小精靈倉儲機器人的底盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化

文/楊建輝 蔡穎杰

在《中國制造2025》的戰(zhàn)略推動下， AGV（自動導(dǎo)引搬運車）也逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代倉儲自動化物流不可或缺的重要設(shè)備。深圳怡豐機器人科技有限公司生產(chǎn)的“小精靈倉儲機器人”底盤是AGV的承重部件,且需保證AGV和頂升機構(gòu)等各零部件的安裝位置，因此必須具有足夠的強度和剛度。研究表明，減輕汽車車身重量可以顯著降低車輛動力需求，每減少10%的重量，燃油可節(jié)約5%～8%。對于頻繁啟停的倉儲機器人更是如此，減輕AGV底盤重量，可減少減速和制動所需的能耗。在動力不變的情況下，底盤減少的重量，可有效提高AGV搬運的有效載荷。

本文以“小精靈倉儲機器人”為例，在保證底盤結(jié)構(gòu)強度和剛度的前提下，應(yīng)用拓撲優(yōu)化方法對底盤結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。

一、小精靈倉儲機器人整車結(jié)構(gòu)

小精靈倉儲機器人采用二維碼導(dǎo)航方式，整車底盤采用六輪結(jié)構(gòu)，其中前后各安裝有兩個萬向腳輪，在車體前后中心的兩側(cè)對稱安裝有驅(qū)動輪。兩個驅(qū)動總成可實現(xiàn)差速驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，因而整車可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。整車最大載荷為500kg，行駛速度為1.5m/s。其結(jié)構(gòu)如圖1，主要由舉升總成、外罩、激光避障傳感器、底盤、接觸式防撞條和兩個驅(qū)動總成等組成。其中，底盤焊接結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖3： 底盤焊接結(jié)構(gòu)變形云圖

圖4： 底盤焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

小精靈倉儲機器人底盤焊接結(jié)構(gòu)總重為70.5kg，為了減小精靈倉儲機器人空載運行能源的消耗，提高整車的有效承載，因而有必要對底盤焊接結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化和減重設(shè)計。

二、小精靈底盤結(jié)構(gòu)的有限元分析

在不影響計算結(jié)果的前提下，為了提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量和減小計算時間，對底盤焊接結(jié)構(gòu)進行如下適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

1.忽略直徑小于5mm的圓孔；

2.忽略焊縫對結(jié)構(gòu)的影響；

3.忽略小于5mm的倒角。

并且，對底盤焊接結(jié)構(gòu)采用多域法（Multizone）進行網(wǎng)格劃分，劃分20559個節(jié)點和3065個單元，單元畸變度（Skewness）平均值為0.24，最大值為0.8，并且97%以上都在0.5以內(nèi)，因而底盤焊接結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分質(zhì)量較優(yōu)，確保了求解結(jié)果的正確性。根據(jù)小精靈倉儲機器人最大載重為500kg，對其進行加載，同時考慮重力的影響，根據(jù)實際工況在底盤焊接結(jié)構(gòu)進行支撐約束。底盤有限元分析結(jié)果，如圖3和圖4。

從圖3底盤焊接結(jié)構(gòu)變形云圖可知，最大變形發(fā)生底盤前端約為0.07mm，車架整體變形均很小。從圖4底盤焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖可知，底盤焊接結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力約為58.9MPa，遠小于材料的屈服強度235MPa。

三、小精靈倉儲機器人底盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析

1.底盤焊接結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化分析

圖6： 底盤焊接改進結(jié)構(gòu)

小精靈倉儲機器人底盤是整車的承重部件，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化的準則就是在保證底盤結(jié)構(gòu)強度和剛度的前提下，盡量使底盤重量減輕；同時考慮底盤結(jié)構(gòu)制作的工藝性，確保制作簡單，成本低。依據(jù)底盤優(yōu)化設(shè)計準則，對底盤焊接結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化主要就是把尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲問題，轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問題。對小精靈倉儲機器人底盤焊接結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖5。

從圖5可知，在不影響底盤焊接結(jié)構(gòu)的強度和剛度的前提下，紅色區(qū)域是表示此部分材料是可以去除的。因此，可按此拓撲優(yōu)化結(jié)果對底盤焊接結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

2.底盤的改進結(jié)構(gòu)

根據(jù)小精靈倉儲機器人底盤焊接結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化結(jié)果，并考慮底盤上電氣元件的布置，對底盤焊接結(jié)構(gòu)改進，如圖6。

改進后底盤焊接結(jié)構(gòu)總重56.3kg，相比改進前的70.5kg，減少14.2kg，減重約20%。

3.改進結(jié)構(gòu)的仿真分析

根據(jù)改進后的底盤焊接結(jié)構(gòu)，同理，對其采用多域法（Multizone)進行網(wǎng)格劃分，劃分28275個節(jié)點和3823個單元，單元畸變度（Skewness）平均值為0.27，最大值為0.8，并且96%以上都在0.5以內(nèi)，因而底盤焊接結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分質(zhì)量較優(yōu)，確保了求解結(jié)果的正確性。并設(shè)置與改進前相同的載荷與約束，對其進行有限元仿真。改進后底盤焊接結(jié)構(gòu)變形云圖和應(yīng)力云圖，分別如圖7和圖8。

從圖7改進后底盤焊接結(jié)構(gòu)變形云圖可知，最大變形依然發(fā)生在底盤前端約為0.09mm，底盤焊接結(jié)構(gòu)整體變形很小，與改進前底盤焊接結(jié)構(gòu)基本相同，所以改進后底盤焊接結(jié)構(gòu)剛度基本不變。從圖8改進后底盤焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖可知，底盤焊接結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力64MPa，比原來增加了5.1MPa，應(yīng)力稍有增加，但仍然遠小于材料的屈服強度。因此，改進后底盤焊接結(jié)構(gòu)是符合減重設(shè)計要求的。

四、結(jié)語

應(yīng)用拓撲優(yōu)化方法對小精靈底盤焊接結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化分析，并根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果，改進設(shè)計底盤焊接結(jié)構(gòu)。相比原底盤焊接結(jié)構(gòu)，在剛度基本不變、強度滿足使用要求的情況下，減重約20%，達到了底盤焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，改善了AGV的性能以及安全性，降低了制造成本，順應(yīng)節(jié)能減排的發(fā)展趨勢。