多種類貨物的智能倉(cāng)庫(kù)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐其航，孫培明，陳少克，郭澤森

（1.揭陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 揭陽(yáng) 522051；2.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東 汕頭 515063）

國(guó)內(nèi)早在1963年機(jī)械部起重所就已經(jīng)研制出第一臺(tái)橋式堆垛起重機(jī).隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，1995年儀征化纖公司建立的滌綸自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)代表當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造的綜合自動(dòng)化程度最高的水平[1].隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，各個(gè)國(guó)家也投入對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的研究與發(fā)展.相比于其他國(guó)家，日本在立體倉(cāng)庫(kù)的研究發(fā)展速度是最快的.日本自從研發(fā)出第一座立體倉(cāng)庫(kù)后，便大規(guī)模興建自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù).到1986年，已擁有5 800座立體倉(cāng)庫(kù)，約占世界上總量的一半[2].目前，各國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)也正在大力發(fā)展智能化技術(shù)并應(yīng)用于物流倉(cāng)儲(chǔ)，不斷推進(jìn)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)在各行各業(yè)的應(yīng)用[3].P.Allen.A.Timcenko等人研制出Puma560視覺(jué)機(jī)器人，能完成抓取運(yùn)動(dòng)中的玩具小火車[4].HenLry.YK.Lau等提出協(xié)同途徑并建立整數(shù)規(guī)劃模型，解決機(jī)場(chǎng)貨物分揀系統(tǒng)中不同類型設(shè)備的銜接問(wèn)題[5].Dallari等通過(guò)對(duì)配送中心作業(yè)過(guò)程分析將揀選系統(tǒng)劃分為五類.再依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)配送中心設(shè)計(jì)人員提高揀選系統(tǒng)選擇[6].

1995年，我國(guó)自動(dòng)分揀技術(shù)自主研發(fā)的開(kāi)端是昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司自主研發(fā)一臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)不同品種，不同規(guī)格的產(chǎn)品自動(dòng)分類的機(jī)器人系統(tǒng)[7].王娜結(jié)合機(jī)器人智能控制技術(shù)，以DELTA機(jī)械手為例提出一種動(dòng)態(tài)抓取分揀系統(tǒng)，并搭建測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性[8].陳黃飛等指出我國(guó)物流行業(yè)向著智能化轉(zhuǎn)型，分揀機(jī)器人轉(zhuǎn)型發(fā)揮著十分重要的作用，但以物流為主的服務(wù)限制了分揀機(jī)器人向其他行業(yè)拓展[9].

堆垛機(jī)的技術(shù)發(fā)展和性能優(yōu)化已經(jīng)有了大量的研究.尹軍琪等通過(guò)對(duì)立柱變截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到關(guān)于混合離散變量的廣義等式約束理論，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的剛度與動(dòng)態(tài)性能[10].孫軍艷等則通過(guò)比較單立柱與雙立柱堆垛機(jī)的強(qiáng)度，為堆垛機(jī)的改造與實(shí)際應(yīng)用提供了重要理論依據(jù)[11].鐘錫波通過(guò)將立柱截面改變?yōu)榉€(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證其模型的合理性[12].李西剛結(jié)合實(shí)際物流中心對(duì)堆垛機(jī)進(jìn)行分析研究，采取ANSYS分析與組態(tài)監(jiān)控進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)具有較好的實(shí)際參考價(jià)值[13].陳杰等結(jié)合傳統(tǒng)力學(xué)和有限元軟件兩種方式開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，為載物臺(tái)的性能優(yōu)化提供依據(jù)[14].

文章以揭陽(yáng)市某企業(yè)倉(cāng)庫(kù)為對(duì)象進(jìn)行現(xiàn)代化改造.以機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)為依據(jù)，設(shè)計(jì)出一套可進(jìn)行多貨物分揀與運(yùn)輸存儲(chǔ)的智能倉(cāng)庫(kù)方案和相關(guān)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì).建立智能倉(cāng)庫(kù)，滿足企業(yè)生產(chǎn)需要，提高生產(chǎn)效率，適應(yīng)生產(chǎn)力的發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)揮智能立體倉(cāng)庫(kù)在現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展中的作用.

1 調(diào)研結(jié)果與方案設(shè)計(jì)

1.1 調(diào)研結(jié)果

通過(guò)實(shí)地調(diào)研對(duì)企業(yè)倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)有運(yùn)作情況進(jìn)行調(diào)查記錄.企業(yè)倉(cāng)庫(kù)的空間尺寸為長(zhǎng)18 m、寬20 m和高5 m；搬運(yùn)的單位貨物重量為40 kg，具體尺寸為長(zhǎng)0.5 m、寬0.4 m，高0.3 m；倉(cāng)庫(kù)無(wú)固定貨架，貨物以2×2×4的堆疊方式放置于小推車上，由倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部員工手動(dòng)進(jìn)行分揀和搬運(yùn).倉(cāng)庫(kù)每天需要兩次出入庫(kù)搬運(yùn)，工人工作時(shí)間為10 h/d.

1.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)研結(jié)果對(duì)企業(yè)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行現(xiàn)代化改造，用智能設(shè)備代替人工，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率和空間利用率，進(jìn)而增加倉(cāng)庫(kù)的利潤(rùn).使用堆垛機(jī)進(jìn)行輔助搬運(yùn)，解決人工搬運(yùn)問(wèn)題.文章主要對(duì)搬運(yùn)階段的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，其他機(jī)械部分設(shè)計(jì)暫不考慮.

2 搬運(yùn)階段的機(jī)械部分設(shè)計(jì)

搬運(yùn)階段作為整個(gè)改造方案中最重要的環(huán)節(jié)，方案設(shè)計(jì)提出采用堆垛機(jī)替代人工的方式來(lái)解決搬運(yùn)階段的效率問(wèn)題，最大程度地降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度.接下來(lái)主要對(duì)搬運(yùn)階段的相關(guān)機(jī)械部分設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述.

2.1 堆垛機(jī)的功能介紹

堆垛機(jī)是現(xiàn)代化倉(cāng)庫(kù)常用的機(jī)械設(shè)備，具有較高的自動(dòng)化程度，主要用于貨物的搬運(yùn)階段.堆垛機(jī)配置有三個(gè)最基本的功能，分別是沿軌道的行走功能、提升機(jī)構(gòu)的升降功能和貨叉叉貨的功能.

2.2 堆垛機(jī)的組成部分

堆垛機(jī)的機(jī)械部分主要有天地軌、上下橫梁、立柱、載物臺(tái)、貨叉、卷?yè)P(yáng)機(jī)、夾緊輪和驅(qū)動(dòng)輪.根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向可將其分為水平行走機(jī)構(gòu)，垂直升降機(jī)構(gòu)和貨叉伸縮機(jī)構(gòu).堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)

2.2.1 機(jī)架

機(jī)架作為堆垛機(jī)的整體框架，連接各個(gè)機(jī)構(gòu)共同組成堆垛機(jī)整體.因?yàn)槎讯鈾C(jī)載重接近1 t，而且其伸出距離為1.4 m，如果選擇工字形式機(jī)架，則其在水平行走方向和貨叉伸縮方向容易發(fā)生側(cè)翻.為避免側(cè)翻問(wèn)題，文章采用較為穩(wěn)固的矩形式機(jī)架.結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

2.2.2 堆垛機(jī)水平行走機(jī)構(gòu)

水平行走機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)三大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之一，負(fù)責(zé)堆垛機(jī)沿著軌道的水平行走運(yùn)動(dòng).水平行走機(jī)構(gòu)連接在下橫梁的前后端面，通過(guò)焊接與下橫梁共同構(gòu)成下橫梁結(jié)構(gòu).機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示.

圖2 水平行走機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2.3 堆垛機(jī)垂直升降機(jī)構(gòu)

作為堆垛機(jī)的三大機(jī)構(gòu)之一，堆垛機(jī)的垂直升降機(jī)構(gòu)采用卷?yè)P(yáng)機(jī)提升裝置，其主要包括減速電機(jī)，卷筒，鋼絲繩，滑輪組以及其他固定結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示.

圖3 垂直升降機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2.4 載貨臺(tái)

載貨臺(tái)作為貨物的支撐載體，可用于安裝貨叉，安全機(jī)構(gòu)和傳感器等.其構(gòu)成包括導(dǎo)向裝置和載貨臺(tái)結(jié)構(gòu).結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 載貨臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.2.5 伸縮貨叉

作為堆垛機(jī)三大機(jī)構(gòu)之一的伸縮貨叉，負(fù)責(zé)貨物進(jìn)出貨架的運(yùn)動(dòng).根據(jù)貨物的空間尺寸，采用川字型托盤，因此選擇雙叉貨叉對(duì)貨物進(jìn)行存取，即使用兩個(gè)一樣的貨叉進(jìn)行貨物存取運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 雙叉貨叉圖

文章采用三級(jí)直線差動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，貨叉由上叉，中叉和下叉這三部分構(gòu)成.三層貨叉之間使用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為貨叉的直線運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)上叉相對(duì)于下叉以3v0速度移動(dòng).由于齒輪齒條不參與支撐受力，故三層貨叉之間的支撐件選用支撐輪.結(jié)構(gòu)圖6如圖所示.

圖6 貨叉結(jié)構(gòu)圖

2.3 貨叉的設(shè)計(jì)

貨叉的尺寸要與貨物的尺寸相對(duì)應(yīng)，機(jī)械性能上彎曲變形在可接受范圍內(nèi)且不發(fā)生斷裂.貨叉采用Q235鋼材制作而成，貨叉的參數(shù)設(shè)計(jì)先根據(jù)貨物尺寸設(shè)計(jì)大小，內(nèi)部的傳遞零件通過(guò)傳動(dòng)鏈圖進(jìn)行分析計(jì)算，獲得貨叉的設(shè)計(jì)工作級(jí)別.

對(duì)于伸縮貨叉機(jī)構(gòu)，設(shè)使用壽命為7 a，一天的工作循環(huán)為60次，每次貨叉伸出的距離1.4 m，則一次循環(huán)的伸縮路程為2.8 m，上叉的移動(dòng)速度為20 m/min.

故伸縮機(jī)構(gòu)的總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間

由于Tmax在范圍（200-400）h內(nèi)，故判斷機(jī)構(gòu)的使用等級(jí)為T1；由于機(jī)構(gòu)經(jīng)常承受最大載荷，故機(jī)構(gòu)的載荷狀態(tài)為L(zhǎng)4.因此，確定貨叉的工作級(jí)別是M3.

3 貨架的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 貨架的選型設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有常用貨架作為參照，貨架在材料方面選用型號(hào)為Q235鋼經(jīng)過(guò)冷軋加工成型的型鋼作為原材料.貨架上沖有用于安裝和固定的孔，底部焊接一個(gè)底座用于連接地面.具體如圖7所示.

圖7 貨架整體圖

3.2 貨架的水平橫梁校核

貨架的水平橫梁撓度計(jì)算通過(guò)查找撓度計(jì)算公式可知，

其中，G為載重4.018 KN；

L01A長(zhǎng)度為700 mm；

彈性模量E取206 GPa；

LO1O2長(zhǎng)度為2 800 mm；

水平橫梁的截面慣性矩I為872 742 mm4；

代入（1）式得

根據(jù)堆垛機(jī)行業(yè)實(shí)際使用情況可知，通常貨架許用撓度應(yīng)為貨架跨度的1/200.文章設(shè)計(jì)的單個(gè)貨架寬度為3 m，則許用撓度應(yīng)該為15 mm.撓度符合貨架使用設(shè)計(jì).

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元分析

4.1 有限元分析思想

有限元法作為一種數(shù)值計(jì)算方法，常被用于解決實(shí)際工程問(wèn)題，具有高效便捷的特點(diǎn).有限元分析思想是把模擬物體離散成有限個(gè)單元體，且每個(gè)單位之間通過(guò)一定的方式互相聯(lián)系，模擬原來(lái)的整個(gè)物體.通過(guò)這種形式，把問(wèn)題從連續(xù)的無(wú)限自由度轉(zhuǎn)化為離散的有限自由度.再結(jié)合變分方程和加權(quán)余量，對(duì)實(shí)際問(wèn)題的物體模型化，建立數(shù)學(xué)模型，求解數(shù)學(xué)模型，解決實(shí)際問(wèn)題.

4.2 模型的簡(jiǎn)化

對(duì)堆垛機(jī)機(jī)架模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，原因是堆垛機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜.雖然建模越接近實(shí)際情況越好，但是按實(shí)際情況的模型會(huì)花費(fèi)大量的分析時(shí)間且容易導(dǎo)致軟件分析無(wú)法正常運(yùn)行.文章主要對(duì)貨叉結(jié)構(gòu)和堆垛機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化.利用SOLIDWORKS軟件進(jìn)行建模，轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入到ANSYS軟件.堆垛機(jī)機(jī)架簡(jiǎn)化模型如8（1）所示.貨叉簡(jiǎn)化模型如圖8（2）所示.

圖8 機(jī)架和貨叉簡(jiǎn)化模型

4.3 結(jié)構(gòu)的有限元分析

4.3.1 貨叉的靜力分析

設(shè)置貨叉的材料屬性，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示；接著，對(duì)貨叉施加約束條件.將下叉底部和載貨臺(tái)固定，對(duì)上叉施加載荷，載荷大小為載重8 036 N；最后選擇網(wǎng)格劃分，完成劃分后點(diǎn)擊solve進(jìn)行靜力結(jié)果分析.分析結(jié)果圖如圖9.圖9顯示，貨叉撓度最大的位置在上叉的端部，數(shù)值為1.43 mm，小于設(shè)計(jì)要求的2 mm，故滿足撓度設(shè)計(jì)要求；圖10顯示，貨叉最大的等效壓力出現(xiàn)在上叉與最外側(cè)支撐輪的接觸點(diǎn)，數(shù)值為42.9 MPa，小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求.此外，結(jié)合分析結(jié)果對(duì)貨叉的性能優(yōu)化處理，可在上叉和下叉的接近端面的部位再加一個(gè)支撐輪，可減少應(yīng)力集中現(xiàn)象[16].

表1 貨叉材料屬性表

圖9 貨叉的變形圖

圖10 貨叉的應(yīng)力圖

4.3.2 貨叉的模態(tài)分析

模態(tài)分析使用相同的簡(jiǎn)化模型，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后對(duì)貨叉進(jìn)行模態(tài)分析.本文對(duì)模型前六階進(jìn)行分析，并得到前六階固有頻率和振型圖.固有頻率見(jiàn)表2，振型圖如圖11.

表2 貨叉的前六階固有頻率

圖11 貨叉的前六階振型圖

從模態(tài)分析結(jié)果可看出，所有振型中四階振型的變形量最大，數(shù)值為29.311 mm.最小的是五階振型的變形量，數(shù)值為17.669 mm.這些數(shù)值都已經(jīng)超過(guò)貨叉的正常運(yùn)作的撓度變形，故實(shí)際操作時(shí)應(yīng)該盡量降低頻率，避免在42.356 Hz以上運(yùn)行，避免共振帶來(lái)的毀滅性影響.

結(jié)合分析結(jié)果提出優(yōu)化方案：在上叉和下叉接近受力點(diǎn)的部位各加上一個(gè)支撐輪，用于減少應(yīng)力集中現(xiàn)象.重新建模的模型和分析可得到結(jié)果如圖12所示.由于增加支撐輪，降低貨叉叉貨時(shí)受到貨物載重對(duì)貨叉的應(yīng)力，最大應(yīng)力降至36.9 MPa，比原來(lái)的42.9 MPa降低了14%，故優(yōu)化方案合理且有效.

圖12 優(yōu)化后貨叉應(yīng)力圖

4.3.3 堆垛機(jī)的靜力分析

選擇堆垛機(jī)滿載且在二層貨架高度的狀態(tài)，以加速度0.5 m/s2沿著軌道運(yùn)動(dòng).文章對(duì)此狀態(tài)下的堆垛機(jī)機(jī)架進(jìn)行分析.根據(jù)上述狀態(tài)對(duì)模型添加約束條件，見(jiàn)表3，之后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并點(diǎn)擊solve進(jìn)行結(jié)果分析.分析結(jié)果如圖13和圖14所示，機(jī)架最大的變形量發(fā)生在載物臺(tái)的端面處，變形量為4.37 mm；機(jī)架最大的應(yīng)力集中在載物臺(tái)和立柱的接觸部分，最大壓力為17.9 MPa.由結(jié)果可知，最大壓力17.9 MPa小于材料的許用壓力235 MPa，說(shuō)明設(shè)計(jì)在剛度上設(shè)計(jì)符合要求.由于載重和貨叉重力影響，載物臺(tái)產(chǎn)生的最大變形量為0.47 mm，即表示載貨臺(tái)對(duì)貨叉產(chǎn)生的撓度影響為0.47 mm，加上前面分析的貨叉撓度1.43 mm后撓度為1.9 mm.由于撓度在允許范圍2 mm內(nèi)，設(shè)計(jì)符合要求.

圖13 堆垛機(jī)機(jī)架的變形圖

圖14 堆垛機(jī)機(jī)架的壓力均布圖

表3 堆垛機(jī)約束條件表

4.3.4 機(jī)架的模態(tài)分析

同理，機(jī)架采用相同的模型進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)如表4數(shù)據(jù)所示，分析結(jié)果如圖15所示.從模態(tài)分析結(jié)果可看出，所有振型圖中第六階振型的變形量最大，數(shù)值為7.9 mm.最小的是五階振型的變形量，數(shù)值為4.9 mm.這些數(shù)值都已經(jīng)超過(guò)正常機(jī)架運(yùn)作的變形范圍，雖然實(shí)際操作時(shí)頻率較低，但是應(yīng)避免在上述的頻率下運(yùn)行，避免共振帶來(lái)的毀滅性影響.

表4 前六階固有頻率

圖15 機(jī)架前6階振型圖

5 結(jié)論

文章結(jié)合揭陽(yáng)市某企業(yè)的倉(cāng)庫(kù)情況進(jìn)行現(xiàn)代化改造，主要對(duì)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)和存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究.

對(duì)實(shí)際倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行深入了解，根據(jù)前期的調(diào)研任務(wù)，提出合理的倉(cāng)庫(kù)改造方案，完成堆垛機(jī)相關(guān)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)貨叉和堆垛機(jī)機(jī)架進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的正確性.

通過(guò)利用堆垛機(jī)和多層貨架對(duì)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行現(xiàn)代化改造，降低倉(cāng)庫(kù)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高企業(yè)倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行效率和社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力.