曹沖振，明超，王鳳芹*，梁世友

1. 山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院（青島 266590）；2. 山東科技大學(xué)交通學(xué)院（青島 266590）

在現(xiàn)代社會(huì)中，人們對(duì)食品的需求越來越大，食品工業(yè)的迅速發(fā)展也為食品物流行業(yè)的發(fā)展帶來機(jī)遇[1]，食品需要快速準(zhǔn)確地完成輸送與倉儲(chǔ)。目前在食品行業(yè)，一般利用堆垛機(jī)或穿梭車存取立體貨架上的食品[2-5]，并由AGV（自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車）或輸送線輸送食品，由于AGV行走線路柔性可修改，其逐漸成為應(yīng)用廣泛的自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備[6-8]。一般地，AGV只能在路面行走，不能爬升貨架直接存取食品，需要堆垛機(jī)或穿梭車配合存取食品。但在這種方式下食品的存取路線較長，AGV等待時(shí)間較長。通常在單個(gè)巷道內(nèi)只配有一臺(tái)堆垛機(jī)，當(dāng)堆垛機(jī)發(fā)生故障后，立體倉庫便無法正常運(yùn)行，導(dǎo)致倉儲(chǔ)系統(tǒng)的冗余性較低。如果AGV能夠直接爬升貨架取存食品，就可以不需要堆垛機(jī)或穿梭車，同時(shí)省去AGV等待取存食品的時(shí)間。

謝明[9]提出了一種可爬升貨架的穿梭車的思想，沒有具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。覃文飛[10]設(shè)計(jì)了一款可爬升貨架的AGV，該AGV的攀爬裝置利用齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)伸縮，兩根齒條同時(shí)向兩側(cè)伸縮相同長度，沒有考慮AGV定位誤差，導(dǎo)致攀爬裝置與爬升軌道不能同時(shí)正常嚙合，AGV爬升時(shí)的穩(wěn)定性較差。由于國內(nèi)研究較少，因此開展與該攀爬裝置有關(guān)的研究非常必要，將探求一種合理的雙側(cè)爬升貨架的AGV方案，并闡述該AGV攀爬裝置的工作原理、詳細(xì)結(jié)構(gòu)、調(diào)控策略及動(dòng)力學(xué)等。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 AGV機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

雙側(cè)爬升貨架AGV機(jī)械系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)包括存儲(chǔ)貨架、爬升軌道和AGV，爬升軌道固定在存儲(chǔ)貨架的立柱上。

根據(jù)AGV應(yīng)用場景及功能要求，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將AGV整體結(jié)構(gòu)分為底盤裝置、移載裝置和攀爬裝置三部分，如圖2所示。為保證AGV平穩(wěn)移動(dòng)到指定位置，AGV需采用常見的六輪輪系的行走方式，AGV在巷道中有前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。考慮到AGV不能精確定位到巷道中間，因此應(yīng)在AGV左右兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)攀爬裝置，兩側(cè)的攀爬裝置獨(dú)立伸縮，為保證安全性和穩(wěn)定性，兩側(cè)的攀爬裝置要同步爬升。AGV爬升貨架時(shí)，攀爬裝置與爬升軌道需要嚙合傳動(dòng)，由于攀爬裝置在工作時(shí)存在誤差，選擇了對(duì)位置精度要求較低的鏈傳動(dòng)進(jìn)行爬升[11]。最后，當(dāng)AGV通過爬升軌道移動(dòng)到存儲(chǔ)食品的貨格時(shí)，采用常見的伸叉式移載裝置進(jìn)行食品的存取作業(yè)[12-13]。

圖1 雙側(cè)爬升貨架AGV機(jī)械系統(tǒng)

圖2 AGV結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作過程

AGV的控制中心接收到食品存取信號(hào)進(jìn)入到底盤裝置，帶有自主導(dǎo)航系統(tǒng)的AGV先是在底盤裝置的移動(dòng)下按照預(yù)先設(shè)置的路徑自動(dòng)行駛，到達(dá)存儲(chǔ)貨架之間的指定位置，然后利用二維碼與慣性導(dǎo)航結(jié)合的方式對(duì)位置進(jìn)行校正。在控制系統(tǒng)的控制下，左右兩側(cè)的攀爬裝置分別向車身的兩側(cè)展開，當(dāng)兩側(cè)的攀爬裝置與分別爬升軌道嚙合后，左右兩側(cè)的攀爬裝置同時(shí)爬升，帶動(dòng)AGV沿著爬升軌道移動(dòng)到指定的貨格。最后，控制中心發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)伸叉式移載裝置完成存取作業(yè)。

1.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

料箱大小為300 mm×200 mm×148 mm，巷道間距為460 mm，爬升貨架AGV的質(zhì)量小于60 kg，料箱（食品）質(zhì)量小于20 kg，平地運(yùn)行速度為1.5 m/s，平地運(yùn)行加速度為1.0 m/s2，AGV最大爬坡角度為5°；攀爬裝置單側(cè)最大伸縮量為60 mm，攀爬裝置伸縮速度為0.1 m/s，攀爬裝置伸縮加速度為0.1 m/s2，豎直方向運(yùn)行速度為1.0 m/s，豎直方向運(yùn)行加速度為1.0 m/s2；移載裝置最大伸縮量為400 mm，移載裝置伸縮速度為0.8 m/s，移載裝置伸縮加速度為0.8 m/s2。

2 攀爬裝置

底盤裝置和移載裝置應(yīng)用廣泛且技術(shù)趨于成熟，這里重點(diǎn)分析攀爬裝置。

2.1 方案設(shè)計(jì)

兩側(cè)的攀爬裝置可以根據(jù)AGV的定位，自主決定伸縮的長度，為保證左右兩側(cè)的鏈輪鏈條正常嚙合，攀爬裝置需要兼具伸縮與爬升的功能，攀爬裝置原理圖如圖3所示。

圖3 攀爬裝置原理圖

伸縮原理：攀爬裝置由收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)的過程中，伸縮同步帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)工作，齒條可以實(shí)現(xiàn)水平方向的向外移動(dòng)，與齒條固定的爬升同步帶機(jī)構(gòu)和鏈輪同步移動(dòng)，直至鏈輪與鏈條嚙合。攀爬裝置由伸展?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s狀態(tài)的過程中，伸縮同步帶機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)，傳動(dòng)原理與上述過程相同。

爬升原理：在鏈輪與鏈條嚙合的狀態(tài)下，當(dāng)攀爬裝置處于爬升狀態(tài)時(shí)，爬升同步帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于鏈條固定不動(dòng)，鏈輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)锳GV的直線向上移動(dòng)。當(dāng)攀爬裝置處于下降狀態(tài)時(shí)，爬升同步帶機(jī)機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)，傳動(dòng)原理與上述過程相同。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以左側(cè)攀爬裝置為例，結(jié)構(gòu)如圖4所示。伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接具有自鎖功能的NMRV減速器，可以使攀爬裝置承受外部負(fù)載。NMRV減速器通過伸縮同步帶機(jī)構(gòu)與伸縮驅(qū)動(dòng)軸相連。伸縮驅(qū)動(dòng)軸通過端蓋軸承固定，伸縮驅(qū)動(dòng)軸兩端分別安裝有齒輪齒條機(jī)構(gòu)，其中，齒條通過螺栓與U字型的支架連接固定，并與安裝在伸縮驅(qū)動(dòng)軸兩側(cè)的齒輪嚙合傳動(dòng)。支架上下兩側(cè)均安裝了滑塊導(dǎo)軌裝置。

爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)底部安裝了滑塊導(dǎo)軌裝置，為了使爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)與其他移動(dòng)部件同步移動(dòng)，爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)底部的滑塊與其中一端的支架通過剛性連接件固定。爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)與爬升驅(qū)動(dòng)軸經(jīng)爬升同步帶機(jī)構(gòu)連接，爬升驅(qū)動(dòng)軸通過帶座軸承固定在伸縮驅(qū)動(dòng)軸兩端的支架上。爬升驅(qū)動(dòng)軸的兩側(cè)均設(shè)置有與爬升軌道嚙合傳動(dòng)的鏈輪。支架的左右兩側(cè)均安裝了螺栓軸承，對(duì)攀爬裝置具有導(dǎo)向與校正作用，當(dāng)螺栓軸承的圓柱面與貨架立柱外側(cè)相切時(shí)，鏈輪鏈條實(shí)現(xiàn)嚙合。支架上安裝了激光測距傳感器，檢測螺栓軸承到鏈條固定面的距離，通過檢測距離控制攀爬機(jī)構(gòu)伸縮的長度。選擇伺服電機(jī)作為爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過電機(jī)的自鎖功能使AGV在指定位置靜止并保證移載裝置順利完成存取作業(yè)。

圖4 左側(cè)攀爬裝置

2.3 攀爬裝置調(diào)控

AGV首先通過識(shí)別二維碼中的坐標(biāo)信息進(jìn)行誤差校正，定位誤差校正原理圖如圖5所示。其中：（0, 0）代表理想定位位置；（δ1,δ2）代表實(shí)際定位位置；α代表角度定位精度誤差，|α|=0.2°；δ1代表橫向定位精度誤差，|δ1|≤2 mm；δ2代表縱向定位精度誤差，即AGV在巷道中前進(jìn)方向誤差，|δ2|≤2 mm。由于橫向定位精度誤差可由左右兩側(cè)獨(dú)立伸縮的攀爬裝置彌補(bǔ)，因此只需考慮縱向定位精度誤差。AGV通過識(shí)別二維碼中的坐標(biāo)信息校正位姿后，攀爬裝置開始伸縮，當(dāng)攀爬裝置伸縮時(shí)，在螺栓軸承上方的支架上的激光測距傳感器開始檢測螺栓軸承距鏈條固定面的距離，測距原理圖如圖6所示。其中：l1代表貨架立柱凹槽深度，l1=32 mm；d1代表螺栓軸承外徑，d1=30 mm；lx為激光測距傳感器的測量值。當(dāng)lx=l1+d1/2時(shí)，攀爬裝置停止伸縮。激光測距傳感器選用CD33-50N-422，測量范圍為（50±10）mm，分辨率為45 μm，精度±0.5 mm。攀爬機(jī)構(gòu)調(diào)控策略如圖7所示。

圖5 定位誤差校正原理圖

圖6 測距原理圖

圖7 攀爬裝置調(diào)控策略

3 攀爬裝置動(dòng)力學(xué)分析

通過動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算攀爬裝置正常工作時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩，為攀爬裝置的電機(jī)選型與運(yùn)動(dòng)控制提供理論依據(jù)[14-16]。攀爬裝置的工作過程分為伸縮過程和爬升過程。伸縮過程中，攀爬裝置的可移動(dòng)部件主要是克服滑塊與導(dǎo)軌之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)伸縮，摩擦力較小。經(jīng)分析可知，伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需電機(jī)功率很小，電機(jī)選型簡單，這里重點(diǎn)分析爬升過程。

在加速爬升過程中，對(duì)AGV進(jìn)行受力分析，如圖8所示。

圖8 爬升過程受力分析圖

列平衡方程：

式中：m1為AGV質(zhì)量，kg；m2為料箱（食品）質(zhì)量，kg；F1和F2分別為左右兩側(cè)鏈條對(duì)單個(gè)鏈輪豎直作用力，N；L1為矩心A到AGV重心的水平間距，mm；L2為左右貨架間的水平間距，mm；h1為矩心到重心的豎直間距，mm；g為重力加速度，m/s2；a1為小車爬升時(shí)加速度，m/s2；TL1為鏈輪轉(zhuǎn)矩，N·m；d2為鏈輪分度圓直徑，mm；TL1為鏈輪輪轉(zhuǎn)矩，N·m；T1為主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)矩，N·m；i1為爬升同步帶機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比；?1為同步帶傳遞效率。其中，m1=60 kg，m2=20 kg，L1=225.5 mm，L2=460 mm，h1=35.2 mm，g=9.8 m/s2，a1=1 m/s2，d2=70 mm。i1=1，?1=0.98。求得：T1=16.7 N·m。

利用Solidworks中的motion插件對(duì)整個(gè)爬升過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證，對(duì)三維模型檢查無干涉，添加各部件材料屬性，以step（TIME，0，0，1，1 637.85）函數(shù)的形式對(duì)兩個(gè)主動(dòng)爬升帶輪添加驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，對(duì)鏈輪鏈條等部件添加實(shí)體接觸，添加重力、摩擦力，仿真結(jié)果如圖9所示。馬達(dá)力矩一直穩(wěn)定在16 804 N·mm左右，經(jīng)單位換算后，可知其計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。除去突變點(diǎn)，考慮到鏈輪鏈條嚙合過程中存在振蕩等因素，選擇最高點(diǎn)20 N·m作為電機(jī)選型依據(jù)，爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用無刷直流伺服電機(jī)60M-01930C5-E，電機(jī)額定功率為600 W，額定轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1.91 N·m，選用5GU12.5K減速器，減速比為12.5，既能保證驅(qū)動(dòng)能力又能保證爬升速度。

圖9 扭矩變化曲線

4 樣機(jī)試驗(yàn)

完成對(duì)AGV的建模、計(jì)算及仿真之后，制作AGV樣機(jī)，如圖10所示。結(jié)果表明，攀爬裝置能夠?qū)崿F(xiàn)AGV爬升貨架的功能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)可滿足攀爬裝置性能要求。

圖10 樣機(jī)圖

5 結(jié)論

為解決現(xiàn)有食品倉儲(chǔ)物流的弊端，設(shè)計(jì)了一款雙側(cè)爬升貨架的AGV。根據(jù)功能要求，對(duì)爬升貨架AGV進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并詳細(xì)分析了攀爬裝置的工作原理、詳細(xì)結(jié)構(gòu)與調(diào)控策略?；趧?dòng)力學(xué)分析對(duì)攀爬裝置中的爬升過程進(jìn)行了理論計(jì)算，并利用motion軟件對(duì)攀爬裝置的爬升過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性，并根據(jù)扭矩的最大值，對(duì)攀爬裝置的爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，使其滿足功能需求。對(duì)AGV進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明，雙側(cè)爬升貨架AGV設(shè)計(jì)方案具有可行性。該AGV運(yùn)動(dòng)性能良好，可直接存取存儲(chǔ)貨架上的食品，適用于食品物流倉儲(chǔ)領(lǐng)域。該設(shè)計(jì)為現(xiàn)有食品智能倉儲(chǔ)領(lǐng)域提供了一種新的倉儲(chǔ)方案。