物流园区AGV车体框架结构设计.docx

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物流园区AGV车体框架结构设计

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

Abstract

WiththecontinuousdevelopmentofChina'sreformandopeningup,China'seconomicconstructionandtechnologyapplicationshavebeenhigh-speedandstabledevelopment,automatictractorhasbeeamanufacturingandlogisticsindustryessentialessentialequipment,automatictractorcanbedividedintolatenttractorsAndforklifttractortwo,forklifttractorisusuallythroughthetailofthecarbodytoachievethetractionofgoods,soitsworkneedtotakeupalotofspace,andlatenttractorsjusttooverethistechnologyDifficulttosneakintothebottomofthegoodstoattractthegoods,tomoreconvenientandquicktopletethetask.

Thelatenttractorislowerandsmallerthantheforklifttractorchassis,makingiteasiertouseon-siteandcargo.Thispaperpresentsadesignschemeoflatenttractorwithhighstructure,goodmaneuverabilityandhighstability.TheschemeanalyzestheautomatictractortechnologyandanalyzestheoverallperformanceandbodystructureofthecarDesignandimprovementoftheperformanceofthevehicle,therationalarrangementofitsmainframeandsub-frame,latenttractorasanewtypeofautomatictractor,thisfurtherstudycannotbeignored.

Keywords:

AutomaticGuidedVehicle,motionperformance,brakingsystem

1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ROP,Remotec公司的MINIAndros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-alizedFiniteElementMethod）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

2.1AGV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。

2.2AGV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AGV

AGV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。

2.3AGV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/ πD

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/（π*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=700×75/1000=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=0.4083KW≈0.4KW

电动机所需的功率：