物流园区AGV车体框架结构设计.docx

摘要随着我国改革开放的不断开展，我国经济建设和技术应用都得到了高速稳定的发展，自动牵引车已成为制造加工和物流行业必不可少的关键设备，自动牵引车可以分为潜伏式牵引车和叉车式牵引车两种，叉车式牵引车通常情况下是通过车体尾部的货叉来实现牵引货物的，所以其工作时需要占用大量的空间，而潜伏式牵引车恰恰克服了这一技术难题，直接潜入到货物底部来牵引货物，能够更加方便快捷的完成各项任务。潜伏式牵引车相比叉车式牵引车底盘更低，体积更小，更加便于实现现场的使用和货物运输。本篇论文中提出了一种结构巧妙、机动性好、稳定性能高的潜伏式牵引车设计方案，本方案对自动牵引车技术进行深入分析研究，对小车的运动过程整体性能及车体框架结构进行设计，对运动性能进行改进，合理布置其主框架和副框架，潜伏式牵引车作为一种新型的自动牵引车，对此进一步的研究也是不能忽视的。关键词：自动导引车，运动性能，运动系统AbstractWith the continuous development of Chinas reform and opening up, Chinas 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 system1 绪论1.1引言随着我国改革开放的不断开展，我国经济建设和技术应用都得到了高速稳定的发展，自动牵引车应用的地方变得越来越多，从单一的生产制造业发展到各行各业，甚至延伸到排爆等危险的具体工作。现在国内外都开始了对自动牵引车的系统研发和设计，而自动牵引车选择何种取货方式是其设计时最重要的考虑点之一。随着自动牵引车行业技术的发展，叉车式自动牵引车由于其结构和操作过于复杂，且应用时通常需要很大的场地，因此并没有得到广泛的使用。而目前市场上的自动牵引车主流仍是叉车式自动牵引车，我们常见的叉车式自动牵引车多像自动叉车的结构形式，该叉车式自动牵引车移动结构简单，适用于平坦的地面，行走过程稳定，但是同样存在着许多缺陷，最大的问题是叉车式自动牵引车对行走地面要求比较高，在有坡度或者是凹凸不平的道路上行走时极容易打滑；且移动转向的时候需要整个叉车牵引车本体转动，转弯半径较大，占用的行走空间较多。我们都知道驱动单元是自动牵引车中极为重要的一个构件，因此在整体设计的时候应该考虑驱动结构的适用性，稳定性和可靠性。为了让潜伏式自动牵引车的各项性能满足其使用要求，我们需要从以下方面要求入手考虑：机动性能好，转弯半径小，牵引能力强，与地面附着力大，稳定可靠性高。本设计中我们选用潜伏式结构作为自动牵引车的总体结构，其既具备叉车式自动牵引车行走结构简单的优点，又具备叉车牵引车移动过程动作稳定、操作简单的优点；潜伏式自动牵引车能够适用于各种环境下的工作，因此对其进一步的研究是不能忽视的。1.2自动导引车的发展概况欧美等国家在自动牵引车的技术研究方面一直处于世界的前端，他们单独设立有专门的自动牵引车技术研究小组，且都在努力将自动牵引车的技术推广到各行各业当中。目前美国的自动牵引车的研发已经取得了突破性的进展，他们成功将该自动牵引车应用到一些危险的环境中实际作业，还有部分自动牵引车甚至开始在战争中崭露头角，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公司在美国的自动牵引车研究领域处于领先地位，其研发的单兵便携式遥控地面武器机动平台Packhot被美国军方视为轻型无人侦查、战术用机动平台的模板。Packbot为潜伏式自动牵引车，长0.87m，宽0.51m，高0.18m，自重18kg，最大运行速度14km/h，充电一次可以行驶10km，无线遥控移动，具有自主移动能力，设置有5个载荷设施接口，可任意搭载机械手、小型武器或其他装备，主要用于侦察地形、战术实施，如反地道、近距离干扰等。Packbot安装有辅助转臂，所以翻越障碍的能力极强，可以爬60坡度的楼梯，有多种越障方式，能越过比自身高度大许多的障碍物，可以从任何颠覆状态恢复到正常行驶状态。辅助转臂可以拆卸，方便携带使用。Packbot平台结构稳固，抗冲击能力极强，可经受400G的冲击，从2m高度摔下来也不会损坏，可从窗户或者低空直升机直接抛出。目前国内对移动自动牵引车的技术研究仍然处于初始阶段，对移动自动牵引车的定位传感器、位置导航、运动控制以及主体结构设计等关键层面的研究还远远落后于其他欧美国家。不过现在许多国内研究机构也开始努力开展对移动自动牵引车的研究工作，从最基础的主体机械结构设计及运动控制入手。由于移动自动牵引车在机动性、越障方式等方面与其他自动牵引车有很大不同，因此国内在移动自动牵引车技术研发这条路上还有很长的路程要走。1.3有限元分析的介绍有限元分析是运用电子计算机进行数值模拟的方式，现如今在工程技术领域中的应用十分多，有限元计算答案已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。现在，有限元分析大量应用于解决航空、工业、航天、电子、土木、船舶、能源、化工、核工业、生物、医学及交通运输等众多领域的具体工程问题，尤其是随着计算机技术突飞猛进的高速发展，有限单元法在解决具体问题的规模、区间方面也已经发生了巨大的变革。有限元分析技术可以实现：（1）找到产品潜在的问题以及先天的缺陷，为我们创造更加品质优异的产品。（2）对风险进行评估与预测，提高产品和加工生产的可靠性，降低存在的风险。（3）通过进行对比计算分析，运用改进后的设计方案，降低产品生产加工成本。（4）缩短产品投向市场的时间。（5）降低物理试验次数，对大量实际情况进行快速而有效的模拟实验分析。有限元分析是R.Courant于1943年首先提出的。从提出有限元分析的概念以来，有限元理论及其特殊的应用得到了高速发展。以往不能解决或能解决但解决精度不高的情况，都得到了更好的解决方法。传统的FEM假设：分析域是无限；材质是同样的，甚至在绝大部分的分析中认为材质是各向同性的；对边界环境简化处理。但实际情况往往是分析区域有限、材质各向异性及边界环境难以确定等因素。为了解决这些问题，美国学者发现用CFEM(Gener-alized Finite Element Method)解决分析区域内含有大量孔洞特性的情况；比利时学者也在之间提出了用HSM解决实际开裂情况。FEM在国内的应用也十分广。自从我国成功研制了国内第一个通用有限元分析程序系统JIGFEX后，有限元分析涵盖到工程分析的各个领域中，从我国大型的三峡工程到微米级的器件都运用了FEM进行分析，在我国高速经济发展中拥有很大的发展空间。现在我们在进行大型复杂工程结构中物理场分析时，为了控制并估计偏差，常用后验偏差估计的自适应有限元分析。而基于后处理法的计算偏差，与我们常常使用的传统算法不同，它完美的将网格自适应过程分成均匀化和变密度化两个迭代过程。而均匀化迭代过程中，运用均匀网格尺寸对整体分析区域进行网格划分，便得到一个合适的起始均匀分析网格；而在变密度化迭代过程中只进行网格细化的操作，而且充分运用上一次迭代的答案，在单元所在的曲边三角形区域内部进行局部网格细化工作，保证了全局分析网格尺寸分布的合理性，这样不同尺寸的网格就能够光滑衔接，从而提高网格的整体质量。上述整个方案简单可行，稳定可靠，数次迭代即可快速收敛，生成的网格布局合理，质量水平高。1.4课题研究意义及目的从目前全球市场需求布局来看，欧、美地区成为功能全、结构简洁、质量好、性能稳定的移动自动牵引车的主要销售市场；中东、非洲地区主要选择老款式、简单实用价格便宜的移动自动牵引车；还有以俄罗斯为代表的高寒国家则更喜欢能耐寒，机械结构牢固的移动自动牵引车以适应当地的地理气候条件；日韩则主要关注产品的品质与安全；目前国内的移动自动牵引车整体研究状况还是比较良好，已由原来单一的移动功能，不注重外观，逐渐演变成为实际使用中的艺术品，以外观精美结构巧妙，操作方便，质量安全稳定等特点成为新的发展方向。为进一步适应各行各业的发展，现如今市场上还出现了移动服务自动牵引车。2自动导引车（AGV）简介2.1 AGV工作原理现有市场上常见的自动牵引车基本上都是叉车式自动牵引车，其基本工作方式为电动机带动轮子转动，轮子再将动力传递给整个叉车式自动牵引车达到让其自由行走的目的。叉车式自动牵引车主要有以下几个方面的缺点：对行走地面要求比较高，在有坡度或者是凹凸不平的道路上行走时极容易打滑；且移动转向的时候需要整个自动牵引车本体转动，转弯半径较大，占用的行走空间较多；而本设计中的潜伏式自动导引车的工作原理是根据工作要求设置其行走路线，依据其行走轨迹对其进行编程，由数字编码器检测、判断电压信号是否与预先编程的轨迹的位置存在偏差，控制器根据检测出来的位置偏差，通过调节电动机的转速对偏差进行纠正，从而实现，自动导引车沿预先编程的轨迹行走。电池为自动导引车的动力来源。这两种自动牵引车的工作原理截然不同，两者结构不同、实现方式不同，使用方法也不相同。本篇论文中的潜伏式自动牵引车设计运用了巧妙的机械传动结构，利用电动机作为自动牵引车行走的源动力，再通过稳定的减速器和链传动将电动机的动力传递给整个车体，使得自动牵引车可以实现自由的行走，整个运动过程更加平稳。我们在现有的潜伏式自动牵引车的理论基础上改良结构和运动方式，机械结构更加优化，综合材质的选择、结构的简化，让使用者更加方便稳定的使用该移动自动牵引车，这是本篇论文潜伏式自动牵引车的设计初衷。2.2 AGV的分类潜伏式AGV系列双向潜伏式AGV小车该车的驱动方式是四轮驱动，可以双向运动潜伏到货车下面，通过升降牵引装置与货车衔接，选择站点停靠，可实现AGV按照两个或者多个站点停靠，完成来回往返的搬运工作。超低双向潜伏式AGVAGV的特点是非常低，只有168MM的高度，同时具有双向牵引功能，潜入车底，用提升杆牵引货物，选择多个地址块，可以方便地来回自动搬运货物。 该模型广泛应用于生产车间。小型潜伏式AGV牵引潜伏式AGV的特点：外形小巧，结构紧凑，搬运灵活。可潜伏在料车底部，升降牵引装置的升降杆，可以自动和料车进行衔接，实现自动挂扣和脱扣，也可以直接牵引料车。该小车被大量使用在加工制造车间和大型物流仓库。超低型潜伏式AGV车体高度只有168mm，比以往的潜入牵引型车更低，可以便捷潜入牵引各种料车；该车型方便操作维护，行驶稳定，目前已广泛应用，在车间内部大量使用。潜伏式后牵引AGV具备潜伏和后牵引的功能，AGV可以自动运动到货物底部下，利用升降杆牵引货物，该车体的后牵引杆也可用于牵引货物，把货车牵引到指定位置，然后自动和分离，随后钻到空货车的下面，拖走空货车。该种后牵引AGV车型在工厂物料或成品的搬运已经得到广泛应用。背负式AGV系列背负托盘式AGV该小车功能强大，既可以直接牵引物流台车，又可以潜伏到台车底部进行牵引运输。通过车顶的牵引机构将台车和小车相关联，通过车体内部的驱动电机带动整个牵引车向前行走，有着运行速度快，运动定位精度高的优点大型自卸式背负AGV使用滚筒驱动完成自动进料工作，下料时，当材料升起时，机体会抬起材料，使用带式输送机将材料从垂直方向移除，该车型具有高度的柔韧性 适应现场环境强劲，将配合AGV使用的改造工作降到最少，此型号已成功投入使用电视检测装配线。重载型AGV可以前进，后退，横向移动，左右行驶，它的停止定位精度可达5MM，车体外壳由高强度材料制成，对于电梯制造厂家而言，解决了点击转子转运困难的问题，大大降低了劳动者的劳动强度。单向背负型AGV托盘，机架，物料箱等可放在AGV车身上进行搬运，或通过AGV尾部拖引料车。 小车按照上位程序设定的规定路径行走运输货物。双向背驮式AGV该小车通过在车体顶部安装动力滚筒实现背驮货物的自动上料和下料，通常该小车可以负重较大重量物品。多站点背驮式AGV该背驮式自动牵引车通过预先设定的轨道运动，行走运动精度10mm，该小车被大量使用在加工制造车间和大型物流仓库。背驮式AGV该自动牵引车通过车顶的牵引机构将台车和小车相关联，通过车体内部的驱动电机带动整个牵引车向前行走，有着运行速度快，运动定位精度高的优点。牵引式AGV系列牵引AGV该小车车体占地空间小，转弯半径小。通过车顶的牵引机构将台车和小车相关联，通过车体内部的驱动电机带动整个牵引车向前行走，有着运行速度快，运动定位精度高的优点。牵引潜伏两用AGV该小车功能强大，既可以直接牵引物流台车，又可以潜伏到台车底部进行牵引运输。通过车顶的牵引机构将台车和小车相关联，通过车体内部的驱动电机带动整个牵引车向前行走，有着运行速度快，运动定位精度高的优点。潜伏式后牵引AGV具备潜伏和后牵引两种功能，AGV可以潜伏在货车下面，使用电动升降杆牵引货车，也可以使用牵引钩牵引货车，当运达至货车固定位置后，导引车自动分离货车，然后钻入空的货车下面拖走将其拖走。 该模型广泛应用于工厂材料或成品处理的搬运。滚筒AGV背驮带动力辊筒AGV该小车通过在车体顶部安装动力滚筒实现背驮货物的自动上料和下料，通常该小车可以负重较大重量物品。双向滚筒AGV小车双向滚筒AGV小车通过与电力连接平台结合使用，形成完全自动化的无人操纵系统。该模式已成功应用于纺织加工和电子工业 等行业中。双向重载背负滚筒AGV车体带两列独立滚筒工位，方便上下料；双工位AGV可增加单次运载量或供空箱回收使用，大大提高搬运效率，减少现场空间占用，为客户节省投资成本; 这种模式已经在电梯制造业务中得到成功应用。双向滚筒式AGV小车该小车通过在车体顶部安装动力滚筒实现背驮货物的自动上料和下料，通常该小车可以负重较大重量物品。通过预先设定的轨道运动，行走运动精度10mm，该小车被大量使用在加工制造车间和大型物流仓库。全向横移AGV万向横移举升AGV该小车功能强大，可以在任意方向对台车进行举升牵引。通过车顶的牵引机构将台车和小车相关联，通过车体内部的驱动电机带动整个牵引车向前行走，有着运行速度快，运动定位精度高的优点。万向型AGV主要用于医学教育，商务办公，自动牵引车主题餐厅等等，此款AGV不但具有非常灵活的机动性能，而且工作空间很小，可任意旋转90度或180度，是一款简单的迷你智能AGV。重型举升AGV双向带横移自动升降机AGV机体各面有机械防撞机制，加强了四方位安全行驶的性能; 由AGV车身控制剪刀升降机在不同高度的切割机对接自动卸载作业，设备利用率较高，设备已投入使用于纺织集团。2.3 AGV的导航方式电磁导航：电磁导航是一种更为传统的导向方式，根据工作需求，在工作区域埋设金属导线，并加载低频低压电流，使电线周围的磁场，AGV沿着此路径行走时，其内部的感应线圈通过对导航磁场力量识别跟踪，实现AGV的导引。优点：导线隐藏，不易污染和损坏，引导原理简单可靠，易于控制通讯，无干扰声光，投资成本远低于激光导航缺点：改变或扩大路径比较麻烦，引导线铺设相对困难。磁带导航：磁带导航技术与电磁导航相似，区别在于使用磁带在路上而不是磁带嵌入地下金属线，通过磁带传感应信号实现指导。优点：采用磁带导航导引车定位精确，铺设、变更或扩充行走路线时，相对于电磁导航的较容易，而且磁带成本较低。缺点：磁带容易断开，需要经常对磁带进行维护，更改路径时需要重新铺设磁带，AGV只能通过磁带走，不能实现实时避免，或者通过控制系统实时更改任务。二维码导航：该技术的出现已经有一段时间，运用该导航方式的导引车是通过视觉识别系统识别二维码，加上惯性进行导航，其地图相当于是一个大号的围棋棋盘，自动牵引车可以到达所有点。物流仓库中的这种类型的AGV有很大的用处，但是因为货架重心很大，所以启动和结束时对速度控制有一定的要求。优点：AGV定位精度，导航灵活性更好，铺设，改变或扩展路径也比较容易方便控制通信，不会干扰声光。缺点：需要定期维护路径，如果现场复杂，则需要运行替代二维码，对陀螺仪的准确性要求高，其使用寿命要求长，另外对于工作场地的平整度要求较高，价格偏高。激光导航：第一种是通过反光板导航，在AGV工作的路径周围安装位置精确的激光反射板，通过AGV发射激光束，同时收集由路径周围的反射板反射过来的激光束，确定AGV此时所在的位置和方向，并通过连续的三角形几何操作来实现AGV导航。另一种是通过激光测距与SLAM算法结合，建立一套自动导引车行驶路线图，不需要任何辅助材料，具有更高程度的灵活性，可以进行全面部署，这种导航是未来的发展趋势，也是很多厂商都在研发的方向，灵活性比其他导航方法强。优点：AGV定位精准，地面不需要设置其他定位设施，行驶可以适应各种现场环境，目前国内外很多AGV厂商都倾向于使用该种先进的导航。缺点：制造成本高，对环境有相对较高的要求（外界光线，地面要求，能见度要求等）3 潜伏式自动导引车的硬件设计3.1潜伏式自动导引车的设计要求（1）本设计中的潜伏式自动导引车主要用于制造工厂或物流园的货物的输送、牵引拆装、流通、运输等。（2）本设计之前综合考虑，该潜伏式自动引导车应该具有以下功能：产品加工生产成本低，质量安全稳定，使用寿命长，结构稳固，使用便捷，方便搬运移动；（3）本设计从车体框架结构的主框架和副框架、升降牵引装置、运动控制和驱动单元结构四个方面着手进行详细的设计分析及计算阐述。3.2潜伏式自动导引车的设计概述本设计中自动导引车由车体主框架、车体副框架、蓄电池、充电装置、运动定位系统、通信系统、升降牵引结构和运动控制装置等组成。本设计中的自动导引车，主体结构由车体框架组成，而车体框架又可以分为主框架和副框架两部分，车体主框架是由厚度为5mm的钢板通过机器人焊接工作站焊接而成，焊接夹具保证了其加工定位精度和焊接结构强度，副框架主要安装有万向轮，和驱动机构，它的结构同样十分关节，因为这些结构都是自动牵引车的运动部件，直接影响了小车运动的定位精度。车体的内部还安装有运动控制模块，包括西门子PLC-200系列的CPU，运动定位模块，通讯模块，模拟量输出模块等等，车体的前端还安装有控制面板，包括人机界面触摸屏，报警三色灯，启动按钮，急停按钮，空气开关，PBS防撞传感器和自动感应撞击的防撞条。3.3驱动结构的设计本篇论文中的驱动结构由驱动固定外壳、直线轴承模块、预紧螺母、支撑直杆、减震弹簧、车体框架连接板、车体框架固定板、行走轮固定轴、行走轮限位挡板、行走轮、驱动机构电动机、驱动机构基座固定板、驱动机构基座、自动导航传感器、自动导航传感器安装板等结构组成。该机构中，驱动固定外壳为2mm厚度的45钢板折弯而成，连接处通过焊接的方式连接起来，两个驱动机构电动机分别安装在固定外壳的左右两边的内侧，驱动机构基座与两个电动机的另一侧固定连接好，驱动机构基座固定板安装到驱动机构基座的顶部，直线轴承模块同样也安装到驱动机构基座的轴承安装孔内，且整个驱动机构的支撑立杆安装到直线轴承模块内部，保证上下同心安装。驱动结构的避震机构包括有 ：预紧螺母、支撑立轴、车体框架连接板、车体框架固定板、直线轴承模块和减震弹簧 ；其中，支撑立轴安装在直线轴承的中间，保证其同心度，支撑立轴的上端安装预紧螺母用于避震，下端与驱动机构基座连接固定，支撑立轴和驱动机构基座通过一根圆柱销轴链接固定，减震弹簧被压缩安装于车体框架连接板和车体框架固定板之间，起到整个驱动机构避震的目的。该驱动机构整体结构简洁，避震效果好，且行走轮的高度低，保证了整个自动牵引车行走的稳定性。3.3.1驱动电机的设计选型这里我们按500KG的搬运重量进行驱动电机的设计选型。在本设计中我们设定搬运小车的最大牵引线速度V为35m/min。根据公式N = V /D式中：N驱动电机经过减速箱后的转速 V循迹搬运小车的牵引线速度 D驱动轮的直径已知驱动轮的设计直径为150mm，计算得到驱动电机经过减速箱后的转速：N=35*1000/（*150）74.27r/min取驱动单元的驱动轮与地面之间的滚动摩擦系数为0.2，从三维设计图中计算得出整个搬运小车自重200KG，按搬运货物最大重量500kG计算，得到：整个循迹搬运小车在输送过程中与地面的滚动摩擦力f=0.2*700*10=1400N我们这里的循迹搬运小车以匀速运动的方式运动时单个驱动轮的牵引力F=1/2*f=700N计算可以得到：驱动电机经过减速箱后的输出扭矩M=F*R=70075/1000=52.5N.M根据公式M=9550/n式中：M电动机经过减速箱后的输出扭矩 电动机的主轴输出功率 n电动机经过减速箱后的输出转速计算得到：电动机的理论主轴功率 =52.5*74.27/9550=0.4083KW0.4KW电动机所需的功率： 式中： 输送机理论主轴功率 传动装置的总传动效率，取0.95电动机功率计算得到驱动电机功率由于本设计中整个系统选用的电压为直流，我们可以选择使用直流伺服电机；我们这里选用直流无刷伺服电机，选用上海步科的低压伺服系统，驱动电机参数：小惯量DC48V，电机额定功率0.75KW，额定转速3000r/min，额定转矩2.39N.m，伺服电机型号SMC80S-0075-30AAK-3DKH，从伺服电机的产品手册上查到标准马达规范表，见下表伺服电机型号SMC60S-0020-30AoK-3DKHSMC60S-0040-30AoK-3DKHSMC80S-0040-30AoK-3DKHSMC80S-0075-30AoK-3DKH适配驱动FD123-LA-000,FD123-CA-000,FD123-CC-000,FD123-EA-000FD133-LA-000,FD133-CA-000,FD133-CC-000,FD133-EA-000直流母线电压UDC48484848连续特性额定功率Pn(W)200400400750额定转矩Tn(Nm)0.641.271.272.39额定转速(rpm)3000300030003000额定电流In(A)4.6109.621.5瞬时最大转矩Tm(Nm)1.923.813.817.17瞬时最大电流Im(A)13.8252464.5连续静态转矩Ts(Nm)0.71.41.42.63连续静态电流Is(A)5.061110.623.7线-线电阻RL（）1.10.420.220.1线-线电感LL(mH)2.40.7910.46电气时间常数（ms）2.181.884.554.6机械时间常数（ms）3.221.841.651.79反电势常数Ke（V/krpm）9886.7转矩常数Kt（Nm/A）0.1490.132320.132320.111转动惯量Jm（Kg.cm2）0.3750.4430.761.260.375（带抱闸）0.447（带抱闸）0.77（带抱闸）1.27（带抱闸）抱闸保持扭矩T（Nm）1.31.33.23.2极对数3333最大允许du/dt（KV/S）8888绝缘等级FFFF轴承径向力F(N)180180180335轴承轴向力F(N)909090167.5重量G(Kg)1.11.62.22.91.6（带抱闸）2.1（带抱闸）2.8（带抱闸）3.5机身长L(mm)1141.51401.51231.51491.51551.5（带抱闸）1811.5（带抱闸）1661.5（带抱闸）1921.5（带抱闸）位置反馈装置2500ppr光电式编码器（增量式）冷却方式全封闭，自冷却防护等级IP65,轴端IP54使用环境温度-20-40湿度90%RH以下（无凝露）环境远离腐蚀，可燃性气体，油滴，灰尘海拔10004000m，每升高100m，功率下降1.5%抗震等级X向24.5m/,Y轴方向最大49m/参考标准C 34-14(1986)表2-2 SMC系列伺服电机技术参数3.3.2驱动电机减速机的设计选型已知驱动电机的额定转速n1为3000 r/min，驱动电机经过减速箱后的转速n2为74.27r/min，计算传动比： i=3000/74.27=40.3940已知选定的驱动电机型号为SMC80S-0075-30AAK-3DKH，其工作额定功率为0.75W，额定转速n为3000r/min,且转动轮的转速为74.27r/min，如果我们直接通过减速器减速则减速器总传动比为40。如果我们只选用减速器减速，那么传动比i=40就必须通过很多级减速才可以实现，考虑到潜伏式自动牵引车的设计要求：结构安装简单，自身重量轻，因此减速器的体积也需要尽可能的小，所以本设计中采用电机自带减速器的方式先来降低电机自身输出转速。齿轮减速器为行走电机与链传动之间的独立的闭式传动装置，它通过降低转速和增大转矩来满足实际工况的需求。减速器的类型有很多，按照传动方式的不同可以分为齿轮减速器，蜗轮蜗杆减速器和行星减速器；按照传动的级数可以分为单级和多级减速器。我们已知本设计中的齿轮减速器的减速比为1。通常情况下单级齿轮减速器的传动比i810，且齿轮减速器的优点是效率和可靠性高，工作寿命长，维护简单；这里齿轮可以选择直齿、斜齿和人字齿。由于本设计中的履带转动的工作转矩较大，因此选择螺旋伞齿轮做为本设计中的齿轮减速器。在设计时保证齿轮传动的中心距不变的条件下，增加齿数，不仅可以增大齿轮啮合的重合度、保证传动的平稳性，而且可以减小齿轮模数，降低齿高，减少加工的切削量。为了提高传动的稳定性，减少传动过程中的冲击振动，降低磨损失效。根据齿轮副的工作环境选择不同的齿轮齿数，闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的稳定性，减小冲击振动，通常选择齿数多一点的齿轮，小齿轮的齿数可取为Z1=2040，而开式（半开式）齿轮传动，由于轮齿的磨损失效为主要因素，因此小齿轮的齿数通常选用不多，一般可以小齿轮的齿数Z1=1720，且为了防止齿轮啮合时发生根切，应取Z117。本设计中的齿轮副的工作环境为封闭的减速箱内，且齿轮传动的转速较高，因此选定小齿轮的齿数Z1为20。我们这里选用湖北行星传动设备有限公司的精密行星减速机，由于我们的驱动方式为L型输出方式，所以我们这里选用他们的ZJPX系列的精密行星减速机。该减速机主要性能：1.采用直齿圆柱齿轮传动，输出力矩比直伞齿轮高30%，噪音更低；2.转动体经动平衡校正确保运行更平稳；3.适配任何伺服电机，输入，输出模块组合，可进行特殊连接设计，安装简便可靠；4.维护简单，在寿命期间无需要换润滑油脂。ZJPX行星减速机技术参数产品型号ZJPX65ZJPX85ZJPX115ZJPX142减速比级数额定输出扭矩13.5399830831级298020560042465137425515378627281542110335122级349023067516349023067520297115546025349023067532297115540040174295305641954142422603级441102969008044110296900100441102969001204411029690016038901955852004411029690025638901953853202252122395512故障停止转矩2倍额定输出转矩产品型号ZJPX65ZJPX85ZJPX115ZJPX142单位级数最大径向力1550305543309480N最大轴向力1220233033006800N满载效率95%1级932级903级平均寿命20000h重量3.36.716.537.0Kg1级3.77.518.243.02级4.27.518.540.03级从减速机的产品手册上查到，已知驱动电机经过减速箱后的输出扭矩为90N.M我们这里选用2级减速比40的减速机型号ZJPX115。3.3.3减速箱齿轮的静力及接触的有限元分析分析直齿轮的应力分布图，我们可以得出直齿轮在进入或退出啮合时，因为直齿轮的弹性形变将发生干涉和冲击，直齿轮的齿顶、齿根和端面边缘都会发生应力集中，这些应力集中很容易造成直齿轮失效，因此分析直齿轮受力，避免应力集中可以有效地提高直齿轮的使用时间。从主动齿轮的接触应力图中可以看出，主动齿轮齿根圆处的应力大小在70MPa 到 100MPa 区间内，齿轮齿形表面的应力分布有逐渐增大的态势，其大小为 140245MPa，而齿形表面及齿槽表面分布其应力值逐渐降低到35MPa 左右，主动齿轮的最大应力出现在加载的齿形啮合部分的齿顶附近处，大小为316MPa。图2.4 主动齿轮接触应力分布图从齿轮副接触应力图中可以看出，从动齿轮的应力分布方式与主动齿轮基本相似。从动齿轮的齿根圆处的应力值在 274MPa 到 366MPa 之间的范围，齿形表面的应力分布逐渐加大，附近的应力其值为 457549MPa，而齿形表面及齿根表面的应力分布，其应力值逐渐降低到91183MPa 左右，与主动齿轮的应力分布相似，齿形啮合处附近接近齿顶轮廓处的应力较大，从动齿轮该处为最大应力点，而从动齿轮上该位置的应力最大值约为 824MPa。图2.5齿轮副接触应力分布图根据以上分析可以得到结论：齿轮运动副中的危险应力集中位置，我们在实际的齿轮生产加工工艺中可以作为技术依照，为了后面使用过程中增加齿轮的耐久性和稳定性，需要在齿轮制造生产和热处理工艺加工的过程中做特殊的表面热处理。3.4升降牵引机构的设计目前常见的自动牵引车的牵引方式分为很多种，常见的以背驮式，叉车式和潜伏式居多。本设计中采用运动占地最小的潜伏式作为牵引方式，其基本工作原理：自动牵引车通过上位程序的设定运动到指定台车的正下方，读取台车底部二维码的信息确认台车无误后，将牵引装置升起，此时台车已经与牵引小车合二为一，钩在一起，这时再按照事先设定的运动轨迹将台车一起移动到指定的地点。升降牵引结构安装在整个小车的车体框架的正中间。该机构的关键部件是一个可以自由升降的直杆，当我们需要牵引台车的时候，让直杆升起，此时直杆便钩住了台车，牵引车运动则台车一起跟着运动。当我们需要台车与牵引车分离的时候，让直杆下降，此时直杆便与台车分离，牵引小车又可以自由行走去下个工位的台车为待命。本篇论文中的升降牵引机构包括升降机构固定外壳、升降驱动电机、直杆、直杆连接板、直线轴承模块、凸轮组件、压缩弹簧、弹簧导向轴、直杆连接板导向柱和升降机构总固定板，升降牵引机构通过升降机构总固定板和整个牵引车的车体框架连接固定好，升降驱动电机固定在升降机构固定外壳的左边外侧，同样在升降机构固定外壳的底部焊接预埋有一根弹簧导向轴，直线轴承模块固定到机构总固定板的反面，且保证直线轴承模块与弹簧导向轴的同心度，直杆安装于直线轴承模块的孔内，直杆连接板安装到直线轴承模块的底部，且与直杆固定牢固，直杆的内空结构，底部可以容纳放置压缩弹簧，而压缩弹簧又套于弹簧导向轴中，弹簧底部与结构固定外壳底部焊接固定好，弹簧上部与直杆连接固定，升降驱动电机的输出轴安装有凸轮组件，而凸轮的外沿正好压在直杆连接板的上表面，在固定升降驱动电机的一侧还安装有两个极限位置开关，上极限位置开关安装在升降驱动电机的上端，下极限位置开关安装在升降驱动电机的下端，凸轮组件跟随者升降驱动电机的转动而旋转，在转动的过程中触发上极限位置开关和下极限位置开关，机构固定外壳的右边内侧还安装固定有直杆连接板导向柱，保证直杆连接板能够上下升降顺畅。升降牵引装置设计参数：升降杆直径：35mm；电机参数：DC24V直流永磁电机 功率30W 最大转速2500r/min工作电压：9-30V；逻辑电平：高电平3.3-30V,低电平0V；牵引力：500KG；升降范围：0-50mm；升降保护：升降限位开关保护，防止电机烧坏升降速度：速度25mm/s；工作湿度：1090% RH；工作温度：-25+85；防护等级：IP-67;外壳材质：普通碳钢因为该机构的关键部件是一个可以自由升降的直杆，因此需要对其进行有限元的分析，经过之前的计算可以得到本设计中物流台车作用于该直杆的作用力为1000N。分析直杆的应力分布图，我们可以看到直杆受到应力最大的位置，应力最大值的地方位于和直线轴承模块接触的最底部。因为直杆的弹性形变将发生干涉和冲击，直杆的底部接触边缘都会发生应力集中，这些应力集中很容易造成直杆失效，因此分析直杆受力，避免应力集中可以有效地提高直杆的使用时间。直杆材料选定为Q235A，查机械设计手册，可以得到在常温条件下，Q235A的屈服强度=235MPa,从应力分布图中可以看到应力最大值为12.24MPa235MPa。同样的方法从整体变形量分布图中可以看到变形量最大值为2.370e-3mm。通过对直杆的有限元分析可以得到本设计中的直杆结构满足实际使用的要求。应力分布图整形变量分布图3.5差速运动自动导引车的设计参数牵引方式：潜伏牵引式导引方式：磁导航行走方向：前进行走驱动方式：双电机驱动前进速度：最大速度35m/min负载能力：1000KG最小转弯半径：700mm直线导引精度：10mm停止精度：10mm驱动电机型号：DC无刷电机 功率200W控制方式：PLC控制蓄电池：DC24V，75AH （2组）1 AGV小车的额定载重量自动导引车牵引的最大货物重量。我们日常使用的大部分自动导引车的载重范围在50KG-1000KG，其中以中小型吨位居多，本设计中的自动导引车用于物流园区的货物输送，仓储流通等实际需要的功能，因此载重的货物不会很轻，这里我们取1000KG作为本设计的额定载重量。2.物流货车的分类物流货车可以分为网络状物流货车，双面型物流货车，钢板型物流货车三大类，其中网络状物流货车自身重量相对其他两种物流货车要轻得多，且机动性高，因此在物流行业中应用的最为广泛。市场上常见的网络状物流货车的规格（HWL）为1700900750（mm），最大承载重量为500KG。该货车的底部还安装有两个定向轮和两个万向轮，且两个万向轮带脚刹，方便货车定位。四个底脚轮均采用6寸聚氨酯橡胶轮，离地高度195mm。为了方便自动导引车自动牵引物流货车，我们这里设计货车的时候将其机架加高100mm，也就是货车的机架的最低面离地高度295mm。潜伏式自动导引车的三维图如下图：3.6自动导引车车体框架的设计3.6.1 AGV小车的车体尺寸的设计自动导引车的车体尺寸是指车体的最大的长宽高的外形尺寸，该尺寸与所承载的货物的尺寸和物流园区的物流输送通道宽度有关。由于自动导引车有时需要转向或道路分叉等情况，所以我们还需要考虑到自动导引车的最小转弯半径，其概念是指自动导引车在空载低速行走的过程中，以最大的偏转角度转向，小车瞬时转向中心与纵向中心线的距离，它是确定自动导引车转弯半径所需最大空间的重要参数。也是车体尺寸设计时的重要考虑因素。（1）自动导引车高度的设计已知货车的机架的最低面离地高度为295mm，再考虑到升降牵引装置中的升降杆升降高度范围在050mm，且升降杆升起后与物流货车连为一起，并超过了货车机架的最低面，因此自动导引车的总高度必须不能高于345mm。我们这里设计自动导引车的总高度为327mm。（2）自动导引车宽度的设计已知货车的机架宽度为900mm，由于货车机架的底部安装有四个地脚轮，且尺寸为6寸大小，地脚轮直径25.46=150mm。物流货车在运输过程中四个地脚轮有时直行有时转弯，所以我们在设计自动导引车宽度的时候就需要考虑到地脚轮运动的活动范围，单个地脚轮的活动范围为150mm，且货车底部前后左右各安装有一个地脚轮，因此货车底部的实际内空只有600mm（地脚轮沿着货车的四个边角安装），且需要保证自动导引车能够自由的进出到物流货车的底部，因此我们这里设计自动导引车的总宽度为520mm。（3）自动导引车长度的设计已知货车的机架长度为900mm，根据自动导引车功能的设计布局，我们需要在车体的前端安装防护装置，即防障碍传感器，同时在车体的尾部则放置有两块蓄电池模块，用于给自动导引车提供运动的动力电源。自动导引车的人机界面、无线通讯模块、启动按钮、急停按钮等控制元器件部分也安装在车体的正前端，从人机工程学的角度考虑，我们需要将牵引车的长度加长，并超过机架的长度9000mm，这里我们再考虑到牵引车驱动模块、PLC控制单元的安装等部件的尺寸大小，我们我们这里设计自动导引车的总长度为1235mm。依据上面的分析和计算我们可以得到要使自动牵引车能够满足制造加工车间和大型物流仓库运输台车的实际需要，将整个潜伏式自动牵引车的外形尺寸设计为L1235W520H327（mm）(长宽高)。3.6.2主框架的设计本篇论文中的车体主框架包括，车身本体，电箱固定板、驱动单元固定板、电池仓、后脚轮安装板、前脚轮安装板、防撞触边安装板、前焊接板、后焊接板，以上这些部件通过安装在固定在机器人焊接工作站上的焊接夹具焊接固定到一起，焊接夹具可以很好保证车体主框架的结构的焊接精度和焊接强度，且这些零件都是采用的厚度为5mm的45钢板，整体焊接的结构保证了自动牵引车的结构强度。车身本体的正中间开有一个圆形小洞，该小孔用去安装整个升降牵引机构，自动牵引车中的喇叭安装在电箱固定板中的圆孔内，型号为艾智威AWS-24AF，而电箱固定板的左侧安放有控制电箱，整个牵引车的驱动机构安装在车体中下位置的驱动单元固定板上，两个DC24V，75AH蓄电池安装固定在电池仓的内部，前脚轮安装板安装两个万向轮，同样再后脚轮安装板上安装两个定向轮，在整个车体框架的前端的上部安装有控制面板组件等模块，底部则安装有自动感应撞击的防撞条。主框架尺寸外形图3.6.3副框架的设计车体副框架主要由驱动机构，万向轮、蓄电池和PBS防