一種輕型高速料箱堆垛機的開發與應用

傅友賓, 紀然, 陳仕彬

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽110168）

0 引 言

作為立體倉庫中的重要運輸設備，在堆垛機設計過程中能否合理地選擇其各項技術參數將直接影響到整座立體倉庫的運行效率和經濟效益[1-2]。

與世界先進水平相比，我國現有立體倉庫中堆垛機技術參數的選用仍然存在著很大的提升空間[3]。水平運行速度及加速度、起升速度及加速度和貨叉伸縮速度及加速度，是與堆垛機運行速度相關的幾項重要參數，直接關系到出入庫頻率的高低。這幾項參數的合理選擇是設計過程中普遍存在的難題，這也是目前我國堆垛機的運行速度落后于國際先進水平的主要原因[4-5]。

本項目在總結經驗的基礎上，推出具有更高性能的堆垛機，特別在堆垛機主要速度參數的選擇上，接近國際先進水平。在確保更高定位精度的同時提高運行速度，獲得了更短的操作周期，提高了生產力，為客戶提供了一種更加穩定、效率更高的自動化存儲系統解決方案。

1 輕型高速料箱堆垛機機構設計

輕型高速料箱堆垛機主要構成如圖1所示。下橫梁采取夾輪式驅動機構；伸縮貨叉采取勾取式貨叉。

1.1 下橫梁夾輪式驅動機構

下橫梁中的運行機構為堆垛機提供動力。為了獲得堆垛機運行的高加速度，運行機構采用夾輪式驅動，通過增大夾輪對軌道的夾緊力避免高加速度時驅動輪打滑。另外，優化了下橫梁結構形式，使得最低取貨位置大幅度下降，可更加合理地利用有效空間，增加庫容量。夾輪式下橫梁設計如圖2所示。

1.1.1 下橫梁夾緊力計算

堆垛機自重估算：總質量=下橫梁質量+立柱質量+上橫梁質量+載貨臺質量+貨叉質量+電控柜質量+其他質量+貨物質量=1000 kg。

下橫梁夾輪采用聚氨酯輪，地軌采用特制的鋁合金地軌，根據表1選取摩擦因數。

表1 聚氨酯對鋁合金摩擦因數

牽引力F小于最大靜摩擦力fmax時，不打滑。加速時：F-f=ma，F=f+ma= 2μ2F夾+μ2mg+ma＜fmax=2μ1F夾，F夾＞m(μ2g+a)/[2(μ1-μ2)]。其中a為堆垛機加速度，選取為2.5 m/s2。F夾＞4027 N，調整夾輪機構中的蝶形彈簧將夾緊力控制在5000 N，以使堆垛機獲取相應的加速度。

1.1.2 行走電動機參數計算

行走電動機參數具體計算過程如表2所示。

表2 行走電動機參數計算表

1.2 伸縮貨叉采取勾取式貨叉

貨叉是堆垛機中最為核心的部件。目前，國內外堆垛機生產廠商生產的堆垛機貨叉大多數采用板式貨叉或指式貨叉。貨叉需伸入至貨物下方取貨，故要求貨架為牛腿式貨架或者橫梁式貨架。牛腿式貨架較橫梁式貨架結構強度低，且貨架上貨物的大小、類型受到限制。而采用橫梁式貨架配備托盤，則使儲物空間縮小。另外，這兩種貨叉伸叉行程較長，為使貨叉撓度降低，對貨叉結構強度要求增高，加大了貨叉自重。伸叉行程長及自重加大導致對載貨臺轉矩增大，故對載貨臺結構強度的要求也隨之增大[6]。

為了克服現有技術中堆垛機貨叉對貨架與貨物的限制，以及伸叉行程長導致的撓度和轉矩過大的問題，本項目中優化了貨叉技術，采取伸縮式結構，在內側貨叉兩端設置了貨物抓取器。貨物抓取器上的勾取“手指”可由手指驅動單元折進折出，用于協助推出或者拉入存儲單元。勾取不需要如目前的普通指式貨叉一樣，需要伸入到貨物下方取貨，之后低速抬起、收叉，故省去了堆垛機微升和微降的時間，大大提高了堆垛機存取效率。

標準單深勾取貨叉如圖4所示。外叉、中叉、內叉之間由同步皮帶和同步帶輪進行傳動，內叉相對于中叉以兩倍的速度進行伸縮。內叉上設置有貨物抓取器，用于協助推出或者拉入存儲單元。伸叉電動機通過驅動裝置帶動雙面齒形帶，雙面齒形帶與中叉的中叉板連接，雙面齒形帶將伸叉電動機的動力傳遞至中叉以使其進行伸縮動作。

2 堆垛機效率計算

在自動化立體倉庫中，可以通過單一作業和復合作業這兩種基本方式進行貨物存取。單一作業方式為：堆垛機從出入庫臺取出貨物單元送到選定貨位，然后返回巷道口的出入庫臺。復合作業方式為：堆垛機從出入庫臺取出貨物單元送到選定的貨位后直接空載轉移到另一個給定貨位，再次取出其中的貨物單元并回到出入庫臺出庫的[7]。目前我國的堆垛機的單一作業和復合作業的出入庫能力均與國外堆垛機有較大差距。

本項目通過優化堆垛機參數，以及縮短信號傳遞、調整對位時間，提高了堆垛機的出入庫能力。根據FEM9.851巷道堆垛機作業時間計算方法，以巷道長度為50 m，高度為6 m的料箱立體倉庫為例，如圖5所示，取P1(X/5，2Y/3+Ye/3）和P2(2X/3，Y/5+Ye/3)兩點計算平均單一作業循環時間[8]。其中：X為堆垛機行走方向坐標；Y為堆垛機提升方向坐標；E點為出入庫授貨臺位置；Ye為授貨臺在Y方向的坐標值。根據上述公式得出本項目中高速料箱堆垛機的單一出入庫能力為90 箱/h，非常接近國外先進堆垛機的出入庫能力。

3 結 語

本項目中開發的輕型高速料箱堆垛機已申請多項專利，其創新的夾輪式驅動機構及勾取式貨叉已在工程實際項目中得以應用并不斷改良，且已經完成部件的標準化及系列化設計。輕型高速料箱堆垛機在工程實際應用中有效地提升了堆垛機存取效率，為用戶提供了一種更為高效的自動化存儲系統解決方案。