一種搖臂路側(cè)停車位清掃設(shè)備與自動(dòng)控制*

谷春山，徐利奇，孫晨陽，崔華勝

(北京市城市管理研究院，北京 100028)

1 系統(tǒng)概述

隨著北京市車輛保有量的增加，路側(cè)停車影響道路清掃保潔作業(yè)的現(xiàn)象逐漸增多，矛盾日益顯著。路側(cè)停車位[1]處污染嚴(yán)重，現(xiàn)有作業(yè)設(shè)備均無法有效清潔，當(dāng)路側(cè)停車離開后，污染物暴露嚴(yán)重影響市容美觀，也可能造成揚(yáng)塵污染。本文介紹了一種利用一根可伸縮的搖臂，伸入車輛下方，并做扇形搖擺，一邊搖擺一邊回縮，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)停車位的清掃。其具體操作如下：可伸縮的搖臂帶動(dòng)吸塵頭伸入到車輛下方，碰到路緣石或達(dá)到伸縮極限為止，隨后吸塵頭吸塵的同時(shí)搖臂左右擺動(dòng)，完成一個(gè)扇形軌跡后，搖臂回縮一定距離，然后再次進(jìn)行左右擺動(dòng)，如此循環(huán)直至搖臂全部收回，完成一次停車位的清掃。通過實(shí)現(xiàn)搖臂的自動(dòng)化控制，該路側(cè)停車位清掃保潔設(shè)備在基本保證覆蓋范圍及作業(yè)速度的基礎(chǔ)上，降低了整機(jī)成本及操作難度，更加具備使用價(jià)值，從而針對(duì)性地解決了路側(cè)停車位這一特定場(chǎng)景的清掃保潔問題。

2 設(shè)計(jì)思路與方案

我們使用一根專門設(shè)計(jì)的鏈排作為搖臂，該鏈排不進(jìn)行清掃時(shí)卷在一個(gè)卷筒上，清掃作業(yè)時(shí)伸出，伸出后鏈排各節(jié)間通過彈簧銷軸自動(dòng)鎖定，形成一個(gè)具有一定剛性的支臂，作業(yè)完成后鏈排回收，此時(shí)由擋塊將彈簧銷軸壓回，使鏈排恢復(fù)可彎曲狀態(tài)，并重新盤卷在卷筒上。鏈排前端安裝1個(gè)吸塵頭，該吸塵頭使用1臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)1個(gè)全向輪，伸出時(shí)全向輪不旋轉(zhuǎn)，被動(dòng)滾動(dòng)，到位后電機(jī)驅(qū)動(dòng)全向輪[2]滾動(dòng)，帶動(dòng)鏈排搖擺完成清掃。

3 清掃設(shè)備結(jié)構(gòu)及電控設(shè)計(jì)

根據(jù)鏈排結(jié)構(gòu)方案對(duì)清掃設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電控設(shè)計(jì)。

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)初步技術(shù)方案，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括吸塵小車1、鏈排搖臂2、卷筒機(jī)構(gòu)3、升降機(jī)構(gòu)4,如圖1所示。

1-吸塵小車；2-鏈排搖臂；3-卷筒機(jī)構(gòu)；4-升降機(jī)構(gòu)

3.1.1 吸塵小車

吸塵小車如圖2所示，搖臂方案所用吸塵小車使用一個(gè)全向輪1，該輪由兩組小滾輪組成，每組小滾輪固定在一個(gè)輪盤之上，兩組輪盤交叉固定，確保在全向輪滾動(dòng)時(shí)至少有一個(gè)小滾輪與地面接觸。當(dāng)全向輪不滾動(dòng)時(shí)，如果受到軸向推力，由于有至少一個(gè)小滾輪與地面接觸,全向輪可以依靠小滾輪的滾動(dòng)而沿軸向順暢移動(dòng)；在全向輪后安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)全向輪主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)鏈排搖臂2在地面上擺動(dòng)。底板后方安裝1節(jié)過渡鏈排3，用于連接鏈排搖臂。

3.1.2 鏈排搖臂

鏈排搖臂是清掃設(shè)備的核心部分，它由多節(jié)鏈節(jié)組成，鏈節(jié)之間由銷軸連接，鏈排盤繞在卷筒機(jī)構(gòu)上，一端固定在卷筒機(jī)構(gòu)的側(cè)板上，另一端連接吸塵小車。鏈排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為只能向一個(gè)方向彎曲，另一個(gè)方向有限位塊3，限位塊3上還設(shè)計(jì)有錐形彈簧銷孔1，如圖3所示。鏈排側(cè)面設(shè)計(jì)有錐形彈簧銷2，當(dāng)鏈排伸出時(shí)，卷筒機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向筒使鏈排伸出部分達(dá)到水平狀態(tài)，此時(shí)彈簧銷滑入彈簧銷孔，在一定程度上限制鏈排彎曲，使鏈排保持為平直狀態(tài)架在卷筒機(jī)構(gòu)導(dǎo)向筒與吸塵頭之間，避免拖地。鏈排中間穿有吸塵軟管、吸塵頭電機(jī)電源線以及吸塵頭上各碰撞開關(guān)線纜。

3.1.3 卷筒機(jī)構(gòu)

卷筒機(jī)構(gòu)如圖4所示，它由旋轉(zhuǎn)板、側(cè)板3、襯板、桶芯、電機(jī)1、電機(jī)2、滾軸4等組成。側(cè)板3及桶芯形成特定空間，限制鏈排中彈簧銷伸出，使得鏈排的各個(gè)鏈節(jié)可以轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)鏈排離開卷筒機(jī)構(gòu)時(shí)，滾軸將鏈排壓平，鏈排中彈簧銷對(duì)準(zhǔn)彈簧銷孔，當(dāng)鏈節(jié)離開卷筒機(jī)構(gòu)后，彈簧銷不再被側(cè)板限制而彈出，插入彈簧銷孔實(shí)現(xiàn)鎖定。減速電機(jī)1與內(nèi)置桶芯連接，可帶動(dòng)桶芯旋轉(zhuǎn)使鏈排盤卷在桶芯上，實(shí)現(xiàn)鏈排回收，減速電機(jī)2與鏈排滾軸連接，電機(jī)帶動(dòng)滾軸旋轉(zhuǎn)，滾軸推動(dòng)鏈排向外運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)外放，鏈排的收放帶動(dòng)吸塵小車實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)。

3.1.4 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)如圖5所示，由升降導(dǎo)柱1、升降滑塊2、卷筒機(jī)構(gòu)安裝板3、升降電推桿4、升降框架5、平移安裝板6、平移滑塊7、平移導(dǎo)軌8、主體框架9、平移電推桿10及掃路機(jī)連接板11組成。卷筒機(jī)構(gòu)主體支架安裝在卷筒機(jī)構(gòu)安裝板上，通過升降電推桿帶動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)卷筒機(jī)構(gòu)(含鏈排搖臂及吸塵小車)沿升降導(dǎo)柱及滑塊上下運(yùn)動(dòng)。升降框架與平移安裝板連接，通過平移電推桿帶動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)卷筒機(jī)構(gòu)(含鏈排搖臂、吸塵小車及升降部分零部件)沿平移導(dǎo)軌及滑塊水平運(yùn)動(dòng)，完成作業(yè)部件水平收放。

1-升降導(dǎo)柱；2-升降滑塊；3-卷筒機(jī)構(gòu)安裝板；4-升降電推桿；5-升降框架；6-平移安裝板；7-平移滑塊；8-平移導(dǎo)軌；9-主體框架；10-平移電推桿；11-掃路機(jī)連接板

3.2 電氣系統(tǒng)框架

根據(jù)鏈排搖臂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇一臺(tái)PLC(三菱FX3GA-60MT)[3]作為控制核心，需實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作包括：手動(dòng)伸出鏈排搖臂、手動(dòng)收回鏈排搖臂、手動(dòng)向左擺動(dòng)鏈排搖臂、手動(dòng)向右擺動(dòng)鏈排搖臂、手動(dòng)升起卷筒機(jī)構(gòu)、手動(dòng)降下卷筒機(jī)構(gòu)、自動(dòng)運(yùn)行擺動(dòng)循環(huán)。

3.2.1 電氣元件

電氣元件主要包括1臺(tái)PLC、2個(gè)鏈排步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器[4](包括伸出和收回)、小車步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、220 V轉(zhuǎn)48 V直流電源、220 V轉(zhuǎn)24 V直流電源、220 V轉(zhuǎn)5 V直流電源、接觸器及按鈕等。

3.2.2 自動(dòng)化編程

通過對(duì)電氣元器件進(jìn)行接線，制作了一個(gè)簡(jiǎn)易的控制板，如圖6所示。

圖6 電氣控制板

組裝完電氣元器件后，通過三菱PLC軟件GX Works2編寫程序[5]，下載到三菱FX3GA-60MT里，點(diǎn)動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)手動(dòng)動(dòng)作后，點(diǎn)擊自動(dòng)啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)動(dòng)作。PLC程序如圖7所示。

圖7 PLC程序

3.2.3 樣機(jī)及功能測(cè)試

為驗(yàn)證樣機(jī)是否能夠完成所需的搖臂伸出、擺動(dòng)、吸塵的動(dòng)作，項(xiàng)目組對(duì)其進(jìn)行了功能性測(cè)試，包括作業(yè)時(shí)間、作業(yè)面積及塵土吸凈率，測(cè)試情況如圖8所示。

圖8 樣機(jī)性能測(cè)試情況

性能測(cè)試結(jié)果表明：搖臂方案樣機(jī)平均單次作業(yè)面積7.96 m2，而單個(gè)車位總面積約為13.25 m2，因此單次作業(yè)車位面積覆蓋率為60.1%，大于60%，達(dá)到了項(xiàng)目指標(biāo)要求；單車位平均作業(yè)時(shí)間約3′25″，小于4 min，達(dá)到了項(xiàng)目指標(biāo)要求；平均塵土去除率88.7%，大于70%，達(dá)到了項(xiàng)目指標(biāo)要求。

項(xiàng)目組還對(duì)改進(jìn)后樣機(jī)進(jìn)行了車下實(shí)際作業(yè)測(cè)試，結(jié)果表明，改進(jìn)后樣機(jī)可以很好地完成車下清掃任務(wù)，基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)語

本文介紹了一種搖臂式路側(cè)停車位清掃設(shè)備，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了吸塵小車、鏈排搖臂、卷筒機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)等的自動(dòng)控制[6]，并對(duì)其進(jìn)行了功能性測(cè)試。結(jié)果表明：搖臂方案可以實(shí)現(xiàn)車下區(qū)域的清掃，吸塵小車伸出與回收比較順暢，鏈排伸出后可以依靠彈簧銷較好地鎖止，形成具有一定剛性的擺臂，控制系統(tǒng)可以較好地控制樣機(jī)各部分動(dòng)作，自動(dòng)運(yùn)行較為平穩(wěn)順暢。通過本次研究可有效地解決路側(cè)停車位這一特定場(chǎng)景的清掃保潔問題，提高了作業(yè)效率、降低了作業(yè)強(qiáng)度，在路側(cè)停車位區(qū)域初步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，對(duì)于提升北京市道路清掃保潔水平、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、促進(jìn)城市精細(xì)化管理具有重要意義。