四向穿梭车的结构设计与分析

陈光明 李祥森 骆敏舟 黄 伟

（1.南京农业大学 工学院，南京 210031；2.江苏省产业技术研究院智能制造技术研究所，南京 211800）

随着电子商务、自动化零售超市、制造业仓库自动化等的发展，现有的物流仓储已经无法满足需求，需要更加集成与自动化的高密度仓储物流系统[1]。有轨穿梭车能够自主实现在巷道内快速移动，大大提高了仓储物流的效率，如图1所示。

图1 有轨穿梭车

目前，使用的搬运车大多为单向行驶的多层穿梭车。近年来，四向穿梭车（以下简称四向车）快速发展，但是大部分学者都在研究多车调度，而未完善车体结构设计。李鑫等[2]提出了一种新型的物流穿梭小车升降结构，通过丝杠转动进行顶升，实现了穿梭车载物台的升降。许贤琳[3]设计使用偏心凸轮直接顶起顶升块。杨光辉等人[4]对新一代托盘四向车的结构与通信进行分析。李丽等人[5]阐述了应用于成品粮立体库的料箱式四向穿梭车总体设计，并设计样机进行测试。伊军琪[6]对托盘式与料箱式四向车的技术应用与发展趋势做出了分析。葡萄牙波尔图理工学院Fernandes等人[7]针对工业4.0改进了箱式穿梭车，并在车上安装自动拾取物料的机械臂。本文提出了一种盘形凸轮与高压缩量压簧配合顶升结构，并设计出单车体式四向车的总体方案。

1 单车体四向穿梭车总体结构设计

四向穿梭车能够配合提升机、叉车完成货物的上下运送，自身具有两套轮组，可以自主实现换向功能，完成不同巷道内的作业任务。在自动储存和检索系统调度下，它能够实现多车同时运行。通过扫描条形码，各个四向车可以实时向系统发送自己的位置信息。通过调度系统为每个四向车系统规划好的路径，避免发生碰撞。四向车还应具有货物点数、提高空载速度、避障、自动化充电、反馈障碍物信息等功能，主要组成如图2所示。它主要由电气控制、行走机构、顶升机构、车架机构和电池供能系统5部分组成。

图2 四向穿梭车主要结构组成

1.1 车架机构

四向车车架起到车体稳定承载运行的作用。考虑到装配与维修的方便，车架主要分成底板、侧板和前后板，分别固定好后进行焊接。材料选择优质的结构钢。

1.2 行走机构

行走电机通过链条同时驱动横向轮组和纵向轮组。通过PLC发送脉冲信号控制伺服控制器进行驱动。电机前端通过减速器后连接换向器与前端链轮，分别带动纵向轮组与横向轮组。行走机构使用两套轮组，每套轮组能够执行一个方向的运动。在不同位置执行不同任务时，通过顶升换向机构将两套轮组依次转换接触导轨，可实现不同方向的运动。

2 四向车顶升机构设计

2.1 顶升结构设计

顶升方式主要分为丝杠滑块、液压顶升、曲柄滑块和凸轮顶升，但是丝杠滑块速度较慢，在液压顶升时容易泄露液压油造成污染。此外，穿梭车高度较小，曲柄滑块结构较大，所以优先凸轮实现顶升。

凸轮顶升结构具有较好的传动速度和运动精度、较高的结构强度，能够较好地实现穿梭车顶升功能。凸轮是顶升结构最重要的组成部分，其外形轮廓和基圆的设计直接影响凸轮结构的力学传动性能和传动效率。凸轮在推程阶段将紧靠底端的滚子挤压，实现工作台的向上运动。此时，弹簧受到挤压，纵向行走轮与轨道接触，四向车纵向运动。在凸轮回程阶段，弹簧通过弹性力将纵向行走轮顶升，使横向行走轮与轨道接触。图3为顶升系统结构图，图4为盘形凸轮顶升结构图。

图3 顶升系统结构图

图4 盘形凸轮顶升结构图

2.2 顶升换向运动分析

四向穿梭车的工作过程为“驶入纵向巷道→扫描二维码信息定点停车→第一次顶升换向-驶入托盘下方→进一步顶升抬高→将托盘运送到巷道中间完成取货→第二次换向进行运送”。由于速度与受力不同，为提高空载顶升的动作效率，将一个周期内的顶升动作按纵向轮是否接触轨道即凸轮与滚子间是否存在挤压力划分为6个阶段，如图5所示，分别为不受力推程、受力推程、停止、受力回程、不受力回程、停止，依次对应图5（a）→图5（b）、图5（b）→图5（c）、图5（c）、图5（c）→图5（e）、图5（e）→图5（f）和图5（a）→图5（b）。

图5 凸轮机构与压簧顶升动作

3 凸轮的设计

3.1 凸轮的结构设计

凸轮基圆半径会直接影响凸轮的压力角和运动的平稳性。使用改进型正弦加速度运动规律设计凸轮，可以避免柔性与刚性冲击。盘形凸轮6个阶段的设计参数，如表1所示。

表1 改进正弦加速度运动规律

3.2 凸轮顶升换向机构仿真分析

为了更好地分析传动轴的受力与凸轮的运动，联合Motion插件分析滚子的运动位移、速度和加速度。电机转速设定为12 r·min-1后，观察速度曲线图没有拐点，表明凸轮转动过程中无刚性冲击。加速度曲线图中存在有限数值的拐点，运动过程中存在部分柔性冲击，如图6所示。

图6 运动曲线图

4 结语

本文提出了一种应用于立体仓储的新型单车体四向车的结构设计方案，对车架机构、行走结构、顶升结构3大主要结构进行了设计与分析。

（1）建立行走机构模型，使用单电机同时驱动横向轮组与纵向轮组转动，优化了电机使用数量与传动结构；

（2）使用盘形凸轮挤压滚子与超压缩量压簧回弹，实现了纵向轮组与横向轮组间的转换动作，完成了四向车的顶升与换向设计。