窄通道側面堆垛式無人叉車的設計

文 / 劉鵬 孟凡儀

一、引言

隨著智能物流倉儲行業的迅速發展，智能化立體倉儲的解決方案也不斷地向著高庫容率、高存儲效率、低成本方向更新升級。

智能化立體倉儲解決方案，目前主要包括三大類。一是基于有軌堆垛機的立體倉儲，主要應用于長通道、高位貨架的場景，存儲效率高、場景適用性強，但成本偏高；二是基于穿梭車的立體倉儲，主要應用于中低位貨架，產品同質化較強的場景，成本低，但存儲效率低、場景適用性較差；三是基于無人叉車的立體倉儲[1]，主要應用于中低位貨架、多通道場景，存儲效率高，場景適用性強，成本適中。無人叉車作為一種智能車輛機器人，將叉車技術和AGV技術充分融合，在智能化立體倉儲領域占據越來越重要的市場[2]，按叉車本體類型分為托盤堆垛式無人叉車、平衡重式無人叉車、插腿式無人叉車、前移式無人叉車、多向運行式無人叉車和側面堆垛式無人叉車等。其中，對于無人叉車，市場上缺少同時兼顧堆垛通道窄、存儲效率高、庫容率高等優點的產品。

基于上述問題，本文提出一種窄通道側面堆垛式無人叉車（以下簡稱無人叉車）設計方案。然后，對此類無人叉車的一個設計難點，即液壓同步問題，從機械結構、液壓系統兩方面提出詳細的設計方法。最后，通過3D軟件對其進行模塊化建模，并通過樣機試驗的方法驗證設計的合理性，保證該產品同時兼顧堆垛通道窄、存儲效率高、庫容率高等優點。

二、方案設計

1. 設計關鍵參數

無人叉車設計的關鍵參數主要包括：最大貨物重量、最大貨物形體尺寸、載荷中心距、最小堆垛通道寬度、最大舉升高度、貨叉末端最大撓度、最大行駛速度、滿載最大提升速度。其中，最小堆垛通道寬度是指叉車在貨架通道內能夠堆垛作業時，對應的通道最小寬度。最大舉升高度[3]是指貨叉水平段或升降平臺上表面至地面之間最大的垂直距離；貨叉末端最大撓度是指貨叉在額定負載，最大行程時，貨叉末端在豎直方向上產生的最大線位移。本文涉及無人叉車的關鍵參數，如表1所示：

表1 堆垛式無人叉車關鍵參數設計

其中，為了有效減小堆垛通道寬度，經結構設計，最小堆垛通道寬度由傳統的3米縮減至1.6米，大幅提升了終端倉儲的庫容率。

2. 安全檢測方案

智能化立體倉儲的系統安全檢測，是項目正常運轉的先決條件，也是重點的設計對象。基于無人叉車的立體倉儲，安全檢測主要從車體本身、與車體對接的上料裝置兩方面考慮。針對上述問題，本節提出的安全檢測方案如下：

上料裝置：①設計有托盤定位裝置和貨物尺寸超限傳感器，當貨物寬度超限、長度超限、高度超限時會發出報警信號；②設計有貨物超重傳感器，當貨物超重時發出報警信號；③設計有貨物位置超差檢測傳感器和用來判斷貨物有無的傳感器。

無人叉車：①載貨平臺上，設計傳感器安裝框架，安裝有貨物尺寸超限傳感器，當貨物寬度超限、長度超限、高度超限時會發出報警信號；②載貨平臺上設計有判斷托盤有無和判斷空托、滿托的傳感器；③液壓系統中，設計有壓力檢測傳感器，當貨物超重，或系統壓力異常時，系統發出報警信號；④貨架上貨物有無的檢測傳感器，無人叉車進叉前，先通過傳感器，檢測貨架上貨物的有無，同時驗證提升高度的正確性，以確保進叉安全；⑤無人叉車安裝有陀螺儀，當底盤傾斜超差時，整車將發出報警信號，并禁止舉升作業。

3. 貨物存取動作流

由于單次存放貨物的動作流與單次取放貨物的組成動作相同，動作流類似，本文以單次存放貨物的動作流為研究對象并進行設計。

上料區取料時，動作流程如圖1-(a)所示，無人叉車根據WCS（Warehouse Control System）倉儲控制系統指令，通過直行、側向移動、轉彎等動作，移動至上料點。確認上料點安全檢測傳感器無異常后，將載貨臺提升至相應高度，同時無人叉車安全檢測傳感器對上料點貨物進行安全檢測。無異常后，伸叉取貨。在貨叉收回的過程中，無人叉車載貨臺的尺寸超差傳感器，時時對貨物的高和寬進行尺寸超差檢測，一旦出現尺寸超差，無人叉車停機，系統報警。如貨叉收回過程中無異常，貨叉回到中位后，為降低無人叉車重心，保證運行的平穩安全性，同時兼顧貨物存放效率，載貨平臺將回落至離地800mm處。

圖1 動作流程圖

貨架區存料時，動作流程如圖1-(b)所示，無人叉車根據WCS倉儲控制系統指令，通過直行、側向移動、轉彎等動作，移動至貨架區對應點。首先通過陀螺儀檢查地面平整情況，確保整車傾斜情況滿足安全要求。然后將載貨平臺上移至相應庫位高度，光電檢測傳感器檢測貨架上貨位為空，貨叉外伸至相應庫位，下落平臺，將貨物存放于立體貨架上。最后，貨叉收回，載貨平臺回落到低位。存取物料動作流完成。

4. 產品結構的總體設計

按照模塊化理念對產品結構進行總體設計，主要從貨物升降、貨叉、車體底盤三方面考慮：

貨物升降：為便于后期舉升高度的拓展，降低整車中心高度，本無人叉車采用伸縮門架實現載貨平臺的升降。本方案支持貨物提升高度8米以上。同時，由于貨物重量較重，為保證高位時伸縮門架的剛性，本無人叉車設計有雙伸縮門架。其中，升降高度通過拉繩編碼器檢測。

貨叉：為提升貨物存取效率，降低倉儲通道寬度，本無人叉車設計有雙向伸縮貨叉，以側向進叉的方式完成貨物的取放。伸縮貨叉上設計有中位檢測傳感器及行程限位傳感器。

車體底盤：采用雙舵輪動力輪加4個萬向輪支撐的底盤結構，舵輪設計有浮動結構，底盤通過型材焊接而成，使整車可實現轉彎、自旋、側移功能。

綜上，無人叉車可詳細劃分為前車箱、后車箱、前提升架、后提升架、雙向伸縮貨叉、安全觸邊、激光導航、控制面板、激光避障、動力底盤、液壓系統、供電系統、安全檢測系統等，整車結構如圖2所示。

圖2 無人叉車結構圖

三、液壓同步問題的解決方案

為有效提升高位舉升時的結構剛性，本舉升裝置共設計有兩套伸縮門架，涉及4條油缸。其中，4條油缸最大間距超1.5米，單條油缸行程超1.5米，液壓同步問題是本類設計的一個難點。本節通過機械結構、液壓系統兩方面分別提出解決方案。

1. 機械結構

實現液壓缸的同步舉升，機械同步往往是最簡單、成本最低的解決方案。以舉升裝置為研究對象，如圖3-(a)所示，其主要包括前提升門架1、后提升門架2和雙向伸縮貨叉3。前提升門架1與后提升門架2結構原理相同，其中，前提升門架1由內移動門架11、外固定門架12、滑架13組成；內移動門架11由動滑輪111、滑架導向板112、內門架導向板113、內門架主體114、內門架導向輪組115組成；外固定門架12由內門架邊導向軸承組121、內門架中導向軸承組122、頂升油缸123、內門架固定導向板124、底端固定軸125組成；滑架13由連接槽鋼131、滑架主體132、滑架中導向軸承133、滑架側導向軸承134組成。在單套門架內，兩條頂升油缸通過內門架的連接，實現機械同步。兩套門架間，通過兩套滑架的連接槽鋼連接，使滑架固連，實現門架間的機械同步。綜上，最終實現4條油缸機械結構的同步。

圖3 機械同步解決方案

2. 液壓系統

液壓同步方面，為避免貨物偏載，4條油缸受力不均，動作不同步，在4條油缸的中心位置，設計有齒輪式液壓同步馬達（又稱分流馬達）。高壓油經油泵首先由進油通道流入同步馬達，然后通過同步馬達內相互嚙合的齒輪，將液壓油強制分為4路，為各油缸等流量供油，實現液壓系統的同步。

四、樣機測試

首先按照相關參數指標詳細制定樣機的測試方案，然后在實際應用環境下測試各項指標是否滿足標準，最后判斷本文設計方案是否滿足實際需求。圖4為3D虛擬樣機及測試樣機圖片。

圖4 虛擬樣機及測試樣機

1. 樣機測試方案

樣機的測試方案需要從車體基本性能、負載能力、提升能力檢測、高位側叉檢測、貨叉撓度檢測五個方面測試無人叉車車體性能。測試要求如下：

基本性能測試：自動運行、重復定位精度、原地換向、原地自旋、側向移動、貨叉升降、貨叉伸縮、安全檢測等。

負載測試：四種負載載荷中心距相同，重量按自身負載能力的50%、70%、100%、120%，逐步進行增重測試。

提升能力檢測：測試不同負載，對應的液壓系統最大壓力、最大提升速度、最大下降速度，提升至最大行程時用最短時間、最大行程下落時用最短時間。

高位側叉檢測：測試不同負載，不同側叉高度，不同進叉速度時，側向進叉的穩定性。

貨叉撓度檢測：當貨叉處于低位時，測量不同負載最大懸臂狀態下，其末端對應的最大撓度。貨叉撓度檢測誤差不得高于貨叉撓度的最大設計撓度。

2. 樣機測試結果

根據樣機測試方案，測試結果滿足要求：

測試樣機的整機性能參數在滿足設計要求下，調試人員通過測試實現其基本性能。按照樣機自身負載能力逐步增重測試，并在不同負載下進行提升能力檢測、高位側叉檢測。經測試，整機在1.2倍最大負載時，提升能力對應的相關測試數據都滿足現場需求，高位進叉安全可靠。樣機的貨叉撓度檢測未高于本文中設計的40mm。

五、結論

本文設計的窄通道側面堆垛式無人叉車，在貨物存取動作流方面，省去了托盤堆垛車在通道內90°直角轉彎時姿態調整的系列動作，存取貨物的效率更高；在靈活性方面，其還具備單機服務多個倉儲通道，部署簡單，取貨位置靈活等特點。本文所述液壓同步解決方案，在雙伸縮門架結構的叉車設計中均可應用。隨著無人叉車成本逐年降低，系統功能逐年提升，在對存儲效率、庫容率要求較高的場景中，此類窄通道倉儲無人叉車將更受市場青睞。