淺述柔性運輸車的受力設計與控制策略

敖春芳 楊國

摘要：傳統的運輸架車采用普通輪式機構，不適應在生產車間內操作，因此需要一種具有全向移動功能的運輸架車。柔性運輸架車由于采用全向移動機構可實現零半徑轉彎，在狹窄空間內可以靈活運動，能夠提高大型組件的自動化裝配水平，同時充分利用生產制造場地，縮短裝配周期，提高裝配效率。

關鍵詞：柔性運輸車;受力設計;控制

引言

在航天領域，隨著spacex等私人航天企業的涌人，包括Ariane和uLA在內的多家航天機構均紛紛感到了競爭的壓力，開始研究如何快速、可靠和低成本地實現火箭的發射服務。為了應對挑戰，航天運輸系統應認真考慮使用性問題，尤其長征系列火箭還未能真正參與國際市場競爭，使我們長期對這方面的需求不再敏感甚至認為沒有需要。同時，火箭競爭力往往用運載能力等總體指標來衡量，對于其他分系統能發揮的作用，討論得甚少。本文將重點探討信息技術的發展給航天航空運輸控制系統（包括地面測發控系統）帶來的機遇與挑戰。

1.受力分析的需求

運輸轉載車吊裝的負載非常重，需要保證轉載過程的絕對安全，避免出現車體側翻、車架斷裂、支腿損壞等情況;

避免因負載位置變化，引起支撐支腿離地，造成車架、支腿受力急劇變化;

如果采用自動轉載技術，轉載過程中車體需要保持良好的穩定性，便于負載與車體之間的定位。

2.柔性運輸架車結構與功能分析

2.1柔性運輸架車的基本組成

柔性運輸架車由主要由全向移動系統、車身和柔性支撐系統三部分組成。采用Mecanum全向移動機構作為全向移動系統，柔性支撐柱作為柔性支撐系統。普通的輪式移動機構需要一定的轉彎半徑，在范圍狹小工作空間中無法自由轉向或橫向移動。采用的全向輪式移動機構無需車體做出任何轉動便可實現任意方向的移動，并且可以原地旋轉任意角度，運動靈活，可在工作區域內沿任意軌跡運動到指定的位置。Mecanum全向移動機構由Mecanum全向輪、傳動機構、行星齒輪減速，減震機構用來確保運輸架車在不平的地面上運動時每個車輪均與地面保持接觸，避免柔性運輸架車運動過程中產生顛簸和震動。柔性支撐柱由十字工作平臺和升降機構組成，負責模擬件的姿態調整和位置調整，十字工作平臺的相對位置是可調的。柔性支撐系統通過調節三個柔性支撐柱的相對位置和升降機構的高度調節模擬件的姿態適應不同的部件需求，在一定程度上達到柔性的要求，實現部件的調姿和相對位置的移動。

2.2全向輪結構和運動方程

柔性運輸架車有四個Mecanum全向移動機構組成。Mecanum全向輪由輪轂和均布在輪轂上的若干輥子組成，輥子可以自由旋轉與輪轂產生相對運動。輥子軸線與輪軸線的夾角為45°。每個Mecanum全向移動機構都由一個伺服電機和行星齒輪減速器驅動，即每個Mecanum全向輪都是主動輪，各自的轉速和轉向是獨立的。電機驅動Mecanum全向輪轉動時，輥子與地面之間產生摩擦力F，F可以分解為沿著輥子垂直方向的力F1和沿著輥子徑向方向的力F2，在F1的作用下輥子饒自身軸線旋轉，F2可以分解為一個沿全向輪軸向的分力Ft和沿輪子徑向的力Fa。所以每個全向輪可以沿著都有兩種運動：即車輪沿著驅動軸垂直方向的前后轉動，輪轂上與地面接觸的輥子繞輥子自身軸線的旋轉，由于不同的車輪運動是獨立的，車輪和輥子的轉速和轉向都不相同，四個全向移動機構組合，柔性運輸架車可實現各個方向的運動。

3.柔性運輸架車控制系統總體設計

3.1控制系統總體設計

控制系統設計原則及要求控制系統的方案設計涉及內容較多，為保證控制系統工作穩定、可靠，應遵循以下原則與要求：1）穩定性穩定性要求控制系統受到干擾后，系統能正常工作。干擾消除后，系統能回到平衡狀態，穩定性是控制系統的基本要求。2）響應速度控制系統不僅有穩定性的要求，還要求有快速的響應位置或速度的跟隨性要快。響應速度是衡量控制性能的重要指標。3）控制精度控制系統要有較高的精度，滿足柔性運輸架車的精度要求。4）經濟適用性在滿足控制要求的前提下，一方面要不斷地擴充架車的功能，另一方面也不斷地降低柔性運輸架車的生產制造成本。這就要求控制系統簡單經濟，使用和維護方便。5）可靠性系統應保證長期可靠地運行。系統中的硬軟件及信息資源應滿足可靠性設計要求。具有必要的安全保護。保證系統在非正常情況下，能夠迅速做出響應發出警報緊急停止，系統要有必要的安全保護裝置。6）可擴展性系統的硬軟件應具有擴充升級的余地，不能因軟、硬件擴充、升級或改型而使原有系統失去作用。由于技術的不斷發展，對控制系統的要求也將會不斷地提高，因此，在設計控制系統時，要適當考慮控制系統功能擴展和完善的需要，在選擇控制器、輸入/輸出模塊、I/O點數和內存容量時，要適當留有余量，以滿足后續的改進。

3.2多點支撐及其結構實現

多點支撐原理柔性多點支撐方法的基礎是“多點技術”。目前“多點技術”成功應用于板料成形領域，其思想是將傳統支撐方法替換為多點柔性支撐方法，即：將傳統支撐工裝的整體支承面離散為多個支撐點來擬合部件支承站位截面，各個離散支撐點各向行程獨立可調。其中每個離散支撐點等效于柔性支撐裝置，并將柔性支撐裝置作為基本單元，將支撐托板替換為多個柔性支撐裝置，這樣模擬件各支承站位的多個柔性支撐裝置組成多點柔性支撐陣列，這樣調節各支撐點的空間位置，使柔性支撐裝置與模擬件表面完全貼合，完成支撐。根據部件的重量和外形結構特征，以柔性支撐裝置作為基本單元，用多個同樣規格的柔性支撐裝置按照不同布局方式布置組成多點支撐陣列，滿足不同大部件支撐要求。當被支撐對象變化時，無須再重新設計柔性支撐裝置基本單元。根據部件的重量和外形特征，將原有4個柔性支撐裝置中的3個迅速重構組成三點柔性支撐陣列，從而實現支撐工裝共用與快速重組，最后滿足支撐要求。同樣，多點柔性支撐系統也可以用類似方法迅速重構用于其他部件的支撐。相對傳統支撐方式，這種方法可以實現一種工裝不同重量不同形狀不同部件支撐工裝共用的構想，柔性度高，節省成本。

結語

部件運輸是制造過程中的重要環節，其運輸過程的自動化和柔性化一直是生產制造的努力方向。部件運輸架車是生產、運輸和裝配過程中的重要運輸工具，性能先進的運輸架車可以極大的提高生產效率，縮短制造周期。國外制造公司一直致力于相關技術的研究，隨著各種大型部件的不斷出現和改進，新的運輸設備也不斷出現。隨著我國經濟實力的提高，我國制造業迅速發展，新的大型設備不斷出現，航空航天新項目的確立，對于我國航空航天制造產業是良好的發展機遇，也面臨巨大的挑戰。針對我國部件運輸自動化程度低、效率低和成本高的發展現狀，結合當前制造業發展趨勢，全向移動功能柔性運輸架車的興起必定是未來的趨勢。

參考文獻

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