麥克納姆輪平衡重式AGV叉車的總體設(shè)計(jì)與研究

高峰

摘? 要：基于麥克納姆輪（簡(jiǎn)稱麥輪）結(jié)構(gòu)方式和具有零轉(zhuǎn)彎半徑的特點(diǎn)，該文對(duì)麥輪平衡重式AGV叉車總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。對(duì)總體布局中叉車重心的位置、總體參數(shù)進(jìn)行了分析和研究。對(duì)行走系統(tǒng)的麥輪、伺服電機(jī)、減速機(jī)、及液壓系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算。該文分析了全車動(dòng)力源供電結(jié)構(gòu)，導(dǎo)航方式、避障及安全系統(tǒng)。同時(shí)引入了叉車試驗(yàn)的4種穩(wěn)定性在總體設(shè)計(jì)中進(jìn)行分析與研究，全方位考慮問(wèn)題，提高了總體設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，對(duì)成品的樣機(jī)每一項(xiàng)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求。

關(guān)鍵詞：麥克納姆輪;AGV平衡重式叉車;總體設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH22? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著物流自動(dòng)化的發(fā)展和需求， AGV叉車是倉(cāng)儲(chǔ)物流、智能工廠的一個(gè)重要設(shè)備。它是以電池為動(dòng)力源，具有舉升、動(dòng)力導(dǎo)向、路徑識(shí)別、安全避障和自動(dòng)充電等功能。在無(wú)人駕駛的情況下，實(shí)現(xiàn)自主搬運(yùn)貨物到指定位置進(jìn)行擺放、堆垛，對(duì)生產(chǎn)、運(yùn)輸、成本管理有重要意義。傳統(tǒng)的輪式AGV叉車需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑、直角通道才能在工況下作業(yè)。但對(duì)一些空間狹窄或特殊的路徑場(chǎng)合，傳統(tǒng)的AGV叉車并不滿足該工況?；诖?，該文的輪式AGV叉車采用動(dòng)力相互獨(dú)立的4個(gè)麥克納姆輪結(jié)構(gòu)，具有零轉(zhuǎn)半徑的特點(diǎn)，在不改變車身方向的情況下，可以在平面內(nèi)做任意方向的移動(dòng)，提高了倉(cāng)儲(chǔ)、物流的空間的利用率。該文闡述了麥輪AGV叉車的總體設(shè)計(jì)，其根據(jù)市場(chǎng)需求、工況要求，設(shè)計(jì)和布局外形尺寸、各性能參數(shù)、導(dǎo)航方式等。初步確定整機(jī)尺寸參數(shù)，選定軸距、輪距，自重、前懸距和后懸距等。具體從3個(gè)方面進(jìn)行論述。

1 整機(jī)重心的分布

確定整機(jī)重心的位置很重要。傳統(tǒng)叉車試驗(yàn)證明，空載前橋負(fù)荷滿足40%左右，滿載前橋負(fù)荷滿足90%左右是符合國(guó)家試驗(yàn)要求的。該文的麥輪叉車，如果按照傳統(tǒng)叉車進(jìn)行重心分布，滿載時(shí)，橫向行動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)斜向偏移。不僅會(huì)影響傳動(dòng)效率，更會(huì)影響導(dǎo)航的精度。所以在設(shè)計(jì)時(shí)要遵循滿載和空載前后橋負(fù)荷接近1∶1;由此增加一個(gè)可移動(dòng)的配重，在叉車滿載時(shí)，可移動(dòng)配重通過(guò)一個(gè)機(jī)構(gòu)向車體后移，改變整車的重心位置，使?jié)M載時(shí)前后橋重量幾乎相等。叉車空載時(shí)，可移動(dòng)的配重沿著車體進(jìn)行前移，使前后橋重量幾乎相等。就是說(shuō)，時(shí)刻保證4個(gè)輪子承載重量接近相等。

2 確定總體參數(shù)

根據(jù)工況需求，可確定自重M、額定起重量m、滿載運(yùn)行最大速度V、滿載爬坡度α、動(dòng)摩擦系數(shù)f、加速度a、起升高度h、軸距L、輪距C、滿載起升速度V1等參數(shù)。

3 行走系統(tǒng)的選擇

行走系統(tǒng)由輪系、伺服電機(jī)、減速機(jī)組成。伺服電機(jī)和減速機(jī)的性能參數(shù)決定了整車的動(dòng)力性能。麥輪的直徑?jīng)Q定著整車重心高度和抗翻能力，即麥輪的強(qiáng)度、高度決定了整車的穩(wěn)定性、行走能力、運(yùn)行精度等。

3.1 輪系的選擇

采用均布的4點(diǎn)支撐，根據(jù)整機(jī)重量和承載量，計(jì)算出每個(gè)輪子的承載力，考慮一定的安全系數(shù)，再進(jìn)行麥輪的選擇，確定直徑。

3.2 伺服電機(jī)的選擇

伺服電機(jī)的選擇要考慮整車的起步、爬坡、行駛、加速和橫向移動(dòng)等動(dòng)力因素，根據(jù)工況實(shí)際要求進(jìn)行選擇。

3.2.1 功率的計(jì)算

3.2.2 扭矩的計(jì)算

M坡= [ （M+m）g×sinα+μ（M+m）g×cosα+（ M+m）a ]×（D/2）

式中：M-叉車自重，kg。m-額定起重量，kg。V-滿載最大運(yùn)行速度，km/h。f-滾動(dòng)阻力系數(shù)，取f=0.045-0.06。η-運(yùn)行的傳動(dòng)效率，取0.85。α-爬坡度，%。D-麥輪直徑，m。a-加速度，m/s2。N總-伺服電機(jī)的總功率，kW。M坡-爬坡扭矩，N·m。綜上所述，通常取滿載在無(wú)坡道和有坡道2種工況下取最大值進(jìn)行電機(jī)的計(jì)算，同時(shí)要結(jié)合麥輪橫向移動(dòng)方式的特點(diǎn)，確定每個(gè)電機(jī)的功率、額定轉(zhuǎn)速及編碼器、驅(qū)動(dòng)器等。

3.3 減速機(jī)的選擇

確定減速機(jī)的傳動(dòng)比

結(jié)合電機(jī)參數(shù)選擇減速機(jī)，確定電機(jī)和減速機(jī)參數(shù)及曲線圖進(jìn)行匹配。原則是傳到輪子的動(dòng)力要大于輪子與地面的摩擦力;同時(shí)要有滿足牽引性能。

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇

4.1 系統(tǒng)的壓力確定

根據(jù)起升重量和內(nèi)門架及叉架的重量，確定起升壓力，乘以一個(gè)過(guò)載1.25倍的系數(shù)，考慮5%～10%的壓力損失，最終得到起升系統(tǒng)的額定壓力P。

4.2 起升系統(tǒng)油缸的選擇

根據(jù)起升系統(tǒng)的額定壓力P，來(lái)選擇油缸參數(shù)，暫設(shè)定油缸面積為S。

4.3 確定起升系統(tǒng)的流量

Q=V1×S

4.4 油泵的選擇

在系統(tǒng)壓力P和流量Q下，結(jié)合油泵特性曲線圖，選取排量q。

4.5 油泵電機(jī)的選擇

4.5.1 油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速

4.5.2 油泵電機(jī)功率

式中： n1-行走電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 r/min。P-系統(tǒng)的額定壓力 MPa。Q-起升系統(tǒng)的流量 L/min。V1-滿載起升速度V1。S-起升油缸的面積 mm2。q-泵的排量 mLr。n2-油泵電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 r/min。ηv-泵的容積效率，取0.9。泵電機(jī)功率 kW。i-傳動(dòng)比。ηP-傳動(dòng)效率，取0.85。

4.6 換向閥的選擇

通常選用比例電磁閥，原則是選用的額定流量和額定壓力大于上述計(jì)算的壓力和流量。

5 動(dòng)力源的選擇

全車系統(tǒng)總功率P0是由行走系統(tǒng)的伺服電機(jī)功率P1、控制器功率P2、液壓系統(tǒng)的電機(jī)功率P3、控制器功率P4，遙控器功率P5以及其他輔件上損耗的功率P5之和組成。電池容量和續(xù)航時(shí)間是設(shè)計(jì)者重點(diǎn)考量的技術(shù)指標(biāo)。一般的續(xù)航時(shí)間在3 h左右，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能完成工作，并能自動(dòng)連接電源充電。一般要求快速充電在2 h以內(nèi)完成。

6 工作裝置的選擇

一般采用兩級(jí)和三級(jí)起升工作裝置，能精準(zhǔn)地控制貨物的起升高度。

7 導(dǎo)航系統(tǒng)的選擇

叉車的導(dǎo)航方式有慣性、視覺(jué)二維碼、有反和無(wú)反激光導(dǎo)航常見(jiàn)的幾種。慣性導(dǎo)航通過(guò)對(duì)陀螺儀偏差信號(hào)的計(jì)算及地面磁釘信號(hào)采集來(lái)確定自身的位置和方向。地面需要施工鋪設(shè)磁釘，無(wú)需維護(hù)，定位精度一般，磁釘需要進(jìn)口較多，成本較高。視覺(jué)二維碼導(dǎo)航通過(guò)讀取網(wǎng)格狀布設(shè)的二維碼，確定絕對(duì)值坐標(biāo)和方位，地面需要鋪設(shè)二維碼，需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)，定位精度一般，成本較高。有反激光導(dǎo)航通過(guò)測(cè)量預(yù)先布設(shè)的地標(biāo)（反光板）來(lái)確定當(dāng)前的位置和方向。周邊需要施工布設(shè)反光板，路徑可任意變更，無(wú)需維護(hù)，定位精度高，成本高。無(wú)反激光導(dǎo)航通過(guò)四周的輪廓特征點(diǎn)來(lái)確定其當(dāng)前的位置和方向，不改變環(huán)境、不需要施工，路徑可任意變更，無(wú)需維護(hù)，定位精度中等，成本高。通過(guò)對(duì)比，采用有反和無(wú)反激光導(dǎo)航比較好。

8 避障系統(tǒng)

可采用激光、光電、紅外、超聲等多重避障方式，加上車體機(jī)械碰撞感應(yīng)傳感器，全方位避障，規(guī)避各種潛在危險(xiǎn)。

9 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)和手動(dòng)遙控系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是AGV叉車的核心部件，負(fù)責(zé)接收上位機(jī)各種信號(hào)，經(jīng)CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出控制策略，并輸出相應(yīng)的控制量對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，完成一系列的運(yùn)動(dòng)、門架的起升等功能。自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)是保證AGV叉車能夠自主行駛的關(guān)鍵模塊。手動(dòng)遙控系統(tǒng)主要是通過(guò)手柄來(lái)實(shí)現(xiàn)AGV叉車運(yùn)動(dòng)和工作裝置的起升等功能。手動(dòng)遙控系統(tǒng)包括無(wú)線電遙控、紅外線遙控、超聲波遙控3種，可根據(jù)工況要求進(jìn)行選擇。

10 安全系統(tǒng)

為保證設(shè)備、工件、人身安全等因素，應(yīng)滿足如下要求：當(dāng)車充電時(shí)，所用控制方式都不起作用，不能對(duì)整車進(jìn)行操縱控制。當(dāng)車啟動(dòng)后，車體上自動(dòng)充電口處電壓為零，以免意外發(fā)生觸電事故。車設(shè)有緊急停車按鈕，當(dāng)無(wú)線遙控器出現(xiàn)故障或整車出現(xiàn)非正常工作時(shí)，可按下急停按鈕切斷電源。具有聲、光、語(yǔ)音提示等報(bào)警功能，能自動(dòng)故障診斷和畫面提示操作并及時(shí)反饋信息。

11 穩(wěn)定性試驗(yàn)

重心位置確定。標(biāo)準(zhǔn)無(wú)載，門架垂直，利用各部件重量Gi與ai（距前橋中心長(zhǎng)度）之積的總數(shù)與叉車總重確定xo（重心與前橋中心距離）利用各部件重量Gi與地面距離ni之積的總數(shù)與總重量Go確定yo（重心與地面距離）。

計(jì)算得：xo=（∑Giai）/ Go; yo=（∑Gini）/ Go。

叉車滿載堆垛的縱向穩(wěn)性? tgθ1=e1/hg1>0.4為合格。叉車滿載運(yùn)行時(shí)的縱向穩(wěn)定性? tgθ2=e2/hg2>18%為合格。叉車滿載運(yùn)行時(shí)橫向穩(wěn)定性tgθ3=e3/hg3>6%為合格。叉車空載運(yùn)行時(shí)橫向穩(wěn)定性tgθ4=e4/ hg4>（15+1.4v）%為合格。 以上4種是我國(guó)叉車GB/T 3300—2010試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)。從以上4種狀態(tài)可以推導(dǎo)出，降低叉車的重心對(duì)橫向和縱向穩(wěn)定性是有好處的。叉車的重心越靠后，縱向穩(wěn)定性越好，但橫向穩(wěn)定性不好。因此，對(duì)于總體設(shè)計(jì)階段的叉車，也要考慮以上四式穩(wěn)定性條件可以進(jìn)行合理的布局，使叉車的性能更優(yōu)越。

12 結(jié)語(yǔ)

從以上幾個(gè)方面介紹了麥克納姆輪平衡重式AGV叉車的總體設(shè)計(jì)方法、步驟、簡(jiǎn)要的計(jì)算和導(dǎo)航、控制系統(tǒng)、安全性等，把控全局，規(guī)范產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，理論結(jié)合實(shí)際，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量，完善產(chǎn)品的可靠性。

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