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    窄通道側面堆垛式無人叉車的設計

    時間:2022-08-27 10:26:00    作者:河南省物流協會    閱讀:

    文|臨沂臨工智能信息科技有限公司

    劉鵬 孟凡儀

     

     

    摘 要:為減小堆垛通道寬度、提升倉儲庫容率及存儲效率,本文提出一種關于窄通道側面堆垛式無人叉車的設計方案?;谑袌鰬脠鼍?,首先對產品的關鍵參數、安全檢測、存儲動作流進行總體設計;然后針對舉升系統中液壓同步問題,分別從機械結構、液壓系統兩方面提出具體設計方案;最后通過樣機測試驗證方案可行性。結果表明,基于本文方案設計的側面堆垛式無人叉車,有效減小了堆垛通道寬度,提升了庫容率及存儲效率。

     

    關鍵詞:側面堆垛、無人叉車、液壓同步

     

     

    一、引言

     

    隨著智能物流倉儲行業的迅速發展,智能化立體倉儲的解決方案也不斷地向著高庫容率、高存儲效率、低成本方向更新升級。

     

    智能化立體倉儲解決方案,目前主要包括三大類。一是基于有軌堆垛機的立體倉儲,主要應用于長通道、高位貨架的場景,存儲效率高、場景適用性強,但成本偏高;二是基于穿梭車的立體倉儲,主要應用于中低位貨架,產品同質化較強的場景,成本低,但存儲效率低、場景適用性較差;三是基于無人叉車的立體倉儲[1],主要應用于中低位貨架、多通道場景,存儲效率高,場景適用性強,成本適中。無人叉車作為一種智能車輛機器人,將叉車技術和AGV技術充分融合,在智能化立體倉儲領域占據越來越重要的市場[2],按叉車本體類型分為托盤堆垛式無人叉車、平衡重式無人叉車、插腿式無人叉車、前移式無人叉車、多向運行式無人叉車和側面堆垛式無人叉車等。其中,對于無人叉車,市場上缺少同時兼顧堆垛通道窄、存儲效率高、庫容率高等優點的產品。

     

    基于上述問題,本文提出一種窄通道側面堆垛式無人叉車(以下簡稱無人叉車)設計方案。然后,對此類無人叉車的一個設計難點,即液壓同步問題,從機械結構、液壓系統兩方面提出詳細的設計方法。最后,通過3D軟件對其進行模塊化建模,并通過樣機試驗的方法驗證設計的合理性,保證該產品同時兼顧堆垛通道窄、存儲效率高、庫容率高等優點。

     

    二、方案設計

     

    1. 設計關鍵參數

    無人叉車設計的關鍵參數主要包括:最大貨物重量、最大貨物形體尺寸、載荷中心距、最小堆垛通道寬度、最大舉升高度、貨叉末端最大撓度、最大行駛速度、滿載最大提升速度。其中,最小堆垛通道寬度是指叉車在貨架通道內能夠堆垛作業時,對應的通道最小寬度。最大舉升高度[3]是指貨叉水平段或升降平臺上表面至地面之間最大的垂直距離;貨叉末端最大撓度是指貨叉在額定負載,最大行程時,貨叉末端在豎直方向上產生的最大線位移。本文涉及無人叉車的關鍵參數,如表1所示:

    其中,為了有效減小堆垛通道寬度,經結構設計,最小堆垛通道寬度由傳統的3米縮減至1.6米,大幅提升了終端倉儲的庫容率。

     

    2. 安全檢測方案

    智能化立體倉儲的系統安全檢測,是項目正常運轉的先決條件,也是重點的設計對象?;跓o人叉車的立體倉儲,安全檢測主要從車體本身、與車體對接的上料裝置兩方面考慮。針對上述問題,本節提出的安全檢測方案如下:

     

    上料裝置:①設計有托盤定位裝置和貨物尺寸超限傳感器,當貨物寬度超限、長度超限、高度超限時會發出報警信號;②設計有貨物超重傳感器,當貨物超重時發出報警信號;③設計有貨物位置超差檢測傳感器和用來判斷貨物有無的傳感器。

     

    無人叉車:①載貨平臺上,設計傳感器安裝框架,安裝有貨物尺寸超限傳感器,當貨物寬度超限、長度超限、高度超限時會發出報警信號;②載貨平臺上設計有判斷托盤有無和判斷空托、滿托的傳感器;③液壓系統中,設計有壓力檢測傳感器,當貨物超重,或系統壓力異常時,系統發出報警信號;④貨架上貨物有無的檢測傳感器,無人叉車進叉前,先通過傳感器,檢測貨架上貨物的有無,同時驗證提升高度的正確性,以確保進叉安全;⑤無人叉車安裝有陀螺儀,當底盤傾斜超差時,整車將發出報警信號,并禁止舉升作業。

     

    3. 貨物存取動作流

    由于單次存放貨物的動作流與單次取放貨物的組成動作相同,動作流類似,本文以單次存放貨物的動作流為研究對象并進行設計。

    上料區取料時,動作流程如圖1-(a)所示,無人叉車根據WCS(Warehouse Control System)倉儲控制系統指令,通過直行、側向移動、轉彎等動作,移動至上料點。確認上料點安全檢測傳感器無異常后,將載貨臺提升至相應高度,同時無人叉車安全檢測傳感器對上料點貨物進行安全檢測。無異常后,伸叉取貨。在貨叉收回的過程中,無人叉車載貨臺的尺寸超差傳感器,時時對貨物的高和寬進行尺寸超差檢測,一旦出現尺寸超差,無人叉車停機,系統報警。如貨叉收回過程中無異常,貨叉回到中位后,為降低無人叉車重心,保證運行的平穩安全性,同時兼顧貨物存放效率,載貨平臺將回落至離地800mm處。

     

    貨架區存料時,動作流程如圖1-(b)所示,無人叉車根據WCS倉儲控制系統指令,通過直行、側向移動、轉彎等動作,移動至貨架區對應點。首先通過陀螺儀檢查地面平整情況,確保整車傾斜情況滿足安全要求。然后將載貨平臺上移至相應庫位高度,光電檢測傳感器檢測貨架上貨位為空,貨叉外伸至相應庫位,下落平臺,將貨物存放于立體貨架上。最后,貨叉收回,載貨平臺回落到低位。存取物料動作流完成。

     

    4. 產品結構的總體設計

    按照模塊化理念對產品結構進行總體設計,主要從貨物升降、貨叉、車體底盤三方面考慮:

     

    貨物升降:為便于后期舉升高度的拓展,降低整車中心高度,本無人叉車采用伸縮門架實現載貨平臺的升降。本方案支持貨物提升高度8米以上。同時,由于貨物重量較重,為保證高位時伸縮門架的剛性,本無人叉車設計有雙伸縮門架。其中,升降高度通過拉繩編碼器檢測。

     

    貨叉:為提升貨物存取效率,降低倉儲通道寬度,本無人叉車設計有雙向伸縮貨叉,以側向進叉的方式完成貨物的取放。伸縮貨叉上設計有中位檢測傳感器及行程限位傳感器。

     

    車體底盤:采用雙舵輪動力輪加4個萬向輪支撐的底盤結構,舵輪設計有浮動結構,底盤通過型材焊接而成,使整車可實現轉彎、自旋、側移功能。

     

    綜上,無人叉車可詳細劃分為前車箱、后車箱、前提升架、后提升架、雙向伸縮貨叉、安全觸邊、激光導航、控制面板、激光避障、動力底盤、液壓系統、供電系統、安全檢測系統等,整車結構如圖2所示。

     

    三、液壓同步問題的解決方案

     

    為有效提升高位舉升時的結構剛性,本舉升裝置共設計有兩套伸縮門架,涉及4條油缸。其中,4條油缸最大間距超1.5米,單條油缸行程超1.5米,液壓同步問題是本類設計的一個難點。本節通過機械結構、液壓系統兩方面分別提出解決方案。

    1. 機械結構 

    實現液壓缸的同步舉升,機械同步往往是最簡單、成本最低的解決方案。以舉升裝置為研究對象,如圖3-(a)所示,其主要包括前提升門架1、后提升門架2和雙向伸縮貨叉3。前提升門架1與后提升門架2結構原理相同,其中,前提升門架1由內移動門架11、外固定門架12、滑架13組成;內移動門架11由動滑輪111、滑架導向板112、內門架導向板113、內門架主體114、內門架導向輪組115組成;外固定門架12由內門架邊導向軸承組121、內門架中導向軸承組122、頂升油缸123、內門架固定導向板124、底端固定軸125組成;滑架13由連接槽鋼131、滑架主體132、滑架中導向軸承133、滑架側導向軸承134組成。在單套門架內,兩條頂升油缸通過內門架的連接,實現機械同步。兩套門架間,通過兩套滑架的連接槽鋼連接,使滑架固連,實現門架間的機械同步。綜上,最終實現4條油缸機械結構的同步。

     

    2. 液壓系統

    液壓同步方面,為避免貨物偏載,4條油缸受力不均,動作不同步,在4條油缸的中心位置,設計有齒輪式液壓同步馬達(又稱分流馬達)。高壓油經油泵首先由進油通道流入同步馬達,然后通過同步馬達內相互嚙合的齒輪,將液壓油強制分為4路,為各油缸等流量供油,實現液壓系統的同步。

     

    四、樣機測試

     

    首先按照相關參數指標詳細制定樣機的測試方案,然后在實際應用環境下測試各項指標是否滿足標準,最后判斷本文設計方案是否滿足實際需求。圖4為3D虛擬樣機及測試樣機圖片。

    1. 樣機測試方案

    樣機的測試方案需要從車體基本性能、負載能力、提升能力檢測、高位側叉檢測、貨叉撓度檢測五個方面測試無人叉車車體性能。測試要求如下:

    基本性能測試:自動運行、重復定位精度、原地換向、原地自旋、側向移動、貨叉升降、貨叉伸縮、安全檢測等。

    負載測試:四種負載載荷中心距相同,重量按自身負載能力的50%、70%、100%、120%,逐步進行增重測試。

    提升能力檢測:測試不同負載,對應的液壓系統最大壓力、最大提升速度、最大下降速度,提升至最大行程時用最短時間、最大行程下落時用最短時間。

    高位側叉檢測:測試不同負載,不同側叉高度,不同進叉速度時,側向進叉的穩定性。

    貨叉撓度檢測:當貨叉處于低位時,測量不同負載最大懸臂狀態下,其末端對應的最大撓度。貨叉撓度檢測誤差不得高于貨叉撓度的最大設計撓度。

     

    2. 樣機測試結果

    根據樣機測試方案,測試結果滿足要求:

    測試樣機的整機性能參數在滿足設計要求下,調試人員通過測試實現其基本性能。按照樣機自身負載能力逐步增重測試,并在不同負載下進行提升能力檢測、高位側叉檢測。經測試,整機在1.2倍最大負載時,提升能力對應的相關測試數據都滿足現場需求,高位進叉安全可靠。樣機的貨叉撓度檢測未高于本文中設計的40mm。

     

    五、結論

     

    本文設計的窄通道側面堆垛式無人叉車,在貨物存取動作流方面,省去了托盤堆垛車在通道內90°直角轉彎時姿態調整的系列動作,存取貨物的效率更高;在靈活性方面,其還具備單機服務多個倉儲通道,部署簡單,取貨位置靈活等特點。本文所述液壓同步解決方案,在雙伸縮門架結構的叉車設計中均可應用。隨著無人叉車成本逐年降低,系統功能逐年提升,在對存儲效率、庫容率要求較高的場景中,此類窄通道倉儲無人叉車將更受市場青睞。

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