麦克纳姆轮平衡重式AGV叉车的总体设计与研究

高峰

摘  要：基于麦克纳姆轮（简称麦轮）结构方式和具有零转弯半径的特点，该文对麦轮平衡重式AGV叉车总体设计进行了阐述。对总体布局中叉车重心的位置、总体参数进行了分析和研究。对行走系统的麦轮、伺服电机、减速机、及液压系统进行了计算。该文分析了全车动力源供电结构，导航方式、避障及安全系统。同时引入了叉车试验的4种稳定性在总体设计中进行分析与研究，全方位考虑问题，提高了总体设计的准确性和实用性，对成品的样机每一项技术参数指标满足国家标准试验要求。

关键词：麦克纳姆轮;AGV平衡重式叉车;总体设计

中图分类号：TH22        文献标志码：A

0 引言

随着物流自动化的发展和需求， AGV叉车是仓储物流、智能工厂的一个重要设备。它是以电池为动力源，具有举升、动力导向、路径识别、安全避障和自动充电等功能。在无人驾驶的情况下，实现自主搬运货物到指定位置进行摆放、堆垛，对生产、运输、成本管理有重要意义。传统的轮式AGV叉车需要一定的转弯半径、直角通道才能在工况下作业。但对一些空间狭窄或特殊的路径场合，传统的AGV叉车并不满足该工况。基于此，该文的轮式AGV叉车采用动力相互独立的4个麦克纳姆轮结构，具有零转半径的特点，在不改变车身方向的情况下，可以在平面内做任意方向的移动，提高了仓储、物流的空间的利用率。该文阐述了麦轮AGV叉车的总体设计，其根据市场需求、工况要求，设计和布局外形尺寸、各性能参数、导航方式等。初步确定整机尺寸参数，选定轴距、轮距，自重、前悬距和后悬距等。具体从3个方面进行论述。

1 整机重心的分布

确定整机重心的位置很重要。传统叉车试验证明，空载前桥负荷满足40%左右，满载前桥负荷满足90%左右是符合国家试验要求的。该文的麦轮叉车，如果按照传统叉车进行重心分布，满载时，横向行动时会出现斜向偏移。不仅会影响传动效率，更会影响导航的精度。所以在设计时要遵循满载和空载前后桥负荷接近1∶1;由此增加一个可移动的配重，在叉车满载时，可移动配重通过一个机构向车体后移，改变整车的重心位置，使满载时前后桥重量几乎相等。叉车空载时，可移动的配重沿着车体进行前移，使前后桥重量几乎相等。就是说，时刻保证4个轮子承载重量接近相等。

2 确定总体参数

根据工况需求，可确定自重M、额定起重量m、满载运行最大速度V、满载爬坡度α、动摩擦系数f、加速度a、起升高度h、轴距L、轮距C、满载起升速度V1等参数。

3 行走系统的选择

行走系统由轮系、伺服电机、减速機组成。伺服电机和减速机的性能参数决定了整车的动力性能。麦轮的直径决定着整车重心高度和抗翻能力，即麦轮的强度、高度决定了整车的稳定性、行走能力、运行精度等。

3.1 轮系的选择

采用均布的4点支撑，根据整机重量和承载量，计算出每个轮子的承载力，考虑一定的安全系数，再进行麦轮的选择，确定直径。

3.2 伺服电机的选择

伺服电机的选择要考虑整车的起步、爬坡、行驶、加速和横向移动等动力因素，根据工况实际要求进行选择。

3.2.1 功率的计算

3.2.2 扭矩的计算

M坡= [ （M+m）g×sinα+μ（M+m）g×cosα+（ M+m）a ]×（D/2）

式中：M-叉车自重，kg。m-额定起重量，kg。V-满载最大运行速度，km/h。f-滚动阻力系数，取f=0.045-0.06。η-运行的传动效率，取0.85。α-爬坡度，%。D-麦轮直径，m。a-加速度，m/s2。N总-伺服电机的总功率，kW。M坡-爬坡扭矩，N·m。综上所述，通常取满载在无坡道和有坡道2种工况下取最大值进行电机的计算，同时要结合麦轮横向移动方式的特点，确定每个电机的功率、额定转速及编码器、驱动器等。

3.3 减速机的选择

确定减速机的传动比

结合电机参数选择减速机，确定电机和减速机参数及曲线图进行匹配。原则是传到轮子的动力要大于轮子与地面的摩擦力;同时要有满足牵引性能。

4 液压系统设计选择

4.1 系统的压力确定

根据起升重量和内门架及叉架的重量，确定起升压力，乘以一个过载1.25倍的系数，考虑5%～10%的压力损失，最终得到起升系统的额定压力P。

4.2 起升系统油缸的选择

根据起升系统的额定压力P，来选择油缸参数，暂设定油缸面积为S。

4.3 确定起升系统的流量

Q=V1×S

4.4 油泵的选择

在系统压力P和流量Q下，结合油泵特性曲线图，选取排量q。

4.5 油泵电机的选择

4.5.1 油泵电机转速

4.5.2 油泵电机功率

式中： n1-行走电机额定转速 r/min。P-系统的额定压力 MPa。Q-起升系统的流量 L/min。V1-满载起升速度V1。S-起升油缸的面积 mm2。q-泵的排量 mLr。n2-油泵电机额定转速 r/min。ηv-泵的容积效率，取0.9。泵电机功率 kW。i-传动比。ηP-传动效率，取0.85。

4.6 换向阀的选择

通常选用比例电磁阀，原则是选用的额定流量和额定压力大于上述计算的压力和流量。

5 动力源的选择

全车系统总功率P0是由行走系统的伺服电机功率P1、控制器功率P2、液压系统的电机功率P3、控制器功率P4，遥控器功率P5以及其他辅件上损耗的功率P5之和组成。电池容量和续航时间是设计者重点考量的技术指标。一般的续航时间在3 h左右，在规定的时间内能完成工作，并能自动连接电源充电。一般要求快速充电在2 h以内完成。

6 工作装置的选择

一般采用两级和三级起升工作装置，能精准地控制货物的起升高度。

7 导航系统的选择

叉车的导航方式有惯性、视觉二维码、有反和无反激光导航常见的几种。惯性导航通过对陀螺仪偏差信号的计算及地面磁钉信号采集来确定自身的位置和方向。地面需要施工铺设磁钉，无需维护，定位精度一般，磁钉需要进口较多，成本较高。视觉二维码导航通过读取网格状布设的二维码，确定绝对值坐标和方位，地面需要铺设二维码，需要经常进行维护，定位精度一般，成本较高。有反激光导航通过测量预先布设的地标（反光板）来确定当前的位置和方向。周边需要施工布设反光板，路径可任意变更，无需维护，定位精度高，成本高。无反激光导航通过四周的轮廓特征点来确定其当前的位置和方向，不改变环境、不需要施工，路径可任意变更，无需维护，定位精度中等，成本高。通过对比，采用有反和无反激光导航比较好。

8 避障系统

可采用激光、光电、红外、超声等多重避障方式，加上车体机械碰撞感应传感器，全方位避障，规避各种潜在危险。

9 控制系统

控制系统包括运动控制系统、自动导航系统和手动遥控系统。运动控制系统是AGV叉车的核心部件，负责接收上位机各种信号，经CPU进行数据处理，得出控制策略，并输出相应的控制量对伺服电机进行控制，完成一系列的运动、门架的起升等功能。自动导航系统是保证AGV叉车能够自主行驶的关键模块。手动遥控系统主要是通过手柄来实现AGV叉车运动和工作装置的起升等功能。手动遥控系统包括无线电遥控、红外线遥控、超声波遥控3种，可根据工况要求进行选择。

10 安全系统

为保证设备、工件、人身安全等因素，应满足如下要求：当车充电时，所用控制方式都不起作用，不能对整车进行操纵控制。当车启动后，车体上自动充电口处电压为零，以免意外发生触电事故。车设有紧急停车按鈕，当无线遥控器出现故障或整车出现非正常工作时，可按下急停按钮切断电源。具有声、光、语音提示等报警功能，能自动故障诊断和画面提示操作并及时反馈信息。

11 稳定性试验

重心位置确定。标准无载，门架垂直，利用各部件重量Gi与ai（距前桥中心长度）之积的总数与叉车总重确定xo（重心与前桥中心距离）利用各部件重量Gi与地面距离ni之积的总数与总重量Go确定yo（重心与地面距离）。

计算得：xo=（∑Giai）/ Go; yo=（∑Gini）/ Go。

叉车满载堆垛的纵向稳性  tgθ1=e1/hg1>0.4为合格。叉车满载运行时的纵向稳定性  tgθ2=e2/hg2>18%为合格。叉车满载运行时横向稳定性tgθ3=e3/hg3>6%为合格。叉车空载运行时横向稳定性tgθ4=e4/ hg4>（15+1.4v）%为合格。 以上4种是我国叉车GB/T 3300—2010试验方法和标准。从以上4种状态可以推导出，降低叉车的重心对横向和纵向稳定性是有好处的。叉车的重心越靠后，纵向稳定性越好，但横向稳定性不好。因此，对于总体设计阶段的叉车，也要考虑以上四式稳定性条件可以进行合理的布局，使叉车的性能更优越。

12 结语

从以上几个方面介绍了麦克纳姆轮平衡重式AGV叉车的总体设计方法、步骤、简要的计算和导航、控制系统、安全性等，把控全局，规范产品的系统设计，理论结合实际，提高产品设计的质量，完善产品的可靠性。

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