自動存取地下回轉式立體自行車庫系統設計

摘 要：基于大中型城市的公共租賃自行車存取站點的不足，站點容量不大以及自行車停放的便利性和安全性等問題，設計了地下多層回轉式立體自行車庫系統。多層回轉式立體自行車庫分為三個部分：圓柱形多層車庫、垂直回轉傳動機構部分、機械手。控制系統采用可編程邏輯控制器（PLC）來實現自行車的自動存取功能，編制了相關程序，并經調試，仿真運行成功。自動存取地下立體自行車庫可以穩定、可靠、快速的進行自行車的自動存取，并且節約了地面空間、保護了自行車。

關鍵詞：自行車；自動存取；停車庫；可編程序控制器

引言

在交通擁擠、污染嚴重、能源消耗等問題同時威脅著工業化國家和發展中世界的情況下，減少交通工具氣體排放量成為當今社會綠色環保的主題之一，為此，各國大力倡導使用自行車作為出行的交通工具。在我國，自行車是人民生活中重要的交通工具之一。自行車使用量的增加給其在城市停放方面帶來了一系列問題，如停放空間狹小，自行車易損壞；自行車亂停亂放，影響市容市貌；停放點監管不嚴，盜竊頻率高等。目前，很多大中型城市已經有公共自行車租賃行業，但存取自行車站點不足，站點容量不大的問題己經成為一個普遍現象，另外大部分自行車為露天停放，加速了自行車的損壞。要普及自行車，首先一定要解決自行車的停車問題。不僅要有足夠的空間，還要保證停車的安全性以及便利性。如果自行車庫能在鬧市區安家，并有高品質的外觀設施，將有助于推廣自行車這種健康環保的交通方式。

2 立體車庫的機械結構

2.1 基本結構

本方案擬采用地下車庫結構，在利用地下空間資源的同時又可彌補露天存放的不足。在地面部分取放自行車位置可以設置成廣告亭的形式，在躲避風雨的同時可以美化環境、還可以獲得一定的廣告收益用于維護車庫（圖1）。自行車出入口部分露出地面，地下部分為圓柱形結構（圖2），自行車停放架沿著圓柱形結構一層一層搭建起來，車庫的基本結構參數為：環形陣列，每層可停放自行車16輛，一共8層，每層間距1.5米，總高14米。考慮自行車的基本參數為：長1800mm，寬500mm，高1000mm。整個圓柱形構架的中心部分用于安裝車庫的核心部件--機械手升降結構、機械手旋轉轉臺、末端操作器和控制電路，以完成機械手存取自行車功能（圖3-4）。車庫支架垂直升降運動由電動葫蘆驅動，采用鋼絲繩在卷筒纏繞的傳動方式，簡單可靠。轉臺的旋轉運動由固定在轉臺上的電動機驅動，電動機上與小齒輪連接，小齒輪通過與固定在地基上的大齒輪的嚙合而繞著大齒輪轉動，在實現大減速比減速的同時獲得回轉運動，從而帶動車庫垂直升降支架轉動。

2.2 立體車庫機械手部的結構設計

工業機器人的手又稱為末端執行器，它使機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態等不同，因此工業機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類：

（1）夾鉗式取料手；（2）吸附式取料手；（3）專用操作器及轉換器；（4）仿生多指靈巧手[8]。

本設計中根據自行車的機構特點，采用的是夾鉗式機械手（圖5）。

當有電機驅動手部運動時，當壓力傳遞到驅動桿時驅動桿向下運動，驅動桿將力通過圓柱銷向下壓，力在通過鉸銷O3轉動使手指4張開從而松弛工件。

當壓力驅動使驅動桿向上運動時，驅動桿拉動圓柱銷連桿通過鉸銷使手指夾緊工件，從而實現工件的松弛與夾緊。

3 基于PLC的控制系統

整個車庫由一臺PLC對車庫進行統一的管理和控制，通過PLC控制機械手、升降架、回轉臺動作以完成對自行車的存取操作。

在本次設計中，輸入信號有15個，輸出控制信號有10個，因使用了步進電機驅動器，故選用晶體管輸出型PLC，接入步進驅動器的接法為共陰極接法。并且需要用一個PLC同時連通兩個步進驅動器，要求PLC有兩個以上的高頻脈沖輸出口。

綜上所述，選用三菱FX2N-32MT型號的PLC作為控制系統的核心。三菱FX2N-32MT型號PLC有輸入輸出接口各16個，并且輸出端有COM接口，方便使用共陰極接法連接步進驅動器。

3.1 PLC的I/O口分配，如表1

3.2 PLC控制流程圖

存取自行車的工作過程：存自行車，首先按動存車按鈕，接收信號后，通過程序運行，在原點上的轉臺升降臺開始工作，利用機械手臂把自行車夾持進轉臺的升降臺中間，然后通過轉臺的旋轉運動與升降臺的上下運動，把自行車運送到正確的高度與角度，機械手臂通過電機驅動滾珠絲杠螺母副，產生機械手臂的直線向外運動把自行車從轉臺上推入車架的自行車導槽里面，彈簧裝置固定鎖緊，最后機械手復位，完成存車過程。取自行車的過程與存自行車的機械運作過程類似，程序流程圖如圖6所示。

4 結束語

全自動地下自行車車庫具有全自動化、存儲量大、存取快捷、防風雨腐蝕、防盜竊的特點，適應于新時代發展特點--城市不斷擴大、人口持續增加， 自行車使用量遞增，以及人們生活質量不斷提高。特別適合于人均地面積少、出行人口密集、自行者擁有量極大的中心城市。

參考文獻

[1]中華人民共和國機械行業標準.升降橫移類機械式停車設備[M].北京：國家機械工業局，2000.

[2]劉俊，楊罡，陳炎欽.多層循環式自行車庫機械結構及控制系統設計[J].上海電機學院學報，2011，14（1）：21-25.

[3]England-cycle parking Design Guidance. C04 Cycle Parking 100802. cycling England.

[4]王輝.機械式立體車庫的特點研究及其應用[D].2008.

[5]City of Quincy， Massachusetts Bicycle Parking Plan， Department of Planning and Community Development. Mayor Thomas P. Koch.

[6]賀擁軍，楊承超，周緒紅，等.立體車庫的結構形式及應用與發展[J].建筑科學與工程學報，2009，26（4）：31-34.

[7]楊永平.智能化立體車庫研究與設計[J].工業建筑，2006，36：148-150.

[8]馬幼捷、張海濤、周雪松.多層循環式立體車庫控制核心的研究[J].造業自動化，2009，31（5），11-13.