(System，FMS) 的重要組成部分，用以將分散的、相互獨立的加工及物料裝卸、儲存等設（shè）備聯成一體，完成毛坯、工件及工裝夾具的裝卸、運輸和儲（chǔ）存，實（shí）現物料在加工機床之間及存儲站與機床之間的自動輸送、搬運（yùn）、存放等工作。在（zài）物料流動過程中，運輸裝置不僅是（shì）一個載體，也是各單元設（shè）備間的接口（kǒu），物流運輸裝置的結（jié）構形式、自動化程度和運行的可靠性，對FMS 的（de）生產效率、可靠性、複雜程度、投資成本、經濟效益都有較大的影（yǐng）響（xiǎng）［1 － 2］。

目前常見的物流運輸係統有自動導向（xiàng）運輸小車 ( AGV) 、有軌小車、傳送帶或者輥（gǔn）筒式（shì）機動滾道和搬運（yùn）機器人( 機械手) 等，其主要（yào）特點及用途如表1所（suǒ）示［3 － 4］。

      從表1 可（kě）以看出，物流運輸係統的結構形式與製造係統的物理（lǐ）布局，自動化（huà）程度，加工對象的大小、質量（liàng）、種類、批量，加工機床性能及係統柔性度等因（yīn）素直接相關，在用於（yú）零件加工製造的FMS 中，通常采用有軌小車作為物料運（yùn）輸裝置。有軌小車有2 個坐標運動和3 個坐標運動（dòng）兩種類型，2 個坐標運動的（de）有軌小車承載大，小車最大（dà）承載質量能達到8 000 kg 以上，但隻能完成平麵布置的物料交換，3 個坐標運（yùn）動的有軌小車( 堆垛機) 能完成空間布（bù）置的物（wù）料庫交換，但承載能力較小，一般小車最（zuì）大承載質量小於1 500 kg。文中以沈機集團昆明（míng）機床股份有限公司研製的用於大重型箱體類零件加工的FMS 有軌小車結構設計為例，對重（chóng）載物流有（yǒu）軌（guǐ）小車的結構設計進行介紹和分析，所討論的設計思路與結構對於其他有軌（guǐ）小車的設計具有一定的參考意義。

1 重載物流（liú）有軌小車的組成

     大重型箱體類零件加工FMS 的有軌小（xiǎo）車不需要專用托盤作為（wéi）載體，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作台上，工作台及物料（liào）一起進行搬運、交換、存儲。圖1 所示是本公司研製的FMS1600 有軌小車工作台負重8 000 kg運行（háng）情況。

      有軌小車是一（yī）個由機械係統與控製及工作台識（shí）別係（xì）統組（zǔ）成的機、電一體化集成係統，其主要組成見圖2。機械係統是運輸小車的主體，是執行機構，通過控製係統與工作台RFID 識別（bié）係統等組成（chéng）的柔性製造係統的物流儲（chǔ）運（yùn）子係統，實現（xiàn）小車按照FMS 主控係統運行控製指令，完成物流小車（chē）調度、移動工作（zuò）台射頻識別存儲器信息的讀寫（xiě）、工（gōng）件自動識別與監控、控製信息采集與監控（kòng）、過程運行（háng）控製等任務。按照生產製造需求，小車沿（yán）運輸線軌道上快速直線運動及在係（xì）統各單元設（shè）備之間進行工作台交換（huàn）運動，實現物料在各加工主（zhǔ）機、裝卸（xiè）站、緩存站（zhàn）之間的自動搬運（yùn）、存貯、交換。

    小車機械係統主要包括（kuò）水平直線運動（dòng）及其位置檢、 測、定位機構、工作台交換機構、工作台定位夾緊機構等組成，如圖3 所示。

     文中重點討論有軌小車的機（jī）械（xiè）係統（tǒng）結構設計，有（yǒu）關控製與工（gōng）作台識別係統（tǒng）的內容將另文介紹。

2 重載物流有（yǒu）軌小車機（jī）械結構設計

           2． 1 水平直線運動機構設計

     在有軌小車全行程範（fàn）圍內確（què）保小（xiǎo）車的位置精（jīng）確度，即（jí）確保如圖4 所示的左（zuǒ）右、前後、高度方向尺寸一致性，誤（wù）差在（zài）0． 2 mm 以內，是小車實現工作台任意工位高精（jīng）度交換的技術基礎。這不僅（jǐn）要求小車水平（píng）直線運動全長坐標定位（wèi）精度小於± 0． 1 mm，同時還要求在全行程範圍內運輸線直（zhí）線（xiàn）度及小車與（yǔ）其他設備高度方向尺寸公（gōng）差小於± 0． 1 mm。在進行結構設計時，必須（xū）充（chōng）分考慮小（xiǎo）車運動速度快、行程長、負載慣量大等特（tè）點，合理設計運輸線、移（yí）動導軌結構，做好傳動（dòng）係統優化（huà）匹配，確保小車的功能及技術要求。

      ( 1) 物流運輸線及其導軌結構。

     物流運輸線及其導軌（guǐ）是承載小車的基礎和運動的導向（xiàng），其結構設計是根據（jù）小車（chē）承載質量、工件大小（xiǎo）、運行速度、坐（zuò）標及幾何（hé）精度等技術要求而進行。小規格（gé）的柔性製造係統的有軌小車具（jù）有垂直方向（xiàng）的運動，對導軌係統在全長範圍內的（de）等高度要求不高，通常（cháng）采用外購輕型鋼軌（guǐ）或專用（yòng）鋁型材作為地（dì）軌，利用（yòng）導向輪在軌道上導向（xiàng）。重載有軌小車的運輸（shū）線結構要求既便於高度（dù）及直線度的調整（zhěng），又要保證（zhèng）較高的剛性，如圖5 所示，重載（zǎi）運輸小車的運（yùn）輸線由多段鑄鐵件底座拚接而成（chéng），合理分配多（duō）點支承，同時采用滾動直線導軌作小車運動導軌，滿足了小車任（rèn）意工位高（gāo）精度交換對運動坐標精度及幾（jǐ）何精（jīng）度的技術要求（qiú）。

     ( 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箱驅動齒輪齒（chǐ）條運動，從而帶動小車在物（wù）流線軌道上作正反（fǎn）快（kuài）速直（zhí）線運動。設計時以運（yùn）動速度、加速度、負載等參數作為初始條件，對齒輪齒條模數與齒數、伺服電機驅動轉矩、負載（zǎi）慣量等進行校核計（jì）算（suàn）及優化匹配，同時（shí），為確保小車能夠準確、快捷地將工作台送至係統（tǒng）指定的工位，還必須設計合理的位（wèi）置檢測係統，在運輸（shū）線各交換工位處安裝位置檢（jiǎn）測開關，保證物料輸送位置精確度。傳動（dòng）機構見圖6。

       2． 2 工作台交換機構設（shè）計

      ( 1) 方案設計。

    實現工作台交換的傳動方式有多種，如（rú）齒輪齒條傳（chuán）動、絲杠傳動、液（yè）壓油缸驅動、鏈條傳動等，其中鏈條傳動由於結構簡單，並具有自動（dòng）加減速功（gōng）能而被廣泛應用，在（zài）小規格的柔性製造係統中（zhōng），由於工作台自身（shēn）質量（liàng）和承載質（zhì）量都較輕，工件外形尺寸小，運輸線與其他設備( 緩存站、主機托盤站等) 之間的（de）距離短，通常直接采用鏈（liàn）條傳動（dòng）帶動工作台運（yùn）動實現交（jiāo）換。

     在大（dà）重型柔（róu）性製造係統中，由於工作台自身質量和承載質量都較重，工件外形尺寸大，運輸線與其他設（shè）備（bèi）( 緩存（cún）站、主機托盤站等) 之間的距離長，僅僅采用鏈條傳動一種機構無法實現工作（zuò）台平穩、精（jīng）確的交換。沈機集（jí）團昆明機床股份有限公司研製的重載運輸小車采用雙層結構，工作台交換的運動采用分級運動，克服了大質量工件在長距離交（jiāo）換過程中，由於工作台懸伸長（zhǎng）而出現重（chóng）心偏移，導致（zhì）工件交換（huàn）無法實現的技術難題。兩級運動分（fèn）別是: 第1 級為滑台帶動工作台移動，有效地（dì）縮短（duǎn）小車與（yǔ）托盤站或緩存站之（zhī）間的距離，減（jiǎn）少工作台懸空長度，避（bì）免因此出現重心偏移; 第2 級為通過鏈條上的撥銷（xiāo）帶動工作台獨立運動（dòng），通過（guò）對鏈條傳動的（de）變頻調速，避免大慣量衝（chōng）擊，兩級（jí）運動（dòng）通過控製係統PLC 程序控製，可同（tóng）時進行，也可相繼進行，係（xì）統進行實時檢測和監控。同時，由於FMS 的主（zhǔ）機托盤站、存儲站、裝卸站等設備單元分列於小車運輸線的兩側，因此小車兩級傳動都必須能實現雙向運動，如圖（tú）7所示。

        ( 2) 有限元分析。

    利用Pro /E 建立小車兩種設計方案的實體模型，並對（duì）實體模型進行簡化，以便（biàn）於進行網格劃分建立有限元模型。簡化（huà）的原則為: 在不影響分析精度的前提下，去除尺寸較小的細（xì）小結構( 如半徑小於20 mm 的（de）圓角、螺栓（shuān）孔) 、尺寸（cùn）較（jiào）小的（de）台階和凹槽，簡化模型如圖8 所示。

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

     從表（biǎo）2 可以看出，雙層（céng）結構在工作台交換進時增加了輔助支（zhī）撐，可以極大地提高小車交換係統的剛（gāng）度，其總變（biàn）形量比原來減少（shǎo）90． 62%，但小車結構較為複雜（zá），並且車體總質量會有所增加，製造成本會適當增加。

3 結語

         FMS 的物料運輸方式有很多（duō）種，每種方式都各有優（yōu）勢，它們除了一些（xiē）共性外，更具有互補性。從技術、製（zhì）造成本、使用環境等的實用性角（jiǎo）度，有軌小車（chē）更適合零件加工製造的（de）柔（róu）性製造係統。

    文中所介紹（shào）的重載物（wù）流有軌小車，其運（yùn）輸（shū）線底座由多（duō）件鑄鐵床身連接而成，導軌采用直線滾動導軌（guǐ），這種設計結構（gòu）既保證了支撐剛度，又保（bǎo）證（zhèng）了（le）小車（chē）運（yùn）動的幾何精度和坐標定位精度; 同時根據重型、大尺寸工件交換的技術需求，采用雙層分級、雙向運動的工作台交（jiāo）換結構方案，並利用（yòng）Pro /E 三維數字化研發平（píng）台進行小車三維實體建模和有限元仿真（zhēn）計算，確（què）保（bǎo）了結構的可行性，為重載物流有軌小車的成功研製奠定了基礎。此種結構已經在兩條大重型柔性製造係（xì）統FMS1000及FMS1600 中成功應（yīng）用，實現了FMS1000 小（xiǎo）車最大承載質量為3 000 kg，快速移動速度為80 m/min， FMS1600 小車最大承載質（zhì）量為8 000 kg，快速移動速度為60 m/min 的技術要求。