立體倉庫穿梭車結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

代迪迪，汪 偉，王汝佳，崔金華，石 旭

（江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

隨著制造業(yè)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，提高物流效率至關(guān)重要。以往采用人工搬運(yùn)以及利用傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備來實現(xiàn)的貨物存取方式已無法滿足當(dāng)前的市場需求，隨著各大企業(yè)對工作效率、運(yùn)營成本、精確程度等要求的不斷提高，立體倉庫系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。

在立體倉庫系統(tǒng)中，智能穿梭車是其運(yùn)載的核心，作為立庫系統(tǒng)中的主要搬運(yùn)工具，它對立庫的運(yùn)行效率起著決定性的作用。穿梭車可以快速、精準(zhǔn)地完成貨物的存取，不僅使貨位的空間結(jié)構(gòu)更加緊湊、區(qū)域利用率更高，還可以提高貨物的存取效率[1]。穿梭車研究在國內(nèi)的起步時間較晚，目前，自主研發(fā)水平相對較低，設(shè)計理念多圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)的研究等[2]。在國外，Pratama等人[3]對立庫集成化控制做了大量的研究，并對穿梭車進(jìn)行了深入的設(shè)計；Bui等人[4]分析研究了設(shè)備的自動存取系統(tǒng)。國內(nèi)外研究對穿梭車的發(fā)展都產(chǎn)生了積極的影響，為實現(xiàn)企業(yè)效益的最大化，本文結(jié)合企業(yè)實際需求，設(shè)計研發(fā)了一種便捷、高效、高精度的立庫穿梭車。

1 穿梭車設(shè)計需求參數(shù)

本文所設(shè)計的穿梭車是應(yīng)用于企業(yè)貨物存取的貨架軌道式穿梭車，其在貨架軌道上直線往返運(yùn)行，貨架軌道的兩邊是貨物存取位。穿梭車需要在軌道上完成加速、勻速、減速三個階段的平穩(wěn)運(yùn)行，并且能夠快速、高效、準(zhǔn)確地完成貨物的存取。穿梭車采用四輪式結(jié)構(gòu)，從而滿足準(zhǔn)確到達(dá)指定貨位的要求。搬運(yùn)系統(tǒng)主要選取伸叉式機(jī)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)更加平穩(wěn)，抓取更為牢靠。如表1所示，為具體設(shè)計參數(shù)。

表1 整車參數(shù)

2 行走電機(jī)的選型計算

穿梭車在貨架軌道上運(yùn)行的過程包括加速、勻速和減速三個階段；所以，電機(jī)的功率由靜態(tài)功率pf和動態(tài)功率pd兩部分組成。根據(jù)穿梭車的運(yùn)動參數(shù)設(shè)計需求，穿梭車整車自重為130 kg，整車最大載重為60 kg，最大行走速度為2 m/s，機(jī)械傳動效率取0.97。查表可知，橡膠車輪與剛性軌道之間的摩擦系數(shù)取0.02，重力加速度g取10 N/kg。

穿梭車勻速狀態(tài)下靜態(tài)功率為：

式中：F為穿梭車在勻速狀態(tài)下受到的阻力，單位為N；V為最大行走速度，單位為m/s；η為機(jī)械傳動效率。

將數(shù)據(jù)代入（1）式得到穿梭車的靜態(tài)功率為：

穿梭車在加速狀態(tài)下的動態(tài)功率為：

式中：∑Gm為穿梭車整車自重及最大載重之和，單位為N；Vs為滿載時的最大行走速度，單位為m/s；t為加速狀態(tài)下的時間，單位為s。

式（3）中等號右邊第1項是穿梭車在軌道上做往返運(yùn)動的加速功率；第2項是由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的加速功率。查閱相關(guān)資料可知，第2項功率通常為第1項功率的10%～15%[5]，本文按照15%計算。則穿梭車動態(tài)功率Pd為：

將數(shù)據(jù)代入式（4）可得：Pd=0.891 8 kW。因此，驅(qū)動電機(jī)的實際功率P≥Pj+Pd=0.078 3+0.891 8=0.970 1 kW。

為了獲得充足的動力源以滿足穿梭車平穩(wěn)快速往返運(yùn)行的需求，本文選擇功率為1 200 W的80ZFMA1-01D2交流伺服電機(jī)作為穿梭車的行走電機(jī)，并選擇減速比為4：1的減速器。

3 穿梭車結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 運(yùn)動方案設(shè)計

根據(jù)穿梭車抓取貨物的特點(diǎn)及設(shè)計需求，設(shè)計立庫穿梭車的運(yùn)動方案。穿梭車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計由行走和伸叉兩個系統(tǒng)構(gòu)成，具體方案如下。

（1）行走系統(tǒng)。行走機(jī)構(gòu)采用齒輪+電機(jī)的機(jī)構(gòu)方案，實現(xiàn)穿梭車的往返直線運(yùn)動。

（2）伸叉系統(tǒng)。伸叉機(jī)構(gòu)采用三層直線差動機(jī)構(gòu)，前叉與中叉選擇鏈條傳動，中叉與后叉選擇齒輪齒條傳動，實現(xiàn)伸叉機(jī)構(gòu)的左右伸叉及裝卸貨物功能。

3.2 行走系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 行走軸計算

行走軸通過軸承與穿梭車車架相連來完成穿梭車整體的往返運(yùn)動。如圖1所示，為行走軸受力圖。行走軸在穿梭車運(yùn)行過程中會受到車輪的反力F，為了保持平穩(wěn)，穿梭車在直線運(yùn)動過程中車輪與貨架軌道間的摩擦所產(chǎn)生的扭矩T1與行走軸承受電機(jī)帶動齒輪所產(chǎn)生的扭矩T2應(yīng)保持平衡[3]。

本文穿梭車車身采用四輪式結(jié)構(gòu)，整車及貨物重量由四個車輪支撐，已知穿梭車滿載時重量為190 kg，則每個車輪所受到的支撐力為475 N。由圖1可知，軸承處是行走軸的危險面，相關(guān)參數(shù)可通過行走軸的來自車輪處的反力及扭矩來確定。

圖1 行走軸受力圖

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)額定功率的關(guān)系[5]為：

式中：T為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；P為電機(jī)的額定功率，單位為kW；n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

將以上參數(shù)數(shù)據(jù)代入式（5）可得電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T=3 269.5 N·mm。初步選取軸承座與車輪之間的距離S=40 mm，則危險面處的扭矩M=FS=19 N·m。

3.3 伸叉系統(tǒng)設(shè)計

3.3.1 伸縮貨叉設(shè)計

立體倉庫兩側(cè)擺放貨物，穿梭車在貨架內(nèi)往返運(yùn)行對貨物進(jìn)行存取和擺放，伸縮貨叉要能滿足雙向存取貨物的需求。為了方便貨叉在不工作時收縮至車體內(nèi)而不影響穿梭車的運(yùn)行，單級貨叉的長度要小于車體的寬度；貨叉工作時，完全伸展的長度要大于貨架軌道寬度并小于軌道寬度與一側(cè)貨架寬度之和。綜上，本文選用三級伸縮貨叉。

伸縮貨叉是穿梭車上的執(zhí)行裝置，如圖3所

圖3 伸縮貨叉整體機(jī)構(gòu)三維示意圖

軸的彎曲合成強(qiáng)度[2]為：

式中：σ為軸截面上的應(yīng)力，單位為MPa；Mv為軸截面上的當(dāng)量彎矩，單位為N·M；M為軸截面上的合成彎矩，單位為N·m；α為轉(zhuǎn)矩和彎矩作用性質(zhì)差異系數(shù)；T為橫截面上的轉(zhuǎn)矩，單位為N·M；[?-1]為軸的許用彎曲應(yīng)力，單位為MPa。通過查閱資料，取[?-1]=40 Mpa，α=1，代入式（6）得：d≥14.86 mm。因此，選取行走軸的直徑為19 mm。

3.2.2 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

齒輪傳動是一種廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備的機(jī)械傳動方式，是由齒輪副傳遞運(yùn)動和動力的裝置。齒輪傳動具有傳動效率高、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)示，為伸縮貨叉整體機(jī)構(gòu)三維示意圖。本文選取的傳動方式為鏈條傳動和同步帶傳動，即二級差動伸縮機(jī)構(gòu)。三級伸縮貨叉由前叉、中叉、底叉三個貨叉構(gòu)成。一級拖動系統(tǒng)采用鏈條傳動，三個齒輪分別安裝在底叉和中叉上，用鏈條連接，中間齒輪與電機(jī)相連，在電機(jī)驅(qū)動中間齒輪下，兩個從動齒輪通過鏈條帶動中叉的移動。二級拖動系統(tǒng)采用同步帶傳動，在中叉的兩側(cè)各放置一個同步帶輪，同步帶一端與底板相連，另一端繞過同步帶輪與前叉相連，當(dāng)中叉在移動時會帶動前叉以兩倍的速度移動，從而實現(xiàn)貨叉的遠(yuǎn)距離作業(yè)[7]。

3.3.2 擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計點(diǎn)[6]，因此，設(shè)計選用電機(jī)+齒輪的傳動方案。如圖2 所示，為行走機(jī)構(gòu)三維模型。穿梭車要實現(xiàn)貨物的存取需要伸縮貨叉與擺桿相互配合，安裝在上叉處的擺桿是存取過程的關(guān)鍵所在，其主要功能是將貨物拉回車體內(nèi)及推至貨位處。當(dāng)穿梭車收到取貨指令時，先運(yùn)行至指定貨位，貨叉驅(qū)動電機(jī)將貨叉伸到貨物兩側(cè)；然后，通過擺桿驅(qū)動電機(jī)，將豎直狀態(tài)的擺桿旋轉(zhuǎn)90°至水平狀態(tài)勾住貨物的后側(cè)；最后，擺桿和貨叉配合將貨物拉回至穿梭車車體內(nèi)，擺桿恢復(fù)原始狀態(tài)，完成取貨指令[8]。存貨過程反之。通過分析穿梭車存取貨過程可知，在電機(jī)的驅(qū)動下擺桿是一種能夠完成貨物拉回和推入運(yùn)動的長柄機(jī)構(gòu)。如圖4所示，為擺桿的三維結(jié)構(gòu)模型。

圖2 行走機(jī)構(gòu)三維模型圖

圖4 擺桿三維示意圖

根據(jù)設(shè)計結(jié)果，對行走機(jī)構(gòu)、伸叉機(jī)構(gòu)及擺桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配，得到穿梭車的最終設(shè)計成型方案。如圖5所示，為穿梭車三維示意圖。

圖5 穿梭車三維示意圖

4 仿真與運(yùn)動實驗

穿梭車在軌道上運(yùn)行時，由于各種因素存在，如左右兩邊軸距不一致、車輪安裝垂直度誤差、傳動機(jī)構(gòu)間配合誤差、軌道安裝誤差及表面不平整、車輪與軌道間的磨損等[9]，可能會導(dǎo)致跑偏產(chǎn)生偏移量。在設(shè)計過程中往往會安裝導(dǎo)向輪來減小穿梭車的偏移，但結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝的不合理也會造成導(dǎo)向輪與軌道的長期擠壓，因?qū)蜉啌p壞而產(chǎn)生穿梭車脫軌、側(cè)翻等不安全因素。因此，驗證穿梭車行駛過程中的偏移量，是其設(shè)計過程中的重要因素。

4.1 穿梭車運(yùn)動仿真及結(jié)果分析

4.1.1 運(yùn)動仿真

為了獲得穿梭車在軌道上行駛的偏移量，利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件Adams對虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動仿真。如表2所示，為虛擬樣機(jī)約束關(guān)系。

表2 穿梭車虛擬樣機(jī)約束關(guān)系表

在利用Adams軟件進(jìn)行運(yùn)動分析時，為了便于計算，對穿梭車的模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了部分簡化，包括忽略電機(jī)參數(shù)、忽略導(dǎo)向輪影響以及車體多余部件的簡化等[10]。如圖6所示，為虛擬樣機(jī)模型。

圖6 穿梭車虛擬樣機(jī)圖

為了仿真小車在貨架軌道上加速、勻速和減速三個階段的運(yùn)動情況，選擇步函數(shù)step（time，0，0，1，v）+step（time，1，0，2，0）+step（time，2，0，3，-v）來執(zhí)行運(yùn)動控制。該函數(shù)表示穿梭車運(yùn)行總時間為3 s，在0～1 s內(nèi)進(jìn)行加速運(yùn)動，初始速度為0；在1～2 s內(nèi)進(jìn)行勻速運(yùn)動，速度大小為v；在2～3 s內(nèi)進(jìn)行減速運(yùn)動至停止，3 s時速度為0。函數(shù)中time為運(yùn)行時間。

4.1.2 結(jié)果分析

為了保證穿梭車平穩(wěn)運(yùn)行，本文結(jié)構(gòu)部分大多采用對稱設(shè)計；但是，電機(jī)由于結(jié)構(gòu)的限制導(dǎo)致無法安裝在行走軸中心位置，因此，穿梭車在仿真過程中會有一定量的偏移[11]。如圖7所示，利用SolidWorks軟件構(gòu)建虛擬樣機(jī)模型導(dǎo)入Adams軟件中，運(yùn)行Adams仿真后得到穿梭車質(zhì)心平行軌道方向的位移和速度曲線。由圖7可以看出，穿梭車在平行軌道方向的位移和速度曲線都保持平穩(wěn)，基本符合加速、勻速、減速三個階段的預(yù)期。如圖8所示，為穿梭車質(zhì)心垂直軌道方向的位移和速度曲線。由圖8可知，在3 s的整個仿真過程中，穿梭車的偏移量約為1 mm，結(jié)果符合預(yù)期。

圖7 穿梭車質(zhì)心平行軌道方向的位移和速度曲線

圖8 穿梭車質(zhì)心垂直軌道方向的位移和速度曲線

4.2 穿梭車運(yùn)動實驗

如圖9所示，對結(jié)構(gòu)反復(fù)優(yōu)化調(diào)整后，試制了穿梭車樣機(jī)，并在車間現(xiàn)場進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示，穿梭車能夠在軌道上平穩(wěn)運(yùn)行，并順利完成貨物的存取過程。根據(jù)裝配要求完成貨架的安裝，并調(diào)整軌道左右兩邊高度。在保證整個實驗裝置安裝合理、軌道的高度符合要求及表面平整的條件下，通過多次實驗測量穿梭車運(yùn)行過程中的偏移量并取平均值。最終結(jié)果表明：穿梭車在整個加速、勻速、減速過程中的偏移量約為7 mm。

圖9 穿梭車運(yùn)動實驗

將實驗結(jié)果與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)存在一定的偏差。分析偏差原因，主要在于：零件加工制造和裝配過程中的誤差；貨架軌道擺放不平整；等等。

綜上所述，穿梭車基本符合最初的設(shè)計需求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種立庫智能穿梭車，該穿梭車能夠?qū)崿F(xiàn)在貨架軌道上平穩(wěn)地往返運(yùn)行及高效完成貨物存取的任務(wù)。通過Adams建立了穿梭車模塊化虛擬樣機(jī)模型并對其進(jìn)行仿真；同時，試制了穿梭車樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場運(yùn)動實驗。結(jié)果表明：由于裝配及加工等誤差的存在，使理論分析與實際結(jié)果存在一定的偏差，但此類偏差屬于合理范圍，不影響穿梭車的工作運(yùn)行。因此，本文的設(shè)計能夠滿足企業(yè)所需。