摘要

以重载AGV使用需求和设计参数为基准,设计并建立了差速自动导引车轮组的三维模型。将轮组模型简化后对其进行模态分析,考察其是否会因电动机等激励产生共振。而后对各个行驶工况的受力情况和应力应变进行了分析,计算轮组受力与变形。考察AGV是否符合设计要求。计算结果表明:AGV轮组的6阶都明显高于常见激励范围,符合使用条件。在多种工况下的轮组受力和变形表现良好,符合设计和使用要求。

0 引 言

随着我国制造业商品和人力成本的不断提高，对自动化和柔性生产的要求也随之提高。自动引导车作为智能制造和柔性生产的关键环节，广泛应用于工厂自动化生产线、仓储物流、机场、港口物流等领域，实现更为高效且经济的无人化生产[1]。
近年来，国内外学者对自动导引车的结构和运动进行了大量的研究。目前，欧美国家的AGV水平已达到完全智能化的要求，具有很强的适应性和准确性，但价格较高。AGV在欧美国家应用广泛，技术含量高,还实现了模块化制造，极大地降低了生产成本，促使产品覆盖范围更加广泛，这些先进技术的使用，使得欧美自动导引车的自动化水平高、工作可靠性强，一般载重能力为50kg～60t，基本上可以满足各行业的不同要求[2-4]。国内也出现了一系列的AGV制造商，他们接受了国际AGV发展的先进技术和理念，形成了各具特色的各类AGV产品。诸如新松等AGV生产厂商，设计制造出了大量符合国内使用需求的自动导引车。另外,在理论方面，王殿军等[5]利用软件对AGV的行进过程进行了分析；刘国刚[6]对AGV车体进行了轻量化设计。国内AGV的研究取得了长足发展。
本文根据某公司的项目要求,设计了一款新型的AGV轮组结构来适应更高的载荷要求、更为复杂和严苛的工作环境，使AGV可以在较复杂的路面条件下工作。该AGV的工作条件为：8h工作制，用于在生产线上将零件及其夹具转移到工位1后卸载，等待加工完成后重新装载并运输到工位2，直至加工完成后将零件及其夹具运至仓储区，最后自行返回至起点，如此往复。其总装载质量可达50 t，工厂路面为环氧地坪漆。笔者通过建模仿真分析对新机构进行了校核，验证了新机构的合理性。

1 数值计算

1.1 模型简化

以新型AGV轮组为研究对象，AGV轮组的结构如图1所示，其主要部件包括轮组支架、连接法兰、前后伺服电动机及减速机、液压装置、链轮，轮毂总成和销轴等。新型AGV轮组的主要设计参数如表1所示。

图1 AGV轮组的结构图

表1 新型AGV轮组的主要设计参数

由于实际的工程问题往往比较复杂，而AGV轮组上有包含有很多不需要计算的部位，所以有效的模型简化对分析十分重要。对AGV轮组上很多不影响受力和分析的模型进行了压缩[7]：1）简化了轮组部分圆角、倒角等，但保留轴等关键部位的特征；2） 去掉不影响受力计算的零件，如限位块、电动机及减速机、链轮等；3）简化螺纹和螺纹孔，将这些部件简化为光杆。这样利于分析的进行和操作。将简化处 理后 的 模 型 导 入 到Workbench仿真软件中。新型AGV轮组的简化三维模型如图2所示。

图2 AGV轮组的三维模型

1.2 边界条件

在所有需要进行模拟计算的零件上设置边界条件，根据 AGV 的实际工况及受力情况，定义 AGV 驱动单元的边界条件。液压杆随时保持竖直，约束其X、Y（水平）方向自由度；连接器承 受 车 体 和 货 物 的 载荷，方向垂直向下；轮子材质为聚酯氰胺，变形较小，所以简化直接约束轮轴全自由度，边界条件参数如表2所示。

表2 基本条件参数

轮组装配体分析中含有大量接触，分析的接触类型视实际接触关系决定。接触计算是一种高度非线性问题，计算时要占用大量资源。由于软件原理的限制，在设置接触时必须保证模型不会互相干涉和渗透，以免影响计算精度。如表3所示，Workbench为这种情况提供了多种不同的接触类型[8]。

表3 Workbench中的接触及特点

根据轮组的实际使用情况定义接触类型，为简化计算，铜套与轮组支架、铜套与销轴之间采用Frictional接触，摩擦因数为0.08。悬臂轴与轮组支架、设置Bonded，活塞与缸筒设置No-Separation，其他接触默认设置Bonded。

1.3 分析方法

轮组作为导向车的核心部件，是导向车的主要承载部件。需要支撑和连接导向车的各个部件，且在工作状态下承受着极其复杂的力和力矩。车体的刚度强度性能应满足要求，以避免轮组使用过程中出现变形或开裂，从而保证引导车工作性能、可靠性及使用寿命[9]。因此，选用Workbench中的Modal模块和Static Structural模块进行分析。
AGV使用要求和轮组的结构设置使液压杆随时保持竖直状态，内部含有止转光轴无需约束旋转自由度，所以约束X、Y方向自由度 。连接器上方与甲板直接相连，传递货物载荷到轮组上，上方载荷最大120 000 N，方向竖直向下。轮轴设置固定约束，AGV轮组为差速轮组，匀速行驶中无论直行还是转弯时受力情况均相同，仅在加速行驶时对轮组有垂直于轮组两轮轴线方向的水平力，在加速行驶的边界条件中添加一个水平方向5000 N的力于连接器上。