□ 劉建德

安吉智能物聯(lián)技術(shù)有限公司 上海 202157

1 設(shè)計背景

在汽車整車廠內(nèi)部,需要對汽車進行搬運。人工駕駛駁運需要人員數(shù)量多,用人成本高,并且失誤率高,新車碰擦概率高,交通事故率也高。人工駁運操作的一致性較低,車輛停放位置容易出錯,降低庫存管理的效率、精準性。目前,用于汽車的室內(nèi)自動搬運小車已經(jīng)較為常見,但是用于全天候戶外汽車駁運的自動搬運小車仍較為罕見,尚無成熟投入商用的用于汽車的戶外自動搬運小車系統(tǒng)。對此,設(shè)計了一款在戶外可以代替人工短途駁運汽車的自動搬運小車,司機只需要將汽車停在外部緩沖區(qū),由自動搬運小車將汽車駁運入庫,同時可以準確快速查找汽車停放的具體位置。此項技術(shù)在商場、醫(yī)院、機場等民用停車場所也具備較好的推廣價值。

2 結(jié)構(gòu)

戶外自動搬運小車整車外形為C字形,質(zhì)量約為6.5 t,負載為3.6 t,由車體與夾抱機構(gòu)兩部分組成,如圖1所示。夾抱機構(gòu)通過螺栓連接在車體的升降機構(gòu)上,升降機構(gòu)的舉升高度為2 380 mm。在汽車整車廠,戶外停車位為上下兩層鋼架結(jié)構(gòu),需要在第二層駁運汽車時,將升降機構(gòu)上升到2 380 mm高度。駁運地面層的汽車時,戶外自動搬運小車從停車位的一端駛?cè)?將停車位上的汽車完全包裹,安裝在車體上的夾抱機構(gòu)分別夾住汽車的四個輪胎,通過升降機構(gòu)將汽車抬離地面,然后將汽車運送到指定停放位置。

▲圖1 戶外自動搬運小車結(jié)構(gòu)

車體結(jié)構(gòu)如圖2所示。升降門架由Q235鋼板焊接而成,在升降門架最頂端安裝有一根橫梁,用于安裝信號指示燈及實時差分定位接收器等輔助裝置。在滿足強度要求的情況下,升降門架中間是鏤空的,用于減輕質(zhì)量。車體框架同樣由Q235鋼板焊接而成,焊接完成后與升降門架焊接為一體,作為底盤。

▲圖2 車體結(jié)構(gòu)

3 驅(qū)動系統(tǒng)

戶外自動搬運小車的底盤上安裝有兩個驅(qū)動舵輪和兩個驅(qū)動萬向輪,車體質(zhì)量為5 t,行駛時必須克服各種阻力,主要為摩擦阻力、坡道阻力、慣性阻力。

滾動摩擦阻力Ff為:

Ff=f(Q+G)cosα

(1)

式中:f為摩擦因數(shù),取0.1;α為坡道坡度,取0;Q為

最大載重力;G為車體重力。

慣性阻力Fj為:

Fj=δ(Q+G)a/g

(2)

式中:δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量加速因數(shù),取1.1;g為重力加速度;a為車體加速度。

牽引力F為:

F=Ff+Fj

(3)

計算得牽引力F為10 360 N。

扭矩M為:

M=FR

(4)

式中:R為驅(qū)動舵輪半徑,為225 mm。

由于戶外自動搬運小車自身質(zhì)量較大,車速較低,因此略去車輪等旋轉(zhuǎn)部件的慣性,計算得到扭矩M為2 331 N·m。

戶外自動搬運小車行駛速度為9 km/h,根據(jù)行駛速度和驅(qū)動舵輪參數(shù)反推得到轉(zhuǎn)速n為106 r/min。

額定功率P為:

P=Mn/9 550

(5)

計算得額定功率P為25.87 kW。

總功率Pt為:

Pt=P/η

(6)

式中:η為傳動效率,取0.85。

計算得總功率Pt為30.4 kW。

兩個驅(qū)動萬向輪使用電機驅(qū)動,實現(xiàn)同步行走及橫移功能。四個電機同步驅(qū)動,因此每個電機的平均功率約為8 kW。升降機構(gòu)通過滾輪卡在升降門架的導(dǎo)槽內(nèi),液壓缸連接在升降機構(gòu)上,從而帶動升降機構(gòu)實現(xiàn)上下自由運動,舉升高度為2 380 mm。

4 液壓系統(tǒng)

液壓站驅(qū)動電機的功率為16 kW,用于提供舉升動力。液壓系統(tǒng)采用5 t叉車現(xiàn)有技術(shù),屬于整體外購件。首先明確設(shè)計要求,初步確定液壓執(zhí)行元件,繪制液壓系統(tǒng)工況圖,根據(jù)載荷大小確定系統(tǒng)工作壓力。然后根據(jù)已確定的液壓執(zhí)行元件,選擇合適的方向控制、速度換接、差動連接回路,以實現(xiàn)對執(zhí)行元件的控制。最后草擬液壓原理圖,計算執(zhí)行元件的主要參數(shù),根據(jù)液壓系統(tǒng)載荷圖和系統(tǒng)工作壓力,計算液壓缸內(nèi)徑、活塞桿直徑、柱塞缸內(nèi)徑和柱塞桿直徑。

液壓缸內(nèi)徑Di計算式為:

(7)

式中:i為液壓缸代號,1代表合模缸,2代表注射座移動缸,3代表注射缸,4代表頂出缸;Fn為液壓缸載荷;p為液壓缸壓強;ηy為液壓缸效率,取0.95。

在液壓泵選用手冊中,一般同時給出額定工況下液壓泵的驅(qū)動功率,也可以按照液壓泵的實際使用情況計算液壓泵的驅(qū)動功率Py:

(8)

式中:ψ為轉(zhuǎn)換因數(shù),恒功率變量液壓泵取0.4,限壓式變量液壓泵取0.85;Pn為液壓泵額定壓力;Qn為液壓泵額定流量;ηp為液壓泵總效率。

5 夾抱機構(gòu)

夾抱機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3 所示,由機架和四組夾抱組件共同組成。機架由矩通管和Q235鋼板焊接而成。

▲圖3 夾抱機構(gòu)結(jié)構(gòu)

夾抱組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。每一組夾抱組件都由兩根抱夾桿組成,每根抱夾桿上安裝有滾輪與感應(yīng)裝置。當抱夾桿在運動過程中與輪胎接觸時,滾輪相對于汽車輪胎可以轉(zhuǎn)動,能夠有效防止輪胎磨損。當滾輪與輪胎接觸后,安裝在抱夾桿上的感應(yīng)裝置同時與輪胎接觸,發(fā)出停止信號,抱夾桿運動到指定位置,隨即停止運動。

▲圖4 夾抱組件結(jié)構(gòu)

汽車最大質(zhì)量為2.5 t,假設(shè)四組抱夾桿承受的載荷一致,那么每組抱夾桿承受的壓力為6 125 N。以汽車輪胎最小直徑為例,兩個抱夾桿與輪胎的相切面夾角為42°,則單根抱夾桿的壓力為2 914 N。根據(jù)杠桿原理,反推到滾珠絲杠螺母上的推力為5 828 N。

導(dǎo)程Ph滿足:

Ph≥Vmax/nmax

(9)

式中:Vmax為絲杠副最大移動速度;nmax為絲杠副最大相對轉(zhuǎn)速。

計算得導(dǎo)程Ph不小于10 mm。

滾珠絲杠底徑d計算式為:

d2=a12F0L/δm

(10)

式中:a1為支撐方式因數(shù),一端固定一端自由支撐方式時取0.078,兩端固定或鉸支支撐方式時取0.039;F0為導(dǎo)軌靜摩擦力;L為滾珠絲杠兩軸承支點間距離,取1.1～1.2倍行程加10～14倍導(dǎo)程Ph;δm為滾珠絲杠允許最大軸向變形。

夾抱組件原理如圖5所示。抱夾電機B2驅(qū)動滾珠絲杠做直線往復(fù)運動。在絲杠螺母上安裝有連接板,在連接板上安裝有軸承支點,抱夾桿A2通過軸承支點與連接板連接。連接板與絲杠螺母做直線運動時,抱夾桿A2繞軸承支點做回轉(zhuǎn)運動,從而實現(xiàn)對輪胎的夾抱動作。抱夾桿A2的擺動范圍是0°～90°。抱夾電機B2與抱夾電機B12同步,抱夾電機B1與抱夾電機B11同步,抱夾電機B3與抱夾電機B10同步,抱夾電機B6與抱夾電機B9同步,抱夾電機B5與抱夾電機B8同步,抱夾電機B4與抱夾電機B7同步。

▲圖5 夾抱組件原理

為了適應(yīng)不同直徑的輪胎,每一組夾抱組件都可以獨立調(diào)節(jié)夾抱距離。四個調(diào)節(jié)軸距電機分別帶動滾珠絲杠做軸向往復(fù)運動,以達到調(diào)節(jié)軸向距離的目的。其中,調(diào)節(jié)軸距電機C1與調(diào)節(jié)軸距電機C4同步,調(diào)節(jié)軸距電機C2與調(diào)節(jié)軸距電機C3同步。

6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)、高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、里程計、激光等多傳感器融合算法,實現(xiàn)導(dǎo)航定位。

針對駕駛員將汽車停偏的情況,利用機器學習、模糊識別、點云配準等智能技術(shù),自動調(diào)整戶外自動搬運小車的姿態(tài),使其自動、精確對準汽車。

在戶外自動搬運小車駁運汽車的過程中,根據(jù)軸距自動調(diào)整抱夾桿的間距,并自動找準汽車的前后輪位置,利用四個抱夾桿自動夾抱汽車的四個輪胎,不傷害汽車,不需要新增搬運容器。

采用雙舵輪全向驅(qū)動機構(gòu),由兩個驅(qū)動萬向輪輔助,可以實現(xiàn)直行、橫移、蟹行、原地旋轉(zhuǎn)、曲線運動等,特別適用于狹窄空間的移動,同時對地面要求不高。

在戶外全天候工況下,戶外自動搬運小車的運動控制精度可以高于2 cm。針對雨、雪、霧、霾及粉塵等惡劣天氣和低空飛行飛蟲等的干擾,采用煙霧濾波、顆粒濾波、特殊物體識別及濾波算法等,提高戶外自動搬運小車的穩(wěn)定性。

7 結(jié)束語

汽車產(chǎn)業(yè)是國家的支柱產(chǎn)業(yè),也是當今世界機器人技術(shù)使用密度最高的領(lǐng)域之一,降成本增效率始終是汽車產(chǎn)業(yè)的主旋律。目前,國內(nèi)各大汽車廠商露天商品車倉庫自動化、數(shù)字化還處于較低水平,制約了降本增效的空間。用于汽車的戶外自動搬運小車的開發(fā),不僅節(jié)約人力,而且可以使汽車整車成本降低,提高競爭力。公共停車場引入這一戶外自動搬運小車,可以大大節(jié)約存取車時間。由此可見,所設(shè)計的用于汽車的戶外自動搬運小車具有較高的使用價值和廣闊的推廣應(yīng)用空間。