單立柱堆垛機的機械結構及控制系統設計

龔秋生，劉文波

(沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110168)

自動化立體倉庫，是一個典型的高技術密集型的機電一體化產品，已經逐漸取代傳統的普通式倉儲，成為物流倉儲的主流產品，而堆垛機是自動化立體倉庫中最重要的搬運設備，本文主要探討單立柱項道堆垛機的結構和控制系統設計。

1 堆垛機的機械結構設計

堆垛機在自動化立體倉庫中承擔著入庫、出庫和盤庫等重要的搬運任務，其機械結構主要有：行走機構、立柱、提升機構、載貨臺、伸縮貨叉和電氣控制設備等組成。其結構如圖1 所示。

圖1 堆垛機結構圖

1.1 行走機構

行走機構由伺服電機、減速器、行走輪、導向輪和上、下橫梁等組成。其工作原理為：行走輪在伺服電機和減速器驅動下，在上、下橫梁兩側的導向輪的作用下，沿著地軌實現堆垛機的水平行走。其中，上橫梁的導向輪不僅起到水平導向作用，還起到整體框架的側面支撐作用，防止堆垛機傾倒。

1.2 立柱

立柱是堆垛機的主要支撐部分，連接著上橫梁和行走機構，同時立柱上附加安裝有導軌，其對載貨臺的升降起到準確的引導作用。

1.3 提升機構

該機構由驅動電機、卷揚機、鋼絲繩和滑輪組等組成，能很好提升載貨臺及貨物，并能實現準確的垂直定位。

1.4 載貨臺

載貨臺是堆垛機支撐貨叉和貨物的部分，該部分在鋼絲繩的作用下沿著立柱導軌垂直運動，實現立體庫層貨格的定位。

1.5 伸縮貨叉

伸縮貨叉是堆垛機自動存取貨物的重要部分，該部分主要由貨叉驅動電機、鏈輪、驅動鏈條及貨叉本體組成。其主要的工作原理為：由貨叉電機驅動鏈輪，鏈條為動力輸入軸提供動力，經過齒輪和齒條的嚙合實現上叉、中叉和下叉的三級差動傳動，使貨叉自動伸縮，實現貨物的存取。貨叉本體的結構如圖2 所示。

圖2 貨叉結構圖

1.6 安全性措施

堆垛機是一種典型的自動化產品，在上位機的控制下對立體庫中的貨物實現自動存取，其安全性就顯得尤為重要。具體表現如下：

（1）在提升機構上設計了機械防墜落裝置：在提升機構鋼絲繩發生斷裂時該機械結構會把載貨臺鎖死在立柱上，實現機械自鎖，防止載貨臺及貨叉墜落，造成不必要的人員和財力損失。

（2）在導軌的兩端都設置有減速點和硬件限位，并且在導軌終端安裝有機械擋塊，防止堆垛機在水平行走過程中脫軌。另外，在立柱的上端和貨叉的兩端也分別安裝有限位開關，同時運用軟限位，雙重保護確保堆垛機在允許的范圍內運動。

（3）在貨叉上設置左右驅動開關來控制貨叉的伸縮方向，同時還設有上電保護，在確認貨叉已經收回的情況下，堆垛機才會運行，避免貨叉沒有收回而跟貨架產生碰撞。

2 堆垛機的控制系統

2.1 堆垛機的控制功能和控制要求

為了完成立體庫的入庫、出口和盤庫等功用，堆垛機必須具有手動和自動控制兩種控制方式，必須具備水平行走、垂直提升和貨叉的左右伸縮等功能，同時要求其定位精度為：±3mm，水平行走速度為：10 m/min，垂直提升速度為：10 m/min，貨叉伸縮速度為：21 m/min。

2.2 控制系統結構

為了實現堆垛機的控制功能和控制要求，采用圖3 的控制系統結構：

圖3 控制系統結構圖

該控制系統以S7-200 PLC 為控制核心，通過無線數據傳輸系統實現其跟上位機和觸摸屏的數據交流，根據數據指令驅動相應機構的控制模塊，實現該機構的動作。在水平行走方向采用伺服控制器+伺服電機控制方式，在垂直提升和貨叉伸縮方面采用變頻器+異步電動機控制方式。

2.3 PLC 選型及I/O 口擴展

由于PLC 具有抗干擾能力強，可靠性極高、控制功能強和編程、使用、維護方便等特點，選用PLC 作為控制核心，并且S7-200 系列PLC 價格低廉，結構小巧可靠性高，運行速度快，編程指令極豐富，具有強大的多種集成功能和實時性，性價比高并能滿足我們控制的要求，所以選擇其作為控制核心，并選擇CPU226 作為主機控制單元。由于CPU226 本身具有24 輸入/16 輸出共40個數字量I/O 點，并不能滿足控制要求，所以運用S7-200 系列PLC 的數字量擴展功能，分別增加1個EM221 數字量輸入擴展模板和1個EM223 數字量混合輸入輸出擴展模板。

2.4 位置控制

堆垛機在空間有3個自由度，即水平行走、垂直提升和貨叉的伸縮，以實現立體庫貨物的存、取和搬運的功能。本系統選用了三菱伺服控制系統，驅動水平行走機構，實現水平運動的速度控制，通過安裝在堆垛機底部的U 型認址傳感器檢測貨架上安裝的認址片實現堆垛機最終的水平位移控制，配以電機本身的電磁抱閘實現準確的水平定位。選用MM440 變頻器+三相異步電動機控制方式，運用變頻調速方式控制三相異步電動機的速度，通過安裝在垂直提升機構上的U 型認址傳感器檢測垂直方向的認址片實現層的尋址，附加三相異步電動機本身攜帶的電磁抱閘功能，實現堆垛機垂直方向準確定位。貨叉的伸縮控制跟垂直提升原理很像，只是運用接近開關來確定貨叉是否到達指定位置。

3 結束語

本文對單立柱堆垛機的機械結構和控制方案進行了設計，該堆垛機經安裝調試后運行平穩、可靠，滿足了學校物流實驗中心的要求，并且能為各高校和中小型企業建設自動化倉庫提供技術參考。

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