適于自動生產線的遙控無軌物料運輸叉車的研究與設計

李瑋華，杜 皓，趙秀平

LI Wei-hua, DU Hao, ZHAO Xiu-ping

（河北師范大學，石家莊 050024）

0 引言

目前在我國工業自動化生產線上，物料的運輸大多使用帶式輸送機，其對運輸料品的大小、類型和重量均有一定的限制，且標的固定缺乏靈活性，生產中的小微散料或大型重件基本上還是靠人工和天車搬運，這就影響了自動生產線高效、快速資源的利用。雖然在國際上日本等國家已經研制出了自動導航的無人搬運車（AGV），并開始在國外的車站、碼頭大量使用。但是AGV是一種基于導航技術的運輸系統，其系統龐大復雜，引進價格昂貴，不適合我國現階段大多數工礦企業的使用要求。近年來新西蘭奧克蘭的Inro公司也研制出了僅用于貨棧的無人駕駛叉車，但適用于自動化生產線自動行走的運輸叉車還是空白。為了促進我國工業生產運輸自動化程度的進一步提高，本課題組研發了一種適于自動化生產線的遙控無軌物料運輸叉車，它利用無線電遙控遙測、機光電一體化等先進技術，解決了物料叉車的自動行走速度和方向控制、貨叉運動及定位控制、異物探測及自動避險等技術問題。現實了物料叉車的遙控無軌行走、貨叉的遙控升降、遇障停止與防撞報警等功能。用于完成自動化生產線上帶式輸送機不便承載的物料和無法送達區域的自動運輸工作，以便補充和完善生產線上自動運輸系統，增強自動化生產的網絡管理，促進我國無人化自動工廠的實現和發展。

1 遙控無軌物料叉車的整體結構及技術方案

無線遙控物料叉車的整體結構設計如圖1所示。該車主要結構由貨叉升降傳動與控制裝置、行走驅動及方向控制系統、異物探測與報警系統、無線遙控電氣系統4部分組成。同時車上設有小微物料裝載箱，以方便之需，而貨叉主要用于重大件的運輸。

圖1 無線遙控物料叉車的總體結構原理圖

1.1 貨叉升降傳動與控制裝置

遙控物料叉車貨叉的升降傳動，是利用電動機的正反轉通過減速裝置和滾珠絲杠傳動帶動貨叉完成對重物的起升和下降。貨叉升降控制裝置，采用了遙控升降和手動升降兩種控制方式，且在機構中裝有電磁制動器。由于貨叉在工作中要進行頻繁的負載升降運動，承載負荷變化較大，并經常承受機械沖擊及震動[1]。因此要求起重電動機在頻繁的快速起動、制動和正反轉的條件下，能具有優良的調速性能、較小的轉動慣量、較大啟動轉矩，較強的過載能力和耐沖擊能力，因此在本設計中起重電動機選用串勵直流電動機用于驅動貨叉的升降運動。

1.2 行走驅動及方向控制系統

在行走控制裝置的設計中，使用蓄電池作為能源，用串激直流電動機提供動力，以解決交流電動機需要后拖電纜的問題，實現了叉車的無軌運行。叉車的行走采用前轉向后驅動的傳動系統[2]，實現車輛的行走和方向控制，前輪用萬向輪控制方向，后輪靠蝸桿傳遞運動和動力，并利用蝸桿自鎖功能實現剎車制動。這樣既排除了停車時的前傾現象，又解決了不能迅速停車的弊端，同時還省去了專門的制動器，簡化了結構，減輕了重量。

物料叉車的起停和行走控制利用無線電遙控裝置控制驅動輪電動機的正反轉來實現，可實現坡地、平地行走的速度控制以及驅動輪的差動鎖緊。轉向動作由舵機來驅動，舵機由直流永磁伺服電機、齒輪減速器傳動裝置和反饋電位器以及轉矩輸出端的拉桿組成。電位器的作用是控制舵機輸出一個穩定的電流。另外在車廂的首尾部均安裝有前、后、左、右的方向指示燈，作為運行的方向標志和照明。

1.3 異物探測與報警系統設計

在車體的前后方均裝有異物探測系統，在設計上采用反射式超聲波探測器，檢測車的運行前方是否有人和物。當叉車行進時，任何一個探測器發現有障礙物時，都將自動停止并發出報警聲，直到障礙物被清除后，叉車繼續運行。

1.4 無線遙控電氣系統

無線搖控系統的電氣結構如圖2所示。主要技術方案包括：遙控信號的發射與接收、叉車行走方向控制、叉車行走速度控制、異物檢測和急停報警控制、工進行走及貨叉升降控制、行走和升降電動機及其驅動主電路等部分。

圖2 遙控系統的電氣結構圖

遙控信號的發射與接收分別由遙控發射器和遙控接收器完成，以實現遙控叉車各種工作狀態的遠程操作。遙控器發出的行走控制信號分為行走方向控制、主動停止控制與行走速度控制。控制信號通過驅動電路控制行走電機工作。接收器輸出的升降信號和升降剎車信號經運算放大后驅動貨叉升降電機旋轉。

當叉車接近和叉入貨物時的運動稱為工作進給，此時的遙控信號稱為工進信號。遙控接收器的工進信號接入工進控制電路，工進控制電路與異物探測急停控制及報警電路的相應控制端相連接，以實現叉車行走遇障急停及報警和貨叉工進及定位的差別控制。

為了適應復雜的工礦作業環境，防止干擾信號竄入遙控信道，造成叉車的誤動作，在遙控系統中設計了具有4個頻道的自動頻率掃描器，在遙控器上設置了選頻開關，通過轉動旋轉開關即可選擇安全頻點。同時，接收器內置的頻率掃描裝置將自動“檢查”其他的控制裝置占用的頻點，從而確定未被占用的安全頻點并用其與相同地址碼的發射器聯絡[3]。

2 遙控無軌物料叉車控制系統硬件電路設計與控制原理

遙控無軌物料叉車控制系統的硬件電路采用模塊化設計，系統的原理電路如圖3所示。主要電路模塊有：電動機主控驅動電路、遙控信號的發射與接收電路、行走方向與主動急停控制電路、行走速度控制電路、升降控制驅動電路、工進定位控制電路、異物探測急停報警電路。

2.1 電動機主控驅動電路模塊設計

主控驅動電路分為行走驅動和升降驅動兩部分。電路中選用3個Z3-33型串勵直流電機分別作為叉車行走和貨叉升降電動機。其中M1為左輪驅動電動機，M2為右輪驅動電動機，M3為貨叉升降驅動電動機。系統中采用48V和36V兩個蓄電池電源分別給主驅動電路提供能源。在48V直流電源后連接4個直流接觸器KV1-1～KV1-4，分別用于控制行走電動機的正反轉和反向制動，以實現叉車的前進、后退、左轉、右轉行走和主動停車。在主控電路的線路中連接異物探測控制電路的常閉觸點KV2，以實現遇障停車的功能。

2.2 遙控信號的發射與接收電路模塊設計

遙控信號的發射與接收由TWH9236/9238集成電路組件構成3個電路模塊。一個模塊用于收發叉車行走方向控制信號。該信號分為兩組：一組為行走電機M1的方向控制信號。另一組為行走電機M2的方向控制信號；第二個模塊用于收發行走速度控制、主動停止、急停控制、工進控制信號；第三個模塊用于收發貨叉的升降方向、升降速度和停止控制信號。

圖3 遙控物料叉車控制系統硬件電路的原理結構

其中，遙控發射器IC1由3塊TWH9236集成塊組成，在IC1的控制面板上設有10個控制按鍵AN1～AN10，其功能分別為：前進鍵、后退鍵、右轉鍵、左轉鍵、速度控制鍵、主動停止鍵、工進鍵、上升鍵、下降鍵、升降停鍵，用于發射物料叉車各種運行及工作狀態的遙控信號。遙控接收器IC2由3塊TWH9238集成塊組成，在每個TWH9238的A、B、C、D四個輸出端均接有四個三極管，其后分別串聯一個直流繼電器，并通過運算放大電路連接行走方向控制電路、速度控制電路、工進與急停報警控制電路、貨叉升降控制電路。三個TWH9238集成塊的共用輸出端I01-I03連接在一起，共同構成各運算放大器的輸入信號之一。

2.3 行走控制電路模塊及控制原理

物料叉車行走控制分為：行走方向控制和主動停止控制兩部分。

行走方向控制部分包括前、后、左、右方向控制電路。該電路由4個運算放大器（IC3～6）和4個或門（IC9～12）電路組成，各放大器的輸出端分別通過或門與行走控制驅動電路（IC13）中的兩個行走電機的方向控制使能端（5、7、10、12）連接，由各或門輸出的控制信號傳輸給方向控制電路，實現叉車運行方向的操控。在各向控制電路中，用串聯的主動停止接觸器KV1的4個聯動常閉觸點KV1-1～KV1-4設置了互鎖支路，以實現各向行走方向的鎖定功能。叉車行走主動停止控制電路主要由一個AD504型高精度運算放大器IC8構成。該放大器的信號輸入端與接收器TWH9238的主動停止信號輸出端連接，放大器的輸出端分別接到或門IC9～12的另一個輸入端，與行走方向控制信號一起構成或邏輯運算，實現可靠剎車。其控制原理為：

前進控制：按IC1的前進鍵AN1，IC2的A1、C1端輸出高電平，通過運算放大器IC3的邏輯運算后，由引腳2、3、13、14輸出，驅動行走電機M1、M2正轉，叉車前進。

后退控制：按IC1的后退鍵AN2，IC2的B1、D1端輸出高電平，經過IC4、IC6運算放大后，分別由或門IC10、IC12傳輸給IC13，經邏輯運算后由上述4個引腳輸出，驅動行走電機M1、M2反轉，叉車后退。

右轉控制：在叉車行進中，按IC1的右轉鍵AN3，IC2的A1與B1端輸出高電平，經IC3、IC4放大后分別由或門IC9、IC10送至IC13使引腳5、7的電平相同，通過IC13的邏輯運算，行走電機M1停止轉動，M2正常運轉，實現叉車右轉功能。

左轉控制：在叉車行走中，按IC1的左轉鍵AN4，IC2的C1與D1端輸出高電平，經IC5、IC6放大后分別由或門IC11、IC12送至IC13使引腳10、12的電平相同，通過IC13的邏輯運算，行走電機M2停止轉動，M1正常運轉，實現叉車左轉功能。

主動急停控制：在叉車行走中，當按主動急停鍵AN6時，在IC2的B2端輸出高電平信號，該信號經IC8放大后，由IC9～12分別送至IC13的4個方向控制引腳5、7、10、12，按照IC13的邏輯關系，當4個方向輸入引腳同電位時，兩個行走電機的電樞相當于短接，產生“電”制動，叉車急停。

2.4 行走速度控制及工進定位控制電路模塊設計與控制

原理

行走速度控制是利用PWM（脈寬調制）技術，改變電樞電壓的調速方法來實現。調速電路由DC24DP50AL型遙控直流調速板IC7構成。IC7的輸入端接遙控接收器IC2的輸出端A2和I02，其輸出端接第一雙H橋電機驅動芯片IC13的輸入端6腳和11腳。PWM信號由遙控電路提供，并經高速光電隔離電路、電機各方向驅動邏輯與放大電路后，驅動電機驅動芯片IC13的雙H橋下臂的MOSFET開關來改變直流電機電樞上平均電壓，從而控制行走電動機的轉速，實現叉車的速度控制。其控制原理為：在叉車行走中，按IC1的速度控制鍵AN5，IC2的A2端輸出高電平，并送到IC7的輸入端，經IC7轉換后將輸出的PWM信號輸送到IC13的速度控制輸入引腳6、11，并由IC13的4個輸出引腳輸出調速電平，使行走電機M1、M2的轉速逐漸增大，叉車行走速度逐漸變快。松開速度控制鍵AN5后，IC2的A2端輸出低電平，經IC7后使IC13的引腳6、11變成低電平，經IC13邏輯變換后，輸出的信號使行走電機M1、M2逐漸降低轉速直至停止，叉車減速至停止運行。

工進定位控制電路由運算放大器IC14和遇障急停接觸器KV2組成。IC14的輸入端接遙控接收器IC2的輸出端C2和I02，KV2串接在運算放大器IC14的輸出端。當叉車接近起運物體時KV2動作，解除急停保護，使之貨叉以工進速度進行定位操作。其控制原理為：當叉車接近起運物體時，按IC1的工進AN7鍵，遙控接收器IC2的C2引腳輸出高電平工進信號，該信號經放大器IC14放大之后，使接觸器KV2的線圈得電，異物探測急停控制及報警電路中的常閉觸點KV2-1斷開，急停接觸器KV1和蜂鳴器FQ的電源被切斷，使蜂鳴器FQ斷電失聲，急停接觸器KV1的線圈失電，KV1的常閉觸點KV1-1～KV1-4閉合，行走電機M1、M2通電轉動，蜂鳴器FQ和急停控制解除，光報警電路不受工進鍵AN7動作的影響。此時叉車即可行進并起運貨物；發光二極管LED1可以繼續工作。

2.5 貨叉升降控制電路模塊設計與控制原理

該電路模塊由第二雙H橋集成電機驅動芯片IC18、運算放大器IC16～17、升降電機M3組成。遙控信號經放大器送給正反轉控制、升降“自鎖”和“互鎖”回路，驅動電動機帶動貨叉升降運動。到位后經過反向制動電路、電磁制動器驅動回路，使升降電機快速停轉。手動升降控制電路設計成點動控制形式，通過安裝在起重機構支架上的操作面板控制貨叉的升、降、停止。其控制原理為：

叉升控制：按升鍵AN8，IC2的A3端發出高電平升控制信號，通過放大器IC16放大之后，由方向引腳3送入IC18，按IC18的邏輯使能關系，當引腳3為高電平時，由引腳2和10輸出正轉驅動信號，使升降電機M3正向轉動，經機械傳動系統帶動貨叉上升運動。

叉降控制：按降鍵AN9， IC2的B3端發出高電平降控制信號，經過非門IC15反相后輸出低電平信號，此信號通過放大器IC16放大之后送到IC18的方向輸入引腳3上，按照IC18邏輯使能關系，當引腳3為低電平時，由引腳2和10輸出反轉驅動信號，使升降電機M3反向旋轉，經機械傳動系統帶動貨叉下降運動。

叉停控制：當貨叉到達所需位置時，按叉停鍵AN10，IC2的C3端輸出高電平信號，經IC17放大后送到IC18的剎車輸入引腳4上，根據IC18的邏輯使能關系，此時引腳2和10輸出制動信號，升降電機M3停轉，貨叉停止。

2.6 異物探測與急停報警系統電路模塊設計與控制原理

該電路模塊由超聲波探測電路和急停控制及聲光報警電路組成，電路原理結構如圖4所示。

其中，超聲探測電路由波發送器CFQ、波接收器CJQ、控制電路與電源部分組成。在叉車前后各安裝一個反射型超聲波傳感器，利用其探測出前、后方通道上有無障礙物，并測量出叉車與障礙物之間的距離，以此來確定停車時機。控制電路主要對發送器發出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制。

圖4 異物探測急停控制與報警電路原理圖

急停控制電路包括主動急停和被動急停兩種操控。主動急停控制信號有發射器TWH9236發出，被動急停控制信號由異物檢測傳感器發出。控制原理為：

在行走中，當叉車運行方向遇行人或障礙物時，由超聲波發送器發出的超聲波被人體或物體反射回來，被超聲接收器接收，該信號通過檢波、放大后觸發脈沖發生器輸出高電平，使發光二極管LED發光報警。同時此電平又通過常閉觸點KV2-1，使蜂鳴器FQ得電發聲報警，使接觸器KV1線圈得電，安裝在行走驅動電路中常閉觸點KV1-1～KV1-4斷開，行走電機M1、M2斷電停轉，實現聲光報警和急停防撞的功能。

3 精度分析

在遙控探測電路中，選擇了MA40EIS型反射型超聲波傳感器，其工作頻率一般為40KHz。通過對超聲波傳感器的測量范圍和工作方向的調節，可設定人或物體被檢測到的范圍，一般探測距離為0.3m～10m，但不會觸發輸出狀態的改變，當叉車在與障礙物相距20cm～30cm左右時，觸發輸出使叉車強制停下來[4]。同時該超聲波傳感器在一個寬溫度范圍內獲得高達0.6mm的重復精度。

4 結束語

本系統在使用時，接收器和上述的各部分電路安裝在叉車后部的控制系統電氣箱里，發射器可安裝在車間操作室的控制臺上，通過一定的接口納入自動化生產管理網絡，也可為便攜式遙控器，由現場操作人員靈活控制。與普通工程叉車技術相比，本遙控物料叉車的控制系統具有以下優點：集遙控遙測、機光電技術于一體，使工程叉車具有更好的機動性和適用性；系統中所用芯片均具有完備的保護功能和措施，防止了信號錯亂、電機燒毀等事故，使之具有更高的安全可靠性。它還可與單元運輸相結合，方便構成由計算機控制的自動倉庫或全自動物流系統。

[1]裘為章.實用起重機電氣技術手冊[M].北京：機械工業出版社,2005.

[2]丁鎮生.傳感及其遙控遙測技術應用[M].北京：電子工業出版社,2003.

[3]肖景,趙健主.無線電遙控組件及其應用電路[M].北京：人民郵電出版社,2004.

[4]使用超聲波傳感器技術防止踩錯踏板[EB/OL].中國移動物聯網,2013,7：29.