穿梭车存取准确度影响因素研究

张延武

无锡凯乐士科技有限公司 无锡 214000

0 引言

为了提高仓库面积的利用率，达到能够存储更多货物的目的，密集自动化仓储系统逐渐发展成熟，穿梭车作为仓库中货到人拣选系统的智能存储搬运设备在自动化立体库中被大量使用[1]。这种存取方式改变了必须有叉车进入巷道进行存取货物的低效率作业模式，不但提高了仓库空间利用率和出入库效率，还可以灵活实现货箱的先进先出、先进后出等多种存取方式。

目前，货箱四向穿梭车在立体仓库中沿着货架中巷道行走，通过换层提升机可穿行于货架不同层的巷道中，穿梭车通过货叉对货架上的货箱进行取放[2]。仓库穿梭车存取准确度对穿梭车平稳可靠运行至关重要，直接影响立体仓库的存储密度和存取效率。影响穿梭车存取准确度的因素有很多，穿梭车行走定位精度、货叉定位精度、货架结构等都对穿梭车存取准确度起到关键作用，对这些影响因素进行研究是非常必要的，这也是穿梭车设计中需要重点考虑的关键因素。

1 穿梭车存取流程概述

穿梭车在货架中运行如图1所示，穿梭车沿着货架行走导轨到达制定货位，然后伸出货叉通过货叉上拨杆将货架撑条上面的货箱取回并送到出库输送线上；同理，放货过程是穿梭车将从入库输送线上进入的货箱运送到指定货位，然后伸出货叉将货舱内的货箱推到货箱撑条上面。穿梭车可以灵活处理不同尺寸货箱，并可以存储单深度、双深度和多深度的货箱，能够实现料箱在不同货位和工位间高效灵活的自动运输。

图1 穿梭车运行示意图

自动存取货箱作为穿梭车最核心的功能，它的效率决定了整个穿梭车的运行效率，其在提升仓库处理货物能力和效率上非常重要。穿梭车存取准确度直接影响货架上货箱的存取密度和存取效率，穿梭车存取准确度高意味着货箱之间的间距可以更小，货架上可以放置更多的货箱，货箱在货架上可以实现更精确的排序，货箱被货叉碰撞受损的风险也更低。因此，穿梭车要达到高效率和高安全性的存取货箱，提高穿梭车存取准确度是关键。

2 穿梭车存取准确度影响因素

穿梭车存取准确度与诸多因素相关，其中影响最大的因子为穿梭车行走定位精度、货叉定位精度和货架结构。穿梭车行走定位主要影响箱子之间的间距，货叉定位和货架结构主要影响货架上货箱姿态。

2.1 穿梭车行走定位精度影响因素

目前，穿梭车在货架内行走主要依靠电动机编码器和行走轮编码器反馈作为粗定位，穿梭车根据编码器值在将要到达货位后进行减速，然后在对应货位的轨道上利用定位片或定位孔进行辅助精定位。货架上货箱之间距离直接受穿梭车定位精度影响，穿梭车行走定位精度与多种因素相关，但有行走轮的摩擦系数和穿梭车等效运动惯量与驱动电动机的惯量比2个关键因素。

1）行走轮硬度

穿梭车行走轮外圈材质一般为弹性材料聚氨酯，根据弹性材料的摩擦理论，弹性体的摩擦是一个较硬物体表面的微凸对弹性体表面的刮削和压缩产生了形变，摩擦系数主要与行走轮的硬度有关系[3]。测量不同硬度下车轮与钢材的摩擦系数，得到如表1所示数据。从表1中可以看出，随着车轮材料硬度增加，摩擦系数呈现下降趋势，选择低硬度的轮子可以增大摩擦系数，减少穿梭车在行走过程中轮子打滑现象，穿梭车速度越快其需要摩擦系数越大。在车轮硬度降低的同时，穿梭车在承受相同负载情况下低硬度车轮的变形量就越大，车轮实际周长S1与车轮理论周长S会存在误差。由于穿梭车行走距离L是以编码器测量的车轮转动圈数n和车轮理论周长S乘积来计算，即L＝n·S，故穿梭车使用低硬度车轮会导致行走距离累计偏差增大。综上所述，行走轮硬度并非越低越有利于穿梭车定位，而应该考虑穿梭车负载情况和行走速度等综合因素，选取一个合适的硬度值。对于负载较大，运行加速度较慢的工况可以选用硬度相对较高的轮子，减少车轮变形造成的行走误差过大的风险；对于负载较轻，运行加速度较快的工况需要选用硬度低一些的车轮，减少车轮打滑的风险，提高定位精度。

表 1 行走轮硬度与摩擦系数关系

2）负载惯量比

物体惯量是物体保持原来运动状态或静止状态的性质，对于穿梭车系统，电动机动力源与负载之间传动通常为非刚性传动，为了获得更好动态性能和定位精度，驱动电动机与负载的应适当惯量比。适当的惯量比主要取决于穿梭车运动曲线和机械传动刚性，穿梭车加速度越高，机械传动刚性越硬，则可选用较大惯量比获得较高动态性能，电动机的动态响应力度变强，穿梭车定位更加精准。相反，如果穿梭车机械传动刚度较低，则选用较小惯量比。适当的惯量比可使穿梭车电动机和传动系统较易到达稳定的运行状态，也能够较好地确保其控制定位精度。

当穿梭车电动机通过同步带驱动行走轮时，通过测试可得到如图2所示曲线图，由图可知穿梭加速度与惯量比逞现反比关系，加速度越高要求的惯量比越小。穿梭车如果要达到2 m/s2稳定加速度，则穿梭车负载与驱动电机惯量比最好在5:1以内，这样穿梭车才能精确停在待取货位进行取货。当穿梭车负载惯量确定后，更高的加速度意味着需要大惯量的电动机才能保证穿梭车系统控制的稳定性，但同时也会增加电动机制造成本，穿梭车加速度并非越高越好，而应该根据驱动电动机惯量选取一个适当的加速度。

图2 负载惯量比与加速度曲线图

2.2 穿梭车货叉定位精度影响因素

1）货叉结构

穿梭车货叉通常采用2级差动伸缩结构，由货叉间的拖动系统与驱动系统配合作为整个传动系统完成货叉的差动伸缩动作；驱动系统由电动机进行驱动，拖动系统则通过伸缩滑轨实现2倍的差速运动[4]。货叉通常都设计为左右对称安装，每组货叉两端各布置有一个拨杆组件，拨杆由直流电动机驱动可以在垂直初始位置和下方水平存取位置之间旋转，从而完成对货箱的推出或勾取动作。

货箱在货架上放置布局如图3所示，待取货箱与相邻2个货箱之间距离为X1和X2，其数值除了与穿梭车行走定位精度有关，还与货叉的刚度有关。正常情况下X1和X2值可以保证货叉安全进入，但当货叉刚度不足时，货叉伸出进行存取时会左右摆动，货叉就可能会与货箱发生碰撞，造成货箱姿态错误。货叉伸出行程为Y，货叉行程Y的定位精度直接影响货箱在货架上的深度是否正确。

图3 货叉存取示意图

2）货叉行程

货叉行程主要受伸缩导轨行程影响，如果取货行程为S，由于货叉为2级差动伸缩结构，通常使用2根货叉伸缩导轨，则伸缩导轨行程S1需要满足S1>S/2。目前穿梭车货叉伸缩导轨普遍采用抽屉式滚珠导轨，其结构图4所示，整体由内轨、外轨和滚珠保持架组成，其中内轨依靠导轨滚珠保持架的引导进行滑动，内轨运行到滚珠保持架末端时行程结束。正常情况下内轨和滚珠保持架是同步运动，但内轨在多次反向往复运动过程中，滚珠保持架可能会发生爬行偏移现象，这种逐步的偏移会引起滚珠保持架位置错乱，使其过早到达内部制动器造成伸缩导轨行程缩短，从而对整个货叉的行程造成影响。

图4 货叉伸缩导轨结构示意图

为了避免滚珠保持架的爬行现象，货叉伸缩导轨在经过一定次数伸缩运行后，在空载时采用最大行程运行一次，通过内轨撞击制动点来自行调整错误的位置，达到重新恢复内轨和滚珠保持架的同步运行。另外，伸缩导轨内部需要定期用锂基润滑剂润滑，降低内轨与滚珠的摩擦系数，减少货叉运行过程中的阻力。

3）货叉刚度

穿梭车货叉在进行存取过程中，主要会受到径向载荷Fy、轴向载荷Fx和倾覆扭矩M，其受力情况如图5所示。货叉径向载荷主要受货叉自重影响较大，特别是货叉伸出到最大行程时，货叉变成一个悬臂梁，其在自重作用下会发生悬垂变形。由于货叉拨杆接触货箱的瞬间会产生一个较大的冲击和振动，货叉需要承受轴向载荷和倾覆扭矩。货叉进行存取过程中主要克服货箱与货箱撑条之间的摩擦力，货箱载荷越重，货叉承受轴向载荷和倾覆扭矩就越大，如果货叉刚度不够，货叉就会产生左右摆动影响货叉与料箱的间距，严重可造成货叉撞击货箱事故发生，使货箱在货架上姿态发生变化。

图5 货叉受力示意图

货叉刚度取决于货叉伸缩导轨和固定伸缩导轨的固定板2个主要部件的刚度。伸缩导轨的刚度在短行程时由滚珠的承载能力决定，在长行程时受内轨的刚度影响较大。因此，伸缩导轨宽度越宽其刚度越强，但同时自身质量也会增加。伸缩导轨固定板安装面的平行度和固定方式也会影响货叉整体刚度，需要根据货箱的载重和货叉行程选取合适规格的伸缩导轨和固定板，确保货叉刚度满足存取货箱需要。为了保证货叉具有足够刚度，同时又能减轻货叉自重，货叉内侧伸缩导轨可以选用宽度大的导轨，货叉外侧伸缩导轨选用宽度小的导轨。

2.3 货架结构影响因素

为了提高存储密度和仓库利用率，料箱穿梭车多采用多层穿梭式货架，此种货架采用货架合一的形式，其结构如图6所示，即货箱承载功能和穿梭车行走功能融合为一体，主体钢结构主要包括立柱、行走导轨、货箱撑条等[5]，这些构件主要是由冷弯薄壁型钢材加工而成，由于其加工方便、空间利用率高及安装简单而成为众多物流设备生产厂家的首选[6]。这种货架系统属于格构式超静定结构，货架的稳定性和安装偏差对货箱的姿态都会产生影响。

图6 穿梭式货架结构示意图

由于立柱、行走导轨及撑条等部件截面的宽厚比通常为10倍左右，而长细比通常为100倍左右，2根立柱之间的间距过大，行走导轨挠度就会变得较大。由于穿梭车在行走导轨上需要频繁的启动和刹车制动，对货架撑条会产生较大冲击，此时放置在撑条上的货箱在高频冲击作用力下就会发生移动。另外，对于长距离巷道，行走导轨需要多根进行对接，若对接处间隙过大，穿梭车在行走导轨上面高速行走时就会产生跳动，这种振动会传导给货箱撑条，货箱在频繁的振动下就可能会发生位移，造成货箱在货架上的姿态发生改变，货叉进行存取时可能会发生碰撞事故。

根据实际应用验证，立柱截面采用Ω形，行走导轨挠度需要控制在3 mm以内，立柱水平高度偏差在2 mm以内才能保证货架上货箱的稳定性。目前，多层穿梭式货架的货箱载重量最大不超过50 kg，考虑货架承载能力和整体安全性，一般情况下2立柱之间的货箱数量不超过5个。同时，为了保证穿梭车高速行驶时的稳定性，行走导轨整体安装偏差应小于2 mm，对接处水平偏差应小于0.5 mm，对接处间隙应小于2 mm。另外，货箱撑条的长度一般不应超过1.5 m，货箱撑条过长也会造成挠度过大引起货箱产生位移。

考虑到货箱在货架撑条上放置只是依靠摩擦力保持位置不变，货箱撑条表面可以加工防滑纹路从而增大粗糙度，以提高货箱在货架撑条上的稳定性。

3 结论

1）穿梭车行走定位精度、货叉定位精度和货架结构是影响穿梭车存取准确度的主要因素。

2）行走轮硬度和负载惯量比对穿梭车行走定位精度起主导作用，提出了不同工况下的可行选择依据。

3）货叉的行程和刚度是影响货叉定位精度的2个主要因素，其中伸缩导轨的爬行现象直接影响货叉的行程，提出了改进爬行现象的可行措施。

4）货架钢结构的形式和安装精度间接影响货架上货箱姿态，提出了货架钢结构形式和安装的主要技术要求，提高穿梭车存取的准确度。