摘要

商用自动导引车(AGV)通常采用链传动机构进行动力传动，其车轮的固定结构可以视为悬臂式结构．因此，容易发生驱动轮“外掰”和启停“冲击”问题，这限制了AGV在频繁和快速加速或减速过程中的精确运动．本文以某公司设计的AGV为例，通过反复试验和数值模拟，从结构和受力分析入手，找出了产生这种现象的原因:驱动单元的“L”形悬挂机构引起了较大的应力，使各个零部件的接触间隙放大;链传动机构的使用使AGV在频繁启停或正反向运动时，容易在链轮和链条之间形成间隙．之后从工程角度提出了新的驱动单元结构，解决了上述问题，同时大幅减小了机构中的应力，提高了传动精度，为AGV的设计提供了一种更实用、更优化的驱动结构．

•  1.2.1 静应力预测
•  1.2.2 有限元分析
•  1.2.3 结果分析
•  2.1.1 方案设计
•  2.1.2 选型设计

目录

0 引言

随着我国人工成本的逐渐升高，对产品质量，自动化、柔性生产的要求提高，商用自动导引车(AGV)［1］作为智能制造和柔性生产的关键环节，因其能实现高效、经济、灵活的无人化生产，广泛应用于工厂自动化生产线、仓储物流、机场和港口的物料传送［2－3］．
近年来，国内外研究人员对AGV的结构和运动进行了大量的研究．王殿君等通过四轮差速原理，运用ADAMS软件分析了AGV转弯过程［4］．刘国刚通过ANSYS仿真，对AGV车架进行了轻量化设计［5］．夏田等通过建立AGV的静力学和动力学模型，采用Matlab/Simulink建立了仿真模型并仿真了一个驱动轮静止另一个转动的运动方式［6］．刘治华等通过疲劳理论，采用ADAMS和NCODE分别对轨道车飞碟游乐设备的驱动轴进行了动力学和疲劳仿真分析，并得出驱动轴的寿命云图［7］．
笔者以某公司设计的一款悬臂结构、链传动的AGV为例，研究驱动轮“外掰”和启停“冲击”的问题．该AGV的工况为:8小时工作制，用于轴承内外圈自动化生产线上将码垛完成后的轴承内外圈及托盘，转移到智能仓储的对应入口处，然后返回等待托盘再次装满，如此往复．其中轴承内外圈及托盘总重量为168kg．AGV平均循环周期为42min．工厂路面为环氧地坪漆．笔者通过反复试验和建模仿真分析的方法，确定了“外掰”及“冲击”的原因，提出了一种新的结构，且对新机构进行了校核．从结构应力，传动效率和精度上进行对比分析，验证了新机构的合理性．

1 问题分析

1.1 结构与现象描述

该AGV车身长600mm，宽500mm，高300mm，为差速驱动、六轮布局形式，结构如图1所示

图1 AGV整体结构图

小车车体总质量为57.15kg，最大载重量为200kg，驱动单元部分质量为24.34kg，最大运行坡度5°，最大运行速度1m/s，运行方向为双向．
小车车身与从动轮直接连接，和驱动单元通过弹簧和导轨滑块连接在一起．这样驱动轮始终着地，防止因制造误差或地面不平坦导致打滑，造成小车运动失真，且有减震［8］的作用．
由于AGV小车壳体侧面板不可拆卸，故将AGV小车空载置于高于地面的平台上，在车轮外侧面与地面处固定一角尺作为参照标尺．然后在AGV车身上逐渐加载200kg重物，通过观察车轮外侧面与角尺间的间隙变化进行试验．观察到满载时，驱动轮与地面接触处因受力而向外倾斜，即驱动轮“外掰”，如图2所示．

图2 “外掰”现象示意图

试验时将AGV断电侧翻放置，用较小力拨动驱动轮时，车轮在一定的范围内转动，但驱动电机并未产生相应转动，而是链轮轮齿在链节距的空隙中晃动．在AGV启停时会出现因机构空隙产生的明显冲击，即启停“冲击”．针对上述现象，分别从结构受力和传动机构特点进行分析，找出导致该现象的原因，并提出了新的驱动单元机构．

1.2 静力分析

1.2.1 静应力预测

由材料力学知识可知:AGV驱动单元是一个“L”形的悬臂结构，如图3所示，将在接触点A处、B处和C处形成较大的应力集中［9］．为进一步确定应力较大的区域，现进行有限元分析．

图3 驱动单元受力示意图

1.2.2 有限元分析

(1)简化模型和定义材料．本机构用SolidWorks Simulation进行有限元仿真分析［10－11］．为保证结果可靠，将模型中不影响受力的部分进行简化，只保留驱动轮轮轴、驱动单元壳体、圆柱导轨和与之接触的壳体进行有限元分析．材料的弹性模量为210GPa、密度为7800kg/m³、屈服强度为220MPa，选择普通碳钢材料．
(2)设定边界条件．小车重力完全施加在驱动单元上，故为分离出的驱动单元添加平面约束，使其只能沿竖直方向运动．添加弹性支撑代替车轮．与直线轴承相接触的直线导轨添加“接触”约束．动力壳体与直线轴承之间的弹簧用“弹簧”来代替．效果如图4(a)所示．

图4 边界条件和网格模型

(3)添加载荷．满载时驱动单元上的等效质量为232.81kg，重力加速度取9.80665m/s²．室内平地上运动，选择载荷系数为1.2．载物台上重物放置区内施加载荷2739.7N．车轮与地面接触的摩擦系数选为0.25．先利用无摩擦仿真得出接触面正压力，再在接触面添加等效摩擦力342.5N．
(4)划分单元格．SolidWorks Simulation为保证对各种几何体和面的网格划分的通用性，统一采用一阶四面体、二阶四面体、一阶三角形、二阶三角形进行网格划分，且大量试验保证了算法的可靠性和效率．对于非压力容器的薄板件，在进行网格划分时推荐使用单层二阶四面体进行网格划分结果更优［12－13］．故本仿真统一采用二阶实体四面体进行板件和实体的网格划分．总体采用基于曲率的网格，雅可比点数为4点，调整好单元格的精度进行网格划分［14］，未细化区域最大单元格为28.5455mm，最小单元格为5.7091mm，增长比率为1.6．
对关注的区域进行单元格的细化．选取应力集中区的零件和边界线:直线轴承、驱动轮轴、动力单元壳体、导轨和动力壳体边线，使用网格控制进行网格划分．
细化部分最大网格为5.11926mm，最小网格为3.35893mm．网格节总数为946585，单元总数为644846．驱动单元模型网格划分，如图4(b)所示．
(5)进行有限元分析．运行有限元解算器进行解算，得出等效应力分布云图，如图5所示．

图5 原系统等效应力分布图

1.2.3 结果分析

利用Simulation的设计洞察功能以颜色着重显示出应力较大的区域，如图6所示．

图6 应力较大区域

从图6中可以看到，标号1～10处是应力较大区域，11代表上壳体．其平均应力、最大应力、均方根值见图7．最大应力出现在4处，为205.8MPa，而材料的屈服强度为220.6MPa，安全系数仅为1.07．一般车辆设计要求重要部位的安全系数大于等于2．

图7 原系统应力较大区域数据图

驱动单元“L”形悬臂结构引起了过大局部应力，同时，这样的结构会将车体接触处的各个间隙进一步放大，使车轮的“外掰”现象更加明显．

1.3 传动结构分析

在AGV启停时，有明显的因机构间隙引起的位移，即“空隙冲击”现象，将影响AGV的运动精度．AGV底部实物结构如图8所示．