仓储AGV顶升结构设计与分析

曹冲振 王晶蕊 王凤芹 阚常凯 曹美慧

摘要：针对仓储AGV的丝杠举升维修困难，易进灰尘和回转机构电机悬空的问题，设计了一种新型中空圆柱凸轮式举升机构，包括举升机构和回转机构。详细设计了该顶升结构的组成和工作原理，对举升所需的扭矩进行分析计算，并通过SolidWorks仿真分析验证计算结果。结果表明，该方案能够满足要求。

关键词： 仓储AGV; 举升机构; 回转机构; 仿真分析

【Abstract】 To solve the problems of difficulty in maintenance of lead screw lifting in storage AGV， easy to enter dust and hang motor of rotary mechanism， a new type of hollow cylindrical cam lifting mechanism is designed， including lifting mechanism and rotary mechanism. The composition and working principle of the lifting structure are designed in detail， and the torque needed for lifting is analyzed and calculated. The calculation results are verified by SolidWorks simulation analysis.  The results demonstrate that the scheme can meet the requirements.

【Key words】  storage AGV; lifting mechanism; slewing mechanism; simulation analysis

0 引 言

倉储AGV是近年来将机器人技术应用到物流行业的代表，将传统自动导引车辆进行改进，使其符合物流行业需求，代替叉车、拖车等传统物料搬运设备，实现仓储无人化操作，高效率产出[1]。但是国内外针对电商仓储AGV设计得较少，对仓储AGV实际工作过程研究、设计选型仿真分析研究则更加少见，且研究对象多为传统生产企业物流，缺乏新形势下电商仓储中心的应用研究，功能结构不能满足快速发展的市场需求。由于仓储AGV是一种较为复杂的机械装备，本文只对电商企业仓储中心的仓储AGV的顶升机构开展研究，包括举升和回转机构，并对举升机构的电机扭矩进行仿真，检验其是否符合要求，为电商仓储中心的仓储AGV提供一种新型的顶升方案。

1 仓储AGV方案介绍

仓储AGV主要用于大型电商企业仓储中心，以实现物到人拣选的功能需求。仓储AGV举升机构是仓储AGV（见图1）中将足够重量的货架顶起脱离地面的机构，并将之搬运到工作处，利用回转机构进行旋转换面，将需要的面旋转到工作人员面前如图2所示。该方案中选择货架尺寸Lh×Wh×Hh：960 mm×960 mm×2 000 mm，离地高度320 mm，货架层数为5层，材料为冷轧钢，自重30 kg，每层最大承重150 kg。仓储AGV需要驶入到货架底部将货架举起，举升高度为50 mm，整体车身尺寸840 mm×650 mm×300 mm。

2 顶升结构设计

2.1 举升机构设计

该AGV举升机构的主要作用是在搬运货架过程中将货架举升离地面一定距离，使其脱离地面。对此拟做研究阐述如下。

（1）举升机构的组成。该举升机构的组成如图3所示。空圆柱凸轮，止动托盘采用Q235，其余为可购买的材料。外啮合齿轮通过螺钉固定在中空圆柱凸轮下方，中空圆柱凸轮安装在转台座上。外啮合齿轮驱动中空圆柱凸轮旋转，旋转螺纹驱动止转托盘以实现将水平旋转运动转变为垂直运动，如此上下往复运动。止转托盘的四角设计有直线滑轨可以确保托板垂直举升，滑座安装在车架上。该方案中设计有一个驱动电机和直角减速器，举升高度50 mm。由于电机无法持续稳定地举着300 kg货物，所以需要采用电机制动器，其主要作用是当中空圆柱凸轮完全举起或放下货架后立即制动或驱动电机完成动作后制动，使货架维持当前状态。另外，中空圆柱凸轮内留有安装地码传感器的空间。

2.2 回转机构设计

回转机构的主要作用可表述为：仓储AGV差速转向行驶时，需要维持货架相对于地面方向不变，以使得系统能记录货架正反两个面，且防止货架转动造成相邻的货架刮蹭、撞倒的事故[3]。这部分研究内容详见如下。

（1）回转机构设计。该回转机构组成如图4所示。回转支撑采用铝塑板材料，其余为标准件。

（2）回转工作原理。电机驱动减速器，减速器带动花键轴中转齿轮，进而驱动花键，转动旋转驱动齿轮，从而驱动回转支撑齿轮旋转。回转支撑通过螺栓固定在举升机构中的止转托盘上。举升过程中，回转机构中的部分部件随之举升，回转机构的其他部件固定于车架不随之举升，两部分的运动通过花键轴实现。回转支撑齿轮与回转支撑之间通过滚珠组成一个部件（转盘轴承）。

3 仿真分析

3.1 模型导入

将AGV导入SolidWorks中，启用Motion工具，生成一个新运动算例，模型立即导入仿真环境。其优点是导入后在仿真环境中零件之间的装配关系仍然存在，各个零件都处于配合状态，不需要重新确定各个零件之间约束关系和材料属性等参数[5]，仿真设计模型如图5所示。

3.2 仿真参数设置

将AGV模型导入后，对模型进行设置，添加马达和外力。对旋转大齿轮施加旋转马达，相对移动的零件选择止转托盘;施加垂直地面，竖直向下的引力;设置中空圆柱凸轮与凸轮随动器和直线导轨之间的接触;对举升的中心施加压力3 000 N，代替300 kg的重物。

3.3 仿真结果分析

这里，给出了举升扭矩的仿真结果如图6所示。由图6可知，举升扭矩在启动时是最大的，大约是55 N·m左右，之后稳定不变。而计算的扭矩Mj=54.728 N·m，仿真结果和计算扭矩的结果误差为5%，在允许的范围内，所以选用的减速电机符合要求。

4 结束语

结合仓储AGV的具体结构提出了一种新型的举升和回转机构，占用空间小，加工简单、成本低，结构更加合理。对设计的举升机构举升过程中中空圆柱凸轮式举升机构的扭矩进行计算，并对举升进行仿真验证，结果证明这种新型举升机构选用的减速电机是合理的。

参考文献

[1] 李乐. AGV在汽车零部件厂内物流的应用案例[J]. 企业技术开发（学术版）， 2014， 33（7）：46.

[2]彭国勋，肖正扬. 自动机械的凸轮机构设计[M]. 北京：机械工业出版社， 1990.

[3]吕顺， 费勇. 堆取料机回转驱动分析与计算[J]. 机械工程师， 2011（8）：165.

[4]何西泠. 回转支承装置的摩擦阻力矩[J]. 中国工程机械学报，2006， 4（2）：183.

[5]车睿. 基于虚拟样机技术的货叉式AGV稳定性研究与结构优化[D]. 北京：机械科学研究总院， 2015.