立體車庫自動搬運小車機械結構及控制系統設計

王霞，彭賀

（北華大學,吉林 吉林 132021）

在立體車庫中設計自動搬運小車，即使無人值守，也能夠進行車輛的存放和提取。設計立體車庫自動搬運小車機械結構和控制系統時，既要注重其安全性和平穩性，又要兼顧模塊化和集約化，確保立體車庫的高效化和智能性，使其具備安全、便捷、定位準確等優勢。

1 設計分析

小車搬運過程中，由轎車后方，以直線方向，進入底盤下方。分別借助夾持器和PLC，對轎車前輪進行定位，控制搬運車，對前輪進行加持，使其脫離地面。定位后夾持器，將后輪抬起。夾持機構具備自鎖功能，這使得夾持過程更加穩定、可靠。PLC將脈沖指令發送至車輪電機驅動器，完成搬運工作之后，路標信號被傳送至傳感器，即時制動，以規避事故問題。恢復夾持器至原位，釋放轎車之后，搬運車立刻從轎車底部離開。

通常情況下，搬運車限高12cm，行駛于車底時，限寬1235.6cm，工作承重和適配車型軸距也有明顯規定。以此為背景，該設備優選蝸輪聯動的改良輥輪夾持器，并輔之以PLC、光電傳感器、車輪驅動、錐齒輪等設備，實現對機電一體化產品的開發設計，提高立體車庫自動搬運小車過程中的精確度。

2 系統設計

2.1 設計夾持機構

該設計選擇輥輪機構作為夾持機構，設計原則為調整夾持臂圓柱截面，使之變為直角梯形，兩側斜邊則以鈍角V形槽形式存在，確保輪胎接觸性能良好，以免出現損傷情況。將輔助輪設置在夾持臂末端，作為支承存在，從而使夾持臂具備較好的剛度和負載性能，當許用撓度相同時，使夾持臂的許用承載力得到提高。執行夾持操作時，兩側坡面雙向夾持力會對輪胎產生影響，沿鉛垂方向上移。蝸輪聯動夾持臂需要完成直角回轉操作，確保在各規格輪胎中的適用性。蝸輪傳動比具備很大范圍，無論是傳動精度，還是效率都非常高，而且使用周期長。青銅蝸輪具備很好的減磨性及抗膠合能力。調制鋼蝸桿，對其進行磨削和拋光操作，使其具備極強的承載性能，提升許用相對滑動速度。對青銅蝸輪進行單獨鑄造，應用螺旋在45鋼支撐臂上對其進行安裝。

將轎車重力假定為G，每個輪胎承受的負載為轎車重力的1/4，用兩支支撐臂對各輪胎進行支撐，故而支撐臂各自對鉛錘分力F1進行克服，該背景下各輪胎承受的負載相當于鉛垂分力的兩倍。

假定車輪與支撐臂接觸點及輔助輪的距離，以及支撐臂兩個支撐點間距。桿件最大應力往往產生在F1受力點部位。以圓柱方式處理支撐臂截面，對支撐臂最大剪力、圓柱截面桿件慣性矩、負載背景下支撐臂的撓度等指標進行計算，倘若計算結果與桿件許用撓度相符合，表明支撐臂的剛度滿足系統設計及使用要求。

2.2 選擇和傳遞夾持器動力

因轎車重量產生的負載由夾持器承擔，以蝸輪蝸桿和齒輪系為載體，傳至伺服電機，并對驅動所需功率予以估計。具體操作過程中，縮小傳動比，優選包含減速器的伺服電機，得出較高輸出扭矩。如果單級減速傳動比在2以上，會使低速齒輪齒頂圓超過Φ100mm，則無法滿足底盤高度限制。故而選用二級齒輪傳動方式。當齒輪嚙合效率、軸承傳動效率、聯軸器效率等指標已知時，得出二級齒輪傳動效率，預估傳動比，并以等接觸強度為依托，對高、低速級齒輪傳動比予以分配。確定齒數之后，對低速級小齒輪分度圓進行計算，保證其強度。齒輪齒頂圓要比轎車底盤高度小，結合材料性能，對齒輪系的彎曲疲勞強度和齒根強度進行驗算，并對夾持器上蝸輪蝸桿的使用壽命具備清晰的認識。該過程中，也要借助花鍵對扭矩進行傳遞，從而滿足動力系統強度要求。

2.3 間距調整機構

通過間距調整機構設置，對前后小車間距進行調整。電機依托錐齒輪實現絲杠和螺母相對運動，繼而對連桿相互位置關系進行調整，使光杠和絲杠間距發生改變，對小車前后間距進行調整。將鉸鏈構造平行四邊形設置在連桿上，使車身和連桿機構中軸線保持重合，以免因車身無法固定，出現前后機構偏離情況，使機構具備較好的穩定性和協調性。

如圖1所示，間距調整機構動力傳動路線圖。

圖1 間距調整機構動力傳動路線圖

3 搬運車控制系統設計

3.1 硬件部分

將硬件部分細化為命令觸發端口、PLC設備、執行設備三部分內容。執行設備和相關驅動器作為最終執行者，實現產品功能，產品性能往往與電機運行狀態相關。伺服電機在速度和位置控制方面，具備很高的精準度，響應靈敏，能夠轉化電壓和頻率信號，使其以扭矩和轉速特征形式存在。電機常數小，矩頻曲線線性度高，始終處于平穩運行狀態，而且無噪音干擾，能夠確保搬運車在工作過程中精密控制時間和位置信息等。

3.2 產品控制系統設計

立體車庫自動搬運系統運行過程中，僅有單臺電機處于工作狀態，依托PLC特有的STL指令，使得其余電機始終保持斷電和制動狀態，最大程度規避誤觸情況及運行故障。電機的正反轉對端子互鎖進行輸出，滿足單向輸出要求。該背景下，依托濾波器和解調器對外界干擾進行規避，或者采用伺服驅動器和電機構成閉環控制系統，當發生環境干擾情況時，在第一時間及時響應，使電機具備很高的運行精度。立體車庫自動搬運小車機械結構及控制系統之所以能夠準確反饋和快速響應，得益于PLC、光電傳感器、伺服電機的有效配合。將伺服報警輸出繼電器串聯至伺服驅動上，無論是繼電器線圈、發光二級管，還是蜂鳴器都能夠發出報警信號。這一過程中，通過對主電源線上的常閉觸點動作進行觸發，將電機電源切斷，停止系統運行。圖2所示為3系統運行流程圖。

4 結語

圖2 系統運行流程圖

綜上所述，以PLC和伺服電機等為基礎，對自動搬運小車進行設計，不僅結構簡潔，而且設備高度非常小，適用范圍廣，工作效率高，能夠在汽車底部對輪胎進行靈活起重和夾持，并完成一系列復雜操作。同時，在立體車庫自動搬運小車機械結構和控制系統設計中，增加傳感器設置，對車輛動態信息進行自動收集，提高車庫日常管理自動化水平，減少不必要的人工及資金投入。