基于TRIZ理論的立體倉庫堆垛裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高志鵬，趙 堅(jiān)，洪學(xué)武，賀藝龍，劉海強(qiáng)，王 達(dá)

（天津城建大學(xué) 控制與機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384）

堆垛裝置是伴隨著立體倉庫的出現(xiàn)而隨之發(fā)展起來的一種存取貨物裝置，其通過水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)、垂直提升機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在立體倉庫中的運(yùn)動以及對貨格定位并存取貨物的功能.處于物流高速發(fā)展的今天，堆垛裝置性能的優(yōu)越性成為立體倉庫發(fā)揮其應(yīng)有功能而不可忽視的重要因素.不少學(xué)者已對堆垛裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)[1-2]，并得到了相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)構(gòu).但隨著立體倉庫的發(fā)展，對堆垛裝置的性能要求也越來越高.因此，需要設(shè)計(jì)出與所優(yōu)化了的倉庫相適應(yīng)的堆垛裝置.堆垛裝置的功能特性決定了其對結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性和可靠性具有較高的要求，相應(yīng)于傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，TRIZ理論可以較全面和客觀地考慮機(jī)構(gòu)所存在的矛盾，同時對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行較好的導(dǎo)向.因此，采用TRIZ理論為設(shè)計(jì)理念，將技術(shù)沖突用于分析優(yōu)化伸縮機(jī)構(gòu)，將物-場模型用于分析改進(jìn)天軌結(jié)構(gòu)，最終得到了較為理想的創(chuàng)新優(yōu)化方案.

1 既有堆垛裝置的問題描述

1.1 堆垛裝置伸縮機(jī)構(gòu)的問題描述

堆垛裝置的伸縮機(jī)構(gòu)大多都通過鏈結(jié)構(gòu)、齒輪齒條結(jié)構(gòu)、鋼絲繩滑輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動，放大式伸縮機(jī)構(gòu)屬于層級疊加式結(jié)構(gòu).在整個伸縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中，貨叉開始伸出和載貨后縮回的動作都不平穩(wěn)，對于某些要求較高的倉庫并不適用.因此，在伸縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程中，伸縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動的平穩(wěn)性和高效性成為亟待解決的問題.

1.2 堆垛裝置天軌結(jié)構(gòu)的問題描述

天軌結(jié)構(gòu)作為堆垛裝置的水平運(yùn)動輔助機(jī)構(gòu)是通過滾輪在直槽導(dǎo)軌中運(yùn)動實(shí)現(xiàn)對堆垛裝置整體運(yùn)動的導(dǎo)向.堆垛裝置的伸縮機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時，如果承載貨物重量較大，天軌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性很大程度上將決定整個堆垛裝置是否晃動和傾翻；嚴(yán)重時將導(dǎo)致天軌滾輪跑出軌道，造成堆垛裝置整體的搖晃.對于堆垛裝置而言，天軌結(jié)構(gòu)的滾輪與軌道之間的平穩(wěn)性有待加強(qiáng).

2 伸縮機(jī)構(gòu)技術(shù)沖突問題解決方法

2.1 伸縮機(jī)構(gòu)技術(shù)沖突模型的建立

技術(shù)沖突指兩參數(shù)之間的矛盾，即在改善系統(tǒng)的某個性能參數(shù)時另一個性能參數(shù)突然變差的情況.技術(shù)沖突問題能夠借助于沖突矩陣找到解決問題的辦法.沖突矩陣由39個改善參數(shù)和39個惡化參數(shù)以及40條發(fā)明原理組成.

對于堆垛裝置的伸縮機(jī)構(gòu)而言，所存在的技術(shù)沖突為：增加伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，就會導(dǎo)致傳動效率降低.結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性用第13個標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)描述，屬于改善參數(shù)；傳動效率用第22個標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)（即：能量損失）來描述，屬于惡化參數(shù).查閱阿奇舒勒矛盾矩陣[3]，可得到相應(yīng)的發(fā)明原理為：2號，6號，39號，14號.

2號發(fā)明原理為抽取原理，即：抽取物體中關(guān)鍵部分（有利或有害）.在堆垛裝置的伸縮機(jī)構(gòu)中，各個部件的配合作用對整體性能的發(fā)揮不容忽視，抽取原理在解決該問題中收效甚微.

6號發(fā)明原理為不對稱原理，即：將物體的形狀由對稱變?yōu)椴粚ΨQ或在時間上合并相似或者相連的物體.堆垛裝置的對稱性是保證其整體平衡性的重要因素，將堆垛裝置結(jié)構(gòu)變?yōu)椴粚ΨQ形狀，將影響機(jī)構(gòu)整體的平衡性.由于伸縮機(jī)構(gòu)為貨叉層級作用，因此在時間上合并為相似或者相連也不可取.

39號發(fā)明原理為惰性環(huán)境，即：用惰性環(huán)境代替通常環(huán)境或在某一物體中添加中性元件或惰性物.堆垛裝置在空氣環(huán)境中運(yùn)行，惰性物或者惰性環(huán)境對其結(jié)構(gòu)改進(jìn)不合適.

14號發(fā)明原理為曲面化原理，即：運(yùn)用曲線或者曲面代替直線或平面部件或運(yùn)用滾筒、球或者螺旋機(jī)構(gòu)或利用離心力將線性運(yùn)動變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動.在堆垛裝置中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或者螺旋結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)性能的改變有較大的幫助.

通過對堆垛裝置整體機(jī)構(gòu)性能實(shí)現(xiàn)的綜合考慮，原理14（曲面化）具有較強(qiáng)的可行性.

2.2 伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用創(chuàng)新原理14（曲面化）的提示，運(yùn)用螺旋機(jī)構(gòu)[4-5]對伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.以此為依據(jù)設(shè)計(jì)的伸縮機(jī)構(gòu)如圖1所示.其結(jié)構(gòu)描述如下.

圖1 優(yōu)化后的伸縮機(jī)構(gòu)

末端固定架固定于堆垛裝置的載貨臺上，螺桿與軸承通過末端固定架連接在軸承承載架上.動力源驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)動力輸出，中間伸縮架及前端伸縮架處的螺母和螺桿的連接與軸承承載架處的結(jié)構(gòu)相似，前端伸縮架和中間伸縮架都通過滾輪導(dǎo)軌與各自的滾輪實(shí)現(xiàn)運(yùn)動.總的驅(qū)動過程為：動力源驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)，帶動螺桿上軸承和螺母轉(zhuǎn)動，使得前端伸縮架和中間伸縮架通過螺旋伸縮實(shí)現(xiàn)載貨的功能.

針對齒輪齒條、鏈輪等放大機(jī)構(gòu)所存在的貨叉層級疊加問題，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將滾輪導(dǎo)軌的位置做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整；前端伸縮架滾輪導(dǎo)軌位于中間伸縮架側(cè)板的上部，而中間伸縮架的滾輪導(dǎo)軌位于末端固定架的中部，由此，使得前端伸縮架、中間伸縮架及末端伸縮架的上平面都處于同一個平面上.優(yōu)化設(shè)計(jì)后的前端伸縮架、中間伸縮架、末端固定架，避免了由于伸縮放大原理而導(dǎo)致的貨叉層級疊加的問題.

該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比較，在實(shí)現(xiàn)伸縮放大過程中具有較好的平穩(wěn)性，避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳動過程中抖動和方向的不確定性，同時由于螺旋傳動的特殊性，避免了結(jié)構(gòu)層級疊加的問題，較好的實(shí)現(xiàn)了伸縮機(jī)構(gòu)的整體優(yōu)化.

3 天軌結(jié)構(gòu)物-場模型問題的解決方法

3.1 天軌結(jié)構(gòu)物-場模型的建立

TRIZ理論中的物-場模型[6-7]指的是構(gòu)成功能各個組件之間關(guān)系的模型，而對技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部各構(gòu)成要素之間相互關(guān)系和相互作用進(jìn)行分析的方法即為物-場模型分析.TRIZ理論提供了以物-場分析為基礎(chǔ)，從對象之間的相互關(guān)系（物-場）出發(fā)得到問題的解決方案的方法，即76個標(biāo)準(zhǔn)解.

對于堆垛裝置的天軌機(jī)構(gòu)而言，天軌結(jié)構(gòu)的滾輪和軌道間相互作用不完善，在天軌結(jié)構(gòu)問題中，軌道和滾輪構(gòu)成物-場模型中的物，軌道和滾輪間的相互作用構(gòu)成物-場模型的場.采用建立和拆解物-場模型（見表1）中的S1.1.3（添加系統(tǒng)外部添加物）強(qiáng)化物-場模型.加強(qiáng)物-場效應(yīng)的原理如圖2所示.S1代表滾輪，S2代表導(dǎo)軌，當(dāng)采用普通導(dǎo)軌時，天軌結(jié)構(gòu)的滾輪、導(dǎo)軌以及機(jī)械動力傳動產(chǎn)生不穩(wěn)定的場（F）效應(yīng)；通過添加滾輪中間的導(dǎo)軌S3，加強(qiáng)了導(dǎo)軌和滾輪之間所形成的場，使運(yùn)動的平穩(wěn)性得到提高.

表1 第1級標(biāo)準(zhǔn)解法

圖2 經(jīng)過添加系統(tǒng)外部添加物處理后的物-場模型

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為加強(qiáng)天軌導(dǎo)輪運(yùn)動的穩(wěn)定性[8]，采用圖3中所示的結(jié)構(gòu)：天軌滾動輪由主滾輪和側(cè)滾輪組成，軌道也包括主滾輪導(dǎo)軌和側(cè)滾輪導(dǎo)軌.其正常運(yùn)行時的平穩(wěn)性由主滾輪導(dǎo)軌保證，此時側(cè)滾輪和側(cè)滾輪導(dǎo)軌也正常接觸；當(dāng)出現(xiàn)傾翻力矩時，首先由側(cè)滾輪的內(nèi)側(cè)和主滾輪導(dǎo)軌配合使其能夠正常運(yùn)行，即使傾翻力矩很大，側(cè)滾輪和天軌承載臺的配合也可避免堆垛裝置整體的搖晃.因此，上述基于天軌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化能夠保證堆垛裝置穩(wěn)定運(yùn)行.

圖3 優(yōu)化后的天軌結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

文中采用TRIZ理論對堆垛裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的分析，利用沖突矩陣得到伸縮機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方案，利用標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)得到天軌結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案.優(yōu)化后的伸縮機(jī)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)運(yùn)行而且貨叉層級疊加的問題也得到了改善；改進(jìn)后的天軌結(jié)構(gòu)不僅使得滾輪運(yùn)動更加穩(wěn)定，同時整個堆垛裝置整體平穩(wěn)性能也得到了進(jìn)一步提高，伸縮機(jī)構(gòu)和天軌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)使得堆垛裝置的整體結(jié)構(gòu)特性得到改善.

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