一種新型AGV驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

張 軍，雷川川

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

在現(xiàn)代化工業(yè)中AGV的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，生產(chǎn)過程的智能化水平和自動(dòng)化要求不斷提高，對(duì)AGV的性能要求也日漸提高[1]。傳統(tǒng)的三輪機(jī)構(gòu)和四輪機(jī)構(gòu)已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的需求。跟隨時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，AGV的發(fā)展逐步趨向于重載、全地形、全方位等方向。為了更好的實(shí)現(xiàn)與工業(yè)應(yīng)用中的柔性連接，滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)于AGV的功能需求。六輪差速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)的六輪差速機(jī)構(gòu)主要以前輪為萬向輪，后輪為定向輪，動(dòng)力單元?jiǎng)傂赃B接于車體中部等結(jié)構(gòu)布局存在。六輪差速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的載重能力和平穩(wěn)性比其他機(jī)構(gòu)較強(qiáng)，但在工作時(shí)六輪同時(shí)著地，遇到地面的淺凹會(huì)導(dǎo)致車體中部驅(qū)動(dòng)輪的懸空，進(jìn)而導(dǎo)致附著力變小產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，遇到地面的微凸會(huì)導(dǎo)致前后輪的懸空，引起擺動(dòng)。

針對(duì)六輪差速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的現(xiàn)有問題，通過分析引起打滑現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，對(duì)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過三種工況分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)校核運(yùn)用的是經(jīng)典力學(xué)理論進(jìn)行分析計(jì)算，其缺點(diǎn)：計(jì)算復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)[2]。采用功能完善的ANSYS15.0對(duì)驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，能夠減少分析時(shí)間、降低成本。對(duì)AGV驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)的校核，能夠確保AGV驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性、合理性和強(qiáng)度可靠性。

2 新型驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 AGV驅(qū)動(dòng)單元組成和工作過程

AGV動(dòng)力單元主要包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)殼體、連接結(jié)構(gòu)。AGV驅(qū)動(dòng)單元主要依靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力來源通過鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳輸動(dòng)力給驅(qū)動(dòng)輪，通過和車體的連接結(jié)構(gòu)為整個(gè)AGV小車提供前進(jìn)后退的動(dòng)力。AGV驅(qū)動(dòng)單元是整車運(yùn)動(dòng)中關(guān)鍵的組成部分。

2.2 新型驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)模型建立

新型驅(qū)動(dòng)單元主要針對(duì)載重500kg，運(yùn)行速度為30m/min的背負(fù)式AGV小車進(jìn)行設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的獨(dú)立懸掛的驅(qū)動(dòng)單元與車體的連接方式為柔性連接，通過最大載荷選擇適用的彈簧。根據(jù)參數(shù)要求通過AGV所受力的分析計(jì)算，及其相關(guān)因數(shù)影響的考量，從而得到AGV小車所需的總驅(qū)動(dòng)力，再通過效率和傳動(dòng)比換算進(jìn)而選擇合適的電機(jī)。驅(qū)動(dòng)輪采用聚氨酯和橡膠材料的較多，考慮聚氨酯的耐磨性，本設(shè)計(jì)采用聚氨酯驅(qū)動(dòng)輪，相關(guān)滾動(dòng)阻力系數(shù)參考值，如表1所示。

表1 滾動(dòng)阻力系數(shù)參考值Tab.1 Reference Value of Rolling Resistance Coefficient

根據(jù)所選用的標(biāo)準(zhǔn)件尺寸運(yùn)用SolidWorks軟件建立相關(guān)的驅(qū)動(dòng)殼體和連接結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 新型動(dòng)力單元結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of a New Type of Power Unit

新型驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)殼體分左右兩部分獨(dú)立懸掛，上部通過彈簧和光軸與連接板柔性連接，可以保證驅(qū)動(dòng)單元的上下運(yùn)動(dòng)。獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)殼體與三個(gè)光軸以三角形的布局方式連接，保證了整個(gè)裝置的穩(wěn)定性。鏈傳動(dòng)具有穩(wěn)定的傳動(dòng)比和穩(wěn)定性，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪通過鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)方式連接。驅(qū)動(dòng)殼體的前后端各種有兩個(gè)直線導(dǎo)軌。

3 驅(qū)動(dòng)單元與車體連接結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

現(xiàn)在大多廠區(qū)的地面是地坪漆，摩擦系數(shù)較小，地面也會(huì)有偶爾的淺凹和微凸。如果不能解決地形對(duì)AGV在運(yùn)行中的影響，就不能保證其運(yùn)行的平穩(wěn)性和定位的可靠性。針對(duì)驅(qū)動(dòng)單元與車體不同的連接方式（剛性和柔性），進(jìn)行不同工況下的對(duì)比分析。兩種連接結(jié)構(gòu)時(shí)不同工況的工作示意圖，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)單元與車體不同連接方式工作示意圖Fig.2 The Driving Unit and the Vehicle Body are Connected in Different Ways

3.1 驅(qū)動(dòng)單元與車體剛性連接結(jié)構(gòu)工況分析

在趨于平坦的工作地面，如圖2（1）a工況所示。AGV小車六輪同時(shí)著地，驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力足夠滿足小車工作時(shí)的動(dòng)力需求，這是理想狀態(tài)下的工作狀態(tài)。AGV能夠按照預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

圖2（1）b工況，在一些工作廠區(qū)，地面沒有嚴(yán)格的水平度，會(huì)出現(xiàn)一定程度的淺凹，在啟動(dòng)或運(yùn)行過程中，前后兩端的萬向輪起到主要的支撐作用，中間的驅(qū)動(dòng)輪會(huì)由于與車體是剛性連接而懸空或與地面產(chǎn)生的附著力減小，在此種情況下，驅(qū)動(dòng)力大于附著力，會(huì)出現(xiàn)明顯的打滑情況，AGV就不能按照預(yù)設(shè)的軌道上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，失去工作的動(dòng)力。

圖2（1）c工況，地面的不平整度除了有淺凹，還會(huì)有微凸的情況。在遇到微凸的地況時(shí)，會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪著地，而前后兩端的萬向輪一端著地的情況。在此情況下，由于萬向輪的懸空，會(huì)引起AGV小車的前后擺動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致AGV小車運(yùn)行的穩(wěn)定性減弱，對(duì)所運(yùn)輸?shù)奈矬w產(chǎn)生不必要的震動(dòng)，破壞物體的表面，引起物體的變形。

3.2 新型驅(qū)動(dòng)單元與車體柔性連接工況分析

圖2（2）a工況，AGV小車采用前后車體通過車架固定為一體，驅(qū)動(dòng)單元獨(dú)立存在，通過直線導(dǎo)軌與車體相連，直線導(dǎo)軌可以保證驅(qū)動(dòng)單元上下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元對(duì)車體的推力傳遞。托板以及所背負(fù)的重量通過連接板和彈簧直接施加到驅(qū)動(dòng)單元上。為了更好的保障驅(qū)動(dòng)單元能夠根據(jù)地形的起伏進(jìn)行相對(duì)于車體的上下運(yùn)動(dòng)，托板與車架通過四個(gè)導(dǎo)向光軸進(jìn)行柔性連接。驅(qū)動(dòng)單元下部的驅(qū)動(dòng)輪分別通過電機(jī)單獨(dú)控制，具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)殼體，可有效的保障獨(dú)立懸掛的驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)工作時(shí)的可靠性。

圖2（2）b工況，此示意圖表示新型驅(qū)動(dòng)單元在遇到淺凹工作地面時(shí)的工作狀態(tài)。當(dāng)前后萬向輪著地，驅(qū)動(dòng)單元由于背負(fù)著大部分重量而相對(duì)于車體通過直線導(dǎo)軌向下攢動(dòng)，從而與地面完全接觸。增大了對(duì)于地面的正壓力[3]。由于驅(qū)動(dòng)輪與地面的壓力完全由所背負(fù)的載重提供，所以所產(chǎn)生的摩擦力（地面附著力）大于驅(qū)動(dòng)力，從而保證了AGV的正常工作，有效的避免了打滑不利現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖2（2）c工況，此示意圖表示新型驅(qū)動(dòng)單元遇到微凸工作地面時(shí)的工作狀態(tài)。由于新型驅(qū)動(dòng)單元采用和車體柔性連接的方式，可以相對(duì)于車體上下運(yùn)動(dòng)，從而可以保證車體與地面時(shí)刻接觸，不會(huì)出現(xiàn)前后車體的萬向輪懸空。從根本上避免了車體的前后擺動(dòng)，增強(qiáng)了AGV小車運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 新型驅(qū)動(dòng)單元應(yīng)力分析

有限元思想是一種將連續(xù)的求解域離散成為有限個(gè)單元組合，這些離散體是由單元、節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成的集合，來無限的靠近原來連續(xù)的求解域，從而把連續(xù)問題轉(zhuǎn)化為離散問題，把無限自由度問題轉(zhuǎn)化為有限自由度問題，從而分析結(jié)果逼近事實(shí)結(jié)果[4]。本結(jié)構(gòu)運(yùn)用ANSYS15.0進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算，驗(yàn)證是否可靠。

4.1 簡(jiǎn)化和導(dǎo)入分析模型

為了方便在計(jì)算中得到可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)于所建立的三維模型進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，對(duì)于不影響受力和本身不受力傳力的模型進(jìn)行壓縮。對(duì)于電機(jī)、直線導(dǎo)軌、齒輪進(jìn)行壓縮。然后保存為兼容格式（x-t）導(dǎo)入軟件中，為分析計(jì)算做準(zhǔn)備。

4.2 定義單元類型和網(wǎng)格劃分

在分析過程中所分析目標(biāo)不同，單元類型的采用也不一樣，選擇合適的單元類型對(duì)于所分析的結(jié)果也有一定的保障性。由于AGV驅(qū)動(dòng)單元?dú)んw是主要的受力部位，所以選用SOLID95單元。

網(wǎng)格劃分在有限元分析中占有重要的地位，是把分析目標(biāo)劃分為有限個(gè)離散體（四面體和六面體）。分析計(jì)算的速度和結(jié)果也會(huì)受到網(wǎng)格劃分的影響。在ANSYS中主要的劃分方法為：自由網(wǎng)格劃分、延伸網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分[5]。由于AGV驅(qū)動(dòng)單元?dú)んw是主要的受力部位，所以需要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。劃分網(wǎng)格后，nodes個(gè)數(shù)為703422，element個(gè)數(shù)為168323。驅(qū)動(dòng)單元模型網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)單元網(wǎng)格模型Fig.3 The Mesh Model of Driving Unit

4.3 施加約束和載荷

對(duì)于AGV新型驅(qū)動(dòng)單元的分析，是驗(yàn)證所選結(jié)構(gòu)能否滿足強(qiáng)度需求，對(duì)于驅(qū)動(dòng)輪采用固定約束（fixed support），其他接觸按照合適的接觸方式進(jìn)行定義，法蘭和法蘭定義為rough，螺栓和殼體定義為bonded。AGV所需要的最大載重為500kg，取安全系數(shù)為1.2，所以在托板上方需向下平均施加6000N的作用力。施加所受載荷結(jié)果，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)單元施加載荷圖Fig.4 Load Diagram of Drive Unit

4.4 結(jié)果分析

從AGV新型動(dòng)力單元的結(jié)構(gòu)模型的等效應(yīng)力分布云圖，如圖5所示。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，AGV驅(qū)動(dòng)單元的主要受力部位主要分布在驅(qū)動(dòng)軸以及與驅(qū)動(dòng)殼體連接的部分。驅(qū)動(dòng)單元主要承擔(dān)載荷，驅(qū)動(dòng)軸是主要的受力部件，最大受力值為208.96MPa，驅(qū)動(dòng)單元是AGV小車的關(guān)鍵部分，所選用的材料為45#鋼，材料的許用應(yīng)力值為235MPa。由分析結(jié)果可知模型受力值在材料許用應(yīng)力值安全范圍內(nèi)，因此該結(jié)構(gòu)滿足應(yīng)力要求。

圖5 等效應(yīng)力分布圖Fig.5 Equivalent Stress Distribution Diagram

5 樣機(jī)實(shí)測(cè)

根據(jù)新型驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)AGV車體結(jié)構(gòu)，通過加工，完成樣機(jī)的制作。搭建基于PLC的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)AGV的行走、轉(zhuǎn)彎、避障等基本功能。所制作樣機(jī)中新型驅(qū)動(dòng)單元，如圖6所示。

圖6 新型驅(qū)動(dòng)單元樣機(jī)Fig.6 The Prototype of the New Driving Unit

制作好的新型驅(qū)動(dòng)單元與車體配合，在平整路面和淺凸微凹路面行駛結(jié)果正如分析結(jié)果一樣。在平整路面沒有出現(xiàn)打滑和擺動(dòng)現(xiàn)象，在淺凸微凹路面AGV小車也能在不打滑和擺動(dòng)的情況下自如的完成行走和轉(zhuǎn)彎功能。根據(jù)樣機(jī)實(shí)測(cè)可知所設(shè)計(jì)的一種AGV新型驅(qū)動(dòng)單元能夠解決傳統(tǒng)六輪機(jī)構(gòu)的相關(guān)問題，適應(yīng)多地形的工作。

6 結(jié)束語

AGV在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，AGV驅(qū)動(dòng)單元是AGV結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的組成部分。所完成設(shè)計(jì)制作的獨(dú)立懸掛的新型驅(qū)動(dòng)單元，通過驅(qū)動(dòng)單元與車體連接結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，能夠有效的解決由于工作地面的不平整引起的打滑和擺動(dòng)問題。最后通過運(yùn)用ANSYS15.0軟件對(duì)于驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果表明：在滿足使用要求的情況也滿足強(qiáng)度要求。