基于PLC控制的依车开设式机构设计

蔡 亮,陈韦杰,吴娟梅

(中电莱斯信息系统有限公司,江苏 南京 210001)

为了满足通用指挥车辆上充气帐篷、桌椅等物资的存储和便捷取用需求,传统固定方式大多采用扎带直接将物资固定在车厢内,使用时依靠人力将物资装载入车内或搬卸至地面,载物和卸物的过程费事费力。

此外,目前车辆后门多采用液压尾板实现翻转功能。比较常见的是一种汽车液压尾板,其总成上设有一组举升油缸和一组翻转油缸[1],该汽车液压尾板不仅影响原车的离去角等机动性参数,而且突出的液压缸影响整车美观。

目前,本文针对现有需求和技术的不足,设计一种依车开设式机构。该依车开设式机构能够安装在车辆平台上随车运输和使用,也能够通过叉车短距离或者货车长距离运输;到达目的地后,使用者通过操作控制单元实现翻转门下翻和帐篷胶囊滑动,然后取出充气帐篷及其配套物资,快速搭建指挥场所。同时,通过该机构的模块化设计,相同类型的指挥车中的依车开设式机构可以互换,易于指挥车的维修保养。依车开设式机构车载状态如图1所示。

图1 依车开设式机构车载状态

本文针对目前传统液压尾板的不足,进行优化改进设计,研制了依车开设式机构。该机构包括与车辆连接的型材框架、翻转门、滑动机构、翻转机构[2-3]以及用于收纳物资的帐篷胶囊。翻转门通过翻转机构与型材框架可转动地连接;翻转机构与滑动机构均安装于型材框架内;当翻转门上翻到位时,翻转门与型材框架锁紧连接,帐篷胶囊收容于型材框架内;当翻转门下翻到位时,帐篷胶囊通过滑动机构滑入或滑出型材框架,用于快速收起或搭建指挥场所;该翻转机构位于型材框架内,避免对原车的离去角产生不良影响。

依车开设式机构采用成熟的PLC控制模式。中央控制器PLC模块通过感知各类开关、传感器的信号状态,集中分析处理,进而控制电动机运行和指示灯开闭,以及将控制器、伺服电动机和传感器的状态发送到上位机,供后台集中调配控制。

因减速机的自锁性,使得依车开设式机构的运动副全程可自锁临停,同时翻转门上安装有电子锁,关闭时电子锁机械锁死,有效地保证机构使用及运输时的安全性能。

依车开设式机构(见图2)的主体框架采用密度小、质量轻、强度高的铝合金型材拼接而成,既保证强度,又减轻重量。型材框架下部设计了叉车槽,方便叉车短距离运输及搬运安装。

图2 依车开设式机构

1.1 翻转门的结构与工艺设计

为了满足整车轻量化设计的要求,提高整车的各项性能,翻转门优先选用碳纤维材质整体制作成型。这样的翻转门质量更轻,强度更高,更容易制造出符合整车造型的后门,既不影响整车离去角,又能提升整车美观性。

翻转门(见图3)内部空间被分割成几个区域,分别用于存储会议桌、折叠椅等帐篷附件,采用收紧带固定,可快速拆装。翻转门上安装导轨,用于帐篷胶囊上下滑动。翻转门外观有帐篷造型,既美观,又便于识别存储物。

图3 翻转门示意图

碳纤维成型工艺流程包括预浸料制备、成型、固化和后处理等几个步骤。碳纤维制品具有如下优点:比重轻、强度高、弹性模量好、耐热性高、耐腐蚀性好、高韧性、耐冲击性能强等[4]。

1.2 翻转机构动力的选型设计

首先计算翻转门的扭矩[5],已知翻转门及其内部存储配套桌、椅等物资质量共300 kg。

G=mg=200×9.8=1 960 (N)

(1)

T=GRcos(180°-a)

(2)

当α=90°时,

T=GR=1 960×0.674=1 321 (N·m)

(3)

1.2.1 翻转机构的电动机功率计算

设计翻转门打开和关闭分别需要1 min,打开最大角度138°,故角速度计算如下:

(4)

轴转速计算如下:

(5)

P=Tn/9 550=1 321×0.38/9 550=0.052 6 (kW)

(6)

式中,P是电动机功率,单位为kW;n是轴的转速,单位为r/min;T是扭矩,单位为N·m。

因为该系统使用频率较低,电动机功率选择时可以除以电动机超载系数λ=2.2,故电动机功率P=0.024 kW。

1.2.2 翻转机构输出轴的设计

转动轴选用不锈钢材质,轴径的核算为:

(7)

式7经查表可知,C取97。经计算得:

(8)

因轴有一个键槽,当轴直径为30～100 mm时,增大值为5%。实际轴直径为

D≥d(1+5%)=40.53 (mm)

(9)

轴直径选择42 mm。

根据上述计算,考虑预留安全余量,本文选择市场上成熟的伺服电动机,其功率为750 W,扭矩为2.39 N;一级减速为行星齿轮,减速机型号为PLF90-25-系列箱体,减速比为25;二级减速选用蜗轮减速机,型号为NMRV75,其减速比为30;三级减速为设计的齿轮副,减速比为2。总速比为1 500,故改造后的动力源输出扭矩为3 585 N·m,输出轴转速为2 r/min,可通过修改伺服电动机的驱动器参数来改变伺服电动机的实际输出转速,以满足使用需求。

翻转机构组成图如图4所示。

图4 翻转机构组成图

1.3 帐篷胶囊的结构与工艺设计

帐篷胶囊(见图5)采用碳纤维材质整体制作成型,设计成一个半开放的胶囊形状,腔内存放叠好的充气帐篷[6],用收紧器固定。胶囊底部安装有滚轮,用于沿着导轨上下滑行,上端两个吊环,用于固定钢丝绳。

图5 帐篷胶囊示意图

1.4 滑动机构动力选型设计

1.4.1 滑动机构的电动机功率计算

碳纤维帐篷胶囊设计质量为50 kg,帐篷自身质量为150 kg,总质量为200 kg。根据负载的质量反求钢丝绳拉力公式为:

F=Gcos40°=1 532.1 (N)

(10)

故扭矩为:

T=FR/η=1 532.1×50×10-3/0.8=95.76 (N·m)

(11)

式中,R是绞盘半径,单位为m;η是绞盘机械效率,取0.8。

设计帐篷胶囊下滑与上升到位分别耗时2 min,已知钢丝绳下滑到位行程为1 670 mm,钢丝绳绞盘直径为100 mm,可得绞盘所需装圈数为:

(12)

故转速为:

(13)

P=Tn/9 550=95.76×2.65/9 550=0.027 (kW)

(14)

因为该系统使用频率较低,电动机功率选择时可以除以电动机超载系数λ=2.2,故电动机功率P=0.013 5 kW。

1.4.2 滑动机构输出轴的设计

转动轴选用不锈钢材质,轴径的核算:

(15)

式15经查表可知,C取97。经计算得:

(16)

为了保证轴的强度,轴直径选择20 mm。

为了简化设备维护成本,绞盘电动机选择与滑动机构(见图6)相同型号的电动机与减速机。

图6 滑动机构组成图

2.1 翻转门的行程开关控制设计

本机构采用结构简单、价格低廉的直动式行程开关。在机械运动部件上的凸轮或者撞块碰撞行程开关时,其触头发生动作;运动部件离开之后,其触头由于弹簧力的作用自动复位。翻转门起始和终止位置分别布置行程开关控制翻转门的行程。

2.2 帐篷胶囊的接近开关控制设计

翻转门与型材框架上的导轨端部安装有接近开关作为到位检测,当帐篷胶囊到位后,接近开关的指示灯亮,帐篷胶囊停止,钢丝绳绷紧拉住帐篷胶囊。

2.3 依车开设式机构的控制单元设计

依车开设式机构配套一个控制单元。控制单元内含数据交换模块、无线通信模块、中央控制模块和电动机驱动模块等,实现对机构整个系统的智能控制。

机构控制系统采用成熟的工业PLC控制模式[7-8]。中央控制器PLC模块通过感知各类开关、传感器和编码器的信号状态,集中分析处理,进而控制电机运行和指示灯开闭,以及将控制器、电动机和传感器的状态发送到上位机,供后台集中调配控制,实现一键操控翻转门的翻转及帐篷胶囊的滑动,控制原理图如图7所示。

图7 PLC控制系统原理框图

依车开设式机构支持按扭点触、远程操控和上位机集中控制等多种控制模式。能够实时获取内部温度、烟雾等环境数据,发生险情自动断电。如出现机构卡滞、过载等不良现象,系统能自动感知,停机并自锁,防止发生意外。

按钮点触控制是指通过手控器上按钮点触操作实现机构运动。手控器上设置“帐篷胶囊上滑”“帐篷胶囊下滑”“翻转门打开”“翻转门关闭”按钮,通过线缆连于控制单元之上。操作人员可在安全距离处一键控制依车开设式机构,手控器如图8所示。

图8 手控器图

远程操控和上位机集中控制是通过RS232接收远程控制器的控制指令,通信接口:RS232。

依车开设式机构的噪声主要来源有:机构运动之间的摩擦、电动机的运转。本系统所有旋转支点均采用滚动轴承承载设计,摩擦力非常小,噪声可以忽略不计。选用的伺服电动机噪声不超过55 dB。同时电动机设计加装静音电动机罩,罩内壁粘贴防火蘑菇头吸音棉,对系统噪声进行进一步降低。整个系统工作噪声可控制在65 dB以内。

应用表明,依车开设式机构的运输和使用便捷,自动化程度高,对操作人员动手能力要求降低,经过简单培训即可一键操控,达到随时随地、快速搭建指挥场所的目的[9-10]。同时它具有承载能力大、效率高、系统噪声小、维护方便等优点。此外,依车开设式机构还可用于存储与运输其他装备,具有较广泛的应用场景。

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