侯 瑞，呂志軍，楊光輝，黃東昕

（1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.上海精星物流設(shè)備工程有限公司，上海 201611）

立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.上海精星物流設(shè)備工程有限公司，上海 201611）

利用有限元分析現(xiàn)有堆垛機(jī)取貨裝置的性能特點(diǎn)，并針對(duì)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(dá)到了工程應(yīng)用的目的。對(duì)傳統(tǒng)取貨裝置進(jìn)行了靜剛度計(jì)算并提出優(yōu)化，對(duì)新裝置的整體結(jié)構(gòu)、伸縮臂結(jié)構(gòu)和存取功能的實(shí)現(xiàn)做了具體介紹，為堆垛機(jī)的倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)重構(gòu)及優(yōu)化提供了新的技術(shù)手段。

立體倉(cāng)庫(kù)；取貨裝置；堆垛機(jī)

1 前言

巷道堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的核心物流設(shè)備，是隨著立體倉(cāng)庫(kù)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的專用起重機(jī)。巷道堆垛機(jī)的主要用途是在高層貨架的巷道內(nèi)來回穿梭運(yùn)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(kù)的貨物運(yùn)送到巷道口，從而實(shí)現(xiàn)物資的流動(dòng)[1-2]。因此要實(shí)現(xiàn)物流的高效率，就要提高堆垛機(jī)存取速度，提高出入庫(kù)頻率。

然而，國(guó)內(nèi)的堆垛機(jī)大多采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，以生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，材料和能源消耗過多，振動(dòng)大、噪音大、整機(jī)性能差[3]。本文為解決這些問題，達(dá)到敏捷、高效倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的目的，研制出推拉式雙貨位取貨方式及裝置，可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)不同尺寸貨物的存取混合作業(yè)。

2 傳統(tǒng)取貨裝置

2.1 單立柱堆垛機(jī)與貨叉

上世紀(jì)60年代，在美國(guó)首先出現(xiàn)了巷道式堆垛機(jī)，隨著立體自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展，巷道式堆垛機(jī)逐步取代了橋式起重機(jī)[4]。目前市場(chǎng)上最常見的是貨叉式單立柱堆垛機(jī)，適用于存取托盤型貨物，如圖1、圖2所示。堆垛機(jī)的貨叉安裝之后，結(jié)構(gòu)尺寸固定，只能應(yīng)用于某一規(guī)格的托盤及單元貨物，無(wú)法實(shí)現(xiàn)存取不同尺寸的貨物。貨叉式堆垛機(jī)的作業(yè)方式是在貨架巷道中來回穿梭，把貨物從巷道口的出入庫(kù)貨臺(tái)搬運(yùn)到指定的貨位中，或者是把需要取出的貨物從其貨位搬運(yùn)到巷道口的出入庫(kù)貨臺(tái)，堆垛機(jī)在巷道中的一次穿梭只能完成一個(gè)貨物的存或取。此外，貨叉自身結(jié)構(gòu)較為沉重，進(jìn)一步增加了載貨臺(tái)的負(fù)荷[5]。因此，快速發(fā)展的精益物流需要更加高效、靈活、穩(wěn)定性好的倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)方式及裝置。

圖3 貨叉力學(xué)模型

圖1 單立柱巷道式堆垛機(jī)

圖2 雙深位貨叉

2.2 貨叉靜剛度分析

2.2.1 貨叉力學(xué)模型。傳統(tǒng)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(jí)中叉梁，2級(jí)中叉梁和上叉梁。在存取第二深位貨物時(shí)受力最惡劣，貨叉易發(fā)生變形，其中二級(jí)貨叉的剛性至關(guān)重要，直接影響了整體貨叉的剛度。貨叉剛度若達(dá)不到要求，將會(huì)影響堆垛機(jī)存取貨物的正常工作。通過對(duì)貨叉結(jié)構(gòu)的分析及撓度的計(jì)算，可找出提高貨叉剛度的方法。

根據(jù)堆垛機(jī)貨叉的實(shí)際工作情況，并對(duì)計(jì)算工況適當(dāng)簡(jiǎn)化，貨叉受力圖如圖3所示，即為性能分析時(shí)貨叉的力學(xué)模型。

2.2.2 貨叉幾何模型。為便于分析，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)貨叉模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，忽略如圓角、倒角、直徑較小的裝配孔等對(duì)貨叉強(qiáng)度剛度影響不大的幾何特征。在ANSYS Workbench中導(dǎo)入貨叉模型，并對(duì)貨叉的材料進(jìn)行定義。貨叉材料定義為40cr，材料特性參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 40cr材料特性

2.2.3 網(wǎng)格劃分與邊界約束。應(yīng)用workbench中的自動(dòng)劃分網(wǎng)格法對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。這種網(wǎng)格劃分方法可以基于幾何的復(fù)雜性，自動(dòng)檢測(cè)實(shí)體，對(duì)可以掃掠的實(shí)體采用掃掠方法劃分六面體網(wǎng)格，對(duì)不能掃掠劃分的實(shí)體采用協(xié)調(diào)分片算法劃分四面體網(wǎng)格。貨叉網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

根據(jù)上述貨叉的力學(xué)模型對(duì)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(shè)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(jié)果。有限元仿真計(jì)算結(jié)束后，可以得到貨叉的總變形和等效應(yīng)力。

貨叉的變形云圖如圖6，下叉梁和1級(jí)中叉梁基本沒有變形，2級(jí)中叉梁及上叉梁發(fā)生的變形較大，說明2級(jí)中叉梁是整個(gè)貨叉結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)，這與理論分析結(jié)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(fā)生在上叉梁的最前端。國(guó)外相同規(guī)格的貨叉撓度一般控制在20mm左右，與國(guó)外相比，該貨叉撓度是國(guó)外貨叉撓度的一倍以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出許用的撓度范圍，說明貨叉沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

貨叉的應(yīng)力云圖如圖7，最大應(yīng)力為183.63Mpa，貨叉最大應(yīng)力發(fā)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(yīng)力云圖

3 新型取貨裝置

3.1 裝置結(jié)構(gòu)介紹

3.1.1 整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)及使用特點(diǎn)，新型取貨裝置被稱為“柔性雙貨位取貨裝置”。與傳統(tǒng)取貨裝置相比，該裝置結(jié)構(gòu)有了很大改觀，如圖8所示，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要包括：四套伸縮臂、兩塊固定擋板、兩塊活動(dòng)擋板、六套輸送帶、兩套線性滑塊以及十根導(dǎo)向桿。

圖8 柔性雙貨位載貨臺(tái)模型

在該結(jié)構(gòu)中，四套伸縮臂分為兩組，每組分別安裝于固定擋板和活動(dòng)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(dòng)擋板安裝于線性滑塊上，并沿各自導(dǎo)向桿移動(dòng)，以配合伸縮臂實(shí)現(xiàn)夾抱運(yùn)動(dòng)；每套伸縮臂的兩端各有一只勾爪，隨伸縮臂一起運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)抽取運(yùn)動(dòng)；六套輸送帶每三套為一組，分別安裝于固定擋板和活動(dòng)擋板之間，以實(shí)現(xiàn)貨物在載貨臺(tái)兩側(cè)貨位之間的傳動(dòng)；每組輸送帶分別沿導(dǎo)向桿移動(dòng)，底部利用X型交叉連桿實(shí)現(xiàn)輸送帶之間的同步分合。

3.1.2 伸縮臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。伸縮臂的工作原理為齒輪齒條組成的一種行程倍增機(jī)構(gòu)[6]，圖9所示為齒輪齒條差動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖，該機(jī)構(gòu)由一個(gè)滾動(dòng)齒輪和兩個(gè)齒條（固定齒條1和從動(dòng)齒條2）組成。

根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，當(dāng)滾動(dòng)齒輪開始相對(duì)于固定齒條1滾動(dòng)時(shí)，從動(dòng)齒條2以滾動(dòng)齒輪與固定齒條1的嚙合點(diǎn)為速度瞬心，以滾動(dòng)齒輪的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榉较?，以滾動(dòng)齒輪中心速度的兩倍為運(yùn)動(dòng)速度開始平行移動(dòng)，即行程倍增機(jī)構(gòu)。

圖9 齒輪齒條結(jié)構(gòu)示意圖

伸縮臂分內(nèi)中外三層，中間板上安裝有行程倍增機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)齒輪，內(nèi)板上安裝固定齒條1，外板上安裝從動(dòng)齒條2，滾動(dòng)齒輪分別與內(nèi)、外板上安裝的齒條進(jìn)行配合，構(gòu)成齒輪齒條組成的行程倍增機(jī)構(gòu)，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)齒條2相對(duì)固定齒條1開始作平移運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外板相對(duì)線性移動(dòng)，及伸縮臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。伸縮臂的內(nèi)中外三層之間利用梯形凹凸槽來配合，輔助內(nèi)中外三層板實(shí)現(xiàn)相對(duì)線性移動(dòng)，保證線性移動(dòng)的平穩(wěn)性。伸縮臂的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 伸縮臂結(jié)構(gòu)示意圖

在伸縮臂外板端部?jī)?nèi)側(cè)，安裝有勾爪，可實(shí)現(xiàn)伸縮與轉(zhuǎn)動(dòng)。勾爪的伸縮運(yùn)動(dòng)由外板內(nèi)側(cè)的沖壓氣缸來實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由勾爪尾部的旋轉(zhuǎn)氣缸來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)伸縮機(jī)械臂伸出時(shí)，勾爪也被氣缸推出，達(dá)到最大行程時(shí)，被旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)一定角度，實(shí)現(xiàn)“勾”的動(dòng)作，然后沖壓氣缸與伸縮臂開始同步收縮，實(shí)現(xiàn)“拉”的動(dòng)作。

3.2 裝置特點(diǎn)

3.2.1 柔性特點(diǎn)。所謂“柔性”是指結(jié)構(gòu)可通過其部分或全部構(gòu)件的形狀發(fā)生變化而得到位移的一種性能[7]。柔性載貨臺(tái)具有獨(dú)特的柔性。柔性載貨臺(tái)可以靈活支持各類尺寸的料箱、料盒和紙箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類尺寸的單元貨物的夾抱、推拉功能，且柔性載貨臺(tái)可實(shí)現(xiàn)雙貨位及雙深位的貨物取放功能，保證了堆垛機(jī)存取系統(tǒng)的靈活性和處理量。

3.2.2 雙貨位特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的貨叉式堆垛機(jī)存取貨方式不同，傳統(tǒng)的貨叉式堆垛機(jī)的載貨臺(tái)只能存或取一個(gè)單元貨物，而柔性載貨臺(tái)上的存取貨裝置是雙貨位設(shè)計(jì)，如圖11。兩個(gè)貨位不僅可以實(shí)現(xiàn)并行控制，同時(shí)存或取貨物，而且可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)單元貨物在兩個(gè)貨位間的傳輸。

圖11 柔性載貨臺(tái)俯視圖

3.2.3 雙伸位特點(diǎn)。柔性載貨臺(tái)具有雙深位功能[8]，且與傳統(tǒng)的貨叉式堆垛機(jī)的雙深位功能不同。傳統(tǒng)的雙深位是由貨叉實(shí)現(xiàn)的，貨叉的工作原理為直線差動(dòng)機(jī)構(gòu)，再根據(jù)貨物規(guī)格對(duì)貨叉尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得貨叉實(shí)現(xiàn)雙深位功能；柔性載貨臺(tái)因雙貨位的設(shè)計(jì)，使伸縮臂的尺寸受到限制，所以伸縮臂的設(shè)計(jì)增加了勾爪來輔助伸縮臂實(shí)現(xiàn)雙深位的功能。

3.2.4 混合作業(yè)特點(diǎn)。柔性載貨臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)巷道兩側(cè)貨架上不同規(guī)格箱式貨物的混合存儲(chǔ)作業(yè)[9]，可以為堆垛機(jī)的路徑優(yōu)化提供一種新的優(yōu)化方法。柔性載貨臺(tái)設(shè)計(jì)為雙貨位，且兩個(gè)貨位可以實(shí)現(xiàn)并行控制，即堆垛機(jī)在巷道中的一次穿梭可以同時(shí)完成兩個(gè)貨物的存或取，且兩個(gè)貨物可以是不同規(guī)格的箱式貨物，這一特點(diǎn)為堆垛機(jī)的路徑優(yōu)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(tái)中的主要功能是通過固定擋板與伸縮臂配合使用，實(shí)現(xiàn)伸縮臂的臂間距調(diào)整。兩幅線性滑軌分別固定安裝于柔性載貨臺(tái)底架兩側(cè)的支架，兩個(gè)貨位的伸縮臂分別安裝在固定擋板2及兩對(duì)活動(dòng)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(duì)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(tái)底架的橫梁，用于支撐活動(dòng)擋板及輸送帶的導(dǎo)軌；兩對(duì)活動(dòng)擋板分別安裝在線性滑軌的滑塊上，可以隨著滑塊實(shí)現(xiàn)線性滑移；載貨臺(tái)的兩對(duì)活動(dòng)臂則安裝在活動(dòng)擋板上，可以通過線性滑塊及六根導(dǎo)向桿實(shí)現(xiàn)與固定臂的相對(duì)線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)夾抱動(dòng)作。

圖12 柔性載貨臺(tái)側(cè)視圖

通過線性滑軌與伸縮臂的配合實(shí)現(xiàn)夾抱功能的設(shè)計(jì)原理是實(shí)現(xiàn)兩對(duì)伸縮臂的相對(duì)線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)夾抱的這一工作原理，可擬定三種設(shè)計(jì)方案。

方案一：一對(duì)伸縮臂的兩個(gè)伸縮臂均設(shè)計(jì)為活動(dòng)臂。在堆垛機(jī)運(yùn)行過程中，兩對(duì)伸縮臂均隨著線性滑軌的滑塊及導(dǎo)向桿做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且在夾抱貨物時(shí)，兩對(duì)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(duì)伸縮臂中，一個(gè)伸縮臂為固定臂，另一臂為活動(dòng)臂，且活動(dòng)臂安裝在載貨臺(tái)底架的橫梁端。在堆垛機(jī)運(yùn)行過程中，僅活動(dòng)臂隨著線性滑軌的滑塊及導(dǎo)向桿做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，夾抱貨物時(shí)，活動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)方向如圖13方案二所示。

圖13 夾抱結(jié)構(gòu)方案圖

方案三：一對(duì)伸縮臂中，一個(gè)伸縮臂為固定臂，另一臂為活動(dòng)臂，且活動(dòng)臂安裝在載貨臺(tái)底架的立柱端。在堆垛機(jī)運(yùn)行過程中，僅活動(dòng)臂隨著線性滑軌的滑塊及導(dǎo)向桿做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，夾抱貨物時(shí)，活動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)方向如圖13方案三所示。

方案一兩個(gè)伸縮臂均可活動(dòng)，伸縮臂的控制較為復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)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(tái)的結(jié)構(gòu)布局及取貨裝置的控制系統(tǒng)等因素，方案二更具優(yōu)勢(shì)。

3.2.6 同步功能。在伸縮臂夾抱的過程中，輸送帶、活動(dòng)擋板和固定擋板三者之間會(huì)出現(xiàn)“分”和“合”兩種狀態(tài)。為了保證三者之間分合的同步性，如圖14所示，在每個(gè)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(dòng)擋板。

圖14 交叉連桿結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.7 可重構(gòu)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(tǒng)，而傳統(tǒng)的貨叉式堆垛機(jī)適用于重型貨物的存取系統(tǒng)。因此，不能單純的認(rèn)為該裝置可完全取代傳統(tǒng)貨叉式取貨裝置。為了該載貨臺(tái)上的存取貨裝置要實(shí)現(xiàn)與貨叉之間的結(jié)構(gòu)互換，需主要對(duì)載貨臺(tái)底架的尺寸進(jìn)行調(diào)整以滿足柔性載貨臺(tái)適用的貨物規(guī)格需求[11]。

4 結(jié)論

本文對(duì)傳統(tǒng)堆垛機(jī)取貨裝置進(jìn)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(tái)的設(shè)計(jì)。新型取貨裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，易拆裝；伸縮臂穩(wěn)定性好，工作噪音小。在結(jié)構(gòu)方面，具有可重構(gòu)性，能實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)貨叉結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的存取功能；雙貨位可以實(shí)現(xiàn)并行工作，存取或放置不同規(guī)格的料箱式貨物，為堆垛機(jī)的倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)重構(gòu)及優(yōu)化提供了新的技術(shù)手段。

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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(xué)基金項(xiàng)目（15ZR1400600）；上海市科委標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)項(xiàng)目（15DZ0500400）；上海倉(cāng)儲(chǔ)物流設(shè)備工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目（10dz2250800）

侯瑞（1992-），男，山東人，碩士生，研究方向：動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)。