張延武

無錫凱樂士科技有限公司 無錫 214000

0 引言

為了提高倉庫面積的利用率，達到能夠存儲更多貨物的目的，密集自動化倉儲系統(tǒng)逐漸發(fā)展成熟，穿梭車作為倉庫中貨到人揀選系統(tǒng)的智能存儲搬運設備在自動化立體庫中被大量使用[1]。這種存取方式改變了必須有叉車進入巷道進行存取貨物的低效率作業(yè)模式，不但提高了倉庫空間利用率和出入庫效率，還可以靈活實現(xiàn)貨箱的先進先出、先進后出等多種存取方式。

目前，貨箱四向穿梭車在立體倉庫中沿著貨架中巷道行走，通過換層提升機可穿行于貨架不同層的巷道中，穿梭車通過貨叉對貨架上的貨箱進行取放[2]。倉庫穿梭車存取準確度對穿梭車平穩(wěn)可靠運行至關重要，直接影響立體倉庫的存儲密度和存取效率。影響穿梭車存取準確度的因素有很多，穿梭車行走定位精度、貨叉定位精度、貨架結構等都對穿梭車存取準確度起到關鍵作用，對這些影響因素進行研究是非常必要的，這也是穿梭車設計中需要重點考慮的關鍵因素。

1 穿梭車存取流程概述

穿梭車在貨架中運行如圖1所示，穿梭車沿著貨架行走導軌到達制定貨位，然后伸出貨叉通過貨叉上撥桿將貨架撐條上面的貨箱取回并送到出庫輸送線上；同理，放貨過程是穿梭車將從入庫輸送線上進入的貨箱運送到指定貨位，然后伸出貨叉將貨艙內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，并可以存儲單深度、雙深度和多深度的貨箱，能夠實現(xiàn)料箱在不同貨位和工位間高效靈活的自動運輸。

圖1 穿梭車運行示意圖

自動存取貨箱作為穿梭車最核心的功能，它的效率決定了整個穿梭車的運行效率，其在提升倉庫處理貨物能力和效率上非常重要。穿梭車存取準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現(xiàn)更精確的排序，貨箱被貨叉碰撞受損的風險也更低。因此，穿梭車要達到高效率和高安全性的存取貨箱，提高穿梭車存取準確度是關鍵。

2 穿梭車存取準確度影響因素

穿梭車存取準確度與諸多因素相關，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構。穿梭車行走定位主要影響箱子之間的間距，貨叉定位和貨架結構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，穿梭車在貨架內行走主要依靠電動機編碼器和行走輪編碼器反饋作為粗定位，穿梭車根據(jù)編碼器值在將要到達貨位后進行減速，然后在對應貨位的軌道上利用定位片或定位孔進行輔助精定位。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，但有行走輪的摩擦系數(shù)和穿梭車等效運動慣量與驅動電動機的慣量比2個關鍵因素。

1）行走輪硬度

穿梭車行走輪外圈材質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較硬物體表面的微凸對彈性體表面的刮削和壓縮產生了形變，摩擦系數(shù)主要與行走輪的硬度有關系[3]。測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，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，穿梭車在承受相同負載情況下低硬度車輪的變形量就越大，車輪實際周長S1與車輪理論周長S會存在誤差。由于穿梭車行走距離L是以編碼器測量的車輪轉動圈數(shù)n和車輪理論周長S乘積來計算，即L＝n·S，故穿梭車使用低硬度車輪會導致行走距離累計偏差增大。綜上所述，行走輪硬度并非越低越有利于穿梭車定位，而應該考慮穿梭車負載情況和行走速度等綜合因素，選取一個合適的硬度值。對于負載較大，運行加速度較慢的工況可以選用硬度相對較高的輪子，減少車輪變形造成的行走誤差過大的風險；對于負載較輕，運行加速度較快的工況需要選用硬度低一些的車輪，減少車輪打滑的風險，提高定位精度。

表 1 行走輪硬度與摩擦系數(shù)關系

2）負載慣量比

物體慣量是物體保持原來運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質，對于穿梭車系統(tǒng)，電動機動力源與負載之間傳動通常為非剛性傳動，為了獲得更好動態(tài)性能和定位精度，驅動電動機與負載的應適當慣量比。適當?shù)膽T量比主要取決于穿梭車運動曲線和機械傳動剛性，穿梭車加速度越高，機械傳動剛性越硬，則可選用較大慣量比獲得較高動態(tài)性能，電動機的動態(tài)響應力度變強，穿梭車定位更加精準。相反，如果穿梭車機械傳動剛度較低，則選用較小慣量比。適當?shù)膽T量比可使穿梭車電動機和傳動系統(tǒng)較易到達穩(wěn)定的運行狀態(tài)，也能夠較好地確保其控制定位精度。

當穿梭車電動機通過同步帶驅動行走輪時，通過測試可得到如圖2所示曲線圖，由圖可知穿梭加速度與慣量比逞現(xiàn)反比關系，加速度越高要求的慣量比越小。穿梭車如果要達到2 m/s2穩(wěn)定加速度，則穿梭車負載與驅動電機慣量比最好在5:1以內，這樣穿梭車才能精確停在待取貨位進行取貨。當穿梭車負載慣量確定后，更高的加速度意味著需要大慣量的電動機才能保證穿梭車系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，但同時也會增加電動機制造成本，穿梭車加速度并非越高越好，而應該根據(jù)驅動電動機慣量選取一個適當?shù)募铀俣取?/p>

圖2 負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）貨叉結構

穿梭車貨叉通常采用2級差動伸縮結構，由貨叉間的拖動系統(tǒng)與驅動系統(tǒng)配合作為整個傳動系統(tǒng)完成貨叉的差動伸縮動作；驅動系統(tǒng)由電動機進行驅動，拖動系統(tǒng)則通過伸縮滑軌實現(xiàn)2倍的差速運動[4]。貨叉通常都設計為左右對稱安裝，每組貨叉兩端各布置有一個撥桿組件，撥桿由直流電動機驅動可以在垂直初始位置和下方水平存取位置之間旋轉，從而完成對貨箱的推出或勾取動作。

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，還與貨叉的剛度有關。正常情況下X1和X2值可以保證貨叉安全進入，但當貨叉剛度不足時，貨叉伸出進行存取時會左右擺動，貨叉就可能會與貨箱發(fā)生碰撞，造成貨箱姿態(tài)錯誤。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軌行程影響，如果取貨行程為S，由于貨叉為2級差動伸縮結構，通常使用2根貨叉伸縮導軌，則伸縮導軌行程S1需要滿足S1>S/2。目前穿梭車貨叉伸縮導軌普遍采用抽屜式滾珠導軌，其結構圖4所示，整體由內軌、外軌和滾珠保持架組成，其中內軌依靠導軌滾珠保持架的引導進行滑動，內軌運行到滾珠保持架末端時行程結束。正常情況下內軌和滾珠保持架是同步運動，但內軌在多次反向往復運動過程中，滾珠保持架可能會發(fā)生爬行偏移現(xiàn)象，這種逐步的偏移會引起滾珠保持架位置錯亂，使其過早到達內部制動器造成伸縮導軌行程縮短，從而對整個貨叉的行程造成影響。

圖4 貨叉伸縮導軌結構示意圖

為了避免滾珠保持架的爬行現(xiàn)象，貨叉伸縮導軌在經(jīng)過一定次數(shù)伸縮運行后，在空載時采用最大行程運行一次，通過內軌撞擊制動點來自行調整錯誤的位置，達到重新恢復內軌和滾珠保持架的同步運行。另外，伸縮導軌內部需要定期用鋰基潤滑劑潤滑，降低內軌與滾珠的摩擦系數(shù)，減少貨叉運行過程中的阻力。

3）貨叉剛度

穿梭車貨叉在進行存取過程中，主要會受到徑向載荷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，貨叉變成一個懸臂梁，其在自重作用下會發(fā)生懸垂變形。由于貨叉撥桿接觸貨箱的瞬間會產生一個較大的沖擊和振動，貨叉需要承受軸向載荷和傾覆扭矩。貨叉進行存取過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，貨叉就會產生左右擺動影響貨叉與料箱的間距，嚴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軌和固定伸縮導軌的固定板2個主要部件的剛度。伸縮導軌的剛度在短行程時由滾珠的承載能力決定，在長行程時受內軌的剛度影響較大。因此，伸縮導軌寬度越寬其剛度越強，但同時自身質量也會增加。伸縮導軌固定板安裝面的平行度和固定方式也會影響貨叉整體剛度，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，同時又能減輕貨叉自重，貨叉內側伸縮導軌可以選用寬度大的導軌，貨叉外側伸縮導軌選用寬度小的導軌。

2.3 貨架結構影響因素

為了提高存儲密度和倉庫利用率，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，其結構如圖6所示，即貨箱承載功能和穿梭車行走功能融合為一體，主體鋼結構主要包括立柱、行走導軌、貨箱撐條等[5]，這些構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單而成為眾多物流設備生產廠家的首選[6]。這種貨架系統(tǒng)屬于格構式超靜定結構，貨架的穩(wěn)定性和安裝偏差對貨箱的姿態(tài)都會產生影響。

圖6 穿梭式貨架結構示意圖

由于立柱、行走導軌及撐條等部件截面的寬厚比通常為10倍左右，而長細比通常為100倍左右，2根立柱之間的間距過大，行走導軌撓度就會變得較大。由于穿梭車在行走導軌上需要頻繁的啟動和剎車制動，對貨架撐條會產生較大沖擊，此時放置在撐條上的貨箱在高頻沖擊作用力下就會發(fā)生移動。另外，對于長距離巷道，行走導軌需要多根進行對接，若對接處間隙過大，穿梭車在行走導軌上面高速行走時就會產生跳動，這種振動會傳導給貨箱撐條，貨箱在頻繁的振動下就可能會發(fā)生位移，造成貨箱在貨架上的姿態(tài)發(fā)生改變，貨叉進行存取時可能會發(fā)生碰撞事故。

根據(jù)實際應用驗證，立柱截面采用Ω形，行走導軌撓度需要控制在3 mm以內，立柱水平高度偏差在2 mm以內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5個。同時，為了保證穿梭車高速行駛時的穩(wěn)定性，行走導軌整體安裝偏差應小于2 mm，對接處水平偏差應小于0.5 mm，對接處間隙應小于2 mm。另外，貨箱撐條的長度一般不應超過1.5 m，貨箱撐條過長也會造成撓度過大引起貨箱產生位移。

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 結論

1）穿梭車行走定位精度、貨叉定位精度和貨架結構是影響穿梭車存取準確度的主要因素。

2）行走輪硬度和負載慣量比對穿梭車行走定位精度起主導作用，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個主要因素，其中伸縮導軌的爬行現(xiàn)象直接影響貨叉的行程，提出了改進爬行現(xiàn)象的可行措施。

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