缸蓋裝配站傳輸用AGV車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

陶 鑫，鮑君華，李昊橪

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及各國(guó)智能制造戰(zhàn)略的推進(jìn)，制造方式逐漸向客戶個(gè)性化定制和柔性制造方向發(fā)展，車間生產(chǎn)線和倉庫物品日益趨向批量小而品種繁多，這要求輸送裝備能根據(jù)經(jīng)常變化的制造環(huán)境而智能化地柔性輸送，在車間內(nèi)，按非預(yù)定路徑自主導(dǎo)航運(yùn)行的自動(dòng)導(dǎo)引小車(AGV)受到大眾的廣泛關(guān)注，并逐漸成為智能制造業(yè)中不可或缺的部分。AGV是輪式機(jī)器人的一種類型，它是帶有光學(xué)引導(dǎo)或電磁導(dǎo)引的一種裝置，具有編程、移載和安全保護(hù)的功能，是可以根據(jù)規(guī)定的導(dǎo)引路徑進(jìn)行行駛動(dòng)作的運(yùn)輸小車[1-3]。本文設(shè)計(jì)的AGV車具備合理的前進(jìn)后退以及自動(dòng)轉(zhuǎn)彎的能力，利用自帶的輥筒輸送裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機(jī)缸蓋的搬運(yùn)、傳遞、承接等智能化操作，機(jī)械結(jié)構(gòu)方面基本上達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化AGV的要求。由于AGV控制電路成本低廉，操作簡(jiǎn)單，使得其生產(chǎn)成本大大減少，這種車在柔性要求不高的自動(dòng)化物流現(xiàn)場(chǎng)線路上具有廣闊的推廣前景，并且還具有較高的靈活性，特別是在物流制造、物流倉儲(chǔ)等系統(tǒng)中，AGV的應(yīng)用將會(huì)變得更為廣泛[4-6]。

1 實(shí)體模型建立

對(duì)于AGV來說，主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分，這三部分的安裝均需要一個(gè)充分的空間，因此合理地設(shè)計(jì)AGV的機(jī)械結(jié)構(gòu)是整個(gè)AGV設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有在良好的機(jī)械基礎(chǔ)之上，才能更加準(zhǔn)確高效地完成相應(yīng)的傳輸缸蓋的任務(wù)[7-9]。本AGV的機(jī)械系統(tǒng)主要由承重箱結(jié)構(gòu)、車體結(jié)構(gòu)、輪系結(jié)構(gòu)三大部分組成，其整體模型如圖1所示。

圖1 AGV整體模型

2 動(dòng)力學(xué)建模

本文采用虛擬仿真技術(shù)來研究AGV在輸送缸蓋以及行走過程中的各種問題。主要過程為簡(jiǎn)化三維模型、建立配合關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)仿真分析三個(gè)階段。其中，簡(jiǎn)化三維模型的過程主要是對(duì)在仿真過程中影響不大的零件進(jìn)行簡(jiǎn)化，比如將車體的差速驅(qū)動(dòng)輪簡(jiǎn)化為兩個(gè)尺寸相同的普通輪子模型；建立配合關(guān)系階段需要對(duì)虛擬環(huán)境的重力、載荷施加面、馬達(dá)添加、車體重心位置以及摩擦因數(shù)等進(jìn)行配合并輸入準(zhǔn)確數(shù)值；運(yùn)動(dòng)仿真分析的運(yùn)行階段需要在AGV行駛過程中，在所有轉(zhuǎn)彎的位置處對(duì)兩個(gè)PathMateMotor分別打開和關(guān)閉，并且在與機(jī)床對(duì)接的位置處將速度降為0以此來承接缸蓋。

2.1 簡(jiǎn)化AGV的三維模型

本文利用SolidWorks的motion插件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模和仿真分析。創(chuàng)建以MMKS為單位制的剛體模型。將在SolidWorks軟件系統(tǒng)中裝配好的車體進(jìn)行刪減和替換。

首先，孤立整個(gè)承重箱結(jié)構(gòu)，將箱體的外側(cè)鐵皮去除，系統(tǒng)中設(shè)置運(yùn)動(dòng)副關(guān)系，將箱體固定在整個(gè)AGV的車體背部，只留下磨輪與凹槽間的移動(dòng)副。在不影響車體仿真效果的前提下，將差速驅(qū)動(dòng)輪簡(jiǎn)化為尺寸相同的兩個(gè)圓柱模型。

然后，分別將兩個(gè)差速驅(qū)動(dòng)輪替換為直徑尺寸相同、位置一樣的實(shí)體輪模型，并且留下所有輪子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)副。

最后，通過軟件系統(tǒng)分別建立主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速和從動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩的Splines曲線，用來控制主、從動(dòng)輪之間的運(yùn)動(dòng)和牽引力矩。建立的簡(jiǎn)化AGV模型如圖2所示。

2.2 載荷和驅(qū)動(dòng)的施加

模擬傳動(dòng)系統(tǒng)的直線運(yùn)動(dòng)過程，按照車輛空載時(shí)2 m/s、負(fù)載時(shí)1 m/s的速度行駛，輥筒裝置的轉(zhuǎn)速為20 rad/s。

對(duì)傳輸機(jī)構(gòu)的四個(gè)立柱表面施加750 N的載荷。在行駛至機(jī)床位置處的時(shí)候，車體停下來傳遞柴油機(jī)缸蓋，并且在機(jī)床對(duì)缸蓋進(jìn)行加工的時(shí)候，車體行駛至機(jī)床尾部來承接缸蓋，之后再運(yùn)輸至指定位置進(jìn)行儲(chǔ)存。

3 仿真結(jié)果對(duì)比分析

3.1 仿真運(yùn)行結(jié)果

定義好引力與接觸關(guān)系后開始仿真運(yùn)行，經(jīng)仿真計(jì)算得到各工況條件下的計(jì)算結(jié)果。以AGV行駛線速度為例，可以觀察到車體在第二個(gè)轉(zhuǎn)彎處、第四個(gè)轉(zhuǎn)彎處的線速度均達(dá)到了最大值，也就是說，在轉(zhuǎn)彎處應(yīng)適當(dāng)?shù)販p小速度來降低離心力，其數(shù)據(jù)如圖3所示。

3.2 輥筒裝置分析

整個(gè)滑軌板長(zhǎng)為800 mm，輥筒轉(zhuǎn)速為20 rad/s，設(shè)計(jì)時(shí)要求將整個(gè)柴油機(jī)缸蓋傳遞到機(jī)床上需要在10 s內(nèi)完成，仿真后可知輥筒將缸蓋運(yùn)輸成功的時(shí)間為5.4 s，小于設(shè)計(jì)時(shí)的要求，因此設(shè)計(jì)是合理的。輥筒仿真結(jié)果如圖4所示。

圖2 簡(jiǎn)化AGV模型 圖3 AGV線速度 圖4 輥筒仿真結(jié)果

由圖4可以觀察到，傳輸機(jī)構(gòu)傳遞柴油機(jī)缸蓋的速度為0.8 m/s，整個(gè)傳遞時(shí)間為5.4 s，傳遞成功。

至此整個(gè)AGV的所有仿真過程運(yùn)行完畢，其各項(xiàng)仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 AGV各項(xiàng)仿真數(shù)據(jù)

4 靜力學(xué)分析及優(yōu)化

4.1 傳輸機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析及拓?fù)鋬?yōu)化

將傳輸機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入ANSYS中的Workbench,劃分網(wǎng)格后如圖5所示。

圖5 劃分網(wǎng)格的傳輸機(jī)構(gòu)模型

劃分好網(wǎng)格后便開始施加載荷，柴油機(jī)缸蓋的質(zhì)量按照250 kg計(jì)算，則總重量按照2 500 N計(jì)算，平均下來每個(gè)立柱的頂部會(huì)受到612.5 N的壓力，選擇要施加載荷的種類，選擇好四個(gè)面后在每個(gè)立柱面上輸入-612.5 N，以此來定義好力的大小和方向，之后開始設(shè)置邊界條件，最后進(jìn)行求解。求解得到的應(yīng)力、應(yīng)變和變形云圖如圖6所示，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 傳輸機(jī)構(gòu)靜力學(xué)仿真分析結(jié)果

表2 傳輸機(jī)構(gòu)的分析數(shù)據(jù)

根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果可知，其最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力235 MPa，最大形變也可以忽略不計(jì)，從減少制作成本、減少重量的角度上考慮，可以采用拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。首先在設(shè)計(jì)樹內(nèi)建立Topulogy Optimization與Static Structural的關(guān)聯(lián)命令，如圖7所示。

圖7 拓?fù)鋬?yōu)化與靜力學(xué)分析關(guān)聯(lián)圖

之后選擇拓?fù)鋬?yōu)化命令欄里面的setup命令，進(jìn)入到分析界面內(nèi)，在設(shè)計(jì)樹里面選擇Topulogy Optimization，使用mass(質(zhì)量改進(jìn))命令之后，用solve命令開始改進(jìn)設(shè)計(jì)，在能夠支撐300 kg的負(fù)載以及保留原模型50%質(zhì)量的情況下進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在改進(jìn)結(jié)束后，生成的傳輸機(jī)構(gòu)裝配體如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，新的傳輸機(jī)構(gòu)裝配體的板體中心以及墊板中心都會(huì)去掉一部分，這樣既節(jié)省了物料又減少了應(yīng)力集中的情況。則便按照這個(gè)新的形狀，重新進(jìn)行建模。

首先使用三維建模軟件對(duì)傳輸機(jī)構(gòu)的板體結(jié)構(gòu)、墊板結(jié)構(gòu)分別使用凸臺(tái)拉伸命令，之后生成新的傳輸機(jī)構(gòu)裝配體，如圖9所示。之后再導(dǎo)入分析平臺(tái)做靜力學(xué)分析，流程與之前一樣，先進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后如圖10所示。然后再進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變和變形分析，分析結(jié)果如圖11所示，具體分析數(shù)值如表3所示。

表3 新的傳輸機(jī)構(gòu)具體分析數(shù)值

由此可見，新的傳輸機(jī)構(gòu)依然滿足其承重要求，并且其質(zhì)量由最初的156 kg減少到了66 kg，極大地節(jié)省了物料，因此采用該優(yōu)化后的傳輸機(jī)構(gòu)作為最終的方案。

4.2 導(dǎo)軌支撐臺(tái)靜力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

與傳輸機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析一樣，先導(dǎo)入幾何體，劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后的導(dǎo)軌支撐臺(tái)如圖12所示。

圖12 劃分網(wǎng)格的導(dǎo)軌支撐臺(tái)

之后施加載荷，由于傳輸機(jī)構(gòu)也有自重，所以不能單單添加250 kg的力，要算上傳輸機(jī)構(gòu)的自重，傳輸機(jī)構(gòu)裝配體的質(zhì)量為70 kg，再加上八個(gè)輥筒的重量，一共是320 kg,則在施加載荷的時(shí)候就按照3 200 N來施加。對(duì)兩個(gè)滑軌板的滑軌面分別施加了1 610 N的力，之后和傳輸機(jī)構(gòu)的分析流程一樣，設(shè)置好邊界條件以及求解方法后開始計(jì)算，最終得到的分析數(shù)值如表4所示，應(yīng)力、應(yīng)變和變形云如圖13所示。

表4 導(dǎo)軌支撐臺(tái)的分析數(shù)據(jù)

圖13 導(dǎo)軌支撐臺(tái)仿真分析結(jié)果

根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果可知，其最大應(yīng)力都小于許用應(yīng)力，最大形變也可以忽略不計(jì)，考慮到車體在行走過程中可能會(huì)遇到小石塊或者凹凸不平的地面，為了防止車體顛簸而導(dǎo)致整個(gè)傳輸機(jī)構(gòu)在搬運(yùn)過程中不穩(wěn)定，決定在立臺(tái)的外側(cè)分別增加10 mm的加強(qiáng)筋，以此來提高整個(gè)導(dǎo)軌支撐臺(tái)的穩(wěn)定性，使用相關(guān)三維建模軟件對(duì)其改進(jìn)后的模型如圖14所示。

圖14 改進(jìn)后的導(dǎo)軌支撐臺(tái)模型

4.3 車體鋼架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

車體框架的靜力學(xué)分析與前文提到的步驟都大同小異,車體鋼架算上柴油機(jī)缸蓋承受總重量為700 kg，求解施加載荷為7 000 N。劃分網(wǎng)格后的車體框架模型如圖15所示。

圖15 劃分網(wǎng)格的車體框架模型

然后添加載荷和邊界條件，求解得到的應(yīng)力、應(yīng)變和變形云圖如圖16所示，分析結(jié)果數(shù)據(jù)如表5所示。

圖16 車體框架靜力學(xué)仿真分析結(jié)果

表5 車體框架結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)

根據(jù)求解結(jié)果可知，車體框架滿足剛度最大變形量0.5 mm和強(qiáng)度235 MPa設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用有限元分析軟件完成了設(shè)計(jì)的三維模型的剛度強(qiáng)度校核，并在滿足剛度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上對(duì)傳輸機(jī)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在減輕了自身重量的同時(shí)也節(jié)省了制造成本。