面向现代仓储物流的新型有轨自动化小车结构优化含17张CAD图纸
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I面向现代仓储物流的新型有轨自动化小车结构优化摘要随着经济全球化与工业自动化的发展,仓储物流在现代经济中扮演着越来愈重的角色。仓库的空间利用率、存取货物的快速化成为仓储研究的主要方向。通过高效的仓储活动,可以使企业在物流环节中节约成本,并且提高产值。为了达到这一目的,则需设计出更新型的仓储取货送货小车,研究出更合理的货物排布方式。有轨自动化小车具有智能化、柔性、自动化等特点,它是应用于现代化立体仓库的自动搬运设备。有轨自动化小车可以使货物在不同货位之间的运送更加灵活、高效。因此包括货架在内的整条输送系统的布局也更加紧凑、简捷,从而使得货物的输送效率得到了大大的提升。本课题从实际需求出发,并针对现代新型仓储物流的发展现状,开发具有方便存储货物,运行灵活,维护方便的有轨自动化小车。设计并改进优化小车运动(外车)及存取货(内车)机构,通过方案比较分析,实现设计优化,给出设计模型并进行动力学分析。关键词:存取货机构,结构优化,新型创新,动力学分析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 录1 绪论 11.1 课题研究背景 .11.1.1 物流概述 11.1.2 有轨自动化小车 21.2 国内外的研究现状 .41.3 课题研究内容及意义 .51.3.1 课题的研究内容 51.3.2 课题的研究意义 6V1.4 本章小结 .62 新型有轨自动化小车结构优化 72.1 有轨自动化小车的总体设计 .72.1.1 小车总体性能要求 72.1.2 小车抓取机构设计与方案对比 82.2 小车主要执行部件设计 .152.2.1 货叉结构及功能 152.2.2 转台的结构优化 182.3 小车功能及性能分析 .182.3.1 小车功能分析 182.3.2 小车性能分析 192.4 仓储方案创新思路 .192.5 本章小结 .203 有轨自动化小车的 ABAQUS 运动学仿真 .213.1 ABAQUS 简介 .213.2 ABAQUS 小车仿真模型的建立 .213.3 ABAQUS 仿真主要操作步骤 223.4 自动化小车系统仿真及结果 .253.5 原因分析及设计改进 .293.6 本章小结 .294 结论及展望 304.1 工作结论 .304.2 不足与展望 .31参考文献 32VI致谢 3411 绪论1.1 课题研究背景1.1.1 物流概述物流是以仓储为中心的一个现代化概念,作为现代化新型服务产业,物流具有无限的发展潜力和空间。随着现代物流业发展水平的提升,物流正日益受到各国的重视。在国际上,物流被认为是国民经济发展的动脉,被视为继原材料、劳动力之外的“ 第三方利润源泉 ”。在中国,物流行业的发展起步晚,但发展速度正日益加快,这对于增强企业竞争力、优化资源配置、提高经济运行质量、推动国民经济持续良好发展具有十分重要的意义 1。在物流的所有环节中,仓储无疑是最基础的。随着现代化物流的发展,单凭依靠人工手动操作和依靠叉车等设备进行存取货的仓储模式已经过时。为了研究出更高的存储效率和更高的空间利用率,增强仓储能力,实现货物搬运、存取的智能化和自动化,各国纷纷提出新的课题,并进行研究。因此,研究出更高效和密集的仓储模式已变的十分必要。现代化仓储由立体货架、智能搬运设备和计算机管理与控制系统等组成。其中,智能搬运设备作为物流操作的执行部分,其智能化和自动化程度直接影响着现代化仓储物流的效率。传统的搬运设备包括:输送带、升降机、叉车、堆垛机等等。虽然具有一定的自动化能力,但依然不能满足新的仓储模式的需求。2图 1-1 电动堆垛车(盖式货叉)为了满足这一需求,面向现代化仓储物流的自动化小车的研究得到越来越多的关注。自动化小车不仅具有高度的灵活性,而且能够兼顾智能化和自动化的双重要求,是智能搬运装备发展的新方向,也因此成为物流领域内比较热门的研究课题。 本文就以此背景对有轨自动化小车结构进行设计和优化,从而实现存取货安全、平稳、快速。为新型有轨自动化小车的应用做好前期准备。1.1.2 有轨自动化小车有轨自动化小车(RGV-Rail Guided Vehicle,以下简称 RGV)又被称作穿梭车,在现代化物流系统中广泛应用于立体仓库,作为其主要输送设备。随着工业 4.0 的不断推进,目前柔性制造系统(简称 FMS:F1exible Manufacture System)以及工厂自动化(简称 FA)计算机集成系统 (简称 CIMS)技术的发展,被越来越多的人关注。现代化穿梭车集自动化和智能化于一体,可以通过半自动或全自动控制,进行往复运动,不断接收物料,将物料存入立体仓库,并且将所需物料运出仓库等一系列动作。其主要应用于现代自动化物流系统中高速、高效的仓储模式。有轨自动化小车主要由控制系统、运输机构、存取货机构组成。在控制方面,通过编程让其完美穿梭于立体货架,智能化控制其按照最高效的路径运行。在运输方面,运输机构的设计约束了它穿梭于货架的最大效率,并且也是保证安全性的基础。与它们相比,存取货机构作为最直接执行部分,它的设计比较灵活,但优化起来也比较难,不仅要考虑货物的信息,还要满足噪声、安全性、平稳性的需求,而且要考虑成本和效率。3有轨自动化小车的优势如下:有轨自动化小车相对于传统的物料输送机有很多优点,可以从以下几个方面体现出来:(1) 有轨自动化小车是集自动化和智能于一体的现代化产品,它可以根据仓储系统的要求,设定高效的调度原则来取送各物料输送带上的货物,并且可以随时更改新的指令。(2) 有轨自动化小车的结构更加灵活,对于现代仓储的存取货需求,可以完美的适应各种货架,实现高效的作业。(3) 有轨自动化小车在性能等方面也比传统物料输送有优势,因为可以通过不同结构来完成作业,相比传统成熟的结构,它的发挥空间更大。有轨自动化小车的基本功能主要有以下几点:(1) 水平、竖直平稳快速的行走。(2) 精确定位,并确定存物料的方位,然后以适当的速度到达目的地。(3) 全方位通讯功能:与上位机以及地面输送系统之间的通讯。(4) 在电气和机械方面的防护功能。(5) 人机界面,通过触摸屏或操作面板输入信号,并反馈运动状态。有轨自动化小车的结构主要由车架、运行驱动、升降、存取货等装置组成。车架作为承载其他结构的主体,主要由钣金焊接而成。行走驱动装置主要由传动轴、驱动轮和驱动电机等机构组成。行走驱动装置主要在导轨上依靠摩擦力行走,在运送物料的时候,需要保证一定的承重,需要特殊的材料以延长轮子的使用寿命,并且在转向时也要有一定的灵活度,在做升降运动时保持稳定性。升降装置主要由传动轴、升降轮、升降带及升降电机组成。考虑到升降的速度与平稳,升降带不可以用普通的钢丝绳。对于存取货装置,一般存在于内车,其材料不可以过重,但是要有一定的硬度。并且,对于不同的场合有不同的形式。4主要认址装置是 RGV 小车出入库以及存取货时的定位信号装置,为了让RGV 小车达到一定的定位精度、安全性以及运行平稳性,这里首选激光认址装置。RGV 小车的电气控制系统主要有:主控器 PLC 一套,这里采用西门子 S7-313C 型 PLC,用来对 RGV 小车的全部动作和通讯进行控制;可充电电池一个,为了给无线 RGV 小车的电气控制系统提供电源;行走直流电机一台,用来驱动 RGV 小车在轨道上水平行走;无线通讯控制器一个,用来操作 RGV 小车的具体动作,在此操作下 RGV 小车可完成多段速直线行走、取货和送货等要求。有轨自动化小车的分类一般来说,有如下几种:没有轨道的可称为自动导引车(AGV),沿着固定的轨道行走的可称为有轨自动化小车(RGV),在空中进行输送物料的可称为悬挂小车(EMS)。 从轨道形式上来说,有轨自动化小车还可分为往复式直行有轨自动化小车、环行有轨自动化小车以及转轨有轨自动化小车:往复直行的有轨自动化小车在电控系统的控制下,可通过激光测距、编码器等认址方式于各个工位精确定位,接受物料后可进行往复穿梭运输,主要应用于现代化物流系统中高速、高效的平面自动化输送,具有高度的灵活性。环行有轨自动化小车可以在同一轨道上运行多辆 RGV 小车,可以大大提高搬运效率,是有轨自动化小车目前发展的趋势。转轨有轨自动化小车是一种新型双轨货物搬运穿梭车,在电控系统的操控下,可以在 T 形或 Y 形的岔道的曲线路径上进行往返运动,实现物料搬运功能。对于不同的物料,可以通过配置不同形式的输送装置来满足输送要求。根据同一轨道上小车的数量,仓储物流系统的新型有轨自动化小车的控制技术可以分为单车、双车和多车控制;根据有轨自动化小车本身机械结构的不同,也可以分为单载货台与双载货台小车,带货叉小车控制与不带货叉的小车控制的控制等等。1.2 国内外的研究现状5国外对有轨自动化小车的研究比较早,在有轨自动化小车的机械性能等方面已经具有十分成熟的技术,现在大多开始向智能化发展来满足特殊条件下的不同需求。相比之下,国内对自动化的研究还处于初期,大多还属于对国外产品的模仿阶段。经过近几年的研究,国内取得了一些成功案例。韩国 SHIN HEUNG MACHINE 公司生产的一种 RGV 小车,安全性能较其他优越。车辆的速度会因为检测到小车前有障碍物而降低,距离小于 60 毫米则立即停止。而且负载不在正确的位置或者在电机过载情况下,车辆也不会移动,还会发出警报。车辆可以重新定位,直到找到正确的位置 2。美国 Dematic 公司早在 2000 年设计的有轨自动化小车 Multishuttle ,采用的是模块化的构造,可以根据各种生产量和订单要求进行后期配置。模块化设计使其部件相对较少、运行精确度更高且拆装方便。在噪声方面也得到了优化,维修起来更加方便 12。在 2001 年, Swisslog 集团的 Transnorm 公司在瑞典 Boxholm 工厂开发了一种新型堆垛机式有轨自动化小车。它被设计是专门为 Vectura 系列小型存取设备(SRM)服务的,可与高度达 20m 的堆垛机配合作业。该车通过变频器来控制行驶,实现了最大的运动速度和最佳定位精度。由于转轨系统处理循环时间很短,可用作 SRM 巷道来转移 RGV 小车,也可装上托盘输送机而成为输送终端,用作缓冲装置和出库/入库站 3。在 2001 年,昆明船舶公司研发了双轨直线型 RGV 小车,它的主要参数:行走速度(100180)m/min,输送速度(1215)m/min,加速度(0.30.5)m/s 2,行走定位精度5mm 4。在 2002 年,该公司设计出单轨环行 RGV 小车,这种小车是应用单工位单轨环形铝合金轨道,以此提高了作业效率 5。在 2003 年,该公司设计出轨道式直线型双工位 RGV 小车,这种小车由车体、车体行走机构、横向输送装置、纵向输送装置、升降机构、旋转机构等组成,它可以两个工位同时输送,以此又提高了输送效率 6。在 2004 年,太原刚玉物流工程有限公司研发设计出一款 RGV 小车,解决了输送装置存在的设备数量多、故障率高、控制复杂、效率低等技术难关。在6原有直线型 RGV 小车功能的基础上增加了拆盘功能,主要由升降托板和升降机构组成。并且增加了可以对托盘和货物的外形进行检测的装置 7。值得一提的是,英峰集团自主研发的新概念子母穿梭车式立体仓库。该立体仓库可实现托盘货物在货架上密集的存放,并且通过 WMS/WCS 控制系统即可对子母车、提升机、输送机等实现全自动化的操作,无需叉车通道和辅助空间。此新型仓库极大的提高了物料摆放的的密度,还节省叉车存取物料以及人工手动操作的时间。既满足了客户对物料高密度存储的需求,也进一步提高了存取的效率 8。图 1-2 英峰工业穿梭车(四轮车型)1.3 课题研究内容及意义1.3.1 课题的研究内容本文的主要研究的内容主要分为四章:第一章 主要分析了国内外有轨自动化小车的研究现状和发展方向并阐述了本文所要研究的背景和意义,最后介绍了全文的研究要点及结构安排。第二章 根据本课题所研究的有轨自动化小车的实际需求,提出并对比了三套 RGV 小车方案,并重点设计了其中的最优方案,对其子车的主要执行部件和其余零部件等进行了改进,完成了方案优化。7第三章 应用 ABAQUS 对设计机构进行静力学仿真分析以及动力学仿真分析。考虑了轨道、货物、振动等对有轨自动化小车的运动学动力学影响。制作了用于仿真的模型,使仿真软件更顺利地做出分析,为有轨自动化小车的精确仿真奠定了基础。通过对主要执行机构的仿真分析,发现了一些设计方面的不足,进而优化了有轨自动化小车的结构,并再次通过分析找出了有轨自动化小车其他方面的不足,从而提出了改进措施。第四章 对全文进行总结,分析在现代化仓储物流的发展趋势下自动化小车的发展方向。并且,针对新型自动化小车仓储方案进行展望,提出新的改进方向以供后续的研究做参考。1.3.2 课题的研究意义有轨自动化小车是现代化仓储的重要执行设备,自动化小车可以实现无需人员操作,并且运行速度快,大大降低了仓库管理人员的任务量,提高了劳动生产的效率 9。 通过本课题研究开发新型的有轨自动化小车,并进行优化,可以为企业提供新的发展动力。通过研发新型有轨自动化小车,不仅可以积累到设计经验,还可获得设计核心数据并且掌握关键技术,为更先进的有轨自动化小车的研发奠定了基础。使我国现代物流技术的发展也加快了步伐,对于提高物流装备的技术水平,以及抢占自动化小车的行业先机具有十分重要的意义。作为学生,完成本课题的同时我们也将受到设计、计算和绘图、专业知识的应用、调查研究、查阅文献、总结提高、撰写论文与设计说明的能力的综合训练。1.4 本章小结本章主要通过介绍现代仓储物流,提出了有轨自动化小车研究的背景,并详细谈了国内外的有轨自动化小车的研究现状和发展方向,最后介绍了本文的内容和结构安排以及课题的研究意义。82 新型有轨自动化小车结构优化2.1 有轨自动化小车的总体设计RGV 小车具有自动化、柔性以及高速灵活等特点,所以近年来在汽车、烟草等行业应用越来越广泛。但是,现代化立体仓库多种多样,对有轨自动化小车的要求不一,所以需要设计多种不同结构的小车来满足现代化仓储物流的需要。由于实际情况的不同,有轨自动化小车的设计也会有所不同。本课题研究的是三维立体仓储模式下的新型有轨自动化小车。其机械部分应具备控制水平运行(外车) 、进行升降动作及存取货(内车) 、电气和机械的保护功能等。故小车主要由驱动装置、升降装置和存取货装置三部分组成:外车身主要由车壳、正盖、侧盖、隔板等组成,负责内车及控制系统的承载、安全等功能。内车身主要由外壳、底板、托盘、转盘等零部件组成,负责物料的承载、安全等功能。其中驱动装置主要由驱动电机、驱动轴、驱动轮、从动轮等零件组成,主要用于让 RGV 小车在货架上方平面直线行走、精确定位等功能。升降装置主要由伺服电机、起吊轴、卷带轮等零部件组成,主要负责 RGV小车的内车在货架竖井中进行升降运动。92.1.1 小车总体性能要求图 2-1 三维立体货架及 RGV 小车根据课题要求,本文研究的新型有轨自动化小车是在三维立体货架中的穿梭类的有轨自动化小车,如图 2-1 所示,其要求有以下几点:(1) 整车由内外车组成,外车可在货架上以 10m/s 的速度平稳的直线运行,内车可做升降运动。 (2) 对整车要求维护简便,噪音低,保证安全平稳。(3) 小车额定载重为 10kg,要求采用升降装置可以使小车能够托起较重的货物,且耗能低。(4) 内车自重在 5kg 左右,以节省能耗,延长其工作寿命。(5) 小车存取货要在保持平稳及安全的基础上进行缩短,以增加其运行效率。(6) 小车模型设计宽度为 438mm 左右(包括外壳) ,小车轮距为 350mm。(7) 托盘尺寸为直径 288mm,小车尺寸不大于托盘尺寸。(8) 内车外壁设有防撞结构,保证小车升降平稳、安全。(9) 外车设有 LED 按钮,可方便现场工作人员操作小车。10(10) 应用电池作为驱动能源,可用标准电源插座进行充电。(11) 小车可自动运行和通过远程遥控,操作简单方便。2.1.2 小车抓取机构设计与方案对比根据目标要求,小车的额定载重为 10kg 左右,在车身尺寸、货架尺寸的限制下,需设计一套新的存取货机构来提高其原有性能。即能原有尺寸不变的情况下增加载重和存取货能力,与此同时保证安全平稳运行,这是本课题的重点。本文按照存取货机构的不同对比了 3 种方案,分别为夹抱式、吸盘式、货叉式,具体方案如下:方案一、夹抱式存取货方案:图 2-2 夹抱式方案样机图 2-3 齿轮齿条结构11夹抱式是之前研究的一种取货形式,主要由车体、伸缩臂、齿轮齿条结构、伺服驱动系统等组成。其工作原理是通过电机带动齿轮转动,然后齿轮带动齿条使伸缩臂完成伸缩动作。当伸缩臂到达货箱两侧时,伺服驱动两边车体进行夹抱,将货物运到车上。图 2-4 夹抱式小车工作原理图此方案优点是伸缩臂通过齿条的延伸可以足够将货物夹抱,并且运行平稳,可以将较重货物拖拽到车体内。缺点是两边车体所占空间较大,移动范围也比较大,不适合在立体车库竖夹板伸出车体相对行走12井内完成一系列动作,所以不使用竖井式三维立体仓储模式。方案二、吸盘式存取货方案:图 2-5 吸盘式内车总图图 2-6 吸盘式原理图这套方案也是以前的研究:采用摇杆带动吸盘,通过对舵机的控制使之在往复运动旋转往复运动13滑轨上移动来完成存取货全过程的往复运动。它主要用于将回转运动转变为直线运动,同时传递运动和动力。在货箱上安装被吸附装置,以通断电的方式控制吸盘磁力的有无。该机构由舵机、摇杆、吸盘等部分组成。舵机以及吸盘通过摇杆轴与之相连,舵机转动带动摇杆轴,摇杆轴相对摇杆进行直线移动将力传达到摇杆上。摇杆再将力传达给另一个摇杆轴,此摇杆轴与吸盘相连进而将力传达到吸盘,吸盘连接滑块在滑轨上做直线运行。转盘可随着中心的大舵机进行转动,同时带动吸盘进行转向。下面对吸盘式可提供的不同载重量进行分析。电磁吸盘的规格有很多,按照吸力大小划分,可分为普通吸力和强力。本文中选用的电磁吸盘是圆吸盘,吸盘直径为 D,圆截面的面积 S 可表示为:S=(/2 ) 2 (2-1)这里单位取厘米。假设电磁吸盘每平方厘米的吸力为 T,则电磁吸盘的最大负载 F 可表示为:F=ST=(/2) 2 (2-2)如果货箱在货板上滑动,则电磁吸盘负载与货箱载重量之间的关系可表示为:mg=F=(/2) 2 (2-3) 即:m=(/2) 2/ (2-4) 14根据实际货箱与货架的材料,本文选取滑动摩擦系数值为0.18,g取值为9.8N/kg,通过计算可知不同型号电磁吸盘的参数与货箱载重量之间的负载分析如下表2-1 所示:表2-1 电磁吸盘负载对比电磁吸盘的型号 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由此表格我们可知,吸盘式优点是达到了要求的吸附力,并且此结构加工难度小,比较容易做出实物。但是其摇杆结构提供的力太小,并不能达到吸盘所需要的的拉力需求,并且对货箱结构和材料要求也比较苛刻,单轴吸附也不能保证平稳且快速运行,对于吸盘的伸长度也不能保证。15方案三、货叉式存取货方案:图 2-7 货叉式内车总图 图 2-8 货叉结构图货叉式作为最传统的抓取机构,已经广泛应用于各类行业中,它的承重以及稳定性都已经有了比较成熟且系统的研究结果。 ,货叉式工作原理为:货叉伸插到货物底端,抬起货箱,并携带货物收回。在这个过程中,货叉会受到来自货物和货箱的力矩,会造成载货平台提升过程中整体倾覆。对于此课题,通过内车与货架的连接,可以避免倾覆。同时通过改进,可以将货叉设计成勾取装置。而把“抬起”的动作变成为辅助动作:无需完全抬起,只为减少摩擦力,方便货物更容易被勾回内车,本文将展开此方案来做一些改进,并进行仿真分析。16接下来讨论,如何完成货叉的伸缩动作:(1) 无杆气缸作为动力:图 2-9 无杆气缸图无杆气缸介绍: 无杆气缸里面有活塞,没有活塞杆,活塞装置在导轨里,外部负载给活塞相连,运行主要靠进气。气缸内部的永磁铁带动活塞杆外部的另一个磁体来运动。磁环的吸力一定要与气缸活塞的推力相应。无杆气缸气缸两边都是空心的,它和普通气缸的的工作原理一样,但是外部连接、密封形式有所不同。就目前无杆气缸的发展,气缸型号多种多样,足够满足课题的要求。通过气缸滑块与货叉相连作为推动,通过对气压的控制不仅可以定位误差的伸长量,还可以改变其运行速度,以及拖拽能力。无杆气缸工作原理:如图 2-10,无杆气缸作为动力输出。气缸滑块与货叉相连,随着气缸滑块往复运动,完成货叉的伸出与缩回运动,进而完成存取货。同时,通过对气压的调节,可以改变气缸滑块运动的速度,同时改变货叉的推力和拉力,提高货叉的工作性能。17图 2-10 无杆气缸工作原理图(2)丝杠螺母作为动力:图 2-11 丝杠螺母结构图气缸滑块往复运动18丝杠螺母介绍:其传动是由丝杠及螺母两部分配套完成,在伺服电机驱动下,此套传动可将旋转运动转化为直线运动,并且该运动是目前传动机械中精度最高,而且该装置也是最常见的传动装置。丝杠螺母工作原理:图 2-12 丝杠螺母原理图如图 2-12,随着伺服的转动,带动丝杆转动,从而让螺母带着货叉直线运动。通过控制伺服的正反转来控制货叉的伸缩,从而达到存取货的目的。由此可见,其优点是控制精度高,运行平稳,并且传递的力也可以满足对货物的拖动。通过伺服电机控制,噪声比其他机构都要少很多。但是,缺点是尾端需要安装伺服电机来驱动丝杆旋转,缩短了货叉的运行长度。对于以上三个方案进行对比如下:方案一虽然伸缩臂通过齿条的延伸可以足够将货物夹抱,并且运行平稳,可以将较重货物拖拽到车体内,但是受空间影响,两边车体所占空间过大,如果设计过薄则不能保证伸长量和夹抱力。其次齿轮齿条噪声相对较大,并且由于存取货对货箱产生摩擦易使货箱受损,因此不适用。方案二的吸盘吸附力虽然符合要求,但对货箱结构和材料要求苛刻,其次摇杆提供的拉力不能满足吸盘的需求,而且,单轴吸附也不能保证平稳且快速往复运动19运行,吸盘的伸长量受局限,因而此方案也不适用。方案三采取对原始的货叉结构加以改进,可以连同托盘抬起货物并勾回内车,并且采取无杆气缸和丝杠螺母作为动力,可以保证伸长量的同时运行平稳,并且拉力都可以达到要求。相比丝杠螺母,无杆气缸作为动力效率更高,气动成本较低,所以本文主要选择用无杆气缸作为货叉式方案的动力输出。下文主要对具体设计及其工作原理进行一些介绍。2.2 小车主要执行部件设计2.2.1 货叉的结构及功能如图 2-7,货叉主要结构主要由钩块和叉体构成,大体结构和功能和普通的货叉类似。一般如:叉车、液压车、堆垛机等都是通过顶升,将货物抬起来运输到目的地。而本文中介绍的货叉由于要防止倾覆的可能,需要一个勾取机构,如图 2-13 所示:图 2-13 货叉勾取部分此勾取部分与吸盘式结构所需的货箱有所区别,目前大多数货物都是存放在托盘上,所以这里需要将货箱放在托盘上如图 2-15,货叉可以伸入托盘下面然后通过升降装置使托盘和货箱被抬起,利用货叉顶端的勾取结构将托盘和货箱拉到内车。在勾取部分增加钩块,主要用于增加货叉与货箱的接触面积,方便勾取。钩块上下运动钩块20当货叉伸入货箱底部并向上顶升时,钩块接触货箱底面,将钩块里端下压,利用杠杆原理提升勾取部分的高度以达到与货箱增大接触面积。钩块主要通过销连接,然后一端与弹簧连接。正常状态下,弹簧将钩块顶起,如图 2-14。图 2-14 钩块结构图为了在满足承重要求的情况下平稳并安全的运行,此时的货叉不同于一般货叉,因为内车总重量的要求在 5kg 左右,货叉不可过重,并且如果货叉过重,其自身所受的力矩也会增大,这样就导致承重能力减小。21图 2-15 货箱结构图为了排除更多的自身因素,这里需要为货叉减轻重量。如图 2-8,叉体的承重面可以穿透,并且货叉的厚度也要减小。为了可以保证承重,在货叉板下面设计了筋来提高承重能力。货叉的材料选择 40Cr 合金钢。图 2-16 钩块上升工作原理图图 2-17 钩块下降工作原理图钩块升降原理如图 2-16 和图 2-17,载货时,钩块由于货箱的下压而上升,空载时,在弹簧的弹力下,钩块勾取部分下降。综上所述货叉功能主要有如下几点:(1) 货叉到达货箱底部(2) 货叉上升抬起货箱(3) 货叉勾取部分勾住货箱22(4) 货叉载货钩块勾取部分上升(5) 货叉空载钩块勾取部分下降2.2.2 转台的结构优化以前的吸盘式设计方案为单轨,并且轨道在转盘上,只有吸盘露出完成隔空吸附货箱,吸盘无需伸入货架之中。而货叉式需要把货叉伸入货架之中,并且需要运行一段距离。由于内车运行中需要有转动功能,所以货叉不可以内置。这里将滑轨和货叉一同放在上托盘上如图 2-7。2.3小车功能及性能分析2.3.1 小车功能分析以小车取货过程为例进行描述:首先,小车由初始 A 到达指定位置 B(X,Y)如图 2-18。图 2-18 外车在立体货架平面运行 图 2-19 内车下降至存取货位置 C23然后,小车内车下降至取货位置 C(X,Y,Z) ,伸出货叉,如图 2-19。外车拉动内车上升,使货叉勾住货箱,货叉缩回,货箱到达内车。外车继续拉动内车上升,回到 B 点,带内车及货物在货架上平面继续行走。 (小车存货同理)图 2-20 内车存取货平面图如图 2-20,内车通过内车转盘旋转方向,可以选择 D、E 、F 、G 四个位置进行存取货。2.3.2 小车性能分析这里,通过单片机或者 PLC 控制,小车的运动可以实现自动化,如卸货可以输入卸货的命令,然后输入初始位置坐标以及货物位置的坐标。如果是取货,输入取货命令,然后输入初始位置坐标,货物位置坐标以及需要把货物运送到的位置的坐标。小车运动过程中,可以依靠传感器进行加速、减速和匀速运动。2.4仓储方案创新思路目前研究的是导轨式自动化小车,即外车在货架上平面按照轨道行走,内车在竖井里沿着轨道完成升降动作。此方式可以保证平稳性,并且经过验证,可以通过计算和设计完成想要达到的效果。24图 2-21 导轨式 图 2-22 天车式在此基础上,本文进一步提出天车式自动化小车,即将内车外车于一体,以天车的形式来完成运行。此方案较导轨式更加灵活,并且运行效率可以得到大大的提升。但是以前的课题对此方案有所研究,认为存在技术难关,以及稳定性难以得到保障,这里展开一些设想。 图 2-23 多套 EMS 自动化小车系统基于以上天车式中较难安置多套 EMS 自动化小车系统,有如下设想:由于这种方案减少了一些复杂结构,从而车体的质量也大大减轻,可以在货架上方增加一些立柱以支撑航道。2.5 本章小结本章主要对小车内车的存取货方案进行对比,通过比较分析选择对货叉式存取货方案展开设计与讨论,并讲述了主要执行机构的设计原理,以及一些关于新型仓储方案的思考,在最后描述了小车的存取货路线。一、毕业设计(论文)的目的与要求:以新型密集仓储的单件多品种随机存储装置为对象,开发具有方便存储货物,运行灵活,维护方便的有轨自动化小车。设计并改进优化小车运动(外车)及货物搬运(内车)机构,通过方案比较分析,实现设计优化,并给出装置。本课题要求学生具有机械设计、机械原理、工程制图、机械制造基础、力学、互换性等专业基础知识。本课题将是学生受到设计、计算和绘图、专业知识的应用、调查研究、查阅文献、总结提高、撰写论文与设计说明的能力的综合训练。二毕业设计(论文)的内容:自动化仓储物流系统中广泛引用 RGV(轨道导引小车)进行物件搬运作业,本毕业设计要求学生在充分调研现代密集仓储物流的现状和对现有原理样机充分了解的基础上,根据实际需求提出新型 RGV 小车的机构改进方案。并绘制三维装配体模型和二维零件图,并对部分零部件进行仿真分析。本毕业论文要求学生做到以下几点:1.查阅资料、进行综述2.方案描述、方案分析与比较3.装配图设计、零件图设计4.动力学仿真分析5.撰写学位论文毕业答辩前需要通过机械结构的验收,毕业论文篇幅不小于 40 页。毕业答辩前应提交:开题报告、英文翻译、三维和二维图纸、系统运行效果演示、毕业论文。三、毕业设计(论文)课题应完成的工作:1与课题相关的 1 万字符以上的外文翻译。2查阅资料,撰写调研报告3装配图设计图纸、零件图设计图纸4撰写学位论文,字数 15000 以上。5毕业答辩。四毕业设计(论文)进程的安排:序 号 设计(论文)各阶段名称 日 期 备 注 1 课题调研,完成开题报告 2015.12.05-2016.2.202 完成外文文献翻译 2015.12.05-2016.2.103 完成新型自动化小车的机械结构总体方案设计并改进2016.01.10-2016.3.13完成开题4 实现关键零部件设计,装配设计 2016.3.13-2016.4.105 完成关键件的仿真分析 2016.4.10-2016.5.10中期检查6 撰写论文,答辩 2016.5.5-2016.5.20答辩五应收集的资料及主要参考文献:1南超兰,李小伟.我国仓储物流业的发展现状研究J.科协论坛(下半月).2007(08)2朱宏辉.物流自动化系统设计及应用 M.北京:化学工业出版 2005:10-13,220-223. 3Graves S.C.,Hausman W.H.and Schwarz,L.B.Storage retrieval interleaving in automatic warehousing systermJ.Management Science,1977,23(9):935-945.4Jeroen P.van den Berg.A literature survey on planning and control of warehousing systemsJ.IIE Transactions.1999,31:751-762.5A.J.R.M.Ganemann,Jeroen P.Van Den Gerg.An order batching algorithm for picking in a parallel-aisle warehouseJ.IIE Transactions 2001,33(5):385-398.6许剑梅,楼冬梅,王洁芳. 穿梭车在自动化物流系统中的应用J.物流技术与应用,2009,7:95-99.7楼冬梅,杨晓代. 穿梭车在自动化物流系统中的控制及应用 J. 烟草科技/设备与仪器,2002,10:23-25.8德马泰克国际贸易(上海)有限公司.现代仓储技术的发展状况与趋势J.物流技术与应用.2012(02)9S.G.Lee*,R.de Souza,E.K.Ong.Simulation modelling of a narrow aisle automated storage and retrieval system serviced by rail guided vehiclesJ.Computers in Industry,30(1996):241 -253.10Charles J.Malmborg.Design optimization models for storage and retrieval systems using rail guided vehiclesJ. Applied Mathematical Modelling,2003,27(12):929-941六、任务执行日期:自 20XX 年 12 月 15 日起,至 20XX 年 6 月 1 日止。学 生(签字)_指导教师(签字)_系 主 任(签字)_ XX_I面向现代仓储物流的新型有轨自动化小车结构优化摘要随着经济全球化与工业自动化的发展,仓储物流在现代经济中扮演着越来愈重的角色。仓库的空间利用率、存取货物的快速化成为仓储研究的主要方向。通过高效的仓储活动,可以使企业在物流环节中节约成本,并且提高产值。为了达到这一目的,则需设计出更新型的仓储取货送货小车,研究出更合理的货物排布方式。有轨自动化小车具有智能化、柔性、自动化等特点,它是应用于现代化立体仓库的自动搬运设备。有轨自动化小车可以使货物在不同货位之间的运送更加灵活、高效。因此包括货架在内的整条输送系统的布局也更加紧凑、简捷,从而使得货物的输送效率得到了大大的提升。本课题从实际需求出发,并针对现代新型仓储物流的发展现状,开发具有方便存储货物,运行灵活,维护方便的有轨自动化小车。设计并改进优化小车运动(外车)及存取货(内车)机构,通过方案比较分析,实现设计优化,给出设计模型并进行动力学分析。关键词:存取货机构,结构优化,新型创新,动力学分析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 录1 绪论 11.1 课题研究背景 .11.1.1 物流概述 11.1.2 有轨自动化小车 21.2 国内外的研究现状 .41.3 课题研究内容及意义 .51.3.1 课题的研究内容 51.3.2 课题的研究意义 6V1.4 本章小结 .62 新型有轨自动化小车结构优化 72.1 有轨自动化小车的总体设计 .72.1.1 小车总体性能要求 72.1.2 小车抓取机构设计与方案对比 82.2 小车主要执行部件设计 .152.2.1 货叉结构及功能 152.2.2 转台的结构优化 182.3 小车功能及性能分析 .182.3.1 小车功能分析 182.3.2 小车性能分析 192.4 仓储方案创新思路 .192.5 本章小结 .203 有轨自动化小车的 ABAQUS 运动学仿真 .213.1 ABAQUS 简介 .213.2 ABAQUS 小车仿真模型的建立 .213.3 ABAQUS 仿真主要操作步骤 223.4 自动化小车系统仿真及结果 .253.5 原因分析及设计改进 .293.6 本章小结 .294 结论及展望 304.1 工作结论 .304.2 不足与展望 .31参考文献 32VI致谢 3411 绪论1.1 课题研究背景1.1.1 物流概述物流是以仓储为中心的一个现代化概念,作为现代化新型服务产业,物流具有无限的发展潜力和空间。随着现代物流业发展水平的提升,物流正日益受到各国的重视。在国际上,物流被认为是国民经济发展的动脉,被视为继原材料、劳动力之外的“ 第三方利润源泉 ”。在中国,物流行业的发展起步晚,但发展速度正日益加快,这对于增强企业竞争力、优化资源配置、提高经济运行质量、推动国民经济持续良好发展具有十分重要的意义 1。在物流的所有环节中,仓储无疑是最基础的。随着现代化物流的发展,单凭依靠人工手动操作和依靠叉车等设备进行存取货的仓储模式已经过时。为了研究出更高的存储效率和更高的空间利用率,增强仓储能力,实现货物搬运、存取的智能化和自动化,各国纷纷提出新的课题,并进行研究。因此,研究出更高效和密集的仓储模式已变的十分必要。现代化仓储由立体货架、智能搬运设备和计算机管理与控制系统等组成。其中,智能搬运设备作为物流操作的执行部分,其智能化和自动化程度直接影响着现代化仓储物流的效率。传统的搬运设备包括:输送带、升降机、叉车、堆垛机等等。虽然具有一定的自动化能力,但依然不能满足新的仓储模式的需求。2图 1-1 电动堆垛车(盖式货叉)为了满足这一需求,面向现代化仓储物流的自动化小车的研究得到越来越多的关注。自动化小车不仅具有高度的灵活性,而且能够兼顾智能化和自动化的双重要求,是智能搬运装备发展的新方向,也因此成为物流领域内比较热门的研究课题。 本文就以此背景对有轨自动化小车结构进行设计和优化,从而实现存取货安全、平稳、快速。为新型有轨自动化小车的应用做好前期准备。1.1.2 有轨自动化小车有轨自动化小车(RGV-Rail Guided Vehicle,以下简称 RGV)又被称作穿梭车,在现代化物流系统中广泛应用于立体仓库,作为其主要输送设备。随着工业 4.0 的不断推进,目前柔性制造系统(简称 FMS:F1exible Manufacture System)以及工厂自动化(简称 FA)计算机集成系统 (简称 CIMS)技术的发展,被越来越多的人关注。现代化穿梭车集自动化和智能化于一体,可以通过半自动或全自动控制,进行往复运动,不断接收物料,将物料存入立体仓库,并且将所需物料运出仓库等一系列动作。其主要应用于现代自动化物流系统中高速、高效的仓储模式。有轨自动化小车主要由控制系统、运输机构、存取货机构组成。在控制方面,通过编程让其完美穿梭于立体货架,智能化控制其按照最高效的路径运行。在运输方面,运输机构的设计约束了它穿梭于货架的最大效率,并且也是保证安全性的基础。与它们相比,存取货机构作为最直接执行部分,它的设计比较灵活,但优化起来也比较难,不仅要考虑货物的信息,还要满足噪声、安全性、平稳性的需求,而且要考虑成本和效率。3有轨自动化小车的优势如下:有轨自动化小车相对于传统的物料输送机有很多优点,可以从以下几个方面体现出来:(1) 有轨自动化小车是集自动化和智能于一体的现代化产品,它可以根据仓储系统的要求,设定高效的调度原则来取送各物料输送带上的货物,并且可以随时更改新的指令。(2) 有轨自动化小车的结构更加灵活,对于现代仓储的存取货需求,可以完美的适应各种货架,实现高效的作业。(3) 有轨自动化小车在性能等方面也比传统物料输送有优势,因为可以通过不同结构来完成作业,相比传统成熟的结构,它的发挥空间更大。有轨自动化小车的基本功能主要有以下几点:(1) 水平、竖直平稳快速的行走。(2) 精确定位,并确定存物料的方位,然后以适当的速度到达目的地。(3) 全方位通讯功能:与上位机以及地面输送系统之间的通讯。(4) 在电气和机械方面的防护功能。(5) 人机界面,通过触摸屏或操作面板输入信号,并反馈运动状态。有轨自动化小车的结构主要由车架、运行驱动、升降、存取货等装置组成。车架作为承载其他结构的主体,主要由钣金焊接而成。行走驱动装置主要由传动轴、驱动轮和驱动电机等机构组成。行走驱动装置主要在导轨上依靠摩擦力行走,在运送物料的时候,需要保证一定的承重,需要特殊的材料以延长轮子的使用寿命,并且在转向时也要有一定的灵活度,在做升降运动时保持稳定性。升降装置主要由传动轴、升降轮、升降带及升降电机组成。考虑到升降的速度与平稳,升降带不可以用普通的钢丝绳。对于存取货装置,一般存在于内车,其材料不可以过重,但是要有一定的硬度。并且,对于不同的场合有不同的形式。4主要认址装置是 RGV 小车出入库以及存取货时的定位信号装置,为了让RGV 小车达到一定的定位精度、安全性以及运行平稳性,这里首选激光认址装置。RGV 小车的电气控制系统主要有:主控器 PLC 一套,这里采用西门子 S7-313C 型 PLC,用来对 RGV 小车的全部动作和通讯进行控制;可充电电池一个,为了给无线 RGV 小车的电气控制系统提供电源;行走直流电机一台,用来驱动 RGV 小车在轨道上水平行走;无线通讯控制器一个,用来操作 RGV 小车的具体动作,在此操作下 RGV 小车可完成多段速直线行走、取货和送货等要求。有轨自动化小车的分类一般来说,有如下几种:没有轨道的可称为自动导引车(AGV),沿着固定的轨道行走的可称为有轨自动化小车(RGV),在空中进行输送物料的可称为悬挂小车(EMS)。 从轨道形式上来说,有轨自动化小车还可分为往复式直行有轨自动化小车、环行有轨自动化小车以及转轨有轨自动化小车:往复直行的有轨自动化小车在电控系统的控制下,可通过激光测距、编码器等认址方式于各个工位精确定位,接受物料后可进行往复穿梭运输,主要应用于现代化物流系统中高速、高效的平面自动化输送,具有高度的灵活性。环行有轨自动化小车可以在同一轨道上运行多辆 RGV 小车,可以大大提高搬运效率,是有轨自动化小车目前发展的趋势。转轨有轨自动化小车是一种新型双轨货物搬运穿梭车,在电控系统的操控下,可以在 T 形或 Y 形的岔道的曲线路径上进行往返运动,实现物料搬运功能。对于不同的物料,可以通过配置不同形式的输送装置来满足输送要求。根据同一轨道上小车的数量,仓储物流系统的新型有轨自动化小车的控制技术可以分为单车、双车和多车控制;根据有轨自动化小车本身机械结构的不同,也可以分为单载货台与双载货台小车,带货叉小车控制与不带货叉的小车控制的控制等等。1.2 国内外的研究现状5国外对有轨自动化小车的研究比较早,在有轨自动化小车的机械性能等方面已经具有十分成熟的技术,现在大多开始向智能化发展来满足特殊条件下的不同需求。相比之下,国内对自动化的研究还处于初期,大多还属于对国外产品的模仿阶段。经过近几年的研究,国内取得了一些成功案例。韩国 SHIN HEUNG MACHINE 公司生产的一种 RGV 小车,安全性能较其他优越。车辆的速度会因为检测到小车前有障碍物而降低,距离小于 60 毫米则立即停止。而且负载不在正确的位置或者在电机过载情况下,车辆也不会移动,还会发出警报。车辆可以重新定位,直到找到正确的位置 2。美国 Dematic 公司早在 2000 年设计的有轨自动化小车 Multishuttle ,采用的是模块化的构造,可以根据各种生产量和订单要求进行后期配置。模块化设计使其部件相对较少、运行精确度更高且拆装方便。在噪声方面也得到了优化,维修起来更加方便 12。在 2001 年, Swisslog 集团的 Transnorm 公司在瑞典 Boxholm 工厂开发了一种新型堆垛机式有轨自动化小车。它被设计是专门为 Vectura 系列小型存取设备(SRM)服务的,可与高度达 20m 的堆垛机配合作业。该车通过变频器来控制行驶,实现了最大的运动速度和最佳定位精度。由于转轨系统处理循环时间很短,可用作 SRM 巷道来转移 RGV 小车,也可装上托盘输送机而成为输送终端,用作缓冲装置和出库/入库站 3。在 2001 年,昆明船舶公司研发了双轨直线型 RGV 小车,它的主要参数:行走速度(100180)m/min,输送速度(1215)m/min,加速度(0.30.5)m/s 2,行走定位精度5mm 4。在 2002 年,该公司设计出单轨环行 RGV 小车,这种小车是应用单工位单轨环形铝合金轨道,以此提高了作业效率 5。在 2003 年,该公司设计出轨道式直线型双工位 RGV 小车,这种小车由车体、车体行走机构、横向输送装置、纵向输送装置、升降机构、旋转机构等组成,它可以两个工位同时输送,以此又提高了输送效率 6。在 2004 年,太原刚玉物流工程有限公司研发设计出一款 RGV 小车,解决了输送装置存在的设备数量多、故障率高、控制复杂、效率低等技术难关。在6原有直线型 RGV 小车功能的基础上增加了拆盘功能,主要由升降托板和升降机构组成。并且增加了可以对托盘和货物的外形进行检测的装置 7。值得一提的是,英峰集团自主研发的新概念子母穿梭车式立体仓库。该立体仓库可实现托盘货物在货架上密集的存放,并且通过 WMS/WCS 控制系统即可对子母车、提升机、输送机等实现全自动化的操作,无需叉车通道和辅助空间。此新型仓库极大的提高了物料摆放的的密度,还节省叉车存取物料以及人工手动操作的时间。既满足了客户对物料高密度存储的需求,也进一步提高了存取的效率 8。图 1-2 英峰工业穿梭车(四轮车型)1.3 课题研究内容及意义1.3.1 课题的研究内容本文的主要研究的内容主要分为四章:第一章 主要分析了国内外有轨自动化小车的研究现状和发展方向并阐述了本文所要研究的背景和意义,最后介绍了全文的研究要点及结构安排。第二章 根据本课题所研究的有轨自动化小车的实际需求,提出并对比了三套 RGV 小车方案,并重点设计了其中的最优方案,对其子车的主要执行部件和其余零部件等进行了改进,完成了方案优化。7第三章 应用 ABAQUS 对设计机构进行静力学仿真分析以及动力学仿真分析。考虑了轨道、货物、振动等对有轨自动化小车的运动学动力学影响。制作了用于仿真的模型,使仿真软件更顺利地做出分析,为有轨自动化小车的精确仿真奠定了基础。通过对主要执行机构的仿真分析,发现了一些设计方面的不足,进而优化了有轨自动化小车的结构,并再次通过分析找出了有轨自动化小车其他方面的不足,从而提出了改进措施。第四章 对全文进行总结,分析在现代化仓储物流的发展趋势下自动化小车的发展方向。并且,针对新型自动化小车仓储方案进行展望,提出新的改进方向以供后续的研究做参考。1.3.2 课题的研究意义有轨自动化小车是现代化仓储的重要执行设备,自动化小车可以实现无需人员操作,并且运行速度快,大大降低了仓库管理人员的任务量,提高了劳动生产的效率 9。 通过本课题研究开发新型的有轨自动化小车,并进行优化,可以为企业提供新的发展动力。通过研发新型有轨自动化小车,不仅可以积累到设计经验,还可获得设计核心数据并且掌握关键技术,为更先进的有轨自动化小车的研发奠定了基础。使我国现代物流技术的发展也加快了步伐,对于提高物流装备的技术水平,以及抢占自动化小车的行业先机具有十分重要的意义。作为学生,完成本课题的同时我们也将受到设计、计算和绘图、专业知识的应用、调查研究、查阅文献、总结提高、撰写论文与设计说明的能力的综合训练。1.4 本章小结本章主要通过介绍现代仓储物流,提出了有轨自动化小车研究的背景,并详细谈了国内外的有轨自动化小车的研究现状和发展方向,最后介绍了本文的内容和结构安排以及课题的研究意义。82 新型有轨自动化小车结构优化2.1 有轨自动化小车的总体设计RGV 小车具有自动化、柔性以及高速灵活等特点,所以近年来在汽车、烟草等行业应用越来越广泛。但是,现代化立体仓库多种多样,对有轨自动化小车的要求不一,所以需要设计多种不同结构的小车来满足现代化仓储物流的需要。由于实际情况的不同,有轨自动化小车的设计也会有所不同。本课题研究的是三维立体仓储模式下的新型有轨自动化小车。其机械部分应具备控制水平运行(外车) 、进行升降动作及存取货(内车) 、电气和机械的保护功能等。故小车主要由驱动装置、升降装置和存取货装置三部分组成:外车身主要由车壳、正盖、侧盖、隔板等组成,负责内车及控制系统的承载、安全等功能。内车身主要由外壳、底板、托盘、转盘等零部件组成,负责物料的承载、安全等功能。其中驱动装置主要由驱动电机、驱动轴、驱动轮、从动轮等零件组成,主要用于让 RGV 小车在货架上方平面直线行走、精确定位等功能。升降装置主要由伺服电机、起吊轴、卷带轮等零部件组成,主要负责 RGV小车的内车在货架竖井中进行升降运动。92.1.1 小车总体性能要求图 2-1 三维立体货架及 RGV 小车根据课题要求,本文研究的新型有轨自动化小车是在三维立体货架中的穿梭类的有轨自动化小车,如图 2-1 所示,其要求有以下几点:(1) 整车由内外车组成,外车可在货架上以 10m/s 的速度平稳的直线运行,内车可做升降运动。 (2) 对整车要求维护简便,噪音低,保证安全平稳。(3) 小车额定载重为 10kg,要求采用升降装置可以使小车能够托起较重的货物,且耗能低。(4) 内车自重在 5kg 左右,以节省能耗,延长其工作寿命。(5) 小车存取货要在保持平稳及安全的基础上进行缩短,以增加其运行效率。(6) 小车模型设计宽度为 438mm 左右(包括外壳) ,小车轮距为 350mm。(7) 托盘尺寸为直径 288mm,小车尺寸不大于托盘尺寸。(8) 内车外壁设有防撞结构,保证小车升降平稳、安全。(9) 外车设有 LED 按钮,可方便现场工作人员操作小车。10(10) 应用电池作为驱动能源,可用标准电源插座进行充电。(11) 小车可自动运行和通过远程遥控,操作简单方便。2.1.2 小车抓取机构设计与方案对比根据目标要求,小车的额定载重为 10kg 左右,在车身尺寸、货架尺寸的限制下,需设计一套新的存取货机构来提高其原有性能。即能原有尺寸不变的情况下增加载重和存取货能力,与此同时保证安全平稳运行,这是本课题的重点。本文按照存取货机构的不同对比了 3 种方案,分别为夹抱式、吸盘式、货叉式,具体方案如下:方案一、夹抱式存取货方案:图 2-2 夹抱式方案样机图 2-3 齿轮齿条结构11夹抱式是之前研究的一种取货形式,主要由车体、伸缩臂、齿轮齿条结构、伺服驱动系统等组成。其工作原理是通过电机带动齿轮转动,然后齿轮带动齿条使伸缩臂完成伸缩动作。当伸缩臂到达货箱两侧时,伺服驱动两边车体进行夹抱,将货物运到车上。图 2-4 夹抱式小车工作原理图此方案优点是伸缩臂通过齿条的延伸可以足够将货物夹抱,并且运行平稳,可以将较重货物拖拽到车体内。缺点是两边车体所占空间较大,移动范围也比较大,不适合在立体车库竖夹板伸出车体相对行走12井内完成一系列动作,所以不使用竖井式三维立体仓储模式。方案二、吸盘式存取货方案:图 2-5 吸盘式内车总图图 2-6 吸盘式原理图这套方案也是以前的研究:采用摇杆带动吸盘,通过对舵机的控制使之在往复运动旋转往复运动13滑轨上移动来完成存取货全过程的往复运动。它主要用于将回转运动转变为直线运动,同时传递运动和动力。在货箱上安装被吸附装置,以通断电的方式控制吸盘磁力的有无。该机构由舵机、摇杆、吸盘等部分组成。舵机以及吸盘通过摇杆轴与之相连,舵机转动带动摇杆轴,摇杆轴相对摇杆进行直线移动将力传达到摇杆上。摇杆再将力传达给另一个摇杆轴,此摇杆轴与吸盘相连进而将力传达到吸盘,吸盘连接滑块在滑轨上做直线运行。转盘可随着中心的大舵机进行转动,同时带动吸盘进行转向。下面对吸盘式可提供的不同载重量进行分析。电磁吸盘的规格有很多,按照吸力大小划分,可分为普通吸力和强力。本文中选用的电磁吸盘是圆吸盘,吸盘直径为 D,圆截面的面积 S 可表示为:S=(/2 ) 2 (2-1)这里单位取厘米。假设电磁吸盘每平方厘米的吸力为 T,则电磁吸盘的最大负载 F 可表示为:F=ST=(/2) 2 (2-2)如果货箱在货板上滑动,则电磁吸盘负载与货箱载重量之间的关系可表示为:mg=F=(/2) 2 (2-3) 即:m=(/2) 2/ (2-4) 14根据实际货箱与货架的材料,本文选取滑动摩擦系数值为0.18,g取值为9.8N/kg,通过计算可知不同型号电磁吸盘的参数与货箱载重量之间的负载分析如下表2-1 所示:表2-1 电磁吸盘负载对比电磁吸盘的型号 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由此表格我们可知,吸盘式优点是达到了要求的吸附力,并且此结构加工难度小,比较容易做出实物。但是其摇杆结构提供的力太小,并不能达到吸盘所需要的的拉力需求,并且对货箱结构和材料要求也比较苛刻,单轴吸附也不能保证平稳且快速运行,对于吸盘的伸长度也不能保证。15方案三、货叉式存取货方案:图 2-7 货叉式内车总图 图 2-8 货叉结构图货叉式作为最传统的抓取机构,已经广泛应用于各类行业中,它的承重以及稳定性都已经有了比较成熟且系统的研究结果。 ,货叉式工作原理为:货叉伸插到货物底端,抬起货箱,并携带货物收回。在这个过程中,货叉会受到来自货物和货箱的力矩,会造成载货平台提升过程中整体倾覆。对于此课题,通过内车与货架的连接,可以避免倾覆。同时通过改进,可以将货叉设计成勾取装置。而把“抬起”的动作变成为辅助动作:无需完全抬起,只为减少摩擦力,方便货物更容易被勾回内车,本文将展开此方案来做一些改进,并进行仿真分析。16接下来讨论,如何完成货叉的伸缩动作:(1) 无杆气缸作为动力:图 2-9 无杆气缸图无杆气缸介绍: 无杆气缸里面有活塞,没有活塞杆,活塞装置在导轨里,外部负载给活塞相连,运行主要靠进气。气缸内部的永磁铁带动活塞杆外部的另一个磁体来运动。磁环的吸力一定要与气缸活塞的推力相应。无杆气缸气缸两边都是空心的,它和普通气缸的的工作原理一样,但是外部连接、密封形式有所不同。就目前无杆气缸的发展,气缸型号多种多样,足够满足课题的要求。通过气缸滑块与货叉相连作为推动,通过对气压的控制不仅可以定位误差的伸长量,还可以改变其运行速度,以及拖拽能力。无杆气缸工作原理:如图 2-10,无杆气缸作为动力输出。气缸滑块与货叉相连,随着气缸滑块往复运动,完成货叉的伸出与缩回运动,进而完成存取货。同时,通过对气压的调节,可以改变气缸滑块运动的速度,同时改变货叉的推力和拉力,提高货叉的工作性能。17图 2-10 无杆气缸工作原理图(2)丝杠螺母作为动力:图 2-11 丝杠螺母结构图气缸滑块往复运动18丝杠螺母介绍:其传动是由丝杠及螺母两部分配套完成,在伺服电机驱动下,此套传动可将旋转运动转化为直线运动,并且该运动是目前传动机械中精度最高,而且该装置也是最常见的传动装置。丝杠螺母工作原理:图 2-12 丝杠螺母原理图如图 2-12,随着伺服的转动,带动丝杆转动,从而让螺母带着货叉直线运动。通过控制伺服的正反转来控制货叉的伸缩,从而达到存取货的目的。由此可见,其优点是控制精度高,运行平稳,并且传递的力也可以满足对货物的拖动。通过伺服电机控制,噪声比其他机构都要少很多。但是,缺点是尾端需要安装伺服电机来驱动丝杆旋转,缩短了货叉的运行长度。对于以上三个方案进行对比如下:方案一虽然伸缩臂通过齿条的延伸可以足够将货物夹抱,并且运行平稳,可以将较重货物拖拽到车体内,但是受空间影响,两边车体所占空间过大,如果设计过薄则不能保证伸长量和夹抱力。其次齿轮齿条噪声相对较大,并且由于存取货对货箱产生摩擦易使货箱受损,因此不适用。方案二的吸盘吸附力虽然符合要求,但对货箱结构和材料要求苛刻,其次摇杆提供的拉力不能满足吸盘的需求,而且,单轴吸附也不能保证平稳且快速往复运动19运行,吸盘的伸长量受局限,因而此方案也不适用。方案三采取对原始的货叉结构加以改进,可以连同托盘抬起货物并勾回内车,并且采取无杆气缸和丝杠螺母作为动力,可以保证伸长量的同时运行平稳,并且拉力都可以达到要求。相比丝杠螺母,无杆气缸作为动力效率更高,气动成本较低,所以本文主要选择用无杆气缸作为货叉式方案的动力输出。下文主要对具体设计及其工作原理进行一些介绍。2.2 小车主要执行部件设计2.2.1 货叉的结构及功能如图 2-7,货叉主要结构主要由钩块和叉体构成,大体结构和功能和普通的货叉类似。一般如:叉车、液压车、堆垛机等都是通过顶升,将货物抬起来运输到目的地。而本文中介绍的货叉由于要防止倾覆的可能,需要一个勾取机构,如图 2-13 所示:图 2-13 货叉勾取部分此勾取部分与吸盘式结构所需的货箱有所区别,目前大多数货物都是存放在托盘上,所以这里需要将货箱放在托盘上如图 2-15,货叉可以伸入托盘下面然后通过升降装置使托盘和货箱被抬起,利用货叉顶端的勾取结构将托盘和货箱拉到内车。在勾取部分增加钩块,主要用于增加货叉与货箱的接触面积,方便勾取。钩块上下运动钩块20当货叉伸入货箱底部并向上顶升时,钩块接触货箱底面,将钩块里端下压,利用杠杆原理提升勾取部分的高度以达到与货箱增大接触面积。钩块主要通过销连接,然后一端与弹簧连接。正常状态下,弹簧将钩块顶起,如图 2-14。图 2-14 钩块结构图为了在满足承重要求的情况下平稳并安全的运行,此时的货叉不同于一般货叉,因为内车总重量的要求在 5kg 左右,货叉不可过重,并且如果货叉过重,其自身所受的力矩也会增大,这样就导致承重能力减小。21图 2-15 货箱结构图为了排除更多的自身因素,这里需要为货叉减轻重量。如图 2-8,叉体的承重面可以穿透,并且货叉的厚度也要减小。为了可以保证承重,在货叉板下面设计了筋来提高承重能力。货叉的材料选择 40Cr 合金钢。图 2-16 钩块上升工作原理图图 2-17 钩块下降工作原理图钩块升降原理如图 2-16 和图 2-17,载货时,钩块由于货箱的下压而上升,空载时,在弹簧的弹力下,钩块勾取部分下降。综上所述货叉功能主要有如下几点:(1) 货叉到达货箱底部(2) 货叉上升抬起货箱(3) 货叉勾取部分勾住货箱22(4) 货叉载货钩块勾取部分上升(5) 货叉空载钩块勾取部分下降2.2.2 转台的结构优化以前的吸盘式设计方案为单轨,并且轨道在转盘上,只有吸盘露出完成隔空吸附货箱,吸盘无需伸入货架之中。而货叉式需要把货叉伸入货架之中,并且需要运行一段距离。由于内车运行中需要有转动功能,所以货叉不可以内置。这里将滑轨和货叉一同放在上托盘上如图 2-7。2.3小车功能及性能分析2.3.1 小车功能分析以小车取货过程为例进行描述:首先,小车由初始 A 到达指定位置 B(X,Y)如图 2-18。图 2-18 外车在立体货架平面运行 图 2-19 内车下降至存取货位置 C23然后,小车内车下降至取货位置 C(X,Y,Z) ,伸出货叉,如图 2-19。外车拉动内车上升,使货叉勾住货箱,货叉缩回,货箱到达内车。外车继续拉动内车上升,回到 B 点,带内车及货物在货架上平面继续行走。 (小车存货同理)图 2-20 内车存取货平面图如图 2-20,内车通过内车转盘旋转方向,可以选择 D、E 、F 、G 四个位置进行存取货。2.3.2 小车性能分析这里,通过单片机或者 PLC 控制,小车的运动可以实现自动化,如卸货可以输入卸货的命令,然后输入初始位置坐标以及货物位置的坐标。如果是取货,输入取货命令,然后输入初始位置坐标,货物位置坐标以及需要把货物运送到的位置的坐标。小车运动过程中,可以依靠传感器进行加速、减速和匀速运动。2.4仓储方案创新思路目前研究的是导轨式自动化小车,即外车在货架上平面按照轨道行走,内车在竖井里沿着轨道完成升降动作。此方式可以保证平稳性,并且经过验证,可以通过计算和设计完成想要达到的效果。24图 2-21 导轨式 图 2-22 天车式在此基础上,本文进一步提出天车式自动化小车,即将内车外车于一体,以天车的形式来完成运行。此方案较导轨式更加灵活,并且运行效率可以得到大大的提升。但是以前的课题对此方案有所研究,认为存在技术难关,以及稳定性难以得到保障,这里展开一些设想。 图 2-23 多套 EMS 自动化小车系统基于以上天车式中较难安置多套 EMS 自动化小车系统,有如下设想:由于这种方案减少了一些复杂结构,从而车体的质量也大大减轻,可以在货架上方增加一些立柱以支撑航道。2.5 本章小结本章主要对小车内车的存取货方案进行对比,通过比较分析选择对货叉式存取货方案展开设计与讨论,并讲述了主要执行机构的设计原理,以及一些关于新型仓储方案的思考,在最后描述了小车的存取货路线。
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