長料鋼材立體倉庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁騰飛，周天福，李 波，趙敬川，孫洋洋

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430074；2.中建鋼構(gòu)有限公司，深圳 518000）

0 引言

立體倉庫由于占地少，充分利用高度空間，受到越來越多的關(guān)注[1～4]。國內(nèi)鋼材倉庫多采用露天/室內(nèi)碼垛的形式堆放，部分中小型分銷商為了存取方便，一般建有抽屜式、貨架式鋼材庫，普遍存在自動(dòng)化、智能化程度不足，運(yùn)行效率低下的問題[5]，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是超長超重的鋼材以碼垛的形式儲存，容易造成鋼材壓損，變形；二是鋼材出入庫的順序由人工隨機(jī)儲存，現(xiàn)場決策的優(yōu)劣由倉庫工作人員的經(jīng)驗(yàn)決定，缺乏穩(wěn)定性。早在1993年，新日鐵君津廠就建成當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的無人操作的自動(dòng)化帶卷倉庫[6]，2008年，寶鋼在鋼鐵產(chǎn)品的自動(dòng)化和智能化倉儲問題上也展開了研究[7]，近年隨著阿里巴巴、京東等電商企業(yè)的快速發(fā)展，大型物流倉儲技術(shù)得到迅速推廣，智能優(yōu)化算法在解決庫位分配、出入庫優(yōu)化調(diào)度等問題上有著人工決策無法比擬的優(yōu)勢。但由于鋼材質(zhì)量大、尺寸長，其在移動(dòng)過程中具有慣性大、易擺動(dòng)等特點(diǎn)，在平移和提升過程中容易發(fā)生碰撞事故，因此現(xiàn)有的立體倉庫不能直接儲存鋼材，很難滿足使用要求。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種用于儲存長料鋼材的立體倉庫，實(shí)現(xiàn)重料、長料的自動(dòng)化存取，提高工作效率，減小人力勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 總體方案設(shè)計(jì)

長料鋼材的立體倉庫以托盤移動(dòng)式貨架作為基本結(jié)構(gòu)形式，主要由托盤輸送帶、貨架、托盤、貨箱、抓取裝置、卷揚(yáng)機(jī)、鏈條張緊機(jī)構(gòu)、托盤動(dòng)力總成、卷揚(yáng)機(jī)移動(dòng)動(dòng)力總成組成（如圖1所示）。其中托盤是倉庫中的基礎(chǔ)單元，用于鋼材的存放；貨料輸送帶負(fù)責(zé)將托盤運(yùn)送到指定庫位的下方；抓取裝置在卷揚(yáng)機(jī)的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)上升或者下降運(yùn)動(dòng)；抓取裝置可將托盤中的鋼材放置至指定貨架位置或從指定位置取出鋼材，實(shí)現(xiàn)鋼材的出入庫動(dòng)作；托盤動(dòng)力總成為所有托盤提供橫向移動(dòng)的動(dòng)力；卷揚(yáng)機(jī)移動(dòng)動(dòng)力總成負(fù)責(zé)移動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)抓取裝置在任意位置抓取或放下托盤，最后利用托盤輸送帶將鋼材送出。

圖1 長料鋼材的立體倉庫結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 托盤動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

托盤動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、豎直鏈條、雙排鏈輪、雙排鏈輪支架、橫向鏈條、托盤、單鏈輪離合總成、導(dǎo)向鏈輪組成，如圖2所示。伺服電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過豎直鏈條傳遞到每層庫位的雙排鏈輪上，雙排鏈輪經(jīng)過橫向鏈條將動(dòng)力傳遞到與托盤固定的單鏈輪離合總成（如圖3所示）上，在電磁離合器處于分離狀態(tài)時(shí)，固定在傳動(dòng)軸上的單鏈輪自轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)的動(dòng)力無法傳遞到托盤上，此時(shí)托盤靜止；當(dāng)離合器處于接合狀態(tài)時(shí)，離合器與傳動(dòng)軸固連，伺服電機(jī)動(dòng)力將傳遞從單鏈輪上，此時(shí)橫向鏈條會帶動(dòng)托盤進(jìn)行橫移。因此，通過控制電磁離合器的接通或切斷，可以將任意一層任意托盤進(jìn)行移動(dòng)。

圖2 托盤動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 單鏈輪離合總成結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電子推桿夾軌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

托盤在出入庫過程中受力會發(fā)生變化，軌道可能發(fā)生微小的形變而難于保持水平，導(dǎo)致托盤在重力作用下向軌道凹陷方向滑動(dòng)。該狀況下托盤的滑動(dòng)是不可控的，容易發(fā)生碰撞事故，因此需設(shè)計(jì)鎖止裝置，使托盤在靜止時(shí)處于鎖定狀態(tài)。根據(jù)立體倉庫的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了如圖4所示的電子推桿夾軌器。電子推桿夾軌器利用杠桿原理將鎖止片壓緊軌道支撐梁側(cè)面，電子推桿桿身和支點(diǎn)撐桿固定安裝在托盤上，電子推桿伸縮桿上安裝有壓縮彈簧。當(dāng)托盤靜止時(shí)，彈簧壓縮產(chǎn)生的彈力推動(dòng)鎖止片上端右移，根據(jù)杠桿原理，則鎖止片下端左移，直到鎖止片壓緊軌道側(cè)面，達(dá)到鎖止效果；當(dāng)托盤需要移動(dòng)時(shí)，電子推桿伸縮桿回縮，進(jìn)一步壓緊彈簧，則鎖止片上端左移，鎖止片下端右移，鎖止片和軌道支撐梁分離，鎖止?fàn)顟B(tài)解除。

圖4 電子推桿夾軌器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 抓取裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抓取裝置主要包括卷揚(yáng)機(jī)、剪叉機(jī)構(gòu)、鋼絲繩、門機(jī)、電磁吸盤、鋼絲鎖等。卷揚(yáng)機(jī)通過控制鋼絲繩實(shí)現(xiàn)門機(jī)的上下運(yùn)動(dòng)，在門機(jī)的底部安裝有4個(gè)電磁吸盤，通過控制電磁吸盤的通斷電實(shí)現(xiàn)抓取裝置快速抓取貨箱或者松開貨箱，為防止提升或者移動(dòng)貨箱的過程中貨箱發(fā)生擺動(dòng)，抓取裝置在卷揚(yáng)機(jī)的側(cè)邊裝有剪叉結(jié)構(gòu)，剪叉結(jié)構(gòu)與門機(jī)固連，鋼絲繩的末端通過鋼絲鎖與門機(jī)相連，剪叉機(jī)構(gòu)末端為平行四邊形結(jié)構(gòu)（如圖6所示），在鋼絲繩伸縮過程中可始終保持門機(jī)與貨箱平行，保證了抓取動(dòng)作的穩(wěn)定性。

圖5 抓取裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 剪叉機(jī)構(gòu)末端的平行四邊形結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖7為長料鋼材立體倉庫的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，上位機(jī)與PLC之間采用自由口通信，將操作人員的各種操作指令（如存取貨、調(diào)試和急停等）傳送至PLC，PLC控制電機(jī)、電磁離合器、電子推桿及電磁吸盤，完成指定的操作[8～10]。同時(shí)，PLC通過自由口通信將現(xiàn)場的信息以及運(yùn)行狀況，反饋至上位機(jī)，經(jīng)過上位機(jī)軟件處理后以直觀的形式展示與電腦屏幕上，供操作人員確定設(shè)備執(zhí)行狀況。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖8所示。圖中1至4順序表示了入庫過程的工作流程。1中指定目標(biāo)庫位后，系統(tǒng)生成的控制指令通過串口發(fā)送到PLC，托盤輸送帶將鋼材平移至入庫巷道下方，卷揚(yáng)機(jī)同時(shí)向入庫巷道上方移動(dòng)。2中卷揚(yáng)機(jī)和鋼材都到達(dá)預(yù)定位置后，卷揚(yáng)機(jī)纜繩下降直到纜繩端部安裝的電磁吸盤抓緊鋼材托盤，然后提升纜繩將鋼材提升到目標(biāo)庫位上方。3中在鋼材提升到位后，目標(biāo)庫位右移至鋼材下方，纜繩下降將鋼材放入目標(biāo)庫位中。4中鋼材放入目標(biāo)庫位中后，纜繩提升到貨架頂端，目標(biāo)庫位左移回到原位置，至此入庫控制完成。

出庫的控制流程和入庫相反，指定出庫目標(biāo)庫位后，卷揚(yáng)機(jī)移動(dòng)到出庫巷道上方，目標(biāo)庫位移動(dòng)到出庫巷道中，卷揚(yáng)機(jī)纜繩下降直到纜繩端部安裝的電磁吸盤抓緊鋼材托盤后再提升到庫位上方，然后目標(biāo)庫位移回原位置，卷揚(yáng)機(jī)纜繩下降將鋼材放入傳送帶上，最后傳送帶將鋼材運(yùn)移到出口，至此出庫控制完成。

圖8 控制系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

長料鋼材立體倉庫的模型樣機(jī)共2層，每層4個(gè)庫位，實(shí)物樣機(jī)如圖9所示。經(jīng)過調(diào)試，該立體倉庫達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，其主要有以下三個(gè)特點(diǎn)：

1）采用一套動(dòng)力裝置將動(dòng)力傳遞到每層貨架托盤上，實(shí)現(xiàn)貨架的連續(xù)排列；在存取貨物時(shí)，移動(dòng)托盤留出一條作業(yè)巷道，實(shí)現(xiàn)任意貨物的存取，該方案大大減少了對硬件設(shè)備的需求，降低了設(shè)備成本。

2）卷揚(yáng)機(jī)邊板使用了剪叉機(jī)構(gòu)來輔助鋼絲繩升降，可有效防止提升或者移動(dòng)貨箱過程中貨箱擺動(dòng)；剪叉機(jī)構(gòu)末端的平行四邊形結(jié)構(gòu)可使鋼絲繩在伸縮過程中保持門機(jī)與貨箱平行，保證了抓取動(dòng)作的穩(wěn)定性。

3）長料鋼材立體倉庫采用模塊化設(shè)計(jì)，大型貨倉可采用多套系統(tǒng)并行使用，可大大簡化了控制的復(fù)雜程度，提高了存取效率。

4 結(jié)論

通過借鑒現(xiàn)有自動(dòng)化立體倉庫的優(yōu)勢，結(jié)合鋼材本身超長、超重等屬性，對長料鋼材立體倉庫進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制運(yùn)行方式設(shè)計(jì)，通過自動(dòng)控制解決了目前鋼材生產(chǎn)企業(yè)存在的人工出入庫勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、效率低問題，具有一定的工程實(shí)際意義和實(shí)用價(jià)值，其技術(shù)方法對其他超長超重的貨物的自動(dòng)化儲存有一定的借鑒意義。

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