物流園區(qū)AGV車體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計
?摘要
隨著我國改革開放的不斷開展，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展，自動牽引車已成為制造加工和物流行業(yè)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，自動牽引車可以分為潛伏式牽引車和叉車式牽引車兩種，叉車式牽引車通常情況下是通過車體尾部的貨叉來實現(xiàn)牽引貨物的，所以其工作時需要占用大量的空間，而潛伏式牽引車恰恰克服了這一技術(shù)難題，直接潛入到貨物底部來牽引貨物，能夠更加方便快捷的完成各項任務(wù)。
潛伏式牽引車相比叉車式牽引車底盤更低，體積更小，更加便于實現(xiàn)現(xiàn)場的使用和貨物運(yùn)輸。本篇論文中提出了一種結(jié)構(gòu)巧妙、機(jī)動性好、穩(wěn)定性能高的潛伏式牽引車設(shè)計方案，本方案對自動牽引車技術(shù)進(jìn)行深入分析研究，對小車的運(yùn)動過程整體性能及車體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，對運(yùn)動性能進(jìn)行改進(jìn)，合理布置其主框架和副框架，潛伏式牽引車作為一種新型的自動牽引車，對此進(jìn)一步的研究也是不能忽視的。
關(guān)鍵詞：自動導(dǎo)引車，運(yùn)動性能，運(yùn)動系統(tǒng)
Abstract
With the continuous development of China’s reform and opening up, China’s economic construction and technology applications have been high-speed and stable development, automatic tractor has become a manufacturing and logistics industry essential essential equipment, automatic tractor can be divided into latent tractors And forklift tractor two, forklift tractor is usually through the tail of the car body to achieve the traction of goods, so its work need to take up a lot of space, and latent tractors just to overcome this technology Difficult to sneak into the bottom of the goods to attract the goods, to more convenient and quick to complete the task.
The latent tractor is lower and smaller than the forklift tractor chassis, making it easier to use on-site and cargo. This paper presents a design scheme of latent tractor with high structure, good maneuverability and high stability. The scheme analyzes the automatic tractor technology and analyzes the overall performance and body structure of the car Design and improvement of the performance of the vehicle, the rational arrangement of its main frame and sub-frame, latent tractor as a new type of automatic tractor, this further study can not be ignored.
Keywords:?Automatic Guided Vehicle, motion performance, braking system
1 緒論
1.1引言
隨著我國改革開放的不斷開展，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展，自動牽引車應(yīng)用的地方變得越來越多，從單一的生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展到各行各業(yè)，甚至延伸到排爆等危險的具體工作?，F(xiàn)在國內(nèi)外都開始了對自動牽引車的系統(tǒng)研發(fā)和設(shè)計，而自動牽引車選擇何種取貨方式是其設(shè)計時最重要的考慮點之一。
隨著自動牽引車行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，叉車式自動牽引車由于其結(jié)構(gòu)和操作過于復(fù)雜，且應(yīng)用時通常需要很大的場地，因此并沒有得到廣泛的使用。而目前市場上的自動牽引車主流仍是叉車式自動牽引車，我們常見的叉車式自動牽引車多像自動叉車的結(jié)構(gòu)形式，該叉車式自動牽引車移動結(jié)構(gòu)簡單，適用于平坦的地面，行走過程穩(wěn)定，但是同樣存在著許多缺陷，最大的問題是叉車式自動牽引車對行走地面要求比較高，在有坡度或者是凹凸不平的道路上行走時極容易打滑；且移動轉(zhuǎn)向的時候需要整個叉車牽引車本體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)彎半徑較大，占用的行走空間較多。我們都知道驅(qū)動單元是自動牽引車中極為重要的一個構(gòu)件，因此在整體設(shè)計的時候應(yīng)該考慮驅(qū)動結(jié)構(gòu)的適用性，穩(wěn)定性和可靠性。
為了讓潛伏式自動牽引車的各項性能滿足其使用要求，我們需要從以下方面要求入手考慮：機(jī)動性能好，轉(zhuǎn)彎半徑小，牽引能力強(qiáng)，與地面附著力大，穩(wěn)定可靠性高。本設(shè)計中我們選用潛伏式結(jié)構(gòu)作為自動牽引車的總體結(jié)構(gòu)，其既具備叉車式自動牽引車行走結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，又具備叉車牽引車移動過程動作穩(wěn)定、操作簡單的優(yōu)點；潛伏式自動牽引車能夠適用于各種環(huán)境下的工作，因此對其進(jìn)一步的研究是不能忽視的。
1.2自動導(dǎo)引車的發(fā)展概況
歐美等國家在自動牽引車的技術(shù)研究方面一直處于世界的前端，他們單獨(dú)設(shè)立有專門的自動牽引車技術(shù)研究小組，且都在努力將自動牽引車的技術(shù)推廣到各行各業(yè)當(dāng)中。目前美國的自動牽引車的研發(fā)已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，他們成功將該自動牽引車應(yīng)用到一些危險的環(huán)境中實際作業(yè)，還有部分自動牽引車甚至開始在戰(zhàn)爭中嶄露頭角，比如:iRobot公司的Packbot，Battelle公司的ROCOMP, Remotec公司的MINI Andros 等，其中最典型的是:iRobot公司的Packbot。
iRobot公司在美國的自動牽引車研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，其研發(fā)的單兵便攜式遙控地面武器機(jī)動平臺Packhot被美國軍方視為輕型無人偵查、戰(zhàn)術(shù)用機(jī)動平臺的模板。Packbot為潛伏式自動牽引車，長0.87m，寬0.51m，高0.18m，自重18kg，最大運(yùn)行速度14km/h，充電一次可以行駛10km，無線遙控移動，具有自主移動能力，設(shè)置有5個載荷設(shè)施接口，可任意搭載機(jī)械手、小型武器或其他裝備，主要用于偵察地形、戰(zhàn)術(shù)實施，如反地道、近距離干擾等。Packbot安裝有輔助轉(zhuǎn)臂，所以翻越障礙的能力極強(qiáng)，可以爬60°坡度的樓梯，有多種越障方式，能越過比自身高度大許多的障礙物，可以從任何顛覆狀態(tài)恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)。輔助轉(zhuǎn)臂可以拆卸，方便攜帶使用。Packbot平臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，抗沖擊能力極強(qiáng)，可經(jīng)受400G的沖擊，從2m高度摔下來也不會損壞，可從窗戶或者低空直升機(jī)直接拋出。
目前國內(nèi)對移動自動牽引車的技術(shù)研究仍然處于初始階段，對移動自動牽引車的定位傳感器、位置導(dǎo)航、運(yùn)動控制以及主體結(jié)構(gòu)設(shè)計等關(guān)鍵層面的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他歐美國家。不過現(xiàn)在許多國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開始努力開展對移動自動牽引車的研究工作，從最基礎(chǔ)的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動控制入手。由于移動自動牽引車在機(jī)動性、越障方式等方面與其他自動牽引車有很大不同，因此國內(nèi)在移動自動牽引車技術(shù)研發(fā)這條路上還有很長的路程要走。
1.3有限元分析的介紹
有限元分析是運(yùn)用電子計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬的方式，現(xiàn)如今在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分多，有限元計算答案已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和性能分析的可靠依據(jù)。現(xiàn)在，有限元分析大量應(yīng)用于解決航空、工業(yè)、航天、電子、土木、船舶、能源、化工、核工業(yè)、生物、醫(yī)學(xué)及交通運(yùn)輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域的具體工程問題，尤其是隨著計算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的高速發(fā)展，有限單元法在解決具體問題的規(guī)模、區(qū)間方面也已經(jīng)發(fā)生了巨大的變革。有限元分析技術(shù)可以實現(xiàn)：
（1）找到產(chǎn)品潛在的問題以及先天的缺陷，為我們創(chuàng)造更加品質(zhì)優(yōu)異的產(chǎn)品。
（2）對風(fēng)險進(jìn)行評估與預(yù)測，提高產(chǎn)品和加工生產(chǎn)的可靠性，降低存在的風(fēng)險。
（3）通過進(jìn)行對比計算分析，運(yùn)用改進(jìn)后的設(shè)計方案，降低產(chǎn)品生產(chǎn)加工成本。
（4）縮短產(chǎn)品投向市場的時間。
（5）降低物理試驗次數(shù)，對大量實際情況進(jìn)行快速而有效的模擬實驗分析。
有限元分析是R.Courant于1943年首先提出的。從提出有限元分析的概念以來，有限元理論及其特殊的應(yīng)用得到了高速發(fā)展。以往不能解決或能解決但解決精度不高的情況，都得到了更好的解決方法。傳統(tǒng)的FEM假設(shè)：分析域是無限；材質(zhì)是同樣的，甚至在絕大部分的分析中認(rèn)為材質(zhì)是各向同性的；對邊界環(huán)境簡化處理。但實際情況往往是分析區(qū)域有限、材質(zhì)各向異性及邊界環(huán)境難以確定等因素。為了解決這些問題，美國學(xué)者發(fā)現(xiàn)用CFEM(Gener-alized Finite Element Method)解決分析區(qū)域內(nèi)含有大量孔洞特性的情況；比利時學(xué)者也在之間提出了用HSM解決實際開裂情況。
FEM在國內(nèi)的應(yīng)用也十分廣。自從我國成功研制了國內(nèi)第一個通用有限元分析程序系統(tǒng)JIGFEX后，有限元分析涵蓋到工程分析的各個領(lǐng)域中，從我國大型的三峽工程到微米級的器件都運(yùn)用了FEM進(jìn)行分析，在我國高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展中擁有很大的發(fā)展空間。
現(xiàn)在我們在進(jìn)行大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)中物理場分析時，為了控制并估計偏差，常用后驗偏差估計的自適應(yīng)有限元分析。而基于后處理法的計算偏差，與我們常常使用的傳統(tǒng)算法不同，它完美的將網(wǎng)格自適應(yīng)過程分成均勻化和變密度化兩個迭代過程。而均勻化迭代過程中，運(yùn)用均勻網(wǎng)格尺寸對整體分析區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，便得到一個合適的起始均勻分析網(wǎng)格；而在變密度化迭代過程中只進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化的操作，而且充分運(yùn)用上一次迭代的答案，在單元所在的曲邊三角形區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化工作，保證了全局分析網(wǎng)格尺寸分布的合理性，這樣不同尺寸的網(wǎng)格就能夠光滑銜接，從而提高網(wǎng)格的整體質(zhì)量。上述整個方案簡單可行，穩(wěn)定可靠，數(shù)次迭代即可快速收斂，生成的網(wǎng)格布局合理，質(zhì)量水平高。
1.4課題研究意義及目的
從目前全球市場需求布局來看，歐、美地區(qū)成為功能全、結(jié)構(gòu)簡潔、質(zhì)量好、性能穩(wěn)定的移動自動牽引車的主要銷售市場；中東、非洲地區(qū)主要選擇老款式、簡單實用價格便宜的移動自動牽引車；還有以俄羅斯為代表的高寒國家則更喜歡能耐寒，機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固的移動自動牽引車以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡乩須夂驐l件；日韓則主要關(guān)注產(chǎn)品的品質(zhì)與安全；目前國內(nèi)的移動自動牽引車整體研究狀況還是比較良好，已由原來單一的移動功能，不注重外觀，逐漸演變成為實際使用中的藝術(shù)品，以外觀精美結(jié)構(gòu)巧妙，操作方便，質(zhì)量安全穩(wěn)定等特點成為新的發(fā)展方向。為進(jìn)一步適應(yīng)各行各業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)如今市場上還出現(xiàn)了移動服務(wù)自動牽引車。
2自動導(dǎo)引車（AGV）簡介
2.1 AGV工作原理
現(xiàn)有市場上常見的自動牽引車基本上都是叉車式自動牽引車，其基本工作方式為電動機(jī)帶動輪子轉(zhuǎn)動，輪子再將動力傳遞給整個叉車式自動牽引車達(dá)到讓其自由行走的目的。叉車式自動牽引車主要有以下幾個方面的缺點：對行走地面要求比較高，在有坡度或者是凹凸不平的道路上行走時極容易打滑；且移動轉(zhuǎn)向的時候需要整個自動牽引車本體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)彎半徑較大，占用的行走空間較多；而本設(shè)計中的潛伏式自動導(dǎo)引車的工作原理是根據(jù)工作要求設(shè)置其行走路線，依據(jù)其行走軌跡對其進(jìn)行編程，由數(shù)字編碼器檢測、判斷電壓信號是否與預(yù)先編程的軌跡的位置存在偏差，控制器根據(jù)檢測出來的位置偏差，通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速對偏差進(jìn)行糾正，從而實現(xiàn)，自動導(dǎo)引車沿預(yù)先編程的軌跡行走。電池為自動導(dǎo)引車的動力來源。
這兩種自動牽引車的工作原理截然不同，兩者結(jié)構(gòu)不同、實現(xiàn)方式不同，使用方法也不相同。本篇論文中的潛伏式自動牽引車設(shè)計運(yùn)用了巧妙的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，利用電動機(jī)作為自動牽引車行走的源動力，再通過穩(wěn)定的減速器和鏈傳動將電動機(jī)的動力傳遞給整個車體，使得自動牽引車可以實現(xiàn)自由的行走，整個運(yùn)動過程更加平穩(wěn)。我們在現(xiàn)有的潛伏式自動牽引車的理論基礎(chǔ)上改良結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方式，機(jī)械結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，綜合材質(zhì)的選擇、結(jié)構(gòu)的簡化，讓使用者更加方便穩(wěn)定的使用該移動自動牽引車，這是本篇論文潛伏式自動牽引車的設(shè)計初衷。
2.2 AGV的分類
潛伏式AGV系列
| 雙向潛伏式AGV小車 | 該車的驅(qū)動方式是四輪驅(qū)動，可以雙向運(yùn)動潛伏到貨車下面，通過升降牽引裝置與貨車銜接，選擇站點?？?，可實現(xiàn)AGV按照兩個或者多個站點停靠，完成來回往返的搬運(yùn)工作。 |
| 超低雙向潛伏式AGV | AGV的特點是非常低，只有168MM的高度，同時具有雙向牽引功能，潛入車底，用提升桿牽引貨物，選擇多個地址塊，可以方便地來回自動搬運(yùn)貨物。 該模型廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)車間。 |
| 小型潛伏式AGV | 牽引潛伏式AGV的特點：外形小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，搬運(yùn)靈活。可潛伏在料車底部，升降牽引裝置的升降桿，可以自動和料車進(jìn)行銜接，實現(xiàn)自動掛扣和脫扣，也可以直接牽引料車。該小車被大量使用在加工制造車間和大型物流倉庫。 |
| 超低型潛伏式AGV | 車體高度只有168mm，比以往的潛入牽引型車更低，可以便捷潛入牽引各種料車；該車型方便操作維護(hù)，行駛穩(wěn)定，目前已廣泛應(yīng)用，在車間內(nèi)部大量使用。 |
| 潛伏式后牽引AGV | 具備潛伏和后牽引的功能，AGV可以自動運(yùn)動到貨物底部下，利用升降桿牽引貨物，該車體的后牽引桿也可用于牽引貨物，把貨車牽引到指定位置，然后自動和分離，隨后鉆到空貨車的下面，拖走空貨車。該種后牽引AGV車型在工廠物料或成品的搬運(yùn)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。 |
背負(fù)式AGV系列
| 背負(fù)托盤式AGV | 該小車功能強(qiáng)大，既可以直接牽引物流臺車，又可以潛伏到臺車底部進(jìn)行牽引運(yùn)輸。通過車頂?shù)臓恳龣C(jī)構(gòu)將臺車和小車相關(guān)聯(lián)，通過車體內(nèi)部的驅(qū)動電機(jī)帶動整個牽引車向前行走，有著運(yùn)行速度快，運(yùn)動定位精度高的優(yōu)點 |
| 大型自卸式背負(fù)AGV | 使用滾筒驅(qū)動完成自動進(jìn)料工作，下料時，當(dāng)材料升起時，機(jī)體會抬起材料，使用帶式輸送機(jī)將材料從垂直方向移除，該車型具有高度的柔韌性 適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境強(qiáng)勁，將配合AGV使用的改造工作降到最少，此型號已成功投入使用電視檢測裝配線。
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| 重載型AGV | 可以前進(jìn)，后退，橫向移動，左右行駛，它的停止定位精度可達(dá)5MM，車體外殼由高強(qiáng)度材料制成，，對于電梯制造廠家而言，解決了點擊轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)運(yùn)困難的問題，大大降低了勞動者的勞動強(qiáng)度。 |
| 單向背負(fù)型AGV | 托盤，機(jī)架，物料箱等可放在AGV車身上進(jìn)行搬運(yùn)，或通過AGV尾部拖引料車。 小車按照上位程序設(shè)定的規(guī)定路徑行走運(yùn)輸貨物。 |
| 雙向背馱式AGV | 該小車通過在車體頂部安裝動力滾筒實現(xiàn)背馱貨物的自動上料和下料，通常該小車可以負(fù)重較大重量物品。 |
| 多站點背馱式AGV | 該背馱式自動牽引車通過預(yù)先設(shè)定的軌道運(yùn)動，行走運(yùn)動精度±10mm，該小車被大量使用在加工制造車間和大型物流倉庫。 |
| 背馱式AGV | 該自動牽引車通過車頂?shù)臓恳龣C(jī)構(gòu)將臺車和小車相關(guān)聯(lián)，通過車體內(nèi)部的驅(qū)動電機(jī)帶動整個牽引車向前行走，有著運(yùn)行速度快，運(yùn)動定位精度高的優(yōu)點。 |
牽引式AGV系列
| 牽引AGV | 該小車車體占地空間小，轉(zhuǎn)彎半徑小。通過車頂?shù)臓恳龣C(jī)構(gòu)將臺車和小車相關(guān)聯(lián)，通過車體內(nèi)部的驅(qū)動電機(jī)帶動整個牽引車向前行走，有著運(yùn)行速度快，運(yùn)動定位精度高的優(yōu)點。 |
| 牽引潛伏兩用AGV | 該小車功能強(qiáng)大，既可以直接牽引物流臺車，又可以潛伏到臺車底部進(jìn)行牽引運(yùn)輸。通過車頂?shù)臓恳龣C(jī)構(gòu)將臺車和小車相關(guān)聯(lián)，通過車體內(nèi)部的驅(qū)動電機(jī)帶動整個牽引車向前行走，有著運(yùn)行速度快，運(yùn)動定位精度高的優(yōu)點。 |
| 潛伏式后牽引AGV | 具備潛伏和后牽引兩種功能，AGV可以潛伏在貨車下面，使用電動升降桿牽引貨車，也可以使用牽引鉤牽引貨車，當(dāng)運(yùn)達(dá)至貨車固定位置后，導(dǎo)引車自動分離貨車，然后鉆入空的貨車下面拖走將其拖走。 該模型廣泛應(yīng)用于工廠材料或成品處理的搬運(yùn)。 |
滾筒AGV
| 背馱帶動力輥筒AGV | 該小車通過在車體頂部安裝動力滾筒實現(xiàn)背馱貨物的自動上料和下料，通常該小車可以負(fù)重較大重量物品。 |
| 雙向滾筒AGV小車 | 雙向滾筒AGV小車通過與電力連接平臺結(jié)合使用，形成完全自動化的無人操縱系統(tǒng)。該模式已成功應(yīng)用于紡織加工和電子工業(yè) 等行業(yè)中。 |
| 雙向重載背負(fù)滾筒AGV | 車體帶兩列獨(dú)立滾筒工位，方便上下料；雙工位AGV可增加單次運(yùn)載量或供空箱回收使用，大大提高搬運(yùn)效率，減少現(xiàn)場空間占用，為客戶節(jié)省投資成本; 這種模式已經(jīng)在電梯制造業(yè)務(wù)中得到成功應(yīng)用。 |
| 雙向滾筒式AGV小車 | 該小車通過在車體頂部安裝動力滾筒實現(xiàn)背馱貨物的自動上料和下料，通常該小車可以負(fù)重較大重量物品。通過預(yù)先設(shè)定的軌道運(yùn)動，行走運(yùn)動精度±10mm，該小車被大量使用在加工制造車間和大型物流倉庫。 |
全向橫移AGV
| 萬向橫移舉升AGV | 該小車功能強(qiáng)大，可以在任意方向?qū)ε_車進(jìn)行舉升牽引。通過車頂?shù)臓恳龣C(jī)構(gòu)將臺車和小車相關(guān)聯(lián)，通過車體內(nèi)部的驅(qū)動電機(jī)帶動整個牽引車向前行走，有著運(yùn)行速度快，運(yùn)動定位精度高的優(yōu)點。 |
| 萬向型AGV | 主要用于醫(yī)學(xué)教育，商務(wù)辦公，自動牽引車主題餐廳等等，此款A(yù)GV不但具有非常靈活的機(jī)動性能，而且工作空間很小，可任意旋轉(zhuǎn)90度或180度，是一款簡單的迷你智能AGV。 |
重型舉升AGV
| 雙向帶橫移自動升降機(jī)AGV | 機(jī)體各面有機(jī)械防撞機(jī)制，加強(qiáng)了四方位安全行駛的性能; 由AGV車身控制剪刀升降機(jī)在不同高度的切割機(jī)對接自動卸載作業(yè)，設(shè)備利用率較高，設(shè)備已投入使用于紡織集團(tuán)。 |
2.3 AGV的導(dǎo)航方式
電磁導(dǎo)航：電磁導(dǎo)航是一種更為傳統(tǒng)的導(dǎo)向方式，根據(jù)工作需求，在工作區(qū)域埋設(shè)金屬導(dǎo)線，并加載低頻低壓電流，使電線周圍的磁場，AGV沿著此路徑行走時，其內(nèi)部的感應(yīng)線圈通過對導(dǎo)航磁場力量識別跟蹤，實現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。
優(yōu)點：導(dǎo)線隱藏，不易污染和損壞，引導(dǎo)原理簡單可靠，易于控制通訊，無干擾聲光，投資成本遠(yuǎn)低于激光導(dǎo)航
缺點：改變或擴(kuò)大路徑比較麻煩，引導(dǎo)線鋪設(shè)相對困難。
磁帶導(dǎo)航：磁帶導(dǎo)航技術(shù)與電磁導(dǎo)航相似，區(qū)別在于使用磁帶在路上而不是磁帶嵌入地下金屬線，通過磁帶傳感應(yīng)信號實現(xiàn)指導(dǎo)。
優(yōu)點：采用磁帶導(dǎo)航導(dǎo)引車定位精確，鋪設(shè)、變更或擴(kuò)充行走路線時，相對于電磁導(dǎo)航的較容易，而且磁帶成本較低。
缺點：磁帶容易斷開，需要經(jīng)常對磁帶進(jìn)行維護(hù)，更改路徑時需要重新鋪設(shè)磁帶，AGV只能通過磁帶走，不能實現(xiàn)實時避免，或者通過控制系統(tǒng)實時更改任務(wù)。
二維碼導(dǎo)航：該技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)有一段時間，運(yùn)用該導(dǎo)航方式的導(dǎo)引車是通過視覺識別系統(tǒng)識別二維碼，加上慣性進(jìn)行導(dǎo)航，其地圖相當(dāng)于是一個大號的圍棋棋盤，自動牽引車可以到達(dá)所有點。物流倉庫中的這種類型的AGV有很大的用處，但是因為貨架重心很大，所以啟動和結(jié)束時對速度控制有一定的要求。
優(yōu)點：AGV定位精度，導(dǎo)航靈活性更好，鋪設(shè)，改變或擴(kuò)展路徑也比較容易方便控制通信，不會干擾聲光。
缺點：需要定期維護(hù)路徑，如果現(xiàn)場復(fù)雜，則需要運(yùn)行替代二維碼，對陀螺儀的準(zhǔn)確性要求高，其使用壽命要求長，另外對于工作場地的平整度要求較高，價格偏高。
激光導(dǎo)航：第一種是通過反光板導(dǎo)航，在AGV工作的路徑周圍安裝位置精確的激光反射板，通過AGV發(fā)射激光束，同時收集由路徑周圍的反射板反射過來的激光束，確定AGV此時所在的位置和方向，并通過連續(xù)的三角形幾何操作來實現(xiàn)AGV導(dǎo)航。另一種是通過激光測距與SLAM算法結(jié)合，建立一套自動導(dǎo)引車行駛路線圖，不需要任何輔助材料，具有更高程度的靈活性，可以進(jìn)行全面部署，這種導(dǎo)航是未來的發(fā)展趨勢，也是很多廠商都在研發(fā)的方向，靈活性比其他導(dǎo)航方法強(qiáng)。
優(yōu)點：AGV定位精準(zhǔn)，地面不需要設(shè)置其他定位設(shè)施，行駛可以適應(yīng)各種現(xiàn)場環(huán)境，目前國內(nèi)外很多AGV廠商都傾向于使用該種先進(jìn)的導(dǎo)航。
缺點：制造成本高，對環(huán)境有相對較高的要求（外界光線，地面要求，能見度要求等）
3 潛伏式自動導(dǎo)引車的硬件設(shè)計
3.1潛伏式自動導(dǎo)引車的設(shè)計要求
（1）本設(shè)計中的潛伏式自動導(dǎo)引車主要用于制造工廠或物流園的貨物的輸送、牽引拆裝、流通、運(yùn)輸?shù)取?/p>
（2）本設(shè)計之前綜合考慮，該潛伏式自動引導(dǎo)車應(yīng)該具有以下功能：產(chǎn)品加工生產(chǎn)成本低，質(zhì)量安全穩(wěn)定，使用壽命長，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，使用便捷，方便搬運(yùn)移動；
（3）本設(shè)計從車體框架結(jié)構(gòu)的主框架和副框架、升降牽引裝置、運(yùn)動控制和驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)四個方面著手進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計分析及計算闡述。
3.2潛伏式自動導(dǎo)引車的設(shè)計概述
本設(shè)計中自動導(dǎo)引車由車體主框架、車體副框架、蓄電池、充電裝置、運(yùn)動定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、升降牽引結(jié)構(gòu)和運(yùn)動控制裝置等組成。本設(shè)計中的自動導(dǎo)引車，主體結(jié)構(gòu)由車體框架組成，而車體框架又可以分為主框架和副框架兩部分，
車體主框架是由厚度為5mm的鋼板通過機(jī)器人焊接工作站焊接而成，焊接夾具保證了其加工定位精度和焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，副框架主要安裝有萬向輪，和驅(qū)動機(jī)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)同樣十分關(guān)節(jié)，因為這些結(jié)構(gòu)都是自動牽引車的運(yùn)動部件，直接影響了小車運(yùn)動的定位精度。車體的內(nèi)部還安裝有運(yùn)動控制模塊，包括西門子PLC-200系列的CPU，運(yùn)動定位模塊，通訊模塊，模擬量輸出模塊等等，車體的前端還安裝有控制面板，包括人機(jī)界面觸摸屏，報警三色燈，啟動按鈕，急停按鈕，空氣開關(guān)，PBS防撞傳感器和自動感應(yīng)撞擊的防撞條。
3.3驅(qū)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計
本篇論文中的驅(qū)動結(jié)構(gòu)由驅(qū)動固定外殼、直線軸承模塊、預(yù)緊螺母、支撐直桿、減震彈簧、車體框架連接板、車體框架固定板、行走輪固定軸、行走輪限位擋板、行走輪、驅(qū)動機(jī)構(gòu)電動機(jī)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)基座固定板、驅(qū)動機(jī)構(gòu)基座、自動導(dǎo)航傳感器、自動導(dǎo)航傳感器安裝板等結(jié)構(gòu)組成。
該機(jī)構(gòu)中，驅(qū)動固定外殼為2mm厚度的45鋼板折彎而成，連接處通過焊接的方式連接起來，兩個驅(qū)動機(jī)構(gòu)電動機(jī)分別安裝在固定外殼的左右兩邊的內(nèi)側(cè)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)基座與兩個電動機(jī)的另一側(cè)固定連接好，驅(qū)動機(jī)構(gòu)基座固定板安裝到驅(qū)動機(jī)構(gòu)基座的頂部，直線軸承模塊同樣也安裝到驅(qū)動機(jī)構(gòu)基座的軸承安裝孔內(nèi)，且整個驅(qū)動機(jī)構(gòu)的支撐立桿安裝到直線軸承模塊內(nèi)部，保證上下同心安裝。
驅(qū)動結(jié)構(gòu)的避震機(jī)構(gòu)包括有 ：預(yù)緊螺母、支撐立軸、車體框架連接板、車體框架固定板、直線軸承模塊和減震彈簧 ；其中，支撐立軸安裝在直線軸承的中間，保證其同心度，支撐立軸的上端安裝預(yù)緊螺母用于避震，下端與驅(qū)動機(jī)構(gòu)基座連接固定，支撐立軸和驅(qū)動機(jī)構(gòu)基座通過一根圓柱銷軸鏈接固定，減震彈簧被壓縮安裝于車體框架連接板和車體框架固定板之間，起到整個驅(qū)動機(jī)構(gòu)避震的目的。
該驅(qū)動機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)簡潔，避震效果好，且行走輪的高度低，保證了整個自動牽引車行走的穩(wěn)定性。
3.3.1驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計選型
這里我們按500KG的搬運(yùn)重量進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計選型。在本設(shè)計中我們設(shè)定搬運(yùn)小車的最大牽引線速度V為35m/min。
根據(jù)公式N = V /?πD
式中：N——驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過減速箱后的轉(zhuǎn)速
V——循跡搬運(yùn)小車的牽引線速度
D——驅(qū)動輪的直徑
已知驅(qū)動輪的設(shè)計直徑為150mm，計算得到驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過減速箱后的轉(zhuǎn)速：
N=35*1000/（π*150）≈74.27r/min
取驅(qū)動單元的驅(qū)動輪與地面之間的滾動摩擦系數(shù)為0.2，從三維設(shè)計圖中計算得出整個搬運(yùn)小車自重200KG，按搬運(yùn)貨物最大重量500kG計算，得到：
整個循跡搬運(yùn)小車在輸送過程中與地面的滾動摩擦力f=0.2*700*10=1400N
我們這里的循跡搬運(yùn)小車以勻速運(yùn)動的方式運(yùn)動時單個驅(qū)動輪的牽引力F=1/2*f=700N
計算可以得到：
驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過減速箱后的輸出扭矩M=F*R=700×75/1000=52.5N.M
根據(jù)公式M=9550×/n
式中：M——電動機(jī)經(jīng)過減速箱后的輸出扭矩
——電動機(jī)的主軸輸出功率
n——電動機(jī)經(jīng)過減速箱后的輸出轉(zhuǎn)速
計算得到：
電動機(jī)的理論主軸功率 ?=52.5*74.27/9550=0.4083KW≈0.4KW
電動機(jī)所需的功率：
式中：??——輸送機(jī)理論主軸功率
——傳動裝置的總傳動效率，取0.95
——電動機(jī)功率
計算得到驅(qū)動電機(jī)功率
由于本設(shè)計中整個系統(tǒng)選用的電壓為直流，我們可以選擇使用直流伺服電機(jī)；
我們這里選用直流無刷伺服電機(jī)，選用上海步科的低壓伺服系統(tǒng)，
驅(qū)動電機(jī)參數(shù)：小慣量DC48V，電機(jī)額定功率0.75KW，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定轉(zhuǎn)矩2.39N.m，
伺服電機(jī)型號SMC80S-0075-30AAK-3DKH，
從伺服電機(jī)的產(chǎn)品手冊上查到標(biāo)準(zhǔn)馬達(dá)規(guī)范表，見下表
| 伺服電機(jī)型號 | SMC60S-0020-30AoK-3DKH | SMC60S-0040-30AoK-3DKH | SMC80S-0040-30AoK-3DKH | SMC80S-0075-30AoK-3DKH | ||
| 適配驅(qū)動 | FD123-LA-000,FD123-CA-000,FD123-CC-000,FD123-EA-000 | FD133-LA-000,FD133-CA-000,FD133-CC-000,FD133-EA-000 | ||||
| 直流母線電壓UDC | 48 | 48 | 48 | 48 | ||
| 連續(xù)特性 | 額定功率Pn(W) | 200 | 400 | 400 | 750 | |
| 額定轉(zhuǎn)矩Tn(Nm) | 0.64 | 1.27 | 1.27 | 2.39 | ||
| 額定轉(zhuǎn)速(rpm) | 3000 | 3000 | 3000 | 3000 | ||
| 額定電流In(A) | 4.6 | 10 | 9.6 | 21.5 | ||
| 瞬時最大轉(zhuǎn)矩Tm(Nm) | 1.92 | 3.81 | 3.81 | 7.17 | ||
| ?瞬時最大電流Im(A) | 13.8 | 25 | 24 | 64.5 | ||
| ?連續(xù)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Ts(Nm) | 0.7 | 1.4 | 1.4 | 2.63 | ||
| ?連續(xù)靜態(tài)電流Is(A) | 5.06 | 11 | 10.6 | 23.7 | ||
| ?線-線電阻RL（Ω） | 1.1 | 0.42 | 0.22 | 0.1 | ||
| ?線-線電感LL(mH) | 2.4 | 0.79 | 1 | 0.46 | ||
| ?電氣時間常數(shù)（ms） | 2.18 | 1.88 | 4.55 | 4.6 | ||
| ?機(jī)械時間常數(shù)（ms） | 3.22 | 1.84 | 1.65 | 1.79 | ||
| ?反電勢常數(shù)Ke（V/krpm） | 9 | 8 | 8 | 6.7 | ||
| ?轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt（Nm/A） | 0.149 | 0.13232 | 0.13232 | 0.111 | ||
| ?轉(zhuǎn)動慣量Jm（Kg.cm2） | 0.375 | 0.443 | 0.76 | 1.26 | ||
| 0.375（帶抱閘） | 0.447（帶抱閘） | 0.77（帶抱閘） | 1.27（帶抱閘） | |||
| 抱閘保持扭矩T（Nm） | 1.3 | 1.3 | 3.2 | 3.2 | ||
| 極對數(shù) | 3 | 3 | 3 | 3 | ||
| 最大允許du/dt（KV/μS） | 8 | 8 | 8 | 8 | ||
| 絕緣等級 | F | F | F | F | ||
| 軸承徑向力F(N) | 180 | 180 | 180 | 335 | ||
| 軸承軸向力F(N) | 90 | 90 | 90 | 167.5 | ||
| 重量G(Kg) | 1.1 | 1.6 | 2.2 | 2.9 | ||
| 1.6（帶抱閘） | 2.1（帶抱閘） | 2.8（帶抱閘） | 3.5 | |||
| 機(jī)身長L(mm) | 114±1.5 | 140±1.5 | 123±1.5 | 149±1.5 | ||
| 155±1.5（帶抱閘） | 181±1.5（帶抱閘） | 166±1.5（帶抱閘） | 192±1.5（帶抱閘） | |||
| 位置反饋裝置 | 2500ppr光電式編碼器（增量式） | |||||
| 冷卻方式 | 全封閉，自冷卻 | |||||
| 防護(hù)等級 | IP65,軸端IP54 | |||||
| 使用環(huán)境 | 溫度 | -20-40℃ | ||||
| 濕度 | 90%RH以下（無凝露） | |||||
| 環(huán)境 | 遠(yuǎn)離腐蝕，可燃性氣體，油滴，灰塵 | |||||
| 海拔 | 1000~4000m，每升高100m，功率下降1.5% | |||||
| 抗震等級 | X向24.5m/,Y軸方向最大49m/參考標(biāo)準(zhǔn)C 34-14(1986) | |||||
表2-2 SMC系列伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù)
3.3.2驅(qū)動電機(jī)減速機(jī)的設(shè)計選型
已知驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n1為3000?r/min，驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過減速箱后的轉(zhuǎn)速n2為74.27r/min，計算傳動比：
i=3000/74.27=40.39≈40
已知選定的驅(qū)動電機(jī)型號為SMC80S-0075-30AAK-3DKH，其工作額定功率為0.75W，額定轉(zhuǎn)速n為3000r/min,且轉(zhuǎn)動輪的轉(zhuǎn)速為74.27r/min，如果我們直接通過減速器減速則減速器總傳動比為40。
如果我們只選用減速器減速，那么傳動比i=40就必須通過很多級減速才可以實現(xiàn)，考慮到潛伏式自動牽引車的設(shè)計要求：結(jié)構(gòu)安裝簡單，自身重量輕，因此減速器的體積也需要盡可能的小，所以本設(shè)計中采用電機(jī)自帶減速器的方式先來降低電機(jī)自身輸出轉(zhuǎn)速。
齒輪減速器為行走電機(jī)與鏈傳動之間的獨(dú)立的閉式傳動裝置，它通過降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩來滿足實際工況的需求。減速器的類型有很多，按照傳動方式的不同可以分為齒輪減速器，蝸輪蝸桿減速器和行星減速器；按照傳動的級數(shù)可以分為單級和多級減速器。我們已知本設(shè)計中的齒輪減速器的減速比為1。通常情況下單級齒輪減速器的傳動比i≤8—10，且齒輪減速器的優(yōu)點是效率和可靠性高，工作壽命長，維護(hù)簡單；這里齒輪可以選擇直齒、斜齒和人字齒。由于本設(shè)計中的履帶轉(zhuǎn)動的工作轉(zhuǎn)矩較大，因此選擇螺旋傘齒輪做為本設(shè)計中的齒輪減速器。
在設(shè)計時保證齒輪傳動的中心距不變的條件下，增加齒數(shù)，不僅可以增大齒輪嚙合的重合度、保證傳動的平穩(wěn)性，而且可以減小齒輪模數(shù)，降低齒高，減少加工的切削量。為了提高傳動的穩(wěn)定性，減少傳動過程中的沖擊振動，降低磨損失效。
根據(jù)齒輪副的工作環(huán)境選擇不同的齒輪齒數(shù)，閉式齒輪傳動一般轉(zhuǎn)速較高，為了提高傳動的穩(wěn)定性，減小沖擊振動，通常選擇齒數(shù)多一點的齒輪，小齒輪的齒數(shù)可取為Z1=20~40，而開式（半開式）齒輪傳動，由于輪齒的磨損失效為主要因素，因此小齒輪的齒數(shù)通常選用不多，一般可以小齒輪的齒數(shù)Z1=17—20，且為了防止齒輪嚙合時發(fā)生根切，應(yīng)取Z1≥17。本設(shè)計中的齒輪副的工作環(huán)境為封閉的減速箱內(nèi)，且齒輪傳動的轉(zhuǎn)速較高，因此選定小齒輪的齒數(shù)Z1為20。
我們這里選用湖北行星傳動設(shè)備有限公司的精密行星減速機(jī)，由于我們的驅(qū)動方式為L型輸出方式，所以我們這里選用他們的ZJPX系列的精密行星減速機(jī)。
該減速機(jī)主要性能：
1.采用直齒圓柱齒輪傳動，輸出力矩比直傘齒輪高30%，噪音更低；
2.轉(zhuǎn)動體經(jīng)動平衡校正確保運(yùn)行更平穩(wěn)；
3.適配任何伺服電機(jī)，輸入，輸出模塊組合，可進(jìn)行特殊連接設(shè)計，安裝簡便可靠；
4.維護(hù)簡單，在壽命期間無需要換潤滑油脂。
ZJPX行星減速機(jī)技術(shù)參數(shù)
| 產(chǎn)品型號 | ZJPX65 | ZJPX85 | ZJPX115 | ZJPX142 | 減速比 | 級數(shù) | |
| 額定輸出扭矩 |
|
13.5 | 39 | 98 | 308 | 3 | 1級 |
| 29 | 80 | 205 | 600 | 4 | |||
| 24 | 65 | 137 | 425 | 5 | |||
| 15 | 37 | 86 | 272 | 8 | |||
| 15 | 42 | 110 | 335 | 12 | 2級 | ||
| 34 | 90 | 230 | 675 | 16 | |||
| 34 | 90 | 230 | 675 | 20 | |||
| 29 | 71 | 155 | 460 | 25 | |||
| 34 | 90 | 230 | 675 | 32 | |||
| 29 | 71 | 155 | 400 | 40 | |||
| 17 | 42 | 95 | 305 | 64 | |||
| 19 | 54 | 142 | 422 | 60 | 3級 | ||
| 44 | 110 | 296 | 900 | 80 | |||
| 44 | 110 | 296 | 900 | 100 | |||
| 44 | 110 | 296 | 900 | 120 | |||
| 44 | 110 | 296 | 900 | 160 | |||
| 38 | 90 | 195 | 585 | 200 | |||
| 44 | 110 | 296 | 900 | 256 | |||
| 38 | 90 | 195 | 385 | 320 | |||
| 22 | 52 | 122 | 395 | 512 | |||
| 故障停止轉(zhuǎn)矩 | 2倍額定輸出轉(zhuǎn)矩 | ||||||
| 產(chǎn)品型號 | ZJPX65 | ZJPX85 | ZJPX115 | ZJPX142 | 單位 |
級數(shù) |
| 最大徑向力 | 1550 | 3055 | 4330 | 9480 | N | |
| 最大軸向力 | 1220 | 2330 | 3300 | 6800 | N | |
| 滿載效率 | 95 |
% |
1級 | |||
| 93 | 2級 | |||||
| 90 | 3級 | |||||
| 平均壽命 | 20000 | h | ||||
| 重量 | 3.3 | 6.7 | 16.5 | 37.0 |
Kg |
1級 |
| 3.7 | 7.5 | 18.2 | 43.0 | 2級 | ||
| 4.2 | 7.5 | 18.5 | 40.0 | 3級 | ||
從減速機(jī)的產(chǎn)品手冊上查到，已知驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過減速箱后的輸出扭矩為90N.M
我們這里選用2級減速比40的減速機(jī)型號ZJPX115。
3.3.3減速箱齒輪的靜力及接觸的有限元分析
分析直齒輪的應(yīng)力分布圖，我們可以得出直齒輪在進(jìn)入或退出嚙合時，因為直齒輪的彈性形變將發(fā)生干涉和沖擊，直齒輪的齒頂、齒根和端面邊緣都會發(fā)生應(yīng)力集中，這些應(yīng)力集中很容易造成直齒輪失效，因此分析直齒輪受力，避免應(yīng)力集中可以有效地提高直齒輪的使用時間。
從主動齒輪的接觸應(yīng)力圖中可以看出，主動齒輪齒根圓處的應(yīng)力大小在70MPa 到?100MPa 區(qū)間內(nèi)，齒輪齒形表面的應(yīng)力分布有逐漸增大的態(tài)勢，其大小為 140~245MPa，而齒形表面及齒槽表面分布其應(yīng)力值逐漸降低到35MPa 左右，主動齒輪的最大應(yīng)力出現(xiàn)在加載的齒形嚙合部分的齒頂附近處，大小為316MPa。
圖2.4?主動齒輪接觸應(yīng)力分布圖
從齒輪副接觸應(yīng)力圖中可以看出，從動齒輪的應(yīng)力分布方式與主動齒輪基本相似。從動齒輪的齒根圓處的應(yīng)力值在?274MPa 到?366MPa 之間的范圍，齒形表面的應(yīng)力分布逐漸加大，附近的應(yīng)力其值為 457～549MPa，而齒形表面及齒根表面的應(yīng)力分布，其應(yīng)力值逐漸降低到91～183MPa 左右，與主動齒輪的應(yīng)力分布相似，齒形嚙合處附近接近齒頂輪廓處的應(yīng)力較大，從動齒輪該處為最大應(yīng)力點，而從動齒輪上該位置的應(yīng)力最大值約為 824MPa。
圖2.5齒輪副接觸應(yīng)力分布圖
根據(jù)以上分析可以得到結(jié)論：齒輪運(yùn)動副中的危險應(yīng)力集中位置，我們在實際的齒輪生產(chǎn)加工工藝中可以作為技術(shù)依照，為了后面使用過程中增加齒輪的耐久性和穩(wěn)定性，需要在齒輪制造生產(chǎn)和熱處理工藝加工的過程中做特殊的表面熱處理。
3.4升降牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計
目前常見的自動牽引車的牽引方式分為很多種，常見的以背馱式，叉車式和潛伏式居多。本設(shè)計中采用運(yùn)動占地最小的潛伏式作為牽引方式，其基本工作原理：自動牽引車通過上位程序的設(shè)定運(yùn)動到指定臺車的正下方，讀取臺車底部二維碼的信息確認(rèn)臺車無誤后，將牽引裝置升起，此時臺車已經(jīng)與牽引小車合二為一，鉤在一起，這時再按照事先設(shè)定的運(yùn)動軌跡將臺車一起移動到指定的地點。
升降牽引結(jié)構(gòu)安裝在整個小車的車體框架的正中間。該機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件是一個可以自由升降的直桿，當(dāng)我們需要牽引臺車的時候，讓直桿升起，此時直桿便鉤住了臺車，牽引車運(yùn)動則臺車一起跟著運(yùn)動。當(dāng)我們需要臺車與牽引車分離的時候，讓直桿下降，此時直桿便與臺車分離，牽引小車又可以自由行走去下個工位的臺車為待命。
本篇論文中的升降牽引機(jī)構(gòu)包括升降機(jī)構(gòu)固定外殼、升降驅(qū)動電機(jī)、直桿、直桿連接板、直線軸承模塊、凸輪組件、壓縮彈簧、彈簧導(dǎo)向軸、直桿連接板導(dǎo)向柱和升降機(jī)構(gòu)總固定板，升降牽引機(jī)構(gòu)通過升降機(jī)構(gòu)總固定板和整個牽引車的車體框架連接固定好，升降驅(qū)動電機(jī)固定在升降機(jī)構(gòu)固定外殼的左邊外側(cè)，同樣在升降機(jī)構(gòu)固定外殼的底部焊接預(yù)埋有一根彈簧導(dǎo)向軸，直線軸承模塊固定到機(jī)構(gòu)總固定板的反面，且保證直線軸承模塊與彈簧導(dǎo)向軸的同心度，直桿安裝于直線軸承模塊的孔內(nèi)，直桿連接板安裝到直線軸承模塊的底部，且與直桿固定牢固，直桿的內(nèi)空結(jié)構(gòu)，底部可以容納放置壓縮彈簧，而壓縮彈簧又套于彈簧導(dǎo)向軸中，彈簧底部與結(jié)構(gòu)固定外殼底部焊接固定好，彈簧上部與直桿連接固定，升降驅(qū)動電機(jī)的輸出軸安裝有凸輪組件，而凸輪的外沿正好壓在直桿連接板的上表面，在固定升降驅(qū)動電機(jī)的一側(cè)還安裝有兩個極限位置開關(guān)，上極限位置開關(guān)安裝在升降驅(qū)動電機(jī)的上端，下極限位置開關(guān)安裝在升降驅(qū)動電機(jī)的下端，凸輪組件跟隨者升降驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動而旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)動的過程中觸發(fā)上極限位置開關(guān)和下極限位置開關(guān)，機(jī)構(gòu)固定外殼的右邊內(nèi)側(cè)還安裝固定有直桿連接板導(dǎo)向柱，保證直桿連接板能夠上下升降順暢。
升降牽引裝置設(shè)計參數(shù)：
升降桿直徑：35mm；
電機(jī)參數(shù)：DC24V直流永磁電機(jī) 功率30W ?最大轉(zhuǎn)速2500r/min
工作電壓：9-30V；
邏輯電平：高電平3.3-30V,低電平0V；
牽引力：500KG；
升降范圍：0-50mm；
升降保護(hù)：升降限位開關(guān)保護(hù)，防止電機(jī)燒壞
升降速度：速度25mm/s；
工作濕度：10－90% RH；
工作溫度：-25℃－+85℃；
防護(hù)等級：IP-67;
外殼材質(zhì)：普通碳鋼
因為該機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件是一個可以自由升降的直桿，因此需要對其進(jìn)行有限元的分析，經(jīng)過之前的計算可以得到本設(shè)計中物流臺車作用于該直桿的作用力為1000N。
分析直桿的應(yīng)力分布圖，我們可以看到直桿受到應(yīng)力最大的位置，應(yīng)力最大值的地方位于和直線軸承模塊接觸的最底部。因為直桿的彈性形變將發(fā)生干涉和沖擊，直桿的底部接觸邊緣都會發(fā)生應(yīng)力集中，這些應(yīng)力集中很容易造成直桿失效，因此分析直桿受力，避免應(yīng)力集中可以有效地提高直桿的使用時間。
直桿材料選定為Q235A，查《機(jī)械設(shè)計手冊》，可以得到在常溫條件下，Q235A的屈服強(qiáng)度[σ]=235MPa,從應(yīng)力分布圖中可以看到應(yīng)力最大值為12.24MPa<235MPa。同樣的方法從整體變形量分布圖中可以看到變形量最大值為2.370e-3mm。通過對直桿的有限元分析可以得到本設(shè)計中的直桿結(jié)構(gòu)滿足實際使用的要求。
應(yīng)力分布圖
整形變量分布圖
3.5差速運(yùn)動自動導(dǎo)引車的設(shè)計參數(shù)
牽引方式：潛伏牽引式
導(dǎo)引方式：磁導(dǎo)航
行走方向：前進(jìn)行走
驅(qū)動方式：雙電機(jī)驅(qū)動
前進(jìn)速度：最大速度35m/min
負(fù)載能力：1000KG
最小轉(zhuǎn)彎半徑：700mm
直線導(dǎo)引精度：±10mm
停止精度：±10mm
驅(qū)動電機(jī)型號：DC無刷電機(jī)?功率200W
控制方式：PLC控制
蓄電池：DC24V，75AH?（2組）
- AGV小車的額定載重量
自動導(dǎo)引車牽引的最大貨物重量。我們?nèi)粘Ｊ褂玫拇蟛糠肿詣訉?dǎo)引車的載重范圍在50KG-1000KG，其中以中小型噸位居多，本設(shè)計中的自動導(dǎo)引車用于物流園區(qū)的貨物輸送，倉儲流通等實際需要的功能，因此載重的貨物不會很輕，這里我們?nèi)?000KG作為本設(shè)計的額定載重量。
2.物流貨車的分類
物流貨車可以分為網(wǎng)絡(luò)狀物流貨車，雙面型物流貨車，鋼板型物流貨車三大類，其中網(wǎng)絡(luò)狀物流貨車自身重量相對其他兩種物流貨車要輕得多，且機(jī)動性高，因此在物流行業(yè)中應(yīng)用的最為廣泛。市場上常見的網(wǎng)絡(luò)狀物流貨車的規(guī)格（H×W×L）為1700×900×750（mm），最大承載重量為500KG。該貨車的底部還安裝有兩個定向輪和兩個萬向輪，且兩個萬向輪帶腳剎，方便貨車定位。四個底腳輪均采用6寸聚氨酯橡膠輪，離地高度195mm。為了方便自動導(dǎo)引車自動牽引物流貨車，我們這里設(shè)計貨車的時候?qū)⑵錂C(jī)架加高100mm，也就是貨車的機(jī)架的最低面離地高度295mm。
潛伏式自動導(dǎo)引車的三維圖如下圖：
3.6自動導(dǎo)引車車體框架的設(shè)計
3.6.1 AGV小車的車體尺寸的設(shè)計
自動導(dǎo)引車的車體尺寸是指車體的最大的長寬高的外形尺寸，該尺寸與所承載的貨物的尺寸和物流園區(qū)的物流輸送通道寬度有關(guān)。由于自動導(dǎo)引車有時需要轉(zhuǎn)向或道路分叉等情況，所以我們還需要考慮到自動導(dǎo)引車的最小轉(zhuǎn)彎半徑，其概念是指自動導(dǎo)引車在空載低速行走的過程中，以最大的偏轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)向，小車瞬時轉(zhuǎn)向中心與縱向中心線的距離，它是確定自動導(dǎo)引車轉(zhuǎn)彎半徑所需最大空間的重要參數(shù)。也是車體尺寸設(shè)計時的重要考慮因素。
（1）自動導(dǎo)引車高度的設(shè)計
已知貨車的機(jī)架的最低面離地高度為295mm，再考慮到升降牽引裝置中的升降桿升降高度范圍在0~50mm，且升降桿升起后與物流貨車連為一起，并超過了貨車機(jī)架的最低面，因此自動導(dǎo)引車的總高度必須不能高于345mm。我們這里設(shè)計自動導(dǎo)引車的總高度為327mm。
（2）自動導(dǎo)引車寬度的設(shè)計
已知貨車的機(jī)架寬度為900mm，由于貨車機(jī)架的底部安裝有四個地腳輪，且尺寸為6寸大小，地腳輪直徑25.4×6=150mm。物流貨車在運(yùn)輸過程中四個地腳輪有時直行有時轉(zhuǎn)彎，所以我們在設(shè)計自動導(dǎo)引車寬度的時候就需要考慮到地腳輪運(yùn)動的活動范圍，單個地腳輪的活動范圍為150mm，且貨車底部前后左右各安裝有一個地腳輪，因此貨車底部的實際內(nèi)空只有600mm（地腳輪沿著貨車的四個邊角安裝），且需要保證自動導(dǎo)引車能夠自由的進(jìn)出到物流貨車的底部，因此我們這里設(shè)計自動導(dǎo)引車的總寬度為520mm。
（3）自動導(dǎo)引車長度的設(shè)計
已知貨車的機(jī)架長度為900mm，，根據(jù)自動導(dǎo)引車功能的設(shè)計布局，我們需要在車體的前端安裝防護(hù)裝置，即防障礙傳感器，同時在車體的尾部則放置有兩塊蓄電池模塊，用于給自動導(dǎo)引車提供運(yùn)動的動力電源。自動導(dǎo)引車的人機(jī)界面、無線通訊模塊、啟動按鈕、急停按鈕等控制元器件部分也安裝在車體的正前端，從人機(jī)工程學(xué)的角度考慮，我們需要將牽引車的長度加長，并超過機(jī)架的長度9000mm，這里我們再考慮到牽引車驅(qū)動模塊、PLC控制單元的安裝等部件的尺寸大小，我們我們這里設(shè)計自動導(dǎo)引車的總長度為1235mm。
依據(jù)上面的分析和計算我們可以得到要使自動牽引車能夠滿足制造加工車間和大型物流倉庫運(yùn)輸臺車的實際需要，將整個潛伏式自動牽引車的外形尺寸設(shè)計為L1235×W520×H327（mm）(長×寬×高)。
3.6.2主框架的設(shè)計
本篇論文中的車體主框架包括，車身本體，電箱固定板、驅(qū)動單元固定板、電池倉、后腳輪安裝板、前腳輪安裝板、防撞觸邊安裝板、前焊接板、后焊接板，以上這些部件通過安裝在固定在機(jī)器人焊接工作站上的焊接夾具焊接固定到一起，焊接夾具可以很好保證車體主框架的結(jié)構(gòu)的焊接精度和焊接強(qiáng)度，且這些零件都是采用的厚度為5mm的45鋼板，整體焊接的結(jié)構(gòu)保證了自動牽引車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
車身本體的正中間開有一個圓形小洞，該小孔用去安裝整個升降牽引機(jī)構(gòu)，自動牽引車中的喇叭安裝在電箱固定板中的圓孔內(nèi)，型號為艾智威AWS-24AF，而電箱固定板的左側(cè)安放有控制電箱，整個牽引車的驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝在車體中下位置的驅(qū)動單元固定板上，兩個DC24V，75AH蓄電池安裝固定在電池倉的內(nèi)部，前腳輪安裝板安裝兩個萬向輪，同樣再后腳輪安裝板上安裝兩個定向輪，在整個車體框架的前端的上部安裝有控制面板組件等模塊，底部則安裝有自動感應(yīng)撞擊的防撞條。
主框架尺寸外形圖
3.6.3副框架的設(shè)計
車體副框架主要由驅(qū)動機(jī)構(gòu)，萬向輪、蓄電池和PBS防撞傳感器組成。
（1）萬向輪的設(shè)計選型
材質(zhì)： 輪面聚氨脂
輪子直徑：75MM
輪寬：38MM
安裝高度：111MM
底板尺寸：101*82MM
板厚：5MM厚度
中心孔距：76*56MM
安裝孔徑：最大可穿M10螺絲
（2）蓄電池的設(shè)計選型
蓄電池的型號為DC24V ?75AH，品牌為霍克，蓄電池的外形尺寸為L329×W172×H221（mm）(長×寬×高)，兩個DC24V，75AH蓄電池安裝固定在電池倉的內(nèi)部。
（3） 障礙物傳感器的設(shè)計選型
防撞傳感器選用的是PBS防撞傳感器，型號為PBS-03JN-CE，通過專用軟件向計算機(jī)內(nèi)部導(dǎo)入數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)決定了防撞傳感器的整個檢測范圍。障礙物傳感器參數(shù)如下表：
| 供電電壓 | 24VDC（18-30VDC） |
| 供電電流 | <250mA (<100mA, 照明關(guān)閉），除I/O端子電流和沖流（500mA） |
| 激光光源 | 紅外線LED |
| 監(jiān)測對象和范圍 | 300×300mm白紙（與傳感器發(fā)射表面平行）；
0.2 to 3m×2m（原點是掃描中心位置），掃描角度180° |
| 2種掃描模式 | 每個區(qū)域可單獨(dú)設(shè)置輸出 |
| 輸出 | 光電耦合/NPN開集電極輸出（30VDC <50mA）；1,2,3：OFF=探測到物體；故障輸出：ON=正常工作 |
| 輸入（1-4） | 光電耦合輸入（共陽極，每個輸入電流>4mA），可用于設(shè)置監(jiān)測區(qū)域 |
| 監(jiān)測區(qū)域設(shè)置 | 監(jiān)測區(qū)域轉(zhuǎn)換：：通過[輸入1, 2, 3, 4]來設(shè)定區(qū)域； |
| 發(fā)射停止： | [輸入1, 2, 3, 4]同時為ON； |
| 輸出響應(yīng)時間 | <180msec (掃描速度 1 rev./100m sec)； |
| 輸入響應(yīng)時間 | 周期：1個掃描時間（100msec） |
| 指示燈 | 電源（綠）：故障時閃爍；輸出1,2,3（黃）：燈亮表示監(jiān)測到物體 |
| 連接線長 | 1m |
| 環(huán)境照明 | 鹵素/汞燈：<10,000lx, 日光燈：<6,000lx |
| 環(huán)境溫濕度 | -10 to +50 degrees C, < 85%RH（無凝露） |
| 振動 | 雙振幅1.5mm 10 to 55Hz, 每軸2個小時 |
| 沖擊 | 490m/s2, 10次, ?X, Y, Z方向 |
| 防護(hù)等級 | IP64(IEC 標(biāo)準(zhǔn)) |
| 壽命 | 5 years（電動機(jī)壽命） |
| 材料 | 前面： Polycarbonate, 后面：ABS |
| 重量 | 約500g |
3.7車體框架結(jié)構(gòu)的焊接工藝
3.7.1制定車體框架焊接工藝
本設(shè)計中的自動導(dǎo)引車車體框架結(jié)構(gòu)采用自動牽引車焊接工作站的方式焊接，采用工裝夾具定位車體框架的各個零件，工件夾具為自動焊接夾具，采用氣動控制，部分特殊位置采用手動夾鉗，整體夾緊和拆卸快捷方便，氣動夾緊為手動配合夾緊保證工件裝夾時間小于工件的焊接時間。焊接工裝夾具安裝于焊接工作臺上，夾具定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)保持一致，保證焊接零件滿足圖紙要求，并且夾具底板采用模塊化設(shè)計；工裝夾具安裝在整塊底板上，按照要求設(shè)計的夾具采用反變形等手段消除焊接可能產(chǎn)生的變形，保證焊接零件滿足圖紙要求，并且工作臺和夾具部件具有足夠的剛度和強(qiáng)度，夾具部件中的焊接件應(yīng)時效處理消除內(nèi)應(yīng)力。
焊接夾具固定在工作站的焊接臺上，通過螺栓固定。夾具結(jié)構(gòu)主框架采用方管、基板、定位銷（塊）、支撐塊、支架鋼結(jié)構(gòu)焊接?？蚣懿牧蠟椴垆摚兔娌牧蠟?5#，零件支撐塊為金屬支撐塊，材料45# 經(jīng)熱處理表面硬度HRC38-42°，定位銷（塊）采用T8或40Cr硬度HRC58-62，鋼套材料采用45#，夾具精度要求0.5mm以內(nèi)。
整個夾具裝在固定板上，固定板裝在變位機(jī)上，并且整個夾具隨固定板在變位機(jī)上轉(zhuǎn)動，確保每條焊縫都能焊到，并且保證焊接強(qiáng)度和焊接精度，焊縫成型良好，外形美觀，沒有燒穿、未焊透、咬邊、氣孔和裂紋等缺陷。
工作站布局圖如下：
3.8磁條的設(shè)置要求
在物流倉庫或是制造加工車間內(nèi)，只要是自動牽引車行走的區(qū)域，必須要保證運(yùn)動的路線道路寬度為1米，并且我們在現(xiàn)場安裝磁條的時候，應(yīng)該讓磁條和設(shè)定路線保持一致。請按照以下順序進(jìn)行設(shè)置。
第一步，根據(jù)上位程序調(diào)度系統(tǒng)確定自動牽引車的行進(jìn)路線。并且在行進(jìn)路線的周圍事先設(shè)置有小車左右偏移的設(shè)計余量。
第二步，一定要保證行走路線上的地面沒有特別的凹凸不平的地方，一旦發(fā)現(xiàn)存在不平的情況，需要及時更改路線或者對地面做進(jìn)一步的處理。
特別強(qiáng)調(diào)：凹凸不平的位置尺寸與地面的絕對位置差不可以超過10毫米。
第三步，必須確保牽引車行進(jìn)路線的整體道路坡度不可以超過2°。
特別強(qiáng)調(diào)：設(shè)計自動牽引車車體框架結(jié)構(gòu)時爬坡角度不可以超過2°。
第四步，保證小車的行進(jìn)道路上沒有大的砂石或其他不干凈的化學(xué)成分，并定期對行進(jìn)道路進(jìn)行清掃。
第五步，在行進(jìn)道路上需要做換向的地方，即轉(zhuǎn)彎的地方安裝磁條的時候盡可量的將轉(zhuǎn)彎半徑調(diào)大，這樣方便小車在轉(zhuǎn)彎時整個車體的擺動。
最后一步，我們在安裝磁條的時候，需要將磁條底部和地面貼緊，保證不讓空氣進(jìn)入，特別是轉(zhuǎn)彎的地方，安裝時需要一邊拉一邊貼，但同時需要注意不能讓磁條變形，斷裂。
4 差速運(yùn)動控制的程序設(shè)計
4.1差速運(yùn)動控制概述
自動牽引車的行進(jìn)線路圖包括行進(jìn)線路，啟停位置和轉(zhuǎn)彎位置，自動導(dǎo)航傳感器和磁條，磁釘一起組成導(dǎo)航系統(tǒng)，自動牽引車在上位程序的調(diào)度下按照事先規(guī)定好的路線進(jìn)行運(yùn)輸貨物的工作，包括啟停，轉(zhuǎn)彎或者是其他的動作。
依據(jù)不同的使用方法，自動導(dǎo)航系統(tǒng)又可以分為兩大類：地標(biāo)傳感器和磁導(dǎo)航傳感器。多點位的地標(biāo)傳感器和多點位的磁導(dǎo)航傳感器相互關(guān)聯(lián)，形成一個完整的自動導(dǎo)航傳導(dǎo)系統(tǒng)。
自動導(dǎo)航傳感器就安裝在自動牽引車車體框架的最下端，同樣也在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的正前端，在自動導(dǎo)航傳感器的兩邊還安裝有兩個磁釘。當(dāng)自動牽引車在磁條上方行走時，此時自動導(dǎo)航傳感器同樣也應(yīng)該在磁條的正上方。如果在行進(jìn)的過程中發(fā)生位置偏移，即自動導(dǎo)航傳感器檢測到磁條不是正好在下面，自動牽引車就是自動通過差速控制讓車體向左邊偏離或是向右邊偏離，一直到自動導(dǎo)航傳感器重新回到磁條的正上方。磁釘主要是用來檢測一些啟停的具體工位和轉(zhuǎn)彎的位置。自動導(dǎo)航傳感器和兩邊的磁釘安裝位置如圖所示：
磁條的周圍布滿了磁場，并且離磁場越近的地方磁場強(qiáng)度也越大。通常情況下，自動導(dǎo)航傳感器正中央的檢測點檢測到的磁場強(qiáng)度最大，越往邊上磁場強(qiáng)度檢測的越弱，且最邊上的檢測點檢測到的磁場強(qiáng)度最低。通過磁條發(fā)出的磁場分布情況，我們就可以檢測出車體相對于地面上磁條的位置，根據(jù)這一信息，自動牽引車的差速控制系統(tǒng)就可以判斷小車行走的路線是否正確，是否已經(jīng)偏移指定位置。
4.2磁導(dǎo)航傳感器設(shè)計選型
磁導(dǎo)航傳感器選型：地標(biāo)傳感器MA02和磁導(dǎo)航傳感器MA16
MA02和MA16帶NPN數(shù)字量輸出和RS485串口輸出
自動導(dǎo)航傳感器MA16主要是起到行進(jìn)路線識別的作用，而磁釘則用于檢測一些其它特殊位置，比如啟停位置，轉(zhuǎn)彎位置，分叉位置等等。
上面有喲中常規(guī)的自動牽引車行進(jìn)線路的布局圖。其中黑色線條就是行進(jìn)路線上的磁條，依據(jù)這些磁條小車就確定了行進(jìn)的路線。圖上有藍(lán)色小方塊是帶有N 極的磁條，它作為分叉位置的指示站點，當(dāng)自動牽引車行走到該位置時，此時需要上位程序調(diào)度給指令確定是否需要轉(zhuǎn)彎，確定行走的路線方向；圖中有綠色小方塊是帶有 S 極的磁條，它作為轉(zhuǎn)彎位置的指示站點，當(dāng)自動牽引車行走到該位置時，，告知其的行進(jìn)路線需要進(jìn)入彎道并且告知轉(zhuǎn)彎的方向。
圖中黑色交叉的位置為行進(jìn)路線上的啟停位置，當(dāng)自動導(dǎo)航傳感器有開關(guān)量信號時，運(yùn)輸位置自動加一，通常運(yùn)動情況下自動導(dǎo)航傳感器的開關(guān)量反饋為2個，啟停位置為5個。
4.3差速運(yùn)動控制的方式
所謂差速運(yùn)動控制，就是自動牽引車的驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的兩個行走輪分別以不一樣的速度轉(zhuǎn)動，因為速度的差異使得牽引車行走的方向得以調(diào)整。
本設(shè)計中自動牽引車行走輪轉(zhuǎn)速控制考慮使用以下兩種方案相結(jié)合的方式來控制：
1、采用PID控制，根據(jù)自動牽引車在磁帶運(yùn)動的正中央為PID的給定輸出值，以自動導(dǎo)航傳感器實際檢測到的具體數(shù)據(jù)為PID的輸入值，從而控制兩個行走輪的不同運(yùn)動轉(zhuǎn)速。
2、以磁導(dǎo)航傳感器反饋的數(shù)據(jù)分不同情況設(shè)置兩個驅(qū)動輪的速度，根據(jù)不同情況驅(qū)動輪以不同的速度運(yùn)行。
4.4差速運(yùn)動控制的實現(xiàn)及PLC程序設(shè)計
1、實現(xiàn)自動導(dǎo)引車能繞著圓圈做循環(huán)運(yùn)行，測試差速控制方式、用西門子PLC-200符合控制要求（程序的大小、程序的掃描周期）
2、實現(xiàn)自動導(dǎo)引車?yán)@著圓圈做循環(huán)運(yùn)行，在固定位置停止，測量停止精度和方向精度
3、實現(xiàn)自動導(dǎo)引車在交叉口做轉(zhuǎn)彎測試（交叉口為兩個分叉口）
5總結(jié)與展望
5.1全文總結(jié)
最早出現(xiàn)的移動自動牽引車應(yīng)當(dāng)是潛伏式自動牽引車。隨著各個行業(yè)對移動自動牽引車質(zhì)量要求的不斷提高，潛伏式自動牽引車也得到了快速的發(fā)展與運(yùn)用。
潛伏式自動牽引車以輪式移動為基礎(chǔ)，相對其它非輪式的移動自動牽引車具有運(yùn)動速度快、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作容易等優(yōu)勢。與其他移動自動牽引車相比，潛伏式自動牽引車最大的優(yōu)點便是操作簡單，其行走區(qū)域不需要假設(shè)軌道、支座架等固定裝置，電路控制方便簡單，且不易損壞。因此，潛伏式自動牽引車大多數(shù)在較好的環(huán)境下使用，如今在自動化物流系統(tǒng)中被廣泛使用，利用其快捷性和高效性，實現(xiàn)高物流倉庫高效、經(jīng)濟(jì)、便捷的無人化管理。
潛伏式自動牽引車，其基本工作原理為電動機(jī)帶動輪子轉(zhuǎn)動，輪子再將動力傳遞給整個潛伏式自動牽引車達(dá)到讓其自由行走的目的。再通過其他輔助功能，如地面控制系統(tǒng)，車載控制系統(tǒng)，導(dǎo)航引導(dǎo)方式等綜合起來形成完整的結(jié)構(gòu)體系。隨著對潛伏式自動牽引車的深入研究分析，潛伏式自動牽引車的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大,如今也廣泛運(yùn)用于工業(yè)、軍事、交通運(yùn)輸、電子等領(lǐng)域,，同樣具有很強(qiáng)的抗干擾能力和目標(biāo)識別能力。
