李玮华，杜 皓，赵秀平

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

（河北师范大学，石家庄 050024）

0 引言

目前在我国工业自动化生产线上，物料的运输大多使用带式输送机，其对运输料品的大小、类型和重量均有一定的限制，且标的固定缺乏灵活性，生产中的小微散料或大型重件基本上还是靠人工和天车搬运，这就影响了自动生产线高效、快速资源的利用。虽然在国际上日本等国家已经研制出了自动导航的无人搬运车（AGV），并开始在国外的车站、码头大量使用。但是AGV是一种基于导航技术的运输系统，其系统庞大复杂，引进价格昂贵，不适合我国现阶段大多数工矿企业的使用要求。近年来新西兰奥克兰的Inro公司也研制出了仅用于货栈的无人驾驶叉车，但适用于自动化生产线自动行走的运输叉车还是空白。为了促进我国工业生产运输自动化程度的进一步提高，本课题组研发了一种适于自动化生产线的遥控无轨物料运输叉车，它利用无线电遥控遥测、机光电一体化等先进技术，解决了物料叉车的自动行走速度和方向控制、货叉运动及定位控制、异物探测及自动避险等技术问题。现实了物料叉车的遥控无轨行走、货叉的遥控升降、遇障停止与防撞报警等功能。用于完成自动化生产线上带式输送机不便承载的物料和无法送达区域的自动运输工作，以便补充和完善生产线上自动运输系统，增强自动化生产的网络管理，促进我国无人化自动工厂的实现和发展。

1 遥控无轨物料叉车的整体结构及技术方案

无线遥控物料叉车的整体结构设计如图1所示。该车主要结构由货叉升降传动与控制装置、行走驱动及方向控制系统、异物探测与报警系统、无线遥控电气系统4部分组成。同时车上设有小微物料装载箱，以方便之需，而货叉主要用于重大件的运输。

图1 无线遥控物料叉车的总体结构原理图

1.1 货叉升降传动与控制装置

遥控物料叉车货叉的升降传动，是利用电动机的正反转通过减速装置和滚珠丝杠传动带动货叉完成对重物的起升和下降。货叉升降控制装置，采用了遥控升降和手动升降两种控制方式，且在机构中装有电磁制动器。由于货叉在工作中要进行频繁的负载升降运动，承载负荷变化较大，并经常承受机械冲击及震动[1]。因此要求起重电动机在频繁的快速起动、制动和正反转的条件下，能具有优良的调速性能、较小的转动惯量、较大启动转矩，较强的过载能力和耐冲击能力，因此在本设计中起重电动机选用串励直流电动机用于驱动货叉的升降运动。

1.2 行走驱动及方向控制系统

在行走控制装置的设计中，使用蓄电池作为能源，用串激直流电动机提供动力，以解决交流电动机需要后拖电缆的问题，实现了叉车的无轨运行。叉车的行走采用前转向后驱动的传动系统[2]，实现车辆的行走和方向控制，前轮用万向轮控制方向，后轮靠蜗杆传递运动和动力，并利用蜗杆自锁功能实现刹车制动。这样既排除了停车时的前倾现象，又解决了不能迅速停车的弊端，同时还省去了专门的制动器，简化了结构，减轻了重量。

物料叉车的起停和行走控制利用无线电遥控装置控制驱动轮电动机的正反转来实现，可实现坡地、平地行走的速度控制以及驱动轮的差动锁紧。转向动作由舵机来驱动，舵机由直流永磁伺服电机、齿轮减速器传动装置和反馈电位器以及转矩输出端的拉杆组成。电位器的作用是控制舵机输出一个稳定的电流。另外在车厢的首尾部均安装有前、后、左、右的方向指示灯，作为运行的方向标志和照明。

1.3 异物探测与报警系统设计

在车体的前后方均装有异物探测系统，在设计上采用反射式超声波探测器，检测车的运行前方是否有人和物。当叉车行进时，任何一个探测器发现有障碍物时，都将自动停止并发出报警声，直到障碍物被清除后，叉车继续运行。

1.4 无线遥控电气系统

无线摇控系统的电气结构如图2所示。主要技术方案包括：遥控信号的发射与接收、叉车行走方向控制、叉车行走速度控制、异物检测和急停报警控制、工进行走及货叉升降控制、行走和升降电动机及其驱动主电路等部分。

图2 遥控系统的电气结构图

遥控信号的发射与接收分别由遥控发射器和遥控接收器完成，以实现遥控叉车各种工作状态的远程操作。遥控器发出的行走控制信号分为行走方向控制、主动停止控制与行走速度控制。控制信号通过驱动电路控制行走电机工作。接收器输出的升降信号和升降刹车信号经运算放大后驱动货叉升降电机旋转。

当叉车接近和叉入货物时的运动称为工作进给，此时的遥控信号称为工进信号。遥控接收器的工进信号接入工进控制电路，工进控制电路与异物探测急停控制及报警电路的相应控制端相连接，以实现叉车行走遇障急停及报警和货叉工进及定位的差别控制。

为了适应复杂的工矿作业环境，防止干扰信号窜入遥控信道，造成叉车的误动作，在遥控系统中设计了具有4个频道的自动频率扫描器，在遥控器上设置了选频开关，通过转动旋转开关即可选择安全频点。同时，接收器内置的频率扫描装置将自动“检查”其他的控制装置占用的频点，从而确定未被占用的安全频点并用其与相同地址码的发射器联络[3]。

2 遥控无轨物料叉车控制系统硬件电路设计与控制原理

遥控无轨物料叉车控制系统的硬件电路采用模块化设计，系统的原理电路如图3所示。主要电路模块有：电动机主控驱动电路、遥控信号的发射与接收电路、行走方向与主动急停控制电路、行走速度控制电路、升降控制驱动电路、工进定位控制电路、异物探测急停报警电路。

2.1 电动机主控驱动电路模块设计

主控驱动电路分为行走驱动和升降驱动两部分。电路中选用3个Z3-33型串励直流电机分别作为叉车行走和货叉升降电动机。其中M1为左轮驱动电动机，M2为右轮驱动电动机，M3为货叉升降驱动电动机。系统中采用48V和36V两个蓄电池电源分别给主驱动电路提供能源。在48V直流电源后连接4个直流接触器KV1-1～KV1-4，分别用于控制行走电动机的正反转和反向制动，以实现叉车的前进、后退、左转、右转行走和主动停车。在主控电路的线路中连接异物探测控制电路的常闭触点KV2，以实现遇障停车的功能。

2.2 遥控信号的发射与接收电路模块设计

遥控信号的发射与接收由TWH9236/9238集成电路组件构成3个电路模块。一个模块用于收发叉车行走方向控制信号。该信号分为两组：一组为行走电机M1的方向控制信号。另一组为行走电机M2的方向控制信号；第二个模块用于收发行走速度控制、主动停止、急停控制、工进控制信号；第三个模块用于收发货叉的升降方向、升降速度和停止控制信号。

图3 遥控物料叉车控制系统硬件电路的原理结构

其中，遥控发射器IC1由3块TWH9236集成块组成，在IC1的控制面板上设有10个控制按键AN1～AN10，其功能分别为：前进键、后退键、右转键、左转键、速度控制键、主动停止键、工进键、上升键、下降键、升降停键，用于发射物料叉车各种运行及工作状态的遥控信号。遥控接收器IC2由3块TWH9238集成块组成，在每个TWH9238的A、B、C、D四个输出端均接有四个三极管，其后分别串联一个直流继电器，并通过运算放大电路连接行走方向控制电路、速度控制电路、工进与急停报警控制电路、货叉升降控制电路。三个TWH9238集成块的共用输出端I01-I03连接在一起，共同构成各运算放大器的输入信号之一。

2.3 行走控制电路模块及控制原理

物料叉车行走控制分为：行走方向控制和主动停止控制两部分。

行走方向控制部分包括前、后、左、右方向控制电路。该电路由4个运算放大器（IC3～6）和4个或门（IC9～12）电路组成，各放大器的输出端分别通过或门与行走控制驱动电路（IC13）中的两个行走电机的方向控制使能端（5、7、10、12）连接，由各或门输出的控制信号传输给方向控制电路，实现叉车运行方向的操控。在各向控制电路中，用串联的主动停止接触器KV1的4个联动常闭触点KV1-1～KV1-4设置了互锁支路，以实现各向行走方向的锁定功能。叉车行走主动停止控制电路主要由一个AD504型高精度运算放大器IC8构成。该放大器的信号输入端与接收器TWH9238的主动停止信号输出端连接，放大器的输出端分别接到或门IC9～12的另一个输入端，与行走方向控制信号一起构成或逻辑运算，实现可靠刹车。其控制原理为：

前进控制：按IC1的前进键AN1，IC2的A1、C1端输出高电平，通过运算放大器IC3的逻辑运算后，由引脚2、3、13、14输出，驱动行走电机M1、M2正转，叉车前进。

后退控制：按IC1的后退键AN2，IC2的B1、D1端输出高电平，经过IC4、IC6运算放大后，分别由或门IC10、IC12传输给IC13，经逻辑运算后由上述4个引脚输出，驱动行走电机M1、M2反转，叉车后退。

右转控制：在叉车行进中，按IC1的右转键AN3，IC2的A1与B1端输出高电平，经IC3、IC4放大后分别由或门IC9、IC10送至IC13使引脚5、7的电平相同，通过IC13的逻辑运算，行走电机M1停止转动，M2正常运转，实现叉车右转功能。

左转控制：在叉车行走中，按IC1的左转键AN4，IC2的C1与D1端输出高电平，经IC5、IC6放大后分别由或门IC11、IC12送至IC13使引脚10、12的电平相同，通过IC13的逻辑运算，行走电机M2停止转动，M1正常运转，实现叉车左转功能。

主动急停控制：在叉车行走中，当按主动急停键AN6时，在IC2的B2端输出高电平信号，该信号经IC8放大后，由IC9～12分别送至IC13的4个方向控制引脚5、7、10、12，按照IC13的逻辑关系，当4个方向输入引脚同电位时，两个行走电机的电枢相当于短接，产生“电”制动，叉车急停。

2.4 行走速度控制及工进定位控制电路模块设计与控制

原理

行走速度控制是利用PWM（脉宽调制）技术，改变电枢电压的调速方法来实现。调速电路由DC24DP50AL型遥控直流调速板IC7构成。IC7的输入端接遥控接收器IC2的输出端A2和I02，其输出端接第一双H桥电机驱动芯片IC13的输入端6脚和11脚。PWM信号由遥控电路提供，并经高速光电隔离电路、电机各方向驱动逻辑与放大电路后，驱动电机驱动芯片IC13的双H桥下臂的MOSFET开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控制行走电动机的转速，实现叉车的速度控制。其控制原理为：在叉车行走中，按IC1的速度控制键AN5，IC2的A2端输出高电平，并送到IC7的输入端，经IC7转换后将输出的PWM信号输送到IC13的速度控制输入引脚6、11，并由IC13的4个输出引脚输出调速电平，使行走电机M1、M2的转速逐渐增大，叉车行走速度逐渐变快。松开速度控制键AN5后，IC2的A2端输出低电平，经IC7后使IC13的引脚6、11变成低电平，经IC13逻辑变换后，输出的信号使行走电机M1、M2逐渐降低转速直至停止，叉车减速至停止运行。

工进定位控制电路由运算放大器IC14和遇障急停接触器KV2组成。IC14的输入端接遥控接收器IC2的输出端C2和I02，KV2串接在运算放大器IC14的输出端。当叉车接近起运物体时KV2动作，解除急停保护，使之货叉以工进速度进行定位操作。其控制原理为：当叉车接近起运物体时，按IC1的工进AN7键，遥控接收器IC2的C2引脚输出高电平工进信号，该信号经放大器IC14放大之后，使接触器KV2的线圈得电，异物探测急停控制及报警电路中的常闭触点KV2-1断开，急停接触器KV1和蜂鸣器FQ的电源被切断，使蜂鸣器FQ断电失声，急停接触器KV1的线圈失电，KV1的常闭触点KV1-1～KV1-4闭合，行走电机M1、M2通电转动，蜂鸣器FQ和急停控制解除，光报警电路不受工进键AN7动作的影响。此时叉车即可行进并起运货物；发光二极管LED1可以继续工作。

2.5 货叉升降控制电路模块设计与控制原理

该电路模块由第二双H桥集成电机驱动芯片IC18、运算放大器IC16～17、升降电机M3组成。遥控信号经放大器送给正反转控制、升降“自锁”和“互锁”回路，驱动电动机带动货叉升降运动。到位后经过反向制动电路、电磁制动器驱动回路，使升降电机快速停转。手动升降控制电路设计成点动控制形式，通过安装在起重机构支架上的操作面板控制货叉的升、降、停止。其控制原理为：

叉升控制：按升键AN8，IC2的A3端发出高电平升控制信号，通过放大器IC16放大之后，由方向引脚3送入IC18，按IC18的逻辑使能关系，当引脚3为高电平时，由引脚2和10输出正转驱动信号，使升降电机M3正向转动，经机械传动系统带动货叉上升运动。

叉降控制：按降键AN9， IC2的B3端发出高电平降控制信号，经过非门IC15反相后输出低电平信号，此信号通过放大器IC16放大之后送到IC18的方向输入引脚3上，按照IC18逻辑使能关系，当引脚3为低电平时，由引脚2和10输出反转驱动信号，使升降电机M3反向旋转，经机械传动系统带动货叉下降运动。

叉停控制：当货叉到达所需位置时，按叉停键AN10，IC2的C3端输出高电平信号，经IC17放大后送到IC18的刹车输入引脚4上，根据IC18的逻辑使能关系，此时引脚2和10输出制动信号，升降电机M3停转，货叉停止。

2.6 异物探测与急停报警系统电路模块设计与控制原理

该电路模块由超声波探测电路和急停控制及声光报警电路组成，电路原理结构如图4所示。

其中，超声探测电路由波发送器CFQ、波接收器CJQ、控制电路与电源部分组成。在叉车前后各安装一个反射型超声波传感器，利用其探测出前、后方通道上有无障碍物，并测量出叉车与障碍物之间的距离，以此来确定停车时机。控制电路主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

图4 异物探测急停控制与报警电路原理图

急停控制电路包括主动急停和被动急停两种操控。主动急停控制信号有发射器TWH9236发出，被动急停控制信号由异物检测传感器发出。控制原理为：

在行走中，当叉车运行方向遇行人或障碍物时，由超声波发送器发出的超声波被人体或物体反射回来，被超声接收器接收，该信号通过检波、放大后触发脉冲发生器输出高电平，使发光二极管LED发光报警。同时此电平又通过常闭触点KV2-1，使蜂鸣器FQ得电发声报警，使接触器KV1线圈得电，安装在行走驱动电路中常闭触点KV1-1～KV1-4断开，行走电机M1、M2断电停转，实现声光报警和急停防撞的功能。

3 精度分析

在遥控探测电路中，选择了MA40EIS型反射型超声波传感器，其工作频率一般为40KHz。通过对超声波传感器的测量范围和工作方向的调节，可设定人或物体被检测到的范围，一般探测距离为0.3m～10m，但不会触发输出状态的改变，当叉车在与障碍物相距20cm～30cm左右时，触发输出使叉车强制停下来[4]。同时该超声波传感器在一个宽温度范围内获得高达0.6mm的重复精度。

4 结束语

本系统在使用时，接收器和上述的各部分电路安装在叉车后部的控制系统电气箱里，发射器可安装在车间操作室的控制台上，通过一定的接口纳入自动化生产管理网络，也可为便携式遥控器，由现场操作人员灵活控制。与普通工程叉车技术相比，本遥控物料叉车的控制系统具有以下优点：集遥控遥测、机光电技术于一体，使工程叉车具有更好的机动性和适用性；系统中所用芯片均具有完备的保护功能和措施，防止了信号错乱、电机烧毁等事故，使之具有更高的安全可靠性。它还可与单元运输相结合，方便构成由计算机控制的自动仓库或全自动物流系统。

[1]裘为章.实用起重机电气技术手册[M].北京：机械工业出版社,2005.

[2]丁镇生.传感及其遥控遥测技术应用[M].北京：电子工业出版社,2003.

[3]肖景,赵健主.无线电遥控组件及其应用电路[M].北京：人民邮电出版社,2004.

[4]使用超声波传感器技术防止踩错踏板[EB/OL].中国移动物联网,2013,7：29.