多种类货物的智能仓库机械系统设计

2022-03-05徐其航孙培明陈少克郭泽森

汕头大学学报（自然科学版） 2022年1期

徐其航，孙培明，陈少克，郭泽森

（1.揭阳职业技术学院机电工程系，广东揭阳 522051；2.汕头大学工学院，广东汕头 515063）

国内早在1963年机械部起重所就已经研制出第一台桥式堆垛起重机.随着计算机的不断发展，1995年仪征化纤公司建立的涤纶自动化立体仓库代表当时国内独立设计和制造的综合自动化程度最高的水平[1].随着工业的不断发展，各个国家也投入对自动化立体仓库的研究与发展.相比于其他国家，日本在立体仓库的研究发展速度是最快的.日本自从研发出第一座立体仓库后，便大规模兴建自动化立体仓库.到1986年，已拥有5 800座立体仓库，约占世界上总量的一半[2].目前，各国的科研团队也正在大力发展智能化技术并应用于物流仓储，不断推进自动化立体仓库在各行各业的应用[3].P.Allen.A.Timcenko等人研制出Puma560视觉机器人，能完成抓取运动中的玩具小火车[4].HenLry.YK.Lau等提出协同途径并建立整数规划模型，解决机场货物分拣系统中不同类型设备的衔接问题[5].Dallari等通过对配送中心作业过程分析将拣选系统划分为五类.再依据经验数据，为指导配送中心设计人员提高拣选系统选择[6].

1995年，我国自动分拣技术自主研发的开端是昆明船舶设备集团有限公司自主研发一台用于实现不同品种，不同规格的产品自动分类的机器人系统[7].王娜结合机器人智能控制技术，以DELTA机械手为例提出一种动态抓取分拣系统，并搭建测试平台验证其准确性[8].陈黄飞等指出我国物流行业向着智能化转型，分拣机器人转型发挥着十分重要的作用，但以物流为主的服务限制了分拣机器人向其他行业拓展[9].

堆垛机的技术发展和性能优化已经有了大量的研究.尹军琪等通过对立柱变截面进行优化设计，得到关于混合离散变量的广义等式约束理论，优化了结构的刚度与动态性能[10].孙军艳等则通过比较单立柱与双立柱堆垛机的强度，为堆垛机的改造与实际应用提供了重要理论依据[11].钟锡波通过将立柱截面改变为稳定的三角形结构进行优化设计，验证其模型的合理性[12].李西刚结合实际物流中心对堆垛机进行分析研究，采取ANSYS分析与组态监控进行设计，其设计数据具有较好的实际参考价值[13].陈杰等结合传统力学和有限元软件两种方式开展试验验证，为载物台的性能优化提供依据[14].

文章以揭阳市某企业仓库为对象进行现代化改造.以机械设计方面的知识为依据，设计出一套可进行多货物分拣与运输存储的智能仓库方案和相关机械系统的设计.建立智能仓库，满足企业生产需要，提高生产效率，适应生产力的发展趋势，发挥智能立体仓库在现代企业发展中的作用.

1 调研结果与方案设计

1.1 调研结果

通过实地调研对企业仓库现有运作情况进行调查记录.企业仓库的空间尺寸为长18 m、宽20 m和高5 m；搬运的单位货物重量为40 kg，具体尺寸为长0.5 m、宽0.4 m，高0.3 m；仓库无固定货架，货物以2×2×4的堆叠方式放置于小推车上，由仓库内部员工手动进行分拣和搬运.仓库每天需要两次出入库搬运，工人工作时间为10 h/d.

1.2 方案设计

根据调研结果对企业仓库进行现代化改造，用智能设备代替人工，降低劳动强度，提高生产效率和空间利用率，进而增加仓库的利润.使用堆垛机进行辅助搬运，解决人工搬运问题.文章主要对搬运阶段的机械部分进行设计，其他机械部分设计暂不考虑.

2 搬运阶段的机械部分设计

搬运阶段作为整个改造方案中最重要的环节，方案设计提出采用堆垛机替代人工的方式来解决搬运阶段的效率问题，最大程度地降低人工劳动强度.接下来主要对搬运阶段的相关机械部分设计进行阐述.

2.1 堆垛机的功能介绍

堆垛机是现代化仓库常用的机械设备，具有较高的自动化程度，主要用于货物的搬运阶段.堆垛机配置有三个最基本的功能，分别是沿轨道的行走功能、提升机构的升降功能和货叉叉货的功能.

2.2 堆垛机的组成部分

堆垛机的机械部分主要有天地轨、上下横梁、立柱、载物台、货叉、卷扬机、夹紧轮和驱动轮.根据运动方向可将其分为水平行走机构，垂直升降机构和货叉伸缩机构.堆垛机的结构如图1所示.

图1 堆垛机的结构

2.2.1 机架

机架作为堆垛机的整体框架，连接各个机构共同组成堆垛机整体.因为堆垛机载重接近1 t，而且其伸出距离为1.4 m，如果选择工字形式机架，则其在水平行走方向和货叉伸缩方向容易发生侧翻.为避免侧翻问题，文章采用较为稳固的矩形式机架.结构见图1.

2.2.2 堆垛机水平行走机构

水平行走机构是堆垛机三大驱动机构之一，负责堆垛机沿着轨道的水平行走运动.水平行走机构连接在下横梁的前后端面，通过焊接与下横梁共同构成下横梁结构.机构简图如图2所示.

图2 水平行走机构的机构简图

2.2.3 堆垛机垂直升降机构

作为堆垛机的三大机构之一，堆垛机的垂直升降机构采用卷扬机提升装置，其主要包括减速电机，卷筒，钢丝绳，滑轮组以及其他固定结构，机构简图如图3所示.

图3 垂直升降机构的机构简图

2.2.4 载货台

载货台作为货物的支撑载体，可用于安装货叉，安全机构和传感器等.其构成包括导向装置和载货台结构.结构如图4所示.

图4 载货台结构图

2.2.5 伸缩货叉

作为堆垛机三大机构之一的伸缩货叉，负责货物进出货架的运动.根据货物的空间尺寸，采用川字型托盘，因此选择双叉货叉对货物进行存取，即使用两个一样的货叉进行货物存取运动，结构如图5所示.

图5 双叉货叉图

文章采用三级直线差动的驱动方式，货叉由上叉，中叉和下叉这三部分构成.三层货叉之间使用齿轮齿条驱动，将电机的旋转运动转换为货叉的直线运动，最终实现上叉相对于下叉以3v0速度移动.由于齿轮齿条不参与支撑受力，故三层货叉之间的支撑件选用支撑轮.结构图6如图所示.

图6 货叉结构图

2.3 货叉的设计

货叉的尺寸要与货物的尺寸相对应，机械性能上弯曲变形在可接受范围内且不发生断裂.货叉采用Q235钢材制作而成，货叉的参数设计先根据货物尺寸设计大小，内部的传递零件通过传动链图进行分析计算，获得货叉的设计工作级别.

对于伸缩货叉机构，设使用寿命为7 a，一天的工作循环为60次，每次货叉伸出的距离1.4 m，则一次循环的伸缩路程为2.8 m，上叉的移动速度为20 m/min.

故伸缩机构的总运转时间

由于Tmax在范围（200-400）h内，故判断机构的使用等级为T1；由于机构经常承受最大载荷，故机构的载荷状态为L4.因此，确定货叉的工作级别是M3.

3 货架的机械系统设计

3.1 货架的选型设计

根据现有常用货架作为参照，货架在材料方面选用型号为Q235钢经过冷轧加工成型的型钢作为原材料.货架上冲有用于安装和固定的孔，底部焊接一个底座用于连接地面.具体如图7所示.

图7 货架整体图

3.2 货架的水平横梁校核

货架的水平横梁挠度计算通过查找挠度计算公式可知，

其中，G为载重4.018 KN；

L01A长度为700 mm；

弹性模量E取206 GPa；

LO1O2长度为2 800 mm；

水平横梁的截面惯性矩I为872 742 mm4；

代入（1）式得

根据堆垛机行业实际使用情况可知，通常货架许用挠度应为货架跨度的1/200.文章设计的单个货架宽度为3 m，则许用挠度应该为15 mm.挠度符合货架使用设计.

4 机械结构的有限元分析

4.1 有限元分析思想

有限元法作为一种数值计算方法，常被用于解决实际工程问题，具有高效便捷的特点.有限元分析思想是把模拟物体离散成有限个单元体，且每个单位之间通过一定的方式互相联系，模拟原来的整个物体.通过这种形式，把问题从连续的无限自由度转化为离散的有限自由度.再结合变分方程和加权余量，对实际问题的物体模型化，建立数学模型，求解数学模型，解决实际问题.

4.2 模型的简化

对堆垛机机架模型进行简化，原因是堆垛机机架的结构十分复杂.虽然建模越接近实际情况越好，但是按实际情况的模型会花费大量的分析时间且容易导致软件分析无法正常运行.文章主要对货叉结构和堆垛机机架结构进行必要的简化.利用SOLIDWORKS软件进行建模，转换格式后导入到ANSYS软件.堆垛机机架简化模型如8（1）所示.货叉简化模型如图8（2）所示.

图8 机架和货叉简化模型

4.3 结构的有限元分析

4.3.1 货叉的静力分析

设置货叉的材料属性，详细数据见表1所示；接着，对货叉施加约束条件.将下叉底部和载货台固定，对上叉施加载荷，载荷大小为载重8 036 N；最后选择网格划分，完成划分后点击solve进行静力结果分析.分析结果图如图9.图9显示，货叉挠度最大的位置在上叉的端部，数值为1.43 mm，小于设计要求的2 mm，故满足挠度设计要求；图10显示，货叉最大的等效压力出现在上叉与最外侧支撑轮的接触点，数值为42.9 MPa，小于材料的许用应力，满足强度要求.此外，结合分析结果对货叉的性能优化处理，可在上叉和下叉的接近端面的部位再加一个支撑轮，可减少应力集中现象[16].

表1 货叉材料属性表

图9 货叉的变形图

图10 货叉的应力图

4.3.2 货叉的模态分析

模态分析使用相同的简化模型，设置相关参数后对货叉进行模态分析.本文对模型前六阶进行分析，并得到前六阶固有频率和振型图.固有频率见表2，振型图如图11.

表2 货叉的前六阶固有频率

图11 货叉的前六阶振型图

从模态分析结果可看出，所有振型中四阶振型的变形量最大，数值为29.311 mm.最小的是五阶振型的变形量，数值为17.669 mm.这些数值都已经超过货叉的正常运作的挠度变形，故实际操作时应该尽量降低频率，避免在42.356 Hz以上运行，避免共振带来的毁灭性影响.

结合分析结果提出优化方案：在上叉和下叉接近受力点的部位各加上一个支撑轮，用于减少应力集中现象.重新建模的模型和分析可得到结果如图12所示.由于增加支撑轮，降低货叉叉货时受到货物载重对货叉的应力，最大应力降至36.9 MPa，比原来的42.9 MPa降低了14%，故优化方案合理且有效.

图12 优化后货叉应力图

4.3.3 堆垛机的静力分析

选择堆垛机满载且在二层货架高度的状态，以加速度0.5 m/s2沿着轨道运动.文章对此状态下的堆垛机机架进行分析.根据上述状态对模型添加约束条件，见表3，之后对模型进行网格划分并点击solve进行结果分析.分析结果如图13和图14所示，机架最大的变形量发生在载物台的端面处，变形量为4.37 mm；机架最大的应力集中在载物台和立柱的接触部分，最大压力为17.9 MPa.由结果可知，最大压力17.9 MPa小于材料的许用压力235 MPa，说明设计在刚度上设计符合要求.由于载重和货叉重力影响，载物台产生的最大变形量为0.47 mm，即表示载货台对货叉产生的挠度影响为0.47 mm，加上前面分析的货叉挠度1.43 mm后挠度为1.9 mm.由于挠度在允许范围2 mm内，设计符合要求.

图13 堆垛机机架的变形图

图14 堆垛机机架的压力均布图

表3 堆垛机约束条件表

4.3.4 机架的模态分析

同理，机架采用相同的模型进行模态分析，计算出来的数据如表4数据所示，分析结果如图15所示.从模态分析结果可看出，所有振型图中第六阶振型的变形量最大，数值为7.9 mm.最小的是五阶振型的变形量，数值为4.9 mm.这些数值都已经超过正常机架运作的变形范围，虽然实际操作时频率较低，但是应避免在上述的频率下运行，避免共振带来的毁灭性影响.