倉儲(chǔ)AGV頂升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

曹沖振 王晶蕊 王鳳芹 闞常凱 曹美慧

摘要：針對(duì)倉儲(chǔ)AGV的絲杠舉升維修困難，易進(jìn)灰塵和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電機(jī)懸空的問題，設(shè)計(jì)了一種新型中空?qǐng)A柱凸輪式舉升機(jī)構(gòu)，包括舉升機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。詳細(xì)設(shè)計(jì)了該頂升結(jié)構(gòu)的組成和工作原理，對(duì)舉升所需的扭矩進(jìn)行分析計(jì)算，并通過SolidWorks仿真分析驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明，該方案能夠滿足要求。

關(guān)鍵詞： 倉儲(chǔ)AGV; 舉升機(jī)構(gòu); 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu); 仿真分析

【Abstract】 To solve the problems of difficulty in maintenance of lead screw lifting in storage AGV， easy to enter dust and hang motor of rotary mechanism， a new type of hollow cylindrical cam lifting mechanism is designed， including lifting mechanism and rotary mechanism. The composition and working principle of the lifting structure are designed in detail， and the torque needed for lifting is analyzed and calculated. The calculation results are verified by SolidWorks simulation analysis. ?The results demonstrate that the scheme can meet the requirements.

【Key words】 ?storage AGV; lifting mechanism; slewing mechanism; simulation analysis

0 引 言

倉儲(chǔ)AGV是近年來將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到物流行業(yè)的代表，將傳統(tǒng)自動(dòng)導(dǎo)引車輛進(jìn)行改進(jìn)，使其符合物流行業(yè)需求，代替叉車、拖車等傳統(tǒng)物料搬運(yùn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)倉儲(chǔ)無人化操作，高效率產(chǎn)出[1]。但是國內(nèi)外針對(duì)電商倉儲(chǔ)AGV設(shè)計(jì)得較少，對(duì)倉儲(chǔ)AGV實(shí)際工作過程研究、設(shè)計(jì)選型仿真分析研究則更加少見，且研究對(duì)象多為傳統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)物流，缺乏新形勢(shì)下電商倉儲(chǔ)中心的應(yīng)用研究，功能結(jié)構(gòu)不能滿足快速發(fā)展的市場(chǎng)需求。由于倉儲(chǔ)AGV是一種較為復(fù)雜的機(jī)械裝備，本文只對(duì)電商企業(yè)倉儲(chǔ)中心的倉儲(chǔ)AGV的頂升機(jī)構(gòu)開展研究，包括舉升和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并對(duì)舉升機(jī)構(gòu)的電機(jī)扭矩進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)其是否符合要求，為電商倉儲(chǔ)中心的倉儲(chǔ)AGV提供一種新型的頂升方案。

1 倉儲(chǔ)AGV方案介紹

倉儲(chǔ)AGV主要用于大型電商企業(yè)倉儲(chǔ)中心，以實(shí)現(xiàn)物到人揀選的功能需求。倉儲(chǔ)AGV舉升機(jī)構(gòu)是倉儲(chǔ)AGV（見圖1）中將足夠重量的貨架頂起脫離地面的機(jī)構(gòu)，并將之搬運(yùn)到工作處，利用回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)換面，將需要的面旋轉(zhuǎn)到工作人員面前如圖2所示。該方案中選擇貨架尺寸Lh×Wh×Hh：960 mm×960 mm×2 000 mm，離地高度320 mm，貨架層數(shù)為5層，材料為冷軋鋼，自重30 kg，每層最大承重150 kg。倉儲(chǔ)AGV需要駛?cè)氲截浖艿撞繉⒇浖芘e起，舉升高度為50 mm，整體車身尺寸840 mm×650 mm×300 mm。

2 頂升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該AGV舉升機(jī)構(gòu)的主要作用是在搬運(yùn)貨架過程中將貨架舉升離地面一定距離，使其脫離地面。對(duì)此擬做研究闡述如下。

（1）舉升機(jī)構(gòu)的組成。該舉升機(jī)構(gòu)的組成如圖3所示?？?qǐng)A柱凸輪，止動(dòng)托盤采用Q235，其余為可購買的材料。外嚙合齒輪通過螺釘固定在中空?qǐng)A柱凸輪下方，中空?qǐng)A柱凸輪安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)座上。外嚙合齒輪驅(qū)動(dòng)中空?qǐng)A柱凸輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)螺紋驅(qū)動(dòng)止轉(zhuǎn)托盤以實(shí)現(xiàn)將水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪边\(yùn)動(dòng)，如此上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。止轉(zhuǎn)托盤的四角設(shè)計(jì)有直線滑軌可以確保托板垂直舉升，滑座安裝在車架上。該方案中設(shè)計(jì)有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和直角減速器，舉升高度50 mm。由于電機(jī)無法持續(xù)穩(wěn)定地舉著300 kg貨物，所以需要采用電機(jī)制動(dòng)器，其主要作用是當(dāng)中空?qǐng)A柱凸輪完全舉起或放下貨架后立即制動(dòng)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成動(dòng)作后制動(dòng)，使貨架維持當(dāng)前狀態(tài)。另外，中空?qǐng)A柱凸輪內(nèi)留有安裝地碼傳感器的空間。

2.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要作用可表述為：倉儲(chǔ)AGV差速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，需要維持貨架相對(duì)于地面方向不變，以使得系統(tǒng)能記錄貨架正反兩個(gè)面，且防止貨架轉(zhuǎn)動(dòng)造成相鄰的貨架刮蹭、撞倒的事故[3]。這部分研究?jī)?nèi)容詳見如下。

（1）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。該回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成如圖4所示?；剞D(zhuǎn)支撐采用鋁塑板材料，其余為標(biāo)準(zhǔn)件。

（2）回轉(zhuǎn)工作原理。電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器，減速器帶動(dòng)花鍵軸中轉(zhuǎn)齒輪，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)花鍵，轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪，從而驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支撐齒輪旋轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)支撐通過螺栓固定在舉升機(jī)構(gòu)中的止轉(zhuǎn)托盤上。舉升過程中，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的部分部件隨之舉升，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的其他部件固定于車架不隨之舉升，兩部分的運(yùn)動(dòng)通過花鍵軸實(shí)現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)支撐齒輪與回轉(zhuǎn)支撐之間通過滾珠組成一個(gè)部件（轉(zhuǎn)盤軸承）。

3 仿真分析

3.1 模型導(dǎo)入

將AGV導(dǎo)入SolidWorks中，啟用Motion工具，生成一個(gè)新運(yùn)動(dòng)算例，模型立即導(dǎo)入仿真環(huán)境。其優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)入后在仿真環(huán)境中零件之間的裝配關(guān)系仍然存在，各個(gè)零件都處于配合狀態(tài)，不需要重新確定各個(gè)零件之間約束關(guān)系和材料屬性等參數(shù)[5]，仿真設(shè)計(jì)模型如圖5所示。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

將AGV模型導(dǎo)入后，對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置，添加馬達(dá)和外力。對(duì)旋轉(zhuǎn)大齒輪施加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，相對(duì)移動(dòng)的零件選擇止轉(zhuǎn)托盤;施加垂直地面，豎直向下的引力;設(shè)置中空?qǐng)A柱凸輪與凸輪隨動(dòng)器和直線導(dǎo)軌之間的接觸;對(duì)舉升的中心施加壓力3 000 N，代替300 kg的重物。

3.3 仿真結(jié)果分析

這里，給出了舉升扭矩的仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，舉升扭矩在啟動(dòng)時(shí)是最大的，大約是55 N·m左右，之后穩(wěn)定不變。而計(jì)算的扭矩Mj=54.728 N·m，仿真結(jié)果和計(jì)算扭矩的結(jié)果誤差為5%，在允許的范圍內(nèi)，所以選用的減速電機(jī)符合要求。

4 結(jié)束語

結(jié)合倉儲(chǔ)AGV的具體結(jié)構(gòu)提出了一種新型的舉升和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，占用空間小，加工簡(jiǎn)單、成本低，結(jié)構(gòu)更加合理。對(duì)設(shè)計(jì)的舉升機(jī)構(gòu)舉升過程中中空?qǐng)A柱凸輪式舉升機(jī)構(gòu)的扭矩進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)舉升進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明這種新型舉升機(jī)構(gòu)選用的減速電機(jī)是合理的。

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