丁騰飛，周天福，李 波，趙敬川，孫洋洋

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430074；2.中建鋼構(gòu)有限公司，深圳 518000）

0 引言

立體倉(cāng)庫(kù)由于占地少，充分利用高度空間，受到越來(lái)越多的關(guān)注[1～4]。國(guó)內(nèi)鋼材倉(cāng)庫(kù)多采用露天/室內(nèi)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(kù)，普遍存在自動(dòng)化、智能化程度不足，運(yùn)行效率低下的問(wèn)題[5]，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是超長(zhǎng)超重的鋼材以碼垛的形式儲(chǔ)存，容易造成鋼材壓損，變形；二是鋼材出入庫(kù)的順序由人工隨機(jī)儲(chǔ)存，現(xiàn)場(chǎng)決策的優(yōu)劣由倉(cāng)庫(kù)工作人員的經(jīng)驗(yàn)決定，缺乏穩(wěn)定性。早在1993年，新日鐵君津廠就建成當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的無(wú)人操作的自動(dòng)化帶卷倉(cāng)庫(kù)[6]，2008年，寶鋼在鋼鐵產(chǎn)品的自動(dòng)化和智能化倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題上也展開(kāi)了研究[7]，近年隨著阿里巴巴、京東等電商企業(yè)的快速發(fā)展，大型物流倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)得到迅速推廣，智能優(yōu)化算法在解決庫(kù)位分配、出入庫(kù)優(yōu)化調(diào)度等問(wèn)題上有著人工決策無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。但由于鋼材質(zhì)量大、尺寸長(zhǎng)，其在移動(dòng)過(guò)程中具有慣性大、易擺動(dòng)等特點(diǎn)，在平移和提升過(guò)程中容易發(fā)生碰撞事故，因此現(xiàn)有的立體倉(cāng)庫(kù)不能直接儲(chǔ)存鋼材，很難滿足使用要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種用于儲(chǔ)存長(zhǎng)料鋼材的立體倉(cāng)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)重料、長(zhǎng)料的自動(dòng)化存取，提高工作效率，減小人力勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 總體方案設(shè)計(jì)

長(zhǎng)料鋼材的立體倉(cāng)庫(kù)以托盤(pán)移動(dòng)式貨架作為基本結(jié)構(gòu)形式，主要由托盤(pán)輸送帶、貨架、托盤(pán)、貨箱、抓取裝置、卷?yè)P(yáng)機(jī)、鏈條張緊機(jī)構(gòu)、托盤(pán)動(dòng)力總成、卷?yè)P(yáng)機(jī)移動(dòng)動(dòng)力總成組成（如圖1所示）。其中托盤(pán)是倉(cāng)庫(kù)中的基礎(chǔ)單元，用于鋼材的存放；貨料輸送帶負(fù)責(zé)將托盤(pán)運(yùn)送到指定庫(kù)位的下方；抓取裝置在卷?yè)P(yáng)機(jī)的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)上升或者下降運(yùn)動(dòng)；抓取裝置可將托盤(pán)中的鋼材放置至指定貨架位置或從指定位置取出鋼材，實(shí)現(xiàn)鋼材的出入庫(kù)動(dòng)作；托盤(pán)動(dòng)力總成為所有托盤(pán)提供橫向移動(dòng)的動(dòng)力；卷?yè)P(yáng)機(jī)移動(dòng)動(dòng)力總成負(fù)責(zé)移動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)抓取裝置在任意位置抓取或放下托盤(pán)，最后利用托盤(pán)輸送帶將鋼材送出。

圖1 長(zhǎng)料鋼材的立體倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 托盤(pán)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

托盤(pán)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、豎直鏈條、雙排鏈輪、雙排鏈輪支架、橫向鏈條、托盤(pán)、單鏈輪離合總成、導(dǎo)向鏈輪組成，如圖2所示。伺服電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過(guò)豎直鏈條傳遞到每層庫(kù)位的雙排鏈輪上，雙排鏈輪經(jīng)過(guò)橫向鏈條將動(dòng)力傳遞到與托盤(pán)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(tài)時(shí)，固定在傳動(dòng)軸上的單鏈輪自轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)的動(dòng)力無(wú)法傳遞到托盤(pán)上，此時(shí)托盤(pán)靜止；當(dāng)離合器處于接合狀態(tài)時(shí)，離合器與傳動(dòng)軸固連，伺服電機(jī)動(dòng)力將傳遞從單鏈輪上，此時(shí)橫向鏈條會(huì)帶動(dòng)托盤(pán)進(jìn)行橫移。因此，通過(guò)控制電磁離合器的接通或切斷，可以將任意一層任意托盤(pán)進(jìn)行移動(dòng)。

圖2 托盤(pán)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 單鏈輪離合總成結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電子推桿夾軌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

托盤(pán)在出入庫(kù)過(guò)程中受力會(huì)發(fā)生變化，軌道可能發(fā)生微小的形變而難于保持水平，導(dǎo)致托盤(pán)在重力作用下向軌道凹陷方向滑動(dòng)。該狀況下托盤(pán)的滑動(dòng)是不可控的，容易發(fā)生碰撞事故，因此需設(shè)計(jì)鎖止裝置，使托盤(pán)在靜止時(shí)處于鎖定狀態(tài)。根據(jù)立體倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(cè)面，電子推桿桿身和支點(diǎn)撐桿固定安裝在托盤(pán)上，電子推桿伸縮桿上安裝有壓縮彈簧。當(dāng)托盤(pán)靜止時(shí)，彈簧壓縮產(chǎn)生的彈力推動(dòng)鎖止片上端右移，根據(jù)杠桿原理，則鎖止片下端左移，直到鎖止片壓緊軌道側(cè)面，達(dá)到鎖止效果；當(dāng)托盤(pán)需要移動(dòng)時(shí)，電子推桿伸縮桿回縮，進(jìn)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?fàn)顟B(tài)解除。

圖4 電子推桿夾軌器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 抓取裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抓取裝置主要包括卷?yè)P(yáng)機(jī)、剪叉機(jī)構(gòu)、鋼絲繩、門機(jī)、電磁吸盤(pán)、鋼絲鎖等。卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)控制鋼絲繩實(shí)現(xiàn)門機(jī)的上下運(yùn)動(dòng)，在門機(jī)的底部安裝有4個(gè)電磁吸盤(pán)，通過(guò)控制電磁吸盤(pán)的通斷電實(shí)現(xiàn)抓取裝置快速抓取貨箱或者松開(kāi)貨箱，為防止提升或者移動(dòng)貨箱的過(guò)程中貨箱發(fā)生擺動(dòng)，抓取裝置在卷?yè)P(yáng)機(jī)的側(cè)邊裝有剪叉結(jié)構(gòu)，剪叉結(jié)構(gòu)與門機(jī)固連，鋼絲繩的末端通過(guò)鋼絲鎖與門機(jī)相連，剪叉機(jī)構(gòu)末端為平行四邊形結(jié)構(gòu)（如圖6所示），在鋼絲繩伸縮過(guò)程中可始終保持門機(jī)與貨箱平行，保證了抓取動(dòng)作的穩(wěn)定性。

圖5 抓取裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 剪叉機(jī)構(gòu)末端的平行四邊形結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖7為長(zhǎng)料鋼材立體倉(cāng)庫(kù)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，上位機(jī)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(diào)試和急停等）傳送至PLC，PLC控制電機(jī)、電磁離合器、電子推桿及電磁吸盤(pán)，完成指定的操作[8～10]。同時(shí)，PLC通過(guò)自由口通信將現(xiàn)場(chǎng)的信息以及運(yùn)行狀況，反饋至上位機(jī)，經(jīng)過(guò)上位機(jī)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(shè)備執(zhí)行狀況。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖8所示。圖中1至4順序表示了入庫(kù)過(guò)程的工作流程。1中指定目標(biāo)庫(kù)位后，系統(tǒng)生成的控制指令通過(guò)串口發(fā)送到PLC，托盤(pán)輸送帶將鋼材平移至入庫(kù)巷道下方，卷?yè)P(yáng)機(jī)同時(shí)向入庫(kù)巷道上方移動(dòng)。2中卷?yè)P(yáng)機(jī)和鋼材都到達(dá)預(yù)定位置后，卷?yè)P(yáng)機(jī)纜繩下降直到纜繩端部安裝的電磁吸盤(pán)抓緊鋼材托盤(pán)，然后提升纜繩將鋼材提升到目標(biāo)庫(kù)位上方。3中在鋼材提升到位后，目標(biāo)庫(kù)位右移至鋼材下方，纜繩下降將鋼材放入目標(biāo)庫(kù)位中。4中鋼材放入目標(biāo)庫(kù)位中后，纜繩提升到貨架頂端，目標(biāo)庫(kù)位左移回到原位置，至此入庫(kù)控制完成。

出庫(kù)的控制流程和入庫(kù)相反，指定出庫(kù)目標(biāo)庫(kù)位后，卷?yè)P(yáng)機(jī)移動(dòng)到出庫(kù)巷道上方，目標(biāo)庫(kù)位移動(dòng)到出庫(kù)巷道中，卷?yè)P(yáng)機(jī)纜繩下降直到纜繩端部安裝的電磁吸盤(pán)抓緊鋼材托盤(pán)后再提升到庫(kù)位上方，然后目標(biāo)庫(kù)位移回原位置，卷?yè)P(yáng)機(jī)纜繩下降將鋼材放入傳送帶上，最后傳送帶將鋼材運(yùn)移到出口，至此出庫(kù)控制完成。

圖8 控制系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

長(zhǎng)料鋼材立體倉(cāng)庫(kù)的模型樣機(jī)共2層，每層4個(gè)庫(kù)位，實(shí)物樣機(jī)如圖9所示。經(jīng)過(guò)調(diào)試，該立體倉(cāng)庫(kù)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，其主要有以下三個(gè)特點(diǎn)：

1）采用一套動(dòng)力裝置將動(dòng)力傳遞到每層貨架托盤(pán)上，實(shí)現(xiàn)貨架的連續(xù)排列；在存取貨物時(shí)，移動(dòng)托盤(pán)留出一條作業(yè)巷道，實(shí)現(xiàn)任意貨物的存取，該方案大大減少了對(duì)硬件設(shè)備的需求，降低了設(shè)備成本。

2）卷?yè)P(yáng)機(jī)邊板使用了剪叉機(jī)構(gòu)來(lái)輔助鋼絲繩升降，可有效防止提升或者移動(dòng)貨箱過(guò)程中貨箱擺動(dòng)；剪叉機(jī)構(gòu)末端的平行四邊形結(jié)構(gòu)可使鋼絲繩在伸縮過(guò)程中保持門機(jī)與貨箱平行，保證了抓取動(dòng)作的穩(wěn)定性。

3）長(zhǎng)料鋼材立體倉(cāng)庫(kù)采用模塊化設(shè)計(jì)，大型貨倉(cāng)可采用多套系統(tǒng)并行使用，可大大簡(jiǎn)化了控制的復(fù)雜程度，提高了存取效率。

4 結(jié)論

通過(guò)借鑒現(xiàn)有自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合鋼材本身超長(zhǎng)、超重等屬性，對(duì)長(zhǎng)料鋼材立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制運(yùn)行方式設(shè)計(jì)，通過(guò)自動(dòng)控制解決了目前鋼材生產(chǎn)企業(yè)存在的人工出入庫(kù)勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、效率低問(wèn)題，具有一定的工程實(shí)際意義和實(shí)用價(jià)值，其技術(shù)方法對(duì)其他超長(zhǎng)超重的貨物的自動(dòng)化儲(chǔ)存有一定的借鑒意義。

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