一種新型AGV驅動單元結構設計與分析

張 軍，雷川川

（鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州 450001）

1 引言

在現代化工業中AGV的應用領域越來越廣，生產過程的智能化水平和自動化要求不斷提高，對AGV的性能要求也日漸提高[1]。傳統的三輪機構和四輪機構已經不能夠滿足現代工業自動化的需求。跟隨時代的發展和進步，AGV的發展逐步趨向于重載、全地形、全方位等方向。為了更好的實現與工業應用中的柔性連接，滿足現代工業對于AGV的功能需求。六輪差速驅動機構應運而生。傳統的六輪差速機構主要以前輪為萬向輪，后輪為定向輪，動力單元剛性連接于車體中部等結構布局存在。六輪差速驅動機構的載重能力和平穩性比其他機構較強，但在工作時六輪同時著地，遇到地面的淺凹會導致車體中部驅動輪的懸空，進而導致附著力變小產生打滑現象，遇到地面的微凸會導致前后輪的懸空，引起擺動。

針對六輪差速驅動機構的現有問題，通過分析引起打滑現象出現的原因，對驅動單元進行結構優化設計。通過三種工況分析結構優化的合理性。傳統的結構校核運用的是經典力學理論進行分析計算，其缺點：計算復雜、耗時長[2]。采用功能完善的ANSYS15.0對驅動單元結構進行分析，能夠減少分析時間、降低成本。對AGV驅動單元結構的校核，能夠確保AGV驅動單元結構優化的可行性、合理性和強度可靠性。

2 新型驅動單元結構設計

2.1 AGV驅動單元組成和工作過程

AGV動力單元主要包括：驅動電機、驅動輪、傳動結構、驅動殼體、連接結構。AGV驅動單元主要依靠驅動電機為動力來源通過鏈傳動、齒輪傳動、帶傳動等傳動機構傳輸動力給驅動輪，通過和車體的連接結構為整個AGV小車提供前進后退的動力。AGV驅動單元是整車運動中關鍵的組成部分。

2.2 新型驅動單元結構模型建立

新型驅動單元主要針對載重500kg，運行速度為30m/min的背負式AGV小車進行設計，所設計的獨立懸掛的驅動單元與車體的連接方式為柔性連接，通過最大載荷選擇適用的彈簧。根據參數要求通過AGV所受力的分析計算，及其相關因數影響的考量，從而得到AGV小車所需的總驅動力，再通過效率和傳動比換算進而選擇合適的電機。驅動輪采用聚氨酯和橡膠材料的較多，考慮聚氨酯的耐磨性，本設計采用聚氨酯驅動輪，相關滾動阻力系數參考值，如表1所示。

表1 滾動阻力系數參考值Tab.1 Reference Value of Rolling Resistance Coefficient

根據所選用的標準件尺寸運用SolidWorks軟件建立相關的驅動殼體和連接結構模型。結構圖，如圖1所示。

圖1 新型動力單元結構圖Fig.1 Structure of a New Type of Power Unit

新型驅動單元的驅動殼體分左右兩部分獨立懸掛，上部通過彈簧和光軸與連接板柔性連接，可以保證驅動單元的上下運動。獨立的驅動殼體與三個光軸以三角形的布局方式連接，保證了整個裝置的穩定性。鏈傳動具有穩定的傳動比和穩定性，所以驅動電機和驅動輪通過鏈傳動的傳動方式連接。驅動殼體的前后端各種有兩個直線導軌。

3 驅動單元與車體連接結構對比分析

現在大多廠區的地面是地坪漆，摩擦系數較小，地面也會有偶爾的淺凹和微凸。如果不能解決地形對AGV在運行中的影響，就不能保證其運行的平穩性和定位的可靠性。針對驅動單元與車體不同的連接方式（剛性和柔性），進行不同工況下的對比分析。兩種連接結構時不同工況的工作示意圖，如圖2所示。

圖2 驅動單元與車體不同連接方式工作示意圖Fig.2 The Driving Unit and the Vehicle Body are Connected in Different Ways

3.1 驅動單元與車體剛性連接結構工況分析

在趨于平坦的工作地面，如圖2（1）a工況所示。AGV小車六輪同時著地，驅動單元產生的驅動力足夠滿足小車工作時的動力需求，這是理想狀態下的工作狀態。AGV能夠按照預先設定的運動軌跡進行運動。

圖2（1）b工況，在一些工作廠區，地面沒有嚴格的水平度，會出現一定程度的淺凹，在啟動或運行過程中，前后兩端的萬向輪起到主要的支撐作用，中間的驅動輪會由于與車體是剛性連接而懸空或與地面產生的附著力減小，在此種情況下，驅動力大于附著力，會出現明顯的打滑情況，AGV就不能按照預設的軌道上進行運動，失去工作的動力。

圖2（1）c工況，地面的不平整度除了有淺凹，還會有微凸的情況。在遇到微凸的地況時，會出現驅動輪著地，而前后兩端的萬向輪一端著地的情況。在此情況下，由于萬向輪的懸空，會引起AGV小車的前后擺動，進而導致AGV小車運行的穩定性減弱，對所運輸的物體產生不必要的震動，破壞物體的表面，引起物體的變形。

3.2 新型驅動單元與車體柔性連接工況分析

圖2（2）a工況，AGV小車采用前后車體通過車架固定為一體，驅動單元獨立存在，通過直線導軌與車體相連，直線導軌可以保證驅動單元上下運動的同時可以實現驅動單元對車體的推力傳遞。托板以及所背負的重量通過連接板和彈簧直接施加到驅動單元上。為了更好的保障驅動單元能夠根據地形的起伏進行相對于車體的上下運動，托板與車架通過四個導向光軸進行柔性連接。驅動單元下部的驅動輪分別通過電機單獨控制，具有獨立的驅動殼體，可有效的保障獨立懸掛的驅動單元結構工作時的可靠性。

圖2（2）b工況，此示意圖表示新型驅動單元在遇到淺凹工作地面時的工作狀態。當前后萬向輪著地，驅動單元由于背負著大部分重量而相對于車體通過直線導軌向下攢動，從而與地面完全接觸。增大了對于地面的正壓力[3]。由于驅動輪與地面的壓力完全由所背負的載重提供，所以所產生的摩擦力（地面附著力）大于驅動力，從而保證了AGV的正常工作，有效的避免了打滑不利現象的產生。

圖2（2）c工況，此示意圖表示新型驅動單元遇到微凸工作地面時的工作狀態。由于新型驅動單元采用和車體柔性連接的方式，可以相對于車體上下運動，從而可以保證車體與地面時刻接觸，不會出現前后車體的萬向輪懸空。從根本上避免了車體的前后擺動，增強了AGV小車運行的穩定性。

4 新型驅動單元應力分析

有限元思想是一種將連續的求解域離散成為有限個單元組合，這些離散體是由單元、節點連接構成的集合，來無限的靠近原來連續的求解域，從而把連續問題轉化為離散問題，把無限自由度問題轉化為有限自由度問題，從而分析結果逼近事實結果[4]。本結構運用ANSYS15.0進行相關分析計算，驗證是否可靠。

4.1 簡化和導入分析模型

為了方便在計算中得到可靠的數據結果，對于所建立的三維模型進行模型簡化，對于不影響受力和本身不受力傳力的模型進行壓縮。對于電機、直線導軌、齒輪進行壓縮。然后保存為兼容格式（x-t）導入軟件中，為分析計算做準備。

4.2 定義單元類型和網格劃分

在分析過程中所分析目標不同，單元類型的采用也不一樣，選擇合適的單元類型對于所分析的結果也有一定的保障性。由于AGV驅動單元殼體是主要的受力部位，所以選用SOLID95單元。

網格劃分在有限元分析中占有重要的地位，是把分析目標劃分為有限個離散體（四面體和六面體）。分析計算的速度和結果也會受到網格劃分的影響。在ANSYS中主要的劃分方法為：自由網格劃分、延伸網格劃分、映射網格劃分和自適應網格劃分[5]。由于AGV驅動單元殼體是主要的受力部位，所以需要對其進行網格細化。劃分網格后，nodes個數為703422，element個數為168323。驅動單元模型網格劃分，如圖3所示。

圖3 驅動單元網格模型Fig.3 The Mesh Model of Driving Unit

4.3 施加約束和載荷

對于AGV新型驅動單元的分析，是驗證所選結構能否滿足強度需求，對于驅動輪采用固定約束（fixed support），其他接觸按照合適的接觸方式進行定義，法蘭和法蘭定義為rough，螺栓和殼體定義為bonded。AGV所需要的最大載重為500kg，取安全系數為1.2，所以在托板上方需向下平均施加6000N的作用力。施加所受載荷結果，如圖4所示。

圖4 驅動單元施加載荷圖Fig.4 Load Diagram of Drive Unit

4.4 結果分析

從AGV新型動力單元的結構模型的等效應力分布云圖，如圖5所示。從圖5中可以發現，AGV驅動單元的主要受力部位主要分布在驅動軸以及與驅動殼體連接的部分。驅動單元主要承擔載荷，驅動軸是主要的受力部件，最大受力值為208.96MPa，驅動單元是AGV小車的關鍵部分，所選用的材料為45#鋼，材料的許用應力值為235MPa。由分析結果可知模型受力值在材料許用應力值安全范圍內，因此該結構滿足應力要求。

圖5 等效應力分布圖Fig.5 Equivalent Stress Distribution Diagram

5 樣機實測

根據新型驅動單元結構建立相應AGV車體結構，通過加工，完成樣機的制作。搭建基于PLC的控制系統，實現AGV的行走、轉彎、避障等基本功能。所制作樣機中新型驅動單元，如圖6所示。

圖6 新型驅動單元樣機Fig.6 The Prototype of the New Driving Unit

制作好的新型驅動單元與車體配合，在平整路面和淺凸微凹路面行駛結果正如分析結果一樣。在平整路面沒有出現打滑和擺動現象，在淺凸微凹路面AGV小車也能在不打滑和擺動的情況下自如的完成行走和轉彎功能。根據樣機實測可知所設計的一種AGV新型驅動單元能夠解決傳統六輪機構的相關問題，適應多地形的工作。

6 結束語

AGV在現代工業中應用較為廣泛，AGV驅動單元是AGV結構中關鍵的組成部分。所完成設計制作的獨立懸掛的新型驅動單元，通過驅動單元與車體連接結構對比分析，能夠有效的解決由于工作地面的不平整引起的打滑和擺動問題。最后通過運用ANSYS15.0軟件對于驅動單元結構進行應力分析，結果表明：在滿足使用要求的情況也滿足強度要求。