購買設(shè)計請充值后下載，，資源目錄下的文件所見即所得，都可以點開預覽，，資料完整，充值下載可得到資源目錄里的所有文件。。?！咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖紙，doc,docx為WORD文檔，原稿無水印，可編輯。。。有不明白之處，可咨詢QQ:1304139763
課 題 名 稱： 基于PLC的自動售貨機的設(shè)計
課 題 名 稱（英文）： The Design of The
Vending Machine Base On PLC
學 生 姓 名： 學 號：
專 業(yè) 名 稱：
指 導 教 師： 職 稱：
所 在 學 院：
完 成 日 期： 年 月 日
教務處制表
原 創(chuàng) 性 聲 明
本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文，是在指導老師的指導下獨立進行研究所取得的成果。畢業(yè)論文中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究成果做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。
本聲明的法律責任由本人承擔。
論文作者簽名： 日 期：
5
關(guān)于畢業(yè)論文使用授權(quán)的聲明
本人在指導老師指導下所完成的論文及相關(guān)的資料（包括圖紙、試驗記錄、原始數(shù)據(jù)、實物照片、圖片、錄音帶、設(shè)計手稿等），知識產(chǎn)權(quán)歸屬xxxxxx。本人完全了解xxxxx有關(guān)保存、使用畢業(yè)論文的規(guī)定，同意學校保存或向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的紙質(zhì)版和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)xxxx可以將本畢業(yè)論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用任何復制手段保存和匯編本畢業(yè)論文。如果發(fā)表相關(guān)成果，一定征得指導教師同意，且第一署名單位為xxxxxx。本人離校后使用畢業(yè)論文或與該論文直接相關(guān)的學術(shù)論文或成果時，第一署名單位仍然為xxxxxxx。
論文作者簽名： 日 期：
指導老師簽名： 日 期：
I
xxxxx
基于PLC的自動售貨機的設(shè)計
摘要：本次畢業(yè)設(shè)計主要是完成對自動售貨機的出貨結(jié)構(gòu)以及控制程序的設(shè)計。自動售貨機是由顧客投幣購買商品后能自動付貨的自動化智能機器。本文對自動售貨機的基本工作原理、貨道結(jié)構(gòu)以及可編程控制器PLC的特點進行簡明的介紹，主要設(shè)計螺旋彈簧出貨裝置的結(jié)構(gòu)以及繪制梯形圖對PLC控制程序進行分析。本設(shè)計中的自動售貨機具有出貨結(jié)構(gòu)簡單明了，售貨操作合理方便，運營成本低，性能穩(wěn)定的優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：自動售貨機；螺旋彈簧出貨裝置；可編程控制（PLC）；梯形圖
The Design of The Vending Machine Base On PLC
Abstract:This graduation design is mainly to complete the vending machine delivery structure and control program design.A vending machine is an automatic intelligent machine that can be delivered automatically by customers.In this paper, the basic working principle of vending machine, the structure of the vending machine and the characteristics of the programmable logic controller (PLC) are briefly introduced. The structure of the helical spring shipping device is designed and the ladder diagram is drawn to analyze the PLC control program.The vending machine in this design has the advantages of simple and clear delivery structure, reasonable and convenient operation, low operating cost and stable performance.
Keywords:vending machines; coil spring delivery device; programmable control ( PLC ) ; ladder chart
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 課題目的及意義 1
1.2 課題背景 1
1.2.1 自動售貨機在國外的發(fā)展 1
1.2.2 自動售貨機在國內(nèi)的發(fā)展 2
1.2.3 自動售貨機的發(fā)展前景 2
1.3 自動售貨機的流程及基本原理 2
1.4 本章小結(jié) 3
第2章 總體方案的確定 4
2.1 技術(shù)參數(shù) 4
2.2 出貨結(jié)構(gòu)方案選擇 4
2.3 螺旋彈簧貨道的初步設(shè)計 4
第3章 結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算 6
3.1 電機的選用 6
3.2 螺旋彈簧的設(shè)計及計算 7
3.2.1 螺旋彈簧的選用 7
3.2.2 螺旋彈簧的計算 7
3.3 貨物托盤的設(shè)計 10
3.4 后擋板的設(shè)計 11
3.5 卡盤的設(shè)計 11
3.6 支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計 11
3.7 取物箱的設(shè)計 12
第4章 售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計 13
4.1 PLC的概述 13
4.2 設(shè)計控制要求 13
4.3 控制流程設(shè)計 14
4.4 硬件的選型 14
4.4.1 PLC的選型 14
4.4.2 貨幣識別器的選型 14
4.4.3 紅外傳感器的選型 15
4.5 程序設(shè)計 16
4.5.1 I/O地址設(shè)計 16
4.5.2 PLC的外部接線圖 16
4.5.3 部分梯形圖設(shè)計 17
第5章 結(jié)論 20
參考文獻 21
致 謝 22
附錄 梯形圖程序及圖紙列表 23
IV
第1章 緒論
1.1 課題目的及意義
中國作為人口和消費大國，零售服務行業(yè)規(guī)模也十分龐大，但自動售貨機沒有被大范圍的推廣，無法滿足日益旺盛的社會需求，所以其在中國的普及應用的未來前景受到人們的一致看好。傳統(tǒng)的自動售貨機采用單片機控制售貨流程，但是單片機不僅有大量物理接口，而且系統(tǒng)抗干擾能力弱，穩(wěn)定運行的可靠性較差，后期維護復雜[1]。而可編程序控制器PLC是一種綜合了通信、自動化和通訊技術(shù)的在工業(yè)作業(yè)中發(fā)揮重要作用的控制裝置，在系統(tǒng)控制運行可靠性、程序編程修改、維護調(diào)試等方面表現(xiàn)優(yōu)異，能完成自動售貨機商品零售動作控制。因此，與自動售貨機相結(jié)合，設(shè)計出有人性化設(shè)計、方便快捷、價格實惠、低成本運營，能代替常規(guī)的現(xiàn)代信息化智能終端機。
查閱文獻等資料，充分了解了市場上現(xiàn)存的自動售貨機類型，構(gòu)思設(shè)計了這款自動售貨機，能實現(xiàn)應有售賣的功能并長期穩(wěn)定運行。它相較現(xiàn)已有的自動售貨機有一定的優(yōu)點，可是由于我所學知識的局限，也存在一些的缺點，但對今后的自動售貨機的設(shè)計存在一定的參考價值。
1.2 課題背景
自動售貨機是能根據(jù)投入錢幣，完成無人自動售貨的智能機器，集光、機、電一體化，脫離了傳統(tǒng)商店環(huán)境的限制,方便快捷的商業(yè)自動化設(shè)備[2]，已經(jīng)成為新的銷售商品模式被年輕人們所喜歡。
自動售貨機的發(fā)展形勢是取代大量人工勞動，向生產(chǎn)制造技術(shù)提升轉(zhuǎn)變，用自動售貨機的更新?lián)Q代減少人工費用支出。生產(chǎn)消費的與日俱增以及消費環(huán)境的不斷改變，要求產(chǎn)生新的消費途徑；但超市購物中心等新的途徑的誕生，人工運營成本也在不斷增加；再加上售貨場所環(huán)境的局限性以及購物便利和體驗的制約，自動售貨機作為能解決這些問題的存在，被饑渴的市場需求推動著更新?lián)Q代，飛速發(fā)展[3]。
1.2.1 自動售貨機在國外的發(fā)展
據(jù)亞歷山大的科學家描述，自動售貨機的概念起源于公元前兩百多年左右的埃及，由希臘人希羅所制造的自動出售圣水的裝置，曾被放置于埃及寺廟中。
真正意義上的自動售貨機，出現(xiàn)在1960年左右的美國，讓人們可以在繁忙擁擠的地鐵通道中購買口香糖，放松一下壓力。但到了80年代，這種新穎的售賣方式才逐漸發(fā)展世界各地，特別是發(fā)達國家[4]。
直到第二次世界大戰(zhàn)后，隨著戰(zhàn)后經(jīng)濟的快速復蘇以及人們對戰(zhàn)爭的厭惡和對安定生活的向往，特別是當時戰(zhàn)敗后的日本，努力的提高生活質(zhì)量和水平，自動售貨機真正開始邁出了向全世界發(fā)展的腳步，一發(fā)不可阻擋。日本開發(fā)出了當時新奇噴水型果汁自動售貨機，出售杯裝果汁，引發(fā)了自動售貨機爆發(fā)狂潮，以及憑借人均硬幣持有量多的優(yōu)勢，為后來日本自動售貨機發(fā)展最為領(lǐng)先奠定了基調(diào)。還開發(fā)出可以面對災害，應急的售貨機，當發(fā)生自然災害時，市民可以從自動售貨機中免費獲得商品，增加了抗災性以及更具人文情懷[5]。歐美國家生活習慣使得他們更加青睞瓶罐裝飲料，這直接促進了飲料自動售貨機出現(xiàn)和發(fā)展。
表1-1 售貨機在國外發(fā)展數(shù)據(jù)表
地區(qū)
總數(shù)量（萬臺）
人均數(shù)量（人/臺）
人均消費（元）
備注
美國
700
40
540
飲料商品多采用罐裝
日本
560
32
2800
巨大的人均硬幣持有量
歐洲
1400
60
320
飲料商品多采用罐裝
通過上面表格，可以清楚地發(fā)現(xiàn)自動售貨機在發(fā)達國家已進入了相對成熟的零售模式，適應了當?shù)厝巳旱男枨?，而呈現(xiàn)出不同的發(fā)展方向。
1.2.2 自動售貨機在國內(nèi)的發(fā)展
經(jīng)濟的高速發(fā)展讓人們對物質(zhì)精神生活的要求別的更高，城鎮(zhèn)社區(qū)愈發(fā)集中的同時，物價租金瘋長，讓低利潤的便利店在商業(yè)集中地段難以為繼。毋庸置疑 自動售貨機對環(huán)境要求小、人工經(jīng)營成本少、能統(tǒng)一管理和維護方便等優(yōu)勢，但現(xiàn)有自動售賣機無法滿足因消費者地域差異而出現(xiàn)的不同購物喜好，缺少人機互動，人情味不足，只能在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)便利店[6]。
直到1993年，來自其他發(fā)達國家的自動售貨機才以二手機的面目正式進入中國，卻仍給當時的人們帶來了新奇的消費體驗。到現(xiàn)在根據(jù)專家保守估算，中國大概有947萬臺的自動售貨機，但無論數(shù)量、人均數(shù)量及消費更是無法與上述國家來比較，明顯落后于歐美等發(fā)達國家。雖然自動售貨機在東部沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)己尋常可見，但由于人均持幣量不如國外、生活習慣講究人際交往以及經(jīng)濟政策缺少扶持等不利因素，自動售賣機沒有在我國發(fā)展的如火如荼，實現(xiàn)普及，因此具有廣闊的發(fā)展遠景。
自動售貨機的發(fā)展速度緩慢，但也有一定的解決方法，比如宣傳簡化自動售貨機的使用方法，使得民眾正確認識自動售貨機，招標競爭促進更新?lián)Q代，提供政策扶持等。
1.2.3 自動售貨機的發(fā)展前景
自動售貨機未來的發(fā)展趨勢將是更深一步的結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)，形成一個具有生態(tài)性的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)合理信息化，降低生產(chǎn)運營成本，開發(fā)出更加人性化智能化的系統(tǒng)改善購物體驗。比如構(gòu)建自動售貨機管理網(wǎng)絡，將自動售貨機內(nèi)的數(shù)據(jù)實時地傳送給需要的人，便于顧客購物和后勤人員的管理，更具效率。同時為防止全球變暖，自動售貨機將向節(jié)能型清涼飲料售賣方向發(fā)展，用更少的電能實現(xiàn)維持低溫，為食品安全提供保障[7]。
1.3 自動售貨機的流程及基本原理
自動售貨機控制系統(tǒng)都大同小異，主要有鈔票識別找零模塊、銷售模塊、商品識別定位出貨模塊等組成。自動售貨機的售貨流程以及基本工作原理就是先由鈔票識別找零模塊對投入的錢幣進行真?zhèn)闻袆e，累計計算，發(fā)送接受數(shù)據(jù)與銷售模塊進行互動以及找零；由銷售模塊進行幣值比較，來判斷是否能購買該種商品，若金額大于等于預設(shè)價格，則給商品識別定位出貨模塊發(fā)出信號，送出商品，若金額小于預設(shè)價格，則不發(fā)出信號，商品識別定位出貨模塊還能判斷商品是否正確送出，如無，則會發(fā)出報警[8]。
圖1-2 售貨機流程示意圖
1.4 本章小結(jié)
我國自動售貨機的不足之處在于普及面不高、產(chǎn)品功能單一、外形不夠新穎以及市場需求量不明。
本設(shè)計中的自動售貨機使用螺旋彈簧推動原理，設(shè)計的重點是貨物托盤組件，機構(gòu)的零部件可以隨時更換，使用的電機是功率較小的直流減速電機，可以節(jié)省電量，更加經(jīng)濟。
對自動售貨機的要求：
1、節(jié)約能源，利用率高；
2、出貨準確無誤，出貨動作快；
3、用戶操作簡單易懂；
4、調(diào)試維修方便。
第2章 總體方案的確定
2.1 技術(shù)參數(shù)
自動售貨機的尺寸為1940mm×1148mm×770mm，可設(shè)置四到六層貨物托盤，每層貨物托盤上最多放置50個商品，貨物托盤尺寸為770mm×507mm×5mm，螺旋彈簧尺寸為70mm×70mm×363mm，貨道寬度為75mm，隔板厚度為2mm，可推動重量為0.6KG的商品，出貨時間小于1s，可識別1元硬幣以及5元、10元紙幣。
2.2 出貨結(jié)構(gòu)方案選擇
現(xiàn)有自動售貨機中商品出貨機構(gòu)主要方式如下：
方案一、螺旋彈簧推動機構(gòu)：將商品放置在螺旋彈簧的螺距中，彈簧的一端連接電機，通過電機旋轉(zhuǎn)一圈帶動螺旋彈簧推出一個商品。根據(jù)商品的尺寸來選擇彈簧的螺距的大小，以便完成更好好的出貨效果，可以用來銷售商品的尺寸范圍大，從食品飲料到各種小生活用品，適用十分廣泛。同時結(jié)構(gòu)簡單，出貨準確率高，生產(chǎn)成本低，是目前最常見的自動售貨機，但售賣瓶裝飲料可能會出現(xiàn)卡貨的情況，而且補貨較為麻煩，而且處于高層的商品下落時可能會出現(xiàn)破損，但可以用升降臺輔助系統(tǒng)解決。
方案二、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤機構(gòu)：在大圓盤圓外圍設(shè)有出貨槽，商品位于隔板內(nèi)，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時帶動商品作圓周運動，待商品旋轉(zhuǎn)至出貨槽時，下落出貨。這種機構(gòu)主要售賣薄片狀商品，也可以售賣瓶罐裝飲料，但缺點是浪費空間，裝罐量低。最早的自動售貨機便以旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤機構(gòu)為主，目前僅占據(jù)少許市場份額。
方案三、電磁鐵吸合機構(gòu)：專門為出售瓶罐裝飲料而設(shè)計的，利用的是三角形原理，三角形第一邊的長度可以伸縮改變，實現(xiàn)控制出貨，而第二邊和第三邊長度固定不變，用于支撐飲料。在這種機構(gòu)中，飲料堆積在垂直貨道里，空間使用率較高，出貨時靠重力下滑，不容易卡貨，使用壽命長。由于出貨口由電磁機構(gòu)控制，所以對電磁鐵的控制精度要求高，否則會影響出貨質(zhì)量。雖然補貨快速簡單，但貨道內(nèi)飲料數(shù)目不宜太多，否則會導致加貨時沖擊力強而損壞商品。此種結(jié)構(gòu)中垂直貨道加工難度大，生產(chǎn)制造成本高，不適用推廣生產(chǎn)[10]。
對上述方案綜合考慮后，決定采用方案一，它的綜合普適性要其他方案合理，簡單實用，方便推廣。
2.3 螺旋彈簧貨道的初步設(shè)計
為了免于螺旋彈簧貨道結(jié)構(gòu)設(shè)計過于復雜，后續(xù)系統(tǒng)控制困難，本設(shè)計的機構(gòu)由電機驅(qū)動減速器，經(jīng)過減速器傳動帶動螺旋彈簧旋轉(zhuǎn)出貨。螺旋彈簧貨道設(shè)計主要包括：齒輪減速電機、出貨螺旋彈簧、卡盤、貨物托盤、后擋板、隔板、滑道等。
本設(shè)計中，一個貨物托盤上設(shè)置有十個出貨彈簧，形成十個出貨通道，采用近似抽屜式的滑道結(jié)構(gòu)式出貨托盤，拆裝方便，可根據(jù)商品的高度確定上下貨物托盤間的距離。同時為了能增加產(chǎn)品的多樣性，容納不同類型的產(chǎn)品，根據(jù)商品的尺寸采用不同螺距的彈簧。以適宜放置在底層位置的瓶裝飲料尖叫為例，規(guī)格為60mm×230mm，如下圖所示設(shè)計貨物托盤。
1-直流減速電機 2-卡盤 3-螺旋彈簧 4-隔板
5-貨道箱導軌 6-滑道 7-支撐架
圖2-1 彈簧貨道托盤示意圖
第3章 結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算
3.1 電機的選用
自動售貨機的輸出部分是由電機帶動螺旋彈簧旋轉(zhuǎn)送出商品，所以需要選擇適當?shù)碾姍C。由于所需功率不大，而且售貨時間短，需要在短時間內(nèi)啟動及制動，交流電機無法滿足要求，所以選擇直流減速電機，并且可以增大扭矩，保證商品的送出。
表3-1 電機的參數(shù)
電動機型號
額定功率/W
滿載轉(zhuǎn)速/（r/min）
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/NM
效率/%
減速比
SXY-24DC-02
3
140
0.48
80
1:2
，大瓶飲料重量為m=0.6KG，取摩擦系數(shù)u=0.2。
輸出轉(zhuǎn)速:
(3-1)
得：。
出貨時間：
，滿足要求。
出貨彈簧行程速度：
(3-2)
得：。
出貨彈簧最大功率：
(3-3)
得：。
比較額定功率及效率易知滿足設(shè)計要求。
圖3-1 SXY-24DC-02直流減速電機
3.2 螺旋彈簧的設(shè)計及計算
3.2.1 螺旋彈簧的選用
目前市場上所使用的彈簧多采用硬鋼線制造，主要有兩種:第一種是將彈簧一端繞兩圈固定傳動的卡盤,這端的尺寸和卡盤相同,但彈簧的間距據(jù)需要改變尺寸。第二種則是整個彈簧尺寸一致，及間距和直徑相同。本設(shè)計采用前一種類型，但示例出貨的是圓柱狀的飲料，所以彈簧直徑與間距相同。硬鋼線的優(yōu)點有不易生銹、無磁性、塑性好以及耐腐蝕等，但屈服強度較低，只有200MPa左右，因此使用限制較大。
圖3-2 螺旋出貨彈簧
根據(jù)設(shè)計的目的根據(jù)彈簧螺距間的距離足夠容納飲料瓶，設(shè)計出出貨彈簧的尺寸，其尺寸如下：
表3-2 螺旋彈簧參數(shù)表
3.2.2 螺旋彈簧的計算
1、計算準備
已知貨物直徑D，彈簧節(jié)距t，彈簧鋼絲間距：
(3-4)
得：。
彈簧的自由長度：
(3-5)
得：。
由于電機帶動彈簧推動商品，屬于壓縮彈簧的變型，主要受到扭矩和橫向力引起的剪應力的作用，如下圖所示：
圖3-3 壓縮彈簧受力計算
F1——最小工作載荷，N ，一般；
F2——最大工作載荷，N，一般要求由結(jié)構(gòu)要求給定 ；
——工作極限載荷，N；
F0——拉伸彈簧的初拉力，N。
圓柱彈簧計算所需公式如下：
圓柱彈簧最大應力計算：
(3-6)
式中：Ks——切向力作用時對扭應力的修正系數(shù)；
——彈簧的工作載，N。
因曲率的影響，可得扭應力：
(3-7)
(3-8)
式中：K——曲度系數(shù)；
C——旋入比， ；
-----許用切應力，MPa。
工作載荷作用下的變形量：
(3-9)
一定條件下鋼絲直徑：
(3-10)
受力后軸向變形量：
(3-11)
式中：n——彈簧的有效圈數(shù)；
G——為彈簧的切變模量，MPa。
彈簧的圈數(shù)及剛度分別為：
(3-12)
(3-13)
2、計算過程
（1）根據(jù)設(shè)計工作要求，該彈簧屬于Ⅲ類彈簧，,材料選用66mm不銹鋼,查得:
（2）求彈簧絲鋼絲的直徑：
(3-14)
可得：
（3）求有效圈數(shù)，按公式(3-12)與(3-13)可得 ：
取=6。
（4）計算其余尺寸參數(shù)
總?cè)?shù)：圈
工作載荷下的變形量：，變形量應在彈簧全變形量的20%~80%，取，則：
其中 ，表明 、均滿足要求。
（5）驗算
1）穩(wěn)定性驗算
高徑比： (3-15)
可得：。
2）強度驗算
疲勞強度安全系數(shù)：
(3-16)
取，此時，
當時，
(3-17)
(3-18)
得：，
，滿足條件。
3） 共振驗算
(3-19)
(3-20)
得：，
，滿足條件。
由于本設(shè)計對彈簧彈性形變要求不高，只是推動貨物前進的作用，故選用硬彈簧。據(jù)經(jīng)驗易知，售貨機選用直徑為4mm的螺旋彈簧能滿足要求。
3.3 貨物托盤的設(shè)計
貨物托盤通過螺栓固定在導軌上，螺旋彈簧、電機以及貨物都安置在出貨托盤上，考慮到出貨托盤承重并不大，設(shè)置厚度為5mm。隔板與托物貨盤上一體化，用于形成貨道，還能防止相鄰兩個出貨螺旋彈簧相互干擾而導致不能出貨的情況，提高出貨裝置的可靠性。因為隔板的受力較小，設(shè)計厚度為2mm。為了便于生產(chǎn)應用，可以采用塑模生產(chǎn)，材料選擇PVC聚氯乙烯，價格低廉，方便實用，結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖3-4 貨物托盤的尺寸示意圖
3.4 后擋板的設(shè)計
后擋板為出貨托盤與齒輪減速電機的連接件，后擋板通過螺釘固定在貨物托盤的后部，而電機則通過螺栓固定在后擋板上，卡盤通過中間的通孔與電機內(nèi)置的花鍵連接，穩(wěn)定的傳遞動力。后擋板可以塑模生成，材料選用PVC聚氯乙烯，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖3-5 后擋板的尺寸示意圖
3.5 卡盤的設(shè)計
卡盤一端連接驅(qū)動電機的內(nèi)置花鍵，另一端固定螺旋彈簧，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)一圈使螺旋彈簧旋轉(zhuǎn)一個螺距，而放置在儲位中的商品就被向前推移一個螺距的距離，使得最外端的貨物被推出而完成出貨。內(nèi)花鍵為八邊形而卡盤軸為四邊形，相互嚙合從而傳遞動力，卡盤尾部還設(shè)有防脫掛鉤，保證連接的穩(wěn)定性。因其受力較小，材料可選用PVC聚氯乙烯，結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖3-6 卡盤及花鍵的尺寸示意圖
3.6 支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計
本設(shè)計通過四個支撐架焊接在箱體上從而達到固定出貨單元，為使出貨單元方便拆裝，支撐架上設(shè)有方形的通孔，借此與滑道相連接，從而達到在一定程度上調(diào)節(jié)貨物托盤間的距離，材料采用鋁合金，結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖3-7 支撐架的尺寸示意圖
3.7 取物箱的設(shè)計
取物箱是承接貨物托盤送出貨物掉落的裝置，所以為保證掉落貨物不被損壞，需要具有一定的防震性，可通過在取物箱底部放置海綿達到目的。由于其結(jié)構(gòu)簡單，可以通過塑模生產(chǎn)，材料選用PVC聚氯乙烯，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖3-8 取物箱的尺寸示意圖
第4章 售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計
4.1 PLC的概述
隨著微機和通信技術(shù)的發(fā)展，微機控制幾乎出現(xiàn)在所有的工業(yè)領(lǐng)域中，并占據(jù)了相當重要的位置?，F(xiàn)代市場要求制造業(yè)能夠更快速的制造出所需的商品，而制造企業(yè)也需要一種適合控制工業(yè)流產(chǎn)線的控制系統(tǒng)，而為了滿足這一要求，可編程序控制器（PLC）便出現(xiàn)了。
雖然目前投入市場使用，并經(jīng)過考驗的PLC類型有好幾種，功能指令也不盡相同，都有各自的優(yōu)缺點，但實質(zhì)都是以微型處理器為重要中心的工業(yè)控制計算機，所以結(jié)構(gòu)和工作原理都相去不遠。如下圖所示：
圖4-1 PLC控制系統(tǒng)硬件組成
PLC的特點如下：
1、能可靠地運行程序，較好的抵御外界干擾。
2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，被廣泛使用。
3、編程方便快捷，實用性強。
4、功能完善，性價比高?。
5、系統(tǒng)設(shè)計、施工、調(diào)試的周期短。
6、體積小，后期維護方便。
7、可以實現(xiàn)機電一體化。
4.2 設(shè)計控制要求
本次設(shè)計的PLC控制程序具體符合如下要求：
1、假定自動售貨機可以售出薯片、牛奶以及尖叫飲料三種商品，價格分別為3、4、5元；
2、自動售貨機可識別1元硬幣、5元紙幣、10元紙幣；?
3、當投入的貨幣金額值等于或大于商品預設(shè)價格時，所有相應商品的指示燈都亮，按下對應的選擇按鍵以及確認鍵，則由電機送出商品，同時燈滅；若按下取消鍵，則可重新選擇可夠買的商品；?
4、按下退幣鍵，即可退出相應的零錢，找零無限，若想繼續(xù)購買，則需重復操作；
5、當成功購買一件物品后，10秒仍無操作，若有余錢則自動退幣；
6、當購買商品3s后，當取物口紅外器感應到有貨物出貨時，則取物燈亮；若無，則報警；退幣后，退幣口的錢幣在6s后仍不取走，報警提示。
4.3 控制流程設(shè)計
本次設(shè)計的PLC程序控制流程如下：
圖4-2 PLC的控制流程
4.4 硬件的選型
4.4.1 PLC的選型
PLC的選擇主要由輸入輸出點的數(shù)目決定，根據(jù)上述控制要求，本次設(shè)計所需輸入點17個，輸出點11個，考慮到需要留出一定的余量，以便日后改進，所以選擇的PLC型號為三菱的FX2N-48MR。
4.4.2 貨幣識別器的選型
貨幣識別器是作為一個獨立機構(gòu)，有單獨的處理器，可以說是自動售貨機的一個核心，由硬幣識別器和紙幣識別器組成，自動售貨機的所有功能的實現(xiàn)都建立在貨幣識別器正常運行的基礎(chǔ)上。由于本次設(shè)計時間不夠充分，所以采用市面上已有的貨幣識別器。
1、硬幣識別器的選擇
投幣口有一個光電傳感器，檢測到硬幣進入，才由平板電容傳感器和電感線圈傳感器組成的磁場進行檢測記錄。由于硬幣的原材料是指定的特殊合金可以預先地輸入設(shè)置，投入硬幣的直徑、材質(zhì)以及厚度差異對會電感量的產(chǎn)生出現(xiàn)微弱的不同，從而引起振蕩頻率的變化，輸入AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再傳入單片機中與設(shè)定值進行比較，確定硬幣種類后，再變成電壓信號對PLC的輸入單元輸出，對硬幣值進行累加計數(shù)。真幣按面值分配到不同貯幣腔體內(nèi)，假幣則直接退出，當收到退幣找零電信號后，程序進行相減運算控制退幣電機退幣。
根據(jù)以上的了解，確定使用側(cè)投類CPU硬幣識別器，容量為500枚，只能識別1元硬幣，配置有OR2173－R光電傳感器和TMR2103線性傳感器。
表4-1 硬幣識別器選型
硬幣識別器型號
工作電壓/V
工作電流/A
工作溫度/℃
SR－1210
DC+12
0.5
-15～75
2、紙幣的識別原理
紙幣的制作采用的專門的紙張，而假鈔一般采用漂白處理的普通紙張，其在紫外線的照射下有熒光反映以及利用紅外激光照射紙幣上的熒光字，會產(chǎn)生一定波長的激光，基于上述手段就可以檢測紙幣真?zhèn)?。當由紙幣投入時，入口處紅外線被遮擋，單片機接收并發(fā)出信號使電機正轉(zhuǎn)，捻紙皮帶將紙幣送入，在此過程中，把從傳感器中接收到的信號參數(shù)與原來寄存的數(shù)據(jù)進行比較、判斷。如果不符，則電機反轉(zhuǎn)，將紙鈔退出；如果符合，則進入紙鈔拉進貯鈔箱，并通信傳達給PLC進行累計計數(shù)。
此次使用的紙幣識別器的容量為300張，可識別5元和10元，配置有OR2173－R光電傳感器以及CR90C光學傳感器。
表4-2 紙幣識別器選型
紙幣識別器型號
工作電壓/V
工作電流/A
工作溫度/℃
NE77
DC+12
0.9
-20～70
4.4.3 紅外傳感器的選型
光傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，本次設(shè)計中用到光傳感器檢測取貨倉是否收到貨物以及退幣后錢幣是否被取走。在取貨倉（786mm×280mm）上方設(shè)置有一個光幕紅外傳感器，當貨物經(jīng)過時，給PLC發(fā)送一個信號，貨物成功出貨，可以正常進行下一步操作。
表4-3 取貨倉紅外傳感器
取貨倉傳感器
光軸間距/MM
光束數(shù)量/N
測量寬度/MM
外殼高度/MM
工作電壓/V
DQY－20NB
20
16
300
360
DC+24
在取幣口設(shè)置一個紅外對射傳感器，當有硬幣遮住時，給PLC發(fā)送信號，如果一段時間未取走即發(fā)出報警。
表4-4 取幣口紅外傳感器
取幣口傳感器
接收距離/CM
波長/NM
工作電壓/V
QT50CM
50
940
DC+5
4.5 程序設(shè)計
4.5.1 I/O地址設(shè)計
根據(jù)設(shè)計要求，所需的PLC的輸入輸出量如下表所示：
表4-5 I/O口分配表
輸入信號
輸出信號
名稱
符號
輸入點編號
名稱
符號
輸出點編號
1元投幣
X0
薯片指示燈
HL1
Y0
5元投幣
X1
牛奶指示燈
HL2
Y1
10元投幣
X2
尖叫飲料指示燈
HL3
Y2
按鍵A
SB1
X3
薯片出貨電機
KM1
Y3
按鍵B
SB2
X4
牛奶出貨電機
KM2
Y4
按鍵C
SB3
X5
尖叫飲料出貨電機
KM3
Y5
按鍵1
SB4
X6
取物指示燈
HL4
Y6
按鍵2
SB5
X7
退幣指示燈
HL5
Y7
按鍵3
SB6
X10
退幣電機
KM4
Y10
確定按鈕
SB7
X11
報警燈
HL6
Y11
取消按鈕
SB8
X12
投入貨幣不足燈
HL7
Y12
薯片電機行程開關(guān)
SQ1
X13
牛奶電機行程開關(guān)
SQ2
X14
尖叫飲料電機行程開關(guān)
SQ3
X15
退幣按鈕
SB9
X16
取貨倉紅外感應器
CGQ1
X17
退幣口紅外感應器
CGQ2
X20
4.5.2 PLC的外部接線圖
根據(jù)I/O口分配表易得PLC的外部接線圖，如下圖所示：
圖4-3 PLC的外部接線圖
4.5.3 部分梯形圖設(shè)計
1、投幣部分
圖4-4 投幣梯形圖
程序一開始使用上電脈沖輔助寄存器M8002，將數(shù)據(jù)0置于數(shù)據(jù)寄存器D200中，D200能斷電保持。當顧客投入的貨幣金額分別是1元、5元、10元，對應PLC的X0至X2,每投入一次錢幣時，用ADD指令累計增加相應金額，并所得數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)寄存器D200。
2、商品選擇部分
圖4-5 商品選擇梯形圖
按鍵A、B、C代表托物貨盤的層數(shù)，按鍵1、2、3代表從左至右的貨道數(shù)，通過互鎖有效確定所需購買商品的位置，每次購買只能選擇一種商品。只有當數(shù)據(jù)寄存器中的金額數(shù)大于零時，顧客才能選擇商品，避免無效操作。
3、商品供應部分
圖4-6 商品提示及輸出梯形圖
當顧客投入貨幣后，累計的錢幣數(shù)大于或等于初始設(shè)定于數(shù)據(jù)寄存器中的商品價格時，所有對應的指示燈就會亮起。如投入錢幣數(shù)大于3，且按下A、1以及確認鍵，則燈Y0亮，Y3置位，電機動作送出商品，直至動作到限位開關(guān)X13時，復位Y3，電機停止，輸送過程結(jié)束。
4、余額計算部分
圖4-7 余額計算梯形圖
當電機動作送出商品后，并且取物口紅外傳感器X17感應到貨物，就將數(shù)據(jù)寄存器D200中的數(shù)值減去輸出商品的價格，再存到D200中。
5、退幣部分
圖4-8 退幣梯形圖
當物品送出貨道下落至取物口的過程中，會經(jīng)取物口紅外傳感器X17檢測，若檢測到物品，則使取物口指示燈Y7亮；若3秒后無信號，后面有報警程序。當按下退幣按鈕時，Y7滅，且余錢數(shù)大于零時，退幣電機Y10動作退幣至零。
6、報警部分
圖4-9 投入貨幣不足報警梯形圖
當顧客投入一定錢幣數(shù)后，卻選擇無法購買，即投入貨幣金額小于商品設(shè)定值時，報警燈亮3s。
第5章 結(jié)論
雖然自動售貨機尋?？梢?，但沒想到會有一天自己對其進行設(shè)計，從大量的參考文獻以及有關(guān)資料中，才對自動售貨機有全面深刻的認識。在指導老師的幫助下解決很多的問題，終于設(shè)計出了所設(shè)想的售貨機結(jié)構(gòu)，能極大豐富商品的多樣性，利用其低成本的優(yōu)勢為消費者提供便捷、舒適的消費體驗。
由于自動售貨機設(shè)計定位限定了特殊的消費群體，只有深入研究和完善，將其能運用到不同環(huán)境，適用于普通消費大眾。PLC技術(shù)與自動售貨機相結(jié)合，能設(shè)計出有人性化設(shè)計、方便快捷、價格實惠、低成本運營，能代替常規(guī)的現(xiàn)代信息化智能終端機。
因為沒有多少實踐經(jīng)驗，設(shè)計過程中難免會有不足，卻沒有能力去改善。補貨速度較慢。經(jīng)過設(shè)想，在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加一個輪滑機構(gòu)使得貨盤在低處裝貨，再運到合適位置或者將出貨倉改為臺階式，便于人站上去補貨；外觀樣式設(shè)計比較普通過時，沒有很好的吸引消費者的目光，可以進行招標設(shè)計；無法保障食品安全，消除消費者的顧慮，可以通過網(wǎng)絡實時管理，定期更換貨物。以上可能是自動售貨機未來設(shè)計需要改進的地方，只有針對性的解決這些問題，這款自動售賣機才能更適用于大眾消費者，促進自動售貨機的蓬勃發(fā)展。
在整個設(shè)計過程中，由于我對專業(yè)知識的理解掌握不夠全面，暴露出自身的許多不足，比如對二維繪圖軟件不太熟悉、機械結(jié)構(gòu)了解不深、PLC程序編寫不太會等等?？偠灾敬卧O(shè)計讓自己更加全面地掌握所學的專業(yè)知識，提高了自身的設(shè)計能力，收獲良多。在設(shè)計中不能考慮繪圖方面，還要符合實際加工工藝，讓自己的設(shè)計是有一定可行性的。從重新了解繪圖指令到具體圖紙上的細節(jié)繪制，以前操作CAD時的感覺有回來了，以前打下的基礎(chǔ)在這次畢業(yè)設(shè)計過程中發(fā)揮了很大的作用。大多數(shù)問題在自己查閱資料、老師的指到和同學的幫助之下都得到解決，對我的畢業(yè)設(shè)計的完成有很大的促進作用。
參考文獻
[1] 百麗.自動售貨機第三次零售業(yè)革命[J]. 電子商務.2005.4(2).
[2] 史國生.電氣控制與可編程控制器技術(shù)[M].哈爾濱:化學工業(yè)出版社,2010.?
[3] 鄭大宇，劉立晶.自動售貨機送出機構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化[J].黑龍江商學院學報（自然科學版），2000，6（3）.?
[4] 程周.可編程序控制器原理與應用[M].北京:高等教育出版社,2008.
[5] 紀鵬.自動售貨機結(jié)構(gòu)安全機制的研究[N]．哈爾濱商業(yè)大學學報(自然科學版). 2006.22(1)
[6] 裴進靈．一種新型自動售貨機的研制[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2003,13(12).?
[7] 王永華. 現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術(shù)[M]. 北京:北京航空航天大學出版社. 2008
[8] 王雯雋．自動售貨機的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．微型電腦應用,2005,21(5).?
[9] 朱軍.自動售貨機的結(jié)構(gòu)[J].信息與電腦,2005.8(5).?
[10] 董淑冷,茅紅偉.PLC在自動售貨機控制系統(tǒng)中的應用[J].上海師范大學學報,2007.
[11] 楊林,馮冠平.智能化自動售貨機錢幣識別與分類系統(tǒng)的研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，1994(03)?
[12] 賈德勝.PLC應用開發(fā)實用子程序[M].北京:人民郵電出版社,2007.?
[13] 任勝杰.電氣控制與PLC系統(tǒng)[M].北京:機械工程出版社,2013.?
[14] 吳宗澤等.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊[M].北京:高等教育出版社，2006.
[15] 鐘肇新,彭侃編譯.可編程控制器原理及應用[M].武漢:華中理工大學出版社,1991
[16] 孫桓.陳作模.葛文杰.機械原理（第七版）[M].高等教育出版社，2005
[17] 謝志萍.傳感器與檢測技術(shù)（第二版）[M].電子工業(yè)出版社.2009.2
[18] Dimple Thakwani, Dr.N Tripathi. PLC Based Change Dispensing Vending Machine using Image Processing Technique for Identifying and Verifying Currency[J].International Research Journal of Engineering and Technology ,2016,3(11):454-458.
致 謝
本次畢業(yè)設(shè)計大致歷經(jīng)半年的時間，從一開始的迷茫、不知所措，到后來論文資料的收集、組織材料、撰寫編排，讓我在知識水平和設(shè)計能力方面都有很大的提高。雖然在這個過程是遇到許多困難，圖書館的文獻和網(wǎng)絡資料給了我很多啟發(fā)，但最重要的還是我的指導老師張老師的耐心指導幫助，讓我少走了很多彎路，使得我的畢業(yè)設(shè)計最終定稿。
我通過這次畢業(yè)設(shè)計發(fā)現(xiàn)自己有所欠缺的地方，感覺到了實際和理論的差別，比如程序不僅過模擬調(diào)試就不會發(fā)現(xiàn)一些細微的差錯導致無法達到預期的控制要求，提醒我要不斷提高知識水平和實際工作能力。但也熟練的掌握了早應掌握的知識，鍛煉了我的自主學習能力，提高我的設(shè)計水平，讓我將所學到的知識更系統(tǒng)化。然而由于本人的知識和設(shè)計水平有限，缺乏實際經(jīng)驗，設(shè)計中多少存在一些缺點，懇請各位老師給予指導批評。
最后，感謝老師的殷切指導和同學無私幫助，謹向他們致以最誠摯的謝意！祝他們工作順利，一帆風順！
附錄 梯形圖程序及圖紙列表
序號
圖紙名稱
圖紙代號
圖紙大小
張數(shù)
1
自動售貨機總裝圖
SHJ-00
A0
1
2
墊腳
SHJ-00-01
A4
1
3
支撐架
SHJ-00-02
A4
1
4
滑道
SHJ-00-03
A4
1
5
貨道箱導軌
SHJ-00-04
A4
1
6
出貨托盤
SHJ-00-05
A3
1
7
取貨倉
SHJ-00-06
A4
1
8
后擋板
SHJ-00-07
A4
1
9
卡盤
SHJ-00-08
A4
1
25