1.5t叉車AGV改造設計

摘要：介紹了將一臺普通手動叉車改造成叉車AGV的基本過程：選擇工況合適的叉車，并在原有叉車的基礎上加裝導航激光、位移傳感器、叉尖光電傳感器和控制柜等，根據需求對原廠的配置做出調整，對傳感器位置和傳感器電線的安裝進行優化設計，以縮短調試人員調試時間，使人員使用體驗感更優。

關鍵詞：叉車；AGV；檢測托盤傾斜；激光導航；全方向可調平支架

中圖分類號：TH22? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0036-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.009

0? ? 引言

工業4.0時代，是利用信息化技術促進產業變革的時代，即智能化時代。在技術大爆發的背景下，人類的步伐越來越快，工作模式從一人一崗轉變成一人照看多崗，崗位工作由智能設備代替人工完成。從前重復勞動的工作，現在只需要為此崗位設置智能設備，既高效又能保證無差錯，避免人類在重復勞動時出現問題，還能代替人類進行高危工況下的工作[1]。

叉車作為物流行業的重要裝備，具備適應范圍廣泛、操作搬運靈活、技術含量高等特點，因而受到國內外各行業的青睞。叉車屬具（Forklift Truck Attachment）通過夾緊、旋轉、側移、推拉、傾翻等液壓動作，充分實現叉車一機多用的功能，進一步拓展了叉車適應多種工況的需求[2]。

設計此叉車AGV的目的是提供一種成本低廉、控制穩定可靠靈活、末端搬運定位精度要求高、對路徑變換與使用場景變換有一定要求的混合激光導航叉車式AGV[3]。

1.5 t叉車AGV是進行了市場調研后了解到的市場上需求量極大的產品之一。為了應對有高貨架運輸貨物要求的工況，有必要研發一臺自動運輸的叉車AGV，實現呼叫叉車AGV到貨物送達目的地的無人運輸過程。1.5 t載荷能滿足大部分工廠、倉庫的載重量需求；舉升提升高度在3 m以內，也滿足大部分的使用需求。

首要，需挑選一臺合適的叉車進行改造設計，在原叉車的配置基礎上，改進電控系統，增加導航激光、高度傳感器、左右避障激光、安全觸邊、叉尖光電傳感器，采用PLC進行運動控制，驗證有返激光導航控制的可靠性。叉車效果圖如圖1所示。

1? ? 挑選符合要求的叉車

1.1? ? 工況條件

（1）載荷要求：1.5 t。

（2）爬坡要求：8%。

（3）空載速度：0.75 m/s；滿載速度：0.5 m/s。

1.2? ? 叉車動力計算和電機匹配

叉車自動導航與人駕駛會有所不同，人在駕駛時，憑借自身感受判斷貨物運輸的可行性，而叉車AGV必須要有數據來嚴格規范運輸時的載重與速度，所以必須進行動力計算的匹配。

根據載重要求與叉車自重等，可進行以下叉車AGV總牽引力F總的估算：

F總=F1+F2+F3（1）

F總=μm總g+m總gsin σ+m總a（2）

式中：F1為滾動摩擦力；F2為上坡牽引力；F3為啟動牽引力；μ為輪子與地面的摩擦系數，根據地面與輪子的材質，取0.03；m總為載荷要求與叉車自重的總和，1 500+1 000=2 500 kg；g為重力加速度，取9.8 N/kg；σ為爬坡角度，已知8%，換算角度取整5°；a為啟動加速度，取0.1 m/s2。

計算結果取整，F總=3 120 N。

根據叉車AGV總牽引力，可進行以下叉車AGV電機功率Pd的估算：

式中：v為叉車AGV滿載時速度，取0.5 m/s；ηw為工況效率，取0.8。

計算結果Pd=1.95 kW。

叉車詳細技術參數中會標注動力電機的功率，根據上述計算值來匹配電機功率即可。

1.3? ? 對普通手動叉車進行出場改制

（1）模式切換：有兩種操作模式，即手動操作模式與自動操作模式。外部通過旋鈕直接接入驅動器輸入點，閉合為自動模式，斷開為手動模式。

（2）手動模式下，使用手柄進行操作；自動模式下，上位機通過CAN通信。

（3）在手動與自動情況下，舉升上升限位、下降限位、舵輪極限位以及液壓系統的限位均起作用。

（4）舵輪裝有角度傳感器，每次電源重啟后，不需要尋零操作。

2? ? 激光導航全方向調平支架結構研發設計

2.1? ? 激光導航全方向可調平支架的要求

由于激光導航只掃射二維平面空間來完成掃描導航，故導航激光即使平面角度只偏差0.1°都會造成導航精度的偏差，在叉車AGV自動行駛調試過程中，需要不斷調整激光導航的安裝角度，調整到最適合的角度，以掃射到導航路況周圍一切目標物，辨別叉車AGV身處何處，從而達到導航的目的。普通的安裝板無法滿足導航激光快速、便捷、小角度的調節要求，于是筆者在本項目中設計了一種全方向微角度可調的復合裝配支架。

2.2? ? 全方向可調平支架結構細節

如圖2所示，全方向可調平支架由三塊折彎安裝板組成，第一層安裝板與第二層安裝板由一對螺栓組成Y軸轉軸，第二層安裝板與第三層安裝板也由一對螺栓組成X軸轉軸。當需要調節Y軸轉動角度時，調整Y軸調節螺栓，此時，彈簧隨調節螺栓的擰緊而壓縮，隨調節螺栓的擰松而放松，彈簧成為兩塊板之間的支撐之一，調整到適合角度時，擰緊第一層安裝板與第二層安裝板之間的固定螺栓。當需要調節X軸轉動角度時，調整X軸調節螺栓，此時彈簧隨調節螺栓的擰緊而壓縮，隨調節螺栓的擰松而放松，成為兩塊板之間的支撐之一，調整到適合角度時，擰緊第二層安裝板與第三層安裝板之間的固定螺栓。

3? ? 保證自動取托盤時托盤傾斜能發出信號

3.1? ? 托盤傾斜時觸發信號的設計要求

在人工取托盤時，取托盤的位置是否合適全部依靠人來判斷，即使托盤傾斜也可以及時調整。無人全自動叉車AGV操作時，就需要用其他方法辨別取托盤的位置，如取托盤不當，叉車AGV能及時調整，如超過取托盤限定次數，就發出警報，讓人來輔助。而視覺設備成本過高，本次使用機械傳感器與機械結構的組合，完成叉車AGV叉取托盤傾斜狀態自動檢測機構的設計。

3.2? ? 叉車叉取托盤傾斜狀態自動檢測機構細節

在叉車叉尖立板左右兩邊安裝一對位移傳感器，此傳感器為機械型傳感器，以推桿的壓縮量變化為數據信號，當推桿不受托盤壓縮時自復位。

當叉車取托盤時，正常狀態下，托盤同時壓縮左右兩邊的位移傳感器，兩邊傳感器無信號差異，此時說明取托盤正常，繼續下一步操作。

如若出現取托盤時托盤位置傾斜，兩邊位移傳感器的壓縮量就會出現不同，此時，兩個位移傳感器發送有差別的信號給叉車AGV的主控系統，叉車AGV嘗試重新調整位置取托盤，如在設定次數內不能完成平整取托盤的任務，則叉車AGV停止取托盤并發出警報，尋求幫助。

叉車AGV在取托盤時沖擊很大，易對傳感器造成損壞，必須加裝保護機構。在推桿前安裝傳感器保護板，安裝板由厚鐵板制造。傳感器保護板由一對導向軸與彈簧來支撐，安裝在位移傳感器的上下兩側，通過無油襯套完成導向軸的壓縮與釋放。依靠傳感器保護板來觸發位移傳感器的壓縮量，導向軸與彈簧也可完成自復位，以此來保護位移傳感器。位移傳感器保護機構如圖3所示。

4? ? 控制設備與傳感器的電線需隨叉齒提升而提升

4.1? ? 進入控制柜電線的安裝要求

后裝控制柜安裝在叉車固定的門架上，所有后裝傳感器的信號線與動力線都需要經過控制柜，而叉車叉齒會隨貨物放置到高貨架上而變換高度，所以所有進入控制柜的電線都不是固定的，會隨叉齒高度變化而變化位置。

4.2? ? 電線隨動設備結構的細節

控制柜中的電線通過坦克鏈連接到叉車各處的傳感器，坦克鏈懸掛在一組拖鏈隨動安裝架上的聚氨酯滾輪上，安裝架上通過轉軸固定聚氨酯滾輪。拖鏈一頭搭接在控制柜上，另一頭搭接在叉齒舉升板上，保證叉齒舉升時電線也能隨動。電線隨動設備如圖4所示。

5? ? 設計要點總結

（1）基于現有工況條件對叉車的動力電機進行驗算，選擇最適合自身工況條件的叉車；

（2）導航激光依靠一種全方向微角度可調節的復合裝配支架來完成小微平面角度調整；

（3）托盤傾斜時，傳感器需要觸發信號給主控制系統，然后根據信號做出相應調整或是發出警報，提醒人來干預操作；

（4）控制設備與傳感器的電線搭接在電線隨動設備上，使電線可以隨叉齒提升而提升。

6? ? 結語

本文介紹的幾個結構優化設計，都是叉車AGV改造注意事項的關鍵點，可以使設計人員與調試人員在改造叉車AGV時節省大量時間成本與調試成本，最后結合本文設計研制出更加適合自身工況的叉車AGV。

[參考文獻]

[1] 時大戎.叉車和叉車屬具的發展現狀與趨勢的研究[J].智能建筑與工程機械，2021，3（4）：73-75.

[2] 王斌，李再金.一種混合激光導航叉車式AGV：CN20592-0406U[P].2017-02-01.

[3] 成大先.機械設計手冊[M].5版.北京：化學工業出版社，2010.

收稿日期：2023-02-22

作者簡介：張文燕（1989—），女，上海人，工程師，研究方向：AGV（機械設計）。