岳森峰 張煜哲 周 煒 張 辰 劉友朋

北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

巷道堆垛機是自動化立體倉庫的核心設(shè)備，各部件之間配合可實現(xiàn)堆垛機運行、起升、伸縮3個方向的運動，從而實現(xiàn)貨物出入庫的功能。貨叉是堆垛機直接實現(xiàn)伸縮動作的部件，其與托盤貨物直接對接，貨叉結(jié)構(gòu)設(shè)計與托盤貨物規(guī)格尺寸有直接的關(guān)系。

如圖1所示，貨叉機構(gòu)由驅(qū)動機構(gòu)、伸縮機構(gòu)、聯(lián)軸器、定位裝置等構(gòu)成，驅(qū)動機構(gòu)在自身電動機減速器的作用下將動力傳遞給伸縮機構(gòu)，伸縮機構(gòu)內(nèi)設(shè)計有齒輪，與驅(qū)動機構(gòu)嚙合可完成伸縮叉的動作。伸縮機構(gòu)根據(jù)托盤尺寸的實際需要設(shè)計為多組，組與組之間用聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器可傳遞驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)生的扭矩。定位裝置一般為與傳動軸直接相連的脈沖編碼器，可根據(jù)轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的脈沖電信號讀取貨叉的伸叉位置。

圖1 堆垛機貨叉機構(gòu)

如圖2所示，以單伸貨叉為研究對象，其伸縮機構(gòu)一般由上叉、中叉和下叉等3節(jié)叉體組成。上下叉體上均可按照實際的需要設(shè)計導(dǎo)輪和導(dǎo)靴，中叉叉體上設(shè)有與上下叉體導(dǎo)輪導(dǎo)靴配合的軌道，導(dǎo)輪和導(dǎo)靴可在軌道內(nèi)滑動。下叉體上的齒輪系既可與傳動機構(gòu)的齒輪嚙合，還可與中叉的齒條嚙合。在驅(qū)動裝置作用下，電動機減速器帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動齒條直線運動，最終拉動伸縮機構(gòu)伸出和縮回，完成伸叉動作。

圖2 單伸貨叉伸縮機構(gòu)

對于只對應(yīng)單一種類托盤的貨叉機構(gòu)，只需合理設(shè)計傳動機構(gòu)和貨叉位置，使其與該托盤尺寸對應(yīng)即可滿足該托盤的存取要求。對于需要對應(yīng)多種尺寸托盤的貨叉，可考慮在貨叉機構(gòu)中添加電磁離合裝置來適應(yīng)多規(guī)格，多尺寸貨物托盤的存儲。

本文將對某行業(yè)特定的案例進行分析，探究適合該存儲場景的帶電磁離合裝置的貨叉設(shè)計方案，并與傳統(tǒng)貨叉設(shè)計方案進行對比，最終提出一種普適于各類行業(yè)的多規(guī)格托盤存儲貨叉設(shè)計原則。

1 項目工況介紹

如圖3所示，某物流中心巷道區(qū)主要進行2種物料的存儲，這2種物料存放在2種不同的托盤上，堆垛機可以一次完成1個大盤的存儲，1個小盤的存儲或2個大盤的存儲。小盤的長寬分別為L1和W1，大盤的長寬分別為L2和W2。在該項目中有

圖3 RMG鋼結(jié)構(gòu)示意

式中：W1為小盤的寬度，W2為大盤的寬度，L1為小盤的長度，L2為大盤的長度，l為貨格上2小盤的固定距離。

對于貨叉的伸縮機構(gòu)來說，由于2托盤的寬度一致，完成大小盤存取需要設(shè)計的長度和行程也一致；對于托盤沿巷道的尺寸來說，可以合理布置貨叉的中心距，使其滿足大小盤存儲時貨叉中心距的要求。本文將提出2種適用于該存儲方案的貨叉設(shè)計方案，并對于適用于該方案的新技術(shù)進行展望。

2 貨叉設(shè)計方案

在本方案中，作業(yè)流程要求堆垛機可以存取一個大托盤，可以同時存取2個小托盤，也可以兼顧存取一個小托盤。小托盤的尺寸為1 000 mm×1 400 mm，大托盤的尺寸為2 100 mm×1 400 mm。

2.1 2組獨立貨叉設(shè)計方案

針對該方案的實際情況，可采用如圖4所示設(shè)計方案。該方案采用2套獨立貨叉的設(shè)計，2組貨叉之間不做硬性連接，2組貨叉采用2套獨立的控制系統(tǒng)進行獨立控制，完成存取貨動作，其作業(yè)流程為：當(dāng)堆垛機執(zhí)行大托盤存取任務(wù)時（見圖4a），2組控制系統(tǒng)分別控制2組貨叉同步完成伸縮叉動作，此時2組貨叉一同承載大托盤載荷，一起伸出和縮回，完成存取動作。當(dāng)堆垛機執(zhí)行小托盤存取任務(wù)時（見圖4b），2組控制系統(tǒng)分別單獨控制單組貨叉完成伸縮叉動作，完成一個小托盤的存取或2個小托盤的存取。

圖4 2組獨立貨叉的設(shè)計方案

這種方案設(shè)計較簡單、便捷，但因受到托盤尺寸限制，適用于固定的場景，應(yīng)用范圍相對較窄。在大托盤的存取過程中，2套貨叉必須嚴(yán)格同步，否則易因存在速度差而引起托盤的偏移，從而導(dǎo)致掉盤倒貨的情況出現(xiàn)，故控制難度較大。而且，2組貨叉分別為獨立的系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、定位系統(tǒng)數(shù)量均為2套，成本較高?；谏鲜鲈?，本文將探究另一種基于電磁離合裝置的貨叉設(shè)計方案。

2.2 基于電磁離合裝置的貨叉設(shè)計方案

針對使用2組貨叉造成的成本過高、調(diào)試繁瑣的情況，結(jié)合本項目的實際情況，采用圖5所示設(shè)計方案。該方案采用含電磁離合裝置的貨叉設(shè)計方案，2組貨叉之間采用電磁離合柔性連接，PLC可以控制電磁離合器抱閘或松開，從而實現(xiàn)大小托盤的獨立存儲。

圖5 電磁離合裝置結(jié)構(gòu)原理圖

圖5為電磁離合裝置的結(jié)構(gòu)原理圖，主動軸傳入帶鐵芯的軸套中，軸端采用螺栓軸向固定，在軸上由平鍵來傳遞扭矩。因此，軸與軸套可以保持同步轉(zhuǎn)動，軸套中有電磁線圈。被動軸穿入帶銜鐵的軸套中，與主動軸一樣，被動軸也采用軸端螺栓和平鍵來進行軸向固定和采用平鍵來傳遞扭矩。被動軸套與主動軸套可以滑動式連接。當(dāng)線圈通電時，鐵芯與銜鐵被緊緊吸合在一起，依靠2軸套中主從動摩擦片之間的摩擦力使被動軸隨主動軸轉(zhuǎn)動。當(dāng)線圈斷電時，銜鐵和摩擦片位置復(fù)原，離合器即失去傳遞力矩的作用。

本文考慮將電氣離合裝置應(yīng)用在雙貨叉叉體組合的實施方案中。當(dāng)堆垛機執(zhí)行大托盤存取任務(wù)時（見圖6a），PLC給電磁離合裝置抱閘的信號，電磁離合裝置鎖緊，2組貨叉被固定到一起，控制系統(tǒng)控制2組貨叉一起伸縮叉，2組貨叉被硬性連接在一起，共同承載大托盤載荷，同時伸出和縮回完成存取動作，按照該方式也可完成2個小托盤的同時存取。當(dāng)堆垛機執(zhí)行小托盤存取任務(wù)時（見圖6b），PLC給電磁離合裝置松開的信號，驅(qū)動裝置單獨驅(qū)動視圖左側(cè)的單組貨叉，完成小托盤的存取動作。

圖6 含電磁離合裝置的貨叉設(shè)計方案

相較于2套獨立貨叉的方案，該方案設(shè)計和控制更簡單便捷。在采用電磁離合的貨叉設(shè)計方案中，2組貨叉因電磁離合的抱緊而同步，不會因變頻器頻率等原因引起托盤存在偏移、掉盤的情況，降低了控制難度。而且，相較于2套獨立系統(tǒng)的方案，該方案控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、定位系統(tǒng)均為1套，成本更低，故該方案更有優(yōu)越性。

2.3 可變中心距的貨叉的展望

可變中心距貨叉適用于一些特定的、貨叉長度L變化較小的場合，無論對應(yīng)的是多少種托盤尺寸，均可采用貨叉中心距的改變來適配對應(yīng)尺寸的托盤。然而，該方案也有不足之處，如可變中心距的貨叉不僅需要伸縮機構(gòu)的尺寸傳動，還需要通過傳動裝置對2貨叉中心距進行調(diào)整，機械機構(gòu)較復(fù)雜，控制較繁瑣。同時，由于伸縮機構(gòu)必須處于中心距調(diào)整的傳動系統(tǒng)上，采用這種設(shè)計方案的存取貨位置相對前2種方案較高，會造成立體倉庫貨位數(shù)的損失。另外，可變中心距貨叉只適用于中心距變化不大的場合，故應(yīng)用范圍不夠廣泛。最后，由于可變中心距貨叉往往是2個貨體間的中心距調(diào)整，托盤承載的面積相對較小，故其對托盤的質(zhì)量也有更為嚴(yán)格的要求?；谏鲜鲈?，可變中心距的貨叉設(shè)計方案并不適用于本項目。

3 總結(jié)

本文介紹了堆垛機貨叉的功能和結(jié)構(gòu)原理，并結(jié)合國內(nèi)某物流中心的布置規(guī)劃和作業(yè)流程，分析了該項目中與貨叉直接相關(guān)的托盤載具和貨叉設(shè)計方案。隨后提出適用于該項目的2種設(shè)計方案，并將其進行對比：

1）2套獨立貨叉分別控制2套貨叉機構(gòu)的方案應(yīng)用范圍窄，控制復(fù)雜，風(fēng)險高，成本高；

2）采用基于電磁離合裝置的貨叉設(shè)計方案更簡單便捷，控制難度低，成本低。

結(jié)合本項目的特點，在本項目中考慮采用基于電磁離合裝置的貨叉設(shè)計方案。