立體倉庫堆垛機的設(shè)計與研究*

王 嬌 ，王引衛(wèi) ，王興爍

（西京學(xué)院機械工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

0 引言

毋庸置疑，物流離不開貨物儲存。以前物流行業(yè)用于存儲貨物的普通倉庫是以人力為勞動力，輸送車和叉車為設(shè)備的，這種倉庫操作煩瑣，不能更好地利用空間。而自動化立體倉庫是高度機械化、半自動化甚至完全自動化的立體型倉庫[1]，這種倉庫能夠更好地利用空間，使操作變得簡單方便，還能提高生產(chǎn)效率。

堆垛機是立體倉庫的核心設(shè)備，作用就是通過堆垛機的升降、橫移、伸縮等功能來實現(xiàn)貨物準(zhǔn)確快速的存取功能。山東阿特拉斯智能科技有限公司的杜毅針對堆垛機進行了研究，分析了堆垛機的分類和特點。堆垛機有多種多樣的形式，其中包括單立柱型堆垛機、雙立柱型堆垛機、平衡式堆垛機等等[2]。

單立柱堆垛機的重量相對較輕、結(jié)構(gòu)也比較緊湊，但由于采用單立柱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致機架沒有形成對稱結(jié)構(gòu)，貨叉在工作時受到的工作阻力有可能會使立柱產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。所以本設(shè)計在采用單立柱結(jié)構(gòu)時，立柱的材料要選擇能夠抵抗工作阻力所帶來彎曲作用的材料，并且機架還要有較高的精度。

單立柱堆垛機的橫移機構(gòu)沿著天軌、地軌向X軸運行，升降機構(gòu)沿Z軸方向帶動載貨臺和貨叉伸縮機構(gòu)上下運行，貨叉伸縮機構(gòu)沿Y軸方向伸出或縮回，通過這三個主要機構(gòu)以及一些輔助機構(gòu)配合運行，以此來實現(xiàn)存放或取走貨物的功能。

1 單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 堆垛機的機架結(jié)構(gòu)設(shè)計

堆垛機的機架主要由下橫梁、立柱以及其他部件組成。立柱是機架最重要的組成部分，主要起支撐作用，在立柱上面安置導(dǎo)軌，可使載貨臺承載著貨叉伸縮機構(gòu)沿著導(dǎo)軌上升和下降，同時機架還能隨著橫移機構(gòu)沿著地軌和天軌保持橫移的穩(wěn)定，并且立柱還能夠承載載貨臺以及貨叉機構(gòu)進行裝卸工作時所產(chǎn)生的彎矩。而安裝立柱的下橫梁也受到彎矩作用，因此下橫梁要滿足一定的強度、硬度，避免變形損壞。

升降機構(gòu)、橫移機構(gòu)都安裝在機架上，并且在機架上配置有電氣控制系統(tǒng)、安全保護裝置等，使堆垛機的整體機構(gòu)較為緊湊，減少了所占用的空間。

由于堆垛機的機架承受載荷比較大，所以堆垛機的機架應(yīng)滿足一定剛度和強度的要求，以此來避免機架的沖擊損壞、振動破壞以及彎曲損壞。本次設(shè)計機架結(jié)構(gòu)是由質(zhì)量較好的鋼材焊接而成的，相對來說較為穩(wěn)固。立柱的垂直度必須在機架裝配成型后進行調(diào)整，用來補償堆垛機在工作時所承受的載荷對立柱帶來的彈性變形。

1.2 工作原理

單立柱堆垛機主要由橫移機構(gòu)、升降機構(gòu)、載貨臺以及貨叉伸縮機構(gòu)四個部分組成。升降機構(gòu)承載著載貨臺和貨叉伸縮機構(gòu)與立柱相連，并在電機的帶動下進行上下運動，立柱與橫移機構(gòu)相連，在橫移機構(gòu)的帶動下進行運動在堆垛機的工作過程中，橫移機構(gòu)在電動機的帶動下承載著堆垛機整體沿著Y軸方向運行，當(dāng)達到指定位置時，橫移機構(gòu)停止運行，同時堆垛機的升降機構(gòu)開始工作，升降機構(gòu)通過升降電機提供動力帶動載貨臺承載著貨叉伸縮機構(gòu)進行升降，為節(jié)省時間，橫移機構(gòu)與升降機構(gòu)同時進行工作，當(dāng)達到與貨架相對應(yīng)的高度時，升降機構(gòu)停止運行，并且貨叉伸縮機構(gòu)開始工作。通過橫移機構(gòu)、升降機構(gòu)以及貨叉伸縮機構(gòu)的配合運行實現(xiàn)存取貨物的功能。

2 主要部位設(shè)計

2.1 堆垛機的載貨臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

載貨臺的整體結(jié)構(gòu)是由兩個互相垂直的框架焊接而成，一個框架水平放置，一個框架垂直放置。水平框架一般由矩形的鋼管焊接而成，其在升降機構(gòu)的帶動下可承載貨叉伸縮機構(gòu)進行升降。使用矩形的鋼管不但總體重量較輕，而且能夠滿足強度要求；其升降動滑輪和安全保護裝置安裝在垂直框架上，以升降電機來驅(qū)動卷筒，通過鋼絲繩帶動載貨臺進行上升和下降。為了保證載貨臺可以平穩(wěn)升降，在載貨臺上安裝了四個導(dǎo)向輪和四個滾輪。導(dǎo)向輪設(shè)置在垂直框架上，其目的是防止載貨臺在工作過程中沿Y軸方向晃動。滾輪設(shè)置在導(dǎo)軌的左右兩側(cè)，滾輪除了導(dǎo)向作用外，還能夠承載工作阻力對載貨臺產(chǎn)生的彎矩作用。

2.2 堆垛機貨叉伸縮機構(gòu)的設(shè)計

組成堆垛機貨叉伸縮機構(gòu)的主要部件有固定貨叉、中間貨叉和上層貨叉，各貨叉之間的運動和動力是通過鏈輪和鏈條來傳遞的。固定叉直接與載貨臺相連，將鏈輪裝在固定貨叉上，在鏈輪的軸上安裝小型卷筒，在卷筒上纏繞鋼絲繩。通過卷筒的轉(zhuǎn)動從而達到貨叉伸出和收縮的功能。貨叉伸縮機構(gòu)在工作過程中，固定貨叉不動，中間貨叉在電動機的帶動下向前伸出中間貨叉長度的三分之二；上層貨叉在中間貨叉伸出的同時，也向外伸出上層貨叉的三分之二?？偟膩碚f，中間貨叉相對于伸出總長度來說占了三分之一，上層貨叉相對于伸出總長度來說占了三分之二，伸出總距離為一個貨叉的長度。其中單根貨叉長度為1000 mm，貨叉運行速度選取10 m/min，其中軸承選擇代號為6340的深溝球軸承，通過計算及查表，該型號軸承滿足壽命要求。通過計算得其鏈輪、鏈條的主要設(shè)計參數(shù)為：鏈條型號12A-1；鏈輪齒數(shù)z1=21，z2=63，鏈節(jié)數(shù)為118；中心距為710 mm。

2.3 堆垛機升降機構(gòu)的設(shè)計

堆垛機的升降機構(gòu)由電動機提供動力，通過減速器后驅(qū)動卷筒，再由卷筒帶動柔性件提升載貨臺，在載貨臺承載貨物進行升降過程中，需要導(dǎo)向部件進行輔助[3]。為了使載貨臺能夠平穩(wěn)停車，當(dāng)載貨臺即將達到與所需存儲貨架對應(yīng)的高度時，需要開啟制動器。柔性件作為連接電動機與載貨臺、并且向載貨臺傳遞動力的一個零件，是升降機構(gòu)中不能缺少的零件之一。升降機構(gòu)的運行需要靠電動機提供動力才能工作。但是，由于升降機構(gòu)的載貨臺需要承載貨物進行上升和下降，在工作時其位置是不固定的，因此，不能把電動機和工作機構(gòu)直接相連的，需要在電動機和工作機構(gòu)之間加入能傳遞動力或改變運動狀態(tài)的柔性件。目前，升降機構(gòu)常用的柔性件有傳動帶、鏈條及鋼絲繩。由于鋼絲繩具有撓性和柔韌性好、自重輕、強度高、耐沖擊、承載能力大、成本低廉、平穩(wěn)可靠等特點，所以在此選用型號為12.5NAT6*7+FC1700ZS的鋼絲繩作為升降機構(gòu)的起重柔性件[4]。為了使鋼絲繩與滑輪的輪槽有足夠的接觸面積，并且為鋼絲繩留有一定的偏斜度，與鋼絲繩配套使用的嵌入式的滑輪組[5]中滑輪外徑D=355 mm，軸徑D0=45 mm，槽底半徑R=7 mm。升降機構(gòu)作業(yè)時需要鋼絲繩縮回或伸出，為了能夠滿足這個功能，對鋼絲繩的收放需要卷筒裝置來完成。目前來說電纜卷筒可按照鋼絲繩在卷筒上的纏繞層數(shù)分為單層卷繞和多層卷繞卷筒兩種形式[6]。單層卷筒摩擦力大，不易打滑，所以本設(shè)計采用單層卷繞圓柱形卷繞卷筒，此卷筒的直徑D=250 mm；標(biāo)準(zhǔn)槽形槽距P=13.5 mm；最大升降高度H=10 m；滑輪組倍率α=2.0。其卷筒的輸出扭矩為M=1029 N·m。由于堆垛機的啟動負載較大，在工作時啟動、制動、換向及調(diào)速較為頻繁，因此要求堆垛機要有較高的工作穩(wěn)定性。本設(shè)計選擇的YZR系列繞線式三相異步電動機具有啟動、制動平穩(wěn)可靠，能承受一定沖擊載荷，進行頻繁啟動，啟動電流較小，方便調(diào)速的特點[7]，其型號為Y160L-6，額定功率為11 kW，滿載轉(zhuǎn)速為n=970 r/min。根據(jù)減速器和制動器的特點，本設(shè)計采用二級展開式圓柱齒輪減速器和常閉盤式制動器。

2.4 堆垛機橫移機構(gòu)的設(shè)計

橫移機構(gòu)的驅(qū)動方式選用下部支撐地面驅(qū)動式，以電動機為驅(qū)動裝置，驅(qū)動行走輪，從而帶動堆垛機整體進行移動。其行走路線是沿著地軌進行的，為了運行更加平穩(wěn)，在橫移機構(gòu)的上方安裝導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪沿著天軌運行，由于天軌和地軌具有導(dǎo)向作用，所以都要滿足一定的強度和剛度要求。天軌可以采用抗彎能力強的H型鋼，地軌可以采用抗彎能力良好的輕型鋼軌[8]，其鋼軌寬度B=64 mm，鋼軌頭部的圓角半徑在此取r=2 mm。由于此類驅(qū)動方式的驅(qū)動電機在下方，因此便于維護。其中下橫梁采用口字鋼結(jié)構(gòu)，長度為5500 mm。其行走輪按照形式可將行走輪分為有帶輪緣的行走輪和無輪緣的行走輪，由于有帶輪緣的行走輪在工作時不僅起到了支撐的作用，還具有一定的導(dǎo)向作用，所以本設(shè)計在堆垛機的橫移機構(gòu)中，選擇有帶輪緣的行走輪[9]，其踏面直徑D=350 mm，行走輪軸徑d=80 mm。由于單立柱堆垛機的橫移機構(gòu)在運行時會產(chǎn)生一定的振動和沖擊，啟動載荷也相對較大，需要使用過載能力較大的電動機，因此橫移機構(gòu)的電動機選用YZR系列繞線式三相異步電動機，與升降機構(gòu)所選電機同類型，其型號為Y132S-4，額定功率為5.5 kW，滿載轉(zhuǎn)速為n=1440 r/min。由于在堆垛機水平方向的阻力相對來說不大，只要減速器輸出一定的轉(zhuǎn)矩即可滿足堆垛機的正常工作，所以在設(shè)計中橫移機構(gòu)選用展開式二級圓柱齒輪減速器即可滿足使用要求。至于制動器，由于水平橫移速度較大，所以選用工作平穩(wěn)可靠、壽命長的盤式常開式制動器[10]。

3 總結(jié)

從零件的選型到部件的組裝再到形成裝配圖，筆者在這里用CAX CAD繪制了裝配圖，如圖1所示。

圖1 堆垛機裝配圖

設(shè)計內(nèi)容包括產(chǎn)品的選材和選型以及強度的校核。將整機劃分為機架結(jié)構(gòu)、載貨臺機構(gòu)、貨叉伸縮機構(gòu)、升降機構(gòu)、橫移機構(gòu)五個部分。單立柱堆垛機的橫移機構(gòu)沿著X軸運行，升降機構(gòu)沿Z軸方向帶動載貨臺進行運動，貨叉伸縮機構(gòu)沿Y軸方向運動，通過這三個主要機構(gòu)以及一些輔助機構(gòu)配合運行，以此來實現(xiàn)貨物的存取功能。立體倉庫堆垛機具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。在這個網(wǎng)購盛行的時代，立體倉庫堆垛機為自動化倉庫提供了極大的便利，使工作效率得到了極大提高，避免了人力勞動效率低下的問題，還降低了人力成本。