Prefazione
La prestazione di unVeicolo a guida automatizzata (AGV)o unRobot mobile autonomo (AMR)è in gran parte determinato dalla progettazione del suo sistema di azionamento. Un sistema di azionamento integrato è costituito da quattro componenti chiave: ilRuota motrice AGV, servomotore a bassa tensione, riduttore, Eservoazionamento. Insieme, determinano la trazione del veicolo, l'accelerazione, la capacità di salita, la precisione del posizionamento, la stabilità del movimento e l'affidabilità operativa a lungo termine.
Nell'ingegneria pratica, molti problemi del sistema di guida non sono causati da una potenza motore insufficiente, ma da calcoli incompleti della dinamica del veicolo. La scelta di un motore esclusivamente in base al carico utile trascurando la resistenza al rotolamento, la resistenza alla pendenza, l'inerzia di accelerazione e l'aderenza delle ruote-al terreno spesso porta a scarse prestazioni di avviamento, sovraccarico del motore, slittamento delle ruote e ridotta efficienza operativa.
Plutools è uno dei principali produttori cinesi di sistemi di azionamento per robot mobili, specializzata nello sviluppo e produzione diRuote motrici AGV, ruote motrici sterzanti, ruote motrici differenziali, servomotori a bassa tensione, servoazionamenti e soluzioni di trasmissione integrate per AGV e AMR. Basandosi su una vasta esperienza ingegneristica e sui principi presentati nelManuale di progettazione meccanica, questa guida spiega il processo completo di calcolo dinamico per la selezione del sistema di trasmissione AGV, fornendo riferimenti pratici per gli ingegneri che progettano sistemi di trasmissione per robot mobili ad alte-prestazioni.
1. Analisi della resistenza alla guida dei veicoli AGV
Per AGV industriali che operano a velocità inferiori1 m/s, la resistenza aerodinamica può generalmente essere ignorata. Il sistema di azionamento deve superare principalmente tre tipi di resistenza:
Resistenza al rotolamento
Resistenza al pendio
Resistenza all'accelerazione
La forza motrice deve soddisfare:
Fdrive Maggiore o uguale a Ff + Fθ + Fa
Dove:
| Simbolo | Descrizione | Unità |
|---|---|---|
| Fdrive | Forza di trazione totale | N |
| e ss | Resistenza al rotolamento | N |
| Fθ | Resistenza al pendio | N |
| Fa | Resistenza all'accelerazione | N |
Solo quando la trazione disponibile supera la resistenza di guida totale un AGV può avviarsi senza intoppi, mantenere un funzionamento stabile e scalare i pendii in sicurezza.
2. Calcolo della resistenza al rotolamento
La resistenza al rotolamento è generata dalla deformazione elastica tra la ruota e la superficie del pavimento, rendendola la resistenza fondamentale incontrata durante il funzionamento dell'AGV.
Formula
Faf=(f × sol) / r
Dove:
| Parametro | Descrizione | Unità |
|---|---|---|
| e ss | Resistenza al rotolamento | N |
| f | Coefficiente di resistenza al rotolamento | m |
| G | Peso del veicolo | N |
| r | Raggio della ruota motrice | m |
Valori tecnici tipici
| Condizioni delle ruote e del pavimento | Valore consigliato |
|---|---|
| Ruota in poliuretano + pavimento in resina epossidica | 0.0018–0.0025 |
| Ruota in acciaio | 0.0010–0.0015 |
Suggerimento di ingegneria
Alcuni riferimenti ingegneristici esprimono il coefficiente di resistenza al rotolamento incentimetri (cm)invece dimetri (m). Convertire sempre l'unità prima del calcolo per evitare errori che possono superare 100 volte.
3. Calcolo della resistenza del pendio
Gli AGV industriali sono generalmente progettati con una capacità di salita di circa2%.
Per piccole pendenze:
sinθ ≈ tanθ ≈ rapporto di pendenza
Perciò:
Fθ = 0.02 × G
Esempio
Per un AGV da 500 kg:
Peso del veicolo:
G = 500 × 9.81 = 4905 N
Resistenza alla pendenza:
Fθ = 98.1 N
Per pendenze più ripide, è necessario utilizzare le effettive funzioni trigonometriche per calcoli più accurati.
4. Calcolo della resistenza all'accelerazione
Accelerazioni e decelerazioni frequenti generano carichi inerziali che devono essere considerati durante la progettazione del sistema di azionamento.
Secondo la seconda legge di Newton:
Fa=M × a
Dove:
| Parametro | Descrizione |
|---|---|
| M | Massa del veicolo (kg) |
| a | Accelerazione (m/s²) |
Valori consigliati
| Applicazione | Accelerazione consigliata |
|---|---|
| AGV logistico standard | 0.5 m/s² |
| Robot mobile collaborativo | 0.2–0.3 m/s² |
Una minore accelerazione riduce i picchi di carico e migliora l'-affidabilità a lungo termine del sistema di trasmissione.
5. Esempio di calcolo della resistenza del veicolo
Parametri di progettazione
| Articolo | Valore |
|---|---|
| Massa del veicolo | 500 chilogrammi |
| Raggio della ruota motrice | 65 mm |
| Coefficiente di resistenza al rotolamento | 0.002 |
| Pendenza massima | 2% |
| Accelerazione | 0.5 m/s² |
Risultati del calcolo
| Resistenza | Risultato |
|---|---|
| Peso del veicolo | 4905 N |
| Resistenza al rotolamento | 150.92 N |
| Resistenza del pendio | 98.10 N |
| Resistenza all'accelerazione | 250 N |
| Resistenza totale | 499.02 N |
Raccomandazione di progettazione
Il sistema di azionamento dovrebbe fornire una forza di trazione minima di circa499 N. Nella pratica ingegneristica, aMargine di sicurezza del 20–50%.è consigliato per compensare l'impatto all'avvio, le condizioni irregolari del pavimento e l'usura meccanica a lungo-termine.
6. Calcolo della coppia di uscita della ruota motrice
La coppia in uscita di una ruota motrice AGV si ottiene dopo che la coppia nominale del motore è stata amplificata dal riduttore.
Formula
Ruota=Tmotore × i × η
Dove:
| Parametro | Descrizione |
|---|---|
| Ruota | Coppia di uscita della ruota motrice (Nm) |
| Tmotore | Coppia nominale del motore (Nm) |
| i | Rapporto di trasmissione |
| η | Efficienza del cambio |
Efficienza tipica del cambio
| Tipo di cambio | Efficienza |
|---|---|
| Riduttore planetario | ≈0.85 |
| Riduttore a vite senza fine | 0.60–0.70 |
Diversi tipi di cambio hanno efficienze di trasmissione significativamente diverse. L'utilizzo di un valore di efficienza errato può comportare calcoli di coppia imprecisi e una selezione errata del motore.
7. Calcolo della forza di trazione della ruota motrice
La coppia erogata dalla ruota motrice può essere convertita in forza di trazione utilizzando la seguente relazione:
F = T / r
Dove:
F=forza di trazione (N)
T=coppia di uscita della ruota motrice (Nm)
r=raggio della ruota (m)
Per i sistemi AGV a doppia-guida:
Ftotale=2 × F
Per le configurazioni multi-trazione, la forza di trazione totale è la somma di tutte le ruote motrici.
Esempio
Dato:
Coppia nominale del motore: 0,4 Nm
Rapporto di trasmissione: 30
Efficienza del cambio: 0,85
Raggio della ruota: 65 mm (0,065 m)
Poi:
Coppia in uscita:
Ruota=0.4 × 30 × 0.85=10.2 Nm
Forza di trazione su singola ruota:
F = 10.2 / 0.065 ≈ 157 N
Questo parametro determina direttamente se l'AGV può superare la resistenza totale del sistema.
8. Calcolo della velocità operativa massima
La velocità massima teorica di un AGV è determinata dalla velocità del motore e dal rapporto di trasmissione:
V = (2 × π × r × n) / i
Dove:
V=velocità lineare (m/min)
r=raggio della ruota (m)
n=velocità del motore (giri/min)
i=rapporto di trasmissione
Esempio
Velocità del motore: 2500 giri/min
Rapporto di trasmissione: 30
Raggio della ruota: 65 mm
V ≈ 34 m/min (≈ 0,57 m/s)
Se la velocità richiesta non viene raggiunta, è possibile aumentare la velocità del motore o ridurre il rapporto di trasmissione. Tuttavia, la coppia e la forza di trazione devono essere ri-verificate di conseguenza.
9. Verifica della potenza del motore
Dopo il calcolo della coppia è necessario verificare anche la potenza del motore.
Formula
P = (T × n) / 9550
Dove:
P=potenza (kW)
Coppia T=(Nm)
n=velocità (rpm)
Esempio
Coppia: 0,4 Nm
Velocità: 2500 giri al minuto
P ≈ 0,105 kW
Raccomandazione ingegneristica
Fattore di sicurezza della coppia:1.2–1.5×
Margine di sicurezza energetica:20–50%
Ciò garantisce un funzionamento affidabile in condizioni di carico continuo e di picco-.
10. Calcolo dell'adesione della ruota e della forza di precarico
Per evitare lo slittamento delle ruote è necessario che sia soddisfatta la seguente condizione:
μ × FN Maggiore o uguale a F
Così:
FN Maggiore o uguale a F/μ
Dove:
μ=coefficiente di attrito tra ruota e pavimento
FN=forza di precarico normale
Esempio
Forza di trazione su singola ruota: 157 N
Coefficiente di attrito: 0,54
Poi:
FN ≈ 291 N
Nella progettazione pratica, aMargine di sicurezza del 10%.è consigliato, quindi un precarico molla di circa320 Nè selezionato per compensare l'affaticamento nel tempo.
Coefficienti di attrito tipici
| Condizione della superficie | μ |
|---|---|
| Pavimento epossidico asciutto | 0.75 |
| Cemento bagnato | 0.35 |
| Ghiaia secca | 0.65 |
| Terreno asciutto | 0.54 |
| Superficie bagnata | 0.30 |
| Ghiaccio/neve | 0.25 |
11. Procedura di selezione del sistema di trasmissione AGV
La progettazione completa di un sistema di azionamento AGV segue in genere questi passaggi:
Definire i parametri del veicolo: peso, velocità, accelerazione, pendenza, diametro della ruota
Calcolare la resistenza al rotolamento, alla pendenza e all'accelerazione
Ottenere la resistenza totale alla guida
Determinare la forza di trazione della singola ruota
Calcolare la coppia di uscita richiesta
Seleziona il rapporto del cambio
Abbina il servomotore a bassa tensione
Verificare la capacità del servoazionamento
Controllare le prestazioni di velocità
Convalidare l'adesione della ruota e la forza di precarico
12. Considerazioni sulla progettazione ingegneristica
Nello sviluppo del sistema AGV, le prestazioni della trasmissione sono influenzate da molteplici fattori piuttosto che dalla sola potenza del motore.
Le considerazioni chiave includono:
Il coefficiente di resistenza al rotolamento e il coefficiente di attrito non devono essere confusi, poiché rappresentano significati fisici diversi.
L'efficienza del riduttore varia in modo significativo tra i sistemi di ingranaggi planetari e quelli a vite senza fine e non deve essere trattata come un valore costante.
La scelta del motore e del servoazionamento deve considerare i cicli di lavoro continui, le condizioni di avvio-frequenti e gli impatti dei picchi di carico.
I sistemi a più-ruote devono garantire una forza di contatto con il suolo sufficiente per evitare lo slittamento delle ruote e la deviazione del posizionamento.
Conclusione
La progettazione di un sistema di azionamento AGV non consiste semplicemente nella selezione del motore, ma in un processo ingegneristico completo che coinvolge la dinamica del veicolo, la trasmissione meccanica, il controllo elettrico e l'integrazione del sistema.
Dalla modellazione della resistenza e dal calcolo della forza di trazione alla selezione del servomotore, alla configurazione del cambio, all'abbinamento del servoazionamento e alla progettazione della ruota motrice, ogni parametro influisce direttamente sulle prestazioni del sistema e sull'affidabilità operativa.
