立體倉庫穿梭車結構設計與分析

代迪迪，汪 偉，王汝佳，崔金華，石 旭

（江蘇理工學院 汽車與交通工程學院，江蘇 常州 213001）

隨著制造業以及科學技術的發展，提高物流效率至關重要。以往采用人工搬運以及利用傳統機械設備來實現的貨物存取方式已無法滿足當前的市場需求，隨著各大企業對工作效率、運營成本、精確程度等要求的不斷提高，立體倉庫系統的應用也越來越廣泛。

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

1 穿梭車設計需求參數

本文所設計的穿梭車是應用于企業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運行，并且能夠快速、高效、準確地完成貨物的存取。穿梭車采用四輪式結構，從而滿足準確到達指定貨位的要求。搬運系統主要選取伸叉式機構，使結構更加平穩，抓取更為牢靠。如表1所示，為具體設計參數。

表1 整車參數

2 行走電機的選型計算

穿梭車在貨架軌道上運行的過程包括加速、勻速和減速三個階段；所以，電機的功率由靜態功率pf和動態功率pd兩部分組成。根據穿梭車的運動參數設計需求，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取0.02，重力加速度g取10 N/kg。

穿梭車勻速狀態下靜態功率為：

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

將數據代入（1）式得到穿梭車的靜態功率為：

穿梭車在加速狀態下的動態功率為：

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動的加速功率；第2項是由旋轉運動產生的加速功率。查閱相關資料可知，第2項功率通常為第1項功率的10%～15%[5]，本文按照15%計算。則穿梭車動態功率Pd為：

將數據代入式（4）可得：Pd=0.891 8 kW。因此，驅動電機的實際功率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快速往返運行的需求，本文選擇功率為1 200 W的80ZFMA1-01D2交流伺服電機作為穿梭車的行走電機，并選擇減速比為4：1的減速器。

3 穿梭車結構設計

3.1 運動方案設計

根據穿梭車抓取貨物的特點及設計需求，設計立庫穿梭車的運動方案。穿梭車整體結構設計由行走和伸叉兩個系統構成，具體方案如下。

（1）行走系統。行走機構采用齒輪+電機的機構方案，實現穿梭車的往返直線運動。

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

3.2 行走系統設計

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動。如圖1所示，為行走軸受力圖。行走軸在穿梭車運行過程中會受到車輪的反力F，為了保持平穩，穿梭車在直線運動過程中車輪與貨架軌道間的摩擦所產生的扭矩T1與行走軸承受電機帶動齒輪所產生的扭矩T2應保持平衡[3]。

本文穿梭車車身采用四輪式結構，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，相關參數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

電機輸出轉矩與電機額定功率的關系[5]為：

式中：T為電機的輸出轉矩，單位為N·m；P為電機的額定功率，單位為kW；n為電機的轉速，單位為r/min。

將以上參數數據代入式（5）可得電機的輸出轉矩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 伸叉系統設計

3.3.1 伸縮貨叉設計

立體倉庫兩側擺放貨物，穿梭車在貨架內往返運行對貨物進行存取和擺放，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而不影響穿梭車的運行，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行裝置，如圖3所

圖3 伸縮貨叉整體機構三維示意圖

軸的彎曲合成強度[2]為：

式中：σ為軸截面上的應力，單位為MPa；Mv為軸截面上的當量彎矩，單位為N·M；M為軸截面上的合成彎矩，單位為N·m；α為轉矩和彎矩作用性質差異系數；T為橫截面上的轉矩，單位為N·M；[?-1]為軸的許用彎曲應力，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 傳動機構設計

齒輪傳動是一種廣泛應用于各種設備的機械傳動方式，是由齒輪副傳遞運動和動力的裝置。齒輪傳動具有傳動效率高、壽命長、結構緊湊等優示，為伸縮貨叉整體機構三維示意圖。本文選取的傳動方式為鏈條傳動和同步帶傳動，即二級差動伸縮機構。三級伸縮貨叉由前叉、中叉、底叉三個貨叉構成。一級拖動系統采用鏈條傳動，三個齒輪分別安裝在底叉和中叉上，用鏈條連接，中間齒輪與電機相連，在電機驅動中間齒輪下，兩個從動齒輪通過鏈條帶動中叉的移動。二級拖動系統采用同步帶傳動，在中叉的兩側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，當中叉在移動時會帶動前叉以兩倍的速度移動，從而實現貨叉的遠距離作業[7]。

3.3.2 擺桿機構設計點[6]，因此，設計選用電機+齒輪的傳動方案。如圖2 所示，為行走機構三維模型。穿梭車要實現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鍵所在，其主要功能是將貨物拉回車體內及推至貨位處。當穿梭車收到取貨指令時，先運行至指定貨位，貨叉驅動電機將貨叉伸到貨物兩側；然后，通過擺桿驅動電機，將豎直狀態的擺桿旋轉90°至水平狀態勾住貨物的后側；最后，擺桿和貨叉配合將貨物拉回至穿梭車車體內，擺桿恢復原始狀態，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，在電機的驅動下擺桿是一種能夠完成貨物拉回和推入運動的長柄機構。如圖4所示，為擺桿的三維結構模型。

圖2 行走機構三維模型圖

圖4 擺桿三維示意圖

根據設計結果，對行走機構、伸叉機構及擺桿機構進行裝配，得到穿梭車的最終設計成型方案。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 仿真與運動實驗

穿梭車在軌道上運行時，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、傳動機構間配合誤差、軌道安裝誤差及表面不平整、車輪與軌道間的磨損等[9]，可能會導致跑偏產生偏移量。在設計過程中往往會安裝導向輪來減小穿梭車的偏移，但結構設計及安裝的不合理也會造成導向輪與軌道的長期擠壓，因導向輪損壞而產生穿梭車脫軌、側翻等不安全因素。因此，驗證穿梭車行駛過程中的偏移量，是其設計過程中的重要因素。

4.1 穿梭車運動仿真及結果分析

4.1.1 運動仿真

為了獲得穿梭車在軌道上行駛的偏移量，利用機械系統動力學分析軟件Adams對虛擬樣機進行運動仿真。如表2所示，為虛擬樣機約束關系。

表2 穿梭車虛擬樣機約束關系表

在利用Adams軟件進行運動分析時，為了便于計算，對穿梭車的模型結構和參數進行了部分簡化，包括忽略電機參數、忽略導向輪影響以及車體多余部件的簡化等[10]。如圖6所示，為虛擬樣機模型。

圖6 穿梭車虛擬樣機圖

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動情況，選擇步函數step（time，0，0，1，v）+step（time，1，0，2，0）+step（time，2，0，3，-v）來執行運動控制。該函數表示穿梭車運行總時間為3 s，在0～1 s內進行加速運動，初始速度為0；在1～2 s內進行勻速運動，速度大小為v；在2～3 s內進行減速運動至停止，3 s時速度為0。函數中time為運行時間。

4.1.2 結果分析

為了保證穿梭車平穩運行，本文結構部分大多采用對稱設計；但是，電機由于結構的限制導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軟件構建虛擬樣機模型導入Adams軟件中，運行Adams仿真后得到穿梭車質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，基本符合加速、勻速、減速三個階段的預期。如圖8所示，為穿梭車質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，結果符合預期。

圖7 穿梭車質心平行軌道方向的位移和速度曲線

圖8 穿梭車質心垂直軌道方向的位移和速度曲線

4.2 穿梭車運動實驗

如圖9所示，對結構反復優化調整后，試制了穿梭車樣機，并在車間現場進行測試。測試結果顯示，穿梭車能夠在軌道上平穩運行，并順利完成貨物的存取過程。根據裝配要求完成貨架的安裝，并調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行過程中的偏移量并取平均值。最終結果表明：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 穿梭車運動實驗

將實驗結果與理論數據進行對比，發現存在一定的偏差。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計需求。

5 結論

本文設計了一種立庫智能穿梭車，該穿梭車能夠實現在貨架軌道上平穩地往返運行及高效完成貨物存取的任務。通過Adams建立了穿梭車模塊化虛擬樣機模型并對其進行仿真；同時，試制了穿梭車樣機進行現場運動實驗。結果表明：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行。因此，本文的設計能夠滿足企業所需。