一種全自動三輥閘機(jī)芯設(shè)計

丁旺，徐駿善

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

閘機(jī)作為通道管理設(shè)備，主要功能在于對乘客所持票據(jù)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)并控制乘客進(jìn)出站[1]，廣泛應(yīng)用于軌道交通檢票系統(tǒng)、景區(qū)檢票系統(tǒng)，小區(qū)、辦公門禁系統(tǒng)。其最基本最核心的功能是實(shí)現(xiàn)一次只通過一人，方便行人安全快速地通過閘機(jī)通道。本文旨在對傳統(tǒng)三輥閘機(jī)芯進(jìn)行改進(jìn)，使其在運(yùn)用時無需人為推動閘桿即可通過，同時增強(qiáng)機(jī)芯對行人狀態(tài)的適應(yīng)性。設(shè)計目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)機(jī)芯全自動工作，即行人刷卡后，機(jī)芯自動旋轉(zhuǎn)，行人只需跟隨即可通過閘機(jī)。此外對于行人推動閘桿快速通過、拉住閘桿等情況給予解決方案，確保行人在通道中的安全。

1 機(jī)芯結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計

1.1 全自動三輥閘機(jī)芯簡述

全自動三輥閘機(jī)芯配有一部電機(jī)，機(jī)芯的所有運(yùn)動均由此電機(jī)提供，配合位置檢測傳感器以及限位裝置，實(shí)現(xiàn)對行人的有效管理，整個過程不需要行人推動閘桿即可完成通行。閘機(jī)內(nèi)部組成如圖1所示。

圖1 閘機(jī)內(nèi)部組成

1.2 全自動三輥閘機(jī)芯功能需求分析

全自動三輥閘機(jī)芯作為閘機(jī)的核心工作裝置，應(yīng)具備以下功能：單向通行反向禁止；閘桿自動起落；授權(quán)后閘桿自動旋轉(zhuǎn)，無需行人推持；正常情況下機(jī)芯鎖止，防止行人強(qiáng)行通過；減少金屬撞擊，降低機(jī)芯工作產(chǎn)生的噪聲。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)目前三輥閘機(jī)有2個突出問題未能很好地解決：1) 機(jī)芯的定速工作模式直接影響到通過率的提高，無法滿足部分行人快速通過；2) 行人由于某種突發(fā)事件停留在通道，而此時機(jī)芯仍在轉(zhuǎn)動，勢必會對行人造成一定的傷害。本設(shè)計將從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面予以解決。

1.3 全自動三輥閘機(jī)芯結(jié)構(gòu)功能劃分

鑒于以上對于全自動三輥閘機(jī)芯的功能需求分析，結(jié)構(gòu)上可以分為以下幾部分：動力裝置、傳動裝置、限位裝置、落桿裝置、閘桿安裝裝置以及結(jié)構(gòu)支撐裝置[2]。

動力裝置：設(shè)計中，根據(jù)行人通過閘機(jī)所需時間、閘桿旋轉(zhuǎn)角度，以及閘桿與主軸的轉(zhuǎn)動慣量計算可得整機(jī)所需功率為45 W。據(jù)此確定電機(jī)參數(shù)為24 V直流減速電機(jī)，額定功率為60 W，額定轉(zhuǎn)速30 r/min。

傳動裝置：機(jī)械傳動主要包括齒輪傳動、鏈輪傳動、皮帶傳動、以及蝸輪蝸桿傳動[3]，基于設(shè)計中的功能要求，選擇5M型圓弧齒同步帶傳動，既保證了良好的傳動比，同時降低了傳動過程中產(chǎn)生的噪聲，使整個傳動過程更加平穩(wěn)。

限位裝置：是實(shí)現(xiàn)閘機(jī)一次通行一人的關(guān)鍵裝置，即每次收到授權(quán)信號之后，限位裝置解除鎖定，閘桿旋轉(zhuǎn)120°之后，重新鎖止完成一次放行，設(shè)計采用限位輪以及位置檢測傳感器實(shí)現(xiàn)，通過檢測限位輪上的立柱來確定閘桿旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

落桿裝置：緊急落桿是一項(xiàng)不可缺少的功能之一。在緊急情況下，必須能夠做到讓行人快速通過閘機(jī)以減少對行人的傷害。設(shè)計中的落桿機(jī)構(gòu)具有自動復(fù)位功能，徹底擺脫了傳統(tǒng)機(jī)芯手動上桿的麻煩。

1.4 全自動三輥閘機(jī)芯結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于上述功能實(shí)現(xiàn)并結(jié)合實(shí)際加工工藝條件，設(shè)計出如圖2所示的機(jī)芯方案。

對目前三輥閘機(jī)兩個突出問題的解決方案為：1) 將限扭裝置安裝在電機(jī)與小帶輪之間，安裝時將其轉(zhuǎn)矩設(shè)為一定值，當(dāng)電機(jī)帶動閘桿旋轉(zhuǎn)時，若行人停在中間，超過限扭值則斷開傳動，從而保護(hù)行人安全。設(shè)計中轉(zhuǎn)矩值設(shè)定在15～20N·m。2) 在主軸與大皮帶輪之間裝一個單向軸承，因其具有單向可超越性，行人在通行過程中若想快速通過通道的時候，只要推動閘桿即可快速通過，從而提高閘機(jī)的通過率。

1—限位安裝板；2—左限位電磁鐵；3—右限位電磁鐵；4—電機(jī)； 5—電機(jī)座板；6—安裝主板；7—落桿機(jī)構(gòu)；8—限位傳感器； 9—限位傳感器支架；10—限位輪；11—左限位卡子；12—左限位卡子 支撐；13—立柱；14—右限位卡子支撐；15—右限位卡子；16—小軸承； 17—主軸；18—限扭裝置；19—小皮帶輪；20—同步帶； 21—大軸承；22—大皮帶輪；23—單向軸承圖2 機(jī)芯結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)芯控制系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 機(jī)芯動作流程分析

機(jī)芯工作流程(圖3)：當(dāng)機(jī)芯控制板收到如刷卡信號的開啟命令之后，控制左端限位電磁鐵動作，打開左限位，電機(jī)帶動閘桿旋轉(zhuǎn)15°，提示行人可以通行，此時電機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)，若檢測到行人正常進(jìn)入閘機(jī)通道，則控制板控制電機(jī)按設(shè)定的速度繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到120°，關(guān)閉左側(cè)限位開關(guān)，此時行人通過閘機(jī)，機(jī)芯雙向鎖死。若行人刷卡后在設(shè)定時間內(nèi)(假設(shè)8s)未進(jìn)入閘機(jī)，則判定為此次通行結(jié)束，電機(jī)工作帶動閘桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)入下一個工作位置，雙向鎖死。在通行過程中行人若想快速通過閘機(jī)，只需輕輕推動閘桿，即可快速通過閘機(jī)。如因緊急情況，行人在閘機(jī)中間逗留，也不會發(fā)生客傷事件。

圖3 機(jī)芯動作流程圖

2.2 機(jī)芯控制電路設(shè)計

控制系統(tǒng)采用STM32F103RCT6作為主控芯片，該芯片基于Cortex-M3具有256K的FLASH,48K的SRAM，最高工作頻率72 MHz[4]。

控制系統(tǒng)主要包括：傳感器采集電路、電機(jī)控制電路、電源電路、電磁鐵與限位開關(guān)電路(圖4)。

圖4 控制系統(tǒng)總體框圖

1) 傳感器采集電路

為了獲得行人在通道里的通行狀態(tài)，一般采用傳感器陣列的方式進(jìn)行獲取狀態(tài)，根據(jù)成年人平均身體特征在閘機(jī)通道兩側(cè)布置傳感器，通過通行算法識別出行人的通行狀態(tài)[5]?？刂品桨钢胁捎?對紅外光源型透過式光電開關(guān)。

該傳感器分為投光器和受光器，二者配合使用，其工作特性為，當(dāng)受光器與投光器之間無阻擋時信號輸出高電平，反之為低電平。因信號可能會產(chǎn)生意外的高壓，因此對傳感器信號進(jìn)行有效的隔離對保證單片機(jī)系統(tǒng)的安全尤其重要。系統(tǒng)采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)信號隔離。

2) 電機(jī)控制電路

設(shè)計采用的電機(jī)為24V有刷直流減速電機(jī)，其控制相對簡單，只需實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停以及PWM波控制電機(jī)轉(zhuǎn)速即可。利用STM32內(nèi)置的PWM發(fā)生器進(jìn)行設(shè)置并通過外部電機(jī)驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，余下只需實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的啟?？刂萍纯?。由于單片機(jī)IO驅(qū)動能力有限，若想驅(qū)動電機(jī)必須增強(qiáng)IO的驅(qū)動能力，方案中采用三極管與繼電器配合的方式實(shí)現(xiàn)。

3) 電源電路

電源模塊電路如圖5所示，電路中的干擾有很大一部分來自電源輸入端，因此處理好電源電路至關(guān)重要。本系統(tǒng)中采用LM2576S-5.0[6]先將24 V電源轉(zhuǎn)換成5 V，再利用AMS1117-33將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V為單片機(jī)供電。LM2576S-5.0、AMS1117-33具有熱損耗小，轉(zhuǎn)換效率高且可以較好地抑制高頻干擾；電源輸入端CZ1、CZ為磁珠，可濾掉高頻和尖峰干擾，R43為壓敏電阻、B1為安規(guī)電容，二者作用是保護(hù)電路吸收尖峰高電壓脈沖[7]。D18、D19為穩(wěn)壓二極管用以防止電源反接對電路的影響。CE1為大容量電解電容用以去除低頻信號，輸出端使用LC進(jìn)行濾波進(jìn)一步降低電壓紋波和噪聲[8]。

圖5 電源模塊電路

2.3 硬件抗干擾設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)，主要采用以下幾種抗干擾措施。

1) 有效的隔離措施：常用的隔離方法有光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離等[9]，本系統(tǒng)中對傳感器信號均采用了光耦隔離，對于外設(shè)驅(qū)動電路則采用了繼電器隔離。

2) 良好的接地處理：在PCB布線時地線的線徑應(yīng)大于主線徑，采用敷銅處理且連接到地線。

3) 合理的布線：PCB布線時嚴(yán)格按照布線規(guī)則，盡量使用45°折線，減少高頻信號干擾，高速線路采用短線和直線，信號線不要形成電流環(huán)路[10]。

3 測試與調(diào)試

全自動三輥閘機(jī)芯完成后，對其功能和性能進(jìn)行了大量測試，主要進(jìn)行以下4方面測試。

1) 通過率檢測

測試條件1：通行時間設(shè)置為3s，行人緊跟隨機(jī)芯動作通行。

測試結(jié)果：通行速度在 20～25人/min。

測試條件2：通行時間設(shè)置為3s，行人推動閘桿快速通行。

測試結(jié)果：通行率>30人/min。

2) 安全性檢測

測試條件：行人在通道內(nèi)停留。

測試結(jié)果：限扭裝置工作，切斷傳動，有效地保護(hù)行人在通道中的安全。

3) 超時未進(jìn)閘機(jī)檢測

測試條件：授權(quán)后，8s內(nèi)未進(jìn)入閘機(jī)通道。

測試結(jié)果：機(jī)芯自動關(guān)閉閘門的動作。

4) 自動落桿檢測

測試條件：觸發(fā)緊急落桿按鈕。

測試結(jié)果：閘桿自動下落，并且在下一工作流程自動復(fù)位。

上述測試結(jié)果表明，設(shè)計中的機(jī)芯能夠很好地滿足和實(shí)現(xiàn)既定的功能，有效地改善了現(xiàn)有機(jī)械式和半自動式三輥閘的缺點(diǎn)，更加擴(kuò)大了三輥閘的應(yīng)用范圍。

4 結(jié)語

全自動三輥閘機(jī)芯的設(shè)計主要包括了機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件電路的設(shè)計。機(jī)械設(shè)計方面特別論述了單向軸承和限扭裝置在本設(shè)計中的作用，硬件電路方面對該控制系統(tǒng)中的主要控制電路進(jìn)行描述，并進(jìn)行了機(jī)芯的測試調(diào)試工作。結(jié)果表明本設(shè)計中的全自動三輥閘機(jī)芯很好地繼承了傳統(tǒng)三輥閘機(jī)芯一桿一人，有效防止逃票，同時又具備了自動閘機(jī)方便易操作，有效保護(hù)行人的安全，對三輥閘是非常有效的改進(jìn)。

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