缸蓋裝配站傳輸用AGV車輛結構設計與研究

陶 鑫，鮑君華，李昊橪

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著社會經濟的發展及各國智能制造戰略的推進，制造方式逐漸向客戶個性化定制和柔性制造方向發展，車間生產線和倉庫物品日益趨向批量小而品種繁多，這要求輸送裝備能根據經常變化的制造環境而智能化地柔性輸送，在車間內，按非預定路徑自主導航運行的自動導引小車(AGV)受到大眾的廣泛關注，并逐漸成為智能制造業中不可或缺的部分。AGV是輪式機器人的一種類型，它是帶有光學引導或電磁導引的一種裝置，具有編程、移載和安全保護的功能，是可以根據規定的導引路徑進行行駛動作的運輸小車[1-3]。本文設計的AGV車具備合理的前進后退以及自動轉彎的能力，利用自帶的輥筒輸送裝置，能夠實現柴油機缸蓋的搬運、傳遞、承接等智能化操作，機械結構方面基本上達到了產業化AGV的要求。由于AGV控制電路成本低廉，操作簡單，使得其生產成本大大減少，這種車在柔性要求不高的自動化物流現場線路上具有廣闊的推廣前景，并且還具有較高的靈活性，特別是在物流制造、物流倉儲等系統中，AGV的應用將會變得更為廣泛[4-6]。

1 實體模型建立

對于AGV來說，主要包括動力系統、傳動系統和控制系統三大部分，這三部分的安裝均需要一個充分的空間，因此合理地設計AGV的機械結構是整個AGV設計的基礎，只有在良好的機械基礎之上，才能更加準確高效地完成相應的傳輸缸蓋的任務[7-9]。本AGV的機械系統主要由承重箱結構、車體結構、輪系結構三大部分組成，其整體模型如圖1所示。

圖1 AGV整體模型

2 動力學建模

本文采用虛擬仿真技術來研究AGV在輸送缸蓋以及行走過程中的各種問題。主要過程為簡化三維模型、建立配合關系以及運動仿真分析三個階段。其中，簡化三維模型的過程主要是對在仿真過程中影響不大的零件進行簡化，比如將車體的差速驅動輪簡化為兩個尺寸相同的普通輪子模型；建立配合關系階段需要對虛擬環境的重力、載荷施加面、馬達添加、車體重心位置以及摩擦因數等進行配合并輸入準確數值；運動仿真分析的運行階段需要在AGV行駛過程中，在所有轉彎的位置處對兩個PathMateMotor分別打開和關閉，并且在與機床對接的位置處將速度降為0以此來承接缸蓋。

2.1 簡化AGV的三維模型

本文利用SolidWorks的motion插件進行動力學建模和仿真分析。創建以MMKS為單位制的剛體模型。將在SolidWorks軟件系統中裝配好的車體進行刪減和替換。

首先，孤立整個承重箱結構，將箱體的外側鐵皮去除，系統中設置運動副關系，將箱體固定在整個AGV的車體背部，只留下磨輪與凹槽間的移動副。在不影響車體仿真效果的前提下，將差速驅動輪簡化為尺寸相同的兩個圓柱模型。

然后，分別將兩個差速驅動輪替換為直徑尺寸相同、位置一樣的實體輪模型，并且留下所有輪子自身的轉動副。

最后，通過軟件系統分別建立主動輪轉速和從動輪轉矩的Splines曲線，用來控制主、從動輪之間的運動和牽引力矩。建立的簡化AGV模型如圖2所示。

2.2 載荷和驅動的施加

模擬傳動系統的直線運動過程，按照車輛空載時2 m/s、負載時1 m/s的速度行駛，輥筒裝置的轉速為20 rad/s。

對傳輸機構的四個立柱表面施加750 N的載荷。在行駛至機床位置處的時候，車體停下來傳遞柴油機缸蓋，并且在機床對缸蓋進行加工的時候，車體行駛至機床尾部來承接缸蓋，之后再運輸至指定位置進行儲存。

3 仿真結果對比分析

3.1 仿真運行結果

定義好引力與接觸關系后開始仿真運行，經仿真計算得到各工況條件下的計算結果。以AGV行駛線速度為例，可以觀察到車體在第二個轉彎處、第四個轉彎處的線速度均達到了最大值，也就是說，在轉彎處應適當地減小速度來降低離心力，其數據如圖3所示。

3.2 輥筒裝置分析

整個滑軌板長為800 mm，輥筒轉速為20 rad/s，設計時要求將整個柴油機缸蓋傳遞到機床上需要在10 s內完成，仿真后可知輥筒將缸蓋運輸成功的時間為5.4 s，小于設計時的要求，因此設計是合理的。輥筒仿真結果如圖4所示。

圖2 簡化AGV模型 圖3 AGV線速度 圖4 輥筒仿真結果

由圖4可以觀察到，傳輸機構傳遞柴油機缸蓋的速度為0.8 m/s，整個傳遞時間為5.4 s，傳遞成功。

至此整個AGV的所有仿真過程運行完畢，其各項仿真數據如表1所示。

表1 AGV各項仿真數據

4 靜力學分析及優化

4.1 傳輸機構靜力學分析及拓撲優化

將傳輸機構三維模型導入ANSYS中的Workbench,劃分網格后如圖5所示。

圖5 劃分網格的傳輸機構模型

劃分好網格后便開始施加載荷，柴油機缸蓋的質量按照250 kg計算，則總重量按照2 500 N計算，平均下來每個立柱的頂部會受到612.5 N的壓力，選擇要施加載荷的種類，選擇好四個面后在每個立柱面上輸入-612.5 N，以此來定義好力的大小和方向，之后開始設置邊界條件，最后進行求解。求解得到的應力、應變和變形云圖如圖6所示，具體數據如表2所示。

圖6 傳輸機構靜力學仿真分析結果

表2 傳輸機構的分析數據

根據靜力學分析結果可知，其最大應力遠遠小于許用應力235 MPa，最大形變也可以忽略不計，從減少制作成本、減少重量的角度上考慮，可以采用拓撲優化對模型進行簡化。首先在設計樹內建立Topulogy Optimization與Static Structural的關聯命令，如圖7所示。

圖7 拓撲優化與靜力學分析關聯圖

之后選擇拓撲優化命令欄里面的setup命令，進入到分析界面內，在設計樹里面選擇Topulogy Optimization，使用mass(質量改進)命令之后，用solve命令開始改進設計，在能夠支撐300 kg的負載以及保留原模型50%質量的情況下進行拓撲優化，在改進結束后，生成的傳輸機構裝配體如圖8所示。可以發現，新的傳輸機構裝配體的板體中心以及墊板中心都會去掉一部分，這樣既節省了物料又減少了應力集中的情況。則便按照這個新的形狀，重新進行建模。

首先使用三維建模軟件對傳輸機構的板體結構、墊板結構分別使用凸臺拉伸命令，之后生成新的傳輸機構裝配體，如圖9所示。之后再導入分析平臺做靜力學分析，流程與之前一樣，先進行網格劃分，劃分網格后如圖10所示。然后再進行應力、應變和變形分析，分析結果如圖11所示，具體分析數值如表3所示。

表3 新的傳輸機構具體分析數值

由此可見，新的傳輸機構依然滿足其承重要求，并且其質量由最初的156 kg減少到了66 kg，極大地節省了物料，因此采用該優化后的傳輸機構作為最終的方案。

4.2 導軌支撐臺靜力學分析及結構改進設計

與傳輸機構靜力學分析一樣，先導入幾何體，劃分網格，劃分網格后的導軌支撐臺如圖12所示。

圖12 劃分網格的導軌支撐臺

之后施加載荷，由于傳輸機構也有自重，所以不能單單添加250 kg的力，要算上傳輸機構的自重，傳輸機構裝配體的質量為70 kg，再加上八個輥筒的重量，一共是320 kg,則在施加載荷的時候就按照3 200 N來施加。對兩個滑軌板的滑軌面分別施加了1 610 N的力，之后和傳輸機構的分析流程一樣，設置好邊界條件以及求解方法后開始計算，最終得到的分析數值如表4所示，應力、應變和變形云如圖13所示。

表4 導軌支撐臺的分析數據

圖13 導軌支撐臺仿真分析結果

根據靜力學分析結果可知，其最大應力都小于許用應力，最大形變也可以忽略不計，考慮到車體在行走過程中可能會遇到小石塊或者凹凸不平的地面，為了防止車體顛簸而導致整個傳輸機構在搬運過程中不穩定，決定在立臺的外側分別增加10 mm的加強筋，以此來提高整個導軌支撐臺的穩定性，使用相關三維建模軟件對其改進后的模型如圖14所示。

圖14 改進后的導軌支撐臺模型

4.3 車體鋼架結構靜力學分析

車體框架的靜力學分析與前文提到的步驟都大同小異,車體鋼架算上柴油機缸蓋承受總重量為700 kg，求解施加載荷為7 000 N。劃分網格后的車體框架模型如圖15所示。

圖15 劃分網格的車體框架模型

然后添加載荷和邊界條件，求解得到的應力、應變和變形云圖如圖16所示，分析結果數據如表5所示。

圖16 車體框架靜力學仿真分析結果

表5 車體框架結構分析數據

根據求解結果可知，車體框架滿足剛度最大變形量0.5 mm和強度235 MPa設計要求。

5 結論

本文運用有限元分析軟件完成了設計的三維模型的剛度強度校核，并在滿足剛度和強度的基礎上對傳輸機構進行拓撲優化，在減輕了自身重量的同時也節省了制造成本。