Prefacio
La actuación de unVehículo guiado automatizado (AGV)o unRobot móvil autónomo (AMR)está determinado en gran medida por el diseño de su sistema de propulsión. Un sistema de propulsión integrado consta de cuatro componentes clave: elrueda motriz AGV, servomotor de bajo voltaje, reductor de engranajes, yservoaccionamiento. Juntos, determinan la tracción del vehículo, la aceleración, la capacidad de ascenso, la precisión del posicionamiento, la estabilidad del movimiento y la confiabilidad operativa a largo plazo.
En la ingeniería práctica, muchos problemas del sistema de propulsión no se deben a una potencia insuficiente del motor, sino a cálculos incompletos de la dinámica del vehículo. Seleccionar un motor basándose únicamente en la carga útil sin tener en cuenta la resistencia a la rodadura, la resistencia a las pendientes, la inercia de aceleración y la adherencia de las ruedas-al suelo a menudo conduce a un rendimiento de arranque deficiente, sobrecarga del motor, deslizamiento de las ruedas y reducción de la eficiencia operativa.
Plutools es uno de los principales fabricantes de sistemas de accionamiento de robots móviles de China, especializada en el desarrollo y producción deRuedas motrices AGV, ruedas motrices direccionales, ruedas motrices diferenciales, servomotores de bajo voltaje, servoaccionamientos y soluciones de accionamiento integradas para AGV y AMR. Basándose en una amplia experiencia en ingeniería y en los principios presentados en elManual de diseño mecánico, esta guía explica el proceso de cálculo dinámico completo para la selección del sistema de accionamiento AGV y proporciona referencias prácticas para los ingenieros que diseñan sistemas de accionamiento de robots móviles de alto-rendimiento.
1. Análisis de resistencia a la conducción de vehículos AGV
Para AGV industriales que operan a velocidades inferiores1 m/s, la resistencia aerodinámica generalmente se puede ignorar. El sistema de accionamiento debe superar principalmente tres tipos de resistencia:
Resistencia a la rodadura
Resistencia a la pendiente
Resistencia a la aceleración
La fuerza motriz debe satisfacer:
Fdrive Mayor o igual a Ff + Fθ + Fa
Dónde:
| Símbolo | Descripción | Unidad |
|---|---|---|
| Fdrive | Fuerza de tracción total | N |
| ff | Resistencia a la rodadura | N |
| Fθ | Resistencia a la pendiente | N |
| Fa | Resistencia a la aceleración | N |
Sólo cuando la tracción disponible excede la resistencia total a la conducción, un AGV puede arrancar suavemente, mantener un funcionamiento estable y subir pendientes de forma segura.
2. Cálculo de la resistencia a la rodadura
La resistencia a la rodadura se genera por la deformación elástica entre la rueda y la superficie del piso, lo que la convierte en la resistencia más fundamental que se encuentra durante la operación de AGV.
Fórmula
Ff=(f×G) / r
Dónde:
| Parámetro | Descripción | Unidad |
|---|---|---|
| ff | Resistencia a la rodadura | N |
| f | Coeficiente de resistencia a la rodadura | m |
| G | Peso del vehículo | N |
| r | Radio de la rueda motriz | m |
Valores típicos de ingeniería
| Condición de las ruedas y el piso | Valor recomendado |
|---|---|
| Rueda de poliuretano + piso epoxi. | 0.0018–0.0025 |
| rueda de acero | 0.0010–0.0015 |
Consejo de ingeniería
Algunas referencias de ingeniería expresan el coeficiente de resistencia a la rodadura encentímetros (cm)en lugar demetros (m). Convierta siempre la unidad antes del cálculo para evitar errores que puedan exceder 100 veces.
3. Cálculo de la resistencia de la pendiente
Los AGV industriales suelen estar diseñados con una capacidad de ascenso de aproximadamente2%.
Para pendientes pequeñas:
sinθ ≈ tanθ ≈ relación de pendiente
Por lo tanto:
Fθ = 0.02 × G
Ejemplo
Para un AGV de 500 kg:
Peso del vehículo:
G = 500 × 9.81 = 4905 N
Resistencia a la pendiente:
Fθ = 98.1 N
Para pendientes más pronunciadas, se deben utilizar las funciones trigonométricas reales para realizar cálculos más precisos.
4. Cálculo de la resistencia a la aceleración
La aceleración y desaceleración frecuentes generan cargas inerciales que deben considerarse durante el diseño del sistema de transmisión.
Según la Segunda Ley de Newton:
Fa=M × a
Dónde:
| Parámetro | Descripción |
|---|---|
| M | Masa del vehículo (kg) |
| a | Aceleración (m/s²) |
Valores recomendados
| Solicitud | Aceleración recomendada |
|---|---|
| AGV logístico estándar | 0.5 m/s² |
| Robot móvil colaborativo | 0.2–0.3 m/s² |
Una aceleración más baja reduce las cargas máximas y mejora la confiabilidad-a largo plazo del sistema de transmisión.
5. Ejemplo de cálculo de la resistencia del vehículo
Parámetros de diseño
| Artículo | Valor |
|---|---|
| Masa del vehículo | 500 kilos |
| Radio de la rueda motriz | 65mm |
| Coeficiente de resistencia a la rodadura | 0.002 |
| Pendiente máxima | 2% |
| Aceleración | 0.5 m/s² |
Resultados del cálculo
| Resistencia | Resultado |
|---|---|
| Peso del vehículo | 4905 N |
| Resistencia a la rodadura | 150.92 N |
| Resistencia a la pendiente | 98.10 N |
| Resistencia a la aceleración | 250 N |
| Resistencia Total | 499.02 N |
Recomendación de diseño
El sistema de transmisión debe proporcionar una fuerza de tracción mínima de aproximadamente499 N. En la práctica de la ingeniería, unMargen de seguridad del 20 al 50 %Se recomienda para compensar el impacto del arranque, las condiciones irregulares del suelo y el desgaste mecánico-a largo plazo.
6. Cálculo del par de salida de la rueda motriz
El par de salida de una rueda motriz AGV se obtiene después de que la caja de cambios amplifica el par nominal del motor.
Fórmula
Twheel=Tmotor × i × η
Dónde:
| Parámetro | Descripción |
|---|---|
| rueda | Par de salida de la rueda motriz (Nm) |
| motor | Par nominal del motor (Nm) |
| i | Relación de transmisión |
| η | Eficiencia de la caja de cambios |
Eficiencia típica de la caja de cambios
| Tipo de caja de cambios | Eficiencia |
|---|---|
| Caja de cambios planetaria | ≈0.85 |
| Caja de engranajes helicoidales | 0.60–0.70 |
Los diferentes tipos de cajas de cambios tienen eficiencias de transmisión significativamente diferentes. El uso de un valor de eficiencia incorrecto puede dar lugar a cálculos de par inexactos y a una selección inadecuada del motor.
7. Cálculo de la fuerza de tracción de la rueda motriz
El par de torsión emitido por la rueda motriz se puede convertir en fuerza de tracción utilizando la siguiente relación:
F = T / r
Dónde:
F=fuerza de tracción (N)
T=par de salida de la rueda motriz (Nm)
r=radio de la rueda (m)
Para sistemas AGV de doble-impulsión:
Ftotal=2 × F
Para configuraciones de tracción múltiple-, la fuerza de tracción total es la suma de todas las ruedas motrices.
Ejemplo
Dado:
Par nominal del motor: 0,4 Nm
Relación de transmisión: 30
Eficiencia de la caja de cambios: 0,85
Radio de la rueda: 65 mm (0,065 m)
Entonces:
Par de salida:
Rueda=0.4 × 30 × 0.85=10.2 Nm
Fuerza de tracción de una sola rueda:
F = 10.2 / 0.065 ≈ 157 N
Este parámetro determina directamente si el AGV puede superar la resistencia total del sistema.
8. Cálculo de la velocidad máxima de funcionamiento
La velocidad máxima teórica de un AGV está determinada por la velocidad del motor y la relación de transmisión:
V = (2 × π × r × n) / i
Dónde:
V=velocidad lineal (m/min)
r=radio de la rueda (m)
n=velocidad del motor (rpm)
i=relación de transmisión
Ejemplo
Velocidad del motor: 2500 rpm
Relación de transmisión: 30
Radio de la rueda: 65 mm
V ≈ 34 m/min (≈ 0,57 m/s)
Si no se alcanza la velocidad requerida, se puede aumentar la velocidad del motor o reducir la relación de transmisión. Sin embargo, el par y la fuerza de tracción deben volver a -verificarse en consecuencia.
9. Verificación de la potencia del motor
Después del cálculo del par, también se debe verificar la potencia del motor.
Fórmula
P = (T × n) / 9550
Dónde:
P=potencia (kW)
T=par (Nm)
n=velocidad (rpm)
Ejemplo
Par de torsión: 0,4 Nm
Velocidad: 2500 rpm
P ≈ 0,105 kilovatios
Recomendación de ingeniería
Factor de seguridad de par:1.2–1.5×
Margen de seguridad de energía:20–50%
Esto garantiza un funcionamiento fiable en condiciones de carga continua y máxima-.
10. Cálculo de la fuerza de precarga y adherencia de las ruedas
Para evitar que las ruedas patinen, se debe cumplir la siguiente condición:
μ × FN Mayor o igual a F
De este modo:
FN Mayor o igual a F/μ
Dónde:
μ=coeficiente de fricción entre la rueda y el suelo
FN=fuerza de precarga normal
Ejemplo
Fuerza de tracción de una sola rueda: 157 N
Coeficiente de fricción: 0,54
Entonces:
FN ≈ 291 N
En el diseño práctico, un10% margen de seguridadSe recomienda una precarga del resorte de aproximadamente320 NSe selecciona para compensar la fatiga con el tiempo.
Coeficientes de fricción típicos
| Condición de la superficie | μ |
|---|---|
| Piso seco de epoxi | 0.75 |
| Concreto mojado | 0.35 |
| grava seca | 0.65 |
| suelo seco | 0.54 |
| superficie mojada | 0.30 |
| Hielo / nieve | 0.25 |
11. Procedimiento de selección del sistema de accionamiento AGV
Un diseño completo de un sistema de accionamiento AGV suele seguir estos pasos:
Definir parámetros del vehículo: peso, velocidad, aceleración, pendiente, diámetro de rueda.
Calcular la resistencia a la rodadura, la pendiente y la aceleración.
Obtener resistencia total a la conducción.
Determinar la fuerza de tracción de una sola rueda.
Calcular el par de salida requerido
Seleccionar relación de caja de cambios
Combinar servomotor de bajo voltaje
Verificar la capacidad del servodrive
Comprobar el rendimiento de la velocidad
Validar la adherencia de la rueda y la fuerza de precarga.
12. Consideraciones de diseño de ingeniería
En el desarrollo de sistemas AGV, el rendimiento de la transmisión se ve influenciado por múltiples factores y no solo por la potencia del motor.
Las consideraciones clave incluyen:
No se deben confundir el coeficiente de resistencia a la rodadura y el coeficiente de fricción, ya que representan significados físicos diferentes.
La eficiencia de la caja de cambios varía significativamente entre los sistemas de engranajes planetarios y helicoidales y no debe tratarse como un valor constante.
La selección del motor y del servoaccionamiento debe considerar los ciclos de trabajo continuos, las condiciones de arranque-frecuentes y los impactos de las cargas máximas.
Los sistemas de múltiples-ruedas deben garantizar suficiente fuerza de contacto con el suelo para evitar el deslizamiento de las ruedas y la desviación de posicionamiento.
Conclusión
El diseño de un sistema de propulsión AGV no es simplemente la selección del motor, sino un proceso de ingeniería integral que involucra la dinámica del vehículo, la transmisión mecánica, el control eléctrico y la integración del sistema.
Desde el modelado de resistencia y el cálculo de la fuerza de tracción hasta la selección del servomotor, la configuración de la caja de cambios, la coincidencia del servoaccionamiento y el diseño de la rueda motriz, cada parámetro afecta directamente el rendimiento del sistema y la confiabilidad operativa.
