无避让立体车库控制系统的研究设计（可编辑）

无避让立体车库控制系统的研究设计（可编辑） 分类 号:TP24密 级: 公 开 U D C : 单 位 代码 :10424工 程 硕 士 学 位 论 文 无 避 让 立 体 车 库 控 制 系 统 的 研 究 与 设 计张 露 露 申请 学位级别 : 硕士学位专业 名 称: 控制工程 指导教师姓名 : 冯 开 林 职称: 教 授 山 东 科 技 大 学 二零一二 年五月论 文题 目: 无 避让 立体 车库 控制 系统 的研究 与设 计 作 者 姓名 : 张 露 露 入学 时间:2010 年 9 月专 业名称 : 控 制工 程 研究 方向: 机器 人技 术指 导教师 : 冯 开 林 职 称: 教 授论 文提 交日 期:2012 年 5 月 论 文答 辩日 期:2012 年 6 月 授 予学 位日 期: STUDY OF THE CONTROL SYSTEM OF NO AVOIDING COLLISION THREE-DIMENSIONAL GARAGE A Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERINGfromShandong University of Science and TechnologybyZhang LuluSupervisor: Professor Feng KailinCollege of Information and Electronic Engineering May 2012 声 明 本人 呈 交给 山东 科技 大学 的这 篇硕 士学 位论 文, 除了 所列 参 考文 献和 所公 认的 文 献外 ,全 部是 本人 在导 师指 导下 的研 究成 果。 该论 文资 料尚 没有 呈交 于 其它 任何 学术 机 关作 鉴定 。 硕 士 生签 名: 日期: AFFIRMATION I declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic instituteSignature: Date:山东科技大学 工程硕士学位论文摘要 摘 要 随着我国轿车保有量的逐年上升,停车难的问题日益突出,而传统的平面停 车无法 满足需求,立体车库应运而生。鉴于传统立体车库的技术特征,本课题研究设 计出一种 简单、实用、新型的无避让立体车库。 本课题根据车库的机械性能要求以及运行的原理,首先,确定车库的总体,采 用液压驱动方式,并确定液压元器件的型号规格;然后针对无避让立体车库控制系统分 别进行软硬件设计,在硬件部分,以AT89S51 单片机为控制系统核心,详细阐述了各功 能模块电路的设计方案;在软件部分,采用模块化编程,编写功能块子程序;本课题还 对液压控制系统中的电液比例方向阀、液压缸、液压马达分别进行数学模型的建立,确 定系统传递函数, 并利用SIMULINK 软件进行仿真分析, 得出各器件的响应特性曲线, 并 进行特性分析 ;最后分析系统的干扰源,并对车库控制系统的软硬件抗干扰措施进行详 细的阐述,从而提高了整个车库系统的安全性和可靠性,保证了停车设备的良好运行。 关键词 :无避让立体车库,液压,单片机,建模仿真 山东科技大学 工程硕士学位论 文摘要 ABSTRACT With the increasing of Chinese auto possession, parking problems increasingly need to be resolved, especially in big and medium-sized cities. Especially in the city, the parallel parking has high value in use. So the research of the driving system of the parking equipment and the automatic control system has vital significanceThe paper finished the design of the control system’s hardware and software. For the hardware design, we use the AT89S51 as the hardware core of the control system and expound in detail the design projects of the functional module circuits. For the software design, we determine the software design project and specifically design the main program and the program of the functional modules. The paper establishes mathematic models of the electro-hydraulic proportional direction valve, hydraulic cylinder and hydraulic motor of the hydraulic control system, establishes the system transfer function and uses the SIMULINK to simulate and analysis. By the curve of response characteristics, we analyze the properties of the devices in hydraulic system.In the final, the paper analyzes the interference sources of the system and put forward the anti-interference measures in hardware and software of the control system in detail, to improve the reliability and safety of entire garage system and to ensure the parking equipment in good operation Keywords: unavoiding collision three-dimensional garage, Hydraulic, Microcomputer unit, Modeling and simulating山东科技大学 工程硕士学位论文目录 目 录 1 绪 论1 1.1 课题的提出及研究意义1 1.2 立体停车库的国内外现状及发展趋势 1 1.3 本课题的主要研究内容3 1.4 本章小结 4 2 无避 让立体车 库的总体 方案. 5 2.1 机械式立体停车设备的类别及特点. 5 2.2 无避让立体车库总体方案的确定. 9 2.3 液压元件的计算和选择. 12 2.4 本章小结. 19 3 无避 让立体车 库控制系 统的设计 20 3.1 无避让立体车库控制方案的确定20 3.2 无避让立体车库控制系统硬件设计. 20 3.3 软件程序设计. 31 3.4 本章小结. 35 4 液压 控制系统 的建模与 仿真 36 4.1 升降部分液压控制系统建模与仿真分析36 4.2 液压马达的建模分析与仿真. 45 4.3 本章小结. 48 5 控制 系统的抗 干扰技术. 49 5.1 硬件抗干扰设计49 5.2 抗干扰的措施 50 5.3 本章小结. 53 山东科技大学 工程硕士学位论文目录 6 总结 与展望 54 6.1 总结54 6.2 展望54 致 谢 56 参考文献. 58山东科技大学 工程硕士学位论文目录 Contents 1 The Introduction 1 1.1 Proposal and research significance of topics. 1 1.2 The backgroud and development trend at home and abroad. 1 1.3 The main research contents 3 1.4 Brief summary of this chapter4 2 The overall project of the garage. 5 2.1 The categories andfeatures of mechanical stereo parking equipment. 5 2.2 The overall project of the garage9 2.3 The calculation and selection of hydraulic components12 2.4 Brief summary of this chapter..20 3 The design of the garage control system21 3.1 The project of control system..21 3.2 The hardware design..21 3.3 The software program design32 3.4 Brief summary of this chapter..36 4 The modeling and simulation of the hydraulic system 37 4.1 The modeling and simulation analysis of the lift part system..37 4.2 The modeling and simulation analysis of the hydraulic motor46 4.3 Brief summary of this chapter.48 5 The anti-interference technology of the control system49 5.1 The design of hardware anti-interference..49 5.2 The measures of software anti-interference..50 5.3 Brief summary of this chapter..53 山东科技大学 工程硕士学位论 文目录 6 Summary and prospects. 54 6.1 The summary. 54 6.2 The prospects54 Thanks 56 Main references 58 山东科技大学 工程硕 士学位论文绪论 1 绪 论 1.1 课题的提出及 研究意义 [1] 随着我国经济的高速发展, 人民生活水平的提高, 轿车进 入家庭已成为必然趋势 。 汽车工业的高速发展,使得停车问题逐渐成为大城市迫切需要解决的难题,城市交通拥 挤的矛盾日益突出,小区停车难的问题日益严重。车辆的逐渐增多,造成了动态交通的 严重阻塞。同时停车场地的不合理设置,造成静态交通混乱的现象,动态交通和静态交 通的关系形成恶性循环,从而进一步加剧了城市的交通拥挤。能否解决好城市交通阻塞 [2] 和停车难的问题,已经成为制约城市建设和经济发展的重要因素之一 。 停车问题是城市发展过程中出现的静态交通问题,而城市住宅小区内的停车是城市 静态交通的重要组成部分,若住宅小区的停 车问题得到良好的解决,则整个城市的交通 状况也必然会得到改善。交通状况的好坏会直接影响着人们的出行、办事效 率和生活质 量,交通瓶颈也将成为加速城市建设和提高人民生活质量的老大难。因此,积极探索解 决城市停车难的措施,具有重要的意义。 为找到适合大中城市住宅小区的停车解决方案,本课题做了深入的研究,决定使用 [3] 机械式立体停车设备,它 能够解决停车难给 住宅小区带来的 一系列问题 。机 械式 立体 停车设备具有占地少,泊位多,投资少,效益高,安全可靠等优点,非常适合在我国的 大中城市推广使用,能很好的解决我国城市停车难的问题,具有 广阔的应用前景。 综上所述,本课题的研究对于解决城市停车难的问题必将起到积极的作用,进一步 改善城市交通拥挤的现状,对于城市的健康快速发展也具有非常重大的意义。 1.2 立体停车库的 国内外现 状及发展 趋势 欧美国家和亚洲等各发达国家采取不同的措施来解决停车难的问题。但是,各个国 家都积极采取停车立体化的措施来解决停车难的问题,尤其采用全自动的机械式立体停 车库。由于日本的国土面积较小,而汽车拥有量较高,立体停车设备已经以 70% 的绝对 优势占据日本的停车市场,而在我国,仅仅占据了市场的 2%-3% ,因此随着我国汽车工 [4] 业的快速发展,立体停车设备在我国未来停车市场具有极大的发展空间 。 1.2.2 我国 研究 现 状 从 80 年代 初开 始, 日本 开始 向我 国输 出立 体停 车设 备和 技术 , 我国 也自 此开 始自 行 1山东科技大学 工程硕 士学位论文绪论 研制和使用立体停车设备。随着我国经济的高速发展和汽车工业的快速发展,轿车的拥 有量呈直线上升, 立体停车设备也因此得到广泛的应用。 截止到2003 年年 底, 立体 车库 的发展在我国已经形成一定的规模, 有31 个省份的56 座城市兴建了879 个立体停车库, 车位达到8 万多个,其中有一半建设在住宅小区,主要集中在北京、上海、江浙和广东 [5] 等地区,在这些地区立体停 车设备得到广泛的开发和应用 。目前我国已经步入了立体 停车设备的初步发展阶段,已经形成了集引进、开发、制造、使用为一体的 新兴的立体 停车 行业 。 目前 生产 立体 停车 设备 的厂 家已 有几 百家 , 停车 设备 的类 型也 更加 的多 样化 , 满足国内市场的需求,其中一些停车设备已经开始出口。机械式立体停车技术是一种多 学科知识综合应用的技术,它不仅包含了机械、控制等方面的先进技术,其规划建设还 涉及到城市的规划建设、供电照明、收费管理等各学科领域,已经形成一门独特的新型 的技术领域。它需要多学科、多专业的复合型人才的积极参与开发研制,引进国外 先进 成熟的停车技术,开发出适合我国国情和满足市场需求的安全、经济、高效、节能、省 地的产品。 1.2.3 立体 车库 的 主要 发展 趋势 随着各种高新技术的发展,诸如计算机技术和电子技术,越来越多的高新技术正在 被引用到立体停车设备中,立体车库正在朝专业化、复杂化、智能化和高自动化的方向 [6] 发展,主要表现在以下几个方面 : 1 专业化:立体车库的生产已经形成一定的规模, 已有越来越多的生产厂家 具备专 业化的技术水平。只有具备专业化的水平,才能够保证停车设备的各项性能,从而形成 了从开发、设计到生产、制造一体化的专业化团 队,使得立体停车设备的软硬件设施及 各种配套设施都达到专业化的程度; 2 复杂化:立体停车设备已不仅仅是纯粹的机械式停车设备, 它开始应用到各领域 的先进技术,综合如机械、液压、电子、自动、光电、管理等领域的先进技术,朝着更 加多元化的方向发展,以形成一门多学科交叉的新兴领域。立体停车技术需求更多的复 合型人才,更加的复杂化; 3 智能化:随着计算机技术及控制技术的高速发展, 立体车库的发展越来越向着智 能化的方向发展,一些先进的技术正迅速进入停车技术领域,如采用计算机实现全自动 化管理,开发、设计专用的控制器,应 用传感技术对停车库实时监控,将实时数据经无 线通信技术,反馈给上位机,上位机根据设定的指令和算法计算,输出指令控制设备的 2山东科技大学 工程硕 士学位论文绪论 运行,实现智能化服务。 4 高自动化:采用先进的自动控制技术,如智能控制、遥控技术、模式识别等等, 以及科学的管理方法,实现立体车库的高自动化特性,进一步提高了系统的存取效率。 采用先进的控制技术,使得车辆的运行更加安全可靠,且可自行寻找车位,无人操作即 可实现存取车操作;采用科学的管理方法,应用计算机技术,对停车场实施全方位的监 控管理,实时反馈车库的运行状态,并通过人机界面,实现人机对话,实 现对车库信息 的查询,同时可以设置打印报表,将车库信息做详细的。 1.3 本课题的主要 研究内容 本课题以无避让立体停车设备为研究对象,首先研究确定车库的驱动方式,改变传 统的电机驱动横移装置和链条式升降装置, 而采用液压驱动载车板的横移、 转动、 升降。 然后研究设计出其单片机控制系统,确定控制方案,进行系统的软硬件设计。最后针对 液压元器件,进行数学建模与仿真,分析系统运行的动态特性。 本论文的主要研究内容有: 1 总体方案的确定传统无避让立体停车设备多采用步进电机和链条等机械 传动方式实现载车板的横移 升降,本课题采用液压传动实现上述功能,根据无避让立体车库行走机构、回转机构、 升降机构的性能要求,提出液压系统回路设计方案,液压缸型号和液压马达的选取及使 用原则,以及各种控制阀的使用。其次,根据停车设备的性能要求及液压回路的特性, 选择合适的行程开关、传感器等电器,实现系统的自动化要求。 2 单片机控制系统硬件方案和软件方案的确定 本课题是基于传统无避让立体车库的进一步创新,自行设计的新型的无避让立体停 车设 备, 根据 设备 的结 构特 点以 及控 制系 统的 基本 要求 , 确定 单片 机控 制系 统硬 件方 案, 进行单片机硬件电路设计,包括主电路模块、数字 量输入和输出模块、模拟量输入和输 出模块、电源模块和通信模块等。采用了典型的电路和性能可靠的元器件,绘制了硬件 各模块的电路原理图。 同时根据运行要求, 确定软件编程方案, 采用模块化的程序设计, 并编写部分子程序。 3 液压系统的建模与仿真 分别对电液比例方向阀、 液压缸、 液压马达进行数学模型的建立, 并应有 MATLAB 中的 SIMULINK 模块进行仿真实验, 验证模型建立的正确性及系统的动态特性的仿真分 3山东科技大学 工程硕 士学位论文绪论 析。 4 系统的抗干扰措施 对单片机控制系统系统进行可靠性分析,干扰源分析以及抗干扰技术,抗干扰的设 计主要包括硬件抗干扰措施和 软件抗干扰措施。 1.4 本章小结 本章详细阐述了课题的背景和研究意义,阐明了机械式立体停车设备能够很好地解 决大中城市停车难的问题,具有广阔的市场前景和研究价值;对国内外停车设备的发展 现状进行了探讨,并分析了立体停车设备的发展趋势;鉴于现有立体停车设备的技术性 能,并结合现有技术,提出采用液压驱动系统的方案;确定控制系统方案,提出使用单 片机技术进行控制系统的设计;最后简要介绍了本课题主要完成的工作。 4山东科技大学 工程硕士学位论文 无避让立体车库的总体方案 2 无避让立 体车库的总体方案 2.1 机械式立体停 车设备的 类别及特 点 机械式立体停车设备主要由钢结构骨 架系统、载车板装置系统、传动装置系统、安 全保护装置系统、电气控制系统五部分组成,通过平面停车向空间停车发展,形成立体 [2],[7] 停车模式,从而节省占地面积,当前机械式立体停车库主要有以下几种 : 1 升降横移式停车库 采用载车板升降、横移存取车辆,如图 2.1 所示。通过载车板的升降和横移操作实 现存取车操作,顶层载车板通过升降实现,底层载车板则通过横移实现,只用中间层的 载车板既可横移又可升降来实现存取车的操作。 该立体车库适用于地面及地下的停车场, [8],[9] 配置较灵活,适价较低,目前国内大多数的停车设备以该类车库为主 。 图 2.1 升降横移式立体停车库 Fig. 2.1 The dragging-forms of multiplayer up-down and translation car hase 2 垂直升降式停车库 垂直升降式停车库又称为塔式立体停车库, 如图 2.2 所示 。 与电 梯的 工作 原理 相似 , 该机械式停车设备是通过提升机升降载车板或车辆,以及安装在提升机上的 横移机构的 [10] 横移来实现存取车辆 。存车时,车辆驶入车库,由升降机构将载车板或车辆升降到停 车的目的层,然后再利用提升机构上的横移装置将 载车板或车辆送入到存车泊位;取车 动作则与存车动作相反。该车库可实现快速、高可靠性的存取车辆,且噪声比较小,操 作简单,维护方便,适合安装在车辆较集中的城市中心区域。 5山东科技大学 工程硕士学位论文 无避让立体车库的总体方案 图 2.2 垂直升降式立体停车库 Fig. 2.2 Vertical lifting type stereo garage 3 巷道堆垛式停车库 如图 2.3 所示,巷道堆垛式停车库是将停放在搬运器上的车辆经由巷道堆垛机或者 轿式起重机进行水平和垂直的移动,停放在预存的车位上,具有专门的存取机构,所有 车辆的存取操作均是由巷道堆垛机或者轿式起重 机来完成。该类型的车库应用先进的计 算机技术进行车库管理,还采用机械、光电、自控等领域的先进技术,是一种集多领域 [11] 技术综合应用的全自动化的立体停车库 。它具有全封闭、存车安全等特点,主要适用 于需求车位数较多的大型密集式的存车区域。 图 2.3 巷道堆垛式立体停车库 Fig. 2.3 Aisle stacking parking garage 4 垂直循环式停车库 如图 2.4 所示,该车库是一种采用停车系统在垂直方向做循环运动来进行存取车辆 6山东科技大学 工程硕士学位论文 无避让立体车库的总体方案 的停车设备。垂直循环式停车库是在牵引机构的链条上每隔一定的距 离就安装一个存车 [4] 托架,通过减速机来带动传 动机构存取车辆的 。存放车辆的托架随着在电机 驱动下动 作的牵引机构做循环运动,来实现存、取车操作。该车库具有设备动力较单一、控制简 单、占地面积较小等特点,适合在零散地块,小规模停车场使用,也可用于车辆不多、 [4] 停车区域较小且分散的停车场 。 图 2.4 垂直循环式立体停车库 Fig. 2.4 Vertical circulation type three-dimensional garage 5 无避让立体车库 如图 2.5 所示,智能化无避让立体停车 是一种基于简易式立体车库,用全新理念设 计的新颖 的 立体停车装置,是为车主提供智能化停车服务的停车机器人 ,它的最大特点 是实现了 “ 无避 让 ” 停车 ,同 时能 有效 地 解决现有立 体停 车设 备 的 倒车 入库 、停 车 、取 车 时间长、效率低等缺陷。 与传 统升 降横 移类 车库 相比 ,能 够 100% 增加 上层 停车 位, 无 需因预留避让空间而浪费宝贵的停车空间。车辆入库无需倒车,设备前方通道只需大约 4 米 宽 ,即可满足设备运行和停车需求,占用空间面积少。与传统二层升降横移立体车 库相比,可节约场地 的 建设面积,降低建设成本 。因地制宜,根据不同环境, 不同的需 求,既可单台安装,又可多台安装 。 7山东科技大学 工程硕士学位论文 无避让立体车库的总体方案 图 2.5 无避让立体车库 Fig. 2.5 Unavoiding collision three-dimensional garage 传统无避让立体停车设备有如下优点: 1 停车无须避让,取车更 加快捷。上层 载车板横移后向外 转动 90 度,然后载车板 降至地面,存取的车 辆可直接驶入 出 ,无 须倒 车 ,地 面停 车位 与日 常停 车相 同 ,没 有 传统停车设备中起吊钢绳或链条造成的人为 “窄 门” , 为新手顺利停车提供便利, 使用便 捷性令传统停车设备望尘莫及。 2 可靠的安全性能 。 利用螺杆传动的自锁特性和链条的牵引, 确保上层 载车板在任 何时候不会因为快坠而发生伤人毁车的事故,在设备运行过程中,即使提升机构中有一 部件失效也能将车台锁住,以确保人员和车辆的安全,这是传统机械停车设备无法实现 的。 具有独立的动力系统, 各功能动作互锁, 通过 PLC 编程控制确保每个动作运行准确 无误,安全可靠。 配有手动释放功能,当出现停 电情况时, 只有下层车位无车,通过手 动释放装置就可以轻松的将上层车辆安全的降至地面,取车后可用手动装置将上层车位 回位,不会影响地面或邻近车位的使用。 3 车库 故障 率 降至 最低 。每 个车 位独 立运 行 ,即 使其 中一 个车 位发 生故 障 也不 会 影响其他车位的使用 ,若本产品组建车库整个停车库的故障率就非常低。传统设备车位 周转运行,其中一个车位出现故障将迫使整组设备无法运行。 4 空间利用率提升一倍 。 在地面停车位上增加一个停车位 , 不需要预留额外空间, 充分诠释了该设备节约土地的理念。 应用范围广,可直接在原地面车位上直接增建。无避让立体停车设备相对于其他同类产品的技术优势是最大限度的地利用了空地, 设计车位量达到最大化,同时也保证了车辆进出车库和来往车辆的通行顺畅,缩减停车 时间,为车主的停车、取车提供了远优于其他立体车库产品的环境和条件。 8山东科技大学 工程硕士学位论文 无避让立体车库的总体方案 2.2 无避让立体 车 库总体方 案的确定 本课题基于现有无避让立体停车设备的进一步创新设计。传统的立体停车设备采用 电机和链条等实现设备的横移、升降 ,电机的驱动力较小,链条的使用寿命较短,且更 换困难。鉴于以上情况。本课题确定采用液压驱动,液压驱动更加的稳定可靠,驱动力 更大,同时可减少一些低压继电器、机械式开关的使用,避免这些电气设备的老化使操 作失灵。液压装置自身可实现自锁,不需专门设计防坠落装置。且在断电的情况下,也 不会发生停放车辆和载车板的坠落,可通过手动控制阀实现取车操作。传统 停车设备采 用可编程控制器进行系统控制,本课题采用单 片机技术,设计专门的控制器实现控制功 能, 该控 制器 相比 于 PLC 更小 巧, 易于 直接 安装 在停 车设 备上 , 且具 有通 信功 能, 可实 现与上位机的通信,实现车库的智能化管理。 2.2.1 液压 驱动 方 式的 优点 传统的无避让立体车库采用电机驱动运行,本课题采用液压驱动的方式。所谓液压 驱动就是指用液体作为工作介质,将液体的压力能转换成设备的机械能,驱动停车设备 的运行。利用各种液压元器件构成液压控制回路,形成了具有一定控制机能的液压驱动 系统。与车库采用传统的电机驱动方式相比,采用液压驱动系统具有以下优点: 1 液压装置在同等的体 积下比电气装置能够提供更大的动力,对于该停车设备所 需的功率,采用液压装置,所占用的体积更小,结构更加简单,质量更轻,这样减轻了 停车设备的重量,简化其结构,更便于停车设备的安装。 2 液压装置比电器驱动装置的稳定性更好,反应更快,惯性也较小,能快速实现 启动制动操作。液压装置的换向频率比电气装置高的多,往复回转运动时,可达到每分 [12] 钟 500 次;液压系统作往复直线运动时,每分钟达到1000 次,且液压传动更简单 。 3 相对于电机调速来说, 液压装置的调速范围更大 , 且液 压装 置可 在运 行过 程中 进行调速,更易实 现过载保护,使用的寿命更长。 4 液压装置自身可实现自锁保护,在停车设备断电的情况下,液压装置能更好实 现自锁,防止停车设备的坠落。而电气装置则需要专门的防坠落装置,停车设备的安全 性无法得到太好的保证。 5 液压驱动方式更易实现自动化,本课题将液压控制与电气控制相结合,能够更 好地实现系统的自动化操作。液压系统的设计更简单,液压元器件的制造和使用也更方 [12] 便,更易实现液压系统的化、系列化和通用化 。 9山东科技大学 工程硕士学位论文 无避让立体车库的总体方案 综上所述,相对于电气驱动,液压驱动存在诸多的优点,虽然液压也存在着一些缺 点,如液压装置对油温的变化 会比较敏感,不宜在温度很高或很低的条件下工作,但本 课题的停车设备大多安装在小区、办公楼下等环境中,环境较好,满足液压装置的环境 要求。因此,本课题采用液压驱动的方式实现停车设备的动作。 2.2.2 无避 让立 体 停车 设备 的结 构 无避让立体停车设备主要由四部分组成: 液压控制系统; 横移、 转动和升降 (YLB ) [4] 机构;框架结构部分和安全防护系统 。 1 液压 控 制系 统: 无避 让立 体停 车 设备 的控 制系 统是 存取 车 的指 挥中 心, 是实 现 智能化的前提。主要由液压驱动回路和控制回路组成。其中主回路主要是驱动载车板的 横移、转动和升降, 主要由电机驱动的液压回路系统来完成。控制回路主要是由以单片 机为核心的控制器, 通过接受到的主回路的反馈信号, 进行指令输出, 控制主回路动作。 2 横移 、 转动 和升 降机 构: 主要 包 括横 移机 构、 转动 机构 以 及升 降机 构。 横移 机 构主要依靠液压马达驱动小车在导轨上行走来实现小车往复运动。当运行到既定位置时 碰撞限位开关,继而转动机构动作。旋转机构主要靠摆线液压马达驱动立柱旋转,来实 o 现立柱的回转。当立柱旋转 90 后限位开关动作,升降机构开始动作,升降机构主要是 靠液压缸驱动载车板的升降来实现升降存取车。 3 框架 结 构部 分: 无 避 让立 体停 车 库的 结构 框架 主要 由导 轨 、立 柱、 载车 板等 部 件组 成。 导轨 安装 在地 面上 与滚 轮嵌 在一 起, 主要 作用 是承 重。 立柱 是主 要的 支撑 部分 , 主要靠它的抗弯刚度来抵抗侧向力。载车板是用来承载车辆的装置,它影响车库整体的 刚度和强度。 4 安全防护系统: 1 到位及断电自锁。 上层车位升降到位后液压缸自锁, 设备停止动作 , 当设备断电 时亦是如此。保证下层车辆及人身安全。 2 人机误入保护设置。 设备前方设置光电传感器, 人员、 车辆误入, 设备会自动停 止动作,保证运行安全。 3 车辆 止档 、 自动 定位 装置 。 车台 板中 间高 两侧 低, 驶入 车辆松开手刹后, 车辆自 动完成前后定位,同时保证车辆不会出现滑动。 4 紧急停止按钮装置。 设有紧急停止按钮, 当遭遇特殊紧急状况时, 按下 此按钮, 则所 有机械动作即刻停止,在状况未解除前,停车设备不会起动。 10山东科技大学 工程硕士学位论文 无避让立体车库的总体方案 2.2.3 无避 让立 体 车库 液压 回路 的原 理图 根据停车设备各部分的性能要求,按自动运行和手动运行分别设计,其中自 动运行的液 压回路设计如图所示,液压回路的原理图由三部分组成,横移部分、回转部分 和升降部 分,其原理图如图2.6 所示。 行 走 SQ6 SQ1 升 降 SQ4 旋 转 SQ3 13 16 SQ5 SQ2 15 12 14 9 10 11 1YA 6YA 2YA 5YA 3YA 4YA 7 6 8 5 4 2 3 11.过滤器 2.定量液压泵 3.二位二通电磁换向阀 4. 先导式溢流阀 5.调速阀 6 、7 三位四通电磁换向阀 8.三位四通电液 比例方向阀 9. 缓冲限压阀 10 、15. 双向液压锁 11. 平衡阀 12. 双向定量液压马达 13.蜗轮蜗杆减速机构 14. 双向定量液 压马达 16. 双作用多级液压缸 图 2.6 液压回路原理图 Fig. 2.6 Hydraulic circuit principle diagram 按下存车/ 取车按钮,电磁换向阀的电磁铁 1YA 得电导通,液压马达驱动行走机构 开始 横移 , 直到 碰撞 行程 开关 SQ1 , 此时 ,1YA 失电 , 同时 2YA 得电 , 摆线 马达 驱动 旋 转机构动作,旋转 90 度后碰撞行程开 关 SQ2 ,使得 2YA 失电,升降机构此时在自身重 力的情况下,使得液压缸卸荷,升降机构向下运行,直到降落至地面。停放好车辆或取 走车辆后,4YA 得电,液压缸驱动升降机构上升,上升至位置 5,碰撞行程开关,4YA 失电的同时 5YA 得电,摆线马达驱动旋转机构沿反方向旋转 90 度后,碰撞行程开关 3, 此时 5YA 失电 ,6YA 得电 , 液压 马达 驱动 行走 机构 返回 初始 位置 , 碰撞 行程 开关 2 ,系 统失电,停止动作,液压自锁,防止载车板坠落。 11山东科技大学 工程硕士学位论文 无避让立体车库的总体方案 手动液压回路部分的设计是满足在断电的情况下,仍然能够进行停取车操作,它是 在自动运行液压回路的基础上增设手 动控制阀,实现手动操作。其工作原理同自动运行 液压回路的原理, 只是各部分的动作均可通过手动控制阀操作来实现。 其原理图如图2.7 所示。 行走 SQ6 SQ1 SQ4 升降 旋转 SQ3 SQ5 SQ2 3YA 1YA 5YA 6YA 4YA 2YA图 2.7 手动液压回路原理图 Fig. 2.7 Manual hydraulic circuit principle diagram 2.3 液压元件的计 算和选择 2.3.1 液压 缸型 号 选择 液压缸运行时主要的阻力就是无避让立体车库承载车辆时载车板和汽车的重力,载 车板和汽车的质量大约为 3000kg ,g 取 9.8N /kg , 故重 力约 为 29.4KN 。 由表 2.1 可知, m 载车板升高的高度要达到 2 ,这里选择三级双作用液压缸。若液压缸缩回时尺寸为, l 则完全伸开时加上缸筒长度,行程可达到 4 。 双作用多级液压缸通入压力油时,各级活塞按有效面积大小依次先后动作,并在输 [13] 入流量不变的情况下,输出推力逐级减小,速度逐级增大 。其分别为: 2 Fp D (2.1 ) i 1 i mi 4 式中: p ? 液压缸进口压力,Pa ; 1 12山东科技大学 工程硕士学位论文 无避让立体车库的总体方案? 第 级 活塞直径,mm ; D i i ? 第 级液压缸机械效率。 i mi 4qvi v (2.2 ) i 2 ?D i 式中: ? 输入液压缸流量,L/ min ; q? 第 级液压缸容积效率; i vi 通过查《机械设计手册》 ,我们选择 3HSTG-150E-2208 型号液压缸,其型号 的含义 为:3- 伸出级数为 3 级;H- 活塞式;S- 双作用式;TG- 多级液压缸;150- 最大级缸 径(mm);E- 压力级,16MPa ;2208- 伸开总长度(mm ) 。其 规格 如表 2.1 所示。 表 2.1 3HSTG-150E-2208 双作用多级液压缸规格 Table 2.1 3HSTG-150E-2208 double acting multisection hydraulics cylinder specifications 型号 活塞外径/mm 单级行程/mm 工作压力/MPa 3HSTG-150E-2208 150-120-90-70 552 16 2.3.2 液压 马达 的 选择 1 行走部分液压马达的选择 对于液压马达而言,其阻力分别包括:液压马达运行的自身摩擦阻力和液压马达运 [14] 行的外部阻力,室外无避让立体车库还要考虑由风载引起的阻力,称之为风载阻力 。 因 为液压马达自身摩擦阻力及风载阻力相对于外部阻力可以忽略不计,所以液压马 达运行的阻力主要就是其外部阻力,即小车行走机构的运行阻力。主要包括:无避让立 体车库承载车辆时车轮在轨道上滚动时产生的滚动摩擦阻力矩以及车轮轴 承的摩擦阻力 矩, 此外 还应 考虑 车轮轮缘与 轨道的摩擦阻力矩、 轨道的弯曲不平 产生坡度阻力矩 等 [15] 附加阻 力矩 。 考虑到附加阻力矩,我们将公式乘以一个系数(这里取1.5 ) ,则 公式 变为 : M? M ?M ? kF0 .5uPd ?G k0 .5ud 1 2 N (2.3 ) 式中: G ?无避让立体车库承载车辆时产生的重力(立体车库质量 m 取 3000kg ,g 取 9.8); k ? 滚轮与导轨即钢- 钢之间滚动摩擦系数 mm ,查《机械设计手册》取 0.3mm ; 13山东科技大学 工程硕士学位论文 无避让立体车库的总体方案 u ? 车轮轴承的摩擦系数,查《机械设计手册》 ,深沟球轴承摩擦系数为 0.0015 ; G P ? 当量动负荷,这里取 ; d ? 轴承公称内径,这里取 80mm ; 代入数据,计算得 15.88N ?m 。 M 由 M ?F ?D/ 2 (2.4 ) F D 其中, 为运行摩擦阻力, 为车轮直径,取 100mm 。 带入数据计算可得 318 。 考虑 到液 压缸 自身 的摩 擦及 效率 问题 , 这里 取运 行阻 F N 力F 350N 。 高速液压马达的转速一般为 900r / min ,即 15r /s 。轨道总长约 5.5m ,按 6:4 的方 式分配,小车行走机构只需单程行走约 3.3m 。行走机构单程行走时间为 40s ,车轮直 径取 100mm ,故车轮的转速约为 0.3 。这就要求减速器具有 50:1 的传动比,所需液 r /s 压马达的输出转矩: F D i 0 q M (2.5 ) m 2? q n N 式中: F ? 液压马达的最大牵引力,即 350 ; ma x D ? 链牵引主动链轮节圆直径或无链牵引齿轨轮节圆直径,取 50mm ; 0 i ? 液压马达输出轴至主动链轮或齿轨轮的总传动比 ,即 50:1 ; q ? 液压马达输出轴至主动链轮或齿轨轮的总传动效率,取 0.8; q? 牵引机构啮合效率,无链牵引可取 1 。 n N ?m 代入数据,求得所需液压马达的输出转矩约为 550 。 查《机械设计手册》 ,我们选择 NHM175 液压马达,其规格如表 2.2 所示。 表 2.2 NHM175 液压马达规格 Table 2.2 NHM175l hydraulic motor specifications 型号 排 量/ 压力/MPa 转速/r/min 效率/% 转矩/ 重量/ mL/r N? m kg 额定值 最高值 额定 最高 容积效率 总效率 NHM175 176 21 30 750 1000 0.97 0.90 553 36 14山东科技大学 工程硕士学位论文 无避让立体车库的总体方案 NHM175 液压马达的输入流量: nv(2.6 ) q60v VCC SW C21a1XTAL1 22μF 470? 89S51 C12a2 XTAL2 3 1 R a1ESET a3GND 式中:? NHM175 液压马达的排量,176 施密特触发 器 ; 1K? 电源 控制开 关 +12V 直 流电 源 稳压电源模块 +12V 电 源开关电路 +12V 外围+12V 端口 电路 +5V ? NHM175 液压马达的 容积效率,此处取 0.98 ; 单片机 芯片模块 P1.7 1K +5V 输 入电 信号 NPN 电 子放 比例 电 执行 电 流 力 压 力 、流量 工 作机 械 1K 1K 液压 阀 NPN 大 器 磁铁 元件 10μF ? NHM175 液压马达的转速,此处取 900 或位 移 ; 或方 向流量 蜂鸣 器 代入数据,计算得该液压马达输入流量为 2.7L /s 。 2 转动部分摆线液压马达的选择 由于无避让立体车库的立柱及以上部分全部重量并非由摆线液压马达承担,而是由 行走机构承担,摆线液压马达所受的阻力主要是其外部阻力,即立柱与行走机构处的滑 动摩 擦力 。 立柱 与行 走机 构之 间的 摩擦 为钢- 钢摩 擦, 在润 滑的 条件 下, 查 《机 械设 计手 册》 ,其 滑动 摩擦 系数取 0.08 ,滑动摩擦力F?F ,F 为立柱、载车板及车辆的重 f N N 力, 其三 者质 量取 3500 ,g 取 9.8 , 所以 摩擦 力F 约为 2800N 。 另 外 , 立柱旋 kg N /kg f 0 转不宜过快,一般地我们设定单程旋转90 时间为 4s ,即液压马达转速为 0.06r /s ,这 个可以安装调速阀来解决。如上一章所述,我们选择的是摆线液压马达。将数据代入式 2.5 , 可 求得 所 需摆 线 液压 马 达的 转 矩M 为 105N ?m 。经 查《 机 械设 计 手册 》 ,选 择 m BMR-200 轴向配油摆线液压马达 ,其规格如表 2.3 所示。 表 2.3 BMR-200 型摆线液压马达 的规格 Table 2.3 BMR-200 Axial oil distribution cycloidal hydraulic motor specifications 型号 排 量/ 压力/MPa 转速/r/min 最大扭 矩/ 重量/ mL/r N? m kg 额定 最高 最低 最高 BMR-200 200.9 14 20 5 300 509 8.0 L /s 代入式2.6 ,计算得 BMR-200 轴向配油摆线液压马达 的输入流量:0.0186 。 2.3.3 液压 控制 阀 的选 择 液压控制阀元件的规格,一般按照通过的压力油的最高工作压力和最大流量、工作 [16] 性能要求、操纵 方式、安装 方式等 。从液压样本中选取所需液压控制阀,选择的控 制阀 的额 定压 力和 公称 流量 一般 要与 其在 系统 当中 受到 的 最 大工 作压 力和 最大 工作 流 量相当,必要的时候可以允许液压控制阀的最大通过流量超过其公称流量 20% 。对于可 15山东科技大学 工程硕士学位论文 无避让立体车库的总体方案 靠性要求特别高的液压系统,液压控制阀元件的额定压力应该高出其工作压力很多。选 择液压控制阀的流量时,则要考虑液压控制阀的最小稳定流量必须满足液压系统所要求 的调速性能和最小进给量。根据此原理,再结合系统的流量循环情况,本课题中选用三 位四通电磁换向阀和 4WRZ 型电液比例换向阀。 2.3.4 液压 泵