文 / 劉鵬 孟凡儀

一、引言

隨著智能物流倉儲行業(yè)的迅速發(fā)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(jī)的立體倉儲，主要應(yīng)用于長通道、高位貨架的場景，存儲效率高、場景適用性強(qiáng)，但成本偏高；二是基于穿梭車的立體倉儲，主要應(yīng)用于中低位貨架，產(chǎn)品同質(zhì)化較強(qiáng)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(yīng)用于中低位貨架、多通道場景，存儲效率高，場景適用性強(qiáng)，成本適中。無人叉車作為一種智能車輛機(jī)器人，將叉車技術(shù)和AGV技術(shù)充分融合，在智能化立體倉儲領(lǐng)域占據(jù)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(cè)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(yōu)點的產(chǎn)品。

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

二、方案設(shè)計

1. 設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)

無人叉車設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)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(nèi)能夠堆垛作業(yè)時，對應(yīng)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(fù)載，最大行程時，貨叉末端在豎直方向上產(chǎn)生的最大線位移。本文涉及無人叉車的關(guān)鍵參數(shù)，如表1所示：

表1 堆垛式無人叉車關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

其中，為了有效減小堆垛通道寬度，經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，最小堆垛通道寬度由傳統(tǒng)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(tǒng)安全檢測，是項目正常運轉(zhuǎn)的先決條件，也是重點的設(shè)計對象?；跓o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(jié)提出的安全檢測方案如下：

上料裝置：①設(shè)計有托盤定位裝置和貨物尺寸超限傳感器，當(dāng)貨物寬度超限、長度超限、高度超限時會發(fā)出報警信號；②設(shè)計有貨物超重傳感器，當(dāng)貨物超重時發(fā)出報警信號；③設(shè)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(shè)計傳感器安裝框架，安裝有貨物尺寸超限傳感器，當(dāng)貨物寬度超限、長度超限、高度超限時會發(fā)出報警信號；②載貨平臺上設(shè)計有判斷托盤有無和判斷空托、滿托的傳感器；③液壓系統(tǒng)中，設(shè)計有壓力檢測傳感器，當(dāng)貨物超重，或系統(tǒng)壓力異常時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號；④貨架上貨物有無的檢測傳感器，無人叉車進(jìn)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(jìn)叉安全；⑤無人叉車安裝有陀螺儀，當(dāng)?shù)妆P傾斜超差時，整車將發(fā)出報警信號，并禁止舉升作業(yè)。

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(jìn)行設(shè)計。

上料區(qū)取料時，動作流程如圖1-(a)所示，無人叉車根據(jù)WCS（Warehouse Control System）倉儲控制系統(tǒng)指令，通過直行、側(cè)向移動、轉(zhuǎn)彎等動作，移動至上料點。確認(rèn)上料點安全檢測傳感器無異常后，將載貨臺提升至相應(yīng)高度，同時無人叉車安全檢測傳感器對上料點貨物進(jìn)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(jìn)行尺寸超差檢測，一旦出現(xiàn)尺寸超差，無人叉車停機(jī)，系統(tǒng)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(wěn)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(qū)存料時，動作流程如圖1-(b)所示，無人叉車根據(jù)WCS倉儲控制系統(tǒng)指令，通過直行、側(cè)向移動、轉(zhuǎn)彎等動作，移動至貨架區(qū)對應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計

按照模塊化理念對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)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(xiàn)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(shè)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(shè)計有雙向伸縮貨叉，以側(cè)向進(jìn)叉的方式完成貨物的取放。伸縮貨叉上設(shè)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(jié)構(gòu)，舵輪設(shè)計有浮動結(jié)構(gòu)，底盤通過型材焊接而成，使整車可實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、自旋、側(cè)移功能。

綜上，無人叉車可詳細(xì)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(dǎo)航、控制面板、激光避障、動力底盤、液壓系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全檢測系統(tǒng)等，整車結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無人叉車結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)剛性，本舉升裝置共設(shè)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(shè)計的一個難點。本節(jié)通過機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)兩方面分別提出解決方案。

1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)液壓缸的同步舉升，機(jī)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(jié)構(gòu)原理相同，其中，前提升門架1由內(nèi)移動門架11、外固定門架12、滑架13組成；內(nèi)移動門架11由動滑輪111、滑架導(dǎo)向板112、內(nèi)門架導(dǎo)向板113、內(nèi)門架主體114、內(nèi)門架導(dǎo)向輪組115組成；外固定門架12由內(nèi)門架邊導(dǎo)向軸承組121、內(nèi)門架中導(dǎo)向軸承組122、頂升油缸123、內(nèi)門架固定導(dǎo)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(dǎo)向軸承133、滑架側(cè)導(dǎo)向軸承134組成。在單套門架內(nèi)，兩條頂升油缸通過內(nèi)門架的連接，實現(xiàn)機(jī)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(xiàn)門架間的機(jī)械同步。綜上，最終實現(xiàn)4條油缸機(jī)械結(jié)構(gòu)的同步。

圖3 機(jī)械同步解決方案

2. 液壓系統(tǒng)

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(shè)計有齒輪式液壓同步馬達(dá)（又稱分流馬達(dá)）。高壓油經(jīng)油泵首先由進(jìn)油通道流入同步馬達(dá)，然后通過同步馬達(dá)內(nèi)相互嚙合的齒輪，將液壓油強(qiáng)制分為4路，為各油缸等流量供油，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的同步。

四、樣機(jī)測試

首先按照相關(guān)參數(shù)指標(biāo)詳細(xì)制定樣機(jī)的測試方案，然后在實際應(yīng)用環(huán)境下測試各項指標(biāo)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，最后判斷本文設(shè)計方案是否滿足實際需求。圖4為3D虛擬樣機(jī)及測試樣機(jī)圖片。

圖4 虛擬樣機(jī)及測試樣機(jī)

1. 樣機(jī)測試方案

樣機(jī)的測試方案需要從車體基本性能、負(fù)載能力、提升能力檢測、高位側(cè)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(fù)定位精度、原地?fù)Q向、原地自旋、側(cè)向移動、貨叉升降、貨叉伸縮、安全檢測等。

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

提升能力檢測：測試不同負(fù)載，對應(yīng)的液壓系統(tǒng)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(cè)叉檢測：測試不同負(fù)載，不同側(cè)叉高度，不同進(jìn)叉速度時，側(cè)向進(jìn)叉的穩(wěn)定性。

貨叉撓度檢測：當(dāng)貨叉處于低位時，測量不同負(fù)載最大懸臂狀態(tài)下，其末端對應(yīng)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(shè)計撓度。

2. 樣機(jī)測試結(jié)果

根據(jù)樣機(jī)測試方案，測試結(jié)果滿足要求：

測試樣機(jī)的整機(jī)性能參數(shù)在滿足設(shè)計要求下，調(diào)試人員通過測試實現(xiàn)其基本性能。按照樣機(jī)自身負(fù)載能力逐步增重測試，并在不同負(fù)載下進(jìn)行提升能力檢測、高位側(cè)叉檢測。經(jīng)測試，整機(jī)在1.2倍最大負(fù)載時，提升能力對應(yīng)的相關(guān)測試數(shù)據(jù)都滿足現(xiàn)場需求，高位進(jìn)叉安全可靠。樣機(jī)的貨叉撓度檢測未高于本文中設(shè)計的40mm。

五、結(jié)論

本文設(shè)計的窄通道側(cè)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(nèi)90°直角轉(zhuǎn)彎時姿態(tài)調(diào)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(jī)服務(wù)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(jié)構(gòu)的叉車設(shè)計中均可應(yīng)用。隨著無人叉車成本逐年降低，系統(tǒng)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。