板式家具自動導引車的設計與關鍵零部件的有限元分析

馮 莉， 杜炳霖

(東北林業(yè)大學林業(yè)與木工機械工程技術中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著人們整體生活水平的提高，設計風格大眾化的家具已經(jīng)不能滿足人們的個性化需求，定制家具逐漸成為家具市場的主流。為了滿足人們生活的需求，板式家具的種類也越來越豐富，從最初的單一形狀變?yōu)楝F(xiàn)在的形狀多樣。同時，板式定制家具的需求量也與日俱增，多輛叉車在車間內運輸人造板的場景隨處可見，不但加大了資金投入，也占據(jù)了大量生產(chǎn)空間，給車間增加了負擔，產(chǎn)生了較大的安全隱患。

近年來，人造板產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，需求量較大，定制家具在工廠中轉序的效率和質量直接決定了企業(yè)的利潤，提高板式家具轉序的質量與效率是現(xiàn)代工廠的發(fā)展方向。為了降低生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率，運送人造板設備也在不斷地改進更新，以適應現(xiàn)代社會的需求。自動導引車就是目前市場主流的發(fā)展趨勢，作為柔性度較高的自動化運輸設備，因其具有自動化程度高、結構簡單、占地面積較小等特點，近年來需求量呈現(xiàn)出井噴式增長，廣泛應用于汽車制造、煙草生產(chǎn)線、物流分揀等領域。由于目前自動導引車在木工機械企業(yè)運用較少，因此設計一款用于運送人造板自動化程度較高的運輸車，對我國自動導引車行業(yè)的發(fā)展及普及應用具有十分積極的意義。

1 板式家具自動導引車的總體結構與工作原理

板式家具自動導引車主要由導引車行走機構總成、車身總裝、人造板料斗、步進電機總成、運送料機構總成五部分組成，總體結構如圖1所示。其工作過程為：行走機構中的電池作為導引車的動力來源，導引車底盤上的電磁感應裝置引導其按照工廠地面預先埋設的電線規(guī)劃路徑行駛，到達指定位置接料。運送人造板的尺寸規(guī)格為700 mm×700 mm×30 mm，每次可運送十塊人造板。運送料機構前端的掃碼器自動掃描每塊人造板上的二維碼，二維碼包含每塊人造板的運送信息。

圖1 板式家具自動導引車總體結構1.導引車行走機構總成；2.車身鈑金罩；3.人造板料斗；4.步進電機總成；5.運送料機構總成

步進電機驅動運送料機構在料斗中的導軌上滑動，依次將人造板送入每層料斗中，當十層料斗全部裝滿導引車裝載完畢，然后車輛將板材運送到指定區(qū)域，運送料機構再依次將板材取出運送至目標傳送帶，從而完成一次運送過程。

2 關鍵零部件設計

板式家具自動導引車主要由行走機構、運送料機構等多個機構組成。行走機構直接關系到運送過程中的平穩(wěn)性及運送到目的地的準確性，而運送料機構則直接影響導引車的運送效率，保證每一部分結構設計的合理性有利于提高導引車的工作效率和工作質量。

2.1 運送料機構設計

運送料機構是整機的主要工作部分，主要負責對板材的運送，具體結構如圖2所示。

圖2 運送料機構總體結構1.行進裝置；2.升降裝置；3.滑板裝置；4.傳送裝置

木板由圖2右上方進入運送料機構，在傳送裝置的帶動下移動到接觸滑板裝置中木板擋板時停止輸送運動。此時行進裝置中步進電機開始轉動，行進機構開始前進，到達指定隔板空隙處停止運動。升降裝置開始工作，氣缸將升降板頂起至傾斜65°(基本與料斗傾斜角度平行)時停止工作?；逖b置中步進電機開始轉動，木板隨木板擋板下滑到擋板縫隙之間，使木板留置在隔板之間，完成一塊人造板的運輸。之后行進裝置開始運動，退出當前位置至起點位置停止，然后對升降裝置和滑板裝置進行復位，繼續(xù)重復上述動作依次完成十塊板的運輸。當導引車行駛至目的地時，運送料機構重復上述動作即可依次將人造板運出導引車，從而完成運送。

2.2 行走機構設計

板式家具自動導引車底盤結構如圖3所示。導引車采用雙輪差速驅動方式，在車體中部裝有左右對稱的兩個驅動輪，每個驅動輪分別由一個電機單獨驅動，控制系統(tǒng)通過控制兩電機速度差實現(xiàn)轉向，轉彎半徑也可根據(jù)兩輪的速度差來控制。車體前后共安裝有四個從動萬向輪，用于載重及平衡車體。在運輸過程中，磁導航傳感器實時反饋導引車的坐標，主要起到循跡的作用。RFID標簽傳感器具有掃描速度快、體積較小、數(shù)據(jù)記憶容量大等優(yōu)點，其主要作用是解決導引車在分岔點路徑方向的選擇，使導引車能準確到達指定位置。

圖3 行走機構的整體結構1.萬向輪；2.RFID標簽傳感器；3.磁導航傳感器模塊；4.導引車底盤；5.驅動輪輪系

3 自動導引車控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)總體結構

板式家具自動導引車的控制系統(tǒng)以STM32單片機模塊為控制核心，由驅動模塊、運動控制模塊、超聲波防撞模塊、路徑識別模塊等幾部分組成。該系統(tǒng)的結構框圖如圖4所示。

圖4 自動導引車控制系統(tǒng)結構框圖

3.2 驅動模塊

板式家具自動導引車驅動電機選擇86BYG250H步進電機和雷賽電機驅動模塊，驅動輪中電機選擇ZSBLD200-24GU-25S/SGU20RC直流無刷電機，該款電機自帶減速器以及電磁剎車，能滿足實際運用需要。

自動導引車采用差速轉向的驅動方法，其是通過分別控制左右兩個驅動輪的轉動速度和角度來實現(xiàn)轉向，與較為傳統(tǒng)的偏轉車輪轉向方式相比，結構相對簡單，轉向半徑較小，并能完成一些相對復雜的轉向運動，是一種十分適用于自動導引車的轉向方式。

3.3 磁導航傳感器模塊

磁導航傳感器的抗干擾能力強，識別位置信息精度較高，與其他導航方式相比也相對經(jīng)濟，因此現(xiàn)在廣泛應用于自動導引車。導引車底盤前后分別放置兩個磁導航傳感器模塊，每個模塊包含四個地磁傳感器，具體分布如圖5所示。

圖5 地磁傳感器分布

自動導引車行駛過程中，根據(jù)磁條兩側地磁傳感器信號的強弱來完成直行或運行方向的變化：若左側1號和2號地磁傳感器信號較強，相反方向(3號和4號)地磁傳感器信號較弱，則導引車左轉彎，同理反之則導引車右轉彎。若2號和3號傳感器信號較強，1號和4號信號較弱，則導引車保持直行。若傳感器長時間未檢測到信號，則系統(tǒng)默認導航能力丟失，采取緊急制動。

3.4 RFID標簽傳感器模塊

RFID又稱無線射頻識別，其具有抗干擾性和穿透性強、讀卡速度快等優(yōu)勢。自動導引車通過RFID讀取識別地面標識，從而使導引車能實現(xiàn)工位停車、識別分叉路口、加減速等相應的功能。如圖6所示，當導引車行駛至分叉路結點O時，STM32單片機自動識別RFID標簽傳感器里已錄入的相關數(shù)據(jù)信息，從而選擇正確路線前進。

圖6 導引車路徑選擇示意圖

3.5 避障傳感器模塊

避障傳感器模塊是導引車很重要的部分，車體兩側配有急停按鈕，前方配有超聲波傳感器用來檢測障礙物。導引車運行途中檢測到前方有工作人員或障礙物時發(fā)出警報，當兩者距離達到危險臨界值時導引車緊急制動停車，以保障工作人員的安全。

4 減振單元模塊的有限元分析

4.1 減振單元模塊結構設計

考慮到工廠內復雜的路面環(huán)境，提高運送過程的平穩(wěn)性，為自動導引車設計了減振單元模塊，如圖7所示。該設計采用包裹式的設計方法，所有零部件均圍繞驅動輪安裝布置，結構對稱穩(wěn)定，驅動輪輪架兩側安裝了減振彈簧，起到減振緩沖的作用。

圖7 減振單元模塊三維模型

4.2 減振單元模塊的有限元分析

減振單元模塊在運輸過程中會受到一定的振動和沖擊，所以要保證相關零件的剛度和強度，避免由于零件受到的沖擊過大導致發(fā)生永久變形，影響設備的工作精度與工作質量。利用ANSYS軟件對該結構進行有限元分析，以保證該結構工作的穩(wěn)定性。

對原模型進行簡化處理后，將其導入ANSYS軟件Workbench中。驅動輪支架材料為45鋼，其彈性模量E=2.09×1011Pa，泊松比μ=0.269，抗拉強度σb=600 MPa。本設計減振單元模塊有限元模型采用自由網(wǎng)格劃分法，劃分節(jié)點個數(shù)為219 893，單元個數(shù)為133 836，網(wǎng)格劃分如圖8所示。

圖8 減振單元模塊有限元分析網(wǎng)格劃分

圖9 減振單元模塊應力云圖

圖10 減振單元模塊位移云圖

5 結束語

根據(jù)實際生產(chǎn)需求，設計了一種用于人造板運輸?shù)淖詣訉б?，通過磁導航傳感器和RFID標簽傳感器實現(xiàn)對導引車的精確定位后，由上方的運送料機構完成對人造板的運送。利用ANSYS軟件對減振單元模塊進行了有限元分析，驗證了零部件強度與剛度設計的合理性。該導引車結構簡單，占地面積小，可靠性較高，能有效地解決目前工廠中大量人力的浪費和轉序效率低下等問題，間接提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和企業(yè)的核心競爭力。目前自動導引車技術還未廣泛應用于木工機械行業(yè)，本設計為該行業(yè)運輸車未來的發(fā)展方向提供了新思路。