倉儲AGV頂升結構設計與分析

曹沖振 王晶蕊 王鳳芹 闞常凱 曹美慧

摘要：針對倉儲AGV的絲杠舉升維修困難，易進灰塵和回轉機構電機懸空的問題，設計了一種新型中空圓柱凸輪式舉升機構，包括舉升機構和回轉機構。詳細設計了該頂升結構的組成和工作原理，對舉升所需的扭矩進行分析計算，并通過SolidWorks仿真分析驗證計算結果。結果表明，該方案能夠滿足要求。

關鍵詞： 倉儲AGV; 舉升機構; 回轉機構; 仿真分析

【Abstract】 To solve the problems of difficulty in maintenance of lead screw lifting in storage AGV， easy to enter dust and hang motor of rotary mechanism， a new type of hollow cylindrical cam lifting mechanism is designed， including lifting mechanism and rotary mechanism. The composition and working principle of the lifting structure are designed in detail， and the torque needed for lifting is analyzed and calculated. The calculation results are verified by SolidWorks simulation analysis. ?The results demonstrate that the scheme can meet the requirements.

【Key words】 ?storage AGV; lifting mechanism; slewing mechanism; simulation analysis

0 引 言

倉儲AGV是近年來將機器人技術應用到物流行業的代表，將傳統自動導引車輛進行改進，使其符合物流行業需求，代替叉車、拖車等傳統物料搬運設備，實現倉儲無人化操作，高效率產出[1]。但是國內外針對電商倉儲AGV設計得較少，對倉儲AGV實際工作過程研究、設計選型仿真分析研究則更加少見，且研究對象多為傳統生產企業物流，缺乏新形勢下電商倉儲中心的應用研究，功能結構不能滿足快速發展的市場需求。由于倉儲AGV是一種較為復雜的機械裝備，本文只對電商企業倉儲中心的倉儲AGV的頂升機構開展研究，包括舉升和回轉機構，并對舉升機構的電機扭矩進行仿真，檢驗其是否符合要求，為電商倉儲中心的倉儲AGV提供一種新型的頂升方案。

1 倉儲AGV方案介紹

倉儲AGV主要用于大型電商企業倉儲中心，以實現物到人揀選的功能需求。倉儲AGV舉升機構是倉儲AGV（見圖1）中將足夠重量的貨架頂起脫離地面的機構，并將之搬運到工作處，利用回轉機構進行旋轉換面，將需要的面旋轉到工作人員面前如圖2所示。該方案中選擇貨架尺寸Lh×Wh×Hh：960 mm×960 mm×2 000 mm，離地高度320 mm，貨架層數為5層，材料為冷軋鋼，自重30 kg，每層最大承重150 kg。倉儲AGV需要駛入到貨架底部將貨架舉起，舉升高度為50 mm，整體車身尺寸840 mm×650 mm×300 mm。

2 頂升結構設計

2.1 舉升機構設計

該AGV舉升機構的主要作用是在搬運貨架過程中將貨架舉升離地面一定距離，使其脫離地面。對此擬做研究闡述如下。

（1）舉升機構的組成。該舉升機構的組成如圖3所示。空圓柱凸輪，止動托盤采用Q235，其余為可購買的材料。外嚙合齒輪通過螺釘固定在中空圓柱凸輪下方，中空圓柱凸輪安裝在轉臺座上。外嚙合齒輪驅動中空圓柱凸輪旋轉，旋轉螺紋驅動止轉托盤以實現將水平旋轉運動轉變為垂直運動，如此上下往復運動。止轉托盤的四角設計有直線滑軌可以確保托板垂直舉升，滑座安裝在車架上。該方案中設計有一個驅動電機和直角減速器，舉升高度50 mm。由于電機無法持續穩定地舉著300 kg貨物，所以需要采用電機制動器，其主要作用是當中空圓柱凸輪完全舉起或放下貨架后立即制動或驅動電機完成動作后制動，使貨架維持當前狀態。另外，中空圓柱凸輪內留有安裝地碼傳感器的空間。

2.2 回轉機構設計

回轉機構的主要作用可表述為：倉儲AGV差速轉向行駛時，需要維持貨架相對于地面方向不變，以使得系統能記錄貨架正反兩個面，且防止貨架轉動造成相鄰的貨架刮蹭、撞倒的事故[3]。這部分研究內容詳見如下。

（1）回轉機構設計。該回轉機構組成如圖4所示。回轉支撐采用鋁塑板材料，其余為標準件。

（2）回轉工作原理。電機驅動減速器，減速器帶動花鍵軸中轉齒輪，進而驅動花鍵，轉動旋轉驅動齒輪，從而驅動回轉支撐齒輪旋轉。回轉支撐通過螺栓固定在舉升機構中的止轉托盤上。舉升過程中，回轉機構中的部分部件隨之舉升，回轉機構的其他部件固定于車架不隨之舉升，兩部分的運動通過花鍵軸實現。回轉支撐齒輪與回轉支撐之間通過滾珠組成一個部件（轉盤軸承）。

3 仿真分析

3.1 模型導入

將AGV導入SolidWorks中，啟用Motion工具，生成一個新運動算例，模型立即導入仿真環境。其優點是導入后在仿真環境中零件之間的裝配關系仍然存在，各個零件都處于配合狀態，不需要重新確定各個零件之間約束關系和材料屬性等參數[5]，仿真設計模型如圖5所示。

3.2 仿真參數設置

將AGV模型導入后，對模型進行設置，添加馬達和外力。對旋轉大齒輪施加旋轉馬達，相對移動的零件選擇止轉托盤;施加垂直地面，豎直向下的引力;設置中空圓柱凸輪與凸輪隨動器和直線導軌之間的接觸;對舉升的中心施加壓力3 000 N，代替300 kg的重物。

3.3 仿真結果分析

這里，給出了舉升扭矩的仿真結果如圖6所示。由圖6可知，舉升扭矩在啟動時是最大的，大約是55 N·m左右，之后穩定不變。而計算的扭矩Mj=54.728 N·m，仿真結果和計算扭矩的結果誤差為5%，在允許的范圍內，所以選用的減速電機符合要求。

4 結束語

結合倉儲AGV的具體結構提出了一種新型的舉升和回轉機構，占用空間小，加工簡單、成本低，結構更加合理。對設計的舉升機構舉升過程中中空圓柱凸輪式舉升機構的扭矩進行計算，并對舉升進行仿真驗證，結果證明這種新型舉升機構選用的減速電機是合理的。

參考文獻

[1] 李樂. AGV在汽車零部件廠內物流的應用案例[J]. 企業技術開發（學術版）， 2014， 33（7）：46.

[2]彭國勛，肖正揚. 自動機械的凸輪機構設計[M]. 北京：機械工業出版社， 1990.

[3]呂順， 費勇. 堆取料機回轉驅動分析與計算[J]. 機械工程師， 2011（8）：165.

[4]何西泠. 回轉支承裝置的摩擦阻力矩[J]. 中國工程機械學報，2006， 4（2）：183.

[5]車睿. 基于虛擬樣機技術的貨叉式AGV穩定性研究與結構優化[D]. 北京：機械科學研究總院， 2015.