面向現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)物流的新型有軌自動(dòng)化小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化含17張CAD圖紙

面向現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)物流的新型有軌自動(dòng)化小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化含17張CAD圖紙,面向,現(xiàn)代,倉(cāng)儲(chǔ),物流,新型,有軌,自動(dòng)化,小車,結(jié)構(gòu),優(yōu)化,17,cad,圖紙 I面向現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)物流的新型有軌自動(dòng)化小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化摘要隨著經(jīng)濟(jì)全球化與工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，倉(cāng)儲(chǔ)物流在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)中扮演著越來愈重的角色。倉(cāng)庫(kù)的空間利用率、存取貨物的快速化成為倉(cāng)儲(chǔ)研究的主要方向。通過高效的倉(cāng)儲(chǔ)活動(dòng)，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(dá)到這一目的，則需設(shè)計(jì)出更新型的倉(cāng)儲(chǔ)取貨送貨小車，研究出更合理的貨物排布方式。有軌自動(dòng)化小車具有智能化、柔性、自動(dòng)化等特點(diǎn)，它是應(yīng)用于現(xiàn)代化立體倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備。有軌自動(dòng)化小車可以使貨物在不同貨位之間的運(yùn)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(jiǎn)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(shí)際需求出發(fā)，并針對(duì)現(xiàn)代新型倉(cāng)儲(chǔ)物流的發(fā)展現(xiàn)狀，開發(fā)具有方便存儲(chǔ)貨物，運(yùn)行靈活，維護(hù)方便的有軌自動(dòng)化小車。設(shè)計(jì)并改進(jìn)優(yōu)化小車運(yùn)動(dòng)（外車）及存取貨（內(nèi)車）機(jī)構(gòu)，通過方案比較分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化，給出設(shè)計(jì)模型并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。關(guān)鍵詞：存取貨機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，新型創(chuàng)新，動(dòng)力學(xué)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(dòng)化小車 21.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 .41.3 課題研究?jī)?nèi)容及意義 .51.3.1 課題的研究?jī)?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(dòng)化小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化 72.1 有軌自動(dòng)化小車的總體設(shè)計(jì) .72.1.1 小車總體性能要求 72.1.2 小車抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與方案對(duì)比 82.2 小車主要執(zhí)行部件設(shè)計(jì) .152.2.1 貨叉結(jié)構(gòu)及功能 152.2.2 轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)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(cāng)儲(chǔ)方案創(chuàng)新思路 .192.5 本章小結(jié) .203 有軌自動(dòng)化小車的 ABAQUS 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 .213.1 ABAQUS 簡(jiǎn)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(dòng)化小車系統(tǒng)仿真及結(jié)果 .253.5 原因分析及設(shè)計(jì)改進(jìn) .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(xiàn) 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(cāng)儲(chǔ)為中心的一個(gè)現(xiàn)代化概念，作為現(xiàn)代化新型服務(wù)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(guó)的重視。在國(guó)際上，物流被認(rèn)為是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)脈，被視為繼原材料、勞動(dòng)力之外的“ 第三方利潤(rùn)源泉 ”。在中國(guó)，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(duì)于增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、優(yōu)化資源配置、提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行質(zhì)量、推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(cāng)儲(chǔ)無疑是最基礎(chǔ)的。隨著現(xiàn)代化物流的發(fā)展，單憑依靠人工手動(dòng)操作和依靠叉車等設(shè)備進(jìn)行存取貨的倉(cāng)儲(chǔ)模式已經(jīng)過時(shí)。為了研究出更高的存儲(chǔ)效率和更高的空間利用率，增強(qiáng)倉(cāng)儲(chǔ)能力，實(shí)現(xiàn)貨物搬運(yùn)、存取的智能化和自動(dòng)化，各國(guó)紛紛提出新的課題，并進(jìn)行研究。因此，研究出更高效和密集的倉(cāng)儲(chǔ)模式已變的十分必要?，F(xiàn)代化倉(cāng)儲(chǔ)由立體貨架、智能搬運(yùn)設(shè)備和計(jì)算機(jī)管理與控制系統(tǒng)等組成。其中，智能搬運(yùn)設(shè)備作為物流操作的執(zhí)行部分，其智能化和自動(dòng)化程度直接影響著現(xiàn)代化倉(cāng)儲(chǔ)物流的效率。傳統(tǒng)的搬運(yùn)設(shè)備包括：輸送帶、升降機(jī)、叉車、堆垛機(jī)等等。雖然具有一定的自動(dòng)化能力，但依然不能滿足新的倉(cāng)儲(chǔ)模式的需求。2圖 1-1 電動(dòng)堆垛車（蓋式貨叉）為了滿足這一需求，面向現(xiàn)代化倉(cāng)儲(chǔ)物流的自動(dòng)化小車的研究得到越來越多的關(guān)注。自動(dòng)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(dòng)化的雙重要求，是智能搬運(yùn)裝備發(fā)展的新方向，也因此成為物流領(lǐng)域內(nèi)比較熱門的研究課題。 本文就以此背景對(duì)有軌自動(dòng)化小車結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)存取貨安全、平穩(wěn)、快速。為新型有軌自動(dòng)化小車的應(yīng)用做好前期準(zhǔn)備。1.1.2 有軌自動(dòng)化小車有軌自動(dòng)化小車（RGV-Rail Guided Vehicle，以下簡(jiǎn)稱 RGV）又被稱作穿梭車，在現(xiàn)代化物流系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于立體倉(cāng)庫(kù)，作為其主要輸送設(shè)備。隨著工業(yè) 4.0 的不斷推進(jìn)，目前柔性制造系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱 FMS:F1exible Manufacture System)以及工廠自動(dòng)化(簡(jiǎn)稱 FA)計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱 CIMS)技術(shù)的發(fā)展，被越來越多的人關(guān)注?，F(xiàn)代化穿梭車集自動(dòng)化和智能化于一體，可以通過半自動(dòng)或全自動(dòng)控制，進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不斷接收物料，將物料存入立體倉(cāng)庫(kù)，并且將所需物料運(yùn)出倉(cāng)庫(kù)等一系列動(dòng)作。其主要應(yīng)用于現(xiàn)代自動(dòng)化物流系統(tǒng)中高速、高效的倉(cāng)儲(chǔ)模式。有軌自動(dòng)化小車主要由控制系統(tǒng)、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、存取貨機(jī)構(gòu)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(yùn)行。在運(yùn)輸方面，運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(chǔ)。與它們相比，存取貨機(jī)構(gòu)作為最直接執(zhí)行部分，它的設(shè)計(jì)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(dòng)化小車的優(yōu)勢(shì)如下：有軌自動(dòng)化小車相對(duì)于傳統(tǒng)的物料輸送機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，可以從以下幾個(gè)方面體現(xiàn)出來:(1) 有軌自動(dòng)化小車是集自動(dòng)化和智能于一體的現(xiàn)代化產(chǎn)品，它可以根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的要求，設(shè)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(shí)更改新的指令。(2) 有軌自動(dòng)化小車的結(jié)構(gòu)更加靈活，對(duì)于現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)的存取貨需求，可以完美的適應(yīng)各種貨架，實(shí)現(xiàn)高效的作業(yè)。(3) 有軌自動(dòng)化小車在性能等方面也比傳統(tǒng)物料輸送有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭梢酝ㄟ^不同結(jié)構(gòu)來完成作業(yè)，相比傳統(tǒng)成熟的結(jié)構(gòu)，它的發(fā)揮空間更大。有軌自動(dòng)化小車的基本功能主要有以下幾點(diǎn)：(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(dāng)?shù)乃俣鹊竭_(dá)目的地。(3) 全方位通訊功能：與上位機(jī)以及地面輸送系統(tǒng)之間的通訊。(4) 在電氣和機(jī)械方面的防護(hù)功能。(5) 人機(jī)界面，通過觸摸屏或操作面板輸入信號(hào)，并反饋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。有軌自動(dòng)化小車的結(jié)構(gòu)主要由車架、運(yùn)行驅(qū)動(dòng)、升降、存取貨等裝置組成。車架作為承載其他結(jié)構(gòu)的主體，主要由鈑金焊接而成。行走驅(qū)動(dòng)裝置主要由傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等機(jī)構(gòu)組成。行走驅(qū)動(dòng)裝置主要在導(dǎo)軌上依靠摩擦力行走，在運(yùn)送物料的時(shí)候，需要保證一定的承重，需要特殊的材料以延長(zhǎng)輪子的使用壽命，并且在轉(zhuǎn)向時(shí)也要有一定的靈活度，在做升降運(yùn)動(dòng)時(shí)保持穩(wěn)定性。升降裝置主要由傳動(dòng)軸、升降輪、升降帶及升降電機(jī)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(duì)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(duì)于不同的場(chǎng)合有不同的形式。4主要認(rèn)址裝置是 RGV 小車出入庫(kù)以及存取貨時(shí)的定位信號(hào)裝置，為了讓RGV 小車達(dá)到一定的定位精度、安全性以及運(yùn)行平穩(wěn)性，這里首選激光認(rèn)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(duì) RGV 小車的全部動(dòng)作和通訊進(jìn)行控制；可充電電池一個(gè)，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(jī)一臺(tái)，用來驅(qū)動(dòng) RGV 小車在軌道上水平行走；無線通訊控制器一個(gè)，用來操作 RGV 小車的具體動(dòng)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(dòng)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(dòng)導(dǎo)引車(AGV)，沿著固定的軌道行走的可稱為有軌自動(dòng)化小車(RGV)，在空中進(jìn)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(dòng)化小車還可分為往復(fù)式直行有軌自動(dòng)化小車、環(huán)行有軌自動(dòng)化小車以及轉(zhuǎn)軌有軌自動(dòng)化小車：往復(fù)直行的有軌自動(dòng)化小車在電控系統(tǒng)的控制下，可通過激光測(cè)距、編碼器等認(rèn)址方式于各個(gè)工位精確定位，接受物料后可進(jìn)行往復(fù)穿梭運(yùn)輸，主要應(yīng)用于現(xiàn)代化物流系統(tǒng)中高速、高效的平面自動(dòng)化輸送，具有高度的靈活性。環(huán)行有軌自動(dòng)化小車可以在同一軌道上運(yùn)行多輛 RGV 小車，可以大大提高搬運(yùn)效率，是有軌自動(dòng)化小車目前發(fā)展的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)軌有軌自動(dòng)化小車是一種新型雙軌貨物搬運(yùn)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(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)功能。對(duì)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(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)的新型有軌自動(dòng)化小車的控制技術(shù)可以分為單車、雙車和多車控制；根據(jù)有軌自動(dòng)化小車本身機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，也可以分為單載貨臺(tái)與雙載貨臺(tái)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(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀5國(guó)外對(duì)有軌自動(dòng)化小車的研究比較早，在有軌自動(dòng)化小車的機(jī)械性能等方面已經(jīng)具有十分成熟的技術(shù)，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(guó)內(nèi)對(duì)自動(dòng)化的研究還處于初期，大多還屬于對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的模仿階段。經(jīng)過近幾年的研究，國(guó)內(nèi)取得了一些成功案例。韓國(guó) 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(huì)因?yàn)闄z測(cè)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(fù)載不在正確的位置或者在電機(jī)過載情況下，車輛也不會(huì)移動(dòng)，還會(huì)發(fā)出警報(bào)。車輛可以重新定位，直到找到正確的位置 [2]。美國(guó) Dematic 公司早在 2000 年設(shè)計(jì)的有軌自動(dòng)化小車 Multishuttle ，采用的是模塊化的構(gòu)造，可以根據(jù)各種生產(chǎn)量和訂單要求進(jìn)行后期配置。模塊化設(shè)計(jì)使其部件相對(duì)較少、運(yùn)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(tuán)的 Transnorm 公司在瑞典 Boxholm 工廠開發(fā)了一種新型堆垛機(jī)式有軌自動(dòng)化小車。它被設(shè)計(jì)是專門為 Vectura 系列小型存取設(shè)備(SRM)服務(wù)的，可與高度達(dá) 20m 的堆垛機(jī)配合作業(yè)。該車通過變頻器來控制行駛，實(shí)現(xiàn)了最大的運(yùn)動(dòng)速度和最佳定位精度。由于轉(zhuǎn)軌系統(tǒng)處理循環(huán)時(shí)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(jī)而成為輸送終端，用作緩沖裝置和出庫(kù)/入庫(kù)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(shè)計(jì)出單軌環(huán)行 RGV 小車，這種小車是應(yīng)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(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)、橫向輸送裝置、縱向輸送裝置、升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成，它可以兩個(gè)工位同時(shí)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(shè)計(jì)出一款 RGV 小車，解決了輸送裝置存在的設(shè)備數(shù)量多、故障率高、控制復(fù)雜、效率低等技術(shù)難關(guān)。在6原有直線型 RGV 小車功能的基礎(chǔ)上增加了拆盤功能，主要由升降托板和升降機(jī)構(gòu)組成。并且增加了可以對(duì)托盤和貨物的外形進(jìn)行檢測(cè)的裝置 [7]。值得一提的是，英峰集團(tuán)自主研發(fā)的新概念子母穿梭車式立體倉(cāng)庫(kù)。該立體倉(cāng)庫(kù)可實(shí)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(duì)子母車、提升機(jī)、輸送機(jī)等實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的操作，無需叉車通道和輔助空間。此新型倉(cāng)庫(kù)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(dòng)操作的時(shí)間。既滿足了客戶對(duì)物料高密度存儲(chǔ)的需求，也進(jìn)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?jī)?nèi)容及意義1.3.1 課題的研究?jī)?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(guó)內(nèi)外有軌自動(dòng)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(diǎn)及結(jié)構(gòu)安排。第二章 根據(jù)本課題所研究的有軌自動(dòng)化小車的實(shí)際需求，提出并對(duì)比了三套 RGV 小車方案，并重點(diǎn)設(shè)計(jì)了其中的最優(yōu)方案，對(duì)其子車的主要執(zhí)行部件和其余零部件等進(jìn)行了改進(jìn)，完成了方案優(yōu)化。7第三章 應(yīng)用 ABAQUS 對(duì)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析以及動(dòng)力學(xué)仿真分析。考慮了軌道、貨物、振動(dòng)等對(duì)有軌自動(dòng)化小車的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)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(dòng)化小車的精確仿真奠定了基礎(chǔ)。通過對(duì)主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真分析，發(fā)現(xiàn)了一些設(shè)計(jì)方面的不足，進(jìn)而優(yōu)化了有軌自動(dòng)化小車的結(jié)構(gòu)，并再次通過分析找出了有軌自動(dòng)化小車其他方面的不足，從而提出了改進(jìn)措施。第四章 對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，分析在現(xiàn)代化倉(cāng)儲(chǔ)物流的發(fā)展趨勢(shì)下自動(dòng)化小車的發(fā)展方向。并且，針對(duì)新型自動(dòng)化小車倉(cāng)儲(chǔ)方案進(jìn)行展望，提出新的改進(jìn)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(dòng)化小車是現(xiàn)代化倉(cāng)儲(chǔ)的重要執(zhí)行設(shè)備，自動(dòng)化小車可以實(shí)現(xiàn)無需人員操作，并且運(yùn)行速度快，大大降低了倉(cāng)庫(kù)管理人員的任務(wù)量，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)的效率 [9]。 通過本課題研究開發(fā)新型的有軌自動(dòng)化小車，并進(jìn)行優(yōu)化，可以為企業(yè)提供新的發(fā)展動(dòng)力。通過研發(fā)新型有軌自動(dòng)化小車，不僅可以積累到設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，還可獲得設(shè)計(jì)核心數(shù)據(jù)并且掌握關(guān)鍵技術(shù)，為更先進(jìn)的有軌自動(dòng)化小車的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。使我國(guó)現(xiàn)代物流技術(shù)的發(fā)展也加快了步伐，對(duì)于提高物流裝備的技術(shù)水平，以及搶占自動(dòng)化小車的行業(yè)先機(jī)具有十分重要的意義。作為學(xué)生，完成本課題的同時(shí)我們也將受到設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖、專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用、調(diào)查研究、查閱文獻(xiàn)、總結(jié)提高、撰寫論文與設(shè)計(jì)說明的能力的綜合訓(xùn)練。1.4 本章小結(jié)本章主要通過介紹現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)物流，提出了有軌自動(dòng)化小車研究的背景，并詳細(xì)談了國(guó)內(nèi)外的有軌自動(dòng)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(gòu)安排以及課題的研究意義。82 新型有軌自動(dòng)化小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化2.1 有軌自動(dòng)化小車的總體設(shè)計(jì)RGV 小車具有自動(dòng)化、柔性以及高速靈活等特點(diǎn)，所以近年來在汽車、煙草等行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。但是，現(xiàn)代化立體倉(cāng)庫(kù)多種多樣，對(duì)有軌自動(dòng)化小車的要求不一，所以需要設(shè)計(jì)多種不同結(jié)構(gòu)的小車來滿足現(xiàn)代化倉(cāng)儲(chǔ)物流的需要。由于實(shí)際情況的不同，有軌自動(dòng)化小車的設(shè)計(jì)也會(huì)有所不同。本課題研究的是三維立體倉(cāng)儲(chǔ)模式下的新型有軌自動(dòng)化小車。其機(jī)械部分應(yīng)具備控制水平運(yùn)行（外車） 、進(jìn)行升降動(dòng)作及存取貨（內(nèi)車） 、電氣和機(jī)械的保護(hù)功能等。故小車主要由驅(qū)動(dòng)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)物料的承載、安全等功能。其中驅(qū)動(dòng)裝置主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)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(jī)、起吊軸、卷帶輪等零部件組成，主要負(fù)責(zé) RGV小車的內(nèi)車在貨架豎井中進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。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(dòng)化小車是在三維立體貨架中的穿梭類的有軌自動(dòng)化小車，如圖 2-1 所示，其要求有以下幾點(diǎn)：(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(yùn)行，內(nèi)車可做升降運(yùn)動(dòng)。 (2) 對(duì)整車要求維護(hù)簡(jiǎn)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(zhǎng)其工作壽命。(5) 小車存取貨要在保持平穩(wěn)及安全的基礎(chǔ)上進(jìn)行縮短，以增加其運(yùn)行效率。(6) 小車模型設(shè)計(jì)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(shè)有防撞結(jié)構(gòu)，保證小車升降平穩(wěn)、安全。(9) 外車設(shè)有 LED 按鈕，可方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員操作小車。10(10) 應(yīng)用電池作為驅(qū)動(dòng)能源，可用標(biāo)準(zhǔn)電源插座進(jìn)行充電。(11) 小車可自動(dòng)運(yùn)行和通過遠(yuǎn)程遙控，操作簡(jiǎn)單方便。2.1.2 小車抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與方案對(duì)比根據(jù)目標(biāo)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(shè)計(jì)一套新的存取貨機(jī)構(gòu)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(shí)保證安全平穩(wěn)運(yùn)行，這是本課題的重點(diǎn)。本文按照存取貨機(jī)構(gòu)的不同對(duì)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(jī)圖 2-3 齒輪齒條結(jié)構(gòu)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(gòu)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。其工作原理是通過電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后齒輪帶動(dòng)齒條使伸縮臂完成伸縮動(dòng)作。當(dāng)伸縮臂到達(dá)貨箱兩側(cè)時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)兩邊車體進(jìn)行夾抱，將貨物運(yùn)到車上。圖 2-4 夾抱式小車工作原理圖此方案優(yōu)點(diǎn)是伸縮臂通過齒條的延伸可以足夠?qū)⒇浳飱A抱，并且運(yùn)行平穩(wěn)，可以將較重貨物拖拽到車體內(nèi)。缺點(diǎn)是兩邊車體所占空間較大，移動(dòng)范圍也比較大，不適合在立體車庫(kù)豎夾板伸出車體相對(duì)行走12井內(nèi)完成一系列動(dòng)作，所以不使用豎井式三維立體倉(cāng)儲(chǔ)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(dòng)吸盤，通過對(duì)舵機(jī)的控制使之在往復(fù)運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)13滑軌上移動(dòng)來完成存取貨全過程的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)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(jī)構(gòu)由舵機(jī)、搖桿、吸盤等部分組成。舵機(jī)以及吸盤通過搖桿軸與之相連，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)搖桿軸，搖桿軸相對(duì)搖桿進(jìn)行直線移動(dòng)將力傳達(dá)到搖桿上。搖桿再將力傳達(dá)給另一個(gè)搖桿軸，此搖桿軸與吸盤相連進(jìn)而將力傳達(dá)到吸盤，吸盤連接滑塊在滑軌上做直線運(yùn)行。轉(zhuǎn)盤可隨著中心的大舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)吸盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向。下面對(duì)吸盤式可提供的不同載重量進(jìn)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(qiáng)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(shè)電磁吸盤每平方厘米的吸力為 T，則電磁吸盤的最大負(fù)載 F 可表示為：F=ST=π（??/2） 2?? （2-2）如果貨箱在貨板上滑動(dòng)，則電磁吸盤負(fù)載與貨箱載重量之間的關(guān)系可表示為：μmg=F=π（??/2） 2?? （2-3） 即：m=π（??/2） 2??/???? （2-4） 14根據(jù)實(shí)際貨箱與貨架的材料，本文選取滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ值為0.18，g取值為9.8N/kg，通過計(jì)算可知不同型號(hào)電磁吸盤的參數(shù)與貨箱載重量之間的負(fù)載分析如下表2-1 所示：表2-1 電磁吸盤負(fù)載對(duì)比電磁吸盤的型號(hào) 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(diǎn)是達(dá)到了要求的吸附力，并且此結(jié)構(gòu)加工難度小，比較容易做出實(shí)物。但是其搖桿結(jié)構(gòu)提供的力太小，并不能達(dá)到吸盤所需要的的拉力需求，并且對(duì)貨箱結(jié)構(gòu)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(yùn)行，對(duì)于吸盤的伸長(zhǎng)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(gòu)圖貨叉式作為最傳統(tǒng)的抓取機(jī)構(gòu)，已經(jīng)廣泛應(yīng)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(gè)過程中，貨叉會(huì)受到來自貨物和貨箱的力矩，會(huì)造成載貨平臺(tái)提升過程中整體傾覆。對(duì)于此課題，通過內(nèi)車與貨架的連接，可以避免傾覆。同時(shí)通過改進(jìn)，可以將貨叉設(shè)計(jì)成勾取裝置。而把“抬起”的動(dòng)作變成為輔助動(dòng)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(jìn)，并進(jìn)行仿真分析。16接下來討論，如何完成貨叉的伸縮動(dòng)作：(1) 無桿氣缸作為動(dòng)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(dǎo)軌里，外部負(fù)載給活塞相連，運(yùn)行主要靠進(jìn)氣。氣缸內(nèi)部的永磁鐵帶動(dòng)活塞桿外部的另一個(gè)磁體來運(yùn)動(dòng)。磁環(huán)的吸力一定要與氣缸活塞的推力相應(yīng)。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(hào)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(dòng)，通過對(duì)氣壓的控制不僅可以定位誤差的伸長(zhǎng)量，還可以改變其運(yùn)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(dòng)力輸出。氣缸滑塊與貨叉相連，隨著氣缸滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成貨叉的伸出與縮回運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成存取貨。同時(shí)，通過對(duì)氣壓的調(diào)節(jié)，可以改變氣缸滑塊運(yùn)動(dòng)的速度，同時(shí)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(dòng)力：圖 2-11 絲杠螺母結(jié)構(gòu)圖氣缸滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)18絲杠螺母介紹：其傳動(dòng)是由絲杠及螺母兩部分配套完成，在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，此套傳動(dòng)可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，并且該運(yùn)動(dòng)是目前傳動(dòng)機(jī)械中精度最高，而且該裝置也是最常見的傳動(dòng)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(dòng)，帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而讓螺母帶著貨叉直線運(yùn)動(dòng)。通過控制伺服的正反轉(zhuǎn)來控制貨叉的伸縮，從而達(dá)到存取貨的目的。由此可見，其優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，運(yùn)行平穩(wěn)，并且傳遞的力也可以滿足對(duì)貨物的拖動(dòng)。通過伺服電機(jī)控制，噪聲比其他機(jī)構(gòu)都要少很多。但是，缺點(diǎn)是尾端需要安裝伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，縮短了貨叉的運(yùn)行長(zhǎng)度。對(duì)于以上三個(gè)方案進(jìn)行對(duì)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(yùn)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(shè)計(jì)過薄則不能保證伸長(zhǎng)量和夾抱力。其次齒輪齒條噪聲相對(duì)較大，并且由于存取貨對(duì)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(duì)貨箱結(jié)構(gòu)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(fù)運(yùn)動(dòng)19運(yùn)行，吸盤的伸長(zhǎng)量受局限，因而此方案也不適用。方案三采取對(duì)原始的貨叉結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，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(dòng)力，可以保證伸長(zhǎng)量的同時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，并且拉力都可以達(dá)到要求。相比絲杠螺母，無桿氣缸作為動(dòng)力效率更高，氣動(dòng)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(dòng)力輸出。下文主要對(duì)具體設(shè)計(jì)及其工作原理進(jìn)行一些介紹。2.2 小車主要執(zhí)行部件設(shè)計(jì)2.2.1 貨叉的結(jié)構(gòu)及功能如圖 2-7，貨叉主要結(jié)構(gòu)主要由鉤塊和叉體構(gòu)成，大體結(jié)構(gòu)和功能和普通的貨叉類似。一般如：叉車、液壓車、堆垛機(jī)等都是通過頂升，將貨物抬起來運(yùn)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(gè)勾取機(jī)構(gòu)，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(gòu)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(gòu)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(yùn)動(dòng)鉤塊20當(dāng)貨叉伸入貨箱底部并向上頂升時(shí)，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(dá)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(gòu)圖為了在滿足承重要求的情況下平穩(wěn)并安全的運(yùn)行，此時(shí)的貨叉不同于一般貨叉，因?yàn)閮?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(huì)增大，這樣就導(dǎo)致承重能力減小。21圖 2-15 貨箱結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(shí)，鉤塊由于貨箱的下壓而上升，空載時(shí)，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(diǎn)：（1） 貨叉到達(dá)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(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以前的吸盤式設(shè)計(jì)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(yùn)行一段距離。由于內(nèi)車運(yùn)行中需要有轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)行描述：首先，小車由初始 A 到達(dá)指定位置 B（X，Y）如圖 2-18。圖 2-18 外車在立體貨架平面運(yùn)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?yán)瓌?dòng)內(nèi)車上升，使貨叉勾住貨箱，貨叉縮回，貨箱到達(dá)內(nèi)車。外車?yán)^續(xù)拉動(dòng)內(nèi)車上升，回到 B 點(diǎn)，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(gè)位置進(jìn)行存取貨。2.3.2 小車性能分析這里，通過單片機(jī)或者 PLC 控制，小車的運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，如卸貨可以輸入卸貨的命令，然后輸入初始位置坐標(biāo)以及貨物位置的坐標(biāo)。如果是取貨，輸入取貨命令，然后輸入初始位置坐標(biāo)，貨物位置坐標(biāo)以及需要把貨物運(yùn)送到的位置的坐標(biāo)。小車運(yùn)動(dòng)過程中，可以依靠傳感器進(jìn)行加速、減速和勻速運(yùn)動(dòng)。2.4倉(cāng)儲(chǔ)方案創(chuàng)新思路目前研究的是導(dǎo)軌式自動(dòng)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(dòng)作。此方式可以保證平穩(wěn)性，并且經(jīng)過驗(yàn)證，可以通過計(jì)算和設(shè)計(jì)完成想要達(dá)到的效果。24圖 2-21 導(dǎo)軌式 圖 2-22 天車式在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步提出天車式自動(dòng)化小車，即將內(nèi)車外車于一體，以天車的形式來完成運(yùn)行。此方案較導(dǎo)軌式更加靈活，并且運(yùn)行效率可以得到大大的提升。但是以前的課題對(duì)此方案有所研究，認(rèn)為存在技術(shù)難關(guān)，以及穩(wěn)定性難以得到保障，這里展開一些設(shè)想。 圖 2-23 多套 EMS 自動(dòng)化小車系統(tǒng)基于以上天車式中較難安置多套 EMS 自動(dòng)化小車系統(tǒng)，有如下設(shè)想：由于這種方案減少了一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，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(duì)小車內(nèi)車的存取貨方案進(jìn)行對(duì)比，通過比較分析選擇對(duì)貨叉式存取貨方案展開設(shè)計(jì)與討論，并講述了主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，以及一些關(guān)于新型倉(cāng)儲(chǔ)方案的思考，在最后描述了小車的存取貨路線。