面向現(xiàn)代倉儲物流的新型有軌自動化小車結(jié)構優(yōu)化含17張CAD圖紙,面向,現(xiàn)代,倉儲,物流,新型,有軌,自動化,小車,結(jié)構,優(yōu)化,17,cad,圖紙 I面向現(xiàn)代倉儲物流的新型有軌自動化小車結(jié)構優(yōu)化摘要隨著經(jīng)濟全球化與工業(yè)自動化的發(fā)展，倉儲物流在現(xiàn)代經(jīng)濟中扮演著越來愈重的角色。倉庫的空間利用率、存取貨物的快速化成為倉儲研究的主要方向。通過高效的倉儲活動，可以使企業(yè)在物流環(huán)節(jié)中節(jié)約成本，并且提高產(chǎn)值。為了達到這一目的，則需設計出更新型的倉儲取貨送貨小車，研究出更合理的貨物排布方式。有軌自動化小車具有智能化、柔性、自動化等特點，它是應用于現(xiàn)代化立體倉庫的自動搬運設備。有軌自動化小車可以使貨物在不同貨位之間的運送更加靈活、高效。因此包括貨架在內(nèi)的整條輸送系統(tǒng)的布局也更加緊湊、簡捷，從而使得貨物的輸送效率得到了大大的提升。本課題從實際需求出發(fā)，并針對現(xiàn)代新型倉儲物流的發(fā)展現(xiàn)狀，開發(fā)具有方便存儲貨物，運行靈活，維護方便的有軌自動化小車。設計并改進優(yōu)化小車運動（外車）及存取貨（內(nèi)車）機構，通過方案比較分析，實現(xiàn)設計優(yōu)化，給出設計模型并進行動力學分析。關鍵詞：存取貨機構，結(jié)構優(yōu)化，新型創(chuàng)新，動力學分析IITHE STRUCTURE OPTIMIZATION OF AUTOMATIC VEHICLE FOR MODERN WAREHOUSING LOGISTICSABSTRACTWith the development of economic globalization and the development of industrial automation, warehousing logistics plays a more and more important role in modern economy. The space utilization rate of the warehouse and the fast storage of the goods are the main directions of the storage research. Through efficient warehousing activities, can make enterprises in the logistics link to save costs, and improve the output value. In order to achieve this goal, you need to design the update type storage pickup and delivery vehicle, a more reasonable arrangement of goods.The automatic shuttle system is an automatic handling device which is used in the modern three-dimensional warehouse, it has the characteristics of flexibility and automation. In the application of the rail automatic shuttle occasion, delivery of goods in different space between more flexible and agile. Transmission line layout is also more compact and simple, so that the transmission efficiency of the goods has been greatly improved.This topic for the development of modern intensive warehousing logistics status, and according to the actual needs of the development of a convenient storage of goods, flexible operation, convenient maintenance of the track automation car. Design and improve the optimization of the car (outside the car) and access to the goods (internal) mechanism, through the comparative analysis of the program, to achieve the design IIIoptimization, design model is given and the dynamic analysis.Key words: access goods， mechanism structure optimization， new innovation， dynamics analysisIV目 錄1 緒論 11.1 課題研究背景 .11.1.1 物流概述 11.1.2 有軌自動化小車 21.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 .41.3 課題研究內(nèi)容及意義 .51.3.1 課題的研究內(nèi)容 51.3.2 課題的研究意義 6V1.4 本章小結(jié) .62 新型有軌自動化小車結(jié)構優(yōu)化 72.1 有軌自動化小車的總體設計 .72.1.1 小車總體性能要求 72.1.2 小車抓取機構設計與方案對比 82.2 小車主要執(zhí)行部件設計 .152.2.1 貨叉結(jié)構及功能 152.2.2 轉(zhuǎn)臺的結(jié)構優(yōu)化 182.3 小車功能及性能分析 .182.3.1 小車功能分析 182.3.2 小車性能分析 192.4 倉儲方案創(chuàng)新思路 .192.5 本章小結(jié) .203 有軌自動化小車的 ABAQUS 運動學仿真 .213.1 ABAQUS 簡介 .213.2 ABAQUS 小車仿真模型的建立 .213.3 ABAQUS 仿真主要操作步驟 223.4 自動化小車系統(tǒng)仿真及結(jié)果 .253.5 原因分析及設計改進 .293.6 本章小結(jié) .294 結(jié)論及展望 304.1 工作結(jié)論 .304.2 不足與展望 .31參考文獻 32VI致謝 3411 緒論1.1 課題研究背景1.1.1 物流概述物流是以倉儲為中心的一個現(xiàn)代化概念，作為現(xiàn)代化新型服務產(chǎn)業(yè)，物流具有無限的發(fā)展?jié)摿涂臻g。隨著現(xiàn)代物流業(yè)發(fā)展水平的提升，物流正日益受到各國的重視。在國際上，物流被認為是國民經(jīng)濟發(fā)展的動脈，被視為繼原材料、勞動力之外的“ 第三方利潤源泉 ”。在中國，物流行業(yè)的發(fā)展起步晚，但發(fā)展速度正日益加快，這對于增強企業(yè)競爭力、優(yōu)化資源配置、提高經(jīng)濟運行質(zhì)量、推動國民經(jīng)濟持續(xù)良好發(fā)展具有十分重要的意義 [1]。在物流的所有環(huán)節(jié)中，倉儲無疑是最基礎的。隨著現(xiàn)代化物流的發(fā)展，單憑依靠人工手動操作和依靠叉車等設備進行存取貨的倉儲模式已經(jīng)過時。為了研究出更高的存儲效率和更高的空間利用率，增強倉儲能力，實現(xiàn)貨物搬運、存取的智能化和自動化，各國紛紛提出新的課題，并進行研究。因此，研究出更高效和密集的倉儲模式已變的十分必要?，F(xiàn)代化倉儲由立體貨架、智能搬運設備和計算機管理與控制系統(tǒng)等組成。其中，智能搬運設備作為物流操作的執(zhí)行部分，其智能化和自動化程度直接影響著現(xiàn)代化倉儲物流的效率。傳統(tǒng)的搬運設備包括：輸送帶、升降機、叉車、堆垛機等等。雖然具有一定的自動化能力，但依然不能滿足新的倉儲模式的需求。2圖 1-1 電動堆垛車（蓋式貨叉）為了滿足這一需求，面向現(xiàn)代化倉儲物流的自動化小車的研究得到越來越多的關注。自動化小車不僅具有高度的靈活性，而且能夠兼顧智能化和自動化的雙重要求，是智能搬運裝備發(fā)展的新方向，也因此成為物流領域內(nèi)比較熱門的研究課題。 本文就以此背景對有軌自動化小車結(jié)構進行設計和優(yōu)化，從而實現(xiàn)存取貨安全、平穩(wěn)、快速。為新型有軌自動化小車的應用做好前期準備。1.1.2 有軌自動化小車有軌自動化小車（RGV-Rail Guided Vehicle，以下簡稱 RGV）又被稱作穿梭車，在現(xiàn)代化物流系統(tǒng)中廣泛應用于立體倉庫，作為其主要輸送設備。隨著工業(yè) 4.0 的不斷推進，目前柔性制造系統(tǒng)(簡稱 FMS:F1exible Manufacture System)以及工廠自動化(簡稱 FA)計算機集成系統(tǒng) (簡稱 CIMS)技術的發(fā)展，被越來越多的人關注?，F(xiàn)代化穿梭車集自動化和智能化于一體，可以通過半自動或全自動控制，進行往復運動，不斷接收物料，將物料存入立體倉庫，并且將所需物料運出倉庫等一系列動作。其主要應用于現(xiàn)代自動化物流系統(tǒng)中高速、高效的倉儲模式。有軌自動化小車主要由控制系統(tǒng)、運輸機構、存取貨機構組成。在控制方面，通過編程讓其完美穿梭于立體貨架，智能化控制其按照最高效的路徑運行。在運輸方面，運輸機構的設計約束了它穿梭于貨架的最大效率，并且也是保證安全性的基礎。與它們相比，存取貨機構作為最直接執(zhí)行部分，它的設計比較靈活，但優(yōu)化起來也比較難，不僅要考慮貨物的信息，還要滿足噪聲、安全性、平穩(wěn)性的需求，而且要考慮成本和效率。3有軌自動化小車的優(yōu)勢如下：有軌自動化小車相對于傳統(tǒng)的物料輸送機有很多優(yōu)點，可以從以下幾個方面體現(xiàn)出來:(1) 有軌自動化小車是集自動化和智能于一體的現(xiàn)代化產(chǎn)品，它可以根據(jù)倉儲系統(tǒng)的要求，設定高效的調(diào)度原則來取送各物料輸送帶上的貨物，并且可以隨時更改新的指令。(2) 有軌自動化小車的結(jié)構更加靈活，對于現(xiàn)代倉儲的存取貨需求，可以完美的適應各種貨架，實現(xiàn)高效的作業(yè)。(3) 有軌自動化小車在性能等方面也比傳統(tǒng)物料輸送有優(yōu)勢，因為可以通過不同結(jié)構來完成作業(yè)，相比傳統(tǒng)成熟的結(jié)構，它的發(fā)揮空間更大。有軌自動化小車的基本功能主要有以下幾點：(1) 水平、豎直平穩(wěn)快速的行走。(2) 精確定位，并確定存物料的方位，然后以適當?shù)乃俣鹊竭_目的地。(3) 全方位通訊功能：與上位機以及地面輸送系統(tǒng)之間的通訊。(4) 在電氣和機械方面的防護功能。(5) 人機界面，通過觸摸屏或操作面板輸入信號，并反饋運動狀態(tài)。有軌自動化小車的結(jié)構主要由車架、運行驅(qū)動、升降、存取貨等裝置組成。車架作為承載其他結(jié)構的主體，主要由鈑金焊接而成。行走驅(qū)動裝置主要由傳動軸、驅(qū)動輪和驅(qū)動電機等機構組成。行走驅(qū)動裝置主要在導軌上依靠摩擦力行走，在運送物料的時候，需要保證一定的承重，需要特殊的材料以延長輪子的使用壽命，并且在轉(zhuǎn)向時也要有一定的靈活度，在做升降運動時保持穩(wěn)定性。升降裝置主要由傳動軸、升降輪、升降帶及升降電機組成?？紤]到升降的速度與平穩(wěn)，升降帶不可以用普通的鋼絲繩。對于存取貨裝置，一般存在于內(nèi)車，其材料不可以過重，但是要有一定的硬度。并且，對于不同的場合有不同的形式。4主要認址裝置是 RGV 小車出入庫以及存取貨時的定位信號裝置，為了讓RGV 小車達到一定的定位精度、安全性以及運行平穩(wěn)性，這里首選激光認址裝置。RGV 小車的電氣控制系統(tǒng)主要有：主控器 PLC 一套，這里采用西門子 S7-313C 型 PLC，用來對 RGV 小車的全部動作和通訊進行控制；可充電電池一個，為了給無線 RGV 小車的電氣控制系統(tǒng)提供電源；行走直流電機一臺，用來驅(qū)動 RGV 小車在軌道上水平行走；無線通訊控制器一個，用來操作 RGV 小車的具體動作，在此操作下 RGV 小車可完成多段速直線行走、取貨和送貨等要求。有軌自動化小車的分類一般來說，有如下幾種：沒有軌道的可稱為自動導引車(AGV)，沿著固定的軌道行走的可稱為有軌自動化小車(RGV)，在空中進行輸送物料的可稱為懸掛小車(EMS)。 從軌道形式上來說，有軌自動化小車還可分為往復式直行有軌自動化小車、環(huán)行有軌自動化小車以及轉(zhuǎn)軌有軌自動化小車：往復直行的有軌自動化小車在電控系統(tǒng)的控制下，可通過激光測距、編碼器等認址方式于各個工位精確定位，接受物料后可進行往復穿梭運輸，主要應用于現(xiàn)代化物流系統(tǒng)中高速、高效的平面自動化輸送，具有高度的靈活性。環(huán)行有軌自動化小車可以在同一軌道上運行多輛 RGV 小車，可以大大提高搬運效率，是有軌自動化小車目前發(fā)展的趨勢。轉(zhuǎn)軌有軌自動化小車是一種新型雙軌貨物搬運穿梭車，在電控系統(tǒng)的操控下，可以在 T 形或 Y 形的岔道的曲線路徑上進行往返運動，實現(xiàn)物料搬運功能。對于不同的物料，可以通過配置不同形式的輸送裝置來滿足輸送要求。根據(jù)同一軌道上小車的數(shù)量，倉儲物流系統(tǒng)的新型有軌自動化小車的控制技術可以分為單車、雙車和多車控制；根據(jù)有軌自動化小車本身機械結(jié)構的不同，也可以分為單載貨臺與雙載貨臺小車，帶貨叉小車控制與不帶貨叉的小車控制的控制等等。1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀5國外對有軌自動化小車的研究比較早，在有軌自動化小車的機械性能等方面已經(jīng)具有十分成熟的技術，現(xiàn)在大多開始向智能化發(fā)展來滿足特殊條件下的不同需求。相比之下，國內(nèi)對自動化的研究還處于初期，大多還屬于對國外產(chǎn)品的模仿階段。經(jīng)過近幾年的研究，國內(nèi)取得了一些成功案例。韓國 SHIN HEUNG MACHINE 公司生產(chǎn)的一種 RGV 小車，安全性能較其他優(yōu)越。車輛的速度會因為檢測到小車前有障礙物而降低，距離小于 60 毫米則立即停止。而且負載不在正確的位置或者在電機過載情況下，車輛也不會移動，還會發(fā)出警報。車輛可以重新定位，直到找到正確的位置 [2]。美國 Dematic 公司早在 2000 年設計的有軌自動化小車 Multishuttle ，采用的是模塊化的構造，可以根據(jù)各種生產(chǎn)量和訂單要求進行后期配置。模塊化設計使其部件相對較少、運行精確度更高且拆裝方便。在噪聲方面也得到了優(yōu)化，維修起來更加方便 [12]。在 2001 年， Swisslog 集團的 Transnorm 公司在瑞典 Boxholm 工廠開發(fā)了一種新型堆垛機式有軌自動化小車。它被設計是專門為 Vectura 系列小型存取設備(SRM)服務的，可與高度達 20m 的堆垛機配合作業(yè)。該車通過變頻器來控制行駛，實現(xiàn)了最大的運動速度和最佳定位精度。由于轉(zhuǎn)軌系統(tǒng)處理循環(huán)時間很短，可用作 SRM 巷道來轉(zhuǎn)移 RGV 小車，也可裝上托盤輸送機而成為輸送終端，用作緩沖裝置和出庫/入庫站 [3]。在 2001 年，昆明船舶公司研發(fā)了雙軌直線型 RGV 小車，它的主要參數(shù)：行走速度(100～180)m/min，輸送速度(12～15)m/min，加速度(0.3～0.5)m/s 2，行走定位精度±5mm [4]。在 2002 年，該公司設計出單軌環(huán)行 RGV 小車，這種小車是應用單工位單軌環(huán)形鋁合金軌道，以此提高了作業(yè)效率 [5]。在 2003 年，該公司設計出軌道式直線型雙工位 RGV 小車，這種小車由車體、車體行走機構、橫向輸送裝置、縱向輸送裝置、升降機構、旋轉(zhuǎn)機構等組成，它可以兩個工位同時輸送，以此又提高了輸送效率 [6]。在 2004 年，太原剛玉物流工程有限公司研發(fā)設計出一款 RGV 小車，解決了輸送裝置存在的設備數(shù)量多、故障率高、控制復雜、效率低等技術難關。在6原有直線型 RGV 小車功能的基礎上增加了拆盤功能，主要由升降托板和升降機構組成。并且增加了可以對托盤和貨物的外形進行檢測的裝置 [7]。值得一提的是，英峰集團自主研發(fā)的新概念子母穿梭車式立體倉庫。該立體倉庫可實現(xiàn)托盤貨物在貨架上密集的存放，并且通過 WMS/WCS 控制系統(tǒng)即可對子母車、提升機、輸送機等實現(xiàn)全自動化的操作，無需叉車通道和輔助空間。此新型倉庫極大的提高了物料擺放的的密度，還節(jié)省叉車存取物料以及人工手動操作的時間。既滿足了客戶對物料高密度存儲的需求，也進一步提高了存取的效率 [8]。圖 1-2 英峰工業(yè)穿梭車（四輪車型）1.3 課題研究內(nèi)容及意義1.3.1 課題的研究內(nèi)容本文的主要研究的內(nèi)容主要分為四章：第一章 主要分析了國內(nèi)外有軌自動化小車的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向并闡述了本文所要研究的背景和意義，最后介紹了全文的研究要點及結(jié)構安排。第二章 根據(jù)本課題所研究的有軌自動化小車的實際需求，提出并對比了三套 RGV 小車方案，并重點設計了其中的最優(yōu)方案，對其子車的主要執(zhí)行部件和其余零部件等進行了改進，完成了方案優(yōu)化。7第三章 應用 ABAQUS 對設計機構進行靜力學仿真分析以及動力學仿真分析。考慮了軌道、貨物、振動等對有軌自動化小車的運動學動力學影響。制作了用于仿真的模型，使仿真軟件更順利地做出分析，為有軌自動化小車的精確仿真奠定了基礎。通過對主要執(zhí)行機構的仿真分析，發(fā)現(xiàn)了一些設計方面的不足，進而優(yōu)化了有軌自動化小車的結(jié)構，并再次通過分析找出了有軌自動化小車其他方面的不足，從而提出了改進措施。第四章 對全文進行總結(jié)，分析在現(xiàn)代化倉儲物流的發(fā)展趨勢下自動化小車的發(fā)展方向。并且，針對新型自動化小車倉儲方案進行展望，提出新的改進方向以供后續(xù)的研究做參考。1.3.2 課題的研究意義有軌自動化小車是現(xiàn)代化倉儲的重要執(zhí)行設備，自動化小車可以實現(xiàn)無需人員操作，并且運行速度快，大大降低了倉庫管理人員的任務量，提高了勞動生產(chǎn)的效率 [9]。 通過本課題研究開發(fā)新型的有軌自動化小車，并進行優(yōu)化，可以為企業(yè)提供新的發(fā)展動力。通過研發(fā)新型有軌自動化小車，不僅可以積累到設計經(jīng)驗，還可獲得設計核心數(shù)據(jù)并且掌握關鍵技術，為更先進的有軌自動化小車的研發(fā)奠定了基礎。使我國現(xiàn)代物流技術的發(fā)展也加快了步伐，對于提高物流裝備的技術水平，以及搶占自動化小車的行業(yè)先機具有十分重要的意義。作為學生，完成本課題的同時我們也將受到設計、計算和繪圖、專業(yè)知識的應用、調(diào)查研究、查閱文獻、總結(jié)提高、撰寫論文與設計說明的能力的綜合訓練。1.4 本章小結(jié)本章主要通過介紹現(xiàn)代倉儲物流，提出了有軌自動化小車研究的背景，并詳細談了國內(nèi)外的有軌自動化小車的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，最后介紹了本文的內(nèi)容和結(jié)構安排以及課題的研究意義。82 新型有軌自動化小車結(jié)構優(yōu)化2.1 有軌自動化小車的總體設計RGV 小車具有自動化、柔性以及高速靈活等特點，所以近年來在汽車、煙草等行業(yè)應用越來越廣泛。但是，現(xiàn)代化立體倉庫多種多樣，對有軌自動化小車的要求不一，所以需要設計多種不同結(jié)構的小車來滿足現(xiàn)代化倉儲物流的需要。由于實際情況的不同，有軌自動化小車的設計也會有所不同。本課題研究的是三維立體倉儲模式下的新型有軌自動化小車。其機械部分應具備控制水平運行（外車） 、進行升降動作及存取貨（內(nèi)車） 、電氣和機械的保護功能等。故小車主要由驅(qū)動裝置、升降裝置和存取貨裝置三部分組成：外車身主要由車殼、正蓋、側(cè)蓋、隔板等組成，負責內(nèi)車及控制系統(tǒng)的承載、安全等功能。內(nèi)車身主要由外殼、底板、托盤、轉(zhuǎn)盤等零部件組成，負責物料的承載、安全等功能。其中驅(qū)動裝置主要由驅(qū)動電機、驅(qū)動軸、驅(qū)動輪、從動輪等零件組成，主要用于讓 RGV 小車在貨架上方平面直線行走、精確定位等功能。升降裝置主要由伺服電機、起吊軸、卷帶輪等零部件組成，主要負責 RGV小車的內(nèi)車在貨架豎井中進行升降運動。92.1.1 小車總體性能要求圖 2-1 三維立體貨架及 RGV 小車根據(jù)課題要求，本文研究的新型有軌自動化小車是在三維立體貨架中的穿梭類的有軌自動化小車，如圖 2-1 所示，其要求有以下幾點：(1) 整車由內(nèi)外車組成，外車可在貨架上以 10m/s 的速度平穩(wěn)的直線運行，內(nèi)車可做升降運動。 (2) 對整車要求維護簡便，噪音低，保證安全平穩(wěn)。(3) 小車額定載重為 10kg，要求采用升降裝置可以使小車能夠托起較重的貨物，且耗能低。(4) 內(nèi)車自重在 5kg 左右，以節(jié)省能耗，延長其工作壽命。(5) 小車存取貨要在保持平穩(wěn)及安全的基礎上進行縮短，以增加其運行效率。(6) 小車模型設計寬度為 438mm 左右（包括外殼） ，小車輪距為 350mm。(7) 托盤尺寸為直徑 288mm，小車尺寸不大于托盤尺寸。(8) 內(nèi)車外壁設有防撞結(jié)構，保證小車升降平穩(wěn)、安全。(9) 外車設有 LED 按鈕，可方便現(xiàn)場工作人員操作小車。10(10) 應用電池作為驅(qū)動能源，可用標準電源插座進行充電。(11) 小車可自動運行和通過遠程遙控，操作簡單方便。2.1.2 小車抓取機構設計與方案對比根據(jù)目標要求，小車的額定載重為 10kg 左右，在車身尺寸、貨架尺寸的限制下，需設計一套新的存取貨機構來提高其原有性能。即能原有尺寸不變的情況下增加載重和存取貨能力，與此同時保證安全平穩(wěn)運行，這是本課題的重點。本文按照存取貨機構的不同對比了 3 種方案，分別為夾抱式、吸盤式、貨叉式，具體方案如下：方案一、夾抱式存取貨方案：圖 2-2 夾抱式方案樣機圖 2-3 齒輪齒條結(jié)構11夾抱式是之前研究的一種取貨形式，主要由車體、伸縮臂、齒輪齒條結(jié)構、伺服驅(qū)動系統(tǒng)等組成。其工作原理是通過電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，然后齒輪帶動齒條使伸縮臂完成伸縮動作。當伸縮臂到達貨箱兩側(cè)時，伺服驅(qū)動兩邊車體進行夾抱，將貨物運到車上。圖 2-4 夾抱式小車工作原理圖此方案優(yōu)點是伸縮臂通過齒條的延伸可以足夠?qū)⒇浳飱A抱，并且運行平穩(wěn)，可以將較重貨物拖拽到車體內(nèi)。缺點是兩邊車體所占空間較大，移動范圍也比較大，不適合在立體車庫豎夾板伸出車體相對行走12井內(nèi)完成一系列動作，所以不使用豎井式三維立體倉儲模式。方案二、吸盤式存取貨方案：圖 2-5 吸盤式內(nèi)車總圖圖 2-6 吸盤式原理圖這套方案也是以前的研究：采用搖桿帶動吸盤，通過對舵機的控制使之在往復運動旋轉(zhuǎn)往復運動13滑軌上移動來完成存取貨全過程的往復運動。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。在貨箱上安裝被吸附裝置，以通斷電的方式控制吸盤磁力的有無。該機構由舵機、搖桿、吸盤等部分組成。舵機以及吸盤通過搖桿軸與之相連，舵機轉(zhuǎn)動帶動搖桿軸，搖桿軸相對搖桿進行直線移動將力傳達到搖桿上。搖桿再將力傳達給另一個搖桿軸，此搖桿軸與吸盤相連進而將力傳達到吸盤，吸盤連接滑塊在滑軌上做直線運行。轉(zhuǎn)盤可隨著中心的大舵機進行轉(zhuǎn)動，同時帶動吸盤進行轉(zhuǎn)向。下面對吸盤式可提供的不同載重量進行分析。電磁吸盤的規(guī)格有很多，按照吸力大小劃分，可分為普通吸力和強力。本文中選用的電磁吸盤是圓吸盤，吸盤直徑為 D，圓截面的面積 S 可表示為：S=π（??/2 ） 2 （2-1）這里單位取厘米。假設電磁吸盤每平方厘米的吸力為 T，則電磁吸盤的最大負載 F 可表示為：F=ST=π（??/2） 2?? （2-2）如果貨箱在貨板上滑動，則電磁吸盤負載與貨箱載重量之間的關系可表示為：μmg=F=π（??/2） 2?? （2-3） 即：m=π（??/2） 2??/???? （2-4） 14根據(jù)實際貨箱與貨架的材料，本文選取滑動摩擦系數(shù)μ值為0.18，g取值為9.8N/kg，通過計算可知不同型號電磁吸盤的參數(shù)與貨箱載重量之間的負載分析如下表2-1 所示：表2-1 電磁吸盤負載對比電磁吸盤的型號 D/cm F/N m/kgZYE1-P 25/20 2.5 50 28.34ZYE1-P 34/18 3.4 180 102.04ZYE1-P 49/21 4.9 400 226.76ZYE1-P 50/27 5.0 500 283.47由此表格我們可知，吸盤式優(yōu)點是達到了要求的吸附力，并且此結(jié)構加工難度小，比較容易做出實物。但是其搖桿結(jié)構提供的力太小，并不能達到吸盤所需要的的拉力需求，并且對貨箱結(jié)構和材料要求也比較苛刻，單軸吸附也不能保證平穩(wěn)且快速運行，對于吸盤的伸長度也不能保證。15方案三、貨叉式存取貨方案：圖 2-7 貨叉式內(nèi)車總圖 圖 2-8 貨叉結(jié)構圖貨叉式作為最傳統(tǒng)的抓取機構，已經(jīng)廣泛應用于各類行業(yè)中，它的承重以及穩(wěn)定性都已經(jīng)有了比較成熟且系統(tǒng)的研究結(jié)果。 ，貨叉式工作原理為：貨叉伸插到貨物底端，抬起貨箱，并攜帶貨物收回。在這個過程中，貨叉會受到來自貨物和貨箱的力矩，會造成載貨平臺提升過程中整體傾覆。對于此課題，通過內(nèi)車與貨架的連接，可以避免傾覆。同時通過改進，可以將貨叉設計成勾取裝置。而把“抬起”的動作變成為輔助動作：無需完全抬起，只為減少摩擦力，方便貨物更容易被勾回內(nèi)車，本文將展開此方案來做一些改進，并進行仿真分析。16接下來討論，如何完成貨叉的伸縮動作：(1) 無桿氣缸作為動力：圖 2-9 無桿氣缸圖無桿氣缸介紹： 無桿氣缸里面有活塞，沒有活塞桿，活塞裝置在導軌里，外部負載給活塞相連，運行主要靠進氣。氣缸內(nèi)部的永磁鐵帶動活塞桿外部的另一個磁體來運動。磁環(huán)的吸力一定要與氣缸活塞的推力相應。無桿氣缸氣缸兩邊都是空心的，它和普通氣缸的的工作原理一樣,但是外部連接、密封形式有所不同。就目前無桿氣缸的發(fā)展，氣缸型號多種多樣，足夠滿足課題的要求。通過氣缸滑塊與貨叉相連作為推動，通過對氣壓的控制不僅可以定位誤差的伸長量，還可以改變其運行速度，以及拖拽能力。無桿氣缸工作原理：如圖 2-10，無桿氣缸作為動力輸出。氣缸滑塊與貨叉相連，隨著氣缸滑塊往復運動，完成貨叉的伸出與縮回運動，進而完成存取貨。同時，通過對氣壓的調(diào)節(jié)，可以改變氣缸滑塊運動的速度，同時改變貨叉的推力和拉力，提高貨叉的工作性能。17圖 2-10 無桿氣缸工作原理圖（2）絲杠螺母作為動力：圖 2-11 絲杠螺母結(jié)構圖氣缸滑塊往復運動18絲杠螺母介紹：其傳動是由絲杠及螺母兩部分配套完成，在伺服電機驅(qū)動下，此套傳動可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，并且該運動是目前傳動機械中精度最高，而且該裝置也是最常見的傳動裝置。絲杠螺母工作原理：圖 2-12 絲杠螺母原理圖如圖 2-12，隨著伺服的轉(zhuǎn)動，帶動絲桿轉(zhuǎn)動，從而讓螺母帶著貨叉直線運動。通過控制伺服的正反轉(zhuǎn)來控制貨叉的伸縮，從而達到存取貨的目的。由此可見，其優(yōu)點是控制精度高，運行平穩(wěn)，并且傳遞的力也可以滿足對貨物的拖動。通過伺服電機控制，噪聲比其他機構都要少很多。但是，缺點是尾端需要安裝伺服電機來驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)，縮短了貨叉的運行長度。對于以上三個方案進行對比如下：方案一雖然伸縮臂通過齒條的延伸可以足夠?qū)⒇浳飱A抱，并且運行平穩(wěn)，可以將較重貨物拖拽到車體內(nèi)，但是受空間影響，兩邊車體所占空間過大，如果設計過薄則不能保證伸長量和夾抱力。其次齒輪齒條噪聲相對較大，并且由于存取貨對貨箱產(chǎn)生摩擦易使貨箱受損，因此不適用。方案二的吸盤吸附力雖然符合要求，但對貨箱結(jié)構和材料要求苛刻，其次搖桿提供的拉力不能滿足吸盤的需求，而且，單軸吸附也不能保證平穩(wěn)且快速往復運動19運行，吸盤的伸長量受局限，因而此方案也不適用。方案三采取對原始的貨叉結(jié)構加以改進，可以連同托盤抬起貨物并勾回內(nèi)車，并且采取無桿氣缸和絲杠螺母作為動力，可以保證伸長量的同時運行平穩(wěn)，并且拉力都可以達到要求。相比絲杠螺母，無桿氣缸作為動力效率更高，氣動成本較低，所以本文主要選擇用無桿氣缸作為貨叉式方案的動力輸出。下文主要對具體設計及其工作原理進行一些介紹。2.2 小車主要執(zhí)行部件設計2.2.1 貨叉的結(jié)構及功能如圖 2-7，貨叉主要結(jié)構主要由鉤塊和叉體構成，大體結(jié)構和功能和普通的貨叉類似。一般如：叉車、液壓車、堆垛機等都是通過頂升，將貨物抬起來運輸?shù)侥康牡?。而本文中介紹的貨叉由于要防止傾覆的可能，需要一個勾取機構，如圖 2-13 所示：圖 2-13 貨叉勾取部分此勾取部分與吸盤式結(jié)構所需的貨箱有所區(qū)別，目前大多數(shù)貨物都是存放在托盤上，所以這里需要將貨箱放在托盤上如圖 2-15，貨叉可以伸入托盤下面然后通過升降裝置使托盤和貨箱被抬起，利用貨叉頂端的勾取結(jié)構將托盤和貨箱拉到內(nèi)車。在勾取部分增加鉤塊，主要用于增加貨叉與貨箱的接觸面積，方便勾取。鉤塊上下運動鉤塊20當貨叉伸入貨箱底部并向上頂升時，鉤塊接觸貨箱底面，將鉤塊里端下壓，利用杠桿原理提升勾取部分的高度以達到與貨箱增大接觸面積。鉤塊主要通過銷連接，然后一端與彈簧連接。正常狀態(tài)下，彈簧將鉤塊頂起，如圖 2-14。圖 2-14 鉤塊結(jié)構圖為了在滿足承重要求的情況下平穩(wěn)并安全的運行，此時的貨叉不同于一般貨叉，因為內(nèi)車總重量的要求在 5kg 左右，貨叉不可過重，并且如果貨叉過重，其自身所受的力矩也會增大，這樣就導致承重能力減小。21圖 2-15 貨箱結(jié)構圖為了排除更多的自身因素，這里需要為貨叉減輕重量。如圖 2-8，叉體的承重面可以穿透，并且貨叉的厚度也要減小。為了可以保證承重，在貨叉板下面設計了筋來提高承重能力。貨叉的材料選擇 40Cr 合金鋼。圖 2-16 鉤塊上升工作原理圖圖 2-17 鉤塊下降工作原理圖鉤塊升降原理如圖 2-16 和圖 2-17，載貨時，鉤塊由于貨箱的下壓而上升，空載時，在彈簧的彈力下，鉤塊勾取部分下降。綜上所述貨叉功能主要有如下幾點：（1） 貨叉到達貨箱底部（2） 貨叉上升抬起貨箱（3） 貨叉勾取部分勾住貨箱22（4） 貨叉載貨鉤塊勾取部分上升（5） 貨叉空載鉤塊勾取部分下降2.2.2 轉(zhuǎn)臺的結(jié)構優(yōu)化以前的吸盤式設計方案為單軌，并且軌道在轉(zhuǎn)盤上，只有吸盤露出完成隔空吸附貨箱，吸盤無需伸入貨架之中。而貨叉式需要把貨叉伸入貨架之中，并且需要運行一段距離。由于內(nèi)車運行中需要有轉(zhuǎn)動功能，所以貨叉不可以內(nèi)置。這里將滑軌和貨叉一同放在上托盤上如圖 2-7。2.3小車功能及性能分析2.3.1 小車功能分析以小車取貨過程為例進行描述：首先，小車由初始 A 到達指定位置 B（X，Y）如圖 2-18。圖 2-18 外車在立體貨架平面運行 圖 2-19 內(nèi)車下降至存取貨位置 C23然后，小車內(nèi)車下降至取貨位置 C（X，Y，Z） ，伸出貨叉，如圖 2-19。外車拉動內(nèi)車上升，使貨叉勾住貨箱，貨叉縮回，貨箱到達內(nèi)車。外車繼續(xù)拉動內(nèi)車上升，回到 B 點，帶內(nèi)車及貨物在貨架上平面繼續(xù)行走。 （小車存貨同理）圖 2-20 內(nèi)車存取貨平面圖如圖 2-20，內(nèi)車通過內(nèi)車轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)方向，可以選擇 D、E 、F 、G 四個位置進行存取貨。2.3.2 小車性能分析這里，通過單片機或者 PLC 控制，小車的運動可以實現(xiàn)自動化，如卸貨可以輸入卸貨的命令，然后輸入初始位置坐標以及貨物位置的坐標。如果是取貨，輸入取貨命令，然后輸入初始位置坐標，貨物位置坐標以及需要把貨物運送到的位置的坐標。小車運動過程中，可以依靠傳感器進行加速、減速和勻速運動。2.4倉儲方案創(chuàng)新思路目前研究的是導軌式自動化小車，即外車在貨架上平面按照軌道行走，內(nèi)車在豎井里沿著軌道完成升降動作。此方式可以保證平穩(wěn)性，并且經(jīng)過驗證，可以通過計算和設計完成想要達到的效果。24圖 2-21 導軌式 圖 2-22 天車式在此基礎上，本文進一步提出天車式自動化小車，即將內(nèi)車外車于一體，以天車的形式來完成運行。此方案較導軌式更加靈活，并且運行效率可以得到大大的提升。但是以前的課題對此方案有所研究，認為存在技術難關，以及穩(wěn)定性難以得到保障，這里展開一些設想。 圖 2-23 多套 EMS 自動化小車系統(tǒng)基于以上天車式中較難安置多套 EMS 自動化小車系統(tǒng)，有如下設想：由于這種方案減少了一些復雜結(jié)構，從而車體的質(zhì)量也大大減輕，可以在貨架上方增加一些立柱以支撐航道。2.5 本章小結(jié)本章主要對小車內(nèi)車的存取貨方案進行對比，通過比較分析選擇對貨叉式存取貨方案展開設計與討論，并講述了主要執(zhí)行機構的設計原理，以及一些關于新型倉儲方案的思考，在最后描述了小車的存取貨路線。