淺述柔性運(yùn)輸車的受力設(shè)計(jì)與控制策略

敖春芳 楊國

摘要：傳統(tǒng)的運(yùn)輸架車采用普通輪式機(jī)構(gòu)，不適應(yīng)在生產(chǎn)車間內(nèi)操作，因此需要一種具有全向移動(dòng)功能的運(yùn)輸架車。柔性運(yùn)輸架車由于采用全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎，在狹窄空間內(nèi)可以靈活運(yùn)動(dòng)，能夠提高大型組件的自動(dòng)化裝配水平，同時(shí)充分利用生產(chǎn)制造場(chǎng)地，縮短裝配周期，提高裝配效率。

關(guān)鍵詞：柔性運(yùn)輸車;受力設(shè)計(jì);控制

引言

在航天領(lǐng)域，隨著spacex等私人航天企業(yè)的涌人，包括Ariane和uLA在內(nèi)的多家航天機(jī)構(gòu)均紛紛感到了競(jìng)爭(zhēng)的壓力，開始研究如何快速、可靠和低成本地實(shí)現(xiàn)火箭的發(fā)射服務(wù)。為了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，航天運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)認(rèn)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，使我們長期對(duì)這方面的需求不再敏感甚至認(rèn)為沒有需要。同時(shí)，火箭競(jìng)爭(zhēng)力往往用運(yùn)載能力等總體指標(biāo)來衡量，對(duì)于其他分系統(tǒng)能發(fā)揮的作用，討論得甚少。本文將重點(diǎn)探討信息技術(shù)的發(fā)展給航天航空運(yùn)輸控制系統(tǒng)（包括地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)）帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

1.受力分析的需求

運(yùn)輸轉(zhuǎn)載車吊裝的負(fù)載非常重，需要保證轉(zhuǎn)載過程的絕對(duì)安全，避免出現(xiàn)車體側(cè)翻、車架斷裂、支腿損壞等情況;

避免因負(fù)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(dòng)轉(zhuǎn)載技術(shù)，轉(zhuǎn)載過程中車體需要保持良好的穩(wěn)定性，便于負(fù)載與車體之間的定位。

2.柔性運(yùn)輸架車結(jié)構(gòu)與功能分析

2.1柔性運(yùn)輸架車的基本組成

柔性運(yùn)輸架車由主要由全向移動(dòng)系統(tǒng)、車身和柔性支撐系統(tǒng)三部分組成。采用Mecanum全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)作為全向移動(dòng)系統(tǒng)，柔性支撐柱作為柔性支撐系統(tǒng)。普通的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑，在范圍狹小工作空間中無法自由轉(zhuǎn)向或橫向移動(dòng)。采用的全向輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無需車體做出任何轉(zhuǎn)動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)任意方向的移動(dòng)，并且可以原地旋轉(zhuǎn)任意角度，運(yùn)動(dòng)靈活，可在工作區(qū)域內(nèi)沿任意軌跡運(yùn)動(dòng)到指定的位置。Mecanum全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)由Mecanum全向輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星齒輪減速，減震機(jī)構(gòu)用來確保運(yùn)輸架車在不平的地面上運(yùn)動(dòng)時(shí)每個(gè)車輪均與地面保持接觸，避免柔性運(yùn)輸架車運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生顛簸和震動(dòng)。柔性支撐柱由十字工作平臺(tái)和升降機(jī)構(gòu)組成，負(fù)責(zé)模擬件的姿態(tài)調(diào)整和位置調(diào)整，十字工作平臺(tái)的相對(duì)位置是可調(diào)的。柔性支撐系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)三個(gè)柔性支撐柱的相對(duì)位置和升降機(jī)構(gòu)的高度調(diào)節(jié)模擬件的姿態(tài)適應(yīng)不同的部件需求，在一定程度上達(dá)到柔性的要求，實(shí)現(xiàn)部件的調(diào)姿和相對(duì)位置的移動(dòng)。

2.2全向輪結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方程

柔性運(yùn)輸架車有四個(gè)Mecanum全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。Mecanum全向輪由輪轂和均布在輪轂上的若干輥?zhàn)咏M成，輥?zhàn)涌梢宰杂尚D(zhuǎn)與輪轂產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。輥?zhàn)虞S線與輪軸線的夾角為45°。每個(gè)Mecanum全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)都由一個(gè)伺服電機(jī)和行星齒輪減速器驅(qū)動(dòng)，即每個(gè)Mecanum全向輪都是主動(dòng)輪，各自的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向是獨(dú)立的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)Mecanum全向輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輥?zhàn)优c地面之間產(chǎn)生摩擦力F，F(xiàn)可以分解為沿著輥?zhàn)哟怪狈较虻牧1和沿著輥?zhàn)訌较蚍较虻牧2，在F1的作用下輥?zhàn)羽堊陨磔S線旋轉(zhuǎn)，F(xiàn)2可以分解為一個(gè)沿全向輪軸向的分力Ft和沿輪子徑向的力Fa。所以每個(gè)全向輪可以沿著都有兩種運(yùn)動(dòng)：即車輪沿著驅(qū)動(dòng)軸垂直方向的前后轉(zhuǎn)動(dòng)，輪轂上與地面接觸的輥?zhàn)永@輥?zhàn)幼陨磔S線的旋轉(zhuǎn)，由于不同的車輪運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，車輪和輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向都不相同，四個(gè)全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)組合，柔性運(yùn)輸架車可實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。

3.柔性運(yùn)輸架車控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及要求控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)涉及內(nèi)容較多，為保證控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，應(yīng)遵循以下原則與要求：1）穩(wěn)定性穩(wěn)定性要求控制系統(tǒng)受到干擾后，系統(tǒng)能正常工作。干擾消除后，系統(tǒng)能回到平衡狀態(tài)，穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)的基本要求。2）響應(yīng)速度控制系統(tǒng)不僅有穩(wěn)定性的要求，還要求有快速的響應(yīng)位置或速度的跟隨性要快。響應(yīng)速度是衡量控制性能的重要指標(biāo)。3）控制精度控制系統(tǒng)要有較高的精度，滿足柔性運(yùn)輸架車的精度要求。4）經(jīng)濟(jì)適用性在滿足控制要求的前提下，一方面要不斷地?cái)U(kuò)充架車的功能，另一方面也不斷地降低柔性運(yùn)輸架車的生產(chǎn)制造成本。這就要求控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，使用和維護(hù)方便。5）可靠性系統(tǒng)應(yīng)保證長期可靠地運(yùn)行。系統(tǒng)中的硬軟件及信息資源應(yīng)滿足可靠性設(shè)計(jì)要求。具有必要的安全保護(hù)。保證系統(tǒng)在非正常情況下，能夠迅速做出響應(yīng)發(fā)出警報(bào)緊急停止，系統(tǒng)要有必要的安全保護(hù)裝置。6）可擴(kuò)展性系統(tǒng)的硬軟件應(yīng)具有擴(kuò)充升級(jí)的余地，不能因軟、硬件擴(kuò)充、升級(jí)或改型而使原有系統(tǒng)失去作用。由于技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)的要求也將會(huì)不斷地提高，因此，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，要適當(dāng)考慮控制系統(tǒng)功能擴(kuò)展和完善的需要，在選擇控制器、輸入/輸出模塊、I/O點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量時(shí)，要適當(dāng)留有余量，以滿足后續(xù)的改進(jìn)。

3.2多點(diǎn)支撐及其結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

多點(diǎn)支撐原理柔性多點(diǎn)支撐方法的基礎(chǔ)是“多點(diǎn)技術(shù)”。目前“多點(diǎn)技術(shù)”成功應(yīng)用于板料成形領(lǐng)域，其思想是將傳統(tǒng)支撐方法替換為多點(diǎn)柔性支撐方法，即：將傳統(tǒng)支撐工裝的整體支承面離散為多個(gè)支撐點(diǎn)來擬合部件支承站位截面，各個(gè)離散支撐點(diǎn)各向行程獨(dú)立可調(diào)。其中每個(gè)離散支撐點(diǎn)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(gè)柔性支撐裝置，這樣模擬件各支承站位的多個(gè)柔性支撐裝置組成多點(diǎn)柔性支撐陣列，這樣調(diào)節(jié)各支撐點(diǎn)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(jù)部件的重量和外形結(jié)構(gòu)特征，以柔性支撐裝置作為基本單元，用多個(gè)同樣規(guī)格的柔性支撐裝置按照不同布局方式布置組成多點(diǎn)支撐陣列，滿足不同大部件支撐要求。當(dāng)被支撐對(duì)象變化時(shí)，無須再重新設(shè)計(jì)柔性支撐裝置基本單元。根據(jù)部件的重量和外形特征，將原有4個(gè)柔性支撐裝置中的3個(gè)迅速重構(gòu)組成三點(diǎn)柔性支撐陣列，從而實(shí)現(xiàn)支撐工裝共用與快速重組，最后滿足支撐要求。同樣，多點(diǎn)柔性支撐系統(tǒng)也可以用類似方法迅速重構(gòu)用于其他部件的支撐。相對(duì)傳統(tǒng)支撐方式，這種方法可以實(shí)現(xiàn)一種工裝不同重量不同形狀不同部件支撐工裝共用的構(gòu)想，柔性度高，節(jié)省成本。

結(jié)語

部件運(yùn)輸是制造過程中的重要環(huán)節(jié)，其運(yùn)輸過程的自動(dòng)化和柔性化一直是生產(chǎn)制造的努力方向。部件運(yùn)輸架車是生產(chǎn)、運(yùn)輸和裝配過程中的重要運(yùn)輸工具，性能先進(jìn)的運(yùn)輸架車可以極大的提高生產(chǎn)效率，縮短制造周期。國外制造公司一直致力于相關(guān)技術(shù)的研究，隨著各種大型部件的不斷出現(xiàn)和改進(jìn)，新的運(yùn)輸設(shè)備也不斷出現(xiàn)。隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，我國制造業(yè)迅速發(fā)展，新的大型設(shè)備不斷出現(xiàn)，航空航天新項(xiàng)目的確立，對(duì)于我國航空航天制造產(chǎn)業(yè)是良好的發(fā)展機(jī)遇，也面臨巨大的挑戰(zhàn)。針對(duì)我國部件運(yùn)輸自動(dòng)化程度低、效率低和成本高的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，全向移動(dòng)功能柔性運(yùn)輸架車的興起必定是未來的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]高青. 考慮行為特征的柔性制造單元干擾管理調(diào)度研究[D].江蘇科技大學(xué)，2019.

[2]王書劍，周詩薇，鄧文兵，方凱.一種小型AGV運(yùn)輸小車的設(shè)計(jì)[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2018（12）：176-177.

[3]姚定，佘晶，黃翔，徐燕.基于全向移動(dòng)與多點(diǎn)柔性支撐的飛機(jī)大部件運(yùn)輸技術(shù)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，44（S1）：73-78.