馮 莉， 杜炳霖

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著人們整體生活水平的提高，設(shè)計風(fēng)格大眾化的家具已經(jīng)不能滿足人們的個性化需求，定制家具逐漸成為家具市場的主流。為了滿足人們生活的需求，板式家具的種類也越來越豐富，從最初的單一形狀變?yōu)楝F(xiàn)在的形狀多樣。同時，板式定制家具的需求量也與日俱增，多輛叉車在車間內(nèi)運輸人造板的場景隨處可見，不但加大了資金投入，也占據(jù)了大量生產(chǎn)空間，給車間增加了負(fù)擔(dān)，產(chǎn)生了較大的安全隱患。

近年來，人造板產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，需求量較大，定制家具在工廠中轉(zhuǎn)序的效率和質(zhì)量直接決定了企業(yè)的利潤，提高板式家具轉(zhuǎn)序的質(zhì)量與效率是現(xiàn)代工廠的發(fā)展方向。為了降低生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率，運送人造板設(shè)備也在不斷地改進(jìn)更新，以適應(yīng)現(xiàn)代社會的需求。自動導(dǎo)引車就是目前市場主流的發(fā)展趨勢，作為柔性度較高的自動化運輸設(shè)備，因其具有自動化程度高、結(jié)構(gòu)簡單、占地面積較小等特點，近年來需求量呈現(xiàn)出井噴式增長，廣泛應(yīng)用于汽車制造、煙草生產(chǎn)線、物流分揀等領(lǐng)域。由于目前自動導(dǎo)引車在木工機(jī)械企業(yè)運用較少，因此設(shè)計一款用于運送人造板自動化程度較高的運輸車，對我國自動導(dǎo)引車行業(yè)的發(fā)展及普及應(yīng)用具有十分積極的意義。

1 板式家具自動導(dǎo)引車的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

板式家具自動導(dǎo)引車主要由導(dǎo)引車行走機(jī)構(gòu)總成、車身總裝、人造板料斗、步進(jìn)電機(jī)總成、運送料機(jī)構(gòu)總成五部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作過程為：行走機(jī)構(gòu)中的電池作為導(dǎo)引車的動力來源，導(dǎo)引車底盤上的電磁感應(yīng)裝置引導(dǎo)其按照工廠地面預(yù)先埋設(shè)的電線規(guī)劃路徑行駛，到達(dá)指定位置接料。運送人造板的尺寸規(guī)格為700 mm×700 mm×30 mm，每次可運送十塊人造板。運送料機(jī)構(gòu)前端的掃碼器自動掃描每塊人造板上的二維碼，二維碼包含每塊人造板的運送信息。

圖1 板式家具自動導(dǎo)引車總體結(jié)構(gòu)1.導(dǎo)引車行走機(jī)構(gòu)總成；2.車身鈑金罩；3.人造板料斗；4.步進(jìn)電機(jī)總成；5.運送料機(jī)構(gòu)總成

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動運送料機(jī)構(gòu)在料斗中的導(dǎo)軌上滑動，依次將人造板送入每層料斗中，當(dāng)十層料斗全部裝滿導(dǎo)引車裝載完畢，然后車輛將板材運送到指定區(qū)域，運送料機(jī)構(gòu)再依次將板材取出運送至目標(biāo)傳送帶，從而完成一次運送過程。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計

板式家具自動導(dǎo)引車主要由行走機(jī)構(gòu)、運送料機(jī)構(gòu)等多個機(jī)構(gòu)組成。行走機(jī)構(gòu)直接關(guān)系到運送過程中的平穩(wěn)性及運送到目的地的準(zhǔn)確性，而運送料機(jī)構(gòu)則直接影響導(dǎo)引車的運送效率，保證每一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性有利于提高導(dǎo)引車的工作效率和工作質(zhì)量。

2.1 運送料機(jī)構(gòu)設(shè)計

運送料機(jī)構(gòu)是整機(jī)的主要工作部分，主要負(fù)責(zé)對板材的運送，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 運送料機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)1.行進(jìn)裝置；2.升降裝置；3.滑板裝置；4.傳送裝置

木板由圖2右上方進(jìn)入運送料機(jī)構(gòu)，在傳送裝置的帶動下移動到接觸滑板裝置中木板擋板時停止輸送運動。此時行進(jìn)裝置中步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，行進(jìn)機(jī)構(gòu)開始前進(jìn)，到達(dá)指定隔板空隙處停止運動。升降裝置開始工作，氣缸將升降板頂起至傾斜65°(基本與料斗傾斜角度平行)時停止工作。滑板裝置中步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，木板隨木板擋板下滑到擋板縫隙之間，使木板留置在隔板之間，完成一塊人造板的運輸。之后行進(jìn)裝置開始運動，退出當(dāng)前位置至起點位置停止，然后對升降裝置和滑板裝置進(jìn)行復(fù)位，繼續(xù)重復(fù)上述動作依次完成十塊板的運輸。當(dāng)導(dǎo)引車行駛至目的地時，運送料機(jī)構(gòu)重復(fù)上述動作即可依次將人造板運出導(dǎo)引車，從而完成運送。

2.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計

板式家具自動導(dǎo)引車底盤結(jié)構(gòu)如圖3所示。導(dǎo)引車采用雙輪差速驅(qū)動方式，在車體中部裝有左右對稱的兩個驅(qū)動輪，每個驅(qū)動輪分別由一個電機(jī)單獨驅(qū)動，控制系統(tǒng)通過控制兩電機(jī)速度差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑也可根據(jù)兩輪的速度差來控制。車體前后共安裝有四個從動萬向輪，用于載重及平衡車體。在運輸過程中，磁導(dǎo)航傳感器實時反饋導(dǎo)引車的坐標(biāo)，主要起到循跡的作用。RFID標(biāo)簽傳感器具有掃描速度快、體積較小、數(shù)據(jù)記憶容量大等優(yōu)點，其主要作用是解決導(dǎo)引車在分岔點路徑方向的選擇，使導(dǎo)引車能準(zhǔn)確到達(dá)指定位置。

圖3 行走機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)1.萬向輪；2.RFID標(biāo)簽傳感器；3.磁導(dǎo)航傳感器模塊；4.導(dǎo)引車底盤；5.驅(qū)動輪輪系

3 自動導(dǎo)引車控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

板式家具自動導(dǎo)引車的控制系統(tǒng)以STM32單片機(jī)模塊為控制核心，由驅(qū)動模塊、運動控制模塊、超聲波防撞模塊、路徑識別模塊等幾部分組成。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 自動導(dǎo)引車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 驅(qū)動模塊

板式家具自動導(dǎo)引車驅(qū)動電機(jī)選擇86BYG250H步進(jìn)電機(jī)和雷賽電機(jī)驅(qū)動模塊，驅(qū)動輪中電機(jī)選擇ZSBLD200-24GU-25S/SGU20RC直流無刷電機(jī)，該款電機(jī)自帶減速器以及電磁剎車，能滿足實際運用需要。

自動導(dǎo)引車采用差速轉(zhuǎn)向的驅(qū)動方法，其是通過分別控制左右兩個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動速度和角度來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，與較為傳統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向方式相比，結(jié)構(gòu)相對簡單，轉(zhuǎn)向半徑較小，并能完成一些相對復(fù)雜的轉(zhuǎn)向運動，是一種十分適用于自動導(dǎo)引車的轉(zhuǎn)向方式。

3.3 磁導(dǎo)航傳感器模塊

磁導(dǎo)航傳感器的抗干擾能力強(qiáng)，識別位置信息精度較高，與其他導(dǎo)航方式相比也相對經(jīng)濟(jì)，因此現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于自動導(dǎo)引車。導(dǎo)引車底盤前后分別放置兩個磁導(dǎo)航傳感器模塊，每個模塊包含四個地磁傳感器，具體分布如圖5所示。

圖5 地磁傳感器分布

自動導(dǎo)引車行駛過程中，根據(jù)磁條兩側(cè)地磁傳感器信號的強(qiáng)弱來完成直行或運行方向的變化：若左側(cè)1號和2號地磁傳感器信號較強(qiáng)，相反方向(3號和4號)地磁傳感器信號較弱，則導(dǎo)引車左轉(zhuǎn)彎，同理反之則導(dǎo)引車右轉(zhuǎn)彎。若2號和3號傳感器信號較強(qiáng)，1號和4號信號較弱，則導(dǎo)引車保持直行。若傳感器長時間未檢測到信號，則系統(tǒng)默認(rèn)導(dǎo)航能力丟失，采取緊急制動。

3.4 RFID標(biāo)簽傳感器模塊

RFID又稱無線射頻識別，其具有抗干擾性和穿透性強(qiáng)、讀卡速度快等優(yōu)勢。自動導(dǎo)引車通過RFID讀取識別地面標(biāo)識，從而使導(dǎo)引車能實現(xiàn)工位停車、識別分叉路口、加減速等相應(yīng)的功能。如圖6所示，當(dāng)導(dǎo)引車行駛至分叉路結(jié)點O時，STM32單片機(jī)自動識別RFID標(biāo)簽傳感器里已錄入的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，從而選擇正確路線前進(jìn)。

圖6 導(dǎo)引車路徑選擇示意圖

3.5 避障傳感器模塊

避障傳感器模塊是導(dǎo)引車很重要的部分，車體兩側(cè)配有急停按鈕，前方配有超聲波傳感器用來檢測障礙物。導(dǎo)引車運行途中檢測到前方有工作人員或障礙物時發(fā)出警報，當(dāng)兩者距離達(dá)到危險臨界值時導(dǎo)引車緊急制動停車，以保障工作人員的安全。

4 減振單元模塊的有限元分析

4.1 減振單元模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到工廠內(nèi)復(fù)雜的路面環(huán)境，提高運送過程的平穩(wěn)性，為自動導(dǎo)引車設(shè)計了減振單元模塊，如圖7所示。該設(shè)計采用包裹式的設(shè)計方法，所有零部件均圍繞驅(qū)動輪安裝布置，結(jié)構(gòu)對稱穩(wěn)定，驅(qū)動輪輪架兩側(cè)安裝了減振彈簧，起到減振緩沖的作用。

圖7 減振單元模塊三維模型

4.2 減振單元模塊的有限元分析

減振單元模塊在運輸過程中會受到一定的振動和沖擊，所以要保證相關(guān)零件的剛度和強(qiáng)度，避免由于零件受到的沖擊過大導(dǎo)致發(fā)生永久變形，影響設(shè)備的工作精度與工作質(zhì)量。利用ANSYS軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，以保證該結(jié)構(gòu)工作的穩(wěn)定性。

對原模型進(jìn)行簡化處理后，將其導(dǎo)入ANSYS軟件Workbench中。驅(qū)動輪支架材料為45鋼，其彈性模量E=2.09×1011Pa，泊松比μ=0.269，抗拉強(qiáng)度σb=600 MPa。本設(shè)計減振單元模塊有限元模型采用自由網(wǎng)格劃分法，劃分節(jié)點個數(shù)為219 893，單元個數(shù)為133 836，網(wǎng)格劃分如圖8所示。

圖8 減振單元模塊有限元分析網(wǎng)格劃分

圖9 減振單元模塊應(yīng)力云圖

圖10 減振單元模塊位移云圖

5 結(jié)束語

根據(jù)實際生產(chǎn)需求，設(shè)計了一種用于人造板運輸?shù)淖詣訉?dǎo)引車，通過磁導(dǎo)航傳感器和RFID標(biāo)簽傳感器實現(xiàn)對導(dǎo)引車的精確定位后，由上方的運送料機(jī)構(gòu)完成對人造板的運送。利用ANSYS軟件對減振單元模塊進(jìn)行了有限元分析，驗證了零部件強(qiáng)度與剛度設(shè)計的合理性。該導(dǎo)引車結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，可靠性較高，能有效地解決目前工廠中大量人力的浪費和轉(zhuǎn)序效率低下等問題，間接提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和企業(yè)的核心競爭力。目前自動導(dǎo)引車技術(shù)還未廣泛應(yīng)用于木工機(jī)械行業(yè)，本設(shè)計為該行業(yè)運輸車未來的發(fā)展方向提供了新思路。