⑷完全靜止的時候的靜強度計算為： （4-27）所以此次選擇的鏈條設(shè)計合理4.1.5鏈輪傳動處電機、減速器選擇叉具部分對旋轉(zhuǎn)軸軸線的轉(zhuǎn)動慣量為：主動鏈輪對其軸線的轉(zhuǎn)動慣量為：令其加速時間為0.1s，加速度為： （4-28）①對于主動鏈輪：則驅(qū)動主動鏈輪加速的慣性力矩為： （4-29）則加速階段需要的最大扭矩為： （4-30）動態(tài)勻速階段所需要的力矩由前計算可知為： （4-31）靜止狀態(tài)的時候需要主動鏈輪處的剎車力矩為：試選減速器型號為80ZDE40，其最大輸出扭矩為,推薦輸入轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)動慣量為，傳動比為則需要的電機的力矩為： （4-32）轉(zhuǎn)動慣量按照容許負載3倍計算，則負載以及減速器折算到電機上的轉(zhuǎn)動慣量為： （4-33）則需要電機的轉(zhuǎn)動慣量為：選擇電機型號為SDGA08C11PD，其額定扭矩為，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定功率為750w，電機轉(zhuǎn)動慣量為，表4-1鏈條抗拉負載ISO鏈號測量力/N抗拉載荷/KN單排雙排三排單排雙排三排05B501001504.47.811.106B701402108.916.924.908A12025037013.827.641.408B12025037017.831.144.510A20039059021.843.665.410B20039059022.244.566.74.2齒輪齒條的相關(guān)設(shè)計4.2.1原始參數(shù)計算：取載貨架豎直方向最大速度為：令重物以及相關(guān)零部件質(zhì)量共為：則貨物在移動過程中的最大負載為： （4-34）則貨物在上升或者下降過程中的最大功率為： （4-35）取齒輪轉(zhuǎn)速為：則該齒輪的扭矩為： （4-36）圖4-1齒輪齒條結(jié)構(gòu)模型4.2.2接觸疲勞強度計算⑴選擇齒輪材料由前可知齒輪一、齒條材料均為40Cr，調(diào)質(zhì)，HB240-260按照ME級質(zhì)量取：初步確定主要參數(shù)此處為開式傳動由于該處驅(qū)動齒條的齒輪對稱配置，且齒面硬度小于HB350，故取由前可知：初步估算模數(shù)：初令二級一檔齒輪副中的齒輪一齒數(shù)為29 （4-37） （4-38）取模數(shù)為：由接觸疲勞強度初步確定齒輪的直徑:其中： （4-39）所以：所以：取齒數(shù)為取模數(shù)為：則分度圓直徑為： （4-40）則齒輪轉(zhuǎn)速為： （4-41）齒寬為： （4-42）取齒條寬度為齒輪分度圓周長為： （4-43）則齒輪轉(zhuǎn)動過程中的所需扭矩為： （4-44）齒輪精度選擇為7級，齒面接觸強度核算：分度圓上名義切向力：使用系數(shù):原動機為電動機，取輕微沖擊，工作機有輕微沖擊，查表14-1-71動載系數(shù)：由前可知齒輪線速度：查手冊可得：計算傳動精度系數(shù)C： （4-45）對于齒輪一：則有圓整后取C=8所以螺旋載荷分布系數(shù)： （4-46）查手冊可得：則：齒間載荷分配系數(shù)：由于 （4-47）該齒輪的齒頂圓直徑為: （4-48） （4-49）所以該齒輪副的重合度為： （4-50）齒輪一齒頂圓壓力角查手冊可得：彎曲計算的重合度系數(shù)：所以：查手冊得以及：輪齒柔度：單隊齒剛度理論值為： （4-51）則單隊齒剛度為： （4-52）則嚙合剛度為：齒廓跑合量為： （4-53） （4-54）所以： （4-55）節(jié)點區(qū)域系數(shù)，由于零變位，查手冊可得：彈性系數(shù)可得為：由手冊可得螺旋角系數(shù)為： （4-56）求齒輪一端面齒頂圓壓力角齒輪副中的端面嚙合角齒輪二端面齒頂圓壓力角由前可知： （4-57）由于是標準安裝，故 （4-58）所以：計算接觸應(yīng)力： （4-59）壽命系數(shù)：應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的計算： （4-60）由手冊的公式可計算得： （4-61）潤滑影響系數(shù)：由手冊可得 （4-62）齒面工作硬化系數(shù)ZW可得尺寸系數(shù)Z尺寸系數(shù)則安全系數(shù)： （4-63）4.2.3輪齒彎曲強度核算螺旋線載荷分布系數(shù)： （4-64）其中所以又由前可知：所以有：螺旋線載荷分配系數(shù)齒廓系數(shù):齒輪的齒廓系數(shù)：齒條的齒廓系數(shù)：齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)：齒條的應(yīng)力修正系數(shù)：齒輪的重合度系數(shù)計算：由前可知：螺旋角系數(shù)計算齒根應(yīng)力為：由于： （4-65）所以試驗齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)：查手冊可得：壽命系數(shù)：由前可知：應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的計算：由表14-1-108： （4-66）所以：由圖14-1-98可知： （4-67）所以：所以有：該值介于1到4之間故相對齒根表面狀況系數(shù)：查手冊可知齒根表面微觀不平度10點高度為：時，尺寸系數(shù)：由手冊可得公式：則彎曲強度的安全系數(shù)為： （4-68）所以：所以該齒輪設(shè)計合理4.3齒輪副轉(zhuǎn)動慣量計算由前計算可知：負載以及其他移動零部件對于齒輪軸上的轉(zhuǎn)動慣量為： （4-69）加速度時間為：則齒輪副加速過程需要的慣性力矩為：又由前可知齒輪在勻速狀態(tài)的時候，需要的力矩為：則貨物在上升或者下降過程中的最大功率為：選擇減速器傳動比為又軸一以及齒輪的轉(zhuǎn)動慣量為：4.4整機加速階段所需力矩的計算整機轉(zhuǎn)動慣量的計算：令整機加速時間為0.6s則車輪加速度為：整車質(zhì)量按照210kg計算則在加速過程中，需要的慣性力矩為：4.5驅(qū)動輪相關(guān)計算4.5.1驅(qū)動輪勻速工作過程的相關(guān)計算整機總質(zhì)量為，一共4個車輪，兩個驅(qū)動輪，兩個轉(zhuǎn)向輪，每個輪子承受質(zhì)量為，當原地轉(zhuǎn)彎也即驅(qū)動輪只有一個工作的時候，所需要的電機驅(qū)動力矩為最大，此時需要的驅(qū)動力矩為： （4-70）車輪直徑為：則車輪轉(zhuǎn)速為：則勻速運動的時候驅(qū)動車輪所需要的功率為：4.5.2驅(qū)動輪加速工作過程的相關(guān)計算整機轉(zhuǎn)動慣量的計算：令整機加速時間為則車輪加速度為：由前可知則在加速過程中，需要的慣性力矩為：則在加速過程中總共需要的最大力矩為：則加速過程中所需要的最大功率為：圖4-2驅(qū)動輪模型4.6同步帶相關(guān)計算驅(qū)動電機通過同步輪傳動來驅(qū)動驅(qū)動輪，取同步帶傳動比為：則小帶輪轉(zhuǎn)速為：由前計算可知驅(qū)動單個驅(qū)動輪所需的最大功率為0.68kw則單根同步帶所需要的設(shè)計功率為：其中上式中的為同步帶傳動的機械效率，此處取，為工況系數(shù)，查手冊得查機械手冊得圓弧齒同步帶的選型圖如下圖：圖4-3圓弧齒同步帶選型圖又因為電機轉(zhuǎn)速也即小帶輪轉(zhuǎn)速為為179r/min,由上圖可得同步帶選型為8M,主從動輪齒數(shù)的確定：設(shè)主從動輪齒數(shù)相等，即傳動比為1，則;主動輪節(jié)圓直徑的確定,查手冊可得:帶速的確定：再查手冊可得：則可以得到：中心距的初定：令同步帶的節(jié)線長度以及齒數(shù)的初步確定： （4-71）帶輪嚙合齒數(shù)的確定：基準額定功率的確定：查手冊得圓弧齒制基準額定功率8M在齒數(shù)為38Z，轉(zhuǎn)速為179r/min的時候，帶寬為20mm的皮帶輪，所傳遞的功率為1.12Kw，同步帶帶寬的確定：作用在軸上的力的驗算：4.7同步帶處電機的相關(guān)計算由前計算可知，勻速狀態(tài)的時候，驅(qū)動輪需要的轉(zhuǎn)矩為：則勻速狀態(tài)驅(qū)動主動輪需要電機的力矩為：加速狀態(tài)的時候驅(qū)動主動輪需要的扭矩為：電機轉(zhuǎn)速的計算：由于驅(qū)動輪的最大轉(zhuǎn)速為：又同步帶傳動比為1故電機的最大轉(zhuǎn)速為：又由前可知整機相對車輪的轉(zhuǎn)動慣量為：兩個同步輪的轉(zhuǎn)動慣量為：選擇車輪處減速器型號為120ZDE16K，電機型號為M130AIS157-48-C05030-B1-5，額定功率為1.5Kw，傳動比為：則所有負載轉(zhuǎn)動慣量折算到電機上的轉(zhuǎn)動慣量為：4.8電池選型由于同步帶處電機額定電壓以及額定電流分別為48V,60A；轉(zhuǎn)向電機電壓以及電流分別為48V以及10A；升降電機電壓以及電流分別為48V以及20A，鏈條處電機電壓以及電流分別為48V，21A，取充電一次管2小時，則：上式中0.85為電機的實際耗電比率系數(shù)，選擇電池型號為48V350Ah4.9章節(jié)小結(jié)在本章中，通過計算確定了齒輪齒條機構(gòu)、同步帶、驅(qū)動輪和電機等關(guān)鍵零件的選型和計算。同時，結(jié)合三維建模軟件，構(gòu)建了AGV搬運機器人基本的機械結(jié)構(gòu)框架。這個過程中，首先根據(jù)設(shè)計需求和機器人功能，進行了齒輪齒條機構(gòu)、同步帶、驅(qū)動輪和電機等關(guān)鍵零件的選型計算，確保其能夠滿足機器人運行和搬運任務(wù)的需求。隨后，利用三維建模軟件，將這些選型計算得到的關(guān)鍵零件進行組裝，構(gòu)建了機器人的機械結(jié)構(gòu)框架。通過這一過程，可以直觀地展現(xiàn)出機器人的整體結(jié)構(gòu)和各個零部件之間的關(guān)系，為后續(xù)的工程設(shè)計和制造提供了重要的參考和指導(dǎo)。這一綜合的設(shè)計和建模過程將有助于保證AGV搬運機器人的穩(wěn)定性、可靠性和性能表現(xiàn)。圖4-4AGV搬運機器人整體模型

第五章貨架有限元分析由前論述可知，貨架由多個零部件焊接而成，其非等截面梁，故用傳統(tǒng)計算方式計算出準確的強度以及剛度具有一定的難度，但是強度以及剛度又是貨架的一項重點，因此本次設(shè)計對貨架采用有限元也即CAE分析的方法計算出貨架的強度以及剛度。5.1有限元分析簡介有限元分析是近些年興起的一種數(shù)字化設(shè)計方式，其設(shè)計原理為將待分析的力學模型劃分成無數(shù)個網(wǎng)格，并通過施加相關(guān)約束以及載荷，然后在計算機的輔助之下計算出相關(guān)力學性能指標，如強度、剛度，其優(yōu)點是其可以計算出一些復(fù)雜工況的受力情況，其缺點是需要很高的操作技能。本次設(shè)計利用ANSYS2022來對車架進行有限元分析。ANSYS2022是一款功能強大的工程仿真軟件，它基于ANSYSWorkbench平臺，提供了沉浸式仿真環(huán)境，旨在降低工程仿真的入門難度REF_Ref28108\r\h[11]。Ansys2022的相關(guān)特點以及工作原理如下：5.1.1ANSYS2022的相關(guān)特點①用戶界面ANSYS2022通過ANSYSWorkbench提供了一個直觀的用戶界面，使工程師能夠更容易地進行模型建立、仿真設(shè)置和結(jié)果分析。②基本分析流程該版本簡化了仿真的基本分析流程，使得即使是剛接觸仿真的工程師也能快速上手并有效地完成復(fù)雜的工程分析任務(wù)。③工程應(yīng)用實例為了幫助用戶更好地理解和掌握ANSYS的使用，相關(guān)書籍通常會結(jié)合典型工程應(yīng)用實例來詳細講解ANSYS在具體工程項目中的應(yīng)用方法。④功能與應(yīng)用ANSYS2022涵蓋了廣泛的功能和應(yīng)用，不僅包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學分析、熱分析等傳統(tǒng)領(lǐng)域，還擴展到了電磁學、多物理場耦合分析等高級應(yīng)用領(lǐng)域。⑤理論與實踐結(jié)合為了更好地服務(wù)于工程技術(shù)人員和學者，相關(guān)教材會將有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS操作緊密結(jié)合，幫助讀者深入理解并實際應(yīng)用。⑥修補導(dǎo)入的外部幾何模型ANSYS不僅有進行有限元分析的模塊，而且還有構(gòu)建三維模型的模塊，如Designmodeler以及spaceclaim模塊，其不但科研構(gòu)建三維模型，而且在用ANSYS導(dǎo)入外部模型有失真現(xiàn)象時候，還可以對這些失真進行修補甚至重建相關(guān)三維幾何模型。5.1.2其核心工作原理①離散化（Discretization）有限元分析的第一步是將連續(xù)的物理模型劃分為許多小的、有限的元素，這個過程稱為網(wǎng)格劃分或離散化。每個元素的形狀和大小可以根據(jù)所要解決的問題的復(fù)雜性和所需的精度來選擇REF_Ref28193\r\h[12]。②建立方程組（FormulatingEquations）一旦模型被離散化，ANSYS會為每個元素建立代數(shù)方程組，這些方程組描述了元素內(nèi)部物理量（如位移、溫度、壓力等）之間的關(guān)系REF_Ref28265\r\h[13]。這些方程通常基于物理定律，如彈性力學、熱傳導(dǎo)、流體動力學等。③組裝（Assembly）將所有元素的方程組合在一起形成整體系統(tǒng)的方程組。這個方程組是巨大的，因為它包含了所有元素的所有自由度。④邊界條件和載荷應(yīng)用（BoundaryConditionsandLoading）在求解之前，必須在模型上施加適當?shù)倪吔鐥l件和外部載荷。這些條件定義了模型的固定點、受力點以及與其他環(huán)境的相互作用。⑤求解（Solving）使用數(shù)值方法（如直接求解器或迭代求解器）解整體系統(tǒng)方程組。這是計算最密集的部分，可能需要大量的計算資源。⑥后處理（Post-processing）一旦方程組被解出，就可以得到模型中每個節(jié)點的物理量值。ANSYS提供了強大的可視化工具來顯示這些結(jié)果，如變形圖、應(yīng)力/應(yīng)變圖、溫度分布圖等。⑦多物理場耦合分析（MultiphysicsCoupling）ANSYS的一個強大之處在于其能夠處理多物理場耦合問題，即在同一模型中考慮多種物理現(xiàn)象的相互作用，如結(jié)構(gòu)力學與熱分析的耦合、電磁場與流體動力學的耦合等。⑧參數(shù)化和優(yōu)化（ParameterizationandOptimization）ANSYS允許用戶進行參數(shù)化建模，這意味著可以設(shè)置變量來控制模型的幾何形狀、材料屬性等。結(jié)合優(yōu)化模塊，可以進行設(shè)計探索和性能優(yōu)化。⑨非線性分析（NonlinearAnalysis）ANSYS能夠處理包括材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性在內(nèi)的復(fù)雜非線性問題。這通常涉及到在求解過程中不斷更新剛度矩陣和迭代至收斂。⑩模塊化和集成（ModularityandIntegration）ANSYS是一個模塊化的平臺，包含多個專用的分析模塊，如結(jié)構(gòu)分析、流體動力學分析、熱分析等。這些模塊可以獨立使用，也可以集成在一起進行更復(fù)雜的多物理場分析。總結(jié)來說，ANSYS22的工作原理是基于有限元分析方法，通過將連續(xù)的物理模型離散化為有限元素，然后建立、組裝、求解和后處理方程組，以預(yù)測和優(yōu)化工程問題的解決方案。它的多功能性、模塊化和參數(shù)化設(shè)計使其成為工程領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的仿真工具。5.2貨架前處理由前論述可知，在有限元分析中，網(wǎng)格的劃分的好壞直接影響到有限元分析相關(guān)結(jié)果的準確性，但是如果一味的追求網(wǎng)格的精細化，勢必會增加電腦的運輸時間成本，因此有必要對一些小特征進行簡化，如去掉邊線圓角，軸肩倒角，鍵槽，中心孔，以及螺紋孔等特征，本次設(shè)計的貨架由于是經(jīng)過多個零部件拼焊而成，因此幾乎每個子零件均有方便施焊的倒角尺寸，現(xiàn)將這些倒角尺寸全部去掉，除此之外還有型材空心矩形方管，該零件在外形上均有一定的圓角，而這些圓角的存在勢必會增加網(wǎng)格的數(shù)目，增加電腦運行的時間成本，因此也將其去掉，未經(jīng)過前處理以及經(jīng)過前處理的貨架三維幾何模型分別如圖5-1以及圖5-2：43214321圖5-1貨架未前處理的三維模型圖1.旋轉(zhuǎn)座2.焊板3.型材一4.封板圖5-2貨架前處理后的三維模型圖5.3建立有限元靜力學分析界面①賦予材料屬性為貨架建立靜力學分析模塊，并雙擊工程數(shù)據(jù)，由于貨架部件里邊的所有零件的材料均為Q345，故在ansys材料屬性里邊添加拉伸屈服強度以及壓縮屈服強度均為345MPa,其余的接受默認設(shè)置，然后命名為結(jié)構(gòu)鋼并保存，退出材料賦予界面。其中材料賦予界面如圖5-3所示：圖5-3材料賦予操作界面②壓印面處理由于貨架在實際工況中，是通過軸將其與旋轉(zhuǎn)座上的孔相連接，故在該孔處可視作是鉸接在軸上，也即需要鉸接類的約束，在ansys里邊，遠程位移能夠很好的模擬這種鉸接，故需要在網(wǎng)格化前進入ansys里邊的designmodeler進行布爾運算的壓印面處理，布爾運算完之后的DM界面圖如圖5-4所示：圖5-4布爾運算后貨架模型圖5.4劃分網(wǎng)格進入靜力學分析界面，點擊模型下的材料，接受前邊創(chuàng)建的材料結(jié)構(gòu)鋼，由于貨架主要零部件有空心矩形板以及封板，屬于薄板類零件，而旋轉(zhuǎn)座為非薄板類零件給于網(wǎng)格尺寸為2mm，整體網(wǎng)格過渡處以及膨脹選項中選擇平滑過渡，以保證所畫的網(wǎng)格不要大開大合，從而提高后續(xù)計算的準確性，其余的為系統(tǒng)默認設(shè)置。劃分網(wǎng)格結(jié)束，并查看網(wǎng)格數(shù)目為81964個，節(jié)點數(shù)為252799個，整個貨架網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖5-5：圖5-5貨架網(wǎng)格結(jié)果圖5.5添加約束以及相關(guān)載荷①添加約束由前所述可知，貨架在旋轉(zhuǎn)座孔處與大臂進行鉸接，故對該處添加遠程位移，點擊靜態(tài)結(jié)構(gòu)下的插入遠程位移，然后選中前邊做布爾運算的四個分割面，并在定義類型中所有方向的自由度均固定，具體見圖5-6所示：圖5-6遠程位移操作界面圖②添加負載由前計算可知曲貨架端部起吊重物最大質(zhì)量為20kg，分別由兩個貨架承擔，故每個貨架承擔力為100N，方向為Z軸負向。具體操作界面如圖5-7所示：圖5-7軸承載荷施加操作界面5.6分析設(shè)置為了保證結(jié)果的準確性以及收斂性，需要將求解器設(shè)置為直接求解器，若彈簧選項選擇開啟，相關(guān)操作界面如圖5-8所示：圖5-8分析設(shè)置操作界面5.7后處理并查看結(jié)果在ansys界面中右擊求解，選擇變形下的總變形，然后再次右擊求解，插入應(yīng)力下的等效應(yīng)力，并求解，等待電腦計算結(jié)果。⑴貨架變形查看電腦計算貨架結(jié)果的總變形，查看其最大變形為0.044672mm，使用探針，和剖面工具，可以發(fā)現(xiàn)其最大變形位于封板處，且位置與貨架旋轉(zhuǎn)座處也即施加的遠程位移處越遠，變形越大，該現(xiàn)象非常符合貨架的材料力學模型，該變形云圖非常符合材料力學相關(guān)知識。具體見圖5-9所示：圖5-9貨架變形云圖⑵貨架等效應(yīng)力云圖點擊等效應(yīng)力并查看其應(yīng)力云圖，其最大應(yīng)力為8.8MPa，使用max等工具發(fā)現(xiàn)其位于旋轉(zhuǎn)座與焊板連接處，相關(guān)應(yīng)力云圖見圖5-10：圖5-10曲軸應(yīng)力分布由于該貨架為Q235的焊接件，故其屈服強度為235MPa,取其安全系數(shù)為5，則其許用應(yīng)力為：又通過本次的有限元分析得其最大應(yīng)力為8.8MPa,其值小于47MPa，其結(jié)果偏向于安全也即保守，故本次設(shè)計的貨架能夠滿足使用要求。5.8章節(jié)小結(jié)本章利用ANSYS軟件，對AGV搬運機器人最重要的部件貨架（叉）進行有限元分析，通過具體的應(yīng)力分布圖可以清晰的判斷該部件設(shè)計的合理性。

結(jié)束語本次研究旨在針對AGV搬運機器人在進行設(shè)計與嚴謹?shù)臄?shù)據(jù)分析后，我們得以全面驗證某方案的性能及其實際可行性。基于對結(jié)果的細致解讀，可以得出如下重要結(jié)論：針對AGV搬運機器人，設(shè)計了一款專為物流倉儲工作場景打造的裝置，該裝置能夠穩(wěn)定高效地搬運物品。通過精密的計算與詳盡的有限元分析，可以確認該機器人具備優(yōu)秀的導(dǎo)航和搬運控制能力，實現(xiàn)高度精準的操作，并且在多樣化的環(huán)境和操作條件下均展現(xiàn)出了卓越的性能表現(xiàn)。因此，可以認為此機器人能夠滿足各種搬運任務(wù)的需求。通過綜合考量，本設(shè)計的研究成果顯著地證明了AGV搬運機器人及其安全保護裝置均能滿足現(xiàn)實工作場景下的嚴苛需求，并且預(yù)示著廣闊的應(yīng)用前景。然而，我們也清晰地認識到隨著市場需求的不斷演變和技術(shù)標準的持續(xù)提升，這些裝置的性能和功能仍需我們不斷地進行優(yōu)化和完善。因此，面向未來，我們將致力于在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進行深入研究與技術(shù)創(chuàng)新，確保AGV搬運機器人能夠適應(yīng)不斷變化的市場需求，并在技術(shù)上保持領(lǐng)先地位。

參考文獻張廣杰.AGV結(jié)構(gòu)設(shè)計及路徑規(guī)劃算法研究[D].江南大學,2023.DOI:10.27169/ki.gwqgu.2023.001122.王森磊,胡昊程,張星晨,等.AGV的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2023,41(12):17-21.DOI:10.19695/12-1369.2023.12.05.張曉萍,顏永年.現(xiàn)代生產(chǎn)物流及仿真[M].清華大學出版社,1998.葉菁.磁導(dǎo)式AGV的控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[D]:[碩士學位說明書].武漢:武漢理工大學,2006.閔四宗,祖基龍,劉家昶.自動導(dǎo)向車AGV開發(fā)技術(shù)綜述與展望[J].汽車工藝師,2022(09):34-