兼容多種AGV車型的自動(dòng)換電系統(tǒng)

文/ 韋科舉 張 磊 李 清 于祖濤 龐成金

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平提升以及現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，AGV小車已經(jīng)成為物流生產(chǎn)系統(tǒng)中不可或缺的一部分?，F(xiàn)有技術(shù)中的AGV小車多是采用電池作為能量來(lái)源，并且AGV小車在電池電量不足的情況下需要去充電站進(jìn)行充電操作，但一方面AGV小車每次充電時(shí)間較長(zhǎng)（約2小時(shí)），效率有待提高，另一方面需要在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)配置許多充電工位，這會(huì)額外占用生產(chǎn)空間。

本系統(tǒng)的目的在于提供一種AGV電池自動(dòng)充換系統(tǒng)，將AGV小車電池集中存儲(chǔ)充電并利用換電車實(shí)現(xiàn)電池的取放替換，從而使AGV小車不再執(zhí)行充電作業(yè)，只執(zhí)行周期更短的換電池操作，提高AGV的工作效率。

一、自動(dòng)充換電控制系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1，自動(dòng)充換電控制系統(tǒng)由充電柜、換電小車、控制系統(tǒng)等三部分組成。

1. 充電柜

充電柜是電池的儲(chǔ)存和充電系統(tǒng)，包含柜體、充電座、信號(hào)采集模塊和控制模塊等部分。充電貨位中包含快插充電座、導(dǎo)向輥道和煙溫感探頭等?？觳宄潆娮约皩?dǎo)向輥道配合換電車能迅速實(shí)現(xiàn)電池和充電機(jī)的準(zhǔn)確可靠連接。煙溫感探頭可以對(duì)充電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)高溫或者煙霧狀態(tài)會(huì)立即斷開(kāi)充電機(jī)并觸發(fā)煙溫感報(bào)警提示。當(dāng)換電車將待充電電池放入充電柜內(nèi)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)充電機(jī)為電池充電。電池充滿時(shí)，信息采集模塊會(huì)將電池電量、滿電狀態(tài)、電池組壽命等信息結(jié)合電池編碼存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并優(yōu)先計(jì)算出最優(yōu)的電池進(jìn)行更換。

圖1 換電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 換電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 換電車結(jié)構(gòu)圖

圖4 換電池流程框圖

2. 電控制系統(tǒng)

圖2所示控制系統(tǒng)包含PLC、觸摸屏、管理計(jì)算機(jī)和服務(wù)器等，是整個(gè)換電系統(tǒng)的大腦。PLC控制換電車的換電動(dòng)作，而管理計(jì)算機(jī)對(duì)貨架上的電池編號(hào)、電壓電流、電池容量、電池組壽命統(tǒng)計(jì)等信息進(jìn)行記錄和管理，實(shí)時(shí)跟蹤每塊電池的使用情況來(lái)選擇最優(yōu)的電池進(jìn)行更換。

3. 換電車

換電車是執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如圖3），包含行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、貨叉機(jī)構(gòu)和定位系統(tǒng)等四部分。換電車負(fù)責(zé)把待充電電池放入充電柜，并把充滿電的電池送入AGV小車。

X軸方向的行走系統(tǒng)包含四個(gè)對(duì)稱設(shè)計(jì)的行走輪，可以在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下在軌道上沿X方向移動(dòng)，在端頭設(shè)置了緩沖系統(tǒng)，提高了安全性。

Y軸方向的舉升系統(tǒng)包含舉升電機(jī)、滾珠絲杠、滑臺(tái)和拖鏈。

Z軸方向的鉤取系統(tǒng)由貨叉電機(jī)、鉤取系統(tǒng)、上電氣缸和解鎖氣缸組成。其中貨叉電機(jī)和鉤取系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電池在AGV和充電架上的鉤取動(dòng)作。解鎖氣缸能將電池上的鎖扣打開(kāi)。上電氣缸可以在AGV完成換電后執(zhí)行AGV重新上電的動(dòng)作。

二、換電流程

系統(tǒng)采用精定位模塊來(lái)修正AGV停靠過(guò)程中產(chǎn)生的與換電車之間的?？科?。具體方法為：

針對(duì)不同類型AGV?？窟^(guò)程中產(chǎn)生的行走方向和升降方向的?？科?，系統(tǒng)引入了采用基于視覺(jué)原理的二次定位方式來(lái)消除偏差。

針對(duì)不同類型AGV?？窟^(guò)程中產(chǎn)生的和換電車之間的偏差，采用檢測(cè)AGV車體的傳感器結(jié)合編碼器定位的方法來(lái)確定AGV車體的準(zhǔn)確位置。

如圖4，當(dāng)AGV提出換電申請(qǐng)后，換電站首先判斷當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)是否有可用的充電貨位和系統(tǒng)是否有報(bào)警。在沒(méi)有報(bào)警并且有可用充電位置時(shí)，控制系統(tǒng)向換電車發(fā)出指令，開(kāi)始換電操作。

步驟1：換電車取AGV小車上的待充電電池。

換電車將控制系統(tǒng)下達(dá)的指令進(jìn)行分解得出需要執(zhí)行的目標(biāo)地址，然后驅(qū)動(dòng)行走電機(jī)11和提升電機(jī)2運(yùn)行到AGV小車?？课恢谩．?dāng)換電車的層和列都對(duì)準(zhǔn)時(shí)，啟動(dòng)定位精定位相機(jī)4開(kāi)始精定位。當(dāng)標(biāo)簽位于精定位相機(jī)4通過(guò)區(qū)域范圍內(nèi)時(shí)，精定位結(jié)束。換電車的控制貨叉電機(jī)12進(jìn)行Z方向的取貨動(dòng)作，AGV監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，解鎖氣缸14縮回打開(kāi)電池鎖，貨叉電機(jī)12拉動(dòng)電池回到原點(diǎn)位置，取AGV電池動(dòng)作結(jié)束。

步驟2：將待充電電池放入充電架內(nèi)進(jìn)行充電。

控制系統(tǒng)根據(jù)庫(kù)存情況計(jì)算出當(dāng)前可用的空閑充電機(jī)，然后驅(qū)動(dòng)行走電機(jī)11和提升電機(jī)2運(yùn)行到空閑充電機(jī)位置。當(dāng)換電車的層和列都對(duì)準(zhǔn)時(shí)，換電車控制貨叉電機(jī)12進(jìn)行Z方向的放貨動(dòng)作，當(dāng)貨叉電機(jī)推動(dòng)電池到達(dá)伸到位后，解鎖氣缸14伸出閉合電池鎖，然后貨叉電機(jī)12回到原點(diǎn)位置，放AGV待充電電池動(dòng)作結(jié)束。

步驟3：從充電柜取出最優(yōu)的電池。

管理計(jì)算機(jī)對(duì)貨架上的電池編號(hào)、電壓電流、電池容量、電池組壽命統(tǒng)計(jì)等信息進(jìn)行記錄和管理，實(shí)時(shí)跟蹤每塊電池的使用情況來(lái)選擇最優(yōu)的電池進(jìn)行更換。換電車將控制系統(tǒng)下達(dá)的指令進(jìn)行分解得出需要執(zhí)行的目標(biāo)地址，然后驅(qū)動(dòng)行走電機(jī)11和提升電機(jī)2運(yùn)行到目標(biāo)位置。當(dāng)換電車的層和列都對(duì)準(zhǔn)時(shí)，換電車控制貨叉電機(jī)12進(jìn)行Z方向的取貨動(dòng)作，當(dāng)貨叉電機(jī)推動(dòng)電池3mm后，解鎖氣缸14縮回打開(kāi)電池鎖，貨叉電機(jī)12拉動(dòng)電池回到原點(diǎn)位置，取AGV電池動(dòng)作結(jié)束。

步驟4：放最優(yōu)的電池到換電車。

換電車將控制系統(tǒng)下達(dá)的指令進(jìn)行分解得出需要執(zhí)行的目標(biāo)地址，然后驅(qū)動(dòng)行走電機(jī)11和提升電機(jī)2運(yùn)行到AGV小車停靠位置。當(dāng)自動(dòng)換電車在層和列方向都對(duì)準(zhǔn)時(shí)，啟動(dòng)定位精定位相機(jī)4開(kāi)始精定位。當(dāng)標(biāo)簽位于精定位相機(jī)4通過(guò)區(qū)域范圍內(nèi)時(shí)，精定位結(jié)束。換電車的控制貨叉電機(jī)12進(jìn)行Z方向的放貨動(dòng)作，AGV監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，解鎖氣缸14伸出關(guān)閉電池鎖，貨叉電機(jī)12拉動(dòng)電池回到中間位置，上電氣缸13伸出按動(dòng)AGV車體上電按鈕，貨叉電機(jī)12拉動(dòng)電池回到原點(diǎn)位置，給AGV換電流程結(jié)束。

圖5 換電車單次取放流程圖

換電車執(zhí)行單次的動(dòng)作流程，如圖5。

三、換電系統(tǒng)帶來(lái)的效果

1.采用精定位模塊，將不同車型的多輛AGV在行進(jìn)方向、升降方向和平行方向的停靠精度要求由原來(lái)的4mm提高到10cm，這使得該系統(tǒng)可以兼容多種AGV車型，提高了系統(tǒng)的適用性。

2.該系統(tǒng)設(shè)置了自動(dòng)充電架，實(shí)現(xiàn)了電池的密集存儲(chǔ)和自動(dòng)充電。

3.換電過(guò)程中不需要設(shè)置單獨(dú)的緩存工位，節(jié)省了空間并提高了換電效率。

4.采用通訊模塊將電池編號(hào)、電壓電流、電池容量、電池組壽命統(tǒng)計(jì)等信息采集到管理計(jì)算機(jī)的電池電源管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)跟蹤每塊電池的使用情況來(lái)選擇最優(yōu)的電池進(jìn)行更換。

5.建立了電池報(bào)廢機(jī)制，當(dāng)電池使用壽命達(dá)到上限閾值時(shí)，對(duì)應(yīng)電池將強(qiáng)制報(bào)廢并提示維護(hù)者進(jìn)行報(bào)廢更換操作。

6.在充電柜內(nèi)增加了充電過(guò)程中高溫和煙霧的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)高溫或者煙霧狀態(tài)會(huì)立即斷開(kāi)充電機(jī)并觸發(fā)煙溫感報(bào)警提示。