基于食品工業(yè)的爬升貨架AGV攀爬裝置

曹沖振，明超，王鳳芹*，梁世友

1. 山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院（青島 266590）；2. 山東科技大學(xué)交通學(xué)院（青島 266590）

在現(xiàn)代社會(huì)中，人們對(duì)食品的需求越來(lái)越大，食品工業(yè)的迅速發(fā)展也為食品物流行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇[1]，食品需要快速準(zhǔn)確地完成輸送與倉(cāng)儲(chǔ)。目前在食品行業(yè)，一般利用堆垛機(jī)或穿梭車(chē)存取立體貨架上的食品[2-5]，并由AGV（自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)）或輸送線(xiàn)輸送食品，由于AGV行走線(xiàn)路柔性可修改，其逐漸成為應(yīng)用廣泛的自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備[6-8]。一般地，AGV只能在路面行走，不能爬升貨架直接存取食品，需要堆垛機(jī)或穿梭車(chē)配合存取食品。但在這種方式下食品的存取路線(xiàn)較長(zhǎng)，AGV等待時(shí)間較長(zhǎng)。通常在單個(gè)巷道內(nèi)只配有一臺(tái)堆垛機(jī)，當(dāng)堆垛機(jī)發(fā)生故障后，立體倉(cāng)庫(kù)便無(wú)法正常運(yùn)行，導(dǎo)致倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的冗余性較低。如果AGV能夠直接爬升貨架取存食品，就可以不需要堆垛機(jī)或穿梭車(chē)，同時(shí)省去AGV等待取存食品的時(shí)間。

謝明[9]提出了一種可爬升貨架的穿梭車(chē)的思想，沒(méi)有具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。覃文飛[10]設(shè)計(jì)了一款可爬升貨架的AGV，該AGV的攀爬裝置利用齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)伸縮，兩根齒條同時(shí)向兩側(cè)伸縮相同長(zhǎng)度，沒(méi)有考慮AGV定位誤差，導(dǎo)致攀爬裝置與爬升軌道不能同時(shí)正常嚙合，AGV爬升時(shí)的穩(wěn)定性較差。由于國(guó)內(nèi)研究較少，因此開(kāi)展與該攀爬裝置有關(guān)的研究非常必要，將探求一種合理的雙側(cè)爬升貨架的AGV方案，并闡述該AGV攀爬裝置的工作原理、詳細(xì)結(jié)構(gòu)、調(diào)控策略及動(dòng)力學(xué)等。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 AGV機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

雙側(cè)爬升貨架AGV機(jī)械系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)包括存儲(chǔ)貨架、爬升軌道和AGV，爬升軌道固定在存儲(chǔ)貨架的立柱上。

根據(jù)AGV應(yīng)用場(chǎng)景及功能要求，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將AGV整體結(jié)構(gòu)分為底盤(pán)裝置、移載裝置和攀爬裝置三部分，如圖2所示。為保證AGV平穩(wěn)移動(dòng)到指定位置，AGV需采用常見(jiàn)的六輪輪系的行走方式，AGV在巷道中有前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作?？紤]到AGV不能精確定位到巷道中間，因此應(yīng)在AGV左右兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)攀爬裝置，兩側(cè)的攀爬裝置獨(dú)立伸縮，為保證安全性和穩(wěn)定性，兩側(cè)的攀爬裝置要同步爬升。AGV爬升貨架時(shí)，攀爬裝置與爬升軌道需要嚙合傳動(dòng)，由于攀爬裝置在工作時(shí)存在誤差，選擇了對(duì)位置精度要求較低的鏈傳動(dòng)進(jìn)行爬升[11]。最后，當(dāng)AGV通過(guò)爬升軌道移動(dòng)到存儲(chǔ)食品的貨格時(shí)，采用常見(jiàn)的伸叉式移載裝置進(jìn)行食品的存取作業(yè)[12-13]。

圖1 雙側(cè)爬升貨架AGV機(jī)械系統(tǒng)

圖2 AGV結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作過(guò)程

AGV的控制中心接收到食品存取信號(hào)進(jìn)入到底盤(pán)裝置，帶有自主導(dǎo)航系統(tǒng)的AGV先是在底盤(pán)裝置的移動(dòng)下按照預(yù)先設(shè)置的路徑自動(dòng)行駛，到達(dá)存儲(chǔ)貨架之間的指定位置，然后利用二維碼與慣性導(dǎo)航結(jié)合的方式對(duì)位置進(jìn)行校正。在控制系統(tǒng)的控制下，左右兩側(cè)的攀爬裝置分別向車(chē)身的兩側(cè)展開(kāi)，當(dāng)兩側(cè)的攀爬裝置與分別爬升軌道嚙合后，左右兩側(cè)的攀爬裝置同時(shí)爬升，帶動(dòng)AGV沿著爬升軌道移動(dòng)到指定的貨格。最后，控制中心發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)伸叉式移載裝置完成存取作業(yè)。

1.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

料箱大小為300 mm×200 mm×148 mm，巷道間距為460 mm，爬升貨架AGV的質(zhì)量小于60 kg，料箱（食品）質(zhì)量小于20 kg，平地運(yùn)行速度為1.5 m/s，平地運(yùn)行加速度為1.0 m/s2，AGV最大爬坡角度為5°；攀爬裝置單側(cè)最大伸縮量為60 mm，攀爬裝置伸縮速度為0.1 m/s，攀爬裝置伸縮加速度為0.1 m/s2，豎直方向運(yùn)行速度為1.0 m/s，豎直方向運(yùn)行加速度為1.0 m/s2；移載裝置最大伸縮量為400 mm，移載裝置伸縮速度為0.8 m/s，移載裝置伸縮加速度為0.8 m/s2。

2 攀爬裝置

底盤(pán)裝置和移載裝置應(yīng)用廣泛且技術(shù)趨于成熟，這里重點(diǎn)分析攀爬裝置。

2.1 方案設(shè)計(jì)

兩側(cè)的攀爬裝置可以根據(jù)AGV的定位，自主決定伸縮的長(zhǎng)度，為保證左右兩側(cè)的鏈輪鏈條正常嚙合，攀爬裝置需要兼具伸縮與爬升的功能，攀爬裝置原理圖如圖3所示。

圖3 攀爬裝置原理圖

伸縮原理：攀爬裝置由收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)的過(guò)程中，伸縮同步帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)工作，齒條可以實(shí)現(xiàn)水平方向的向外移動(dòng)，與齒條固定的爬升同步帶機(jī)構(gòu)和鏈輪同步移動(dòng)，直至鏈輪與鏈條嚙合。攀爬裝置由伸展?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s狀態(tài)的過(guò)程中，伸縮同步帶機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)，傳動(dòng)原理與上述過(guò)程相同。

爬升原理：在鏈輪與鏈條嚙合的狀態(tài)下，當(dāng)攀爬裝置處于爬升狀態(tài)時(shí)，爬升同步帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于鏈條固定不動(dòng)，鏈輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)锳GV的直線(xiàn)向上移動(dòng)。當(dāng)攀爬裝置處于下降狀態(tài)時(shí)，爬升同步帶機(jī)機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)，傳動(dòng)原理與上述過(guò)程相同。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以左側(cè)攀爬裝置為例，結(jié)構(gòu)如圖4所示。伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接具有自鎖功能的NMRV減速器，可以使攀爬裝置承受外部負(fù)載。NMRV減速器通過(guò)伸縮同步帶機(jī)構(gòu)與伸縮驅(qū)動(dòng)軸相連。伸縮驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)端蓋軸承固定，伸縮驅(qū)動(dòng)軸兩端分別安裝有齒輪齒條機(jī)構(gòu)，其中，齒條通過(guò)螺栓與U字型的支架連接固定，并與安裝在伸縮驅(qū)動(dòng)軸兩側(cè)的齒輪嚙合傳動(dòng)。支架上下兩側(cè)均安裝了滑塊導(dǎo)軌裝置。

爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)底部安裝了滑塊導(dǎo)軌裝置，為了使爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)與其他移動(dòng)部件同步移動(dòng)，爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)底部的滑塊與其中一端的支架通過(guò)剛性連接件固定。爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)與爬升驅(qū)動(dòng)軸經(jīng)爬升同步帶機(jī)構(gòu)連接，爬升驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)帶座軸承固定在伸縮驅(qū)動(dòng)軸兩端的支架上。爬升驅(qū)動(dòng)軸的兩側(cè)均設(shè)置有與爬升軌道嚙合傳動(dòng)的鏈輪。支架的左右兩側(cè)均安裝了螺栓軸承，對(duì)攀爬裝置具有導(dǎo)向與校正作用，當(dāng)螺栓軸承的圓柱面與貨架立柱外側(cè)相切時(shí)，鏈輪鏈條實(shí)現(xiàn)嚙合。支架上安裝了激光測(cè)距傳感器，檢測(cè)螺栓軸承到鏈條固定面的距離，通過(guò)檢測(cè)距離控制攀爬機(jī)構(gòu)伸縮的長(zhǎng)度。選擇伺服電機(jī)作為爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)電機(jī)的自鎖功能使AGV在指定位置靜止并保證移載裝置順利完成存取作業(yè)。

圖4 左側(cè)攀爬裝置

2.3 攀爬裝置調(diào)控

AGV首先通過(guò)識(shí)別二維碼中的坐標(biāo)信息進(jìn)行誤差校正，定位誤差校正原理圖如圖5所示。其中：（0, 0）代表理想定位位置；（δ1,δ2）代表實(shí)際定位位置；α代表角度定位精度誤差，|α|=0.2°；δ1代表橫向定位精度誤差，|δ1|≤2 mm；δ2代表縱向定位精度誤差，即AGV在巷道中前進(jìn)方向誤差，|δ2|≤2 mm。由于橫向定位精度誤差可由左右兩側(cè)獨(dú)立伸縮的攀爬裝置彌補(bǔ)，因此只需考慮縱向定位精度誤差。AGV通過(guò)識(shí)別二維碼中的坐標(biāo)信息校正位姿后，攀爬裝置開(kāi)始伸縮，當(dāng)攀爬裝置伸縮時(shí)，在螺栓軸承上方的支架上的激光測(cè)距傳感器開(kāi)始檢測(cè)螺栓軸承距鏈條固定面的距離，測(cè)距原理圖如圖6所示。其中：l1代表貨架立柱凹槽深度，l1=32 mm；d1代表螺栓軸承外徑，d1=30 mm；lx為激光測(cè)距傳感器的測(cè)量值。當(dāng)lx=l1+d1/2時(shí)，攀爬裝置停止伸縮。激光測(cè)距傳感器選用CD33-50N-422，測(cè)量范圍為（50±10）mm，分辨率為45 μm，精度±0.5 mm。攀爬機(jī)構(gòu)調(diào)控策略如圖7所示。

圖5 定位誤差校正原理圖

圖6 測(cè)距原理圖

圖7 攀爬裝置調(diào)控策略

3 攀爬裝置動(dòng)力學(xué)分析

通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算攀爬裝置正常工作時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩，為攀爬裝置的電機(jī)選型與運(yùn)動(dòng)控制提供理論依據(jù)[14-16]。攀爬裝置的工作過(guò)程分為伸縮過(guò)程和爬升過(guò)程。伸縮過(guò)程中，攀爬裝置的可移動(dòng)部件主要是克服滑塊與導(dǎo)軌之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)伸縮，摩擦力較小。經(jīng)分析可知，伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需電機(jī)功率很小，電機(jī)選型簡(jiǎn)單，這里重點(diǎn)分析爬升過(guò)程。

在加速爬升過(guò)程中，對(duì)AGV進(jìn)行受力分析，如圖8所示。

圖8 爬升過(guò)程受力分析圖

列平衡方程：

式中：m1為AGV質(zhì)量，kg；m2為料箱（食品）質(zhì)量，kg；F1和F2分別為左右兩側(cè)鏈條對(duì)單個(gè)鏈輪豎直作用力，N；L1為矩心A到AGV重心的水平間距，mm；L2為左右貨架間的水平間距，mm；h1為矩心到重心的豎直間距，mm；g為重力加速度，m/s2；a1為小車(chē)爬升時(shí)加速度，m/s2；TL1為鏈輪轉(zhuǎn)矩，N·m；d2為鏈輪分度圓直徑，mm；TL1為鏈輪輪轉(zhuǎn)矩，N·m；T1為主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)矩，N·m；i1為爬升同步帶機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比；?1為同步帶傳遞效率。其中，m1=60 kg，m2=20 kg，L1=225.5 mm，L2=460 mm，h1=35.2 mm，g=9.8 m/s2，a1=1 m/s2，d2=70 mm。i1=1，?1=0.98。求得：T1=16.7 N·m。

利用Solidworks中的motion插件對(duì)整個(gè)爬升過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證，對(duì)三維模型檢查無(wú)干涉，添加各部件材料屬性，以step（TIME，0，0，1，1 637.85）函數(shù)的形式對(duì)兩個(gè)主動(dòng)爬升帶輪添加驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，對(duì)鏈輪鏈條等部件添加實(shí)體接觸，添加重力、摩擦力，仿真結(jié)果如圖9所示。馬達(dá)力矩一直穩(wěn)定在16 804 N·mm左右，經(jīng)單位換算后，可知其計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。除去突變點(diǎn)，考慮到鏈輪鏈條嚙合過(guò)程中存在振蕩等因素，選擇最高點(diǎn)20 N·m作為電機(jī)選型依據(jù)，爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用無(wú)刷直流伺服電機(jī)60M-01930C5-E，電機(jī)額定功率為600 W，額定轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1.91 N·m，選用5GU12.5K減速器，減速比為12.5，既能保證驅(qū)動(dòng)能力又能保證爬升速度。

圖9 扭矩變化曲線(xiàn)

4 樣機(jī)試驗(yàn)

完成對(duì)AGV的建模、計(jì)算及仿真之后，制作AGV樣機(jī)，如圖10所示。結(jié)果表明，攀爬裝置能夠?qū)崿F(xiàn)AGV爬升貨架的功能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足攀爬裝置性能要求。

圖10 樣機(jī)圖

5 結(jié)論

為解決現(xiàn)有食品倉(cāng)儲(chǔ)物流的弊端，設(shè)計(jì)了一款雙側(cè)爬升貨架的AGV。根據(jù)功能要求，對(duì)爬升貨架AGV進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并詳細(xì)分析了攀爬裝置的工作原理、詳細(xì)結(jié)構(gòu)與調(diào)控策略?；趧?dòng)力學(xué)分析對(duì)攀爬裝置中的爬升過(guò)程進(jìn)行了理論計(jì)算，并利用motion軟件對(duì)攀爬裝置的爬升過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性，并根據(jù)扭矩的最大值，對(duì)攀爬裝置的爬升驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，使其滿(mǎn)足功能需求。對(duì)AGV進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明，雙側(cè)爬升貨架AGV設(shè)計(jì)方案具有可行性。該AGV運(yùn)動(dòng)性能良好，可直接存取存儲(chǔ)貨架上的食品，適用于食品物流倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域。該設(shè)計(jì)為現(xiàn)有食品智能倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域提供了一種新的倉(cāng)儲(chǔ)方案。