李瑋華，杜 皓，趙秀平

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

（河北師范大學(xué)，石家莊 050024）

0 引言

目前在我國工業(yè)自動化生產(chǎn)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(biāo)的固定缺乏靈活性，生產(chǎn)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(chǎn)線高效、快速資源的利用。雖然在國際上日本等國家已經(jīng)研制出了自動導(dǎo)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(dǎo)航技術(shù)的運輸系統(tǒng)，其系統(tǒng)龐大復(fù)雜，引進價格昂貴，不適合我國現(xiàn)階段大多數(shù)工礦企業(yè)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(chǎn)線自動行走的運輸叉車還是空白。為了促進我國工業(yè)生產(chǎn)運輸自動化程度的進一步提高，本課題組研發(fā)了一種適于自動化生產(chǎn)線的遙控?zé)o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(shù)，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(shù)問題?，F(xiàn)實了物料叉車的遙控?zé)o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(chǎn)線上帶式輸送機不便承載的物料和無法送達區(qū)域的自動運輸工作，以便補充和完善生產(chǎn)線上自動運輸系統(tǒng)，增強自動化生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)管理，促進我國無人化自動工廠的實現(xiàn)和發(fā)展。

1 遙控?zé)o軌物料叉車的整體結(jié)構(gòu)及技術(shù)方案

無線遙控物料叉車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。該車主要結(jié)構(gòu)由貨叉升降傳動與控制裝置、行走驅(qū)動及方向控制系統(tǒng)、異物探測與報警系統(tǒng)、無線遙控電氣系統(tǒng)4部分組成。同時車上設(shè)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)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(jīng)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(zhuǎn)的條件下，能具有優(yōu)良的調(diào)速性能、較小的轉(zhuǎn)動慣量、較大啟動轉(zhuǎn)矩，較強的過載能力和耐沖擊能力，因此在本設(shè)計中起重電動機選用串勵直流電動機用于驅(qū)動貨叉的升降運動。

1.2 行走驅(qū)動及方向控制系統(tǒng)

在行走控制裝置的設(shè)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(xiàn)了叉車的無軌運行。叉車的行走采用前轉(zhuǎn)向后驅(qū)動的傳動系統(tǒng)[2]，實現(xiàn)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(xiàn)剎車制動。這樣既排除了停車時的前傾現(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(qū)動輪電動機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，可實現(xiàn)坡地、平地行走的速度控制以及驅(qū)動輪的差動鎖緊。轉(zhuǎn)向動作由舵機來驅(qū)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(zhuǎn)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(wěn)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(biāo)志和照明。

1.3 異物探測與報警系統(tǒng)設(shè)計

在車體的前后方均裝有異物探測系統(tǒng)，在設(shè)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(dāng)叉車行進時，任何一個探測器發(fā)現(xiàn)有障礙物時，都將自動停止并發(fā)出報警聲，直到障礙物被清除后，叉車繼續(xù)運行。

1.4 無線遙控電氣系統(tǒng)

無線搖控系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要技術(shù)方案包括：遙控信號的發(fā)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(qū)動主電路等部分。

圖2 遙控系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)圖

遙控信號的發(fā)射與接收分別由遙控發(fā)射器和遙控接收器完成，以實現(xiàn)遙控叉車各種工作狀態(tài)的遠程操作。遙控器發(fā)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?？刂菩盘柾ㄟ^驅(qū)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(jīng)運算放大后驅(qū)動貨叉升降電機旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)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(yīng)控制端相連接，以實現(xiàn)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(yīng)復(fù)雜的工礦作業(yè)環(huán)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(tǒng)中設(shè)計了具有4個頻道的自動頻率掃描器，在遙控器上設(shè)置了選頻開關(guān)，通過轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)開關(guān)即可選擇安全頻點。同時，接收器內(nèi)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(fā)射器聯(lián)絡(luò)[3]。

2 遙控?zé)o軌物料叉車控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計與控制原理

遙控?zé)o軌物料叉車控制系統(tǒng)的硬件電路采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)的原理電路如圖3所示。主要電路模塊有：電動機主控驅(qū)動電路、遙控信號的發(fā)射與接收電路、行走方向與主動急?？刂齐娐?、行走速度控制電路、升降控制驅(qū)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(qū)動電路模塊設(shè)計

主控驅(qū)動電路分為行走驅(qū)動和升降驅(qū)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(qū)動電動機，M2為右輪驅(qū)動電動機，M3為貨叉升降驅(qū)動電動機。系統(tǒng)中采用48V和36V兩個蓄電池電源分別給主驅(qū)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(zhuǎn)和反向制動，以實現(xiàn)叉車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)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(xiàn)遇障停車的功能。

2.2 遙控信號的發(fā)射與接收電路模塊設(shè)計

遙控信號的發(fā)射與接收由TWH9236/9238集成電路組件構(gòu)成3個電路模塊。一個模塊用于收發(fā)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(fā)行走速度控制、主動停止、急?？刂啤⒐みM控制信號；第三個模塊用于收發(fā)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(tǒng)硬件電路的原理結(jié)構(gòu)

其中，遙控發(fā)射器IC1由3塊TWH9236集成塊組成，在IC1的控制面板上設(shè)有10個控制按鍵AN1～AN10，其功能分別為：前進鍵、后退鍵、右轉(zhuǎn)鍵、左轉(zhuǎn)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(fā)射物料叉車各種運行及工作狀態(tài)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(lián)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(gòu)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(qū)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(xiàn)叉車運行方向的操控。在各向控制電路中，用串聯(lián)的主動停止接觸器KV1的4個聯(lián)動常閉觸點KV1-1～KV1-4設(shè)置了互鎖支路，以實現(xiàn)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(gòu)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(gòu)成或邏輯運算，實現(xiàn)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(qū)動行走電機M1、M2正轉(zhuǎn)，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(jīng)過IC4、IC6運算放大后，分別由或門IC10、IC12傳輸給IC13，經(jīng)邏輯運算后由上述4個引腳輸出，驅(qū)動行走電機M1、M2反轉(zhuǎn)，叉車后退。

右轉(zhuǎn)控制：在叉車行進中，按IC1的右轉(zhuǎn)鍵AN3，IC2的A1與B1端輸出高電平，經(jīng)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(zhuǎn)動，M2正常運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)叉車右轉(zhuǎn)功能。

左轉(zhuǎn)控制：在叉車行走中，按IC1的左轉(zhuǎn)鍵AN4，IC2的C1與D1端輸出高電平，經(jīng)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(zhuǎn)動，M1正常運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)叉車左轉(zhuǎn)功能。

主動急?？刂疲涸诓孳囆凶咧?，當(dāng)按主動急停鍵AN6時，在IC2的B2端輸出高電平信號，該信號經(jīng)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(guān)系，當(dāng)4個方向輸入引腳同電位時，兩個行走電機的電樞相當(dāng)于短接，產(chǎn)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(shè)計與控制

原理

行走速度控制是利用PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)，改變電樞電壓的調(diào)速方法來實現(xiàn)。調(diào)速電路由DC24DP50AL型遙控直流調(diào)速板IC7構(gòu)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(qū)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(jīng)高速光電隔離電路、電機各方向驅(qū)動邏輯與放大電路后，驅(qū)動電機驅(qū)動芯片IC13的雙H橋下臂的MOSFET開關(guān)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(zhuǎn)速，實現(xiàn)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(jīng)IC7轉(zhuǎn)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(diào)速電平，使行走電機M1、M2的轉(zhuǎn)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(jīng)IC7后使IC13的引腳6、11變成低電平，經(jīng)IC13邏輯變換后，輸出的信號使行走電機M1、M2逐漸降低轉(zhuǎn)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(dāng)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(dāng)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(jīng)放大器IC14放大之后，使接觸器KV2的線圈得電，異物探測急?？刂萍皥缶娐分械某ｉ]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(zhuǎn)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(fā)光二極管LED1可以繼續(xù)工作。

2.5 貨叉升降控制電路模塊設(shè)計與控制原理

該電路模塊由第二雙H橋集成電機驅(qū)動芯片IC18、運算放大器IC16～17、升降電機M3組成。遙控信號經(jīng)放大器送給正反轉(zhuǎn)控制、升降“自鎖”和“互鎖”回路，驅(qū)動電動機帶動貨叉升降運動。到位后經(jīng)過反向制動電路、電磁制動器驅(qū)動回路，使升降電機快速停轉(zhuǎn)。手動升降控制電路設(shè)計成點動控制形式，通過安裝在起重機構(gòu)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(fā)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(guān)系，當(dāng)引腳3為高電平時，由引腳2和10輸出正轉(zhuǎn)驅(qū)動信號，使升降電機M3正向轉(zhuǎn)動，經(jīng)機械傳動系統(tǒng)帶動貨叉上升運動。

叉降控制：按降鍵AN9， IC2的B3端發(fā)出高電平降控制信號，經(jīng)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(guān)系，當(dāng)引腳3為低電平時，由引腳2和10輸出反轉(zhuǎn)驅(qū)動信號，使升降電機M3反向旋轉(zhuǎn)，經(jīng)機械傳動系統(tǒng)帶動貨叉下降運動。

叉停控制：當(dāng)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(jīng)IC17放大后送到IC18的剎車輸入引腳4上，根據(jù)IC18的邏輯使能關(guān)系，此時引腳2和10輸出制動信號，升降電機M3停轉(zhuǎn)，貨叉停止。

2.6 異物探測與急停報警系統(tǒng)電路模塊設(shè)計與控制原理

該電路模塊由超聲波探測電路和急?？刂萍奥暪鈭缶娐方M成，電路原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中，超聲探測電路由波發(fā)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?？刂齐娐分饕獙Πl(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進行控制。

圖4 異物探測急?？刂婆c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?？刂菩盘栍邪l(fā)射器TWH9236發(fā)出，被動急停控制信號由異物檢測傳感器發(fā)出。控制原理為：

在行走中，當(dāng)叉車運行方向遇行人或障礙物時，由超聲波發(fā)送器發(fā)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(fā)脈沖發(fā)生器輸出高電平，使發(fā)光二極管LED發(fā)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(fā)聲報警，使接觸器KV1線圈得電，安裝在行走驅(qū)動電路中常閉觸點KV1-1～KV1-4斷開，行走電機M1、M2斷電停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)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(diào)節(jié)，可設(shè)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(fā)輸出狀態(tài)的改變，當(dāng)叉車在與障礙物相距20cm～30cm左右時，觸發(fā)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(nèi)獲得高達0.6mm的重復(fù)精度。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)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(tǒng)電氣箱里，發(fā)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(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)，也可為便攜式遙控器，由現(xiàn)場操作人員靈活控制。與普通工程叉車技術(shù)相比，本遙控物料叉車的控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：集遙控遙測、機光電技術(shù)于一體，使工程叉車具有更好的機動性和適用性；系統(tǒng)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(jié)合，方便構(gòu)成由計算機控制的自動倉庫或全自動物流系統(tǒng)。

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

[2]丁鎮(zhèn)生.傳感及其遙控遙測技術(shù)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003.

[3]肖景,趙健主.無線電遙控組件及其應(yīng)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(shù)防止踩錯踏板[EB/OL].中國移動物聯(lián)網(wǎng),2013,7：29.