姜延柏1,2 尹世琛1,3 陳滌新1,2,3 鄒 麗1,21 北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 2 北京市自動化物流裝備工程技術(shù)研究中心 北京 3 機械工業(yè)物料搬運工程技術(shù)研究中心 北京

　　摘 要：基于穿梭車的貨到人揀選系統(tǒng)中，伸縮貨叉是穿梭車上物料搬運的執(zhí)行機構(gòu)，它的合理設(shè)計是保證穿梭車輕巧、快速、精準的關(guān)鍵。文中進行伸縮貨叉的研發(fā)設(shè)計，通過總體規(guī)劃設(shè)計，確定伸縮貨叉的性能參數(shù)；通過分析常用結(jié)構(gòu)形式的弊端，合理設(shè)計伸縮貨叉各部件結(jié)構(gòu)，使伸縮貨叉具有較大行程、足夠強度的同時，結(jié)構(gòu)先進合理，簡單緊湊，外形尺寸小，方便選材，成本低，傳動平穩(wěn)，定位精確，易于操作，更加具有市場競爭力。

　　關(guān)鍵詞：穿梭車；伸縮貨叉；組成結(jié)構(gòu)；伸縮原理；總體規(guī)劃；部件設(shè)計

　　中圖分類號：TH 246 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）03-0058-05

　　0 引言近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷普及，電子商務(wù)迅速發(fā)展起來，客戶訂單商品呈現(xiàn)出品種多、批量少、交貨期短的特點，使得供貨商物流配送中心貨架存儲密集度不斷提升，物料出入庫頻率越來越高，小件拆零揀選量與日俱增，越來越多的物流配送中心采用基于穿梭車的貨到人揀選系統(tǒng)。該揀選系統(tǒng)存儲密度大，存取效率高，出錯率低，實現(xiàn)了配送中心的密集存儲和快速拆零揀選。

　　貨到人揀選系統(tǒng)由多輛穿梭車作為物料搬運設(shè)備，穿行于密集存儲式貨架不同層的巷道內(nèi)，伸縮貨叉是穿梭車上的執(zhí)行機構(gòu)，穿梭車到位后貨叉快速伸縮取放貨物。作為穿梭車的關(guān)鍵部件，伸縮貨叉作業(yè)效率決定穿梭車效率的高低，其質(zhì)量約占穿梭車質(zhì)量的30%。伸縮貨叉成本低，運行快速，平穩(wěn)可靠，適應性強，能有效提高穿梭車在市場上的競爭力。

　　1 伸縮貨叉概述伸縮貨叉作為穿梭車的執(zhí)行機構(gòu)，貨叉長度要小于巷道寬度，貨叉寬度要小于移載貨物間隙，伸出長度要滿足貨架貨格深度要求，同時配置適當夾抱機構(gòu)用于取放貨物。

　　1.1 伸縮原理伸縮貨叉為實現(xiàn)在伸出時達到貨架上取放貨工位，縮回時在穿梭車車體范圍內(nèi)，采用兩級差動伸縮結(jié)構(gòu)，由伸縮臂間的拖動系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)配合作為傳動系統(tǒng)完成貨叉的差動伸縮作業(yè)。如圖1 所示，兩級拖動系統(tǒng)一端與內(nèi)固定板相連，另一端繞過滑輪組件與外伸縮臂相連。當中伸縮臂在下方的驅(qū)動系統(tǒng)帶動下，相對內(nèi)固定板運動時，中叉板上的滑輪組件以相同速度移動，拖動系統(tǒng)移動端隨即拖動外伸縮臂以兩倍的差動速度同向運動，完成貨叉的遠距離伸縮作業(yè)。

　　1. 內(nèi)固定板 2. 中伸縮臂 3. 外伸縮臂 4. 兩級拖動系統(tǒng)一5. 兩級拖動系統(tǒng)二 6. 驅(qū)動系統(tǒng)

　　圖1 貨叉伸縮原理圖

　　1.2 組成結(jié)構(gòu)穿梭車用伸縮貨叉結(jié)構(gòu)形式多種多樣，有底部托板式、輸送帶式和夾抱式。設(shè)計時采用夾抱式，結(jié)構(gòu)簡潔，可實現(xiàn)快速取放物料；采用兩級貨叉結(jié)構(gòu)，各級叉板之間通過行程倍增實現(xiàn)大距離伸出。

　　伸縮貨叉設(shè)計為由左右對稱安裝的外伸縮臂、中伸縮臂、內(nèi)固定板、兩級傳送帶拖動系統(tǒng)以及位于下方的驅(qū)動系統(tǒng)組成，如圖2 所示。

　　外伸縮臂、中伸縮臂、內(nèi)固定板之間通過滑軌水平滑動安裝在一起，中伸縮臂內(nèi)嵌有兩級傳送帶拖動系統(tǒng)，中伸縮臂齒板與下方驅(qū)動系統(tǒng)嚙合。

　　1. 外伸縮臂 2. 中伸縮臂 3. 內(nèi)固定板 4. 傳送帶拖動系統(tǒng) 5. 驅(qū)動系統(tǒng)圖2 伸縮貨叉結(jié)構(gòu)圖

　　驅(qū)動系統(tǒng)帶動上方的中伸縮臂正反向運動，拖動外伸縮臂伸出或收回，到達貨架貨物存取工位。外伸縮臂內(nèi)側(cè)安裝有撥叉組件，可以在垂直的初始位置和斜向下方的取放貨位置之間進行旋轉(zhuǎn)擺動，相互配合完成對貨物的推出或勾取作業(yè)。

　　2 伸縮貨叉參數(shù)確定2.1 總體規(guī)劃設(shè)計伸縮貨叉研發(fā)設(shè)計時，結(jié)合密集存儲貨架貨格尺寸、料箱所在貨架縱深位置、軌道標高以及料箱尺寸來確定伸縮貨叉的總體參數(shù)：伸縮貨叉行程、料箱間距、叉體寬度、貨叉內(nèi)寬和貨叉高度等，滿足對貨架上料箱的存取要求。2.1.1 伸縮貨叉行程如圖3 所示，根據(jù)貨架上料箱所在工位距離巷道中心距離L 以及貨叉上撥叉所在的位置，總體規(guī)劃貨叉行程。對比取、放貨作業(yè)示意圖，放貨作業(yè)滑軌行程L1>取貨作業(yè)滑軌行程L2，設(shè)計時依據(jù)行程L1 選擇合適的滑軌行程，通過對滑軌極限位置進行受力分析，依據(jù)其承載能力表選擇合適規(guī)格的滑軌。放貨作業(yè)取貨作業(yè)

　　圖3 伸縮貨叉作業(yè)示意圖

　　2.1.2 寬度和間距尺寸伸縮貨叉寬度和間距尺寸如圖4 所示。伸縮貨叉內(nèi)寬L 由料箱尺寸L0 和間距S 決定，箱間距L1 是伸縮貨叉寬度B 和與料箱間距S 之和。L 和L1 均與S 有關(guān)，料箱距離S 一般為15 ～ 25 mm，以保證伸縮貨叉取放作業(yè)過程中料箱發(fā)生偏斜時貨叉仍能從料箱間隙順利通過，避免發(fā)生碰撞。貨叉寬度B 作為料箱間距的另一決定因素，應盡量小，以提高貨架的空間利用率，這也是貨叉研發(fā)的難點。

　　圖4 伸縮貨叉寬度及間距尺寸圖

　　2.1.3 伸縮貨叉高度伸縮貨叉高度位置示意如圖5 所示，需要合理設(shè)計貨叉底部位置，確保貨叉底部位置與貨架或者輥道臺等設(shè)備有足夠的高度差（約10 mm），使其在取放貨作業(yè)過程中避免與相關(guān)聯(lián)設(shè)備發(fā)生碰撞。

　　圖5 伸縮貨叉高度位置示意圖

　　2.2 部件設(shè)計計算2.2.1 驅(qū)動系統(tǒng)選型計算速度約為0.5 m/s，移載貨物質(zhì)量為40~50 kg，移載貨物以紙箱或塑料箱為主。伸縮貨叉驅(qū)動系統(tǒng)電機計算功率

　　式中：F 為料箱前后運動時所受摩擦力，v 為料箱運動速度。

　　電機額定功率

　　式中：η1、η2、η3 分別為電機驅(qū)動端同步帶系統(tǒng)、貨叉下方同步帶系統(tǒng)以及傳送帶拖動系統(tǒng)的傳遞效率。計算得出P0 后，確定合適功率的直流電機。根據(jù)貨叉伸縮速度以及電機額定轉(zhuǎn)速、電機驅(qū)動端同步帶系統(tǒng)和貨叉下方同步帶系統(tǒng)傳動比，計算出減速器減速比，確定合適輸入轉(zhuǎn)矩、減速比的減速器。2.2.2 傳動系統(tǒng)受力分析伸縮貨叉?zhèn)鲃酉到y(tǒng)由傳送帶拖動系統(tǒng)和同步帶傳動系統(tǒng)共同組成，同步帶系統(tǒng)驅(qū)動中伸縮臂前后移動，中叉齒板上的滑輪組拉動傳送帶拖動系統(tǒng)運動，帶動外伸縮臂對貨物進行取放作業(yè)，整個傳動系統(tǒng)受力分析如圖6 所示。

　　1. 傳送帶拖動系統(tǒng) 2. 同步帶傳動系統(tǒng)圖6 傳動系統(tǒng)受力分析圖

　　對傳送帶拖動系統(tǒng)進行受力分析，F(xiàn)1 為外伸縮臂拉動貨物克服摩擦力所需的拉力，P1 為傳送帶拖動系統(tǒng)伸縮時傳送帶與滑輪組之間產(chǎn)生的摩擦力，傳送帶內(nèi)部所受拉力

　　由此可得出帶動中伸縮臂運動所需要的拉力

　　對同步帶傳動系統(tǒng)進行受力分析，F(xiàn)2 為拉動中伸縮臂所需的拉力，T1 為同步帶傳動系統(tǒng)同步帶與帶輪嚙合傳動時產(chǎn)生的摩擦力，同步帶內(nèi)部所受拉力

　　傳送帶拖動系統(tǒng)的平傳送帶可以其內(nèi)部所受拉力作為選型依據(jù)；同步帶傳動系統(tǒng)可根據(jù)電機功率、輸出轉(zhuǎn)速、帶輪直徑等進行選型，確定同步帶齒形及帶寬，所選同步帶最大牽引力應大于由式（5）計算所得到的同步帶內(nèi)部所受拉力。由此確定伸縮貨叉各零部件參數(shù)值。

　　3 伸縮貨叉部件結(jié)構(gòu)設(shè)計伸縮貨叉叉體部件設(shè)計時結(jié)合整體參數(shù)尺寸，貨叉伸出強度，選材、制造難度，中、外叉之間拖動性，左右貨叉同步性，傳動平穩(wěn)性等因素，對部件結(jié)構(gòu)設(shè)計加以綜合考慮。

　　3.1 外伸縮臂結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個外伸縮臂向內(nèi)面對貨物，隨中伸縮臂移動的同時，由前后左右對稱布置撥叉組件配合完成貨物的取放作業(yè)。設(shè)計時要考慮此類移動部件的電氣元件供電及信號傳遞系統(tǒng)有良好的隨動性。

　　可以采用如圖7 所示的結(jié)構(gòu)，將電纜拖鏈安裝在外伸縮臂上方，跟隨外伸縮臂在垂直或水平方向移動，但這種拖鏈結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)彎處彎曲半徑較大，導致外伸縮臂高度或?qū)挾确较虺叽巛^大，不符合較小外形尺寸的要求。

　　1、2. 使用電纜拖鏈的外伸縮臂圖7 外伸縮臂電纜拖鏈結(jié)構(gòu)圖

　　為使外伸縮臂設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡化、整體貨叉外形尺寸小，設(shè)計的關(guān)鍵在于簡化隨動供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。伸縮貨叉作業(yè)過程中，中伸縮臂上的傳送帶拖動系統(tǒng)跟隨外伸縮臂一起移動，傳送帶內(nèi)嵌的鋼絲可用作供電和信號傳遞介質(zhì)，一端連接車體內(nèi)的電氣模塊，另一端連接外伸縮臂內(nèi)電氣模塊，傳送帶拖動外伸縮臂的同時給其內(nèi)部的減速電機、傳感器提供電源并傳遞信號。外伸縮臂無需復雜的供電系統(tǒng)，由獨立、小巧的撥叉模塊、控制模塊、繼電器及其接線組成，包裹在薄護板內(nèi)部，如圖8 所示，整個外伸縮臂在滿足供電及信號傳遞要求的同時，結(jié)構(gòu)簡單、輕便，可有效縮小料箱之間的間隙，增加密集存儲貨架貨位密度，貨架利用率高。

　　1、4. 簡化結(jié)構(gòu)的外伸縮臂 2、3. 內(nèi)嵌鋼絲傳送帶圖8 外伸縮臂內(nèi)嵌鋼絲傳送帶供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　3.2 中伸縮臂結(jié)構(gòu)設(shè)計中伸縮臂是伸縮貨叉的主體框架，其上裝有滑軌和傳送帶拖動系統(tǒng)，下方與驅(qū)動系統(tǒng)嚙合對動力進行中轉(zhuǎn)，如圖9 所示。

　　中伸縮臂設(shè)計的關(guān)鍵在于要保證其向外伸出以及與下方嚙合時有足夠的強度，設(shè)計選材尤為重要。普遍采用定制的特種型材，結(jié)構(gòu)復雜，原材料成本較高，加工制造困難；也有采用薄鋼板形式，雖然質(zhì)量輕、厚度小，但是經(jīng)過加工后的齒板易變形，為達到滑軌安裝平面度要求，加工難度較大。

　　考慮以上因素，設(shè)計時采用厚鋁板作為中伸縮臂主體框架材料，其具有以下特點：1）易于選材，便于加工制造，變形小，齒板平面度高，滑軌安裝貼合緊密；2）厚鋁板強度高，中、外伸縮臂大伸出量懸臂時有足夠的強度，撓曲變形??；3）厚鋁板下方齒形較寬，可與同步帶很好的嚙合；4）利用鋁板厚度優(yōu)勢，將傳送帶拖動系統(tǒng)的滑輪組件、張緊裝置以嵌入式安裝在中叉齒板和固定板的凹槽內(nèi)，節(jié)省安裝空間，中伸縮臂結(jié)構(gòu)緊湊。厚鋁板配以雙側(cè)滑軌，嵌入式安裝的傳送帶拖動系統(tǒng)、傳送帶張緊裝置，使中伸縮臂具有較小的外形，各伸縮臂之間滑動靈活，有足夠長度伸出行程以及較大的承載能力。

　　1、8. 滑軌 2、7. 傳送帶張緊裝置 2、6. 滑輪組件 4、5. 厚鋁板圖9 伸縮貨叉中伸縮臂結(jié)構(gòu)

　　3.3 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)與中伸縮臂嚙合，是伸縮貨叉執(zhí)行伸縮運動的動力源。一般采用鏈傳動形式，見圖10。

　　圖10 鏈傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　通過主動鏈輪、鏈條帶動從動鏈輪轉(zhuǎn)動，由托板在鏈條下方支撐，保證鏈條與上方中伸縮臂之間的良好嚙合。但由于齒板與鏈條嚙合間隙較大，左右貨叉同步性較差，貨叉進行往復運動時響應時間長，位置精度低，且鏈條為金屬結(jié)構(gòu)，增加了叉體質(zhì)量，并需要定期加以潤滑。

　　同步帶傳動可以克服上述傳動系統(tǒng)的不足。按照同步帶傳動系統(tǒng)輪系結(jié)構(gòu)布置形式，設(shè)計時采用雙面齒或單面齒兩種聚氨酯同步帶組成的驅(qū)動系統(tǒng)，由減速電機帶動主從動帶輪拖動同步帶運動，從而帶動上方的中伸縮臂運動，如圖11 所示。

　　圖11 同步帶驅(qū)動系統(tǒng)

　　采用聚氨酯同步帶的驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)勢 ：1) 系統(tǒng)重量輕；2) 耐磨性好，無需潤滑；3) 傳動平穩(wěn)，加工精度高，嚙合良好，位置控制精確可靠；4) 下方托板可保證其無下垂變形，且摩擦阻力小。整個同步帶驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量輕、同步性好、免潤滑、位置精度高。

　　4 結(jié)論通過對穿梭車用伸縮貨叉機構(gòu)的研發(fā)設(shè)計，研制出結(jié)構(gòu)先進合理的伸縮貨叉：1）根據(jù)總體設(shè)計原則及部件結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，研制出的伸縮貨叉與穿梭車匹配良好，性能參數(shù)滿足穿梭車作業(yè)要求，可作為今后伸縮貨叉選型設(shè)計的理論依據(jù)；2）通過選用合理的結(jié)構(gòu)形式，伸縮貨叉結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，實現(xiàn)了可靠拖動、平穩(wěn)傳動和精確定位；3）提高了穿梭車競爭力，有效增大了貨架存儲率，達到了預期的出入庫效率要求。

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