新型自動化圓筒式自行車庫系統(tǒng)設(shè)計

陳飛躍，殷華鋒，涂亞東，杜 嬌，徐小兵

(長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434020)

0 引言

國內(nèi)外立體自行車庫基本很少。現(xiàn)階段，共享單車的亂停亂放，車輛損壞量大等問題層出不窮；并且對共享單車的大量涌入問題仍無有效的解決辦法。因而設(shè)計新型圓筒式自行車庫及其液壓控制系統(tǒng)并配合ZigBee(無線傳感器)技術(shù)以保證車庫的高效，高自動化運作，可有效解決城市中共享單車多、亂、損耗大等問題。

本文研究的新型自動化圓筒式自行車庫，以一種新結(jié)構(gòu)圓筒式車庫為載體；其具有存儲容量大、占地面積極少、車輛存取方便快捷、可有效減少車輛損壞率等優(yōu)勢。且依據(jù)車庫的結(jié)構(gòu)特點及功能實現(xiàn)，采用PLC控制器充分提高其對城市內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性及抗干擾性。

1 圓筒式自行車庫的結(jié)構(gòu)及工作原理

該車庫含有階梯型存車架，存車架下部以三角支撐，上部有電磁夾持固定裝置。整體車庫放置于地下，提升機構(gòu)與轉(zhuǎn)運機構(gòu)位于存車庫軸線處。抓取機械手與轉(zhuǎn)運小車固聯(lián)，轉(zhuǎn)運機構(gòu)與提升機構(gòu)固聯(lián)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

1.頂端固定圓盤 2.頂端旋轉(zhuǎn)固定總成 3.齒條立架 4.平衡立柱 5.轉(zhuǎn)運軌道總成 6.機械手總成 7.移運小車總成 8.底端液壓馬達總成 9.底端固定座 10.停車立架單元 11.提升裝置總成 12.停車軌道架圖1 自行車庫結(jié)構(gòu)圖

存放過程：提升移運機構(gòu)初始于頂端，且移運軌道與存取口軌道平齊；自行車停于存取口固定位置處，接著移運小車移至固定位置，隨之機械手夾緊自行車前輪內(nèi)轂，并稍提起一定高度，之后將自行車移至移運軌道上，移運完畢即停止工作；提升機構(gòu)載著自行車及移運裝置上下移動和轉(zhuǎn)動，至存車位置處即停止工作；移運小車推動自行車移向存車軌道架，到指定位置處即停止工作，同時存車軌道上所對應(yīng)的電磁固定裝置以軌道上的壓力傳感器控制對自行車進行夾持固定，之后機械手釋放自行車前輪；最后位置復(fù)位。

取車過程：用戶以刷卡取車，整體機構(gòu)接收到刷卡信號后，提升機構(gòu)移動及轉(zhuǎn)動至取車位置處，接著與停車過程相同；待移運完成，提升機構(gòu)載著自行車回至頂端，之后移運小車將自行車移至出口處，用戶即可取車；最后位置復(fù)位。

1.平衡立柱 2.移運小車總成 3.移運架總成 4.提升機構(gòu) 總成圖2 內(nèi)部轉(zhuǎn)運機構(gòu)整體圖

1.機械手支撐架 2.機械手 3.液壓馬達 4.齒條 5.移運軌 道 6.渦輪 7.蝸桿 8.齒輪圖3 轉(zhuǎn)運機構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 液壓系統(tǒng)原理分析

對圓筒式自行車庫液壓系統(tǒng)進行分析，按其功能實現(xiàn)分為：旋轉(zhuǎn)提升液壓系統(tǒng)及平移轉(zhuǎn)運液壓系統(tǒng)。所有控制閥均采用電磁和手柄2種操作模式，以便故障時，采用手動應(yīng)急模式。整體液壓系統(tǒng)原理如圖4所示。

1.過濾器 2.冷卻器 3.電機 4.雙聯(lián)泵 5.恒功率變量泵 6.電磁溢流 閥 7.升降液壓馬達 8.底部旋轉(zhuǎn)液壓馬達 9.移運液壓馬達 10.機械 手液壓缸 11.支撐液壓缸 12.電液比例調(diào)速閥 13.電液換向閥 14.限 速閥 15.液壓鎖 16.緩沖閥圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

2.1 旋轉(zhuǎn)提升液壓系統(tǒng)分析

該液壓系統(tǒng)采用閉式液壓回路。系統(tǒng)有1臺雙聯(lián)泵供油，2臺定量液壓馬達驅(qū)動升降移運，1臺定量馬達驅(qū)動旋轉(zhuǎn)提升，各馬達之間為并聯(lián)連接。開機定量泵穩(wěn)定供油，電磁溢流閥穩(wěn)定油壓；電液換向閥控制各液壓馬達的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止；電液比例調(diào)速閥控制各液壓馬達的快轉(zhuǎn)和慢轉(zhuǎn)；為防止重力超速，對升降回路安裝有限速閥。

為保證提升平臺升降回路中的同步驅(qū)動，計算機采用主從式同步控制，使其中一個回路作為主回路依照系統(tǒng)設(shè)定的速度運行，以主回路執(zhí)行構(gòu)件位置輸出為理想輸出，從回路為隨動回路，實時跟蹤主回路的理想輸出并達到同步驅(qū)動。

2.2 平移轉(zhuǎn)運液壓系統(tǒng)

該液壓系統(tǒng)有1臺雙聯(lián)量泵，1臺恒功率變量泵及1臺定量液壓馬達。定量泵供油，并通過電液比例調(diào)速閥及電液換向閥的共同調(diào)節(jié)實現(xiàn)對移運小車液壓馬達的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、快轉(zhuǎn)及慢轉(zhuǎn)的控制。變量泵供油，分別供給支撐液壓缸和機械手夾持液壓缸。支撐液壓缸通過電液換向閥控制液壓缸的收縮與伸長；因小車前端只需抬起一小段高度即在其油路中加入電液比例調(diào)速閥。機械手液壓缸通過變量泵本身系統(tǒng)壓力的變化，自動調(diào)節(jié)流量，并配合機械手夾持塊處的壓力傳感器實時反饋夾持壓力的變化，進而有效夾緊部件。

移運液壓馬達經(jīng)蝸輪蝸桿驅(qū)動齒輪，實現(xiàn)小車沿移運軌道平移；支撐及夾持液壓缸通過閥及變量泵的共同調(diào)節(jié)實現(xiàn)推、收動作。夾緊及支撐液壓缸均安裝有液壓鎖，以保證運行的安全性。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

采用可編程控制器(PLC)控制及配合ZigBee技術(shù)(無線傳感器)、人機交互技術(shù)，共同實現(xiàn)系統(tǒng)的一體化控制。ZigBee技術(shù)的原理如圖5所示。系統(tǒng)流程以存、取兩個單獨控制模塊系統(tǒng)指出PLC控制的具體工作。

圖5 無線傳感器基本原理圖

3.1 電氣控制原理

按照輸入的指令信號PLC控制各個電磁閥，根據(jù)位移傳感器、角位移傳感器及壓力傳感器的反饋信號與指令信號相比較，構(gòu)成3個閉環(huán)控制系統(tǒng)；以實現(xiàn)位置定位、角度定位及加持力大小定值。

電控系統(tǒng)主要由電源、控制主機部分、各傳感器、電機、人機交互界面組成，PLC系統(tǒng)經(jīng)UPS電源將市電220V交流電轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)所用的24DC。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 系統(tǒng)流程

以存、取兩個不同的工作方式，對其分別進行流程控制，如圖7、圖8所示。

圖7 取車流程圖

圖8 存車流程圖

存、取車流程分別定義了各個功能部件的動作步驟，對于關(guān)鍵步驟的配合和連鎖需進行條件判斷，即滿足條件則執(zhí)行下一步驟，否則進入循環(huán)等待。該控制系統(tǒng)通過PLC的順序控制、相關(guān)繼電器的使用及傳感器實時反饋處理，實現(xiàn)自動化圓筒式自行車庫的自動控制。整體系統(tǒng)以存、取兩個獨立的功能模塊運行，分別以高度集裝模塊化設(shè)計實現(xiàn)存、取動作的獨立性及快速性。

4 結(jié)論

根據(jù)共享單車的高速發(fā)展，針對單車隨意停放、停車占地面大等問題設(shè)計了新型自動化圓筒式自行車庫結(jié)構(gòu)。通過對車庫的液壓及控制系統(tǒng)設(shè)計可得以下結(jié)論：

(1)基于圓筒式自行車庫的結(jié)構(gòu)及運動原理的分析，保證了自動化控制、液壓系統(tǒng)設(shè)計的具體性、可行性；

(2)液壓系統(tǒng)采用三回路設(shè)計，控制閥處均有手柄操作，提高了整體裝置的安全性、可靠性；

(3)系統(tǒng)對相應(yīng)傳感器的實時反饋數(shù)據(jù)進行分析比對，實現(xiàn)了整體裝置準確、穩(wěn)定的運行；

(4)本設(shè)計可有效解決現(xiàn)有共享單車亂停、亂放、占地面積大、車輛損耗大等問題，為共享單車的快速發(fā)展帶來了更加經(jīng)濟、便利的存取方案且具有廣泛的應(yīng)用前景。