汽车雨刷器的设计.doc

目 录

摘 要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
第一章 绪论 1
第二章 整体结构 2
2.1 功能说明 2
2.2 对改装的部分加以研究 3
2.3 机械部分的设计思想 4
2.4基本要求 5
2.5 雨刷器工作系统对机械传动的要求 6
2.6 雨刷器概述 7
2.7 雨刷系统执行元件的说明 8
2.8 雨刷器的工作原理 10
第三章 系统控制 11
3.1 调速系统控制杆 11
3.2 可编程序控制器 12
第四章 对整体尺寸的设计和材料参数的计算 18
4.1 雨刷器的机构简介和工作原理 18
4.2 原始数据 19
43 雨刷器机构相关数据的计算和分析 19
4.4 加速度，速度多边形的运动和分析 20
4.5 刮刷面积的计算 27
4.5 Matlab／SimMechanics建模与仿真 28
总体结论 29
参考文献 30

摘 要

本材料介绍捷达轿车可调行程雨刷器的设计过程，机械传动和电机的选配；系统控制由以下几部分硬件构成；电源、直流电动机、电源、PLC、速度控制杆。

对以上几个部分的雨刷器简单设计分析、简要说明了PWM调速系统、伺服系统、PLC系统。以上的各部分相关

关键词：机械传动 直流电动机、控制系统、速度控制系统、PLC系统

第一章 绪 论
此材料介绍汽车雨刷器的设计过程和应用。直流12v电压引入雨刷器，也是当今的自动化要求越来越高，对于它的速度也有着不一样的选择。对它的连续工作也越来越高。
对于汽车雨刷器来说，对于人们在雨中开车解决了很多麻烦和问题。如果汽车没有雨刷器在下雨行车中，就会给司机造成非常大的危险和麻烦。
雨刷器这项技术是自动化科学中与产业部门最紧密、服务最为广泛的一个。自从世界的第一辆汽车的制造出来，雨刷器就被聪明的人们用在了这辆汽车上。到了现在的这个时代，雨刷器也不断的在创新往更好的方面在发展。如今的雨刷器不仅仅用于在汽车上面了，有些人家把这项技术用与在自己家里的门窗。对于住在比较高的楼层里的人家，在打扫外面窗户卫生的时候就非常的危险。如果安装了这项技术在给人们打扫外面窗户时就解决了这的这项麻烦而又危险的事情，给人的安全得到了很好的保证。

雨刷器现在被汽车普遍使用，使得现代控制理论逐渐工程化、实用化；各种雨刷器元件与线路向着集成化、数字化、功能化、模块化、智能化，以便于计算机控制的方向发展；雨刷器的可靠性设计及其半自诊断技术伴随着系统功能、性能以及复杂化程度的升级而受到人们的普遍关注。虽然，目前有关雨刷器技术的书籍出版很多，但是单从实用角度出发反映现代雨刷器技术的书籍尚不多见。现代雨刷器的运动控制包括进给驱动、电动机驱动及位置控制。驱动性能及位置控制系统的性能很大程度上解解决了以前的麻烦。由于直流电动机具有良好的运行性能，特别是新型电力电子器件、脉宽调制技术的进一步发展，使得直流电动机的性能大大提高，应用越来越广泛。而现在的新一代汽车雨刷器产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。

第二章 整体结构
2.1 功能说明
汽车雨刷器是一个由多个单元构成，为了保证它在工作中的稳定和方便。
其主要结构系统分为以下几类：
一、直流12v电动机
二、速度控制
三、调速系统控制杆
四、位置检测部分
以上的四部分构成汽车雨刷器的整体系统。总体结构以及连接方式，如下结构图（1－1）所示：位置检测

雨刷器结构图
调速系统控制杆
速度控制

位置检测
直流电动机
调速系统控制杆

汽车雨刷器

从以上四个部分的安排结构，可以看出整个雨刷器的整体结构，以及各自的主要功能。
1 调速系统控制杆

主要是对于调速系统输出以及执行过程的各个步骤的显示功能。起到调节的目的。

2 直流电动机

主要是控制它的正转运动，从而实现雨刷器的从左向右移动的目的。

3 雨刷器的速度控制

雨刷器的速度控制主要是根据下雨的大小来控制雨刷器的运动速度。如：慢，中快，快。

4 汽车雨刷器

当电动机和速度控制发出信号时，雨刷器就开始工作，当速度控制发出不同的速度时，雨刷器就以不同的速度来进行工作。

5 位置检测

位置检测是检测雨刷器的移动准确性。位置检测也是一个反馈系统，构成一个封闭的反馈系统。，

2.2对改装的部分加以研究

通过这几天的研究和拆卸，我已经更加理解其中的原理，能把这雨刷的挂刷面积实现可调也不是很好想，翻了很多的书籍，最后在《汽车构造》上发现转向横拉杆的原理可以把摆杆的部分改装，借此实现运动角度的变化，达到挂刷面积改变的目的，以下是简图。

2.3 机械的设计思想

概括地讲，汽车雨刷器为一个机电一体化机械系统，机电一体化的机械系统设计主要包括两个环节：静态设计和动态设计。三个部分、及基本要求。

静态设计是指依据系统的功能要求，通过研究制定出机械系统的初步设计方案。该方案只是一个初步的轮廓，包括系统主要零、部件的种类，各部件之间的联接方式，系统的控制方式，所需能源方式等。

有了初步设计方案后，开始着手按技术要求设计系统的各组成部件的结构、运动关系及参数；零件的材料、结构、执行元件（如电机）的参数、功率及过载能力的验算；相关元、部件的选择。以上称为稳态设计。稳态设计保证了系统的静态特性要求。

动态设计是研究系统在频率域的特性，是借助静态设计的系统结构，通过建立系统组成各环节的数学模型和推导出系统整体的传递函数，利用半自动控制理论的方法求得该系统的频率特性（幅频特性和相频特性）。系统的频率特性体现了系统对不同频率信号的反应，决定了系统的稳定性、最大工作频率和抗干扰能力。

静态设计是忽略了系统自身运动因素和干扰因素的影响状态下进行的产品设计，对于雨刷器的静态设计就能够满足设计要求。环境干扰和系统自身的结构及运动因素对系统产生的影响，因此必须通过调节各个环节的相关参数，改变系统的动态特性以保证系统的功能要求。动态分析与设计过程往往会改变前期的部分设计方案，有时甚至会推翻整个方案，要求重新进行静态设计。
主要包括如下三大部分机构
1 传动机构
雨刷器系统中的传动机构不仅仅是调节速度的变换器，而是已成为系统的一部分，它要根据控制的要求进行选择设计，以满足整个系统良好的控制性能。因此传动机构除了要满足要求，而且还要满足小型、轻量、和较高可靠性的要求。
2 导向机构
导向机构的作用是支承和导向，为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障，一般指导轨、轴承等。
3 执行机构
执行机构是用以完成操作任务的直接装置。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作。一般要求它具有较高的灵敏度，良好的重复性和可靠性。使传统的作为动力源的电动机发展为具有动力、变速与执行等多重功能的支流电动机，从而大大地简化了传动和执行机构。
除以上三部分外，机电一体化系统的机械部分通常还包括机座、支架、壳体等。
2.4基本要求
机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，还应具有良好的动态响应特性，即快速响应和良好的稳定性。
1 快速响应
机电一体化系统的快速响应即是要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔。这样系统才能精确地完成任务，且控制系统也才能及时根据机械系统的运行情况得到信息，下达指令，使其准确地完成任务。
2 良好的稳定性
机电一体化系统要求其机械装置在外界干扰的作用下依然能够正常稳定的工作。既系统抵御外界环境的影响和抗干扰能力强。
为确保机械系统的上述特性，在设计中通常提出低摩擦、低惯量。但雨刷器要增大摩擦。此外机械系统还要求具有体积小、重量轻、高可靠性和寿命长等特点。

2.5雨刷器工作系统对机械传动的要求
机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置，是转变速度的变换器，并可通过机构变换实现对输出的速度进行不同速度调节。
在汽车雨刷器中，直流电动机的变速功能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构，只有当传统电机的转速范围满足不了系统要求时，才通过传动装置变速。由于汽车雨刷器对速度响应指标要求很高，因此机电一体化系统中的机械传动装置不仅仅是解决电机与负载间的力矩匹配问题。而更重要的是为了提高系统的性能。为了提高机械系统的性能，要求机械传动部件转动惯量小、抗振性好、间隙小，并满足小型、轻量、低噪声和高可靠性等要求。
在工作中，受机械部件以及传动比的性能的约束，最快速度也不超过2次/秒.因为,从电动机的传动到工作台的传动,电机中间有关齿轮的传动速度,是以降低移动速度的,保证在移动中能有良好的平稳性.

机械系统中存在着许多间隙，如齿轮传动间隙，螺旋传动间隙等。这些间隙对系统性能有很大影响。

2.6雨刷器概述
雨刷器是一种能够根据输入的指令信号进行工作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的半自动控制系统。绝大部分机电一体化系统都具有较多功能，机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。雨刷器的控制系统的结构、类型繁多，但从半自动控制理论的角度来分析控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。如图1-2给出了系统组成原理框。

输入 比较元件 控制元件 被控对象 输出

1-2系统组成原理框图。
1、比较环节 是将输入的指令信号与系统的信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节。
2、被控对象 主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求工作。
3、执行元件 作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。

2.6.1雨刷器对系统的技术要求
机电一体化系统要求具有响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频率范围大等基本要求，同时还要求体积小、重量轻、可靠性高和成本低等。

1稳定性
雨刷器系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。如果系统能够进入稳定状态，且过程时间短，则系统稳定性好；否则，若系统振荡越来越强烈，或系统进入等幅振荡状态，则属于不稳定系统。机电一体化系统通常要求较高的稳定性。
2 响应特性
响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关
3 工作频率
工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。在机电一体化系统中，工作频率一般指的是执行机构的运行速度。
上述的三项特性是相互关联的，是系统动态特性的表现特征。利用半自动控制理论来研究、分析所设计系统的频率特性，就可以确定系统的各项动态指标。系统设计时，在满足系统工作要求（包括工作频率）的前提下，首先要保证系统的稳定性并尽量提高系统的响应速度。

2. 7雨刷器执行元件的说明
执行元件是能量变换元件，目的是控制执行机构运动。机电一体化系统要求执行元件具有转动惯量小、输出动力大、便于控制、可靠性高和安装维护简便等特点。

直流电机具有良好的调速特性，较大的启动转矩和相对功率，易于控制及响应快等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的应用。
2.7.1 直流电动机的分类
直流电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的磁场由励磁绕组产生；永磁式的磁场由永磁体产生。电磁式直流电动机是一种普遍使用的电动机，特别是大功率电机（100W以上）。永磁式伺服电动机具有体积小、转矩大、力矩和电流成正比、性能好、响应快功率体积比大、功率重量比大、稳定性好等优点。由于功率的限制，目前主要应用在办公自动化、家用电气、仪器仪表等领域。
直流电动机按电枢的结构与形状又可分为平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。平滑电枢型的电枢无槽，其绕组用环氧树脂粘固在电枢铁心上，因而转子形状细长，转动惯量小。空心电枢型的电枢无铁心，且常做成杯形，其转子转动惯量最小。有槽电枢型的电枢与普通直流电动机的电枢相同，因而转子转动惯量较大。
直流电动机还可按转子转动惯量的大小而分成大惯量、中惯量和小惯量直流伺服电动机。大惯量直流伺服电动机(又称直流力矩电动机)负载能力强，易于与机械系统匹配，而小惯量直流伺服电动机的加减速能力强、响应速度快、动态特性好
2.7.2直流电动机的基本结构及工作原理
直流电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片结构组成。其中磁极在工作中固定不动，故又称定子。定子磁极用于产生磁场。在永磁式直流电动机中，磁极采用永磁材料制成，充磁后即可产生恒定磁场。在他励式直流电动机中，磁极由冲压硅钢片叠成，外绕线圈，靠外加励磁电流才能产生磁场。电枢是直流伺服电动机中的转动部分，故又称转子，它由硅钢片叠成，表面嵌有线圈，通过电刷和换向片与外加电枢电源相连。如图：1-3所示。

图1-3直流电动机基本结构

直流电动机是在定子磁场的作用下，使通有直流电的电枢（转子）受到电磁转矩的驱使，带动负载旋转。通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制直流电动机的旋转方向和速度。当电枢绕组中电流为零时，电动机则静止不动。
直流电动机的控制方式主要有两种：一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩；另一种是励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速。

2.8雨刷器的工作原理
雨刮器是由电机带动，通过连杆机构将电机的旋转运动转变为刮臂（即挡风玻璃上面除了刮片之外的那部分）的往复运动，从而实现刮雨动作。一般接通电机（即按一下雨刮器工作开关），即可让雨刮器工作。通过选拔高速低速档，可以使电机的电流发生大小变化，从而控制电机转速，从而控制雨刮器的工作快慢。
雨刮器一般须要解决好刮刷角度、刮刷频率、干涉、噪声、刮净度、电流等问题。
另外，QC/T44-1997等汽车行业标准对雨刮器的性能、实验等作了具体规定。

雨刮器总成含有电动机、减速器、四连杆机构、刮水臂心轴、刮水片总成等。当司机按下雨刮器的开关时，电动机启动，电动机的转速经过蜗轮蜗杆的减速增扭作用驱动摆臂，摆臂带动四连杆机构，四连杆机构带动安装在前围板上的转轴左右摆动，最后由转轴带动雨刮片刮扫挡风玻璃。
　　现在，汽车的雨刮臂有两个，电机一般是一个，称为“单机双臂”，也有每个雨刮器带一只电机，称为“单机单臂”。有些雨刮臂还附带胶水管，水管接至洗涤器上，按一下开关会有水注喷向前档风玻璃。在一些中高级轿车上，不但前后档风玻璃有雨刮器，就是前大灯也有一支小小的雨刮片，用以清除前灯玻璃上的尘埃。
司机关闭雨刮器时，雨刮臂往往不停在适当的位置，阻碍司机的视线。为解决这一问题，雨刮器设有一个回位开关，它控制雨刮器电机，当雨刮臂停在档风玻璃下的适当位置时，电机才会停止运转。
现今的雨刮器已经普遍采用快档、慢档和间歇控制档。其中间歇控制档一般是利用电机的回位开关触点与电阻电容的充放电功能使雨刮器按照一定周期刮扫，即每动作一次停止2－12秒时间，对司机的干扰更少。有些车辆的雨刮器还装有电子调速器，该调速器附带感应功能，能根据雨量的大小自动调节雨臂的摆动速度，雨大刮水臂转得快，雨小刮水臂转得慢，雨停刮水臂也停。
雨刮器是重要的安全件，它必须能有效地清除雨水、雪和污垢；能在高温（摄氏零上80度）和低温下（摄氏零下30度）工作；能抗酸、碱、盐等有害物质腐蚀；使用寿命达到15万次刮刷循环（乘用车）。
　　　雨刮器的动力源来自电动机，它是整个雨刮器系统的核心。雨刮器电动机的质量要求是相当高的。它采用直流永磁电动机，安装在前档风玻璃上的雨刮器电动机一般与蜗轮蜗杆机械部分做成一体。蜗轮蜗杆机构的作用是减速增扭，其输出轴带动四连杆机构，通过四连杆机构把连续的旋转运动改变为左右摆动的运动。

雨刮器电动机采用3刷结构以方便变速。间歇时间由间歇继电器控制，利用电机的回位开关触点与继电器电阻电容的充放电功能使雨刮器按照一定周期刮扫。雨刮器的刮片胶条是直接清除玻璃上雨水和污垢的工具。刮片胶条通过弹簧条压向玻璃表面，它的唇口必须与玻璃角度配合一致，方能达到所要求的性能。
一般情况下在汽车组合开关手柄上有雨刮器控制旋扭，设有低速、高速间歇3个档位。手柄顶端是洗涤器按键开关，按下开关有洗涤水喷出，配合雨刮器洗涤档风玻璃。洗涤器系统是目前汽车上很普通的装置，它由储水箱、水泵、输水管、喷水嘴组成。其中储水箱一般是1.5升～2升的塑料罐，水泵是一种微型电动离心泵，通过它将储水箱的洗涤水输向喷水嘴，经2～4个喷水嘴的挤压作用将洗涤水分成细小的射流喷向档风玻璃，配合雨刮器起到清洁档风玻璃的作用。
　除了前档风玻璃雨刮器外，许多乘用车还装置了后玻璃窗雨刮器，驾车者雨天能看到车后的东西。有些高级乘用车上的前照灯也安装有类似雨刮器的清洗装置。后玻璃窗雨刮器和前照灯清洗装置没有专门的四连杆机构，只在电动机上附加一个紧凑的转换机构（例如齿条齿轮或四连杆机构），将旋转变为摆动。据欧美法规规定，当前照灯脏污到照明度降到20%时，前照灯清洗装置应当在8秒内洗涤干净污垢，使照明度恢复到80%。前照灯洗涤用的水由档风玻璃雨刮器储水箱提供，其喷水嘴的位置要设置合理才能使车辆在任何速度下都能使洗涤水喷到灯面上。
第三章 系统控制

3.1调速系统控制杆
3.1.1速度控制
汽车方向盘下方的多功能操作杆，就能调节雨刷器的运动速度，分为：1档，2档，3档。分别是慢，中快，快三个速度。这样就可以于外界下雨的大小来选择不同的档位来进行刷雨工作。
3.1.2使用位置
雨刷器不仅仅用于在汽车上，可以用在门窗、桌子或其他的地方
3.1.3电动机
本雨刷器是采用12v的直流电动机来带动雨刷器运动，从而开始刷雨的功能。

3.1.4齿轮传动
齿轮是是广泛用于机器设备中的传动零件，它的主要作用是：传递运动、改变运动方向和转速。齿轮传动的种类很多，常见的有：圆柱齿轮、斜齿轮、圆锥齿轮、蜗杆齿轮等。本雨刷器就用的上圆柱齿轮。

圆柱齿轮按其齿形可分为：直齿、斜齿、和人字齿等。
在这次的设计中所用是直齿的圆柱齿轮，也是根据所做的是一级传动，用直齿圆柱齿轮就能达到传动的要求。其一些基本参数如下：
（1）、齿数Z-齿轮上轮齿的个数，设计时是根据传动比确定的。
（2）、模数M-齿轮设计的重要参数。模数是这样引出的，分度圆的周长可由一式求得：
分度圆周长=3.14*D/2
模数的选择不是单一的,同样也要根据国定标准选择。 17
（3）、压力角a—两齿轮啮合时，在节点C时，两齿轮轮廓的公法线与两轮中心连线的垂线之间的夹角，又称啮合角。我国规定标准渐开线齿轮的压力角a=20度。

直流电机驱动主动齿轮旋转，经过调隙齿轮，再经过两级齿轮传动，带动滚珠丝杆转动，从而带动安装在滚珠丝杆螺母装置上的工作台作往复直线运动。通过给定不同的负载和改变传动比，利用调速系统控制杆启动和速度控制雨刷器的运动速度。过采用负载角加速度最大原则对负载转动惯量等的折算来选择总传动比，以提高系统的响应速度。，使雨刷器在不同的使用环境下具有较高的响应速度和稳定的工作状态。
3.2可编程序控制器（PLC）
在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按预定的时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控制的装置称为顺序控制器。以往顺序控制器主要是由继电器组成，改变生产线工序、执行次序或条件需改变硬件连线。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的应用，顺序控制器开始采用类似微型计算机的通用结构，把程序存储于存储器中，用软件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电器完成的功能，形成了可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）。现在它已经发展成了除了可用于顺序控制，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算、联网等能力的多功能控制器。因此，现已把它们统称为可编程序控制器PLC（Programmable Controller）。
图2－1是PLC应用于逻辑控制的简单事例。输入信号由按扭开关、限位开关、继电器触点等提供各种开关信号，并通过接口进入PLC，经PLC处理后产生控制信号，通过输出接口送给线圈、继电器、指示灯、电动机等输出。

图2-1 PLC逻辑控制电路
3.2.1 PLC组成的原理
PLC实际上是一个专用计算机，它的结构组成与通用微机基本相同，主要包括：CPU、存储器、接口模块、外部设备、编程器等。下面介绍PLC的各主要部分。
1、CPU 与通用微机CPU一样，它按PLC的系统程序的要求，接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；用扫描的方式接收现场输入装置的状态和数据，并存入输入状态表或数据寄存器中；诊断电源、内部电路的故障和编程过程中的语法错误等。PLC进入运行状态后，从存储器逐条读入用户程序，经过命令解释后按指令规定的任务产生相应的控制输出，去启动有关的控制门电路，分时、分渠道地执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等工作；完成用户程序规定的逻辑和算术运算等任务；根据运算结果更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，再由输出状态表的位状态和数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表打印和数据通信等内容。
PLC的运行方式是采取扫描工作机制，这是和微处理器的本质区别。扫描工作机制就是按照定义和设计的要求连续和重复地检测系统输入，求解目前的控制逻辑，以及修正系统输出。在PLC的典型扫描机制中，I/O服务处于扫描周期的末尾，并且为扫描计时的组成部分。这种典型的扫描称为同步扫描。扫描循环一周所花费的时间为扫描

周期。根据不同的PLC扫描周期一般为10~100ms。在多数
PLC中，都设有一个“看门狗”计时器，测量每一次扫描循环的长度，如果扫描时间超过预设的长度（例如150~200ms），系统将激发临界警报。参考图2－2，在同步扫描周期内，除I/O扫描之外，还有服务程序，通信窗口，内部执行程序等。

启 动

服务程序
内部执行程序
通信窗口

I/O扫描
逻辑方程求解

图2－2 PLC的扫描工作机制
2、存储器 存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。
系统程序存储器的作用是存放监控程序、命令解释、功能子程序、调用管理程序和各种系统参数等。系统程序是由PLC生产厂家提供的，并固化在存储器中。
用户存储器的作用是存储用户编写的梯形逻辑图等程序。用户程序是使用者根据现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。PLC产品说明中提供的存储器型号和容

量一般指的是用户程序存储器。
3、接口模块 它是CPU与现场I/O装置和其他外部设备之间的连接部件。PLC是通过接口模块来实现对工业设备或生产过程的检测、控制和联网通信。各个生产厂家都有各自的模块系列供用户选用。PLC模块包括：如下几种类型：
1）数字量I/O模块：完成数字量信号的输入/输出，一般替代继电器逻辑控制。数字量输入模块的技术指标有：输入点数、公共端极性、隔离方式、电源电压、输入电压和输出电流等；数字量输出模块的技术指标有：输出形式、输出点数、公共端极性、隔离方式、电源电压、输出电流、响应时间和开路端电流等。
2）模拟量I/O模块：控制系统中，经常要对电流、电压、温度、压力、流量、位移和速度等模拟量进行信号采集和输入给CPU进行判断和控制，模拟量输入模块就是用来将这些模拟量输入信号转换成PC能够识别的数字量信号的模块，模拟量输入模块的技术指标包括：输入点数、隔离方式、转换方式、转换时间、输入范围、输入阻抗和分辨率等。模拟量输出模块就是将CPU输出的数字信息变换成电压或电流对电磁阀、电磁铁和其他模拟量执行机构进行控制，它的技术指标包括：输出点数、隔离方式、转换时间、输出范围、负载电阻和分辨率等
3）专用和智能接口模块：上述的接口模块都是在PLC的扫描方式下工作的，能满足一般的继电器逻辑控制和回路调节控制，然而对于同上位机通信、控制CRT和其他显示器、连接各种传感器和其他驱动装置等工作需要专门的接口模块完成。专用和智能接口模块主要有：扩展接口模块、通信模块、CRT/LCD控制模块、PID控制模块、高速计算模块、快速响应模块和定位模块等
4）编程器 为用户提供程序的编制、编辑、调试和监控的专用工具，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一

些内部状态和系统参数。它通过通信端口与CPU联系，完
成人机对话功能。各个厂家为自己的PLC提供专用的编程器，不同品牌的PLC编程器一般不能互换使用。

5）外部设备 一般PLC都可以配置打印机、EPROM写入器、高分辨率大屏幕显示器等外围设备。
3.2.2 PLC的性能
1 存储器 可以是带有电源保护的RAM、EPROM或EEPROM。
2 数字量输入/输出端子 具有继电逻辑控制中的输入/输出继电器功能，端子点数多少是决定PLC的控制规模的主要参数。
3 计数器和定时器 在PLC的逻辑顺序控制中，替代继电器逻辑控制中的时间继电器和计数继电器。
4 标志（软继电器） 在PLC的逻辑顺序控制中用作中间继电器，其中部分的标志具有保持作用。
5 平均扫描时间 指扫描用户程序的时间，决定了PLC的控制响应速度。
6 诊断 由通电检查和故障指示的软件完成
7 通信接口 一般采用RS232接口标准，可以连接打印机和上位机等设备。
8 编程语言 一般采用继电器控制方式的梯形图语言和语句表，并在此基础上建立的控制系统流程图和顺序功能图等语言。

除上述一般特性外，高性能的PLC还具有下列特性：
9 数据传送和矩阵处理功能 可以满足工厂管理的需要。
10 PID调节功能 备有模拟量的输入/输出模块和PID调节控制软件包，以满足闭环控制的要求。
11 远程I/O功能 输入/输出通道可分散安装在被控设备的附近，以减少现场电缆布线和系统成本。
12 图形显示功能 借助图形显示软件包（组态软件等），可显示被控设备的运行状态。方便操作者监控系统的运行。
13 冗余控制 控制系统设计中，备用一台同样的PLC系统作为待机状态，当原系统出现故障时，系统会自动切换，使待机的PLC投入运行，从而提高控制的可靠性。
14 网络功能 通过数据通道与其他数台PLC连接或与管理计算机连接，以构成控制网络，实现大规模生产管理系统。
3.2.3 PLC的结构
PLC的结构分成单元式和模块式两种。
1、单元式 特点是结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。它是将所有的电路都装在一个机箱内，构成一个整体。为了实现输入输出点数的灵活配置和易于扩展，通常都有不同点数的基本单元和扩展单元，其中某些单元为全输入和全输出型。
2、采用积木式组成方式 在机架上按需要插上CPU、电源、I/O模块、及各种特殊功能模块，构成一个综合控制系统。这种结构的特点是CPU与各种接口模块都是独立的模块，因此配置很灵活，可以根据不同的系统规模要求

选用不同档次的CPU等各种模块。由于不同档次模块的结构尺寸和连接方式相同，对I/O点数很多的系统选型、安装调试、扩展、维护都非常方便。目前大的PLC控制系统均采用该种结构。这种结构形式的PLC除了各种模块外，还需要用主基板、扩展基板及基板间连接电缆将各模块联成整体.
在此材料中所用的是OMRON—PLC ，其功能与其目的也是基本相同的。所以不管用那种PLC都能达到这一功能。但在各种PLC的接口与接线方式有所不同.

第四章 对整体尺寸的设计和材料参数的计算

4.1刮水器的机构简介及工作原理

汽车风窗刮水器是利用汽车刮水的驱动装置，如运动简图所示：风窗刮水器工作时，由电动机带动齿轮装置1-2，传至曲柄摇杆装置2-3-4，将电动机单向连续转动，转化为刷片4做往复摆动，其左右摆动的平均速度相同。

刮水器的运动简图

4.2原始数据
设计内容 曲柄摇杆机构的设计及运动分析
符号
n1
k
φ
LAB
LBC
LDS4
单位
r∕min
（°）
mm
mm
mm
mm
数据
30
1
120
47.5
352
420
4.3 雨刷器机构相关数据的计算及分析
1.LBC=180mm
2.极位夹角θ=180 (k-1)(k+1) ∴θ=0°
可见该机构无急回作用，可以达到摆臂左右摆动速度相同的要求。
3．传动角
r′=arcos(b^2+c^2-〖(d-a)〗^2)/2bc
r1′=180 - arcos(b^2+c^2-〖(d-a)〗^2)/2bc
计算得 r′= r1′=30

4.4加速度，速度多边形的计算与分析

1由已知条件可得：
VB=WAB×LAB
WAB=30π/60 m/s
LAB=47.5 mm
∴VAB=0.188 m/s
∴ a B=WAB²×LAB=0.232m²/s
选比例尺：μv=VB/pb=9.42 (m/s)/m
μa=a B/p`b`=29.5(m²/s)/m
理论力学公式：VC=VB+VBC
a C=a B+ a CB^n+a CB^t

2．

由图二的速度多边形及加速度多边形，根据比例尺得到：
VC =0 VBC=0.188m/s
a C^n=0 a BC^n=0.197m/s²
a C =p`c`*μa=1.6225 m/s²
3.

由图三的速度多边形及加速度多边形，根据比例尺得到：

VC =0.139 m/s VBC=0.056m/s

a C^n=0.280m/s² a BC^n=0.018m/s²
a C =p`c`*μa=0.472m/s²
4.

由图四的速度多边形及加速度多边形，根据比例尺得到：
VC =0.149 m/s VBC=0.031m/s
a C^n=0.319m/s² a BC^n=0.005m/s²
a C =p`c`*μa=0.59m/s²
5.

由图五的速度多边形及加速度多边形，根据比例尺得到：
VC =0.188 m/s VBC=0m/s
a C^n=0.513m/s² a BC^n=0m/s²
a C =p`c`*μa=0.56 m/s²

6.

由图六的速度多边形及加速度多边形，根据比例尺得到：
VC =0.194 m/s VBC=0.016m/s

a C^n=0.540m/s² a BC^n=0.002m/s²
a C =p`c`*μa=0.53 m/s²

7.

由图七的速度多边形及加速度多边形，根据比例尺得到：
VC =0.155 m/s VBC=0.026m/s

a C^n=0.349m/s² a BC^n=0.004m/s²
a C =p`c`*μa=0.68 m/s²
8.

4.5 刮刷面积的计算
通过改变摆杆的长度即可改变雨刷的刮刷面积
左摆杆长度为57mm,可增加的调节长度为19mm,左摆杆可增加到74mm。
右摆杆长度为117mm，可增加的调节长度为19mm,右摆杆可增加到130mm。
左雨刷刮刷面积为 （πR²-πr²）×[（117÷360）]=398607mm²
右雨刷刮刷面积为 （πR²-πr²）×[（52÷360）]=117159mm²

通过模拟雨刷连动杆运动可知
右雨刷在右摆杆增加到最大长度130mm时，右摆杆的运动角度为43°。
此时，右雨刷的刮刷面积为（πR²-πr²）×[（43÷360）]=146496mm²。原右摆杆位置时，刮刷面积为177159mm²，所以增加或者减小摆杆1mm长度，刮刷面积可改变（177159-146496）÷19=1913mm²。即增加或减小摆杆长度1mm时，右雨刷的刮刷面积即可增加或减小1613mm²。
同理，左雨刷在左摆杆增加到最大长度74mm时，右摆杆的运动角度为82°
左雨刷的刮刷面积为（πR²-πr²）×[（82÷360）]=279365mm²。原右摆杆位置时，刮刷面积为177159mm²，所以增加或者减小摆杆1mm长度，刮刷面积可改变（398607-279365）÷19=6275mm²。即增加或减小摆杆长度1mm时，右雨刷的刮刷面积即可增加或减小6275mm²。

4.6 Matlab／SimMechanics建模与仿真
1.电动机轴输出力矩信号
2.刮臂运动信号（刮臂的位移，角速度及角加速度信号图）

总体结论

从这次的毕业设计来说。是对我们四年来的一个总结与检查。同时也是一个补充性的学习。也就是在这样的学习中，才更有利于我们的进步以及加快成才。为能达到一定的标准而进行的一次整体性的提高。
从我们开始性的了解，变为了可以在机电相结合起来的运用。这也是这两个月来的最大进步。在对于像我们这样的机械性人才。如果只是对机械、电气以及其它方面的相对单一的认识与了解。那是绝对不行的。因为在现代化的社会里。不仅要有一定的专长。还要对你的专长的相关性比较强的学科有一不定的了解与认识。从而才能够满足社会的要求。
在这次对汽车雨刷器的设计过程中，是一个进行改装的设计思想，一个好的想法没那么容易实现。通过查阅资料知道了在汽车雨刷器直流电机驱动主动齿轮旋转，经过调隙齿轮，再经过两级齿轮传动，带动滚珠丝杆转动，从而带动安装在滚珠丝杆螺母装置上的工作台作往复直线运动。通过给定不同的负载和改变传动比，利用光栅和旋转编码器测定工作台启动和制动的位移，一方面通过采用负载角加速度最大原则对负载转动惯量等的折算来选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。另一方面通过改变级数和传动比来优化系统结构，使系统在不同的使用环境下具有较高的响应速度。
以及在总体的系统中，对PLC以及电动机两大重要的电气系统有了一定的认识与了解。也是在一个完整的系统中，也就要把几个大的部件能有效的联系起来。运用其最大的优点。也是一个整体系统的优秀体现。
总得来说，在这一次毕业设计中，对我的机械与电气的有效结合与运用，也更加提高了我的整体专业能力。

参考文献
主编 张正智《中国轿车丛书捷达》 北京 北京理工大学出版社 2009年1月