一種新型AGV驅(qū)動單元的設計分析

吳律，向志超，金嘉琦

（沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，沈陽110870）

0 引 言

隨著我國制造業(yè)商品和人力成本的不斷提高，對自動化和柔性生產(chǎn)的要求也隨之提高。自動引導車作為智能制造和柔性生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)，廣泛應用于工廠自動化生產(chǎn)線、倉儲物流、機場、港口物流等領域，實現(xiàn)更為高效且經(jīng)濟的無人化生產(chǎn)[1]。

近年來，國內(nèi)外學者對自動導引車的結構和運動進行了大量的研究。目前，歐美國家的AGV水平已達到完全智能化的要求，具有很強的適應性和準確性，但價格較高。AGV在歐美國家應用廣泛，技術含量高,還實現(xiàn)了模塊化制造，極大地降低了生產(chǎn)成本，促使產(chǎn)品覆蓋范圍更加廣泛，這些先進技術的使用，使得歐美自動導引車的自動化水平高、工作可靠性強，一般載重能力為50 kg～60 t，基本上可以滿足各行業(yè)的不同要求[2-4]。國內(nèi)也出現(xiàn)了一系列的AGV制造商，他們接受了國際AGV發(fā)展的先進技術和理念，形成了各具特色的各類AGV產(chǎn)品。諸如新松等AGV生產(chǎn)廠商，設計制造出了大量符合國內(nèi)使用需求的自動導引車。另外,在理論方面，王殿軍等[5]利用軟件對AGV的行進過程進行了分析；劉國剛[6]對AGV車體進行了輕量化設計。國內(nèi)AGV的研究取得了長足發(fā)展。

本文根據(jù)某公司的項目要求,設計了一款新型的AGV輪組結構來適應更高的載荷要求、更為復雜和嚴苛的工作環(huán)境，使AGV可以在較復雜的路面條件下工作。該AGV的工作條件為：8 h工作制，用于在生產(chǎn)線上將零件及其夾具轉(zhuǎn)移到工位1后卸載，等待加工完成后重新裝載并運輸?shù)焦の?，直至加工完成后將零件及其夾具運至倉儲區(qū)，最后自行返回至起點，如此往復。其總裝載質(zhì)量可達50 t，工廠路面為環(huán)氧地坪漆。筆者通過建模仿真分析對新機構進行了校核，驗證了新機構的合理性。

1 數(shù)值計算

1.1 模型簡化

以新型AGV輪組為研究對象，AGV輪組的結構如圖1所示，其主要部件包括輪組支架、連接法蘭、前后伺服電動機及減速機、液壓裝置、鏈輪，輪轂總成和銷軸等。新型AGV輪組的主要設計參數(shù)如表1所示。

圖1 AGV輪組的結構圖

表1 新型AGV輪組的主要設計參數(shù)

由于實際的工程問題往往比較復雜，而AGV輪組上有包含有很多不需要計算的部位，所以有效的模型簡化對分析十分重要。對AGV輪組上很多不影響受力和分析的模型進行了壓縮[7]：1）簡化了輪組部分圓角、倒角等，但保留軸等關鍵部位的特征；2）去掉不影響受力計算的零件，如限位塊、電動機及減速機、鏈輪等；3）簡化螺紋和螺紋孔，將這些部件簡化為光桿。這樣利于分析的進行和操作。將簡化處理后的模型導入到Workbench仿真軟件中。新型AGV輪組的簡化三維模型如圖2所示。

1.2 邊界條件

在所有需要進行模擬計算的零件上設置邊界條件，根據(jù)AGV 的實際工況及受力情況，定義AGV 驅(qū)動單元的邊界條件。液壓桿隨時保持豎直，約束其X、Y（水平）方向自由度；連接器承受車體和貨物的載荷，方向垂直向下；輪子材質(zhì)為聚酯氰胺，變形較小，所以簡化直接約束輪軸全自由度，邊界條件參數(shù)如表2所示。

圖2 AGV輪組的三維模型

表2 基本條件參數(shù)

輪組裝配體分析中含有大量接觸，分析的接觸類型視實際接觸關系決定。接觸計算是一種高度非線性問題，計算時要占用大量資源。由于軟件原理的限制，在設置接觸時必須保證模型不會互相干涉和滲透，以免影響計算精度。如表3所示，Workbench為這種情況提供了多種不同的接觸類型[8]。

表3 Workbench中的接觸及特點

根據(jù)輪組的實際使用情況定義接觸類型，為簡化計算，銅套與輪組支架、銅套與銷軸之間采用Frictional接觸，摩擦因數(shù)為0.08。懸臂軸與輪組支架、設置Bonded，活塞與缸筒設置No-Separation，其他接觸默認設置Bonded。

1.3 分析方法

輪組作為導向車的核心部件，是導向車的主要承載部件。需要支撐和連接導向車的各個部件，且在工作狀態(tài)下承受著極其復雜的力和力矩。車體的剛度強度性能應滿足要求，以避免輪組使用過程中出現(xiàn)變形或開裂，從而保證引導車工作性能、可靠性及使用壽命[9]。因此，選用Workbench中的Modal模塊和Static Structural模塊進行分析。

AGV使用要求和輪組的結構設置使液壓桿隨時保持豎直狀態(tài)，內(nèi)部含有止轉(zhuǎn)光軸無需約束旋轉(zhuǎn)自由度，所以約束X、Y方向自由度。連接器上方與甲板直接相連，傳遞貨物載荷到輪組上，上方載荷最大120 000 N，方向豎直向下。輪軸設置固定約束，AGV輪組為差速輪組，勻速行駛中無論直行還是轉(zhuǎn)彎時受力情況均相同，僅在加速行駛時對輪組有垂直于輪組兩輪軸線方向的水平力，在加速行駛的邊界條件中添加一個水平方向5000 N的力于連接器上。

2 計算結果及分析

2.1 各階模態(tài)

因為在使用過程中AGV會受到多種如電動機這樣的外界振源激勵,為了降低自身的振動對結構強度和壽命的影響,防止運行過程中出現(xiàn)共振現(xiàn)象,故對輪組進行模態(tài)分析。模態(tài)分析的約束條件和滿載直行分析的約束條件一致，對其進行模態(tài)分析，提取AGV輪組前6 階模態(tài)，其振型和各階固有頻率如表4和圖3所示。

表4 各階模態(tài)及變形

圖3 各階模態(tài)圖

2.2 AGV輪組的力學分析

勻速工況較為簡單，AGV移動速度較慢且工作環(huán)境地面平整，所以忽略空氣阻力和坡度阻力，又由于是勻速行駛，所以無需添加額外驅(qū)動力，僅克服行駛阻力即可[10]。

加速工況又分為直行加速和轉(zhuǎn)彎加速，邊界條件和勻速分析時基本一致，只是額外于輪組連接處和車架車輪接觸處增加了驅(qū)動AGV加速的驅(qū)動力，驅(qū)動力處處相等。

對比兩種工況邊界條件，加速工況相對勻速時只是加大了驅(qū)動力，其他相等，受力條件更為嚴苛，所以只分析加速工況下受力情況。

2.3 加速工況下AGV輪組的分析

由于AGV采用差速輪組，因此對于AGV來說無論是直行加速還是轉(zhuǎn)彎加速工況，車體對其提供的反力都垂直于兩輪中線，因此直線加速和轉(zhuǎn)彎加速工況可以一并分析。于連接處添加一個與車軸連線垂直的5000 N的水平力，給輪組本身添加0.2 m/s2的加速度。

輪組的等效位移分布如圖4（a）所示，輪組模塊發(fā)生最大位移處是在連接器安裝法蘭上，輪組于此處接受載荷，其總變形量為0.096 mm。缸筒也有中等變形，主要發(fā)生在與銷軸連接處，將所受載荷傳遞給輪組支架。同樣輪組支架最大載荷也發(fā)生在與銷軸連接處，由于分布較為均勻變形較小。由此可以說明驅(qū)動輪組具有優(yōu)良的剛強度，滿足使用要求。

由圖4（b）可看出，主要部件應力情況為：活塞桿最大應力為64.957 MPa，銅套最大應力為45.172 MPa，連接法蘭最大應力為27.739 MPa，輪組最大應力發(fā)生在懸臂軸處，為65.321 MPa。各個零件受到的最大應力都遠遠小于對應屈服極限，輪組滿足安全要求。

圖4 加速工況下輪組的變形與受力

主要零件最大應力如表5所示。

表5 主要零件最大應力表

3 結 語

本文對新型AGV輪組進行了結構設計和有限元分析，得到了AGV輪組整體方案、關鍵零部件的結構設計，以及AGV輪組的應力應變和6階固有頻率。通過模態(tài)分析，得到了AGV輪組前6階固有頻率及對應的振型，AGV輪組性能基本不會受到自身及外界激勵對其的影響。由力學分析可知，輪組勻速、加速行駛受力條件類似，只是加速行駛時驅(qū)動力更大，在加速行駛工況下的最大應力為64.957 MPa，最大變形量為0.096 mm。變形量符合設計要求，最大應力均在材料正常范圍。根據(jù)仿真結果可以得出，AGV輪組能夠基本滿足剛度和強度要求，符合設計理念。