RGV無人搬運小車結構與電氣系統設計分析

王 仿，孫安欣，王磊磊，郝道爭，李中凱

（1.徐州考拉機器人科技有限公司，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業大學機電工程學院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

對企業車間廠房的物料搬運及輸送路線進行恰當的規劃，可以顯著減少生產物料的搬運成本[1]，而合適的物料搬運工具能夠改善企業生產的總收益。軌道導引無人運輸車（RGV）是物料搬運的重要工具[2]，其結構設計及控制方式影響著運輸效率，為此，國內外很多學者對其進行了研究。

為保障無人運輸車輸送效率，有的學者專注于運輸車結構的設計。朱濤等[3]設計了一種有軌制導無人車輛，并詳細闡述了RGV小車整個單機設備的設計計算。王禮建、楊冬云等[4-5]通過設置雙傳動鏈、增加齒輪調整機構來消除驅動機構傳動間隙，以此提高定位精度。另外，有學者通過研究無人運輸車調度更合理來提高輸送效率。Dongyu等[6]利用遺傳算法建立物流模型，得出多個RGV的優化調度方案；Ding C[7]創造性地將混沌粒子群優化算法引入預見性步進模型，并設計了多步處理機制。這些研究都能夠很好地解決運輸車的優化調度問題。

本設計的基于軌道制導的無人平板運輸車，在傳統的平板運輸車車架底部增加了轉向機構，以適應復雜的工作要求；并設計了手持式控制手柄，以滿足負載隨工作變化的要求；詳細地介紹了該運輸車的整車基本結構及電氣控制方法，為工廠輸送車的設計及優化提供了思路。

1 無人平板運輸車整車結構及工作原理

1.1 整車結構

RGV無人平板運輸車基本結構如圖1所示，包括：車架運輸平臺、牽引裝置、緩沖器、回轉支承裝置、主從驅動轉向架、抱軸式減速器、直流牽引電動機、輸送帶、車輪、軌道、蓄電池組、電氣控制箱以及各類螺栓螺釘和軸承等。

圖1 RGV無人平板運輸整車結構

1.2 工作原理

無人平板運輸車分為硬件結構和電氣控制兩方面。在硬件結構中，利用鉛酸蓄電池和直流牽引電動機作為驅動設備，并通過帶傳動和抱軸式減速器將動力傳遞到車輪驅動軸，以此來帶動車輪轉動，從而驅動整個運輸車行駛。運輸車的電機、減速器及車輪共同安裝于轉向架，構成運輸車的主驅動，從動驅動結構與之類似。主、從動驅動通過回轉支承連接于車架底部，可在一定角度內做轉動。當運輸車駛入彎道時，車輪輪緣與軌道相互約束使其按照預定彎道自適應轉向。運輸車日常作業時行駛軌跡為直線；當處于小彎道轉向時，通過駛入電動轉盤完成換軌；當處于需要大半徑轉彎的特殊工況時，需要調動轉向機構。在電氣控制方面，通過合理布置直流接觸器、按鈕、開關等電氣元件來達到控制電機正反轉、從而完成運輸車的前進、后退和斷電停車等基本操作。

2 無人平板運輸車結構設計

RGV無人平板運輸車面向工廠空地或大型車間內使用，為滿足強度要求和運輸功能的要求，其具體技術參數見表1。

表1 技術參數

2.1 驅動結構

為了工作可靠及簡化設計，驅動形式選擇集中低速軸驅動，且減速器安置在車架的中心軸線，并增加帶傳動分擔總傳動比，結構如圖2所示。驅動包括主驅動及從動驅動，主驅動由牽引蓄電池組、直流牽引電動機、抱軸式減速器等組成，并通過地腳螺栓緊固在主轉向架下平板。其中，蓄電池采用標準牽引專用鉛酸電池D-180型；驅動電機選用XQ-0.75-3型直流牽引電機；抱軸式減速器采用斜齒圓柱齒輪傳動，其設計結構如圖3所示。動驅動是一塊具有與主轉向架相同回轉支承的安裝凸緣的鋼板。

圖2 RGV無人平板運輸車驅動機構

圖3 RGV無人平板運輸車抱軸式減速器

2.2 行走結構

如圖4所示，行走機構包括行走輪組件行走輪、軸承、車輪主軸、端蓋套筒等。為了滿足支撐剛度要求且防止發生脫軌，本文選用單輪緣軌道車輪，型號為DL-315×120；為減小回轉工作阻力，簡化維修更和裝配步驟，選用32210的圓錐滾子軸承來支承四個車輪；車輪主軸軸頸取決于車輪安裝尺寸，其軸向固定方式為端蓋、通蓋、套筒和鎖緊螺母。

圖4 RGV無人平板運輸車行走機構

2.3 車架結構

車架由凸緣、牽引裝置、吊裝孔、懸架等組成。其中，凸緣用于安裝主驅動轉向架、從動轉向架及緩沖器；懸架用于放置電氣控制箱及蓄電池組,如圖5所示。考慮到生產成本和制造復雜度等因素，車架的整體結構設計均采用標準化程度較高的型材和鋼板，且采用法蘭盤式聚氨酯緩沖器。

圖5 RGV無人平板運輸車車架機構

2.4 回轉轉向機構

運輸車支撐方式采用單排四點接觸式支承，型號為01.20.280，并通過18個A級外六角螺栓（M14×70）將其固定在車架底部的凸緣上。轉向架通過回轉支承與車架連接，當駛入彎道時，車輪與軌道的相互作用使主、從動驅動的回轉支承發生轉動，從而滿足運輸車自適應轉向。

3 電氣系統設計與控制

3.1 硬件設計

為了實現無人平板運輸車的搬運功能及保障操作人員的安全，本文設計了有線控制手柄及電氣控制箱，如圖6所示，并利用直流接觸器、行程開關、熔斷器、熱繼電器、按鈕開關等電氣元件控制運輸車前進、后退、斷電停車等動作。其中，控制手柄上設計有“前進”“后退”“停車”三個按鈕，電氣控制箱門上設置指示燈和急停按鈕。

圖6 RGV無人平板運輸車電氣硬件設計

3.2 控制原理

所設計的運輸車通過電氣元件的連接來實現基本的控制功能，主電路如圖7所示。電源兩極經空氣開關QF、熔斷器FU和輔助觸點KM與電機相連進行供電；總開關QF位于電池出口；為了保障行使安全，在空氣開關后設置了熔斷器，可以在大電流時自動熔斷。通過控制輔助觸點KM1和KM2的閉合狀態來改變電機的旋轉方向，從而改變運輸車行駛方向。在熔斷器與輔助觸點之間接入控制電路，以此來控制電機正反轉通斷電情況。

圖7 RGV無人平板運輸車主電路

電氣元件實際布置如圖8所示。為方便工作人員隨車作業和緊急停車，將停止按鈕SE1、正轉按鈕SB02和反轉按鈕SB03布置在控制手柄上；將急停按鈕SE2和電源指示燈L設置在電氣控制箱門上；越位開關SQ1、SQ2位于運輸車所能到達軌道的極限位置；限位開關SQ3、SQ4布置在運輸車前進和后退行駛的正確停車位置。電氣控制箱裝載剩余電氣元件。

圖8 RGV無人平板運輸車電氣元件實際布置

4 平板車運行圖

結合圖9，說明所設計無人平板運輸車運行原理及過程。AC段為作業軌道，A、C分別為前進及后退的停止點，分別布置行程開關SQ3、SQ4；AB及CD為停車范圍，B、D兩點分別布置SQ1、SQ2。閉合空氣開關QF、QF1、QF2及接觸器KM，運輸車通電，電源指示燈L亮起。因運輸車前進后退運行原理相似，所以以前進為例說明。按下SB02，電機正轉，運輸車前進，行使至A點時，觸發行程限位開關SQ3，KM1失電，電機停止作業，運輸車停車。

圖9 無人平板運輸車運行示意圖

5 結論

本研究的RGV無人平板運輸車為企業工廠車間的物料搬運工具提供了新的選擇，也為提高企業生產率和減少生產成本提供了新的突破方向。