新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 / 韓天文 史科科

堆垛機(jī)三種行走驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比分析

新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 / 韓天文 史科科

為提高堆垛機(jī)水平運(yùn)行速度和加速度，研究堆垛機(jī)的水平行走驅(qū)動(dòng)形式，本文通過(guò)計(jì)算分析得出不同驅(qū)動(dòng)形式可以達(dá)到的加速度值，并對(duì)不同驅(qū)動(dòng)形式的優(yōu)缺點(diǎn)分別做了對(duì)比分析。

堆垛機(jī)、行走驅(qū)動(dòng)、加速度

一、研究行走驅(qū)動(dòng)形式的必要性

堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的核心設(shè)備，由機(jī)架（上橫梁、下橫梁、立柱）、水平行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、載貨臺(tái)、貨叉及電氣控制系統(tǒng)等構(gòu)成。它包含三個(gè)動(dòng)作，即水平行走、升降和貨叉伸縮，通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)任意貨位的取放貨。通常情況下，立體倉(cāng)庫(kù)的長(zhǎng)度尺寸會(huì)比高度尺寸大很多，要提高堆垛機(jī)運(yùn)行效率，主要是縮短其單周期運(yùn)行時(shí)間。堆垛機(jī)單周期運(yùn)行時(shí)間主要包括啟動(dòng)加速時(shí)間Ta、勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間Ty、減速停止時(shí)間Tj等。提高堆垛機(jī)水平行走加速度和水平運(yùn)行速度，對(duì)提高其運(yùn)行效率有明顯作用。水平行走的速度和加速度與堆垛機(jī)的行走驅(qū)動(dòng)形式有很大關(guān)系，因此研究堆垛機(jī)的行走驅(qū)動(dòng)形式意義重大。

從結(jié)構(gòu)上看，目前市場(chǎng)上堆垛機(jī)的行走驅(qū)動(dòng)主要有三種形式。最傳統(tǒng)的形式是減速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)行走輪，這種形式最為常見，結(jié)構(gòu)也最簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)外堆垛機(jī)都在普遍應(yīng)用；還有一種形式是同步帶驅(qū)動(dòng)，這種形式國(guó)外堆垛機(jī)常見，國(guó)內(nèi)堆垛機(jī)應(yīng)用較少；最后一種形式是采用一組驅(qū)動(dòng)輪夾緊在軌道兩側(cè)提供驅(qū)動(dòng)力，這種形式在國(guó)外堆垛機(jī)上能看到，國(guó)內(nèi)堆垛機(jī)只有新松在應(yīng)用。

二、三種行走驅(qū)動(dòng)形式對(duì)比

1.直接驅(qū)動(dòng)

減速電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸與鍵連接直接驅(qū)動(dòng)行走輪，行走輪安裝到下橫梁框架上，見圖1。

這種形式機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)量少，安裝方便，結(jié)構(gòu)緊湊。為節(jié)約巷道空間，此形式通常是采用斜齒輪—傘齒輪形式的減速機(jī)，其價(jià)格比斜齒輪減速機(jī)高。

堆垛機(jī)啟動(dòng)時(shí)不打滑，需滿足最大牽引力F小于最大靜摩擦力fmax，計(jì)算如下：（按驅(qū)動(dòng)輪承載堆垛機(jī)一半重量考慮）

式中：F表示最大牽引力

fmax表示最大靜摩擦力

m表示堆垛機(jī)總重

a表示堆垛機(jī)加速度

μ1表示滾動(dòng)摩擦因數(shù)

μ2表示靜摩擦因數(shù)

g表示重量加速度

推出：a＜（1/2μ2-μ1）g（公式1）

從公式1中可見，最大加速度只與靜摩擦因數(shù)和滾動(dòng)摩擦因數(shù)有關(guān)。加速度的最大值完全受限于靜摩擦因數(shù)和滾動(dòng)摩擦因數(shù)。

堆垛機(jī)行走輪與軌道的摩擦因數(shù)見表1。根據(jù)公式1計(jì)算，行走輪采用鋼輪，加速度a最大能達(dá)到0.6m/S2；采用聚氨酯輪，加速度a最大能達(dá)到1.2m/S2。繼續(xù)提高加速度的話，就會(huì)出現(xiàn)行走輪在軌道上打滑的現(xiàn)象。

2.同步帶驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)裝置安裝在堆垛機(jī)下橫梁上，見圖2。驅(qū)動(dòng)裝置由減速電機(jī)、主動(dòng)帶輪、張緊輪、安裝支架等組成，同步帶繞過(guò)主動(dòng)帶輪和張緊輪，兩端頭固定在地面上，張緊機(jī)構(gòu)在帶的兩端頭。堆垛機(jī)的行走減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)帶輪，帶動(dòng)整個(gè)堆垛機(jī)行走運(yùn)動(dòng)。

這種形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)較直接驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，多了一套帶輪與同步帶的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及同步帶的張緊機(jī)構(gòu)，零部件數(shù)量較多。減速電機(jī)可采用斜齒輪減速電機(jī)，價(jià)格便宜。同步帶驅(qū)動(dòng)屬于齒形嚙合原理，與摩擦驅(qū)動(dòng)不一樣，不會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，加速度值可以增大。

但是，同步帶驅(qū)動(dòng)有一個(gè)缺點(diǎn)，就是同步帶都有伸長(zhǎng)率，屬?gòu)椥泽w。圖3為某廠家的同步帶伸長(zhǎng)量樣本，圖中的斜線代表不同型號(hào)的同步帶，這些型號(hào)齒形一樣，只是寬窄不同。從圖中可見，對(duì)于同一型號(hào)的同步帶，伸長(zhǎng)量與受力大小和同步帶長(zhǎng)短有關(guān)。伸長(zhǎng)量越大，需要的張緊力越大。如果張緊力不夠，同步帶會(huì)竄齒，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)失效。張緊力過(guò)大，會(huì)影響同步帶的壽命。因此，這種驅(qū)動(dòng)形式倉(cāng)庫(kù)長(zhǎng)度尺寸會(huì)受到限制，通常都做到30m以內(nèi)。另外，啟動(dòng)時(shí)的慣性力很大，也會(huì)導(dǎo)致同步帶受力過(guò)大而伸長(zhǎng)，因此，堆垛機(jī)的重量和加速度也會(huì)受到限制。一般情況下，這種驅(qū)動(dòng)形式只能用于輕型堆垛機(jī)，加速度值通常能達(dá)到2m/S2，較直接驅(qū)動(dòng)形式增大很多。

圖1 直接驅(qū)動(dòng)

表1 行走輪與軌道的摩擦因數(shù)

圖2 同步帶驅(qū)動(dòng)

圖3 某廠家的同步帶伸長(zhǎng)量

3.夾緊輪驅(qū)動(dòng)

夾緊輪驅(qū)動(dòng)，指采用一組驅(qū)動(dòng)輪夾緊軌道側(cè)面的形式，見圖4。減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾緊輪，通過(guò)一套夾緊裝置提供給夾緊輪與軌道間足夠大的壓力，產(chǎn)生摩擦力，實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的行走運(yùn)動(dòng)。堆垛機(jī)的行走輪只作為從動(dòng)輪使用。夾緊裝置采用一組碟簧設(shè)計(jì)，夾緊力可調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)螺栓連接固定在下橫梁上，帶動(dòng)整個(gè)堆垛機(jī)行走。

這種形式由于夾緊力可調(diào)節(jié)，加速度可以達(dá)到較大值，計(jì)算如下：

式中：F表示最大牽引力

fmax表示最大靜摩擦力

圖3 某廠家的同步帶伸長(zhǎng)量

f滾表示滾動(dòng)摩擦；

F夾表示夾緊力

m表示堆垛機(jī)總重

a表示堆垛機(jī)加速度

μ1表示滾動(dòng)摩擦因數(shù)

μ2表示靜摩擦因數(shù)

g表示重量加速度

從公式2可見，m一定時(shí)，F(xiàn)夾增大，a增大，μ2越大，a越大。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)夾緊力和提高靜摩擦因數(shù)來(lái)提高加速度。根據(jù)國(guó)內(nèi)外堆垛機(jī)參數(shù)，加速度a可達(dá)到3.5～4m/S2，能夠極大地提高堆垛機(jī)的出入庫(kù)效率。

為提高加速度，夾緊輪通常采用聚氨酯材料，這種材料受力有一定限制，因此夾緊力也不能無(wú)限提高。另外，從公式2可見，堆垛機(jī)自重m越小，加速度越大，因此，這種驅(qū)動(dòng)形式只適用于輕型堆垛機(jī)。

這種行走驅(qū)動(dòng)形式機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于驅(qū)動(dòng)裝置安裝在下橫梁端頭，導(dǎo)致下橫梁長(zhǎng)度變長(zhǎng)，會(huì)占用巷道長(zhǎng)度方向空間。為節(jié)約空間，減速機(jī)采用行星齒輪減速機(jī)，價(jià)格偏高。

4.堆垛機(jī)行走驅(qū)動(dòng)形式對(duì)比

根據(jù)上文對(duì)堆垛機(jī)行走驅(qū)動(dòng)三種形式的介紹，列表進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表2 堆垛機(jī)三種行走驅(qū)動(dòng)形式的對(duì)比

三、結(jié)論

本文對(duì)堆垛機(jī)的三種行走驅(qū)動(dòng)形式做了詳細(xì)的描述及計(jì)算，分析了各種驅(qū)動(dòng)形式的優(yōu)缺點(diǎn)，并列表做了對(duì)比。從分析中可見，要提高堆垛機(jī)的行走加速度，可采用夾緊輪驅(qū)動(dòng)形式，加速度值可以達(dá)到3.5-4m/S2，是目前加速度最大的驅(qū)動(dòng)方式。