CN103661306B - 一种电动汽车全自动换电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械自动化领域，具体涉及一种电动汽车全自动换电池系统，该系统包括控制系统、定位平台、执行系统以及用于存放电池的电池仓；其中，定位平台将用于将驶入换电站的电动汽车进行定位；控制系统将获取电动汽车定位完成的信息并将信息发送至执行系统；所述执行系统用于执行电动汽车换电池的工作。使用本发明达到了电动汽车换电池过程自动化管理程度高、换电池效率高的，换电池过程中电池定位准确并可用于更换不同规格车型和电池型号的目的。

Description

一种电动汽车全自动换电池系统

技术领域

本发明属于机械自动化领域，具体涉及一种电动汽车全自动换电池系统。

背景技术

随着人们对环境保护的意识越来越强，环境污染和资源的问题受到人们的极大关注。汽车行业节能减排形势的日益严峻，发展节能环保型汽车成为汽车产业发展的必然选择。目前，以电能为代表的新能源的节能环保型汽车作为动力与储能电池产业终端应用产品，已成为国家鼓励发展的新兴战略性产业。

目前，电动汽车的续航能力是电动汽车行业需要解决的一个重要问题，国家电网公司提出了“换电为主、插充为辅、集中充电、统一配送，通过智能电网、物联网和交通网的‘三网’技术融合，实施信息化、自动化和网络化的‘三化’管理，实现对电动汽车用户跨区域全覆盖的同网、同质和同价的‘三同’服务”的建设方针。电动汽车蓄电电池的充电和换电环节关系到整个电动汽车产业的普及和推广。利用专门的电池更换设备，无人值守的情况下实现全自动将电动汽车耗尽的电池组直接更换为充换电站内已充满电的电池组，是电动汽车充换电站的技术发展方向。

充电电池的更换可以依靠人工或者机械设备来完成。每个电池箱重约80公斤，如果采用人工劳动强度相当大，而且存在很大的安全隐患，不适合现代化的生产程式。只能采用机械设备，这样不仅可以提高效率，而且确保操作工人的安全，是现代工业广泛采用的一种方式，也是提升新能源运用水准和科技含量的重要标向。

在初期电动汽车电池的更换基本采用人工辅助机器的方式实现。虽然人工参与增加了电池更换的灵活性，但同时也增加了人工成本，降低了电池更换的效率。另外由于单块电池的重量大，这增加了工人的劳动强度与换电工作的危险性，而采用自动设备不仅提高了效率，而且可以确保操作工人的安全，因此研究能够快速更换电池提高了电池更换效率的自动设备尤为重要。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种电动汽车换电站自动化管理程度高、换电池效率高、换电池过程中电池定位准确并可用于侧部装电池和后备箱装电池的电动汽车自动换电池系统。

本发明的具体技术方案是：

一种电动汽车全自动换电池系统，包括控制系统、定位平台、执行系统以及用于存放电池的电池仓；所述定位平台将用于将驶入换电站的电动汽车进行定位；所述控制系统将获取电动汽车定位完成的信息发送至执行系统；所述执行系统用于执行电动汽车换电池的工作。

上述定位平台包括固定设置在地面上的底板以及设置在底板上用于限制电动汽车前后位置的前挡板；还包括设置在底板上的用于测量电动汽车底盘与底板上表面之间距离的电子测量尺以及置在电动汽车底盘正下方用于固定电动汽车位置的电磁铁。

上述控制系统包括上位机、图像采集装置以及PLC；

所述上位机分别与图像采集装置以及PLC相互通讯；

所述电动汽车全自动换电池控制系统还包括与上位机通过以太网连接的用于监控上位机的充换电站监控系统；

所述图像采集装置用于获取驶入换电站准备换电池的电动汽车以及待换电池图像信息；

所述图像采集装置包括用于采集电动汽车图像的顶部照相机、用于采集电池图像的侧部照相机以及将采集的电动汽车图像和电池图像发送给上位机的数据传输装置。

所述上位机将图像采集装置提供的电动汽车和待换电池的图像信息转换成PLC所需的执行系统在各个工位的位置坐标数据及控制命令通过总线接口发送给PLC；

所述上位机包括上位机初始化模块、以太网通讯模块、视觉数据采集处理模块、数据标定处理模块、全自动换电模块以及退出模块；

所述上位机初始化模块用于将用于对图像采集装置、总线接口、以太网以及PLC进行初始化；所述以太网通讯模块用于控制以太网建立上位机与充换电站监控系统的连接；所述视觉数据采集处理模块包括用于对图像采集装置进行初始化；还用于将图像采集装置采集的电动汽车和待换电池图像信息转换成视觉坐标系下待换电池的位置和姿态坐标数据；还用于确定电动仓内电池有无电池的判断模块；

所述数据标定处理模块用于对数据处理模块输出的视觉坐标系下待换电池的位置和姿态坐标数据进行转换得到PLC所需的执行系统在各个工位的位置和姿态坐标数据；

所述全自动换电模块用于与PLC进行控制命令和数据的实时通讯；

所述退出模块用于关闭图像采集装置以及总线接口，控制整个电动汽车全自动换电池控制系统停止工作；

所述PLC用于控制执行系统完成换电池具体动作。

上述执行系统包括四个立柱、安装在四个立柱上的矩形框架、安装的矩形框架上的两组相互平行的X向导轨以及安装在两组X向导轨之间的一个或两个机械手；

所述机械手包括X向移动组件、用于提供X向移动组件动力的第一传动装置、Y向移动组件、用于提供Y向移动组件动力的第二传动装置、Z向移动组件、用于提供Z向移动组件动力的第三传动装置以及拾取装置；所述X向移动组件安装在X向导轨上；所述Y向移动组件安装在X向移动组件上；所述Z向移动组件安装在Y向移动组件上；

所述X向移动组件包括分别卡装在两组X向导轨上的两个第一滑块以及安装在两个第一滑块上移动横梁；

所述第一传动装置包括第一驱动组件、第一齿轮以及第一齿条；所述第一驱动组件固定安装在移动横梁上；所述第一驱动组件的输出端安装第一齿轮；所述第一齿轮与第一齿条啮合；所述第一齿条固定安装在矩形框架上并与X向导轨平行；

所述Y向移动组件包括固定安装在移动横梁的Y向导轨、卡装在Y向导轨上的第二滑块以及安装在第二滑块上的滑动座；

所述第二传动装置包括第二驱动组件、第二齿轮以及第二齿条；所述第二驱动组件固定安装在滑动座上；所述第二驱动组件的输出端安装第二齿轮；所述第二齿轮与第二齿条啮合；所述第二齿条安装在移动横梁上并与Y向导轨平行；

所述Z向移动组件包括固定安装在滑动座上的Z向导轨、卡装在Z向导轨上的第三滑块以及安装在第三滑块上的吊梁；

所述第三传动装置包括第三驱动组件、同步带轮以及同步带；所述第三驱动组件固定安装在滑动座上；所述第三驱动组件的输出端安装同步带轮；所述同步带轮与同步带啮合；所述同步带安装在吊梁上；

所述拾取装置包括拾取框架、推进组件以及多个真空吸盘；所述拾取框架由顶板、底板、左侧板、右侧板以及后板组成的内部为空腔且设有开口的立方体；所述顶板与吊梁固定连接；所述推进组件包括推进气缸、连接支架；所述连接支架由与顶板平行的第一连接板和与第一连接板外伸端垂直固连的第二连接板组成；

所述推进气缸固定设置在拾取框架内；所述第一连接板的非外伸端与推进气缸的活动端连接；所述多个真空吸盘安装在第二连接板上；

所述拾取装置还包括设置在左侧板内表面和右侧边内表面的多个导向装置；所述导向装置包括固定座以及卡装在固定座内的滚轮；

所述拾取装置还包括设置在拾取框架内的多个滚筒组件；所述滚筒组件包括设置在底板凹槽内的筒身以及分别固定在左侧板和右侧板上用于支撑筒身的两个支轴；

所述拾取装置还包括固定设置在拾取框架底板上的电池护板；所述电池护板延伸出拾取框架外部；

所述推进气缸为无杆气缸。

上述执行系统还有另外一种结构：其具体：执行系统包括四个立柱、安装在四个立柱上的矩形框架、安装的矩形框架上的两组相互平行的X向导轨以及安装在两组X向导轨之间的机械手；

所述机械手包括X向移动组件、用于提供X向移动组件动力的第一传动装置、Y向移动组件、用于提供Y向移动组件动力的第二传动装置、Z向移动组件、用于提供Z向移动组件动力的第三传动装置以及拾取装置；

所述X向移动组件包括分别卡装在两组X向导轨上的两个第一滑块以及安装在两个第一滑块上移动横梁；

所述第一传动装置包括第一驱动组件、第一齿轮以及第一齿条；所述第一驱动组件固定安装在移动横梁上；所述第一驱动组件的输出端安装第一齿轮；所述第一齿轮与第一齿条啮合；所述第一齿条固定安装在矩形框架上并与X向导轨平行；

所述Y向移动组件包括固定安装在移动横梁的Y向导轨、卡装在Y向导轨上的第二滑块以及安装在第二滑块上的滑动座；

所述第二传动装置包括第二驱动组件、第二齿轮以及第二齿条；所述第二驱动组件固定安装在滑动座上；所述第二驱动组件的输出端安装第二齿轮；所述第二齿轮与第二齿条啮合；所述第二齿条安装在移动横梁上并与Y向导轨平行；

所述Z向移动组件包括固定安装在滑动座上的Z向导轨、卡装在Z向导轨上的第三滑块以及安装在第三滑块上的吊梁；

所述第三传动装置包括第三驱动组件、同步带轮以及同步带；所述第三驱动组件固定安装在滑动座上；所述第三驱动组件的输出端安装同步带轮；所述同步带轮与同步带啮合；所述同步带安装在吊梁上；

所述拾取装置包括拾取框架、多个吸盘以及多级推进组件；

所述拾取框架由顶板、底板、左侧板、右侧板以及后板固连组成，所述拾取框架内部为空腔且前方设有开口的立方体；

所述多级推进组件包括一级推进组件和二级推进组件；所述一级推进组件包括多个一级气缸、一级连接板以及多个导向轴；所述二级推进组件包括所述二级推进组件包括多个二级气缸和二级连接板；

所述一级连接板和二级连接板均设置在拾取框架内部并且均与后板平行；所述多个一级气缸缸体前端分别固定连接在后板外表面上且活塞杆穿过后板之后与一级连接板固连；所述多个导向轴一端与一级连接板固定连接且穿过后板延伸出后板外表面；所述多个二级气缸的缸体前端分别固连在一级连接板上并且活塞杆穿过一级连接板与二级连接板固连；所述多个吸盘均与二级连接板固定连接；所述多个吸盘朝向拾取框架的开口；

所述拾取装置还包括调整组件；所述调整组件包括定位气缸以及推板；所述推板设置在拾取框架内部且与侧板平行；所述定位气缸的缸体前端与侧板固定连接且活塞杆穿过侧板与推板固连；所述定位气缸数量为两个。

所述拾取装置还包括设置在拾取框架底板上的多个导向轮；所述导向轮包括固定安装在底板上的固定座以及卡装在固定座内的滚轮。

所述推板上还设置有至少一个用于缓冲的橡胶垫。

所述拾取装置还包括固定安装在拾取框架上用于控制多个一级气缸、多个二级气缸、多个吸盘以及定位气缸的电磁阀组。

上述两种机械手还都包括设置在Z向移动组件与拾取装置之间的旋转组件；所述旋转组件包括固定安装在吊梁上的第四驱动组件以及安装在第四驱动组件输出端的连接板；所述连接板与拾取框架的顶板连接；

上述两种机械手还都包括设置在旋转组件和拾取装置之间的俯仰组件；所述俯仰组件包括上支架、下支架以及第五驱动组件；所述上支架与连接板固连；所述下支架与上支架铰接并与拾取框架的顶部连接；所述第五驱动组件固定安装在上支架上并且第五驱动组件的输出端与下支架连接，用于驱动下支架上下摆动；

上述两种机械手中的第一驱动组件、第二驱动组件、第三驱动组件、第四驱动组件以及第五驱动组件均由伺服驱动组件与减速机组成。

本发明的有益效果是：

1、本发明定位平台使得电动汽车初定位更加可靠、更加准确，并且在定位平台设置了电磁铁和电子测量尺的组合，保证轮胎胎压和承载载荷发生变化时，电动汽车和待换电池的位置不发生变化。

2、本发明的控制系统，采用上位机作为核心，实时的与图像采集装置、充换电站监控系统以及PLC相互通讯；采用图像采集装置和上位机协调工作，使得系统能准确的获取机械手所要取放电池的位置坐标数据；采用上位机与充换电站监控系统相结合，能够快速、准确的获得电动汽车以及待换电池的信息，便于无人值守的情况下，充换电站的管理；上位机和PLC相结合，使得PLC控制机械手的动作更加精确，保证了整个换电池系统运行的安全性和稳定性。

3、本发明的执行系统，采用机械化操作自动完成电动汽车换电池工作，换电池速度快，大大的节省了人力成本；同时，采用不同的拾取装置，实现了电动汽车后备箱以及电动汽车侧部换电池的工作。

附图说明

图1为定位平台的主视图。

图2为定位平台的侧视图。

图3为控制系统的示意图。

图4为执行系统的示意图。

图5为执行系统中机械手的局部主视图。

图6为执行系统中机械手的局部俯视图。

图7为执行系统中机械手的局部左视图。

图8为后备箱拾取装置的主视图。

图9为后备箱拾取装置的俯视图。

图10为侧方拾取装置的立体结构示意图。

图11为侧方拾取装置的主视图。

图12为侧方拾取装置的俯视图。

附图标记如下：

1-立柱、2-机械手、21-X向移动组件、211-第一滑块、212-移动横梁、22-第一传动装置、221-第一驱动组件、222-第一齿轮、223-第一齿条、23-Y向移动组件、231-Y向导轨、232-第二滑块、233-滑动座、24-第二传动装置、241-第二驱动组件、242-第二齿轮、243-第二齿条、25-Z向移动组件、251-Z向导轨、252-第三滑块、253-吊梁、26-第三传动装置、261-第三驱动组件、262-同步带轮、263-同步带、27-拾取装置、271-拾取框架、2711-顶板、2712-底板、2713-左侧板、2714-右侧板、2715-后板、272-吸盘、273-多级推进组件、2731-一级推进组件、27311-一级气缸、27312-一级连接板、27313-导向轴、2732-二级推进组件、27321-二级气缸、27322-二级连接板、274-调整组件、2741-定位气缸、2742-推板、2743-橡胶垫、277-推进组件、2771-推进气缸、2772-连接支架、27721-第一连接板、27722-第二连接板、278-多个真空吸盘、279-导向装置、2791-固定座、2792-滚轮、280-滚筒组件、2801-筒身、2802-支轴、281-电池护板、29-旋转组件、291-第四驱动组件、292-连接板、30-俯仰组件、301-上支架、302-下支架、303-第五驱动组件、3-矩形框架、4-X向导轨、5-定位平台、51-底板、52-前挡板、53-电子测量尺、54-电磁铁、6-电动汽车、7-电池仓。

具体实施方式

本发明提供了一种电动汽车全自动换电池系统，该系统是由控制系统、定位平台、执行系统以及用于存放电池的电池仓7组成。

定位平台将用于将驶入换电站的电动汽车进行定位；控制系统将获取电动汽车定位完成的信息并将该信息发送至执行系统；所述执行系统用于执行电动汽车换电池的工作。

其中，定位平台5包括固定设置在地面上的底板51以及设置在底板51上用于限制电动汽车前后位置的前挡板52；

还包括设置在底板51上的用于测量电动汽车底盘与底板上表面之间距离的电子测量尺53以及置在电动汽车底盘正下方用于固定电动汽车位置的的电磁铁54。

当电动汽车驶入换电站后，由于电动汽车的停放都是随机的，停车的方位需要进行定位；驾驶员根据驶入定位平台的侧边调整车身，使车身基本平行于定位平台5侧边；当电动汽车6驶入定位平台5之后，定位平台5上的前挡板52伸出底板51的上表面，并挡住汽车前轮，限制电动汽车继续向前移动；

为了确保轮胎胎压和承载载荷导致电动汽车自重发生变化时，电动汽车和待换电池的位置不发生的变化，当从电动汽车5取出电池，电子测量尺53测量出车底与底板之间的距离发生了变化，电磁铁54通电并吸住电动汽车5底部，使得电动汽车保持在初始位置。

其中，控制系统包括上位机、图像采集装置以及PLC三部分组成；上位机分别与图像采集装置以及PLC相互通讯；

其中，图像采集装置用于获取驶入换电站准备换电池的电动汽车以及待换电池图像信息；PLC用于控制机械手完成换电池具体动作；上位机将图像采集装置提供的电动汽车和待换电池的图像信息转换成PLC所需的机械手在各个工艺的位置坐标数据及控制命令通过总线接口发送给PLC；充换电站监控系统用于在远程实时监控上位机的运行状况。

特别的，该电动汽车全自动换电池控制系统还包括通过以太网与上位机连接并用于监控上位机的充换电站监控系统。

由上述部分可以看出上位机是该系统的核心，本发明中上位机包括上位机初始化模块、以太网通讯模块、视觉数据采集处理模块、数据标定处理模块、全自动换电模块以及退出模块；

进一步说，上位机初始化模块用于对图像采集装置、以太网、总线接口以及PLC进行初始化；

进一步说，以太网通讯模块控制以太网建立上位机与充换电站监控系统的连接；从而实现充换电站监控系统对上位机的监控。

进一步说，视觉数据采集处理模块用于控制图像采集装置，具体用于对图像采集装置进行初始化；还用于将图像采集装置采集的电动汽车和待换电池图像信息转换成视觉坐标系下待换电池的位置和姿态坐标数据；还用于确定电池仓内电池有无电池的判断模块（电池仓是对馈电电池进行充电的装置，一个移动充电柜有n行n列个电池仓）；

进一步说，数据标定处理模块用于对视觉数据采集处理模块输出的视觉坐标系下待换电池的位置和姿态坐标数据进行转换得到PLC所需的执行系统中机械手在各个工位的位置和姿态坐标数据；

进一步说，全自动换电模块用于与PLC进行控制命令和数据的实时通讯；

进一步说，退出模块用于关闭图像采集装置、以太网以及总线接口，控制整个电动汽车全自动换电池控制系统停止工作。

进一步说，图像采集装置包括用于采集电动汽车图像的顶部照相机、用于采集电池图像的侧部照相机以及将采集的电动汽车图像和电池图像发送给上位机的数据传输装置。其中，顶部照相机安装在电动汽车的正上方，侧部照相机安装在执行系统的机械手上。

基于上述的控制系统，具体的控制步骤是：

1】当电动汽车驶入换电站且定位完成后，启动上位机，上位机初始化模块开始对图像采集装置、以太网、总线接口以及PLC进行初始化；

2】图像采集装置开始工作，首先，顶部照相机开始对电动汽车拍照，采集电动汽车的图像；接着，侧部照相机对电动汽车内的待换电池拍照，采集待换电池的图像；与此同时，图像采集装置中的数据传输装置将采集到的电动汽车以及待换电池的图像信息发送至上位机；

3】上位机接收到电动汽车以及待换电池的图像信息，首先，通过视觉数据采集处理模块将上述图像信息转换为待换电池在视觉坐标系下的位置、姿态坐标数据；再通过数据标定处理模块将待换电池在视觉坐标系下的位置、姿态坐标数据转换成PLC所需的机械手在各个工位的坐标数据；

4】通过全自动换电模块将PLC所需的机械手在各个工位的坐标数据以及工作指令发送给PLC；

5】PLC每接收到一个指令就开始控制机械手完成当前指令的工作，并将完成情况反馈给全自动换电模块；

6】重复步骤4】和步骤5】，直到整个换电池工作完成，PLC控制机械手回到初始待机位置；

7】上位机启动退出模块，从而控制图像采集装置、以太网、总线接口以及PLC停止工作，换电完毕。

其中，执行系统包括四个立柱1、安装在四个立柱上的矩形框架3、安装的矩形框架上的两组相互平行的X向导轨4以及安装在两组X向导轨4之间的一至两组机械手2；

进一步说，机械手2包括X向移动组件21、用于提供X向移动组件21动力的第一传动装置22、Y向移动组件23、用于提供Y向移动组件23动力的第二传动装置24、Z向移动组件25、用于提供Z向移动组件25动力的第三传动装置26以及拾取装置27；所述X向移动组件21安装在X向导轨4上；所述Y向移动组件23安装在X向移动组件21上；所述Z向移动组件25安装在Y向移动组件23上；

其中，X向移动组件21包括分别卡装在两组X向导轨4上的两个第一滑块211以及安装在两个第一滑块211上的移动横梁212；

第一传动装置22包括第一驱动组件221、第一齿轮222以及第一齿条223；第一驱动组件221固定安装在移动横梁212上；第一驱动组件221的输出端安装第一齿轮222；第一齿轮222与第一齿条啮合223；第一齿条223固定安装在矩形框架3上并与X向导轨4平行；

其中，第一驱动组件221由伺服电机和减速机组成，伺服电机以及减速机开始工作，在第一齿轮222和第一齿条223的作用下以及X向导轨4的导向作用下，移动横梁212可以沿着X方向移动。

其中，Y向移动组件23包括固定安装在移动横梁的Y向导轨231、卡装在Y向导轨231上的第二滑块232以及安装在第二滑块232上的滑动座233；

第二传动装置24包括第二驱动组件241、第二齿轮242以及第二齿条243；第二驱动组件241固定安装在滑动座233上；第二驱动组件241的输出端安装第二齿轮242；第二齿轮242与第二齿条243啮合；第二齿条243安装在移动横梁212上并与Y向导轨231平行；其中，第二驱动组件241由伺服电机和减速机组成；伺服电机以及减速机开始工作，在第二齿轮242和第二齿条243的作用下以及Y向导轨231的导向作用下，滑动座233可以沿着Y方向移动。

其中，Z向移动组件25包括固定安装在滑动座233上的Z向导轨25、卡装在Z向导轨251上的第三滑块252以及安装在第三滑块252上的吊梁253；

第三传动装置26包括第三驱动组件261、同步带轮262以及同步带263；所述第三驱动组件261固定安装在滑动座233上；第三驱动组件261的输出端安装同步带轮262；所述同步带轮262与同步带263啮合；同步带262安装在吊梁253上；其中，第三驱动组件261由伺服电机和减速机组成；伺服电机以及减速机开始工作，在同步带轮262和同步带263的作用下以及Z向导轨251的导向作用下，吊梁253可以沿着Z方向移动。

特别之处在于，该换电机构中的拾取装置有两种方式，分别是用于电动汽车后备箱取电池所用的后备箱拾取装置以用于电动汽车侧面取电池所用的侧面拾取装置。

方式一：电动汽车后备箱拾取装置；

该拾取装置27包括拾取框架271、推进组件277以及多个真空吸盘278；拾取框架由顶板2711、底板2712、左侧板2713、右侧板2714以及后板2715组成的内部为空腔且设有开口的立方体；顶板2711与吊梁253固定连接；推进组件277包括推进气缸2771、连接支架2772；连接支架2772由与顶板2711平行的第一连接板27721和与第一连接板27721外伸端垂直固连的第二连接板27722组成；

其中，推进气缸2771固定设置在拾取框架271内面；第一连接板27721的非外伸端与推进气缸2771的活动端连接；多个真空吸盘278安装在第二连接板27722上；

为了保证在抓取电池进入拾取框架的过程中能够精确定位，该拾取装置27还包括设置在左侧板2713内表面和右侧边2714内表面的多个导向装置279；导向装置279包括固定座2791以及卡装在固定座2791内的滚轮2792。

为了减小电池与底板的摩擦，避免电池的损坏，该拾取装置27还包括设置在拾取框架271内的多个等间距的滚筒组件280；滚筒组件280包括设置在底板2712内的筒身2801以及分别固定在左侧板2713和右侧板2714上用于支撑筒身2801的两个支轴2802。

为了使得该装置使用的安全性，该拾取装置27还包括固定设置在拾取框架271底板2712上的电池护板281；其中，该电池护板281延伸出拾取框架271外部。

方式二：电动汽车侧面拾取装置；

该拾取装置27包括拾取框架271、多个吸盘272以及多级推进组件273；拾取框架271由顶板2711、底板2712、左侧板2713、右侧板2714以及后板2715固连组成，所述拾取框架271内部为空腔且设有开口的立方体；

其中，多级推进组件273包括一级推进组件2731和二级推进组件2732；一级推进组件2731包括多个一级气缸27311、一级连接板27312以及多个导向轴27313；二级推进组件2732包括多个二级气缸27321和二级连接板27322；

进一步说，一级连接板27312和二级连接板27322均设置在拾取框架271内部并且均与后板2715平行；多个一级气缸27311缸体前端分别固定连接在后板2715外表面上且活塞杆穿过后板2715之后与一级连接板27311固连；多个导向轴27313一端与一级连接板27312固定连接且穿过后板2715延伸出后板2715外表面；多个二级气缸27321的缸体前端分别固连在一级连接板27312上并且活塞杆穿过一级连接板27312与二级连接板27322固连；多个吸盘272均与二级连接板27322固定连接；多个吸盘272朝向拾取框架271的开口。

由于电池进入拾取框架271内后，位置可能会出现偏移，因此该拾取装置27上还设置了用于调节电池位置的调整组件274；该调整组件274包括定位气缸2741以及推板2742；推板2742设置在拾取框架271内部且与左侧板2713（右侧板2714）平行；定位气缸2741的缸体前端固定连接在左侧板2713（右侧板2714）外表面且活塞杆穿过左侧板2713（右侧板2714）与推板2742固连；通常，选用定位气缸数量为两个。

为了避免电池进入拾取框架内部的过程中，电池和拾取框架底板产生摩擦而导致电池的损坏，该拾取装置27还在拾取框架271底板2712上设置了多个用于避免电池损坏的导向装置279；导向装置279包括固定安装在底板2712上的固定座2791以及卡装在固定座2791内的滚轮2792。

为了避免调整组件274在调整拾取框架内的电池的位置时，推板2742与电池直接接触会造成电池表面损坏，因此，调整组件274的推板2742上还设置有至少一个用于缓冲的橡胶垫2743。

特别的，吸盘吸住电池或松开电池时，为了避免电池与底板的棱边发生摩擦造成电池的损坏，该拾取装置的拾取框架的底板靠近开口处端面为倾斜面，该倾斜面与底面呈钝角，一般选择钝角的角度为135°到150°之间。

另外，为了减轻整个拾取装置的重量，上述两种拾取装置中的拾取框架的顶板、底板、左侧板、右侧板以及后板均采用不锈钢材料。

特别的，为了使得机械手在取放电过程更加流畅，上述两种机械手2中还包括设置在Z向移动组件25与拾取装置27之间的旋转组件29；该旋转组件29包括固定安装在吊梁253上的第四驱动组件291以及安装在第四驱动组件291输出端的连接板292；连接板292与拾取框架271的顶板2711连接。其中，第四驱动组件291为伺服电机和减速机，开始工作时，伺服电机带动减速机的输出法兰开始旋转，从而带动连接板282以及与连接板固定连接的拾取装置27开始旋转。

特别的，为了使得机械手2在取放电池时，避免电池脱落，提高整个设备的安全性，上述两种机械手2还包括设置在旋转组件29和拾取装置27之间的俯仰组件30；所述俯仰组件30包括上支架301、下支架302以及第五驱动组件303；上支架301与连接板292固连；下支架302与上支架301铰接并与拾取框架271的顶板2711连接；第五驱动组件303固定安装在上支架301上并且第五驱动组件303的输出端与下支架302连接，用于驱动下支架302上下摆动。

为了使得整个换电机构的换电效率更高，上述两组X向导轨4之间可安装两组机械手2，两组机械手2分别执行换电池工作。

上位机接收到控制系统中图像采集装置发送来的电动汽车和待换电池的图像信息，并将其处理成为PLC所需的执行系统中的机械手在各个工位的坐标数据和工作指令，PLC控制执行系统中的机械手开始进行换电池工作，现对执行系统的具体换电池的过程进行描述：其具体包括以下步骤：

1】汽车待机；

1.1）当电动汽车驶入指定位置后，换电池机构自动运行，首先，上位机将汽车待机位机械手的坐标数据以及汽车待机的指令分别发送至PLC的坐标数据存储区以及指令存储区；

1.2）机械手接收PLC发送的开始执行汽车待机的指令后，PLC首先检测存储在其指令存储区的指令和当前机械手需要执行的指令是否相同；

若相同，则取出存储在坐标数据存储区中的汽车待机位机械手的坐标数据作为机械手需要完成汽车待机指令的位置坐标；

若不同，PLC则处于等待状态直至超时报警；

1.3）机械手移动至汽车待机位完成汽车待机的动作，同时，PLC指令存储区的数据自动清零，上位机检测到PLC指令存储区的数据为零后将处理好的汽车取电池位机械手的坐标数据和汽车取电池的指令分别发送至PLC的坐标数据存储区以及指令存储区；并做好汽车取电池的准备；

其中，机械手执行汽车待机指令对应具体的动作是：机械手上的拾取装置先在俯仰组件的带动下俯仰运动、再随X向组件在第一传动装置的带动下沿X方向运动、再随Z向移动组件在第三传动组件的带动下沿Z方向运动、再由旋转组件带动下进行旋转运动、最后随Y向移动组件在第二传动装置的带动下沿Y方向运动的顺序从初始待机位移动到达汽车待机位，完成汽车待机动作。

2】汽车取电池；

2.1）机械手接收PLC发送的开始执行汽车取电池的指令后，PLC首先检测存储在其指令存储区的指令和当前PLC需要执行的指令是否相同；

若相同，则取出存储在坐标数据存储区中的汽车取电池位机械手的坐标数据作为机械手需要完成汽车取电池指令的位置坐标；

若不同，PLC则处于等待状态直至超时报警；

2.2）机械手移动至汽车取电池位，将待换电池从电动汽车内取出，当汽车取电池动作完成后，PLC指令存储区的数据自动清零，上位机检测到PLC指令存储区的数据为零后将处理好的电池仓待机位机械手的坐标数据和电池仓待机的指令分别发送至PLC的坐标数据存储区以及指令存储区；并做好电池仓待机的准备；

其中，机械手执行汽车取电池指令对应的具体动作是：机械手上拾取装置的推进气缸带动吸盘先伸入电动汽车内、然后吸盘吸住电池、最后推进气缸收回，将电池从电动汽车内取出，完成汽车取电池动作。

3】电池仓待机；

3.1）机械手接收PLC发送的开始执行电池仓待机的指令后，PLC首先检测存储在其指令存储区的指令和当前PLC需要执行的指令是否相同；

若相同，则取出存储在坐标数据存储区中的电池仓待机位机械手的坐标数据作为机械手需要完成电池仓待机指令的位置坐标；

若不同，PLC则处于等待状态直至超时报警；

3.2）机械手移动至电池仓待机位，同时，PLC指令储存区的指令自动清零；上位机检测到PLC指令储存区的数据为零后将处理好的电池仓放电池位机械手的坐标数据和电池仓放电池的指令分别发送至PLC的坐标数据存储区以及指令存储区，并做好电池仓放电池的准备；

其中，机械手执行电池仓待机指令对应的具体动作是：机械手上拾取装置按照先随Y向移动组件在第二传动装置的带动下沿Y方向运动、再由旋转组件带动下进行旋转运动、再由俯仰组件的带动下进行俯仰运动、再随Z向移动组件在第三传动装置的带动下沿Z方向运动、再随X向移动组件在第一传动装置的带动下沿X方向运动的顺序到达电池仓待机位，完成电池仓待机动作。

4】电池仓放电池；

4.1）机械手接收PLC发送的开始执行电池仓放电池的指令后，PLC首先检测存储在其指令存储区的指令和当前PLC需要执行的指令是否相同；

若相同，则取出存储在坐标数据存储区中的电池仓放电池位机械手的坐标数据作为机械手需要完成电池仓放电池指令的位置坐标；

若不同，PLC则处于等待状态直至超时报警；

4.2）机械手移动至电池仓放电池位，将从电动汽车中取出的待换电池放入电池仓内后退出电池仓，同时，PLC指令储存区的指令自动清零；上位机检测到PLC指令储存区的数据为零后将处理好的电池仓二次待机位机械手的坐标数据和电池仓二次待机的指令分别发送至PLC的坐标数据存储区以及指令存储区，并做好电池仓二次待机的准备；

其中，机械手执行电池仓放电池指令对应的具体动作是：机械手上拾取装置的推进组件先将吸盘伸入电池仓内、然后吸盘松开电池、最后推进气缸将吸盘从电池仓内收回，完成电池仓放电池动作。

5】电池仓二次待机；

5.1）机械手接收PLC发送的开始执行电池仓二次待机的指令后，PLC首先检测存储在其指令存储区的指令和当前PLC需要执行的指令是否相同；

若相同，则取出存储在坐标数据存储区中的电池仓二次待机位机械手的坐标数据作为机械手需要完成电池仓二次待机指令的位置坐标；

若不同，PLC则处于等待状态直至超时报警；

5.2）机械手移动至电池仓二次待机位，同时，PLC指令储存区的指令自动清零；上位机检测到PLC指令储存区的数据为零后将处理好的电池仓取电池位机械手的坐标数据和电池仓取电池的指令分别发送至PLC的坐标数据存储区以及指令存储区，并做好电池仓取电池的准备；

其中，机械手执行电池仓二次待机指令对应的具体动作是：机械手上拾取装置按照先随Y向移动组件在第二传动装置的带动下沿Y方向运动或者随Z向移动组件在第三传动装置的带动下沿Z方向运动，再由俯仰组件带动进行俯仰运动到达另一个机柜待机位，完成电池仓二次待机动作。

6】电池仓取电池；

6.1）机械手接收PLC发送的开始执行电池仓取电池的指令后，PLC首先检测存储在其指令存储区的指令和当前PLC需要执行的指令是否相同；

若相同，则取出存储在坐标数据存储区中的电池仓取电池位机械手的坐标数据作为机械手需要完成电池仓取电池指令的位置坐标；

若不同，PLC则处于等待状态直至超时报警；

6.2）机械手移动至电池仓取电池位，将存放在电池仓内的新电池取出电池仓，当电池仓取电池动作完成后，PLC指令储存区的指令自动清零；上位机检测到PLC指令储存区的数据为零后将处理好的汽车二次待机位机械手的坐标数据和汽车二次待机的指令分别发送至PLC的坐标数据存储区以及指令存储区，并做好汽车二次待机的准备；

其中，机械手执行电池仓取电池指令对应的具体动作是：机械手上拾取装置的推进气缸带动吸盘先伸入电池仓内、然后吸盘吸住电池、最后推进气缸将吸盘从电池仓内收回，完成电池仓取电池动作。

7】汽车二次待机

7.1）机械手接收PLC发送的开始执行汽车二次待机的指令后，PLC首先检测存储在其指令存储区的指令和当前PLC需要执行的指令是否相同；

若相同，则取出存储在坐标数据存储区中的汽车二次待机位机械手的坐标数据作为机械手需要完成汽车二次待机指令的位置坐标；

若不同，PLC则处于等待状态直至超时报警；

7.2）机械手移动至汽车二次待机位，同时，PLC指令储存区的指令自动清零；上位机检测到PLC指令储存区的数据为零后将处理好的汽车放电池位机械手的坐标数据和汽车放电池的指令分别发送至PLC的坐标数据存储区以及指令存储区，并做好汽车放电池的准备；

其中，机械手执行汽车二次待机指令对应的具体动作是：机械手上的拾取装置首先随X向组件在第一传动装置的带动下沿X方向运动、再随Z向移动组件在第三传动组件的带动下沿Z方向运动、再在旋转组件的带动下旋转运动、再在俯仰组件的带动下俯仰运动、最后随Y向移动组件在第二传动装置的带动下沿Y方向运动的顺序移动到达另一个汽车待机位，完成汽车二次待机动作。

8】汽车放电池；

8.1））机械手接收PLC发送的开始执行汽车放电池的指令后，PLC首先检测存储在其指令存储区的指令和当前PLC需要执行的指令是否相同；

若相同，则取出存储在坐标数据存储区中的汽车放电池位机械手的坐标数据作为机械手需要完成汽车放电池指令的位置坐标；

若不同，PLC则处于等待状态直至超时报警；

8.2）机械手移动至汽车放电池位，将从电池仓内取出的新电池放入电动汽车内，在汽车放电池动作完成后，PLC指令储存区的指令自动清零，机械手退出电动汽车并移动至初始待机位；

其中，机械手执行汽车放电池指令对应的具体动作是：机械手上拾取装置推进气缸先将吸盘伸入电动汽车内，然后吸盘松开电池、最后推进气缸将吸盘从电动汽车内收回，完成汽车放电池动作。

为了确保本发明提供的换电池方法适应市场需求，确保换电池效率更高，通常情况换电站会采用两台PLC控制两组机械手分别作用在两个电池仓上同时实现换电池工作，这样对于一般的拥有四块电池的电动汽车，只需要每组机械手两次完成上述八个步骤即可更换完电动汽车内的四组电池。

为了避免两组机械手在汽车取电池位和汽车换电池位可能出现相互碰撞的问题，因此本发明在两台PLC中均设置了启动指令，该启动指令的数据储存在PLC里。其具体工作状态如下描述：第一组机械手由第一PLC控制，第二组机械手由第二PLC控制；第一机械手在电动汽车处工作时，第二PLC控制第二机械手处于安全位置，当第一机械手在电动汽车内取出电池，离开电动汽车到达安全位置时，第一PLC内的启动指令更新，上位机检测到第一PLC中的启动指令更新后，开始启动第二PLC，第二PLC控制第二机械手前往电动汽车处开始工作，同理，第二PLC也可通过启动指令，启动第一PLC开始工作。

Claims (4)

1.一种电动汽车全自动换电池系统，其特征在于：包括控制系统、定位平台、执行系统以及用于存放电池的电池仓；所述定位平台将用于将驶入换电站的电动汽车进行定位；所述控制系统将获取电动汽车定位完成的信息发送至执行系统；所述执行系统用于执行电动汽车换电池的工作；

所述定位平台包括固定设置在地面上的底板以及设置在底板上用于限制电动汽车前后位置的前挡板；还包括设置在底板上的用于测量电动汽车底盘与底板上表面之间距离的电子测量尺以及置在电动汽车底盘正下方用于固定电动汽车位置的电磁铁。

2.根据权利要求1所述的电动汽车全自动换电池系统，其特征在于：所述控制系统包括上位机、图像采集装置以及PLC；所述上位机分别与图像采集装置以及PLC相互通讯；所述图像采集装置用于获取驶入换电站准备换电池的电动汽车以及待换电池图像信息；所述图像采集装置包括用于采集电动汽车图像的顶部照相机、用于采集电池图像的侧部照相机以及将采集的电动汽车图像和电池图像发送给上位机的数据传输装置；

所述电动汽车全自动换电池控制系统还包括通过以太网与上位机连接并用于监控上位机的充换电站监控系统；

所述上位机将图像采集装置提供的电动汽车和待换电池的图像信息转换成PLC所需的执行系统在各个工位的位置坐标数据及控制命令通过总线接口发送给PLC；

所述上位机包括上位机初始化模块、以太网通讯模块、视觉数据采集处理模块、数据标定处理模块、全自动换电模块以及退出模块；

所述上位机初始化模块用于将用于对图像采集装置、总线接口、以太网以及PLC进行初始化；

所述以太网通讯模块用于控制以太网建立上位机与充换电站监控系统的连接；

所述视觉数据采集处理模块包括用于对图像采集装置进行初始化；还用于将图像采集装置采集的电动汽车和待换电池图像信息转换成视觉坐标系下待换电池的位置和姿态坐标数据；还用于确定电动仓内电池有无电池的判断模块；

所述数据标定处理模块用于对视觉数据采集处理模块输出的视觉坐标系下待换电池的位置和姿态坐标数据进行转换得到PLC所需的执行系统在各个工位的位置和姿态坐标数据；

所述全自动换电模块用于与PLC进行控制命令和数据的实时通讯；

所述退出模块用于关闭图像采集装置以及总线接口，控制整个电动汽车全自动换电池控制系统停止工作；

所述PLC用于控制执行系统完成换电池具体动作。

3.根据权利要求1所述的电动汽车全自动换电池系统，其特征在于：所述执行系统包括四个立柱、安装在四个立柱上的矩形框架、安装的矩形框架上的两组相互平行的X向导轨以及安装在两组X向导轨之间的一个或两个机械手；

所述机械手包括X向移动组件、用于提供X向移动组件动力的第一传动装置、Y向移动组件、用于提供Y向移动组件动力的第二传动装置、Z向移动组件、用于提供Z向移动组件动力的第三传动装置以及拾取装置；所述X向移动组件安装在X向导轨上；所述Y向移动组件安装在X向移动组件上；所述Z向移动组件安装在Y向移动组件上；

所述X向移动组件包括分别卡装在两组X向导轨上的两个第一滑块以及安装在两个第一滑块上移动横梁；

所述第一传动装置包括第一驱动组件、第一齿轮以及第一齿条；所述第一驱动组件固定安装在移动横梁上；所述第一驱动组件的输出端安装第一齿轮；所述第一齿轮与第一齿条啮合；所述第一齿条固定安装在矩形框架上并与X向导轨平行；

所述Y向移动组件包括固定安装在移动横梁的Y向导轨、卡装在Y向导轨上的第二滑块以及安装在第二滑块上的滑动座；

所述第二传动装置包括第二驱动组件、第二齿轮以及第二齿条；所述第二驱动组件固定安装在滑动座上；所述第二驱动组件的输出端安装第二齿轮；所述第二齿轮与第二齿条啮合；所述第二齿条安装在移动横梁上并与Y向导轨平行；

所述Z向移动组件包括固定安装在滑动座上的Z向导轨、卡装在Z向导轨上的第三滑块以及安装在第三滑块上的吊梁；

所述第三传动装置包括第三驱动组件、同步带轮以及同步带；所述第三驱动组件固定安装在滑动座上；所述第三驱动组件的输出端安装同步带轮；所述同步带轮与同步带啮合；所述同步带安装在吊梁上；

所述拾取装置包括拾取框架、推进组件以及多个真空吸盘；所述拾取框架由顶板、底板、左侧板、右侧板以及后板组成的内部为空腔且设有开口的立方体；所述顶板与吊梁固定连接；所述推进组件包括推进气缸、连接支架；所述连接支架由与顶板平行的第一连接板和与第一连接板外伸端垂直固连的第二连接板组成；

所述推进气缸固定设置在拾取框架内；所述第一连接板的非外伸端与推进气缸的活动端连接；所述多个真空吸盘安装在第二连接板上；

所述拾取装置还包括设置在左侧板内表面和右侧边内表面的多个导向装置；所述导向装置包括固定座以及卡装在固定座内的滚轮；

所述拾取装置还包括设置在拾取框架内的多个滚筒组件；所述滚筒组件包括设置在底板凹槽内的筒身以及分别固定在左侧板和右侧板上用于支撑筒身的两个支轴；

所述拾取装置还包括固定设置在拾取框架底板上的电池护板；所述电池护板延伸出拾取框架外部；

所述推进气缸为无杆气缸；

所述机械手还包括设置在Z向移动组件与拾取装置之间的旋转组件；所述旋转组件包括固定安装在吊梁上的第四驱动组件以及安装在第四驱动组件输出端的连接板；所述连接板与拾取框架的顶板连接；

所述机械手还包括设置在旋转组件和拾取装置之间的俯仰组件；所述俯仰组件包括上支架、下支架以及第五驱动组件；所述上支架与连接板固连；所述下支架与上支架铰接并与拾取框架的顶部连接；所述第五驱动组件固定安装在上支架上并且第五驱动组件的输出端与下支架连接，用于驱动下支架上下摆动；

所述第一驱动组件、第二驱动组件、第三驱动组件、第四驱动组件以及第五驱动组件均由伺服驱动组件与减速机组成。

4.根据权利要求1所述的电动汽车全自动换电池系统，其特征在于：所述执行系统包括四个立柱、安装在四个立柱上的矩形框架、安装的矩形框架上的两组相互平行的X向导轨以及安装在两组X向导轨之间的机械手；

所述机械手包括X向移动组件、用于提供X向移动组件动力的第一传动装置、Y向移动组件、用于提供Y向移动组件动力的第二传动装置、Z向移动组件、用于提供Z向移动组件动力的第三传动装置以及拾取装置；

所述X向移动组件包括分别卡装在两组X向导轨上的两个第一滑块以及安装在两个第一滑块上移动横梁；

所述第一传动装置包括第一驱动组件、第一齿轮以及第一齿条；所述第一驱动组件固定安装在移动横梁上；所述第一驱动组件的输出端安装第一齿轮；所述第一齿轮与第一齿条啮合；所述第一齿条固定安装在矩形框架上并与X向导轨平行；

所述Y向移动组件包括固定安装在移动横梁的Y向导轨、卡装在Y向导轨上的第二滑块以及安装在第二滑块上的滑动座；

所述第二传动装置包括第二驱动组件、第二齿轮以及第二齿条；所述第二驱动组件固定安装在滑动座上；所述第二驱动组件的输出端安装第二齿轮；所述第二齿轮与第二齿条啮合；所述第二齿条安装在移动横梁上并与Y向导轨平行；

所述Z向移动组件包括固定安装在滑动座上的Z向导轨、卡装在Z向导轨上的第三滑块以及安装在第三滑块上的吊梁；

所述第三传动装置包括第三驱动组件、同步带轮以及同步带；所述第三驱动组件固定安装在滑动座上；所述第三驱动组件的输出端安装同步带轮；所述同步带轮与同步带啮合；所述同步带安装在吊梁上；

所述拾取装置包括拾取框架、多个吸盘以及多级推进组件；

所述拾取框架由顶板、底板、左侧板、右侧板以及后板固连组成，所述拾取框架内部为空腔且前方设有开口的立方体；

所述多级推进组件包括一级推进组件和二级推进组件；所述一级推进组件包括多个一级气缸、一级连接板以及多个导向轴；所述二级推进组件包括所述二级推进组件包括多个二级气缸和二级连接板；

所述一级连接板和二级连接板均设置在拾取框架内部并且均与后板平行；所述多个一级气缸缸体前端分别固定连接在后板外表面上且活塞杆穿过后板之后与一级连接板固连；所述多个导向轴一端与一级连接板固定连接且穿过后板延伸出后板外表面；所述多个二级气缸的缸体前端分别固连在一级连接板上并且活塞杆穿过一级连接板与二级连接板固连；所述多个吸盘均与二级连接板固定连接；所述多个吸盘朝向拾取框架的开口；

所述拾取装置还包括调整组件；所述调整组件包括定位气缸以及推板；所述推板设置在拾取框架内部且与侧板平行；所述定位气缸的缸体前端与侧板固定连接且活塞杆穿过侧板与推板固连；所述定位气缸数量为两个；

所述拾取装置还包括设置在拾取框架底板上的多个导向轮；所述导向轮包括固定安装在底板上的固定座以及卡装在固定座内的滚轮；

所述推板上还设置有至少一个用于缓冲的橡胶垫；

所述拾取装置还包括固定安装在拾取框架上用于控制多个一级气缸、多个二级气缸、多个吸盘以及定位气缸的电磁阀组；

所述机械手还包括设置在Z向移动组件与拾取装置之间的旋转组件；所述旋转组件包括固定安装在吊梁上的第四驱动组件以及安装在第四驱动组件输出端的连接板；所述连接板与拾取框架的顶板连接；

所述机械手还包括设置在旋转组件和拾取装置之间的俯仰组件；所述俯仰组件包括上支架、下支架以及第五驱动组件；所述上支架与连接板固连；所述下支架与上支架铰接并与拾取框架的顶部连接；所述第五驱动组件固定安装在上支架上并且第五驱动组件的输出端与下支架连接，用于驱动下支架上下摆动；

所述第一驱动组件、第二驱动组件、第三驱动组件、第四驱动组件以及第五驱动组件均由伺服驱动组件与减速机组成。