申文利，梁 瀚，董 鐵

(中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

0 引 言

在生產(chǎn)、裝配、庫(kù)存物流等過(guò)程中，常常使用移動(dòng)平臺(tái)來(lái)完成各貨位間流轉(zhuǎn)，移動(dòng)平臺(tái)的種類(lèi)很多[1-3]，主要包括輪式、氣浮式、有軌式等多種形式，其中，車(chē)輪式移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用最為廣泛。但普通的輪式移動(dòng)平臺(tái)均需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑，在承載大、工作空間狹小的場(chǎng)所中活動(dòng)往往具有一定的局限性；氣浮式需要現(xiàn)場(chǎng)提供大量壓縮空氣，并有可能將地面粉塵等吹起懸浮于空中，有害作業(yè)健康；有軌式的軌道影響廠房或庫(kù)房門(mén)的設(shè)計(jì)和使用，給管理等方面造成一定的不便。

全向輪智能移動(dòng)平臺(tái)是一種不僅能靈活實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)運(yùn)載轉(zhuǎn)移，還能進(jìn)行空間調(diào)整的多自由度集成作業(yè)系統(tǒng)[4-6]。由于全向輪智能移動(dòng)平臺(tái)具有集成度高、應(yīng)用面廣等顯著特點(diǎn)，如AGV全向車(chē)等實(shí)現(xiàn)我國(guó)舟山港的無(wú)人化，多家物流均采用AGV智能倉(cāng)儲(chǔ)，國(guó)內(nèi)有些停車(chē)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人停泊車(chē)輛，今后AGV全向車(chē)有望逐步替代傳統(tǒng)移動(dòng)平臺(tái)。

此文筆者通過(guò)對(duì)AGV全向車(chē)及其配套托架的設(shè)計(jì)和分析，得出全向車(chē)車(chē)架和配套托架的強(qiáng)度達(dá)到承載和運(yùn)輸要求，并通過(guò)全向車(chē)及配套托架性能試驗(yàn)得到驗(yàn)證。

1 AGV全向車(chē)及配套托架

1.1 AGV全向車(chē)簡(jiǎn)介

裝配有一定數(shù)量麥克納姆輪并且合理裝配的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備具有平面內(nèi)的三個(gè)自由度，即能進(jìn)行前后、左右和原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)單元由1個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)1只全向輪的四輪四驅(qū)結(jié)構(gòu)；由于車(chē)輪中的小滾輪與地面成45°斜角，四輪可分別實(shí)現(xiàn)不同速度和方向的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)四輪間旋轉(zhuǎn)速度和方向的配合，可以實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)任意方向移動(dòng)功能，包括直行、橫行、斜行、任意曲線移動(dòng)、零回轉(zhuǎn)半徑轉(zhuǎn)動(dòng)等全向移動(dòng)形式。

借助于橫向移動(dòng)和原地回旋的特性，全方位運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可方便的穿梭于狹窄擁擠空間中，靈活完成各種任務(wù)，相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備具有明顯優(yōu)勢(shì)，裝配四個(gè)麥克納姆輪的車(chē)輛最為常見(jiàn)。由于裝配麥克納姆輪的車(chē)輛完全依靠輪子的自轉(zhuǎn)與地面的摩擦產(chǎn)生的合力來(lái)改變車(chē)輛的轉(zhuǎn)向，所以這種車(chē)輛無(wú)需轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，且比一般車(chē)輛的轉(zhuǎn)向半徑小的多。而且由于麥克納姆輪的輪轂較大，輪轂圓周邊緣的麥克納姆輪較長(zhǎng)，因此該類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備對(duì)地面的要求不高，適應(yīng)能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)小型溝壑的跨越。

圖1 麥克納姆 圖2 舉升托架的AGV全向車(chē)輪示意圖

1.2 配套托架簡(jiǎn)介

圖2中的背駝式AGV全向車(chē)的工作原理為：全向車(chē)通過(guò)遙控方式鉆入托架底部，頂升托架脫離地面，全向車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)貨物至指定位置，降下全向車(chē)的頂升液壓缸，最后遙控全向車(chē)鉆出托架。整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)流程可通過(guò)路徑規(guī)劃等實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，或一人即可完成手動(dòng)操控全向車(chē)，整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程操作方便，提升轉(zhuǎn)運(yùn)效率、減少操作人員、提高操作人員的安全性。

圖3 托架結(jié)構(gòu)示意圖

因此，該種背駝式全向車(chē)在轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，與其配套的托架較為重要。托架一方面需滿足承載貨物的強(qiáng)度要求，另一方面需滿足AGV全向車(chē)舉升時(shí)舉升點(diǎn)的應(yīng)力集中要求。

2 結(jié)構(gòu)安全性分析

2.1 AGV全向車(chē)結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)

全向車(chē)在設(shè)計(jì)中，其車(chē)架是支承前后車(chē)橋、懸掛的支架，使車(chē)橋、懸掛通過(guò)它再與車(chē)輪、電機(jī)等相連，因此，重載AGV全向車(chē)的車(chē)架強(qiáng)度至關(guān)重要。本項(xiàng)目中車(chē)架采用一體式鑄造成型，再通過(guò)大型龍門(mén)加工中心上加工完成，保證車(chē)架的精度、強(qiáng)度等性能。

采用ANSYS對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形情況進(jìn)行分析，如圖4所示。車(chē)架最大應(yīng)力117 MPa，許用應(yīng)力235 MPa，安全系數(shù)為：235/117=2.008>2,最大位移0.19 mm，滿足使用和設(shè)計(jì)安全要求。

圖4 車(chē)架變形和應(yīng)力分布圖

2.2 AGV全向車(chē)防靜電安全性設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中考慮轉(zhuǎn)運(yùn)貨物中可能存在易燃易爆品，如煙花爆竹、面粉廠廠房?jī)?nèi)等，因此，需防止電氣系統(tǒng)電火花、車(chē)輪摩擦產(chǎn)生靜電等因素，在結(jié)構(gòu)及電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中采取一系列措施，防止靜電及電火花的產(chǎn)生，具體措施如下：

(1) 整車(chē)采用低電壓設(shè)計(jì)(72 V)，車(chē)體底部設(shè)置靜電釋放帶，始終與地面接觸；車(chē)體各組件與車(chē)體裸接觸或者螺栓連接，整車(chē)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的電荷均可由此端口釋放，不會(huì)產(chǎn)生靜電積累。

(2) 電氣箱門(mén)板、控制面板與車(chē)體有地線連接，若控制面板產(chǎn)生靜電，能及時(shí)從防靜電導(dǎo)線引導(dǎo)至車(chē)體底部的靜電帶。

(3) 強(qiáng)電與弱電分開(kāi)，所有線纜承受額定電流都有2倍以上的安全系數(shù)；大電流線纜獨(dú)立走線，并且不通過(guò)狹窄的空間，升溫小；線纜接口采用絕緣專(zhuān)用熱縮管包扎，防止線路短接。

(4) 電路板嚴(yán)格檢查，并刷三防漆，最大限度做到防塵、防老化、防腐蝕；線纜過(guò)孔做到安裝過(guò)程不強(qiáng)拖，不損壞線纜。

(5) 如圖5所示，大部分電氣布線在車(chē)體底部。靜電主要會(huì)由距離較近的車(chē)體其他導(dǎo)電部位接收釋放，然后經(jīng)車(chē)體底部靜電帶釋放。

圖5 車(chē)內(nèi)電氣布局示意圖

(6) 平臺(tái)滿漆，油漆厚度不小于80μm，具有一定絕緣效果；平臺(tái)以聚氨酯承重條接觸工架，達(dá)到絕緣效果。

2.3 配套托架結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)

為降低托架質(zhì)量，方便后期托架的存放、搬運(yùn)等，托架采用6061T6鋁制材料進(jìn)行焊接成型。采用ANSYS對(duì)托架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形情況進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 托架變形和應(yīng)力分布圖

托架最大應(yīng)力66.7 MPa，許用應(yīng)力215 MPa，安全系數(shù)為：215/66.7=3.22>2,最大位移5.5 mm，滿足使用和設(shè)計(jì)安全要求。

2.4 運(yùn)行中系固安全性設(shè)計(jì)

全向車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，若出現(xiàn)緊急制動(dòng)，全向車(chē)與托架之間、托架與貨物底座之間可能出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)。緊急制動(dòng)加速度為：

a=v/t

(1)

最大運(yùn)行速度為30 m/min，假設(shè)緊急制動(dòng)時(shí)間為0.2 s，計(jì)算可得最大加速度：

a=0.25 g

(2)

(1) 全向車(chē)與托架之間

全向車(chē)上表面材料為鋼，托架下表面材料為鋁，摩擦系數(shù)為0.17，最大靜摩擦力：

fmax=μmg=0.17mg

(3)

全向車(chē)與托架之間采用1 t拴緊器，最大拉力：

Fmax≈2·1 t·10 m/s2=0.57mg

(4)

摩擦力與拉力合力：

F合=fmax+Fmax=0.74mg>ma

(5)

由此判斷全向車(chē)與托架間系固滿足要求。

(2) 托架與貨物之間

托架上表面為橡膠板，貨物底座材料為鋼，摩擦系數(shù)為0.9，最大靜摩擦力：

fmax=μmg=0.9mg>ma

(6)

托架與貨物之間僅靠靜摩擦力便可抵抗制動(dòng)加速度，無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。

3 全向車(chē)及配套托架性能試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 全向車(chē)性能試驗(yàn)驗(yàn)證

AGV全向車(chē)設(shè)計(jì)承載能力為5 t，試驗(yàn)中采用6.5 t對(duì)全向車(chē)性能進(jìn)行考核，主要包括車(chē)輛的越溝、越障、爬坡能力考核試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如圖7所示。

圖7 全向車(chē)性能考核試驗(yàn)

經(jīng)試驗(yàn)考核，全向車(chē)在負(fù)載6.5 t狀態(tài)下，完成了越溝、越障、爬坡能力等各項(xiàng)試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 配套托架性能試驗(yàn)驗(yàn)證

配套托架設(shè)計(jì)承載能力為3.5 t，試驗(yàn)中采用了4.65 t對(duì)配套托架承載性能進(jìn)行考核，并對(duì)配套托架與全向車(chē)之間的接口進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如圖8所示。

圖8 配套托架性能考核及接口匹配性試驗(yàn)

經(jīng)試驗(yàn)考核，配套托架在負(fù)載4.65 t狀態(tài)下，承載性能滿足要求，變形后全向車(chē)仍可按照設(shè)計(jì)狀態(tài)與配套托架對(duì)接，實(shí)現(xiàn)背駝式轉(zhuǎn)運(yùn)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

首先介紹了一種目前新型轉(zhuǎn)運(yùn)物流設(shè)備，AGV全向車(chē)可用于平面內(nèi)靈活實(shí)現(xiàn)運(yùn)載轉(zhuǎn)移，且可實(shí)現(xiàn)空間調(diào)整的多自由度集成系統(tǒng)，在生產(chǎn)、裝配、庫(kù)存物流等過(guò)程中相對(duì)于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)移動(dòng)平臺(tái)得到了廣泛的應(yīng)用。

文中重點(diǎn)介紹了背駝式全向車(chē)及其配套托架的安全性設(shè)計(jì)，分別從全向車(chē)車(chē)架強(qiáng)度和配套托架強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析；在全向車(chē)設(shè)計(jì)中，特別是電氣設(shè)計(jì)中多方面考慮防靜電設(shè)計(jì)，防止電氣系統(tǒng)電火花，以及車(chē)輪摩擦產(chǎn)生的靜電；在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，通過(guò)采用栓緊器系固形式，分析了轉(zhuǎn)運(yùn)的安全性。最后對(duì)全向車(chē)及配套托架性能試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)加嚴(yán)考核試驗(yàn)，全向車(chē)及配套托架均滿足了設(shè)計(jì)要求，從而驗(yàn)證了其各設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)均較為合理。