一種自適應路況的重載AGV驅動單元設計與分析

盧彬

(南京機電職業技術學院,江蘇 南京 211306)

0 引言

隨著我國人口老齡化的加劇,勢必將導致各行業人力成本的提高,又因現代工業智能化的蓬勃發展,對自動生產、柔性運輸和物聯網智能化的要求將不斷提高[1]。自動導引車(automated guided vehicle,AGV)因其高效、經濟、靈活及無人化的特點,高度契合現代工業生產和運輸的要求。

AGV誕生于20世紀50年代,而在我國的研究、應用和發展從90年代開始。雖起步較晚,但相關探索和研究并不緩慢。趙華東等研究了驅動輪“外掰”和啟停“沖擊”的問題[2];郭寶喜等完成雙車重載AGV系統設計[3];徐恒才等基于ADAMS和ANSYS workbench完成了AGV剪叉式升降機構的仿真分析研究[4];鄧依婷等為解決傳統四輪小車運動模式單一的情況,設計了一種基于麥克納姆輪的AGV小車[5]。

AGV的額定負載是其性能的最重要參數之一。目前國內超過2t的額定負載可以定義為大負載,在較小尺寸的AGV車型中,一般按照實際負載值與其尺寸及質量的比值來定義。

在實際工況中,不管AGV底盤采用的是三輪、四輪或六輪式,在遇到地面的窄溝(淺凹)及凸起都可能會導致車體驅動輪的懸空或擺動[6]。而AGV的發展逐步趨向于重載、全地形、全方位等方向,這就要求其驅動單元有更完美的適應性、更強大的負載能力和更好的靈活性[7]。本文以額定負載250kg、最大運行速度1.5m/s的潛伏式AGV為基礎,設計一種可適應復雜路況的重載AGV驅動單元,通過有限元仿真其主要承載機構的安全性及實地過溝測試、記錄數據并分析,完成相關校核和驗證。

1 新型驅動單元結構設計

驅動單元結構如圖1所示,為節省空間,提高電機驅動效率,行走輪3由伺服電機1通過減速器2直接驅動;由懸掛板4通過減震裝置5(由彈簧和直線軸承組成)懸掛于橫板7,保證行走輪和地面有效接觸并起到減震效果;固定板6通過固定螺栓將整個單元固定于AGV底板。

1—伺服電機;2—減速器;3—行走輪;4—懸掛板;5—減震裝置;6—固定板;7—橫板。

整個AGV由兩套驅動單元提供行進轉矩,差速驅動,采用四輪布局形式結構,以額定負載250 kg、最大運行速度1.5 m/s為設計參數。AGV在行進中,驅動單元所需克服的阻力包括行走輪的滾動摩擦阻力Fg、風阻Fs以及斜坡上自身質量的分力FG,在加速階段最大加速度為a,則有公式

Fo=Fg+Fs+FG+ma

(1)

式中:Fo為驅動單元提供的牽引力;m為AGV小車總質量。其中:

a=dV/dt

(2)

Fg=f0G

(3)

Fs=CDρaAV2/2

(4)

FG=mg·sinα

(5)

式中:V為速度;t為時間;f0為滾動摩擦因數;G為單個驅動輪的負載;α為坡度角;CD為風阻系數;ρa是空氣密度;A為迎風面積。由上文公式可確定電機轉矩、減速器減速比、懸掛板強度要求及一系列連接件的選型參數[8]。

2 底盤設計與路況分析

2.1 底盤四輪布置

如圖2所示,行走輪對稱分布于底盤兩側,萬向輪前后安裝。這種形式既保證了機構的穩定性,又最大限度地降低了底盤尺寸。AGV自身質量約60 kg,額定負載250 kg,則每個輪子負載77.5 kg,又根據轉矩、最大運行速度及路況復雜程度,選定驅動輪直徑140 mm,萬向輪560 mm(2.5英寸),中心高90 mm。

1—驅動單元;2—萬向輪;3—底盤板。

因驅動單元與底盤通過減震裝置柔性連接,在行進中過溝、過坎或斜坡時具有很強的適應性[9]。

2.2 新型驅動單元與車體柔性連接路況分析

在車體設計組裝時,前后萬向輪輪面最低點高于行走輪輪面最低點,在車體自身質量壓力下,驅動單元減震彈簧收縮,萬向輪下降,使萬向輪和行走輪同時著地。不僅增加了整個底盤四點著地的穩定性,而且避免了行走輪懸空打滑現象的發生[10]。圖3為方向輪和行走輪不同路況下的立姿狀態。

圖3 萬向輪和行走輪不同路況下的位姿狀態

圖3(b)和圖3(c)分別為AGV底盤在通過地面窄溝和凸起時,新型驅動單元的適應性反應。圖3(b)中,在行走輪進入窄溝,其中心由于彈簧的預緊力被推向下(彈簧伸長),行走輪輪面仍最大限度地接觸地面[11],可有效防止輪子因懸空而打滑空轉;同樣,當行走輪碰觸路面凸起時,驅動單元的減震彈簧進一步壓縮,行走輪中心提高,AGV仍能平滑過度。圖3(d)為小車底盤一側受到凸起時,凸起側行走輪中心提高,減震彈簧壓縮,原理類似圖3(c),該設計可有效防止車體在單側遇到窄溝或凸起時搖擺現象的發生,增加底盤穩定性[12]。

3 底盤結構靜力分析

底盤不僅承受AGV車體的全部質量,在運載工作時還將承受貨物的質量。采用有限元思想對其進行靜力分析,可在很大程度上驗證其可靠性[13]。

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地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[14]。本節將通過SolidWorks Simulation靜力分析模塊對底盤進行強度分析和驗證。

3.1 模型導入、定義材料

底盤上附著多種元器件,結構相對復雜,為簡化仿真過程,加快仿真速度,模型底板做了適當簡化,網格劃分如圖4(a)。為減輕小車整體質量并保證所需的力學性能,底盤板材采用鋁合金5454-O,彈性模量7×1010N/m2,泊松比0.33,屈服強度115 MPa。

圖4 模型網格劃分及仿真結果云圖

3.2 添加約束和載荷、網格劃分

在實際工況中,所有負載均有四輪承擔并反作用于與底盤的連接部位。在仿真分析中,設定底盤與萬向輪和驅動單元的連接部位為“固定幾何體”,底盤平面其余部位為受力點。因額定負載250 kg,自身質量60 kg,添加壓力為12 000 N/m2,圖4(a)中紅色箭頭代表負載力,綠色代表“固定幾何體”(本刊黑白印刷,相關疑問請咨詢作者)。

3.3 結果分析

上述準備工作結束后,運行仿真算例,得到結果如圖4(b)、圖4(c)所示,分別為底盤板應力和位移云圖。從圖中可知,最大應力1.818×107N/m2,安全系數達到6.3,位移最大變形為0.101 mm,相對較小,滿足強度要求。

4 樣機實測數據分析

在實際驗證測試中,對AGV負載逐步加大,在負載一定的工況下,觀察記錄車體通過一系列寬度溝的動作表現,形成數據如表1—表4所示。

表1 負載為0時過溝檢測

表2 負載為50 kg時過溝檢測

表3 負載為100 kg時過溝檢測

表4 負載為250 kg時過溝檢測

通過對上述表格的數據和描述分析可得,AGV車體在負載從0增大到100 kg的過程中,在溝寬不大于14.0 mm(包括14.0 mm)的工況下,均可以順利通過,無明顯顛簸;但在250 kg負載下,在溝寬達到8.0 mm時開始出現顛簸,在14.0 mm時車體卡死,無法順利通過。綜上,該新型驅動單元設計滿足額定負載的要求,且在負載不大于100 kg時,表現出較強的過溝能力。