自动化立体仓库中堆垛机的设计

摘 要：随着市场对企业物流系统提出了新的要求，自动化立体仓库越来越受到关注并得到广泛应用。堆垛机是立体仓库中关键的起重、搬运设备，自动化立体仓库是物流中的重要组成部分，它是在不直接进行人工处理的情况下能自动地存储和取出物料的系统。它是现代工业社会发展的高科技产物，对提高生产率，降低成本有着重要意义。

关键词：自动化；立体仓库；堆垛机

1 引言

自动化立体仓库是实现物流系统合理化的关键。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的起重堆垛设备，它能够在自动化立体仓库的巷道中来回穿梭运行，它具有空间利用率高、便于实现自动化管理、实时自动结算库存货物种类和数量、立体仓库信息库可以和中央计算机系统联网运行等许多优点，对加快物流速度、提高劳动生产率、降低生产成本都有重要意义。

2 堆垛机运行方式选择

堆垛机按照运行方式可分为无轨巷道式和有轨巷道式。无轨堆垛机适用于作业次数不太频繁、作业高度不太大的仓库，特别是在普通仓库改造成中、低层货架的仓库时，尤为适用。与无轨巷道式堆垛机相比，有轨巷道式堆垛机在结构上有很大不一样：它采用钢轮在轨道上运行，使其能沿着仓库巷道内设置好的地轨水平运行，作业高度视立体仓库的高度而定。本文选择设计有轨巷道式堆垛机。

3 堆垛机结构形式选择与设计要点

巷道式堆垛机按结构可分为单立柱型和双立柱型。单立柱堆垛机的机架结构由一根立柱、上横梁和下横梁组成，或仅由一根立柱和下横梁组成，整机重量较轻，制造工时和材料消耗少，适用于起重量2t以下、起升高度在16m以下的仓库。双立柱堆垛机的机架结构由两根立柱和上、下横梁组成一个矩形框架，结构的刚度和强度较好，质量比单立柱大，适用于各种起升高度的仓库，起重量一般可达5t，必要时还能更大，可用于高速运行。本文以单立柱堆垛机为设计对象。

本设计中的堆垛机在接受控制系统指令后能够在自动化立体仓库巷道中来回穿梭运行，将位于巷道口一定重量的货物存入货仓，或者相反取出货仓内的货物运送到巷道口。为使堆垛机能够准确、快速、平稳、安全运送货物出入库，必须注意以下设计要点：1）能实现三个自由度运动功能，即堆垛机沿巷道水平运动、载货台垂直运动、存取货机构沿货仓方向双向伸缩，并具备电气和机械安全保护措施，堆垛方式准确安全。2）在满足强度、刚度和可靠性的前提下，尽量减小堆垛机各部分的重量、体积，从而减小能耗，使得结构简单、外形美观、操作方便。

4 堆垛机结构设计

根据以上设计思路所设计的有轨巷道式单立柱堆垛机的结构如图1所示，主要由存取货机构、提升机构、行走机构和安全保护装置等组成。

1.定滑轮；2.U型立柱；3.钢丝绳；4.导向轮；

5.提升机构；6.行走机构；7.地轨；8.提升箱体；9.存取货机构

图1 有轨巷道式单立柱堆垛机结构图

4.1存取货机构

存取货机构的主要功能是实现货物的存取搬运，是堆垛机存取货物的执行机构，装设在载货台上，目前最常用的是三级直线差动式伸缩货叉，它由上叉、中叉、下叉和起导向作用的滚针轴承等构成，该机构为了保证在巷道内有足够的伸缩行程取送货物，其运动关系和结构较复杂，且当仓库内巷道宽度比较宽时，其实用性不强。本文设计的存取货机构运动关系和结构简化、强度提高、拆装维修方便。存取货机构的货物存取搬运功能通过齿轮―齿条传动和链条传动两种传动形式来实现。

4.2提升机构

提升机构的主要功能是实现堆垛机存取货机构的垂直运动，目前有部分堆垛机的提升机构是靠起重链柔性件来进行牵引。本文设计的提升机构是采用卷筒组驱动钢丝绳进行牵引的方案，其结构如图1所示：钢丝绳由卷筒引出，经过上横梁上的定滑轮改变方向以后，与承载存取货机构的提升箱连接，通过牵引提升箱来带动存取货机构升降，当到达指定仓位层时，制动器动作，使提升箱平稳、准确地停住。U型立柱作为提升箱上导向轮的导轨，保证了提升箱升降时不发生偏摆。上横梁上设置的滑轮组，不仅防止了钢丝绳发生跳绳的情况，且使U型立柱两侧受力基本保持平衡，确保了堆垛机进行提升时的稳定性。与起重链牵引相比较，钢丝绳牵引的优越处在于：工作平稳；无噪音；自重较轻；钢丝绳在破断以前，外面的钢丝先断裂和松散，容易发现以便及时更换；在堆垛机、货仓的刚强度等条件允许范围内，根据实际需要改变卷筒组规格，就能改变堆垛机提升物品的重量范围。

4.3行走机构

行走机构的主要功能是实现堆垛机沿巷道方向的水平运动，目前常用的行走机构有上部行走式的悬挂型和货架支撑型：上部行走式的悬挂型行走机构采用车轮在悬挂于屋架下弦的工字钢下翼缘上行走，下部设有水平导轮；货架支撑型的行走机构采用上部车轮沿着巷道两侧货架顶部的两根轨道行走，下部也设有水平导轮。但是这两种型式的行走机构都不便于对其进行保养和维修。本文设计的堆垛机采用地面行走式的地面支撑型行走机构，即下部驱动下部支撑型行走机构。堆垛机的水平行走运动通过链传动方案来实现：行走机构通过链传动驱动主动行走轮组，从而带动从动行走轮组以一定速度安全可靠地在地轨上水平行走，链传动的优点是：适用于传动中心距较大的场合；易于布置、安装、调整、结构简单、经济方便；具有较好的缓冲、吸振性能。

4.4安全保护装置

作为一种重要的起重机械，堆垛机的安全性和可靠性非常重要，必须有完善的防护措施，其中主要的安全保护装置如下：

1）终端限位保护。堆垛机的三自由度运动终端处设有机械和电气限位装置。

2）联锁保护。堆垛机执行升降和行走运动时，货板伸缩驱动电路断开；货板伸缩工作时，升降和行走驱动电路断开。升降和行走运动可同时进行。

3）正位检测控制。只有当自动认址系统检测到堆垛机在垂直和水平方向已停准时，存取货机构才能工作。认址系统应用绝对数字认址系统该系统用二进制编码方式分别表示货仓的层、列数，堆垛机在运行时直接检测地址码，并同时与指令给定的地址作比较，当差值为一定数值时进行减速，差值为零时，堆垛机停止。

4）货位虚实检测。存取货机构工作前，还需要先探测货仓内有无货物，以防止货物双重入库，探测器应用反射式光电开关。

5）断电保护。发生意外断电时，通过制动器制动提升电机使提升箱停在当前位置，不致坠落。

结论

所设计的堆垛机运行一年多来，未出现故障，达到了设计要求。随着物流业在我国的兴起、现代工业的发展和日益激烈的市场竞争会对立体仓库提出更高的要求，同时各种新技术的出现也必将推动立体仓库朝着更加智能化、柔性化的方向发展；立体仓库将更加紧密地和订单处理、柔性加工、销售、采购、物料流通、财务和决策结合在一起，带来更大的社会效益和经济效益。堆垛机的性能和效率也将得到进一步提高。■

参考文献

[1]于海生.微型计算机控制技术[M]北京：清华大学出版社，2009.

[2]冯占营.自动化立体仓库堆垛机优化控制技术[J].信息技术与信息化，2011.