立體倉庫堆垛機取貨裝置研究

侯 瑞，呂志軍，楊光輝，黃東昕

（1.東華大學 機械工程學院，上海 201620；2.上海精星物流設備工程有限公司，上海 201611）

立體倉庫堆垛機取貨裝置研究

侯 瑞1，呂志軍1，楊光輝2，黃東昕2

（1.東華大學 機械工程學院，上海 201620；2.上海精星物流設備工程有限公司，上海 201611）

利用有限元分析現有堆垛機取貨裝置的性能特點，并針對其取貨效率低、噪聲大等問題，提出一種新穎的柔性取貨裝置，極大地提高了取貨效率，達到了工程應用的目的。對傳統取貨裝置進行了靜剛度計算并提出優化，對新裝置的整體結構、伸縮臂結構和存取功能的實現做了具體介紹，為堆垛機的倉儲作業重構及優化提供了新的技術手段。

立體倉庫；取貨裝置；堆垛機

1 前言

巷道堆垛機是自動化立體倉庫的核心物流設備，是隨著立體倉庫的出現而發展起來的專用起重機。巷道堆垛機的主要用途是在高層貨架的巷道內來回穿梭運行，將放置在巷道口的貨物存入指定的貨格，或者從貨格中取出需出庫的貨物運送到巷道口，從而實現物資的流動[1-2]。因此要實現物流的高效率，就要提高堆垛機存取速度，提高出入庫頻率。

然而，國內的堆垛機大多采用傳統設計，以生產經驗為基礎，材料和能源消耗過多，振動大、噪音大、整機性能差[3]。本文為解決這些問題，達到敏捷、高效倉儲作業的目的，研制出推拉式雙貨位取貨方式及裝置，可實現兩側不同尺寸貨物的存取混合作業。

2 傳統取貨裝置

2.1 單立柱堆垛機與貨叉

上世紀60年代，在美國首先出現了巷道式堆垛機，隨著立體自動化倉庫的發展，巷道式堆垛機逐步取代了橋式起重機[4]。目前市場上最常見的是貨叉式單立柱堆垛機，適用于存取托盤型貨物，如圖1、圖2所示。堆垛機的貨叉安裝之后，結構尺寸固定，只能應用于某一規格的托盤及單元貨物，無法實現存取不同尺寸的貨物。貨叉式堆垛機的作業方式是在貨架巷道中來回穿梭，把貨物從巷道口的出入庫貨臺搬運到指定的貨位中，或者是把需要取出的貨物從其貨位搬運到巷道口的出入庫貨臺，堆垛機在巷道中的一次穿梭只能完成一個貨物的存或取。此外，貨叉自身結構較為沉重，進一步增加了載貨臺的負荷[5]。因此，快速發展的精益物流需要更加高效、靈活、穩定性好的倉儲作業方式及裝置。

圖3 貨叉力學模型

圖1 單立柱巷道式堆垛機

圖2 雙深位貨叉

2.2 貨叉靜剛度分析

2.2.1 貨叉力學模型。傳統雙深位貨叉是由四段叉體裝配而成，如圖2所示，從左至右分別是下叉梁，1級中叉梁，2級中叉梁和上叉梁。在存取第二深位貨物時受力最惡劣，貨叉易發生變形，其中二級貨叉的剛性至關重要，直接影響了整體貨叉的剛度。貨叉剛度若達不到要求，將會影響堆垛機存取貨物的正常工作。通過對貨叉結構的分析及撓度的計算，可找出提高貨叉剛度的方法。

根據堆垛機貨叉的實際工作情況，并對計算工況適當簡化，貨叉受力圖如圖3所示，即為性能分析時貨叉的力學模型。

2.2.2 貨叉幾何模型。為便于分析，在不影響計算結果的前提下，對貨叉模型進行了適當的簡化，忽略如圓角、倒角、直徑較小的裝配孔等對貨叉強度剛度影響不大的幾何特征。在ANSYS Workbench中導入貨叉模型，并對貨叉的材料進行定義。貨叉材料定義為40cr，材料特性參數設置見表1。

表1 40cr材料特性

2.2.3 網格劃分與邊界約束。應用workbench中的自動劃分網格法對幾何模型進行網格劃分。這種網格劃分方法可以基于幾何的復雜性，自動檢測實體，對可以掃掠的實體采用掃掠方法劃分六面體網格，對不能掃掠劃分的實體采用協調分片算法劃分四面體網格。貨叉網格劃分如圖4所示。

圖4 網格劃分

根據上述貨叉的力學模型對貨叉添加約束如下：下叉梁底部固定，軸承與貨叉各梁接觸，設置貨叉重力加速度為9 806.6mm/s2，并在上叉梁上表面加4 000N的載荷。邊界約束如圖5所示：

圖5 邊界約束

2.2.4 仿真結果。有限元仿真計算結束后，可以得到貨叉的總變形和等效應力。

貨叉的變形云圖如圖6，下叉梁和1級中叉梁基本沒有變形，2級中叉梁及上叉梁發生的變形較大，說明2級中叉梁是整個貨叉結構中最薄弱的環節，這與理論分析結果相一致。變形云圖中顯示貨叉的最大變形量為41.583mm，最大變形發生在上叉梁的最前端。國外相同規格的貨叉撓度一般控制在20mm左右，與國外相比，該貨叉撓度是國外貨叉撓度的一倍以上，遠遠超出許用的撓度范圍，說明貨叉沒有達到設計要求，結構設計還需要進一步的改進。

貨叉的應力云圖如圖7，最大應力為183.63Mpa，貨叉最大應力發生在下叉梁上的滾輪滾子軸承上，小于其許用值785Mpa。

圖6 貨叉變形云圖

圖7 貨叉應力云圖

3 新型取貨裝置

3.1 裝置結構介紹

3.1.1 整體結構。根據其結構及使用特點，新型取貨裝置被稱為“柔性雙貨位取貨裝置”。與傳統取貨裝置相比，該裝置結構有了很大改觀，如圖8所示，其結構構件主要包括：四套伸縮臂、兩塊固定擋板、兩塊活動擋板、六套輸送帶、兩套線性滑塊以及十根導向桿。

圖8 柔性雙貨位載貨臺模型

在該結構中，四套伸縮臂分為兩組，每組分別安裝于固定擋板和活動擋板上，且每組中兩套伸縮臂安裝后需保證伸縮方向；兩塊活動擋板安裝于線性滑塊上，并沿各自導向桿移動，以配合伸縮臂實現夾抱運動；每套伸縮臂的兩端各有一只勾爪，隨伸縮臂一起運動以實現抽取運動；六套輸送帶每三套為一組，分別安裝于固定擋板和活動擋板之間，以實現貨物在載貨臺兩側貨位之間的傳動；每組輸送帶分別沿導向桿移動，底部利用X型交叉連桿實現輸送帶之間的同步分合。

3.1.2 伸縮臂結構設計。伸縮臂的工作原理為齒輪齒條組成的一種行程倍增機構[6]，圖9所示為齒輪齒條差動機構的示意圖，該機構由一個滾動齒輪和兩個齒條（固定齒條1和從動齒條2）組成。

根據相對運動原理，當滾動齒輪開始相對于固定齒條1滾動時，從動齒條2以滾動齒輪與固定齒條1的嚙合點為速度瞬心，以滾動齒輪的運動方向為方向，以滾動齒輪中心速度的兩倍為運動速度開始平行移動，即行程倍增機構。

圖9 齒輪齒條結構示意圖

伸縮臂分內中外三層，中間板上安裝有行程倍增機構的滾動齒輪，內板上安裝固定齒條1，外板上安裝從動齒條2，滾動齒輪分別與內、外板上安裝的齒條進行配合，構成齒輪齒條組成的行程倍增機構，當電機驅動齒輪轉動時，從動齒條2相對固定齒條1開始作平移運動，從而實現內外板相對線性移動，及伸縮臂的伸縮運動。伸縮臂的內中外三層之間利用梯形凹凸槽來配合，輔助內中外三層板實現相對線性移動，保證線性移動的平穩性。伸縮臂的結構如圖10所示。

圖10 伸縮臂結構示意圖

在伸縮臂外板端部內側，安裝有勾爪，可實現伸縮與轉動。勾爪的伸縮運動由外板內側的沖壓氣缸來實現，旋轉運動由勾爪尾部的旋轉氣缸來實現。當伸縮機械臂伸出時，勾爪也被氣缸推出，達到最大行程時，被旋轉氣缸旋轉一定角度，實現“勾”的動作，然后沖壓氣缸與伸縮臂開始同步收縮，實現“拉”的動作。

3.2 裝置特點

3.2.1 柔性特點。所謂“柔性”是指結構可通過其部分或全部構件的形狀發生變化而得到位移的一種性能[7]。柔性載貨臺具有獨特的柔性。柔性載貨臺可以靈活支持各類尺寸的料箱、料盒和紙箱，實現對各類尺寸的單元貨物的夾抱、推拉功能，且柔性載貨臺可實現雙貨位及雙深位的貨物取放功能，保證了堆垛機存取系統的靈活性和處理量。

3.2.2 雙貨位特點。與傳統的貨叉式堆垛機存取貨方式不同，傳統的貨叉式堆垛機的載貨臺只能存或取一個單元貨物，而柔性載貨臺上的存取貨裝置是雙貨位設計，如圖11。兩個貨位不僅可以實現并行控制，同時存或取貨物，而且可以實現一個單元貨物在兩個貨位間的傳輸。

圖11 柔性載貨臺俯視圖

3.2.3 雙伸位特點。柔性載貨臺具有雙深位功能[8]，且與傳統的貨叉式堆垛機的雙深位功能不同。傳統的雙深位是由貨叉實現的，貨叉的工作原理為直線差動機構，再根據貨物規格對貨叉尺寸進行設計，使得貨叉實現雙深位功能；柔性載貨臺因雙貨位的設計，使伸縮臂的尺寸受到限制，所以伸縮臂的設計增加了勾爪來輔助伸縮臂實現雙深位的功能。

3.2.4 混合作業特點。柔性載貨臺可以實現巷道兩側貨架上不同規格箱式貨物的混合存儲作業[9]，可以為堆垛機的路徑優化提供一種新的優化方法。柔性載貨臺設計為雙貨位，且兩個貨位可以實現并行控制，即堆垛機在巷道中的一次穿梭可以同時完成兩個貨物的存或取，且兩個貨物可以是不同規格的箱式貨物，這一特點為堆垛機的路徑優化提供了一種新的思路。

3.2.5 夾抱功能。線性滑軌[10]在柔性載貨臺中的主要功能是通過固定擋板與伸縮臂配合使用，實現伸縮臂的臂間距調整。兩幅線性滑軌分別固定安裝于柔性載貨臺底架兩側的支架，兩個貨位的伸縮臂分別安裝在固定擋板2及兩對活動擋板上，如圖12所示。固定擋板2安裝在線性滑軌的固定端，兩對伸縮臂中的固定臂均安裝在固定擋板2上；固定擋板1安裝于載貨臺底架的橫梁，用于支撐活動擋板及輸送帶的導軌；兩對活動擋板分別安裝在線性滑軌的滑塊上，可以隨著滑塊實現線性滑移；載貨臺的兩對活動臂則安裝在活動擋板上，可以通過線性滑塊及六根導向桿實現與固定臂的相對線性往復運動，從而實現夾抱動作。

圖12 柔性載貨臺側視圖

通過線性滑軌與伸縮臂的配合實現夾抱功能的設計原理是實現兩對伸縮臂的相對線性往復運動，根據夾抱的這一工作原理，可擬定三種設計方案。

方案一：一對伸縮臂的兩個伸縮臂均設計為活動臂。在堆垛機運行過程中，兩對伸縮臂均隨著線性滑軌的滑塊及導向桿做直線往復運動，且在夾抱貨物時，兩對伸縮臂相向而行，如圖13方案一所示的方向來夾緊貨物。

方案二：一對伸縮臂中，一個伸縮臂為固定臂，另一臂為活動臂，且活動臂安裝在載貨臺底架的橫梁端。在堆垛機運行過程中，僅活動臂隨著線性滑軌的滑塊及導向桿做直線往復運動，夾抱貨物時，活動臂的運動方向如圖13方案二所示。

圖13 夾抱結構方案圖

方案三：一對伸縮臂中，一個伸縮臂為固定臂，另一臂為活動臂，且活動臂安裝在載貨臺底架的立柱端。在堆垛機運行過程中，僅活動臂隨著線性滑軌的滑塊及導向桿做直線往復運動，夾抱貨物時，活動臂的運動方向如圖13方案三所示。

方案一兩個伸縮臂均可活動，伸縮臂的控制較為復雜，對控制系統的要求較高，且精度難以保證；方案二與方案三較為相似，綜合考慮了載貨臺的結構布局及取貨裝置的控制系統等因素，方案二更具優勢。

3.2.6 同步功能。在伸縮臂夾抱的過程中，輸送帶、活動擋板和固定擋板三者之間會出現“分”和“合”兩種狀態。為了保證三者之間分合的同步性，如圖14所示，在每個貨位的三套輸送帶底部分別利用X型交叉連桿依次連接固定擋板、三套輸送帶、活動擋板。

圖14 交叉連桿結構示意圖

3.2.7 可重構性。新型取貨裝置一般適用于小件及輕型料箱式貨物的存取系統，而傳統的貨叉式堆垛機適用于重型貨物的存取系統。因此，不能單純的認為該裝置可完全取代傳統貨叉式取貨裝置。為了該載貨臺上的存取貨裝置要實現與貨叉之間的結構互換，需主要對載貨臺底架的尺寸進行調整以滿足柔性載貨臺適用的貨物規格需求[11]。

4 結論

本文對傳統堆垛機取貨裝置進行了介紹和分析，并提出了適用于各類尺寸的料箱型貨物以及小件的箱式貨物的柔性載貨臺的設計。新型取貨裝置結構簡單，重量輕，易拆裝；伸縮臂穩定性好，工作噪音小。在結構方面，具有可重構性，能實現與傳統貨叉結構之間的互換。在功能方面，新型取貨裝置可以通過夾抱及勾取貨物實現對貨物的存取功能；雙貨位可以實現并行工作，存取或放置不同規格的料箱式貨物，為堆垛機的倉儲作業重構及優化提供了新的技術手段。

[1]孫軍艷,曹西京,孫軍帥.有軌巷道式堆垛機的動力學模型研究[J].噪聲振動與控制,2007,4(2):33-36.

[2]劉昌祺,金躍躍.倉儲系統設施設備選擇及設計[M].北京:機械工業出版社,2010.

[3]趙利平,董良,張蕊,等.高速堆垛機模態實驗研究[J].物流技術,2008,7(7):112-115.

[4]江宏.物流技術與裝備的發展趨勢[J].物流技術與應用, 2001,(6):36-39.

[5]程斌,楊毅,茍濤,等.特種堆垛機概述[J].物流技術與應用, 2013,18(3):108-110.

[6]方俊玉.齒輪齒條式行程倍增機構[J].常州工學院學報,1991, (4):33-37.

[7]徐勇.柔性設備上工藝裝備的設計[J].現代車用動力,2002, (4):43-44.

[8]郝隆譽.雙伸位堆垛機設計[J].物流技術與應用,2007,12(1): 98-99.

[9]莊葛巍,張曉穎,項旭楊.電能計量裝置自動化檢定系統混合作業方式的優化[J].科技展望,2015,(9):113-115.

[10]鄒翠波,師鴻飛,張彩虹.線性滑軌的應用與安裝技術[J]. Cad/cam與制造業信息化,2004,(4):88-90.

[11]王麗麗,李東升,曹珺雯,等.可重構柔性模具蒙皮包覆拉形仿真系統開發[J].鍛壓技術,2009,34(2):141-145.

Study on Retrieving Mechanism of Stackers in AS/RS

Hou Rui1,Lv Zhijun1,Yang Guanghui2,Huang Dongxin2
(1.School of Mechanical Engineering,Donghua University,Shanghai 201620; 2.Shanghai Jingxing Logistics Equipment&Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 201611,China)

In this paper,we used the finite element process to analyze the performance and characteristics of the retrieving mechanism of the stacker and then in view of its problems such as low retrieving efficiency and excessive noise,etc.,proposed an innovative flexible retrieving mechanism with greatly enhanced retrieving efficiency to satisfy the demand of engineering application.Then we calculated and optimized the static stiffness of the traditional retrieving mechanism and introduced specifically the realization of the innovativemechanism.

AS/RS;retrieving mechanism;stacker

TH246

A

1005-152X(2016)11-0050-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.11.012

2016-09-27

上海市自然科學基金項目（15ZR1400600）；上海市科委標準建設項目（15DZ0500400）；上海倉儲物流設備工程技術研究中心項目（10dz2250800）

侯瑞（1992-），男，山東人，碩士生，研究方向：動態設計、鋼結構。