立體車庫(kù)自動(dòng)搬運(yùn)小車機(jī)械結(jié)構(gòu)探究
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摘要：城市私家車數(shù)量越來(lái)越多，為滿足停車需要，出現(xiàn)了很多機(jī)械立體車庫(kù)，很大程度上解決了城市停車?yán)Ь?。以往車?kù)空間有限，搬運(yùn)系統(tǒng)配套設(shè)施復(fù)雜，未能充分利用車庫(kù)空間。為此對(duì)改進(jìn)式輥輪夾持搬運(yùn)車予以設(shè)計(jì)和應(yīng)用，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為蝸桿和蝸輪，增加傳感器和PLC，使設(shè)備更加自動(dòng)、精準(zhǔn)，設(shè)計(jì)效果極佳。
關(guān)鍵詞：立體車庫(kù)；自動(dòng)搬運(yùn)；機(jī)械結(jié)構(gòu)；控制系統(tǒng)
在立體車庫(kù)中設(shè)計(jì)自動(dòng)搬運(yùn)小車，即使無(wú)人值守，也能夠進(jìn)行車輛的存放和提取。設(shè)計(jì)立體車庫(kù)自動(dòng)搬運(yùn)小車機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)時(shí)，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(kù)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(shì)。
1設(shè)計(jì)分析
小車搬運(yùn)過(guò)程中，由轎車后方，以直線方向，進(jìn)入底盤下方。分別借助夾持器和PLC，對(duì)轎車前輪進(jìn)行定位，控制搬運(yùn)車，對(duì)前輪進(jìn)行加持，使其脫離地面。定位后夾持器，將后輪抬起。夾持機(jī)構(gòu)具備自鎖功能，這使得夾持過(guò)程更加穩(wěn)定、可靠。PLC將脈沖指令發(fā)送至車輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，完成搬運(yùn)工作之后，路標(biāo)信號(hào)被傳送至傳感器，即時(shí)制動(dòng)，以規(guī)避事故問(wèn)題?；謴?fù)夾持器至原位，釋放轎車之后，搬運(yùn)車立刻從轎車底部離開。通常情況下，搬運(yùn)車限高12cm，行駛于車底時(shí)，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(dòng)的改良輥輪夾持器，并輔之以PLC、光電傳感器、車輪驅(qū)動(dòng)、錐齒輪等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)，提高立體車庫(kù)自動(dòng)搬運(yùn)小車過(guò)程中的精確度。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)夾持機(jī)構(gòu)
該設(shè)計(jì)選擇輥輪機(jī)構(gòu)作為夾持機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(shí)，使夾持臂的許用承載力得到提高。執(zhí)行夾持操作時(shí)，兩側(cè)坡面雙向夾持力會(huì)對(duì)輪胎產(chǎn)生影響，沿鉛垂方向上移。蝸輪聯(lián)動(dòng)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(dòng)比具備很大范圍，無(wú)論是傳動(dòng)精度，還是效率都非常高，而且使用周期長(zhǎng)。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(duì)其進(jìn)行磨削和拋光操作，使其具備極強(qiáng)的承載性能，提升許用相對(duì)滑動(dòng)速度。對(duì)青銅蝸輪進(jìn)行單獨(dú)鑄造，應(yīng)用螺旋在45鋼支撐臂上對(duì)其進(jìn)行安裝。將轎車重力假定為G，每個(gè)輪胎承受的負(fù)載為轎車重力的1/4，用兩支支撐臂對(duì)各輪胎進(jìn)行支撐，故而支撐臂各自對(duì)鉛錘分力F1進(jìn)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(diǎn)及輔助輪的距離，以及支撐臂兩個(gè)支撐點(diǎn)間距。桿件最大應(yīng)力往往產(chǎn)生在F1受力點(diǎn)部位。以圓柱方式處理支撐臂截面，對(duì)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(jìn)行計(jì)算，倘若計(jì)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(jì)及使用要求。
2.2選擇和傳遞夾持器動(dòng)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(jī)，并對(duì)驅(qū)動(dòng)所需功率予以估計(jì)。具體操作過(guò)程中，縮小傳動(dòng)比，優(yōu)選包含減速器的伺服電機(jī)，得出較高輸出扭矩。如果單級(jí)減速傳動(dòng)比在2以上，會(huì)使低速齒輪齒頂圓超過(guò)Φ100mm，則無(wú)法滿足底盤高度限制。故而選用二級(jí)齒輪傳動(dòng)方式。當(dāng)齒輪嚙合效率、軸承傳動(dòng)效率、聯(lián)軸器效率等指標(biāo)已知時(shí)，得出二級(jí)齒輪傳動(dòng)效率，預(yù)估傳動(dòng)比，并以等接觸強(qiáng)度為依托，對(duì)高、低速級(jí)齒輪傳動(dòng)比予以分配。確定齒數(shù)之后，對(duì)低速級(jí)小齒輪分度圓進(jìn)行計(jì)算，保證其強(qiáng)度。齒輪齒頂圓要比轎車底盤高度小，結(jié)合材料性能，對(duì)齒輪系的彎曲疲勞強(qiáng)度和齒根強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，并對(duì)夾持器上蝸輪蝸桿的使用壽命具備清晰的認(rèn)識(shí)。該過(guò)程中，也要借助花鍵對(duì)扭矩進(jìn)行傳遞，從而滿足動(dòng)力系統(tǒng)強(qiáng)度要求。
2.3間距調(diào)整機(jī)構(gòu)
通過(guò)間距調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)置，對(duì)前后小車間距進(jìn)行調(diào)整。電機(jī)依托錐齒輪實(shí)現(xiàn)絲杠和螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)，繼而對(duì)連桿相互位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，使光杠和絲杠間距發(fā)生改變，對(duì)小車前后間距進(jìn)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(jī)構(gòu)中軸線保持重合，以免因車身無(wú)法固定，出現(xiàn)前后機(jī)構(gòu)偏離情況，使機(jī)構(gòu)具備較好的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性。
3搬運(yùn)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(dòng)器作為最終執(zhí)行者，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能，產(chǎn)品性能往往與電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。伺服電機(jī)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(hào)，使其以扭矩和轉(zhuǎn)速特征形式存在。電機(jī)常數(shù)小，矩頻曲線線性度高，始終處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，而且無(wú)噪音干擾，能夠確保搬運(yùn)車在工作過(guò)程中精密控制時(shí)間和位置信息等。
3.2產(chǎn)品控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
立體車庫(kù)自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，僅有單臺(tái)電機(jī)處于工作狀態(tài)，依托PLC特有的STL指令，使得其余電機(jī)始終保持?jǐn)嚯姾椭苿?dòng)狀態(tài)，最大程度規(guī)避誤觸情況及運(yùn)行故障。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)對(duì)端子互鎖進(jìn)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(duì)外界干擾進(jìn)行規(guī)避，或者采用伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生環(huán)境干擾情況時(shí)，在第一時(shí)間及時(shí)響應(yīng)，使電機(jī)具備很高的運(yùn)行精度。立體車庫(kù)自動(dòng)搬運(yùn)小車機(jī)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(jī)的有效配合。將伺服報(bào)警輸出繼電器串聯(lián)至伺服驅(qū)動(dòng)上，無(wú)論是繼電器線圈、發(fā)光二級(jí)管，還是蜂鳴器都能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)。這一過(guò)程中，通過(guò)對(duì)主電源線上的常閉觸點(diǎn)動(dòng)作進(jìn)行觸發(fā)，將電機(jī)電源切斷，停止系統(tǒng)運(yùn)行。
4結(jié)語(yǔ)
綜上所述，以PLC和伺服電機(jī)等為基礎(chǔ)，對(duì)自動(dòng)搬運(yùn)小車進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)輪胎進(jìn)行靈活起重和夾持，并完成一系列復(fù)雜操作。同時(shí)，在立體車庫(kù)自動(dòng)搬運(yùn)小車機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，增加傳感器設(shè)置，對(duì)車輛動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行自動(dòng)收集，提高車庫(kù)日常管理自動(dòng)化水平，減少不必要的人工及資金投入。
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作者：王霞 彭賀 單位：北華大學(xué)