計(jì)方案，如圖1～圖3所示，全自動(dòng)晾衣架主要由動(dòng)力系統(tǒng)、晾曬執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制系統(tǒng)組成，適用于室內(nèi)安裝室外晾曬的普通公寓。

圖1　系統(tǒng)框圖

圖2　數(shù)據(jù)采集模塊

圖3　PLC控制執(zhí)行模塊

2機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核

2.1　機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

晾衣架軌道機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。鋼絲1一端與最外面的輪軸組相連，另一端經(jīng)軌道尾端所裝滑輪收在下方的手柄控制盒。鋼絲2一端與最外面的輪軸組相連，另一端經(jīng)軌道首端所裝滑輪返至軌道尾端，最后收于下方的控制盒。鋼絲1將晾衣架伸出，鋼絲2將晾衣架拉回。

圖4　晾衣架軌道機(jī)構(gòu)

伸縮式晾衣架的整體三維結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。軌道上方兩端通過(guò)膨脹螺釘與墻頂固定，軌道下方與晾衣架主體結(jié)構(gòu)相連。

圖5　自動(dòng)晾衣架整體三維結(jié)構(gòu)模型

晾衣架軌道截面圖如圖6所示。軌道里有2個(gè)滑槽，使用3對(duì)輪子和軸支撐晾衣架主體，輪子可在軌道滑槽里滾動(dòng)工作。晾衣架主體外伸端的輪軸組靠2個(gè)安全擋塊限制最大行程。當(dāng)鋼絲拉動(dòng)最外面的輪軸組外伸碰到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，反饋至PLC控制，停止動(dòng)作。

圖6　晾衣架軌道裝配截面

2.2　機(jī)構(gòu)校核

在規(guī)定的載荷范圍內(nèi)，晾衣架主體桿不能被破壞和不能出現(xiàn)大的彎曲變形。主體的強(qiáng)度校核主要分為2步，①對(duì)已有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)采用理論計(jì)算校核強(qiáng)度；②將復(fù)雜結(jié)構(gòu)3D模型放入ANSYS分析。

2.2.1理論計(jì)算校核

假設(shè)每件衣物重2kg，桿件分別有10個(gè)勾和9個(gè)勾子。以10個(gè)勾掛滿(mǎn)衣物為條件，分析晾衣架機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核。

裝10個(gè)鉤的晾衣橫桿受力如圖7所示。已知兩支撐點(diǎn)之間距離L=2 000mm，衣物質(zhì)量m1=2 kg。根據(jù)重力與支反力的平衡，可知：

2×F1=10×m1×9.8 =10×2×9.8

得F1=98N

圖7　晾衣橫桿受力

晾衣橫桿受力如圖8所示，彎矩的最大位置在衣桿的中間，且衣桿受力對(duì)稱(chēng)。根據(jù)截面法和任一截面的彎矩計(jì)算公式，其彎矩為：

圖8　晾衣橫桿彎矩

該截面所受最大應(yīng)力為：

=58.64 MPa<200 MPa

因此，裝有10個(gè)鉤的晾衣橫桿滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

2.2.2ANSYS有限元校核

選擇最危險(xiǎn)的情況即外伸時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行校核。選用四面體92節(jié)點(diǎn)剛體單元，材料為304不銹鋼，材料特性為結(jié)構(gòu)性、線(xiàn)性、塑性、各向同性。經(jīng)查表，彈性模量為1.9×e11，泊松比為0.29，按8級(jí)精度智能分網(wǎng)。在連接晾衣橫桿的孔內(nèi)施加向下的載荷F1、F2，并在晾衣架的重心位置施加重力，計(jì)算所得結(jié)果可知，晾衣架主體可以滿(mǎn)足承重量為40.5 kg曬衣的要求。

3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3-]4]

設(shè)計(jì)能夠?qū)⒐庹斩取⒂甑巍囟刃盘?hào)傳遞給控制系統(tǒng)以進(jìn)行對(duì)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的狀態(tài)控制，達(dá)到全自動(dòng)控制晾曬的設(shè)計(jì)要求。采用西門(mén)子S7-200PLC控制，PLC故障報(bào)警流程如圖9所示，控制程序由主程序和若干輔助程序組成。主程序的控制流程如圖10所示，輔助程序包括故障報(bào)警程序、照明控制程序、電扇風(fēng)干程序。

圖9　PLC故障報(bào)警流程

圖10　PLC控制主流程

主流程主要完成對(duì)晾衣過(guò)程的判斷與控制，包括晾衣前的動(dòng)作安排和晾曬時(shí)對(duì)環(huán)境的判斷處理，如雨滴、光照、溫度等判斷條件的設(shè)定和處理。

4結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)是一種新型的機(jī)電一體化的智能家電，將PLC作為控制系統(tǒng)應(yīng)用在晾衣架上，使晾衣架有了智慧，能夠判斷光照、溫度、雨水等多種情況并作出合理處理。該設(shè)計(jì)具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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