面向成品糧立體倉庫的*四向穿梭車研究與開發(fā)

李 麗，武照云，張毓蘭，牛紅賓

（1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

成品糧自動化立體倉庫是一種利用高層貨架來存儲成品糧 （袋裝大米、袋裝面粉等）的新型倉儲設(shè)施。目前，我國成品糧立體倉庫的建設(shè)剛剛起步，其體系還不完善，特別是適用于糧袋貨物的自動化搬運設(shè)備非常匱乏。

在機(jī)械、煙草、醫(yī)藥等行業(yè)領(lǐng)域的自動化立體倉庫中，應(yīng)用最廣泛的貨物存取設(shè)備是過去傳統(tǒng)的堆垛機(jī)和近些年興起的穿梭車。四向穿梭車是目前技術(shù)水平最先進(jìn)的新一代穿梭車產(chǎn)品，與只能做直線往復(fù)運動的多層穿梭車和子母穿梭車相比，四向穿梭車可在立體貨架的交叉軌道上沿縱向 （Y+；Y-）軌道或橫向 （X+；X-）軌道任意行駛，從而實現(xiàn)跨巷道高效靈活作業(yè)；通過智能控制技術(shù)，可完成運行調(diào)度、貨位分配、路徑規(guī)劃等復(fù)雜功能，從而實現(xiàn)貨物存取效率最大化[1-2]。

雖然四向穿梭車結(jié)構(gòu)新穎、性能出色，但是在面向成品糧立體倉庫的應(yīng)用中卻存在不足，主要原因有4 個方面：一是袋裝大米、袋裝面粉等糧袋貨物大多為托盤承載，碼垛成型，因而整體高度較高、體積較大、質(zhì)量較重，屬于大型重載貨物；二是由于沒有貨物料箱，因此對穿梭車的運行平穩(wěn)性要求較高，以防糧袋貨物掉落或發(fā)生側(cè)翻；三是由于存取貨物是糧食，因此要求穿梭車設(shè)備安全衛(wèi)生性好；四是糧食出入庫作業(yè)頻次高、吞吐量大，要有較高的智能調(diào)度性能和訂單處理能力，并且要考慮糧食保質(zhì)期問題。由此可見，成品糧立體倉庫對四向穿梭車的應(yīng)用提出了特定使用要求，然而對于這些特定使用要求，目前大多數(shù)穿梭車設(shè)備卻無法滿足[3-4]。

因此，立足于我國成品糧現(xiàn)代化倉儲的行業(yè)需求，并針對目前穿梭車設(shè)備存在的不足與問題，本文以新型四向穿梭車為研發(fā)對象，以大型化、重載化、平穩(wěn)性、高效率、智能化、安全衛(wèi)生等為目標(biāo)，研究其機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動控制與智能調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)，完成新型四向穿梭車機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與上位機(jī)管理系統(tǒng)的設(shè)計，開發(fā)出適用于成品糧立體倉庫的大型高效、高平穩(wěn)性、全自動的新型四向穿梭車設(shè)備。

1 四向穿梭車的系統(tǒng)總體設(shè)計

面向成品糧立體倉庫的智能四向穿梭車的系統(tǒng)總體設(shè)計 （見圖1）包括4 個方面：機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計和樣機(jī)試制并試驗。經(jīng)過研究與開發(fā)，實現(xiàn)四向穿梭車的重載、安全衛(wèi)生、平穩(wěn)、智能調(diào)度和訂單處理等功能。

圖1 四向穿梭車的系統(tǒng)總體設(shè)計圖

2 四向穿梭車的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

針對成品糧立體倉庫對四向穿梭車功能的特定需求，結(jié)合目前四向穿梭車的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一種新型四向穿梭車機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括X/Y 向行走機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)、存取貨物機(jī)構(gòu)等，通過設(shè)計并校核，在SolidWorks 軟件中建立了三維模型，并運用ANSYS 軟件對關(guān)鍵零部件進(jìn)行了強度校核。

2.1 X/Y 向行走機(jī)構(gòu)設(shè)計

四向穿梭車的行走機(jī)構(gòu)主要功能是實現(xiàn)小車沿著X/Y 向軌道進(jìn)行直線行走，X/Y 向行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計直接決定了穿梭車能否運行平穩(wěn)，本文采用四輪式結(jié)構(gòu)，分別設(shè)有驅(qū)動輪和從動輪。

常見的驅(qū)動動力來源有電機(jī)傳動和液壓傳動。一方面，四向穿梭車存取貨物在貨架軌道上完成，存取過程要求小車能平穩(wěn)調(diào)速，精準(zhǔn)控制小車位置，因此要求成品糧立體倉庫金屬貨架對小車的電磁干擾應(yīng)盡可能小；另一方面，液壓傳動不可避免地會有壓油泄漏，從而造成對成品糧倉儲環(huán)境的污染，因此還要求保證成品糧立體倉庫的安全衛(wèi)生。綜合以上，選擇無刷直流電機(jī)來驅(qū)動小車行走[5]。

2.2 換向機(jī)構(gòu)設(shè)計

換向機(jī)構(gòu)常見類型有升降車輪換向機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)車輪換向機(jī)構(gòu)。本文研制的四向穿梭車采用升降車輪換向機(jī)構(gòu)，相較于旋轉(zhuǎn)車輪換向機(jī)構(gòu)，它不僅可以實現(xiàn)穿梭車交叉軌道平穩(wěn)快速地切換方向，而且節(jié)省了換向時間，小車變道更加靈活。它不存在旋轉(zhuǎn)車輪換向機(jī)構(gòu)的缺陷，驅(qū)動電機(jī)位置不隨車輪而轉(zhuǎn)動，換向之后也不會產(chǎn)生明顯的位置偏差。

2.3 存取貨物機(jī)構(gòu)設(shè)計

目前，四向穿梭車主要有兩種存取貨物的方式：一是通過頂升或下降車體上的載貨板，使貨物與貨架分離，從而實現(xiàn)取貨和存貨的功能，它依靠頂升式存取貨物機(jī)構(gòu)來完成；二是通過一種伸縮式的夾抱抓手，將貨物從貨架拉至車體或從車體推至貨架，從而實現(xiàn)取貨和存貨的功能，它依靠伸縮式存取貨物機(jī)構(gòu)來完成。由于伸縮式存取貨物機(jī)構(gòu)只承受推拉貨物時產(chǎn)生的摩擦力，驅(qū)動力較小，因此采用伸縮式存取貨物機(jī)構(gòu)。

2.4 三維建模與關(guān)鍵零部件的有限元分析

經(jīng)過設(shè)計，四向穿梭車的整體外觀三維模型見圖2。

圖2 四向穿梭車的整體外觀三維模型

由于四向穿梭車抓手和換向推桿等部件在工作時會承受較大的應(yīng)力，其性能會影響存取貨物的效率和工作可靠性，為此，運用ANSYS 軟件的Design Exploration 模塊對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，對結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行改進(jìn)，使換向推桿等關(guān)鍵部件在滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度條件下，盡可能節(jié)省材料、降低成本。圖3 為換向推桿優(yōu)化前后的最大應(yīng)力云圖。

圖3 換向推桿優(yōu)化前后的最大應(yīng)力云圖

3 四向穿梭車的控制系統(tǒng)設(shè)計

新型四向穿梭車控制系統(tǒng)設(shè)計包括以下4 個方面：一是采用可編程邏輯控制器 （Programmable Logic Controller，PLC）與變頻器等，基于遞階式控制方法，設(shè)計控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)；二是基于電氣自動化控制相關(guān)理論，設(shè)計四向穿梭車控制系統(tǒng)的電氣硬件結(jié)構(gòu)，主要包括控制系統(tǒng)總體電路布局結(jié)構(gòu)、電機(jī)變頻控制電路、信息采集電路、故障報警電路等；三是基于智能控制理論方法，設(shè)計四向穿梭車控制系統(tǒng)軟件，主要包括設(shè)備總體控制邏輯和策略、傳感器信息采集軟件模塊、出入庫作業(yè)邏輯控制軟件模塊、數(shù)據(jù)通信軟件模塊、故障報警與檢測軟件模塊等；四是根據(jù)對四向穿梭車運行平穩(wěn)性的要求，分析四向穿梭車在大慣量負(fù)載情況下的運動特性，對設(shè)備調(diào)速、穩(wěn)速與制動控制方法進(jìn)行研究，建立運行調(diào)速智能控制策略，以防止其在運行過程中發(fā)生糧袋貨物掉落或側(cè)翻。其中電機(jī)速度控制的部分程序如下。

4 四向穿梭車的上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計及樣機(jī)試制

基于智能優(yōu)化算法、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)和軟件開發(fā)技術(shù)，對上位機(jī)管理系統(tǒng)的體系架構(gòu)、功能模塊組成、數(shù)據(jù)存儲管理、通信方式等進(jìn)行設(shè)計。實現(xiàn)四向穿梭車倉庫物料管理、訂單處理、出入庫作業(yè)任務(wù)管理、倉庫貨位優(yōu)化、四向穿梭車路徑規(guī)劃、系統(tǒng)智能調(diào)度、無線數(shù)據(jù)通信、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等功能。

考慮到不同種類糧食的包裝、質(zhì)量、體積等不一樣，不同批次糧食的保質(zhì)期不一致等因素，在倉庫物料管理、訂單處理、出入庫作業(yè)任務(wù)管理上，要以作業(yè)綜合效率最高為目標(biāo)。因此，根據(jù)作業(yè)過程的影響因素 （吞吐量、交貨日期、四向穿梭車負(fù)荷率、四向穿梭車空載里程等）建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合蟻群算法等優(yōu)化算法，建立面向成品糧立體倉庫的貨位優(yōu)化算法、穿梭車路徑規(guī)劃算法與系統(tǒng)智能調(diào)度算法，提高生產(chǎn)效率和減少庫存[6]。

在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，制作出面向成品糧立體倉庫的新型四向穿梭車樣機(jī) （見圖4），并通過樣機(jī)試驗來驗證四向穿梭車的X/Y 向行走機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)和存取貨物機(jī)構(gòu)的可靠性和控制系統(tǒng)等設(shè)計方案的可行性。目前，驗證效果良好。

圖4 四向穿梭車樣機(jī)

5 結(jié)束語

針對我國成品糧立體倉庫的行業(yè)發(fā)展需求以及目前穿梭車產(chǎn)品存在的問題，通過對穿梭車的機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動控制與智能調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，開發(fā)了一種新型四向穿梭車設(shè)備，實現(xiàn)了穿梭車大型化、重載化、平穩(wěn)性、智能化、安全衛(wèi)生等目標(biāo)。對于面向成品糧立體倉庫的穿梭車結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制系統(tǒng)研發(fā)具有一定的參考價值。