基于MCD的萬向輪轉向靈活性測試平臺設計*

楊保健，張活俊，黃照輝

0 引言

隨著人們生活水平的提高，行李箱已成為人們旅行和居家的必備物品，而行李箱萬向輪的靈活性是其質量好壞的重要指標之一[1]。目前，大多數廠家對行李箱萬向輪靈活性的檢測仍停留在人工檢測階段，檢測精度低，耗時長，成本高，嚴重制約了行李箱的生產效率。基于此，論文基于MCD（Mechatronics conceptual design）系統，擬開發一個箱包萬向輪靈活性測試平臺，實現行李箱的自動化檢測。

1 萬向輪運動學分析

萬向輪分平底萬向、絲桿萬向、光杠萬向、中控醫療輪等類型[2]。行李箱多采用的是平底萬向輪。萬向輪通過不銹鋼螺釘與行李箱底盤連接，并在垂直于不銹鋼螺釘的平面內繞不銹鋼螺釘所在軸實現360°旋轉，其中在萬向輪與行李箱接觸的面上配有鋼柱墊圈，將滑動摩擦優化為滾動摩擦，以增強萬向輪的轉向靈活性，如圖1所示。在萬向輪轉動的過程中，在軸向主要受行李箱重力對萬向輪軸肩的壓力N1和地面對萬向輪的支撐力N2，N1為均布力，且N1=N2；而在垂直于軸的平面內，主要受驅動力F和摩擦力f，二力力矩平衡，即MF=Mf，如圖2所示。萬向輪轉動靈活性主要受接觸面摩擦力f和偏心距e影響[3-4]，其中摩擦力f越小，偏心距e越大，則轉動靈活性越好。

圖1 萬向輪實物圖[2]

圖2 轉軸受力分析

2 測試平臺設計

（1）萬向輪導向機構設計

根據萬向輪的輪寬及輪間距，設計了雙列多槽式滾筒導向機構，如圖3所示。初級滾筒為起初導向作用，槽間距較大，槽壁較薄，能夠適應萬向輪的入槽角度較大，約小于90°[5-6]，如圖3（b）所示。次級滾筒起精確導向作用，經過該滾筒導向后，萬向輪的朝向基本與流水線方向平行，且具有一定的初速度V0。此時已為萬向輪轉向靈活性測試做好了輪姿態初始化。

根據某款行李箱的萬向輪尺寸確定滾筒蓋板寬度、初級滾筒與次級滾筒軸距以及滾筒的直徑。最終確定的雙列多槽式滾筒導向機構如圖3（b）所示。

圖3 雙列多槽式滾筒導向機構

（2）平臺傾斜裝置

行李箱萬向輪經過雙列多槽式滾筒導向機構導向后，將進入滑行區域。在該區域，行李箱主要靠重力作用沿傾斜裝置的面板向下滑行。通過測量行李箱滑行時不超出滑道邊界的最大滑行距離來衡量其萬向輪轉向靈活性。

整個平臺傾斜裝置由滾筒、電機、氣缸、電磁閥、滑板、支撐底座等組成，如圖4所示。滑板左端與氣缸桿相連，依靠調節氣缸桿的伸縮量來控制滑板的傾斜角度。針對不同規格的行李箱，滑板的傾斜角不同，傾斜角一般在0°～16°之間。

圖4 平臺傾斜裝置

考慮到平臺傾斜裝置在工作時其主要的受力部件為滑臺和氣缸桿，對滑臺進行了強度校核。

由ΣFx=0知：FN=FBx=-FDx

由 ΣMC(F)=0 知： FBy?x1-M=0

校核平板AB截面A的強度：

圖5 滑板軸力圖和彎矩圖

（3）關鍵部件有限元分析

考慮到平臺傾斜裝置中滑板厚度薄、荷重大、所受力沖擊大等特點，材料選取鋁合金6061，對滑板進行了受力有限元仿真。圖6所示為滑板的Mises應力等值線分布云圖，其中最大應力位于滑板兩側開口處，其值為σmax=25.725 MPa＜＜265 MPa。

對于滑板的總變形結果分布云圖如圖6所示，其中最大的變形值為U=0.265 48 mm，且發生在平臺的最右側的位置如圖7所示。平臺兩端與中間相比，其變形要大一些，基本上介于0.011 43～0.265 48 mm之間。綜上，滑板結構符合強度要求。

圖6 滑板應力分析云圖

圖7 滑板位移分析云圖

3 控制系統設計

在MCD系統中，將設計好的測試平臺三維模型導入UG模塊中，并根據測試過程編寫PLC程序，在MCD虛擬環境下進行整個動作的模擬[7-8]。測試過程流程及仿真界面如圖8和圖9所示。

4 結論

在分析了萬向輪運動受力情況的基礎上，基于MCD虛擬環境對行李箱萬向輪轉向靈活性測試平臺進行了設計和仿真，具體對導向機構、傾斜機構的結構進行了設計并對測試平臺進行了運動仿真。結構合理，運動過程滿足要求，縮短了開發周期，為測試平臺的開發奠定了理論基礎。

圖8 邏輯流程圖

圖9 虛擬仿真界面

參考文獻：

［1］李穎.拉桿箱比較試驗一半以上樣品未達標［J］.中國質量萬里行，2017（01）：95-96.

［2］李振剛.三種新型萬向輪的動力學分析和應用［J］.機械工程師，2002（8）：43-44.

［3］孫桓，陳作模.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2013.

［4］王海東，王國棟，洪鷹.基于AGV萬向輪特性的動力學分析［J］.機械設計，2015（04）：96-100.

［5］徐澤亮，馬培蓀.永磁吸附履帶式爬壁機器人轉向運動靈活性分析［J］.上海交通大學學報，2003（21）：34-36.

［6］謝霞，嚴雷，賈巨民.萬向輪螺旋滾子受壓變形的有限元分析［J］.中國工程機械學報，2013（02）：152-156.

［7］邢學快.基于MCD的包裝流水線虛擬仿真及監控系統設計［D］.上海：東華大學，2016.

［8］邢學快，王直杰，沈亮亮，等.采用PLC數據匹配的MCD風力發電機虛擬仿真監控［J］.微型機與應用，2016（09）：3-5.