周 穩(wěn), 陳 豐, 陳 蒙

(安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,安徽 滁州 233100)

0 引 言

客車作為重要的城市交通工具,在其保有量逐年增長的同時(shí)報(bào)廢量也與日遞增[1]。由于報(bào)廢客車的體積較大、部分運(yùn)動結(jié)構(gòu)缺失,所以在運(yùn)輸過程中安全性較低且移動困難[2]。當(dāng)前的報(bào)廢客車拆解行業(yè)鮮有針對報(bào)廢客車的移動裝置,難以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸安全化、拆解自動化[3]。所以,如何將報(bào)廢客車安全有效的移動至拆解工位,成為了行業(yè)內(nèi)亟需解決的問題。AGV導(dǎo)航技術(shù)在工業(yè)運(yùn)輸及倉儲中占據(jù)著重要的地位,是定位技術(shù)的核心之一[4]。周子楊[5]通過研究現(xiàn)有任務(wù)的調(diào)度算法,明確單AGV多對象任務(wù)等缺陷,提出短距離目標(biāo)的任務(wù)調(diào)度算法來解決材料生產(chǎn)車間中多對象任務(wù)的調(diào)度問題。實(shí)現(xiàn)AGV小車在沒有先驗(yàn)知識前提下進(jìn)行導(dǎo)航任務(wù)。郭洪月[6]結(jié)合某商場地下停車場的實(shí)際建設(shè)情況,基于時(shí)間窗的動態(tài)調(diào)度策略,提出一種復(fù)合權(quán)重AGV路徑規(guī)劃模型,解決了AGV路徑規(guī)劃運(yùn)行沖突及資源利用率等問題。本設(shè)計(jì)提出一種基于AGV導(dǎo)航技術(shù)的客車移動裝置,通過AGV導(dǎo)向傳感器所得到的位置信息,結(jié)合單片機(jī)控制系統(tǒng),確定電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向角。通過導(dǎo)向傳感器,識別導(dǎo)引路線進(jìn)行軌跡追蹤,行駛期間通過雷達(dá)避障傳感器對周圍障礙物進(jìn)行躲避。設(shè)備通過導(dǎo)引路線行駛至拆解工位,實(shí)施對中小型報(bào)廢客車的立體化拆解。其結(jié)構(gòu)簡單,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),可靠性和穩(wěn)定性好,操作方便,具有良好的擴(kuò)展性,給工業(yè)領(lǐng)域的導(dǎo)航系統(tǒng)提供了有益的參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 運(yùn)輸?shù)妆P整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

為解決報(bào)廢客車在拆解前普遍存在運(yùn)動結(jié)構(gòu)缺失、自主移動困難,難以滿足拆解自動化要求等問題,將移動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示,主要由AGV控制系統(tǒng)、液壓升降機(jī)、伺服電機(jī)、蓄電池組和車架組成?？刂泼姘屣@示如電量、工作狀態(tài)及里程。在工作狀態(tài)中,裝置通過識別傳感器對引導(dǎo)磁條進(jìn)行識別,控制器通過控制電機(jī)、舵機(jī)電壓信號的改變,實(shí)現(xiàn)對車輪的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度的控制并實(shí)時(shí)對路徑偏差進(jìn)行調(diào)整,裝置行駛至客車底部觸發(fā)限位開關(guān),裝置停止,觸發(fā)升降機(jī)構(gòu)信號,液壓缸開始舉升至預(yù)定位置,后按照指定的路徑實(shí)施搬運(yùn)。行駛至拆解工位停止,觸發(fā)升降機(jī)構(gòu)信號,液壓缸下降至預(yù)定位置,裝置駛離,重復(fù)工作。

圖1 中小型報(bào)廢客車移動裝置示意圖

1.2 升降底板的設(shè)計(jì)及有限元分析

中小型客車的重量約為5-15t,車身材料主要由高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金和塑料組成[7]?？紤]到使用強(qiáng)度,升降底板采用合金鋼制成,合金鋼的性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料性能參數(shù)

該模型在保證零件整體有限元分析精度的前提下,簡化了模型的棱角、圓角、倒角等細(xì)節(jié)。對升降底板進(jìn)行有限元分析,將底面八個(gè)與液壓缸接觸位置固定,對升降底板和客車接觸面施加150k N的力,網(wǎng)格大小為50mm。

由圖2a應(yīng)力圖可知受力最大部位在升降底板與液壓桿接觸位置,應(yīng)力大小為3.904×107N/m2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。圖2b所示底板邊緣有微量變形,總位移量為2.264mm在正常形變范圍內(nèi),不影響正常使用。圖2c所示應(yīng)變量最大部位在升降底板與液壓桿接觸位置,應(yīng)變量為9.283×10-5滿足使用要求。對底板進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析?？芍渲饕獞?yīng)力應(yīng)變部位為底板與液壓缸接觸部位,變量均在可變范疇內(nèi),因此底板滿足移動裝置搬運(yùn)客車的操作。

圖2 升降底板應(yīng)力、位移、應(yīng)變分析

1.3 液壓缸選型

1.3.1 缸主要尺寸計(jì)算

選取客車質(zhì)量m為15000kg,8個(gè)液壓缸的每個(gè)缸最大起重質(zhì)量M=m/8=1876kg,工作的平臺最大起升高度h=0.15m,上升速度與下降速度相等v=0.01m/s,液壓平臺上升的最大載荷Fmax=Mg=18.75k N。液壓缸的機(jī)械效率η=0.95。根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D公式計(jì)算,如式(1):

解得D=0.09152m,圓整成標(biāo)準(zhǔn)值后,得液壓缸內(nèi)徑D=100mm。

1.3.2 缸筒壁厚計(jì)算

液壓缸的內(nèi)徑D為100mm,通過檢查手冊,確定液壓缸外徑D1為133mm,缸壁厚度為16.5mm。一般按常規(guī)方法選擇能滿足其強(qiáng)度的液壓缸壁厚,但為了安全起見還需要校核,如式(2)。

式(2)中:p y缸筒試驗(yàn)壓力(缸的額定壓力p n≤16MPa時(shí),p y=1.5p n;缸 的 額 定 壓 力p n＞16MPa時(shí),p y=1.25p n);［σ］—缸筒材料的許用拉應(yīng)力;D—缸筒內(nèi)徑;δ—缸筒壁厚。

考慮到材料的抗拉強(qiáng)度,選用45號鋼,調(diào)質(zhì)241-285 HB,查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知45號鋼的抗拉強(qiáng)度為530-598MPa,通過代入公式計(jì)算滿足強(qiáng)度需求。

1.3.3 活塞桿強(qiáng)度校核

活塞桿的強(qiáng)度按式(3)-(4)校核。

式中:d為活塞桿的直徑;Fmax為活塞桿上的作用力;n為安全系數(shù),一般取2～4。

活塞桿在受拉力作用時(shí),通過受理情況確定,d=0.3～0.5D。受壓力作用時(shí):P＜5MPa時(shí),d=0.5～0.55D;5MPa≤P＜7MPa時(shí),d=0.6～0.7D;P≥7MPa時(shí),d=0.7D。

因?yàn)镻=3MPa,D=0.09152m,故d=0.050366m,經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn),選取活塞桿直徑d為56mm。

圖3 液壓缸尺寸示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用STC89C52RC芯片為主要控制硬件,由不同的模塊組成,其中有電源管理模塊、路徑信息采集模塊、電機(jī)控制模塊、顯示模塊[8]。配合編程軟件,通過編寫程序?qū)Σ煌膫鞲衅鞑杉瘮?shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)處理執(zhí)行相應(yīng)的命令,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能,并基于控制原理制作系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)小車[8]。

圖4 硬件示意圖

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主控制模塊

主控制模塊是系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的核心,實(shí)驗(yàn)小車系統(tǒng)選擇8位微控制器STC89C52單片機(jī),控制器對所控制模塊進(jìn)行指導(dǎo)。設(shè)計(jì)中采用超聲波避障方案,通過STC89C52的I/O收集并處理系統(tǒng)信號,完成對障礙物的躲避,電機(jī)的信號由P0口輸出,實(shí)現(xiàn)對小車良好控制的目標(biāo)[10]。

圖5 51單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 電機(jī)控制模塊

裝置運(yùn)行過程中是以電機(jī)帶動的,裝置運(yùn)動采用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn),行進(jìn)中的路況信息能以電信號反應(yīng)在單片機(jī)之上。電機(jī)驅(qū)動模塊可以將單片機(jī)給出的信號通過橋式驅(qū)動電路轉(zhuǎn)化為小車的運(yùn)行狀態(tài)[10],研究中運(yùn)用的系統(tǒng)采用的也是橋式驅(qū)動電路,設(shè)計(jì)給系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)智能小車裝配L293D-H橋電驅(qū)動芯片,同時(shí)在小車底板上安裝了2個(gè)電機(jī),電機(jī)型號AIRPAX,工作電壓為5V,車輪采用的是直徑65mm寬度25mm的防滑車輪。兩個(gè)減速馬達(dá)配合萬向輪在單片機(jī)對L293D的控制下實(shí)現(xiàn)小車的前后左右行駛[9]。

圖6 LCD1602液晶顯示屏及電路圖設(shè)計(jì)

圖7 超聲波避障模塊及電路圖設(shè)計(jì)

2.3 顯示模塊

顯示模塊采用的是字符型LCD1602液晶顯示屏,用于運(yùn)輸裝置上可直接顯示電量、工作狀態(tài)和里程,是一種體級小、重量輕、功率消耗低、顯示質(zhì)量高、無電磁輻射的數(shù)字式接口顯示器。

2.4 避障模塊

避障系統(tǒng)是循跡車輛的輔助系統(tǒng),滿足車輛在循跡過程中遇到障礙物主動避障功能。目前在循跡車輛的設(shè)計(jì)方案中,采用超聲波和紅外線避障共同作用的方式。避障系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波模塊,能夠進(jìn)行準(zhǔn)確測距非接觸式距離精度在2cm到400cm,HC-SR04包括控制電路、接收器、發(fā)射器以及超聲波4部分,具有3mm測距精度[11],運(yùn)行效果較為顯著。使用過程中既符合了系統(tǒng)運(yùn)行要求,同時(shí)其抗干擾性能與精度也相對較高。小車運(yùn)行過程中避障模塊能夠有效處理地面上一些不可穿越的障礙,對此進(jìn)行正確判斷,并給出相應(yīng)的應(yīng)對之策[12]。

3 仿真分析及模擬場地調(diào)試實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行了Motion動力學(xué)仿真,仿真結(jié)果可看出,在最大負(fù)載情況下,液壓缸所提供的力,可平穩(wěn)的對報(bào)廢大客車進(jìn)行頂升的動作,且該裝置加入緩沖部件,如圖8所示也起到了很好的緩沖效果,能夠進(jìn)一步保證作業(yè)過程的安全性。同時(shí)如8b所示,也驗(yàn)證了液壓缸提供的力,對負(fù)載作用的線性輸出,和具有很好的緩沖效果,模擬論證了裝置的實(shí)用性和可行性。

圖8 運(yùn)動仿真圖

系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)小車配備了LM324紅外信號轉(zhuǎn)換芯片,采用四個(gè)紅外循跡攝像頭,分別位于車輛的首端和尾端,當(dāng)車輛接收到向前行駛的命令時(shí),首端兩紅外循跡攝像頭開始工作,當(dāng)車輛接收到向后行駛的命令時(shí),尾端兩紅外循跡攝像頭開始工作。兩攝像頭間距滿足實(shí)驗(yàn)軌道寬度的需求,兩個(gè)紅外攝像機(jī)被放置在軌道的外側(cè)。當(dāng)小車行駛時(shí),一旦小車偏離了行駛軌道就會進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整,直到中間的兩個(gè)紅外裝置同時(shí)檢測到黑線繼續(xù)行駛[13]。

圖9 紅外循跡攝像頭及電路圖設(shè)計(jì)

經(jīng)過對系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)小車各模塊的搭建,進(jìn)行模擬場地實(shí)驗(yàn)。將程序?qū)隨TC89C51RC單片機(jī)中,經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試,模擬程序運(yùn)行正常,小車能夠沿黑線進(jìn)行正常行駛。這更進(jìn)一步的驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性,達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖10 系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)小車模擬場地調(diào)試

4 結(jié) 語

基于AGV導(dǎo)航技術(shù)的中小型報(bào)廢客車運(yùn)輸?shù)妆P在不破壞報(bào)廢客車原有機(jī)構(gòu)的前提下完成了:(1)對報(bào)廢客車的自動化運(yùn)輸;(2)不僅提高了車輛運(yùn)輸效率,還大量地節(jié)約了人工成本,并把工人的安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)降至最低;(3)邁出了自動化拆解中小型報(bào)廢客車的第一步,具有一定的研究意義與創(chuàng)新價(jià)值。

該運(yùn)輸裝置在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)簡單,系統(tǒng)可靠性高、成本低廉,具有廣泛的實(shí)用價(jià)值,且易于移植到各種自動運(yùn)輸領(lǐng)域當(dāng)中。但設(shè)計(jì)中還有諸多不足:(1)設(shè)備控制不夠靈敏;(2)從仿真運(yùn)行效果看緩沖不夠充分。在后期的實(shí)驗(yàn)中會逐步完善。