陳光明 李祥森 駱敏舟 黃 偉

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南京 210031；2.江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院智能制造技術(shù)研究所，南京 211800）

隨著電子商務(wù)、自動(dòng)化零售超市、制造業(yè)倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化等的發(fā)展，現(xiàn)有的物流倉(cāng)儲(chǔ)已經(jīng)無法滿足需求，需要更加集成與自動(dòng)化的高密度倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)[1]。有軌穿梭車能夠自主實(shí)現(xiàn)在巷道內(nèi)快速移動(dòng)，大大提高了倉(cāng)儲(chǔ)物流的效率，如圖1所示。

圖1 有軌穿梭車

目前，使用的搬運(yùn)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(jiǎn)稱四向車）快速發(fā)展，但是大部分學(xué)者都在研究多車調(diào)度，而未完善車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。李鑫等[2]提出了一種新型的物流穿梭小車升降結(jié)構(gòu)，通過絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行頂升，實(shí)現(xiàn)了穿梭車載物臺(tái)的升降。許賢琳[3]設(shè)計(jì)使用偏心凸輪直接頂起頂升塊。楊光輝等人[4]對(duì)新一代托盤四向車的結(jié)構(gòu)與通信進(jìn)行分析。李麗等人[5]闡述了應(yīng)用于成品糧立體庫(kù)的料箱式四向穿梭車總體設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。伊軍琪[6]對(duì)托盤式與料箱式四向車的技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)做出了分析。葡萄牙波爾圖理工學(xué)院Fernandes等人[7]針對(duì)工業(yè)4.0改進(jìn)了箱式穿梭車，并在車上安裝自動(dòng)拾取物料的機(jī)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(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四向穿梭車能夠配合提升機(jī)、叉車完成貨物的上下運(yùn)送，自身具有兩套輪組，可以自主實(shí)現(xiàn)換向功能，完成不同巷道內(nèi)的作業(yè)任務(wù)。在自動(dòng)儲(chǔ)存和檢索系統(tǒng)調(diào)度下，它能夠?qū)崿F(xiàn)多車同時(shí)運(yùn)行。通過掃描條形碼，各個(gè)四向車可以實(shí)時(shí)向系統(tǒng)發(fā)送自己的位置信息。通過調(diào)度系統(tǒng)為每個(gè)四向車系統(tǒng)規(guī)劃好的路徑，避免發(fā)生碰撞。四向車還應(yīng)具有貨物點(diǎn)數(shù)、提高空載速度、避障、自動(dòng)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(jī)構(gòu)、頂升機(jī)構(gòu)、車架機(jī)構(gòu)和電池供能系統(tǒng)5部分組成。

圖2 四向穿梭車主要結(jié)構(gòu)組成

1.1 車架機(jī)構(gòu)

四向車車架起到車體穩(wěn)定承載運(yùn)行的作用?？紤]到裝配與維修的方便，車架主要分成底板、側(cè)板和前后板，分別固定好后進(jìn)行焊接。材料選擇優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)鋼。

1.2 行走機(jī)構(gòu)

行走電機(jī)通過鏈條同時(shí)驅(qū)動(dòng)橫向輪組和縱向輪組。通過PLC發(fā)送脈沖信號(hào)控制伺服控制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。電機(jī)前端通過減速器后連接換向器與前端鏈輪，分別帶動(dòng)縱向輪組與橫向輪組。行走機(jī)構(gòu)使用兩套輪組，每套輪組能夠執(zhí)行一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。在不同位置執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)，通過頂升換向機(jī)構(gòu)將兩套輪組依次轉(zhuǎn)換接觸導(dǎo)軌，可實(shí)現(xiàn)不同方向的運(yùn)動(dòng)。

2 四向車頂升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 頂升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(shí)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(jié)構(gòu)較大，所以優(yōu)先凸輪實(shí)現(xiàn)頂升。

凸輪頂升結(jié)構(gòu)具有較好的傳動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度、較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠較好地實(shí)現(xiàn)穿梭車頂升功能。凸輪是頂升結(jié)構(gòu)最重要的組成部分，其外形輪廓和基圓的設(shè)計(jì)直接影響凸輪結(jié)構(gòu)的力學(xué)傳動(dòng)性能和傳動(dòng)效率。凸輪在推程階段將緊靠底端的滾子擠壓，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的向上運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，彈簧受到擠壓，縱向行走輪與軌道接觸，四向車縱向運(yùn)動(dòng)。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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖4為盤形凸輪頂升結(jié)構(gòu)圖。

圖3 頂升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 盤形凸輪頂升結(jié)構(gòu)圖

2.2 頂升換向運(yùn)動(dòng)分析

四向穿梭車的工作過程為“駛?cè)肟v向巷道→掃描二維碼信息定點(diǎn)停車→第一次頂升換向-駛?cè)胪斜P下方→進(jìn)一步頂升抬高→將托盤運(yùn)送到巷道中間完成取貨→第二次換向進(jìn)行運(yùn)送”。由于速度與受力不同，為提高空載頂升的動(dòng)作效率，將一個(gè)周期內(nèi)的頂升動(dòng)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(gè)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(duì)應(yīng)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(jī)構(gòu)與壓簧頂升動(dòng)作

3 凸輪的設(shè)計(jì)

3.1 凸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸輪基圓半徑會(huì)直接影響凸輪的壓力角和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。使用改進(jìn)型正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)凸輪，可以避免柔性與剛性沖擊。盤形凸輪6個(gè)階段的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 改進(jìn)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律

3.2 凸輪頂升換向機(jī)構(gòu)仿真分析

為了更好地分析傳動(dòng)軸的受力與凸輪的運(yùn)動(dòng)，聯(lián)合Motion插件分析滾子的運(yùn)動(dòng)位移、速度和加速度。電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為12 r·min-1后，觀察速度曲線圖沒有拐點(diǎn)，表明凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中無剛性沖擊。加速度曲線圖中存在有限數(shù)值的拐點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)過程中存在部分柔性沖擊，如圖6所示。

圖6 運(yùn)動(dòng)曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種應(yīng)用于立體倉(cāng)儲(chǔ)的新型單車體四向車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)車架機(jī)構(gòu)、行走結(jié)構(gòu)、頂升結(jié)構(gòu)3大主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。

（1）建立行走機(jī)構(gòu)模型，使用單電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)橫向輪組與縱向輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，優(yōu)化了電機(jī)使用數(shù)量與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；

（2）使用盤形凸輪擠壓滾子與超壓縮量壓簧回彈，實(shí)現(xiàn)了縱向輪組與橫向輪組間的轉(zhuǎn)換動(dòng)作，完成了四向車的頂升與換向設(shè)計(jì)。