四向穿梭車的結構設計與分析

陳光明 李祥森 駱敏舟 黃 偉

（1.南京農業大學 工學院，南京 210031；2.江蘇省產業技術研究院智能制造技術研究所，南京 211800）

隨著電子商務、自動化零售超市、制造業倉庫自動化等的發展，現有的物流倉儲已經無法滿足需求，需要更加集成與自動化的高密度倉儲物流系統[1]。有軌穿梭車能夠自主實現在巷道內快速移動，大大提高了倉儲物流的效率，如圖1所示。

圖1 有軌穿梭車

目前，使用的搬運車大多為單向行駛的多層穿梭車。近年來，四向穿梭車（以下簡稱四向車）快速發展，但是大部分學者都在研究多車調度，而未完善車體結構設計。李鑫等[2]提出了一種新型的物流穿梭小車升降結構，通過絲杠轉動進行頂升，實現了穿梭車載物臺的升降。許賢琳[3]設計使用偏心凸輪直接頂起頂升塊。楊光輝等人[4]對新一代托盤四向車的結構與通信進行分析。李麗等人[5]闡述了應用于成品糧立體庫的料箱式四向穿梭車總體設計，并設計樣機進行測試。伊軍琪[6]對托盤式與料箱式四向車的技術應用與發展趨勢做出了分析。葡萄牙波爾圖理工學院Fernandes等人[7]針對工業4.0改進了箱式穿梭車，并在車上安裝自動拾取物料的機械臂。本文提出了一種盤形凸輪與高壓縮量壓簧配合頂升結構，并設計出單車體式四向車的總體方案。

1 單車體四向穿梭車總體結構設計

四向穿梭車能夠配合提升機、叉車完成貨物的上下運送，自身具有兩套輪組，可以自主實現換向功能，完成不同巷道內的作業任務。在自動儲存和檢索系統調度下，它能夠實現多車同時運行。通過掃描條形碼，各個四向車可以實時向系統發送自己的位置信息。通過調度系統為每個四向車系統規劃好的路徑，避免發生碰撞。四向車還應具有貨物點數、提高空載速度、避障、自動化充電、反饋障礙物信息等功能，主要組成如圖2所示。它主要由電氣控制、行走機構、頂升機構、車架機構和電池供能系統5部分組成。

圖2 四向穿梭車主要結構組成

1.1 車架機構

四向車車架起到車體穩定承載運行的作用。考慮到裝配與維修的方便，車架主要分成底板、側板和前后板，分別固定好后進行焊接。材料選擇優質的結構鋼。

1.2 行走機構

行走電機通過鏈條同時驅動橫向輪組和縱向輪組。通過PLC發送脈沖信號控制伺服控制器進行驅動。電機前端通過減速器后連接換向器與前端鏈輪，分別帶動縱向輪組與橫向輪組。行走機構使用兩套輪組，每套輪組能夠執行一個方向的運動。在不同位置執行不同任務時，通過頂升換向機構將兩套輪組依次轉換接觸導軌，可實現不同方向的運動。

2 四向車頂升機構設計

2.1 頂升結構設計

頂升方式主要分為絲杠滑塊、液壓頂升、曲柄滑塊和凸輪頂升，但是絲杠滑塊速度較慢，在液壓頂升時容易泄露液壓油造成污染。此外，穿梭車高度較小，曲柄滑塊結構較大，所以優先凸輪實現頂升。

凸輪頂升結構具有較好的傳動速度和運動精度、較高的結構強度，能夠較好地實現穿梭車頂升功能。凸輪是頂升結構最重要的組成部分，其外形輪廓和基圓的設計直接影響凸輪結構的力學傳動性能和傳動效率。凸輪在推程階段將緊靠底端的滾子擠壓，實現工作臺的向上運動。此時，彈簧受到擠壓，縱向行走輪與軌道接觸，四向車縱向運動。在凸輪回程階段，彈簧通過彈性力將縱向行走輪頂升，使橫向行走輪與軌道接觸。圖3為頂升系統結構圖，圖4為盤形凸輪頂升結構圖。

圖3 頂升系統結構圖

圖4 盤形凸輪頂升結構圖

2.2 頂升換向運動分析

四向穿梭車的工作過程為“駛入縱向巷道→掃描二維碼信息定點停車→第一次頂升換向-駛入托盤下方→進一步頂升抬高→將托盤運送到巷道中間完成取貨→第二次換向進行運送”。由于速度與受力不同，為提高空載頂升的動作效率，將一個周期內的頂升動作按縱向輪是否接觸軌道即凸輪與滾子間是否存在擠壓力劃分為6個階段，如圖5所示，分別為不受力推程、受力推程、停止、受力回程、不受力回程、停止，依次對應圖5（a）→圖5（b）、圖5（b）→圖5（c）、圖5（c）、圖5（c）→圖5（e）、圖5（e）→圖5（f）和圖5（a）→圖5（b）。

圖5 凸輪機構與壓簧頂升動作

3 凸輪的設計

3.1 凸輪的結構設計

凸輪基圓半徑會直接影響凸輪的壓力角和運動的平穩性。使用改進型正弦加速度運動規律設計凸輪，可以避免柔性與剛性沖擊。盤形凸輪6個階段的設計參數，如表1所示。

表1 改進正弦加速度運動規律

3.2 凸輪頂升換向機構仿真分析

為了更好地分析傳動軸的受力與凸輪的運動，聯合Motion插件分析滾子的運動位移、速度和加速度。電機轉速設定為12 r·min-1后，觀察速度曲線圖沒有拐點，表明凸輪轉動過程中無剛性沖擊。加速度曲線圖中存在有限數值的拐點，運動過程中存在部分柔性沖擊，如圖6所示。

圖6 運動曲線圖

4 結語

本文提出了一種應用于立體倉儲的新型單車體四向車的結構設計方案，對車架機構、行走結構、頂升結構3大主要結構進行了設計與分析。

（1）建立行走機構模型，使用單電機同時驅動橫向輪組與縱向輪組轉動，優化了電機使用數量與傳動結構；

（2）使用盤形凸輪擠壓滾子與超壓縮量壓簧回彈，實現了縱向輪組與橫向輪組間的轉換動作，完成了四向車的頂升與換向設計。