自動化立體倉庫中堆垛機的創(chuàng)新設(shè)計研究

尹博文

（江蘇亨通智能科技有限公司，江蘇蘇州 215000）

0 引言

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)以及電子商務(wù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，自動化立體倉庫已經(jīng)成為企業(yè)生產(chǎn)、存儲、運輸?shù)任锪飨到y(tǒng)高效化、合理化的關(guān)鍵，其中堆垛機作為自動化立體倉庫中必備的起重堆垛設(shè)備，具有自動化的物品分類與管理、智能化的管理、高效的物品運輸?shù)葍?yōu)點，可以大大提高物流效率，降低生產(chǎn)管理成本。因此，自動化立體倉庫中堆垛機的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與控制技術(shù)的優(yōu)化，對于促進現(xiàn)代企業(yè)倉儲和物流行業(yè)發(fā)展具有一定意義。

1 自動化立體倉庫和堆垛機簡介

1.1 自動化立體倉庫

自動化立體倉庫是建立在互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)之上的物流倉儲中出現(xiàn)的一種新型倉儲概念，主要是由貨架、堆垛起重機以及入庫、出庫等貨物管理的操作控制系統(tǒng)等組成，在現(xiàn)代物流、工業(yè)生產(chǎn)、商品制造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)的倉儲，自動化立體倉庫可以最大限度地利用倉庫有限的立體空間，并且借助于信息化、智能化的管理系統(tǒng)，大大提高貨物的入庫、分類、包裝、配送等存儲效率。

自動化立體倉庫有多種分類方式：按照建筑形式分為貨架與建筑物一體化的整體式，貨架獨立于建筑物之外的分離式倉庫；按照貨物存取形式，可與分為相對獨立的單元貨架式、可移動的移動貨架式和巷道式揀選貨架；按照貨架的結(jié)構(gòu)，又分為類似單元貨架式的單元貨格式倉庫，貨架相互貫通的貫通式倉庫，沿環(huán)形路線來回運行的水平旋轉(zhuǎn)式倉庫，沿垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的垂直旋轉(zhuǎn)貨架式倉庫。自動化立體倉庫有多種類型，不同的倉庫建筑形式、貨物存取形式和貨架構(gòu)造，所適用的貨物類型、行業(yè)不同，在提高空間利用率、存儲效率、企業(yè)生產(chǎn)管理水平以及成本控制等方面發(fā)揮著重要作用。

隨著各行業(yè)的持續(xù)快速增長，自動化立體倉庫成為提高企業(yè)市場競爭力必備手段，具有廣闊的發(fā)展前景。

1.2 堆垛機

堆垛機是伴隨著現(xiàn)代物流行業(yè)發(fā)展和立體化倉庫發(fā)展，而形成的倉庫專用起重機械設(shè)備，其運行原理主要是在倉庫貨架之間的巷道里來回穿梭運行，進行貨物的分類、運輸、存貯等。相對于傳統(tǒng)的人力分揀和裝卸，堆垛機可以大大提高現(xiàn)代立體化倉庫的利用率和周轉(zhuǎn)率。堆垛機憑借在整體造型、取物裝置、動力控制、保護措施等方面的優(yōu)勢，成為現(xiàn)代自動化立體倉庫的必要裝備。

堆垛機有多種分類方式：按照起升高度的不同，可以分為低層型、中層型、高層型3 類；按照有無軌道，可以分為工作范圍大的無軌堆垛機、沿軌道運行的有軌堆垛機；按照自動化程度，可以分為自動堆垛機、半自動堆垛機和手動堆垛機；按照用途的不同，可分為橋式堆垛機和巷道式堆垛機。

2 自動化立體倉庫中堆垛機的創(chuàng)新設(shè)計策略

2.1 堆垛機結(jié)構(gòu)形式選擇

堆垛機作為自動化立體倉庫的重要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)、操作控制、安全保護等性能決定著自動化倉庫的運行效率和優(yōu)劣。對于堆垛機結(jié)構(gòu)形式選擇，一定要充分考慮自動化立體倉庫的建筑形式、貨物存取形式、貨架的結(jié)構(gòu)以及貨物的特點，進而選擇合適的堆垛機結(jié)構(gòu)。例如，對于高速重載、貨架較高的立體倉庫宜選擇雙立柱堆垛機，需要在巷道中來回穿梭運輸貨物的立體倉庫需要選擇單立柱堆垛機。就單立柱堆垛機而言，由于在實際工作中受力情況較為復(fù)雜，其穩(wěn)定性、動態(tài)性相對較差。因此，在對于單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要充分考慮其受力情況，在保證自由度的情況下橫梁等部位要選用優(yōu)質(zhì)鋼材；設(shè)計斷繩保護裝置、過載保護裝置、載貨臺行程保護裝置等保護裝置；在滿足其穩(wěn)定性、強度及剛度的原則下，盡可能減少其余繁雜部位的質(zhì)量，節(jié)省制造成本，同時減少堆垛機加速和制動時的慣性沖擊。

2.2 堆垛機的設(shè)計要點

進行結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，需要分析針對橫梁、立柱、載貨臺、伸縮貨叉、水平行走機構(gòu)、電氣控制設(shè)備等結(jié)構(gòu)的受力情況，為堆垛機設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。在對立柱結(jié)構(gòu)節(jié)點受力、下橫梁結(jié)構(gòu)截面壓力、堆垛機結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力、立柱結(jié)構(gòu)固有振動頻率、立柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行計算的基礎(chǔ)上，使用UG（Unigraphics NX）進行三維模型創(chuàng)建，根據(jù)ANSYS 仿真分析和數(shù)據(jù)計算，才能設(shè)計出具有較高穩(wěn)定性、適應(yīng)不同需求的合理結(jié)構(gòu)，并且也可以提高設(shè)計時間、節(jié)約成本。

以巷道雙立柱堆垛機設(shè)計為例，經(jīng)過需求設(shè)計、詮釋設(shè)計、參考設(shè)計實例、制作三維零部件、裝配、計算校核、確定結(jié)構(gòu)尺寸、建立有限元模型、有限元分析、分析結(jié)構(gòu)、設(shè)計合理性評價分析等設(shè)計流程，最后生成加工模型（表1）。

表1 巷道雙立柱堆垛機（載重3 t）的主要性能參數(shù)

2.3 堆垛機結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

在堆垛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為保證其結(jié)構(gòu)的強度和剛性，在實際運行中能平穩(wěn)、安全、快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)貨物的搬送、分揀與運輸，必須對堆垛機的底架、立柱、升降載貨臺、升降機構(gòu)、行走機構(gòu)、貨叉驅(qū)動機構(gòu)以及堆垛機的速度、位置、安全保護等控制裝置進行優(yōu)化設(shè)計。例如，堆垛機的貨叉長度對于巷道寬度、托盤深度的適應(yīng)，可以讓堆垛機存取貨時能夠快速進行行走和升降；在保障堆垛機的強度、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，盡可能減少其重量，減少摩擦阻力、提升功率。

下面以巷道雙立柱堆垛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，對堆垛機的起升裝置、伸縮貨叉機構(gòu)、行走機構(gòu)、機體支架等結(jié)構(gòu)進行設(shè)計分析。

2.3.1 起升裝置設(shè)計

合適的電機類型，是保障巷道雙立柱堆垛機高效、平穩(wěn)運行的動力來源，根據(jù)自動化立體倉庫的工作要求和條件，需要甄選堅固耐用、運行可靠、運行效率高、調(diào)速范圍寬、變頻調(diào)速的三相異步交流電動機。另外需要對于鋼絲繩的拉力以及與滑輪的匹配關(guān)系、卷筒的長度、蝸輪蝸桿減速器的傳動比進行計算和數(shù)據(jù)分析，以確保巷道雙立柱堆垛機起升裝置的合理性。

2.3.2 伸縮貨叉機構(gòu)

為了能夠快速、準(zhǔn)確地進行貨物的拾取、搬運，需要在滿足其強度和剛度的同時，巷道雙立柱堆垛機的伸縮貨叉厚度盡量薄、前端的擾度控制最小。通過對于下叉、中叉、前叉的受力曲線分析，并根據(jù)其參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進行貨叉的軸承、齒輪、鏈輪鏈條、電機和減速器等各零部件的選取與校核，最終確定伸縮貨叉各部分結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

2.3.3 行走機構(gòu)

行走輪的主動輪、從動輪，作為巷道雙立柱堆垛機的傳動結(jié)構(gòu)，在選擇合適電機的前提下，通過V 形帶輪與V 形帶的設(shè)計計算、行走機構(gòu)聯(lián)軸器的選擇、行走機構(gòu)減速器的選取，最終確定選擇輪軸直接連接的驅(qū)動方式。

2.3.4 機體支架

對于巷道雙立柱堆垛機機架設(shè)計，要以其工況要求、昂篤要求、穩(wěn)定性要求、美觀等設(shè)計準(zhǔn)則為依據(jù)，對于機架的重量、材料、結(jié)構(gòu)、裝配方式、加工工藝等進行整體設(shè)計，以保障機架的制造成本低、穩(wěn)定性高、便于制造和安裝，以及抗振性、耐腐蝕性、耐磨性能好。

對于機架的設(shè)計，首先需要確定堆垛機機架的形狀、尺寸，以保證其在巷道中可以自由穿梭運行，并根據(jù)機架的形狀、尺寸來確定制造工藝。然后根據(jù)堆垛機的載荷情況、貨架結(jié)構(gòu)來確定機架結(jié)構(gòu)的形式，以及各裝置與結(jié)構(gòu)之間的配合情況，以確定機架的基本尺寸。如機架高度為12 000 mm，立柱的長度為360 mm，立柱之間的距離為1800 mm，并且立柱之間設(shè)有雙槽，以保證堆垛機貨叉的平穩(wěn)運行。

2.3.5 安全保護裝置

堆垛機作為一種起重機械，其安全可靠性是保證其平穩(wěn)運行的重要保障，因此必須要為堆垛機設(shè)計和配備完善的防護裝置。

（1）終端限位保護：在堆垛機的運動方向終端設(shè)置電氣或者機械限位裝置，以實現(xiàn)對于堆垛機自由度的限制，以保障其安全運行。

（2）聯(lián)鎖保護裝置：堆垛機在升降起重和行走運動過程中，通過電路開合的聯(lián)動設(shè)置，來保障堆垛機的安全平穩(wěn)運行。例如在堆垛機升降和行走時，貨板伸縮驅(qū)動的電路斷開，而在堆垛機貨板執(zhí)行伸縮命令時，則控制堆垛機升降和行走的電路斷開。

（3）正位檢測控制：應(yīng)用準(zhǔn)確認地系統(tǒng)，在堆垛機工作時通過對于地址碼的準(zhǔn)確檢測和執(zhí)行，來開啟和停止堆垛機的升降和行運動工作。例如，只有當(dāng)認址系統(tǒng)通過編碼方式準(zhǔn)確識別到貨倉的層數(shù)、隊列，才能按照指令進行操作，而當(dāng)差值為零時則停止工作。

（4）斷電保護裝置：當(dāng)由于外力阻擋、內(nèi)部問題而引起堆垛機故障時，通過制動器制動堆垛機的升降和行運，強行停止其工作并停止在當(dāng)前狀態(tài)，以防墜落等意外發(fā)生。

3 結(jié)語

綜上所述，近些年隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和企業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高，越來越多的企業(yè)本文以巷道雙立柱堆垛機為例，在分析堆垛機工作原理的基礎(chǔ)上，從堆垛機的機架等重要的組成結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，通過相應(yīng)的參數(shù)計算和結(jié)構(gòu)選擇，設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)合理、運行平穩(wěn)、準(zhǔn)確高效且安全性能高的堆垛機，以滿足現(xiàn)代快速發(fā)展的自動化立體倉庫的需求。