轉(zhuǎn)向電動機與舵輪異軸的自動導(dǎo)引叉車轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)設(shè)計

劉濟海

安徽合力股份有限公司 合肥 230000

0 引言

近年來，隨著工業(yè)自動化與智能制造的不斷深入發(fā)展，物流搬運自動化的程度亦同時推進，包括自動導(dǎo)引叉車在內(nèi)的無人智能搬運載具也迎來較大的發(fā)展[1]。自動導(dǎo)引叉車融合了叉車技術(shù)和各類自動化技術(shù)，同時搭載各種導(dǎo)航技術(shù)、構(gòu)圖算法、嵌入式軟件和安全防護措施等，能夠?qū)崿F(xiàn)叉車的自動駕駛、物料移載，進行無人作業(yè)，可以成功解決工業(yè)現(xiàn)場物流搬運任務(wù)頻繁、員工操作不規(guī)范和不專業(yè)等問題[2]。目前，自動導(dǎo)引叉車的市場需求旺盛，在機械制造、倉儲物流、煙草和汽車制造等行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛[3，4]。

轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)對車輛當(dāng)前實時轉(zhuǎn)向角的準(zhǔn)確測量是自動導(dǎo)引叉車運動控制技術(shù)的重要組成部分，決定了自動導(dǎo)引叉車行駛速度、導(dǎo)航精度和停位精度等運動控制參數(shù)和性能指標(biāo)，是自動導(dǎo)引叉車產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)[5-7]。故自動導(dǎo)引叉車轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)的設(shè)計尤為重要。

目前，市場上單舵輪結(jié)構(gòu)的自動導(dǎo)引叉車轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)主要有同軸布置和異軸布置2 種形式。同軸布置形式直接將轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)與舵輪以同軸方式相連，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動方式直接和直接獲取數(shù)據(jù)的特點。但這種布置形式的轉(zhuǎn)向輪只能作為從動輪，不帶動力，而市場上常用的自動導(dǎo)引叉車舵輪驅(qū)動單元一般在轉(zhuǎn)向輪上方直接安裝驅(qū)動電動機與減速器，轉(zhuǎn)向電動機采用側(cè)置形式安裝。轉(zhuǎn)向傳感器無法采用同軸布置形式，直接安裝在舵輪上。如果將轉(zhuǎn)向傳感器直接安裝在轉(zhuǎn)向電動機傳動軸上，將會使數(shù)據(jù)換算比過大，造成傳感器選型困難或成本過高。使用轉(zhuǎn)向電動機與驅(qū)動輪異軸布置的自動導(dǎo)引叉車，可以保證轉(zhuǎn)向電動機的獨立性，方便檢修、保養(yǎng)和調(diào)試。同時，其轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)可以選擇和轉(zhuǎn)向電動機安裝在一起，也可以選擇另外的獨立安裝位置。

本文為了滿足市場需求，針對轉(zhuǎn)向電動機與舵輪同軸布置的自動導(dǎo)引叉車轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)存在的問題，提出設(shè)計轉(zhuǎn)向電動機與舵輪異軸布置的自動導(dǎo)引叉車轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)，實現(xiàn)對自動導(dǎo)引叉車舵輪轉(zhuǎn)向角度的準(zhǔn)確測量。

1 轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1 所示，設(shè)計的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向編碼器、編碼器安裝軸、編碼器安裝支座和編碼器齒輪等組成。轉(zhuǎn)向編碼器用于準(zhǔn)確獲取自動導(dǎo)引叉車的轉(zhuǎn)向角度數(shù)據(jù)。本文將轉(zhuǎn)向編碼器設(shè)計安裝在與舵輪異軸布置的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)上，通過一定的傳動速比，實現(xiàn)對叉車轉(zhuǎn)向角度信號的有效獲取。編碼器安裝軸一端與編碼器軸通過軸頂端孔進行固定連接，另一端與編碼器齒輪固定連接。編碼器安裝支座用于固定編碼器安裝軸及其相關(guān)部件，其可以安裝在與舵輪異軸的任意部位，通過齒輪的選型實現(xiàn)整個轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)的有效固定。編碼器齒輪與編碼器安裝軸之間固定連接，通過齒輪的合適選型，實現(xiàn)對叉車轉(zhuǎn)向角度信號的準(zhǔn)確識別和傳遞。

圖1 自動導(dǎo)引叉車轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)示意圖

設(shè)計的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)實現(xiàn)自動導(dǎo)引叉車轉(zhuǎn)向檢測的方法如圖2 所示，當(dāng)叉車轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向電動機齒輪驅(qū)動舵輪轉(zhuǎn)向齒圈轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生一個舵輪轉(zhuǎn)向角度，也就是叉車轉(zhuǎn)向角度；此外，由于舵輪轉(zhuǎn)向齒圈與編碼器齒輪嚙合，舵輪轉(zhuǎn)向齒圈的轉(zhuǎn)動也會帶動編碼器齒輪轉(zhuǎn)動一個對應(yīng)的角度；由于編碼器安裝軸兩端分別與編碼器齒輪和編碼器軸固定連接，編碼器齒輪轉(zhuǎn)動的角度將通過編碼器安裝軸傳輸給轉(zhuǎn)向編碼器；最后，通過轉(zhuǎn)向編碼器采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合舵輪轉(zhuǎn)向齒圈與編碼器齒輪的傳動速比，經(jīng)過換算即可測量獲取叉車的轉(zhuǎn)向角度。

圖2 自動導(dǎo)引叉車轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)與舵輪配合示意圖

2 轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)準(zhǔn)確性保證措施

2.1 編碼器齒輪選型

根據(jù)驅(qū)動單元舵輪轉(zhuǎn)向齒圈的相關(guān)數(shù)據(jù)，進行編碼器齒輪的選型。若已知舵輪轉(zhuǎn)向齒圈的模數(shù)m1、齒數(shù)z1、分度圓直徑d1以及編碼器齒輪安裝位置中心到舵輪轉(zhuǎn)向齒圈中心的距離d，可以計算確定編碼器齒輪的模數(shù)m2、分度圓直徑d2、齒數(shù)z2、齒距ρ2、齒全高h(yuǎn)2、齒厚S2分別為[8,9]

獲得編碼器齒輪的基本參數(shù)后，依此進行編碼器齒輪的詳細(xì)設(shè)計及選型。同時，可以得到舵輪轉(zhuǎn)向齒圈與編碼器齒輪的傳動速比為

2.2 轉(zhuǎn)向編碼器選型

為了實現(xiàn)編碼器對叉車轉(zhuǎn)向角度的準(zhǔn)確讀取，需要在叉車的轉(zhuǎn)向過程中讀取足夠量的數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的叉車運動控制系統(tǒng)，確定該數(shù)據(jù)的指標(biāo)為N0。根據(jù)上文中編碼器齒輪的選型，以及確定的驅(qū)動單元舵輪轉(zhuǎn)向齒圈與編碼器齒輪的傳動速比i，可以計算編碼器的需求脈沖數(shù)為

將需求脈沖數(shù)N轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的編碼器單圈脈沖數(shù)，進行轉(zhuǎn)向編碼器選型。確定編碼器的具體參數(shù)，需要對編碼器的類型進行確定。當(dāng)前，轉(zhuǎn)向編碼器的主要選型分為增量式和絕對值式兩大類。

增量式編碼器是1 種線性或旋轉(zhuǎn)機電設(shè)備，有2 個輸出信號A 和B，當(dāng)設(shè)備移動時發(fā)出脈沖。許多增量式編碼器有一個額外的輸出信號，通常指定為分度或Z，它表示編碼器位于一個特定的參考位置。此外，一些編碼器還提供一個狀態(tài)輸出（通常指定為報警或故障代碼），指示內(nèi)部故障情況，如軸承故障或傳感器故障。與絕對值編碼器不同，增量式編碼器不顯示絕對位置，其只報告位置的變化，對于每個報告的位置變化報告運動的方向。因此，為了確定任何特定時刻的絕對位置，有必要將編碼器信號發(fā)送到增量式編碼器接口，后者將跟蹤并報告編碼器的絕對位置。增量式編碼器幾乎是在瞬間報告位置變化，這使其能夠近乎實時地監(jiān)測高速機構(gòu)的運動，故增量式編碼器通常用于需要精確測量和控制位置和速度的應(yīng)用。

絕對值編碼器相對增量式編碼器而言，其電氣特性相對特殊。當(dāng)電源從編碼器上移除時，絕對編碼器仍能保持位置信息，而編碼器的位置在接通電源后可立即獲得。編碼器值和被控機械的物理位置之間的關(guān)系在裝配時就已確定，系統(tǒng)不需要返回校準(zhǔn)點來保持位置的準(zhǔn)確性。絕對編碼器有多個具有不同二進制權(quán)重的碼圈，提供1 個數(shù)據(jù)位，代表編碼器在一圈內(nèi)的絕對位置。這種類型的編碼器通常被稱為并行絕對編碼器。多圈絕對旋轉(zhuǎn)編碼器包括額外的編碼輪和齒形輪。高分辨率的輪子測量小數(shù)點的旋轉(zhuǎn)，而低分辨率的齒形碼輪則記錄軸的整轉(zhuǎn)數(shù)。

根據(jù)本文中轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，當(dāng)舵輪轉(zhuǎn)向齒圈發(fā)生了一定角度的轉(zhuǎn)動時，編碼器安裝軸通常已經(jīng)發(fā)生了較多圈的轉(zhuǎn)動。因此，在進行編碼器選型時，本文設(shè)計的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)需要選擇增量式編碼器或多圈絕對值編碼器。

若選擇增量式編碼器，則需在舵輪機構(gòu)上提供一個特殊的點位，用以標(biāo)識出較為特殊的參考位置，通常選擇舵輪的0°或±90°位置作為參考位置。同時，需要妥善調(diào)節(jié)參考位置，要求在參考位置時，轉(zhuǎn)向編碼器需要能夠觸發(fā)Z 脈沖，以向系統(tǒng)傳遞舵輪位于特殊位置的信息。為實現(xiàn)此目的，通常會使用光電開關(guān)、接近開關(guān)等方法觸發(fā)信息傳遞窗口（區(qū)間），并要求在信息傳遞窗口內(nèi)轉(zhuǎn)向編碼器有且只有1 個Z 脈沖生成，以保證信息傳遞的可靠性和準(zhǔn)確性。

2.3 編碼器與編碼器安裝軸的固定

如圖3 所示，將編碼器上帶有平面的編碼軸插入編碼器安裝軸內(nèi)，裝配到位后使用緊定螺釘固定。編碼器與編碼器安裝軸的連接松緊程度通過緊定螺釘?shù)陌惭b扭矩進行控制。采用這種固定方式可以實現(xiàn)較為穩(wěn)定可調(diào)的緊定連接，既保證連接的穩(wěn)定性，防止編碼器和編碼器安裝軸之間的相對滑動，又避免過度固定造成轉(zhuǎn)向編碼器的損壞。同時，采用此種固定方式可以使維護保養(yǎng)人員的日常檢查更容易，通過編碼器安裝支座上的操作孔可以方便地檢查緊定螺釘是否發(fā)生松動，也可以通過松開緊定螺釘方便地拆換轉(zhuǎn)向編碼器。

圖3 轉(zhuǎn)向編碼器和編碼器安裝軸配合示意圖

2.4 編碼器齒輪與編碼器安裝軸的固定

如圖4 所示，使用平鍵進行編碼器齒輪與編碼器安裝軸之間的固定連接。平鍵的兩側(cè)面為工作面，其與編碼器齒輪和安裝軸上的鍵槽側(cè)面擠壓靠緊，以保證編碼器齒輪與編碼器安裝軸之間沒有相對滑動，以及從舵輪轉(zhuǎn)向齒圈向編碼器齒輪的扭矩傳遞。這種連接方式結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便，且對中性、穩(wěn)定性好。為了防止編碼器齒輪出現(xiàn)軸向竄動，其軸向采用端蓋+螺栓方式進行固定。

圖4 編碼器齒輪和編碼器安裝軸配合示意圖

3 轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)的性能效果及創(chuàng)新性分析

3.1 可靠性

本次設(shè)計的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)已在前移式AGV 叉車、插腿式AGV 叉車和平衡重式AGV 叉車等多款單舵輪車型上進行搭載，覆蓋了自動導(dǎo)引叉車主流噸位，載重量范圍從1.6 t ～6 t 不等。其中某款1.6 t 高起升倉儲高端AGV 車型已在物流倉庫現(xiàn)場使用超過4 a，單臺車型每天連續(xù)運行超過18 h，作業(yè)場景效率高且強度大，目前該車型已經(jīng)連續(xù)使用超過20 000 h，轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)在此期間未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞或磨損導(dǎo)致轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)失效的情況。證明了本次設(shè)計的可靠性。

3.2 可維護性

本次設(shè)計的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，維護便利性強，可快速拆卸和安裝，便于在受外力影響造成物理性損壞或嚴(yán)重磨損時進行維修；可以將轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)在驅(qū)動單元上的安裝螺栓拆除，拆除轉(zhuǎn)向編碼器的連接插件，同時拆除編碼器齒輪的固定裝置，即可將整個轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)拆除，并根據(jù)情況進行部分零件的更換或總成更換。若僅是轉(zhuǎn)向編碼器發(fā)生損壞或故障，可以單獨拆除轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)中編碼器安裝支座的覆蓋件，同時松開結(jié)構(gòu)中的緊定螺釘，即可將轉(zhuǎn)向編碼器從編碼器安裝軸中取出，安裝編碼器即可按照拆除的逆過程進行，維修過程方便快捷。

3.3 精度測試

為了驗證本次設(shè)計的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)的有效性，需要將其安裝在實際車輛上進行測試，以檢測轉(zhuǎn)向測量機構(gòu)的誤差是否在允許范圍內(nèi)。檢測精度測試的原理如下：

在測量前，需要滿條件：1)確保有一個所有自動導(dǎo)引叉車使用的反光桶位置已知的測量區(qū)域；2)確保有足夠的空間駕駛車輛，該區(qū)域根據(jù)車型的不同、具體空間尺寸的大小可以調(diào)整，但空間越大，測試精度越高。

在完成測試準(zhǔn)備后，使用自動測試程序完成5 步自動駕駛程序：1)直線前進、后退一定距離，并重復(fù)若干次；2)以順時針方向轉(zhuǎn)圈的方式向前行駛，并重復(fù)若干次；3)以逆時針轉(zhuǎn)圈的方式向后行駛，并重復(fù)若干次；4)以逆時針轉(zhuǎn)圈的方式向前行駛，并重復(fù)若干次；5)以順時針轉(zhuǎn)圈的方式向后行駛，并重復(fù)若干次；

完成5 步自動駕駛程序后，自動導(dǎo)引叉車根據(jù)反光桶位置和車輛配備的激光導(dǎo)航頭，通過計算車輛的實際位置變化情況和軌跡，得出車輛轉(zhuǎn)向編碼器安裝角度偏差的實際值；同時，自動導(dǎo)引叉車還會根據(jù)測試過程中轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)反饋的編碼器運動數(shù)據(jù)，計算出轉(zhuǎn)向編碼器安裝角度偏差的計算值。通過比較實際值和計算值的誤差大小，可以判斷轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)是否準(zhǔn)確地測量了車輛的舵輪角度變化，從而確保車輛的安全行駛。

為了驗證本文設(shè)計的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)，在某自動導(dǎo)引叉車產(chǎn)品上依據(jù)上述測試方法對設(shè)計的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)進行了裝車測試。測試中，根據(jù)自動導(dǎo)引叉車的標(biāo)定算法，對轉(zhuǎn)向編碼器的偏差值進行連續(xù)逼近運算，表1 為具體檢測結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可見，檢測的最大誤差值僅為0.03°，表明本文設(shè)計的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)可以滿足自動導(dǎo)引叉車的運行需求。

表1 轉(zhuǎn)向編碼器裝車測試結(jié)果 （°）

3.4 創(chuàng)新性

本次設(shè)計提出了一種創(chuàng)新性的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)，解決單舵輪結(jié)構(gòu)通常需要將轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)或轉(zhuǎn)向編碼器直接安裝在轉(zhuǎn)向電動機同軸的布置局限，減少了100 ～200 mm 的縱向空間占用，同時轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)可避免轉(zhuǎn)向電動機上加裝轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)或轉(zhuǎn)向編碼器所需的特殊改造或定制。轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)采用了與轉(zhuǎn)向電動機異軸布置的形式，可應(yīng)用于采用單舵輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的工業(yè)車輛，這種設(shè)計不僅適用于自動導(dǎo)引叉車，其他需要進行轉(zhuǎn)向角度檢測的單舵輪轉(zhuǎn)向車輛都可參考本文的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)進行設(shè)計和布局。本文所提出的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)設(shè)計為單舵輪車輛的轉(zhuǎn)向檢測提供了更靈活和可行的解決方案。

本次設(shè)計采用了創(chuàng)新的部分新結(jié)構(gòu)和新工藝，其中包括：1）使用緊定螺釘連接編碼器和編碼器安裝軸，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向編碼器和整個轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)的分離，從而大大降低了結(jié)構(gòu)整體的維修和檢測難度；2）采用了鍵槽、軸承、卡簧等部件組成新型的復(fù)合結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)了編碼器安裝支座、齒輪、編碼器安裝軸等部件的聯(lián)合固定。3）為保證轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)的耐用性和可靠性，本設(shè)計使用特殊工藝進行了關(guān)鍵零部件的強化與防護，有效提升了結(jié)構(gòu)的整體性能。本次設(shè)計提出的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)設(shè)計不僅創(chuàng)新地采用了新結(jié)構(gòu)和新工藝，還通過增加維修、檢測難度低和提高耐用性、可靠性等方面的優(yōu)化，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)單舵輪車輛轉(zhuǎn)向檢測技術(shù)的改進。

4 結(jié)語

本文提出設(shè)計了一種轉(zhuǎn)向電動機與舵輪異軸布置的自動導(dǎo)引叉車轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)，論述了其結(jié)構(gòu)設(shè)計和準(zhǔn)確性保證措施，裝車測試驗證表明本文設(shè)計的轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)可以滿足自動導(dǎo)引叉車的運行需求。該轉(zhuǎn)向檢測機構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用在單舵輪自動導(dǎo)引叉車上，使用效果良好，具備在多種形式、多種噸位的類似單舵輪轉(zhuǎn)向車型推廣運用的前景。