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        面向成品糧立體倉庫的*四向穿梭車研究與開發(fā)

        2020-10-13 12:01:18武照云張毓蘭牛紅賓
        關鍵詞:智能設計

        李 麗,武照云,張毓蘭,牛紅賓

        (1.河南職業(yè)技術學院汽車工程學院,河南 鄭州 450046;2.河南工業(yè)大學機電工程學院,河南 鄭州 450001)

        成品糧自動化立體倉庫是一種利用高層貨架來存儲成品糧 (袋裝大米、袋裝面粉等)的新型倉儲設施。目前,我國成品糧立體倉庫的建設剛剛起步,其體系還不完善,特別是適用于糧袋貨物的自動化搬運設備非常匱乏。

        在機械、煙草、醫(yī)藥等行業(yè)領域的自動化立體倉庫中,應用最廣泛的貨物存取設備是過去傳統(tǒng)的堆垛機和近些年興起的穿梭車。四向穿梭車是目前技術水平最先進的新一代穿梭車產(chǎn)品,與只能做直線往復運動的多層穿梭車和子母穿梭車相比,四向穿梭車可在立體貨架的交叉軌道上沿縱向 (Y+;Y-)軌道或橫向 (X+;X-)軌道任意行駛,從而實現(xiàn)跨巷道高效靈活作業(yè);通過智能控制技術,可完成運行調度、貨位分配、路徑規(guī)劃等復雜功能,從而實現(xiàn)貨物存取效率最大化[1-2]。

        雖然四向穿梭車結構新穎、性能出色,但是在面向成品糧立體倉庫的應用中卻存在不足,主要原因有4 個方面:一是袋裝大米、袋裝面粉等糧袋貨物大多為托盤承載,碼垛成型,因而整體高度較高、體積較大、質量較重,屬于大型重載貨物;二是由于沒有貨物料箱,因此對穿梭車的運行平穩(wěn)性要求較高,以防糧袋貨物掉落或發(fā)生側翻;三是由于存取貨物是糧食,因此要求穿梭車設備安全衛(wèi)生性好;四是糧食出入庫作業(yè)頻次高、吞吐量大,要有較高的智能調度性能和訂單處理能力,并且要考慮糧食保質期問題。由此可見,成品糧立體倉庫對四向穿梭車的應用提出了特定使用要求,然而對于這些特定使用要求,目前大多數(shù)穿梭車設備卻無法滿足[3-4]。

        因此,立足于我國成品糧現(xiàn)代化倉儲的行業(yè)需求,并針對目前穿梭車設備存在的不足與問題,本文以新型四向穿梭車為研發(fā)對象,以大型化、重載化、平穩(wěn)性、高效率、智能化、安全衛(wèi)生等為目標,研究其機械結構、驅動控制與智能調度等關鍵技術,完成新型四向穿梭車機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與上位機管理系統(tǒng)的設計,開發(fā)出適用于成品糧立體倉庫的大型高效、高平穩(wěn)性、全自動的新型四向穿梭車設備。

        1 四向穿梭車的系統(tǒng)總體設計

        面向成品糧立體倉庫的智能四向穿梭車的系統(tǒng)總體設計 (見圖1)包括4 個方面:機械系統(tǒng)設計、控制系統(tǒng)設計、上位機管理系統(tǒng)設計和樣機試制并試驗。經(jīng)過研究與開發(fā),實現(xiàn)四向穿梭車的重載、安全衛(wèi)生、平穩(wěn)、智能調度和訂單處理等功能。

        圖1 四向穿梭車的系統(tǒng)總體設計圖

        2 四向穿梭車的機械系統(tǒng)設計

        針對成品糧立體倉庫對四向穿梭車功能的特定需求,結合目前四向穿梭車的結構特點,設計了一種新型四向穿梭車機械系統(tǒng)結構,包括X/Y 向行走機構、換向機構、存取貨物機構等,通過設計并校核,在SolidWorks 軟件中建立了三維模型,并運用ANSYS 軟件對關鍵零部件進行了強度校核。

        2.1 X/Y 向行走機構設計

        四向穿梭車的行走機構主要功能是實現(xiàn)小車沿著X/Y 向軌道進行直線行走,X/Y 向行走機構的設計直接決定了穿梭車能否運行平穩(wěn),本文采用四輪式結構,分別設有驅動輪和從動輪。

        常見的驅動動力來源有電機傳動和液壓傳動。一方面,四向穿梭車存取貨物在貨架軌道上完成,存取過程要求小車能平穩(wěn)調速,精準控制小車位置,因此要求成品糧立體倉庫金屬貨架對小車的電磁干擾應盡可能小;另一方面,液壓傳動不可避免地會有壓油泄漏,從而造成對成品糧倉儲環(huán)境的污染,因此還要求保證成品糧立體倉庫的安全衛(wèi)生。綜合以上,選擇無刷直流電機來驅動小車行走[5]。

        2.2 換向機構設計

        換向機構常見類型有升降車輪換向機構和旋轉車輪換向機構。本文研制的四向穿梭車采用升降車輪換向機構,相較于旋轉車輪換向機構,它不僅可以實現(xiàn)穿梭車交叉軌道平穩(wěn)快速地切換方向,而且節(jié)省了換向時間,小車變道更加靈活。它不存在旋轉車輪換向機構的缺陷,驅動電機位置不隨車輪而轉動,換向之后也不會產(chǎn)生明顯的位置偏差。

        2.3 存取貨物機構設計

        目前,四向穿梭車主要有兩種存取貨物的方式:一是通過頂升或下降車體上的載貨板,使貨物與貨架分離,從而實現(xiàn)取貨和存貨的功能,它依靠頂升式存取貨物機構來完成;二是通過一種伸縮式的夾抱抓手,將貨物從貨架拉至車體或從車體推至貨架,從而實現(xiàn)取貨和存貨的功能,它依靠伸縮式存取貨物機構來完成。由于伸縮式存取貨物機構只承受推拉貨物時產(chǎn)生的摩擦力,驅動力較小,因此采用伸縮式存取貨物機構。

        2.4 三維建模與關鍵零部件的有限元分析

        經(jīng)過設計,四向穿梭車的整體外觀三維模型見圖2。

        圖2 四向穿梭車的整體外觀三維模型

        由于四向穿梭車抓手和換向推桿等部件在工作時會承受較大的應力,其性能會影響存取貨物的效率和工作可靠性,為此,運用ANSYS 軟件的Design Exploration 模塊對其進行了優(yōu)化設計,對結構尺寸進行改進,使換向推桿等關鍵部件在滿足結構強度和剛度條件下,盡可能節(jié)省材料、降低成本。圖3 為換向推桿優(yōu)化前后的最大應力云圖。

        圖3 換向推桿優(yōu)化前后的最大應力云圖

        3 四向穿梭車的控制系統(tǒng)設計

        新型四向穿梭車控制系統(tǒng)設計包括以下4 個方面:一是采用可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller,PLC)與變頻器等,基于遞階式控制方法,設計控制系統(tǒng)的總體結構;二是基于電氣自動化控制相關理論,設計四向穿梭車控制系統(tǒng)的電氣硬件結構,主要包括控制系統(tǒng)總體電路布局結構、電機變頻控制電路、信息采集電路、故障報警電路等;三是基于智能控制理論方法,設計四向穿梭車控制系統(tǒng)軟件,主要包括設備總體控制邏輯和策略、傳感器信息采集軟件模塊、出入庫作業(yè)邏輯控制軟件模塊、數(shù)據(jù)通信軟件模塊、故障報警與檢測軟件模塊等;四是根據(jù)對四向穿梭車運行平穩(wěn)性的要求,分析四向穿梭車在大慣量負載情況下的運動特性,對設備調速、穩(wěn)速與制動控制方法進行研究,建立運行調速智能控制策略,以防止其在運行過程中發(fā)生糧袋貨物掉落或側翻。其中電機速度控制的部分程序如下。

        4 四向穿梭車的上位機管理系統(tǒng)設計及樣機試制

        基于智能優(yōu)化算法、無線數(shù)據(jù)通信技術和軟件開發(fā)技術,對上位機管理系統(tǒng)的體系架構、功能模塊組成、數(shù)據(jù)存儲管理、通信方式等進行設計。實現(xiàn)四向穿梭車倉庫物料管理、訂單處理、出入庫作業(yè)任務管理、倉庫貨位優(yōu)化、四向穿梭車路徑規(guī)劃、系統(tǒng)智能調度、無線數(shù)據(jù)通信、設備狀態(tài)監(jiān)控等功能。

        考慮到不同種類糧食的包裝、質量、體積等不一樣,不同批次糧食的保質期不一致等因素,在倉庫物料管理、訂單處理、出入庫作業(yè)任務管理上,要以作業(yè)綜合效率最高為目標。因此,根據(jù)作業(yè)過程的影響因素 (吞吐量、交貨日期、四向穿梭車負荷率、四向穿梭車空載里程等)建立數(shù)學模型,結合蟻群算法等優(yōu)化算法,建立面向成品糧立體倉庫的貨位優(yōu)化算法、穿梭車路徑規(guī)劃算法與系統(tǒng)智能調度算法,提高生產(chǎn)效率和減少庫存[6]。

        在上述研究結果的基礎上,制作出面向成品糧立體倉庫的新型四向穿梭車樣機 (見圖4),并通過樣機試驗來驗證四向穿梭車的X/Y 向行走機構、換向機構和存取貨物機構的可靠性和控制系統(tǒng)等設計方案的可行性。目前,驗證效果良好。

        圖4 四向穿梭車樣機

        5 結束語

        針對我國成品糧立體倉庫的行業(yè)發(fā)展需求以及目前穿梭車產(chǎn)品存在的問題,通過對穿梭車的機械結構、驅動控制與智能調度等關鍵技術進行研究,開發(fā)了一種新型四向穿梭車設備,實現(xiàn)了穿梭車大型化、重載化、平穩(wěn)性、智能化、安全衛(wèi)生等目標。對于面向成品糧立體倉庫的穿梭車結構設計與控制系統(tǒng)研發(fā)具有一定的參考價值。

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