回转式智能书柜及其控制与减小电动机回转转矩的方法与流程

本发明涉及智能存储柜领域，尤其涉及回转式智能书柜及其控制和其应用的减小电动机回转转矩的方法。

背景技术：

在我们日常所接触智能书籍或文件自动存储柜，基本都采用固定书柜类似快递柜的方式，存储书籍数量少、占地空间大；而现有回转式书柜存储书籍数量少、定位精度低、不能对每本书籍进行智能识别，使之投放时必须按书格编号对应放入，耗时耗力，容易出错。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构合理、紧凑且存放图书量大，回转定位精度高、方便存取的回转式智能书柜。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种回转式智能书柜，包括外壳，所述外壳上设有图书存取窗口；所述外壳内转动安装有回转体，所述回转体包括驱动轴，所述驱动轴上沿其轴向并列的设有数个回转盘，所述回转盘上设有数个书格板，所述书格板将所述回转盘上侧的空间分割成数个容纳图书的书格；所述驱动轴通过减速装置与伺服电机连接；还包括电磁稳定装置，所述电磁稳定装置包括位于最下端的所述回转盘下侧的磁力可控的电磁铁，至少最下端的所述回转盘由磁性材料制成；根据所述伺服电机的负载变化实时调整所述电磁铁的电流大小以控制其磁力大小，实现通过所述电磁铁与所述回转盘之间的电磁吸力抵消所述回转体减速过程中的转动惯量；还包括rfid智能回转识别单元，所述rfid智能回转识别单元包括相互配套使用的控制系统、rfid读写器及贴在书籍上的rfid标签，所述rfid读写器设置在所述回转盘外侧；所述控制系统记录并存储摆放书籍时rfid标签所对应的书格并将rfid标签和所述书格的对应关系作为判断还书时书籍放置位置是否正确的依据。

作为优选的技术方案，所述驱动轴和所述减速装置之间设有辅助定位装置，所述辅助定位装置包括位于所述减速装置上侧的固定板，所述固定板上设有供所述驱动轴穿过的t形安装孔，所述安装孔内设有止推轴承，所述止推轴承上支撑有驱动轴衬套，所述驱动轴衬套固定在所述驱动轴上；所述驱动轴衬套的外侧设有定位支撑衬套。

作为优选的技术方案，所述定位支撑衬套采用铜或加石墨的无油衬套。

作为优选的技术方案，所述书格板由金属材料制成，每层所述书格对应一个所述rfid读写器。

作为优选的技术方案，所述驱动轴上设有与其一同回转的原点感应片，所述回转体外侧设有与所述原点感应片相配合的原点感应器；所述原点感应器与所述控制系统电连接。

作为优选的技术方案，所述电磁铁临近所述回转盘的外缘设置。

作为优选的技术方案，所述减速装置为直交减速机，所述直交减速机的水平传动轴与所述伺服电机通过键连接；所述水平传动轴为蜗杆，还包括与所述驱动轴键连接的竖直传动轴，所述竖直传动轴上设有与所述蜗杆啮合的涡轮。

一种回转式智能书柜，驱动轴与减速装置以及减速装置与伺服电机均直接通过键连接，省去中间联接机构，联接方式更简单，误差更小；rfid智能回转识别单元与伺服电机配合，书籍文件的投放、取出、归还均可进行智能识别，操作简单，大大缩短书籍投放时间，存取操作精度高；伺服电机通过减速装置与驱动轴连接，节省设备的垂直方向高度，利于布置多层回转盘，存书量大，占地面积小；电磁稳定装置保证了伺服电机驱动过程的稳定，减小了负载变化对伺服电机的影响。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种减小电动机回转转矩的方法。

一种减小电动机回转转矩的方法，电动机减速停止过程中，对回转体附加磁力大小可实时调整的电磁吸力用来抵消回转体减速过程中反作用在电动机上的转矩，使电机整个运行过程中的转矩降低。

上述方法可以使电动机稳定运转，减小电动机转矩，运转功率小，效果明显。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种应用于回转式智能书柜的控制方法。

应用于回转式智能书柜的控制方法，包括控制系统、rfid读写器、rfid标签、存放书籍的回转体和驱动回转体转动的伺服电机；

摆放书籍时，先将贴有rfid标签的书籍放入回转体，伺服电机驱动回转体转动并带动书籍一同转动，书籍经过rfid读写器时会被识别出来，控制系统记录书籍所对应的书格，且控制系统还将rfid标签及书格一一对应关系作为判断还书时书籍是否正确放置的依据；

还书时，书籍放入回转体后，回转体在伺服电机的带动下回转并带动书籍一同转动；当书籍到达rfid读写器位置时，书籍上的rfid标签被读取，控制系统将此时rfid标签以及书格同上次存放时rfid标签与书格的对应关系作对比，确认是否放置错误；

取书时，输入待取书籍的rfid标签所包含的信息，控制系统根据rfid标签与书格的对应关系将书籍展现在存取窗口处。

作为优选的技术方案，所述回转体启停位置固定，所述回转体上下并列地设有多层书格，所述书格的位置由伺服电机启动至rfid标签被识过程中伺服电机转动的角度以及该层相应的rfid读写器信息共同限定；所述控制系统通过书格的位置将书格与rfid标签一一对应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的外观结构示意图；

图2是本发明实施例的内部结构示意图；

图3是本发明实施例中回转体的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是图4中a区域的放大视图；

图6是本发明实施例中回转体的下端放大视图；

图7是本发明实施例中回转体的上端放大视图；

图8是本发明实施例中驱动轴与伺服电机的连接结构示意图；

图9是图8的俯视图；

图10是伺服电机的受力分析图。

图中：1-外壳；2-回转体；201-回转盘；202-书格板；203-驱动轴；204-法兰；301-安装支架；302-rfid读写器；401-伺服电机；402-减速装置；403-水平传动轴；404-竖直传动轴；405-涡轮；501-电磁铁；502-支架；601-固定板；602-止推轴承；603-定位支撑衬套；604-驱动轴衬套；701-原点感应片；702-原点感应器。

具体实施方式

如图1所示，一种回转式智能书柜，包括外壳1，所述外壳1上设有图书存取窗口102。回转体2转动安装在外壳1内，回转体2上设置有多层书格，相应的，外壳1上对应每层书格设置图书存取窗口102。外壳1上还设置有检修门101，检修门101用于装配回转体2及检修设备，检修门101与图书存取窗口102位于外壳1不同的侧面上，外观整洁，结构合理。如图2、图3、图4和图5所示，所述回转体2包括驱动轴203，所述驱动轴203上沿其轴向并列的设有数个回转盘201，回转盘201通过法兰204固定在驱动轴203上，由驱动轴203带动一起回转。优选的，所述回转盘201采用钣金或工程塑料成型制作，成本低。所述回转盘201上设有数个书格板202，所述书格板202将所述回转盘201上侧的空间分割成数个容纳图书的书格。根据存放图书的特点，书格的大小不同以适应不同尺寸图书的存放需要设定，存储图书量大，占地面积小。所述驱动轴203的下端通过减速装置402与伺服电机401连接。

如图8和图9所示，所述减速装置402为直交减速机，所述直交减速机的水平传动轴403与所述伺服电机401通过键连接；所述水平传动轴403为蜗杆，还包括与所述驱动轴203键连接的竖直传动轴404，所述竖直传动轴404上设有与所述蜗杆啮合的涡轮405。伺服电机401驱动减速装置402带动直连的驱动轴203做回转运动。驱动轴203的直连方式最大限度的降低驱动误差；由于采用伺服电机401和减速装置402，减速装置402可以节省垂直方向安装高度，利于多层书柜布局。

回转体2的重量直接作用在减速装置402上会导致减速装置402的寿命降低。因此，为了将减速装置402的负载力分解，结构稳定，所述驱动轴203和所述减速装置402之间设有辅助定位装置。如图8所示，所述辅助定位装置包括位于所述减速装置402上侧的固定板601，所述固定板601上设有供所述驱动轴203穿过的t形安装孔，所述安装孔内设有止推轴承602，所述止推轴承602上支撑有驱动轴衬套604，所述驱动轴衬套604固定在所述驱动轴203上随驱动轴203一同回转。所述驱动轴衬套604的外侧设有定位支撑衬套603。优选的，所述定位支撑衬套603采用铜或加石墨的无油衬套。止推轴承602承受回转体施加在减速装置402上的垂直方向的负载，另外用定位支撑衬套603限制驱动轴203的位置，对减速装置402本身轴承进行保护，以防异常负载损坏减速装置402。辅助定位装置承受回转体2的重量，不会将回转体2的重量作用在减速装置402上，驱动平稳高效，定位精准。

进一步的，所述外壳1内设有主支架104，所述主支架104的上端设有驱动轴上安装板105，所述驱动轴203的上端转动安装在所述驱动轴上安装板105上。在驱动轴203上端采用带座轴承安装在驱动轴上安装板105上，驱动轴上安装板105的安装轴心与减速装置402共同对回转体2支撑、定位。驱动轴203中心与减速装置402的竖直传动轴404的轴心以及带座轴承的中心重合，避免组装时轴心不同心或异常偏置负载引起的扭曲力对减速装置402造成影响。

回转体2回转过程中能否将对于图书展示在图书存取窗口102直接影响着设备能否方便使用，为了提高回转体2的定位精度，所述驱动轴203上设有原点感应片701，所述回转体2外侧设有与所述原点感应片701相配合的原点感应器702。所述原点感应器702与所述控制面板103电连接，将回转体2是否准确复位反馈至控制面板103，实现每次回转体2回转的精确控制，并且在每一圈都可清除回转误差，避免长时间回转后由于直交减速装置402本身误差而造成定位误差过大。

由于回转体2由伺服电机401驱动回转，伺服电机401需要克服的主要力矩负载来源于回转体2的回转惯量，回转体2质量越大、转速越高、半径越大则伺服电机401需要克服的回转惯量越大。回转体2上存放的图书不同、图书的数量不同都会导致回转体2施加在伺服电机401上的回转惯量不同，因而伺服电机401所承受的负载也不同。回转体2整个回转过程中，随着回转体2速度的不同，伺服电机401的负载也随时在变化。因此，需要一种减小电动机回转转矩的方法来解决上述问题。具体的，电动机减速停止过程中，对回转体附加磁力大小可实时调整的电磁吸力用来抵消回转体减速过程中反作用在电动机上的转矩，使电机整个运行过程中的转矩降低。

回转式智能书柜的伺服电机整个运转过程中的转矩分析如图10所示，从图中可知，伺服电机启动和停止的过程中其转矩是不断变化的。为了优化伺服电机启动和停止过程中的转矩，预设定总负载惯量为jl，伺服电机转子惯量为j0(固定)，设备恒速运行时间为nm，加速转矩为ta,减速转矩为td，加速时间为t1，减速时间为t3,定位周期时间为tf，其中定位周期时间tf＝加速时间t1+恒速运行时间nm+减速时间t3。其中，

伺服电机加速阶段的转矩计算公式：

伺服电机减速阶段的转矩计算公式：

在总负载惯量jl，伺服电机转子惯量j0(固定)，恒速运行时间nm三个条件tf不变的条件下，加减速时间与加减速转矩成反比关系。增加加速时间t1，可以直接降低加速所需转矩，使之实际启动转矩减小。此时减速时间t3被缩短，则所需减速转矩增加，为保证伺服电机可以快速停止且不会过载，根据伺服电机负载变化，通过外部施加电磁力对伺服电机负载情况进行调节，电磁铁501与回转盘201之间的电磁吸力抵消了伺服电机401所承受的转动惯量，减小了伺服电机将回转体由从高速运动到停止所需要克服的转矩。

如图3所示，为了使得伺服电机401运行平稳，应用上述方法在最下端的所述回转盘201的下侧设置磁力可控的电磁铁501，电磁铁501通过支架502固定在外壳1的底板上。至少位于最下端的所述回转盘201采用磁性材料，特别是铁系金属材质，电磁铁501通电产生磁力与回转盘201产生吸合力。根据所述伺服电机401的负载变化实时调整所述电磁铁501的电流的大小进而实现通过电磁铁501与回转盘201之间的电磁吸力抵消或降低所述伺服电机401在减速时的转矩。由于回转体2减速过程中其速度随时变化，因而实时的对电磁铁501的电流进行调整可以更精确的将回转体2的转动惯量抵消；实时调整电磁铁501的电流值来调整电磁铁501的磁力大小不仅可以抵消伺服电机401的过量负载同时也能将由于负载的变化而施加在伺服电机401上的不稳定因素克服，维持伺服电机401转动的稳定、减小伺服电机401的驱动功率。电磁铁501作用在回转盘201上的位置越接近回转盘201外侧，电磁铁501给予回转盘201的作用力的力臂越长，需要的电磁吸力越小。因此，所述电磁铁501临近所述回转盘201的外缘设置，电磁铁501可以用更小的控制力消除衰减回转体2的转动惯量，节省能耗。

还包括rfid智能回转识别单元，所述rfid智能回转识别单元包括相互配套使用的控制系统、rfid读写器302及贴在书籍上的rfid标签，所述rfid读写器302设置在所述回转盘201外侧；所述控制系统记录并存储摆放书籍时rfid标签所对应的书格的位置并判断还书时书籍放置位置是否正确。回转体2外侧设置有安装支架301，rfid读写器302安装在安装支架301上。所述书格板202由金属材料制成，屏蔽相邻书格书籍rfid的干扰；这样每个书格只会被读取一个rfid的信息，因此，每层所述书格对应一个所述rfid读写器301，回转读取，减少了rfid读写器301数量。

应用于回转式智能书柜的控制方法，包括：

摆放书籍时，工作人员先将贴有rfid标签的书籍依次放入回转体2，rfid标签包含书籍的唯一识别码。伺服电机401驱动回转体2转动并带动书籍一同转动，书籍经过rfid读写器时会被识别出来。由于每次回转体2的转动的启停位置固定，自回转体的起始位置到书格的rfid标签被识别期间伺服电机转动的角度信息被控制系统记录。当回转体2上设置有一层书格时，书格的位置信息由伺服电机401转动的角度即可作为书格位置的标识；当回转体2上设置有多层书格时，由于书格不仅有沿回转体2周向上的位置，同时也有沿垂直方向上的位置信息，此时需要将伺服电机401的回转角度和垂直方向上布置的rfid读写器301的信息共同作为书格位置信息的标识。书籍摆放的过程中，控制系统将rfid标签及书格一一对应并存储每个书格的位置；控制系统还将rfid标签及书格的位置信息一一对应的关系作为判断还书时书籍是否正确放置的依据，避免误放。

还书时，书籍放入回转体2后，回转体2在伺服电机401的带动下回转并带动书一同转动；当书籍到达rfid读写器301位置时，书籍上的rfid标签被读取，控制系统将此时书格的位置信息与rfid标签内容作对比，确认是否放置错误；

取书时，输入待取书籍的rfid标签所包含的信息，控制系统根据rfid标签信息将与书籍对应的书格旋转至存取窗口，书籍展从存取窗口取出。

包含控制系统的控制面板103固定在外壳1上，所述图书存取窗口102临近所述控制面板103设，方便操作、方便存取图书。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。