一種單驅(qū)動(dòng)雙向AGV的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張曉東 鐘甫廣 林深和 王震 葉佳燕

摘要：為了提高工廠中貨物運(yùn)輸?shù)男?、?jié)省運(yùn)輸空間，可以為工廠帶來(lái)更大的收益，本文提出了一種單驅(qū)動(dòng)雙向AGV的研制。本文利用差速驅(qū)動(dòng)原理，以及對(duì)驅(qū)動(dòng)總成的設(shè)計(jì)，得到一種單驅(qū)雙向AGV，不僅可以通過(guò)調(diào)整左右驅(qū)動(dòng)輪速度的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)不同半徑的轉(zhuǎn)彎，還可以直接進(jìn)行前進(jìn)、后退的運(yùn)輸，不需要進(jìn)行調(diào)頭，大大提高了工廠的生產(chǎn)車間中貨物運(yùn)輸?shù)男省?/p>

關(guān)鍵詞：AGV;設(shè)計(jì);驅(qū)動(dòng)總成;工廠

0? 引言

AGV即自動(dòng)導(dǎo)向小車（Automated Guided Vehicle），是一種以蓄電池作為電源，用某種制導(dǎo)方式控制其運(yùn)行路線的自動(dòng)化智能搬運(yùn)設(shè)備。[1]在工廠、車間中，搬運(yùn)貨物是一個(gè)簡(jiǎn)單但很繁瑣的過(guò)程，為了節(jié)省人工，避免工人在搬運(yùn)貨物過(guò)程中遇到危險(xiǎn)，很多工廠及車間都采用了AGV運(yùn)輸。在《中國(guó)制造2025》的熱潮下，各個(gè)工廠、車間都向往著更加高效的運(yùn)輸方式，傳統(tǒng)的單驅(qū)動(dòng)單向的AGV由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)倒退的功能，效率比較低下，無(wú)法滿足高強(qiáng)度的運(yùn)輸工作;而雙驅(qū)動(dòng)多向AGV雖然可以完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)路線但是缺點(diǎn)也是十分明顯，首先是它的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，再者是造價(jià)高昂，后續(xù)維修也是耗時(shí)耗力，其實(shí)現(xiàn)在大多數(shù)的工廠和車間都無(wú)需用到這么復(fù)雜的雙驅(qū)動(dòng)多向AGV。

在這種現(xiàn)實(shí)背景下，本文將探討單驅(qū)雙向AGV的研制。下文將從車身總裝設(shè)計(jì)、電池組合設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)總成設(shè)計(jì)、導(dǎo)航設(shè)計(jì)、升降輪設(shè)計(jì)五個(gè)方面對(duì)單驅(qū)雙向AGV的結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述，其中著重闡述驅(qū)動(dòng)總成設(shè)計(jì)部分。

1? 車身總裝設(shè)計(jì)

單驅(qū)雙向AGV主要包括車身總裝、電池組合、驅(qū)動(dòng)總成、升降輪四個(gè)裝置的設(shè)計(jì)。車身總裝的設(shè)計(jì)主要考慮到車身的大小設(shè)計(jì)、外觀設(shè)計(jì)，還有各個(gè)零件安裝位置的分布，如傳感器、控制板、電池等，而且還要考慮到車身前后的重量平衡情況。因此把所有的電子元件都放在車身的前端，且還設(shè)有AGV的控制面板，開(kāi)關(guān)機(jī)按鈕、警示燈、電量顯示器等等，驅(qū)動(dòng)總成放置在車身中部，電池則放在車身的后半部分。在材料選擇上，采取了薄鋼鈑金，通過(guò)焊接的方式使得各個(gè)鈑金連接起來(lái)，這樣可以在滿足車身剛度、強(qiáng)度的條件下，還可以大大降低車身的重量。另外車前還裝有防撞條，可以防止AGV出現(xiàn)意外脫軌時(shí)撞壞其它設(shè)備。單驅(qū)動(dòng)雙向AGV的設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2? 電池組合設(shè)計(jì)

電池組合是由電池箱、電池、輪子等零件構(gòu)成，可以為AGV提供足夠的動(dòng)力。為了增加AGV的靈活性及強(qiáng)續(xù)航行性，本文采用了型號(hào)為6-EVF-60AH的鉛酸電池來(lái)進(jìn)行供電。理想的電池應(yīng)該具有十分高的能量密度、能夠在放電過(guò)程中保持恒定的電壓、內(nèi)阻小以便具有快速放電能力、能夠耐高溫、可充電以及成本低等。[2]鉛酸電池密封性能好，使用時(shí)不容易出現(xiàn)漏電的情況，安全性能好，其次鉛酸電池成本低，這就降低了AGV小車的成本。但由于鉛酸電池非常重，一個(gè)鉛酸電池約有十五公斤，為了方便把電池取出進(jìn)行充電，我們?cè)陔姵叵湎卵b了驅(qū)動(dòng)輪，這樣可以大大減少電池箱與車身的摩擦，另外電池箱前端裝有拉手，讓員工將電池取出時(shí)有很好的著力點(diǎn)。電池箱上還裝有插銷，把電池箱放進(jìn)AGV的車身以后，按下插銷，就可以有效地防止電池箱在AGV小車運(yùn)行時(shí)滑出地風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了AGV小車地安全性。

3? 升降輪設(shè)計(jì)

升降輪是單驅(qū)雙向AGV的重要一環(huán)，因?yàn)樗僮骱?jiǎn)便，成本較低，且能解決單驅(qū)動(dòng)雙向AGV在行走過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的運(yùn)行不平穩(wěn)，容易脫軌等問(wèn)題。升降輪主要由電機(jī)、凸輪、限位開(kāi)關(guān)、軸承、導(dǎo)向軸等零件構(gòu)成。升降輪的設(shè)計(jì)原理是：由電機(jī)帶動(dòng)凸輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制左右限位開(kāi)關(guān)的接通與斷開(kāi)，來(lái)控制腳輪的上下移動(dòng)。

4? 驅(qū)動(dòng)總成設(shè)計(jì)

單驅(qū)動(dòng)雙向的驅(qū)動(dòng)總成是由驅(qū)動(dòng)裝置、減震裝置、旋轉(zhuǎn)裝置三個(gè)部分組成。驅(qū)動(dòng)裝置主要由電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、支撐架構(gòu)成，電機(jī)裝在支撐架上，驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)轉(zhuǎn)軸與電機(jī)相連，主要用于對(duì)AGV進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)采用的是直角直流無(wú)刷電機(jī)，型號(hào)為Z6BLD200-24GUL-30S/6GU30LC，電壓24V，功率200W，減速比30。采用直角是為了節(jié)省空間，且由于鉛酸電池提供的是直流電，所以采用直流電機(jī)，另外由于AGV需要控制驅(qū)動(dòng)輪速度的大小來(lái)調(diào)整AGV的位置，所以采用速度調(diào)節(jié)效果更好的無(wú)刷電機(jī);減震裝置主要是一個(gè)彈簧，該彈簧不僅起到緩沖吸震的效果，還可以避免驅(qū)動(dòng)輪出現(xiàn)空轉(zhuǎn)的問(wèn)題。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)地是凹凸不平的，當(dāng)出現(xiàn)左右邊地板高低不一時(shí)，就需要減震裝置把驅(qū)動(dòng)輪的位置調(diào)整好，使得驅(qū)動(dòng)輪與地面緊密接觸，避免空轉(zhuǎn);旋轉(zhuǎn)裝置主要由轉(zhuǎn)軸、軸承等零件構(gòu)成，轉(zhuǎn)軸一端連接在支撐架上，另一端安裝軸承，然后用軸承座將軸承保護(hù)起來(lái)，軸承座與車身相連，使得車身可以相對(duì)驅(qū)動(dòng)總成進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，是為了實(shí)現(xiàn)AGV的轉(zhuǎn)彎功能。由于軸承承受的主要是徑向力和少量的軸向力，所以采用的軸承是深溝球軸承。該驅(qū)動(dòng)總成的設(shè)計(jì)采用的是差速驅(qū)動(dòng)原理，通過(guò)控制電機(jī)來(lái)使得驅(qū)動(dòng)輪正、反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)AGV的前進(jìn)與后退，還可以控制左右兩邊驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速不同，來(lái)實(shí)現(xiàn)AGV進(jìn)行不同半徑的轉(zhuǎn)彎功及不同方向的轉(zhuǎn)彎功能。

5? 磁導(dǎo)航設(shè)計(jì)

AGV的導(dǎo)航方式有很多，常見(jiàn)的有激光導(dǎo)航和磁導(dǎo)航。該單驅(qū)雙向AGV采用的是磁導(dǎo)航形式，因?yàn)楣S生產(chǎn)車間中，地理環(huán)境非常復(fù)雜，不適合采用激光導(dǎo)航，而磁導(dǎo)航不僅幾乎不怕工廠環(huán)境的干擾，而且容易鋪設(shè)。[3]另外磁導(dǎo)航設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，精度要求能夠滿足大部分工廠車間的需求。還有當(dāng)磁帶噴涂了不同顏色以后，可以跟車間的各種警示線融為一體，不影響車間的其它工序正常運(yùn)作。驅(qū)動(dòng)總成的前端和后端都裝有型號(hào)為XGS-08N磁傳感器，檢測(cè)距離是5-55mm，當(dāng)AGV向前行駛時(shí)，前端的磁傳感器起感應(yīng)作用，當(dāng)向后行駛時(shí)，則后端的傳感器起感應(yīng)作用。

型號(hào)為XGS-08N磁傳感器是一種內(nèi)置8個(gè)采樣點(diǎn)的傳感器，只有位于磁條正上方的采樣點(diǎn)能夠檢測(cè)到磁條所產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)，當(dāng)采樣點(diǎn)收集到磁場(chǎng)信號(hào)時(shí)，該采樣點(diǎn)就會(huì)輸出低電平，其它采樣點(diǎn)則輸出高電平。當(dāng)AGV在前進(jìn)過(guò)程中時(shí)，磁傳感器中的各個(gè)采樣點(diǎn)會(huì)持續(xù)感應(yīng)磁帶的位置，當(dāng)磁傳感器中間的2-3個(gè)采樣點(diǎn)感應(yīng)到磁場(chǎng)信號(hào)時(shí)，說(shuō)明此時(shí)車身沒(méi)有偏離磁帶位置，不需做出調(diào)整，AGV可以繼續(xù)維持原來(lái)的運(yùn)行軌跡;而當(dāng)磁傳感器兩邊的采樣點(diǎn)感應(yīng)到磁場(chǎng)位置時(shí)，就說(shuō)明車體偏離了磁帶，需要改變兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來(lái)調(diào)整車體的位置，使得AGV小車沿著磁帶來(lái)前進(jìn)。XGS-08N磁傳感器的外形如圖2所示。

6? 結(jié)語(yǔ)

本文所提供的一種單驅(qū)動(dòng)雙向AGV的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，而且成本低廉，可以有效地解決中小型工廠生產(chǎn)車間的運(yùn)輸困難問(wèn)題，降低工廠的運(yùn)輸成本。但該單驅(qū)動(dòng)雙向AGV沒(méi)有自動(dòng)充電的功能，無(wú)法達(dá)到完全的自動(dòng)化要求。因此，在后續(xù)的研究中會(huì)嘗試解決這個(gè)問(wèn)題，讓單驅(qū)動(dòng)雙向AGV能夠完全脫離人工，實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化。

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