王 茜，王 琦，張立城，姜勇峰，曹曉悅，高欣欣

(1.哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院，山東 威海 264300；2.山東美晨工業(yè)集團(tuán)，山東 濰坊 262200)

0 引言

在“中國制造2025”工業(yè)發(fā)展背景下，一大批智能化、模塊化的高效工業(yè)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生[1]，隨之而來的是對(duì)控制精度、生產(chǎn)效率的更高要求，所以貨物運(yùn)輸效率作為生產(chǎn)效率的主要影響因素之一必然受到更高的重視。全方位行走AGV貨物搬運(yùn)車是高效快速運(yùn)輸方式的新寵，在加工、智能運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)方面有著優(yōu)良的表現(xiàn)，其市場(chǎng)前景非常廣闊[2，3]。

由《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》可知，2018年中國的AGV相關(guān)產(chǎn)品市場(chǎng)新增量已達(dá)到了2.96萬臺(tái)，相比較于2017年，實(shí)現(xiàn)了35%的增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)在未來5年內(nèi)，中國AGV機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到數(shù)百億元[4]。

1 全方位行走AGV貨物搬運(yùn)車整體設(shè)計(jì)思路

全方位行走AGV貨物搬運(yùn)車的整體設(shè)計(jì)思路為：在保證強(qiáng)度、剛度的前提下，實(shí)現(xiàn)AGV零轉(zhuǎn)彎半徑的全向移動(dòng)，且運(yùn)行平穩(wěn)可靠，同時(shí)將機(jī)構(gòu)優(yōu)化，最大程度上減輕機(jī)構(gòu)質(zhì)量、提高貨物搬運(yùn)的效率。在安全防護(hù)方面，本裝置增加了側(cè)部護(hù)板并做了邊緣除銳角工作，最大程度上避免硬性碰撞，將人身安全和設(shè)備安全做到最好保護(hù)；車身底部還配有開關(guān)門，便于電路的檢修以及電池的更換；控制系統(tǒng)、電源管理模塊、無線通信模塊、伺服電機(jī)以及配套的行星減速器均裝配于車體內(nèi)部，這樣在模塊化的基礎(chǔ)上又優(yōu)化了使用空間，同時(shí)也減輕了總體質(zhì)量，提高了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。AGV貨物搬運(yùn)車三維模型如圖1所示。

圖1 AGV貨物搬運(yùn)車 圖2 升運(yùn)機(jī)構(gòu)尺寸三維模型

2 升運(yùn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求及參數(shù)

考慮到具體的工作環(huán)境和設(shè)備的承載能力，對(duì)升運(yùn)機(jī)構(gòu)提出如下設(shè)計(jì)要求：

(1) 最大升起高度≥1 800 mm，最小回落高度≤500 mm。

(2) 平臺(tái)承載≥130 kg，設(shè)備自重≤100 kg。

(3) 在剪叉機(jī)構(gòu)起升過程中，推桿與剪叉臂之間不發(fā)生干涉。

(4) 推桿與剪叉臂的連接位置應(yīng)滿足推桿行程要求。

在如圖2所示的Oxy平面直角坐標(biāo)系中，影響電動(dòng)推桿安裝位置和鉸耳尺寸設(shè)計(jì)的參數(shù)[5]有：上、下鉸耳的長(zhǎng)度m和n，剪叉臂中心與上鉸耳的距離b，下鉸耳與剪叉臂中心距a，下鉸耳與剪叉臂之間的角度α，上鉸耳與剪叉臂之間的角度β，剪叉臂的長(zhǎng)度l。

升運(yùn)機(jī)構(gòu)的相關(guān)尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 升運(yùn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

升運(yùn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析就是得到剪叉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系，并分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的合理性[6]。由于升運(yùn)機(jī)構(gòu)的外載荷僅作用在節(jié)點(diǎn)上，則重點(diǎn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如從位移、速度和加速度三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行分析[7]。

2.2.1 正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

建立直角坐標(biāo)系Oxy，如圖3所示，坐標(biāo)原點(diǎn)O與第一級(jí)空間剪叉單元的頂點(diǎn)A0重合，通過計(jì)算Ai、Bi的運(yùn)動(dòng)特性，即可分析出其他各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。在剪叉機(jī)構(gòu)中設(shè)A0為固定點(diǎn)，由于整個(gè)結(jié)構(gòu)正交分布，為了研究方便，僅討論一個(gè)剪叉列上由B向A的直線運(yùn)動(dòng)。

圖3 正向運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)建立 圖4 逆向運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)建立

對(duì)升運(yùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，即已知推桿的運(yùn)動(dòng)，求輸出端豎直運(yùn)動(dòng)[8]。設(shè)組成剪叉單元的桿長(zhǎng)為l，初始條件為剪叉機(jī)構(gòu)完全收縮位置，即A0B0桿與x軸的初始夾角為0°。節(jié)點(diǎn)Bi向Ai直線運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)速度為v，推桿速度為v′，推桿與x軸夾角為θ，則有v=v′·cosθ。則Ai節(jié)點(diǎn)初始的坐標(biāo)位置，以矩陣的形式表示為：

Ai0=[0 0]T.

其中：Ai0表示Ai節(jié)點(diǎn)的初始坐標(biāo)，i=1,2,3,4。

則經(jīng)過時(shí)間t，第一級(jí)剪叉單元跨度和高度分別為：

Δl=l-vt.

(1)

(2)

節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置變?yōu)椋?/p>

(3)

用vx、vy表示慣性坐標(biāo)系Oxy中的速度分量，用ax、ay表示其在慣性坐標(biāo)系Oxy中的加速度分量。公式(3)兩邊對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)，可以得到速度方程，即節(jié)點(diǎn)Ai的速度為：

(4)

對(duì)式(4)求導(dǎo)可以得到加速度方程，即節(jié)點(diǎn)Ai的加速度為：

(5)

2.2.2 逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

逆向動(dòng)力學(xué)分析就是由剪叉桿輸出端的豎直運(yùn)動(dòng)得到輸入的水平運(yùn)動(dòng)。建立如圖4所示直角坐標(biāo)系。

已知Ai節(jié)點(diǎn)的y軸向直線速度為v，則B0節(jié)點(diǎn)初始坐標(biāo)位置為：

B0=[l0]T.

則經(jīng)過時(shí)間t，Ai的位移為：

Δh=vt.

(6)

第一級(jí)剪叉單元高度為：

Δh1=vt/ii=1,2,3,4.

(7)

則B0節(jié)點(diǎn)的位置變?yōu)椋?/p>

(8)

由式(8)分別求對(duì)時(shí)間t的一、二階導(dǎo)數(shù)，得B0的速度和加速度分別為：

(9)

(10)

2.2.3 分析結(jié)果

經(jīng)上述計(jì)算以及ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得出位移、速度和加速度相對(duì)于時(shí)間變化的曲線，如圖5所示，結(jié)果證明該升運(yùn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能良好。

圖5 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果

3 升運(yùn)機(jī)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化及鉸耳的有限元分析

3.1 建立模型

常見的優(yōu)化模型有兩種建立方法：

(1) 利用ANSYS有限元軟件中自帶的DM模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣可以將幾何特征完全導(dǎo)入優(yōu)化模塊，便于模型的優(yōu)化及后處理[9]。

(2) 用CREO等進(jìn)行三維建模，再另存為.x_t或.step等通用格式，同時(shí)可把有限元軟件和三維建模軟件相關(guān)聯(lián)，方便模型的修改和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

由于Workbench的DM模塊三維建模能力較弱，面對(duì)特征較多、機(jī)構(gòu)復(fù)雜的零件建模速度較慢，而且沒有裝配功能，而升運(yùn)機(jī)構(gòu)的零件繁多，所以本文采用第2種方法建模。

3.2 材料特性

除選擇銅套便于實(shí)現(xiàn)自潤滑功能外，選擇Q235作為整個(gè)升運(yùn)機(jī)構(gòu)材料，材料特性參數(shù)如表2所示。

表2 升運(yùn)機(jī)構(gòu)材料特性參數(shù)

3.3 單元選取及網(wǎng)格劃分

采用子模型法，對(duì)機(jī)構(gòu)的整體進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，然后再對(duì)局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化加密，得到升運(yùn)機(jī)構(gòu)模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為887 133，單元數(shù)為480 274，升運(yùn)機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 升運(yùn)機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分 圖7 升運(yùn)機(jī)構(gòu)等效應(yīng)力云圖 圖8 升運(yùn)機(jī)構(gòu)總變形云圖

3.4 動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

將網(wǎng)格劃分完成后的有限元模型在Mechanical模塊中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，施加好各種載荷及約束條件后得到升運(yùn)機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖和機(jī)構(gòu)總變形云圖，如圖7、圖8所示。

3.5 拓?fù)鋬?yōu)化

選擇ANSYS軟件中的Topology Optimization模塊對(duì)升運(yùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，以下將介紹優(yōu)化過程并闡述優(yōu)化結(jié)果。

3.5.1 優(yōu)化過程

通過分析升運(yùn)機(jī)構(gòu)應(yīng)力和變形云圖可知，在下平臺(tái)仍有優(yōu)化空間。將分析中得到的所有數(shù)據(jù)輸入Topology Optimization模塊，如圖9所示。在Topology Optimization模塊中設(shè)置與動(dòng)力學(xué)分析相同的材料屬性、載荷與約束條件，選擇尺寸和重量都較大的上下平臺(tái)作為優(yōu)化對(duì)象，以去除25%的材料作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解[10]，如圖10所示。

圖9 Topology Optimization模塊 圖10 拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)象 圖11 升運(yùn)機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

3.5.2 優(yōu)化結(jié)果

升運(yùn)機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖11所示，相較于原來的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的質(zhì)量由93.8 kg減小為70.35 kg，可節(jié)約成本并減少能量損失。

再經(jīng)過光滑處理，最終的升運(yùn)機(jī)構(gòu)三維模型如圖12所示。

圖12 通過光滑處理后的升運(yùn)機(jī)構(gòu) 圖13 鉸耳的應(yīng)力云圖 圖14 鉸耳的應(yīng)變?cè)茍D

3.6 鉸耳的有限元分析

在設(shè)備研發(fā)過程中，每個(gè)零件有特定的裝配關(guān)系，并且通過力和位移的傳遞來滿足整個(gè)裝置的使用要求。所以對(duì)于整體進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，可以僅分析關(guān)鍵零部件的性能指標(biāo)，這樣在分析時(shí)就會(huì)避免產(chǎn)生其他不必要的計(jì)算，大大提高了優(yōu)化分析的效率[11,12]。

從圖7可知整個(gè)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力較大處為鉸耳及銅套，選擇鉸耳作為主要研究對(duì)象進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖13和圖14所示。

從圖13和圖14可知，鉸耳的最大應(yīng)變?yōu)?.000 46，最大應(yīng)力值為92.8 MPa，通過與材料為Q235的機(jī)械性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，遠(yuǎn)小于材料的最大屈服強(qiáng)度，并且尚有大量的強(qiáng)度裕量，故滿足使用要求[13]。

4 結(jié)語

本文對(duì)全方位行走AGV貨物搬運(yùn)小車的升運(yùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，從設(shè)計(jì)要求及參數(shù)、推力的求解、推桿的選型、拓?fù)鋬?yōu)化等方面完成設(shè)計(jì)任務(wù)。通過ADAMS軟件對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得出機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的位移、速度、加速度變化規(guī)律，結(jié)果說明該升運(yùn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能良好。然后對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)下平臺(tái)仍需優(yōu)化，進(jìn)而將總裝配分析中得到的所有數(shù)據(jù)串聯(lián)Topology Optimization模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后質(zhì)量減小為70.35 kg，實(shí)現(xiàn)了輕量化，節(jié)約了成本。又選取形變量較大的鉸耳進(jìn)行有限元分析校核，結(jié)果證明滿足使用要求。