一種面向食品醫(yī)藥行業(yè)的穿梭車研究

李翔宇，傅友賓

(沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 智能物流BG，遼寧 沈陽(yáng)110168)

穿梭車是物流系統(tǒng)中一種智能型軌道導(dǎo)引搬運(yùn)設(shè)備，通過(guò)在軌道上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成貨物單元的輸送。穿梭車的應(yīng)用使自動(dòng)化輸送系統(tǒng)的設(shè)備布局更加緊湊、簡(jiǎn)捷，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率[1]。

目前，智能物流技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，利用集成的智能技術(shù)，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、包裝和裝卸過(guò)程中提供方便快捷的功能和服務(wù)，穿梭車作為其重要的組成部分也被廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)生活品質(zhì)的要求逐漸提高，對(duì)自身健康越來(lái)越重視，食品和醫(yī)藥行業(yè)迫切需要產(chǎn)業(yè)升級(jí)，來(lái)滿足不斷提高的市場(chǎng)需求[2-3]。本文針對(duì)食品醫(yī)藥行業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行穿梭車的研究，以期提供能滿足其行業(yè)要求的智能物流解決方案。

1 食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車的技術(shù)特點(diǎn)

常規(guī)穿梭車主要應(yīng)用于工業(yè)庫(kù)房和車間，但在食品醫(yī)藥行業(yè)，常規(guī)穿梭車無(wú)法使用。首先食品醫(yī)藥行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)產(chǎn)品的輸送過(guò)程有嚴(yán)格的控制要求，其次對(duì)產(chǎn)品在輸送過(guò)程的平穩(wěn)性要求很高。食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車與常規(guī)穿梭車的主要技術(shù)對(duì)比如表1 所示。

表1 食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車與常規(guī)穿梭車的主要技術(shù)對(duì)比

食品醫(yī)藥級(jí)的穿梭車是一種重要的智能物流裝備。其技術(shù)要求主要集中在穿梭車表面處理、主要零部件的固溶處理和外罩密封防護(hù)3個(gè)方面。

(1) 表面處理技術(shù)。常規(guī)穿梭車多采用Q235鋼焊接件噴漆技術(shù)和45#鋼發(fā)黑的表面處理技術(shù)，而食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車的車架等焊接組件表面多用水性漆來(lái)處理，且需要制定合適的水/漆混合比例，加工技術(shù)難度較高。其輪轂和輪軸相關(guān)部件需要全部鍍鋅，相關(guān)零件的配合尺寸設(shè)計(jì)和加工難度較大。穿梭車上厚度超過(guò)3 mm的不銹鋼表面要進(jìn)行打磨、電拋光處理[4]，需要設(shè)置相應(yīng)的工序。

(2) 主要零部件的固溶處理技術(shù)。食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車外露部分全部采用食品級(jí)304不銹鋼材料，其加工和焊接難度很大，表面熱處理的工藝復(fù)雜。304不銹鋼中的奧氏體不會(huì)發(fā)生相變，應(yīng)采用固溶處理。固溶處理時(shí)要先預(yù)熱，然后快速加熱，因此304不銹鋼比普通鋼材的焊接加工時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)溫度及冷卻時(shí)間的控制要求更高[5]。不銹鋼材料焊接工藝相對(duì)復(fù)雜，焊接時(shí)表面會(huì)變黑，焊接后需要進(jìn)行酸洗、研磨等表面處理。

(3) 外罩密封防護(hù)技術(shù)。由于食品醫(yī)藥行業(yè)對(duì)潔凈度要求很高，每天都要對(duì)設(shè)備進(jìn)行擦拭，為了防止水和灰塵進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部后滋生細(xì)菌，要對(duì)設(shè)備表面進(jìn)行密封，用不銹鋼板材把設(shè)備全部罩住。從方便裝配考慮，應(yīng)將外罩分成多塊板材，且罩板邊緣要采用折彎設(shè)計(jì)方式，在接縫處用無(wú)毒尼龍條塞緊，以達(dá)到要求的密封效果。

2 食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車的硬件設(shè)計(jì)

食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車的主要結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其主要技術(shù)要求見(jiàn)表2。

1.車架；2.行走裝置； 3.車載輸送機(jī)；4.不銹鋼外罩；5.不銹鋼電控柜；6.鋁合金軌道；7.驅(qū)動(dòng)裝置圖1 食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車的主要結(jié)構(gòu)組成

表2 食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車的主要技術(shù)要求

食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車托盤(pán)上貨物的質(zhì)量多數(shù)情況下不超過(guò)1 000 kg，因此穿梭車最大承載應(yīng)選擇1 000 kg。穿梭車其余技術(shù)參數(shù)的選擇應(yīng)符合行業(yè)慣例和相關(guān)規(guī)定。

2.1 效率計(jì)算

效率是衡量食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的穿梭車，效率計(jì)算的項(xiàng)目、公式和結(jié)果如表3所示。

表3 穿梭車效率計(jì)算的項(xiàng)目、公式和結(jié)果

由表3可見(jiàn)，完成一個(gè)接送盤(pán)循環(huán)時(shí)間不超過(guò)40 s。該效率可以滿足絕大部分食品醫(yī)藥企業(yè)的生產(chǎn)需求。

2.2 聚氨酯輪承載能力計(jì)算

聚氨酯材料的種類很多，聚氨酯輪的最大承載量通常根據(jù)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定[6]。為了滿足穿梭車多樣化的設(shè)計(jì)要求，提高設(shè)計(jì)效率，保證設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性，應(yīng)對(duì)聚氨酯輪的承載能力進(jìn)行深入研究，得出聚氨酯輪承載能力的計(jì)算公式。

研究發(fā)現(xiàn)，聚氨酯輪承載能力與其輪徑、輪寬、包膠厚度存在一定的線性關(guān)系，而與其材料硬度和使用速度沒(méi)有明顯的線性關(guān)系。因此，計(jì)算聚氨酯輪承載能力時(shí)，對(duì)于不同材質(zhì)和不同使用速度的情況，可采用承載系數(shù)加以修正。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，本文總結(jié)了表4 所示聚氨酯輪承載系數(shù)k的取值。

表4 聚氨酯輪承載系數(shù)k的取值

聚氨酯輪單輪承載能力的計(jì)算公式為：

W=k·D·B+(J-10)·D÷50。

式中：D為輪徑，mm；B為輪寬，mm；W為單輪承載能力，kg；J為包膠厚度，mm。

本文設(shè)計(jì)的食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車采用直徑為180 mm、輪寬為70 mm、包膠厚度為20 mm、硬度為HS90的聚氨酯輪。穿梭車行走速度為120 m/min，可以近似取k=0.05，則其單輪承載能力為：

W=0.05×180×70+(20-10)×180÷50 = 666(kg)。

考慮到軌道不完全平整而存在三輪承載的情況，可認(rèn)為該穿梭車聚氨酯輪總承載能力為：

W總=W×3=1 998(kg)。

生產(chǎn)實(shí)際中，穿梭車質(zhì)量M車為800 kg，貨物質(zhì)量M貨為1 000 kg。由此可知：

W總>800+1 000=1 800(kg)。

因此，所設(shè)計(jì)聚氨酯輪的承載能力能夠滿足使用要求，且無(wú)大的能力冗余。

2.3 行走電機(jī)和輸送電機(jī)選擇

根據(jù)資料，聚氨酯材料相對(duì)鋁合金的滾動(dòng)摩擦系數(shù)μ為0.02。因此，重載穿梭車的滾動(dòng)阻力為：

Ff=μg(M車+M貨)=0.02×9.8×(800+1 000)≈353(N)。

若考慮啟動(dòng)時(shí)的加速度a，則啟動(dòng)時(shí)慣性力為：

F=(M車+M貨)a=(800+1 000)×0.5=900(N)。

行走電機(jī)在傳動(dòng)效率η=0.94時(shí)，功率為：

P=(F+Ff)·V1÷1 000÷η=

(900+353)×2÷1 000÷0.94≈2.7(kW)。

行走電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩為:

Q=(F+Ff)·D÷2÷1000=

(900+353)×180÷2÷1 000≈112.8(N·m)。

最終，穿梭車行走電機(jī)選擇功率為3.00 kW，轉(zhuǎn)矩為113 N·m的減速電機(jī)；其輸送電機(jī)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇功率為0.55 kW的減速電機(jī)。

3 食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的核心，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)基于分布式結(jié)構(gòu)的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程，充分考慮與自動(dòng)化生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)流、信息流、物流等管理需求，在自動(dòng)化控制、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品控制追蹤、質(zhì)量管理分析等方面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持[7-8]。

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可基于內(nèi)容和區(qū)域進(jìn)行劃分。本文根據(jù)不同的數(shù)據(jù)需求，將系統(tǒng)分為兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即基于西門(mén)子Profinet網(wǎng)絡(luò)的總線控制層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層?？偩€控制層用于協(xié)調(diào)所在區(qū)域的設(shè)備及輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制功能，執(zhí)行生產(chǎn)指令，采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)等。它以西門(mén)子系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用分布控制和局域網(wǎng)絡(luò)控制形式。每個(gè)區(qū)域配備一臺(tái)主電柜，PLC的CPU模塊安裝在主電柜中。區(qū)域內(nèi)各工作站采用西門(mén)子 ET200SP系列遠(yuǎn)程I/O接口，通過(guò)工業(yè)總線Profinet集成于主PLC中。設(shè)備的狀態(tài)信息、測(cè)試數(shù)據(jù)等由設(shè)備的控制系統(tǒng)讀入?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層包括控制系統(tǒng)的檢測(cè)部件和執(zhí)行部件。穿梭車作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，上面裝有對(duì)射傳感器、防撞傳感器、車載電控柜、減速電機(jī)、無(wú)線通信終端和條碼認(rèn)址器等。這些檢測(cè)部件和執(zhí)行部件直接與控制層連接，用于數(shù)據(jù)傳輸和控制，以保證穿梭車的正常運(yùn)行。

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)讓復(fù)雜的生產(chǎn)流程控制模塊化、可視化，以便于使用操作。食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車采用Profinet總線，以無(wú)線方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。穿梭車內(nèi)的控制器CPU151-8能與地面輸送線主控制器CPU315進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)完成它與車內(nèi)變頻控制器的數(shù)據(jù)交換。穿梭車所有指令的操作都能通過(guò)觸控液晶面板來(lái)完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文面向食品醫(yī)藥行業(yè)，將研究與應(yīng)用相結(jié)合，從滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)要求出發(fā)，開(kāi)發(fā)了具有實(shí)用價(jià)值的食品醫(yī)藥行業(yè)穿梭車。該穿梭車的研究成果及其示范應(yīng)用能夠大為提高食品醫(yī)藥行業(yè)的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。