CN117228203A

CN117228203A - 立体库穿梭车齿轮选型方法

Info

Publication number: CN117228203A
Application number: CN202311228708.8A
Authority: CN
Inventors: 王莹吉; 张大亮; 吕金宝
Original assignee: Shenyang Ruisheng Intelligent Equipment Co ltd
Current assignee: Shenyang Ruisheng Intelligent Equipment Co ltd
Priority date: 2023-09-22
Filing date: 2023-09-22
Publication date: 2023-12-15

Abstract

本申请提供一种立体库齿轮选型方法，穿梭车包括车体，所述车体上安装有转轴及驱动机构，所述转轴的两端设置有齿轮，所述驱动机构用于驱动转轴及齿轮转动；所述转轴的两端还安装有支撑轮，所述支撑轮可相对于齿轮及转轴转动，所述支撑轮的外径大于所述齿轮的外径；通过预选某一齿轮，根据该齿轮的相关参数以及穿梭车的设计参数来确定该齿轮的齿轮系统是否符合设计要求。

Description

立体库穿梭车齿轮选型方法

技术领域

本发明属于立体库技术领域，主要涉及立体库穿梭车齿轮的选型方法。

背景技术

随着技术的发展立体库越来越多地应用于生产型企业，不仅在仓储、生产环节都起到了很大的帮助，不仅提升了生产效率，还实现了数字化生产。

中国申请CN2017113403837公开了“一种基于多向穿梭车的立体库系统及穿梭车的出入库方法”，包括货架，在所述货架上设有货框，在所述货架之间设有轨道系统，在货架两侧设有操作台，在轨道系统上运行的穿梭车。轨道系统包括若干水平轨道和垂直轨道，水平轨道分别安装于货架的顶部和底部，垂直轨道两端分别连接顶部和底部的水平轨道。垂直轨道和水平轨道均包括齿条轨道以及普通轨道，穿梭车沿齿条轨道行进，普通轨道为穿梭车行进提供辅助导向。垂直轨道和水平轨道在横纵交叉处设有活门开关机构。穿梭车包括车体，在车体上设有控制模块、货框推拉机构、活门开关触发机构以及定位机构。车体内安装有电机，电机输出轴连接车轴，车轴的两端分别连接与轨道系统配合的锯齿轮，可实现小车在任何位置停止。该穿梭车在垂直轨道行进或停止的时候，锯齿轮与齿条轨道以及与齿条轨道平行的普通轨道相抵触，从而使得穿梭车不会掉落，但是锯齿轮与普通轨道抵触卡住，由于车体以及车体运载的货物的重力，使得锯齿轮对普通轨道造成破坏，以及锯齿轮与普通轨道之间的剧烈摩擦，导致锯齿轮快速磨损，降低穿梭车的使用寿命。

发明内容

本申请提供一种立体库穿梭车齿轮选型方法，该穿梭车的齿轮之外设置有支撑轮，支撑轮与轨道内壁接触，避免齿轮与齿条相对侧的主轨道侧壁接触而磨损，通过本申请的选型方法可以快速为穿梭车选出合适的齿轮。

本申请提供的立体库穿梭车齿轮选型方法，穿梭车包括车体，所述车体上安装有转轴及驱动机构，所述转轴的两端设置有齿轮，所述驱动机构用于驱动转轴及齿轮转动；所述转轴的两端还安装有支撑轮，所述支撑轮可相对于齿轮及转轴转动，所述支撑轮的外径大于所述齿轮的外径；预先选择某一齿轮，该齿轮的压力角为θ，齿轮的齿顶圆半径为R，啮合扭矩为T，计算穿梭车在垂直方向上向上爬升所需要的推力F，F＝F1·μ+M·g+M·α，其中，M为负载有物品的穿梭车的总重量，g为重力加速度，α为设计的穿梭车运行加速度，μ为支撑轮的滚动摩擦系数，F1＝tanθ·M·g；计算穿梭车每个齿轮的受力F3＝F/n，n为穿梭车的齿轮的数量；计算齿轮的齿轮扭矩T1＝F3·R；计算该齿轮的齿轮系数T/T1，如果齿轮系数位于齿轮系数理论最小值与齿轮系数理论最大值之间，则该齿轮符合要求，将该齿轮安装在穿梭车转轴的两端。

优选地，齿轮系统理论最大值、理论最小值根据载荷系数KA、安全系数SB、运行时间系数fn确定，由KA、SB、fn相乘得到。KA＝1～2.25，SB＝1.1～1.4，fn＝1.05～2.3。

优选地，所述齿轮系统大于2则符合要求，可以满足设备的精巧度要求。

优选地，立体库包括货架、轨道系统，所述轨道系统包括主轨道，所述主轨道包括两个侧壁，其中一个侧壁上设置有齿条；所述齿轮与所述齿条啮合，所述支撑轮至少与其中一个侧壁接触。

优选地，所述支撑轮位于所述齿轮与车体之间，所述支撑轮内端设置有限位凸缘，所述限位凸缘的外径大于所述两个侧壁之间的距离，限位凸缘阻止了穿梭车的轴向移动，穿梭车不会在主轨道上晃动。

优选地，在所述车体的两端各设置2个导向轮，2个导向轮分布在所述齿轮的两侧，或者，在所述车体的两端各设置4个导向轮，4个导向轮分布在所述齿轮的两侧，同一侧的导向轮上下分布；所述轨道系统还包括与所述导向轮适配的导向轨道。

优选地，所述导向轨道设置在主轨道竖直部、拐弯部以及水平部，其中，竖直部、拐弯部的导向轨道位于所述主轨道的外侧。本申请在主轨道外侧设置导向轨道，内侧不设置，那么，在竖直部、拐弯部，齿轮其中一侧的导引轮进行导向，另一侧的导引轮不起作用，当穿梭车移动到另一端时，齿轮另一侧的导引轮起到导向作用，相对侧的导引轮则不起作用。

优选地，对于在所述车体的两端各设置4个导向轮的立体库穿梭车，所述导向轨道在拐弯部设置有2条用于引导位于同一侧上下分布的2个导向轮进入竖直部的导引岔道。

优选地，所述车体上安装有控制器以及与所述控制器连接的编码器，所述编码器用于记录所述转轴的转动角度，所述控制器用于根据立体库主轨道上两点之间的齿条齿数得出对应的转动角度，当编码器记录的转动角度与所述控制器得出的转动角度相等时，所述控制器控制所述驱动机构停止。

本申请穿梭车的转轴上安装有齿轮和支撑轮，支撑轮位于齿轮内侧，支撑轮的外径大于齿轮的外径，支撑轮和齿轮均位于主轨道的凹槽内，齿轮与主轨道上的齿条啮合，支撑轮与主轨道至少一侧壁相抵，并行走于该侧壁。由于支撑轮大于齿轮，避免了现有技术中齿轮直接与齿条相对侧的侧壁相抵，避免了齿轮与齿条相对侧侧壁之间的磨损，延长了使用寿命。通过本申请的齿轮选型方法，可以快速地为立体库穿梭车选出合适的齿轮。本发明的主轨道设置成环形，对货框沿穿梭车行进方向依次编号，各货框至原点的齿数固定，穿梭车的转轴上安装有编码器，编码器用于记录转轴的转动角度，齿数与转动角度之间存在一定的换算比例。如果要将货物送至某货框，根据该货框至原点的齿数计算出转动角度，穿梭车用原点开始行进，记录转动角度达到计算值，即代表穿梭车到达指定货框，本发明的寻找货物更加方便，且精度高。

附图说明

图1为本发明立体库的立体图；

图2为本发明立体库的俯视图；

图3为本发明立体库的侧视图；；

图4为本发明图3中B-B剖视图；

图5为本发明图4运行穿梭车的状态图；

图6为本发明穿梭车的俯视图；

图7为本发明穿梭车的立体图；

图8为本发明穿梭车齿轮、支撑轮与主轨道的配合图；

图9为本发明穿梭车运行在水平轨道的状态图一；

图10为本发明穿梭车运行在水平轨道的状态图二；

图11为本发明穿梭车运行在竖直轨道的状态图；

图12为穿梭车齿轮与轨道之间的力作用关系图。

图中：1-货架；1.1-货框；2-轨道系统；2.1-主轨道；2.1.1-第一侧壁；2.1.2-第二侧壁；2.1.3-连接部；2.1.4-齿条；2.2-导向轨道；2.2.1-导引岔道；3-穿梭车；3.1-电机；3.2-转轴；3.3-齿轮；3.4-支撑轮；3.4.1-限位凸缘；3.5-导向轮；3.6-编码器；3.7-控制器；3.8-取货机构；4-出入库输送线。

具体实施方式

本申请提供一种齿轮与主轨道安装齿条的相对侧不直接抵触的立体库穿梭车、立体库及生产系统。

如图1-5所示，立体库包括货架1，在货架1上设有货框1.1，货框1.1用于存放货物，在所述货架1之间设有轨道系统2，轨道系统2上运行有穿梭车3。轨道系统2包括主轨道2.1和的导向轨道2.2。主轨道2.1设置成环形，如“口”型、“凹”型、“凸”型等。穿梭车3沿主轨道2循环运行形成一回路。主轨道不存在三岔口，与现有技术相比，无需设置活门开关机构。轨道系统2的一侧连接有出入库输送线4，生产线通过出入库输送线与立体库相连。

如图6、7所示，穿梭车3包括车体，车体上安装有电机3.1，电机3.1的输出轴与转轴3.2传动连接，用电机3.1作为驱动机构驱动转轴，转轴3.2的两端安装有与转轴一起转动的齿轮3.3，转轴3.2上通过轴承安装有支撑轮3.4，支撑轮可以相对于齿轮、转轴进行转动。车体上还安装有导向轮3.5，导向轮3.5与导向轨道2.2相匹配，对穿梭车进行导向，使穿梭车保持水平。每一端各设置4个导向轮3.5，位于同一端的4个导向轮分布在齿轮的两侧，每一侧的2个导向轮上下分布。也可以每一端设置2个导向轮。如图4、5所示，本申请的导向轨道设置在主轨道的竖直部和拐弯部，对于设置有上下分布的导向轮来说，需要在拐弯部设置2条导引岔道2.2.1，以便将齿轮同一侧的上下2个导向轮引导至同一条竖向导向轨道中来，或者从同一条竖向导向轨道中引导出来。竖直部、拐弯部的导向轨道位于主轨道的外侧，主轨道内侧不设置，参考图5，当穿梭车3被图5左侧的导向轨道引导时，穿梭车3左侧的导向轮行走在导向轨道上，当穿梭车3被图5右侧的导向轨道引导时，穿梭车3右侧的导向轮行走在导向轨道上。从图4中可以看到，本申请在水平位置也设置有导向轨道，水平部的导向轨道可以设置在主轨道的上方，也可以设置在下方，分别对穿梭车3上部的导向轮、下部的导向轮进行引导。

齿轮3.3、支撑轮3.4与主轨道2.1之间的配合关系如图8所示，主轨道2.1的截面呈U型，包括第一侧壁2.1.1、第二侧壁2.1.2以及连接第一侧壁2.1.1和第二侧壁2.1.2的连接部2.1.3。第一侧壁2.1.1内侧设置有齿条2.1.4。齿轮3.3与支撑轮3.4均位于主轨道2.1的凹槽内。支撑轮3.4行走于第一侧壁2.1.1、第二侧壁2.1.2的至少一个侧壁，即与第一侧壁2.1.1、第二侧壁2.1.2至少一个侧壁的内壁相抵并行走于该内壁。齿轮3.3与第一侧壁2.1.1上的齿条2.1.4相啮合。支撑轮3.4的外径大于齿轮3.3的外径，因此车体主要依靠支撑轮3.4支撑。图中示出的支撑轮3.4位于齿轮3.3的内侧，支撑轮3.4的内端设置有限位凸缘3.4.1，与第一侧壁和第二侧壁的自由端相匹配，也就是说凸缘3.4.1的外径大于主轨道凹槽的宽度。限位凸缘3.4.1用于限制穿梭车轴向移动，避免在轨道上晃动。

如图9所示，主轨道水平部分，带齿条2.1.4的第一侧壁2.1.1位于第二侧壁2.1.2的下方，此时，支撑轮3.4主要与第一侧壁2.1.1相抵，齿轮3.3与齿条2.1.4啮合，如果穿梭车是从左往右运行，此时齿轮2.3与支撑轮3.4均顺时针转动。

如图10所示，主轨道水平部分，带齿条2.1.4的第一侧壁2.1.1位于第二侧壁2.1.2的上方，此时，支撑轮3.4主要与第二侧壁2.1.2相抵，齿轮3.3与齿条2.1.4啮合，如果穿梭车是从左往右运行，此时齿轮2.3逆时针转动，支撑轮3.4顺时针转动。

如图11所示，主轨道竖直部分，带齿条2.1.4的第一侧壁2.1.1位于第二侧壁2.1.2的右方，此时，由于穿梭车自身重力原因支撑轮3.4主要与第二侧壁2.1.2相抵，齿轮3.3与齿条2.1.4啮合，从而使穿梭车卡住不会掉落，也就是支撑轮在竖直部还起到了稳定穿梭车，与齿轮配合使得穿梭车不掉落的作用。如果穿梭车是从下往上运行，此时齿轮2.3顺时针转动，支撑轮3.4逆时针转动。

转轴3.2上安装有编码器3.6，编码器3.6与控制器3.7连接。编码器3.6用于记录转轴的转动角度，并将数据发送给控制器3.7，控制器3.7用来计算某特定齿数对应的转动角度，监测实际转动角度是否达到对应值。例如可以以主轨道连接出入库输送线的位置为原点，以主轨道沿穿梭车行进方向对依次经过的货框依次进行编号。从原点到各编号的货框的齿条齿数是固定的，计算出从原点到达指定货框的对应转轴需要转动的角度，当编码器记录的转动角度到达该对应值时，说明穿梭车到达了指定货框，控制电机停止驱动穿梭车行进，再控制穿梭车上的取货机构3.8将货物放入货框或从货框中货物取放至穿梭车上。

穿梭车在轨道内的行走动力来自于电机3.1驱动的齿轮3.3；齿轮3.3转动时推齿条2.1.4，从而在齿条上行走。主轨道2.1包括水平段、垂直段、拐弯段，穿梭车就涉及水平行走、垂直行走、及弯道行走。通过受力分析可知，垂直行走时所需的扭力最大，穿梭车的行走速度V及加速时间t₁是已知量，可得出穿梭车的加速度α，α＝V/t₁，假设穿梭车行走速度为1m/s，加速时间t₁为0.5m，则加速度α＝V/t₁＝1/0.5＝2m/s²。

结合图11、12，因为是垂直爬升运动，重力的两个分力分别是F1、F2，F2通过齿条作用在主轨道侧壁上，表现为齿轮3.3作用在齿条2.1.4上的一个角度为θ的滑行推力，该角度θ与齿轮3.3的压力角相等，该推力最后传递至支撑轮3.4与主轨道2.1的接触面上，形成平衡，来保持齿轮3.3可以在垂直方向运行时不脱离主轨道，在穿梭车爬升时产生了重力的分力F1作用在支撑轮上，假设穿梭车总重量(包括穿梭车负载的物品)为M，则F1＝tanθ·M·g，g为重力加速度。假设选择压力角θ为20°的齿轮3.3，则F1＝tan 20°·M·g＝0.364×70×9.8＝249.7N。

因支撑轮在主轨道上滚动，存在摩擦力的反作用，假设摩擦系数为μ,穿梭车克服摩擦力，再加上爬升时需要克服重力，以及穿梭车整体向上行走的上升力，则可以得出穿梭车向上垂直爬升时所需要的推力F＝F1·μ+Fg+M·α＝F1·μ+M·g+M·α。假设μ＝0.2，穿梭车总重量M为70kg，则F＝F1×μ+M·g+M·α＝249.7×0.2+70×9.8+70×2＝876N。

在齿轮选型时，需要根据齿轮的相关系数来判断选型是否合适，其中，载荷系数KA＝1～2.25，安全系数SB＝1.1～1.4，运行时间系数fn＝1.05～2.3。由此可以得出更趋于安全的齿轮系数理论最大值为KA·SB·fn＝2.25·1.4·2.3＝7.245，还可以得出满足最低配置要求的齿轮系数最小值为KA·SB·fn＝1·1.1·1.05＝1.155。选型齿轮的齿轮系数应在1.155与7.245之间，根据实际需要在范围内选择。

在已知齿轮模数、齿数的情况下，可以得到该齿轮的啮合扭矩T、齿顶圆直径D，这些都是标准数值，可以查阅齿轮标准数据得到。假设选择模数为4、齿数为18的直齿轮，则可以查询到该齿轮的啮合扭矩T为20.57Nm。

穿梭车的齿轮3.3的数量n可以是2个，也有穿梭车设置4个齿轮，甚至更多，根据设计情况来确定齿轮数量，图7示出的穿梭车采用2个齿轮。假设穿梭车采用4个齿轮，则每个齿轮受力F3＝F/n＝876/4＝219N。

齿轮的齿轮扭矩T1＝F3·D/2，基于以上信息，可以计算出所选择齿轮的齿轮扭矩T1＝F3·R＝F3·D/2＝219N·80mm/2/1000＝8.76Nm，其中上述公式中的齿轮直径单位是毫米，所以需要除以1000换算成米，R为齿顶圆半径。则该齿轮的齿轮系数为T/T1＝20.57/8.76＝2.348。

上述实施例选择的齿轮系数为2.348，在1.155到7.245之间，符合要求，可以用于穿梭车，将该齿轮安装在穿梭车转轴的两端。根据选型经验，齿轮系数一般建议大于2，具体齿轮系数多少合适，可根据实际情况来选定。

Claims

1.一种立体库穿梭车齿轮选型方法，其特征在于：穿梭车包括车体，所述车体上安装有转轴及驱动机构，所述转轴的两端设置有齿轮，所述驱动机构用于驱动转轴及齿轮转动；所述转轴的两端还安装有支撑轮，所述支撑轮可相对于齿轮及转轴转动，所述支撑轮的外径大于所述齿轮的外径；预先选择某一齿轮，该齿轮的压力角为θ，齿轮的齿顶圆半径为R，啮合扭矩为T，计算穿梭车在垂直方向上向上爬升所需要的推力F，F＝F1·μ+M·g+M·α，其中，M为负载有物品的穿梭车的总重量，g为重力加速度，α为设计的穿梭车运行加速度，μ为支撑轮的滚动摩擦系数，F1＝tanθ·M·g；计算穿梭车每个齿轮的受力F3＝F/n，n为穿梭车的齿轮的数量；计算齿轮的齿轮扭矩T1＝F3·R；计算该齿轮的齿轮系数T/T1，如果齿轮系数位于齿轮系数理论最小值与齿轮系数理论最大值之间，则该齿轮符合要求，将该齿轮安装在穿梭车转轴的两端。

2.如权利要求1所述的立体库穿梭车齿轮选型方法，其特征在于：齿轮系统理论最大值、理论最小值根据载荷系数KA、安全系数SB、运行时间系数fn确定，由KA、SB、fn相乘得到。

3.如权利要求2所述的立体库穿梭车齿轮选型方法，其特征在于：KA＝1～2.25，SB＝1.1～1.4，fn＝1.05～2.3。

4.如权利要求1、2或3所述的立体库穿梭车齿轮选型方法，其特征在于：所述齿轮系统大于2则符合要求。

5.如权利要求1、2或3所述的立体库穿梭车齿轮选型方法，其特征在于：立体库包括货架、轨道系统，所述轨道系统包括主轨道，所述主轨道包括两个侧壁，其中一个侧壁上设置有齿条；所述齿轮与所述齿条啮合，所述支撑轮至少与其中一个侧壁接触。

6.如权利要求5所述的立体库穿梭车齿轮选型方法，其特征在于：所述支撑轮位于所述齿轮与车体之间，所述支撑轮内端设置有限位凸缘，所述限位凸缘的外径大于所述两个侧壁之间的距离。

7.如权利要求5所述的立体库穿梭车齿轮选型方法，其特征在于：在所述车体的两端各设置2个导向轮，2个导向轮分布在所述齿轮的两侧，或者，在所述车体的两端各设置4个导向轮，4个导向轮分布在所述齿轮的两侧，同一侧的导向轮上下分布；所述轨道系统还包括与所述导向轮适配的导向轨道。

8.如权利要求7所述的立体库穿梭车齿轮选型方法，其特征在于：所述导向轨道设置在主轨道竖直部、拐弯部以及水平部，其中，竖直部、拐弯部的导向轨道位于所述主轨道的外侧。

9.如权利要求8所述的立体库穿梭车齿轮选型方法，其特征在于：对于在所述车体的两端各设置4个导向轮的立体库穿梭车，所述导向轨道在拐弯部设置有2条用于引导位于同一侧上下分布的2个导向轮进入竖直部的导引岔道。

10.如权利要求1所述的立体库穿梭车齿轮选型方法，其特征在于：所述车体上安装有控制器以及与所述控制器连接的编码器，所述编码器用于记录所述转轴的转动角度，所述控制器用于根据立体库主轨道上两点之间的齿条齿数得出对应的转动角度，当编码器记录的转动角度与所述控制器得出的转动角度相等时，所述控制器控制所述驱动机构停止。