自動化立體庫堆垛機結構設計＊

呂俊燕，陳福德，馬龍華

（1.山東華宇工學院，山東 德州 253034；2.智能制造裝備設計工程技術研發中心，山東 德州 253034）

引言

堆垛機（堆垛起重機的簡稱），屬于自動化立體倉庫中最重要的起重運輸設備[1]。堆垛機的主要作用是通過在通道內來回運行的過程中，將貨架上的貨物取出并運輸至巷道口，或者將巷道口的貨物存入貨架的貨格中。

早期的堆垛機是利用貨叉在立柱上的上下運動以及立柱的旋轉運動來搬運貨物的，通常稱為橋式堆垛機。巷道式堆垛機出現于1960年左右[2]。其后，隨著計算機控制技術和自動化立體倉庫的發展，堆垛機的技術性能越來越好，舉升高度越來越高，運輸效率也越來越高。本文主要研究堆垛機的運行原理，對自動化立體倉庫中的堆垛機進行結構設計，計算其運輸能力。

1 堆垛機原理

堆垛機由水平行走電機通過驅動軸帶動水平行走輪箱在地軌上做水平運動，由垂直方向的提升電機通過鋼絲繩帶動載貨臺做垂直升降運動，由載貨臺上的貨叉帶動貨物做伸縮運動[3]，通過上述三維運動完成出庫、入庫的動作。

水平方向和垂直方向的運動分別采用激光和條碼帶定位控制，貨叉通過接近開關和旋轉編碼器控制。采用無線以太網方式進行通訊控制[4]。既可以實現自動控制，也可以實現手動或半自動控制。堆垛機的整體結構圖如圖1所示。

圖1 堆垛機的整體結構圖

2 結構設計

巷道堆垛機屬于雙立柱鋼絲繩式結構。主要由機架、水平運行裝置、提升驅動裝置、貨叉裝置、載貨臺、超速斷繩保護裝置、阻擋裝置、維修爬梯等部件組成。

（1）機架

堆垛機的機架由兩根立柱和兩根橫梁組成一個平面框架，整體具有良好的剛度和足夠的強度[5]，同時配置上下各兩組導向輪組，有效地增加了堆垛機的安全可靠性，提高了運行時的穩定性及運行效率，在堆垛機一側設置有垂直爬梯和檢修平臺，用于堆垛機上橫梁等其它部件的檢修與保養。

（2）水平運行裝置

水平運行裝置是將行走輪箱安裝于機架下橫梁框架內，主要作用為水平運送堆垛機到達指定位置。堆垛機水平采用激光定位的方式進行認址，定位精度可達±5mm。在堆垛機的水平運行軌跡區域的安裝反光板，在堆垛機高速運行時，能夠實時傳輸絕對地址，保證堆垛機速度平穩和定位準確。水平運行采用交流開環變頻調速，運行速度可以達到4m/min～120m/min；水平運行到位的停準精度可以達到±5 mm，結構圖如圖2所示：

圖2 水平運行裝置

（3）提升裝置

提升驅動裝置主要作用是通過電機驅動起升卷筒，起升卷筒帶動鋼絲繩運送載貨臺到達指定高度位置。堆垛機垂直提升采用條碼帶定位的方式進行認址，定位精度可達±5mm。在堆垛機的水平運行軌跡區域的安裝反光板，在堆垛機高速運行時，實時傳輸絕對地址，保證堆垛機速度平穩和定位準確。垂直提升運行速度可達4m/min-30m/min；垂直升降到位的停準精度可達±5mm，如圖3所示。

圖3 提升裝置

（4）貨叉裝置

貨叉伸縮速度：為提高出入庫頻率，速度 20m/min（實載）/40m/min（空載）。貨叉裝置安裝于載貨臺上，由上中下叉、導輪、傳動機構等組成。傳動系統由電機減速機、扭矩限制器、鏈傳動機構等組成。貨叉在原位時，堆垛機才能運行。貨叉裝置上設有到位減速開關，以保證貨叉伸縮到位的精度，如圖4所示。

圖4 貨叉裝置

（5）載貨臺

載貨臺主要就是一個運送貨物起升的工作平臺。貨叉裝置通過高強度螺栓安裝在載貨臺上。在載貨臺上布置有各種安全檢測開關和聯鎖裝置。主要包括：上下限位開關、機械死限位開關、超高檢測開光和超寬檢測開關等。

上、下極限保護開關能確保載貨臺向上、向下超過貨架最高、最低貨位時，并在上、下到位開關不能正常工作的情況下，使載貨臺能夠停止運行。機械死限位是在上極限開關失靈時，防止堆垛機沖頂，最終保證堆垛機的運行安全。

上述所有檢測開關與電氣控制之間形成聯鎖系統，能夠確保堆垛機在出現非正常情況時整個系統立即停止運行，如圖5所示。

圖5 載貨臺

（6）斷繩保護裝置

斷繩保護裝置的作用是當鋼絲繩斷裂載貨臺超速下降時，可及時鉗住載貨臺，避免墜落。系統具有強制減速功能，當載貨臺向下運行距離下一層貨架約300mm時，限制載貨臺減速運行，如圖6所示。

圖6 斷繩保護裝置

（7）堆垛機天、地軌系統

1）天軌系統

有軌堆垛機天軌又稱上部導軌，采用方管 100mm*100 mm*5mm；一般地面支撐型堆垛機上部采用水平導軌夾住天軌運行。圖7為天軌固定與連接的方法，并且能夠調節到規定允許的偏差范圍。上下表面距離誤差不得超出±10mm/全長，與地軌平行度要求不得超出±5mm全長，天地軌采用無縫連接，地軌焊接采用軌道鋼專用焊條焊接、軌道磨光機打磨。

圖7 天軌連接方法

2）地軌系統

地軌采用38kg/m重軌，圖8是地軌結構形式，軌道安裝在用地腳螺栓支撐的調平板上，接頭處采用焊接方式實現無縫連接。安裝方式：調平板用地腳螺栓固定在預埋板上，調平板與軌道間設有8mm 減震橡膠板。

圖8 地軌結構形式

輪壓表面垂直方向直線度誤差：輪距范圍內不超出±1.5mm，全長不超出±3mm，表面光滑；輪壓表面水平方向直線度誤差：水平導向輪輪距長度內不超出±0.5mm，全長不超出±2mm，表面光滑。

3 堆垛機能力計算

運輸時間的計算：

實載：

空載：

±5mm全長，天地軌采用無縫連接，地軌焊接采用軌道鋼專用焊條焊接、軌道磨光機打磨。

升降時間：Tf3=2s

到位等待時間：Tf4=1.5s

總時間：Tf = Tf1+Tf2+2Tf3+2Tf4 =5.03+4.1+2*2+2*1.5=16.13s

圖9 運載時間的計算

4 結論

隨著科技的進步與市場需求的擴張，自動化立體倉庫也在不斷融合新興技術，倉儲運輸能力也得到了逐步的提升。為了更好地滿足倉儲物流業的需求，對堆垛機進行結構設計，并對堆垛機的提升能力進行計算，從而在更短的操作周期內提供更高的提升運輸能力，為以后自動化立體倉庫堆垛機的結構設計奠定了理論基礎。