(System，FMS) 的重要組成（chéng）部（bù）分，用以將分散（sàn）的（de）、相（xiàng）互獨立的加工及物（wù）料裝卸、儲（chǔ）存等設備聯成一體，完成毛坯、工件及工（gōng）裝夾具的裝卸、運輸（shū）和儲存，實現物料在加工機床之間及存儲站與機床之間的自（zì）動輸送、搬運、存放等工作。在物料流動過程中，運輸裝置不僅（jǐn）是一個載體，也是（shì）各單元設備間的接口，物流運輸裝置的結（jié）構形式、自動化程度（dù）和運行的可靠性，對FMS 的生（shēng）產效（xiào）率、可靠性、複雜程度、投資成本、經濟（jì）效益都有較大的影響［1 － 2］。

目前常見（jiàn）的（de）物流（liú）運（yùn）輸係統有自動導向運輸小車 ( AGV) 、有軌（guǐ）小車（chē）、傳送帶或者輥筒式機動滾道和搬運機器人( 機械手) 等，其主要特點及用途如表1所示［3 － 4］。

      從表1 可以（yǐ）看出，物流運輸（shū）係統的結構形式與製造係統（tǒng）的物理布局，自動化程度，加（jiā）工對象的大小、質量、種類、批量，加工（gōng）機床性能及係統柔性度等因素（sù）直接相關，在用於零件加工製造的FMS 中（zhōng），通常采用（yòng）有軌小車作為物料運輸（shū）裝置。有軌小車有2 個坐標運（yùn）動（dòng）和3 個坐標運動兩種（zhǒng）類型，2 個（gè）坐標運動的有軌小車承載大，小車（chē）最大承載質量能達到8 000 kg 以上，但隻能（néng）完（wán）成平麵（miàn）布（bù）置的物料交換，3 個坐標運動（dòng）的（de）有軌小車( 堆垛機) 能完（wán）成空間布置的物（wù）料庫交換，但承載能力較（jiào）小，一般小車最大承載質量小於1 500 kg。文中以沈機集團昆明機床股（gǔ）份有限公司研製的用於大重型（xíng）箱體類零件加工的FMS 有（yǒu）軌小車結構設計為例，對重（chóng）載物流有軌小車的結構設計進行（háng）介紹和分（fèn）析，所討論的設計思路與結構對於其（qí）他有（yǒu）軌小車的設計具有一定的參考意義。

1 重載物流有軌小（xiǎo）車的組成

     大重型箱體（tǐ）類零（líng）件加工FMS 的有（yǒu）軌小車（chē）不需要專用托盤作為載（zǎi）體，而是在上料站將工件、工（gōng）裝及夾具等直接安裝在可移動的工（gōng）作台上，工作台及物料一起進（jìn）行（háng）搬運、交換、存儲。圖1 所示是本（běn）公司研製的（de）FMS1600 有軌小車工作（zuò）台負重（chóng）8 000 kg運（yùn）行（háng）情況。

      有軌小車是一個由機械係統與控製及工作台識別係統組成的機、電一體化集成係統，其主（zhǔ）要組成見圖2。機械係統是運輸小車的主體，是執行機構，通過控製（zhì）係統與工作台RFID 識別係（xì）統等組成的柔性製造係統的物流儲運子係（xì）統，實現小車按照（zhào）FMS 主控係統運行控製指令，完成物流小車調度（dù）、移動工作台射頻（pín）識別存儲器信息的（de）讀寫、工件自動識別與監控、控（kòng）製信息采集與監（jiān）控（kòng）、過程運行控製等任務。按照生產製造需求，小車沿（yán）運輸線軌道上快速（sù）直線運動及在係統各單元設備之間進行工作台交換運動，實現物（wù）料（liào）在各加工主機、裝卸站、緩存站之間的自動搬運（yùn）、存貯、交換。

    小車機械係統主要（yào）包括水平直線運動及其（qí）位置檢、 測（cè）、定位機構（gòu）、工作台交換機（jī）構、工（gōng）作台（tái）定（dìng）位夾緊機構等組成，如圖3 所示。

     文（wén）中重點討論有（yǒu）軌小車的機械係統結構設計，有（yǒu）關控製（zhì）與工作台識別係（xì）統的內容將另文介紹。

2 重載物流有軌小車機械結構設計

           2． 1 水平直線運動機構（gòu）設計

     在有（yǒu）軌小車全行程範圍（wéi）內確保小（xiǎo）車的位置精確度，即確保如圖4 所（suǒ）示的左右、前後、高（gāo）度方向尺寸一致性，誤差在0． 2 mm 以內，是小車實現工作台任意工位高精度交（jiāo）換的技術基礎。這不僅（jǐn）要求（qiú）小車水平直線運動全長（zhǎng）坐標定位精度小於± 0． 1 mm，同時還要求在全行程範圍內運輸線直線度及小車與其他設備高度方向尺寸公差小於± 0． 1 mm。在（zài）進行結構設計時，必須充分考慮小車運動（dòng）速度快（kuài）、行程長、負載慣量大等特點，合理（lǐ）設計運輸線、移動導軌結構，做好傳動係統優化匹配，確（què）保小（xiǎo）車的功能及技術要求。

      ( 1) 物流運輸線（xiàn）及其導軌結構。

     物流運輸線及其導軌（guǐ）是承載小車的基礎和運動的（de）導向，其（qí）結構（gòu）設計（jì）是根據小車承載質量、工件（jiàn）大小、運行速度、坐標及（jí）幾何精度（dù）等技術要求而進行。小規（guī）格的柔性製造係統的有軌小車具有垂直方向的運（yùn）動，對導軌係統在全長範圍內（nèi）的等高度要求不高，通常（cháng）采用外購輕型鋼軌或（huò）專用鋁型材作為地軌，利用導向輪在軌（guǐ）道上導向。重載（zǎi）有軌小車（chē）的運輸線結構要求既便於高度及直線度的調（diào）整，又要保證較高的剛性，如圖5 所（suǒ）示，重載運輸小（xiǎo）車的運輸線由多段鑄鐵件底（dǐ）座（zuò）拚接而成，合理分配多點支承，同時（shí）采用滾動直線導軌作小車運動（dòng）導（dǎo）軌（guǐ），滿足了小車任意（yì）工位高精度交換對運動坐標精（jīng）度及幾何精（jīng）度的技術要求。

     ( 2) 運動驅動機構。

    小車水平直線運動采用伺服電機通過減速（sù）箱驅動齒輪齒條運動，從而帶動小車在物流線軌道上（shàng）作正反（fǎn）快速直（zhí）線運動。設計時以運動速度、加（jiā）速度、負載（zǎi）等參數（shù）作為初始條件，對齒輪齒條（tiáo）模數與齒數、伺服電機驅（qū）動轉矩、負載（zǎi）慣量等進行校核計算及優化匹配，同時（shí），為確保小車能（néng）夠（gòu）準確、快捷（jié）地將工作台送至係統指定的工位，還必須設計合理的位置檢（jiǎn）測（cè）係統，在運輸線各交換工位處安裝位置檢測開關，保（bǎo）證（zhèng）物料輸送位置精確度。傳動機構（gòu）見圖6。

       2． 2 工作台交換機構設計

      ( 1) 方（fāng）案設計。

    實現工作台交換的傳動方式有多（duō）種，如齒輪齒條傳動、絲杠傳動、液壓油缸驅動、鏈（liàn）條傳動等，其中鏈條傳動由於結構簡（jiǎn）單，並具有自動加減速功能（néng）而被廣泛應用，在小規格的柔性（xìng）製造係統中，由於工作台自（zì）身質（zhì）量和承載質量都較輕，工件外形尺寸小，運輸線與其他設（shè）備( 緩存站、主機托盤站等) 之間的距離短，通常直接（jiē）采用鏈條傳（chuán）動帶動工作（zuò）台運動實現交換。

     在大重型柔性製造係統（tǒng）中（zhōng），由於工作台自（zì）身質量和承載質量都較重，工件（jiàn）外（wài）形尺寸大，運輸線與其他設備( 緩（huǎn）存站（zhàn）、主機托盤站等) 之間的距離長，僅僅采用鏈條傳動一種機構（gòu）無（wú）法實現工作台平穩、精確（què）的交換。沈機集團昆明機床股份有限公（gōng）司研製的重載運輸（shū）小車采用雙層結構，工作台（tái）交換的運動采（cǎi）用分級運（yùn）動，克服了大質量工件在長距離交換過程中，由（yóu）於工作台懸伸長而出（chū）現重心（xīn）偏（piān）移，導致工件交換無法實現的技術難題。兩級運動分別是: 第1 級為滑台帶動（dòng）工作（zuò）台移動，有效（xiào）地縮短小車與托盤站或緩存站之間的距離，減少工作台懸空長（zhǎng）度，避免因此出現重心偏（piān）移（yí）; 第2 級為通（tōng）過鏈（liàn）條上的撥銷帶動工作台獨立（lì）運動，通過對鏈條傳動的變頻（pín）調速，避免大（dà）慣量（liàng）衝擊（jī），兩級（jí）運（yùn）動通過控製係統PLC 程序控製，可同時進行，也可（kě）相繼（jì）進行（háng），係統進（jìn）行實時檢測和監控。同時，由於FMS 的主機托盤站、存儲站、裝卸站等設（shè）備單元分列（liè）於小車運輸線的兩側，因此小（xiǎo）車兩級傳動都必須能實現（xiàn）雙向運動，如圖7所示。

        ( 2) 有（yǒu）限元分（fèn）析。

    利用Pro /E 建立小車兩種設計方案的實（shí）體模型，並對實體模型進行簡化，以便於進行網格劃分建（jiàn）立有（yǒu）限元模型。簡化的原則為: 在不影響分析精度的前提下，去除尺寸較小的細小結構( 如半徑小於（yú）20 mm 的（de）圓角、螺栓孔) 、尺（chǐ）寸較小的台階和凹槽，簡化模型如圖（tú）8 所示。

     針對兩種模型方案結構進行靜力分析計算，得到剛度分析結果如圖9 所示，剛度計（jì）算結果如表2 所示。

     從表2 可以看出，雙層結構在工作台交換進時增（zēng）加了輔助支撐（chēng），可以極大地提高小車交換係統的剛度，其總變形量比原來減少（shǎo）90． 62%，但（dàn）小車結構較（jiào）為複雜，並且車體總質量會有所（suǒ）增加，製（zhì）造成本會適當增加。

3 結語

         FMS 的物料運輸方式有很多種，每種方式都各有優勢，它們除了一些共性外，更具有互（hù）補性。從技術、製造成本、使用環境（jìng）等的實用性角度，有（yǒu）軌小車更（gèng）適合零件加工製造的柔（róu）性製造係統（tǒng）。

    文中所介紹的重載物流有軌小車，其運輸線底座由多件鑄鐵床身連接而成，導軌采用直（zhí）線滾（gǔn）動導軌，這種設計結構既保（bǎo）證了支撐剛度，又保證了小車運動的幾何精度和坐標定位（wèi）精（jīng）度; 同時根據重（chóng）型、大尺寸工件交換的（de）技（jì）術（shù）需求，采用雙層分級、雙向運動的工作台交（jiāo）換結構方案，並利（lì）用Pro /E 三維數字（zì）化研發平台進（jìn）行小（xiǎo）車三維實體（tǐ）建模和有限元仿真計算，確保了（le）結構（gòu）的可行性（xìng），為重載物流有軌小車的成功研製奠定了基礎。此（cǐ）種（zhǒng）結構（gòu）已經（jīng）在兩條大重型柔性製造係統FMS1000及FMS1600 中成功應用，實現了FMS1000 小車最大承（chéng）載質量為3 000 kg，快速（sù）移（yí）動速度（dù）為80 m/min， FMS1600 小車最大承載質量為8 000 kg，快速移動速度為60 m/min 的技術要求。