新型自動(dòng)化圓筒式自行車(chē)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳飛躍，殷華鋒，涂亞?wèn)|，杜 嬌，徐小兵

(長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434020)

0 引言

國(guó)內(nèi)外立體自行車(chē)庫(kù)基本很少。現(xiàn)階段，共享單車(chē)的亂停亂放，車(chē)輛損壞量大等問(wèn)題層出不窮；并且對(duì)共享單車(chē)的大量涌入問(wèn)題仍無(wú)有效的解決辦法。因而設(shè)計(jì)新型圓筒式自行車(chē)庫(kù)及其液壓控制系統(tǒng)并配合ZigBee(無(wú)線傳感器)技術(shù)以保證車(chē)庫(kù)的高效，高自動(dòng)化運(yùn)作，可有效解決城市中共享單車(chē)多、亂、損耗大等問(wèn)題。

本文研究的新型自動(dòng)化圓筒式自行車(chē)庫(kù)，以一種新結(jié)構(gòu)圓筒式車(chē)庫(kù)為載體；其具有存儲(chǔ)容量大、占地面積極少、車(chē)輛存取方便快捷、可有效減少車(chē)輛損壞率等優(yōu)勢(shì)。且依據(jù)車(chē)庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能實(shí)現(xiàn)，采用PLC控制器充分提高其對(duì)城市內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性及抗干擾性。

1 圓筒式自行車(chē)庫(kù)的結(jié)構(gòu)及工作原理

該車(chē)庫(kù)含有階梯型存車(chē)架，存車(chē)架下部以三角支撐，上部有電磁夾持固定裝置。整體車(chē)庫(kù)放置于地下，提升機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)位于存車(chē)庫(kù)軸線處。抓取機(jī)械手與轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)固聯(lián)，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)與提升機(jī)構(gòu)固聯(lián)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

1.頂端固定圓盤(pán) 2.頂端旋轉(zhuǎn)固定總成 3.齒條立架 4.平衡立柱 5.轉(zhuǎn)運(yùn)軌道總成 6.機(jī)械手總成 7.移運(yùn)小車(chē)總成 8.底端液壓馬達(dá)總成 9.底端固定座 10.停車(chē)立架單元 11.提升裝置總成 12.停車(chē)軌道架圖1 自行車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖

存放過(guò)程：提升移運(yùn)機(jī)構(gòu)初始于頂端，且移運(yùn)軌道與存取口軌道平齊；自行車(chē)停于存取口固定位置處，接著移運(yùn)小車(chē)移至固定位置，隨之機(jī)械手夾緊自行車(chē)前輪內(nèi)轂，并稍提起一定高度，之后將自行車(chē)移至移運(yùn)軌道上，移運(yùn)完畢即停止工作；提升機(jī)構(gòu)載著自行車(chē)及移運(yùn)裝置上下移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，至存車(chē)位置處即停止工作；移運(yùn)小車(chē)推動(dòng)自行車(chē)移向存車(chē)軌道架，到指定位置處即停止工作，同時(shí)存車(chē)軌道上所對(duì)應(yīng)的電磁固定裝置以軌道上的壓力傳感器控制對(duì)自行車(chē)進(jìn)行夾持固定，之后機(jī)械手釋放自行車(chē)前輪；最后位置復(fù)位。

取車(chē)過(guò)程：用戶以刷卡取車(chē)，整體機(jī)構(gòu)接收到刷卡信號(hào)后，提升機(jī)構(gòu)移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)至取車(chē)位置處，接著與停車(chē)過(guò)程相同；待移運(yùn)完成，提升機(jī)構(gòu)載著自行車(chē)回至頂端，之后移運(yùn)小車(chē)將自行車(chē)移至出口處，用戶即可取車(chē)；最后位置復(fù)位。

1.平衡立柱 2.移運(yùn)小車(chē)總成 3.移運(yùn)架總成 4.提升機(jī)構(gòu) 總成圖2 內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)整體圖

1.機(jī)械手支撐架 2.機(jī)械手 3.液壓馬達(dá) 4.齒條 5.移運(yùn)軌 道 6.渦輪 7.蝸桿 8.齒輪圖3 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 液壓系統(tǒng)原理分析

對(duì)圓筒式自行車(chē)庫(kù)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析，按其功能實(shí)現(xiàn)分為：旋轉(zhuǎn)提升液壓系統(tǒng)及平移轉(zhuǎn)運(yùn)液壓系統(tǒng)。所有控制閥均采用電磁和手柄2種操作模式，以便故障時(shí)，采用手動(dòng)應(yīng)急模式。整體液壓系統(tǒng)原理如圖4所示。

1.過(guò)濾器 2.冷卻器 3.電機(jī) 4.雙聯(lián)泵 5.恒功率變量泵 6.電磁溢流 閥 7.升降液壓馬達(dá) 8.底部旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá) 9.移運(yùn)液壓馬達(dá) 10.機(jī)械 手液壓缸 11.支撐液壓缸 12.電液比例調(diào)速閥 13.電液換向閥 14.限 速閥 15.液壓鎖 16.緩沖閥圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

2.1 旋轉(zhuǎn)提升液壓系統(tǒng)分析

該液壓系統(tǒng)采用閉式液壓回路。系統(tǒng)有1臺(tái)雙聯(lián)泵供油，2臺(tái)定量液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)升降移運(yùn)，1臺(tái)定量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)提升，各馬達(dá)之間為并聯(lián)連接。開(kāi)機(jī)定量泵穩(wěn)定供油，電磁溢流閥穩(wěn)定油壓；電液換向閥控制各液壓馬達(dá)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止；電液比例調(diào)速閥控制各液壓馬達(dá)的快轉(zhuǎn)和慢轉(zhuǎn)；為防止重力超速，對(duì)升降回路安裝有限速閥。

為保證提升平臺(tái)升降回路中的同步驅(qū)動(dòng)，計(jì)算機(jī)采用主從式同步控制，使其中一個(gè)回路作為主回路依照系統(tǒng)設(shè)定的速度運(yùn)行，以主回路執(zhí)行構(gòu)件位置輸出為理想輸出，從回路為隨動(dòng)回路，實(shí)時(shí)跟蹤主回路的理想輸出并達(dá)到同步驅(qū)動(dòng)。

2.2 平移轉(zhuǎn)運(yùn)液壓系統(tǒng)

該液壓系統(tǒng)有1臺(tái)雙聯(lián)量泵，1臺(tái)恒功率變量泵及1臺(tái)定量液壓馬達(dá)。定量泵供油，并通過(guò)電液比例調(diào)速閥及電液換向閥的共同調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)移運(yùn)小車(chē)液壓馬達(dá)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、快轉(zhuǎn)及慢轉(zhuǎn)的控制。變量泵供油，分別供給支撐液壓缸和機(jī)械手夾持液壓缸。支撐液壓缸通過(guò)電液換向閥控制液壓缸的收縮與伸長(zhǎng)；因小車(chē)前端只需抬起一小段高度即在其油路中加入電液比例調(diào)速閥。機(jī)械手液壓缸通過(guò)變量泵本身系統(tǒng)壓力的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，并配合機(jī)械手夾持塊處的壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋夾持壓力的變化，進(jìn)而有效夾緊部件。

移運(yùn)液壓馬達(dá)經(jīng)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)齒輪，實(shí)現(xiàn)小車(chē)沿移運(yùn)軌道平移；支撐及夾持液壓缸通過(guò)閥及變量泵的共同調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)推、收動(dòng)作。夾緊及支撐液壓缸均安裝有液壓鎖，以保證運(yùn)行的安全性。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用可編程控制器(PLC)控制及配合ZigBee技術(shù)(無(wú)線傳感器)、人機(jī)交互技術(shù)，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一體化控制。ZigBee技術(shù)的原理如圖5所示。系統(tǒng)流程以存、取兩個(gè)單獨(dú)控制模塊系統(tǒng)指出PLC控制的具體工作。

圖5 無(wú)線傳感器基本原理圖

3.1 電氣控制原理

按照輸入的指令信號(hào)PLC控制各個(gè)電磁閥，根據(jù)位移傳感器、角位移傳感器及壓力傳感器的反饋信號(hào)與指令信號(hào)相比較，構(gòu)成3個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)；以實(shí)現(xiàn)位置定位、角度定位及加持力大小定值。

電控系統(tǒng)主要由電源、控制主機(jī)部分、各傳感器、電機(jī)、人機(jī)交互界面組成，PLC系統(tǒng)經(jīng)UPS電源將市電220V交流電轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)所用的24DC。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 系統(tǒng)流程

以存、取兩個(gè)不同的工作方式，對(duì)其分別進(jìn)行流程控制，如圖7、圖8所示。

圖7 取車(chē)流程圖

圖8 存車(chē)流程圖

存、取車(chē)流程分別定義了各個(gè)功能部件的動(dòng)作步驟，對(duì)于關(guān)鍵步驟的配合和連鎖需進(jìn)行條件判斷，即滿足條件則執(zhí)行下一步驟，否則進(jìn)入循環(huán)等待。該控制系統(tǒng)通過(guò)PLC的順序控制、相關(guān)繼電器的使用及傳感器實(shí)時(shí)反饋處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化圓筒式自行車(chē)庫(kù)的自動(dòng)控制。整體系統(tǒng)以存、取兩個(gè)獨(dú)立的功能模塊運(yùn)行，分別以高度集裝模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)存、取動(dòng)作的獨(dú)立性及快速性。

4 結(jié)論

根據(jù)共享單車(chē)的高速發(fā)展，針對(duì)單車(chē)隨意停放、停車(chē)占地面大等問(wèn)題設(shè)計(jì)了新型自動(dòng)化圓筒式自行車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)車(chē)庫(kù)的液壓及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可得以下結(jié)論：

(1)基于圓筒式自行車(chē)庫(kù)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)原理的分析，保證了自動(dòng)化控制、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體性、可行性；

(2)液壓系統(tǒng)采用三回路設(shè)計(jì)，控制閥處均有手柄操作，提高了整體裝置的安全性、可靠性；

(3)系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)傳感器的實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，實(shí)現(xiàn)了整體裝置準(zhǔn)確、穩(wěn)定的運(yùn)行；

(4)本設(shè)計(jì)可有效解決現(xiàn)有共享單車(chē)亂停、亂放、占地面積大、車(chē)輛損耗大等問(wèn)題，為共享單車(chē)的快速發(fā)展帶來(lái)了更加經(jīng)濟(jì)、便利的存取方案且具有廣泛的應(yīng)用前景。