管材存儲(chǔ)自動(dòng)化立體倉庫的開發(fā)設(shè)計(jì)

秦 凱，周驥平，潘殿生，嚴(yán) 偉，趙 珺

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009；2.揚(yáng)州恒佳自動(dòng)化設(shè)備有限公司，揚(yáng)州 225127）

0 引言

近年來，隨著制造業(yè)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代生產(chǎn)模式的變革，自動(dòng)化立體倉庫以其低占地面積、高作業(yè)效率和智能化等特點(diǎn)成為制造企業(yè)大力發(fā)展的重要裝備[1～4]。長型鋼管材在機(jī)械、建筑、物流等行業(yè)都有著廣泛地應(yīng)用[5]。但由于長度、重量較大等特點(diǎn)，管材在存取過程中容易出現(xiàn)彎曲及晃動(dòng)，安全性較低，目前國內(nèi)大都采用自然堆疊的存儲(chǔ)方式；少數(shù)具有立體倉庫的企業(yè)也主要采取大跨度雙立柱堆垛機(jī)的方式進(jìn)行存取操作，不僅過度占用生產(chǎn)空間，同時(shí)嚴(yán)重制約了生產(chǎn)制造效率[6,7]。國外立體倉庫的發(fā)展已較為成熟，研究出了包含了堆垛機(jī)、機(jī)械手以及電磁吸盤等存取方式的自動(dòng)化立體倉庫，但大都適用于中小型物料或板材等，難以滿足不規(guī)則形狀的長重型管材的存取作業(yè)[8～11]。針對上述現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種用于存儲(chǔ)長型管材的自動(dòng)化立體倉庫，實(shí)現(xiàn)了長管材的運(yùn)輸和出入庫操作，有效降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了智能化程度和存儲(chǔ)效率。

1 長型管材特點(diǎn)與存儲(chǔ)分析

1.1 長型管材的特點(diǎn)

1）長型管材種類繁雜，難以進(jìn)行有效的調(diào)度。尤其是鈑金加工企業(yè)在生產(chǎn)制造過程中需使用多種管材類材料，采購回來的管材整捆包扎，比較整齊，但打開使用后易散，多種管材擺放一起后容易混亂，給材料的分類統(tǒng)計(jì)和調(diào)度帶來了很大困難。

2）管材尺寸長，占地面積大。一般使用的管材長度約為6m，在采用常規(guī)的自然堆疊的存儲(chǔ)方式情況下，不僅需要占用很大的存儲(chǔ)空間，而且在拿取過程中易受限制，且很多管材被壓在下方，使用時(shí)取材耗時(shí)耗力，制約生產(chǎn)效率。

3）重量大，存儲(chǔ)運(yùn)輸不平穩(wěn)?，F(xiàn)有的自動(dòng)化立體倉庫通常采用的堆垛機(jī)無法滿足長型管材的運(yùn)輸，抓取較為困難，容易在運(yùn)輸過程中造成管材的彎曲變形及晃動(dòng)，存在較大的安全隱患。

1.2 長型管材的存儲(chǔ)分析

企業(yè)所使用的管材有數(shù)十種，截面形狀以及尺寸各不相同，由于受場地的制約，通過自然堆疊的方式放置于廠房入口處，給管材的出入庫存取和清點(diǎn)造成了很大的麻煩。存儲(chǔ)區(qū)與生產(chǎn)加工區(qū)位于同一廠房內(nèi)，但區(qū)域之間具體劃分較為混亂。廠房內(nèi)只有一臺(tái)5T行車負(fù)責(zé)管材在存儲(chǔ)區(qū)與加工區(qū)的運(yùn)輸，缺少現(xiàn)代化的倉儲(chǔ)存取設(shè)施，存取作業(yè)依靠人工操控行車進(jìn)行管材運(yùn)輸，效率低下。

庫存管理采用傳統(tǒng)手工記錄的方式，這種庫存記錄方式不僅效率低下，而且一旦入庫后，難以實(shí)現(xiàn)再次清點(diǎn)，出現(xiàn)錯(cuò)誤也難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。同時(shí)手工記錄無法實(shí)時(shí)掌握管材庫存動(dòng)態(tài)信息，容易造成采購決策困難和數(shù)量的不準(zhǔn)確。

2 管材類自動(dòng)化立體倉庫總體方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)條件與要求

根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)和銷售需求，長型管材自動(dòng)化立體倉庫的設(shè)計(jì)要求主要有以下幾方面：

1）倉庫存儲(chǔ)容量以及管材尺寸規(guī)格存儲(chǔ)容量共6層24庫位，去掉1個(gè)出料口，剩余23庫位；管材尺寸長度均為6m，整扎管材截面在600mm×600mm以內(nèi)，重量小于3T。

2）占地面積及現(xiàn)有設(shè)施管材存儲(chǔ)約占地200平米左右，所在廠房允許的擺放高度為5.6m；現(xiàn)有5T行車可供上料使用。

3）設(shè)計(jì)速度要求上下運(yùn)行速度滿負(fù)荷9m/min，空負(fù)荷13.5m/min；左右運(yùn)行速度30m/min；出入庫速度滿負(fù)荷18/min，空負(fù)荷27m/min。

2.2 立體倉庫的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)條件和要求，開發(fā)設(shè)計(jì)的長型管材自動(dòng)化立體倉庫的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括貨架、料框、運(yùn)輸小車、提升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、存取機(jī)構(gòu)以及控制管理系統(tǒng)。

圖1 長型管材自動(dòng)化立體倉庫的總體結(jié)構(gòu)

貨架主體采用高層貨架結(jié)構(gòu)，提高空間利用率，用于擺放需要存取的管材，同時(shí)為整個(gè)出入庫裝置提供支撐。

料框輸送車主要承擔(dān)貨架外圍的運(yùn)輸工作，負(fù)責(zé)將裝載管材的料框運(yùn)送到指定庫位下方進(jìn)行入庫以及將料框送到倉庫出庫口進(jìn)行出庫。

行走機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)整個(gè)出入庫裝置在貨架上的自由度限制以及水平移動(dòng)。

提升機(jī)構(gòu)則是通過卷揚(yáng)機(jī)和鋼絲繩拉取存取機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)垂直升降運(yùn)動(dòng)。

存取機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對裝載管材料框的抓取，在卷揚(yáng)機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)沿貨架立柱垂直升降，同時(shí)通過鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)料框在貨架主體上的自動(dòng)存取。

2.3 管材出入庫流程

入庫時(shí)，工作人員通過生產(chǎn)執(zhí)行管理系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System）進(jìn)行待存儲(chǔ)管材的選取并發(fā)送入庫指令。倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)WMS（Warehouse Management System）在接收到指令后，控制地面運(yùn)輸車將管材運(yùn)到指定貨位下方。隨后存取裝置啟動(dòng)，將管材放置到對應(yīng)存儲(chǔ)單元，并回到初始位置，同時(shí)上傳所記錄的管材信息，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。出庫則按相反的順序進(jìn)行。

圖2 出入庫流程圖

3 立體倉庫貨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 貨架的選型

采用懸臂型貨架，主要由立柱，橫梁、懸臂梁以及拉桿組成。立柱作為整個(gè)貨架的承重基礎(chǔ)，對于貨架的穩(wěn)定性和使用壽命都至關(guān)重要。擬采用H型鋼，材質(zhì)為Q235，立柱底座通過螺栓固定在地面安裝基礎(chǔ)上。懸臂梁選用Q235材質(zhì)矩形管，焊接在立柱上，在懸臂梁下方安裝有三角加強(qiáng)筋提升懸臂梁的承載能力。

3.2 貨架有限元分析

貨架作為立體倉庫最基礎(chǔ)的組成構(gòu)件，其安全性和可靠性至關(guān)重要。本文采用abaqus有限元軟件對貨架進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性[12,13]。

3.2.1 模型建立

通過abaqus建立懸臂梁貨架的三維模型，單元類型采用實(shí)體單元，采用六面體中性軸劃分網(wǎng)格。貨架所采用的鋼材的主要屬性為：楊氏彈性模量E=210Gpa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3，屈服強(qiáng)度σ=235MPa。有限元模型以及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 貨架有限元模型及網(wǎng)格劃分

3.2.2 有限元分析—懸臂梁及立柱有限元分析

對于懸臂梁貨架，主要對立柱和懸臂梁進(jìn)行有限元分析。包括貨架單側(cè)滿載、單側(cè)頂層滿載以及雙側(cè)滿載的情況下懸臂梁和立柱的彎曲應(yīng)力和擾度形變。

貨架立柱底部接觸方式選用全約束，限制全部自由度。懸臂梁和立柱的連接假設(shè)為理想焊接，采用綁定的接觸方式；管材裝載于料框內(nèi)，水平放置在懸臂梁上，且單元懸臂梁承載不超過3.5T，載荷采用壓力的方式均勻施加在懸臂梁承載表面上。經(jīng)仿真模擬，貨架單側(cè)滿載的情況下，其結(jié)果如圖4所示：立柱最大彎曲應(yīng)力為52.58MPa，最大撓度為1.769mm，懸臂梁最大彎曲應(yīng)力為175MPa，最大撓度為3.092mm。滿足貨架立柱和懸臂梁應(yīng)力與撓度形變的設(shè)計(jì)要求（如圖4所示）。

圖4 貨架仿真分析-單側(cè)滿載

貨架單側(cè)頂層滿載的條件下，分析結(jié)果如圖5所示：立柱最大彎曲應(yīng)力為41.57MPa，最大撓度為0.4923mm，懸臂梁最大彎曲應(yīng)力為190.5MPa，最大撓度為2.089mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

貨架雙側(cè)滿載的條件下，分析結(jié)果如圖6所示：立柱最大彎曲應(yīng)力為51.72 MPa，最大撓度為0.7386mm，懸臂梁最大彎曲應(yīng)力為152.4MPa，最大撓度為1.86mm，滿足設(shè)計(jì)要求（如圖5所示）。

圖5 貨架仿真分析-單側(cè)頂層滿載

圖6 貨架仿真分析-雙側(cè)滿載

4 長型管材的出入庫設(shè)計(jì)

4.1 長管材料框及運(yùn)輸小車設(shè)計(jì)分析

料框是用于裝載管材，并通過外圍運(yùn)輸設(shè)備及出入庫設(shè)備進(jìn)行存取的設(shè)施。對于長型管材，常規(guī)立體倉庫所采用的貨物料框難以進(jìn)行裝載，故針對長型管材設(shè)計(jì)了如圖7所示的料框，并配以相應(yīng)的運(yùn)輸小車。

圖7 長型管材料框及運(yùn)輸車

料框兩端伸出有兩層一定長度的鋼板，上層鋼板用于存取機(jī)構(gòu)的托取，進(jìn)行出入庫運(yùn)輸，下層鋼板則是用于放置在貨架相應(yīng)的懸臂梁上。運(yùn)輸小車則在減速電機(jī)的動(dòng)力下，帶動(dòng)料框沿著地面軌道進(jìn)行移動(dòng)。設(shè)計(jì)有可自由拆卸的支撐架，料框可以和運(yùn)輸小車上的支撐架進(jìn)行配合，長型管材通過叉車或行車進(jìn)行外圍運(yùn)輸時(shí)，可以將管材放置于相對較高的支撐架上，當(dāng)貨架出入庫裝置提升料框時(shí)，管材自然落到料框內(nèi)，出庫時(shí)，隨著料框的下降，管材則被支撐架托起，給貨架外圍運(yùn)輸提供了很大的便利。

4.2 提升機(jī)構(gòu)

提升機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)存取機(jī)構(gòu)的垂直升降，并配合存取機(jī)構(gòu)進(jìn)行出入庫作業(yè)（如圖8所示）。提升機(jī)構(gòu)由卷揚(yáng)機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩進(jìn)行提升作業(yè)的，卷揚(yáng)機(jī)固定在框架上，鋼絲繩一端固定在卷揚(yáng)機(jī)上，經(jīng)由框架上的導(dǎo)向滑輪以及存取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)架兩端的定滑輪改變方向，最終將另一端通過鋼絲鎖固定在存取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)架上。當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，鋼絲繩拉取存取機(jī)構(gòu)沿著貨架立柱垂直升降。當(dāng)存取機(jī)構(gòu)被拉取到對應(yīng)貨架儲(chǔ)存單元位置時(shí)，制動(dòng)器啟動(dòng)，保證存取機(jī)構(gòu)平穩(wěn)，準(zhǔn)確的停在所需位置。

圖8 提升機(jī)構(gòu)

4.3 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)升降臺(tái)在在貨架上的水平移動(dòng)。行走機(jī)構(gòu)主要包括減速電機(jī)、車輪以及導(dǎo)向輪（如圖9所示）。減速電機(jī)與車輪通過聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸進(jìn)行動(dòng)力傳遞，安裝在提升機(jī)構(gòu)框架立柱上，車輪裝置則通過螺栓固定在框架外側(cè)的型鋼上。在貨架橫梁上翼緣設(shè)有導(dǎo)軌供車輪滾動(dòng)，同時(shí)車輪兩端安裝有導(dǎo)向輪輔助行走，限制了車輪左右移動(dòng)方向的自由度，保證了行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)的準(zhǔn)確性以及整個(gè)裝置的安全性。

圖9 行走機(jī)構(gòu)

4.4 存取機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)立體倉庫所采用的存取機(jī)構(gòu)主要采用的是巷道堆垛機(jī)搭載差動(dòng)貨叉的方式，但是由于管材長度跨度大的特點(diǎn)，這種存取方式會(huì)造成管材兩端在重力作用下的彎曲，且容易失衡。為此，設(shè)計(jì)了如圖10所示的存取機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對長型管材的出入庫存取。

圖10 存取機(jī)構(gòu)

該存取機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)力裝置、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、直導(dǎo)軌滑塊裝置以及料框托取裝置組成。當(dāng)需要進(jìn)行存取操作時(shí)，減速電機(jī)啟動(dòng)，動(dòng)力通過傳動(dòng)軸傳輸?shù)街鲃?dòng)鏈輪上，從而帶動(dòng)閉合的鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。托取裝置一端通過鏈條附件以及螺栓螺母和鏈條固定連接，另一端則延展出一段長度用來托取料框，導(dǎo)軌滑塊裝置安裝在底架內(nèi)側(cè)面，托取裝置和滑塊連接，從而在鏈條的帶動(dòng)下隨著滑軌水平移動(dòng)；到達(dá)指定位置后提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行，拉取存取機(jī)構(gòu)下降，將料框放置到對應(yīng)貨位，實(shí)現(xiàn)出入庫操作。底架兩端外側(cè)還安裝有定滑輪和限位滾輪，定滑輪用于鋼絲繩的導(dǎo)向以及提升機(jī)構(gòu)的拉取。限位滾輪搭配立柱上端安裝的滑輪，保證了鋼絲繩在提升過程中的垂直以及存取機(jī)構(gòu)的受力平衡；同時(shí)限位滾輪以貨架采用的H型鋼立柱作為導(dǎo)軌，有效保證了存取機(jī)構(gòu)在升降過程中的平穩(wěn)精確。

5 結(jié)語

通過深入分析長型管材的特點(diǎn)以及存儲(chǔ)條件和要求，結(jié)合現(xiàn)有立體倉庫的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了能夠適用于管材存儲(chǔ)的高層貨架和出入庫裝置，配合MES系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)管材的自動(dòng)存取。通過有限元分析得到貨架的強(qiáng)度和剛度均滿足要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。長型管材自動(dòng)化立體倉庫的開發(fā)設(shè)計(jì)，解決了企業(yè)現(xiàn)有管材存儲(chǔ)困難、出入庫和生產(chǎn)效率低下的問題，為長型管材鈑金加工自動(dòng)化裝備的開發(fā)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)條件，同時(shí)對其他長重型鋼材的自動(dòng)化存儲(chǔ)具有一定的借鑒作用。