倉(cāng)儲(chǔ)物流自動(dòng)導(dǎo)引車輪系的設(shè)計(jì)

□ 孫鵬飛

沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 沈陽(yáng) 110168

1 設(shè)計(jì)背景

自動(dòng)導(dǎo)引車在自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)及物流領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域可分為底盤合裝車、叉車、巡檢車、重載車等，根據(jù)功能形式可分為潛伏式、牽引式、輥筒式、背負(fù)式、搬運(yùn)式等。應(yīng)用最廣泛的自動(dòng)導(dǎo)引車是倉(cāng)儲(chǔ)物流自動(dòng)導(dǎo)引車，其輪系通常由驅(qū)動(dòng)輪組與隨動(dòng)輪組組成,依靠系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器、車體控制器、可編程序控制器等控制行走。其中，驅(qū)動(dòng)輪組負(fù)責(zé)部分承載及驅(qū)動(dòng)行走,隨動(dòng)輪組負(fù)責(zé)主要承載及一定情況下的轉(zhuǎn)向功能[1-3]。

自動(dòng)導(dǎo)引車輪系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是按照要求確定驅(qū)動(dòng)輪組與隨動(dòng)輪組的數(shù)量及布局方案。數(shù)量由自動(dòng)導(dǎo)引車負(fù)載決定,負(fù)載應(yīng)為自動(dòng)導(dǎo)引車自重與外部負(fù)載的總和。在數(shù)量確定的條件下，合理布局驅(qū)動(dòng)輪組及隨動(dòng)輪組位置。由于自動(dòng)導(dǎo)引車一般采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)與輪系為一體化結(jié)構(gòu),且大多整體從歐洲原裝進(jìn)口,成本較高,因此合理確定驅(qū)動(dòng)輪組與隨動(dòng)輪組的數(shù)量,在自動(dòng)導(dǎo)引車滿足承載的條件下使驅(qū)動(dòng)輪組與隨動(dòng)輪組均有合理的承載力及足夠的驅(qū)動(dòng)力,以保證自動(dòng)導(dǎo)引車正常工作，具有足夠的使用壽命,是自動(dòng)導(dǎo)引車輪系設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[4-7]。

2 輪系設(shè)計(jì)

根據(jù)輪系中驅(qū)動(dòng)輪組與隨動(dòng)輪組的數(shù)量,輪系可分為三輪系、四輪系、六輪系、多輪系。一般在確定輪組總數(shù)量時(shí),至少應(yīng)滿足三點(diǎn)確定一個(gè)平面的三輪系要求，以保證車體的穩(wěn)定[8]。由于三輪系結(jié)構(gòu)自身可確定一個(gè)穩(wěn)定平面,因此不需要懸掛,在車體底盤整體加工及安裝完成后保證車體水平即可。三輪系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,在自動(dòng)導(dǎo)引車領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。三輪系結(jié)構(gòu)可由一組驅(qū)動(dòng)輪組與兩組隨動(dòng)輪組構(gòu)成,也可由一組隨動(dòng)輪組與兩組驅(qū)動(dòng)輪組構(gòu)成,如圖1所示。

▲圖1 三輪系結(jié)構(gòu)

背負(fù)式自動(dòng)導(dǎo)引車三輪系負(fù)載通常比較大,為了獲得可靠的驅(qū)動(dòng)力,通常選用兩驅(qū)一隨布置形式。牽引式自動(dòng)導(dǎo)引車三輪系通常負(fù)載比較小,為了獲得最低成本,通常選用兩隨一驅(qū)形式。

對(duì)于四輪系結(jié)構(gòu)而言,由于四點(diǎn)支撐不能確定一個(gè)穩(wěn)定平面,因此為保證驅(qū)動(dòng)輪組與隨動(dòng)輪組都能有效附著地面，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的車體底盤,需要增加懸掛系統(tǒng)。由于隨動(dòng)輪組相對(duì)驅(qū)動(dòng)輪組有較大承載力,而驅(qū)動(dòng)輪組一旦超越自身額定承載力將影響輪系壽命,甚至導(dǎo)致自動(dòng)導(dǎo)引車無(wú)法行走,因此懸掛系統(tǒng)通常安裝在驅(qū)動(dòng)輪組上,既可以保證驅(qū)動(dòng)輪組有一定承載力,又可以保證驅(qū)動(dòng)輪組在承載一定正壓力時(shí)產(chǎn)生足夠驅(qū)動(dòng)力,且不會(huì)因超載而縮短壽命。為保證車體足夠穩(wěn)定，需要有三個(gè)穩(wěn)定支撐點(diǎn)。假設(shè)地面為理想平面,帶有懸掛系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輪組在初始狀態(tài)應(yīng)為壓死狀態(tài),即懸掛系統(tǒng)只能向下浮動(dòng),而不能向上浮動(dòng)。

四輪系結(jié)構(gòu)如圖2所示。四輪系自動(dòng)導(dǎo)引車通常用于大底盤、寬通道、大承載場(chǎng)合,且配置為兩驅(qū)兩隨形式。兩組驅(qū)動(dòng)輪組單元在一定正壓力下提供足夠的驅(qū)動(dòng)力,隨動(dòng)輪組用于承載剩余載荷。

▲圖2 四輪系結(jié)構(gòu)

對(duì)于六輪系結(jié)構(gòu)而言,通常設(shè)置為兩組驅(qū)動(dòng)輪組加四組隨動(dòng)輪組的形式。設(shè)置四組萬(wàn)向隨動(dòng)輪用以承載,四組萬(wàn)向隨動(dòng)輪中三組確定一個(gè)穩(wěn)定平面。兩組驅(qū)動(dòng)輪組保證在一定正壓力下產(chǎn)生足夠驅(qū)動(dòng)力,因此驅(qū)動(dòng)輪組需增加懸掛系統(tǒng)。假設(shè)地面為理想平面,帶有懸掛系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輪組在初始狀態(tài)時(shí)應(yīng)為懸浮狀態(tài),并有一定初始正壓力,即懸掛系統(tǒng)既能向上浮動(dòng),也能向下浮動(dòng),以保證驅(qū)動(dòng)輪組與地面有效接觸。六輪系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖3 六輪系結(jié)構(gòu)

對(duì)于多輪系結(jié)構(gòu)而言,四組隨動(dòng)輪組中由三組確定一個(gè)穩(wěn)定平面以支撐車體,在三組隨動(dòng)輪組可以足夠承載,且驅(qū)動(dòng)輪組的驅(qū)動(dòng)力又大于承載力的條件下,只需合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪組數(shù)量，以保證產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力。假設(shè)地面為理想平面,帶有懸掛系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輪組在初始狀態(tài)時(shí)均應(yīng)為懸浮狀態(tài),并有一定初始正壓力,即懸掛系統(tǒng)既能向上浮動(dòng),也能向下浮動(dòng),以保證驅(qū)動(dòng)輪組與地面有效接觸。多輪系結(jié)構(gòu)常用于重載車,依靠多組驅(qū)動(dòng)輪組產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力,隨動(dòng)輪組通常只有四組。

3 隨動(dòng)輪組設(shè)計(jì)

隨動(dòng)輪組分為帶舵隨動(dòng)輪和不帶舵萬(wàn)向隨動(dòng)輪兩種。帶舵隨動(dòng)輪可以自主打舵控制隨動(dòng)輪方向,并且在行駛過(guò)程中通過(guò)伺服電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)整隨動(dòng)輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。不帶舵萬(wàn)向隨動(dòng)輪只能被動(dòng)行走,且在行駛過(guò)程中被動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整角度。隨動(dòng)輪依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境而選擇,若現(xiàn)場(chǎng)需具備前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)彎、自旋等功能,則隨動(dòng)輪需設(shè)計(jì)為帶舵隨動(dòng)輪,以便自動(dòng)導(dǎo)引車可以完成上述動(dòng)作?？梢酝瓿缮鲜鰟?dòng)作的自動(dòng)導(dǎo)引車也稱全方位自動(dòng)導(dǎo)引車。

隨動(dòng)輪輪片主要為定制鋁轂表面包覆聚氨酯層等耐磨材料,其承載力隨速度的加快而減小。若隨動(dòng)輪組數(shù)量不足以承受負(fù)載,則可以將單個(gè)隨動(dòng)輪組設(shè)計(jì)為雙輪片形式，以避免單個(gè)輪片負(fù)載能力不足的情況。因此，大多數(shù)工況下，不存在隨動(dòng)輪組負(fù)載能力不足的問(wèn)題。

4 驅(qū)動(dòng)輪組設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)輪組承載力主要來(lái)自懸掛系統(tǒng)壓縮彈簧產(chǎn)生的正壓力,該正壓力是自動(dòng)導(dǎo)引車驅(qū)動(dòng)力的來(lái)源,因此帶有懸掛系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輪組在初始狀態(tài)時(shí)應(yīng)為壓縮狀態(tài),以便保持一定的初始正壓力。正壓力產(chǎn)生的摩擦力是整個(gè)自動(dòng)導(dǎo)引車驅(qū)動(dòng)力的來(lái)源,至于能否驅(qū)動(dòng),則取決于電機(jī)與輪系為一體化結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)輪組的伺服電機(jī)?？梢?jiàn)，匹配驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)是輪系設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

5 伺服電機(jī)選型

伺服電機(jī)匹配對(duì)于自動(dòng)導(dǎo)引車輪系設(shè)計(jì)有重要意義,伺服電機(jī)直接影響自動(dòng)導(dǎo)引車靈敏度、伺服系統(tǒng)精度、安裝空間大小及成本等。匹配伺服電機(jī)一般需要考慮四個(gè)因素,即減速機(jī)、速度、容量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

5.1 減速機(jī)

減速機(jī)與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速、容量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等基本參數(shù)的確定相輔相成,互相影響,需要綜合考慮。電機(jī)最快轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了配套減速機(jī)減速比的上限,電機(jī)最大扭矩則限制了配套減速機(jī)減速比的下限,且減速機(jī)減速比直接以二次方的關(guān)系放大了應(yīng)匹配的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[9]。

5.2 速度

在實(shí)際使用環(huán)境中，為了滿足最慢節(jié)拍要求,需要自動(dòng)導(dǎo)引車達(dá)到一定速度。自動(dòng)導(dǎo)引車要求最慢行走速度為v,輪徑為D,配套減速機(jī)減速比為i,則電機(jī)轉(zhuǎn)速n需滿足[10]:

n≥vi/(πD)

(1)

5.3 容量

對(duì)于自動(dòng)導(dǎo)引車而言，需要驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)輸出足夠大的扭矩，以克服行駛過(guò)程中摩擦阻力產(chǎn)生的力矩,即電機(jī)容量應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)力要求。由于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電機(jī)的適用工況很難預(yù)先量化,因此可以簡(jiǎn)化考慮驅(qū)動(dòng)力矩是否滿足驅(qū)動(dòng)要求，并留有一定余量,實(shí)踐證明這一方法簡(jiǎn)易可行。

驅(qū)動(dòng)輪片表面包覆材料一般為聚氨酯,對(duì)應(yīng)滾動(dòng)摩擦因數(shù)通常為0.3,靜摩擦因數(shù)可達(dá)0.5。計(jì)算伺服電機(jī)輸出扭矩時(shí)，需要校核電機(jī)啟動(dòng)輸出扭矩是否能滿足靜摩擦因數(shù)下的啟動(dòng)要求。

自動(dòng)導(dǎo)引車行駛時(shí),額定輸出扭矩克服輪片與地面滾動(dòng)摩擦阻力所產(chǎn)生的力矩MA，MA為:

MA=0.3mgDiN/2

(2)

式中：N為輪系驅(qū)動(dòng)輪數(shù)量；m為整車質(zhì)量；g為重力加速度。

考慮到系統(tǒng)余量,一般取1.1MA以上進(jìn)行校核。

自動(dòng)導(dǎo)引車啟動(dòng)時(shí),最大啟動(dòng)力矩克服輪片與地面瞬間靜摩擦阻力產(chǎn)生的力矩MB，MB為:

MB=0.5mgDiN/2

(3)

考慮到系統(tǒng)余量,一般取1.1MB以上進(jìn)行校核。

5.4 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

為了使自動(dòng)導(dǎo)引車運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,需計(jì)算自動(dòng)導(dǎo)引車在行駛中折算為伺服電機(jī)輸出軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[JL],[JL]為機(jī)構(gòu)中所有直線運(yùn)動(dòng)部件等效換算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL1與所有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL2之和。根據(jù)能量守恒定律，有:

(4)

式中：v1為直線運(yùn)動(dòng)速度；ω為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

自動(dòng)導(dǎo)引車整車直線運(yùn)動(dòng)部件等效換算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[J]為:

(5)

對(duì)于自動(dòng)導(dǎo)引車通過(guò)伺服電機(jī)直接帶動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)輪片行走的結(jié)構(gòu)，有:

[JL]=mr2+JL2

(6)

式中：r為驅(qū)動(dòng)輪片半徑。

旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL2實(shí)際僅為減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL0,因此單驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL為:

JL=JL1/N+JL0=mr2/N+JL0

(7)

減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL0可通過(guò)減速機(jī)樣本進(jìn)行查詢。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有影響。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性越好。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大,系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)越大,響應(yīng)越慢,影響伺服精度和響應(yīng)速度。適當(dāng)增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，只在改善低速爬行時(shí)有利。自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)的負(fù)載等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量需和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相匹配,不同的系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配原則不同,但多數(shù)情況下均要求電機(jī)輸出軸等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM的比值小于10,自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一般按JL/JM不大于4來(lái)匹配。

6 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)導(dǎo)引車輪系設(shè)計(jì)時(shí),首先確定使用功能及整車負(fù)載,然后按承載力確定輪系結(jié)構(gòu)，并布局驅(qū)動(dòng)輪組與隨動(dòng)輪組的空間位置。按自動(dòng)導(dǎo)引車參數(shù)匹配驅(qū)動(dòng)輪組伺服電機(jī)及輪徑等,完成驅(qū)動(dòng)輪組的選型,最終完成自動(dòng)導(dǎo)引車輪系的設(shè)計(jì)。