立體車庫自動搬運小車機械結構及控制系統設計

張晉暢，沈興全

（1.中北大學 機械與動力工程學院，太原 030051；2.中北大學 山西省深孔加工工程技術研究中心，太原 030051）

立體車庫自動搬運小車機械結構及控制系統設計

張晉暢1,2，沈興全2

（1.中北大學 機械與動力工程學院，太原 030051；2.中北大學 山西省深孔加工工程技術研究中心，太原 030051）

現代城市車輛的爆炸式增長，使機械立體車庫應運而生，在有限的城市空間內集約高效地發揮優勢，較好地解決城市泊車難的問題[1]。但在狹小的車庫內，傳統搬運系統配套設施數量多、結構復雜，空間利用率低。針對機械式立體車庫搬運設備的結構和運行方式，設計出改進式輥輪夾持搬運車。以傳動比高、強度高的蝸桿和蝸輪作為傳動機構[2]，同時增設傳感器與PLC，實現設備自動化、精準化；設備具備自鎖功能，且符合國內消防規范指標要求；這是立體車庫自動搬運小車設計的有益探索。

機械立體車庫；自動搬運小車；夾持起重方式；PLC

0 引言

搬運車的設計初衷是實現在無人值守時，自主在立體車庫中的存放和提取車輛；在保證平穩、安全、快捷的同時，追求集約化、模塊化設計，精簡結構，便于系統擴充。國家發改委于2015年出臺《關于加強城市停車設施建設的指導意見》，刺激和推動了機械立體停車行業規模化、產業化發展；截至2016年4月，我國先后頒發立體車庫搬運設備相關專利97件，立體車庫相關專利2350件。傳統載車板交換式、機械夾持輪胎式等設備效率低、空間利用率小，無法滿足當前立體車庫高效智能的新需求。本文在分析了立體車庫搬運要求和工作流程的基礎上，針對傳統搬運設備笨重、低效、復雜等缺點，基于PLC、光電傳感器、伺服驅動系統等設計出自動化轎車搬運設備，旨在滿足安全、便捷，高定位精度等性能要求。

1 設計分析

鑒于搬運機構需在轎車底盤下有限空間內靈活運動和對待搬運車輛準確定位，得滿足高定位、運動精度和小尺寸的要求[2]。搬運小車從轎車后方沿直線駛入底盤下，當前夾持器完成轎車前輪定位，PLC控制搬運車停車并夾持前輪離開地面。在間距調整機構配合下，后夾持器定位并抬起后輪。夾持機構自鎖可保證夾持穩定性和可靠性。PLC持續向車輪電機驅動器發送脈沖指令，當搬運到位、傳感器收到路標信號后即時制動，避免發生事故。隨后夾持器復位、釋放轎車，搬運車快速駛離轎車底部。

綜合多種轎車參數得知，搬運車限高120mm，在車底行駛時，搬運車限寬1356mm；工作承重1120kg～1900kg，適配車型軸距2630mm～2820mm。據此，本設備初步采用蝸輪聯動的改良輥輪夾持器，結合重合度高的錐齒輪、斜齒輪以及PLC、光電傳感器和車輪驅動，力求開發出自動控制的高精度機電一體化產品。

2 系統設計

由于空間狹小、負載大，故使用尺寸小、扭矩大、響應靈敏的伺服電機為動力。PLC作為控制裝置，擴展性和穩定性優越，配合光電傳感器和繼電器等裝置容易實現輕量化和良好的響應特征[3]。斜齒輪和錐齒輪傳動，同時依據嚙合速度采用滴油潤滑方式。

2.1 夾持機構設計

考慮到以往夾持機構引起的輪胎變形和低效率，本設計采用改進的輥輪機構。將夾持臂的圓柱截面調整為直角梯形，兩側斜邊構成鈍角V形槽，使輪胎具備良好的接觸特征，避免輪胎損傷[4,5]。為了增強夾持臂的剛度和負載性能，在夾持臂末端增加輔助輪作為支承，在相同許用撓度下提高夾持臂的許用承載能力。夾持過程中，輪胎受兩側坡面雙向夾持作用，沿鉛錘方向產生向上位移。為適宜不同規格的輪胎，由蝸輪聯動夾持臂完成90°回轉動作。蝸輪傳動比范圍大，傳動效率和精度高，壽命長。青銅蝸輪的減磨性良好、抗膠合能力強；調制鋼蝸桿經磨削、拋光，提高其承載性能和許用相對滑動速度[1,5,6]。為節約材料，方便制造，需單獨鑄造青銅蝸輪，通過螺栓安裝在45鋼支撐臂上。

圖1 夾持臂機械結構圖

圖2 輪胎夾持狀態

圖3 輪胎和夾持臂接觸點受力分析

圖4 夾持臂的受力

擬定轎車重力為G，每個輪胎承受G/4的負載。每個輪胎由兩支支撐臂支撐，所以支撐臂各自克服鉛錘分力F1，且L1即車輪與支撐臂接觸點與輔助輪的距離，L2是支撐臂的兩個支撐點的間距。桿件的最大應力出現在F1受力點處。為計算方便，將支撐臂截面按圓柱處理。支撐臂最大剪應力：

圓柱截面桿件的慣性矩：

相應支撐臂在承受負載情況下的撓度：

若滿足桿件許用撓度，則證明支撐臂的剛度符合設計和使用要求。

2.2 夾持器動力選擇與傳遞

夾持器承受由轎車重量產生的負載，通過蝸輪蝸桿以及齒輪系傳遞給伺服電機。預估計驅動所需要的功率。

為獲得較高的輸出扭矩，縮小傳動比，選擇帶減速器的伺服電機。傳動比大于2的單級減速會使得低速齒輪齒頂圓超過Φ100mm，難以滿足底盤120mm的高度限制。因此采用二級齒輪傳動。由相關手冊查得，齒輪嚙合效率為97%，軸承傳動效率98%，聯軸器效率為99%[6]。二級齒輪傳動的效率η：

傳動比估計：

依據等接觸強度分配高速、低速級齒輪傳動比：

其中齒輪系總傳動比i，低速級齒輪的傳動比i1。確定齒數后即可檢驗低速級的小齒輪分度圓d1，確保強度。

除了要確保齒輪齒頂園小于轎車底盤高度。還需要依據材料性能驗算齒輪系的彎曲疲勞強度和齒根強度，以及夾持器上蝸輪蝸桿的使用壽命。為保證動力系統的強度，必要時可以適當應用花鍵傳遞扭矩。

2.3 間距調整機構

為了調整前后小車的間距，特設置了間距調整機構。利用平行四邊形機構對角線垂直和連桿機構的運動特性，電機通過錐齒輪使得絲杠和螺母相對運動，進而調整連桿的相互位置關系，改變光杠和絲杠的間距，實現小車前后兩部間距調整的目的。在連桿上增加鉸鏈構造平行四邊形，確保車身與連桿機構的中軸線重合，避免車身缺乏固定而導致前后機構偏離，有效提升機構協調性和穩定性。

圖5 間距調整機構動力傳動路線圖

3 搬運車控制部分的設計

機電一體化是當今工業產品發展的主要潮流，目前集成度較高、控制性能穩定，體積小、能耗低的PLC逐漸成為工業產品控制結構的主要角色。PLC的步進梯形指令（STL指令）利用STL指令和RET指令實現了專用順序控制。STL指令不但可以直接驅動Y/M/S/T等軟元件和應用指令，而且使用自保持功能和自動復位功能，使程序分支的轉換條件和轉換結果并聯電路的設計得以簡化，也保證了程序和設備運行的安全性。

3.1 硬件部分

硬件部分宏觀地來講可以分為三個部分：命令觸發端口、PLC設備和執行設備（電機）。電機和相應的驅動器是實現產品功能的最終執行者，本產品的性能與電機的運行狀態息息相關。伺服電機最大的特點在于速度控制和位置控制精度準確，響應靈敏，可以把電壓、頻率信號轉化為扭矩和轉速特征，電機常數小，矩頻曲線線性度高，運行平穩，噪音低，效率高，滿足搬運車運行時及時對位置信息和時間實現精密控制的要求。

鑒于三菱PLC的通用性和高性價比，本文采用FX1S-30MR-001。表1和圖8是節點端子分配表和流程圖。

表1 PLC功能指令表

圖6 順序功能圖

3.2 產品控制系統設計

系統運行時始終只有一臺電機工作，利用PLC特有的STL指令將其余電機保持斷電、制動狀態，實現系統工作狀態單一，以免造成誤觸和運行故障。電機的正反轉輸出端子互鎖，確保單向輸出。除此之外，憑借濾波器和解調器減少外界干擾，或者用伺服驅動器與電機構建起閉環控制細聽，實現對環境干擾的即時精準響應，可有效提高電機的運行精度。PLC、光電傳感器與伺服電機的配合使用為系統準確反饋和快速響應創造有利條件。在伺服驅動上串聯伺服報警輸出繼電器，繼電器線圈與發光二極管、蜂鳴器可發揮報警功能，觸發主電源線上的常閉觸點動作——切斷電機電源，是系統停止工作。

圖7 PLC輸出端口接線圖

4 結束語

本課題基于PLC、伺服電機設計出自動搬運小車，實現結構簡潔、設備高度小、工作效率高、適用范圍廣的要求，可以進入汽車底部夾持和起重汽車輪胎，并完成相對復雜的動作。在本設計中，實現了以下兩個創新：1）夾持起重機構采用蝸桿和蝸輪、滑動絲杠和錐齒輪系組合機構，實現自鎖功能；2）自動搬運小車工作時能夠自主完成對待載運汽車的定位、夾持起重、搬運等任務；有安全保護措施。本設計需要改善自動定位性能，改進定位方法，使其能夠在任意姿態下完成自動定位；改善機構設計，使其更加靈巧、緊湊； 提高控制系統的智能化；增設傳感器，收集更多的狀態信息，提高其自動化水平。

圖8 系統運行流程圖

[1] 吳中.單軸抬升車輛搬運器運動控制規律研究及控制系統開發[D].重慶交通大學,2015.

[2] 陳奎.搬運小車機械結構設計與探討[J].中國科技博覽2010(35).

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[4] 紀汶禮,劉健,申景超.一種夾持輪胎式立體車庫汽車搬運器[P].山東:CN203583954U,2014-05-07.

[5] 徐衛軍,吳越,詹楷純,王謙.一種AGV汽車搬運器[P].廣東:CN204457020U,2015-07-08.

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[8] 張煒.立體車庫中自動搬運小車的研究[D].上海大學,2008.

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The mechanical design and control system of AGV

ZHANG Jin-chang1,2, SHEN Xing-quan2

TH25

：B

1009-0134(2017)06-0104-04

2017-03-03

山西省回國留學人員項目基金（2015-077）；中北大學校基金項目（XJJ2016005）；先進制造技術山西省重點實驗室項目（XJZZ201602）

張晉暢（1994 -），男，山西呂梁人，碩士研究生，研究方向為深孔加工技術。