浅述柔性运输车的受力设计与控制策略

敖春芳 杨国

摘要：传统的运输架车采用普通轮式机构，不适应在生产车间内操作，因此需要一种具有全向移动功能的运输架车。柔性运输架车由于采用全向移动机构可实现零半径转弯，在狭窄空间内可以灵活运动，能够提高大型组件的自动化装配水平，同时充分利用生产制造场地，缩短装配周期，提高装配效率。

关键词：柔性运输車;受力设计;控制

引言

在航天领域，随着spacex等私人航天企业的涌人，包括Ariane和uLA在内的多家航天机构均纷纷感到了竞争的压力，开始研究如何快速、可靠和低成本地实现火箭的发射服务。为了应对挑战，航天运输系统应认真考虑使用性问题，尤其长征系列火箭还未能真正参与国际市场竞争，使我们长期对这方面的需求不再敏感甚至认为没有需要。同时，火箭竞争力往往用运载能力等总体指标来衡量，对于其他分系统能发挥的作用，讨论得甚少。本文将重点探讨信息技术的发展给航天航空运输控制系统（包括地面测发控系统）带来的机遇与挑战。

1.受力分析的需求

运输转载车吊装的负载非常重，需要保证转载过程的绝对安全，避免出现车体侧翻、车架断裂、支腿损坏等情况;

避免因负载位置变化，引起支撑支腿离地，造成车架、支腿受力急剧变化;

如果采用自动转载技术，转载过程中车体需要保持良好的稳定性，便于负载与车体之间的定位。

2.柔性运输架车结构与功能分析

2.1柔性运输架车的基本组成

柔性运输架车由主要由全向移动系统、车身和柔性支撑系统三部分组成。采用Mecanum全向移动机构作为全向移动系统，柔性支撑柱作为柔性支撑系统。普通的轮式移动机构需要一定的转弯半径，在范围狭小工作空间中无法自由转向或横向移动。采用的全向轮式移动机构无需车体做出任何转动便可实现任意方向的移动，并且可以原地旋转任意角度，运动灵活，可在工作区域内沿任意轨迹运动到指定的位置。Mecanum全向移动机构由Mecanum全向轮、传动机构、行星齿轮减速，减震机构用来确保运输架车在不平的地面上运动时每个车轮均与地面保持接触，避免柔性运输架车运动过程中产生颠簸和震动。柔性支撑柱由十字工作平台和升降机构组成，负责模拟件的姿态调整和位置调整，十字工作平台的相对位置是可调的。柔性支撑系统通过调节三个柔性支撑柱的相对位置和升降机构的高度调节模拟件的姿态适应不同的部件需求，在一定程度上达到柔性的要求，实现部件的调姿和相对位置的移动。

2.2全向轮结构和运动方程

柔性运输架车有四个Mecanum全向移动机构组成。Mecanum全向轮由轮毂和均布在轮毂上的若干辊子组成，辊子可以自由旋转与轮毂产生相对运动。辊子轴线与轮轴线的夹角为45°。每个Mecanum全向移动机构都由一个伺服电机和行星齿轮减速器驱动，即每个Mecanum全向轮都是主动轮，各自的转速和转向是独立的。电机驱动Mecanum全向轮转动时，辊子与地面之间产生摩擦力F，F可以分解为沿着辊子垂直方向的力F1和沿着辊子径向方向的力F2，在F1的作用下辊子饶自身轴线旋转，F2可以分解为一个沿全向轮轴向的分力Ft和沿轮子径向的力Fa。所以每个全向轮可以沿着都有两种运动：即车轮沿着驱动轴垂直方向的前后转动，轮毂上与地面接触的辊子绕辊子自身轴线的旋转，由于不同的车轮运动是独立的，车轮和辊子的转速和转向都不相同，四个全向移动机构组合，柔性运输架车可实现各个方向的运动。

3.柔性运输架车控制系统总体设计

3.1控制系统总体设计

控制系统设计原则及要求控制系统的方案设计涉及内容较多，为保证控制系统工作稳定、可靠，应遵循以下原则与要求：1）稳定性稳定性要求控制系统受到干扰后，系统能正常工作。干扰消除后，系统能回到平衡状态，稳定性是控制系统的基本要求。2）响应速度控制系统不仅有稳定性的要求，还要求有快速的响应位置或速度的跟随性要快。响应速度是衡量控制性能的重要指标。3）控制精度控制系统要有较高的精度，满足柔性运输架车的精度要求。4）经济适用性在满足控制要求的前提下，一方面要不断地扩充架车的功能，另一方面也不断地降低柔性运输架车的生产制造成本。这就要求控制系统简单经济，使用和维护方便。5）可靠性系统应保证长期可靠地运行。系统中的硬软件及信息资源应满足可靠性设计要求。具有必要的安全保护。保证系统在非正常情况下，能够迅速做出响应发出警报紧急停止，系统要有必要的安全保护装置。6）可扩展性系统的硬软件应具有扩充升级的余地，不能因软、硬件扩充、升级或改型而使原有系统失去作用。由于技术的不断发展，对控制系统的要求也将会不断地提高，因此，在设计控制系统时，要适当考虑控制系统功能扩展和完善的需要，在选择控制器、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有余量，以满足后续的改进。

3.2多点支撑及其结构实现

多点支撑原理柔性多点支撑方法的基础是“多点技术”。目前“多点技术”成功应用于板料成形领域，其思想是将传统支撑方法替换为多点柔性支撑方法，即：将传统支撑工装的整体支承面离散为多个支撑点来拟合部件支承站位截面，各个离散支撑点各向行程独立可调。其中每个离散支撑点等效于柔性支撑装置，并将柔性支撑装置作为基本单元，将支撑托板替换为多个柔性支撑装置，这样模拟件各支承站位的多个柔性支撑装置组成多点柔性支撑阵列，这样调节各支撑点的空间位置，使柔性支撑装置与模拟件表面完全贴合，完成支撑。根据部件的重量和外形结构特征，以柔性支撑装置作为基本单元，用多个同样规格的柔性支撑装置按照不同布局方式布置组成多点支撑阵列，满足不同大部件支撑要求。当被支撑对象变化时，无须再重新设计柔性支撑装置基本单元。根据部件的重量和外形特征，将原有4个柔性支撑装置中的3个迅速重构组成三点柔性支撑阵列，从而实现支撑工装共用与快速重组，最后满足支撑要求。同样，多点柔性支撑系统也可以用类似方法迅速重构用于其他部件的支撑。相对传统支撑方式，这种方法可以实现一种工装不同重量不同形状不同部件支撑工装共用的构想，柔性度高，节省成本。

结语

部件运输是制造过程中的重要环节，其运输过程的自动化和柔性化一直是生产制造的努力方向。部件运输架车是生产、运输和装配过程中的重要运输工具，性能先进的运输架车可以极大的提高生产效率，缩短制造周期。国外制造公司一直致力于相关技术的研究，随着各种大型部件的不断出现和改进，新的运输设备也不断出现。随着我国经济实力的提高，我国制造业迅速发展，新的大型设备不断出现，航空航天新项目的确立，对于我国航空航天制造产业是良好的发展机遇，也面临巨大的挑战。针对我国部件运输自动化程度低、效率低和成本高的发展现状，结合当前制造业发展趋势，全向移动功能柔性运输架车的兴起必定是未来的趋势。

参考文献

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