基于PLC控制的依車開設式機構設計

蔡 亮,陳韋杰,吳娟梅

(中電萊斯信息系統有限公司,江蘇 南京 210001)

為了滿足通用指揮車輛上充氣帳篷、桌椅等物資的存儲和便捷取用需求,傳統固定方式大多采用扎帶直接將物資固定在車廂內,使用時依靠人力將物資裝載入車內或搬卸至地面,載物和卸物的過程費事費力。

此外,目前車輛后門多采用液壓尾板實現翻轉功能。比較常見的是一種汽車液壓尾板,其總成上設有一組舉升油缸和一組翻轉油缸[1],該汽車液壓尾板不僅影響原車的離去角等機動性參數,而且突出的液壓缸影響整車美觀。

目前,本文針對現有需求和技術的不足,設計一種依車開設式機構。該依車開設式機構能夠安裝在車輛平臺上隨車運輸和使用,也能夠通過叉車短距離或者貨車長距離運輸;到達目的地后,使用者通過操作控制單元實現翻轉門下翻和帳篷膠囊滑動,然后取出充氣帳篷及其配套物資,快速搭建指揮場所。同時,通過該機構的模塊化設計,相同類型的指揮車中的依車開設式機構可以互換,易于指揮車的維修保養。依車開設式機構車載狀態如圖1所示。

圖1 依車開設式機構車載狀態

1 依車開設式機構總體設計

本文針對目前傳統液壓尾板的不足,進行優化改進設計,研制了依車開設式機構。該機構包括與車輛連接的型材框架、翻轉門、滑動機構、翻轉機構[2-3]以及用于收納物資的帳篷膠囊。翻轉門通過翻轉機構與型材框架可轉動地連接;翻轉機構與滑動機構均安裝于型材框架內;當翻轉門上翻到位時,翻轉門與型材框架鎖緊連接,帳篷膠囊收容于型材框架內;當翻轉門下翻到位時,帳篷膠囊通過滑動機構滑入或滑出型材框架,用于快速收起或搭建指揮場所;該翻轉機構位于型材框架內,避免對原車的離去角產生不良影響。

依車開設式機構采用成熟的PLC控制模式。中央控制器PLC模塊通過感知各類開關、傳感器的信號狀態,集中分析處理,進而控制電動機運行和指示燈開閉,以及將控制器、伺服電動機和傳感器的狀態發送到上位機,供后臺集中調配控制。

因減速機的自鎖性,使得依車開設式機構的運動副全程可自鎖臨停,同時翻轉門上安裝有電子鎖,關閉時電子鎖機械鎖死,有效地保證機構使用及運輸時的安全性能。

依車開設式機構(見圖2)的主體框架采用密度小、質量輕、強度高的鋁合金型材拼接而成,既保證強度,又減輕重量。型材框架下部設計了叉車槽,方便叉車短距離運輸及搬運安裝。

圖2 依車開設式機構

1.1 翻轉門的結構與工藝設計

為了滿足整車輕量化設計的要求,提高整車的各項性能,翻轉門優先選用碳纖維材質整體制作成型。這樣的翻轉門質量更輕,強度更高,更容易制造出符合整車造型的后門,既不影響整車離去角,又能提升整車美觀性。

翻轉門(見圖3)內部空間被分割成幾個區域,分別用于存儲會議桌、折疊椅等帳篷附件,采用收緊帶固定,可快速拆裝。翻轉門上安裝導軌,用于帳篷膠囊上下滑動。翻轉門外觀有帳篷造型,既美觀,又便于識別存儲物。

圖3 翻轉門示意圖

碳纖維成型工藝流程包括預浸料制備、成型、固化和后處理等幾個步驟。碳纖維制品具有如下優點:比重輕、強度高、彈性模量好、耐熱性高、耐腐蝕性好、高韌性、耐沖擊性能強等[4]。

1.2 翻轉機構動力的選型設計

首先計算翻轉門的扭矩[5],已知翻轉門及其內部存儲配套桌、椅等物資質量共300 kg。

G=mg=200×9.8=1 960 (N)

(1)

T=GRcos(180°-a)

(2)

當α=90°時,

T=GR=1 960×0.674=1 321 (N·m)

(3)

1.2.1 翻轉機構的電動機功率計算

設計翻轉門打開和關閉分別需要1 min,打開最大角度138°,故角速度計算如下:

(4)

軸轉速計算如下:

(5)

P=Tn/9 550=1 321×0.38/9 550=0.052 6 (kW)

(6)

式中,P是電動機功率,單位為kW;n是軸的轉速,單位為r/min;T是扭矩,單位為N·m。

因為該系統使用頻率較低,電動機功率選擇時可以除以電動機超載系數λ=2.2,故電動機功率P=0.024 kW。

1.2.2 翻轉機構輸出軸的設計

轉動軸選用不銹鋼材質,軸徑的核算為:

(7)

式7經查表可知,C取97。經計算得:

(8)

因軸有一個鍵槽,當軸直徑為30～100 mm時,增大值為5%。實際軸直徑為

D≥d(1+5%)=40.53 (mm)

(9)

軸直徑選擇42 mm。

根據上述計算,考慮預留安全余量,本文選擇市場上成熟的伺服電動機,其功率為750 W,扭矩為2.39 N;一級減速為行星齒輪,減速機型號為PLF90-25-系列箱體,減速比為25;二級減速選用蝸輪減速機,型號為NMRV75,其減速比為30;三級減速為設計的齒輪副,減速比為2。總速比為1 500,故改造后的動力源輸出扭矩為3 585 N·m,輸出軸轉速為2 r/min,可通過修改伺服電動機的驅動器參數來改變伺服電動機的實際輸出轉速,以滿足使用需求。

翻轉機構組成圖如圖4所示。

圖4 翻轉機構組成圖

1.3 帳篷膠囊的結構與工藝設計

帳篷膠囊(見圖5)采用碳纖維材質整體制作成型,設計成一個半開放的膠囊形狀,腔內存放疊好的充氣帳篷[6],用收緊器固定。膠囊底部安裝有滾輪,用于沿著導軌上下滑行,上端兩個吊環,用于固定鋼絲繩。

圖5 帳篷膠囊示意圖

1.4 滑動機構動力選型設計

1.4.1 滑動機構的電動機功率計算

碳纖維帳篷膠囊設計質量為50 kg,帳篷自身質量為150 kg,總質量為200 kg。根據負載的質量反求鋼絲繩拉力公式為:

F=Gcos40°=1 532.1 (N)

(10)

故扭矩為:

T=FR/η=1 532.1×50×10-3/0.8=95.76 (N·m)

(11)

式中,R是絞盤半徑,單位為m;η是絞盤機械效率,取0.8。

設計帳篷膠囊下滑與上升到位分別耗時2 min,已知鋼絲繩下滑到位行程為1 670 mm,鋼絲繩絞盤直徑為100 mm,可得絞盤所需裝圈數為:

(12)

故轉速為:

(13)

P=Tn/9 550=95.76×2.65/9 550=0.027 (kW)

(14)

因為該系統使用頻率較低,電動機功率選擇時可以除以電動機超載系數λ=2.2,故電動機功率P=0.013 5 kW。

1.4.2 滑動機構輸出軸的設計

轉動軸選用不銹鋼材質,軸徑的核算:

(15)

式15經查表可知,C取97。經計算得:

(16)

為了保證軸的強度,軸直徑選擇20 mm。

為了簡化設備維護成本,絞盤電動機選擇與滑動機構(見圖6)相同型號的電動機與減速機。

圖6 滑動機構組成圖

2 依車開設式機構的控制系統設計

2.1 翻轉門的行程開關控制設計

本機構采用結構簡單、價格低廉的直動式行程開關。在機械運動部件上的凸輪或者撞塊碰撞行程開關時,其觸頭發生動作;運動部件離開之后,其觸頭由于彈簧力的作用自動復位。翻轉門起始和終止位置分別布置行程開關控制翻轉門的行程。

2.2 帳篷膠囊的接近開關控制設計

翻轉門與型材框架上的導軌端部安裝有接近開關作為到位檢測,當帳篷膠囊到位后,接近開關的指示燈亮,帳篷膠囊停止,鋼絲繩繃緊拉住帳篷膠囊。

2.3 依車開設式機構的控制單元設計

依車開設式機構配套一個控制單元。控制單元內含數據交換模塊、無線通信模塊、中央控制模塊和電動機驅動模塊等,實現對機構整個系統的智能控制。

機構控制系統采用成熟的工業PLC控制模式[7-8]。中央控制器PLC模塊通過感知各類開關、傳感器和編碼器的信號狀態,集中分析處理,進而控制電機運行和指示燈開閉,以及將控制器、電動機和傳感器的狀態發送到上位機,供后臺集中調配控制,實現一鍵操控翻轉門的翻轉及帳篷膠囊的滑動,控制原理圖如圖7所示。

圖7 PLC控制系統原理框圖

依車開設式機構支持按扭點觸、遠程操控和上位機集中控制等多種控制模式。能夠實時獲取內部溫度、煙霧等環境數據,發生險情自動斷電。如出現機構卡滯、過載等不良現象,系統能自動感知,停機并自鎖,防止發生意外。

按鈕點觸控制是指通過手控器上按鈕點觸操作實現機構運動。手控器上設置“帳篷膠囊上滑”“帳篷膠囊下滑”“翻轉門打開”“翻轉門關閉”按鈕,通過線纜連于控制單元之上。操作人員可在安全距離處一鍵控制依車開設式機構,手控器如圖8所示。

圖8 手控器圖

遠程操控和上位機集中控制是通過RS232接收遠程控制器的控制指令,通信接口:RS232。

3 系統降噪設計

依車開設式機構的噪聲主要來源有:機構運動之間的摩擦、電動機的運轉。本系統所有旋轉支點均采用滾動軸承承載設計,摩擦力非常小,噪聲可以忽略不計。選用的伺服電動機噪聲不超過55 dB。同時電動機設計加裝靜音電動機罩,罩內壁粘貼防火蘑菇頭吸音棉,對系統噪聲進行進一步降低。整個系統工作噪聲可控制在65 dB以內。

4 結語

應用表明,依車開設式機構的運輸和使用便捷,自動化程度高,對操作人員動手能力要求降低,經過簡單培訓即可一鍵操控,達到隨時隨地、快速搭建指揮場所的目的[9-10]。同時它具有承載能力大、效率高、系統噪聲小、維護方便等優點。此外,依車開設式機構還可用于存儲與運輸其他裝備,具有較廣泛的應用場景。