專(zhuān)利名稱(chēng)：數(shù)字高速欄桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字高速欄桿，應(yīng)用于高速公路不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)(ElectronicToll Collection,簡(jiǎn)稱(chēng)ETC)、高速公路人工收費(fèi)系統(tǒng)(Manual Toll Collection,簡(jiǎn)稱(chēng)MTC)、車(chē)輛自動(dòng)分類(lèi)系統(tǒng)(Automatic Vehicle Classification,簡(jiǎn)稱(chēng)AVC)、橋梁、隧道、停車(chē)場(chǎng)的收費(fèi)系統(tǒng)，以及公寓小區(qū)、貨場(chǎng)等單位的通行管理場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上欄桿普遍存在的現(xiàn)象I)由于欄桿加工、安裝的偏差，出現(xiàn)電機(jī)齒輪咬合不好、齒輪潤(rùn)滑油消耗過(guò)大，導(dǎo)致傳動(dòng)阻力增大，欄桿軸承容易損壞； 2)欄桿機(jī)箱里的電機(jī)主軸一松動(dòng)，容易引起欄桿起落不穩(wěn)和抖動(dòng)，導(dǎo)致螺栓易損壞；3)欄桿起落無(wú)法到達(dá)“死點(diǎn)”位置，使電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)熱，加速了損壞電機(jī)、曲柄和連桿頻率和誤抬桿次數(shù)的增多。4)欄桿機(jī)體箱內(nèi)部零件多、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損壞。5)欄桿調(diào)控角度不精確，不能靈活應(yīng)用各行業(yè)的需求。6)設(shè)備成本昂貴，難以推廣。本發(fā)明是由專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的軟件控制、高扭矩混合式交流步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、控制驅(qū)動(dòng)器等，共同配合驅(qū)動(dòng)欄桿的抬起和落下。通過(guò)軟件編程設(shè)計(jì)，可任意設(shè)定欄桿的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度和控制欄桿的運(yùn)行狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
3. I技術(shù)特點(diǎn)I)欄桿起落平穩(wěn)、無(wú)抖動(dòng)本發(fā)明采用高性能的處理器，通過(guò)修改寄存器初速度值、加速度值、減速度值、末速度值，控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止整個(gè)過(guò)程。利用加、減速變速運(yùn)動(dòng)的控制方法使欄桿起落平穩(wěn)運(yùn)行，解決傳統(tǒng)欄桿起落時(shí)間短、運(yùn)行速度過(guò)快引起的不平穩(wěn)、終點(diǎn)抖動(dòng)等現(xiàn)象。2)全數(shù)字化調(diào)控本發(fā)明將全數(shù)字調(diào)控應(yīng)用于不同的欄桿機(jī)，可進(jìn)行0° 360°范圍內(nèi)全方位數(shù)字化角度調(diào)控和速度調(diào)速。不需要傳感器，打破傳統(tǒng)欄桿調(diào)控精度范圍0° 90°和調(diào)控精度不準(zhǔn)確。3) 一體化機(jī)芯本發(fā)明采用一體化機(jī)芯，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定、易維護(hù)等特點(diǎn)，解決市場(chǎng)上出售的機(jī)械式欄桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以維護(hù)。4)行程保護(hù)通過(guò)對(duì)路面坡度、路面寬窄、路面障礙物等檢測(cè)，采用數(shù)字控制技術(shù)，可以對(duì)欄桿的極限位置進(jìn)行精確設(shè)定，確保抬落桿時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不被損壞，延長(zhǎng)使用壽命。同時(shí)欄桿到達(dá)極限位置時(shí)具有自鎖功能，使欄桿不被反向抬起或下落。5)時(shí)間保護(hù)通過(guò)設(shè)定欄桿起落時(shí)間，欄桿在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)可執(zhí)行欄桿抬起、下落。6)主動(dòng)防砸本發(fā)明欄桿在下落過(guò)程中如果有輕微碰觸車(chē)輛、人員，欄桿會(huì)立即抬起返回至豎直狀態(tài)，避免欄桿繼續(xù)下落對(duì)車(chē)輛和人員造成傷害。同時(shí)欄桿臂將采用高強(qiáng)度、低密度的碳纖維材質(zhì)，表面附有泡棉管，具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、耐腐蝕，耐撞、不傷人和車(chē)等特點(diǎn)。同時(shí)也減輕了電機(jī)的負(fù)載，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命O·
7)人機(jī)交互本發(fā)明采用軟件控制與文本控制相結(jié)合的技術(shù)，使欄桿的位置狀態(tài)信息通過(guò)通信端口設(shè)備可以實(shí)時(shí)反饋，打破傳統(tǒng)欄桿人機(jī)交互性能差。8)轉(zhuǎn)型應(yīng)用根據(jù)步進(jìn)電機(jī)自身特點(diǎn)(成本低、運(yùn)行可靠、精度高、轉(zhuǎn)速高)，將原先主要應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床精密制造等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，轉(zhuǎn)向應(yīng)用于高速數(shù)字欄桿機(jī)上。3. 2、技術(shù)方案3. 2. I構(gòu)造方式步進(jìn)電機(jī)和減速機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)欄桿運(yùn)動(dòng)。I)按照欄桿預(yù)期的運(yùn)動(dòng)方式(設(shè)置角度、軌跡路線)和控制策略(設(shè)置運(yùn)轉(zhuǎn)精度、轉(zhuǎn)速快慢)，編寫(xiě)程序代碼。2)將程序代碼下載到控制器。3)控制器輸出連接到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。4)用驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)，并按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的軌跡進(jìn)行欄桿抬起落下。3. 2. 2技術(shù)原理本發(fā)明高速數(shù)字欄桿，可接收數(shù)字控制信號(hào)電脈沖轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的角位移或直線位移，每次輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)將轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，并帶動(dòng)欄桿移動(dòng)。利用軟件編程技術(shù)可以設(shè)置脈沖信號(hào)頻率、脈沖個(gè)數(shù)、方向信號(hào)。 利用控制器控制加速和減速脈沖數(shù)、脈沖總數(shù)，從而控制欄桿的轉(zhuǎn)速(力口速/減速)，達(dá)到調(diào)速的目的。 利用電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)控制欄桿停止的位置和欄桿起落角度偏移的軌跡路線，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。 利用控制器不同的輸入點(diǎn)有效控制欄桿的轉(zhuǎn)向，達(dá)到調(diào)整欄桿的方向。 利用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，使步距角減少、運(yùn)行平滑，達(dá)到提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度，減弱電機(jī)噪聲和過(guò)熱、過(guò)流和欠電壓保護(hù)等情形； 利用減速器，降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，提高精度的準(zhǔn)確度。避免因電機(jī)負(fù)載突變引起沖擊過(guò)大，造成過(guò)流現(xiàn)象。 曲線加減速運(yùn)行欄桿起落采用軟件編程設(shè)定電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在啟動(dòng)開(kāi)始加速時(shí)，做無(wú)沖擊性的緩啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)欄桿進(jìn)行“啟動(dòng)-加速-高速運(yùn)行-減速-停止”。運(yùn)行速度采用分階梯式上升，“減速、恒速、加速”的速度值可以調(diào)整設(shè)定。在低于啟動(dòng)頻率下啟動(dòng)欄桿，將逐步增加脈沖頻率提高欄桿的運(yùn)行速度，避免發(fā)生失步現(xiàn)象。在欄桿停止前從最高速度逐步減小脈沖率，使其降到能夠停止的速度，使欄桿能夠精確定位，如圖I所示。欄桿在起動(dòng)區(qū)域內(nèi)起動(dòng)，通過(guò)加速到達(dá)運(yùn)行區(qū)域。在運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，電機(jī)不能直接制動(dòng)，否則會(huì)造成失步，必須通過(guò)減速到達(dá)起動(dòng)區(qū)域，才可以進(jìn)行制動(dòng)。欄桿在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，受慣性的原因，啟動(dòng)瞬間的重力矩值最大。隨著欄桿逐漸抬起，重力矩將逐漸減小，停止時(shí)豎直狀態(tài)的重力矩值最小。而電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速是隨著欄桿起落將由小變到大再變到小這一過(guò)程。如圖2所示。3. 2. 3實(shí)現(xiàn)方法見(jiàn)圖8 脈沖形成先輸出一個(gè)高電平，延時(shí)一段時(shí)間后，再輸入一個(gè)低電平，形成一個(gè)下降沿，每個(gè) 下降沿有效，電機(jī)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)脈沖角。脈沖的周期取決于控制器脈沖的總數(shù)。 轉(zhuǎn)速控制通過(guò)硬件中斷或軟件延時(shí)兩種方式，控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或換相的周期，在欄桿加速過(guò)程中，脈速頻率逐漸增加，反之減速過(guò)程中，脈沖頻率逐漸減少。I)硬件中斷通過(guò)可編程的硬件定時(shí)器對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖或某一頻率的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值由編程決定。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)定的脈沖數(shù)時(shí)，產(chǎn)生中斷信號(hào)，得到所需的延時(shí)時(shí)間或定時(shí)時(shí)間間隔。通過(guò)編程設(shè)定計(jì)數(shù)值，以滿(mǎn)足不同的定時(shí)和計(jì)數(shù)要求。2)軟件延時(shí)根據(jù)所需要的時(shí)間常數(shù)，編寫(xiě)程序完成指令操作。要對(duì)設(shè)定指令的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行多次計(jì)算、測(cè)試分析后，設(shè)定延時(shí)時(shí)間值。 旋轉(zhuǎn)方向控制通過(guò)改變內(nèi)部繞組通電方式和通電順序，控制欄桿的旋轉(zhuǎn)方向。分三步第一，A相通電，使轉(zhuǎn)子齒與A相定子齒對(duì)齊。第二，A相通電，同時(shí)接通B相，形成合成磁場(chǎng)，然后對(duì)準(zhǔn)A、B兩極軸線的角等分線，使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動(dòng)。第三，使A相切斷，B相仍保持接通。依次類(lèi)推，繞組以正時(shí)序或反時(shí)序方式轉(zhuǎn)換。磁場(chǎng)每旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子將前進(jìn)一個(gè)齒距，每次轉(zhuǎn)換使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。I)正時(shí)序旋轉(zhuǎn)AB —BC —CA —AB2)反時(shí)序旋轉(zhuǎn)AB — CA — BC — ABy序 Ail·力式I制I十六進(jìn)制
1— AB0000001103H
2— BC— 0000011006H 一I CA0000010105H正時(shí)序旋轉(zhuǎn)模塊03H、06H、05H存放在正轉(zhuǎn)模型為起始地址的內(nèi)存單元，反時(shí)序旋轉(zhuǎn)模塊03H、06H、05H存放在以反轉(zhuǎn)模型為起始地址的內(nèi)存單元。然后通過(guò)標(biāo)志位，判斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。最后輸出相應(yīng)的控制脈沖，判斷脈沖信號(hào)是否輸出完畢。3. 2. 4流程圖見(jiàn)圖9至圖14所示3. 3、結(jié)構(gòu)關(guān)系 本發(fā)明數(shù)字高速欄桿組成部分欄桿臂、機(jī)體箱、機(jī)芯、控制器四部分。I)欄桿臂材質(zhì)采用碳纖維，表面附有泡棉管。2)機(jī)體箱采用上下兩件式，上邊是防雨機(jī)蓋，下部是主機(jī)箱機(jī)蓋。機(jī)體箱是由2mm厚冷軋鋼板制成，表面經(jīng)磷化噴塑處理可置于室外環(huán)境。 3)機(jī)芯是由步進(jìn)電機(jī)、減速器、主軸、平衡彈簧等組成。4)控制器控制接口采用軟件編程設(shè)置程序化驅(qū)動(dòng)。如圖3所示。3. 4、有益效果 采用高扭矩混合式步進(jìn)電機(jī)和軟件控制驅(qū)動(dòng)單元，是國(guó)內(nèi)首家將全數(shù)字執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用于欄桿，目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有先例。 欄桿O. 58s閃電開(kāi)啟，是迄今為止最快的欄桿機(jī)，可以使車(chē)輛快速通行。而市場(chǎng)普遍在售的欄桿抬起時(shí)間普遍大于Is。 不需位置傳感器，停止精度小于O. 2度，無(wú)沖擊、無(wú)彈跳、免調(diào)整。 采用定位設(shè)計(jì)，根據(jù)路面的寬窄、坡度，軟件可精確設(shè)計(jì)欄桿傾斜度、轉(zhuǎn)速，保證車(chē)輛、行人安全通行。 采用防砸車(chē)設(shè)計(jì)，落桿時(shí)碰到車(chē)輛或行人能夠自動(dòng)抬桿，不會(huì)出現(xiàn)砸車(chē)、人現(xiàn)象。即使出現(xiàn)砸車(chē)、砸人，欄桿臂采用碳素纖維材質(zhì)，也不會(huì)造成對(duì)人和車(chē)傷害。 采用防撞車(chē)設(shè)計(jì)，即使出現(xiàn)輕微撞車(chē)，欄桿會(huì)向外側(cè)水平方向打開(kāi)。 采用防斷電、設(shè)備故障設(shè)計(jì)，欄桿可自動(dòng)抬起，無(wú)障礙通過(guò)。 采用曲線加減速設(shè)計(jì)，軟件可多時(shí)段設(shè)置欄桿起落，實(shí)現(xiàn)欄桿起落快速、平穩(wěn)、無(wú)抖動(dòng)。 采用正弦連桿技術(shù)、高強(qiáng)度鋼板機(jī)架和一體化機(jī)芯，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，所需成本較合理，維護(hù)費(fèi)低。 采用人機(jī)交互設(shè)計(jì)，提供文本界面。欄桿的運(yùn)行模式、起落時(shí)間、運(yùn)行狀態(tài)可通過(guò)文本進(jìn)行設(shè)置、修改、顯示，達(dá)到人機(jī)交互目的。 無(wú)論桿在任何位置啟動(dòng)，抬起時(shí)，桿可豎直停止；落下時(shí)，桿可水平停放。 沒(méi)有電刷，可靠性高，電機(jī)使用壽命僅取決于軸承壽命，維修費(fèi)趨于零。 糾錯(cuò)能力欄桿機(jī)具有識(shí)別誤操作的能力，即欄桿本來(lái)在豎直位誤操作抬桿或在水平位誤操作落桿，欄桿機(jī)具有自動(dòng)鑒別能力，不做任何響應(yīng)。

實(shí)施步驟I)確認(rèn)電機(jī)、減速器是否完好無(wú)損，零件是否匹配。(包括電機(jī)的定位凸臺(tái)、輸入軸與減速器凹槽等尺寸及配合公差)2)旋下減速器外側(cè)防塵孔上的螺釘，調(diào)整夾緊環(huán)使其側(cè)孔與防塵孔對(duì)齊，插入內(nèi)六角旋緊。之后，取走電機(jī)軸鍵。3)將電機(jī)與減速器連接，使減速器輸出軸與電機(jī)輸入軸同心度保持一致。4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，確定欄桿機(jī)的安裝位置。5)確定四個(gè)地腳螺栓孔和控制線的位置，打上四個(gè)M16的膨脹螺栓或用水泥埋上四個(gè)M16地腳螺栓。6)將電纜線用塑料管穿好，用水泥埋到相應(yīng)的位置，并露出地面5米。7)打開(kāi)機(jī)箱門(mén)，將主機(jī)上的四個(gè)安裝孔套進(jìn)地腳螺栓上，加彈簧墊片并緊固。8)把欄桿套進(jìn)對(duì)應(yīng)的欄桿槽內(nèi)，擰上一個(gè)M12螺桿固定、欄桿前段卡在槽內(nèi)較小的橫向推力可將欄桿推出，卡槽打開(kāi)即可。9)采用RS232接口，將電源線接到控制器和驅(qū)動(dòng)器的電源端子上。10)用控制盒上的“升”、“降”按鈕，可手動(dòng)或自動(dòng)控制欄桿起落。如說(shuō)明書(shū)附圖所示圖I是曲線加減速運(yùn)行圖。圖2是欄桿起落運(yùn)行圖。圖3是欄桿構(gòu)造圖。圖4是施工圖。圖5是接線圖。圖6是裝配圖。圖7是總裝圖。圖8是實(shí)現(xiàn)方法圖。圖9是驅(qū)動(dòng)程序流程圖。圖10是顯示子程序流程圖。圖11是正反轉(zhuǎn)流程圖。圖12是轉(zhuǎn)速快慢流程圖，轉(zhuǎn)速的快慢取決于控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率。在升速的過(guò)程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速的過(guò)程中，脈沖的頻率逐漸減少。通過(guò)脈沖信號(hào)的變更控制轉(zhuǎn)速。圖13是中斷子程序流程圖。圖14是細(xì)分程序子程序圖。
具體實(shí)施例方式控制欄桿有兩個(gè)按鈕，一個(gè)是抬起，另一個(gè)是落下。 手動(dòng)控制當(dāng)按下抬起按鈕時(shí)，控制器輸出觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，欄桿被抬起；當(dāng)按下落下按鈕時(shí)，控制器輸出觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，欄桿被落下； 自動(dòng)控制在高速公路不停車(chē)收費(fèi)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有車(chē)輛通過(guò)且扣款成功后，閉合抬起通道的開(kāi)關(guān)，欄桿會(huì)抬起；當(dāng)車(chē)輛通過(guò)后，閉合落下通道的開(kāi)關(guān)，欄桿會(huì)落下。如果發(fā)生斷電現(xiàn)象，欄桿靠拉簧拉起，避免因停電造成堵車(chē)。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明數(shù)字高速欄桿屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品，由高扭矩混合式交流步進(jìn)電機(jī)、軟件編程控制驅(qū)動(dòng)單元、減速機(jī)一體化機(jī)芯，共同配合驅(qū)動(dòng)欄桿的抬起、下落。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所描述的數(shù)字高速欄桿，其特征是將全數(shù)字執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用于欄桿控制，欄桿可根據(jù)路面坡度、路寬參數(shù)精確設(shè)置欄桿的轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)速。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所描述的數(shù)字高速欄桿，其特征是欄桿臂采用碳素纖維，落桿時(shí)不會(huì)造成對(duì)人、車(chē)傷害。如果出現(xiàn)輕微撞車(chē)，欄桿會(huì)向外側(cè)水平方向打開(kāi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所描述的數(shù)字高速欄桿，其特征是多時(shí)段設(shè)置欄桿起落，無(wú)論欄桿在任何位置抬起時(shí)可以豎直停止，落下時(shí)可以水平停放。運(yùn)行到極限位置時(shí)，可設(shè)置自動(dòng)死鎖。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所描述的數(shù)字高速欄桿，其特征是斷電或出現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)，欄桿會(huì)自動(dòng)抬起，可無(wú)障礙通過(guò)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所描述的數(shù)字高速欄桿，其特征是欄桿機(jī)具有識(shí)別誤操作的能力，即欄桿本來(lái)在豎直位誤操作抬桿或在水平位誤操作落桿，欄桿機(jī)具有自動(dòng)鑒別能力，不做任何響應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明數(shù)字高速欄桿，是由高扭矩混合式交流步進(jìn)電機(jī)、軟件編程控制驅(qū)動(dòng)單元、減速機(jī)，共同配合驅(qū)動(dòng)欄桿的抬起、下落，是將全數(shù)字執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用于欄桿。研發(fā)的欄桿0.58s的閃電開(kāi)啟，是迄今為止，世界上最快的欄桿機(jī)。本發(fā)明采用高性能的處理器，按照欄桿預(yù)期的運(yùn)動(dòng)方式(設(shè)置角度、軌跡路線)和控制策略(設(shè)置運(yùn)轉(zhuǎn)精度、轉(zhuǎn)速快慢)編寫(xiě)程序代碼，把代碼下載到控制器。通過(guò)連接步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制電機(jī)。按照預(yù)先編制好的欄桿軌跡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行欄桿抬起、下落。本發(fā)明可應(yīng)用于高速公路不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)、人工收費(fèi)系統(tǒng)、車(chē)輛自動(dòng)分類(lèi)系統(tǒng)、橋梁、隧道、停車(chē)場(chǎng)的收費(fèi)系統(tǒng)，以及公寓小區(qū)、貨場(chǎng)等單位的通行管理場(chǎng)合。
文檔編號(hào)E01F13/06GK102888819SQ20111020012
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者潘海軍, 郝彥軍 申請(qǐng)人:北京博宇通達(dá)科技有限公司