大跨度举升重载AGV结构研究与设计

0引言

重载物流设备按照功能分为存储与搬运两大类,存储设备主要是行车(又称天车、桥式起重机)或巷道堆垛机(双立柱或四立柱堆垛机),搬运设备通常包括重载叉车、重载AGV、重载RGV(Rail Guided Vehicle,有轨制导车辆)、大型输送机(用于重量大的托盘货物单元)^[1]。近年来,随着工厂物料自动化搬运产业快速发展,重载AGV作为一种具有自动导航功能,能够按照设定的路线行驶,实现物料的运输,并带有安全保护装置的自动运输车^[2],得到了快速推广和应用。重载AGV以其灵活性、安全性及作业效率高等优势,很好地解决了搬运超大超重物品存在的需要人力多、劳动强度大、作业效率低、安全风险高等困难^[3]。

本文以一种负载8t的大跨度举升搬运重载AGV为例,从结构布局、驱动机构、举升机构、防护机构等方面进行分析,探索一种大跨度举升重载AGV的设计思路。

AGV背负物料图如图1所示。

1 总体方案设计

AGV运输的物料其尺寸为长9150mm,宽4050mm,底部横梁宽1 250 mm,高1 350 mm,重8 000kg。AGV能将该物料在车间库位举升托起后,侧移至运输路线上,运输至组装工位后,举升机构下降,AGV退出组装工位。为满足使用要求,AGV结构需达到表1所示要求。

AGV结构主要包括车体、轮系机构、举升机构、安全防护等。其中,车体作为AGV的承载主体,为实现客户物料的转运,需在有限的尺寸内布局轮系、举升机构、安全防护等,同时需要满足强度要求;轮系结构主要包含驱动轮和辅助轮,驱动轮的承载能力一般较弱,主要为AGV提供前进、后退、侧移等动作的动力,辅助轮能够分担AGV加上负载车架的重量;举升机构在转运过程中能将车架在库位举升至一定高度,脱离支撑点并到达目标位置后,将物料放下,并不影响AGV的运行干涉;安全防护主要负责AGV运行过程中的避让及触碰停车,达到安全行驶的目的。AGV整体结构图如图2所示。

2轮系布局及舵轮结构选型

根据负载重量及尺寸要求,AGV采用双舵轮前后布置,外加四辅助轮的结构方式。AGV轮系布局如图3所示。

2.1 舵轮整体结构布局

舵轮是一种集驱动电机、转向电机、减速器等为一体的机械结构,其轮内含有两个功能不同的电机,一个为牵引电机,驱动车轮前进或后退;另一个为航向电机,用于驱动车轮以纵轴为原点做旋转运动,控制整个车轮行进时的运动方向,实现车体在不旋转车身的情况下全方位式移动^[4]。

在实际应用中,一种结构是直接使用舵轮作为承载轮,同时也作为驱动轮,受限于舵轮的负载能力,此种应用多在载重较轻的AGV结构上使用;另一种结构为舵轮主要作为驱动轮,同时辅助万向轮作为负载轮来使用。考虑本次车体负载较大,采用第二种结构—双舵轮加四辅助轮结构。舵轮结构如图4所示。

舵轮作为驱动轮,驱动AGV运动,必须有足够的对地压力,在运行过程中要产生足够的摩擦力才可以,在辅助轮着地的情况下,需要对舵轮通过弹簧进行减震处理,保证舵轮一直保持对地压力。

2.2 舵轮选型

AGV在运行过程中,主要的阻力分为AGV自身重量产生的阻力Fr、背负的负载产生的阻力Fa、在坡道行驶产生的坡度阻力Fb以及起步时产生的加速阻力Fc。

式中:m1为车身自重;m2为负载重量;g为重力加速度;f1为脚轮与地面的摩擦系数;α为爬坡角度;V为最大速度;t为加速时间。

式中:F1为正常运行总阻力;F2为70%负载爬坡总阻力;F3为平地起步总阻力。

取安全系数为1.2,因采用双舵轮,则舵轮的驱动力Fn需满足:舵轮的驱动力Fn1>0.6F1;舵轮的过载驱动力Fn2>0.6F2。

车体参数如表2所示。

舵轮参数如表3所示。

2.3 舵轮减震力计算

为满足AGV在空载及负载工况下正常运行,防止运行过程中舵轮打滑,舵轮的对地压力产生的摩擦力需要达到以下要求:在空载工况下,车体重量可以将弹簧压缩至辅助轮与地面接触;在负载工况下,满足舵轮带动AGV运行产生的摩擦力。

单个AGV采用4个弹簧提供减震,需满足:

式中:Ft为单个减震弹簧在压缩至与地面接触时的压力;f2为舵轮与地面摩擦系数,取0.3。

换算得Ft>3029 N,取Ft=3050 N,同时校核车体重量m1g>8Ft,满足使用要求。

3举升机构设计

目前,举升机构常见的结构类型有剪叉式、链条式、蜗轮丝杠式及索驱动式等,该AGV采用电机减速机带动蜗轮丝杠的形式。蜗轮蜗杆是一种特殊的齿轮组合,其中蜗杆驱动蜗轮旋转。这种配置不仅能够提供较高的减速比,还具有自我锁定功能,即当蜗杆试图反向驱动时,系统会自然地阻止这种运动。举升机构如图5所示。

举升力(F)为举升机构能够负载的最大力。这个力受到以下因素影响:电机功率(P)、电机转速(n)、减速机减速比(i1)、减速机效率(η1)、蜗轮蜗杆减速比(i2)、蜗轮蜗杆效率(η2)、丝杠导程(p)。

电机扭矩T1:

T1=9549P/n(9)

举升力F:

升降速度(V)通常表示为每分钟举升机移动的距离。这个速度受到以下因素影响:电机转速(n)、减速机减速比(i1)、蜗轮蜗杆减速比(i2)、丝杠导程(p)。

升降速度V:

举升机构参数如表4所示。

4 安全防护

安全防护避障主要包括非接触式和接触式两种。非接触式防撞是移动机器人通过非接触式传感器探测障碍物与本体的距离,根据距离调节速度,并实现停止保护,达到防撞的目的。接触式防撞是通过接触式传感器感知障碍物I这种方式是没有预见性的I直到接触到障碍物才会触发保护机制I不如非接触式防撞安全I但不可或缺I这是保护的最后一道防线I不会被环境等因素干扰I当非接触式传感器失灵时I它会保证移动机器人不发生更严重的破坏^[5]。

该AGV非接触式避障采用激光避障I通过在一个平面上发射270O激光束并接收从物体表面反射回来的激光来测量距离I根据物料尺寸I最大检测距离达10 m;接触式避障采用安全触边的形式I安全触边是一种装备有感应装置的弹性防护条I通常安装于移动机器人的边缘位置。一旦遇到障碍物I首先会接触到这一弹性防护条I后者因受力变形I不仅为障碍物及机器人本身提供了缓冲保护I同时也会挤压内部的传感器I通过压力感应器或接触开关的形式发出触发信号I促使移动机器人进入避障模式。通过在 AGV周边360O安装安全触边I形成最后一道防护。

避障安装如图1、图2及图6所示。

5结论

本文通过对负载8 t的大跨度举升搬运重载AGV的结构分析I从以下几个方面为重载AGV的设计提供了思路:

1)从轮系布局结构、驱动负载能力、AGV弹簧减震力等方面进行分析I提供了一种前后布置双舵轮加四辅助轮的AGV底部结构设计I以实现AGV的前进、后退、侧移全向动作。

2)采用接触式避障和非接触式避障结合的方式I实现AGV安全行驶的双重防护I同时满足360°无死角避障能力。

3)采用电机、减速机及蜗轮丝杠组合的举升机构I并布置四导向杆I以满足物料的稳定举升;同时通过独立的前后双举升机构I突破了对于不规则长跨度物料的搬运限制。

[参考文献]

[1]江宏.重载物流系统关键技术与市场发展概述[J].物流技术与应用I2023I28(2):100—103.

[2]蒋小龙.AGV差速驱动单元的减震结构设计[J].机械工程与自动化I2017(1):142—143.

[3]卢玉峰.重载AGV市场与技术发展概述[J].物流技术与应用I2023I28(2):110—113.

[4]樊建强I王亦敏I李凯丽I等.全向式舵轮移动平台控制系统设计[J].农业技术与装备I2023(11):31—33.

[5]侯霄.移动机器人安全防撞技术探讨[J].科技风I2018(35):91.

《机电信息》2025年第13期第9篇