立體車庫自動搬運小車機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計

張晉暢，沈興全

（1.中北大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，太原 030051；2.中北大學(xué) 山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，太原 030051）

立體車庫自動搬運小車機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計

張晉暢1,2，沈興全2

（1.中北大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，太原 030051；2.中北大學(xué) 山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，太原 030051）

現(xiàn)代城市車輛的爆炸式增長，使機械立體車庫應(yīng)運而生，在有限的城市空間內(nèi)集約高效地發(fā)揮優(yōu)勢，較好地解決城市泊車難的問題[1]。但在狹小的車庫內(nèi)，傳統(tǒng)搬運系統(tǒng)配套設(shè)施數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間利用率低。針對機械式立體車庫搬運設(shè)備的結(jié)構(gòu)和運行方式，設(shè)計出改進式輥輪夾持搬運車。以傳動比高、強度高的蝸桿和蝸輪作為傳動機構(gòu)[2]，同時增設(shè)傳感器與PLC，實現(xiàn)設(shè)備自動化、精準(zhǔn)化；設(shè)備具備自鎖功能，且符合國內(nèi)消防規(guī)范指標(biāo)要求；這是立體車庫自動搬運小車設(shè)計的有益探索。

機械立體車庫；自動搬運小車；夾持起重方式；PLC

0 引言

搬運車的設(shè)計初衷是實現(xiàn)在無人值守時，自主在立體車庫中的存放和提取車輛；在保證平穩(wěn)、安全、快捷的同時，追求集約化、模塊化設(shè)計，精簡結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)擴充。國家發(fā)改委于2015年出臺《關(guān)于加強城市停車設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》，刺激和推動了機械立體停車行業(yè)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展；截至2016年4月，我國先后頒發(fā)立體車庫搬運設(shè)備相關(guān)專利97件，立體車庫相關(guān)專利2350件。傳統(tǒng)載車板交換式、機械夾持輪胎式等設(shè)備效率低、空間利用率小，無法滿足當(dāng)前立體車庫高效智能的新需求。本文在分析了立體車庫搬運要求和工作流程的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)搬運設(shè)備笨重、低效、復(fù)雜等缺點，基于PLC、光電傳感器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)等設(shè)計出自動化轎車搬運設(shè)備，旨在滿足安全、便捷，高定位精度等性能要求。

1 設(shè)計分析

鑒于搬運機構(gòu)需在轎車底盤下有限空間內(nèi)靈活運動和對待搬運車輛準(zhǔn)確定位，得滿足高定位、運動精度和小尺寸的要求[2]。搬運小車從轎車后方沿直線駛?cè)氲妆P下，當(dāng)前夾持器完成轎車前輪定位，PLC控制搬運車停車并夾持前輪離開地面。在間距調(diào)整機構(gòu)配合下，后夾持器定位并抬起后輪。夾持機構(gòu)自鎖可保證夾持穩(wěn)定性和可靠性。PLC持續(xù)向車輪電機驅(qū)動器發(fā)送脈沖指令，當(dāng)搬運到位、傳感器收到路標(biāo)信號后即時制動，避免發(fā)生事故。隨后夾持器復(fù)位、釋放轎車，搬運車快速駛離轎車底部。

綜合多種轎車參數(shù)得知，搬運車限高120mm，在車底行駛時，搬運車限寬1356mm；工作承重1120kg～1900kg，適配車型軸距2630mm～2820mm。據(jù)此，本設(shè)備初步采用蝸輪聯(lián)動的改良輥輪夾持器，結(jié)合重合度高的錐齒輪、斜齒輪以及PLC、光電傳感器和車輪驅(qū)動，力求開發(fā)出自動控制的高精度機電一體化產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)設(shè)計

由于空間狹小、負(fù)載大，故使用尺寸小、扭矩大、響應(yīng)靈敏的伺服電機為動力。PLC作為控制裝置，擴展性和穩(wěn)定性優(yōu)越，配合光電傳感器和繼電器等裝置容易實現(xiàn)輕量化和良好的響應(yīng)特征[3]。斜齒輪和錐齒輪傳動，同時依據(jù)嚙合速度采用滴油潤滑方式。

2.1 夾持機構(gòu)設(shè)計

考慮到以往夾持機構(gòu)引起的輪胎變形和低效率，本設(shè)計采用改進的輥輪機構(gòu)。將夾持臂的圓柱截面調(diào)整為直角梯形，兩側(cè)斜邊構(gòu)成鈍角V形槽，使輪胎具備良好的接觸特征，避免輪胎損傷[4,5]。為了增強夾持臂的剛度和負(fù)載性能，在夾持臂末端增加輔助輪作為支承，在相同許用撓度下提高夾持臂的許用承載能力。夾持過程中，輪胎受兩側(cè)坡面雙向夾持作用，沿鉛錘方向產(chǎn)生向上位移。為適宜不同規(guī)格的輪胎，由蝸輪聯(lián)動夾持臂完成90°回轉(zhuǎn)動作。蝸輪傳動比范圍大，傳動效率和精度高，壽命長。青銅蝸輪的減磨性良好、抗膠合能力強；調(diào)制鋼蝸桿經(jīng)磨削、拋光，提高其承載性能和許用相對滑動速度[1,5,6]。為節(jié)約材料，方便制造，需單獨鑄造青銅蝸輪，通過螺栓安裝在45鋼支撐臂上。

圖1 夾持臂機械結(jié)構(gòu)圖

圖2 輪胎夾持狀態(tài)

圖3 輪胎和夾持臂接觸點受力分析

圖4 夾持臂的受力

擬定轎車重力為G，每個輪胎承受G/4的負(fù)載。每個輪胎由兩支支撐臂支撐，所以支撐臂各自克服鉛錘分力F1，且L1即車輪與支撐臂接觸點與輔助輪的距離，L2是支撐臂的兩個支撐點的間距。桿件的最大應(yīng)力出現(xiàn)在F1受力點處。為計算方便，將支撐臂截面按圓柱處理。支撐臂最大剪應(yīng)力：

圓柱截面桿件的慣性矩：

相應(yīng)支撐臂在承受負(fù)載情況下的撓度：

若滿足桿件許用撓度，則證明支撐臂的剛度符合設(shè)計和使用要求。

2.2 夾持器動力選擇與傳遞

夾持器承受由轎車重量產(chǎn)生的負(fù)載，通過蝸輪蝸桿以及齒輪系傳遞給伺服電機。預(yù)估計驅(qū)動所需要的功率。

為獲得較高的輸出扭矩，縮小傳動比，選擇帶減速器的伺服電機。傳動比大于2的單級減速會使得低速齒輪齒頂圓超過Φ100mm，難以滿足底盤120mm的高度限制。因此采用二級齒輪傳動。由相關(guān)手冊查得，齒輪嚙合效率為97%，軸承傳動效率98%，聯(lián)軸器效率為99%[6]。二級齒輪傳動的效率η：

傳動比估計：

依據(jù)等接觸強度分配高速、低速級齒輪傳動比：

其中齒輪系總傳動比i，低速級齒輪的傳動比i1。確定齒數(shù)后即可檢驗低速級的小齒輪分度圓d1，確保強度。

除了要確保齒輪齒頂園小于轎車底盤高度。還需要依據(jù)材料性能驗算齒輪系的彎曲疲勞強度和齒根強度，以及夾持器上蝸輪蝸桿的使用壽命。為保證動力系統(tǒng)的強度，必要時可以適當(dāng)應(yīng)用花鍵傳遞扭矩。

2.3 間距調(diào)整機構(gòu)

為了調(diào)整前后小車的間距，特設(shè)置了間距調(diào)整機構(gòu)。利用平行四邊形機構(gòu)對角線垂直和連桿機構(gòu)的運動特性，電機通過錐齒輪使得絲杠和螺母相對運動，進而調(diào)整連桿的相互位置關(guān)系，改變光杠和絲杠的間距，實現(xiàn)小車前后兩部間距調(diào)整的目的。在連桿上增加鉸鏈構(gòu)造平行四邊形，確保車身與連桿機構(gòu)的中軸線重合，避免車身缺乏固定而導(dǎo)致前后機構(gòu)偏離，有效提升機構(gòu)協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。

圖5 間距調(diào)整機構(gòu)動力傳動路線圖

3 搬運車控制部分的設(shè)計

機電一體化是當(dāng)今工業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的主要潮流，目前集成度較高、控制性能穩(wěn)定，體積小、能耗低的PLC逐漸成為工業(yè)產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)的主要角色。PLC的步進梯形指令（STL指令）利用STL指令和RET指令實現(xiàn)了專用順序控制。STL指令不但可以直接驅(qū)動Y/M/S/T等軟元件和應(yīng)用指令，而且使用自保持功能和自動復(fù)位功能，使程序分支的轉(zhuǎn)換條件和轉(zhuǎn)換結(jié)果并聯(lián)電路的設(shè)計得以簡化，也保證了程序和設(shè)備運行的安全性。

3.1 硬件部分

硬件部分宏觀地來講可以分為三個部分：命令觸發(fā)端口、PLC設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備（電機）。電機和相應(yīng)的驅(qū)動器是實現(xiàn)產(chǎn)品功能的最終執(zhí)行者，本產(chǎn)品的性能與電機的運行狀態(tài)息息相關(guān)。伺服電機最大的特點在于速度控制和位置控制精度準(zhǔn)確，響應(yīng)靈敏，可以把電壓、頻率信號轉(zhuǎn)化為扭矩和轉(zhuǎn)速特征，電機常數(shù)小，矩頻曲線線性度高，運行平穩(wěn)，噪音低，效率高，滿足搬運車運行時及時對位置信息和時間實現(xiàn)精密控制的要求。

鑒于三菱PLC的通用性和高性價比，本文采用FX1S-30MR-001。表1和圖8是節(jié)點端子分配表和流程圖。

表1 PLC功能指令表

圖6 順序功能圖

3.2 產(chǎn)品控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)運行時始終只有一臺電機工作，利用PLC特有的STL指令將其余電機保持?jǐn)嚯姟⒅苿訝顟B(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)單一，以免造成誤觸和運行故障。電機的正反轉(zhuǎn)輸出端子互鎖，確保單向輸出。除此之外，憑借濾波器和解調(diào)器減少外界干擾，或者用伺服驅(qū)動器與電機構(gòu)建起閉環(huán)控制細(xì)聽，實現(xiàn)對環(huán)境干擾的即時精準(zhǔn)響應(yīng)，可有效提高電機的運行精度。PLC、光電傳感器與伺服電機的配合使用為系統(tǒng)準(zhǔn)確反饋和快速響應(yīng)創(chuàng)造有利條件。在伺服驅(qū)動上串聯(lián)伺服報警輸出繼電器，繼電器線圈與發(fā)光二極管、蜂鳴器可發(fā)揮報警功能，觸發(fā)主電源線上的常閉觸點動作——切斷電機電源，是系統(tǒng)停止工作。

圖7 PLC輸出端口接線圖

4 結(jié)束語

本課題基于PLC、伺服電機設(shè)計出自動搬運小車，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡潔、設(shè)備高度小、工作效率高、適用范圍廣的要求，可以進入汽車底部夾持和起重汽車輪胎，并完成相對復(fù)雜的動作。在本設(shè)計中，實現(xiàn)了以下兩個創(chuàng)新：1）夾持起重機構(gòu)采用蝸桿和蝸輪、滑動絲杠和錐齒輪系組合機構(gòu)，實現(xiàn)自鎖功能；2）自動搬運小車工作時能夠自主完成對待載運汽車的定位、夾持起重、搬運等任務(wù)；有安全保護措施。本設(shè)計需要改善自動定位性能，改進定位方法，使其能夠在任意姿態(tài)下完成自動定位；改善機構(gòu)設(shè)計，使其更加靈巧、緊湊； 提高控制系統(tǒng)的智能化；增設(shè)傳感器，收集更多的狀態(tài)信息，提高其自動化水平。

圖8 系統(tǒng)運行流程圖

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2017-03-03

山西省回國留學(xué)人員項目基金（2015-077）；中北大學(xué)?；痦椖浚╔JJ2016005）；先進制造技術(shù)山西省重點實驗室項目（XJZZ201602）

張晉暢（1994 -），男，山西呂梁人，碩士研究生，研究方向為深孔加工技術(shù)。