1.5t叉车AGV改造设计

2023-06-08张文燕

机电信息 2023年11期

关键词：叉车

摘要：介绍了将一台普通手动叉车改造成叉车AGV的基本过程：选择工况合适的叉车，并在原有叉车的基础上加装导航激光、位移传感器、叉尖光电传感器和控制柜等，根据需求对原厂的配置做出调整，对传感器位置和传感器电线的安装进行优化设计，以缩短调试人员调试时间，使人员使用体验感更优。

关键词：叉车；AGV；检测托盘倾斜；激光导航；全方向可调平支架

中图分类号：TH22 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2023）11-0036-03

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

0 引言

工业4.0时代，是利用信息化技术促进产业变革的时代，即智能化时代。在技术大爆发的背景下，人类的步伐越来越快，工作模式从一人一岗转变成一人照看多岗，岗位工作由智能设备代替人工完成。从前重复劳动的工作，现在只需要为此岗位设置智能设备，既高效又能保证无差错，避免人类在重复劳动时出现问题，还能代替人类进行高危工况下的工作[1]。

叉车作为物流行业的重要装备，具备适应范围广泛、操作搬运灵活、技术含量高等特点，因而受到国内外各行业的青睐。叉车属具（Forklift Truck Attachment）通过夹紧、旋转、侧移、推拉、倾翻等液压动作，充分实现叉车一机多用的功能，进一步拓展了叉车适应多种工况的需求[2]。

设计此叉车AGV的目的是提供一种成本低廉、控制稳定可靠灵活、末端搬运定位精度要求高、对路径变换与使用场景变换有一定要求的混合激光导航叉车式AGV[3]。

1.5 t叉车AGV是进行了市场调研后了解到的市场上需求量极大的产品之一。为了应对有高货架运输货物要求的工况，有必要研发一台自动运输的叉车AGV，实现呼叫叉车AGV到货物送达目的地的无人运输过程。1.5 t载荷能满足大部分工厂、仓库的载重量需求；举升提升高度在3 m以内，也满足大部分的使用需求。

首要，需挑选一台合适的叉车进行改造设计，在原叉车的配置基础上，改进电控系统，增加导航激光、高度传感器、左右避障激光、安全触边、叉尖光电传感器，采用PLC进行运动控制，验证有返激光导航控制的可靠性。叉车效果图如图1所示。

1 挑选符合要求的叉车

1.1 工况条件

（1）载荷要求：1.5 t。

（2）爬坡要求：8%。

（3）空载速度：0.75 m/s；满载速度：0.5 m/s。

1.2 叉车动力计算和电机匹配

叉车自动导航与人驾驶会有所不同，人在驾驶时，凭借自身感受判断货物运输的可行性，而叉车AGV必须要有数据来严格规范运输时的载重与速度，所以必须进行动力计算的匹配。

根据载重要求与叉车自重等，可进行以下叉车AGV总牵引力F总的估算：

F总=F1+F2+F3（1）

F总=μm总g+m总gsin σ+m总a（2）

式中：F1为滚动摩擦力；F2为上坡牵引力；F3为启动牵引力；μ为轮子与地面的摩擦系数，根据地面与轮子的材质，取0.03；m总为载荷要求与叉车自重的总和，1 500+1 000=2 500 kg；g为重力加速度，取9.8 N/kg；σ为爬坡角度，已知8%，换算角度取整5°；a为启动加速度，取0.1 m/s2。

计算结果取整，F总=3 120 N。

根据叉车AGV总牵引力，可进行以下叉车AGV电机功率Pd的估算：

式中：v为叉车AGV满载时速度，取0.5 m/s；ηw为工况效率，取0.8。

计算结果Pd=1.95 kW。

叉车详细技术参数中会标注动力电机的功率，根据上述计算值来匹配电机功率即可。

1.3 对普通手动叉车进行出场改制

（1）模式切换：有两种操作模式，即手動操作模式与自动操作模式。外部通过旋钮直接接入驱动器输入点，闭合为自动模式，断开为手动模式。

（2）手动模式下，使用手柄进行操作；自动模式下，上位机通过CAN通信。

（3）在手动与自动情况下，举升上升限位、下降限位、舵轮极限位以及液压系统的限位均起作用。

（4）舵轮装有角度传感器，每次电源重启后，不需要寻零操作。

2 激光导航全方向调平支架结构研发设计

2.1 激光导航全方向可调平支架的要求

由于激光导航只扫射二维平面空间来完成扫描导航，故导航激光即使平面角度只偏差0.1°都会造成导航精度的偏差，在叉车AGV自动行驶调试过程中，需要不断调整激光导航的安装角度，调整到最适合的角度，以扫射到导航路况周围一切目标物，辨别叉车AGV身处何处，从而达到导航的目的。普通的安装板无法满足导航激光快速、便捷、小角度的调节要求，于是笔者在本项目中设计了一种全方向微角度可调的复合装配支架。

2.2 全方向可调平支架结构细节

如图2所示，全方向可调平支架由三块折弯安装板组成，第一层安装板与第二层安装板由一对螺栓组成Y轴转轴，第二层安装板与第三层安装板也由一对螺栓组成X轴转轴。当需要调节Y轴转动角度时，调整Y轴调节螺栓，此时，弹簧随调节螺栓的拧紧而压缩，随调节螺栓的拧松而放松，弹簧成为两块板之间的支撑之一，调整到适合角度时，拧紧第一层安装板与第二层安装板之间的固定螺栓。当需要调节X轴转动角度时，调整X轴调节螺栓，此时弹簧随调节螺栓的拧紧而压缩，随调节螺栓的拧松而放松，成为两块板之间的支撑之一，调整到适合角度时，拧紧第二层安装板与第三层安装板之间的固定螺栓。

3 保证自动取托盘时托盘倾斜能发出信号

3.1 托盘倾斜时触发信号的设计要求

在人工取托盘时，取托盘的位置是否合适全部依靠人来判断，即使托盘倾斜也可以及时调整。无人全自动叉车AGV操作时，就需要用其他方法辨别取托盘的位置，如取托盘不当，叉车AGV能及时调整，如超过取托盘限定次数，就发出警报，让人来辅助。而视觉设备成本过高，本次使用机械传感器与机械结构的组合，完成叉车AGV叉取托盘倾斜状态自动检测机构的设计。

3.2 叉车叉取托盘倾斜状态自动检测机构细节

在叉车叉尖立板左右两边安装一对位移传感器，此传感器为机械型传感器，以推杆的压缩量变化为数据信号，当推杆不受托盘压缩时自复位。

当叉车取托盘时，正常状态下，托盘同时压缩左右两边的位移传感器，两边传感器无信号差异，此时说明取托盘正常，继续下一步操作。

如若出现取托盘时托盘位置倾斜，两边位移传感器的压缩量就会出现不同，此时，两个位移传感器发送有差别的信号给叉车AGV的主控系统，叉车AGV尝试重新调整位置取托盘，如在设定次数内不能完成平整取托盘的任务，则叉车AGV停止取托盘并发出警报，寻求帮助。

叉车AGV在取托盘时冲击很大，易对传感器造成损坏，必须加装保护机构。在推杆前安装传感器保护板，安装板由厚铁板制造。传感器保护板由一对导向轴与弹簧来支撑，安装在位移传感器的上下两侧，通过无油衬套完成导向轴的压缩与释放。依靠传感器保护板来触发位移传感器的压缩量，导向轴与弹簧也可完成自复位，以此来保护位移传感器。位移传感器保护机构如图3所示。

4 控制设备与传感器的电线需随叉齿提升而提升

4.1 进入控制柜电线的安装要求

后装控制柜安装在叉车固定的门架上，所有后装传感器的信号线与动力线都需要经过控制柜，而叉车叉齿会随货物放置到高货架上而变换高度，所以所有进入控制柜的电线都不是固定的，会随叉齿高度变化而变化位置。

4.2 电线随动设备结构的细节

控制柜中的电线通过坦克链连接到叉车各处的传感器，坦克链悬挂在一组拖链随动安装架上的聚氨酯滚轮上，安装架上通过转轴固定聚氨酯滚轮。拖链一头搭接在控制柜上，另一头搭接在叉齿举升板上，保证叉齿举升时电线也能随动。电线随动设备如图4所示。

5 设计要点总结

（1）基于现有工况条件对叉车的动力电机进行验算，选择最适合自身工况条件的叉车；

（2）导航激光依靠一种全方向微角度可调节的复合装配支架来完成小微平面角度调整；

（3）托盘倾斜时，传感器需要触发信号给主控制系统，然后根据信号做出相应调整或是发出警报，提醒人来干预操作；

（4）控制设备与传感器的电线搭接在电线随动设备上，使电线可以随叉齿提升而提升。

6 结语

本文介绍的几个结构优化设计，都是叉车AGV改造注意事项的关键点，可以使设计人员与调试人员在改造叉车AGV时节省大量时间成本与调试成本，最后结合本文设计研制出更加适合自身工况的叉车AGV。