2018年全国机械创新大赛慧鱼组一等奖说明书

第八届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组竞赛(2018)设计说明书作品名称：半地下式电动车存取停放系统王江安旭松冯瑞金明参赛单位：长春师范大学1设计背景 11.1课题的提出背景 11.2课题的设计构想 22方案设计 32.1升降台装置设计 32.1.1动力构件设计 42.1.2车辆承载板设计 42.2紧定夹具设计 52.2.1夹具设计 52.2.2传动构件的设计 62.3Y轴导轨设计 62.3.1导轨装置的设计 62.3.2旋转承载平台的设计 73程序设计 74运动原理分析 95主要创新点 96推广应用价值 参考文献 长春师范大学半地下式电动车停放存取系统设计说明书11设计背景1.1课题的提出背景改革开放四十年来，科学技术和信息技术得到了高速的发展，尤其是“智慧城市”的提出，智慧城市概念的提出给各大城市和世界的可持续发展、智能化管理、科学配置的管理提供了理论基础，建设智慧城市已经成为当今世界城市发展中不可逆转的历史潮流，“智能化系统”作为“智慧城市”的重要组成部分得到了大力的发展，智能化系统也已经成为当今世界发展的主流，智能系统学科已经发展延伸到与城市生态、低碳城市、便捷舒适等发展概念相交叉。随着资源节约型、环境友好型社会的提出，人们的出行方式也发生了很大改变，自行车和电动车作为低碳环保的出行方式成为了大众越来越青睐的方式之一，与此同时出现了种种问题，例如非机动车乱停乱放、违规占道等规划不合理问题。近年来，各大国家经济发展迅速，非机动车这种经济便捷的交通工具急剧增加，但是停车却是一个非常麻烦的问题。对于这种现状，国外大部分也实行了许多措施，伴随着非机动车停车库的建设逐渐显露了一些问题，突出表现在以下几1.车库占地面积较大，空间利用率不高现有的大多数停车系统占用了小区内路面有限的存车空间，多数为路边侧单排停车架，没有有效的利用地面的可用面积，在一定程度上造成了空间资源的浪费。众所周知小区内的活动范围十分有限，如果停车库的占地面积过大会致使居民的活动空间再度缩减，对于路边侧的停车架也不太利于人为管理，经常会出现车辆的乱停乱放现象2.车辆停放不规范，存车效率不高老旧生活小区道路普遍较为狭窄，公共空间并没有规划非机动车停车设施，即使后期在小区旁设置规划了非机动车停车位，但是由于停车系统是传统式停车，没有专人管理，存车又不具有智能化，导致非机动车辆随意停放，严重浪费停车空间，导致存车效率不高。3.存车系统不完善，存车安全性不高在城市老旧小区，除了绿化区域，基本上没有专用的非机动车存放位，导致长春师范大学半地下式电动车停放存取系统设计说明书2人们只能将车停放在小区楼道或家里，但对于五至刘楼居民只能把车停放在小区楼道或新建的非机动存放位，新建的非机动车停放多为露天式、立桩式、停车棚停放，但这些都没有专门管理人员进行管理，导致车辆遗失、车辆损坏，存车安全性不高。随着“环境友好型社会”“资源节约型社会”的提出，城市中越来越多的居民选择了绿色低碳的出行方式，进而电动车这种代步工具颇受人们的喜爱，与此同时电动车停车难、乱停乱放等问题日益凸显。现今如何高效利用有限的存车空间、如何提高存取车的效率、如何解决车辆的乱停乱放现象这个问题迫在眉睫，谁能率先解决好这些问题谁就能领先占领电动车停车库市场。对于每一个小区的居民来说，都希望自己能随时存车随时取车，并且还能使电动车在一个安全的保护装置中。对于中国这样一个人口大国这已然成为关系民生的大问题。现有的针对电动车的停车装置多数占地面积较大，还不能有效的节省人力、物力和财力，不能从根本上解决居民待解决的停车问题。基于以上出现的种种问题，我们设计研发了一款能真正投入使用的半地下式电动车停车系统，既能很大程度上节省地面的占地空间，也能省去人为的停放，还能达到安全管理的作用。此停车库可以实现高效(无人为因素)的纯机械自动化停车，对现有的装置进行了改进和完善。与此同时它选用了半地下式的结构，与传统地面的方式，能大大提高空间的利用率。系统的成本低、效率高、占地小、实用性强、高平稳性等特点带动了该产业的发展，满足了用户的刚性要求与柔性需求，方便人民，服务大众。图1存取停放系统轴测视图图2存取停放系统轴测视图长春师范大学半地下式电动车停放存取系统设计说明书32方案设计2.1升降台装置设计升降台装置是整个系统的输入部分，是停车装置的基础。车主将电动车停放在置于地面的停车板上，并将车辆利用夹紧方式稳定，通过Y轴方向进行传输，可以使车辆伴随停车板下降至地下的存储空间，整个过程中停车板运动平稳没有冲击，传送速度相对较高，减少了人为的因素，在一定程度上为停取车节省了时图3升降装置1黑儿集长新师有大学图4Z轴升降台的装配图长春师范大学半地下式电动车停放存取系统设计说明书4在设计传送装置时，主要考虑的是能保证传送平稳、高效，较少人为因素的干扰，弥补人力存取车时浪费时间的不足。车辆与承载板同时运动，电动车在传送装置上一定要平稳传递，这样才能保证在传输过程中的稳定性，减少人力的干扰。高效也是在设计中需要解决的主要问题，人为自主停放会花费大量的时间，所选用的传递装置必须要有较高的传递效率才能适应当今人们的“快节奏”生活。综合以上因素，我们采用了齿轮齿条的传动方式，齿轮齿条的传动精度较高、不会出现打滑以及卡顿现象。但同时我们也注意到，不能使用过长的齿条传动，短距离运输能够使得车辆在停车板上更平稳，在传动过程中通过程序控制能实现良好的同步运动。每一辆车都会与车辆停车板实现同步运动，存取使用同一通道，可以形成不间断即时传动。在车辆的传动过程中，电动车要放在承载板上，为了避免电动车在运动过程中不会从停车板上掉落，在承载板上的车辆运动方向添加了存储导轨，并设置了夹紧定位装置。该设计采用了可变式夹紧定位的装置，能够依据车体的宽度实现车辆的夹紧，没有采用四边加高的箱体式定位，是因为采用这种方式可能会致使车体晃动，车辆在停取过程中还需要用气泵夹具将车辆推进取出，如果采用该种方式即不可实现夹具的推进取出功能。由于车辆与承载板在同时运动过程中，需要将电动车用机械手夹住其端部，由电机驱动机械手的运动从而实现在存储导轨上的X、Y轴机械进给。承载板的大小依据车体大小量定其大小不影响整体运动，从而也能节省停车系统的空间大小。图5车辆停放装置长春师范大学半地下式电动车停放存取系统设计说明书5图6车辆停放装置的装配图紧定夹具是电动车停车系统的核心，通过人力达不到的智能程序控制，来实现人力所不能实现的动作，这部分装置结构复杂，功能强大，升降、旋转与载入装置的同步运动合成在一起实现了一次次车辆的停取，高精度、高效率体现了智能机械的优越性。图7气泵夹具图8气泵夹具2.2.1夹具设计紧定夹具以及夹口装置是整个系统存取停放车辆的载体，对整个系统起到夹长春师范大学半地下式电动车停放存取系统设计说明书6紧的作用。该一共分为两个部分，水平夹紧支架和垂直夹紧支架。水平方向的夹具主要用于车辆的进给，该方向的气泵夹具可以将车体的端部夹紧，实现其来回推进；垂直方向的夹紧支架用于车辆的紧定，实现电动车的固定功能，可以将其牢牢的锁死在停车板上。我们在满足正常条件下尽可能的减小夹具的尺寸，在水平方向的夹具采用了气泵式，气泵式的夹具能更好的解决夹具的张紧问题，其精度较高，质量较好，可以很好的弥补纯机电控制式的夹具在夹紧时的不牢固问题。这样选择稍小尺寸的支架既可以减轻重量又可自由调节，实为一举两得。我们根据其固有特性，依旧采用了齿轮齿条的传动方式，将机械夹具固定在推进装置的前伸部分，利用齿轮齿条传动再通过程序控制其前进运动以及张开、夹紧。在传动过程中，车辆承载板会沿着X轴方向的运动，可以通过气泵夹具实现电动车准确进入存车平台。垂直方向的夹紧装置通过超声波距离探测来实现，通过插入卡片可以根据感应的距离不同，自动识别出不同的车位，进而通过编程控制实现垂直方向上的夹紧装置的启动。在存车过程中，用户将卡片插入识别装置中，识别后该车位的夹紧装置将会启动，等待电动车停入到该车位时将车体夹紧，从而实现车辆稳定的停放。这样的单独设计，把推进部分和紧定部分拆分成两个结构，通过不同的程序设定可用于不同的环境当中，方便智能、位置可调节、适应性强、实用性强。2.3Y轴导轨设计Y轴导轨是整个系统的传动中心，通过编程控制旋转台在导轨上自由移动，寻找可以停放车辆的位置，可以通过超声波传感器装置检测该车位是否空置，通过延时程序可以控制旋转台在导轨上的任意位置停下，进而实现车辆在X轴方向的进给。在设计该部分系统时我们主要考虑是运动过程中的稳定性，不能在传动时出现晃动现象，我们采用了滚轴丝杠的传动方式，丝杠传动的高精度、无打滑现象、长春师范大学半地下式电动车停放存取系统设计说明书7适合远距离传输、无噪声，适合用作车辆承载板的运输。依托于丝杠的传动精度高的特点，在传动过程中通过程序控制能与旋转台实现良好的同步运动，在丝杠运动中可以放置多个托板，同时与丝杠啮合，从而形成不间断的循环传动。图9Y轴方向导轨在Y轴移动的导轨上设置有旋转平台，该承载平台不仅承载之前的Z轴竖直运动平台，还可以实现在XOY平面的旋转，在两侧的停车平台中，如果其中一侧的车位已满，该旋转平台可以通过旋转将其转向，从而实现另一侧车位的停放。此旋转平台的设计巧妙地运用了双向导通的特点，通过旋转的方式，使得导轨两侧能同时停放车辆，既节省空间又方便车辆的存取，可谓是一举两得。图10XOY平面旋转以下为单辆电动车的存取流程，其中存车为，当用户停放车辆时碰到开关I1,然后机械手夹住车辆起到固定作用。车辆被固定完成后，升降电机M2启动，把长春师范大学半地下式电动车停放存取系统设计说明书8车辆降到地下，在M2下降的过程中会碰到限位开关I2,然后负责Y轴运动电机M3启动，把车辆运送到车位前方，然后负责X轴的电机启动把车辆推进存车板，在存车板处机械手固定好车辆后，载车板上夹持松开车辆后退回，完成存车。程序图如下33图11主程序图图12存车程序图长春师范大学半地下式电动车停放存取系统设计说明书9取车为，当用户按下取车开关I1后，负责升降的电机M2使运送台下降，然后M3负责Y轴把载车板送到用户停车位前，这时X轴电机启动，方便载车板上的机械手夹住车辆，此过程会碰到一个限位开关I3,当碰到限位开关后，先是载车板上的机械手夹住车辆，然后存车板上的机械手松开车辆，方便X轴运送车辆到载车板，最后载车板原路返回把车辆送到地面，即完成取车。程序图如下图13取车程序图4运动原理分析“XYZ三轴式”电动车停车库系统能够实现车辆与承载板的同步传输，并且可以在X、Y、Z三个方向上任意移动，在居民停车时，车辆进入到承载装置，电机会启动开始带动Z轴方向的齿轮齿条运动，承载板的机械夹具也会将车体夹住，使其不脱离承载板。接下来旋转台装置在导轨上开始平移移动，通过超声波传感器的作用实现自动寻找空置的车位，在车辆承载板和存车板对接好之后，再启动X轴方向上的电机，将电动车运送至存车板上，存车板上的紧定夹具开启，电动车进入到存车位置时夹具会立即把车体的端部锁死，整个载入存储过程一直循环往复。当一侧的停车板满载之后，旋转台会自动旋转180度开始另一侧的车位存储，进给的过程与之前完全一致。5主要创新点该系统建立于地下，大大节省了占地面积；也在一定程度上提高了安全保障；能够存取12辆左右的电动车，并为电动车自动充电；采用XYZ三轴式的传送，采用流水线式的运行模式，可以更高效的存取车辆，极大的缓解了小区停车难的长春师范大学半地下式电动车停放存取系统设计说明书问题。可以提高车辆的存取速率；纯机械自动化的方式减轻了人力的停放，也节省了大部分的存取电动车的时间。6推广应用价值半地下式的停车库能有效解决城市老旧小区的停车难、乱停放等问题，契合居民的想法，能很大程度上满足居民对小区电动车停放的需求，既能节省占地面积，也能安全管理，还可实施充电功能，具有很大的应用前景。在经济方面，整个系统的运营成本也相对较低，对于用户来说可以接受。现有的一代产品可以事先投放在老旧小区中，之后可以推广至城市的高级小区或者公共人群较多的地方，例如车站、医院、公司大楼等。参考文献[1]毛茂林，王培俊，罗大兵.慧鱼模型创意教程[M].西安交通大学出版社，2010.[2]曲凌.慧鱼机器人设计与实践教程[M].上海交通大学出版社，2007.[3]张铁异，曹晓中，黄炳琼.慧鱼实验系统的二