劉濟海

安徽合力股份有限公司 合肥 230000

0 引言

近年來，隨著工業(yè)自動化與智能制造的不斷深入發(fā)展，物流搬運自動化的程度亦同時推進，包括自動導引叉車在內的無人智能搬運載具也迎來較大的發(fā)展[1]。自動導引叉車融合了叉車技術和各類自動化技術，同時搭載各種導航技術、構圖算法、嵌入式軟件和安全防護措施等，能夠實現叉車的自動駕駛、物料移載，進行無人作業(yè)，可以成功解決工業(yè)現場物流搬運任務頻繁、員工操作不規(guī)范和不專業(yè)等問題[2]。目前，自動導引叉車的市場需求旺盛，在機械制造、倉儲物流、煙草和汽車制造等行業(yè)的應用日益廣泛[3，4]。

轉向檢測機構對車輛當前實時轉向角的準確測量是自動導引叉車運動控制技術的重要組成部分，決定了自動導引叉車行駛速度、導航精度和停位精度等運動控制參數和性能指標，是自動導引叉車產品的關鍵技術[5-7]。故自動導引叉車轉向檢測機構的設計尤為重要。

目前，市場上單舵輪結構的自動導引叉車轉向檢測機構主要有同軸布置和異軸布置2 種形式。同軸布置形式直接將轉向檢測機構與舵輪以同軸方式相連，具有結構簡單、傳動方式直接和直接獲取數據的特點。但這種布置形式的轉向輪只能作為從動輪，不帶動力，而市場上常用的自動導引叉車舵輪驅動單元一般在轉向輪上方直接安裝驅動電動機與減速器，轉向電動機采用側置形式安裝。轉向傳感器無法采用同軸布置形式，直接安裝在舵輪上。如果將轉向傳感器直接安裝在轉向電動機傳動軸上，將會使數據換算比過大，造成傳感器選型困難或成本過高。使用轉向電動機與驅動輪異軸布置的自動導引叉車，可以保證轉向電動機的獨立性，方便檢修、保養(yǎng)和調試。同時，其轉向檢測機構可以選擇和轉向電動機安裝在一起，也可以選擇另外的獨立安裝位置。

本文為了滿足市場需求，針對轉向電動機與舵輪同軸布置的自動導引叉車轉向檢測機構存在的問題，提出設計轉向電動機與舵輪異軸布置的自動導引叉車轉向檢測機構，實現對自動導引叉車舵輪轉向角度的準確測量。

1 轉向檢測機構結構設計

如圖1 所示，設計的轉向檢測機構主要由轉向編碼器、編碼器安裝軸、編碼器安裝支座和編碼器齒輪等組成。轉向編碼器用于準確獲取自動導引叉車的轉向角度數據。本文將轉向編碼器設計安裝在與舵輪異軸布置的轉向檢測機構上，通過一定的傳動速比，實現對叉車轉向角度信號的有效獲取。編碼器安裝軸一端與編碼器軸通過軸頂端孔進行固定連接，另一端與編碼器齒輪固定連接。編碼器安裝支座用于固定編碼器安裝軸及其相關部件，其可以安裝在與舵輪異軸的任意部位，通過齒輪的選型實現整個轉向檢測機構的有效固定。編碼器齒輪與編碼器安裝軸之間固定連接，通過齒輪的合適選型，實現對叉車轉向角度信號的準確識別和傳遞。

圖1 自動導引叉車轉向檢測機構示意圖

設計的轉向檢測機構實現自動導引叉車轉向檢測的方法如圖2 所示，當叉車轉向時，轉向電動機齒輪驅動舵輪轉向齒圈轉動，產生一個舵輪轉向角度，也就是叉車轉向角度；此外，由于舵輪轉向齒圈與編碼器齒輪嚙合，舵輪轉向齒圈的轉動也會帶動編碼器齒輪轉動一個對應的角度；由于編碼器安裝軸兩端分別與編碼器齒輪和編碼器軸固定連接，編碼器齒輪轉動的角度將通過編碼器安裝軸傳輸給轉向編碼器；最后，通過轉向編碼器采集的數據，結合舵輪轉向齒圈與編碼器齒輪的傳動速比，經過換算即可測量獲取叉車的轉向角度。

圖2 自動導引叉車轉向檢測機構與舵輪配合示意圖

2 轉向檢測機構準確性保證措施

2.1 編碼器齒輪選型

根據驅動單元舵輪轉向齒圈的相關數據，進行編碼器齒輪的選型。若已知舵輪轉向齒圈的模數m1、齒數z1、分度圓直徑d1以及編碼器齒輪安裝位置中心到舵輪轉向齒圈中心的距離d，可以計算確定編碼器齒輪的模數m2、分度圓直徑d2、齒數z2、齒距ρ2、齒全高h2、齒厚S2分別為[8,9]

獲得編碼器齒輪的基本參數后，依此進行編碼器齒輪的詳細設計及選型。同時，可以得到舵輪轉向齒圈與編碼器齒輪的傳動速比為

2.2 轉向編碼器選型

為了實現編碼器對叉車轉向角度的準確讀取，需要在叉車的轉向過程中讀取足夠量的數據。根據不同的叉車運動控制系統(tǒng)，確定該數據的指標為N0。根據上文中編碼器齒輪的選型，以及確定的驅動單元舵輪轉向齒圈與編碼器齒輪的傳動速比i，可以計算編碼器的需求脈沖數為

將需求脈沖數N轉化為對應的編碼器單圈脈沖數，進行轉向編碼器選型。確定編碼器的具體參數，需要對編碼器的類型進行確定。當前，轉向編碼器的主要選型分為增量式和絕對值式兩大類。

增量式編碼器是1 種線性或旋轉機電設備，有2 個輸出信號A 和B，當設備移動時發(fā)出脈沖。許多增量式編碼器有一個額外的輸出信號，通常指定為分度或Z，它表示編碼器位于一個特定的參考位置。此外，一些編碼器還提供一個狀態(tài)輸出（通常指定為報警或故障代碼），指示內部故障情況，如軸承故障或傳感器故障。與絕對值編碼器不同，增量式編碼器不顯示絕對位置，其只報告位置的變化，對于每個報告的位置變化報告運動的方向。因此，為了確定任何特定時刻的絕對位置，有必要將編碼器信號發(fā)送到增量式編碼器接口，后者將跟蹤并報告編碼器的絕對位置。增量式編碼器幾乎是在瞬間報告位置變化，這使其能夠近乎實時地監(jiān)測高速機構的運動，故增量式編碼器通常用于需要精確測量和控制位置和速度的應用。

絕對值編碼器相對增量式編碼器而言，其電氣特性相對特殊。當電源從編碼器上移除時，絕對編碼器仍能保持位置信息，而編碼器的位置在接通電源后可立即獲得。編碼器值和被控機械的物理位置之間的關系在裝配時就已確定，系統(tǒng)不需要返回校準點來保持位置的準確性。絕對編碼器有多個具有不同二進制權重的碼圈，提供1 個數據位，代表編碼器在一圈內的絕對位置。這種類型的編碼器通常被稱為并行絕對編碼器。多圈絕對旋轉編碼器包括額外的編碼輪和齒形輪。高分辨率的輪子測量小數點的旋轉，而低分辨率的齒形碼輪則記錄軸的整轉數。

根據本文中轉向檢測機構的結構特點，當舵輪轉向齒圈發(fā)生了一定角度的轉動時，編碼器安裝軸通常已經發(fā)生了較多圈的轉動。因此，在進行編碼器選型時，本文設計的轉向檢測機構需要選擇增量式編碼器或多圈絕對值編碼器。

若選擇增量式編碼器，則需在舵輪機構上提供一個特殊的點位，用以標識出較為特殊的參考位置，通常選擇舵輪的0°或±90°位置作為參考位置。同時，需要妥善調節(jié)參考位置，要求在參考位置時，轉向編碼器需要能夠觸發(fā)Z 脈沖，以向系統(tǒng)傳遞舵輪位于特殊位置的信息。為實現此目的，通常會使用光電開關、接近開關等方法觸發(fā)信息傳遞窗口（區(qū)間），并要求在信息傳遞窗口內轉向編碼器有且只有1 個Z 脈沖生成，以保證信息傳遞的可靠性和準確性。

2.3 編碼器與編碼器安裝軸的固定

如圖3 所示，將編碼器上帶有平面的編碼軸插入編碼器安裝軸內，裝配到位后使用緊定螺釘固定。編碼器與編碼器安裝軸的連接松緊程度通過緊定螺釘的安裝扭矩進行控制。采用這種固定方式可以實現較為穩(wěn)定可調的緊定連接，既保證連接的穩(wěn)定性，防止編碼器和編碼器安裝軸之間的相對滑動，又避免過度固定造成轉向編碼器的損壞。同時，采用此種固定方式可以使維護保養(yǎng)人員的日常檢查更容易，通過編碼器安裝支座上的操作孔可以方便地檢查緊定螺釘是否發(fā)生松動，也可以通過松開緊定螺釘方便地拆換轉向編碼器。

圖3 轉向編碼器和編碼器安裝軸配合示意圖

2.4 編碼器齒輪與編碼器安裝軸的固定

如圖4 所示，使用平鍵進行編碼器齒輪與編碼器安裝軸之間的固定連接。平鍵的兩側面為工作面，其與編碼器齒輪和安裝軸上的鍵槽側面擠壓靠緊，以保證編碼器齒輪與編碼器安裝軸之間沒有相對滑動，以及從舵輪轉向齒圈向編碼器齒輪的扭矩傳遞。這種連接方式結構簡單、裝拆方便，且對中性、穩(wěn)定性好。為了防止編碼器齒輪出現軸向竄動，其軸向采用端蓋+螺栓方式進行固定。

圖4 編碼器齒輪和編碼器安裝軸配合示意圖

3 轉向檢測機構的性能效果及創(chuàng)新性分析

3.1 可靠性

本次設計的轉向檢測機構已在前移式AGV 叉車、插腿式AGV 叉車和平衡重式AGV 叉車等多款單舵輪車型上進行搭載，覆蓋了自動導引叉車主流噸位，載重量范圍從1.6 t ～6 t 不等。其中某款1.6 t 高起升倉儲高端AGV 車型已在物流倉庫現場使用超過4 a，單臺車型每天連續(xù)運行超過18 h，作業(yè)場景效率高且強度大，目前該車型已經連續(xù)使用超過20 000 h，轉向檢測機構在此期間未出現結構性損壞或磨損導致轉向檢測機構失效的情況。證明了本次設計的可靠性。

3.2 可維護性

本次設計的轉向檢測機構結構緊湊，維護便利性強，可快速拆卸和安裝，便于在受外力影響造成物理性損壞或嚴重磨損時進行維修；可以將轉向檢測機構在驅動單元上的安裝螺栓拆除，拆除轉向編碼器的連接插件，同時拆除編碼器齒輪的固定裝置，即可將整個轉向檢測機構拆除，并根據情況進行部分零件的更換或總成更換。若僅是轉向編碼器發(fā)生損壞或故障，可以單獨拆除轉向檢測機構中編碼器安裝支座的覆蓋件，同時松開結構中的緊定螺釘，即可將轉向編碼器從編碼器安裝軸中取出，安裝編碼器即可按照拆除的逆過程進行，維修過程方便快捷。

3.3 精度測試

為了驗證本次設計的轉向檢測機構的有效性，需要將其安裝在實際車輛上進行測試，以檢測轉向測量機構的誤差是否在允許范圍內。檢測精度測試的原理如下：

在測量前，需要滿條件：1)確保有一個所有自動導引叉車使用的反光桶位置已知的測量區(qū)域；2)確保有足夠的空間駕駛車輛，該區(qū)域根據車型的不同、具體空間尺寸的大小可以調整，但空間越大，測試精度越高。

在完成測試準備后，使用自動測試程序完成5 步自動駕駛程序：1)直線前進、后退一定距離，并重復若干次；2)以順時針方向轉圈的方式向前行駛，并重復若干次；3)以逆時針轉圈的方式向后行駛，并重復若干次；4)以逆時針轉圈的方式向前行駛，并重復若干次；5)以順時針轉圈的方式向后行駛，并重復若干次；

完成5 步自動駕駛程序后，自動導引叉車根據反光桶位置和車輛配備的激光導航頭，通過計算車輛的實際位置變化情況和軌跡，得出車輛轉向編碼器安裝角度偏差的實際值；同時，自動導引叉車還會根據測試過程中轉向檢測機構反饋的編碼器運動數據，計算出轉向編碼器安裝角度偏差的計算值。通過比較實際值和計算值的誤差大小，可以判斷轉向檢測機構是否準確地測量了車輛的舵輪角度變化，從而確保車輛的安全行駛。

為了驗證本文設計的轉向檢測機構，在某自動導引叉車產品上依據上述測試方法對設計的轉向檢測機構進行了裝車測試。測試中，根據自動導引叉車的標定算法，對轉向編碼器的偏差值進行連續(xù)逼近運算，表1 為具體檢測結果。由表中數據可見，檢測的最大誤差值僅為0.03°，表明本文設計的轉向檢測機構可以滿足自動導引叉車的運行需求。

表1 轉向編碼器裝車測試結果 （°）

3.4 創(chuàng)新性

本次設計提出了一種創(chuàng)新性的轉向檢測機構，解決單舵輪結構通常需要將轉向檢測機構或轉向編碼器直接安裝在轉向電動機同軸的布置局限，減少了100 ～200 mm 的縱向空間占用，同時轉向檢測機構可避免轉向電動機上加裝轉向檢測機構或轉向編碼器所需的特殊改造或定制。轉向檢測機構采用了與轉向電動機異軸布置的形式，可應用于采用單舵輪轉向結構的工業(yè)車輛，這種設計不僅適用于自動導引叉車，其他需要進行轉向角度檢測的單舵輪轉向車輛都可參考本文的轉向檢測機構進行設計和布局。本文所提出的轉向檢測機構設計為單舵輪車輛的轉向檢測提供了更靈活和可行的解決方案。

本次設計采用了創(chuàng)新的部分新結構和新工藝，其中包括：1）使用緊定螺釘連接編碼器和編碼器安裝軸，實現了轉向編碼器和整個轉向檢測機構的分離，從而大大降低了結構整體的維修和檢測難度；2）采用了鍵槽、軸承、卡簧等部件組成新型的復合結構，成功實現了編碼器安裝支座、齒輪、編碼器安裝軸等部件的聯(lián)合固定。3）為保證轉向檢測機構的耐用性和可靠性，本設計使用特殊工藝進行了關鍵零部件的強化與防護，有效提升了結構的整體性能。本次設計提出的轉向檢測機構設計不僅創(chuàng)新地采用了新結構和新工藝，還通過增加維修、檢測難度低和提高耐用性、可靠性等方面的優(yōu)化，實現了對傳統(tǒng)單舵輪車輛轉向檢測技術的改進。

4 結語

本文提出設計了一種轉向電動機與舵輪異軸布置的自動導引叉車轉向檢測機構，論述了其結構設計和準確性保證措施，裝車測試驗證表明本文設計的轉向檢測機構可以滿足自動導引叉車的運行需求。該轉向檢測機構已經應用在單舵輪自動導引叉車上，使用效果良好，具備在多種形式、多種噸位的類似單舵輪轉向車型推廣運用的前景。