輕型件箱堆垛機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

何光健 楊磊 楊文珂

摘 要：制藥企業(yè)在生產(chǎn)中藥飲片過(guò)程中需要多次進(jìn)行物料周轉(zhuǎn)搬運(yùn)，為消除搬運(yùn)浪費(fèi)，提高藥材搬運(yùn)效率，需要實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)儲(chǔ)存自動(dòng)化。鑒于此，介紹了一種高速輕型件箱堆垛機(jī)，提出了一套能夠提高該堆垛機(jī)綜合運(yùn)行效率的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其在中藥倉(cāng)儲(chǔ)物流自動(dòng)化中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：高速輕型件箱堆垛機(jī);中藥材;自動(dòng)化;同步帶輪;倉(cāng)儲(chǔ)物流

0? ? 引言

堆垛機(jī)作為自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)物流系統(tǒng)中的核心設(shè)備，為無(wú)人化搬運(yùn)的實(shí)現(xiàn)提供了支持。堆垛機(jī)的水平運(yùn)行速度及其加速度、載貨臺(tái)升降速度及其加速度、貨叉伸縮速度及其加速度這幾項(xiàng)重要參數(shù)，直接影響物料的出入庫(kù)效率[1]。本文通過(guò)對(duì)堆垛機(jī)核心部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化了其各項(xiàng)參數(shù)，制造出了高性能堆垛機(jī)，提高了中藥材的周轉(zhuǎn)效率，可以有效滿(mǎn)足企業(yè)高速發(fā)展的需求。

1? ? 高速堆垛機(jī)機(jī)構(gòu)

1.1? ? 高速堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

普通雙立柱堆垛機(jī)走行速度為160 m/min，加速度為0.5 m/s2;升降速度為45 m/min，加速度為0.5 m/s2。走行機(jī)構(gòu)由天軌、地軌、底架、鐵質(zhì)走行輪、天地軌導(dǎo)向輪（金屬材料）、地軌走行伺服電機(jī)等組成，驅(qū)動(dòng)方式為地軌伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)鐵質(zhì)走行輪在地軌上運(yùn)行，兩種鐵質(zhì)材料通過(guò)摩擦力推動(dòng)幾十米高的設(shè)備前進(jìn)很難實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行且運(yùn)行噪聲較大;升降機(jī)構(gòu)由立柱、頂梁、載貨臺(tái)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、導(dǎo)向輪、一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)等裝置組成，驅(qū)動(dòng)方式為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，卷?yè)P(yáng)機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩實(shí)現(xiàn)載貨臺(tái)上升、下降，若高速上升、下降，會(huì)發(fā)生鋼絲繩松繩故障，此機(jī)構(gòu)限制了高速運(yùn)行。

針對(duì)普通堆垛機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，重新設(shè)計(jì)出高速堆垛機(jī)。高速堆垛機(jī)走行機(jī)構(gòu)由天軌、地軌、底架、同步輪、同步帶、橡膠走行輪、地軌驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、天軌伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、天地軌導(dǎo)向輪（橡膠材料）組成，選用同步帶輪傳動(dòng)方式來(lái)替代傳統(tǒng)的直接驅(qū)動(dòng)走行輪模式可實(shí)現(xiàn)較大幅度提速，通過(guò)底架上的走行伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在同步帶輪的作用下實(shí)現(xiàn)整個(gè)堆垛機(jī)沿天地軌做水平方向的走行運(yùn)動(dòng)。由于堆垛機(jī)高數(shù)十米，在高速運(yùn)行的狀態(tài)下，存在天地軌道走行不同步的情況，相對(duì)于普通堆垛機(jī)，高速堆垛機(jī)在天軌上增加了一套走行機(jī)構(gòu)，和地軌走行電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，確保穩(wěn)定高效運(yùn)行。高速堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)由立柱、頂梁、載貨臺(tái)、兩套同步帶輪、兩臺(tái)升降伺服電機(jī)、導(dǎo)向輪等裝置組成，通過(guò)升降驅(qū)動(dòng)裝置上的兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)其帶輪旋轉(zhuǎn)，然后通過(guò)升降驅(qū)動(dòng)裝置上的同步帶帶動(dòng)載貨臺(tái)，實(shí)現(xiàn)其沿立柱的上下運(yùn)動(dòng)。高速堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)較普通堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)多出一套驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)裝置。普通堆垛機(jī)載貨臺(tái)為整體式框架結(jié)構(gòu)，由于速度慢可實(shí)現(xiàn)整體上升、下降，高速堆垛機(jī)載貨臺(tái)兩側(cè)使用軸承連接，自由度較高，在兩套伺服動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下難免發(fā)生載貨臺(tái)不水平的情況，通過(guò)激光測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)反饋給伺服電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，確保載貨臺(tái)在高速運(yùn)行的情況下也能保持水平狀態(tài)。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)優(yōu)化，高速堆垛機(jī)走行速度可達(dá)到300 m/min，加速度可達(dá)到2 m/s2;升降速度可達(dá)到100 m/min，加速度可達(dá)到2 m/s2。核心參數(shù)方面有了重大提升。

1.2? ? 走行位置檢測(cè)

（1）走行原點(diǎn)/反原點(diǎn)檢測(cè)裝置：巷道兩端分別為堆垛機(jī)的走行原點(diǎn)和反原點(diǎn)，它們分別是堆垛機(jī)在走行原點(diǎn)端（反原點(diǎn)端）的正常停止位置，通過(guò)底架上的一個(gè)叉式光電開(kāi)關(guān)和地面上的原點(diǎn)檢測(cè)片（反原點(diǎn)檢測(cè)片）來(lái)檢測(cè)（圖1）。

（2）走行位置檢測(cè)裝置：在堆垛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，需用走行位置檢測(cè)裝置來(lái)檢測(cè)堆垛機(jī)走行方向的位置。堆垛機(jī)走行檢測(cè)采用條碼測(cè)距，通過(guò)條碼測(cè)距器閱讀條碼帶上的條碼來(lái)確定堆垛機(jī)位置。

1.3? ? 安全裝置

（1）速度檢測(cè)：出于安全考慮，堆垛機(jī)的運(yùn)行速度必須被實(shí)時(shí)監(jiān)控。堆垛機(jī)的走行速度由走行驅(qū)動(dòng)電機(jī)上自帶的編碼器來(lái)反饋。

（2）強(qiáng)制減速：出于安全考慮，堆垛機(jī)在運(yùn)行到巷道兩端之前必須減速。該功能通過(guò)堆垛機(jī)底架上的舌簧開(kāi)關(guān)和地面上的磁鐵（圖1）來(lái)共同完成。當(dāng)堆垛機(jī)向巷道端頭運(yùn)行時(shí)，機(jī)上的舌簧開(kāi)關(guān)被地面的磁鐵觸發(fā)，然后向控制系統(tǒng)發(fā)出指令，堆垛機(jī)開(kāi)始減速。堆垛機(jī)向巷道端頭運(yùn)行時(shí)，機(jī)上的舌簧開(kāi)關(guān)被地面的第一個(gè)磁鐵觸發(fā)后，堆垛機(jī)將正常減速;被第二個(gè)磁鐵觸發(fā)后，若堆垛機(jī)的速度未降至規(guī)定速度，則堆垛機(jī)將被強(qiáng)制減速。

（3）極限檢測(cè)：在巷道正常運(yùn)行范圍外的兩端，地面上各有一個(gè)極限觸板，它們與堆垛機(jī)底架上的行程開(kāi)關(guān)（圖1）一起，用于檢測(cè)堆垛機(jī)是否超出正常的運(yùn)行范圍。若超出，則堆垛機(jī)將立即啟動(dòng)應(yīng)急停車(chē)程序，驅(qū)動(dòng)電機(jī)抱閘。

（4）緩沖器：堆垛機(jī)巷道兩端設(shè)有油壓緩沖器，緩沖器是保證堆垛機(jī)安全的最后一道防線，當(dāng)堆垛機(jī)超出極限運(yùn)行位置后，可通過(guò)油壓緩沖器實(shí)現(xiàn)緩沖和機(jī)械限位。

（5）超速保護(hù)裝置：堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中，若提升同步帶出現(xiàn)松弛的意外情況，會(huì)使升降機(jī)構(gòu)做短暫的自由落體運(yùn)動(dòng)，從而使載貨臺(tái)超速，這會(huì)對(duì)堆垛機(jī)造成嚴(yán)重的傷害，甚至導(dǎo)致人員傷亡，因此堆垛機(jī)需要設(shè)置提升同步帶松弛檢測(cè)裝置和升降機(jī)構(gòu)超速保護(hù)裝置。其中，松弛檢測(cè)裝置是在提升同步帶連接末端各設(shè)置一個(gè)行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)松弛時(shí)，該同步帶連接末端處的自張緊裝置彈起，觸發(fā)該行程開(kāi)關(guān)，從而檢測(cè)出同步帶松弛。超速保護(hù)裝置（圖2）有兩個(gè)功能：一是檢測(cè)載貨臺(tái)是否超速，二是超速后需使其停止運(yùn)動(dòng)，對(duì)其實(shí)施保護(hù)，即超速制動(dòng)。

（6）貨物狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：載貨臺(tái)上設(shè)有貨物狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，用于檢測(cè)進(jìn)出載貨臺(tái)的貨物外形尺寸是否超出限值、載貨臺(tái)內(nèi)是否有貨物、貨架上是否有貨物。

2? ? 高速堆垛機(jī)在中藥倉(cāng)儲(chǔ)物流自動(dòng)化中的應(yīng)用

（1）堆垛機(jī)與上位調(diào)度系統(tǒng)的通信：高速堆垛機(jī)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)需要上位調(diào)度系統(tǒng)對(duì)其下指令，然后堆垛機(jī)按該指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，通過(guò)在地面上地軌末端和堆垛機(jī)機(jī)身上分別安裝一個(gè)紅外通信器來(lái)實(shí)現(xiàn)通信（圖3）。

（2）堆垛機(jī)與站臺(tái)的通信：當(dāng)堆垛機(jī)與站臺(tái)需要進(jìn)行貨物信息傳輸時(shí)，通過(guò)堆垛機(jī)上的站臺(tái)互鎖與地面上的對(duì)應(yīng)站臺(tái)互鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)（圖3）。

（3）堆垛機(jī)的存取貨功能：走行電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪使堆垛機(jī)沿天地軌做水平運(yùn)動(dòng);在升降驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下，同步帶拉動(dòng)載貨臺(tái)使其沿立柱上的升降導(dǎo)軌完成升降運(yùn)動(dòng);載貨臺(tái)上裝有貨叉，貨叉電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使叉體完成左右伸縮運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，完成貨物從站臺(tái)到貨架之間的存取任務(wù)。

（4）入庫(kù)：前處理車(chē)間生產(chǎn)人員在WMS系統(tǒng)人工創(chuàng)建入庫(kù)單據(jù)，創(chuàng)建完成后，將已經(jīng)加工好的凈藥材飲片裝入周轉(zhuǎn)箱內(nèi)，通過(guò)在線稱(chēng)重將藥材相關(guān)信息同步至WMS系統(tǒng)，周轉(zhuǎn)箱再輸送至高速堆垛機(jī)取貨站臺(tái)，滿(mǎn)足取貨條件后由WCS系統(tǒng)對(duì)高速堆垛機(jī)下達(dá)指令，堆垛機(jī)從取貨站臺(tái)取走周轉(zhuǎn)箱并放入相應(yīng)的貨格中，完成該箱入庫(kù)任務(wù)。當(dāng)所有周轉(zhuǎn)箱全部入庫(kù)后，WMS系統(tǒng)自動(dòng)完成入庫(kù)任務(wù)，并自動(dòng)生成入庫(kù)報(bào)表，WMS系統(tǒng)同步將藥材信息自動(dòng)傳輸至SAP系統(tǒng)。

（5）出庫(kù)：提取車(chē)間生產(chǎn)人員在SAP系統(tǒng)上開(kāi)具調(diào)撥單，SAP系統(tǒng)同步將憑證號(hào)傳送至WMS系統(tǒng)，WCS系統(tǒng)對(duì)堆垛機(jī)下達(dá)任務(wù)，使堆垛機(jī)從相應(yīng)貨格中取出所需要的周轉(zhuǎn)箱，然后輸送至出庫(kù)站臺(tái)，自動(dòng)輸送至提取罐投料。投料完成后WMS系統(tǒng)自動(dòng)扣除相應(yīng)庫(kù)存，并將庫(kù)存信息自動(dòng)同步至SAP系統(tǒng)。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

高速堆垛機(jī)可用于搬運(yùn)100 kg以下的箱式或輕型貨物，具有重量輕、噪聲小、速度快的優(yōu)點(diǎn)，每臺(tái)堆垛機(jī)流量可達(dá)到120箱/h，能夠滿(mǎn)足中藥飲片自動(dòng)化投料的需求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 傅友賓，紀(jì)然，陳仕彬.一種輕型高速料箱堆垛機(jī)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，2020（3）：111-112.

收稿日期：2021-07-27

作者簡(jiǎn)介：何光?。?989—），男，江蘇泰州人，助理工程師，從事設(shè)備管理工作。