徐恒才， 李鷺揚(yáng)

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225127）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，AGV開(kāi)始廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，提升機(jī)構(gòu)作為AGV不可或缺的一部分，發(fā)揮著極其重要的作用。提升機(jī)構(gòu)與AGV是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，所以對(duì)提升機(jī)構(gòu)的尺寸和穩(wěn)定性有所要求。現(xiàn)有機(jī)構(gòu)中，AGV提升機(jī)構(gòu)普遍具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自身質(zhì)量較大、穩(wěn)定性弱等缺點(diǎn)，為了解決這些問(wèn)題，剪叉提升機(jī)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)入人們的視野[1]，但是一些剪叉式的提升機(jī)構(gòu)在提升的時(shí)候載物板的重心會(huì)發(fā)生偏移，向一端轉(zhuǎn)移，因此不適合質(zhì)量分布不均的載物場(chǎng)合；還有一些剪式提升機(jī)構(gòu)中雖然解決了重心偏移的問(wèn)題，但是驅(qū)動(dòng)單元是伴隨提升機(jī)構(gòu)升降的，這就意味著升降機(jī)構(gòu)在舉升的同時(shí)還要承載電動(dòng)機(jī)的重力，并且電動(dòng)機(jī)隨升降機(jī)構(gòu)升降就意味著電動(dòng)機(jī)的線路也要隨之上下運(yùn)動(dòng)，這樣對(duì)電路損壞極大；提升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)單元采用液壓或者電缸，這就導(dǎo)致提升機(jī)構(gòu)會(huì)比較大、比較笨重，從而導(dǎo)致AGV整體尺寸變大，不適合在AGV上應(yīng)用；其他一些提升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于后期維護(hù)。

針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種剪叉式AGV提升機(jī)構(gòu)，包括固定底板、兩個(gè)升降組件、升降板和驅(qū)動(dòng)部件，解決了結(jié)構(gòu)復(fù)雜不可靠的技術(shù)難題，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，具有廣闊的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)和前景。本文利用SolidWorks軟件進(jìn)行參數(shù)建模，并通過(guò)仿真軟件ADAMS和ANSYS Workbench進(jìn)行虛擬仿真分析，得到相關(guān)技術(shù)參數(shù)，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考和數(shù)據(jù)支持[2]。

1 仿真虛擬樣機(jī)的建立

1.1 模型建立與簡(jiǎn)化

本研究設(shè)計(jì)的AGV剪叉式升降機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)如下：舉升托板尺寸為500 mm×300 mm，提升高度行程至少為80 mm，剪支桿長(zhǎng)為200 mm，采用SolidWorks軟件建立模型。將舉升托板的上表面至車架底板的上表面的距離調(diào)至140 mm，將裝配好的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中。

1.2 定義特征

將簡(jiǎn)化之后的機(jī)構(gòu)，絲桿螺母的材料定義為軸承鋼，密度為7.81 g/cm3，其它材料全部設(shè)置為鋁合金，密度為2.74 g/cm3。AGV最大負(fù)載為100 kg，定義整個(gè)環(huán)境為理想狀態(tài)，在舉升托板的幾何中心施加一個(gè)豎直向下100 kg的載荷。利用布爾和操作將車架底板、升降組件、滑軌組件、升降托板合為一體，然后根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副及約束。

圖1 升降機(jī)構(gòu)三維模型圖

2 剪叉升降機(jī)構(gòu)仿真分析

2.1 升降機(jī)構(gòu)絲桿螺母和托板運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

2.1.1 添加驅(qū)動(dòng)

定義仿真的剪叉式升降機(jī)構(gòu)托板上升和下降過(guò)程的行程至少為80 mm，為了更好地模擬仿真其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，定義升降托板運(yùn)動(dòng)過(guò)程為：0～1 s加速，1～4 s勻速，4～5 s減速，最大速度即勻速階段設(shè)置為20 mm/s，整個(gè)上升過(guò)程時(shí)間為5 s，現(xiàn)對(duì)托板升起過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，設(shè)置運(yùn)動(dòng)函數(shù)為

2.1.2 仿真分析

運(yùn)行仿真使升降機(jī)構(gòu)上升到工作高度并停止，得仿真變化曲線圖，如圖2～圖5所示。

圖2 升降托板行程

圖4 升降機(jī)構(gòu)絲桿螺母前進(jìn)速度變化曲線

圖5 升降機(jī)構(gòu)絲桿螺母運(yùn)動(dòng)加速度變化曲線

從圖2中得出托板的運(yùn)行高度軌跡為141.4545～221.4545 mm，行程為80 mm，符合設(shè)計(jì)要求。從圖4可以看出，升降機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中絲桿螺母帶動(dòng)推桿前進(jìn)的速度不斷增加，在4.1 s左右達(dá)到峰值37.7043 mm/s，結(jié)合圖5加速度曲線圖可以看出，在0～4 s之間（即加速和勻速階段），螺母最大加速度為20.2167 mm/s2，4～5 s減速階段達(dá)到減速峰值66.2602 mm/s2，符合實(shí)際工況。

此仿真得到了升降機(jī)構(gòu)絲桿的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可以得到電動(dòng)機(jī)所需的轉(zhuǎn)速，最終得到升降機(jī)構(gòu)所需的控制程序。圖3表示設(shè)定的初始條件，可以確定軟件在初始條件設(shè)置的step函數(shù)的正確性。通過(guò)Adams仿真分析得到絲桿螺母的前進(jìn)速度（如圖4），從而可以間接通過(guò)公式計(jì)算出絲桿的轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式為

式中：V為絲桿轉(zhuǎn)速；V1為絲桿螺母速度；d為絲桿導(dǎo)程。

得到絲桿的轉(zhuǎn)速，即可根據(jù)齒形帶的傳送比確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可以根據(jù)以上數(shù)據(jù)信息得到升降機(jī)構(gòu)控制程序。

2.1.3 確定絲桿轉(zhuǎn)速

在上述的仿真中已經(jīng)得到絲桿螺母的前進(jìn)速度曲線，現(xiàn)定義絲桿的導(dǎo)程d為4 mm。得到絲桿的轉(zhuǎn)速曲線，如圖6所示。

圖6 絲桿轉(zhuǎn)速曲線

由圖6升降機(jī)構(gòu)絲桿的轉(zhuǎn)速曲線，即可得到升降機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而獲取控制程序所需的數(shù)據(jù)參數(shù)，完成升降機(jī)構(gòu)的整體控制，計(jì)算公式為

式中：n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；n1為絲桿轉(zhuǎn)速；i為傳動(dòng)比。

2.2 升降機(jī)構(gòu)受力分析

2.2.1 添加驅(qū)動(dòng)

運(yùn)用Adams中motion調(diào)用外規(guī)劃數(shù)據(jù)SPLINE驅(qū)動(dòng)，將已經(jīng)仿真出的絲桿螺母運(yùn)動(dòng)速度變化曲線導(dǎo)入到Adams中作為螺母運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)。

2.2.2 仿真分析

仿真獲得導(dǎo)軌耳座、固定耳座、兩者間角度α變化的曲線圖，如圖7～圖11所示。

根據(jù)圖7可以看出，升降機(jī)構(gòu)的推桿在初期水平受力最大為460.85 N，隨著托板的上升推力逐漸減弱，最終達(dá)到95.64 N，這為絲桿螺母副和電動(dòng)機(jī)的選型、推桿的安裝方式提供了依據(jù)。圖8和圖9表示的是導(dǎo)軌耳座和固定耳座在垂直方向所受的力，從圖中可以看出，在0～2.5 s期間，兩者受力趨于平穩(wěn)，分別在300 N和40 N附近，到2.5 s開(kāi)始出現(xiàn)突變，在3.7 s分別達(dá)到最大最小值，這為優(yōu)化升降剪支機(jī)構(gòu)提供了參考依據(jù)。圖10表示的是導(dǎo)軌耳座豎直方向的受力隨角度α變化的曲線，可以看出α=91°時(shí)受力最大為298.2547 N，在α=70°時(shí)受力最小為188.4809 N。圖11表示的是其水平方向所受的力與其角度變化，隨著時(shí)間的增加，水平受力在逐漸減小。圖10和圖11仿真結(jié)果符合實(shí)際工況，將每個(gè)α角度、導(dǎo)軌耳座受力情況表達(dá)出來(lái)，可以為導(dǎo)軌、滑塊和推桿的設(shè)計(jì)、選型和優(yōu)化提供直觀的數(shù)據(jù)支持。

圖7 導(dǎo)軌耳座X軸受力變化曲線圖

圖8 導(dǎo)軌耳座Y軸受力變化曲線圖

圖9 固定耳座Y軸受力變化曲線圖

圖10 導(dǎo)軌耳座Y軸受力隨角度α變化曲線圖

圖11 導(dǎo)軌耳座X軸受力與角度α隨時(shí)間變化曲線圖

3 升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部件有限元仿真

3.1 材料屬性的定義與網(wǎng)格的劃分

將升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件的三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中，建立新材料軸承鋼GCr15，其材料參數(shù)為：彈性模量為219 GPa，泊松比為0.3，密度為7.81 g/cm3，屈服強(qiáng)度為518.42 MPa。

3.2 靜力學(xué)仿真

根據(jù)實(shí)際工況，在模擬部件添加相應(yīng)的約束條件。根據(jù)前文2.2節(jié)中的受力分析得到推桿兩端水平受力為460.85 N，由受力平衡條件在螺母內(nèi)孔壁施加一個(gè)反向作用力，力的大小為921.7 N。得到求解的云圖，如圖12～圖16所示。

圖12 總變形

圖13 等效應(yīng)變

圖14 等效應(yīng)力

圖15 最大主應(yīng)力

圖16 最大剪切應(yīng)力

根據(jù)圖12所示云圖，得出最大變形量為6.2659×10-2mm，發(fā)生在推桿的中心位置；最大等效應(yīng)變?yōu)?.6543×10-4mm（如圖13），最大等效應(yīng)力為38.551 MPa（如圖14），最大主應(yīng)力為34.875 MPa（如圖15），最大剪切應(yīng)力為20.892 MPa（如圖16），都發(fā)生在推桿兩端單獨(dú)一處螺紋孔處，其次應(yīng)力大小的位置在導(dǎo)軌滑塊上表面與推桿的接觸位置周圍，對(duì)應(yīng)力最大點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：[δ]為許用應(yīng)力；δ1為極限應(yīng)力值；n為安全系數(shù)。

因?yàn)閷?dǎo)軌滑塊產(chǎn)生的摩擦力很小，可以忽略不計(jì)，為了避免其影響，更好地保證強(qiáng)度要求，現(xiàn)取安全系數(shù)為2。由于最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力[δ]=δ1/2=259.21 MPa,所以模擬的機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求[5]。

通過(guò)對(duì)升降機(jī)構(gòu)的力學(xué)仿真，可以通過(guò)仿真后的求解云圖很直觀地得到仿真部件的最大受力點(diǎn)和最大變形點(diǎn)，即危險(xiǎn)點(diǎn)，并可以通過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)計(jì)算判斷機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度特性，為機(jī)構(gòu)初期的設(shè)計(jì)和后期的優(yōu)化起到了關(guān)鍵作用。

4 結(jié)語(yǔ)

利用SolidWorks建模和ADAMS、ANSYS Workbench軟件對(duì)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，在保證升降拖板設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，仿真計(jì)算出此升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化所需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，模擬仿真結(jié)果與實(shí)際工況一致。通過(guò)仿真分析，得到每組剪支桿之間豎直方向的角度在42.07°～121.46°之間變化，絲桿螺母最大前進(jìn)速度37.7043 mm/s，導(dǎo)軌耳座豎直方向最大受力為298.25 N, 水平最大受力460.85 N。推桿最大變形量為5.4001×10-2mm，最大應(yīng)力為34.93 MPa，危險(xiǎn)點(diǎn)發(fā)生在推桿兩端單獨(dú)一處螺紋孔處，其次是在導(dǎo)軌滑塊上表面與推桿的接觸位置邊緣周圍。整個(gè)仿真過(guò)程可作為絲桿螺母副和電動(dòng)機(jī)的選型、升降機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考與依據(jù)，同時(shí)可以為升降機(jī)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度分析提供數(shù)據(jù)支持。