基于MCD的万向轮转向灵活性测试平台设计*

杨保健，张活俊，黄照辉

0 引言

随着人们生活水平的提高，行李箱已成为人们旅行和居家的必备物品，而行李箱万向轮的灵活性是其质量好坏的重要指标之一[1]。目前，大多数厂家对行李箱万向轮灵活性的检测仍停留在人工检测阶段，检测精度低，耗时长，成本高，严重制约了行李箱的生产效率。基于此，论文基于MCD（Mechatronics conceptual design）系统，拟开发一个箱包万向轮灵活性测试平台，实现行李箱的自动化检测。

1 万向轮运动学分析

万向轮分平底万向、丝杆万向、光杠万向、中控医疗轮等类型[2]。行李箱多采用的是平底万向轮。万向轮通过不锈钢螺钉与行李箱底盘连接，并在垂直于不锈钢螺钉的平面内绕不锈钢螺钉所在轴实现360°旋转，其中在万向轮与行李箱接触的面上配有钢柱垫圈，将滑动摩擦优化为滚动摩擦，以增强万向轮的转向灵活性，如图1所示。在万向轮转动的过程中，在轴向主要受行李箱重力对万向轮轴肩的压力N1和地面对万向轮的支撑力N2，N1为均布力，且N1=N2；而在垂直于轴的平面内，主要受驱动力F和摩擦力f，二力力矩平衡，即MF=Mf，如图2所示。万向轮转动灵活性主要受接触面摩擦力f和偏心距e影响[3-4]，其中摩擦力f越小，偏心距e越大，则转动灵活性越好。

图1 万向轮实物图[2]

图2 转轴受力分析

2 测试平台设计

（1）万向轮导向机构设计

根据万向轮的轮宽及轮间距，设计了双列多槽式滚筒导向机构，如图3所示。初级滚筒为起初导向作用，槽间距较大，槽壁较薄，能够适应万向轮的入槽角度较大，约小于90°[5-6]，如图3（b）所示。次级滚筒起精确导向作用，经过该滚筒导向后，万向轮的朝向基本与流水线方向平行，且具有一定的初速度V0。此时已为万向轮转向灵活性测试做好了轮姿态初始化。

根据某款行李箱的万向轮尺寸确定滚筒盖板宽度、初级滚筒与次级滚筒轴距以及滚筒的直径。最终确定的双列多槽式滚筒导向机构如图3（b）所示。

图3 双列多槽式滚筒导向机构

（2）平台倾斜装置

行李箱万向轮经过双列多槽式滚筒导向机构导向后，将进入滑行区域。在该区域，行李箱主要靠重力作用沿倾斜装置的面板向下滑行。通过测量行李箱滑行时不超出滑道边界的最大滑行距离来衡量其万向轮转向灵活性。

整个平台倾斜装置由滚筒、电机、气缸、电磁阀、滑板、支撑底座等组成，如图4所示。滑板左端与气缸杆相连，依靠调节气缸杆的伸缩量来控制滑板的倾斜角度。针对不同规格的行李箱，滑板的倾斜角不同，倾斜角一般在0°～16°之间。

图4 平台倾斜装置

考虑到平台倾斜装置在工作时其主要的受力部件为滑台和气缸杆，对滑台进行了强度校核。

由ΣFx=0知：FN=FBx=-FDx

由 ΣMC(F)=0 知： FBy⋅x1-M=0

校核平板AB截面A的强度：

图5 滑板轴力图和弯矩图

（3）关键部件有限元分析

考虑到平台倾斜装置中滑板厚度薄、荷重大、所受力冲击大等特点，材料选取铝合金6061，对滑板进行了受力有限元仿真。图6所示为滑板的Mises应力等值线分布云图，其中最大应力位于滑板两侧开口处，其值为σmax=25.725 MPa＜＜265 MPa。

对于滑板的总变形结果分布云图如图6所示，其中最大的变形值为U=0.265 48 mm，且发生在平台的最右侧的位置如图7所示。平台两端与中间相比，其变形要大一些，基本上介于0.011 43～0.265 48 mm之间。综上，滑板结构符合强度要求。

图6 滑板应力分析云图

图7 滑板位移分析云图

3 控制系统设计

在MCD系统中，将设计好的测试平台三维模型导入UG模块中，并根据测试过程编写PLC程序，在MCD虚拟环境下进行整个动作的模拟[7-8]。测试过程流程及仿真界面如图8和图9所示。

4 结论

在分析了万向轮运动受力情况的基础上，基于MCD虚拟环境对行李箱万向轮转向灵活性测试平台进行了设计和仿真，具体对导向机构、倾斜机构的结构进行了设计并对测试平台进行了运动仿真。结构合理，运动过程满足要求，缩短了开发周期，为测试平台的开发奠定了理论基础。

图8 逻辑流程图

图9 虚拟仿真界面

参考文献：

［1］李颖.拉杆箱比较试验一半以上样品未达标［J］.中国质量万里行，2017（01）：95-96.

［2］李振刚.三种新型万向轮的动力学分析和应用［J］.机械工程师，2002（8）：43-44.

［3］孙桓，陈作模.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，2013.

［4］王海东，王国栋，洪鹰.基于AGV万向轮特性的动力学分析［J］.机械设计，2015（04）：96-100.

［5］徐泽亮，马培荪.永磁吸附履带式爬壁机器人转向运动灵活性分析［J］.上海交通大学学报，2003（21）：34-36.

［6］谢霞，严雷，贾巨民.万向轮螺旋滚子受压变形的有限元分析［J］.中国工程机械学报，2013（02）：152-156.

［7］邢学快.基于MCD的包装流水线虚拟仿真及监控系统设计［D］.上海：东华大学，2016.

［8］邢学快，王直杰，沈亮亮，等.采用PLC数据匹配的MCD风力发电机虚拟仿真监控［J］.微型机与应用，2016（09）：3-5.