重載AGV小車設(shè)計

中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 楊閱兵 生一 葛睿 范文瀚 蒙俊儒

引言

AGV（Automated Guided Vehicle）即自動導(dǎo)引車，它是一種以電池為動力，裝有定位系統(tǒng)和自動導(dǎo)向裝置的自動化搬運(yùn)車輛。它將控制工程、機(jī)械工程以及人工智能等學(xué)科的技術(shù)融為一體，將其技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)線以及自動物流搬運(yùn)等系統(tǒng)，是目前發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。它的主要特征表現(xiàn)為自動化程度高、線路識別裝置、移載功能以及安全保護(hù)等。AGV技術(shù)的不斷發(fā)展，促成了自動化物流以及生產(chǎn)線效率的大幅提高，從而極大地提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)自動化程度。

在全球工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的浪潮中，AGV逐步應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域。對于常規(guī)應(yīng)用,如普通汽車裝配、物流倉儲、煙草、食品、醫(yī)藥等行業(yè)，AGV的負(fù)載一般在2t以內(nèi)，而面對重型負(fù)載的加工制造、搬運(yùn)等自動化作業(yè)，普通AGV難以滿足其需求，需要由重載AGV來實(shí)現(xiàn)。隨著科技的不斷發(fā)展，未來重載AGV將被更廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域，其應(yīng)用將是一個信息化、數(shù)字化、綠色化、智能化的系統(tǒng)工程。

1 研究背景

在新中國成立之后,我國的重工業(yè)飛速發(fā)展,在各個領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中,只有一小部分的時間用于生產(chǎn)加工,其余絕大部分的時間都用來等待加工,裝卸和運(yùn)輸.隨著企業(yè)對各類大型設(shè)備的需求量越來越大,很多搬運(yùn)任務(wù)僅靠人工難以完成,所以越來越多的企業(yè)選擇使用重載AGV來代替人工,AGV小車（Automated Guided Vehicle）是一種可以實(shí)現(xiàn)自動化、無人駕駛的小車。通過車上的自動導(dǎo)引裝置，沿著預(yù)先設(shè)定好的軌跡運(yùn)動，以達(dá)到搬運(yùn)重物的目的。20世紀(jì)50年代，AGV首先出現(xiàn)于國外，到了70年代末，整個歐洲的AGV自動導(dǎo)引車達(dá)到了4800臺，并在1985年左右達(dá)到了相對成熟的階段。在我國，AGV的發(fā)展起步較晚，1976年，北京起重運(yùn)輸研究所研制出第一臺AGV，建成第一套AGV滾珠加工演示系統(tǒng)。此后便開始了我國AGV小車的發(fā)展歷程。我國自主研制生產(chǎn)的一系列AGV小車應(yīng)用到了我國各個領(lǐng)域的生產(chǎn)制造之中，并逐漸向國外出口，走向了國際市場。

2 應(yīng)用實(shí)景

在航空航天領(lǐng)域，傳統(tǒng)工藝中，軍用設(shè)備如火箭、飛機(jī)等重型零部件的安裝都需要人工操作，如此一來不但需要花費(fèi)大量的人力物力，還要花費(fèi)不少的時間和精力，另外還要承擔(dān)安裝失敗的損失。因此，靈活性與適應(yīng)性較差，效率較低。面對這一難題，如今利用重載AGV設(shè)備來完成這項(xiàng)工作，效果相當(dāng)不錯。

在港口碼頭，從整個全球港口的發(fā)展趨勢來看，智慧港口是全球所有港口企業(yè)面臨的轉(zhuǎn)型升級與創(chuàng)新的必然趨勢。隨著集裝箱船日漸大型化，碼頭吞吐量也在急劇增加，作為智能化搬運(yùn)設(shè)備的AGV近年來作用越發(fā)凸顯。

在能源、化工、機(jī)械等重工業(yè)領(lǐng)域（如圖1），隨著我國經(jīng)濟(jì)的增長，傳統(tǒng)運(yùn)輸貨物的方式難以滿足現(xiàn)在的需求，一些體積巨大、安裝難度大的貨物難以實(shí)現(xiàn)全方位自由運(yùn)動，難以滿足生產(chǎn)運(yùn)輸需求。而重載AGV則是向重型工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級的有力工具，它具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，很強(qiáng)的抗干擾能力和目標(biāo)識別能力，可以有效減少人力成本、提高生產(chǎn)效率。

圖1 應(yīng)用實(shí)景

3 運(yùn)載過程受力分析

如圖2所示，AGV主要包含了車架和車殼，車架作為承載重物的主要部件，是AGV車機(jī)械部分的關(guān)鍵，要求足夠的剛度和強(qiáng)度滿足車體運(yùn)行時的要求，采用焊接鋼結(jié)構(gòu)，車架外殼采用3mm左右的鋼板或鋁合金板。在材料上選用16#a熱軋槽鋼，并且在鋼表面進(jìn)行防銹處理。

圖2 車體結(jié)構(gòu)

設(shè)計小車尺寸長為2560mm，寬為1350mm，高為500mm。

設(shè)定AGV整車重量為600kg；其中車殼重150kg，車架重290kg，驅(qū)動及電池重160 kg。

最大負(fù)載Mmax：3800 kg；

最高行駛速度Vmax=0.7m/s；

通過對AGV小車的實(shí)地調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，AGV小車在運(yùn)載重物的過程中存在一定的阻力，在實(shí)際工作環(huán)境中的阻力主要有滾動阻力、斜坡阻力，以及空氣阻力等。

設(shè)空氣阻力Fw，坡道阻力為Fw，滾動阻力為Ff，加速阻力為Fj。

空氣阻力F=-KV,K=ρV2CDA/2，式中K為空氣阻力系數(shù)，ρ為空氣密度，V為小車車速，CD為氣動阻力系數(shù)，A為小車迎風(fēng)面積，本設(shè)計中AGV小車的最高行駛速度為0.7m/s，迎風(fēng)面積較小，因此空氣阻力對于AGV小車的影響忽略不計。

由于地面平整度的影響，AGV小車在運(yùn)載過程中，需克服由于坡度產(chǎn)生的動分力。車在坡道上行駛時其重量可以分解為平行于坡面上的力和垂直于坡面上的力，平行于坡面上的分力是坡度引起的坡道附加阻力。在爬坡的過程中就要克服這一部分力，即：Fr=G*sinα。根據(jù)AGV整車重量為600 kg，最大負(fù)載重量為3800kg。式中G為整車重量和小車負(fù)載的總重量；對于普通路面，取7%的常見坡度，換算為角度為arctan0.07=4.00°，取路面最大坡度α=4°

當(dāng)小車輪胎在普通的硬路面上直線滾動時，其外緣中心對稱面與車輪滾動方向一致，輪胎的滾動阻力為所受到的與滾動方向相反的阻力。由滾動阻力計算公式:

式中Fn為小車對地面的壓力，f為輪系與地面的摩擦系數(shù)。設(shè)定路面為良好的混凝土或?yàn)r青路面（滾動阻力系數(shù)為0.010～0.018），輪胎選用常用的橡膠硬質(zhì)材料，取Fn=44000 N,f=0.014,則滾動阻力

AGV小車在加速行駛的過程中，存在著保持等速運(yùn)動的慣性力，如果要使AGV小車加速，就需要克服這一慣性力，也就是加速阻力Fj。設(shè)AGV從原地起步經(jīng)過的位移S=1m時，小車車速達(dá)到Vt=0.7m/s,則AGV小車的加速度為a=（Vt-V0）/2=0.25m/s。加速阻力的大小為汽車質(zhì)量與加速度的乘積，所以加速阻力為：Fj=ma=1100N

所以重載AGV小車的總阻力為:

出于直流電機(jī)本身具有控制系統(tǒng)簡單，調(diào)速方便，不需逆變裝置等優(yōu)點(diǎn)，且設(shè)計的AGV運(yùn)行速度低，因此采用直流電機(jī)作為驅(qū)動系統(tǒng)的動力源足夠滿足此次AGV設(shè)計，且性價比較高。選擇型號為MR320FMS的電機(jī),額定功率2000W，減速比為30:1，驅(qū)動輪直徑320mm，輸出扭矩1200 N/m，驅(qū)動力7500＞4785.3N，故滿足要求。

4 承重有限元分析

4.1 有限元模型簡化

當(dāng)采用有限元法分析力學(xué)特性時，由于整車殼體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為能夠準(zhǔn)確地得到分析結(jié)果，需對小車的模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾喕瘡亩鴾p少計算分析量。遵循簡化后的模型不得影響結(jié)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)特性這一原則，忽略殼體結(jié)構(gòu)中一些銷孔、螺紋孔、圓角和倒角以及各處對整體影響較小的部分進(jìn)行忽略。

4.2 材料屬性

車殼殼體材料為熱軋鋼材，熱軋鋼是經(jīng)過高溫加熱軋制而成的鋼材，熱軋鋼具有韌性好、塑性高及可焊性強(qiáng)等優(yōu)良性能，因而廣泛應(yīng)用于橋梁、汽車、建造、機(jī)械設(shè)備等制造行業(yè)。

4.3 劃分網(wǎng)格

采用基于混合曲率、默認(rèn)網(wǎng)格密度的網(wǎng)格劃分，雅可比點(diǎn)4點(diǎn)，最大單元大小27.7702mm，最小單元大小5.55404mm，圓中最小單元數(shù)8，單元大小增長比率1.6，節(jié)總數(shù)51838，單元總數(shù)24985，最大高寬比例60.183。

4.4 定義約束

對車殼與底盤的連接處施加固定約束，其他部位的自由度則不加約束。這樣的約束與實(shí)際情況較為相符，不發(fā)生剛體位移。

4.5 添加載荷

根據(jù)實(shí)際受力情況施加載荷。車殼有限元計算模型如圖所示。

4.6 車殼殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

在定義材料特性、網(wǎng)格劃分、施加約束和載荷之后進(jìn)行有限元求解，得到殼體在靜水壓狀態(tài)下的應(yīng)力與位移分布云圖。仿真結(jié)果如圖所示。

由上圖可知車殼最大應(yīng)力約為40.15MPa，最大變形約為0.2271mm。車殼焊接件的屈服強(qiáng)度為180 MPa。考慮實(shí)際工作狀況，選取安全系數(shù)為3，則許用應(yīng)力為：

由計算結(jié)果：

所以本車殼的強(qiáng)度滿足要求。

根據(jù)本車實(shí)際情況，車架變形在1mm以內(nèi)可滿足重載AGV的平穩(wěn)使用。計算結(jié)果為0.2271mm，所以本車殼的剛度亦滿足要求。

5 總結(jié)

通過對重載AGV小車的發(fā)展歷程以及應(yīng)用實(shí)景的分析，針對目前市場上重載AGV的缺點(diǎn)進(jìn)行了新的設(shè)計。并對小車運(yùn)載過程進(jìn)行受力分析，確定了小車合適的電機(jī)以及材料的選用。并通過有限元分析法得到小車殼體模型主要受力部位的變形和應(yīng)力分布云圖。對小車殼體結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的問題進(jìn)行了考核，找出了小車結(jié)構(gòu)的薄弱部分，對承載能力較弱的部分進(jìn)行局部加強(qiáng)，從而使其受力更為合理。運(yùn)用有限元對真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，為后期進(jìn)一步優(yōu)化殼體的受力情況提供了理論參考，以達(dá)到降低研發(fā)費(fèi)用，使結(jié)果更加合理的目的。