智能还书机的设计与开发*

翟 建， 孙玉芹

(青岛滨海学院，山东 青岛 266555)

智能还书机的设计与开发*

翟 建， 孙玉芹

(青岛滨海学院，山东 青岛 266555)

针对现有进口还书机成本高、结构复杂的问题，根据目前我国图书馆普遍人工办理还书工作的现状，利用平面曲柄摇杆机构原理设计的图书馆用智能还书机，克服了还书机高价位、普及难、通用性差的不足，实现了还书的自助性和自主性及随机性。现场试验及试运行证实该设计方案可靠，对图书馆实现智能管理、延伸服务空间时间具有实用性，对智能还书机的研发具有借鉴和推广价值。

智能还书机；图书馆；曲柄摇杆机构

Abstract: Aiming at problems of the existing imported book machine including high cost, complex structure, according to the present situation that artificial management is generally used in the library in our country, the intelligent library book machine which is designed according to the principle of planar crank rocker mechanism, has overcome the disadvantages of high price, difficult to popularize, poor generality and realized self-service, autonomy and randomness. Field test and trial operation show that this design is reliable and practical to extend the service space and service time, it will contribute the reference value and promotion to the intelligent book machine.

Key words: intelligent return the book machine；library；crank-rocker mechanism

0 引 言

目前，国际上的还书机大多由美国3M公司开发的自助借还书系统垄断，其价格昂贵[1]。国内部分图书馆与3M公司合作开发还书系统，结果不够理想，造成还书机的使用难以推广。其主要原因是：开发成本高、结构复杂，对于我国各类学校及社会图书馆图书普遍使用的条码标签识别，存在着通用性差和稳定性差低等缺陷，且暂时尚未有成熟产品，这成为制约图书馆实现智能管理、延伸服务拓展空间的瓶颈。针对目前我国图书馆实际需求，根据曲柄摇杆机构原理设计了图书馆用智能还书机。

1 图书馆用智能还书机方案设计

1.1 技术参数

根据对国内数十家学校和社会团体图书馆的调研，确定相关设计参数：外形尺寸： 953 mm×700 mm×1 713 mm(长×宽×高)；工作频率：ISM 902～928 MHz；符合标准：ISO 18000-6B/ISO18000-6C；通信接口：10 M/100 M/1000 M；兼容性：条码标签；工作温度：-10～+50 ℃；工作湿度：10%～90%；工作电压：AC220V±10%；硬件配置：Intel Xeon四核，主频2 Ghz；软件部分：Windows XP、win7 、win8；数据库软件：MySQL5.0。

1.2 结构及工作原理

图书馆用智能还书机主要有四部分组成，如图1所示。其包括机箱、输送机构、落书机构、书箱、机架等。触摸屏一体机置于机箱上方，面对使用者便于智能控制还书机。

图1 智能还书机

图书从还书口推进，经扫描检测通过后，由输送机构送至书箱入口处，落书机构将图书翻转滑落至书箱，急回待命状态，完成一次还书过程。

2 主要机构设计

图书馆用智能还书机功能的实现，主要是由图书输送机构和图书落书机构来完成的，是智能还书机的核心机构[1]。

2.1 图书输送机构设计

2.1.1 图书输送机构

图书输送机构主要用来承接还书者由还书口推送进来的图书，经扫描检测通过后，将图书输送至书箱入口处。图书传输机构由托架、轴承座、两根铝合金传动轴轴、输送带、电机等构成，如图2所示。

依据不同图书外形尺寸大小，按最大图书尺寸设定托架尺寸为：340 mm×427 mm。

在托架上装有轴承座，支持两根传动轴，输送带将两传动轴连接，其中一根轴通过联轴器外接电机。

图2 智能还书机的机构

2.1.2 驱动电机的选择

考虑到图书为低速输送特点，经过试验选用速度为v=200 mm/s=0.2 m/s左右。

由此计算，电机功率为：

P=Fr×v=50×0.2=10 (W)

电机转速为：

n=v/(πD)=200/(50π)=1.27 r/s=76 (r/min)

根据驱动电机的功率、转速，选用永磁同步齿轮减速电机：电机型号：90TDY060A4-1；电机功率：40 W；电机电压：220 V(单相)；额定转矩：1 900 mN·m ；移相电容：2.7/400 μf/V；移相电阻：800/50 Ω/W。

2.2 图书落书机构设计

2.2.1 图书落书机构

图书落书机构主要用于将输送至书箱入口处的图书送至书箱，完成一次还书动作。

图书落书机构是由机架、偏心轮、连杆、连架杆组成，其中偏心轮充当曲柄作为主动件，连杆作为传动件，执行元件托架作为摇杆，机架作为固定杆，以此形成曲柄摇杆机构[3]。当电机带动偏心轮回转时，连架杆连接托架(托架)实现摆动，托架上图书将沿倾斜面滑入书箱[2]。如图2所示。

形成平面曲柄摇杆机构须满足的条件：①杆长条件；②连架杆(或机架)作最短杆[3]。

为了保证待机时机构的稳定性，即摇杆处于水平状态，曲柄摇杆在初始位置需有自锁性。此时，曲柄与连杆共线，机构处于死点位置。

由于受还书机箱的空间大小的限制要求，取机架(电机轴心与轴承座距离)b=200 mm，摇杆a=150 mm，连杆和曲柄尺寸均不能过大，设连杆长X1， 曲柄长X2。

根据试验图书滑落最小倾角不小于25°，为保证图书滑落的可靠性，设定摇杆的摆角θ=30°。如图3所示。

图3 曲柄摇杆机构

利用图解法，确定连杆长X1=214.5 mm。

建立几何关系：

a2+b2=(x1+x2)2

a2+b2=(x1-x2)2=2abcos 60°

计算得曲柄长X2:

X2=34.5 mm

为保证主动件传动的平稳性，将曲柄设计成偏心轮，其直径Φ=120 mm，rMAX=34.5 mm。

2.2.2 翻转电机的选择

摇杆处于在极限位置时，已知连杆x1承受托架压力G=50 N，摇杆拉力为F1，连杆受压力F2，根据平衡条件：

G+F1=F2

即，F2MAX/(X1+X2)=G/200

F2MAX=63 N

则，电机扭矩M=F2×r

又，rMAX=34.5 mm

MMAX=F2MAX×rMAX

=63×35 (N·mm)

=2 188 (N·mm)

根据电机最大额定扭矩并考虑实际转速，选用永磁同步齿轮减速电：电机型号：90TYJ060D4-5；电机功率：60 W；电机电压：220 V(单相)；额定转矩：1 070 N·cm；移相电容：2.2/400 μf/V；移相电阻：800/50 Ω/W。

3 机架和书箱设计

机架用来连接和支撑图书传输机构和图书落书机构。机架选用Q235A角钢25×25×4焊接成型，下面有导轨主要用来保证书箱滚轮沿轨道的运动，并且安装有限位装置以确定书箱的可靠位置，书箱采用ABS板制作。机架、书箱结构如图4所示。

4 机箱设计

机箱主要考虑其美观、人性化、耐用等，同时参照目前流行的立式ATM自助取款机而设计。

材料选用ABS，其尺寸稳定性、抗冲击、硬度高。如图5所示。

图4 机架、书箱 图5 机箱

5 电气控制设计

5.1 主要元件的选择

主机：清华同方V38-22一体机，屏幕尺寸21.5英寸。扫描仪：Symbol LS7808扫描器。PLC控制器：和利时LM3107。光电开关：PM18-D1MPA-Y3L2/C65；接近开关：LJ12A3-4-Z/BY/PNP DC24V。

5.2 PLC控制系统设计

PLC控制系统主要从从软件和硬件方面进行设计。对于硬件，根据控制对象的输入量和输出量特点和大小，选择和利时LM310机型。

对于软件，从易于编程和尽量减少指令及运行时间等方面的考虑，根据还书的基本操作程序，确定输入、输出个数，最终确定 PLC的点数，利用编程软件CoDeSys编写梯形图程序。为使PLC的运行安全，采用继电器转换。在试验中完善程序、完成PLC控制系统设计[2]。

6 结 语

智能还书机主要用于各类学校及社会图书馆，可以24小时开放，解决了还书读者还书受时间地点限制的难题，经实际使用和检测效果理想。该设计方案为各类图书馆还书问题提供一种思路，具有实际应用价值和推广意义，也为同行类似设计的还书机机提供了参考。

[1] 孙玉芹.卧式双还书口还书机的设计[J].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2011(S1)：1140-531-1-1140-531-58.

[2] 孙玉芹.图书馆自助还书机翻板落书机构的设计[J]. 现代机械，2011(1):46-48.

[3] 纪志明.基于作图法原理的曲柄摇杆机构解析设计法 [J]. 机械研究与应用，1998(4):19-21.

[4] 冀晓红.具有急回运动特性的曲柄摇杆机构设计 [J]. 机械研究与应用，2008(3):75-76.

[5] 林 平.高校图书馆自助还书车的应用与设计[J]. 科技创新导报，2010(25):212.

[6] 黄莹桦,黄颖梨.图书馆自助借还书系统服务探讨[J]. 内蒙古科技与经济，2010(13):126-127.

[7] ZHU Xue-fang,ZENG Na,ZENG Wei. Techniques R&D and Application Considerations of Self-service Systems in Libraries[J]. Information Science，2009(3):416-416+436.

Design and Development of Intelligent Return Book Machine

ZHAI Jian, SUN Yu-qin

(QingdaoBinhaiUniversity,QingdaoShandong266555，China)

2014-06-12

翟 建(1963-),男,山东淄博人，副教授,主要从事机械设计制造及其自动化研究方面的工作。

TH12

A

1007-4414(2014)04-0155-03