智能物流大扭力電動(dòng)機(jī)選型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蔣 姍， 孫 淵， 孫 利， 潤(rùn)建雷

(1. 上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 201306；2. 上海秦德物流設(shè)備有限公司 技術(shù)中心， 上海 201100)

由于電商的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工分揀已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)下物流的需求，智能分揀生產(chǎn)線(xiàn)大量投入生產(chǎn)和使用。貨物的平穩(wěn)運(yùn)輸是智能物流的基礎(chǔ)前提和保障，現(xiàn)有的分揀線(xiàn)多使用皮帶傳輸機(jī)，以皮帶作為輸送媒介實(shí)現(xiàn)貨物輸送，由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滾筒靠摩擦力驅(qū)動(dòng)皮帶，從而帶動(dòng)皮帶上面的貨物前行。

傳送帶輸送機(jī)的輸送效果平穩(wěn)高效，在當(dāng)今智能物流自動(dòng)分揀中的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，驅(qū)動(dòng)傳送帶的電動(dòng)機(jī)的選型對(duì)于傳送帶可靠運(yùn)行十分關(guān)鍵。若選擇的電動(dòng)機(jī)規(guī)格過(guò)小，無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)本身的要求，而盲目選擇大規(guī)格的電動(dòng)機(jī)，不僅會(huì)增加成本，也會(huì)因?yàn)轶w積大、占比大而影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]。然而針對(duì)不同要求的電動(dòng)機(jī)選型，都需要進(jìn)行大量復(fù)雜的計(jì)算，并且要在眾多的電動(dòng)機(jī)組合中選擇，會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。

電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍廣且型號(hào)繁多，電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)公司提供了很多電動(dòng)機(jī)減速器的組合，在為使用者提供更多選擇的同時(shí)，也給電動(dòng)機(jī)的選型帶來(lái)了一定困難。以往傳統(tǒng)的減速機(jī)產(chǎn)品供應(yīng)商主要是通過(guò)產(chǎn)品樣本與廣告(如產(chǎn)品選用手冊(cè)、產(chǎn)品宣傳彩頁(yè)及平面廣告等)來(lái)描述自己的產(chǎn)品，且一般只在產(chǎn)品樣本中給出選型步驟和計(jì)算公式。而用戶(hù)在選用減速機(jī)產(chǎn)品類(lèi)型時(shí)，需要在瀏覽許多產(chǎn)品樣本后，再根據(jù)工作條件和相應(yīng)公式進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算。眾多的步驟和繁瑣的過(guò)程極大地影響了用戶(hù)的選型使用，且難以保證準(zhǔn)確度。不僅是用戶(hù)，產(chǎn)品管理人員在按照選型參數(shù)表來(lái)選擇減速機(jī)型號(hào)前，首先需要根據(jù)工作條件計(jì)算出功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等眾多參數(shù)，再依據(jù)工作環(huán)境確定工況系數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)在產(chǎn)品目錄中手工查找，效率極低。

目前已有廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)出一般情況下的電動(dòng)機(jī)選型軟件，但其不適用于物流的傳送帶電動(dòng)機(jī)選型，主要原因是：① 傳送帶所需電動(dòng)機(jī)多為大扭力低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)，故使用時(shí)必須搭配合適的減速器，使電動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速大扭矩的工作狀態(tài)，一般的電動(dòng)機(jī)選型軟件只提供電動(dòng)機(jī)選型，并不提供電動(dòng)機(jī)和減速器的組合結(jié)果；② 現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)選型軟件沒(méi)有針對(duì)物流運(yùn)輸?shù)呢?fù)載選擇，其負(fù)載計(jì)算公式為能滿(mǎn)足多種負(fù)載計(jì)算而缺少針對(duì)性，使得選型準(zhǔn)確性降低；③ 現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)選型軟件參數(shù)輸入過(guò)于冗雜，缺少針對(duì)性，使用戶(hù)迷失在計(jì)算和選擇過(guò)程中，且操作難度高、效率低。

綜上所述，傳送帶的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是決定其傳送效率和質(zhì)量的最重要的因素。因此，結(jié)合實(shí)際電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)樣本，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ǎ⒏鶕?jù)物流傳送帶驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及其負(fù)載形式單一的特殊性，開(kāi)發(fā)現(xiàn)代智能技術(shù)物流傳送帶大扭力電動(dòng)機(jī)選型軟件，僅以傳送帶負(fù)載為適用對(duì)象進(jìn)行大扭力電動(dòng)機(jī)的選型計(jì)算，化繁雜的人工計(jì)算為計(jì)算機(jī)計(jì)算，可以縮短大扭力電動(dòng)機(jī)的選型周期，降低大扭力電動(dòng)機(jī)選型成本，使電動(dòng)機(jī)選型自動(dòng)化、智能化，對(duì)現(xiàn)代智能物流的推進(jìn)具有積極意義。

1 軟件設(shè)計(jì)過(guò)程

1.1 主要參數(shù)計(jì)算

物流傳送帶輸送機(jī)的工作原理為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)涌磕Σ亮︱?qū)動(dòng)皮帶傳送帶[2]。針對(duì)物流傳送帶的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)必須要具有扭矩大、轉(zhuǎn)速低的特點(diǎn)[3]。因此，傳送帶的輥?zhàn)訑?shù)量、整機(jī)載荷、運(yùn)行速度等使用條件是決定電動(dòng)機(jī)選型的關(guān)鍵性因素。由于傳送帶所使用的皮帶形變較小，故其在運(yùn)輸中因皮帶張力所產(chǎn)生的微小形變[4-5]和對(duì)托輥的沖擊可忽略不計(jì)[6]。

(1) 整機(jī)載荷

根據(jù)用戶(hù)輸入的傳送帶和負(fù)載的參數(shù)可計(jì)算得出楔帶輥?zhàn)觽魉蛶线\(yùn)輸?shù)呢?fù)載個(gè)數(shù)，再得出系統(tǒng)需要運(yùn)載的整機(jī)載荷為

(1)

式中：G為單個(gè)負(fù)載質(zhì)量；L為多楔帶輥?zhàn)觽魉蛶У恼w長(zhǎng)度；L1為單個(gè)負(fù)載長(zhǎng)度；L2為負(fù)載間距。

(2) 牽引力

根據(jù)用戶(hù)對(duì)傳送帶運(yùn)行的速度的要求和輸入的摩擦系數(shù)得出所需電動(dòng)機(jī)的牽引力為

F=W·g·μ

(2)

式中：g為重力加速度(取固定值9.81)；μ為摩擦系數(shù)(由輥筒及載荷材質(zhì)選擇固定值)。

(3) 輸出功率

根據(jù)輥?zhàn)娱g距和被動(dòng)輥筒數(shù)量最終確定電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)所需的整體輸出功率P[7-8]為

(3)

式中：F為系統(tǒng)牽引力；v為多楔帶輥?zhàn)觽魉蛶У膫魉退俣?；η為傳?dòng)效率(多楔帶傳動(dòng)效率按德馬工業(yè)推薦選0.95，實(shí)際可選0.97)；T為被動(dòng)輥筒數(shù)量；N為安全系數(shù)。

1.2 軟件模塊實(shí)現(xiàn)

傳送帶的輥?zhàn)訑?shù)量、間距、整機(jī)載荷等使用條件是決定電動(dòng)機(jī)選型的關(guān)鍵性因素[9]，通過(guò)對(duì)大扭力電動(dòng)機(jī)選型設(shè)計(jì)過(guò)程的算法分析，結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了選型系統(tǒng)。系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為Windows系統(tǒng)，文件源程序和界面都基于Matlab設(shè)計(jì)編譯[10-12]，界面友好、使用簡(jiǎn)單。

根據(jù)對(duì)SEW A34-R系列電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)樣本的分析，根據(jù)最終的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速將電動(dòng)機(jī)及減速器的組合分為3種，分別為恒轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)輸出轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)、特別低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)，故軟件輸出結(jié)果也分為3部分。軟件結(jié)合實(shí)際需求將最終的系統(tǒng)界面輸出分為3個(gè)模塊。使用者可通過(guò)下拉菜單進(jìn)行輸出結(jié)果類(lèi)型的切換，無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)的再次輸入，系統(tǒng)默認(rèn)輸出為數(shù)據(jù)樣本量最多的恒轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)類(lèi)型。

系統(tǒng)設(shè)有幫助指南部分，為用戶(hù)說(shuō)明解釋各參數(shù)最佳輸入順序以及輸入范圍。系統(tǒng)參數(shù)輸入部分分為傳送帶參數(shù)輸入、負(fù)載參數(shù)輸入、滾輪參數(shù)輸入、傳動(dòng)系數(shù)和安全系數(shù)4部分，用戶(hù)輸入?yún)?shù)后單擊開(kāi)始選型按鈕，系統(tǒng)即開(kāi)始進(jìn)行選型。系統(tǒng)輸入?yún)?shù)簡(jiǎn)單，計(jì)算過(guò)程完全在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行。最終選型結(jié)果以表格形式顯示。

輸出結(jié)果為恒轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)類(lèi)型的程序代碼如下：

function pb1_Callback(hObject, eventdata, handles)

定義各輸入?yún)?shù)(略)

if sheet==1

count=0;

fori=1:(m-1)

Rev1(i)=cell2mat(raw(i+1,1));

Ma1(i)=cell2mat(raw(i+1,2));

Fra1(i)=cell2mat(raw(i+1,3));

i1(i)=cell2mat(raw(i+1,6));

end

fork=1:i

if (0.8*RevCal <=Rev1(k)) && (Rev1(k) <=1.2*RevCal)

torq=m*9.8*R/(1000*i1(k));

if torq < Ma1(k)

count=count+1;

outindex(count)=k;

end

end

end

t=uitable('v0','NumRows', count, 'NumColumns',n);

set(t,'Units','normalized','ColumnName',{'轉(zhuǎn)速';'扭矩';'徑向載荷';'低齒隙';'轉(zhuǎn)速';'減速比';'可選型號(hào)'},'Position',[0.306 0 0.71 1]);

fory1=1:count

fory2=1:n

outdata(y1,y2)=raw(outindex(y1)+1,y2);

end

end

set(t,'Data',outdata);

end

選型軟件使用流程如圖1所示。當(dāng)用戶(hù)使用選型系統(tǒng)選取電動(dòng)機(jī)時(shí)，只需按圖1操作便可得出

圖1 選型軟件使用流程

選型結(jié)果，如有更多要求可在選型結(jié)果中根據(jù)選項(xiàng)卡作進(jìn)一步的篩選和選擇。軟件將計(jì)算過(guò)程全部隱藏于后臺(tái)，用戶(hù)需要輸入的參數(shù)僅和負(fù)載相關(guān)，例如傳送帶的長(zhǎng)、寬，運(yùn)行速度等這些簡(jiǎn)單易獲取的數(shù)據(jù)，無(wú)需進(jìn)行多余的計(jì)算。系統(tǒng)結(jié)果顯示清晰，對(duì)傳送帶運(yùn)輸各方面更具有針對(duì)性，降低了選型操作難度，選型步驟簡(jiǎn)單易懂，使選型系統(tǒng)的友好度大大提升。

2 軟件結(jié)果驗(yàn)證及對(duì)比

2.1 實(shí)例計(jì)算

有多楔帶輥?zhàn)訖C(jī)長(zhǎng)度L=4 m，被動(dòng)輥筒數(shù)量T=20根，用戶(hù)需求輸送速度v=25 m/min=0.4 m/s，輥筒與載荷之間的摩擦系數(shù)μ=0.04(由輥筒及載荷材質(zhì)選定)；單個(gè)負(fù)載質(zhì)量G=14 kg，單個(gè)負(fù)載長(zhǎng)度L1=0.3 m，負(fù)載間距L2=0.1 m；傳動(dòng)效率η=0.95(系統(tǒng)默認(rèn)選0.95，用戶(hù)根據(jù)實(shí)際可選0.97)；安全系數(shù)N=1.5(系統(tǒng)默認(rèn)值為1.5，用戶(hù)可選范圍為1.5～2)；重力加速度g=9.81 N/kg(取固定值9.81)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[13]計(jì)算可得

整機(jī)載荷

牽引力

F=W·g·μ=140×9.81×0.04=54.936 (N)

電動(dòng)機(jī)所需功率

系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)所需牽引力和功率在數(shù)據(jù)庫(kù)中挑選出合適的電動(dòng)機(jī)減速器組合，完成大扭矩電動(dòng)機(jī)選型系統(tǒng)選型的第一步。

2.2 系統(tǒng)篩選結(jié)果及對(duì)比

根據(jù)用戶(hù)輸入的參數(shù)計(jì)算出符合用戶(hù)需求的電動(dòng)機(jī)功率后，軟件會(huì)根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率和能輸出的轉(zhuǎn)速對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行篩選。人工篩選要先通過(guò)用戶(hù)自行計(jì)算，然后在大量的樣本中找到滿(mǎn)足負(fù)載要求的最低輸出功率再進(jìn)行人工排查[14]。

根據(jù)用戶(hù)輸入的參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式可得用戶(hù)所需的電機(jī)功率P=87 W，故滿(mǎn)足所需功率P的最低輸出功率在電動(dòng)機(jī)樣本中為90 W，最低系統(tǒng)運(yùn)行速度為25 m/min。表1為根據(jù)Excel表模擬人工選型第1步找到符合要求的最低輸出功率條件下的電動(dòng)機(jī)型號(hào)。可以看出滿(mǎn)足要求的電動(dòng)機(jī)型號(hào)數(shù)量還是很多的，用戶(hù)需要在里面再次進(jìn)行閱讀篩選，耗費(fèi)時(shí)間，最后得出的結(jié)果電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)型號(hào)的顯示方式也不利于用戶(hù)比較。

而系統(tǒng)在進(jìn)行篩選時(shí)會(huì)先根據(jù)功率的最低門(mén)檻90 W進(jìn)行篩選，然后再根據(jù)運(yùn)行速度25 m/min進(jìn)行篩選[15]，所有的計(jì)算、篩選步驟全部隱藏于后臺(tái)，最后顯示的電動(dòng)機(jī)和減速器型號(hào)結(jié)果也清晰明了并可通過(guò)下拉菜單靈活選擇不同類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)和減速器的組合輸出，可保存為Word、Excel等多種格式便于用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行利用。表2為大扭力電動(dòng)機(jī)選型的選型結(jié)果。通過(guò)對(duì)比可以看出，大扭力電動(dòng)機(jī)選型系統(tǒng)根據(jù)最終的挑選類(lèi)型對(duì)選型結(jié)果進(jìn)行顯示，只需通過(guò)下拉菜單對(duì)電動(dòng)機(jī)類(lèi)型進(jìn)行切換，不需要重新輸入數(shù)據(jù)，免去用戶(hù)對(duì)于同一種需求的3次翻閱操作。大扭力電動(dòng)機(jī)選型系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)和減速器的具體型號(hào)頂頭顯示，使結(jié)果更加直觀(guān)，便于使用者查閱，對(duì)同一組合下的輸出速度、輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。此外，使用Excel方法比較麻煩的是若需要更改某一參數(shù)再次篩選以找到最符合用戶(hù)要求的電動(dòng)機(jī)和減速器組合時(shí)，需要進(jìn)行二次計(jì)算對(duì)比。而大扭力電動(dòng)機(jī)選型系統(tǒng)在選型后將保留所有輸入?yún)?shù)，若想改表某一參數(shù)，僅只要對(duì)該參數(shù)進(jìn)行修改，單擊開(kāi)始選型按鈕就可得出結(jié)果，操作過(guò)程十分簡(jiǎn)便。

表1 模擬用戶(hù)查表初步得到的電動(dòng)機(jī)選型結(jié)果

(續(xù)表)

表2 大扭力電動(dòng)機(jī)選型軟件的選型結(jié)果

3 結(jié) 論

本選型系統(tǒng)彌補(bǔ)了現(xiàn)代智能技術(shù)物流大扭矩電動(dòng)機(jī)選型系統(tǒng)的缺失，可以快速計(jì)算出大扭力電動(dòng)機(jī)和減速器的組合輸出，界面簡(jiǎn)潔友好，使用方便，計(jì)算結(jié)果正確。選項(xiàng)卡可以方便地更改系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，使后續(xù)精細(xì)篩選變得簡(jiǎn)單可行，提高了電動(dòng)機(jī)選型效率，降低電動(dòng)機(jī)選型難度，令選型后的結(jié)果展現(xiàn)方式更加明確，使用戶(hù)從選型困難中解脫出來(lái)，并為后期同步更新數(shù)據(jù)庫(kù)帶來(lái)便捷，具有較好的工程使用價(jià)值，推進(jìn)了大扭力電動(dòng)機(jī)選型的自動(dòng)化、智能化。