物流碼垛機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)及優(yōu)化探析

劉大龍，盤艷芳，韋麗娜

(南寧學(xué)院，廣西 南寧 530299）

碼垛機(jī)在物流行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，在自動(dòng)化立體倉庫應(yīng)用于現(xiàn)代物流系統(tǒng)以后，碼垛機(jī)可以發(fā)揮出便于物資運(yùn)輸，提升物流系統(tǒng)運(yùn)行效率的作用。對(duì)物流碼垛機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)和優(yōu)化問題進(jìn)行分析，有助于物流事業(yè)的發(fā)展。

1 物流碼垛機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)

1.1 碼垛機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)

物流碼垛機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)是物流碼垛機(jī)設(shè)計(jì)工作中的重要內(nèi)容。它涉及到了碼垛機(jī)的參數(shù)設(shè)置、結(jié)構(gòu)總體布局和功能方案設(shè)計(jì)等多種因素。根據(jù)物流碼垛機(jī)的實(shí)際情況，此類設(shè)備的基本參數(shù)主要包含有以下內(nèi)容：一是碼垛機(jī)的額定提升重量；二是碼垛機(jī)的提升高度；三是碼垛機(jī)的提升速度等因素。碼垛機(jī)的水平橫移、提升和頂推輸送速度與碼垛機(jī)的工作能力之間有著較為密切的聯(lián)系。根據(jù)物流領(lǐng)域的實(shí)際情況，對(duì)碼垛機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)裝置與結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行優(yōu)化，有助于物流運(yùn)行效率的提升。

1.2 碼垛機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)

機(jī)械化與專業(yè)化是物流業(yè)未來的重要發(fā)展方向。碼垛機(jī)在物流領(lǐng)域的應(yīng)用，具有著作業(yè)人數(shù)少、作業(yè)效率高與作業(yè)成本低的優(yōu)勢(shì)。碼垛機(jī)在物流運(yùn)輸領(lǐng)域所發(fā)揮的作用，與碼垛機(jī)自身的總體方案設(shè)計(jì)之間有著較為密切的聯(lián)系。一般情況下，碼垛機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)包含有以下元素：一是碼垛機(jī)的支撐方式；二是碼垛機(jī)的運(yùn)行形式；三是碼垛機(jī)的結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)與緩沖器的設(shè)計(jì)。在支撐方式方面，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)物流存儲(chǔ)場(chǎng)地的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)碼垛機(jī)的支撐方式。在提升質(zhì)量較大的情況下，碼垛機(jī)在起速和制動(dòng)過程中的慣性力會(huì)讓碼垛機(jī)出現(xiàn)擺動(dòng)或顛覆的問題。在碼垛機(jī)上部增加放擺輪與運(yùn)行軌道的措施可以發(fā)揮出控制碼垛機(jī)橫移時(shí)的移動(dòng)的作用。通過對(duì)碼垛機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，碼垛機(jī)運(yùn)行方式與物流倉庫實(shí)際情況之間有著較為密切的聯(lián)系。在結(jié)構(gòu)連接方面，物流碼垛機(jī)的連接方式主要分為以下內(nèi)容：一是焊接連接技術(shù)；二是鉚接連接技術(shù)；三是銷軸鉸接連接法。焊接操作對(duì)構(gòu)件截面的破壞情況相對(duì)有限，但是其在結(jié)構(gòu)連接處的殘余應(yīng)力值相對(duì)較高。鉚接連接形式多應(yīng)用于碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)接頭的安裝過程之中。高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)建立在螺栓預(yù)緊力所產(chǎn)生的摩擦力的基礎(chǔ)之上。一般情況下，法蘭盤高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)是碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)連接中常用的連接技術(shù)。它主要應(yīng)用于以下方面：一是碼垛機(jī)鞍座與支柱之間的連接；二是支柱與橫梁之間的連接；三是物流碼垛機(jī)各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的連接。焊接連接方式與螺栓連接方式多應(yīng)用于碼垛機(jī)載貨臺(tái)、提升卷筒等部件的連接過程之中。

1.3 碼垛機(jī)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)物流碼垛機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)為蝸輪蝸桿減速器動(dòng)力來源的傳動(dòng)方式是物流碼垛機(jī)水平橫移機(jī)構(gòu)中常用的傳動(dòng)形式。物流碼垛機(jī)的提升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案以“電機(jī)-減速機(jī)”驅(qū)動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)形式為主。載貨臺(tái)可以在鋼絲繩的作用下，沿著牽引立柱導(dǎo)軌進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。

2 物流碼垛機(jī)的技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 碼垛機(jī)的機(jī)架設(shè)計(jì)

物流碼垛機(jī)的機(jī)架主要指的是用于立柱導(dǎo)軌安裝、載貨臺(tái)定位和各種運(yùn)行機(jī)構(gòu)零部件安裝的金屬框架結(jié)構(gòu)。為保證物流碼垛機(jī)的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員在物流碼垛機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)工作實(shí)施過程中，需要對(duì)機(jī)架的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行嚴(yán)格控制。一些研究者在物流碼垛機(jī)設(shè)計(jì)過程中引用由Q435鋼機(jī)械結(jié)構(gòu)件，這種措施是一種相對(duì)可行的設(shè)計(jì)措施。

2.2 碼垛機(jī)水平橫移結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

碼垛機(jī)水平橫移結(jié)構(gòu)包含有機(jī)架鞍座端部的主動(dòng)車輪組、從動(dòng)車輪組和減速電機(jī)等設(shè)備。鞍座是連接物流碼垛機(jī)計(jì)價(jià)與載貨臺(tái)的重要部件。根據(jù)物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)際情況，焊接箱梁結(jié)構(gòu)可以在碼垛機(jī)水平橫移結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中得到應(yīng)用，車輪組可以采用標(biāo)準(zhǔn)化的起重機(jī)式車輪組。

鞍座結(jié)構(gòu)是碼垛機(jī)水平結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。物流碼垛機(jī)對(duì)機(jī)架的鞍座結(jié)構(gòu)有著較為嚴(yán)格的要求。為保證物流碼垛機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，箱型結(jié)構(gòu)是物流碼垛機(jī)鞍座結(jié)構(gòu)中常用的一種結(jié)構(gòu)形式。一般情況下，在箱型結(jié)構(gòu)應(yīng)用于物流碼垛機(jī)提升結(jié)構(gòu)以后，鞍座上部需要安裝有兩種與機(jī)架支柱相連接的法蘭盤，底部設(shè)計(jì)需要與標(biāo)準(zhǔn)車輪組的選擇與安裝需求相吻合。根據(jù)門式起重機(jī)的設(shè)計(jì)要求，物流碼垛機(jī)可以使用SYL-500X130（GB/T4628-1984）型圓柱形雙輪緣時(shí)車輪組，碼垛機(jī)的運(yùn)行軌道為一般軌道式起重機(jī)所使用的QU70軌道。

2.3 碼垛機(jī)提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物流碼垛機(jī)的提升結(jié)構(gòu)多為牽引式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)主要以電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)鋼絲繩的牽引形式為主。根據(jù)物流碼垛機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，碼垛機(jī)的提升結(jié)構(gòu)涉及到了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、卷筒、鋼絲繩和滑輪等部件的提升。卷筒在鋼絲繩的卷繞過程中發(fā)揮著一定的作用。它可以在將動(dòng)力傳遞給鋼絲繩以后，將堆垛機(jī)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩d貨臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而為碼垛機(jī)在垂直方向的提升作業(yè)提供保障。在碼垛機(jī)實(shí)際應(yīng)用過程中，受承受拉壓力和受力情況等因素的影響，設(shè)備在起動(dòng)制動(dòng)過程中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊載荷。為了對(duì)設(shè)備起動(dòng)制動(dòng)過程中產(chǎn)生的沖擊載荷進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，設(shè)計(jì)人員在鋼絲繩選型工作的開展過程中，可以根據(jù)鋼絲繩的受力情況，確定鋼絲繩的類型與直徑。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO-4308規(guī)定的“最大工作拉力法”是設(shè)計(jì)人員選擇鋼絲繩的主要依據(jù)，滿足上述標(biāo)準(zhǔn)要求的鋼絲繩可以有效滿足碼垛機(jī)的使用要求。在滑輪卷筒選擇過程中，設(shè)備人員需要對(duì)滑輪卷筒的卷繞直徑和卷筒長度等內(nèi)容進(jìn)行關(guān)注。提升電機(jī)與物流行業(yè)的自身需要及使用環(huán)境條件要求之間有著較為密切的聯(lián)系，設(shè)計(jì)人員在提升電機(jī)選擇過程中，需要遵循技術(shù)滿足與經(jīng)濟(jì)合理的原則。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)能力及過載能力等內(nèi)容是人們所不可忽視的內(nèi)容。

2.4 物流碼垛機(jī)的載貨臺(tái)設(shè)計(jì)

載貨臺(tái)設(shè)計(jì)涉及到了以下內(nèi)容：一是載貨臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；二是載貨臺(tái)的驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)；三是載貨臺(tái)的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。模臺(tái)驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)與鏈條導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是物流碼垛機(jī)載貨臺(tái)設(shè)計(jì)工作的主要內(nèi)容。針對(duì)支撐滾輪軸承徑向摩擦與軸向摩擦的阻力，在載貨臺(tái)設(shè)計(jì)過程中，可以使用Y802-4全封閉式鼠籠型三相異步電機(jī)，電機(jī)的額定功率可以控制為0.75kW，額定轉(zhuǎn)速可以控制為1390r/min。

2.5 碼垛機(jī)的安全保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

物流碼垛機(jī)的安全保護(hù)裝置可以在為碼垛機(jī)運(yùn)行過程的安全性、平穩(wěn)性及高效性提供保障的基礎(chǔ)上，促進(jìn)碼垛機(jī)整機(jī)使用性能的提升。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，碼垛機(jī)中應(yīng)用的安全保護(hù)裝置主要涉及到了以下內(nèi)容：一是物流碼垛機(jī)的終端限位保護(hù)裝置；二是碼垛機(jī)的連鎖保護(hù)機(jī)制；三是物流碼垛機(jī)的庫存檢測(cè)控制機(jī)制；四是斷繩保護(hù)機(jī)制。在碼垛機(jī)橫移、提升及頂推存取過程中，運(yùn)行終端都需要配備有限位保護(hù)裝置。根據(jù)碼垛機(jī)水平橫移作業(yè)與垂直升降作業(yè)的實(shí)際情況，堆垛機(jī)安全保護(hù)裝置需要及時(shí)切斷頂推存取電路，在頂推存取作業(yè)開展過程中，系統(tǒng)需要切斷水平橫移電路與垂直升降電路。在物流碼垛機(jī)因意外事故而出現(xiàn)鋼絲繩斷裂問題以后，人們可以借助連桿和彈簧機(jī)構(gòu)，將載貨臺(tái)固定在立柱導(dǎo)軌兩側(cè)，進(jìn)而避免載重下落所引發(fā)的安全事故。

3 物流碼垛機(jī)的優(yōu)化

碼垛機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)位置控制方法也是碼垛機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中不可忽視的內(nèi)容。根據(jù)物流碼垛機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際情況，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法與傳統(tǒng)PID算法相結(jié)合的措施是對(duì)物流碼垛機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的重要措施。Switch模塊是聯(lián)系兩種控制方法的重要工具。在對(duì)三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于PID的參數(shù)進(jìn)行實(shí)施在線整定處理以后，人們可以借助改進(jìn)的共軛梯度算法，完成BP網(wǎng)絡(luò)權(quán)值與閾值的修正。在Switch開關(guān)應(yīng)用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法與傳統(tǒng)PID控制模式以后，系統(tǒng)可以根據(jù)位移跟蹤誤差值確定Switch模塊的設(shè)定條件。這一設(shè)計(jì)方案有助于系統(tǒng)的響應(yīng)速度及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法的高穩(wěn)態(tài)精度的提升，旨在不增加算法的復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，氣動(dòng)裝置控制方法的優(yōu)化，有助于系統(tǒng)定位精度的提升，在降低系統(tǒng)內(nèi)部的壓力波動(dòng)的同時(shí)，系統(tǒng)也可以發(fā)揮出提升能源利用效率的作用。

4 結(jié)語

物流碼垛機(jī)的技術(shù)參數(shù)是碼垛機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)工作中不可忽視的內(nèi)容，根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)形式及功能原理等內(nèi)容進(jìn)行完善，有助于碼垛機(jī)運(yùn)行效率的提升。在滿足強(qiáng)度、剛度的使用要求的基礎(chǔ)上，相關(guān)人員還需要對(duì)這一設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的輕量化設(shè)計(jì)。