高峰

摘? 要：基于麥克納姆輪（簡稱麥輪）結(jié)構(gòu)方式和具有零轉(zhuǎn)彎半徑的特點，該文對麥輪平衡重式AGV叉車總體設(shè)計進行了闡述。對總體布局中叉車重心的位置、總體參數(shù)進行了分析和研究。對行走系統(tǒng)的麥輪、伺服電機、減速機、及液壓系統(tǒng)進行了計算。該文分析了全車動力源供電結(jié)構(gòu)，導(dǎo)航方式、避障及安全系統(tǒng)。同時引入了叉車試驗的4種穩(wěn)定性在總體設(shè)計中進行分析與研究，全方位考慮問題，提高了總體設(shè)計的準(zhǔn)確性和實用性，對成品的樣機每一項技術(shù)參數(shù)指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)試驗要求。

關(guān)鍵詞：麥克納姆輪;AGV平衡重式叉車;總體設(shè)計

中圖分類號：TH22? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著物流自動化的發(fā)展和需求， AGV叉車是倉儲物流、智能工廠的一個重要設(shè)備。它是以電池為動力源，具有舉升、動力導(dǎo)向、路徑識別、安全避障和自動充電等功能。在無人駕駛的情況下，實現(xiàn)自主搬運貨物到指定位置進行擺放、堆垛，對生產(chǎn)、運輸、成本管理有重要意義。傳統(tǒng)的輪式AGV叉車需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑、直角通道才能在工況下作業(yè)。但對一些空間狹窄或特殊的路徑場合，傳統(tǒng)的AGV叉車并不滿足該工況?；诖?，該文的輪式AGV叉車采用動力相互獨立的4個麥克納姆輪結(jié)構(gòu)，具有零轉(zhuǎn)半徑的特點，在不改變車身方向的情況下，可以在平面內(nèi)做任意方向的移動，提高了倉儲、物流的空間的利用率。該文闡述了麥輪AGV叉車的總體設(shè)計，其根據(jù)市場需求、工況要求，設(shè)計和布局外形尺寸、各性能參數(shù)、導(dǎo)航方式等。初步確定整機尺寸參數(shù)，選定軸距、輪距，自重、前懸距和后懸距等。具體從3個方面進行論述。

1 整機重心的分布

確定整機重心的位置很重要。傳統(tǒng)叉車試驗證明，空載前橋負荷滿足40%左右，滿載前橋負荷滿足90%左右是符合國家試驗要求的。該文的麥輪叉車，如果按照傳統(tǒng)叉車進行重心分布，滿載時，橫向行動時會出現(xiàn)斜向偏移。不僅會影響傳動效率，更會影響導(dǎo)航的精度。所以在設(shè)計時要遵循滿載和空載前后橋負荷接近1∶1;由此增加一個可移動的配重，在叉車滿載時，可移動配重通過一個機構(gòu)向車體后移，改變整車的重心位置，使?jié)M載時前后橋重量幾乎相等。叉車空載時，可移動的配重沿著車體進行前移，使前后橋重量幾乎相等。就是說，時刻保證4個輪子承載重量接近相等。

2 確定總體參數(shù)

根據(jù)工況需求，可確定自重M、額定起重量m、滿載運行最大速度V、滿載爬坡度α、動摩擦系數(shù)f、加速度a、起升高度h、軸距L、輪距C、滿載起升速度V1等參數(shù)。

3 行走系統(tǒng)的選擇

行走系統(tǒng)由輪系、伺服電機、減速機組成。伺服電機和減速機的性能參數(shù)決定了整車的動力性能。麥輪的直徑?jīng)Q定著整車重心高度和抗翻能力，即麥輪的強度、高度決定了整車的穩(wěn)定性、行走能力、運行精度等。

3.1 輪系的選擇

采用均布的4點支撐，根據(jù)整機重量和承載量，計算出每個輪子的承載力，考慮一定的安全系數(shù)，再進行麥輪的選擇，確定直徑。

3.2 伺服電機的選擇

伺服電機的選擇要考慮整車的起步、爬坡、行駛、加速和橫向移動等動力因素，根據(jù)工況實際要求進行選擇。

3.2.1 功率的計算

3.2.2 扭矩的計算

M坡= [ （M+m）g×sinα+μ（M+m）g×cosα+（ M+m）a ]×（D/2）

式中：M-叉車自重，kg。m-額定起重量，kg。V-滿載最大運行速度，km/h。f-滾動阻力系數(shù)，取f=0.045-0.06。η-運行的傳動效率，取0.85。α-爬坡度，%。D-麥輪直徑，m。a-加速度，m/s2。N總-伺服電機的總功率，kW。M坡-爬坡扭矩，N·m。綜上所述，通常取滿載在無坡道和有坡道2種工況下取最大值進行電機的計算，同時要結(jié)合麥輪橫向移動方式的特點，確定每個電機的功率、額定轉(zhuǎn)速及編碼器、驅(qū)動器等。

3.3 減速機的選擇

確定減速機的傳動比

結(jié)合電機參數(shù)選擇減速機，確定電機和減速機參數(shù)及曲線圖進行匹配。原則是傳到輪子的動力要大于輪子與地面的摩擦力;同時要有滿足牽引性能。

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計選擇

4.1 系統(tǒng)的壓力確定

根據(jù)起升重量和內(nèi)門架及叉架的重量，確定起升壓力，乘以一個過載1.25倍的系數(shù)，考慮5%～10%的壓力損失，最終得到起升系統(tǒng)的額定壓力P。

4.2 起升系統(tǒng)油缸的選擇

根據(jù)起升系統(tǒng)的額定壓力P，來選擇油缸參數(shù)，暫設(shè)定油缸面積為S。

4.3 確定起升系統(tǒng)的流量

Q=V1×S

4.4 油泵的選擇

在系統(tǒng)壓力P和流量Q下，結(jié)合油泵特性曲線圖，選取排量q。

4.5 油泵電機的選擇

4.5.1 油泵電機轉(zhuǎn)速

4.5.2 油泵電機功率

式中： n1-行走電機額定轉(zhuǎn)速 r/min。P-系統(tǒng)的額定壓力 MPa。Q-起升系統(tǒng)的流量 L/min。V1-滿載起升速度V1。S-起升油缸的面積 mm2。q-泵的排量 mLr。n2-油泵電機額定轉(zhuǎn)速 r/min。ηv-泵的容積效率，取0.9。泵電機功率 kW。i-傳動比。ηP-傳動效率，取0.85。

4.6 換向閥的選擇

通常選用比例電磁閥，原則是選用的額定流量和額定壓力大于上述計算的壓力和流量。

5 動力源的選擇

全車系統(tǒng)總功率P0是由行走系統(tǒng)的伺服電機功率P1、控制器功率P2、液壓系統(tǒng)的電機功率P3、控制器功率P4，遙控器功率P5以及其他輔件上損耗的功率P5之和組成。電池容量和續(xù)航時間是設(shè)計者重點考量的技術(shù)指標(biāo)。一般的續(xù)航時間在3 h左右，在規(guī)定的時間內(nèi)能完成工作，并能自動連接電源充電。一般要求快速充電在2 h以內(nèi)完成。

6 工作裝置的選擇

一般采用兩級和三級起升工作裝置，能精準(zhǔn)地控制貨物的起升高度。

7 導(dǎo)航系統(tǒng)的選擇

叉車的導(dǎo)航方式有慣性、視覺二維碼、有反和無反激光導(dǎo)航常見的幾種。慣性導(dǎo)航通過對陀螺儀偏差信號的計算及地面磁釘信號采集來確定自身的位置和方向。地面需要施工鋪設(shè)磁釘，無需維護，定位精度一般，磁釘需要進口較多，成本較高。視覺二維碼導(dǎo)航通過讀取網(wǎng)格狀布設(shè)的二維碼，確定絕對值坐標(biāo)和方位，地面需要鋪設(shè)二維碼，需要經(jīng)常進行維護，定位精度一般，成本較高。有反激光導(dǎo)航通過測量預(yù)先布設(shè)的地標(biāo)（反光板）來確定當(dāng)前的位置和方向。周邊需要施工布設(shè)反光板，路徑可任意變更，無需維護，定位精度高，成本高。無反激光導(dǎo)航通過四周的輪廓特征點來確定其當(dāng)前的位置和方向，不改變環(huán)境、不需要施工，路徑可任意變更，無需維護，定位精度中等，成本高。通過對比，采用有反和無反激光導(dǎo)航比較好。

8 避障系統(tǒng)

可采用激光、光電、紅外、超聲等多重避障方式，加上車體機械碰撞感應(yīng)傳感器，全方位避障，規(guī)避各種潛在危險。

9 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括運動控制系統(tǒng)、自動導(dǎo)航系統(tǒng)和手動遙控系統(tǒng)。運動控制系統(tǒng)是AGV叉車的核心部件，負責(zé)接收上位機各種信號，經(jīng)CPU進行數(shù)據(jù)處理，得出控制策略，并輸出相應(yīng)的控制量對伺服電機進行控制，完成一系列的運動、門架的起升等功能。自動導(dǎo)航系統(tǒng)是保證AGV叉車能夠自主行駛的關(guān)鍵模塊。手動遙控系統(tǒng)主要是通過手柄來實現(xiàn)AGV叉車運動和工作裝置的起升等功能。手動遙控系統(tǒng)包括無線電遙控、紅外線遙控、超聲波遙控3種，可根據(jù)工況要求進行選擇。

10 安全系統(tǒng)

為保證設(shè)備、工件、人身安全等因素，應(yīng)滿足如下要求：當(dāng)車充電時，所用控制方式都不起作用，不能對整車進行操縱控制。當(dāng)車啟動后，車體上自動充電口處電壓為零，以免意外發(fā)生觸電事故。車設(shè)有緊急停車按鈕，當(dāng)無線遙控器出現(xiàn)故障或整車出現(xiàn)非正常工作時，可按下急停按鈕切斷電源。具有聲、光、語音提示等報警功能，能自動故障診斷和畫面提示操作并及時反饋信息。

11 穩(wěn)定性試驗

重心位置確定。標(biāo)準(zhǔn)無載，門架垂直，利用各部件重量Gi與ai（距前橋中心長度）之積的總數(shù)與叉車總重確定xo（重心與前橋中心距離）利用各部件重量Gi與地面距離ni之積的總數(shù)與總重量Go確定yo（重心與地面距離）。

計算得：xo=（∑Giai）/ Go; yo=（∑Gini）/ Go。

叉車滿載堆垛的縱向穩(wěn)性? tgθ1=e1/hg1>0.4為合格。叉車滿載運行時的縱向穩(wěn)定性? tgθ2=e2/hg2>18%為合格。叉車滿載運行時橫向穩(wěn)定性tgθ3=e3/hg3>6%為合格。叉車空載運行時橫向穩(wěn)定性tgθ4=e4/ hg4>（15+1.4v）%為合格。 以上4種是我國叉車GB/T 3300—2010試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)。從以上4種狀態(tài)可以推導(dǎo)出，降低叉車的重心對橫向和縱向穩(wěn)定性是有好處的。叉車的重心越靠后，縱向穩(wěn)定性越好，但橫向穩(wěn)定性不好。因此，對于總體設(shè)計階段的叉車，也要考慮以上四式穩(wěn)定性條件可以進行合理的布局，使叉車的性能更優(yōu)越。

12 結(jié)語

從以上幾個方面介紹了麥克納姆輪平衡重式AGV叉車的總體設(shè)計方法、步驟、簡要的計算和導(dǎo)航、控制系統(tǒng)、安全性等，把控全局，規(guī)范產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計，理論結(jié)合實際，提高產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量，完善產(chǎn)品的可靠性。

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