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作者:姜延柏/尹世琛/陈涤新/邹丽
近年来，随着互联网的不断普及，电子商务迅速发展起来，客户订单商品呈现出品种多、批量少、交货期短的特点，使得供货商物流配送中心货架存储密集度不断提升，物料出入库频率越来越高，小件拆零拣选量与日俱增，越来越多的物流配送中心采用基于穿梭车的货到人拣选系统。
该拣选系统存储密度大，存取效率高，出错率低，实现了配送中心的密集存储和快速拆零拣选。
货到人拣选系统由多辆穿梭车作为物料搬运设备，穿行于密集存储式货架不同层的巷道内，伸缩货叉是穿梭车上的执行机构，穿梭车到位后货叉快速伸缩取放货物。
作为穿梭车的关键部件，伸缩货叉作业效率决定穿梭车效率的高低，其质量约占穿梭车质量的30%。伸缩货叉成本低，运行快速，平稳可靠，适应性强，能有效提高穿梭车在市场上的竞争力。
一、伸缩货叉概述
伸缩货叉作为穿梭车的执行机构，货叉长度要小于巷道宽度，货叉宽度要小于移载货物间隙，伸出长度要满足货架货格深度要求，同时配置适当夹抱机构用于取放货物。
1.1 伸缩原理
伸缩货叉为实现在伸出时达到货架上取放货工位，缩回时在穿梭车车体范围内，采用两级差动伸缩结构，由伸缩臂间的拖动系统与驱动系统配合作为传动系统完成货叉的差动伸缩作业。
如图1所示，两级拖动系统一端与内固定板相连，另一端绕过滑轮组件与外伸缩臂相连。当中伸缩臂在下方的驱动系统带动下，相对内固定板运动时，中叉板上的滑轮组件以相同速度移动，拖动系统移动端随即拖动外伸缩臂以两倍的差动速度同向运动，完成货叉的远距离伸缩作业。
图1货叉伸缩原理图
1.2 组成结构
穿梭车用伸缩货叉结构形式多种多样，有底部托板式、输送带式和夹抱式。设计时采用夹抱式，结构简洁，可实现快速取放物料；采用两级货叉结构，各级叉板之间通过行程倍增实现大距离伸出。
伸缩货叉设计为由左右对称安装的外伸缩臂、中伸缩臂、内固定板、两级传送带拖动系统以及位于下方的驱动系统组成，如图2所示。
图2 伸缩货叉结构图
外伸缩臂、中伸缩臂、内固定板之间通过滑轨水平滑动安装在一起，中伸缩臂内嵌有两级传送带拖动系统，中伸缩臂齿板与下方驱动系统啮合。
驱动系统带动上方的中伸缩臂正反向运动，拖动外伸缩臂伸出或收回，到达货架货物存取工位。外伸缩臂内侧安装有拨叉组件，可以在垂直的初始位置和斜向下方的取放货位置之间进行旋转摆动，相互配合完成对货物的推出或勾取作业。
二、伸缩货叉参数确定
2.1 总体规划设计
伸缩货叉研发设计时，结合密集存储货架货格尺寸、料箱所在货架纵深位置、轨道标高以及料箱尺寸来确定伸缩货叉的总体参数：伸缩货叉行程、料箱间距、叉体宽度、货叉内宽和货叉高度等，满足对货架上料箱的存取要求。
2.1.1 伸缩货叉行程
如图3所示，根据货架上料箱所在工位距离巷道中心距离L以及货叉上拨叉所在的位置，总体规划货叉行程。对比取、放货作业示意图，放货作业滑轨行程L1＞取货作业滑轨行程L2，设计时依据行程L1选择合适的滑轨行程，通过对滑轨极限位置进行受力分析，依据其承载能力表选择合适规格的滑轨。
图3伸缩货叉作业示意图
2.1.2 宽度和间距尺寸
伸缩货叉宽度和间距尺寸如图4所示。伸缩货叉内宽L由料箱尺寸L0和间距S决定，箱间距L1是伸缩货叉宽度B和与料箱间距S之和。L和L1均与S有关，料箱距离S一般为15~25mm，以保证伸缩货叉取放作业过程中料箱发生偏斜时货叉仍能从料箱间隙顺利通过，避免发生碰撞。货叉宽度B作为料箱间距的另一决定因素，应尽量小，以提高货架的空间利用率，这也是货叉研发的难点。
图4 伸缩货叉宽度及间距尺寸图
2.1.3 伸缩货叉高度
伸缩货叉高度位置示意如图5所示，需要合理设计货叉底部位置，确保货叉底部位置与货架或者辊道台等设备有足够的高度差（约10mm），使其在取放货作业过程中避免与相关联设备发生碰撞。
图5伸缩货叉高度位置示意图
2.2 部件设计计算
2.2.1 驱动系统选型计算
速度约为0.5m/s，移载货物质量为40~50kg，移载货物以纸箱或塑料箱为主。伸缩货叉驱动系统电机计算功率
式中：F为料箱前后运动时所受摩擦力，v为料箱运动速度。
电机额定功率
式中：η1、η2、η3分别为电机驱动端同步带系统、货叉下方同步带系统以及传送带拖动系统的传递效率。
计算得出P0后，确定合适功率的直流电机。根据货叉伸缩速度以及电机额定转速、电机驱动端同步带系统和货叉下方同步带系统传动比，计算出减速器减速比，确定合适输入转矩、减速比的减速器。
2.2.2 传动系统受力分析
伸缩货叉传动系统由传送带拖动系统和同步带传动系统共同组成，同步带系统驱动中伸缩臂前后移动，中叉齿板上的滑轮组拉动传送带拖动系统运动，带动外伸缩臂对货物进行取放作业，整个传动系统受力分析如图6所示。
图6 传动系统受力分析图
对传送带拖动系统进行受力分析，F1为外伸缩臂拉动货物克服摩擦力所需的拉力，P1为传送带拖动系统伸缩时传送带与滑轮组之间产生的摩擦力，传送带内部所受拉力
由此可得出带动中伸缩臂运动所需要的拉力
对同步带传动系统进行受力分析，F2为拉动中伸缩臂所需的拉力，T1为同步带传动系统同步带与带轮啮合传动时产生的摩擦力，同步带内部所受拉力
传送带拖动系统的平传送带可以其内部所受拉力作为选型依据；同步带传动系统可根据电机功率、输出转速、带轮直径等进行选型，确定同步带齿形及带宽，所选同步带最大牵引力应大于由式（5）计算所得到的同步带内部所受拉力。由此确定伸缩货叉各零部件参数值。
三、伸缩货叉部件结构设计
伸缩货叉叉体部件设计时结合整体参数尺寸，货叉伸出强度，选材、制造难度，中、外叉之间拖动性，左右货叉同步性，传动平稳性等因素，对部件结构设计加以综合考虑。
3.1 外伸缩臂结构设计
两个外伸缩臂向内面对货物，随中伸缩臂移动的同时，由前后左右对称布置拨叉组件配合完成货物的取放作业。设计时要考虑此类移动部件的电气元件供电及信号传递系统有良好的随动性。
可以采用如图7所示的结构，将电缆拖链安装在外伸缩臂上方，跟随外伸缩臂在垂直或水平方向移动，但这种拖链结构在转弯处弯曲半径较大，导致外伸缩臂高度或宽度方向尺寸较大，不符合较小外形尺寸的要求。
图7 外伸缩臂电缆托链结构图
为使外伸缩臂设计合理、结构简化、整体货叉外形尺寸小，设计的关键在于简化随动供电系统的结构形式。
伸缩货叉作业过程中，中伸缩臂上的传送带拖动系统跟随外伸缩臂一起移动，传送带内嵌的钢丝可用作供电和信号传递介质，一端连接车体内的电气模块，另一端连接外伸缩臂内电气模块，传送带拖动外伸缩臂的同时给其内部的减速电机、传感器提供电源并传递信号。
外伸缩臂无需复杂的供电系统，由独立、小巧的拨叉模块、控制模块、继电器及其接线组成，包裹在薄护板内部，如图8所示，整个外伸缩臂在满足供电及信号传递要求的同时，结构简单、轻便，可有效缩小料箱之间的间隙，增加密集存储货架货位密度，货架利用率高。
图8外伸缩臂内嵌钢丝传送带供电系统结构图
3.2 中伸缩臂结构设计
中伸缩臂是伸缩货叉的主体框架，其上装有滑轨和传送带拖动系统，下方与驱动系统啮合对动力进行中转，如图9所示。
图9 伸缩货叉中伸缩臂结构
中伸缩臂设计的关键在于要保证其向外伸出以及与下方啮合时有足够的强度，设计选材尤为重要。普遍采用定制的特种型材，结构复杂，原材料成本较高，加工制造困难；也有采用薄钢板形式，虽然质量轻、厚度小，但是经过加工后的齿板易变形，为达到滑轨安装平面度要求，加工难度较大。
考虑以上因素，设计时采用厚铝板作为中伸缩臂主体框架材料，其具有以下特点：
1）易于选材，便于加工制造，变形小，齿板平面度高，滑轨安装贴合紧密；
2）厚铝板强度高，中、外伸缩臂大伸出量悬臂时有足够的强度，挠曲变形小；
3）厚铝板下方齿形较宽，可与同步带很好的啮合；
4）利用铝板厚度优势，将传送带拖动系统的滑轮组件、张紧装置以嵌入式安装在中叉齿板和固定板的凹槽内，节省安装空间，中伸缩臂结构紧凑。
厚铝板配以双侧滑轨，嵌入式安装的传送带拖动系统、传送带张紧装置，使中伸缩臂具有较小的外形，各伸缩臂之间滑动灵活，有足够长度伸出行程以及较大的承载能力。
3.3 驱动系统结构设计
驱动系统与中伸缩臂啮合，是伸缩货叉执行伸缩运动的动力源。采用链传动形式，见图10。
图10 链传动系统结构
通过主动链轮、链条带动从动链轮转动，由托板在链条下方支撑，保证链条与上方中伸缩臂之间的良好啮合。但由于齿板与链条啮合间隙较大，左右货叉同步性较差，货叉进行往复运动时响应时间长，位置精度低，且链条为金属结构，增加了叉体质量，并需要定期加以润滑。
同步带传动可以克服上述传动系统的不足。按照同步带传动系统轮系结构布置形式，设计时采用双面齿或单面齿两种聚氨酯同步带组成的驱动系统，由减速电机带动主从动带轮拖动同步带运动，从而带动上方的中伸缩臂运动，如图11所示。
图11 同步带驱动系统
采用聚氨酯同步带的驱动系统优势：1)系统重量轻；2)耐磨性好，无需润滑；3)传动平稳，加工精度高，啮合良好，位置控制精确可靠；4)下方托板可保证其无下垂变形，且摩擦阻力小。
整个同步带驱动系统质量轻、同步性好、免润滑、位置精度高。
四、结 论
通过对穿梭车用伸缩货叉机构的研发设计，研制出结构先进合理的伸缩货叉：
1）根据总体设计原则及部件结构设计要点，研制出的伸缩货叉与穿梭车匹配良好，性能参数满足穿梭车作业要求，可作为今后伸缩货叉选型设计的理论依据；
2）通过选用合理的结构形式，伸缩货叉结构紧凑，外形尺寸小，实现了可靠拖动、平稳传动和精确定位；
3）提高了穿梭车竞争力，有效增大了货架存储率，达到了预期的出入库效率要求。
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