智能空中运输系统设计

智能空中运输系统设计6.3.1总体运作流程分析零部件以及商品车都由AGV小车运输到线路起始端，起重机将货物从地面高度提升到运输机器人的高度，运输机器人利用可伸出部分承接货物，在货物完全进入运输机器人车厢内后，前后合盖关闭，进行安全运输。运输起始点与终点如图6.12所示。图6.12运输起点与终点6.3.1.1零部件运作流程设计空中线路1主要是零部件的运送线路，由集散中心将零部件运往主机厂园区进行加工生产。（1）异地调达、本地准时化、本地循环取货零件均运送至本地集散中心（与商品车仓储物流园在一个园区）；（2）本地集散中心根据主机厂需求，将零件进行排序、编组，将KLT零件成托、GLT零件通过空中输送运送至主机厂；（3）使用完成后，循环器具通过空中输送返回本地集散中心。6.3.1.2商品车运作流程设计空中线路2主要是商品车的运输线路，由主机厂园区将商品车运往集散中心与商品车仓储物流园进行仓储。（1）商品车下线后，移动到主机厂园区的内部停车空间，等待输送；（2）下达命令后，调整系统运载单元，将商品车进行加固处理，做好保护措施后通过空中输送，倒运至整车仓储物流园。6.3.2运载机器人的机械设计（1）实现功能分析参照奥迪A6L2023款参数，车身长度5050mm，宽度1886mm，高度1475mm以及零部件中KLT托盘、GLT器具尺寸，以及利用模数使得空间利用率最高的原则，以及考虑到了人员进出的便利性，成年人充分活动的宽度考虑为0.5m，在放入车辆的同时预留了一部分空间，使得人员可以更轻松地进出,该车设计长为6050mm，宽为2886mm，高为2100mm。运载机器人的功能方面，前后凸起部位设计可打开，以便方便车辆的进出。两侧玻璃的设计不仅增强了车辆的整体外观，还提供了便利的观察视野。梭形设计不仅有利于美观，还能有效减少运行中的噪音。同时车辆底部设有可移动的平台，利于货物装卸。（2）外观方案确定这款运载机器人的外观设计类似梭形货物集装箱的车辆在保证美观的同时注重容量和结构牢固，以及降低空气阻力。车身左右两面采用梯形金属板和倒三角玻璃组成，金属板上醒目地标有一汽二字。其余采用高强度、轻量化的材料，如碳纤维复合材料，以减轻车辆重量。轻量化设计有助于减少能源消耗，提高整体运输效率。图6.13运输机器人二维平面图采用具有二级防护功能的新型吊具，消除在水平运输中的安全隐患；运输车采用高分子胶轮，降低噪音；运输车动力采用电力驱动、高性能交流传动控制策略，提高系统运行的平稳性和效率，同时降低能耗污染。（3）基本参数运载机器人的基本参数如表6.9所示。表6.9运输机器人数据图（4）三维建模效果图利用Solidworks对机械主要构成建模如图所示。图6.14运载机器人三维图图6.15运载机器人可移动部分伸出详细图6.3.3运载机器人安全性装置设计6.3.3.1减震装置图6.16减震装置6.3.3.2离位报警器装置离位报警器的工作原理基于传感器的信号变化。一旦目标物体离开给定位置，传感器会感应到位置变化并产生相应的信号。这些信号会被离位报警器接收并分析，一旦判断目标物体已经离位，报警器会发出警报以提醒人们。离位报警器是一种可靠的设备，可以用于监测目标物体是否脱离或移动出预定位置，并及时发出警报。离位报警器采用了多种传感技术来监测位置变化。其中接近传感器可以通过测量目标物体与感应器之间的距离来判断其位置。它通常使用红外线或超声波等技术来实现。在本案例中适用，在运输机器人的顶部安装车辆尺寸外围稍大的区域安装接近感应器，一旦运输的目标物体被感应器感应到就已经超出预定位置，进行报警。图6.17接近感应器图接近感应器与控制系统链接，一旦信号发生变化，控制系统界面收到报警信息，同时运输机器人停止运动。6.3.3.3防雷装置图6.18防雷装置6.3.3.4防雨雪装置图6.19防雨装置6.3.4运输轨道设计线路设计确定需要运输的产品零件的重量、体积和尺寸。评估每日或每小时的运输量，以确定轨道的运载能力。从主机厂到一汽物流智慧物流园的线路设计基本形状为直线，如图6.20所示。两地直线距离8公里左右，往返线路两线平行设计，最低点距地高度4.5m以上。图6.20系统实施区域示意图考虑到索道设计事故发生率较高，为了进一步行车安全，轨道计划采用单轨设计通过转向架将轮子与轨道连接。轨道梁桥钢立柱一般分为Y形、倒L形、门式墩等墩型，如图6.21所示。图6.21轨道桥梁钢立柱分类图由于悬挂式轨道系统在车辆结构上和运行方式等方面的特点，一般双线段采用Y形，Y形桥墩结合了T形桥墩和门式墩的优点，下部成单柱式，质量轻，占地面积小，而上部成双柱式，对盖梁工作条件有利，无须施加预应力，造型轻巧，比较美观。轨道立柱设立在往返轨道中间，不妨碍运输车的往返运行，增加支撑性。根据成都新能源空轨试验线建设经验，受运输车辆长度限制，同时考虑公路运输部门对超限车辆的管制要求，运输梁长不宜超过25m。轨道架设包括梁柱、轨道及道岔等，梁柱为水泥立柱，起到支撑轨道的作用。轨道梁采用箱型中空断面，内含集电轨、通信缆线、导向轨、走行轨等，目前，德国采用车辆长度为8232mm，车辆宽度为2244mm，车辆高度为2623mm，依据类比法，此案例中同样采用标准轨道，其轨道梁采用标准梁梁结构内轮廓尺寸为1100mm(高)x780mm(宽)，截面下开口宽度为180mm，下翼缘钢板厚度为30mm，兼做轨道。为增加开口截面刚度，轨道梁外侧四周以及底板开口采用钢板肋加筋。列车在轨道梁上运行时允许梁最大挠度20mm。图6.22轨道梁支撑装置设计图图6.23轨道线路设计图（2）电机的选型PF=5000VP考虑到效率亏损问题，查找手册得：P选择采用两个型号为SFZ22-4-2005-315/350-4-1500的伺服电机，额定转速为1500rpm（3）运载机器人与轨道线路的配合利用单轴转向架代替传统两轴转向架，转向架是悬挂式单轨车辆的重要组成部分，其结构设计决定车辆运行性能和安全单轴转向架结构的三维模型如图所示，主要部件包括构架、走行轮、导向轮和稳定轮、牵引电机、基础制动装置、悬吊梁、平衡拉杆装置以及附属设备等。每个转向架上仅有一根车轴，设置一对横向安装的走行轮。该转向架的驱动装置采用伺服电机，容易进行控制，省去齿轮箱、联轴节等结构，电机输出轴直接驱动走行轮，提高了传动效率的同时，消除了传统电机与齿轮箱通过联轴节连接时齿轮啮合产生的噪声问题。采用单轴转向架的结构，前后导向轮、稳定轮之间的纵向轴距大大缩小，提高了转向架的性能。悬吊梁结构通过悬吊销轴装置悬挂在构架下方，左右悬臂上安装空气弹簧，下方通过牵引拉杆连接车体。悬吊梁与构架之间设置抗侧滚减振器，与车体之间设置垂向减振器和横向减振器。由于单轴转向架自身不具有稳定性，所以设置平衡拉杆装置，抑制转向架的点头运动，保证转向架稳定运行。图6.24单轴转向架结构图同时，运输过程中，采用内嵌式的轨包轮，采用胶轮，噪音小。因轨道采用标准轨道尺寸，转向架轮胎采用标准轮胎。表6.10轮胎部分参数轮胎类型半径m阻尼比走行轮0.39750.75导向轮与稳定轮0.140.756.3.5自动装卸系统在运输机器人到达运输线路两端时，运输机器人打开前后两端凸起部分，底部可移动平台移动至运输机器人车身外，在线路起始段的装卸点设立悬臂式起重机将货物从运输机器人可移动平台上吊起并转移到输送系统中，完成货物的卸载工作。在运输车起始段设置自动运输系统，利用AGV小车进行货物运输，起重机上的货物放置在AGV小车上，AGV进行货物运输工作。、图6.25悬臂式起重机图6.26AGV平面图AGV为四轮AGV，车架前后安装驱动桥，共连接4个轮胎，每个驱动桥均能带动轮胎实现独立转向，AGV前后架设两部天线，在运行过程中天线打描地面预埋的磁钉，以获得车辆的实时位置，进而使车辆在程序控制下实现无人运行。AGV需要搬运较重的车辆，其钢结构自重大，自身集成了动力、驱动等机构，底板是整个卸货装置的基础，支撑该装置所有部件的运动动力，并且用于承载卸下的货物以及运输货物到相连接的传送带上。在AGV两端设置防止滑动的挡板设计。6.3.6驱动能源驱动力使用新能源电池，采用充电与换电相结合的方式。在线路起始端设立充足的充电站设备，采用两种方式：（1）自主充电调度通过这一功能，运输车能够根据当前任务和电池状态灵活规划充电时间，以达到优化充电时间、最短时间内完成充电的目的，从而最大程度地减少对整个系统的影响。在这一智能充电调度系统中，运输车辆首先根据当前任务的紧急程度和优先级，动态规划充电时间。紧急任务可能会被赋予更高的充电优先级，确保运输车辆在执行紧急任务之前充电完成，从而保证任务的及时完成。这种灵活的任务优先级调度有助于提高整体运输系统的效率。同时，系统还通过实时监测电池状态，包括电量、健康状况等，结合任务负荷的实时变化，智能规划充电时段。在系统负载较轻或任务暂时较为宽松的时段，运输车辆会选择充电，以最大化利用这段时间进行电池充电。这种动态负载平衡和充电调度策略有助于优化充电效率，提高电池的利用率。（2）远程充电监控远程监控系统的引入为运维人员提供了强大的工具，使其能够在实时、全面地了解运输车辆的充电状态，从而更加高效地进行运维和问题解决。为运维人员提供了更多的数据和功能，以确保运输车辆在任何时刻都能够保持最佳的可用状态。远程监控系统可以提供详细的电池健康状况分析。通过实时监测电池的温度、充电循环次数、电压等参数，系统能够生成电池的健康报告。其次，远程监控系统还提供了充电桩的实时运行状态。运维人员可以随时查看充电桩的使用情况、空闲状态、以及可能存在的故障报警。这有助于迅速发现并解决充电桩的问题，确保充电基础设施的稳定运行，为运输车辆提供及时可靠的充电服务。最重要的是，远程监控系统的实时性和全面性为运维人员提供了及时响应问题的能力。一旦发现充电问题或充电设备故障，运维人员可以立即采取远程控制手段进行调整、重启或甚至进行故障排除。这样的迅速响应机制有助于最小化充电故障对运输车辆可用性的影响，确保整个运输系统始终保持高度可靠和可用。6.3.7控制系统设计6.3.7.1控制方案总体设计运载机器人的完整系统包括地面系统、车载系统以及外围设备，其结构如图6.27所示。其中，地面系统实现的主要功能有人机交互、任务调度、交通管理以及充电等；外围设备是运载机器人运行时的辅助设备，包括导轨等导引装置、无线通信设备以及停车区等；车载系统包括运载机器人机械结构与控制设备，接受地面系统的指令，利用外围设备实现行驶、定位等功能。图6.27载运机器人控制系统体系图6.3.7.2控制功能的实现运载机器人控制系统可采用可编程逻辑控制器（PLC）进行设计，系统具体实现的功能如下：图6.28系统实现的具体功能图基于PLC设计的载运机器人控制系统流程图如图6.28所示。（1）首先，接通整个控制体系电源，上位机以及车载控制系统开机进行扫描，完成初始化设置，同时检查I/O端口与其硬件设施连接是否异常，若正常则进行下一步。（2）当一切准备就绪时，上位机发送执行任务给车载控制系统，车载控制系统接收到上位机指令后，查看电量是否充足，充足时准备完成任务。（3）接收上位机指令后，根据对应任务启动控制系统，载运机器人启动沿着规划的路线实现自动导引，一直到达目标任务点；其中运行过程中可利用激光传感器实现定位，以达到指定任务地点，完成作业任务。（4）当系统发生错误时，可按下急停按钮查看出错原因并进行解决。（5）载运机器人正常匀速行驶过程中，上位机监控系统中会有三个显示灯，都显示绿色。若机器人在运动过程中，轨道上出现障碍物时，会通过激光传感器检测与障碍物的距离，当距离障碍物一定距离以内，机器人减速行驶，此时三色灯显示为黄色；当靠近障碍物时，机器人停止，三色灯显示为红色且蜂鸣器进行报警；当障碍物移除后，其继续沿着规划的路径行驶一直到达目标任务点。图6.29控制流程图6.3.7.3载运机器人定位方式分析载运机器人在运行过程中的定位问题是其核心问题之一，目前对其位置控制的常用认址方法有两种，一种是相对认址，另一种是绝对认址。传统的相对认址方式，通常是将寻址片安装在某一特定的位置上，作为检测物，当检测设备经过一个检测物时，PLC的程序中会自动计数，从而达到自动定位的功能。相对认址虽然成本较低，但也有其不足之处，为此，对传统的相对认址方法进行了改进，从而提高了相对认址的效率。而绝对认址，则是利用激光测距、条形码测距等认址设备，将采集到的数据传输到系统中，从而随时确定移动的实时位置。通常情况下，激光测距有两个部分，一个是激光测距仪，另一个是辅助定位设施，通过激光测距仪发出的激光被送到辅助定位设施上并接收反射回来的信号来判断设备的位置，然后将信号传递给PLC系统，系统内部将目的地地址的值与激光测距仪的输入信号进行对比，最后完成设备的定位功能。本次设计拟采用光电传感器与寻址片相结合的相对认址方式，进行四向穿梭车的相对认址控制。在轨道的特定位置上安装相应的寻址片，每当载运机器人经过时，其上的感应器就会接收到信号，然后传递给PLC，然后PLC内的程序会进行计数以此来实现载运机器人的定位控制。6.3.8上位机监控系统的设计为了能够直观准确地获取载运机器人所有硬件设备的状态、预警状态、以及执行任务情况，同时产生的报警信息能够及时提醒工作人员处理，以保证系统运行安全，将重点采用监控组态软件技术，基于WinCC软件，设计开发了一套完善的远程监控系统，该系统包含首页界面、控制界面和安全界面，如图6.28所示。图6.30监控界面总体框图（1）首页界面中，如图6.29所示，其可以观测载运机器人的工作状态、设备状态，同时还可以进行简