呂俊燕，陳福德，馬龍華

（1.山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034；2.智能制造裝備設(shè)計工程技術(shù)研發(fā)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(shè)備[1]。堆垛機的主要作用是通過在通道內(nèi)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(zhuǎn)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(xiàn)于1960年左右[2]。其后，隨著計算機控制技術(shù)和自動化立體倉庫的發(fā)展，堆垛機的技術(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)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(qū)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(guān)和旋轉(zhuǎn)編碼器控制。采用無線以太網(wǎng)方式進行通訊控制[4]。既可以實現(xiàn)自動控制，也可以實現(xiàn)手動或半自動控制。堆垛機的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 堆垛機的整體結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

巷道堆垛機屬于雙立柱鋼絲繩式結(jié)構(gòu)。主要由機架、水平運行裝置、提升驅(qū)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(dǎo)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(wěn)定性及運行效率，在堆垛機一側(cè)設(shè)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(yǎng)。

（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(nèi)，主要作用為水平運送堆垛機到達(dá)指定位置。堆垛機水平采用激光定位的方式進行認(rèn)址，定位精度可達(dá)±5mm。在堆垛機的水平運行軌跡區(qū)域的安裝反光板，在堆垛機高速運行時，能夠?qū)崟r傳輸絕對地址，保證堆垛機速度平穩(wěn)和定位準(zhǔn)確。水平運行采用交流開環(huán)變頻調(diào)速，運行速度可以達(dá)到4m/min～120m/min；水平運行到位的停準(zhǔn)精度可以達(dá)到±5 mm，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 水平運行裝置

（3）提升裝置

提升驅(qū)動裝置主要作用是通過電機驅(qū)動起升卷筒，起升卷筒帶動鋼絲繩運送載貨臺到達(dá)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(rèn)址，定位精度可達(dá)±5mm。在堆垛機的水平運行軌跡區(qū)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(wěn)和定位準(zhǔn)確。垂直提升運行速度可達(dá)4m/min-30m/min；垂直升降到位的停準(zhǔn)精度可達(dá)±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(dǎo)輪、傳動機構(gòu)等組成。傳動系統(tǒng)由電機減速機、扭矩限制器、鏈傳動機構(gòu)等組成。貨叉在原位時，堆垛機才能運行。貨叉裝置上設(shè)有到位減速開關(guān)，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(guān)和聯(lián)鎖裝置。主要包括：上下限位開關(guān)、機械死限位開關(guān)、超高檢測開光和超寬檢測開關(guān)等。

上、下極限保護開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)與電氣控制之間形成聯(lián)鎖系統(tǒng)，能夠確保堆垛機在出現(xiàn)非正常情況時整個系統(tǒng)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(dāng)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(tǒng)具有強制減速功能，當(dāng)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(tǒng)

1）天軌系統(tǒng)

有軌堆垛機天軌又稱上部導(dǎo)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(dǎo)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(diào)節(jié)到規(guī)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(tǒng)

地軌采用38kg/m重軌，圖8是地軌結(jié)構(gòu)形式，軌道安裝在用地腳螺栓支撐的調(diào)平板上，接頭處采用焊接方式實現(xiàn)無縫連接。安裝方式：調(diào)平板用地腳螺栓固定在預(yù)埋板上，調(diào)平板與軌道間設(shè)有8mm 減震橡膠板。

圖8 地軌結(jié)構(gòu)形式

輪壓表面垂直方向直線度誤差：輪距范圍內(nèi)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(dǎo)向輪輪距長度內(nèi)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(jié)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(shù)，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(yè)的需求，對堆垛機進行結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。