申文利，梁 瀚，董 鐵

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

0 引 言

在生產(chǎn)、裝配、庫存物流等過程中，常常使用移動平臺來完成各貨位間流轉(zhuǎn)，移動平臺的種類很多[1-3]，主要包括輪式、氣浮式、有軌式等多種形式，其中，車輪式移動平臺應(yīng)用最為廣泛。但普通的輪式移動平臺均需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑，在承載大、工作空間狹小的場所中活動往往具有一定的局限性；氣浮式需要現(xiàn)場提供大量壓縮空氣，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房門的設(shè)計和使用，給管理等方面造成一定的不便。

全向輪智能移動平臺是一種不僅能靈活實現(xiàn)平面內(nèi)運載轉(zhuǎn)移，還能進行空間調(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平臺具有集成度高、應(yīng)用面廣等顯著特點，如AGV全向車等實現(xiàn)我國舟山港的無人化，多家物流均采用AGV智能倉儲，國內(nèi)有些停車場實現(xiàn)智能機器人停泊車輛，今后AGV全向車有望逐步替代傳統(tǒng)移動平臺。

此文筆者通過對AGV全向車及其配套托架的設(shè)計和分析，得出全向車車架和配套托架的強度達到承載和運輸要求，并通過全向車及配套托架性能試驗得到驗證。

1 AGV全向車及配套托架

1.1 AGV全向車簡介

裝配有一定數(shù)量麥克納姆輪并且合理裝配的轉(zhuǎn)運設(shè)備具有平面內(nèi)的三個自由度，即能進行前后、左右和原地旋轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動單元由1個驅(qū)動器驅(qū)動1只全向輪的四輪四驅(qū)結(jié)構(gòu)；由于車輪中的小滾輪與地面成45°斜角，四輪可分別實現(xiàn)不同速度和方向的旋轉(zhuǎn)，通過四輪間旋轉(zhuǎn)速度和方向的配合，可以實現(xiàn)二維平面內(nèi)任意方向移動功能，包括直行、橫行、斜行、任意曲線移動、零回轉(zhuǎn)半徑轉(zhuǎn)動等全向移動形式。

借助于橫向移動和原地回旋的特性，全方位運動平臺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)運設(shè)備具有明顯優(yōu)勢，裝配四個麥克納姆輪的車輛最為常見。由于裝配麥克納姆輪的車輛完全依靠輪子的自轉(zhuǎn)與地面的摩擦產(chǎn)生的合力來改變車輛的轉(zhuǎn)向，所以這種車輛無需轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，且比一般車輛的轉(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，因此該類轉(zhuǎn)運設(shè)備對地面的要求不高，適應(yīng)能力強，可實現(xiàn)小型溝壑的跨越。

圖1 麥克納姆 圖2 舉升托架的AGV全向車輪示意圖

1.2 配套托架簡介

圖2中的背駝式AGV全向車的工作原理為：全向車通過遙控方式鉆入托架底部，頂升托架脫離地面，全向車轉(zhuǎn)運貨物至指定位置，降下全向車的頂升液壓缸，最后遙控全向車鉆出托架。整個轉(zhuǎn)運流程可通過路徑規(guī)劃等實現(xiàn)無人自動轉(zhuǎn)運，或一人即可完成手動操控全向車，整個轉(zhuǎn)運過程操作方便，提升轉(zhuǎn)運效率、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，該種背駝式全向車在轉(zhuǎn)運時，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度要求，另一方面需滿足AGV全向車舉升時舉升點的應(yīng)力集中要求。

2 結(jié)構(gòu)安全性分析

2.1 AGV全向車結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計

全向車在設(shè)計中，其車架是支承前后車橋、懸掛的支架，使車橋、懸掛通過它再與車輪、電機等相連，因此，重載AGV全向車的車架強度至關(guān)重要。本項目中車架采用一體式鑄造成型，再通過大型龍門加工中心上加工完成，保證車架的精度、強度等性能。

采用ANSYS對車架結(jié)構(gòu)強度及變形情況進行分析，如圖4所示。車架最大應(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)計安全要求。

圖4 車架變形和應(yīng)力分布圖

2.2 AGV全向車防靜電安全性設(shè)計

設(shè)計中考慮轉(zhuǎn)運貨物中可能存在易燃易爆品，如煙花爆竹、面粉廠廠房內(nèi)等，因此，需防止電氣系統(tǒng)電火花、車輪摩擦產(chǎn)生靜電等因素，在結(jié)構(gòu)及電氣系統(tǒng)的設(shè)計過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) 整車采用低電壓設(shè)計(72 V)，車體底部設(shè)置靜電釋放帶，始終與地面接觸；車體各組件與車體裸接觸或者螺栓連接，整車運行過程中產(chǎn)生的電荷均可由此端口釋放，不會產(chǎn)生靜電積累。

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

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

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

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

圖5 車內(nèi)電氣布局示意圖

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

2.3 配套托架結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計

為降低托架質(zhì)量，方便后期托架的存放、搬運等，托架采用6061T6鋁制材料進行焊接成型。采用ANSYS對托架結(jié)構(gòu)強度及變形情況進行分析，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)計安全要求。

2.4 運行中系固安全性設(shè)計

全向車運行過程中，若出現(xiàn)緊急制動，全向車與托架之間、托架與貨物底座之間可能出現(xiàn)相對滑動。緊急制動加速度為：

a=v/t

(1)

最大運行速度為30 m/min，假設(shè)緊急制動時間為0.2 s，計算可得最大加速度：

a=0.25 g

(2)

(1) 全向車與托架之間

全向車上表面材料為鋼，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加速度，無相對滑動。

3 全向車及配套托架性能試驗驗證

3.1 全向車性能試驗驗證

AGV全向車設(shè)計承載能力為5 t，試驗中采用6.5 t對全向車性能進行考核，主要包括車輛的越溝、越障、爬坡能力考核試驗，試驗過程如圖7所示。

圖7 全向車性能考核試驗

經(jīng)試驗考核，全向車在負載6.5 t狀態(tài)下，完成了越溝、越障、爬坡能力等各項試驗，各項指標均滿足設(shè)計要求。

3.2 配套托架性能試驗驗證

配套托架設(shè)計承載能力為3.5 t，試驗中采用了4.65 t對配套托架承載性能進行考核，并對配套托架與全向車之間的接口進行了試驗，試驗過程如圖8所示。

圖8 配套托架性能考核及接口匹配性試驗

經(jīng)試驗考核，配套托架在負載4.65 t狀態(tài)下，承載性能滿足要求，變形后全向車仍可按照設(shè)計狀態(tài)與配套托架對接，實現(xiàn)背駝式轉(zhuǎn)運要求。

4 結(jié) 語

首先介紹了一種目前新型轉(zhuǎn)運物流設(shè)備，AGV全向車可用于平面內(nèi)靈活實現(xiàn)運載轉(zhuǎn)移，且可實現(xiàn)空間調(diào)整的多自由度集成系統(tǒng)，在生產(chǎn)、裝配、庫存物流等過程中相對于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)運移動平臺得到了廣泛的應(yīng)用。

文中重點介紹了背駝式全向車及其配套托架的安全性設(shè)計，分別從全向車車架強度和配套托架強度進行了有限元分析；在全向車設(shè)計中，特別是電氣設(shè)計中多方面考慮防靜電設(shè)計，防止電氣系統(tǒng)電火花，以及車輪摩擦產(chǎn)生的靜電；在轉(zhuǎn)運過程中，通過采用栓緊器系固形式，分析了轉(zhuǎn)運的安全性。最后對全向車及配套托架性能試驗驗證，通過加嚴考核試驗，全向車及配套托架均滿足了設(shè)計要求，從而驗證了其各設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)均較為合理。