基于TRIZ理论的立体仓库堆垛装置结构优化

高志鹏，赵 坚，洪学武，贺艺龙，刘海强，王 达

（天津城建大学 控制与机械工程学院，天津 300384）

堆垛装置是伴随着立体仓库的出现而随之发展起来的一种存取货物装置，其通过水平运动机构、垂直提升机构、伸缩机构实现在立体仓库中的运动以及对货格定位并存取货物的功能.处于物流高速发展的今天，堆垛装置性能的优越性成为立体仓库发挥其应有功能而不可忽视的重要因素.不少学者已对堆垛装置的结构进行了详细的分析和设计[1-2]，并得到了相应的优化结构.但随着立体仓库的发展，对堆垛装置的性能要求也越来越高.因此，需要设计出与所优化了的仓库相适应的堆垛装置.堆垛装置的功能特性决定了其对结构安全性、稳定性和可靠性具有较高的要求，相应于传统的优化设计方法，TRIZ理论可以较全面和客观地考虑机构所存在的矛盾，同时对设计过程进行较好的导向.因此，采用TRIZ理论为设计理念，将技术冲突用于分析优化伸缩机构，将物-场模型用于分析改进天轨结构，最终得到了较为理想的创新优化方案.

1 既有堆垛装置的问题描述

1.1 堆垛装置伸缩机构的问题描述

堆垛装置的伸缩机构大多都通过链结构、齿轮齿条结构、钢丝绳滑轮结构实现传动，放大式伸缩机构属于层级叠加式结构.在整个伸缩机构运动过程中，货叉开始伸出和载货后缩回的动作都不平稳，对于某些要求较高的仓库并不适用.因此，在伸缩机构的运动过程中，伸缩机构运动的平稳性和高效性成为亟待解决的问题.

1.2 堆垛装置天轨结构的问题描述

天轨结构作为堆垛装置的水平运动辅助机构是通过滚轮在直槽导轨中运动实现对堆垛装置整体运动的导向.堆垛装置的伸缩机构在运行时，如果承载货物重量较大，天轨结构的稳定性很大程度上将决定整个堆垛装置是否晃动和倾翻；严重时将导致天轨滚轮跑出轨道，造成堆垛装置整体的摇晃.对于堆垛装置而言，天轨结构的滚轮与轨道之间的平稳性有待加强.

2 伸缩机构技术冲突问题解决方法

2.1 伸缩机构技术冲突模型的建立

技术冲突指两参数之间的矛盾，即在改善系统的某个性能参数时另一个性能参数突然变差的情况.技术冲突问题能够借助于冲突矩阵找到解决问题的办法.冲突矩阵由39个改善参数和39个恶化参数以及40条发明原理组成.

对于堆垛装置的伸缩机构而言，所存在的技术冲突为：增加伸缩机构结构的稳定性，就会导致传动效率降低.结构的稳定性用第13个标准参数描述，属于改善参数；传动效率用第22个标准参数（即：能量损失）来描述，属于恶化参数.查阅阿奇舒勒矛盾矩阵[3]，可得到相应的发明原理为：2号，6号，39号，14号.

2号发明原理为抽取原理，即：抽取物体中关键部分（有利或有害）.在堆垛装置的伸缩机构中，各个部件的配合作用对整体性能的发挥不容忽视，抽取原理在解决该问题中收效甚微.

6号发明原理为不对称原理，即：将物体的形状由对称变为不对称或在时间上合并相似或者相连的物体.堆垛装置的对称性是保证其整体平衡性的重要因素，将堆垛装置结构变为不对称形状，将影响机构整体的平衡性.由于伸缩机构为货叉层级作用，因此在时间上合并为相似或者相连也不可取.

39号发明原理为惰性环境，即：用惰性环境代替通常环境或在某一物体中添加中性元件或惰性物.堆垛装置在空气环境中运行，惰性物或者惰性环境对其结构改进不合适.

14号发明原理为曲面化原理，即：运用曲线或者曲面代替直线或平面部件或运用滚筒、球或者螺旋机构或利用离心力将线性运动变成旋转运动.在堆垛装置中，旋转运动或者螺旋结构对结构性能的改变有较大的帮助.

通过对堆垛装置整体机构性能实现的综合考虑，原理14（曲面化）具有较强的可行性.

2.2 伸缩机构结构优化

采用创新原理14（曲面化）的提示，运用螺旋机构[4-5]对伸缩机构进行优化.以此为依据设计的伸缩机构如图1所示.其结构描述如下.

图1 优化后的伸缩机构

末端固定架固定于堆垛装置的载货台上，螺杆与轴承通过末端固定架连接在轴承承载架上.动力源驱动螺杆旋转实现动力输出，中间伸缩架及前端伸缩架处的螺母和螺杆的连接与轴承承载架处的结构相似，前端伸缩架和中间伸缩架都通过滚轮导轨与各自的滚轮实现运动.总的驱动过程为：动力源驱动螺杆旋转，带动螺杆上轴承和螺母转动，使得前端伸缩架和中间伸缩架通过螺旋伸缩实现载货的功能.

针对齿轮齿条、链轮等放大机构所存在的货叉层级叠加问题，在优化设计中，将滚轮导轨的位置做了适当的调整；前端伸缩架滚轮导轨位于中间伸缩架侧板的上部，而中间伸缩架的滚轮导轨位于末端固定架的中部，由此，使得前端伸缩架、中间伸缩架及末端伸缩架的上平面都处于同一个平面上.优化设计后的前端伸缩架、中间伸缩架、末端固定架，避免了由于伸缩放大原理而导致的货叉层级叠加的问题.

该结构与传统结构相比较，在实现伸缩放大过程中具有较好的平稳性，避免了传统结构传动过程中抖动和方向的不确定性，同时由于螺旋传动的特殊性，避免了结构层级叠加的问题，较好的实现了伸缩机构的整体优化.

3 天轨结构物-场模型问题的解决方法

3.1 天轨结构物-场模型的建立

TRIZ理论中的物-场模型[6-7]指的是构成功能各个组件之间关系的模型，而对技术系统内部各构成要素之间相互关系和相互作用进行分析的方法即为物-场模型分析.TRIZ理论提供了以物-场分析为基础，从对象之间的相互关系（物-场）出发得到问题的解决方案的方法，即76个标准解.

对于堆垛装置的天轨机构而言，天轨结构的滚轮和轨道间相互作用不完善，在天轨结构问题中，轨道和滚轮构成物-场模型中的物，轨道和滚轮间的相互作用构成物-场模型的场.采用建立和拆解物-场模型（见表1）中的S1.1.3（添加系统外部添加物）强化物-场模型.加强物-场效应的原理如图2所示.S1代表滚轮，S2代表导轨，当采用普通导轨时，天轨结构的滚轮、导轨以及机械动力传动产生不稳定的场（F）效应；通过添加滚轮中间的导轨S3，加强了导轨和滚轮之间所形成的场，使运动的平稳性得到提高.

表1 第1级标准解法

图2 经过添加系统外部添加物处理后的物-场模型

3.2 结构优化

为加强天轨导轮运动的稳定性[8]，采用图3中所示的结构：天轨滚动轮由主滚轮和侧滚轮组成，轨道也包括主滚轮导轨和侧滚轮导轨.其正常运行时的平稳性由主滚轮导轨保证，此时侧滚轮和侧滚轮导轨也正常接触；当出现倾翻力矩时，首先由侧滚轮的内侧和主滚轮导轨配合使其能够正常运行，即使倾翻力矩很大，侧滚轮和天轨承载台的配合也可避免堆垛装置整体的摇晃.因此，上述基于天轨结构的优化能够保证堆垛装置稳定运行.

图3 优化后的天轨结构

4 结论

文中采用TRIZ理论对堆垛装置的结构进行了深入的分析，利用冲突矩阵得到伸缩机构的优化方案，利用标准解系统得到天轨结构的改进方案.优化后的伸缩机构不仅实现了平稳运行而且货叉层级叠加的问题也得到了改善；改进后的天轨结构不仅使得滚轮运动更加稳定，同时整个堆垛装置整体平稳性能也得到了进一步提高，伸缩机构和天轨结构的优化改进使得堆垛装置的整体结构特性得到改善.

参考文献：

[1]赵庆富，文怀兴.小型堆垛机器人货叉的优化设计[J].制造业自动化，2013，35（1）：1-3.

[2]于彩敏，朱典想.双伸位堆垛机货叉结构设计及应用[J].林产工业，2014，41（2）：31-37.

[3]沈萌红.TRIZ理论及机械创新实践 [M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]刘志峰，胡 迪，高 洋，等.基于TRIZ的可拆卸联结改进设计[J].机械工程学报，2012，48（11）：65-71.

[5]陈思源，彭 伟，姚春燕.基于TRIZ理论的新型线锯缠绕设备创新设计[J].机械设计与制造，2013，1（1）：4-6.

[6]刘江南，赵世雄，刘秋平.基于TRIZ的救援抢险车树木打冰除雪装置研究[J].中国机械工程，2011，22（18）：2167-2169.

[7]赵燕江，张永德，邹赫莉.基于TRIZ理论的抽油烟机叶片清理机的设计[J].机械设计，2010，27（2）：70-73.

[8]夏文涵，王 凯，李 彦，等.基于TRIZ的管道机器人自适应检测模块创新设计[J].机械工程学报，2016，52（5）：58-67.