基于淺充淺放策略的AGV循環(huán)充電裝置研究與設(shè)計(jì)

孫琦

摘要：本文以自動(dòng)化碼頭集裝箱自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)（AGV）自動(dòng)充電系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)淺充淺放的循環(huán)充電原則，分析現(xiàn)有充電系統(tǒng)取電裝置存在的問(wèn)題，在研究國(guó)內(nèi)外各種現(xiàn)存方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套原理簡(jiǎn)單、應(yīng)用可靠、易于維修保養(yǎng)、更適應(yīng)于自動(dòng)化碼頭AGV工作環(huán)境和作業(yè)要求的充電系統(tǒng)及取電裝置。

Abstract： This paper takes the automatic charging system of automatic container guided transport vehicle （AGV） in the automatic terminal as the research object. According to the cycle charging principle of shallow charging and shallow discharge， this paper analyzes the problems existing in the power collection device of the existing charging system. Based on the study of various existing schemes at home and abroad， this paper designs a set of charging system with simple principle， reliable application， easy maintenance The charging system power taking device is more suitable for the working environment and operation requirements of the automatic wharf.

關(guān)鍵詞：AGV;循環(huán)充電;取電裝置

Key words： AGV;cyclic charging;power taking device

中圖分類(lèi)號(hào)：TP271+.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）03-0229-04

1 ?研究背景

近年來(lái)，隨著集裝箱自動(dòng)化碼頭建設(shè)的興起和發(fā)展，自動(dòng)化裝卸和搬運(yùn)設(shè)備得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的集卡已經(jīng)逐漸被集裝箱自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)（簡(jiǎn)稱(chēng)AGV，以下都使用此簡(jiǎn)稱(chēng)）取代。目前主流的AGV采用電力驅(qū)動(dòng)，電源的管理和電池的充電技術(shù)直接決定著整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。

國(guó)內(nèi)外集裝箱自動(dòng)化碼頭使用的AGV，一般采用電力驅(qū)動(dòng)并以可充電的蓄電池為其動(dòng)力來(lái)源，在續(xù)航方面基本采用充電和換電兩種方式。換電需要建立專(zhuān)用換電站采用專(zhuān)用機(jī)器更換電池，需專(zhuān)門(mén)人員進(jìn)行操作和維護(hù)并需要配備更多電池，增加了投入，所以在建的自動(dòng)化碼頭基本都選擇采用充電模式。充電模式又有離線(xiàn)充電和在線(xiàn)充電兩種：前者是指充電時(shí)需要將AGV駛?cè)牍潭ǖ某潆姌哆M(jìn)行充電，此時(shí)AGV不能工作，需要專(zhuān)門(mén)的充電時(shí)間，這種方式使得AGV配比增加，同樣提高了成本;后者是利用AGV往復(fù)工作過(guò)程中暫時(shí)停留再某些工位或者特殊位置的時(shí)間反復(fù)進(jìn)行充電，它不需要AGV偏離其工作線(xiàn)路，也不需要專(zhuān)門(mén)的時(shí)間進(jìn)行充電，是一種短時(shí)循環(huán)充電的模式，這樣能夠省去頻繁地更換電池或離線(xiàn)充電的步驟，大大減少AGV數(shù)量，并且“淺充淺放”的充放電方式也更有利于延長(zhǎng)AGV所使用的電池的壽命，因?yàn)锳GV是循環(huán)往復(fù)的在工位上短時(shí)充電，這種充電方式又稱(chēng)為“循環(huán)充電”方式。

例如山東港口集團(tuán)某自動(dòng)化碼頭目前采用“滑觸式充電”模式，在AGV上設(shè)計(jì)安裝專(zhuān)門(mén)用于充電的電刷機(jī)構(gòu)，稱(chēng)之為“取電小車(chē)”。當(dāng)AGV進(jìn)入充電工位（一般處于取箱或放箱的工序），“取電小車(chē)”自動(dòng)伸出，電刷接觸充電銅排線(xiàn)，AGV可以在行進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行充電，這個(gè)過(guò)程大約會(huì)持續(xù)幾分鐘到十幾分鐘不等。當(dāng)AGV離開(kāi)充電工位后，“取電小車(chē)”自動(dòng)收進(jìn)車(chē)輛內(nèi)部。這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，無(wú)需建立大型充電站和換電站，在成本和效率方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。但是AGV如果要想可靠運(yùn)行，其充電系統(tǒng)的對(duì)接取電、動(dòng)態(tài)充電、安全可靠成為要解決的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

2 ?現(xiàn)有循環(huán)充電裝置存在問(wèn)題

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)港口自動(dòng)化碼頭AGV充電設(shè)備的調(diào)查，目前循環(huán)充電系統(tǒng)多采用受電器-滑觸式充電模式，雖然能夠滿(mǎn)足短時(shí)頻繁充電，淺充淺放和車(chē)輛行進(jìn)中充電裝置的結(jié)合與分離要求，但是其充電系統(tǒng)，尤其是取點(diǎn)裝置方面也暴露出一些問(wèn)題或缺陷，主要集中在：

①采用的是400V級(jí)的工頻三相交流電，電壓不高，因此造成短時(shí)充電電流較大（電流太小影響效率），均充電流達(dá)到200A，頂升時(shí)可達(dá)400A以上，AGV移動(dòng)過(guò)程中充電，滑觸線(xiàn)與銅質(zhì)電刷摩擦，接觸面難完全緊固，加上線(xiàn)路電流過(guò)大，容易造成銅質(zhì)電刷與滑觸線(xiàn)之間打火、拉弧和燒蝕，進(jìn)而影響導(dǎo)電性能，尤其是在初期接觸瞬間和處于頂升（利用液壓系統(tǒng)將集裝箱頂起放至伴侶上）位置段，現(xiàn)象更加明顯;

②取電小車(chē)本身設(shè)計(jì)問(wèn)題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，采用四連桿機(jī)構(gòu)原理雖然簡(jiǎn)單，但是伸出方向垂直于滑動(dòng)摩擦受力方向，長(zhǎng)時(shí)間容易造成變形;

③取電小車(chē)為保證滑觸線(xiàn)有效接觸，需要相當(dāng)?shù)膹椓壕o，又由于線(xiàn)路承載電流大，就要求銅質(zhì)電刷多，刷架的排列整齊度，一致性等方面要求很高，實(shí)際應(yīng)用中卻因?yàn)榧庸ぞ?，受力碰撞及支架、刷架材質(zhì)等問(wèn)題，造成刷架變形、位移，電刷位置錯(cuò)亂，甚至機(jī)構(gòu)損壞的現(xiàn)象;

④取電小車(chē)位置沒(méi)有保護(hù)，如果發(fā)生碰撞，不能停車(chē)也沒(méi)有報(bào)警;

⑤取電小車(chē)需收回，外側(cè)還需配有卷簾門(mén)遮擋，增加了機(jī)構(gòu)復(fù)雜度，故障點(diǎn)增加，維護(hù)工作量增加;

⑥滑觸線(xiàn)裸露易造成氧化生銹，受潮濕、雨天、雪天等影響，尤其冬天室外溫度過(guò)低，為融雪融冰和提高導(dǎo)電率，還必須要附加加熱線(xiàn)加溫;

⑦取電小車(chē)與充電滑觸線(xiàn)的接觸導(dǎo)引問(wèn)題，因車(chē)輛導(dǎo)航精度和車(chē)載重量影響，取電小車(chē)位置變動(dòng)范圍較大，在進(jìn)入滑觸道之前，需要增加導(dǎo)引裝置，由于取電小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)和自身重量，在導(dǎo)引時(shí)不能很好的避免碰撞，導(dǎo)引過(guò)程沒(méi)有保護(hù)，碰撞嚴(yán)重造成機(jī)構(gòu)損壞時(shí)不能及時(shí)停車(chē)或報(bào)警?；|方式充電，容易造成拉弧打火。

由以上分析可見(jiàn)，AGV充電系統(tǒng)在對(duì)接取電、動(dòng)態(tài)充電、安全可靠這三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題上還需要進(jìn)一步改善和優(yōu)化。

3 ?循環(huán)充電系統(tǒng)及裝置設(shè)計(jì)

3.1 循環(huán)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題，首先應(yīng)改變傳統(tǒng)的三相四線(xiàn)制充電方式，減少充電線(xiàn)和充電極的種類(lèi)和數(shù)量，由于AGV本身使用直流電池組作為動(dòng)力，因此可以先將三相交流電進(jìn)行整流，直接采用“交-直”充電方式，從而去掉AGV中整流器相關(guān)設(shè)備。工作原理為：AGV由機(jī)載PLC控制，充電小車(chē)和充電柜一側(cè)由場(chǎng)地PLC控制，機(jī)載PLC通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊方式與充電機(jī)柜側(cè)場(chǎng)地PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)AGV進(jìn)入充電位置后，PLC根據(jù)水平測(cè)距傳感器和垂直測(cè)距傳感器反饋的信號(hào)，通過(guò)程序運(yùn)行計(jì)算出取電小車(chē)（取電裝置）水平和垂直定位應(yīng)達(dá)到的位置，并轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺紋螺桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使充電極達(dá)到準(zhǔn)確位置。然后AGV繼續(xù)前行，AGV車(chē)底的受電極與充電極接觸后電磁鐵得電，使充電極和受電極牢牢吸合在一起。系統(tǒng)機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)如圖1，電路原理如圖2所示。

3.2 循環(huán)充電裝置設(shè)計(jì)

循環(huán)充電系統(tǒng)中的關(guān)鍵是取電裝置和自動(dòng)對(duì)位裝置的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由AGV（自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)）、AGV端、PLC控制系統(tǒng)、傳感器測(cè)距系統(tǒng)、取電小車(chē)定位裝置、拖鏈與導(dǎo)纜機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)、充電系統(tǒng)（充電機(jī)柜）組成。取電小車(chē)裝置由基座、水平自動(dòng)定位機(jī)構(gòu)和垂直定位機(jī)構(gòu)組成。水平定位機(jī)構(gòu)由螺紋螺桿機(jī)構(gòu)和水平定位步進(jìn)電機(jī)組成，水平定位步進(jìn)電機(jī)受PLC控制，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)從而控制充電極水平運(yùn)動(dòng);垂直定位機(jī)構(gòu)由螺紋螺桿機(jī)構(gòu)和垂直定位步進(jìn)電機(jī)組成，垂直定位步進(jìn)電機(jī)受PLC控制，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)從而控制充電極垂直運(yùn)動(dòng)。AGV受電裝置設(shè)計(jì)如圖3所示，AGV取電裝置（充電端）如圖4所示。

3.3 保護(hù)策略與安全控制

保護(hù)機(jī)構(gòu)具有漏電保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護(hù)等保護(hù)功能，除短路和漏電保護(hù)外，其他保護(hù)功能通過(guò)充電控制器控制接觸器實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)自恢復(fù);短路和漏電保護(hù)選用帶漏電保護(hù)的微型斷路器實(shí)現(xiàn)。充電系統(tǒng)具備急停按鈕，以便在緊急情況時(shí)能夠強(qiáng)行終止充電。故障判斷系統(tǒng)能夠判斷對(duì)位是否準(zhǔn)確、充電是否異常等情況，當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)即可發(fā)出停機(jī)指令，充電系統(tǒng)停止充電，AGV停車(chē)。漏電保護(hù)斷路器可保證在充電過(guò)程中發(fā)生漏電等緊急故障情況下停止充電。當(dāng)發(fā)生意外狀況需要緊急停止充電時(shí)，可以通過(guò)急停按鈕來(lái)中斷充電。對(duì)于充電時(shí)AGV不斷運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)可能帶來(lái)的故障或損壞，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，保護(hù)原理為：當(dāng)AGV行進(jìn)時(shí)，支撐彈片有一定彈力，能夠支撐充電小車(chē)裝置，跟隨AGV運(yùn)動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)卡阻等故障時(shí)，觸發(fā)安全限位動(dòng)作，發(fā)出信號(hào)給PLC1，PLC1控制AGV停車(chē)并報(bào)警。安全限位與支撐彈片位置見(jiàn)圖4，程序流程見(jiàn)圖5。

4 ?技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

與目前現(xiàn)有技術(shù)相比，本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

4.1 取電裝置與充電裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在保持AGV“在線(xiàn)-循環(huán)”充電的運(yùn)行模式不變的前提下，改變充電裝置和受電裝置結(jié)合的方式，變現(xiàn)有方式的側(cè)方向受力為與AGV行進(jìn)方向一致，受力更加科學(xué)合理，同時(shí)因?yàn)槿‰娧b置在AGV車(chē)底部，不需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)防護(hù)裝置和伸出-縮回裝置，大大簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度和運(yùn)行時(shí)的步驟，減少了故障的發(fā)生幾率，受雨雪冰凍等惡劣天氣的影響度也因此減小;利用技術(shù)上已經(jīng)成熟的拖鏈機(jī)構(gòu)替代滑觸機(jī)構(gòu)，摒棄了滑觸帶來(lái)的一系列弊端，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了故障率。

4.2 取電裝置的隨動(dòng)控制設(shè)計(jì)

基于PLC控制的激光測(cè)距傳感器和步進(jìn)定位系統(tǒng)使充電裝置和受電裝置對(duì)位更加準(zhǔn)確，對(duì)機(jī)械裝置的沖擊大大減小，也保證受電極和充電極接觸面積足夠，非常適合大電流充電要求。

4.3 充電過(guò)程的磁吸與釋放設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了對(duì)位以后的檢測(cè)和磁吸機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步保證對(duì)位準(zhǔn)確，當(dāng)有故障時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警和停機(jī)保護(hù)。隨后的磁吸能夠使充電裝置和受電裝置接觸更加緊密牢固，結(jié)合和分離方式更加可靠和安全，不會(huì)產(chǎn)生大電弧，也降低了發(fā)熱量，減少充電極和受電極受熱、氧化變質(zhì)的幾率。

4.4 全面與可靠的保護(hù)

在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮應(yīng)對(duì)各種異常情況，加入的諸如對(duì)位檢測(cè)、過(guò)流檢測(cè)、彈力限位、急停開(kāi)關(guān)等保護(hù)元件及相應(yīng)的措施，使系統(tǒng)整體安全、穩(wěn)定、故障率降低，減少維護(hù)工作量，控制初期建設(shè)成本，節(jié)省后期使用維修時(shí)間和成本，使經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

5 ?應(yīng)用效果分析

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，用工荒及人工成本上升趨勢(shì)不減，AGV在自動(dòng)化碼頭集裝箱運(yùn)輸中的作用越來(lái)越重要，因此AGV在當(dāng)代物流運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，在中大型的制造業(yè)企業(yè)和服務(wù)行業(yè)都會(huì)應(yīng)用AGV來(lái)進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)，自動(dòng)化功能比較普遍的場(chǎng)所運(yùn)用收益更為顯著。根據(jù)某數(shù)據(jù)研究中心發(fā)布的《2021-2027年中國(guó)移動(dòng)機(jī)器人（AGV）市場(chǎng)分析與市場(chǎng)全景評(píng)估報(bào)告》對(duì)中國(guó)移動(dòng)機(jī)器人（AGV）行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的分析，預(yù)測(cè)AGV在十四五期間會(huì)有高于200%的總增長(zhǎng)率。

比較現(xiàn)有碼頭AGV充電系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的充電裝置大大降低了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和運(yùn)動(dòng)難度，從而使成本降低50%以上;使用拖鏈系統(tǒng)并設(shè)計(jì)了全面可靠保護(hù)，大大提升了系統(tǒng)的可靠性，使維護(hù)維修難度降低，故障率降低，因此維護(hù)維修的成本也大大降低。

經(jīng)調(diào)查，目前使用的AGV充電系統(tǒng)裝置，僅取電小車(chē)一項(xiàng)，造價(jià)就高達(dá)10萬(wàn)元左右，而本項(xiàng)研究設(shè)計(jì)的取電裝置，批量生產(chǎn)成本不足5萬(wàn)元，可節(jié)省成本50%以上。按照目前自動(dòng)化碼頭1個(gè)泊位，配置15～18臺(tái)AGV計(jì)算，僅此一項(xiàng)就可以節(jié)省設(shè)備成本75～90萬(wàn)元。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，取得連續(xù)運(yùn)行60天，循環(huán)充電1000次無(wú)故障的記錄，與原系統(tǒng)相比較，可使AGV循環(huán)充電過(guò)程整體故障率大幅下降，同時(shí)可以節(jié)約大量維修和維護(hù)工時(shí)，從而節(jié)約了勞動(dòng)力，大幅降低維護(hù)維修成本。

6 ?問(wèn)題與展望

本文的設(shè)計(jì)保持了AGV離線(xiàn)-循環(huán)充電的運(yùn)行模式不變，只是改變充電系統(tǒng)和充電裝置與受電裝置結(jié)合方式，便于設(shè)計(jì)制造，對(duì)于現(xiàn)有的系統(tǒng)，亦可以以較低的成本進(jìn)行改造，因此應(yīng)用場(chǎng)合廣泛，推廣前景較為可觀，以后在自動(dòng)化碼頭等類(lèi)似的場(chǎng)所將會(huì)有更大的作用與發(fā)展。但是受試驗(yàn)條件和場(chǎng)地限制，相關(guān)設(shè)計(jì)處于模型設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，并只在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試，對(duì)于是否能夠適應(yīng)露天情況的氣候變化和惡劣天氣，尚未得到足夠的數(shù)據(jù)，因此后續(xù)的設(shè)計(jì)工作可以針對(duì)復(fù)雜的室外環(huán)境，例如雨雪天氣、冰凍雷擊、粉塵潮濕等等，圍繞如何在以上環(huán)境中正常運(yùn)行展開(kāi)更多的研究。

另外隨著無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的發(fā)展，研究用非接觸式充電方式替代接觸式方式，也成為當(dāng)前的熱門(mén)課題，非接觸式充電裝置不要求充電極和受電極緊密接觸，甚至不需要二者有連接，其最大的優(yōu)勢(shì)在于可以在車(chē)輛運(yùn)行路線(xiàn)上直接安裝非接觸式的充電裝置，便可直接對(duì)車(chē)輛進(jìn)行充電，應(yīng)用于港口AGV上，可以大大提升作業(yè)效率，非常適合本文涉及的不間斷運(yùn)行情況下的“淺充淺放、隨用隨充”的循環(huán)充電模式。但是，目前的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)存在電力傳輸?shù)男实?，最大功率受限，建設(shè)成本和后期維護(hù)成本都較高的缺點(diǎn)，因此應(yīng)用在碼頭AGV這種大功率設(shè)備上還存在一定的局限性，如果后期技術(shù)發(fā)展能夠解決上述問(wèn)題，則應(yīng)用前景十分廣闊。

7 ?結(jié)語(yǔ)

本文提出了AGV循環(huán)充電裝置設(shè)計(jì)思路，針對(duì)自動(dòng)化碼頭AGV充電過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)科學(xué)合理設(shè)計(jì)，建立了一套自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)對(duì)位、自動(dòng)充電的裝置和系統(tǒng)，解決了充電裝置對(duì)位困難，容易發(fā)生碰撞導(dǎo)致設(shè)備損壞的問(wèn)題;解決了現(xiàn)有AGV滑觸式充電帶來(lái)的電刷與滑觸線(xiàn)之間打火、拉弧和燒蝕等問(wèn)題;將充電線(xiàn)路由原來(lái)的4根改成2根，解決了現(xiàn)有AGV三相四線(xiàn)充電線(xiàn)路過(guò)多而引起的系統(tǒng)復(fù)雜、故障多的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有充電系統(tǒng)的比較，本裝置是一種更加科學(xué)和有效的裝置，具有較好的性能和應(yīng)用前景。

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