雙車聯(lián)動(dòng)重載AGV設(shè)計(jì)

郭寶喜 孫鐵華

（沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

隨著重型卡車產(chǎn)量的增加、車型的增多及生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)提升，對重卡自動(dòng)化合裝生產(chǎn)線的需求越來越高，而AGV 的發(fā)展也進(jìn)入了一個(gè)全新的階段，不僅局限于物流搬運(yùn)和傳統(tǒng)小汽車行業(yè)的合裝，更加智能和更大承載的AGV 應(yīng)用也越來越多。而將重型卡車合裝與AGV 二者相結(jié)合，已成為重卡行業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢?，F(xiàn)有重型卡車合裝線多采用地拖鏈背負(fù)支撐夾具小車的形式進(jìn)行，其自動(dòng)化率及適應(yīng)性都不是非常理想，往往需要前期大量的土建施工來安裝地拖鏈，廠房需求大，配套設(shè)備多，后期更改的余地也非常小[1]。在合裝段開始處需要人工按照所需裝配車型更改前后地拖鏈小車的距離來適應(yīng)卡車軸距的變化，工人工作量較大且容易出現(xiàn)差錯(cuò)。而雙車聯(lián)動(dòng)AGV 可以很好地解決上述問題[2]，車距可調(diào)整，又能增加承載，問題則在于為滿足重卡低位合裝的需求，需要設(shè)計(jì)一套全新的小型化、大承載輪系結(jié)構(gòu)，使前后車AGV 做到最窄、最矮，承載最大。

1 雙車重載AGV 設(shè)計(jì)

1.1 雙車重載AGV 工作原理

重型卡車裝配線為封閉環(huán)形設(shè)計(jì)，分為上料工位、合裝裝配工位、下料工位及AGV 返回路段。在進(jìn)入合裝裝配工位前，前車AGV 停在事先設(shè)計(jì)好的固定地標(biāo)點(diǎn)，后車AGV則根據(jù)線上所裝配卡車軸距進(jìn)行自動(dòng)變距，調(diào)整距離前車的距離，停在相對應(yīng)的位置上，待重型卡車車架通過吊裝設(shè)備落于前后AGV 上后，由前車提供驅(qū)動(dòng)力，后車完全隨行，但是可以校舵的方式共同承載卡車車架行進(jìn)，僅通過車架將前后AGV 連接，使三者成為一體。在依次通過各個(gè)裝配工位合裝結(jié)束后，重卡通過下線舉升機(jī)脫離前后AGV，后車恢復(fù)動(dòng)力，自主進(jìn)行前進(jìn)及轉(zhuǎn)彎，前后車各自進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

重型卡車合裝需要在裝輪胎工位轉(zhuǎn)為高位合裝，以便于輪胎能夠順利安裝，所以前后AGV 需要具有能夠?qū)崿F(xiàn)大承載舉升功能的液壓舉升系統(tǒng)。而對于不同車型的重卡來說，一旦支撐高度發(fā)生變化，就要求支撐夾具不僅需要有良好的兼容性，還需要克服前后AGV 舉升高度差及重卡車橋板簧所帶來的影響，雙車重載AGV 所搭載的一種“蹺蹺板”支撐結(jié)構(gòu)可以很好地解決上述問題。

重載AGV 的能量來源通常需要大容量的電池，而重型卡車合裝顯然不允許AGV 車體占用較大空間，這樣就需要選擇非接觸式供電的方式，既為AGV 提供了能量又可以進(jìn)行路徑指引。

1.2 雙車重載AGV 構(gòu)成

雙車重載AGV 由前車AGV 和后車AGV 通過重型卡車搭載連接組成一個(gè)雙車重載系統(tǒng)[2]，設(shè)計(jì)承載為18 t，如圖1 所示。前后車AGV 都各自能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎及舉升的功能，前AGV 在合裝路段除了要承載和舉升以外，還要提供整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力，后AGV 在合裝路段只做隨行承載、舉升和校舵轉(zhuǎn)彎，在返回路段則恢復(fù)驅(qū)動(dòng)力。

圖1 雙車重載AGV 構(gòu)成

1.3 自動(dòng)變距

后車AGV 在合裝起始段的上料工位自動(dòng)停車位置取決于線上需要裝配卡車的軸距，當(dāng)AGV 控制系統(tǒng)得知軸距數(shù)據(jù)后，通知后車，后車則通過車頭處的傳感器發(fā)出兩束激光束，照于已經(jīng)停于事先設(shè)計(jì)好的地標(biāo)點(diǎn)上的前車AGV 車尾，這樣既可以得到準(zhǔn)確的后車停車位置，同時(shí)又可以通過兩束激光束的不同數(shù)值變化來校對后車自身車身姿態(tài)，保證后車AGV 不會(huì)脫離合裝軌道。

1.4 舉升支撐

為了實(shí)現(xiàn)重型卡車的人機(jī)工程，在合裝路段的各個(gè)工位應(yīng)盡可能地低位合裝，然而這與輪胎裝配工位又相互矛盾，所以就需要這個(gè)雙車重載系統(tǒng)具備舉升功能，在裝輪胎的工位能夠?qū)崿F(xiàn)高位合裝。對于重達(dá)18 t 的重型卡車來說，其既能夠?qū)崿F(xiàn)大承載，又可以占用最小的空間，液壓舉升裝置無疑是最佳的選擇。當(dāng)具備舉升功能后隨之而來的就是支撐問題，首先，重卡的種類很多，有前單橋、后雙橋、前雙橋以及后雙橋等，這些都需要兼容。其次，通過通信控制前后AGV 的舉升有通信延遲，液壓舉升的精度又不是很高，必然會(huì)造成前后AGV 舉升的高度差，而車橋板簧的影響又會(huì)造成支撐的懸空。

對于兼容性問題來說，將前后AGV 的支撐都各自設(shè)計(jì)成前、中、后3 個(gè)支撐部位，對于前車來說，前單橋用中間支撐，前雙橋用前和后支撐，后車同理，這樣用最簡單的方式兼容最多的重卡車型。對于高度差問題，則將前后AGV的支撐做成“蹺蹺板”結(jié)構(gòu)，就是前后AGV 的支撐都是通過一個(gè)布置于中間的鉸接軸鉸接，各自的支撐都能繞鉸接軸旋轉(zhuǎn)，但是二者合到一起共同舉升的時(shí)候就成為一個(gè)穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，這樣既能夠解決前后高度差的問題，又可以解決重卡板簧對于支撐造成的影響。

1.5 供電系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)采用非接觸供電+電池供電的方式為AGV 提供能量。其中非接觸供電作為主要能量來源，蓄電池供電則作為應(yīng)急能量來源，實(shí)現(xiàn)了電能的無接觸、持續(xù)性傳輸，且克服了蓄電池供電模式對于AGV 工作時(shí)間的和空間的限制，使24 h 連續(xù)不間斷工作成為可能。非接觸供電系統(tǒng)電源變換器將市電380 V 交流低頻50 Hz 變換為中頻電，通過取電板無接觸、持續(xù)地傳輸?shù)紸GV 車載移動(dòng)的電源變換器中，輸出供AGV 伺服驅(qū)動(dòng)器使用的電源，驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的交流電機(jī)和伺服電機(jī)以及24VDC 供控制單元使用。備用電池可以在線隨時(shí)充電，與非接觸供電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)隨意切換，在緊急情況下可以切換到電池供電，實(shí)現(xiàn)AGV 離線操作，不局限于僅在非接觸環(huán)線運(yùn)行。

由于非接觸電纜周圍存在磁場，可以通過分析磁場的變化進(jìn)而對AGV 進(jìn)行導(dǎo)航，再與AGV 固有的磁導(dǎo)航進(jìn)行彼此校對，保證了AGV 不會(huì)脫離運(yùn)行軌道。

2 前車AGV 設(shè)計(jì)

2.1 前車AGV 構(gòu)成

如圖2 所示，前車AGV 主要由前驅(qū)動(dòng)輪裝置1（圖所示為輪艙）和兩組后隨動(dòng)輪裝置2（圖所示為輪艙）、車架3及舉升支撐4 構(gòu)成，車體寬度為1 050 mm，最大高度為前驅(qū)動(dòng)輪裝置艙390 mm，設(shè)計(jì)承載能力12 t，牽引能力23 t。

圖2 前車AGV 構(gòu)成

2.2 前車AGV 前驅(qū)動(dòng)輪裝置構(gòu)成

作為合裝段驅(qū)動(dòng)力的唯一來源，同時(shí)還需要有足夠的承載能力，如何在小尺寸的車身下實(shí)現(xiàn)大的承載和大的牽引能力，圖2 中前驅(qū)動(dòng)輪裝置1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則尤為重要。

前驅(qū)動(dòng)輪裝置主要由驅(qū)動(dòng)輪裝置、承重結(jié)構(gòu)及盤軸承等組成。其工作原理[3]為通過左驅(qū)動(dòng)輪裝置1-6、右驅(qū)動(dòng)輪裝置1-1、連接板1-2 組成承重結(jié)構(gòu)，依靠左驅(qū)動(dòng)輪裝置1-6、右驅(qū)動(dòng)輪裝置1-1 帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪片1-4 轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退，承重結(jié)構(gòu)設(shè)置盤軸承1-3 實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)，再通過左驅(qū)動(dòng)輪裝置1-6、右驅(qū)動(dòng)輪裝置1-1 差速驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，同時(shí)連接板1-2 與盤軸承1-3 鉸接，保證驅(qū)動(dòng)輪片1-4 有效承載，取電板1-7 安裝在取電支架1-5 的底部，為前車AGV 采集能量，通過盤軸承1-3 將其安裝于前驅(qū)動(dòng)輪裝置艙內(nèi)，離合器拉桿1-8 可以保證在緊急情況下解開前驅(qū)動(dòng)輪裝置的離合器，使前車AGV 處于完全隨動(dòng)的狀態(tài)，以便應(yīng)急維修處理，所有線束采用盤臥拖鏈的方式進(jìn)入車體電器艙。

3 后車AGV 設(shè)計(jì)

3.1 后車AGV 構(gòu)成

如圖3 所示，后車AGV 主要由前舵輪裝置1（圖所示為輪艙）、右后隨動(dòng)輪裝置2（圖所示為輪艙）、左后驅(qū)動(dòng)輪裝置3（圖所示為輪艙）、車架4 及舉升支撐5 構(gòu)成，車體寬度為800 mm，最大高度為前舵輪裝置艙355 mm，設(shè)計(jì)承載能力6 t。

圖3 后車AGV 構(gòu)成

3.2 后車AGV 前舵輪裝置構(gòu)成

圖3 中后車AGV 前舵輪裝置1 作為合裝段后車的校舵及返回段后車的轉(zhuǎn)彎裝置，同時(shí)還需要兼具足夠的承載能力，如何在小尺寸的車身下實(shí)現(xiàn)大的承載和大的校舵能力，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

前舵輪裝置主要由轉(zhuǎn)向裝置、舵輪架及隨動(dòng)輪片等組成。其工作原理為電機(jī)減速機(jī)通過齒輪與盤軸承嚙合，連接成一體，組成轉(zhuǎn)向裝置1-1，實(shí)現(xiàn)舵輪轉(zhuǎn)向，舵輪架1-2 與轉(zhuǎn)向裝置1-1 通過銷軸鉸接，可使舵輪架1-2 擺動(dòng)，保證舵輪架1-2 中的2 個(gè)隨動(dòng)輪片1-3 有效承載，取電板1-5 安裝在取電支架1-4 的底部，整體與舵輪架1-2 連接，為后車AGV 采集能量，通過電機(jī)減速機(jī)+盤軸承轉(zhuǎn)向裝置1-1 中的盤軸承將其安裝于前舵輪裝置艙內(nèi)，所有線束采用擺動(dòng)拖鏈的方式進(jìn)入車體電器艙。

3.3 后車AGV 左后驅(qū)動(dòng)輪裝置構(gòu)成

圖3 中后車AGV 左后驅(qū)動(dòng)輪裝置2 主要作用是合裝段為隨動(dòng)后車提供承載力，返回段為后車提供驅(qū)動(dòng)力，如何在小尺寸的車身下實(shí)現(xiàn)大的承載和有效的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)還能夠減小驅(qū)動(dòng)輪片的磨損，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的問題。

左后驅(qū)動(dòng)輪裝置主要由驅(qū)動(dòng)輪、隨動(dòng)輪和電機(jī)減速機(jī)等組成。其工作原理為以一驅(qū)動(dòng)輪2-1（與電機(jī)減速機(jī)2-3 連接）和一隨動(dòng)輪2-2 并排的方式承載，安裝掛板2-5 與驅(qū)動(dòng)輪架2-4 鉸接，可實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)，在有效提高AGV 承載和驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)又避免了驅(qū)動(dòng)輪2-1 的磨損，通過安裝掛板2-5 將其安裝于左后驅(qū)動(dòng)輪裝置艙內(nèi)。

4 安全性分析

重載AGV 的安全性是一個(gè)必須重視的問題，重卡合裝線兩側(cè)分布著許多設(shè)備及操作工人，一旦出現(xiàn)安全事故后果不堪設(shè)想。除了軟件上的偏離導(dǎo)航線保護(hù)，地標(biāo)丟失保護(hù)和硬件上的安全非接觸激光防碰保護(hù)，急停按鈕保護(hù)外，車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及可承受力情況對于重載AGV 來說需要充分考慮及嚴(yán)格驗(yàn)證，而相對于前車AGV，后車AGV 車身尺寸更小，所以對后車進(jìn)行結(jié)構(gòu)的安全性分析。

4.1 后車AGV 車架靜應(yīng)力分析

對后車AGV 車架進(jìn)行靜應(yīng)力分析可知，當(dāng)將驅(qū)動(dòng)輪及隨動(dòng)輪安裝面固定，在夾具艙加載6 t 的力時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)生在車架夾具艙邊側(cè)板處，最大位移發(fā)生在車架夾具艙底板處，所以在設(shè)計(jì)時(shí)對此兩處進(jìn)行著重加強(qiáng)，并采用高強(qiáng)度鋼板。

4.2 關(guān)重件設(shè)計(jì)

所有焊縫質(zhì)量等級為Ⅱ級（GB 3424—86） ，采用坡口焊接，焊前預(yù)熱，焊后時(shí)效處理，并對車架焊縫進(jìn)行著色探傷，保證無焊接缺陷存在。

所有銷軸類零件進(jìn)行超聲波探傷檢測，保證無氣孔、沙眼和斷層。

所有法蘭連接處采用高強(qiáng)度螺栓連接，進(jìn)行防松處理，并打力矩?cái)Q緊，做好防松標(biāo)記。

4.3 后車AGV 側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)合裝進(jìn)行到最后一個(gè)工位的時(shí)候，卡車達(dá)到最重且舉升處于高位，所以受力達(dá)到最極端情況，一旦此時(shí)給卡車一個(gè)側(cè)向力，由于AGV 車體較窄，而造成側(cè)翻，后果會(huì)非常嚴(yán)重，固對此工況進(jìn)行側(cè)翻力計(jì)算。如圖4 所示，卡車底盤落于后車AGV 上，所受重量為6 t，支撐點(diǎn)為N1和N2，A、B兩點(diǎn)表示后車AGV 支撐輪外側(cè)，G代表后車AGV 自重2 t。

通過圖4 所示受力模型對后車AGV 進(jìn)行所能承受最大側(cè)向力F計(jì)算。

左側(cè)支撐力N1=30000 N，右側(cè)支撐力N2=30000 N，車體重力G=20000 N，側(cè)向力為F，則以A點(diǎn)為力矩平衡點(diǎn)計(jì)算得

圖4 受力示意圖

所以F=36654N，即如果使后AGV 連帶卡車傾翻，需要在卡車后底盤施加36 654 N 的力，且為持續(xù)力，顯然，重型卡車裝配現(xiàn)場不存在這樣一個(gè)側(cè)向力F，可知該雙車重載AGV 不存在側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 加載試驗(yàn)

首先對雙車系統(tǒng)進(jìn)行額定載荷的動(dòng)態(tài)加載以及12 h 以上的靜態(tài)加載，模擬實(shí)際工況，以驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然后對其進(jìn)行1.5 倍的瞬時(shí)靜態(tài)額定載荷加載，模擬沖擊工況，以驗(yàn)證系統(tǒng)的安全性。加載試驗(yàn)結(jié)束后，檢查AGV 車輪的包膠有無開裂脫膠，車架、輪架有無開焊，銷軸有無彎曲，法蘭螺栓連接處有無松開，液壓系統(tǒng)舉升有無漏液等情況發(fā)生，保證無質(zhì)量問題。

5 結(jié)語

通過雙車聯(lián)動(dòng)重載AGV 的設(shè)計(jì)，該文不僅提出了一種全新的結(jié)合了雙車AGV 的重型卡車合裝線模式，而且設(shè)計(jì)了6 種得到了驗(yàn)證的新型結(jié)構(gòu)及思路。1） 該文采用前后雙車AGV 聯(lián)動(dòng)的方式進(jìn)行重型卡車合裝線的裝配，滿足重卡低位及重載的裝配需求，提高自動(dòng)化率。2） 前車AGV 采用兩組驅(qū)動(dòng)單元加盤軸承的方式，實(shí)現(xiàn)差速行進(jìn)及轉(zhuǎn)彎，車體尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)度高，承載能力及驅(qū)動(dòng)能力大。3）后車AGV 采用舵單元與驅(qū)動(dòng)單元分開的方式，實(shí)現(xiàn)無驅(qū)動(dòng)力與有驅(qū)動(dòng)力間的切換，增加雙車的承載能力及適應(yīng)性。4）支撐采用“蹺蹺板”的結(jié)構(gòu)，解決了前后AGV 舉升高度差的支撐問題及重型卡車車橋板簧所帶來的的影響。5） 采用非接觸供電+電池供電的方式，既可以減小AGV 車體尺寸，持續(xù)工作，又可以在提供穩(wěn)定能量來源的同時(shí)有應(yīng)急預(yù)案。6） 對雙車聯(lián)動(dòng)重載AGV 系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了理論論證、極限試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際使用情況，該設(shè)計(jì)安全高效。

以上設(shè)計(jì)使用結(jié)果對國內(nèi)雙車聯(lián)動(dòng)重載AGV 在重型卡車合裝線的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義，新型結(jié)構(gòu)及思路的提出對于AGV 在不同行業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用也具有很好的參考價(jià)值。