四向穿梭泊車搬運(yùn)器設(shè)計(jì)與研究

文/蘆琪

機(jī)械停車設(shè)備是目前解決停車難問題最有效的方法。智能停車設(shè)備大量使用在醫(yī)院、商場、車站等車輛集中的場所[1-3]。泊車搬運(yùn)器是停車設(shè)備中最為關(guān)鍵的部分，由于現(xiàn)有的泊車搬運(yùn)器均為單向運(yùn)行，無法滿足特殊情況下停車設(shè)備的運(yùn)行要求，更為靈活的泊車搬運(yùn)器急需開發(fā)并應(yīng)用于停車場內(nèi)。

穿梭車技術(shù)是倉儲(chǔ)物流行業(yè)較為成熟的技術(shù)，具有運(yùn)行靈活，效率高的特點(diǎn)，是機(jī)械停車行業(yè)需借鑒的技術(shù)。本文介紹的穿梭泊車搬運(yùn)器是一種集舉升車輛、四向行駛、原地?fù)Q軌道、智能搬運(yùn)等于一體的智能立體泊車系統(tǒng)解決方案，可實(shí)現(xiàn)車輛的快速入庫、出庫。

一、四向穿梭車和泊車搬運(yùn)器簡介

四向穿梭車是隨著自動(dòng)化倉儲(chǔ)物流系統(tǒng)而產(chǎn)生的設(shè)備，具有兩套輪系，一套負(fù)責(zé)X方向的行走，另一套負(fù)責(zé)Y方向的行走。小車在相應(yīng)的軌道上運(yùn)行，遇到轉(zhuǎn)彎處，則通過更換輪系來完成。

穿梭車主要包含車架、四向行走驅(qū)動(dòng)裝置、變向裝置、抓取裝置、控制系統(tǒng)等。其中，行走驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)責(zé)行走；變向裝置負(fù)責(zé)換向，進(jìn)行X和Y方向的行走切換；抓取裝置負(fù)責(zé)貨物的搬運(yùn)；控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)穿梭車的移動(dòng)路徑。

泊車機(jī)器人是智能停車設(shè)備中最關(guān)鍵的部分，具備舉升車輛和單向搬運(yùn)車輛的功能。泊車機(jī)器人主要由車輛舉升部分和行走部分組成，工作時(shí)泊車機(jī)器人行走至車輛底部，舉升部分作用于車輛輪胎將車輛舉起，泊車機(jī)器人行走運(yùn)送車輛到指定位置。

二、四向穿梭泊車搬運(yùn)器的設(shè)計(jì)

四向穿梭泊車搬運(yùn)器主要由夾持、行走、行走切換、控制系統(tǒng)等部分組成（如圖1），其中夾持部分負(fù)責(zé)舉升車輛，前輪夾持部分為固定端，負(fù)責(zé)車輛前輪的舉升，后輪夾持部分為浮動(dòng)端，以適應(yīng)不同軸距的車輛，負(fù)責(zé)車輛后輪的舉升（如圖2）；行走部分負(fù)責(zé)車輛搬運(yùn)，行走切換部分負(fù)責(zé)原地?fù)Q軌道，夾持部分和行走切換部分為設(shè)備的核心傳動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 穿梭泊車搬運(yùn)器

圖2 穿梭泊車搬運(yùn)器工作狀態(tài)

1.支撐架體設(shè)計(jì)

支撐架體是穿梭泊車搬運(yùn)器的主體結(jié)構(gòu)，采用Q345標(biāo)準(zhǔn)型材設(shè)計(jì)而成。支撐架體整體平面結(jié)構(gòu)為矩形，中間添加三條支撐，采用焊接形式連接。支撐架體的上方為車輛夾持部分，行走部分布置在支撐架體的兩側(cè)。

采用Midas軟件進(jìn)行受力仿真計(jì)算，計(jì)算載荷包括設(shè)備自重和車輛載荷。橫移輪軸距較大，橫移過程中支撐架體的受力是最不利的。在橫移搬運(yùn)車輛的過程中，由于設(shè)備運(yùn)行速度較低，且加減速時(shí)間較長，受力主要考慮來自車輛載荷和設(shè)備自重，設(shè)備在水平地面行走約束條件為水平單向的滑動(dòng)約束，進(jìn)行分析計(jì)算，最大變形量為2.18mm（如圖3），滿足設(shè)備剛度1/1000的要求。最大應(yīng)力為127.30N/mm2（如圖4），小于Q345材料的許用應(yīng)力（172.5N/mm2），滿足材料要求。

圖3 支撐架體仿真分析（a）

圖4 支撐架體仿真分析（b）

2.行走設(shè)計(jì)

行走部分包括橫移行走部分和縱移行走部分。橫移行走由四個(gè)橫移輪組成，采用電機(jī)加減速機(jī)直接與行走軸連接的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；縱移行走由四個(gè)行走輪和兩個(gè)支撐輪組成，行走輪采用電機(jī)架鏈條的方式驅(qū)動(dòng)。

穿梭泊車搬運(yùn)器行車速度為0.8m/s，設(shè)備（1.6t）和車輛（2.35t）總重為F=3.95t×9.8N/kg=38710N，行走輪直徑為D=200mm，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.1（聚氨酯輪與Q235鋼），電機(jī)經(jīng)減速機(jī)后，輸出轉(zhuǎn)速N=80r/min。

橫移的總功率為1621.17W，考慮傳動(dòng)過程中的機(jī)械損耗和多臺(tái)電機(jī)配合的能量損耗，橫移行走采用四個(gè)0.6Kw電機(jī)。縱移的總功率也為1621.17W，采用兩個(gè)1.2Kw電機(jī)。

3.行走切換設(shè)計(jì)

行走切換部分是泊車機(jī)器人實(shí)現(xiàn)橫、縱行走切換的部件（如圖5、圖6），通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪、鏈條，滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，行走切換組升降，實(shí)現(xiàn)橫、縱行走切換。橫移時(shí)，橫移行走輪下降與行走面接觸并行走，縱移行走輪離開行走面；縱移時(shí)，橫移行走輪起升離開行走面，縱移行走輪與行走面接觸并行走。

圖5 行走切換平面示意圖

圖6 行走切換剖面圖

行走切換過程中，最大阻力Fz=45000N，單個(gè)絲桿所受軸向力F=11250N。選擇滾珠絲桿參數(shù)：直徑d=63mm，導(dǎo)程I=10mm。

電機(jī)扭矩計(jì)算：單臂絲杠驅(qū)動(dòng)扭矩Ta=(F×I)/（2×3.14×n1），絲杠驅(qū)動(dòng)扭矩Ta，軸向力F=11250N，效率n1=94%。

單個(gè)絲桿驅(qū)動(dòng)扭矩需要19.06Nm，四個(gè)絲桿共需76.24Nm，切換升降速度為1.5m/min。采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。選擇伺服電機(jī)功率為0.75Kw，額定扭矩為2.3Nm，轉(zhuǎn)速為3000，減速機(jī)速為比20：1。

4.夾持傳動(dòng)設(shè)計(jì)

RGV泊車機(jī)器人，額定載重2600kg，按4：6分配前輪重1560kg，單個(gè)前輪重G=7800N，F(xiàn)=4700N，F(xiàn)x=2645N，F(xiàn)y=3885N，μ=0.2（如圖7）。

圖7 夾臂受力示意圖

夾臂所需驅(qū)動(dòng)力為Fd=2645+3885×0.2=3422N。

采用蝸輪蝸桿夾臂驅(qū)動(dòng)形式是蝸輪一端連接夾臂，蝸桿一端連接電機(jī)（如圖8、圖9）。通過電機(jī)帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)90°，使夾臂由閉合到打開，實(shí)現(xiàn)車輛輪胎夾具。

圖8 蝸輪蝸桿夾臂驅(qū)動(dòng)示意圖

圖9 蝸輪蝸桿夾臂驅(qū)動(dòng)3D示意圖

夾臂夾持過程中，阻力臂為400mm，驅(qū)動(dòng)力Fd=3422N，扭矩T2=1369Nm。

選擇蝸輪、蝸桿參數(shù)：中心距a=125，傳動(dòng)比41，模數(shù)m=5，蝸桿分度圓d1=50，蝸桿頭數(shù)z1=1，渦輪齒數(shù)z2=41。

電機(jī)扭矩計(jì)算：蝸桿軸傳遞扭矩T1=T2/i?，蝸桿軸傳遞扭矩T2，傳動(dòng)比i=41，機(jī)械效率?=77.58%。

單個(gè)夾臂驅(qū)動(dòng)扭矩需要43Nm。

選擇伺服電機(jī)功率為0.6Kw，額定扭矩為1.91Nm，最大扭矩為3.81Nm，轉(zhuǎn)速為3000；減速機(jī)速比為25：1，夾臂轉(zhuǎn)動(dòng)速度為3n/min。

三、穿梭泊車系統(tǒng)分析

穿梭泊車系統(tǒng)主要包含：車廳、軌道、停車位、穿梭搬運(yùn)器、控制系統(tǒng)等（如圖10）。車輛駛?cè)胲噺d后，用戶離開車輛，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)存車模式，穿梭泊車搬運(yùn)器橫移、縱移后到達(dá)車輛底部，夾持部分將車輛舉升，運(yùn)送至預(yù)定的車位，實(shí)現(xiàn)車輛的存放。橫向行走采用條碼定位，縱向行走采用漫反光電定位，從而實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)器的行走控制。

圖10 穿梭泊車系統(tǒng)示意圖

四、結(jié)論

在穿梭泊車搬運(yùn)器的設(shè)計(jì)過程中，支撐架體采用Midas仿真分析，通過鏈條加滾珠絲桿的方式解決行走切換傳動(dòng)，以及采用蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)夾臂等設(shè)計(jì)方法，均可通用于機(jī)械停車設(shè)備設(shè)計(jì)。

穿梭泊車搬運(yùn)器是倉儲(chǔ)物流行業(yè)和機(jī)械停車行業(yè)融合的產(chǎn)品，既具備搬運(yùn)車輛的功能，又有運(yùn)行靈活的特點(diǎn)，可大大提升停車設(shè)備的存取車效率。穿梭泊車搬運(yùn)器適用于長×寬×高≤5.3m×2.0m×2.0m，軸距在2.3m～3.2m之間，重量＜2.35t的家用轎車，滿足停車設(shè)備的通用要求。該搬運(yùn)器可廣泛應(yīng)用于平面移動(dòng)類、巷道堆垛類、垂直升降類等大型智能停車設(shè)備中，同時(shí)也可使用于一些特殊的、不規(guī)則地塊的停車庫建設(shè)。該設(shè)備的應(yīng)用，能夠大大減少傳統(tǒng)停車庫對設(shè)備種類和數(shù)量的要求，節(jié)約單車位的建設(shè)成本。