管材存儲自動化立體倉庫的開發設計

秦 凱，周驥平，潘殿生，嚴 偉，趙 珺

（1.揚州大學 機械工程學院，揚州 225009；2.揚州恒佳自動化設備有限公司，揚州 225127）

0 引言

近年來，隨著制造業的迅猛發展和現代生產模式的變革，自動化立體倉庫以其低占地面積、高作業效率和智能化等特點成為制造企業大力發展的重要裝備[1～4]。長型鋼管材在機械、建筑、物流等行業都有著廣泛地應用[5]。但由于長度、重量較大等特點，管材在存取過程中容易出現彎曲及晃動，安全性較低，目前國內大都采用自然堆疊的存儲方式；少數具有立體倉庫的企業也主要采取大跨度雙立柱堆垛機的方式進行存取操作，不僅過度占用生產空間，同時嚴重制約了生產制造效率[6,7]。國外立體倉庫的發展已較為成熟，研究出了包含了堆垛機、機械手以及電磁吸盤等存取方式的自動化立體倉庫，但大都適用于中小型物料或板材等，難以滿足不規則形狀的長重型管材的存取作業[8～11]。針對上述現狀，本文設計了一種用于存儲長型管材的自動化立體倉庫，實現了長管材的運輸和出入庫操作，有效降低了人工勞動強度，提升了智能化程度和存儲效率。

1 長型管材特點與存儲分析

1.1 長型管材的特點

1）長型管材種類繁雜，難以進行有效的調度。尤其是鈑金加工企業在生產制造過程中需使用多種管材類材料，采購回來的管材整捆包扎，比較整齊，但打開使用后易散，多種管材擺放一起后容易混亂，給材料的分類統計和調度帶來了很大困難。

2）管材尺寸長，占地面積大。一般使用的管材長度約為6m，在采用常規的自然堆疊的存儲方式情況下，不僅需要占用很大的存儲空間，而且在拿取過程中易受限制，且很多管材被壓在下方，使用時取材耗時耗力，制約生產效率。

3）重量大，存儲運輸不平穩。現有的自動化立體倉庫通常采用的堆垛機無法滿足長型管材的運輸，抓取較為困難，容易在運輸過程中造成管材的彎曲變形及晃動，存在較大的安全隱患。

1.2 長型管材的存儲分析

企業所使用的管材有數十種，截面形狀以及尺寸各不相同，由于受場地的制約，通過自然堆疊的方式放置于廠房入口處，給管材的出入庫存取和清點造成了很大的麻煩。存儲區與生產加工區位于同一廠房內，但區域之間具體劃分較為混亂。廠房內只有一臺5T行車負責管材在存儲區與加工區的運輸，缺少現代化的倉儲存取設施，存取作業依靠人工操控行車進行管材運輸，效率低下。

庫存管理采用傳統手工記錄的方式，這種庫存記錄方式不僅效率低下，而且一旦入庫后，難以實現再次清點，出現錯誤也難以及時發現。同時手工記錄無法實時掌握管材庫存動態信息，容易造成采購決策困難和數量的不準確。

2 管材類自動化立體倉庫總體方案設計

2.1 設計條件與要求

根據企業的生產和銷售需求，長型管材自動化立體倉庫的設計要求主要有以下幾方面：

1）倉庫存儲容量以及管材尺寸規格存儲容量共6層24庫位，去掉1個出料口，剩余23庫位；管材尺寸長度均為6m，整扎管材截面在600mm×600mm以內，重量小于3T。

2）占地面積及現有設施管材存儲約占地200平米左右，所在廠房允許的擺放高度為5.6m；現有5T行車可供上料使用。

3）設計速度要求上下運行速度滿負荷9m/min，空負荷13.5m/min；左右運行速度30m/min；出入庫速度滿負荷18/min，空負荷27m/min。

2.2 立體倉庫的總體結構

根據設計條件和要求，開發設計的長型管材自動化立體倉庫的總體結構如圖1所示。主要包括貨架、料框、運輸小車、提升機構、行走機構、存取機構以及控制管理系統。

圖1 長型管材自動化立體倉庫的總體結構

貨架主體采用高層貨架結構，提高空間利用率，用于擺放需要存取的管材，同時為整個出入庫裝置提供支撐。

料框輸送車主要承擔貨架外圍的運輸工作，負責將裝載管材的料框運送到指定庫位下方進行入庫以及將料框送到倉庫出庫口進行出庫。

行走機構負責整個出入庫裝置在貨架上的自由度限制以及水平移動。

提升機構則是通過卷揚機和鋼絲繩拉取存取機構實現垂直升降運動。

存取機構負責對裝載管材料框的抓取，在卷揚機的帶動下實現沿貨架立柱垂直升降，同時通過鏈傳動機構實現料框在貨架主體上的自動存取。

2.3 管材出入庫流程

入庫時，工作人員通過生產執行管理系統MES（Manufacturing Execution System）進行待存儲管材的選取并發送入庫指令。倉儲管理系統WMS（Warehouse Management System）在接收到指令后，控制地面運輸車將管材運到指定貨位下方。隨后存取裝置啟動，將管材放置到對應存儲單元，并回到初始位置，同時上傳所記錄的管材信息，保證系統數據實時更新。出庫則按相反的順序進行。

圖2 出入庫流程圖

3 立體倉庫貨架的結構設計

3.1 貨架的選型

采用懸臂型貨架，主要由立柱，橫梁、懸臂梁以及拉桿組成。立柱作為整個貨架的承重基礎，對于貨架的穩定性和使用壽命都至關重要。擬采用H型鋼，材質為Q235，立柱底座通過螺栓固定在地面安裝基礎上。懸臂梁選用Q235材質矩形管，焊接在立柱上，在懸臂梁下方安裝有三角加強筋提升懸臂梁的承載能力。

3.2 貨架有限元分析

貨架作為立體倉庫最基礎的組成構件，其安全性和可靠性至關重要。本文采用abaqus有限元軟件對貨架進行了強度和剛度的分析，以驗證設計的可行性[12,13]。

3.2.1 模型建立

通過abaqus建立懸臂梁貨架的三維模型，單元類型采用實體單元，采用六面體中性軸劃分網格。貨架所采用的鋼材的主要屬性為：楊氏彈性模量E=210Gpa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3，屈服強度σ=235MPa。有限元模型以及網格劃分如圖3所示。

圖3 貨架有限元模型及網格劃分

3.2.2 有限元分析—懸臂梁及立柱有限元分析

對于懸臂梁貨架，主要對立柱和懸臂梁進行有限元分析。包括貨架單側滿載、單側頂層滿載以及雙側滿載的情況下懸臂梁和立柱的彎曲應力和擾度形變。

貨架立柱底部接觸方式選用全約束，限制全部自由度。懸臂梁和立柱的連接假設為理想焊接，采用綁定的接觸方式；管材裝載于料框內，水平放置在懸臂梁上，且單元懸臂梁承載不超過3.5T，載荷采用壓力的方式均勻施加在懸臂梁承載表面上。經仿真模擬，貨架單側滿載的情況下，其結果如圖4所示：立柱最大彎曲應力為52.58MPa，最大撓度為1.769mm，懸臂梁最大彎曲應力為175MPa，最大撓度為3.092mm。滿足貨架立柱和懸臂梁應力與撓度形變的設計要求（如圖4所示）。

圖4 貨架仿真分析-單側滿載

貨架單側頂層滿載的條件下，分析結果如圖5所示：立柱最大彎曲應力為41.57MPa，最大撓度為0.4923mm，懸臂梁最大彎曲應力為190.5MPa，最大撓度為2.089mm，滿足設計要求。

貨架雙側滿載的條件下，分析結果如圖6所示：立柱最大彎曲應力為51.72 MPa，最大撓度為0.7386mm，懸臂梁最大彎曲應力為152.4MPa，最大撓度為1.86mm，滿足設計要求（如圖5所示）。

圖5 貨架仿真分析-單側頂層滿載

圖6 貨架仿真分析-雙側滿載

4 長型管材的出入庫設計

4.1 長管材料框及運輸小車設計分析

料框是用于裝載管材，并通過外圍運輸設備及出入庫設備進行存取的設施。對于長型管材，常規立體倉庫所采用的貨物料框難以進行裝載，故針對長型管材設計了如圖7所示的料框，并配以相應的運輸小車。

圖7 長型管材料框及運輸車

料框兩端伸出有兩層一定長度的鋼板，上層鋼板用于存取機構的托取，進行出入庫運輸，下層鋼板則是用于放置在貨架相應的懸臂梁上。運輸小車則在減速電機的動力下，帶動料框沿著地面軌道進行移動。設計有可自由拆卸的支撐架，料框可以和運輸小車上的支撐架進行配合，長型管材通過叉車或行車進行外圍運輸時，可以將管材放置于相對較高的支撐架上，當貨架出入庫裝置提升料框時，管材自然落到料框內，出庫時，隨著料框的下降，管材則被支撐架托起，給貨架外圍運輸提供了很大的便利。

4.2 提升機構

提升機構負責實現存取機構的垂直升降，并配合存取機構進行出入庫作業（如圖8所示）。提升機構由卷揚機帶動鋼絲繩進行提升作業的，卷揚機固定在框架上，鋼絲繩一端固定在卷揚機上，經由框架上的導向滑輪以及存取機構結構架兩端的定滑輪改變方向，最終將另一端通過鋼絲鎖固定在存取機構結構架上。當卷揚機運行時，鋼絲繩拉取存取機構沿著貨架立柱垂直升降。當存取機構被拉取到對應貨架儲存單元位置時，制動器啟動，保證存取機構平穩，準確的停在所需位置。

圖8 提升機構

4.3 行走機構

行走機構負責實現升降臺在在貨架上的水平移動。行走機構主要包括減速電機、車輪以及導向輪（如圖9所示）。減速電機與車輪通過聯軸器、傳動軸進行動力傳遞，安裝在提升機構框架立柱上，車輪裝置則通過螺栓固定在框架外側的型鋼上。在貨架橫梁上翼緣設有導軌供車輪滾動，同時車輪兩端安裝有導向輪輔助行走，限制了車輪左右移動方向的自由度，保證了行走機構移動的準確性以及整個裝置的安全性。

圖9 行走機構

4.4 存取機構

傳統立體倉庫所采用的存取機構主要采用的是巷道堆垛機搭載差動貨叉的方式，但是由于管材長度跨度大的特點，這種存取方式會造成管材兩端在重力作用下的彎曲，且容易失衡。為此，設計了如圖10所示的存取機構實現對長型管材的出入庫存取。

圖10 存取機構

該存取機構主要由動力裝置、鏈傳動機構、直導軌滑塊裝置以及料框托取裝置組成。當需要進行存取操作時，減速電機啟動，動力通過傳動軸傳輸到主動鏈輪上，從而帶動閉合的鏈條傳動機構運動。托取裝置一端通過鏈條附件以及螺栓螺母和鏈條固定連接，另一端則延展出一段長度用來托取料框，導軌滑塊裝置安裝在底架內側面，托取裝置和滑塊連接，從而在鏈條的帶動下隨著滑軌水平移動；到達指定位置后提升機構運行，拉取存取機構下降，將料框放置到對應貨位，實現出入庫操作。底架兩端外側還安裝有定滑輪和限位滾輪，定滑輪用于鋼絲繩的導向以及提升機構的拉取。限位滾輪搭配立柱上端安裝的滑輪，保證了鋼絲繩在提升過程中的垂直以及存取機構的受力平衡；同時限位滾輪以貨架采用的H型鋼立柱作為導軌，有效保證了存取機構在升降過程中的平穩精確。

5 結語

通過深入分析長型管材的特點以及存儲條件和要求，結合現有立體倉庫的優點，設計出了能夠適用于管材存儲的高層貨架和出入庫裝置，配合MES系統能夠有效地實現管材的自動存取。通過有限元分析得到貨架的強度和剛度均滿足要求，驗證了設計的可行性。長型管材自動化立體倉庫的開發設計，解決了企業現有管材存儲困難、出入庫和生產效率低下的問題，為長型管材鈑金加工自動化裝備的開發應用提供了基礎條件，同時對其他長重型鋼材的自動化存儲具有一定的借鑒作用。