狹窄空間四驅(qū)搬運(yùn)小車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

奚曉嬿

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，江蘇 常州 213164）

隨著科技水平的發(fā)展以及人們受教育程度的提高，工廠生產(chǎn)智能化越來越深入人心。為了降本增效以及減少對(duì)人的依賴，同時(shí)也是將工人從危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境中解放出來，國內(nèi)、外企業(yè)都大力開發(fā)各種無人操控物料流轉(zhuǎn)小車（Automated Guided Vehicle，AGV）。AGV 開發(fā)于20 世紀(jì)50 年代，國外出現(xiàn)了一種無人運(yùn)輸小車用來部分替代人力搬運(yùn)物料。隨著時(shí)間的推移，AGV 經(jīng)過多次技術(shù)變革，主要集中在自動(dòng)控制、路徑識(shí)別和路徑規(guī)劃方面。進(jìn)入新世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)得到蓬勃發(fā)展，AGV 技術(shù)被引入國內(nèi)，并在工業(yè)制造、物流、倉儲(chǔ)等行業(yè)中發(fā)揮重要作用，成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中最大的專業(yè)分支之一，并出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的趨勢(shì)，成為現(xiàn)代化企業(yè)自動(dòng)化裝備不可缺少的重要組成部分。

目前，我國AGV 產(chǎn)業(yè)界緊跟國外技術(shù)發(fā)展，開發(fā)了一系列適用于不同行業(yè)的AGV 產(chǎn)品，AGV 的技術(shù)發(fā)展集中在2 個(gè)方向上，一是控制技術(shù)，二是行走結(jié)構(gòu)。我國除了在控制、驅(qū)動(dòng)等方面進(jìn)行深入研究外，另一個(gè)主要研究方向在全向驅(qū)動(dòng)技術(shù)上。全向驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)包括前進(jìn)、后退、側(cè)移、橫移和原地旋轉(zhuǎn)等全方位運(yùn)動(dòng)，該行走機(jī)構(gòu)可以在較小的空間內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，對(duì)場(chǎng)地的大小要求降至最低，可以更大程度上節(jié)約倉儲(chǔ)空間，提升倉庫的倉儲(chǔ)量。

1 搬運(yùn)小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)物流倉庫配備的小車，一種是利用軌道運(yùn)動(dòng)的，這要求倉庫中要預(yù)先鋪設(shè)軌道，不利于倉庫的靈活利用，另一方面也增加倉庫建設(shè)成本，目前使用這種模式的物流倉庫已經(jīng)不多。另一種是使用可控制的AGV小車，但由于采用的是傳統(tǒng)的四輪小車，車子的行動(dòng)路線受限，能完成直線行走，但在彎道運(yùn)動(dòng)上，有速度和空間的限制。速度過快會(huì)引起翻車，轉(zhuǎn)彎空間不夠大又不能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)倉庫的通行面積要求較大。

基于以上2 點(diǎn)缺陷，目前采用比較多的是配置設(shè)計(jì)新穎、機(jī)構(gòu)緊湊的麥克納姆輪車輪的小車，4 個(gè)車輪以鉸接形式分別布置在底盤的4 個(gè)角上，運(yùn)行時(shí)分別控制4 個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，利用速度矢量合成原理實(shí)現(xiàn)駕駛。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，4 個(gè)車輪需要由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，并且在任何時(shí)候，4 個(gè)輪子必須同時(shí)與地面接觸，所以對(duì)AGV 的懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出特殊要求。

圖1 為麥克納姆輪小車運(yùn)行姿態(tài)示意圖。通過對(duì)4 個(gè)輪子的單獨(dú)控制，可以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)-后退、左移-右移和原地旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。

圖1 麥克納姆輪小車運(yùn)行姿態(tài)分析

從圖1 可以看出，由于組成麥克納姆輪的輥輪是45°斜向配置，所以在運(yùn)行方向進(jìn)行分解時(shí)，同向可以疊加，逆向即相互抵消，進(jìn)而能出現(xiàn)一般車輪不能實(shí)現(xiàn)的左移、右移等運(yùn)行姿態(tài)。但因?yàn)榭傆心骋环较虻倪\(yùn)動(dòng)被抵消，所以其傳動(dòng)效率不高，不適用于高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。

1.2 詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)要求確定項(xiàng)目指標(biāo)，主要指標(biāo)見表1。

表1 小車技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)的給出主要考慮到以下幾個(gè)方面。

1）作為能在狹窄空間運(yùn)行的小車，其本身的體積越小越好，但考慮使用時(shí)在小車上方需要配置不同的平臺(tái)，所以體積不能過小，不然容易出現(xiàn)底盤太輕導(dǎo)致翻車的情況。結(jié)合市面上的常見小車，最后選擇外形尺寸為800 mm×800 mm 長(zhǎng)寬。

2）考慮實(shí)際情況下倉庫車間地面會(huì)有一些凹凸不平，所以預(yù)設(shè)小車要能順利爬過2~3°的斜坡，在模擬測(cè)試時(shí)，可以借助平板搭建斜坡，檢查小車的運(yùn)行情況，主要是觀察四輪能否始終保持與地面接觸，從而準(zhǔn)確完成預(yù)定動(dòng)作。

3）越障高度的設(shè)置也是為了模擬實(shí)際使用場(chǎng)合下如果出現(xiàn)了一些阻擋物的情況，在軟件中模擬了不同速度和加速度下的越障能力，樣機(jī)搭建好之后，也會(huì)用障礙塊檢驗(yàn)小車真實(shí)的越障能力。

4）有效續(xù)航時(shí)間的設(shè)定是為了滿足小車的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)要求。由于小車在工作時(shí)都是無線運(yùn)行，所以需要根據(jù)設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)計(jì)算電池的最大容量，估算電池的體積，方便在框架設(shè)計(jì)的時(shí)候預(yù)留出合適的位置安裝電池，并在外殼上設(shè)計(jì)充電接口孔。

1.3 麥克納姆輪選型

車輪的選擇主要是參考整車的載重、尺寸、高度等，主要考慮單輪載荷和輪轂外徑。結(jié)合表1 中要求的最高運(yùn)行速度等限制，最后選擇了6 英寸（1 英寸等于2.54 cm）輕型麥克納姆輪。

該輪的輪徑為152 mm，輪寬78 mm，采用8 個(gè)輥輪的設(shè)計(jì)，單輪重約為2 kg。

在此配置下，單輪極限負(fù)載為80 kg，建議負(fù)載為50 kg，四輪一起能滿足小車額定有效負(fù)載要求。

1.4 伺服電機(jī)和伺服變速器的選擇

根據(jù)項(xiàng)目指標(biāo)中要求的額定有效負(fù)載及運(yùn)行速度，首選行星齒輪變速器。行星齒輪體積較小，能實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，適合當(dāng)下的使用環(huán)境，且可以與伺服電機(jī)匹配成系列化。初步選擇的是90 系列的伺服電機(jī)和伺服齒輪箱。

齒輪箱的選擇參考輸出扭矩和傳動(dòng)比。傳動(dòng)比根據(jù)車輪直徑和選好的電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)速確定。

1.5 懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

底盤懸掛系統(tǒng)是整個(gè)小車底盤設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，將整個(gè)驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)集成在底盤上，采用彈性懸掛形式，滿足在路面凹凸不平時(shí)4 個(gè)輪子都能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的姿態(tài)調(diào)整，保持與地面緊密接觸，以保證無人導(dǎo)引小車嚴(yán)格按照規(guī)劃路線移動(dòng)。

初步設(shè)計(jì)將車輪與框架固聯(lián)，框架和支撐板之間通過一對(duì)彈簧連接保證4 個(gè)車輪與地面始終保持接觸。麥克納姆輪的驅(qū)動(dòng)需滿足四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)要求，并且有獨(dú)立控制系統(tǒng)，所以在設(shè)計(jì)框架時(shí)，需要考慮控制器的位置布局。

底盤需要具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，方便加工、裝配、調(diào)試和維護(hù)。車輛本體通過彈簧與車輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接。需要校驗(yàn)彈簧的彈性系數(shù)、長(zhǎng)度等指標(biāo)，保證在車輛實(shí)際運(yùn)行過程中，車輪始終與地面保持接觸，能進(jìn)行預(yù)想中的運(yùn)動(dòng)分解，不會(huì)出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)的情況。懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.6 框架設(shè)計(jì)

根據(jù)上述選型，結(jié)合輪子及軸承尺寸、電機(jī)尺寸等，設(shè)計(jì)能合理布局這些元件的框架，設(shè)計(jì)與之匹配的底盤結(jié)構(gòu)。在懸掛系統(tǒng)的選擇上采用非獨(dú)立懸掛結(jié)構(gòu)，占用空間小，降低工藝難度。

初步設(shè)計(jì)是將這些元件放置在大小合適的鈑金件盒子中，一對(duì)車輪平行放置在1 個(gè)盒子里，中間沒有軸連接，各自在一邊配置1 個(gè)伺服電機(jī)，用以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。三維造型完成后，測(cè)算該設(shè)計(jì)的重量，不符合預(yù)期要求，進(jìn)而在框架上進(jìn)行改良，去掉底板的設(shè)計(jì)，改為在中間均勻設(shè)置橫擋板承托電機(jī)重量，一來減輕框架重量，二來在加工和裝配上也降低了精度要求，更易完成。

此外，還需要考慮電機(jī)、控制器、傳感器等元件的安放和走線位置，在結(jié)構(gòu)上能保證小車的正常運(yùn)行。根據(jù)車體自重及額定載重，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，確定結(jié)構(gòu)件壁厚、加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)、軸類零件的尺寸等。還需要進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將框架外殼進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，匹配各個(gè)零件上的孔位，安排電氣元件的排線等，盡可能地降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和裝配成本等?？蚣艿娜S造型底部仰視圖如圖3 所示。

圖3 框架底部仰視圖

2 搬運(yùn)小車樣機(jī)搭建

2.1 小車的零件加工與裝配

根據(jù)三維造型設(shè)計(jì)好的零件，將尺寸圖樣發(fā)給外協(xié)廠家進(jìn)行加工。鈑金件加工工藝為激光下料—折彎—焊接—打磨整形。機(jī)加工件加工工藝為車削加工—加工中心銑削（或不經(jīng)過車削直接加工中心銑削）—調(diào)質(zhì)熱處理。全部零件加工完成后進(jìn)行預(yù)裝配，裝配過程中對(duì)鈑金進(jìn)行整形。預(yù)裝配達(dá)到實(shí)際設(shè)計(jì)要求后，將零件分拆，進(jìn)行表面防腐處理，包括鈑金件的噴塑和機(jī)加工件的電鍍等。如圖4 所示。

圖4 產(chǎn)品外殼裝配完成圖

2.2 搬運(yùn)小車的調(diào)試

對(duì)加工和裝配好的樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試，主要包括振動(dòng)、噪聲、車輪行走姿態(tài)等。

首先就是彈簧選型不合適。初選時(shí)考慮需要盡可能減少重量，所以選擇了應(yīng)用于沖壓模具上的超輕矩形彈簧。安裝好之后，用重量塊進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在高低不平的路面上振動(dòng)和噪聲較大。分析原因，是因?yàn)閺椈傻膹椥韵禂?shù)太大，導(dǎo)致剛性太大，減震效果差，說明這款超輕矩形彈簧不適用于該場(chǎng)合。

隨后又選擇了幾款普通圓截面彈簧。在市場(chǎng)上買了多種不同線徑以及不同長(zhǎng)度的彈簧，用重量塊做彈簧的彈性實(shí)驗(yàn)，比對(duì)彈簧的壓縮程度和剛性。最后，選擇了線徑2.5 mm×外徑26 mm×長(zhǎng)度60 mm 的圓簧。

彈簧的問題解決以后，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)仍然存在遇到振動(dòng)引起噪聲過大的問題。檢查了裝配情況，發(fā)現(xiàn)存在一些零件沒有安裝到位，例如四點(diǎn)支撐的懸掛系統(tǒng)存在平面度誤差，經(jīng)過調(diào)整之后問題得以改善。另外對(duì)于一些運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的異常，樣機(jī)在各向運(yùn)動(dòng)過程中偏離預(yù)定軌跡的情況，在修改了控制部分程序編寫以后也能得到解決。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于狹窄空間使用的搬運(yùn)小車，為了滿足運(yùn)行條件，設(shè)計(jì)了與之匹配的底盤結(jié)構(gòu)。文中詳細(xì)介紹了從三維造型虛擬搭建到實(shí)物樣機(jī)的加工和裝配調(diào)試過程。本文的創(chuàng)新之處在于，該小車的設(shè)計(jì)能解決在現(xiàn)今日益發(fā)達(dá)的物流倉儲(chǔ)行業(yè)里最大限度使用倉儲(chǔ)面積的問題，這在寸土寸金的地區(qū)尤為重要。除此之外，該小車搭配不同的頂上機(jī)構(gòu)，在其他領(lǐng)域也能發(fā)揮作用。例如，可以借助控制系統(tǒng)，進(jìn)入到一些人們不方便進(jìn)入的特定工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控，物料傳遞運(yùn)輸?shù)裙δ?。幾個(gè)小車中間配合上連接裝置，還能幾個(gè)組合起來使用，適用于需要重載的場(chǎng)合等。