馬興灶，弓滿(mǎn)鋒，黃 贊，連海山，殷華富

（機(jī)電工程學(xué)院 嶺南師范學(xué)院，廣東 湛江 524048）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平不斷提高，我國(guó)城市汽車(chē)保有量和人均擁有量不斷的增加，目前，我國(guó)城市機(jī)動(dòng)車(chē)輛的保有量與停車(chē)位之比大約為5：1[1]。以往那種單層平面停車(chē)場(chǎng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，而空間利用率高、操作簡(jiǎn)單可靠的立體車(chē)庫(kù)成為解決這一問(wèn)題的有效方法，特別是在城市小區(qū)。早在20世紀(jì)20年代，美國(guó)就展開(kāi)立體車(chē)庫(kù)研究，歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家也起步很早，而亞洲日本在20世紀(jì)60年代也開(kāi)始這個(gè)領(lǐng)域的研究，而我國(guó)起步較晚，市場(chǎng)需求較大。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)展了相關(guān)的立體車(chē)庫(kù)的研究[2～6]。

1 總體方案及工作原理

1.1 設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的垂直升降式立體車(chē)庫(kù)，適用于小區(qū)地下車(chē)庫(kù)，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由車(chē)輛橫移、車(chē)輛升降和地面旋轉(zhuǎn)三個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，其中車(chē)輛橫移系統(tǒng)是通過(guò)控制液壓機(jī)械手的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，車(chē)輛升降系統(tǒng)是通過(guò)控制電梯的升降來(lái)實(shí)現(xiàn)，而地面旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是通過(guò)控制預(yù)埋于地下的方軸電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所有系統(tǒng)的動(dòng)作由控制器（PLC）控制。

圖1 車(chē)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of garage

1.2 工作原理

本車(chē)庫(kù)可根據(jù)地下車(chē)庫(kù)的實(shí)際高度，設(shè)置不同的停車(chē)層數(shù)，而本文僅以?xún)蓪拥能?chē)庫(kù)為例，存取車(chē)的具體流程如圖2和圖3所示。存車(chē)過(guò)程：（a）選擇存車(chē)功能，選擇存車(chē)平層，控制系統(tǒng)根據(jù)選擇控制電梯到達(dá)指定平層；（b）橫移系統(tǒng)啟動(dòng)液壓機(jī)械手將載車(chē)板推出；（c）電梯搭載載車(chē)板到達(dá)地面平層；（d）與載車(chē)板配合的地下方軸電機(jī)啟動(dòng)，載車(chē)板旋轉(zhuǎn) 90°；（e）車(chē)輛駛進(jìn)載車(chē)板；（f）載車(chē)板復(fù)位；（g）上升至該停車(chē)平層；（h）橫移系統(tǒng)將載車(chē)板拉回停車(chē)位置，見(jiàn)圖2；取車(chē)過(guò)程：（a）選擇取車(chē)功能，選擇取車(chē)平層，控制系統(tǒng)根據(jù)選擇控制電梯到達(dá)指定平層；（b）橫移系統(tǒng)啟動(dòng)液壓機(jī)械手將載車(chē)板推出；（c）電梯搭載載車(chē)板和車(chē)到達(dá)地面平層；（d）與載車(chē)板配合的地下方軸電機(jī)啟動(dòng)，載車(chē)板旋轉(zhuǎn)90°；（e）車(chē)輛駛出載車(chē)板；（f）載車(chē)板復(fù)位，上升至原平層；（g）橫移系統(tǒng)將載車(chē)板拉回原位；（h）電梯返回第二平層，方便底下車(chē)道通車(chē)，見(jiàn)圖3。

圖2 存車(chē)流程圖Fig.2 Car parking flow chart

圖3 取車(chē)流程圖Fig.3 Car taking flow chart

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在國(guó)際上通用的車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，車(chē)輛通道的寬度最小為4.5m，但大多數(shù)都取5m作為實(shí)際的使用標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)車(chē)庫(kù)停車(chē)位的最小寬度為2.6m，最小的長(zhǎng)度為5m，同時(shí)考慮到不同駕駛?cè)藛T的不同的駕駛水平，因此在保證車(chē)輛能夠比較容易的在停車(chē)庫(kù)中進(jìn)行停放，大多數(shù)的車(chē)庫(kù)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中都會(huì)在最小尺寸的基礎(chǔ)上多加0.5m左右的尺寸，這樣做的目的是便于駕駛?cè)藛T進(jìn)行快速地停車(chē)，參考文獻(xiàn)[7]，本設(shè)計(jì)取車(chē)庫(kù)車(chē)輛通道寬度為5.3m，車(chē)庫(kù)長(zhǎng)度和寬度分別為5.3m和2.5m。

2.1 載車(chē)板

載車(chē)板的作用主要是在車(chē)輛被搬運(yùn)的過(guò)程中承載車(chē)輛，其幾何尺寸需要根據(jù)車(chē)庫(kù)大小設(shè)計(jì)。載車(chē)板底部設(shè)計(jì)了一個(gè)向下凸出的配合裝置，其外形是圓柱形，圓柱內(nèi)有方孔。配合機(jī)構(gòu)的作用有兩點(diǎn)：①與地面平層預(yù)埋的方軸電機(jī)配合，實(shí)現(xiàn)載車(chē)板的地面平層轉(zhuǎn)動(dòng)；②與液壓機(jī)械手配合，實(shí)現(xiàn)載車(chē)板的推拉。載車(chē)板的上表面設(shè)計(jì)有防滑線，主要作用是防止車(chē)輛發(fā)生滑動(dòng)，防滑線可以有效地阻止車(chē)輛滑動(dòng)，保證安全，載車(chē)板具體結(jié)構(gòu)和視圖如圖4和圖5所示。

圖4 載車(chē)板結(jié)構(gòu)Fig.4 Carriage structure

圖5 載車(chē)板三視圖Fig.5 Three view of vehicle plate

2.2 電梯板

電梯板其形狀為U形，表面布有小滾球，焊有兩塊定位擋板，一端開(kāi)了兩個(gè)方孔。U型形狀設(shè)計(jì)為載車(chē)板底部配合專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，使得電梯板不會(huì)阻礙載車(chē)板的平移；電梯板表面的鋼珠主要起減少摩擦的作用，鋼珠可以原地滾動(dòng)，存取車(chē)時(shí)，載車(chē)板平移和地面轉(zhuǎn)動(dòng)，讓載車(chē)板和電梯板之間由滑動(dòng)摩擦變成了滾動(dòng)摩擦，有效減少阻力。載車(chē)板的具體結(jié)構(gòu)和視圖如圖6和圖7所示。

圖6 電梯板結(jié)構(gòu)Fig.6 Elevator p late structure

圖7 電梯板視圖Fig.7 View of elevator plate

2.3 定位裝置

電梯板上的定位擋板和方孔，主要作用是定位載車(chē)板。保證載車(chē)板配合裝置和方軸電機(jī)配合。電梯板底面需另外焊接兩個(gè)相同的定位裝置，由定位柱、彈簧和小杠桿組成，如圖8所示。當(dāng)電梯在空中時(shí)，定位柱穿過(guò)電梯板上的方孔向上凸出，載車(chē)板移動(dòng)到電梯板時(shí)，定位槽與定位柱相配合，再結(jié)合電梯板上的兩塊定位擋板，限制載車(chē)板在電梯板上的轉(zhuǎn)動(dòng)、前后移動(dòng)和向左移動(dòng)，設(shè)計(jì)電梯板上的鋼珠安裝時(shí)右邊部分比左邊部分稍稍高 1～2°，利用重力作用，限制右移。當(dāng)電梯板搭載載車(chē)板下降至地面平層時(shí)，地面平層設(shè)計(jì)有凸起部分，將裝置的右邊頂起，壓縮彈簧，由杠桿原理可知，裝置的左邊會(huì)下降，定位柱順著電梯板上的定位方孔下降，以免定位柱妨礙載車(chē)板轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，方軸電機(jī)已和載車(chē)板配合實(shí)現(xiàn)定位了，所以不需要定位裝置的定位了。當(dāng)電梯上升時(shí)，與地面凸起部分分離，彈簧回復(fù)原長(zhǎng)，會(huì)使定位裝置復(fù)原。定位柱會(huì)順著電梯板的方孔上升與載車(chē)板定位槽配合，定位載車(chē)板。載車(chē)板空中狀態(tài)和定位裝置狀態(tài)變化如圖9和圖10所示。

圖8 定位裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of positioning device

圖9 載車(chē)板定位狀態(tài)Fig.9 Carriage positioning state

2.4 液壓機(jī)械手

液壓機(jī)械手為載車(chē)板的橫移提供動(dòng)力，如圖11所示；前端設(shè)計(jì)了一個(gè)以液壓為動(dòng)力的機(jī)械手，如圖12所示，可以抓住載車(chē)板底部的配合裝置，通過(guò)伸縮液壓機(jī)械手來(lái)移動(dòng)載車(chē)板。為滿(mǎn)足液壓機(jī)械手足夠的伸縮長(zhǎng)度和前端機(jī)械手單獨(dú)動(dòng)作，本文采用了多層嵌套的液壓機(jī)械手，共兩個(gè)液壓缸，一個(gè)是用來(lái)控制液壓機(jī)械手伸縮；另一個(gè)用來(lái)控制前端機(jī)械手動(dòng)作?？刂魄岸藱C(jī)械手的液壓缸焊接在液壓機(jī)械手最前部分，如圖13所示，其液壓控制回路如圖14所示。兩個(gè)液壓缸作用的順序不同，其實(shí)現(xiàn)的功能也不同，主要是根據(jù)是否要抓取載車(chē)板來(lái)區(qū)分。由PLC控制器控制兩個(gè)液壓缸的作用順序，如圖15所示。

圖11 液壓機(jī)械手結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of hydraulicmanipulator

圖12 機(jī)械手閉合狀態(tài)Fig.12 Closed state ofmanipulator

圖14 液壓控制回路圖Fig.14 Hydraulic control circuit diagram

圖15 液壓控制流程圖Fig.15 Hydraulic control flow chart

前端機(jī)械手主要功能是抓取載車(chē)板底部配合裝置，從而帶動(dòng)載車(chē)板的平移。機(jī)械手的張合也是通過(guò)液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)液壓機(jī)械手推出時(shí)，機(jī)械手張開(kāi)，當(dāng)液壓機(jī)械手收縮時(shí)，機(jī)械手閉合。手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)度，保證載車(chē)板底部配合裝置能順利地進(jìn)入或脫開(kāi)。機(jī)械手端部設(shè)計(jì)成“V”形面，以便機(jī)械手在推載車(chē)板的時(shí)候可以自動(dòng)定心。此外機(jī)械手在工作的過(guò)程中會(huì)受到慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防彎曲變形，甚至折斷。

3 結(jié)論與討論

本文提出了一種升降橫移式立體車(chē)庫(kù)，闡述了該車(chē)庫(kù)具體存車(chē)和取車(chē)的工作原理，并對(duì)其載車(chē)板、電梯板、定位裝置和液壓機(jī)械手等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)展開(kāi)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了立體車(chē)庫(kù)的基本功能。接下來(lái)將著手結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在這基礎(chǔ)上搭建實(shí)體模型，開(kāi)發(fā)車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)運(yùn)用情況不斷改進(jìn)，爭(zhēng)取設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求的車(chē)庫(kù)。