窄通道侧面堆垛式无人叉车的设计

文｜临沂临工智能信息科技有限公司

刘鹏 孟凡仪

一、引言

随着智能物流仓储行业的迅速发展，智能化立体仓储的解决方案也不断地向着高库容率、高存储效率、低成本方向更新升级。

智能化立体仓储解决方案，目前主要包括三大类。一是基于有轨堆垛机的立体仓储，主要应用于长通道、高位货架的场景，存储效率高、场景适用性强，但成本偏高；二是基于穿梭车的立体仓储，主要应用于中低位货架，产品同质化较强的场景，成本低，但存储效率低、场景适用性较差；三是基于无人叉车的立体仓储[1]，主要应用于中低位货架、多通道场景，存储效率高，场景适用性强，成本适中。无人叉车作为一种智能车辆机器人，将叉车技术和AGV技术充分融合，在智能化立体仓储领域占据越来越重要的市场[2]，按叉车本体类型分为托盘堆垛式无人叉车、平衡重式无人叉车、插腿式无人叉车、前移式无人叉车、多向运行式无人叉车和侧面堆垛式无人叉车等。其中，对于无人叉车，市场上缺少同时兼顾堆垛通道窄、存储效率高、库容率高等优点的产品。

基于上述问题，本文提出一种窄通道侧面堆垛式无人叉车（以下简称无人叉车）设计方案。然后，对此类无人叉车的一个设计难点，即液压同步问题，从机械结构、液压系统两方面提出详细的设计方法。最后，通过3D软件对其进行模块化建模，并通过样机试验的方法验证设计的合理性，保证该产品同时兼顾堆垛通道窄、存储效率高、库容率高等优点。

二、方案设计

1. 设计关键参数

无人叉车设计的关键参数主要包括：最大货物重量、最大货物形体尺寸、载荷中心距、最小堆垛通道宽度、最大举升高度、货叉末端最大挠度、最大行驶速度、满载最大提升速度。其中，最小堆垛通道宽度是指叉车在货架通道内能够堆垛作业时，对应的通道最小宽度。最大举升高度[3]是指货叉水平段或升降平台上表面至地面之间最大的垂直距离；货叉末端最大挠度是指货叉在额定负载，最大行程时，货叉末端在竖直方向上产生的最大线位移。本文涉及无人叉车的关键参数，如表1所示：

其中，为了有效减小堆垛通道宽度，经结构设计，最小堆垛通道宽度由传统的3米缩减至1.6米，大幅提升了终端仓储的库容率。

2. 安全检测方案

智能化立体仓储的系统安全检测，是项目正常运转的先决条件，也是重点的设计对象。基于无人叉车的立体仓储，安全检测主要从车体本身、与车体对接的上料装置两方面考虑。针对上述问题，本节提出的安全检测方案如下：

上料装置：①设计有托盘定位装置和货物尺寸超限传感器，当货物宽度超限、长度超限、高度超限时会发出报警信号；②设计有货物超重传感器，当货物超重时发出报警信号；③设计有货物位置超差检测传感器和用来判断货物有无的传感器。

无人叉车：①载货平台上，设计传感器安装框架，安装有货物尺寸超限传感器，当货物宽度超限、长度超限、高度超限时会发出报警信号；②载货平台上设计有判断托盘有无和判断空托、满托的传感器；③液压系统中，设计有压力检测传感器，当货物超重，或系统压力异常时，系统发出报警信号；④货架上货物有无的检测传感器，无人叉车进叉前，先通过传感器，检测货架上货物的有无，同时验证提升高度的正确性，以确保进叉安全；⑤无人叉车安装有陀螺仪，当底盘倾斜超差时，整车将发出报警信号，并禁止举升作业。

3. 货物存取动作流

由于单次存放货物的动作流与单次取放货物的组成动作相同，动作流类似，本文以单次存放货物的动作流为研究对象并进行设计。

上料区取料时，动作流程如图1-(a)所示，无人叉车根据WCS（Warehouse Control System）仓储控制系统指令，通过直行、侧向移动、转弯等动作，移动至上料点。确认上料点安全检测传感器无异常后，将载货台提升至相应高度，同时无人叉车安全检测传感器对上料点货物进行安全检测。无异常后，伸叉取货。在货叉收回的过程中，无人叉车载货台的尺寸超差传感器，时时对货物的高和宽进行尺寸超差检测，一旦出现尺寸超差，无人叉车停机，系统报警。如货叉收回过程中无异常，货叉回到中位后，为降低无人叉车重心，保证运行的平稳安全性，同时兼顾货物存放效率，载货平台将回落至离地800mm处。

货架区存料时，动作流程如图1-(b)所示，无人叉车根据WCS仓储控制系统指令，通过直行、侧向移动、转弯等动作，移动至货架区对应点。首先通过陀螺仪检查地面平整情况，确保整车倾斜情况满足安全要求。然后将载货平台上移至相应库位高度，光电检测传感器检测货架上货位为空，货叉外伸至相应库位，下落平台，将货物存放于立体货架上。最后，货叉收回，载货平台回落到低位。存取物料动作流完成。

4. 产品结构的总体设计

按照模块化理念对产品结构进行总体设计，主要从货物升降、货叉、车体底盘三方面考虑：

货物升降：为便于后期举升高度的拓展，降低整车中心高度，本无人叉车采用伸缩门架实现载货平台的升降。本方案支持货物提升高度8米以上。同时，由于货物重量较重，为保证高位时伸缩门架的刚性，本无人叉车设计有双伸缩门架。其中，升降高度通过拉绳编码器检测。

货叉：为提升货物存取效率，降低仓储通道宽度，本无人叉车设计有双向伸缩货叉，以侧向进叉的方式完成货物的取放。伸缩货叉上设计有中位检测传感器及行程限位传感器。

车体底盘：采用双舵轮动力轮加4个万向轮支撑的底盘结构，舵轮设计有浮动结构，底盘通过型材焊接而成，使整车可实现转弯、自旋、侧移功能。

综上，无人叉车可详细划分为前车箱、后车箱、前提升架、后提升架、双向伸缩货叉、安全触边、激光导航、控制面板、激光避障、动力底盘、液压系统、供电系统、安全检测系统等，整车结构如图2所示。

三、液压同步问题的解决方案

为有效提升高位举升时的结构刚性，本举升装置共设计有两套伸缩门架，涉及4条油缸。其中，4条油缸最大间距超1.5米，单条油缸行程超1.5米，液压同步问题是本类设计的一个难点。本节通过机械结构、液压系统两方面分别提出解决方案。

1. 机械结构 

实现液压缸的同步举升，机械同步往往是最简单、成本最低的解决方案。以举升装置为研究对象，如图3-(a)所示，其主要包括前提升门架1、后提升门架2和双向伸缩货叉3。前提升门架1与后提升门架2结构原理相同，其中，前提升门架1由内移动门架11、外固定门架12、滑架13组成；内移动门架11由动滑轮111、滑架导向板112、内门架导向板113、内门架主体114、内门架导向轮组115组成；外固定门架12由内门架边导向轴承组121、内门架中导向轴承组122、顶升油缸123、内门架固定导向板124、底端固定轴125组成；滑架13由连接槽钢131、滑架主体132、滑架中导向轴承133、滑架侧导向轴承134组成。在单套门架内，两条顶升油缸通过内门架的连接，实现机械同步。两套门架间，通过两套滑架的连接槽钢连接，使滑架固连，实现门架间的机械同步。综上，最终实现4条油缸机械结构的同步。

2. 液压系统

液压同步方面，为避免货物偏载，4条油缸受力不均，动作不同步，在4条油缸的中心位置，设计有齿轮式液压同步马达（又称分流马达）。高压油经油泵首先由进油通道流入同步马达，然后通过同步马达内相互啮合的齿轮，将液压油强制分为4路，为各油缸等流量供油，实现液压系统的同步。

四、样机测试

首先按照相关参数指标详细制定样机的测试方案，然后在实际应用环境下测试各项指标是否满足标准，最后判断本文设计方案是否满足实际需求。图4为3D虚拟样机及测试样机图片。

1. 样机测试方案

样机的测试方案需要从车体基本性能、负载能力、提升能力检测、高位侧叉检测、货叉挠度检测五个方面测试无人叉车车体性能。测试要求如下：

基本性能测试：自动运行、重复定位精度、原地换向、原地自旋、侧向移动、货叉升降、货叉伸缩、安全检测等。

负载测试：四种负载载荷中心距相同，重量按自身负载能力的50%、70%、100%、120%，逐步进行增重测试。

提升能力检测：测试不同负载，对应的液压系统最大压力、最大提升速度、最大下降速度，提升至最大行程时用最短时间、最大行程下落时用最短时间。

高位侧叉检测：测试不同负载，不同侧叉高度，不同进叉速度时，侧向进叉的稳定性。

货叉挠度检测：当货叉处于低位时，测量不同负载最大悬臂状态下，其末端对应的最大挠度。货叉挠度检测误差不得高于货叉挠度的最大设计挠度。

2. 样机测试结果

根据样机测试方案，测试结果满足要求：

测试样机的整机性能参数在满足设计要求下，调试人员通过测试实现其基本性能。按照样机自身负载能力逐步增重测试，并在不同负载下进行提升能力检测、高位侧叉检测。经测试，整机在1.2倍最大负载时，提升能力对应的相关测试数据都满足现场需求，高位进叉安全可靠。样机的货叉挠度检测未高于本文中设计的40mm。

五、结论

本文设计的窄通道侧面堆垛式无人叉车，在货物存取动作流方面，省去了托盘堆垛车在通道内90°直角转弯时姿态调整的系列动作，存取货物的效率更高；在灵活性方面，其还具备单机服务多个仓储通道，部署简单，取货位置灵活等特点。本文所述液压同步解决方案，在双伸缩门架结构的叉车设计中均可应用。随着无人叉车成本逐年降低，系统功能逐年提升，在对存储效率、库容率要求较高的场景中，此类窄通道仓储无人叉车将更受市场青睐。