图书馆自助还书机控制系统的设计.doc

青岛滨海学院毕业设计摘 要作为公共文化服务体系之一的图书馆，近年来发展迅速。各图书馆的服务方式层出不穷，通过探索动态创新的服务模式，来拓展图书馆内伸外延的服务空间，不断提高服务质量，使图书馆的资源走出图书馆，走向城乡、走向读者，与读者之间零距离地亲密接触。基于此，我院开始研究图书馆自助还书机。图书馆自助还书机可以减少读者还书的等待时间和减少对管理员的依赖，享受自己动手完成还书操作过程，还能保障读者阅读隐私，让读者充分享受到图书馆服务的现代化形式。图书馆自助还书机中最重要的部分是整个控制系统的设计，根据现代控制理论的发展，本控制系统采用的控制核心是可编程控制器（PLC）。随着可编程控制器（PLC）技术的发展，把PLC控制技术应用于图书馆自助还书机控制系统中，替代了先前的继电器、接触器控制，取得了很好的使用效果。关键词 图书馆 自助 还书机 控制系统 可编程控制器 AbstractLibrary has developed quickly in those years as one public cultural service system. There are so many service styles in libraries. In order to expand service epitaxial spaces and improve the quality of service, people began to explore the dynamic innovative service modes, which can make the library information go out and have an zero-distance contact with readers.So, our school began to make self-help book return machine. It is a machine that can reduce waiting time of readers and reliance on library manager. Readers can return books by themselves, at the same time, they can protect their privacy. Whats more ,they can get good feelings from modern service style.The most important part of self-help book return machine is the design of the whole control system. According to the development of modern control theory, the core of this control system is PLC. with the development of PLC, instead of previous relays, contactor control, the use of PLC in library self-help book return got a fine result.Keywords Library Self-help Book-return machine Control system PLC目 录前言11 图书馆自助还书机概述31.1 自助还书机开发的背景31.2 自助还书机开发的意义41.3 国内外研发自助还书机的实例51.3.1 无线射频识别（RFID）图书馆藏书管理系统51.3.2 3M公司还书系统61.3.3 自助还书机信息读取方式的选择71.3.4 青岛滨海学院第一代自助还书机81.3.5 青岛滨海学院第二代自助还书机102 第二代图书馆自助还书机的设计方案112.1 软件控制部分112.1.1 ILAS 系统简介112.1.2 ILAS 总体功能特点122.2 机械控制部分132.2.1 整体框架的设计132.2.2 垂直防损式翻板落书机构142.2.3 可旋转多书口式书箱162.3 电气控制部分173 图书馆自助还书机电气控制系统的设计183.1电气元件简介183.1.1 可编程控制器（PLC）183.1.2 传感器193.1.3 永磁同步齿轮减速电动机233.1.4 SYMBOL LS-7808激光条形码扫描器253.2 PLC控制系统的设计原则273.2.1 硬件设计273.2.2 软件设计273.3 PLC控制系统的设计步骤283.3.1 PLC机型的选择283.3.2 输入/输出设备及PLCI/O地址分配283.3.3 PLC的I/O接线图的设计293.3.4 PLC梯形图程序的设计293.3.5 安装与布线323.3.6 PLC的接地324 结论33致谢34参考文献35附录36前言图书馆收藏着大量的文献信息资源，积极地开发，广泛地利用这些文献资源是图书馆的重要职能之一，它也是图书馆承担各种职能的基础。由于当今社会文献的生产数量大、增长快;社会文献的类型复杂、形式多样;文献的时效性强;文献的传播速度加快;文献的内容交叉重复;文献所用语种在扩大,质量下降等特点,使人们普通感到利用起来十分不容易。图书馆通过对文献信息资源进行加工整理、科学分析综合、指引，形成有秩序、有规律、源源不断的信息流，进行更加广泛的交流与传递，使读者更好地利用它们。图书馆进行社会教育，主要表现在可以为社会、为读者提供最完备的学习条件：资源、场地、设备。受教育者可以长期的、自由地利用图书馆进行自学。它还是学校教育的重要组成部分。在学校里，图书馆是基本的教育设施，它被誉为“知识的宝库、知识的喷泉”,“大学的心脏”，“学校的第二课堂”，直接承担着培养人才的重任。但是，目前出现的情况是图书馆图书的借阅量很大，且图书的借阅和归还全部是通过人工操作完成的，借阅厅经常出现借还书排队的现象，不仅浪费了宝贵的时间，还挫伤了学生借阅图书学习的积极性，图书流通极为不方便。为此，开发自助还书服务，提高图书流通量，提高图书馆工作效率，方便学生借阅图书显的极为重要。图书馆自助还书系统还可以减少读者还书图书的等待时间和减少对馆员的依赖，享受自己动手完成图书借还操作过程，还能保障读者阅读隐私，让读者充分享受到图书馆服务的现代化形式。读者自助借阅系统可以给读者更自由的借阅环境，也提高了图书馆服务品质。本论文介绍的图书馆自助还书机，完全摆脱了闭馆时间对读者还书的限制，实现了实体图书馆24小时开放还书。这个与自助银行颇为类似的自助还书机，让读者自助办理还书的过程，这种细致、周到的人性化服务，本身就是一种人文化与人性化的创新。这种自助服务，使得管理成本降低了，文化效益扩大了，图书馆功能增强了，服务模式创新了。在图书馆与读者的互动方面，自助还书服务让知识、信息、文献惠及更多的读者，这种使阅读资源最大限度延伸增值的创新模式，弥足珍贵，值得推广。图书馆自助还书机的结构主要有电气控制部分、机械部分、软件部分组成。机械部分包括自动复位翻板机构和旋转式书箱，软件采用ILAS 图书管理软件，电气控制部分主要由可编程控制器（PLC）完成。可编程控制器（PLC）是以微机技术为核心的通用工业控制装置。它将传统的继电器接触器控制技术与计算机技术和通信技术融于一体，具有功能强大、环境适应性好、编程简单、使用方便等优点。因此，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面，PLC得到广泛的应用。学习、掌握和应用PLC技术对提高我国工业自动化水平和生产效率具有十分重要的意义。电气控制系统是自助还书机最重要的部分，主要负责还书身份识别、还书动作控制自动门的开合、扫描平台的启动、翻板和旋转书箱驱动单元的准确动作、传感器信号处理等。用到的电器件主要有：按钮、指示灯、继电器、空气开关、光电传感器、接近传感器、永磁同步齿轮减速电动机、扫描器等。1 图书馆自助还书机概述1.1 自助还书机开发的背景图1-1 青岛滨海学院第二图书馆图书馆是大学的重要组成部分，是大学的文献信息中心，是为教学和科研服务的学术性机构，是人类知识的宝库，是寻求知识，追求理想的良师益友，是大学生的第二课堂。当今社会，新的知识、信息，新的科学技术的传播和交流，很重要的一个途径是通过书刊资料来进行的。任何科学理论研究都必须从收集、掌握、熟悉图书资料开始，掌握前人已经取得的成果，掌握国内外科学研究的现状，掌握相邻学科所提供的新的有利条件等有关文献资料，以便在前人研究成果的基础上，提出新问题，作出新概括，取得新发展，获得新结论。这就必须从记载已有科技成果的图书资料中去学习、消化和掌握自己所需要的优秀成果，以开阔眼界、扩展思路、受到启示，并以此为起点，去攀登新的科学技术高峰。学习的机会对每个人都是平等的，利用好图书馆收藏的文献知识来达到学习的目的，是对每位大学生都至关重要的。我院作为拥有近两万学生的大型民办院校，有两个大型图书馆，藏书120万余册，图书馆借阅量大，且借还时间相对集中，第一借阅厅等地方经常出现借还书排队现象（如图1-2所示），可能直接导致学生错过还书时间，给学生造成不必要的经济损失，同时也挫伤学生借阅学生借阅图书学习的积极性。高校属于知识传播的摇篮，图书馆图书的借阅量极高，现在图书的借阅和归还全部通过人工操作完成，在现有条件下，为提高借还书效率，满足学生的需要，学院就必须不断增加人力，这样就造成图书馆管理成本过高，成为制约学院教学质量提升的一个重要因素。因此，开发一套类似ATM柜员机的自助还书系统将有效提升图书管理水平，极大方便学生借阅。本项目主要研究高校图书馆管理技术，通过开发自助还书系统，实现24小时便利还书，降低图书馆人力资源成本，提高图书馆工作效率。图1-2 第二图书馆第一借阅厅还书场景1.2 自助还书机开发的意义本论文研究的自助还书机就是通过建立无人值守的自助图书馆和图书自助服务站（图书馆ATM柜员机），让读者利用自助还书设备自主归还图书的一种服务方式。在分析研究新世纪读者需求变化的基础上，打破传统图书馆被动服务理念，超越读者有“求”才有“应”的服务方式，以超前的服务理念指导服务行为，可谓意义重大。一是突出为读者提供一个方便。尽量延长图书馆开放时间一直是读者的愿望，也是我院图书馆追求的目标。但在人工服务模式下，由于人力成本、办馆经费、服务效益等因素的制约，图书馆的开放时间不可能无限延长。自助图书馆和图书自助服务的推出，正好解决了闭馆时间读者不能归还图书这一实际问题，方便读者24小时归还图书。二是落实为读者提供一个满意。我院图书馆的服务宗旨就是“让读者满意”。这就要求图书馆与读者、图书馆管理员与读者之间具有平等、融洽的人际关系，妥善协调的利益关系，规范有序、充满创造活力的管理和服务机制。自助服务正好通过人机对话、自主还书方式，为读者提供了一个更文明、更人性化的服务环境，更个性化的自主服务方式，让读者在自己动手做的过程中享受到满意的效果。三是确保为服务提供一个品牌。在各行各业都在争创服务品牌的同时，我院图书馆作为一个公益性服务窗口，面对读者高标准服务需求的新趋势，如何通过创意性行为“研发”一种新的服务方式，一直是我院图书馆追求的目标。1.3 国内外研发自助还书机的实例目前市场上应用的自助借还书系统基本由美国3M公司垄断，国内暂时没有成熟的自助借还书系统产品，具体研究应用情况如表1-1所示：表1-1 国内外还书机系统研究现状序号自助借还书系统应用客户或研究情况备注 1（1）美国3M公司M6210/7210自助借/还书系统；（2）FRID无线射频磁条东莞市图书馆、清华大学、北京科技大学、北京理工大学、北京航空航天大学、中山大学、华南理工大学、深圳大学、华南师范大学、暨南大学、上海交大、西安交大、武汉科技大学、集美大学城毅学院等约40万/台1美元/条2美国Sirsi公司Unicorn自动化图书管理系统以及新加坡科技公司的自主还书设备，每本书上皆贴有RFID卷标配备Unicorn图书自动化管理软件，如：天津大学、天津商学院、台北市立图书馆等统一应用该软件必须配备RFID磁条3青岛滨海学院自主开发自助还书系统第一代和第二代自助还书机都已研制成功，并在学院第二图书馆试运行还需进一步研发改进还书系统1.3.1 无线射频识别（RFID）图书馆藏书管理系统无线射频识别（Radio Frequency Identification,简称RFID），此为利用无线电波来传送识别数据的系统，其应用非常广泛，如国际上实施家犬都需注射微芯片，即是无线辨识系统的一种应用。此外，饭店的门禁系统及保全系统亦已应用RFID的技术。RFID TAG较条形码具有更多优越性，简化借还书作业，目前图书馆的纸本数据除以光学条形码作为每一本书的辨识之外，为安全起见，还需加贴磁条，以防止图书未经许可被携出。应用RFID技术，以RFID TAG取代条形码及磁条，借还书免除消磁及上磁的工作。由于条形码阅读机必须在近距离而且没有物体阻挡下，才可以判读条形码，因此盘点时需自书架上将每一本书取出。利用无线电波感应，使得图书协寻工作较为容易。RFID TAG以无线电波传递讯号，并可一次读取数个RFID TAG数据，简化盘点工作。读者自助借还书，搭配自助借还书外围设备，读者可自行办理图书借阅，如图1-3所示。图1-3 无线射频识别系统1.3.2 3M公司还书系统3M公司的自助还书系统，让读者能自行操作借阅图书馆内的馆藏文献资料，避免流通柜台的拥挤与排队等候。其优点是：可以直接处理磁条和条形码，能在图书馆现有基础上轻松实现自助借阅服务，加入RFID数字化功能后，使操作借书的效率更加提升。二十四小时的读者自行操作还书程序，简易操作的读者还书窗口， 能够提高图书馆书籍流通的循环速度，并能对图书进行分类，如图1-4所示。3M公司自助还书机基本功能介绍：（1）能自动判断贴有数字式卷标及贴有条形码的书籍。（2）流程简单，由读者自行操作完成借阅/归还过程。（3）确保处理视听出版品时的安全。（4）如馆藏贴有数字辨识卷标，读者在操作过程将更简易且人性化，不需在对准扫描仪。（5）具有多书侦测功能，避免一书登录多书借书。（6）具有防止抽换图书功能，能够防止读者在借书系统处理借阅过程中抽换书籍。（7）适用于印刷出版、CD及录像带。（8）借阅完成及自动打印收据以及显示读者姓名、借阅书名、到期时间等相关信息。图1-4 3M公司自助还书机目前市场上应用的自助借还书系统基本由美国3M公司垄断，国内暂时没有成熟的自主研发的自助还书系统产品。1.3.3 自助还书机信息读取方式的选择图书馆自助还书系统按照信息读取方式分为：条码式自助服务系统和RFID芯片式自助服务系统。把条码式自助服务系统和RFID芯片式自助服务系统进行对比如下： 目前图书馆图书流通管理的方式有2种。一种是条码+磁条方式，即在每本图书上贴条码并在书中加入可冲消磁的复合磁条(防盗)，另一种是在图书中加入RFID芯片。不同的图书流通管理方式需要选用不同的自助还书系统，所以，在设计自助还书设备时，首先需要决定是选条码+磁条式的自助还书系统，还是选RFID芯片式的自助还书系统。条码+磁条式的流通管理模式是图书到达图书馆后，工作人员要在每本图书贴上条码，并埋入可充消磁的复合磁条。使用条码和磁条技术的自助借还系统，读者借书时，系统要先读取读者证，然后逐本扫描所借图书的条码，系统将逐一显示成功借出图书的书名信息，同时对出借的书进行消磁处理，最后读者携带处理完的图书才能正常通过图书馆大门出口的磁性安全门，否则磁性安全门会报警提示该书未被正常借出。还书时，读者将图书逐一放到自助还书机中，系统扫描图书条码并同时对所还图书进行充磁处理，系统逐一显示已经成功归还图书的书名信息。RFID芯片式流通管理模式是在每本图书中贴上带有RFID芯片的电子标，。功能上可以完全取代条码+磁条。读者借书时，系统先读取读者证信息，然后再通过读取所借图书RFID芯片中的数据完成图书的借出工作(可一次进行多本图书借出操作)，这样当读者携带该书通过智能检测系统时，系统会自动识别图书已经办完借书手续允许通过，否则会提示读者未办理借书手续。读者通过图书自助还书设备归还图书时，系统自动读取图书中RFID芯片信息，自动办理图书归还操作。RFID流通管理模式相对与条码+磁条管理模式最大的优势是非接触式工作，可一次进行多本图书借、还操作，工作效率高。条形码正式进入人们的生活已经有30多年，进入图书馆也有20年左右了，其配套管理方法和配套的设备已经很完善，而RFID技术从1999年发现到现在还不到10年的时间，进入图书馆也只有短短几年的时间，其标准、管理方法和配套设备等还在处于变化中，不如条码+磁条流通管理模式成熟。我院图书馆分析了自助还书的先期投入的成本、更换标签的工作量，以及多种RFID芯片优缺点后，决定因地制宜的采用条码+磁条式的自助还书系统。1.3.4 青岛滨海学院第一代自助还书机针对以上情况，我院于2006年11月成立了科研项目小组，研究图书馆自助还书系统的开发。首先，项目组赴各地图书馆进行了调研，并在我院实验室进行了实验，初步成功。2006年底，提出了“图书馆自助还书系统”的课题，项目组考察了图书馆现场，认真地分析了要求，在成员的共同努力下，用了近三个月的时间完成了“图书馆自助还书系统”的初步设计。虽然设计中还存在不少问题，但是总体设计已初步形成。在此基础上，项目组成员又进一步对设计做了仔细修改与完善，完成了二次设计。于2007年4月成功研制出第一代图书馆自助还书机（书箱外置型立式单还书口还书机），并生产出样机，如图1-5所示。图1-5 第一代自助还书机该还书机需安置在图书馆或餐厅等场合，配备活动书箱。还书时，还书者先将书的封皮打开，条码页朝上，通过“L”型还书口将书放进还书机中，同时将书的条形码调整至指定区域，系统启动在安全玻璃门内的带轮机构，条形码扫描平台随即启动，18条交叉激光线全方位扫描条码。在系统没有确认还书正确前，由伺服电机控制的皮带往复运动直至确认成功。扫描成功后，图书由皮带传送装置运到活动书箱，系统恢复等待下一个还书指令。当书箱内存放满时，由管理员取走更换新书箱，并将图书归整上架。2007年5月，还书机参加我院组织的首届中日韩科技文化作品展的展览，期间受到领导的好评，8月参加山东省机电产品创新设计竞赛，并获得一等奖。1.3.5 青岛滨海学院第二代自助还书机在第一代自助还书机的基础上，项目组对其继续完善和改进，于2008年4月研制出第二代卧式双还书口还书机，如图1-6所示。图1-6 第一代自助还书机该还书机拥有两个还书口，可同时运行，相当于两台还书机，大大提高了还书效率。与08年4月做出了现在的第二代卧式双还书口的样机，之后在我院第二图书馆进行试用。2 第二代图书馆自助还书机的设计方案第二代图书馆自助还书机根据结构功能又叫卧式双还书口图书馆自助还书机。其结构形式主要有软件部分、机械部分、电气部分等组成。2.1 软件控制部分软件控制部分主要用深圳图书馆ILAS研制中心研发的ILAS 软件。如图2-1所示。图2-1 图书馆自动化集成系统（ILAS)软件2.1.1 ILAS 系统简介图书馆自动化集成系统(ILAS)是文化部于1988年作为国家重点科技项目下达、由深圳图书馆承担并组织开发出来的一套能适应国内外不同层次、多种规模、各种类型图书馆使用的图书馆自动化集成系统。随着ILAS人不断的努力，ILAS已成为国内用户数最多、推广面最广、实用性最强、联网性能最佳的图书馆自动化集成系统。 ILAS 2.0是1999年根据图书馆业务发展的需要，在ILAS 5.0和ILAS 1.0的基础上，结合新平台的特点，采用新技术重新研制的新型系统。2001年系统又经过全面技术改造，于10月份全面推出，与联机编目（UACN）、采编中心（LACC）、馆际互借（ILAS ILL）等一道，成为一个大的系统家族，可以形成各种图书馆自动化的解决方案。2.1.2 ILAS 总体功能特点（1）实用性系统在运行环境、数据库设计、功能设计、操作方法等方面从图书馆的实际需要和具体条件出发，以实用为目标。如：适应多种硬件环境（网络或多用户，中、小型机或微机服务器多种选择）。适用各种类型、规模大小的图书馆。将各种传统的工作流程过渡、提高到现代化的工作水平上。（2）安全性系统提供多层次安全保护方法；数据库读写安全，杜绝非法操作侵入；用户登录口令设置、功能权限设置、功能菜单限定；建立完善日志记录，提供系统运行历史查询；设置系统恢复和备份功能；及时诊断错误操作，保证系统安全运行；（3）先进性采用国际互联网络通用的UNIX操作系统开发平台，研制开发了图书馆专用数据库。客户机/服务器（C/S）模式的采用，为图书馆从书目数据加工到全文、多媒体检索再到数字化图书馆的实现奠定了坚实的基础。采用国际标准大字符集（GBK），汉字容量扩大到两万多个，满足了图书馆的基本汉字量需求。（4）可靠性坚持应用软件的多级测试和先行试用的原则。保证最终用户的软件使用正常。（5）操作简单化用简单操作实现多种功能。全套系统操作提示统一，一通百通。最大限度减少人为设定因素，用高超的程序设计技术实现智能化。如：各类参数调整形象化，操作人员可直观的看到将要输出的结果。自动按打印纸张大小输出相应大小的表格。避免人为按纸张大小来调整参数的复杂操作。（6）灵活性运行环境灵活，兼容多种形式的运行环境或机型：如微机、小型机的多用户或网络环境。功能灵活，各种类型图书馆可按各自需要设置参数构造自己的业务环境，如流通借阅制度、各种统计表格输出形式。工作方式多样，如：多种验收、罚款、建库、检索方式。（7）开放性设定丰富的数据接口，可接收或输出CNMARC、LCMARC、ISO2709及多种定长格式数据。（8）网络化使图书馆成为通向全世界环球信息的连接点。ILASII主服务器既是图书馆业务工作的主机，又是校园网、Internet的WWW服务器。图书馆的读者在网络的任一工作站点都可以查到图书的馆藏信息和本人的借阅信息，在网上可进行预约或续借。（9）标准化汉字平台采用国家标准大字符集（GBK）。网络协议采用国际标准TCP/IP协议。ILASII的书目数据和输出产品格式完全符合图书馆的行业标准。中文书目数据按CNMARC格式著录、储存、输出相应标准的卡片或其他形式的产品。西文书目数据按LCMARC格式著录、储存、输出相应标准的卡片或其他形式的产品。（10）文献目录信息与全文结合结合用户的馆藏特色建立专题数据库，其中可加进全文图形库。读者可通过目录的查询看到其文献的全文。（11）全文多媒体检索随着信息载体的多样化，本系统还提供对声音、图像、文字等多媒体信息进行全文检索的功能。（12）图书馆办公事务处理系统旨在促进图书馆网络发展规划的实施、加强图书馆内部办公业务管理，提高图书馆管理决策水平和工作效率。2.2 机械控制部分机械控制部分主要包括三个重要部分：整体框架、垂直翻板防损式落书机构、可旋转多书口式书箱。2.2.1 整体框架的设计第二代图书馆自助还书机的整体框架是在第一代自助还书机框架的基础上，通过大量的调查和试验，对其进行改进而设计出来的，其更为美观、大方、轻便。同时为了加大图书的存放量，特意增大了还书机的体积，使其内部具有两个书箱，外部具有两个还书口，一台电脑主机可同时控制两套系统，可使两个书箱同时运转，不但提高了还书的效率，而且节约了还书机的成本，如图2-2所示。框架的材料是Q235钢材，通过折弯可以加强框架的强度，具有抗弯的作用，所以还书机框架能够承受很大的压力。图2-2 第二代还书机整体框架图2.2.2 垂直防损式翻板落书机构 翻板机构首先要解决的是传动问题，为了解决这个问题，项目组做过很多试验，最终选用的是槽轮机构。如图2-3所示为槽轮机构中的一种，叫外啮合槽轮机构，它由主动拨盘、从动槽轮及机架等组成。拨盘以等角速度作连续回转，使槽轮作间歇运动。当拨盘上的圆柱销没有进入槽轮的径向槽时，槽轮的内凹锁止弧面被拔盘上的外凸锁止弧面卡住，槽轮静止不动。当圆柱销进入槽轮的径向槽时，锁止弧面被松开，则圆柱销驱动槽轮转动。当拨盘上的圆柱销离开径向槽时，下个锁止弧面又被卡住，槽轮又静止不动。由此将主动件的连续转动转换为从动槽轮的间歇转动。 槽轮机构有外啮合槽轮机构和内啮合槽轮机构，前 图2-3 槽轮机构 者拨盘与槽轮的转向相反，后者拨盘与槽轮的转向相同，它们均为平面槽轮机构。槽轮机构中拨盘(杆)上的圆柱销数、槽轮上的径向槽数以及径向槽的几何尺寸等均可视运动要求的不同而定。圆柱销的分布和径向槽的分布可以不均匀，同一拨盘(杆)上若于个圆柱销离回转中心的距离也可以不同，同槽轮上各径向槽的尺寸也可以不同。 槽轮机构的特点是结构简单、工作可靠、机械效率高，能较平稳、间歇地进行转位。但因圆柱销突然进入与脱离径向槽，传动存在柔性冲击，不适用于高速场合。通过对槽轮机构的分析研究，项目组对现有的槽轮机构加以改造，终于做出适合第二代图书馆自助还书机翻板机构的槽轮机构。最终的翻板机构如图2-4所示，该机构由电机机侧拨叉、翻板侧拨叉、翻板轴、复位扭簧、V带轮传动装置等组成，可实现左右两侧翻板同时动作，且复位动作迅速，保证图书在瞬间落入书箱，尽量减少在还书过程中对图书造成损伤。图2-4 翻板装配图其动力传递过程如图2-5所示，电动机与1转臂相连接，2拨叉与翻板相连接，当图书落入书箱后，系统给出信号，电动机带动1转臂转动，转臂上的滚子进入拨叉2中，带动拨叉2一起转动，至图中3所示位置，从而是翻板闭合，为下次还书做准备，当扫再次描平台扫描到还书信号，电动机转动，翻板机构进入下一循环。12图2-5 翻板传动示意图2.2.3 可旋转多书口式书箱自助还书机是一种自动化的设备，研发的目的在于尽量减少图书馆工作人员的劳动量。在第一代自助还书机中，虽然能够实现还书的自动化，但是它的书箱是外置的，还书过程中有时还需要管理员在旁协助，所以并没有实现真正意义上的还书的自动化，并且通过第一代还书机归还的图书会很凌乱地落到书箱中，不利于图书的保护。针对这些问题项目组设计出了内置式的四格旋转书箱。如图2-6所示，每个书箱被隔成四个小区域，图书从翻板上直接落入书箱的一个小格中。书箱的转动频率由PLC带动电机控制，比如可以设定每成功落入书箱中5本书，书箱就自动旋转90度，从而保证书箱的平衡。图2-6 旋转书箱书箱直接放在托板上，托板起支撑作用。定向块为方形，与书箱底部定位孔形状吻合，定向块通过螺栓与书箱轴连接，书箱轴转动时带动定向块一起运动，从而使书箱跟随着一起转动。书箱机构的旋转动力来源于永磁同步齿轮减速电动机。电机与书箱轴用同步带轮相连，保证其转动的一致性。每成功还完一定数量的书后，控制系统控制同步电机旋转90度，同时书箱也恰好旋转90度，到达书下落的准确位置。旋转书箱结构的设计最大限度的节约了立体空间，而且可实现自主旋转准确的存放图书。对比机械传动存放图书，即可超越其的使用价值，有大幅度的降低了生产成本。旋转书箱被分为四个小区域，图书从翻板上直接落下作自由落体，防止了书籍的损坏。旋转书箱结构由以下几个方面组成：书箱体、定向块、托板、轴承及轴套、支撑梁、同步带轮、轴承座、书箱轴等，如图2-7所示。图2-7 旋转书箱结构图2.3 电气控制部分电气控制系统是自助还书机的大脑，主要负责还书者身份识别、还书动作控制、自动门的开合、扫描平台的启动、翻板和旋转书箱驱动单元的准确动作、传感器信号处理等工作。用到的主要电气元件有：按钮、指示灯、开关电源、继电器、空气开关、可编程控制器（PLC）、光电传感器、接近传感器、永磁同步齿轮减速电动机、激光条形码扫描器等。电气控制部分具体工作情况详见下一章节。3 图书馆自助还书机电气控制系统的设计3.1 电气元件简介3.1.1 可编程控制器（PLC）可编程控制器是计算机家族中的一员。于上个世纪中后叶被发明后，在机床、各种流水线的输送机械、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用，早期的可编程控制器被称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）, 即简称PLC，如图3-1所示。图3-1 欧姆龙可编程控制器CPM2APLC是一种新型微电脑式配电控制器，具有功能强大、使用可靠、维修简便等许多优点。对于传统的继电器电路来说，它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制，而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐，难以实现升级，并易发故障，维修复杂，现在已被大中型设备的控制系统所抛弃。而PLC正被广泛的应用并且已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。其主要特点就是用内部已定义的各种辅助继电器（每个PLC可有多达上千个内部继电器）代替传统的机械触点继电器，又通过软件编程方式用内部逻辑关系代替实际的硬件连接线。正因为这一特点，如果将PLC引入继电保护装置中，一方面可以克服使用传统继电器所带来的种种弊端；另一方面，又可兼容基于传统继电器的设计思想和技术方案，尤其是对于逻辑关系较为复杂的触点信号处理及操作出口控制，采用PLC编程能使方案设计工作变得更加简单方便。随着科学技术不断的飞跃发展，PLC也不断得到完善和强大，同时它的功能也大大超过了逻辑控制的范围，如联网通信功能和自诊断功能等。可编程控制器主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、电源和编程器等几组成。PLC硬件结构如图3-2所示：图3-2 PLC硬件结构3.1.2 传感器还书控制系统中的传感器主要作用是检测。检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的组成如图3-3所示。图3-3 传感器的组成敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。 传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用图大致如图3-4所示。稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力 冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入 外界影响 误差因素输出衡量传感器特性的主要技术指标取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。图3-4 传感器的输出输入基于以上的种种情况及还书机的工作环境的考虑，本电气控制部分选用的是神视电子有限公司的圆柱形光电传感器（CY系列）和直流三线式圆柱形接近传感器（GX-N系列）。圆柱形光电传感器（CY系列）产品有很多种类，最终选用的是CY22，如图3-5所示。其优点如下：图3-5 光电传感器（1）传感器的外壳刻有M18螺纹，安装方便。（2）备有带连接器的中继连接器型传感器(CY-J)，更换容易。（3）长距离检测：透过型 回归反射型 扩散反射型 （4）耐环境性能：其保护构造达到IP67(IEC)，可用软管淋浇。此外，它还有很强的抗振性，因为它装满了树脂。连接器的保护构造也达到了IP67。 在图书馆自助还书机中，光电传感器主要作为自动门的启动开关，当还书者靠近还书机时，传感器感应信号，开启自动门。直流三线式圆柱形接近传感器（GX-N系列）选用的是GXN12M，如图3-6所示。其优点如下：图3-6 接近传感器（1）加强紧固：由于采用了厚身外壳，紧固扭矩比原有型号增大了四倍，因此传感器可以更牢固地安装，不会因振动或冲击松脱。（2）长距离检测：GX-N系列比原有型号的检测距离增加了1.6倍，使得检测更加可靠。 （3）高可靠性与低成本相结合。（4）可见的工作状态指示灯：由于工作状态指示灯安装在传感器的透明尾部，所以闪亮的工作状态指示灯(橙色)可从各个方向清晰可见。在图书馆自助还书机中，接近传感器主要作为防损式翻板落书结构中位于电机上的主动拨叉的限位装置，用于控制电机的动作范围，从而实现翻板的准确复位。3.1.3 永磁同步齿轮减速电动机图3-7 永磁同步齿轮减速电动机永磁同步齿轮减速电动机，如图3-7所示，其磁场系统由一个或多个永磁体组成，通常是在用铸铝或铜条焊接而成的笼型转子的内部，按所需的极数装镶有永磁体的磁极。当定子绕组接通电源后，电动机以异步电动机原理起动动转，加速运转至同步转速时，由转子永磁磁场和定子磁场产生的同步电磁转矩（由转子永磁磁场产生的电磁转矩与定子磁场产生的磁阻转矩合成）将转子牵入同步，电动机进入同步运行。永磁低速同步电动机均可配以不同减速比的齿轮箱，达到任一固定低转速以满足用户对电动机更低转速和更大转距的要求。该减速电机的特点是齿轮箱无需维护，使用寿命长，运转时转速恒定，转距特大，中心出轴，轴径向和轴向负载力高，大大地增强了电机带负载惯量的能力，当定子绕组施以直流电压时可当作刹车使用。特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系：n=ns=60f/p，ns称为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。工作原理：a）主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。b）载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。c）交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。图3-8所示是标准的三级和二级减速齿轮箱电机，转速范围从1.2r/min30r/min，通过调整齿轮减速比可达到任何固定的转速，甚至1.2r/min以下的四级减速转速。如在轴伸形式和尺寸等方面有特殊要求，还可以进行调整。 图3-8 标准减速齿轮箱电机3.1.4 SYMBOL LS-7808激光条形码扫描器Symbol LS7808是Symbol公司的一款小巧型、全方位、平台式激光条码扫描器，如图3-9所示，它具备强大的全方位激光条码扫描性能、更长的扫描距离、优越的条码首读率、卓越的产品可靠性，缩短了还书者的等候时间，提高了自助还书的工作效率，进而提高了图书的流通速度。图3-9 LS-7808激光条形码扫描器Symbol LS7808简单易用的设计，有大尺寸的扫描窗，扫描起来方便直接。多向光栅扫描模式具有移动的激光扫描线，首读率一流，并能更好地读取截断符号。平台式 LS7808 构造美观，可进行图像扫描或大面积扫描。这一款免提扫描器简单易用，无需操作员费心也能快速、准确地扫描商品。它的每一项功能都有助于更有效、更快速地服务。先进的平台式微型插槽扫描器提供了出色的读码一次通过率，加快了扫描速度，提供了更好的服务。LS7808是领军条码扫描器设计行业三十余年的最新代表产品，是平台式卫星插槽扫描器技术的先锋作品。无论将书如何放置在扫描器前，全向扫描模式都能读取条码，无需将书准确的对准扫描器。先进的软件算法能识别印刷不良或受损的代码，进一步提高了性能，加快了还书者的还书速度。LS7808能轻松的插入原先用于安插LS5800的插槽，能经济有效的轻松升级。免持式设计和宽大扫描窗口让条形码的扫描成功率更高。LS7808柜台式小插槽扫描器可以快速而精确地扫描1维（1D）条形码包括那些被损坏、尺寸小或印刷质量糟糕的条形码。它具有18条交叉激光扫描线，能够快速、准确读取商品上各方向的条码。产品仅需要简单的划过即可完成扫描，这节约了时间，减轻了工作强度。另外，新的LS7808扫描器的外形设计节省了工作台面空间；防刮擦玻璃和不锈钢外壳，可防止扫描器被损坏。做为LS5800的升级产品，LS7808提供了更多的功能，如对RSS码的支持，USB口的通信。Symbol LS-7808是柜台中安装的理想选择，它具备先进的功能：（1）卓越的条码首读率快速扫描对比度低、打印不清晰或破损的条码；（2）全方位激光条码扫描可迅速、准确识读不同方向的条码，加快了扫描速度，增加了