2 t 智能全電動搬運車機構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計

王宏民，王少平，龐程，殷固密，蒲嘉陽，王建生，李成財

（1.五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東江門529020； 2.江門市蓬江區(qū)珠西智谷智能裝備協(xié)同創(chuàng)新研究院，廣東江門529000； 3.廣東亞克迪智能物流科技有限公司，廣東江門529000）

近年來，電動搬運車出貨量在逐漸上升，雖然內(nèi)燃搬運車單價比同噸位的電動搬運車便宜[1-2]，但電動搬運車在后期使用和維護中成本更低，而且電動搬運車的全生命周期要比傳統(tǒng)的內(nèi)燃搬運車更長. 經(jīng)過市場調(diào)研，目前市面上2 t 的電動搬運車最受國內(nèi)物流企業(yè)的青睞，因為它能滿足企業(yè)大部分作業(yè)場景的需求[3]，使用效率和使用成本是最為理想的.

本文在傳統(tǒng)搬運車的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款額定負(fù)載為2 t 的全電動智能搬運車，按照搬運車的強度和剛度安全性的要求，對電動搬運車主要受力部件貨叉進行靜力學(xué)分析，建立貨叉機構(gòu)的有限元模型，并根據(jù)實際工況進行受力分析，通過SolidWorks 軟件對貨叉實體建模，在額定負(fù)載2 t 的工況下，基于ANSYS 模塊對貨叉進行受力分析，得到貨叉在最危險的工況下最大等效應(yīng)力和最大變形量的位置，最后通過實驗?zāi)M，進一步對貨叉底板進行輕量化優(yōu)化.

1 搬運車技術(shù)指標(biāo)分析及機構(gòu)設(shè)計

搬運車為自行式電動搬運車，設(shè)計樣機如圖1 所示，具有可電動控制高度升降、前進、后退及轉(zhuǎn)向的功能. 搬運車的主要部件有驅(qū)動輪輪架、人機操作手柄、底座搖桿和增壓缸系統(tǒng). 人機操作手柄設(shè)計為滿足使用者靈活操控和靈敏度等要求，在手柄轉(zhuǎn)向套與車體之間安裝電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，結(jié)合轉(zhuǎn)向軸承，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向座靈活轉(zhuǎn)動，并采用手柄角度限位塊進行限位控制. 為保證符合人體工程學(xué)原理和可靠性，在手柄座中安裝氣彈簧裝置，結(jié)合微動開關(guān)，實現(xiàn)手柄下拉時可啟動搬運車，手柄被釋放時自動停車功能，如圖2 所示.

圖1 全電動搬運車三維模型

圖2 人機操作手柄

2 全電動搬運車負(fù)載受力分析

為了滿足載重的要求，需要對搬運車主要受力部分進行分析，由于貨叉與叉架的連接方式為鉸接，鉸接部位為圓孔，圓孔再與叉架的水平受力軸相連接. 整體貨叉可簡化為兩個簡單鉸支座支撐的靜定鋼架[4]. 搬運車的力學(xué)模型見式（1），計算簡圖如圖3 所示.

圖3 貨叉的計算簡圖及受力彎矩圖

搬運車動載荷系數(shù)一般選11.1K = ，偏載系數(shù)2k 取值范圍為1.1 1.3～ ，Q 為搬運車的原始起重量，系數(shù)a 和系數(shù)b 分別是矩形斷面貨叉的厚度及寬度；貨叉材料的許用應(yīng)力為安全系數(shù)n 取1.6. 利用有限元軟件分析其在載重為2 t 的情況下，貨叉與載重物體的受力面積為2299 489.8 mm ，受到均勻力為19 600 N，即 2 貨叉共同承載的均布載荷為65 442.4 N/m2，所以通過單位換算得知重物在貨叉施加力為65 442.4 Pa. 經(jīng)過ANSYS 軟件處理的網(wǎng)格劃分圖如圖4 所示.

通過圖5 的等效應(yīng)力分布云圖可知[5]，在貨叉受到265 442.4 N/m 的均布載荷下，貨叉最大的等效應(yīng)力分布在輪子鉸接的地方[6]，其最大的應(yīng)力為280.89 MPa. 最大應(yīng)力低于貨叉的原材料中碳鋼屈服強度355 MPa. 結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足材料強度要求，貨叉承受載荷的貨叉中間部分相對應(yīng)力較小.

圖4 貨叉網(wǎng)格劃分效果圖

從圖6 的總應(yīng)變分析云圖可知，由于ANSYS 軟件分析的工況是2 t 的貨物安放在左右兩貨叉的中部，所以軟件分析出來的總應(yīng)變的最大應(yīng)變主要分布在2 貨叉的中部，其貨叉載重的中心最大的總應(yīng)變?yōu)?.548 mm，整體設(shè)計滿足負(fù)載2 t 需求.

圖5 等效應(yīng)力分布云圖

圖6 總應(yīng)變分布云圖

3 全電動搬運車控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 全電動搬運車電氣設(shè)計

全電動搬運車具有手動控制和遙控控制兩種模式，遙控模式從永磁電機的控制器中提取控制電機所需的信號線，利用Arduino 控制板配對相應(yīng)的信號線，通過在藍牙模塊的通信檢測人工控制輸出信號，最后經(jīng)過arduino 控制板對采集的數(shù)據(jù)、發(fā)送相應(yīng)的指令，達到控制搬運車的目的. 電控系統(tǒng)總體設(shè)計如圖7 所示.

控制器檢測手柄轉(zhuǎn)動輪方向與滑動變阻器電壓值，給主動輪電機輸出對應(yīng)的正反轉(zhuǎn)三相電壓以及可以變化的電流，使搬運車有不同速度的前進與后退；控制器檢測經(jīng)過編碼的手柄軸部轉(zhuǎn)動角度的電壓值，使搬運車主動輪旋轉(zhuǎn)不同的角度，完成轉(zhuǎn)向.

3.2 搬運車實驗測試

搬運車能通過手柄進行操作，并在運載2 t 貨物的情況下保持穩(wěn)定運行常規(guī)操作有前進、后退、轉(zhuǎn)向、載貨上升、卸貨下降，具體操作測試如圖8 所示.

圖7 全電動搬運車控制系統(tǒng)示意圖

圖8 手動模式測試

3.3 遙控模式下搬運車動作測試

對于搬運車周圍的障礙物、遙控距離、行人等干擾因素都可能影響對搬運車的操控穩(wěn)定性，通信方式為2.4G，電源供給由24 V 的蓄電池提供，通過電壓轉(zhuǎn)換器以滿足不同的元器件的電壓需求.

經(jīng)過測試，操作遙控手柄分別發(fā)送前進（后退）、轉(zhuǎn)向、卸貨（裝貨）的指令，使全自動搬運車實現(xiàn)從起點到終點的避障運貨功能，基礎(chǔ)功能測試如圖12 所示.

圖9 遙控模式測試

4 結(jié)論

本套設(shè)計系統(tǒng)具有2.4G 無線控制，控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)搬運車（叉車）主控板上增加arduino 控制板，實現(xiàn)遠程操控，它具有低成本和低功耗等特點，對傳統(tǒng)搬運車升級改造具有一定的實用和推廣價值. 通過分析，貨叉的底板滿足剛度和強度的要求，并且剛度和強度有很大的富余量，可以進行進一步的輕量化優(yōu)化. 經(jīng)過增加負(fù)載2 t 情況下穩(wěn)定性測試表明，該系統(tǒng)能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境下穩(wěn)定運行并且可操控性高，遠程對搬運車的各種動作的控制可靠性好，具有較好的實用價值. 但是，本代產(chǎn)品在續(xù)航能力上有待提升，不能自動導(dǎo)航并自主充電. 下一步，本研究團隊將基于5G 通信技術(shù)，研發(fā)2 t 自主定位和規(guī)劃路徑的AGV 智能搬運車，實現(xiàn)自主搬運和自主導(dǎo)航至充電站充電，提高叉車?yán)m(xù)航能力，進一步提高企業(yè)物流搬運系統(tǒng)的效率.