立体车库自动搬运小车机械结构及控制系统设计

2017-08-16张晋畅沈兴全

制造业自动化 2017年6期

关键词：蜗轮立体车库传动比

张晋畅，沈兴全

（1.中北大学机械与动力工程学院，太原 030051；2.中北大学山西省深孔加工工程技术研究中心，太原 030051）

立体车库自动搬运小车机械结构及控制系统设计

张晋畅1,2，沈兴全2

（1.中北大学机械与动力工程学院，太原 030051；2.中北大学山西省深孔加工工程技术研究中心，太原 030051）

现代城市车辆的爆炸式增长，使机械立体车库应运而生，在有限的城市空间内集约高效地发挥优势，较好地解决城市泊车难的问题[1]。但在狭小的车库内，传统搬运系统配套设施数量多、结构复杂，空间利用率低。针对机械式立体车库搬运设备的结构和运行方式，设计出改进式辊轮夹持搬运车。以传动比高、强度高的蜗杆和蜗轮作为传动机构[2]，同时增设传感器与PLC，实现设备自动化、精准化；设备具备自锁功能，且符合国内消防规范指标要求；这是立体车库自动搬运小车设计的有益探索。

机械立体车库；自动搬运小车；夹持起重方式；PLC

0 引言

搬运车的设计初衷是实现在无人值守时，自主在立体车库中的存放和提取车辆；在保证平稳、安全、快捷的同时，追求集约化、模块化设计，精简结构，便于系统扩充。国家发改委于2015年出台《关于加强城市停车设施建设的指导意见》，刺激和推动了机械立体停车行业规模化、产业化发展；截至2016年4月，我国先后颁发立体车库搬运设备相关专利97件，立体车库相关专利2350件。传统载车板交换式、机械夹持轮胎式等设备效率低、空间利用率小，无法满足当前立体车库高效智能的新需求。本文在分析了立体车库搬运要求和工作流程的基础上，针对传统搬运设备笨重、低效、复杂等缺点，基于PLC、光电传感器、伺服驱动系统等设计出自动化轿车搬运设备，旨在满足安全、便捷，高定位精度等性能要求。

1 设计分析

鉴于搬运机构需在轿车底盘下有限空间内灵活运动和对待搬运车辆准确定位，得满足高定位、运动精度和小尺寸的要求[2]。搬运小车从轿车后方沿直线驶入底盘下，当前夹持器完成轿车前轮定位，PLC控制搬运车停车并夹持前轮离开地面。在间距调整机构配合下，后夹持器定位并抬起后轮。夹持机构自锁可保证夹持稳定性和可靠性。PLC持续向车轮电机驱动器发送脉冲指令，当搬运到位、传感器收到路标信号后即时制动，避免发生事故。随后夹持器复位、释放轿车，搬运车快速驶离轿车底部。

综合多种轿车参数得知，搬运车限高120mm，在车底行驶时，搬运车限宽1356mm；工作承重1120kg～1900kg，适配车型轴距2630mm～2820mm。据此，本设备初步采用蜗轮联动的改良辊轮夹持器，结合重合度高的锥齿轮、斜齿轮以及PLC、光电传感器和车轮驱动，力求开发出自动控制的高精度机电一体化产品。

2 系统设计

由于空间狭小、负载大，故使用尺寸小、扭矩大、响应灵敏的伺服电机为动力。PLC作为控制装置，扩展性和稳定性优越，配合光电传感器和继电器等装置容易实现轻量化和良好的响应特征[3]。斜齿轮和锥齿轮传动，同时依据啮合速度采用滴油润滑方式。

2.1 夹持机构设计

考虑到以往夹持机构引起的轮胎变形和低效率，本设计采用改进的辊轮机构。将夹持臂的圆柱截面调整为直角梯形，两侧斜边构成钝角V形槽，使轮胎具备良好的接触特征，避免轮胎损伤[4,5]。为了增强夹持臂的刚度和负载性能，在夹持臂末端增加辅助轮作为支承，在相同许用挠度下提高夹持臂的许用承载能力。夹持过程中，轮胎受两侧坡面双向夹持作用，沿铅锤方向产生向上位移。为适宜不同规格的轮胎，由蜗轮联动夹持臂完成90°回转动作。蜗轮传动比范围大，传动效率和精度高，寿命长。青铜蜗轮的减磨性良好、抗胶合能力强；调制钢蜗杆经磨削、抛光，提高其承载性能和许用相对滑动速度[1,5,6]。为节约材料，方便制造，需单独铸造青铜蜗轮，通过螺栓安装在45钢支撑臂上。

图1 夹持臂机械结构图

图2 轮胎夹持状态

图3 轮胎和夹持臂接触点受力分析

图4 夹持臂的受力

拟定轿车重力为G，每个轮胎承受G/4的负载。每个轮胎由两支支撑臂支撑，所以支撑臂各自克服铅锤分力F1，且L1即车轮与支撑臂接触点与辅助轮的距离，L2是支撑臂的两个支撑点的间距。杆件的最大应力出现在F1受力点处。为计算方便，将支撑臂截面按圆柱处理。支撑臂最大剪应力：

圆柱截面杆件的惯性矩：

相应支撑臂在承受负载情况下的挠度：

若满足杆件许用挠度，则证明支撑臂的刚度符合设计和使用要求。

2.2 夹持器动力选择与传递

夹持器承受由轿车重量产生的负载，通过蜗轮蜗杆以及齿轮系传递给伺服电机。预估计驱动所需要的功率。

为获得较高的输出扭矩，缩小传动比，选择带减速器的伺服电机。传动比大于2的单级减速会使得低速齿轮齿顶圆超过Φ100mm，难以满足底盘120mm的高度限制。因此采用二级齿轮传动。由相关手册查得，齿轮啮合效率为97%，轴承传动效率98%，联轴器效率为99%[6]。二级齿轮传动的效率η：

传动比估计：

依据等接触强度分配高速、低速级齿轮传动比：

其中齿轮系总传动比i，低速级齿轮的传动比i1。确定齿数后即可检验低速级的小齿轮分度圆d1，确保强度。

除了要确保齿轮齿顶园小于轿车底盘高度。还需要依据材料性能验算齿轮系的弯曲疲劳强度和齿根强度，以及夹持器上蜗轮蜗杆的使用寿命。为保证动力系统的强度，必要时可以适当应用花键传递扭矩。

2.3 间距调整机构

为了调整前后小车的间距，特设置了间距调整机构。利用平行四边形机构对角线垂直和连杆机构的运动特性，电机通过锥齿轮使得丝杠和螺母相对运动，进而调整连杆的相互位置关系，改变光杠和丝杠的间距，实现小车前后两部间距调整的目的。在连杆上增加铰链构造平行四边形，确保车身与连杆机构的中轴线重合，避免车身缺乏固定而导致前后机构偏离，有效提升机构协调性和稳定性。

图5 间距调整机构动力传动路线图

3 搬运车控制部分的设计

机电一体化是当今工业产品发展的主要潮流，目前集成度较高、控制性能稳定，体积小、能耗低的PLC逐渐成为工业产品控制结构的主要角色。PLC的步进梯形指令（STL指令）利用STL指令和RET指令实现了专用顺序控制。STL指令不但可以直接驱动Y/M/S/T等软元件和应用指令，而且使用自保持功能和自动复位功能，使程序分支的转换条件和转换结果并联电路的设计得以简化，也保证了程序和设备运行的安全性。

3.1 硬件部分

硬件部分宏观地来讲可以分为三个部分：命令触发端口、PLC设备和执行设备（电机）。电机和相应的驱动器是实现产品功能的最终执行者，本产品的性能与电机的运行状态息息相关。伺服电机最大的特点在于速度控制和位置控制精度准确，响应灵敏，可以把电压、频率信号转化为扭矩和转速特征，电机常数小，矩频曲线线性度高，运行平稳，噪音低，效率高，满足搬运车运行时及时对位置信息和时间实现精密控制的要求。

鉴于三菱PLC的通用性和高性价比，本文采用FX1S-30MR-001。表1和图8是节点端子分配表和流程图。

表1 PLC功能指令表

图6 顺序功能图

3.2 产品控制系统设计

系统运行时始终只有一台电机工作，利用PLC特有的STL指令将其余电机保持断电、制动状态，实现系统工作状态单一，以免造成误触和运行故障。电机的正反转输出端子互锁，确保单向输出。除此之外，凭借滤波器和解调器减少外界干扰，或者用伺服驱动器与电机构建起闭环控制细听，实现对环境干扰的即时精准响应，可有效提高电机的运行精度。PLC、光电传感器与伺服电机的配合使用为系统准确反馈和快速响应创造有利条件。在伺服驱动上串联伺服报警输出继电器，继电器线圈与发光二极管、蜂鸣器可发挥报警功能，触发主电源线上的常闭触点动作——切断电机电源，是系统停止工作。

图7 PLC输出端口接线图

4 结束语

本课题基于PLC、伺服电机设计出自动搬运小车，实现结构简洁、设备高度小、工作效率高、适用范围广的要求，可以进入汽车底部夹持和起重汽车轮胎，并完成相对复杂的动作。在本设计中，实现了以下两个创新：1）夹持起重机构采用蜗杆和蜗轮、滑动丝杠和锥齿轮系组合机构，实现自锁功能；2）自动搬运小车工作时能够自主完成对待载运汽车的定位、夹持起重、搬运等任务；有安全保护措施。本设计需要改善自动定位性能，改进定位方法，使其能够在任意姿态下完成自动定位；改善机构设计，使其更加灵巧、紧凑；提高控制系统的智能化；增设传感器，收集更多的状态信息，提高其自动化水平。