陶 鑫，鲍君华，李昊橪

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

随着社会经济的发展及各国智能制造战略的推进，制造方式逐渐向客户个性化定制和柔性制造方向发展，车间生产线和仓库物品日益趋向批量小而品种繁多，这要求输送装备能根据经常变化的制造环境而智能化地柔性输送，在车间内，按非预定路径自主导航运行的自动导引小车(AGV)受到大众的广泛关注，并逐渐成为智能制造业中不可或缺的部分。AGV是轮式机器人的一种类型，它是带有光学引导或电磁导引的一种装置，具有编程、移载和安全保护的功能，是可以根据规定的导引路径进行行驶动作的运输小车[1-3]。本文设计的AGV车具备合理的前进后退以及自动转弯的能力，利用自带的辊筒输送装置，能够实现柴油机缸盖的搬运、传递、承接等智能化操作，机械结构方面基本上达到了产业化AGV的要求。由于AGV控制电路成本低廉，操作简单，使得其生产成本大大减少，这种车在柔性要求不高的自动化物流现场线路上具有广阔的推广前景，并且还具有较高的灵活性，特别是在物流制造、物流仓储等系统中，AGV的应用将会变得更为广泛[4-6]。

1 实体模型建立

对于AGV来说，主要包括动力系统、传动系统和控制系统三大部分，这三部分的安装均需要一个充分的空间，因此合理地设计AGV的机械结构是整个AGV设计的基础，只有在良好的机械基础之上，才能更加准确高效地完成相应的传输缸盖的任务[7-9]。本AGV的机械系统主要由承重箱结构、车体结构、轮系结构三大部分组成，其整体模型如图1所示。

图1 AGV整体模型

2 动力学建模

本文采用虚拟仿真技术来研究AGV在输送缸盖以及行走过程中的各种问题。主要过程为简化三维模型、建立配合关系以及运动仿真分析三个阶段。其中，简化三维模型的过程主要是对在仿真过程中影响不大的零件进行简化，比如将车体的差速驱动轮简化为两个尺寸相同的普通轮子模型；建立配合关系阶段需要对虚拟环境的重力、载荷施加面、马达添加、车体重心位置以及摩擦因数等进行配合并输入准确数值；运动仿真分析的运行阶段需要在AGV行驶过程中，在所有转弯的位置处对两个PathMateMotor分别打开和关闭，并且在与机床对接的位置处将速度降为0以此来承接缸盖。

2.1 简化AGV的三维模型

本文利用SolidWorks的motion插件进行动力学建模和仿真分析。创建以MMKS为单位制的刚体模型。将在SolidWorks软件系统中装配好的车体进行删减和替换。

首先，孤立整个承重箱结构，将箱体的外侧铁皮去除，系统中设置运动副关系，将箱体固定在整个AGV的车体背部，只留下磨轮与凹槽间的移动副。在不影响车体仿真效果的前提下，将差速驱动轮简化为尺寸相同的两个圆柱模型。

然后，分别将两个差速驱动轮替换为直径尺寸相同、位置一样的实体轮模型，并且留下所有轮子自身的转动副。

最后，通过软件系统分别建立主动轮转速和从动轮转矩的Splines曲线，用来控制主、从动轮之间的运动和牵引力矩。建立的简化AGV模型如图2所示。

2.2 载荷和驱动的施加

模拟传动系统的直线运动过程，按照车辆空载时2 m/s、负载时1 m/s的速度行驶，辊筒装置的转速为20 rad/s。

对传输机构的四个立柱表面施加750 N的载荷。在行驶至机床位置处的时候，车体停下来传递柴油机缸盖，并且在机床对缸盖进行加工的时候，车体行驶至机床尾部来承接缸盖，之后再运输至指定位置进行储存。

3 仿真结果对比分析

3.1 仿真运行结果

定义好引力与接触关系后开始仿真运行，经仿真计算得到各工况条件下的计算结果。以AGV行驶线速度为例，可以观察到车体在第二个转弯处、第四个转弯处的线速度均达到了最大值，也就是说，在转弯处应适当地减小速度来降低离心力，其数据如图3所示。

3.2 辊筒装置分析

整个滑轨板长为800 mm，辊筒转速为20 rad/s，设计时要求将整个柴油机缸盖传递到机床上需要在10 s内完成，仿真后可知辊筒将缸盖运输成功的时间为5.4 s，小于设计时的要求，因此设计是合理的。辊筒仿真结果如图4所示。

图2 简化AGV模型 图3 AGV线速度 图4 辊筒仿真结果

由图4可以观察到，传输机构传递柴油机缸盖的速度为0.8 m/s，整个传递时间为5.4 s，传递成功。

至此整个AGV的所有仿真过程运行完毕，其各项仿真数据如表1所示。

表1 AGV各项仿真数据

4 静力学分析及优化

4.1 传输机构静力学分析及拓扑优化

将传输机构三维模型导入ANSYS中的Workbench,划分网格后如图5所示。

图5 划分网格的传输机构模型

划分好网格后便开始施加载荷，柴油机缸盖的质量按照250 kg计算，则总重量按照2 500 N计算，平均下来每个立柱的顶部会受到612.5 N的压力，选择要施加载荷的种类，选择好四个面后在每个立柱面上输入-612.5 N，以此来定义好力的大小和方向，之后开始设置边界条件，最后进行求解。求解得到的应力、应变和变形云图如图6所示，具体数据如表2所示。

图6 传输机构静力学仿真分析结果

表2 传输机构的分析数据

根据静力学分析结果可知，其最大应力远远小于许用应力235 MPa，最大形变也可以忽略不计，从减少制作成本、减少重量的角度上考虑，可以采用拓扑优化对模型进行简化。首先在设计树内建立Topulogy Optimization与Static Structural的关联命令，如图7所示。

图7 拓扑优化与静力学分析关联图

之后选择拓扑优化命令栏里面的setup命令，进入到分析界面内，在设计树里面选择Topulogy Optimization，使用mass(质量改进)命令之后，用solve命令开始改进设计，在能够支撑300 kg的负载以及保留原模型50%质量的情况下进行拓扑优化，在改进结束后，生成的传输机构装配体如图8所示。可以发现，新的传输机构装配体的板体中心以及垫板中心都会去掉一部分，这样既节省了物料又减少了应力集中的情况。则便按照这个新的形状，重新进行建模。

首先使用三维建模软件对传输机构的板体结构、垫板结构分别使用凸台拉伸命令，之后生成新的传输机构装配体，如图9所示。之后再导入分析平台做静力学分析，流程与之前一样，先进行网格划分，划分网格后如图10所示。然后再进行应力、应变和变形分析，分析结果如图11所示，具体分析数值如表3所示。

表3 新的传输机构具体分析数值

由此可见，新的传输机构依然满足其承重要求，并且其质量由最初的156 kg减少到了66 kg，极大地节省了物料，因此采用该优化后的传输机构作为最终的方案。

4.2 导轨支撑台静力学分析及结构改进设计

与传输机构静力学分析一样，先导入几何体，划分网格，划分网格后的导轨支撑台如图12所示。

图12 划分网格的导轨支撑台

之后施加载荷，由于传输机构也有自重，所以不能单单添加250 kg的力，要算上传输机构的自重，传输机构装配体的质量为70 kg，再加上八个辊筒的重量，一共是320 kg,则在施加载荷的时候就按照3 200 N来施加。对两个滑轨板的滑轨面分别施加了1 610 N的力，之后和传输机构的分析流程一样，设置好边界条件以及求解方法后开始计算，最终得到的分析数值如表4所示，应力、应变和变形云如图13所示。

表4 导轨支撑台的分析数据

图13 导轨支撑台仿真分析结果

根据静力学分析结果可知，其最大应力都小于许用应力，最大形变也可以忽略不计，考虑到车体在行走过程中可能会遇到小石块或者凹凸不平的地面，为了防止车体颠簸而导致整个传输机构在搬运过程中不稳定，决定在立台的外侧分别增加10 mm的加强筋，以此来提高整个导轨支撑台的稳定性，使用相关三维建模软件对其改进后的模型如图14所示。

图14 改进后的导轨支撑台模型

4.3 车体钢架结构静力学分析

车体框架的静力学分析与前文提到的步骤都大同小异,车体钢架算上柴油机缸盖承受总重量为700 kg，求解施加载荷为7 000 N。划分网格后的车体框架模型如图15所示。

图15 划分网格的车体框架模型

然后添加载荷和边界条件，求解得到的应力、应变和变形云图如图16所示，分析结果数据如表5所示。

图16 车体框架静力学仿真分析结果

表5 车体框架结构分析数据

根据求解结果可知，车体框架满足刚度最大变形量0.5 mm和强度235 MPa设计要求。

5 结论

本文运用有限元分析软件完成了设计的三维模型的刚度强度校核，并在满足刚度和强度的基础上对传输机构进行拓扑优化，在减轻了自身重量的同时也节省了制造成本。