【一种背负式AGV的结构设计5900字（论文）】

一种背负式AGV的结构设计目录TOC\o"1-2"\h\u16781摘要 122243关键词 1265261绪论 2117551.1背负式AGV研究背景 2290451.2背负式AGV概述 291371.3背负式AGV结构组成 256021.4设计要求 3261921.5研究内容 3314741.6研究意义 3313592背负式AGV整体结构 356182.1总体结构 3158652.2结构整体分析 4155382.3背负式AGV小车性能与功用 5272133背负式AGV底盘结构设计方案 5311283.1底盘设计 57873.2壳体尺寸 63833.3运动执行模块总体结构 7130103.4功能模块总体结构 7249633.5连接模块总体结构 8297303.6分担模块总体结构 9276794主要零部件的设计 942994.1连轴器的设计 9266984.2电机的选择 1138274.3电动推杆的选择 13231614.4双铰接式升降架强度校核 1393645总结 14摘要：背负式AGV是在AGV车体上放置托盘、料架、料箱等货物进行搬运。背负式AGV运行稳定，停止精度高。该车适用于运输加工繁琐的一些工厂。本次设计的是一种背负式AGV结构。主要是对AGV的整体结构和主要零部件进行了设计和校核，结构主要是设计了运动模块、功能模块、连接模块、分担模块。运动模块主要包括麦轮和电机的选择。连接模块为支撑结构，对支撑杆加装了电磁铁，主要起到保护载物盘的安全。功能模块为双铰接式升降装置，和电动推杆的选择。分担模块为载物台，上面装有传感器，起到对货物的称载作用。还对主要零部件联轴器进行了强度校核，对电机的选择进行了计算等。关键词：背负式AGV结构设计1绪论1.1背负式AGV研究背景在货物加工制造的过程中，只有6%的时间是用于生产加工和制造，剩余的94%都用于装卸、储存、输送和等待加工。在美国，直接劳动成本所占比例不足生产成本的10%，且这一比例还在不断下降，而储存、运输所占的费用却占生产成本的40%。根据世界运输协会定义，AGV是指装备有电磁或光学自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶具有小车编程与停车选择装置、安全保护以及各种移载功能的运输小车[1]。AGV是以电池为动力、装有非接触导向装置，独立寻址系统的无人驾驶自动运输车[2]。目前的AGV小车，在搬运重物时，缺乏检测功能，容易造成AGV的损伤、使用寿命降低，同时目前的AGV往往采用整体性构造，如果发生损坏，不便于维修。本文在AGV发展的基础上，对一种背负式AGV的结构进行设计。1.2背负式AGV概述背负式AGV是一种在AGV车体上放置托盘，由磁条导引AGV通过识别地标选择目的地。AGV以其快捷、高效、柔性等特点。背负式AGV小车己经成为实现柔性化、自动化、智能化生产车间和现代物流系统的物料运输关键设备。采用电磁导航的AGV小车，能够沿指定路线在各工位之间稳定巡航、进行输送和搬运物料[3]。1.3背负式AGV结构组成本次设计的背负式AGV的结构比较简单。主要包括以下几个模块：（1）一种模块化背负式AGV结构，包括底盘和功能模块，底盘上安装有运动执行模块和控制模块，控制模块用于收发控制指令，并控制运动执行模块驱动底盘移动。（2）功能模块主要是包括一个双铰接式升降装置，双铰接式升降装置安装在底盘的两侧，每侧都有两个滑轮[4]。在底盘的左下方装有一个电动推杆，电动推杆推动载物台上升的过程中，双铰接式升降架随之上升，在每侧的同一边固定一个滑轮，两边的可动滑轮向左移动，推动载物台的上升。（3）底盘顶部配置有连接模块，连接模块用于连接底盘和功能模块顶部的载物托盘，功能模块通过导线连接至控制模块用于负重和载物台的升降。（4）底盘顶部配置有负重模块，负重模块通过导线连接至控制模块用于分担运输负重,负重模块上面装有重量检测装置，能够检测货物的质量。1.4设计要求为了契合工厂的需要，背负式AGV的设计，需要达到以下几点要求：（1）要求在有限的空间内设计工作可靠、灵活的转向和安全的结构。（2）符合工厂的运输要求，和足够的承载能力。（3）本次设计能够下发工厂投入使用。1.5研究内容本次研究内容针对背负式AGV结构进行设计，结构设计主要有以下几个方面：（1）背负式AGV小车的总体结构设计。（2）背负式AGV小车的各模块设计。（3）背负式AGV小车的各零件设计。1.6研究意义现在全球各国的制造行业，都把改造物流的结构、降低成本当作企业在商业竞争中的决胜手段。为了符合现代的生产加工要求，运输正朝着现代化、自动化的方向在迈进。背负式AGV有柔和性高、可高度高、适应性强等特点。在各国的制造也都相应的进行了使用。并且取得了较好的效果，获得了较高的经济效益[5]。但是目前，大多数的企业都是采用的有固定路径的AGV，无固定路径的AGV由于很多问题还没有完全解决，还没有普及使用。所以本次设计对提高工厂的生产效率，节约人力物力有极其重要的意义。2背负式AGV整体结构2.1总体结构背负式AGV结构，其主要结构是底盘，底盘上安装有运动执行模块和控制模块，控制模块用于收发控制指令，并控制运动执行模块驱动底盘移动；底盘顶部配置有连接模块，连接模块用于连接底盘和功能模块顶部的载物台，功能模块通过导线连接至控制模块用于负重和升降；车体顶部配置有负重模块，负重模块通过导线连接至控制模块用于分担运输负重，负重模块上面装有重量检测装置，能够检测货物的质量。2.2结构整体分析图2-1背负式AGV整体结构图2-2背负式AGV内部结构如图2-2所示，背负式AGV结构包括底盘1和功能模块2，底盘1上安装有运动执行模块4和控制模块5，控制模块5用于收发控制指令，并控制运动执行模块4驱动底盘1移动；功能模块2为双铰接式升降装置，用于控制对载物台的升降。底盘1中间配置有连接模块3，连接模块3用于连接功能模块2顶部的载物台，功能模块2通过导线连接至控制模块5用于负重和升降[6]。车体顶部配置有负重模块6，负重分担模块6通过导线连接至控制模块5用于分担运输负重、检测货物质量。2.3背负式AGV小车性能与功用通过对背负式AGV结构各个组成的部分的分析，本文总结了背负式AGV结构主要有以下几个方面的性能与功用，它具体表现在以下几个方面：第一，由于组成背负式AGV结构的每一个组成的部分的功能不同，因此，使得背负式AGV结构的性能具有多样性的特征，在背负式AGV结构系统中，背负式AGV的驱动主要是依据系统的转动来实现。第二，背负式AGV的结构利用车轮在地面产生的作用力，通过联轴器降低轮边的摩擦力，实现了系统的协助的转向[7]。第三，额定载重量：背负式AGV所能承载货物的最大重量为50kg。第四，车体尺寸：车体尺寸是长1100mm、宽600mm、高300mm。车体外形的基本应根据工厂所需要的尺寸，对应加工。3背负式AGV底盘结构设计方案3.1底盘设计图3-1背负式AGV底盘整体结构底盘搭载整个AGV的驱动装置以及主要的控制元器件，若在运输过程中发生碰撞，底盘将受较大的冲击[8]。因此底盘在实现驱动和支撑载物台的基本功能外，还需要保证其稳定性，抗击碰撞能力，以此为依据对整个背负式AGV结构的底盘进行了分析：（1）用PLC控制麦克纳姆轮的转动和电机的转动需要实现同步，减小延迟时间，提高控制的灵活性[9]。（2）麦克纳姆轮带动整体运动时，不论匀速运动，还是加减速运动，底部和顶部都要能稳住，不能出现明显的晃动。（3）爬坡实现背负式AGV在相对于斜坡30度范围内都能自由上下坡而不打滑，使背负式AGV在复杂的场地中能运动自如。3.2壳体尺寸图3-2背负式AGV壳体对于背负式AGV壳体的设计采用了和汽车保险杠一样的材料，由聚酯系和聚丙烯系塑料（PP料）组成，从而代替金属材料。选用此材料的好处有以下几点：（1）塑料外壳具有弹性，轻微磕碰或者刮蹭的话，都能自动回弹修复。（2）具有较强的耐腐蚀性，能较好的保护外壳。（3）轻便，大大降低车体自身的重量。（4）成本低，极大地缩减了生产成本。3.3运动执行模块总体结构图3-3背负式AGV运动模块结构如图3-3所示，运动执行模块包括四个行星齿轮减速电动机和四个锂电池，行星齿轮减速电动机安装在底盘四周的对称位置，每个行星齿轮减速电动机上连接联轴器，联轴器连接有麦轮；每个行星齿轮减速电动机通过导线连接至控制模块和锂电池。麦轮可以实现设备的前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。在此基础上研制的背负式AGV小车非常适合转运空间有限、作业通道狭窄的工厂环境,在提高工厂保障效率、增加工厂空间利用率以及降低人力成本方面具有明显的效果。3.4功能模块总体结构图3-1功能模块总体结构21抬升架载物板22外剪叉臂23内剪叉臂24底座25槽轨26电动推杆功能模块为双铰接式升降台，双铰接式升降台包括载物板21、外剪叉臂22、内剪叉臂23、电动推杆26安装在底座上，抬升架载物板21与底座24同一端内壁均设置有槽轨25，载物板21和底座24上远离槽轨一端分别连接外剪叉臂22底部和内剪叉臂23顶部；外剪叉臂22底部设置有下支撑杆，内剪叉臂23上部设置有上支撑杆，电动推杆装在底盘左下方，对抬升架载物板21有纵向的推力，电动推杆推动载物板上升的过程中，两侧的外剪叉臂和内剪叉臂同时跟随其上升，可以达到平稳升降的效果；电动推杆连接至控制模块，可以实现抬升架载物板的升降。3.5连接模块总体结构连接模块包括支撑板、支撑杆、支撑板上表面装有4个电磁铁，通电后产生磁力，整个支撑板牢牢的和上方的载物台连接在一起，防止在运动过程中载物台产生不平稳现象，进一步完善了结构的安全性能。断电磁场消失，电磁铁磁力消失，上方的载物台和支撑板分开，载物台可以装卸。这样可以方便整个结构的装备以及维修。支撑板可以跟随功能模块的双铰接式升降机构一起升降，完成载物台的升降过程，同时也起到对载物台的支撑作用。支撑板下表面两端的轨道以及每个轨道上配置的螺栓，用于连接支撑杆，撑杆固定于底盘上，支撑杆下方配有螺旋，用于和底盘进行定位和固定。3.6分担模块总体结构负重模块是载物台，载物台上配有压力传感器，压力传感器连接于功能模块2顶部并通过导线连接至控制模块，压力传感器可以传输给控制模块，用于检测所载货物的质量。双铰接式升降机机构可以跟随载物台的升降一起升降，防止电动推杆向上推动载物台时，载物台出现不平稳的现象。还起到支撑的作用，可以保证载物台的承载能力。4主要零部件的设计4.1连轴器的设计4.1.1材料的选取本设计的底盘结构是用联轴器连接麦克纳姆轮，由行星齿轮减速电动机驱动联轴器为轮子提供动力。底盘的运动是AGV最基本，最核心的功能，所以联轴器的稳定性尤为重要。联轴器的材料需要选取需要有较高的强度和耐磨性[10]。为了保证联轴器的使用年限，同时得保证同轴度，在实际应用中，往往选用6061，7075，LY12硬铝等，对于强度高和耐磨性强的零件，一般采用45钢或7075T6等级航空铝[11]。由于该零件的强度和耐磨性要好，所以材料选用45钢。45号钢的弹性模量是210GPa，其泊松比为0.33，淬火硬度是HRC55，抗拉强度约600MPa，屈服强度约355MPa[12]。联轴器空载转速500rpm，空载电流0.63A，额定转速480rpm，额定转矩2N.m，额定电流9A，最大效率65%。4.1.2零件设计4-1（a），4-1（b）图4-1（a）联轴三维图 图1（b）联轴器工程图4.1.3分析验证（1）精确强度校核计算[13]。疲劳强度安全系数校核：(4-2)式中：Sσ-仅弯矩作用时的安全系数；Sτ-仅弯矩作用时的安全系数；Sτ-计算疲劳强度时的许用安全系数；τ-1-材料于对称循环应力下的扭转疲劳极限，单位MPa；σ-1-材料于对称循环应力下的弯曲疲劳极限，单位MPa；Kσ,Kτ-弯曲，扭转时有效应力集中系数；β-表面质量系；代入数据验证得S≥Sp。（2）圆轴扭转角Φd的计算[14]。(4-3)式中：T-轴所传递的转矩，N.m；l-轴受扭矩作用部分的长度，mm；α-空心轴的内径d1与外径d之比，α=d1/d；d-轴的直径，mm；d1-空心轴内径，mm；li,di,dli-轴的第i段长度，直径，空心轴内径，mm；Ti轴在第i段所受扭矩，N.m；代入数据得Φd=2.205。所选材料符合要求。（3）临界转速校核[15]。(4-4)式中：di-第i段轴的直径，mmΔlii段轴的长度，mmξ50%时，可取ξ15%ξ值。4.2电机的选择背负式AGV机构中电机的选择有着重要的意义。如果电机的功率过大，会导致车体运动发生不平稳现象。如果电机的功率过小的话，则不能完成承载重物，因此应该正确选择电机的型号。根据表4-2选择的电机是53mm行星齿轮减速电动机。其电机的参数如下图所示。表4-2行星齿轮减速电动机参数型号功率W电压V转速rpm电流A转矩N·M减速比减速后转矩53ZY100201220001.8451:24100RPM53ZY200302445001.35781:24200RPM53ZY300302445001.35781:16300RPM行星齿轮减速电动机的优点：（1）体积小、重量轻、承载能力高。（2）运动平稳，无其他机械连接装置。（3）输出扭矩大、效率高。4.2.1电机的可行性验证首先先假设所选电动机符合要求，验算该电动机的性能指标。1、首先基于背负式AGV的全部质量包括：（1）联轴器2kg/个。（2）麦克纳姆轮的质量8kg/个。（3）底盘的质量120kg。（4）壳体的质量20kg。（5）电池质量20kg/个。（6）升降机构的质量20kg。（7）载物台20kg。因此背负式AGV的总质量m为：4×2+8×4+120+20+20×4＋20+20=300kgAGV小车最大载重：（4-5）AGV小车自重：（4-6）背负式AGV对地面的正压力：（4-7）背负式AGV在地面行走时，主要的阻力来源于地面的摩擦力：（4-8）式中：-摩擦因数，取=0.1。-背负式AGV对地面的正压力。算得：（4-9）因为背负式AGV共有4个麦轮，单个轮毅对地面的摩擦力为:（4-10）麦轮的直径，单个麦轮受到的力矩为：（4-11）由上述计算的可选用53ZY200型电机,电动机所需的力矩为，53ZY200型电机的扭矩为。（备注：）由，所以满足要求。4.3电动推杆的选择背负式AGV机构中电动推杆的选择有着重要的意义。如果推杆的功率过大，会导致载物台发生不平稳现象。如果推杆的功率过小的话，则不能完成载物台的升降，因此应该正确选择电动推杆的型号。1、首先基于背负式AGV电动推杆所承受的全部质量包括：（1）载物台20kg。（2）双铰接式升降机构30kg。（3）最大货物质量50kg。因此电动机推动的总质量为：20+30+50=100kg电动机所需的推力:(4-12)因此选用的电动推杆大于980N即可