垂直升降式立体车库系统设计与研究

文章编号：1001-3997（2011）05-0048-03垂直升降式立体车库系统设计与研究刘晓娟潘宏侠（中北大学 机械工程与自动化学院，太原 030051）Design and research for vertical garage system of lifting typeLIU Xiao-juan，PAN Hong-xia（College of Mechanical Engineering and Automatization，North University of China，Taiyuan 030051，China）【摘 要】以垂直升降电梯式立体车库为主要研究对象，通过研究立体车库垂直提升和旋转定位并 行工作的控制方式，进行了升降机构控制系统的设计研究。介绍了垂直升降式立体车库的总体结构和工 作原理。确定了以三菱 FX2N-80MR 可编程序控制器（PLC）为主控单元的控制方案，并对控制系统的输 入输出进行了详细的分析,完成了控制系统的输入输出分配及其与 PLC 硬件端子的连接，设计了控制系 统的控制程序梯形图，完成了立体车库控制系统设计，满足了立体车库的控制功能和使用要求，因此，这 项研究具有很强的理论价值和现实意义。关键词：垂直升降式；立体车库；PLC；控制系统；梯形图【Abstract】The vertical garage of lifting type is what we shall research in which the control system for lifting mechanism is developed through researching parallel operating of lifting and rotary positioning of thegarage.First the overall structure and working principle for the garage is introduced.Then the Mitsubishi FX2N-80MR PLC （PLC）control scheme is defined to be the main control unit，which will analyze in detail and distribute the input and output of the control system，connect with PLC terminals as well.Ladder diagram control program is designed for the control system.The completion of the control system could meet the re quirements for parking and operating.Therefore the research is valuable and significant both in theory and practice.Key words：Vertical lifting type；Three-dimensional garage；PLC；Control system；Ladder diagram中图分类号：TH16，TP2731 引言文献标识码：A京、上海、广州这些车位总量相对较多的大城市，停车泊位仍不足机动车的 30%，与国际 80%的合理比例相比，中国显然“车满为 患”。如再不采取措施，机动车保有量的迅速增长与城市停车场建 设滞后的矛盾将十分突出“，停车难”的问题将越演越烈。垂直升降式立体车库是集自动化技术、机器人技术、计算机随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，我国城市汽车保有量急剧增长，停车问题成为许多大城市的一大难题。据有 关部门的不完全调查统计，全国城市每 4.84 辆机动车才有一个 合法的停车位，有的城市平均每 31 辆车才配一个停车位，而在北来稿日期：2010-07-13参考文献1Shah J J.A ssessment of features technology.Computer -Aided Design，1991，23（5）：331-342.2张莉芳，等.基于 I-DEAS 的变结构参数化设计J.计算机辅助设计与 制造，1998（9）:54-55.3苏铁熊，等.变结构参数结构设计方法及其在曲轴结构设计中的应用J. 兵工学报，1995（4）：44-48.4苏铁熊，等.变结构变参数设计方法及其在机械 CAD 中的应用J.兵 工学报，1996，17（3）：252-256.5李卫民，等.CAD 二次开发中变结构变参数设计方法的技巧J.机械工 程师，2000（12）:18-19.6刘雄伟，郑海波，屠晓明.参数化特征造型中拓扑结构变异的一种解决 方法J.计算机辅助设计与图形学学报，2001，13（3）：267-270.7罗浩，陈立平，周济.基于约束的几何设计系统原理及实现J.计算机 应用研究，1996（7）:16-18.8施法中.计算机辅助几何设计与非均匀有理 B 样条M.北京：高等教 育出版社，2001.9叶炜威，余才佳.Solidworks2006 实体建模与二次开发教程M.北京： 机械工业出版社，2004.10王国谨，汪国邵，郑建民.计算机辅助几何设计M.北京：高等教育出 版社，2001.图 6 新生成的参数设计样板草图5 结论通过以上分析比较和实例验证，提出的样条化变参数设计 在变结构体变参数设计中是可行的，在变结构体变参数设计中能 灵活地生成不同结构类型的零部件。与变结构变参数设计方法和 模块化变参数设计方法相比，其模型数据储存量小。采用 NURBS 曲线表达，不仅能绘制自由曲线，还能精确地表示圆锥曲线和规 则曲线。通过使用样条化变参数设计就能完成复杂多变的零部件 快速设计。20154040第 5 期刘晓娟等：垂直升降式立体车库系统设计与研究49技术等高新技术为一体的智能化、立体化的物流运输系统。具有投资小，充分利用空间，占地面积极小，停放车辆最多，单车占地 面积最小，出车速度快，安全性能高的诸多优点；而且其造型美 观，外部可放置大型商业广告牌，与城市商业相吻合，逐渐成为未 来城市停车设施的一种发展趋势。2 垂直升降式立体车库总体结构垂直升降式立体车库的机械结构比较复杂，其中，主要包括钢 架结构，升降装置、存取装置、载车台回转装置、安全保护装置等。研究的垂直升降式立体车库以 5 层 10 库位为例，每层 2 库 位，分 A 区、B 区，采用垂直提升式，由 1 台电磁制动三相异步电动 机（22kW）作为主拖动电动机，1 台开门电动机，1 台升降电动机，1 台旋转电动机，1 台横向移动电动机组成。结构示意，如图 1 所示。卡，管理系统根据卡号确定存车的目标车位。立体车库入口处安装有导向设备，引导司机正确停车。车辆停在车库进/出口后司机 即可离去。控制系统根据目标车位的层数和列数判断升降机上升 时间和和回转盘是否旋转。立体车库的存车过程，如图 3 所示。Y检查车辆长、宽、高超标否N平层否N横移是否到位AB图 3 垂直升降式立体车库的存车流程图由于存取车是三维运动，即水平 X 方向、横向 Y 方向和高度 Z 方向的运动。其高度 Z 方向的运动由电梯的升降实现；水平 X 方向的运动由进出装置的前、后运行实现；横向 Y 方向的运动由 横移装置的横移实现。即一个存取周期应由水平 X 方向、横向 Y 方向和高度 Z 方向的运动组成。由于各个方向上的几何尺寸及运 动速度各不相同，且在一定的情况下某些运动部件之间存在互锁 关系：当升降装置与进出装置分离时，它们可分别同时动作；当电 梯升降装置有车时，仅电梯动作，取车过程与之相反。4 垂直升降式立体车库控制系统的设计垂直升降式立体车库整个控制系统分为 PLC 控制系统，通 讯系统，人机界面，信号检测，数据库及报表管理系统等。控制系 统采用高性能光敏元件，传感器，检测移动叉梳的运动位置，车库 状态，旋转台上汽车停放位置等。然后把检测到的数据传送给 PLC 作为控制的输入信号。4.1 PLC 的 I/O 设置根据控制系统功能分析，该系统共有 40 个输入点，24 个输 出点，所以采用三菱 FX2N-80MR 可编程序控制器（PLC）。如果系 统需要功能扩充，可方便的增加输入或输出模块增加输入点或输 出点。输入输出地址分配以及外接器件的类型和作用，如表 1、表2 所示。表 1 输入信号分配表图 1 垂直升降式立体车库示意图垂直升降式立体车库的进出装置选用叉梳式交接系统机 构，该机构具有简单，传动部件少，维护工作量少，运行效率高的 优点，因此可选用此装置实现进出车库的目的回转盘采用伺服电 动机驱动，减速及传动装置为减速箱和齿圈。回转的目的是能顺 利的存取车辆和使送出车辆时使车头朝前。回转盘能根据实际需 要旋转，回转盘结构，如图 2 所示。升降装置包括：（1）曳引驱动机，即电机、减速箱和制动器；（2）传动部件，包括钢丝绳和滑轮（或升降链条、链轮）等；（3）对重 和平衡链；（4）升降导轨和对重导轨。曳引驱动机通过钢丝绳（或 链条）使载车台升降，同时对重也相应运动，平衡重量这样有利于 减小电机功率。考虑到存取车过程对提升机构的精度要求较高， 采用成熟的升降机提升装置，使用曳引驱动方式。曳引机的性能 直接决定了提升系统的启动、制动减速度和平层精度，为此我们 选用现在普遍使用的变频变压调速 （VVVF Variable Voltage Variable Frequcncy）电动机。图 2 回转盘结构图（俯视图）3 垂直升降式立体车库工作原理车辆进出立体车库采用智能运送的方式。全封闭方式运作， 司机只需要将车驶入车库入口处的载车板即可存车，车辆运送由 立体车库控制系统控制。存取车辆均向前开，无需倒车、掉头，车 辆安全度极高。当有司机要停车时，司机在车库入口处取卡或读输入继电器编号输入信号类型作用钥匙开关和选择开关 系统电源开关、手动/自动选择X000X004X005X016X017X020X040X041X046按钮开关继电器接点 行程开关 平层开关车位选择、落地、急停、开关门变频器故障检测报警 台板升降、横移到位、上下限位 升降台在各层的平层横移叉梳下降叉梳收回存车过程结束叉梳横移YY判断是否旋转 180o升降机构上升把车送入车库报警车辆停放到位No.5May.2011机械设计与制造50表 2 输出信号分配表4.3.2 升降存取控制叉梳错位交换是用升降装置上升及横移装置横移实现存取车 操作，存取车全部过程自动完成。横向移动控制是指当升降机移到 指定层、平层后，将车送入或取出左右库位的控制电路，该动作是由 平层后的信号触发，直到升降台上限位开关动作。当在人机界面上 选取操作时，触发某库区呼叫，升降台首先响应库层信号，接通库层 感应辅助继电器 Y004 并保持，然后才开始升降机的运行。当升降 机到达人机选定的库层时，根据平层基准点感应信号停止升降机运 行，待平层后，根据人机界面的信息指令，继电器线圈 Y006 通电叉 梳横移。当到达指定库位的限位开关时，油泵线圈 Y011 通电，横移 叉梳下降，汽车顺利放置指定库位。接着继电器线圈 Y007 通电，叉 梳自动收回升降机内完成存车动作。其梯形图，如图 6 所示。输出继电器编号输出器件类型作用继电器线圈指示灯、发光二极管各个电机的正反转控制运行状态显示、车位是否有车Y000Y012Y013Y0274.2 PLC 硬件端子 I/O 接口连接PLC 硬件端子与 I/O 接口连接图，如图 4 所示。开门电机正转输出钥匙开关开门电机反转输出选择开关进出电机正转输出存/取车开关进出电机反转输出共10 个 车位 选 择 按 钮安检开关X003急停按钮Y004 升降电机正转输出升降电机反转输出一层 A 呼叫按钮横移电机正转输出一层 B 呼叫按钮横移电机反转输出二层 A 呼叫按钮油泵上升继电器线圈二层 B 呼叫按钮油泵下降继电器线圈旋转电机继电器线圈库位指示共10 个 车库位指示五层 B 呼叫按钮X016库位指示继电器节点Y004库位指示开门限位开关位关门限位开关Y006库位指示灯 指进出内限位开关示 灯Y011进出外限位开关旋转限位开关 X02310Y026Y025个 限 位 开 关油泵下限位开关油泵上限位开关 X025Y005一层 A 限位开关一层 B 限位开关五层 B 限位开关6底层平层开关个 平 层 开 关图 6 升降存取装置控制程序梯形图五层平层开关5 结束语垂直升降式立体车库是一个复杂的中小型控制系统，以三 菱 FX2N-80MR 可编程序控制器（PLC）作为主控单元进行控制 系统设计，保证了系统的可靠运行，满足了立体车库的控制功能 和使用要求。同时，在软件设计过程中，采用梯形图作为 PLC 的 控制程序，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，使 用方便，大大缩短了系统的设计和调试周期。该项目的研制成功， 将可为立体车库制造业提供物美价廉的控制系统，降低立体车库 造价，从而推动我国立体车库的发展，以解决大中城市的停车难 问题，为汽车制造业的发展做出贡献。同时还可以大量节约大中 城市用地，将有限的土地资源投入到更为广阔的其它经济活动 中，产生巨大的经济和社会效益。参考文献1中华人民共和国机械工业部机械行业标准. 机械式停车设备类别、型 式与基本参数，1998，7（1）：2-5.2曹卫东.谈垂直升降类机械式停车库的设计（停车场设备）.中国电梯，2002，13（3）：41-46.3贺玲芳.液压升降横移式全自动立体车库运动控制系统.机械科学与 技术，2001（4）：550-554.4周志新.地坑式立体车库液压升降台系统设计.上海工程技术大学学报，2001，15（2）：154-157.5李志辉，沈利华.机械立体停车库设计讲座之十一“电梯垂直升降类停 车设备种类及设计参数”中国电梯，2004，15（9）：48-52.6蒋圣平等.PLC 在立体车库系统控制中的应用. 华北工学院测试技术 学报，2000，14（2）：76-80.7Akagi S，Fujita k.Building and expert system for engineering design based on the object-oriented representation concept J.ASME Trans. 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