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    教育論文

    差速輪自動引導運輸車運動底盤設計與控制

    時間:2021年09月04日 所屬分類:教育論文 點擊次數:

    摘要:隨著我國工業生產智能化水平的日益提高以及AGV應用領域不斷地擴大和普及,AGV在工業領域中的需求越來越多。本文以發動機生產企業實際需求為引導,介紹了磁導航兩輪差速式AGV底盤的設計過程,設計過程以科學計算及行業標準為原則,并加以多年AGV行業設

      摘要:隨著我國工業生產智能化水平的日益提高以及AGV應用領域不斷地擴大和普及,AGV在工業領域中的需求越來越多。本文以發動機生產企業實際需求為引導,介紹了磁導航兩輪差速式AGV底盤的設計過程,設計過程以科學計算及行業標準為原則,并加以多年AGV行業設計經驗為輔助,此車設計完成后得到了成功的應用。

      關鍵詞:自動運輸車;磁導航;兩輪差速;西門子PLC;運動控制

    自動運輸

      1自動運輸車簡介

      1.1自動運輸車(AGV)簡介

      AGV(AutomaticGuidedVehicle)屬于輪式移動機器人,具有多種機器人單元技術,如智能移動機器人涉及到的環境感知、導航與定位,路徑規劃、運動控制等技術,均在AGV中得到應用,所以也稱它為“搬運機器人”“無人智能導航車”。隨著AGV智能化水平的日益提高以及AGV應用領域不斷地擴大和普及,AGV有廣闊的發展前景[1-2]。

      人工智能論文: 人工智能和自動駕駛相關的論文發表期刊

      1.2自動運輸車(AGV)分類及組成AGV按其導引方式的不同可分為兩大類:固定路徑導引方式和自由路徑(無固定路徑)導引方式。固定路徑導引方式是在行駛的路徑上設置導引用的信息媒介物,AGV通過檢測出它的信息而得到導引;自由路徑(無固定路徑)導引方式是指AGV上儲存著布局上的尺寸坐標,通過識別車體當前方位,自主地決定路徑面的行駛,如行駛路徑軌跡推算導向法導引、慣性導航導引、環境映射法導引等。一臺自動運輸車(AGV)的運動地盤通常包括電池單元,控制單元,導航單元,安全保障單元,動力單元等部分組成。

      2差速輪驅動形式

      AGV運動底盤機械設計本文以已知預定方案為基礎,逐步介紹自動運輸車差速輪運動底盤設計的全過程,包括機械設計和電氣設計兩大主要部分。已知方案需求如下:某汽車發動機裝配車間,需求一臺轉運用AGV,用以搬運發動機半成品至各個工序并進行抽檢,入庫等操作。要求外形尺寸為L1200*W900*H800mm(以內),導航形式為差速輪,通訊形式為WIFI,載重≤500kg,爬坡能力<3°,行駛速度≤30m/min,定位精度為10mm,續航能力6-8小時,運行方向為前進、后退、左轉、右轉。

      2.1驅動方式的選擇

      2.1.1AGV按轉向方式

      舵機轉向式舵機轉向式中,一般使用舵機(步進電機)作為轉向控制電機,舵機上裝有減速機,減速機連接轉向鉸軸,鉸軸另一端連接轉向輪,這樣即實現了舵機控制轉向的目的。有時,可不設置轉向輪,而將驅動輪固定在一盤系上,舵機帶動盤系轉動,也可實現舵機轉向。另外一種方式是差速轉向式,一般用于需要前后雙方向運動的情況中。此時,沒有單獨舵機或其他形式的電機用于控制方向。兩個驅動輪上分別裝有一臺驅動電機,當兩臺驅動電機速度相同時,AGV保持直線行駛,當兩臺電機速度不同時,即存在差速,AGV實現轉向。

      2.1.2AGV輪系種類AGV按輪系分,常分為:三輪式、四輪式、六輪式等。三輪式AGV輪系結構簡單,能夠滿足一般常規性運行。四輪式分析較復雜,主要問題在于輪系于地面接觸上,但四輪式承載能力強,運用也較廣泛。六輪式與四輪式基本情況類似,也是用于高承載低速度的情況下,其運行較為平穩,分析方法同四輪式相近。

      2.2底盤形式選擇方案分析,根據AGV尺寸和載重要求,主要考慮車體高度和制造成本,本方案計劃采用差速輪形式底盤,差速輪為主動力單元,負責為整車提供動力,前后輔助輪作用為提供支撐。具有如下優點:如使底盤沿驅動輪輪軸中線前后對稱,運行平穩可靠;差速驅動對實現雙向運行較為簡便,相比較其它的方法,減少了電機數量,節約了設計和生產的成本;差速驅動的雙電機驅動方式,有效提高了電機的使用效率,使電機提供的能量均作為動力,增強了小車的驅動力,適合需要小型重載AGV的場所[3]。

      2.3電機及減速機選擇

      2.3.1參數計算

      已知負載重量(m1)500kg,車身重量(m2)500kg,輪徑(D)200mm,驅動輪數量(j)2個,最大爬坡角度(α)3°,電機轉速(n)3000rmp,減速機減速比(i)50,聚氨酯輪和地面滾動摩擦系數(μ)取值0.04,電機選取安全系數(k)1.3;①計算底盤負載運行時整體重量(m):m=m1+m2=1000kg;②坡面總的牽引力(f):坡面總的牽引力為重力在坡度方向的分力(f1)與摩擦力(f2)之和,即f=f1+f2=mg*sinα+μmg*cosα=904N;③每個輪牽引力分力(f輪):f輪=f/2=452N;④AGV的線速度(v):v=πDn=37.7m/min;⑤減速機輸出端扭矩(M):M=f輪*(D/2/1000)=45.2N*m;⑥電機輸出扭矩(M電):M電=M/i=0.904N*m;⑦電機額定扭矩參考值(M額):M額=M電*k=1.176N*m。

      2.3.2電機及減速機選取

      目前差速輪式AGV底盤驅動電機通常選取直流無刷電機或直流伺服電機兩種,隨著國產伺服電機的發展,目前市面上的優質伺服電機價格區間出現了較大的降幅,并且伺服電機具備精度高、轉速高、適應性好、穩定性高、及時性好、舒適性好等特點。因此,國產直流供電伺服電機成為了本項目的選擇方案。根據廠家提供的電機選型樣本,選取電機型號為SMC60S0040-30MAK-3DSU,額定扭矩1.27N·m可以滿足2.3.1中的要求?紤]底盤寬度和伺服電機的長度,為節省AGV寬度方向空間,本方案選取L型減速機,減速比選取1:50,根據減速機輸出端扭矩計算結果,選取減速機型號為:TAD090L2-50-P2-OP2-14-42-50-70-M5i3,保證減速機輸出端扭矩能滿足2.3.1中的要求。

      3AGV底盤運動控制設計

      3.1電氣件選擇主要電氣件清單。

      3.2繪制電氣原理圖及編寫控制程序本項目電氣圖紙繪制軟件為EPLANElectricP82.7(X64),編程軟件為TIA_V16。

      3.3供電單元設計供電電源為48V40AH磷酸鐵鋰電池。供電電路設計思路為,電池放電端接到48V端子臺,從端子臺出來三路分回路,分別對應穩壓電源供電、左輪伺服驅動供電和右側伺服驅動供電,每一處回路增加電路安全保護設備,保護設備額定電流值大于回路電流額定值的1.25倍。為電池設計好電量反饋和手動充電回路。其中手動充電回路直接由電池充電端接到充電插座上,充電插座安裝到車體上以方便充電。電量反饋端為模擬量通訊直接接到PLC上。

      3.4控制單元設計

      S7-1200控制器是西門子近些年新推出產品的核心,SIMATICS7-1200控制器實現了模塊化和緊湊型設計,可擴展性強、靈活度高的設計,可實現高標準工業通信的通信接口以及一整套強大的集成技術功能,使該控制器成為完整、全面的自動化解決方案的重要組成部分。通過分析能夠勝任本項目的所有需求。

      3.5傳感器接線設計及獲取磁條位置

      磁導航數據獲取通訊模塊分為兩部分,其中SEND_PTP模塊負責向磁導航傳感器發送獲取位置信息請求,數據信息儲存在數據塊DB2中共8個字節;功能塊RCV_PTP用于接收磁導航反饋的位置信息,并將數據信息儲存在數據塊DB2中,共16個字節。

      3.6伺服電機輸出控制

      伺服驅動控制可以有多種方案,如RS232或RS485、CAN總線等,本項目選用的控制方案為脈沖控制,脈沖控制有如下優點,可靠性高,信號抗干擾性能好,對于本項目成本低,不用增加額外的控制模塊。電機速度控制模塊可以通過Velocity參數的賦值數據轉換成對應的脈沖數據發送給伺服驅動,進而實現對伺服電機的差速控制。

      3.7底盤速度控制程序舉例

      控制程序總體思路如下:首先通過磁導航傳感器獲取AGV相對于磁條的位置,通過位置信息判斷AGV是否偏離磁條中心區域,如果偏離需要對AGV的運行狀態進行調整,使AGV重新回到磁條中心區域位置運行。通過調整兩輪的差速值使車快速回歸軌道中心區域,如左輪速度大于右輪,則AGV會向右側轉彎。

      本文通過建立差速值與速度、偏離量等因素的數學模型實現了對車輛的精確控制。如示例程序,參數介紹,“EMG”急停信號;“Auto_PB”手動自動狀態信號; “RM_Vel_ModifyValue”車輪速度調整值;“RM1_Base_Speed”輪1基礎速度;“RM2_Base_Speed”輪2基礎速度;“RM1_Auto_Velocity”輪1實際輸出速度;“RM2_Auto_Velocity”輪2實際輸出速度;“AQ_i、AR_i”為安全系數;“RM_Differential_TRight”輪需要向右調節信號,“RM_Differential_TLeft”輪需要向左調節信號。

      IF"EMG"AND"Auto_PB"AND("RM_Vel_ModifyValue"<="RM1_Base_Speed")AND("RM_Vel_ModifyValue"<="RM2_Base_Speed")THENIF"RM_Differential_TRight"THEN"RM1_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM1_Base_Speed")*"AQ_i"*"AR_i";"RM2_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM2_Base_Speed"-"RM_Vel_ModifyValue")*"AQ_i"*"AR_i";ELSIF"RM_Differential_TLeft"THEN"RM1_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM1_Base_Speed"-"RM_Vel_ModifyValue")*"AQ_i"*"AR_i";"RM2_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM2_Base_Speed")*"AQ_i"*"AR_i";ELSE"RM1_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM1_Base_Speed")*"AQ_i"*"AR_i";"RM2_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM2_Base_Speed")*"AQ_i"*"AR_i";END_IF;END_IF;程序解析,當滿足急停和手動自動狀態等基礎條件時,開始對兩輪速度進行調整,輪基礎速度由系統給定,當AGV偏向磁條左側時,通過減少右側輪的實際速度就可以實現對AGV的矯正,當AGV偏向磁條右側時,通過減少左側輪的實際速度就可以實現對AGV的矯正;“AQ_i、AR_i”為安全系數,當觸發某一安全條件時,可直接將安全系數變為0,這樣就可以使車實際輸出速度為0,同時還會配合急停等多種保護,確保AGV停止運行。

      4總結

      以市場實際項目需求為指導,本文設計了AGV的整體運動底盤方案,包括:驅動方式的選擇,底盤形式的選擇,電機及減速機的參數計算及型號選擇,減震結構的設計,車體底盤整體三維模型的設計,運動控制電氣件的選擇,電氣原理圖的繪制,運動控制程序的編寫。

      參考文獻:

      [1]金鑫.AGV小車的發展現狀與應用趨勢[J].北京工業職業技術學院學報,2021,20(1):10-13.

      [2]武啟平,金亞萍,任平,查振元.自動導引車(AGV)關鍵技術現狀及其發展趨勢[J].制造業自動化,2013,35(5):106-109,121.

      [3]楊先龍.磁導航式差速AGV的結構及控制設計[D].合肥:合肥工業大學,2014.

      作者:胡振HUZhen

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