剛?cè)狁詈系腁GV車體動(dòng)力學(xué)仿真

王顯旺，吳明福

（北京天下先智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 102600）

在智能倉(cāng)庫(kù)的貨到人系統(tǒng)中，貨架搬運(yùn)AGV得到了大量且快速的應(yīng)用，此類AGV體積小，搬運(yùn)能力強(qiáng)，多臺(tái)AGV在調(diào)度系統(tǒng)的統(tǒng)一控制下同時(shí)作業(yè)，極大地提高了貨到人系統(tǒng)的吞吐量[1-3]。AGV自身結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)行走、頂升、自旋和托盤(pán)旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，經(jīng)過(guò)近幾年的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一種車體底盤(pán)與上部頂升組件融合為一體的鉸接式車體結(jié)構(gòu)[4-5]，這種結(jié)構(gòu)的AGV車在成本、生產(chǎn)和控制穩(wěn)定性方面具有很大優(yōu)勢(shì)。由于貨架搬運(yùn)AGV的車體自重小，而頂升負(fù)載大，空載和滿載時(shí)驅(qū)動(dòng)輪與地面的正壓力要求差異大，鉸接式車體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)正好滿足了不同工況下車輪與地面正壓力的要求[6]，但同時(shí)由于鉸接式結(jié)構(gòu)的影響，加上負(fù)載重量大、重心高等因素，導(dǎo)致車體在滿負(fù)載急加速或急減速的過(guò)程中產(chǎn)生的額外傾覆力矩可能使車體劇烈晃動(dòng)甚至傾翻。

1 車體結(jié)構(gòu)和靜力學(xué)分析

車體和負(fù)載的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，前、后底盤(pán)通過(guò)車體中部的銷軸鉸接在一起，左、右驅(qū)動(dòng)輪分別布置在車體中部的左、右兩側(cè)，前、后萬(wàn)向輪分別位于前、后底盤(pán)的前端和后端并且偏離左右中心線一定距離。頂升動(dòng)力組件安裝在前底盤(pán)上，頂升連桿組件通過(guò)前、后鉸接軸分別與前、后底盤(pán)連接，回轉(zhuǎn)托盤(pán)安裝于頂升連桿組件的頂部，負(fù)載放置于回轉(zhuǎn)托盤(pán)上。

圖1 車體和負(fù)載的結(jié)構(gòu)圖

簡(jiǎn)化后的平面結(jié)構(gòu)受力如圖2所示，根據(jù)理論力學(xué)平衡條件可計(jì)算得到靜止?fàn)顟B(tài)下地面對(duì)前、后萬(wàn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪的支撐力，在上述負(fù)載和車體自重（總重6429 N，約合656 kg）的作用下，得到地面對(duì)前、后萬(wàn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪的支撐力分別為1499 N、1288 N和3642 N。

圖2 簡(jiǎn)化后的平面結(jié)構(gòu)受力

2 車體動(dòng)力學(xué)分析

2.1 主要件柔性化處理

車體中前、后底盤(pán)和頂升連桿組件的結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，因此對(duì)前、后底盤(pán)和頂升連桿組件的各連桿進(jìn)行柔性化處理。在有限元軟件中采用剛性區(qū)域法提取上述各件的模態(tài)中性文件MNF[7-8]，柔性化的各零件材料為鋁合金，密度2700 kg/m3，彈性模量69 GPa，泊松比0.33，實(shí)體單元使用solid187，連接點(diǎn)使用3Dmass21單元，對(duì)實(shí)體和連接點(diǎn)分別劃分網(wǎng)格，并建立剛性區(qū)域，抽取6階模態(tài)并輸出MNF文件，其余件采用相同設(shè)置并提取MNF文件，分別導(dǎo)入Adams軟件的車體模型中并替換原有剛性件。

2.2 車體動(dòng)力學(xué)仿真

AGV車體在實(shí)際使用中，需在不同載荷下反復(fù)啟停，當(dāng)車體滿載時(shí)，負(fù)載質(zhì)量為車體質(zhì)量的3倍以上，且負(fù)載的重心高，車體在滿載狀態(tài)時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)于車體和控制的穩(wěn)定性非常重要，通過(guò)模擬真實(shí)的速度控制方法驅(qū)動(dòng)車體運(yùn)動(dòng)，以觀察其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。速度控制通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速輸入，對(duì)應(yīng)車體最高速度和平均加速度分別為1 m/s和0.5 m/s2。按上述條件設(shè)置車體行走5.5 s，提取相應(yīng)數(shù)據(jù)并做分析。

負(fù)載重心和車體托盤(pán)中心的速度幅值曲線如圖3所示，負(fù)載重心和車體托盤(pán)中心的Y方向（車體前進(jìn)的左右方向）速度曲線如圖4所示，從圖中可以看出，在加速和減速階段，貨物重心的速度與車體托盤(pán)中心的速度僅在極少時(shí)刻稍有不同，表現(xiàn)為貨物稍有左右方向的晃動(dòng)，到了勻速階段，貨物重心的速度與車體托盤(pán)中心的速度幾乎完全相同，貨物晃動(dòng)很小。而在實(shí)際情況中，由于地面的不平，貨物重心更高或偏離貨物幾何中心等因素的影響，貨物的晃動(dòng)會(huì)更加劇烈，但車體本身的剛度對(duì)晃動(dòng)的影響很小，且由于實(shí)際情況下各鉸鏈軸之間的摩擦作用，晃動(dòng)的收斂速度會(huì)很快。

圖3 加速度0.5m/s2時(shí)，負(fù)載重心和車體托盤(pán)中心的速度幅值曲線

圖4 加速度0.5m/s2時(shí)，負(fù)載重心和車體托盤(pán)中心的Y方向速度曲線

圖5是左、右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪和前、后萬(wàn)向輪在運(yùn)行過(guò)程中與地面的正壓力，在加速和減速階段由于貨物的左右晃動(dòng)，左、右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪與地面正壓力也會(huì)頻繁地增加或減小。在勻速階段，兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪與地面的正壓力相差較小。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)輪與地面的正壓力都分布在靜平衡時(shí)的支撐力附近，保證車體加減速和勻速運(yùn)行的穩(wěn)定性。加速階段，在加速度為最大值的階段（0.5～1.4 s之間），前萬(wàn)向輪與地面的正壓力很小，此時(shí)由于加速，貨物對(duì)車體的重心后移，后萬(wàn)向輪的壓力增大；在勻速階段（1.4～4 s之間），由于貨物重心的速度比較平穩(wěn)，前、后萬(wàn)向輪與地面正壓力也比較穩(wěn)定；減速階段，在加速度為最大值的階段（4～5 s之間），后萬(wàn)向輪與地面的正壓力很小，此時(shí)由于減速，貨物對(duì)車體的重心前移，前萬(wàn)向輪的壓力增大。

圖5 加速度0.5 m/s2時(shí)，左、右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪和前、后萬(wàn)向輪在運(yùn)行過(guò)程中與地面的正壓力

為進(jìn)一步驗(yàn)證，平均加速度增大為0.8 m/s2的情況下進(jìn)行分析，負(fù)載重心和車體托盤(pán)中心的速度幅值曲線如圖6所示，負(fù)載重心和車體托盤(pán)中心的Y方向（車體前進(jìn)的左右方向）速度曲線如圖7所示，在車體運(yùn)行過(guò)程中，左、右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪和前、后萬(wàn)向輪在運(yùn)行過(guò)程中與地面的正壓力如圖8所示。

圖8 加速度0.8m/s2時(shí)，左、右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪和前、后萬(wàn)向輪在運(yùn)行過(guò)程中與地面的正壓力

對(duì)比圖6、圖7和圖3、圖4，當(dāng)增大加速度為0.8 m/s2時(shí)，在加速階段，貨物重心的速度滯后于車體托盤(pán)中心的速度，到了勻速階段，貨物重心的速度出現(xiàn)了圍繞車體托盤(pán)中心速度的震蕩，并且震蕩幅度較大，表現(xiàn)為貨物晃動(dòng)較大，可能影響車體的正常運(yùn)行，由于貨物重心的速度震蕩，又反過(guò)來(lái)影響車體托盤(pán)中心的速度，使車體托盤(pán)中心的速度出現(xiàn)了一些跳動(dòng)，并非完全勻速行駛，且貨物左右方向晃動(dòng)嚴(yán)重，導(dǎo)致車體難以保持直線行駛；在減速階段，貨物重心的速度經(jīng)過(guò)一次震蕩后，才逐漸與車體托盤(pán)中心的速度保持一致，速度減小直至運(yùn)動(dòng)停止。

圖6 加速度0.8m/s2時(shí)，負(fù)載重心和車體托盤(pán)中心的速度幅值曲線

圖7 加速度0.8m/s2時(shí)，負(fù)載重心和車體托盤(pán)中心的Y方向速度曲線

對(duì)比圖8和圖5，當(dāng)增大加速度為0.8 m/s2時(shí)，隨著車體晃動(dòng)的增加，兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪與地面的正壓力交替變化的幅度也隨之增大，加劇了車體行走的不穩(wěn)當(dāng)性。加速階段，前萬(wàn)向輪與地面的正壓力大多時(shí)間為0，此時(shí)由于加速，貨物對(duì)車體的重心后移，后萬(wàn)向輪的壓力增大；在勻速階段（1.9～3.5 s之間），由于貨物重心的速度震蕩，在貨物對(duì)車體壓力的影響下，前、后萬(wàn)向輪交替出現(xiàn)與地面正壓力減小與增大的過(guò)程，與前述速度曲線相對(duì)應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，各輪對(duì)地面的正壓力如果為0，意味著車體會(huì)出現(xiàn)傾翻或者處于臨界狀態(tài)，這種狀態(tài)是非常危險(xiǎn)而不被允許的，要極力避免；減速階段，后萬(wàn)向輪與地面的正壓力減小接近0，前萬(wàn)向輪與地面正壓力增大。體現(xiàn)在實(shí)際情況中，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，車體上方負(fù)載表現(xiàn)為前后晃動(dòng)嚴(yán)重并伴有左右晃動(dòng)，在啟、停階段，車體前萬(wàn)向輪和后萬(wàn)向輪交替脫離地面，整個(gè)車體和負(fù)載運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，因此，加速度的最大值需要嚴(yán)格限制在一定范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

在車體滿載且加速度較大時(shí)，啟動(dòng)和減速階段，負(fù)載晃動(dòng)嚴(yán)重，甚至影響勻速運(yùn)動(dòng)階段的平穩(wěn)性，在減小加速度的情況下，車體穩(wěn)定性提高；結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的車體并經(jīng)過(guò)測(cè)試，當(dāng)實(shí)際的加速度為0.5 m/s2時(shí)，柔性化的各件在仿真中的效果與實(shí)際情況接近，滿足車體穩(wěn)定行駛的要求。剛?cè)狁詈系腁GV車體動(dòng)力學(xué)分析考慮到實(shí)際主要結(jié)構(gòu)件的彈性變形對(duì)車體運(yùn)行的影響，通過(guò)各種工況下的仿真分析，驗(yàn)證了車體結(jié)構(gòu)的適用范圍，同時(shí)也間接驗(yàn)證了各主要結(jié)構(gòu)件的剛度滿足使用要求，此種方法可作為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段的重要輔助手段，并可提前做各種不同工況下的動(dòng)力模擬分析，作為后續(xù)產(chǎn)品測(cè)試的參考依據(jù)。