長料鋼材立體倉庫設計與實現

丁騰飛，周天福，李 波，趙敬川，孫洋洋

（1.中國地質大學（武漢）機械與電子信息學院，武漢 430074；2.中建鋼構有限公司，深圳 518000）

0 引言

立體倉庫由于占地少，充分利用高度空間，受到越來越多的關注[1～4]。國內鋼材倉庫多采用露天/室內碼垛的形式堆放，部分中小型分銷商為了存取方便，一般建有抽屜式、貨架式鋼材庫，普遍存在自動化、智能化程度不足，運行效率低下的問題[5]，主要表現在以下兩個方面：一是超長超重的鋼材以碼垛的形式儲存，容易造成鋼材壓損，變形；二是鋼材出入庫的順序由人工隨機儲存，現場決策的優劣由倉庫工作人員的經驗決定，缺乏穩定性。早在1993年，新日鐵君津廠就建成當時世界上最先進的無人操作的自動化帶卷倉庫[6]，2008年，寶鋼在鋼鐵產品的自動化和智能化倉儲問題上也展開了研究[7]，近年隨著阿里巴巴、京東等電商企業的快速發展，大型物流倉儲技術得到迅速推廣，智能優化算法在解決庫位分配、出入庫優化調度等問題上有著人工決策無法比擬的優勢。但由于鋼材質量大、尺寸長，其在移動過程中具有慣性大、易擺動等特點，在平移和提升過程中容易發生碰撞事故，因此現有的立體倉庫不能直接儲存鋼材，很難滿足使用要求。

針對上述問題，本文設計了一種用于儲存長料鋼材的立體倉庫，實現重料、長料的自動化存取，提高工作效率，減小人力勞動強度。

1 總體方案設計

長料鋼材的立體倉庫以托盤移動式貨架作為基本結構形式，主要由托盤輸送帶、貨架、托盤、貨箱、抓取裝置、卷揚機、鏈條張緊機構、托盤動力總成、卷揚機移動動力總成組成（如圖1所示）。其中托盤是倉庫中的基礎單元，用于鋼材的存放；貨料輸送帶負責將托盤運送到指定庫位的下方；抓取裝置在卷揚機的帶動下，實現上升或者下降運動；抓取裝置可將托盤中的鋼材放置至指定貨架位置或從指定位置取出鋼材，實現鋼材的出入庫動作；托盤動力總成為所有托盤提供橫向移動的動力；卷揚機移動動力總成負責移動卷揚機，實現抓取裝置在任意位置抓取或放下托盤，最后利用托盤輸送帶將鋼材送出。

圖1 長料鋼材的立體倉庫結構示意圖

1.1 托盤動力總成結構設計

托盤動力總成結構主要由伺服電機、聯軸器、豎直鏈條、雙排鏈輪、雙排鏈輪支架、橫向鏈條、托盤、單鏈輪離合總成、導向鏈輪組成，如圖2所示。伺服電機的動力經過豎直鏈條傳遞到每層庫位的雙排鏈輪上，雙排鏈輪經過橫向鏈條將動力傳遞到與托盤固定的單鏈輪離合總成（如圖3所示）上，在電磁離合器處于分離狀態時，固定在傳動軸上的單鏈輪自轉，伺服電機的動力無法傳遞到托盤上，此時托盤靜止；當離合器處于接合狀態時，離合器與傳動軸固連，伺服電機動力將傳遞從單鏈輪上，此時橫向鏈條會帶動托盤進行橫移。因此，通過控制電磁離合器的接通或切斷，可以將任意一層任意托盤進行移動。

圖2 托盤動力總成結構示意圖

圖3 單鏈輪離合總成結構示意圖

1.2 電子推桿夾軌器結構設計

托盤在出入庫過程中受力會發生變化，軌道可能發生微小的形變而難于保持水平，導致托盤在重力作用下向軌道凹陷方向滑動。該狀況下托盤的滑動是不可控的，容易發生碰撞事故，因此需設計鎖止裝置，使托盤在靜止時處于鎖定狀態。根據立體倉庫的結構，設計了如圖4所示的電子推桿夾軌器。電子推桿夾軌器利用杠桿原理將鎖止片壓緊軌道支撐梁側面，電子推桿桿身和支點撐桿固定安裝在托盤上，電子推桿伸縮桿上安裝有壓縮彈簧。當托盤靜止時，彈簧壓縮產生的彈力推動鎖止片上端右移，根據杠桿原理，則鎖止片下端左移，直到鎖止片壓緊軌道側面，達到鎖止效果；當托盤需要移動時，電子推桿伸縮桿回縮，進一步壓緊彈簧，則鎖止片上端左移，鎖止片下端右移，鎖止片和軌道支撐梁分離，鎖止狀態解除。

圖4 電子推桿夾軌器結構示意圖

1.3 抓取裝置結構設計

抓取裝置主要包括卷揚機、剪叉機構、鋼絲繩、門機、電磁吸盤、鋼絲鎖等。卷揚機通過控制鋼絲繩實現門機的上下運動，在門機的底部安裝有4個電磁吸盤，通過控制電磁吸盤的通斷電實現抓取裝置快速抓取貨箱或者松開貨箱，為防止提升或者移動貨箱的過程中貨箱發生擺動，抓取裝置在卷揚機的側邊裝有剪叉結構，剪叉結構與門機固連，鋼絲繩的末端通過鋼絲鎖與門機相連，剪叉機構末端為平行四邊形結構（如圖6所示），在鋼絲繩伸縮過程中可始終保持門機與貨箱平行，保證了抓取動作的穩定性。

圖5 抓取裝置的結構示意圖

圖6 剪叉機構末端的平行四邊形結構

2 控制系統方案設計

圖7為長料鋼材立體倉庫的控制系統結構圖，上位機與PLC之間采用自由口通信，將操作人員的各種操作指令（如存取貨、調試和急停等）傳送至PLC，PLC控制電機、電磁離合器、電子推桿及電磁吸盤，完成指定的操作[8～10]。同時，PLC通過自由口通信將現場的信息以及運行狀況，反饋至上位機，經過上位機軟件處理后以直觀的形式展示與電腦屏幕上，供操作人員確定設備執行狀況。

圖7 控制系統結構圖

控制系統運行流程如圖8所示。圖中1至4順序表示了入庫過程的工作流程。1中指定目標庫位后，系統生成的控制指令通過串口發送到PLC，托盤輸送帶將鋼材平移至入庫巷道下方，卷揚機同時向入庫巷道上方移動。2中卷揚機和鋼材都到達預定位置后，卷揚機纜繩下降直到纜繩端部安裝的電磁吸盤抓緊鋼材托盤，然后提升纜繩將鋼材提升到目標庫位上方。3中在鋼材提升到位后，目標庫位右移至鋼材下方，纜繩下降將鋼材放入目標庫位中。4中鋼材放入目標庫位中后，纜繩提升到貨架頂端，目標庫位左移回到原位置，至此入庫控制完成。

出庫的控制流程和入庫相反，指定出庫目標庫位后，卷揚機移動到出庫巷道上方，目標庫位移動到出庫巷道中，卷揚機纜繩下降直到纜繩端部安裝的電磁吸盤抓緊鋼材托盤后再提升到庫位上方，然后目標庫位移回原位置，卷揚機纜繩下降將鋼材放入傳送帶上，最后傳送帶將鋼材運移到出口，至此出庫控制完成。

圖8 控制系統運行流程圖

3 系統調試

長料鋼材立體倉庫的模型樣機共2層，每層4個庫位，實物樣機如圖9所示。經過調試，該立體倉庫達到了預期的目標，其主要有以下三個特點：

1）采用一套動力裝置將動力傳遞到每層貨架托盤上，實現貨架的連續排列；在存取貨物時，移動托盤留出一條作業巷道，實現任意貨物的存取，該方案大大減少了對硬件設備的需求，降低了設備成本。

2）卷揚機邊板使用了剪叉機構來輔助鋼絲繩升降，可有效防止提升或者移動貨箱過程中貨箱擺動；剪叉機構末端的平行四邊形結構可使鋼絲繩在伸縮過程中保持門機與貨箱平行，保證了抓取動作的穩定性。

3）長料鋼材立體倉庫采用模塊化設計，大型貨倉可采用多套系統并行使用，可大大簡化了控制的復雜程度，提高了存取效率。

4 結論

通過借鑒現有自動化立體倉庫的優勢，結合鋼材本身超長、超重等屬性，對長料鋼材立體倉庫進行了機械結構設計及控制運行方式設計，通過自動控制解決了目前鋼材生產企業存在的人工出入庫勞動強度大、成本高、效率低問題，具有一定的工程實際意義和實用價值，其技術方法對其他超長超重的貨物的自動化儲存有一定的借鑒意義。

[1]樊貴香,閆執中.自動化倉庫的發展現狀及展望[J].機械管理開發,2010,25(1):121-122,124.

[2]肖華,陳關勝,曹安全,等.鋼瓶自動化倉庫優化設計與軌道布置研究[J].機械設計與制造.2017(4):189-192.

[3]馬巖,趙敬光,李虎,等.數控立體倉庫的升降車結構設計及分析[J].制造業自動化.2016.38(9):37-40.

[4]呂棟騰.一種垂直升降立體車庫的研究[J].鍛壓裝備與制造技術,2016,51(6):44-47.

[5]唐性宇,馬笑.自動化立體倉庫在鋁型材行業的應用[J].輕合金加工技術.2016,44(3):48-53.

[6]賀秀芳.新日鐵君津廠建成自動化帶卷倉庫[J].軋鋼.1994,(3):61.

[7]施亞農.產成品智能化倉庫的系統結構[A].中國機械工程學會物流工程分會自主創新實現物流工程的持續與科學發展—第八屆物流工程學術年會論文集[C].中國機械工程學會物流工程分會.2008:9.

[8]蘇曉峰,史啟程,劉金頌,等.基于PLC的工業自動化立體倉庫控制系統設計[J].自動化與儀器儀表.2016,197(3):119-121.

[9]朱建軍.立體倉庫實訓教學設備的設計[J].實驗室研究與探索.2017,36(1):277-279.

[10]王虎軍.基于PLC的垂直升降未立體車庫控制系統的設計與研究[D].蘭州交通大學,2016.