穿梭車存取準(zhǔn)確度影響因素研究

張延武

無(wú)錫凱樂(lè)士科技有限公司 無(wú)錫 214000

0 引言

為了提高倉(cāng)庫(kù)面積的利用率，達(dá)到能夠存儲(chǔ)更多貨物的目的，密集自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)逐漸發(fā)展成熟，穿梭車作為倉(cāng)庫(kù)中貨到人揀選系統(tǒng)的智能存儲(chǔ)搬運(yùn)設(shè)備在自動(dòng)化立體庫(kù)中被大量使用[1]。這種存取方式改變了必須有叉車進(jìn)入巷道進(jìn)行存取貨物的低效率作業(yè)模式，不但提高了倉(cāng)庫(kù)空間利用率和出入庫(kù)效率，還可以靈活實(shí)現(xiàn)貨箱的先進(jìn)先出、先進(jìn)后出等多種存取方式。

目前，貨箱四向穿梭車在立體倉(cāng)庫(kù)中沿著貨架中巷道行走，通過(guò)換層提升機(jī)可穿行于貨架不同層的巷道中，穿梭車通過(guò)貨叉對(duì)貨架上的貨箱進(jìn)行取放[2]。倉(cāng)庫(kù)穿梭車存取準(zhǔn)確度對(duì)穿梭車平穩(wěn)可靠運(yùn)行至關(guān)重要，直接影響立體倉(cāng)庫(kù)的存儲(chǔ)密度和存取效率。影響穿梭車存取準(zhǔn)確度的因素有很多，穿梭車行走定位精度、貨叉定位精度、貨架結(jié)構(gòu)等都對(duì)穿梭車存取準(zhǔn)確度起到關(guān)鍵作用，對(duì)這些影響因素進(jìn)行研究是非常必要的，這也是穿梭車設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵因素。

1 穿梭車存取流程概述

穿梭車在貨架中運(yùn)行如圖1所示，穿梭車沿著貨架行走導(dǎo)軌到達(dá)制定貨位，然后伸出貨叉通過(guò)貨叉上撥桿將貨架撐條上面的貨箱取回并送到出庫(kù)輸送線上；同理，放貨過(guò)程是穿梭車將從入庫(kù)輸送線上進(jìn)入的貨箱運(yùn)送到指定貨位，然后伸出貨叉將貨艙內(nèi)的貨箱推到貨箱撐條上面。穿梭車可以靈活處理不同尺寸貨箱，并可以存儲(chǔ)單深度、雙深度和多深度的貨箱，能夠?qū)崿F(xiàn)料箱在不同貨位和工位間高效靈活的自動(dòng)運(yùn)輸。

圖1 穿梭車運(yùn)行示意圖

自動(dòng)存取貨箱作為穿梭車最核心的功能，它的效率決定了整個(gè)穿梭車的運(yùn)行效率，其在提升倉(cāng)庫(kù)處理貨物能力和效率上非常重要。穿梭車存取準(zhǔn)確度直接影響貨架上貨箱的存取密度和存取效率，穿梭車存取準(zhǔn)確度高意味著貨箱之間的間距可以更小，貨架上可以放置更多的貨箱，貨箱在貨架上可以實(shí)現(xiàn)更精確的排序，貨箱被貨叉碰撞受損的風(fēng)險(xiǎn)也更低。因此，穿梭車要達(dá)到高效率和高安全性的存取貨箱，提高穿梭車存取準(zhǔn)確度是關(guān)鍵。

2 穿梭車存取準(zhǔn)確度影響因素

穿梭車存取準(zhǔn)確度與諸多因素相關(guān)，其中影響最大的因子為穿梭車行走定位精度、貨叉定位精度和貨架結(jié)構(gòu)。穿梭車行走定位主要影響箱子之間的間距，貨叉定位和貨架結(jié)構(gòu)主要影響貨架上貨箱姿態(tài)。

2.1 穿梭車行走定位精度影響因素

目前，穿梭車在貨架內(nèi)行走主要依靠電動(dòng)機(jī)編碼器和行走輪編碼器反饋?zhàn)鳛榇侄ㄎ?，穿梭車根?jù)編碼器值在將要到達(dá)貨位后進(jìn)行減速，然后在對(duì)應(yīng)貨位的軌道上利用定位片或定位孔進(jìn)行輔助精定位。貨架上貨箱之間距離直接受穿梭車定位精度影響，穿梭車行走定位精度與多種因素相關(guān)，但有行走輪的摩擦系數(shù)和穿梭車等效運(yùn)動(dòng)慣量與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的慣量比2個(gè)關(guān)鍵因素。

1）行走輪硬度

穿梭車行走輪外圈材質(zhì)一般為彈性材料聚氨酯，根據(jù)彈性材料的摩擦理論，彈性體的摩擦是一個(gè)較硬物體表面的微凸對(duì)彈性體表面的刮削和壓縮產(chǎn)生了形變，摩擦系數(shù)主要與行走輪的硬度有關(guān)系[3]。測(cè)量不同硬度下車輪與鋼材的摩擦系數(shù)，得到如表1所示數(shù)據(jù)。從表1中可以看出，隨著車輪材料硬度增加，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，選擇低硬度的輪子可以增大摩擦系數(shù)，減少穿梭車在行走過(guò)程中輪子打滑現(xiàn)象，穿梭車速度越快其需要摩擦系數(shù)越大。在車輪硬度降低的同時(shí)，穿梭車在承受相同負(fù)載情況下低硬度車輪的變形量就越大，車輪實(shí)際周長(zhǎng)S1與車輪理論周長(zhǎng)S會(huì)存在誤差。由于穿梭車行走距離L是以編碼器測(cè)量的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)n和車輪理論周長(zhǎng)S乘積來(lái)計(jì)算，即L＝n·S，故穿梭車使用低硬度車輪會(huì)導(dǎo)致行走距離累計(jì)偏差增大。綜上所述，行走輪硬度并非越低越有利于穿梭車定位，而應(yīng)該考慮穿梭車負(fù)載情況和行走速度等綜合因素，選取一個(gè)合適的硬度值。對(duì)于負(fù)載較大，運(yùn)行加速度較慢的工況可以選用硬度相對(duì)較高的輪子，減少車輪變形造成的行走誤差過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于負(fù)載較輕，運(yùn)行加速度較快的工況需要選用硬度低一些的車輪，減少車輪打滑的風(fēng)險(xiǎn)，提高定位精度。

表 1 行走輪硬度與摩擦系數(shù)關(guān)系

2）負(fù)載慣量比

物體慣量是物體保持原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)，對(duì)于穿梭車系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力源與負(fù)載之間傳動(dòng)通常為非剛性傳動(dòng)，為了獲得更好動(dòng)態(tài)性能和定位精度，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與負(fù)載的應(yīng)適當(dāng)慣量比。適當(dāng)?shù)膽T量比主要取決于穿梭車運(yùn)動(dòng)曲線和機(jī)械傳動(dòng)剛性，穿梭車加速度越高，機(jī)械傳動(dòng)剛性越硬，則可選用較大慣量比獲得較高動(dòng)態(tài)性能，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)力度變強(qiáng)，穿梭車定位更加精準(zhǔn)。相反，如果穿梭車機(jī)械傳動(dòng)剛度較低，則選用較小慣量比。適當(dāng)?shù)膽T量比可使穿梭車電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)較易到達(dá)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，也能夠較好地確保其控制定位精度。

當(dāng)穿梭車電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)行走輪時(shí)，通過(guò)測(cè)試可得到如圖2所示曲線圖，由圖可知穿梭加速度與慣量比逞現(xiàn)反比關(guān)系，加速度越高要求的慣量比越小。穿梭車如果要達(dá)到2 m/s2穩(wěn)定加速度，則穿梭車負(fù)載與驅(qū)動(dòng)電機(jī)慣量比最好在5:1以內(nèi)，這樣穿梭車才能精確停在待取貨位進(jìn)行取貨。當(dāng)穿梭車負(fù)載慣量確定后，更高的加速度意味著需要大慣量的電動(dòng)機(jī)才能保證穿梭車系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，但同時(shí)也會(huì)增加電動(dòng)機(jī)制造成本，穿梭車加速度并非越高越好，而應(yīng)該根據(jù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)慣量選取一個(gè)適當(dāng)?shù)募铀俣取?/p>

圖2 負(fù)載慣量比與加速度曲線圖

2.2 穿梭車貨叉定位精度影響因素

1）貨叉結(jié)構(gòu)

穿梭車貨叉通常采用2級(jí)差動(dòng)伸縮結(jié)構(gòu)，由貨叉間的拖動(dòng)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配合作為整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)完成貨叉的差動(dòng)伸縮動(dòng)作；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，拖動(dòng)系統(tǒng)則通過(guò)伸縮滑軌實(shí)現(xiàn)2倍的差速運(yùn)動(dòng)[4]。貨叉通常都設(shè)計(jì)為左右對(duì)稱安裝，每組貨叉兩端各布置有一個(gè)撥桿組件，撥桿由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可以在垂直初始位置和下方水平存取位置之間旋轉(zhuǎn)，從而完成對(duì)貨箱的推出或勾取動(dòng)作。

貨箱在貨架上放置布局如圖3所示，待取貨箱與相鄰2個(gè)貨箱之間距離為X1和X2，其數(shù)值除了與穿梭車行走定位精度有關(guān)，還與貨叉的剛度有關(guān)。正常情況下X1和X2值可以保證貨叉安全進(jìn)入，但當(dāng)貨叉剛度不足時(shí)，貨叉伸出進(jìn)行存取時(shí)會(huì)左右擺動(dòng)，貨叉就可能會(huì)與貨箱發(fā)生碰撞，造成貨箱姿態(tài)錯(cuò)誤。貨叉伸出行程為Y，貨叉行程Y的定位精度直接影響貨箱在貨架上的深度是否正確。

圖3 貨叉存取示意圖

2）貨叉行程

貨叉行程主要受伸縮導(dǎo)軌行程影響，如果取貨行程為S，由于貨叉為2級(jí)差動(dòng)伸縮結(jié)構(gòu)，通常使用2根貨叉伸縮導(dǎo)軌，則伸縮導(dǎo)軌行程S1需要滿足S1>S/2。目前穿梭車貨叉伸縮導(dǎo)軌普遍采用抽屜式滾珠導(dǎo)軌，其結(jié)構(gòu)圖4所示，整體由內(nèi)軌、外軌和滾珠保持架組成，其中內(nèi)軌依靠導(dǎo)軌滾珠保持架的引導(dǎo)進(jìn)行滑動(dòng)，內(nèi)軌運(yùn)行到滾珠保持架末端時(shí)行程結(jié)束。正常情況下內(nèi)軌和滾珠保持架是同步運(yùn)動(dòng)，但內(nèi)軌在多次反向往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，滾珠保持架可能會(huì)發(fā)生爬行偏移現(xiàn)象，這種逐步的偏移會(huì)引起滾珠保持架位置錯(cuò)亂，使其過(guò)早到達(dá)內(nèi)部制動(dòng)器造成伸縮導(dǎo)軌行程縮短，從而對(duì)整個(gè)貨叉的行程造成影響。

圖4 貨叉伸縮導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖

為了避免滾珠保持架的爬行現(xiàn)象，貨叉伸縮導(dǎo)軌在經(jīng)過(guò)一定次數(shù)伸縮運(yùn)行后，在空載時(shí)采用最大行程運(yùn)行一次，通過(guò)內(nèi)軌撞擊制動(dòng)點(diǎn)來(lái)自行調(diào)整錯(cuò)誤的位置，達(dá)到重新恢復(fù)內(nèi)軌和滾珠保持架的同步運(yùn)行。另外，伸縮導(dǎo)軌內(nèi)部需要定期用鋰基潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑，降低內(nèi)軌與滾珠的摩擦系數(shù)，減少貨叉運(yùn)行過(guò)程中的阻力。

3）貨叉剛度

穿梭車貨叉在進(jìn)行存取過(guò)程中，主要會(huì)受到徑向載荷Fy、軸向載荷Fx和傾覆扭矩M，其受力情況如圖5所示。貨叉徑向載荷主要受貨叉自重影響較大，特別是貨叉伸出到最大行程時(shí)，貨叉變成一個(gè)懸臂梁，其在自重作用下會(huì)發(fā)生懸垂變形。由于貨叉撥桿接觸貨箱的瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的沖擊和振動(dòng)，貨叉需要承受軸向載荷和傾覆扭矩。貨叉進(jìn)行存取過(guò)程中主要克服貨箱與貨箱撐條之間的摩擦力，貨箱載荷越重，貨叉承受軸向載荷和傾覆扭矩就越大，如果貨叉剛度不夠，貨叉就會(huì)產(chǎn)生左右擺動(dòng)影響貨叉與料箱的間距，嚴(yán)重可造成貨叉撞擊貨箱事故發(fā)生，使貨箱在貨架上姿態(tài)發(fā)生變化。

圖5 貨叉受力示意圖

貨叉剛度取決于貨叉伸縮導(dǎo)軌和固定伸縮導(dǎo)軌的固定板2個(gè)主要部件的剛度。伸縮導(dǎo)軌的剛度在短行程時(shí)由滾珠的承載能力決定，在長(zhǎng)行程時(shí)受內(nèi)軌的剛度影響較大。因此，伸縮導(dǎo)軌寬度越寬其剛度越強(qiáng)，但同時(shí)自身質(zhì)量也會(huì)增加。伸縮導(dǎo)軌固定板安裝面的平行度和固定方式也會(huì)影響貨叉整體剛度，需要根據(jù)貨箱的載重和貨叉行程選取合適規(guī)格的伸縮導(dǎo)軌和固定板，確保貨叉剛度滿足存取貨箱需要。為了保證貨叉具有足夠剛度，同時(shí)又能減輕貨叉自重，貨叉內(nèi)側(cè)伸縮導(dǎo)軌可以選用寬度大的導(dǎo)軌，貨叉外側(cè)伸縮導(dǎo)軌選用寬度小的導(dǎo)軌。

2.3 貨架結(jié)構(gòu)影響因素

為了提高存儲(chǔ)密度和倉(cāng)庫(kù)利用率，料箱穿梭車多采用多層穿梭式貨架，此種貨架采用貨架合一的形式，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，即貨箱承載功能和穿梭車行走功能融合為一體，主體鋼結(jié)構(gòu)主要包括立柱、行走導(dǎo)軌、貨箱撐條等[5]，這些構(gòu)件主要是由冷彎薄壁型鋼材加工而成，由于其加工方便、空間利用率高及安裝簡(jiǎn)單而成為眾多物流設(shè)備生產(chǎn)廠家的首選[6]。這種貨架系統(tǒng)屬于格構(gòu)式超靜定結(jié)構(gòu)，貨架的穩(wěn)定性和安裝偏差對(duì)貨箱的姿態(tài)都會(huì)產(chǎn)生影響。

圖6 穿梭式貨架結(jié)構(gòu)示意圖

由于立柱、行走導(dǎo)軌及撐條等部件截面的寬厚比通常為10倍左右，而長(zhǎng)細(xì)比通常為100倍左右，2根立柱之間的間距過(guò)大，行走導(dǎo)軌撓度就會(huì)變得較大。由于穿梭車在行走導(dǎo)軌上需要頻繁的啟動(dòng)和剎車制動(dòng)，對(duì)貨架撐條會(huì)產(chǎn)生較大沖擊，此時(shí)放置在撐條上的貨箱在高頻沖擊作用力下就會(huì)發(fā)生移動(dòng)。另外，對(duì)于長(zhǎng)距離巷道，行走導(dǎo)軌需要多根進(jìn)行對(duì)接，若對(duì)接處間隙過(guò)大，穿梭車在行走導(dǎo)軌上面高速行走時(shí)就會(huì)產(chǎn)生跳動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)傳導(dǎo)給貨箱撐條，貨箱在頻繁的振動(dòng)下就可能會(huì)發(fā)生位移，造成貨箱在貨架上的姿態(tài)發(fā)生改變，貨叉進(jìn)行存取時(shí)可能會(huì)發(fā)生碰撞事故。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，立柱截面采用Ω形，行走導(dǎo)軌撓度需要控制在3 mm以內(nèi)，立柱水平高度偏差在2 mm以內(nèi)才能保證貨架上貨箱的穩(wěn)定性。目前，多層穿梭式貨架的貨箱載重量最大不超過(guò)50 kg，考慮貨架承載能力和整體安全性，一般情況下2立柱之間的貨箱數(shù)量不超過(guò)5個(gè)。同時(shí)，為了保證穿梭車高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性，行走導(dǎo)軌整體安裝偏差應(yīng)小于2 mm，對(duì)接處水平偏差應(yīng)小于0.5 mm，對(duì)接處間隙應(yīng)小于2 mm。另外，貨箱撐條的長(zhǎng)度一般不應(yīng)超過(guò)1.5 m，貨箱撐條過(guò)長(zhǎng)也會(huì)造成撓度過(guò)大引起貨箱產(chǎn)生位移。

考慮到貨箱在貨架撐條上放置只是依靠摩擦力保持位置不變，貨箱撐條表面可以加工防滑紋路從而增大粗糙度，以提高貨箱在貨架撐條上的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1）穿梭車行走定位精度、貨叉定位精度和貨架結(jié)構(gòu)是影響穿梭車存取準(zhǔn)確度的主要因素。

2）行走輪硬度和負(fù)載慣量比對(duì)穿梭車行走定位精度起主導(dǎo)作用，提出了不同工況下的可行選擇依據(jù)。

3）貨叉的行程和剛度是影響貨叉定位精度的2個(gè)主要因素，其中伸縮導(dǎo)軌的爬行現(xiàn)象直接影響貨叉的行程，提出了改進(jìn)爬行現(xiàn)象的可行措施。

4）貨架鋼結(jié)構(gòu)的形式和安裝精度間接影響貨架上貨箱姿態(tài)，提出了貨架鋼結(jié)構(gòu)形式和安裝的主要技術(shù)要求，提高穿梭車存取的準(zhǔn)確度。