基于PLC控制的自动晾衣架设计

2016-01-19，，，

机械与电子 2015年10期

关键词：晾衣架横杆校核

，，，

(南京航空航天大学金城学院机电工程系，江苏南京 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控制的自动晾衣架设计

赵彩虹，尹涓，卢思源，张鹤词

(南京航空航天大学金城学院机电工程系，江苏南京 211156)

DesignofAutomaticClothesHangerBasedonPLC

ZHAOCaihong，YINJuan，LUSiyuan，ZHANGHeci

(DepartmentofMechatronicsEngineeringofNanhangJinchengCollege，Nanjing211156，China)

摘要：针对现代生活中实际晾晒时会遇见的日晒雨淋，以光照、湿度、温度为判别依据设计了一种全自动晾衣架。详细阐述了基于Pro/E仿真和有限元分析的自动晾衣架的结构设计，重点介绍了基于PLC技术的自动晾衣架的控制系统设计，分析了雨滴传感器，光敏传感器、温度传感器的应用原理。晾衣架的设计实现了装置的自动化与智能化，实用性强，适合未来智能家居的时代发展需求，具有一定的应用前景和参考价值。

关键词：自动晾衣架； S7-200 PLC光敏传感器；雨滴传感器

中图分类号：TH39

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)10-0045-03

收稿日期：2015-07-06

基金项目：江苏省高校自然科学研究面上资助经费项目(14KJB460017)；南京航空天大学金城学院院重点教改项目；南京航空天大学金城学院大学生创新项目

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.

作者简介：赵彩虹(1981- ) 女，江苏淮安人，硕士研究生，讲师，研究方向为机电一体化、传感器技术、CAD技术的研究。

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

0引言

中国制造2025的启动，机电一体化技术和传感器原理技术将迎来新的时代。作为一款机电一体化的智能家居产品，根据外界环境作出智能判断并自动伸缩的自动晾衣架将有益于上班一族的快节奏生活需求。

设计从智能控制、结构简单和实用角度出发，设计一款能够水平伸缩的全自动晾衣架。全自动晾衣架能实时监控天气状况，根据温度、光照、湿度判断晾晒状态，将监控信号传给控制系统，下雨时自动收回，天晴时自动晾晒，能检测白天和黑夜甚至雾天，能根据光照强度判断以保护衣物的耐用度和品质。运用Pro/E软件进行结构设计和运动仿真，运用ANSYS校核主体的强度，选用雨滴传感器、光照传感器、温度传感器采集数据，结合西门子S7-200PLC控制技术对晾晒环境自动判断并控制晾晒机构的运作。

1系统总体方案[1-]2]

确定方案时考虑了以下因素：①全自动晾衣架结构上有足够的强度，能承受足够重量的衣服及其自身；②负载时候能伸缩自如，避免运动过程中因摩擦过大而造成电机损坏；③悬挂衣物时确保悬挂可靠，有一定的室外防风要求；④晾衣架选用电机带动钢丝传递动力，钢丝传动系统的设计应可靠，并具有一定的抗震动、防松脱的性能；⑤结构设计保持简约美观，并充分考虑到产品的可拆装性。

根据设计要求确定全自动晾衣架设计方案，如图1～图3所示，全自动晾衣架主要由动力系统、晾晒执行机构模块、数据采集模块、控制系统组成，适用于室内安装室外晾晒的普通公寓。

图1　系统框图

图2　数据采集模块

图3　PLC控制执行模块

2机构设计与校核

2.1　机构设计

晾衣架轨道机构简图如图4所示。钢丝1一端与最外面的轮轴组相连，另一端经轨道尾端所装滑轮收在下方的手柄控制盒。钢丝2一端与最外面的轮轴组相连，另一端经轨道首端所装滑轮返至轨道尾端，最后收于下方的控制盒。钢丝1将晾衣架伸出，钢丝2将晾衣架拉回。

图4　晾衣架轨道机构

伸缩式晾衣架的整体三维结构模型如图5所示。轨道上方两端通过膨胀螺钉与墙顶固定，轨道下方与晾衣架主体结构相连。

图5　自动晾衣架整体三维结构模型

晾衣架轨道截面图如图6所示。轨道里有2个滑槽，使用3对轮子和轴支撑晾衣架主体，轮子可在轨道滑槽里滚动工作。晾衣架主体外伸端的轮轴组靠2个安全挡块限制最大行程。当钢丝拉动最外面的轮轴组外伸碰到限位开关时，反馈至PLC控制，停止动作。

图6　晾衣架轨道装配截面

2.2　机构校核

在规定的载荷范围内，晾衣架主体杆不能被破坏和不能出现大的弯曲变形。主体的强度校核主要分为2步，①对已有的结构进行结构简化，简单的结构采用理论计算校核强度；②将复杂结构3D模型放入ANSYS分析。

2.2.1理论计算校核

假设每件衣物重2kg，杆件分别有10个勾和9个勾子。以10个勾挂满衣物为条件，分析晾衣架机构的强度校核。

装10个钩的晾衣横杆受力如图7所示。已知两支撑点之间距离L=2 000mm，衣物质量m1=2 kg。根据重力与支反力的平衡，可知：

2×F1=10×m1×9.8 =10×2×9.8

得F1=98N

图7　晾衣横杆受力

晾衣横杆受力如图8所示，弯矩的最大位置在衣杆的中间，且衣杆受力对称。根据截面法和任一截面的弯矩计算公式，其弯矩为：

图8　晾衣横杆弯矩

该截面所受最大应力为：

=58.64 MPa<200 MPa

因此，装有10个钩的晾衣横杆满足强度要求。

2.2.2ANSYS有限元校核

选择最危险的情况即外伸时的工作状态进行校核。选用四面体92节点刚体单元，材料为304不锈钢，材料特性为结构性、线性、塑性、各向同性。经查表，弹性模量为1.9×e11，泊松比为0.29，按8级精度智能分网。在连接晾衣横杆的孔内施加向下的载荷F1、F2，并在晾衣架的重心位置施加重力，计算所得结果可知，晾衣架主体可以满足承重量为40.5 kg晒衣的要求。

3控制系统设计[3-]4]

设计能够将光照度、雨滴、温度信号传递给控制系统以进行对电机的正转和反转的状态控制，达到全自动控制晾晒的设计要求。采用西门子S7-200PLC控制，PLC故障报警流程如图9所示，控制程序由主程序和若干辅助程序组成。主程序的控制流程如图10所示，辅助程序包括故障报警程序、照明控制程序、电扇风干程序。