RGV無(wú)人搬運(yùn)小車結(jié)構(gòu)與電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

王 仿，孫安欣，王磊磊，郝道爭(zhēng)，李中凱

（1.徐州考拉機(jī)器人科技有限公司，江蘇 徐州 221008；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

對(duì)企業(yè)車間廠房的物料搬運(yùn)及輸送路線進(jìn)行恰當(dāng)?shù)囊?guī)劃，可以顯著減少生產(chǎn)物料的搬運(yùn)成本[1]，而合適的物料搬運(yùn)工具能夠改善企業(yè)生產(chǎn)的總收益。軌道導(dǎo)引無(wú)人運(yùn)輸車（RGV）是物料搬運(yùn)的重要工具[2]，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方式影響著運(yùn)輸效率，為此，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。

為保障無(wú)人運(yùn)輸車輸送效率，有的學(xué)者專注于運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。朱濤等[3]設(shè)計(jì)了一種有軌制導(dǎo)無(wú)人車輛，并詳細(xì)闡述了RGV小車整個(gè)單機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算。王禮建、楊冬云等[4-5]通過(guò)設(shè)置雙傳動(dòng)鏈、增加齒輪調(diào)整機(jī)構(gòu)來(lái)消除驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)間隙，以此提高定位精度。另外，有學(xué)者通過(guò)研究無(wú)人運(yùn)輸車調(diào)度更合理來(lái)提高輸送效率。Dongyu等[6]利用遺傳算法建立物流模型，得出多個(gè)RGV的優(yōu)化調(diào)度方案；Ding C[7]創(chuàng)造性地將混沌粒子群優(yōu)化算法引入預(yù)見性步進(jìn)模型，并設(shè)計(jì)了多步處理機(jī)制。這些研究都能夠很好地解決運(yùn)輸車的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題。

本設(shè)計(jì)的基于軌道制導(dǎo)的無(wú)人平板運(yùn)輸車，在傳統(tǒng)的平板運(yùn)輸車車架底部增加了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)復(fù)雜的工作要求；并設(shè)計(jì)了手持式控制手柄，以滿足負(fù)載隨工作變化的要求；詳細(xì)地介紹了該運(yùn)輸車的整車基本結(jié)構(gòu)及電氣控制方法，為工廠輸送車的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了思路。

1 無(wú)人平板運(yùn)輸車整車結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整車結(jié)構(gòu)

RGV無(wú)人平板運(yùn)輸車基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：車架運(yùn)輸平臺(tái)、牽引裝置、緩沖器、回轉(zhuǎn)支承裝置、主從驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架、抱軸式減速器、直流牽引電動(dòng)機(jī)、輸送帶、車輪、軌道、蓄電池組、電氣控制箱以及各類螺栓螺釘和軸承等。

圖1 RGV無(wú)人平板運(yùn)輸整車結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

無(wú)人平板運(yùn)輸車分為硬件結(jié)構(gòu)和電氣控制兩方面。在硬件結(jié)構(gòu)中，利用鉛酸蓄電池和直流牽引電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，并通過(guò)帶傳動(dòng)和抱軸式減速器將動(dòng)力傳遞到車輪驅(qū)動(dòng)軸，以此來(lái)帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)運(yùn)輸車行駛。運(yùn)輸車的電機(jī)、減速器及車輪共同安裝于轉(zhuǎn)向架，構(gòu)成運(yùn)輸車的主驅(qū)動(dòng)，從動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與之類似。主、從動(dòng)驅(qū)動(dòng)通過(guò)回轉(zhuǎn)支承連接于車架底部，可在一定角度內(nèi)做轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)輸車駛?cè)霃澋罆r(shí)，車輪輪緣與軌道相互約束使其按照預(yù)定彎道自適應(yīng)轉(zhuǎn)向。運(yùn)輸車日常作業(yè)時(shí)行駛軌跡為直線；當(dāng)處于小彎道轉(zhuǎn)向時(shí)，通過(guò)駛?cè)腚妱?dòng)轉(zhuǎn)盤完成換軌；當(dāng)處于需要大半徑轉(zhuǎn)彎的特殊工況時(shí)，需要調(diào)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。在電氣控制方面，通過(guò)合理布置直流接觸器、按鈕、開關(guān)等電氣元件來(lái)達(dá)到控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)、從而完成運(yùn)輸車的前進(jìn)、后退和斷電停車等基本操作。

2 無(wú)人平板運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

RGV無(wú)人平板運(yùn)輸車面向工廠空地或大型車間內(nèi)使用，為滿足強(qiáng)度要求和運(yùn)輸功能的要求，其具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)

2.1 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

為了工作可靠及簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)形式選擇集中低速軸驅(qū)動(dòng)，且減速器安置在車架的中心軸線，并增加帶傳動(dòng)分擔(dān)總傳動(dòng)比，結(jié)構(gòu)如圖2所示。驅(qū)動(dòng)包括主驅(qū)動(dòng)及從動(dòng)驅(qū)動(dòng)，主驅(qū)動(dòng)由牽引蓄電池組、直流牽引電動(dòng)機(jī)、抱軸式減速器等組成，并通過(guò)地腳螺栓緊固在主轉(zhuǎn)向架下平板。其中，蓄電池采用標(biāo)準(zhǔn)牽引專用鉛酸電池D-180型；驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用XQ-0.75-3型直流牽引電機(jī)；抱軸式減速器采用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。動(dòng)驅(qū)動(dòng)是一塊具有與主轉(zhuǎn)向架相同回轉(zhuǎn)支承的安裝凸緣的鋼板。

圖2 RGV無(wú)人平板運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖3 RGV無(wú)人平板運(yùn)輸車抱軸式減速器

2.2 行走結(jié)構(gòu)

如圖4所示，行走機(jī)構(gòu)包括行走輪組件行走輪、軸承、車輪主軸、端蓋套筒等。為了滿足支撐剛度要求且防止發(fā)生脫軌，本文選用單輪緣軌道車輪，型號(hào)為DL-315×120；為減小回轉(zhuǎn)工作阻力，簡(jiǎn)化維修更和裝配步驟，選用32210的圓錐滾子軸承來(lái)支承四個(gè)車輪；車輪主軸軸頸取決于車輪安裝尺寸，其軸向固定方式為端蓋、通蓋、套筒和鎖緊螺母。

圖4 RGV無(wú)人平板運(yùn)輸車行走機(jī)構(gòu)

2.3 車架結(jié)構(gòu)

車架由凸緣、牽引裝置、吊裝孔、懸架等組成。其中，凸緣用于安裝主驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架、從動(dòng)轉(zhuǎn)向架及緩沖器；懸架用于放置電氣控制箱及蓄電池組,如圖5所示?？紤]到生產(chǎn)成本和制造復(fù)雜度等因素，車架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均采用標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的型材和鋼板，且采用法蘭盤式聚氨酯緩沖器。

圖5 RGV無(wú)人平板運(yùn)輸車車架機(jī)構(gòu)

2.4 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

運(yùn)輸車支撐方式采用單排四點(diǎn)接觸式支承，型號(hào)為01.20.280，并通過(guò)18個(gè)A級(jí)外六角螺栓（M14×70）將其固定在車架底部的凸緣上。轉(zhuǎn)向架通過(guò)回轉(zhuǎn)支承與車架連接，當(dāng)駛?cè)霃澋罆r(shí)，車輪與軌道的相互作用使主、從動(dòng)驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)支承發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而滿足運(yùn)輸車自適應(yīng)轉(zhuǎn)向。

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制

3.1 硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人平板運(yùn)輸車的搬運(yùn)功能及保障操作人員的安全，本文設(shè)計(jì)了有線控制手柄及電氣控制箱，如圖6所示，并利用直流接觸器、行程開關(guān)、熔斷器、熱繼電器、按鈕開關(guān)等電氣元件控制運(yùn)輸車前進(jìn)、后退、斷電停車等動(dòng)作。其中，控制手柄上設(shè)計(jì)有“前進(jìn)”“后退”“停車”三個(gè)按鈕，電氣控制箱門上設(shè)置指示燈和急停按鈕。

圖6 RGV無(wú)人平板運(yùn)輸車電氣硬件設(shè)計(jì)

3.2 控制原理

所設(shè)計(jì)的運(yùn)輸車通過(guò)電氣元件的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的控制功能，主電路如圖7所示。電源兩極經(jīng)空氣開關(guān)QF、熔斷器FU和輔助觸點(diǎn)KM與電機(jī)相連進(jìn)行供電；總開關(guān)QF位于電池出口；為了保障行使安全，在空氣開關(guān)后設(shè)置了熔斷器，可以在大電流時(shí)自動(dòng)熔斷。通過(guò)控制輔助觸點(diǎn)KM1和KM2的閉合狀態(tài)來(lái)改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，從而改變運(yùn)輸車行駛方向。在熔斷器與輔助觸點(diǎn)之間接入控制電路，以此來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)通斷電情況。

圖7 RGV無(wú)人平板運(yùn)輸車主電路

電氣元件實(shí)際布置如圖8所示。為方便工作人員隨車作業(yè)和緊急停車，將停止按鈕SE1、正轉(zhuǎn)按鈕SB02和反轉(zhuǎn)按鈕SB03布置在控制手柄上；將急停按鈕SE2和電源指示燈L設(shè)置在電氣控制箱門上；越位開關(guān)SQ1、SQ2位于運(yùn)輸車所能到達(dá)軌道的極限位置；限位開關(guān)SQ3、SQ4布置在運(yùn)輸車前進(jìn)和后退行駛的正確停車位置。電氣控制箱裝載剩余電氣元件。

圖8 RGV無(wú)人平板運(yùn)輸車電氣元件實(shí)際布置

4 平板車運(yùn)行圖

結(jié)合圖9，說(shuō)明所設(shè)計(jì)無(wú)人平板運(yùn)輸車運(yùn)行原理及過(guò)程。AC段為作業(yè)軌道，A、C分別為前進(jìn)及后退的停止點(diǎn)，分別布置行程開關(guān)SQ3、SQ4；AB及CD為停車范圍，B、D兩點(diǎn)分別布置SQ1、SQ2。閉合空氣開關(guān)QF、QF1、QF2及接觸器KM，運(yùn)輸車通電，電源指示燈L亮起。因運(yùn)輸車前進(jìn)后退運(yùn)行原理相似，所以以前進(jìn)為例說(shuō)明。按下SB02，電機(jī)正轉(zhuǎn)，運(yùn)輸車前進(jìn)，行使至A點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)行程限位開關(guān)SQ3，KM1失電，電機(jī)停止作業(yè)，運(yùn)輸車停車。

圖9 無(wú)人平板運(yùn)輸車運(yùn)行示意圖

5 結(jié)論

本研究的RGV無(wú)人平板運(yùn)輸車為企業(yè)工廠車間的物料搬運(yùn)工具提供了新的選擇，也為提高企業(yè)生產(chǎn)率和減少生產(chǎn)成本提供了新的突破方向。