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

王霞，彭賀

（北華大學(xué),吉林 吉林 132021）

在立體車庫中設(shè)計自動搬運小車，即使無人值守，也能夠進行車輛的存放和提取。設(shè)計立體車庫自動搬運小車機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)時，既要注重其安全性和平穩(wěn)性，又要兼顧模塊化和集約化，確保立體車庫的高效化和智能性，使其具備安全、便捷、定位準(zhǔn)確等優(yōu)勢。

1 設(shè)計分析

小車搬運過程中，由轎車后方，以直線方向，進入底盤下方。分別借助夾持器和PLC，對轎車前輪進行定位，控制搬運車，對前輪進行加持，使其脫離地面。定位后夾持器，將后輪抬起。夾持機構(gòu)具備自鎖功能，這使得夾持過程更加穩(wěn)定、可靠。PLC將脈沖指令發(fā)送至車輪電機驅(qū)動器，完成搬運工作之后，路標(biāo)信號被傳送至傳感器，即時制動，以規(guī)避事故問題。恢復(fù)夾持器至原位，釋放轎車之后，搬運車立刻從轎車底部離開。

通常情況下，搬運車限高12cm，行駛于車底時，限寬1235.6cm，工作承重和適配車型軸距也有明顯規(guī)定。以此為背景，該設(shè)備優(yōu)選蝸輪聯(lián)動的改良輥輪夾持器，并輔之以PLC、光電傳感器、車輪驅(qū)動、錐齒輪等設(shè)備，實現(xiàn)對機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計，提高立體車庫自動搬運小車過程中的精確度。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計夾持機構(gòu)

該設(shè)計選擇輥輪機構(gòu)作為夾持機構(gòu)，設(shè)計原則為調(diào)整夾持臂圓柱截面，使之變?yōu)橹苯翘菪?，兩?cè)斜邊則以鈍角V形槽形式存在，確保輪胎接觸性能良好，以免出現(xiàn)損傷情況。將輔助輪設(shè)置在夾持臂末端，作為支承存在，從而使夾持臂具備較好的剛度和負(fù)載性能，當(dāng)許用撓度相同時，使夾持臂的許用承載力得到提高。執(zhí)行夾持操作時，兩側(cè)坡面雙向夾持力會對輪胎產(chǎn)生影響，沿鉛垂方向上移。蝸輪聯(lián)動夾持臂需要完成直角回轉(zhuǎn)操作，確保在各規(guī)格輪胎中的適用性。蝸輪傳動比具備很大范圍，無論是傳動精度，還是效率都非常高，而且使用周期長。青銅蝸輪具備很好的減磨性及抗膠合能力。調(diào)制鋼蝸桿，對其進行磨削和拋光操作，使其具備極強的承載性能，提升許用相對滑動速度。對青銅蝸輪進行單獨鑄造，應(yīng)用螺旋在45鋼支撐臂上對其進行安裝。

將轎車重力假定為G，每個輪胎承受的負(fù)載為轎車重力的1/4，用兩支支撐臂對各輪胎進行支撐，故而支撐臂各自對鉛錘分力F1進行克服，該背景下各輪胎承受的負(fù)載相當(dāng)于鉛垂分力的兩倍。

假定車輪與支撐臂接觸點及輔助輪的距離，以及支撐臂兩個支撐點間距。桿件最大應(yīng)力往往產(chǎn)生在F1受力點部位。以圓柱方式處理支撐臂截面，對支撐臂最大剪力、圓柱截面桿件慣性矩、負(fù)載背景下支撐臂的撓度等指標(biāo)進行計算，倘若計算結(jié)果與桿件許用撓度相符合，表明支撐臂的剛度滿足系統(tǒng)設(shè)計及使用要求。

2.2 選擇和傳遞夾持器動力

因轎車重量產(chǎn)生的負(fù)載由夾持器承擔(dān)，以蝸輪蝸桿和齒輪系為載體，傳至伺服電機，并對驅(qū)動所需功率予以估計。具體操作過程中，縮小傳動比，優(yōu)選包含減速器的伺服電機，得出較高輸出扭矩。如果單級減速傳動比在2以上，會使低速齒輪齒頂圓超過Φ100mm，則無法滿足底盤高度限制。故而選用二級齒輪傳動方式。當(dāng)齒輪嚙合效率、軸承傳動效率、聯(lián)軸器效率等指標(biāo)已知時，得出二級齒輪傳動效率，預(yù)估傳動比，并以等接觸強度為依托，對高、低速級齒輪傳動比予以分配。確定齒數(shù)之后，對低速級小齒輪分度圓進行計算，保證其強度。齒輪齒頂圓要比轎車底盤高度小，結(jié)合材料性能，對齒輪系的彎曲疲勞強度和齒根強度進行驗算，并對夾持器上蝸輪蝸桿的使用壽命具備清晰的認(rèn)識。該過程中，也要借助花鍵對扭矩進行傳遞，從而滿足動力系統(tǒng)強度要求。

2.3 間距調(diào)整機構(gòu)

通過間距調(diào)整機構(gòu)設(shè)置，對前后小車間距進行調(diào)整。電機依托錐齒輪實現(xiàn)絲杠和螺母相對運動，繼而對連桿相互位置關(guān)系進行調(diào)整，使光杠和絲杠間距發(fā)生改變，對小車前后間距進行調(diào)整。將鉸鏈構(gòu)造平行四邊形設(shè)置在連桿上，使車身和連桿機構(gòu)中軸線保持重合，以免因車身無法固定，出現(xiàn)前后機構(gòu)偏離情況，使機構(gòu)具備較好的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性。

如圖1所示，間距調(diào)整機構(gòu)動力傳動路線圖。

圖1 間距調(diào)整機構(gòu)動力傳動路線圖

3 搬運車控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件部分

將硬件部分細(xì)化為命令觸發(fā)端口、PLC設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備三部分內(nèi)容。執(zhí)行設(shè)備和相關(guān)驅(qū)動器作為最終執(zhí)行者，實現(xiàn)產(chǎn)品功能，產(chǎn)品性能往往與電機運行狀態(tài)相關(guān)。伺服電機在速度和位置控制方面，具備很高的精準(zhǔn)度，響應(yīng)靈敏，能夠轉(zhuǎn)化電壓和頻率信號，使其以扭矩和轉(zhuǎn)速特征形式存在。電機常數(shù)小，矩頻曲線線性度高，始終處于平穩(wěn)運行狀態(tài)，而且無噪音干擾，能夠確保搬運車在工作過程中精密控制時間和位置信息等。

3.2 產(chǎn)品控制系統(tǒng)設(shè)計

立體車庫自動搬運系統(tǒng)運行過程中，僅有單臺電機處于工作狀態(tài)，依托PLC特有的STL指令，使得其余電機始終保持?jǐn)嚯姾椭苿訝顟B(tài)，最大程度規(guī)避誤觸情況及運行故障。電機的正反轉(zhuǎn)對端子互鎖進行輸出，滿足單向輸出要求。該背景下，依托濾波器和解調(diào)器對外界干擾進行規(guī)避，或者采用伺服驅(qū)動器和電機構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生環(huán)境干擾情況時，在第一時間及時響應(yīng)，使電機具備很高的運行精度。立體車庫自動搬運小車機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)之所以能夠準(zhǔn)確反饋和快速響應(yīng)，得益于PLC、光電傳感器、伺服電機的有效配合。將伺服報警輸出繼電器串聯(lián)至伺服驅(qū)動上，無論是繼電器線圈、發(fā)光二級管，還是蜂鳴器都能夠發(fā)出報警信號。這一過程中，通過對主電源線上的常閉觸點動作進行觸發(fā)，將電機電源切斷，停止系統(tǒng)運行。圖2所示為3系統(tǒng)運行流程圖。

4 結(jié)語

圖2 系統(tǒng)運行流程圖

綜上所述，以PLC和伺服電機等為基礎(chǔ)，對自動搬運小車進行設(shè)計，不僅結(jié)構(gòu)簡潔，而且設(shè)備高度非常小，適用范圍廣，工作效率高，能夠在汽車底部對輪胎進行靈活起重和夾持，并完成一系列復(fù)雜操作。同時，在立體車庫自動搬運小車機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計中，增加傳感器設(shè)置，對車輛動態(tài)信息進行自動收集，提高車庫日常管理自動化水平，減少不必要的人工及資金投入。