自行车自动存取立体车库系统设计

1、摘 要本文主要对自行车自动存取立体车库系统设计多层回转立体车库系统进行设计。针对目前停车场管理系统存在的系统管理介质落后、集成自动化程度低、安全性差、人性化和运行效率低下的不足，结合目前科学技术领域的最新研究成果，设计了一种技术较先进、性能可靠、自动化程度较高的停车场智能管理系统。本设计的指导思想立足于提高停车场管理系统的可靠性、安全性和高效性，对目前我国各大中城市所面临的“停车难”问题的解决，具有一定的促进作用。本系统所采用的PLC技术，射频卡技术对其它交通收费系统也有一定的借鉴意义。本文针对停车场只能控制系统中存在的问题，把PLC可编程序控制器和变频器应用于停车场只能控制系统上，并进行了较

2、深入的研究。本文阐述了智能停车场系统的PLC控制、收费、计费和安全的一些基本思路和方法，并介绍了着重介绍了PLC工作特点及运行原理，还介绍PLC控制器主要功能模块及应用，不仅编程简单，通用性强，抗干扰能力强，可靠性高，而且具有易于操作及维护，设计、施工、调试周期短等优点。本文主要是对停车场进行智能化设计，通过采取PLC技术对停车场管理的设计，达到停车场智能化、高效化。关键字： PLC 停车 立体车库 控制系统 钢结构。目 录1绪论311课程的背景和意义312课题的关键技术及其国内外研究发展现状8121国外研究现状8122国内研究现状82自行车自动存取多层回转立体车库机械部分设计821自动存取多

3、层回转立体车库的基本结构9211基本结构9212主要参数1022立体车库机械手的结构设计10221机械手的介绍13222机械手分析13223机械手结构图1423升降机构的设计1424设计计算17241设计V带和带轮17242齿轮的设计19243传动轴承和轴的设计27244键的设计和计算28245联轴器的设计293立体车库电气控制系统设计2931电气控制系统整体设计3032电气系统关键部分设计3033 PLC控制程序设计3034电动机的选择和计算314结论与展望3141 结论3242 展望32参考文献321绪论1.1 课题的背景和意义自行车无处停放或随处乱停的问题是城市的社会、经济、交通发展到一

4、定程度产生的结果，立体停车设备的发展在国外，尤其在日本已有近30-40年的历史，无论在技术上还是在经验上均已获得了成功。机械车库与传统的自然地下车库相比，在许多方面都显示出优越性。首先，机械车库具有突出的节地优势。以往的地下车库由于要留出足够的行车通道，平均一辆车就要占据40平方米的面积，而如果采用双层机械车库，可使地面的使用率提高80-90，如果采用地上多层（21层）立体式车库的话，50平方米的土地面积上便可存放40辆车，这可以大大地节省有限的土地资源，并节省土建开发成本机械车库与地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆的安全，人在车库内或车不停准位置，由电子控制的整个设备便不会运转。应该说，

5、机械车库从管理上可以做到彻底的人车分流。在地下车库中采用机械存车，还可以免除采暖通风设施，因此，运行中的耗电量比工人管理的地下车库低得多。机械车库一般不做成套系统，而是以单台集装而成。这样可以充分发挥其用地少、可化整为零的优势，在住宅区的每个组团中或每栋楼下都可以随机设立机械停车楼。这对眼下车库短缺的小区解决停车难的问题提供了方便条件。12课题的关键技术及其国内外研究发展现状目前各国都大力倡导使用绿色环保的自行车作为出行的交通工具。但是, 大量的自行车在市区的停放问题成为一道技术难题, 为解决这一难题, 人们开发出各种各样的自行车停放装置。介绍了国内外几种具有代表性的、实用性强的自行车停放装置

6、,重点对比、分析了它们的结构、功能、使用及适用场合。指出未来城市的自行车停放装置将向自动化、智能化、立体化, 以及海量存储、存取快捷、美观防盗等多功能方向发展, 全自动地下自行车车库将在未来大都市中占据主导作用。自行车停车架及停车棚具有成本低廉、可转移性好、普及性强的特点, 适合于自行车停放量较少、停放面积充足、停放时间短的场合, 如小区街道、学校会所等; 双层自行车停放装置及直立式自行车停车架具有结构简单、节约空间的特点, 适合于自行车停放量较大、停放面积有限的场合, 如商贸中心街道、人流量大的街道等; 隔间式自行车停放装置具有防盗、防止车辆间摩擦的特点, 适合于对自行车保护要求较高、停放时

7、间长的场合, 如附近机关、商铺、社区等; 悬挂式自行车停放装置具有安全防盗、方便、美化环境的特点, 适合于城市发展较成熟的商业中心地段、社区街道等。全自动地下自行车车库具有全自动化、海量存储、存取快捷、防盗的特点, 适应于新时代发展特点􀀁城市不断扩大、人口持续增加, 自行车使用量递增, 以及人们生活质量不断提高。特别适合于北京、上海、广州等这些人均地面积少、出行人口密集、自行者拥有量极大的中心城市。121国外研究现状随着人们生活质量的提高, 省心、省力、安全是人们对自行车停放装置提出的新要求。因此,人们开发出一些机械电子一体化的自行车停放装置, 悬挂式自行车停放装置即属于其中

8、有代表性的一种, 如图1。它主要由滑轮升降机、电机驱动卷筒、控制电路以及固定车架等构成, 自行车被自动放置到空中停放区域。空中停放区域的外体由铁架搭建, 可在铁架外表做广告招牌, 达到了一物两用的功能。存车者把自行车放入停车架, 按存车按钮, 自行车通过滑轮升降机和电机驱动装置自动升入空中停放。图1.1取车者通过停放凭据认证后, 按取车按钮便可取走自行车。这种停放装置使用了类似隔间式自行车停放装置的防盗措施, 它主要由电控锁电路(类似于超市的存包柜的控制电路)来实现。当非法取车或存放车辆遇到破坏时, 防盗报警系统会自动报警, 管理人员可及时处理。在瑞士日内瓦市出现了一种类似于悬挂式自行车停放装

9、置Biketree, 它们原理相似,但外形有差异, 如图2所示(放大部分为磁卡感应器)。一个Biketree一般能停放6 8辆自行车, 存车者通过感应器扫描磁卡来停放自行车。近年来人们开发出一种海量存放、全自动化、安全防盗、避免摩擦、方便快捷的自行车停放装置全自动地下自行车车库，如图1.3。该车库只有入口部分露出地面, 地下部分为圆柱形结构, 形似冰山, 自行车停放架沿着圆柱形结构一层层搭建起来。整个圆柱形构架的中心空余部分用于安装车库的核心部分机械手升降导轨、机械手行走导轨和控制电路, 以保证机械手臂进行自行车的控制、升降、夹取、检测及安全保护等。该车库的磁卡感应装置未使用传统的CH IP卡

10、, 而是选用标准的智能型EC- 卡(类似国内的借记卡), 这种卡不仅反应灵敏而且使用寿命较长。这种安全防盗技术加上整个车库的地下圆柱形结构, 车库的防盗能力得到很大提高。存车者只需将自行车放在指定位置, 按下按钮, 停放装置的机械手臂会自动把自行车存放至停放装置的空闲位置; 取车者也只需按一下按钮, 自行车就会自动被机械手臂传送到取车者的面前。整个存取车过程只需30 s 35 s。目前, 日本、荷兰、西班牙、德国的一些城市已经使用这种停车装置, 并受到了广泛的欢迎, 打算在其他城市也普及使用。欧洲的停车库圆柱直径为7. 5m, 高度为5. 25m, 能容纳92辆自行车; 日本东京的Kasai车

11、站所建的停车库可容纳下180辆自行车, 并已经建有36个圆柱状的停车空间, 总共能停放6 000多辆自行车。这种全自动地下自行车车库特别适用于某些未规划完整的交通线路, 停放自行车的空间预留地少、居民生活密集的区域建造自行车车库。图1.3122国内研究现状减少交通工具气体排放量成为当今社会绿色环保的主题之一, 为此, 各国大力倡导使用自行车作为出行的交通工具。然而, 自行车使用量的增加却给其在城市停放方面带来了一系列问题, 如停放空间狭小, 易破坏自行车外表; 自行车乱停乱放, 影响市容市貌; 在人行道与自行车车道设计重叠,阻碍交通; 停放点监管不严, 盗窃频率高等。自行车停放带来的问题越来越

12、受人们关注。针对以上问题以及不同场合的停放特点, 人们相继开发出如保证自行车稳定及安全并充分利用空间等多种功能的自行车停放装置。并且随着机械电子技术的发展、人们生活质量的提高, 全自动、方便快捷、存储量大的新型自行车停放装置也逐步受到重视。目前最普遍的自行车停放装置是样式各异的自行车停车架, 如图1.5所示 。自行车停车架是用普通的金属制成的形状各异的栏杆, 依靠车锁把自行车固定在栏杆上, 或者通过两杆间的间隙夹持住车轮来保证自行车停放的稳定。这类停放装置安装简便、成本低、可转移性较好。但当自行车存入量增加时, 因车架间隙小, 造成自行车之间相互阻碍和摩擦。图1.5自行车停车架属于露天式的停放

13、装置, 易受到雨淋、日晒和外界行为的影响, 不能达到对自行车的有效保护。为弥补自行车停车架的这一缺陷, 自行车停车棚应运而生。自行车停车棚是在一块固定区域上建立密闭或半密闭的遮蔽棚,棚内安装有一些自行车停放架以达到停放自行车的目的,有密闭式车棚和敞门式车棚两种主要形式, 如图1.6所示。它的结构简单、成本较低。它还能有效避免自行车受外界因素的影响、保证停放自行车的稳定性、减少胡乱停车行为。图1.6为增加自行车停车架及停车棚的防盗措施, 人们发明了智能自行车棚。这种自行车车棚是在密闭式自行车车棚的入口安装上一种门禁装置, 只有通过自行车车主专属的电子钥匙或者磁卡才能开启车棚门存放或提取自行车。这

14、种车棚不仅拥有普通停车棚的优点, 而且可以明显减少停放自行车被盗的现象。2.自行车自动存取多层回转立体车库机械部分设计21自动存取多层回转立体车库的基本结构211基本结构入口部分露出地面, 地下部分为圆柱形结构, 形似冰山, 自行车停放架沿着圆柱形结构一层层搭建起来。整个圆柱形构架的中心空余部分用于安装车库的核心部机械手升降导轨、机械手行走导轨和控制电路, 以保证机械手臂进行自行车的控制、升降、夹取、检测及安全保护等。（如图2.1，2.2，所示）图2.1图2.2212主要参数自动存取多层回转立体车库的基本结构参数：1. 环形阵列；2. 每层12辆；3. 高度5层；4. 每层间距1.5米。5.

15、总长7500mm22立体车库机械手的结构设计221机械手的介绍工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：（如图2.4）（1）夹钳式取料手（2）吸附式取料手（3）专用操作器及转换器（4）仿生多指灵巧手222机械手分析手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。图2.6 机械手机构简图在图2.6中，O为电机输出轴，曲柄OA

16、、连杆AB、滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构串联，使电机最终驱动DE的来回摆动，从而实现手指的开合运动。图2.6中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。为便于手指的顺利合拢，可以在两个手指之间设置一个弹簧，这样还可以提供适当的夹紧力。另外，在选用电机的时候，要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开，并且提供足够加紧物体的力。223机械手结构图传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。采用回转型传动机构。图2.7为初步设计的机械手机构图。图2.723升降机构的设计减速装置和钢丝

17、绳拽引轮对称安置。设计升降机构考虑的问题有:(1) 速度曲线:立体车库的总体机械结构,采用电梯提升机和平移存取构型。车辆存取时间限制在30s左右,要求传动装置可高速度运行。平移机构存取车辆时,要求起升机构具有很高的平层精度,以减小撞击。为了保证安全、低噪声、平移起制动平稳,要求传动装置具有自动加减速功能,升降机构的驱动装置采用了交流变频调速技术。(2) 负载机械特征:升降机构是频繁起制动设备,其运行中的大量时间处在加减速的过程中,升降机构带有对重,因此它的负载机械特征分布于坐标系的四个象限内。当升降平台静止或匀速运动时,表现为静态负载机械特性。当其加减速运动时,表现为动态负载机械特性(除含静态

18、特性外,还含加速度造成的惯性转矩)。（如图2.8）图2.8立体车库的主要任务是在最短的时间内安全地完成车辆的存取，而立体车库中升降电梯的速度已定，因此设计一套合理而安全的存取机构将成为车库设计的重要任务。设计合理可缩短存取车辆的时间，增加车辆存取的安全性。设计研究的主要思路就是想把传统的螺旋式升降改为液压升降，这样就可以大大的节省人力物力，而且也能精准的完成机械的自由升降。以便更好的使用放线机。本人的想法是想用液压驱动不想用陈规的螺杆升降，要解决这些问题必须解决升降系统和驱动系统，在常规的螺杆升降的前提下，要提升很大重量到指定高度是非常困难的，这样会大大的降低工作效率，所以选用液压升降会大大节

19、省人力物力，还有就是因为刚卷质量非常大，单靠钢丝绳的拉力是远远不够的，想要正常的自由旋转就必须要有一个可靠的驱动系统，现在一般用的驱动系统都是电机驱动，因为它有许多优点，可以根据线卷的拉力大小来调节他的转速，还可以进行一般的正反转，还有就是在电机上安装一个变频器，可以无限调速，可以得到任何想要得转速。驱动装置则是用液压驱动，它可以避免由于螺杆滑丝而引起的不必要的工程事故，而且力大可以迅速提升到指定高度。24设计计算241设计带轮确定计算功率查课本表9-9得：,式中为工作情况系数， 为传递的额定功率,既电机的额定功率.选择带型号根据，,查课本表8-8和表8-9选用带型为A型带选取带轮基准直径查课

20、本表8-3和表8-7得小带轮基准直径，则大带轮基准直径,式中为带传动的滑动率，通常取（1%2%），查课本表8-7后取。验算带速v  在525m/s范围内，带充分发挥。确定中心距a和带的基准长度由于,所以初步选取中心距a：，初定中心距，所以带长,=.查课本表8-2选取基准长度得实际中心距取验算小带轮包角，包角合适。确定v带根数z因，带速，传动比,查课本表8-5a或8-5c和8-5b或8-5d,并由内插值法得.查课本表8-2得=0.96.查课本表8-8,并由内插值法得=0.96由公式8-22得故选Z=5根带。计算预紧力查课本表8-4可得,故:单根普通带张紧后的初拉力为计算作用在轴上的压轴

21、力利用公式8-24可得:2.4.2齿轮的设计齿轮材料，热处理及精度考虑此减速器的功率及现场安装的限制，故大小齿轮都选用硬齿面渐开线斜齿轮（1）       齿轮材料及热处理  材料：高速级小齿轮选用钢调质，齿面硬度为小齿轮 280HBS 取小齿齿数=40高速级大齿轮选用钢正火，齿面硬度为大齿轮 240HBS Z=i×Z=5×40=200 取Z=200. 齿轮精度按GB/T100951998，选择7级，齿根喷丸强化。初步设计齿轮传动的主要尺寸按齿面接触强度设计确定各参数的值:试选=1.6查课本图10-30

22、选取区域系数 Z=2.433 由课本图10-26 则由课本公式10-13计算应力值环数N=60nj =60×626.09×1×（2×8×300×8）=1.4425×10hN= =4.45×10h #(3.25为齿数比,即3.25=)查课本 10-19图得：K=0.93 K=0.96齿轮的疲劳强度极限取失效概率为1%,安全系数S=1,应用公式10-12得:=0.93×550=511.5 =0.96×450=432 许用接触应力 查课本由表10-6得： =189.8MP 由表10-7得: =1T=9

23、5.5×10×=95.5×10×3.19/626.09=4.86×10N.m3.设计计算小齿轮的分度圆直径d=计算圆周速度计算齿宽b和模数计算齿宽b b=49.53mm计算摸数m 初选螺旋角=14=计算齿宽与高之比齿高h=2.25 =2.25×2.00=4.50 = =11.01计算纵向重合度=0.318=1.903计算载荷系数K使用系数=1根据,7级精度, 查课本由表10-8得动载系数K=1.07,查课本由表10-4得K的计算公式:K= +0.23×10×b =1.12+0.18(1+0.61) ×1+

24、0.23×10×49.53=1.42查课本由表10-13得: K=1.35查课本由表10-3 得: K=1.2故载荷系数:KK K K K =1×1.07×1.2×1.42=1.82按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径d=d=49.53×=51.73计算模数=4. 齿根弯曲疲劳强度设计由弯曲强度的设计公式 确定公式内各计算数值 小齿轮传递的转矩48.6kN·m   确定齿数z因为是硬齿面，故取z24，zi z3.24×2477.76传动比误差  iuz/ z78/243.25i0.03

25、25，允许      计算当量齿数zz/cos24/ cos1426.27  zz/cos78/ cos1485.43       初选齿宽系数   按对称布置，由表查得1       初选螺旋角  初定螺旋角 14       载荷系数KKK K K K=1×1.07×1.2×1.351

26、.73       查取齿形系数Y和应力校正系数Y查课本由表10-5得:齿形系数Y2.592 Y2.211  应力校正系数Y1.596  Y1.774       重合度系数Y端面重合度近似为×（）1.883.2×（1/241/78）×cos141.655arctg（tg/cos）arctg（tg20/cos14）20.6469014.07609因为/cos，则重合度系数为Y0.25+0.75 cos/0.673 &

27、#160;     螺旋角系数Y 轴向重合度 1.825,Y10.78       计算大小齿轮的  安全系数由表查得S1.25工作寿命两班制，8年，每年工作300天小齿轮应力循环次数N160nkt60×271.47×1×8×300×2×86.255×10大齿轮应力循环次数N2N1/u6.255×10/3.241.9305×10查课本由表10-20c得到弯曲疲劳强度极限 

28、60;                小齿轮 大齿轮查课本由表10-18得弯曲疲劳寿命系数:K=0.86 K=0.93 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4= 大齿轮的数值大.选用. 设计计算 计算模数对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，按GB/T1357-1987圆整为标准模数,取m=2mm但为了同时满足接触疲劳强度，需要按接触疲劳强度算得的分度圆直径d=51.73来计算应有的齿数.于是由:

29、z=25.097 取z=25那么z=3.24×25=81   几何尺寸计算计算中心距 a=600将中心距圆整为110按圆整后的中心距修正螺旋角=arccos因值改变不多,故参数,等不必修正.计算大.小齿轮的分度圆直径d=200d=1000计算齿轮宽度B=圆整的 2.4.3传动轴承和传动轴的设计1. 传动轴承的设计. 求输出轴上的功率P，转速，转矩P=2.70KW =82.93r/min=311.35Nm. 求作用在齿轮上的力已知低速级大齿轮的分度圆直径为 =143.21 而 F= F= F F= Ftan=4348.16×0.246734=1072.84N圆周力F

30、，径向力F及轴向力F的方向如图示:. 初步确定轴的最小直径先按课本15-2初步估算轴的最小直径,选取轴的材料为45钢,调质处理,根据课本取输出轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径,为了使所选的轴与联轴器吻合,故需同时选取联轴器的型号查课本,选取因为计算转矩小于联轴器公称转矩,所以查机械设计手册选取LT7型弹性套柱销联轴器其公称转矩为500Nm,半联轴器的孔径. 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 为了满足半联轴器的要求的轴向定位要求,-轴段右端需要制出一轴肩,故取-的直径;左端用轴端挡圈定位,按轴端直径取挡圈直径半联轴器与 为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴端上, 故-的长度应比

31、 略短一些,现取 初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列角接触球轴承.参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组 标准精度级的单列角接触球轴承7010C型.2.4.4键的设计和计算选择键联接的类型和尺寸一般8级以上精度的尺寸的齿轮有定心精度要求，应用平键.根据 d=55 d=65查表6-1取： 键宽 b=16 h=10 =36 b=20 h=12 =50校和键联接的强度 查表6-2得 =110MP工作长度 36-16=2050-20=30键与轮毂键槽的接触高度 K=0.5 h=5K=0.5 h=6由式（6-1）得： 两者都合适取键标记为：键1：28

32、15;16 A GB/T1096-1979键2：20×50 A GB/T1096-19792.4.5联轴器设计1.类型选择.为了隔离振动和冲击，选用弹性套柱销联轴器.2.载荷计算.公称转矩：T=95509550333.5查课本,选取所以转矩 因为计算转矩小于联轴器公称转矩,所以查机械设计手册选取LT7型弹性套柱销联轴器其公称转矩为500Nm3立体车库电气控制系统设计31电气控制系统整体设计图3.1图3.232电气系统关键部分设计图3.333 PLC控制程序设计图3.4图3.534电动机的选择和计算1，机构手与自行车质量：Wa=30kg 导轨的摩擦因数带轮质量：Wp=1kg u=0.0

33、35联轴器的惯量Jc=0（电机轴与带轮直接相连）2，运转模式 移动距离 2m3，负载部分的惯量4，预选电机：步进电机型号：120BYG5501相书：5电压：120310V电流;5A最大静转矩：20N*m空载起动频率：1800Hz空载运行频率：20000Hz由以上参数可选功率W=1000w5，惯量比6，最高速度Vmax由运转模式图可知1/2*加速时间*Vmax+匀速时间*Vmax+1/2*减速时间*Vmax=移动距离代入数据，知1/2*0.1*Vmax+1.2*Vmax+1/2*0.1*Vmax=2m2.1Vmax=2m由步进电机参数可知步进电动机的起动转速n=30000r/min则转速满足要求

34、8，计算转矩：加速时转矩：减速时转矩：Ta=18.04120（130BYG5501的最大转矩）确认有效转矩:根据以上计算可选100BYG5501附：步进电机负载转矩与最大静转矩的关系机械手和自行车的升价带轮质量：Wp=1kg联轴器的惯量Jc=0（电机轴与带轮直接相连）2，运转模式3，负载部分的惯量由于此处有两条同步带分布在支架两侧来带动机械手和自行车的升降。4，预选电机，选130BYG5501功率：P=1.5kw最大静转矩:20N*m5，计算6，最高转速Vmax1/2*加速时间*Vmax+匀速时间*Vmax+1/2*减速时间*Vmax=移动距离1/2*0.2*Vmax+2*Vmax+1/2*0

35、.2*Vmax=122.1*Vmax=12Vmax=12/2.1=5.714m/s7,转速：换算成N（r/min）8，计算转矩移动转矩：加速时转矩;减速时转矩=6.441-1.67=4.771N*m9,确认最大转矩加速时转矩加速时转矩Ta=8.111N*m20N*m10，确认有效转矩11,根据以上计算可选130BYG55014结论与展望41 结论在前面介绍的几种自行车停放装置中, 自行车停车架及停车棚具有成本低廉、可转移性好、普及性强的特点, 适合于自行车停放量较少、停放面积充足、停放时间短的场合, 如小区街道、学校会所等; 双层自行车停放装置及直立式自行车停车架具有结构简单、节约空间的特点, 适合于自行车停放量较大、停放面积有限的场合, 如商贸中心街道、人流量大的街道等; 隔间式自行车停放装置具有防盗、防止车辆间