CN112046325A - 一种用于自动充电站的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自动充电站的控制系统，其包括工业控制计算机、可编程控制器、六轴机械臂控制器、机械手控制模块、组合定位模块、充电桩、监控模块、安全保护模块和路由器。本发明采用激光位移传感器和视觉定位单元组合确定待充电电动公交车充电插座的位置，应用六轴机械臂带动充电枪机械手，具备自动从充电桩抓取充电枪，并插入待充电电动公交车的充电插座，再控制充电桩启动充电，充电完成后，能自动停止充电，并从待充电电动公交车的充电插座抓取充电枪、拔出充电枪，再送回充电桩的插座，最后进入待机位置，可实现电动公交车充电自动化作业。本发明与传统的人工作业相比，降低了劳动强度，节省了人力资源成本。

Description

一种用于自动充电站的控制系统

技术领域

本发明涉及充电站控制领域，适用于城市电动公交车充电场站自动充电领域，尤其是一种用于自动充电站的控制系统。

背景技术

电动公交车具有零排放、运营成本低等优点，在新能源鼓励政策的大力支持下快速发展。充电作业是电动公交车在运营过程中的一项重要工作。直流传导充电是目前电动公交车的标准充电方式，由充电场站的充电桩完成交直流变换，通过充电枪插入电动公交车上的充电插座进行充电。由于电动公交车电池容量较大，为了满足充电速度的要求，充电功率也相应提高，达到几十千瓦甚至上百千瓦，需要较大截面积的电缆才能通过数百安培的充电电流。为了保证充电枪与充电插座电极连接的可靠性，减小接触电阻，插拔充电枪需要数百牛顿的操作力，加上充电枪电缆的重量，使得充电作业比较困难。

当前电动公交车充电作业主要采用人工操作，劳动强度大，而且随着电动公交车线路和数量随之增加，需要配置更多的充电操作工值守，人力资源成本高。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种用于自动充电站的控制系统，可实现电动公交车充电作业自动化，且在降低充电作业劳动强度和节约人力资源成本方面具有显著的效益。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供的一种用于自动充电站的控制系统，包括工业控制计算机、可编程控制器、六轴机械臂控制器、机械手控制模块、组合定位模块、充电桩、监控模块、安全保护模块和路由器。

所述工业控制计算机包括网络通信接口、算术和逻辑运算单元、数据处理和保存单元、输入设备，并以显示器作为终端，实现人机交互，具体为：

初始化和保存六轴机械臂的示教轨迹位置坐标；

选择远程智能手机控制或者就地触摸屏控制；

在示教控制模式下，单步点动控制六轴机械臂，记录并保存示教轨迹位置坐标；

在运行模式下，根据示教的轨迹位置坐标数据和组合定位模块的检测数据，自动控制从充电桩的插座抓取并拔出充电枪、插入待充电电动公交车的充电插座并启动充电，或停止充电、从待充电电动公交车的充电插座拔出充电枪并插入充电桩的插座，作业完成后控制六轴机械臂带动机械手进入待机位置；若安全保护模块触发，则停止过程，人工介入排除异常后，进入待机位置。

所述可编程控制器包括开关量输入模块、开关量输出模块和模拟量输入模块，可编程控制器通过以太网和和工业控制计算机通信。

所述六轴机械臂控制器包括可编程定义功能的开关量输入模块、开关量输出模块。六轴机械臂控制器的开关量输出模块和可编程控制器的开关量输入模块电连接，用于反馈六轴机械臂的工作状态；六轴机械臂的开关量输入模块和可编程控制器的开关量输出模块电连接，用于使能六轴机械臂动作和复位六轴机械臂故障。所述六轴机械臂控制器通过以太网与工业控制计算机通信，用于接收工业控制计算机发送的目标位置坐标和向工业控制计算机反馈当前位置坐标，工业控制计算机、可编程控制器和六轴机械臂控制器协调控制，控制六轴机械臂末端按设定动作运动到目标位置。

所述机械手控制模块包括第一电磁阀、第二电磁阀、第一磁性开关、第二磁性开关、第三磁性开关和第四磁性开关。机械手设置有抓手驱动气缸和锁扣操作气缸，并设置在六轴机械臂末端安装夹具上，所述机械手的抓手在抓手驱动气缸作用下能相向运动抓紧充电枪或分离运动松开充电枪。第一电磁阀的气口与抓手驱动气缸通过气管连接，第一电磁阀的控制线圈与可编程控制器电连接；第二电磁阀的气口与锁扣操作气缸通过气管连接，第二电磁阀的控制线圈与可编程控制器电连接；第一磁性开关设置于抓手驱动气缸的活塞杆缩回位置，第二磁性开关设置于抓手驱动气缸的活塞杆伸出位置，用于对抓手驱动气缸的位置进行实时监控；第三磁性开关设置于锁扣操作气缸的缩回上锁位置，第四磁性开关设置于锁扣操作气缸的伸出解锁位置，用于对锁扣操作气缸的位置进行实时监控；第一磁性开关、第二磁性开关、第三磁性开关、第四磁性开关均与可编程控制器电连接，并将监测结果传输给可编程控制器。

所述组合定位模块包括视觉定位单元和激光位移传感器。视觉定位单元包括工业相机、视觉控制器、无影光源、光照度传感器、光源控制器；激光位移传感器、工业相机、无影光源、光照度传感器设置在六轴机械臂的末端安装夹具上，激光位移传感器发出的光束和工业相机的光轴平行；激光位移传感器与可编程控制器的模拟量输入模块电连接，将检测结果通过可编程控制器传输给工业控制计算机；工业相机和视觉控制器电连接，用于采集待充电电动公交车的充电插座图像；无影光源、光照度传感器和光源控制器电连接，用于保证光照度稳定；光源控制器和视觉控制器电连接，用于触发控制无影光源；视觉控制器通过以太网与工业控制计算机通信，接收工业控制计算机发送的视觉检测触发命令，并将检测结果传输给工业控制计算机。

所述充电桩设置有用于电动汽车传导充电的充电枪、用于固定充电枪的插座，通过以太网与工业控制计算机通信，接收工业控制计算机发送的启动充电和停止充电命令，将充电枪与充电插座的连接状态、充电桩的工作状态传输给工业控制计算机。

所述监控模块包括显示器、触摸屏和智能手机。显示器与工业控制计算机连接，显示器与输入设备配合使用，用于开发人员操作控制系统和观察系统工作状态；触摸屏通过以太网与可编程控制器通信，用于管理人员操作控制系统和观察系统工作状态；智能手机与工业控制计算机通信，用于用户操作控制系统和观察系统工作状态。

所述安全保护模块包括第一急停按钮、第二急停按钮、第三急停按钮、复位按钮和安全继电器。第一急停按钮设置在充电桩上，第二急停按钮设置在六轴机器臂控制器上，第三急停按钮设置在触摸屏安装面板上，第一急停按钮、第二急停按钮和第三急停按钮的常闭触点串联，并与安全继电器连接；复位按钮与安全继电器连接，用于故障排除后系统复位；安全继电器的常闭输出触点与可编程控制器的开关量输入模块电连接，并通过以太网将监测结果传输给工业控制计算机。

所述路由器具有无线局域网组件；工业控制计算机、可编程控制器、六轴机器臂控制器、视觉定位单元、充电桩、触摸屏分别通过标准网线与路由器连接；智能手机通过无线局域网与路由器连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的控制系统通过控制六轴机械臂和机械手可实现取枪充电和充完收枪过程的自动化作业，降低了人工操作的劳动强度；

2、本发明的控制系统可以实现无需充电操作工值守，可以降低人力资源成本。

附图说明

为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节描述和解释本发明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中各组件的网络连接示意图。

图3为本发明中各组件的网络通信逻辑关系图。

图4为本发明中六轴机械臂的控制结构示意图。

图5为本发明中六轴机械臂控制器轮询执行动作指令流程图。

图6为本发明中机械手控制模块控制结构示意图。

图7为本发明中组合定位模块结构示意图。

图8为本发明中安全保护模块结构示意图。

图9为本发明中实施例应用平面布置示意图。

图10为六轴机械臂位置坐标P1示意图。

图11为六轴机械臂位置坐标P2示意图。

图12为六轴机械臂位置坐标P3示意图。

图13为六轴机械臂位置坐标P4示意图。

图14为六轴机械臂位置坐标P5示意图。

图15为六轴机械臂位置坐标P6示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

在本发明的描述中，术语“内侧”、“外侧”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细的说明：

如图1所示，一种用于自动充电站的控制系统由工业控制计算机、可编程控制器、六轴机械臂控制器、机械手控制模块、组合定位模块、充电桩、监控模块、安全保护模块和路由器组成。组合定位模块包括视觉定位单元和激光位移传感器，用于检测待充电电动公交车充电插座位置；监控模块由显示器、触摸屏和智能手机组成；工业控制计算机和可编程控制器用于信号采集、信息处理、信息保存和自动充电站系统控制，并通过显示器、触摸屏和智能手机实现人机交互；六轴机械臂控制器用于控制六轴机器臂工具中心点运动到目标位置，并反馈当前位置和工作状态；机械手控制模块用于控制抓手驱动气缸和锁扣操作气缸，实现抓紧或松开充电枪、解锁或上锁充电枪锁扣；充电桩用于提供充电电源、充电枪和充电枪放置插座；安全保护模块用于系统出现异常时紧急停止，保护自动充电站、待充电电动公交车和人员安全；路由器用于实现工业控制计算机、可编程控制器、六轴机器臂控制器、视觉定位单元、充电桩、触摸屏通过以太网连接，并提供无线局域网供智能手机连接，网络连接示意图如图2所示，在实施例中，工业控制计算机、可编程控制器、六轴机器臂控制器、视觉定位单元、充电桩、触摸屏都具有以太网接口，且配置同一网段内不同的IP地址，智能手机采用无线局域网连接，动态获取IP地址，本发明实施例中，控制系统组件网络通信逻辑关系如图3所示，工业控制计算机通过传输控制协议(TCP)向视觉定位单元、充电桩、六轴机械臂控制器发送控制命令和读取状态数据，通过用户数据报协议(UDP)接收智能手机发送的控制命令和反馈控制系统状态数据，通过OPC协议读写可编程控制器；触摸屏通过以太网与可编程控制器通信，其为现有技术，不再详述。

工业控制计算机与可编程控制器通过六轴机械臂控制器相配合使用，协调控制六轴机械臂的运动，控制结构示意图参见图4，六轴机械臂控制器的开关量输入模块和可编程控制器的开关量输出模块电连接，工业控制计算机根据充电作业过程的需要通过可编程控制器输出六轴机械臂动作使能条件，同时还提供六轴机械臂控制器故障程控复位功能，六轴机械臂控制器的开关量输出模块和可编程控制器的开关量输入模块电连接，用于反馈六轴机械臂的工作状态，包括动作完成、动作失败/故障信息。六轴机械臂控制器采用轮询方式执行动作指令，查询动作使能条件，实施例中的动作指令执行流程图参见图5，充电作业过程中，六轴机械臂的运动轨迹可由转出动作、转入动作和若干直线动作组成，控制系统工作时，工业控制计算机根据控制方法确定机械臂动作，并发送目标位置坐标到六轴机械臂控制器，并通过可编程控制器输出动作使能条件，六轴机械臂控制器轮询动作使能条件，当相应条件使能时，首先复位动作完成信号，再执行相应的动作指令，最后输出动作完成信号，通过电连接到可编程控制器的开关量输入模块，并反馈到工业控制计算机，同时工业控制计算机读取六轴机械臂的当前位置坐标，判断目标动作是否完成。

如图6所示，机械手控制模块包括第一电磁阀、第二电磁阀和第一磁性开关、第二磁性开关、第三磁性开关、第四磁性开关，实施例中第一电磁阀为二位五通电磁阀，控制抓手驱动气缸，改变压缩空气在抓手驱动气缸的流向，实现抓紧充电枪和松开充电枪；第二电磁阀为二位三通电磁阀，控制锁扣操作气缸，需要说明的是现有充电枪锁扣具有自复位能力，锁扣操作气缸有杆腔排气口密封，电磁阀的气口与无杆腔气口连接，电磁阀打开时，压缩空气推动活塞杆伸出解锁，电磁阀关闭时，无杆腔排气，有杆腔被压缩的气体膨胀，推动活塞杆缩回，充电枪锁扣上锁。第一电磁阀和第二电磁阀的控制线圈与可编程控制器电连接，可编程控制器控制电磁阀实现气缸的不同动作为现有技术可以实现，对其结构和原理无需详述。第一磁性开关用于抓手抓紧检测，第二磁性开关用于抓手松开检测，第三磁性开关用于锁扣上锁检测，第四磁性开关用于锁扣解锁检测，通过电连接将检测结果传输至可编程控制器，用于监测气缸动作的结果，防止电磁阀损坏、压缩空气气压不足、机械卡死时动作不到位导致故障扩大。

如图7所示，组合定位模块由视觉定位单元和激光位移传感器组成，视觉定位单元包括工业相机、视觉控制器、无影光源、光照度传感器和光源控制器。光照度传感器、无影光源和光源控制器电连接，光源控制器通过光照度传感器采集环境光照度，并控制无影光源的亮度，使得工业相机采集充电插座图像时不受光照强度影响。在实施例中，工业控制计算机为主机，视觉控制器为从机，在充电作业过程中，主机向从机发送视觉检测命令，视觉控制器触发光源控制器点亮无影光源，同时通过工业相机采集图像，再根据设置的充电插座模板确定充电插座在采集图像中的位置信息，并计算在六轴机械臂基坐标系中的位置，再将检测结果发送给主机。进一步，激光位移传感器与可编程控制器的模拟量输入模块电连接，可编程控制器采集激光位移传感器的输出电信号，并将计算的位移信息传输至工业控制计算机。工业控制计算机根据视觉定位单元和激光位移传感器的信息得到充电插座的位置坐标。

充电桩在现有技术中已经标准化，在实施例中，充电桩通过以太网和工业控制计算机通信，工业控制计算机为主机，充电桩为从机，通过MODBUS TCP协议通信，主机通过发送命令字节帧实现启动充电或停止充电，从机收到命令字节帧后执行相应的操作，并向主机发送执行结果，主机还能通过发送命令字节帧查询充电枪与充电插座的连接状态、充电桩的工作状态，从机收到命令字节帧后发送查询结果至主机。

实施例中，监控模块包括显示器、触摸屏和智能手机，显示器与工业控制计算机连接，开发人员通过显示器和输入设备操作控制系统，并观察系统工作状态，管理人员通过触摸屏操作控制系统和观察系统工作状态，触摸屏通过以太网与可编程控制器通信为现有技术，在实施例中，可编程控制器还同时与工业计算机通信，触摸屏、可编程控制器、工业控制计算机中的数据同步更新，用户通过智能手机操作控制系统和观察系统工作状态，智能手机为客户端，工业控制计算机为服务器，通过UDP协议通信。

如图8所示，安全保护模块包括第一急停按钮、第二急停按钮、第三急停按钮、复位按钮和安全继电器，在充电桩上设置第一急停按钮，在六轴机器臂控制器上设置第二急停按钮，在触摸屏安装面板上设置第三急停按钮，第一急停按钮、第二急停按钮和第三急停按钮的常闭触点串联，并与安全继电器连接，复位按钮与安全继电器连接，安全继电器的常闭输出触点与可编程控制器的开关量输入模块电连接，并通过以太网将监测结果传输给工业控制计算机；控制系统工作过程中，出现异常情况时，用户按下任一急停按钮或者安全保护回路损坏时，安全继电器常闭回路切断，安全继电器动作，常闭输出触点断开，六轴机械臂紧急停止，可编程控制器和工业控制计算机检测到安全保护信号后，停止充电作业过程。当人工排除异常后，解除急停按钮，用户按下复位按钮，控制系统进入正常工作状态。

参见图9至图15，基于本发明的一种用于自动充电站的控制系统的控制方法，包括示教控制方法、取枪充电过程控制方法和充完收枪过程控制方法。

示教控制由管理人员操作，运行前只需示教一次，示教控制方法包括以下步骤：

步骤S101：待充电电动公交车停车至充电车位，打开充电插座的装饰盖和保护盖。

步骤S102：输入并保存待机位置坐标P1(X1、Y1、Z1、U1、V1、W1)，通过六轴机械臂控制器点动控制六轴机械臂带动机械手运动到待机位置坐标P1(X1、Y1、Z1、U1、V1、W1)。

步骤S103：人工从充电桩上取下充电枪，通过机械手控制模块点动控制机械手抓手驱动气缸抓紧充电枪。

步骤S104：可编程控制器检测到抓手抓紧信号后，通过六轴机械臂控制器点动控制，带动抓紧充电枪的机械手运动，直至充电枪完全插入充电桩的插座，工业控制计算机读取六轴机械臂控制器反馈的当前位置坐标，并保存为位置坐标P2(X2、Y2、Z2、U2、V2、W2)，该位置坐标P2(X2、Y2、Z2、U2、V2、W2)有两个定义，一是取枪位置坐标，二是收枪位置坐标。

步骤S105：通过机械手控制模块点动控制锁扣操作气缸缩回上锁，将充电枪锁定在充电桩的插座上，可编程控制器检测到锁扣上锁信号后，点动控制机械手抓手驱动气缸松开充电枪。

步骤S106：可编程控制器检测到抓手抓紧信号后，通过六轴机械臂控制器点动控制，带动机械手沿充电枪插入方向逆向直线运动，直至机械手和充电枪抓手完全分离，工业控制计算机读取六轴机械臂控制器反馈的当前位置坐标，并保存为位置坐标P3(X3、Y3、Z3、U3、V3、W3)，该位置坐标P3(X3、Y3、Z3、U3、V3、W3)有四个定义，一是准备取枪位置坐标，二是拔枪位置坐标，三是准备收枪位置坐标，四是收枪退回位置坐标。

步骤S107：通过六轴机械臂控制器点动控制，带动机械手运动到取枪位置坐标P2(X2、Y2、Z2、U2、V2、W2)。

步骤S108：通过机械手控制模块点动控制机械手抓手驱动气缸抓紧充电枪，可编程控制器检测到抓手抓紧信号后，点动控制锁扣操作气缸伸出解锁。

步骤S109：可编程控制器检测到锁扣解锁信号后，通过六轴机械臂控制器点动控制，带动机械手运动到拔枪位置坐标P3(X3、Y3、Z3、U3、V3、W3)。

步骤S110：通过六轴机械臂控制器点动控制，带动机械手和充电枪转动到待充电电动公交车的充电插座法向方向附近。

步骤S111：通过六轴机械臂控制器点动控制，调整机械手的姿态，使工业相机的光轴垂直于充电插座，同时使激光位移传感器发出的光束照射到待充电电动公交车充电插座附近的装饰板上，工业控制计算机读取六轴机械臂控制器反馈的当前位置坐标，并保存为示教的组合定位检测位置坐标P4(X4、Y4、Z4、U4、V4、W4)，同时还读取并保存示教位置时激光位移传感器的检测值D1和视觉定位单元检测的待充电电动公交车的充电插座坐标VP1(VY1、VZ1)。

步骤S112：通过六轴机械臂控制器点动控制，带动机械手和充电枪运动，直至充电枪完全插入待充电电动公交车的充电插座，工业控制计算机读取六轴机械臂控制器反馈的当前位置坐标，并保存为插枪充电位置坐标P5(X5、Y5、Z5、U5、V5、W5)。

步骤S113：通过机械手控制模块点动控制锁扣操作气缸缩回上锁，将充电枪锁定在待充电电动公交车的充电插座上，可编程控制器检测到锁扣上锁信号后，点动控制抓手驱动气缸松开充电枪。

步骤S114：可编程控制器检测到抓手松开信号后，通过六轴机械臂控制器点动控制，带动机械手沿插枪充电方向逆向直线运动，直至机械手和充电枪抓手完全分离，工业控制计算机读取六轴机械臂控制器反馈的当前位置坐标，并保存为位置坐标P6(X6、Y6、Z6、U6、V6、W6)，该位置坐标P6(X6、Y6、Z6、U6、V6、W6)有四个定义，一是准备插枪位置坐标，二是空手退回位置坐标，三是准备退枪位置坐标，四是携枪退回位置坐标。

步骤S115：通过六轴机械臂控制器点动控制，带动机械手转回到充电桩附近。

步骤S116：通过六轴机械臂控制器点动控制，带动机械手运动到待机位置坐标P1(X1、Y1、Z1、U1、V1、W1)，完成示教。

取枪充电可由管理人员通过触摸屏操作或用户通过智能手机操作，取枪充电过程控制方法包括以下步骤：

步骤S201：待充电电动公交车停车至充电车位，打开充电插座装饰盖和保护盖。

步骤S202：用户通过触摸屏或智能手机向控制系统发出取枪充电指令。

步骤S203：控制系统收到取枪指令后，控制六轴机械臂带动机械手从待机位置坐标P1(X1、Y1、Z1、U1、V1、W1)运动到充电桩附近的准备取枪位置坐标P3(X3、Y3、Z3、U3、V3、W3)。

步骤S204：控制系统检测步骤S203动作完成信号，控制六轴机械臂带动机械手从准备取枪位置坐标P3(X3、Y3、Z3、U3、V3、W3)直线运动到取枪位置坐标P2(X2、Y2、Z2、U2、V2、W2)。

步骤S205：控制系统检测步骤S204动作完成信号，机械手控制模块控制机械手抓手驱动气缸抓紧充电枪，可编程控制器检测到抓手抓紧信号后，控制锁扣操作气缸伸出，按下充电枪锁扣解锁。

步骤S206：可编程控制器检测到锁扣解锁信号，控制六轴机械臂带动抓紧充电枪的机械手从取枪位置坐标P2(X2、Y2、Z2、U2、V2、W2)直线运动到拔枪位置坐标P3(X3、Y3、Z3、U3、V3、W3)，将充电枪从充电桩的插座拔出。

步骤S207：控制系统检测步骤S206动作完成信号，控制六轴机械臂从充电站转出，转动到待充电电动公交车的充电插座法向方向附近。

步骤S208：控制系统检测步骤S207动作完成信号，控制六轴机械臂带动机械手、组合定位模块运动到示教的组合定位检测位置坐标P4(X4、Y4、Z4、U4、V4、W4)。

步骤S209：控制系统检测步骤S208动作完成信号，控制系统读取激光位移传感器检测值D2，工业控制计算机计算待充电电动公交车相对示教时的位移变化量dd＝D2—D1，并得到新的组合定位检测位置坐标P41(X4+dd、Y4、Z4、U4、V4、W4)。

步骤S210：控制六轴机械臂带动机械手、组合定位模块从示教的组合定位检测位置坐标P4(X4、Y4、Z4、U4、V4、W4)运动到新的组合定位检测位置坐标P41(X4+dd、Y4、Z4、U4、V4、W4)。

步骤S211：控制系统检测步骤S210动作完成信号，向视觉定位单元发出触发指令，视觉定位单元输出待充电电动公交车的充电插座检测结果(坐标)VP2(VY2、VZ2)，工业控制计算机计算待充电电动公交车充电插座相对示教时的偏移量dvy＝VY2—VY1、dvz＝VZ2—VZ1，然后计算新的插枪充电位置坐标P51(X5+dd、Y5+dvy、Z5+dvz、U5、V5、W5)、新的位置坐标P61(X6+dd、Y6+dvy、Z6+dvz、U6、V6、W6)，其中，该新的位置坐标P61(X6+dd、Y6+dvy、Z6+dvz、U6、V6、W6)有四个定义，一是新的准备插枪位置坐标，二是新的空手退回位置坐标，三是新的准备退枪位置坐标，四是新的携枪退回位置坐标。

步骤S212：控制六轴机械臂带动机械手从新的组合定位检测位置P41(X4+dd、Y4、Z4、U4、V4、W4)运动到新的准备插枪位置坐标P61(X6+dd、Y6+dvy、Z6+dvz、U6、V6、W6)。

步骤S213：控制系统检测步骤S212动作完成信号，控制六轴机械臂带动机械手从新的准备插枪位置坐标P61(X6+dd、Y6+dvy、Z6+dvz、U6、V6、W6)直线运动到新的插枪充电位置坐标P51(X5+dd、Y5+dvy、Z5+dvz、U5、V5、W5)，将充电枪插入待充电电动公交车的充电插座中。

步骤S214：机械手控制模块控制机械手的锁扣操作气缸缩回，充电枪锁扣上锁，并锁定在待充电电动公交车的充电插座上。

步骤S215：可编程控制器检测到锁扣上锁信号，工业控制计算机向充电桩发送命令查询充电枪与充电插座的连接状态，充电桩检测充电连接状态，检测到充电枪插接到位后，向工业控制计算机发送准备好状态。

步骤S216：工业控制计算机向充电桩发出启动充电命令，充电桩启动充电作业。

步骤S217：机械手控制模块控制机械手抓手驱动气缸松开充电枪。

步骤S218：可编程控制器检测到抓手松开信号，控制六轴机械臂带动机械手运动到新的空手退回位置坐标P61(X6+dd、Y6+dvy、Z6+dvz、U6、V6、W6)。

步骤S219：控制系统检测步骤S218动作完成信号，控制六轴机械臂带动机械手转回充电站的充电桩附近。

步骤S220：控制系统检测步骤S219动作完成信号，控制六轴机械臂带动机械手运动到待机位置坐标P1(X1、Y1、Z1、U1、V1、W1)，取枪充电过程结束。

充电作业完成后，需要从电动公交车的充电插座中拔出充电枪并插入充电桩的插座，充完收枪可由管理人员通过触摸屏操作或用户通过智能手机操作，充完收枪过程控制方法包括以下步骤：

步骤S301：用户通过触摸屏或智能手机向控制系统发出充完收枪指令。

步骤S302：工业控制计算机向充电桩发出停止充电命令，充电桩停止充电作业，进一步，工业控制计算机向充电桩发送命令查询充电桩工作状态，充电桩向工业控制计算机发送停止状态。

步骤S303：控制六轴机械臂从充电站转出，转动到待充电电动公交车充电插座法向方向附近。

步骤S304：控制系统检测步骤S303动作完成信号，控制六轴机械臂带动机械手运动到新的组合定位检测位置坐标P41(X4+dd、Y4、Z4、U4、V4、W4)。

步骤S305：控制系统检测步骤S304动作完成信号，控制六轴机械臂从新的组合定位检测位置坐标P41(X4+dd、Y4、Z4、U4、V4、W4)运动到新的准备退枪位置坐标P61(X6+dd、Y6+dvy、Z6+dvz、U6、V6、W6)。

步骤S306：控制系统检测步骤S305动作完成信号，工业控制计算机根据新的插枪充电位置坐标P51(X5+dd、Y5+dvy、Z5+dvz、U5、V5、W5)和下垂补偿坐标dP(dX、dY、dZ、dU、dV、dW)计算退枪位置坐标P52(X5+dd+dX、Y5+dvy+dY、Z5+dvz+dZ、U5+dU、V5+dV、W5+dW)，然后控制六轴机械臂带动机械手从新的准备退枪位置坐标P61(X6+dd、Y6+dvy、Z6+dvz、U6、V6、W6)直线运动到退枪位置坐标P52(X5+dd+dX、Y5+dvy+dY、Z5+dvz+dZ、U5+dU、V5+dV、W5+dW)。

步骤S307：控制系统检测步骤S306动作完成信号，机械手控制模块控制机械手抓手驱动气缸抓紧充电枪，可编程控制器检测到抓手抓紧信号，控制锁扣操作气缸伸出，按下充电枪锁扣解锁。

步骤S308：可编程控制器检测到锁扣解锁信号，控制六轴机械臂带动机械手从退枪位置坐标P52(X5+dd+dX、Y5+dvy+dY、Z5+dvz+dZ、U5+dU、V5+dV、W5+dW)直线运动到新的携枪退回位置坐标P61(X6+dd、Y6+dvy、Z6+dvz、U6、V6、W6)。

步骤S309：控制系统检测步骤S308动作完成信号，控制六轴机械臂带动抓紧充电枪的机械手转回充电站的充电桩附近。

步骤S310：控制系统检测步骤S309动作完成信号，控制六轴机械臂带动机械手运动到充电桩附近的准备收枪位置坐标P3(X3、Y3、Z3、U3、V3、W3)。

步骤S311：控制系统检测步骤S310动作完成信号，控制六轴机械臂从准备收枪位置坐标P3(X3、Y3、Z3、U3、V3、W3)直线运动到收枪位置坐标P2(X2、Y2、Z2、U2、V2、W2)。

步骤S312：控制系统检测步骤S311动作完成信号，机械手控制模块控制锁扣操作气缸缩回，充电枪锁扣上锁，并锁定在充电桩的插座上，可编程控制器检测到锁扣上锁信号，控制机械手抓手驱动气缸松开充电枪。。

步骤S313：可编程控制器检测到抓手松开信号，控制六轴机械臂带动机械手从收枪位置坐标P2(X2、Y2、Z2、U2、V2、W2)直线退回到收枪退回位置坐标P3(X3、Y3、Z3、U3、V3、W3)。

步骤S314：控制系统检测步骤S313动作完成信号，六轴机械臂带动机械手运动到待机位置坐标P1(X1、Y1、Z1、U1、V1、W1)，充完收枪过程结束。

本发明采用激光位移传感器和视觉定位单元组合确定待充电电动公交车充电插座的位置，应用六轴机械臂带动充电枪机械手，提供了一种用于自动充电站的控制系统的技术方案，具备自动从充电桩抓取充电枪，并插入待充电电动公交车充电插座，再控制充电桩启动充电；充电完成后，能自动停止充电，并从待充电电动公交车的充电插座抓取充电枪、拔出充电枪，再送回充电桩的插座，最后进入待机位置，可实现电动公交车充电自动化作业。本发明与传统的人工作业相比，降低了劳动强度，节省了人力资源成本。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于自动充电站的控制系统，其特征在于，包括工业控制计算机、可编程控制器、六轴机械臂控制器、机械手控制模块、组合定位模块、充电桩和监控模块；

所述工业控制计算机包括网络通信接口、算术和逻辑运算单元、数据处理和保存单元、输入设备，并以显示器作为终端，实现人机交互，具体为：初始化和保存六轴机械臂的示教轨迹位置坐标；选择远程智能手机控制或者就地触摸屏控制；在示教控制模式下，单步点动控制六轴机械臂，记录并保存示教轨迹位置坐标；在运行模式下，根据示教的轨迹位置坐标数据和组合定位模块的检测数据，自动控制从充电桩的插座抓取并拔出充电枪、插入待充电电动公交车的充电插座并启动充电，或停止充电、从待充电电动公交车的充电插座拔出充电枪并插入充电桩的插座，作业完成后控制六轴机械臂带动机械手进入待机位置；

所述可编程控制器和所述工业控制计算机通信连接；

所述六轴机械臂控制器与所述工业控制计算机通信连接，用于接收所述工业控制计算机发送的目标位置坐标和向所述工业控制计算机反馈当前位置坐标；所述工业控制计算机、所述可编程控制器和所述六轴机械臂控制器相配合使用，并协调控制六轴机械臂末端按设定动作运动到目标位置；

所述机械手控制模块用于控制机械手上的抓手驱动气缸和锁扣操作气缸，实现抓紧或松开充电枪、解锁或上锁充电枪锁扣；所述机械手控制模块与所述可编程控制器电连接，并将监测结果传输给所述可编程控制器；

所述组合定位模块用于检测待充电电动公交车的充电插座位置，并将检测结果传输给所述工业控制计算机；

所述充电桩与所述工业控制计算机通信连接，接收所述工业控制计算机发送的启动充电和停止充电命令，并将充电枪与充电插座的连接状态、充电桩的工作状态传输给所述工业控制计算机；

所述监控模块包括所述显示器、所述触摸屏和所述智能手机，并用于实现人机交互。

2.根据权利要求1所述的一种用于自动充电站的控制系统，其特征在于，所述可编程控制器包括开关量输入模块、开关量输出模块和模拟量输入模块。

3.根据权利要求2所述的一种用于自动充电站的控制系统，其特征在于，所述六轴机械臂控制器包括可编程定义功能的开关量输入模块和开关量输出模块；

所述六轴机械臂控制器的开关量输出模块和所述可编程控制器的开关量输入模块电连接，用于反馈六轴机械臂的工作状态；

所述六轴机械臂的开关量输入模块和所述可编程控制器的开关量输出模块电连接，用于使能六轴机械臂动作和复位六轴机械臂故障。

4.根据权利要求1所述的一种用于自动充电站的控制系统，其特征在于，所述机械手控制模块包括第一电磁阀、第二电磁阀、第一磁性开关、第二磁性开关、第三磁性开关和第四磁性开关；

所述第一电磁阀的气口与所述抓手驱动气缸通过气管连接，所述第一电磁阀的控制线圈与所述可编程控制器电连接；

所述第二电磁阀的气口与所述锁扣操作气缸通过气管连接，所述第二电磁阀的控制线圈与所述可编程控制器电连接；

所述第一磁性开关设置于所述抓手驱动气缸的活塞杆缩回位置，所述第二磁性开关设置于所述抓手驱动气缸的活塞杆伸出位置，用于对所述抓手驱动气缸的位置进行实时监控；

所述第三磁性开关设置于所述锁扣操作气缸的缩回上锁位置，所述第四磁性开关设置于所述锁扣操作气缸的伸出解锁位置，用于对所述锁扣操作气缸的位置进行实时监控；

所述第一磁性开关、所述第二磁性开关、所述第三磁性开关、所述第四磁性开关均与所述可编程控制器电连接，并将监测结果传输给所述可编程控制器。

5.根据权利要求1所述的一种用于自动充电站的控制系统，其特征在于，所述组合定位模块包括视觉定位单元和激光位移传感器；

所述视觉定位单元包括工业相机、视觉控制器、无影光源、光照度传感器和光源控制器，所述激光位移传感器、所述工业相机、所述无影光源和所述光照度传感器设置在六轴机械臂的末端安装夹具上，所述激光位移传感器发出的光束和所述工业相机的光轴平行；

所述激光位移传感器与所述可编程控制器电连接，并将检测结果通过所述可编程控制器传输给所述工业控制计算机；

所述工业相机和所述视觉控制器电连接，用于采集待充电电动公交车的充电插座图像；

所述无影光源、所述光照度传感器和所述光源控制器电连接，用于保证光照度稳定；

所述光源控制器和所述视觉控制器电连接，用于触发控制所述无影光源；

所述视觉控制器与所述工业控制计算机通信连接，接收所述工业控制计算机发送的视觉检测触发命令，并将检测结果传输给所述工业控制计算机。

6.根据权利要求1所述的一种用于自动充电站的控制系统，其特征在于，在所述监控模块中，

所述显示器与所述工业控制计算机连接，并与所述输入设备相配合使用，用于开发人员操作控制系统和观察系统工作状态；

所述触摸屏与所述可编程控制器通信连接，用于管理人员操作控制系统和观察系统工作状态；

所述智能手机与所述工业控制计算机通信连接，用于用户操作控制系统和观察系统工作状态。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种用于自动充电站的控制系统，其特征在于，还包括安全保护模块，所述安全保护模块包括第一急停按钮、第二急停按钮、第三急停按钮、复位按钮和安全继电器；

所述第一急停按钮设置在所述充电桩上，所述第二急停按钮设置在所述六轴机器臂控制器上，所述第三急停按钮设置在所述触摸屏的安装面板上，所述第一急停按钮、所述第二急停按钮和所述第三急停按钮的常闭触点串联，并与所述安全继电器连接；

所述复位按钮与所述安全继电器连接，用于故障排除后系统的复位；

所述安全继电器的常闭输出触点与所述可编程控制器电连接，并将监测结果通过所述可编程控制器传输给所述工业控制计算机；

在运行模式下，若所述安全保护模块触发，则停止过程，人工介入排除异常后，控制六轴机械臂带动机械手进入待机位置。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的一种用于自动充电站的控制系统，其特征在于，还包括路由器，所述工业控制计算机、所述可编程控制器、所述六轴机器臂控制器、所述视觉定位单元、所述充电桩、所述触摸屏分别通过标准网线与所述路由器连接，所述智能手机通过无线局域网与所述路由器连接。

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