堆垛机三种行走驱动方式的对比分析

新松机器人自动化股份有限公司 / 韩天文 史科科

堆垛机三种行走驱动方式的对比分析

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为提高堆垛机水平运行速度和加速度，研究堆垛机的水平行走驱动形式，本文通过计算分析得出不同驱动形式可以达到的加速度值，并对不同驱动形式的优缺点分别做了对比分析。

堆垛机、行走驱动、加速度

一、研究行走驱动形式的必要性

堆垛机是自动化立体仓库的核心设备，由机架（上横梁、下横梁、立柱）、水平行走机构、升降机构、载货台、货叉及电气控制系统等构成。它包含三个动作，即水平行走、升降和货叉伸缩，通过三维运动实现任意货位的取放货。通常情况下，立体仓库的长度尺寸会比高度尺寸大很多，要提高堆垛机运行效率，主要是缩短其单周期运行时间。堆垛机单周期运行时间主要包括启动加速时间Ta、匀速运动时间Ty、减速停止时间Tj等。提高堆垛机水平行走加速度和水平运行速度，对提高其运行效率有明显作用。水平行走的速度和加速度与堆垛机的行走驱动形式有很大关系，因此研究堆垛机的行走驱动形式意义重大。

从结构上看，目前市场上堆垛机的行走驱动主要有三种形式。最传统的形式是减速电机直接驱动行走轮，这种形式最为常见，结构也最简单，国内外堆垛机都在普遍应用；还有一种形式是同步带驱动，这种形式国外堆垛机常见，国内堆垛机应用较少；最后一种形式是采用一组驱动轮夹紧在轨道两侧提供驱动力，这种形式在国外堆垛机上能看到，国内堆垛机只有新松在应用。

二、三种行走驱动形式对比

1.直接驱动

减速电机通过驱动轴与键连接直接驱动行走轮，行走轮安装到下横梁框架上，见图1。

这种形式机械结构简单，零件数量少，安装方便，结构紧凑。为节约巷道空间，此形式通常是采用斜齿轮—伞齿轮形式的减速机，其价格比斜齿轮减速机高。

堆垛机启动时不打滑，需满足最大牵引力F小于最大静摩擦力fmax，计算如下：（按驱动轮承载堆垛机一半重量考虑）

式中：F表示最大牵引力

fmax表示最大静摩擦力

m表示堆垛机总重

a表示堆垛机加速度

μ1表示滚动摩擦因数

μ2表示静摩擦因数

g表示重量加速度

推出：a＜（1/2μ2-μ1）g（公式1）

从公式1中可见，最大加速度只与静摩擦因数和滚动摩擦因数有关。加速度的最大值完全受限于静摩擦因数和滚动摩擦因数。

堆垛机行走轮与轨道的摩擦因数见表1。根据公式1计算，行走轮采用钢轮，加速度a最大能达到0.6m/S2；采用聚氨酯轮，加速度a最大能达到1.2m/S2。继续提高加速度的话，就会出现行走轮在轨道上打滑的现象。

2.同步带驱动

驱动装置安装在堆垛机下横梁上，见图2。驱动装置由减速电机、主动带轮、张紧轮、安装支架等组成，同步带绕过主动带轮和张紧轮，两端头固定在地面上，张紧机构在带的两端头。堆垛机的行走减速电机驱动主动带轮，带动整个堆垛机行走运动。

这种形式的机械结构较直接驱动复杂，多了一套带轮与同步带的驱动机构及同步带的张紧机构，零部件数量较多。减速电机可采用斜齿轮减速电机，价格便宜。同步带驱动属于齿形啮合原理，与摩擦驱动不一样，不会出现打滑现象，加速度值可以增大。

但是，同步带驱动有一个缺点，就是同步带都有伸长率，属弹性体。图3为某厂家的同步带伸长量样本，图中的斜线代表不同型号的同步带，这些型号齿形一样，只是宽窄不同。从图中可见，对于同一型号的同步带，伸长量与受力大小和同步带长短有关。伸长量越大，需要的张紧力越大。如果张紧力不够，同步带会窜齿，导致驱动失效。张紧力过大，会影响同步带的寿命。因此，这种驱动形式仓库长度尺寸会受到限制，通常都做到30m以内。另外，启动时的惯性力很大，也会导致同步带受力过大而伸长，因此，堆垛机的重量和加速度也会受到限制。一般情况下，这种驱动形式只能用于轻型堆垛机，加速度值通常能达到2m/S2，较直接驱动形式增大很多。

图1 直接驱动

表1 行走轮与轨道的摩擦因数

图2 同步带驱动

图3 某厂家的同步带伸长量

3.夹紧轮驱动

夹紧轮驱动，指采用一组驱动轮夹紧轨道侧面的形式，见图4。减速电机驱动夹紧轮，通过一套夹紧装置提供给夹紧轮与轨道间足够大的压力，产生摩擦力，实现堆垛机的行走运动。堆垛机的行走轮只作为从动轮使用。夹紧装置采用一组碟簧设计，夹紧力可调节。驱动装置通过螺栓连接固定在下横梁上，带动整个堆垛机行走。

这种形式由于夹紧力可调节，加速度可以达到较大值，计算如下：

式中：F表示最大牵引力

fmax表示最大静摩擦力

图3 某厂家的同步带伸长量

f滚表示滚动摩擦；

F夹表示夹紧力

m表示堆垛机总重

a表示堆垛机加速度

μ1表示滚动摩擦因数

μ2表示静摩擦因数

g表示重量加速度

从公式2可见，m一定时，F夹增大，a增大，μ2越大，a越大。因此，可以通过调节夹紧力和提高静摩擦因数来提高加速度。根据国内外堆垛机参数，加速度a可达到3.5～4m/S2，能够极大地提高堆垛机的出入库效率。

为提高加速度，夹紧轮通常采用聚氨酯材料，这种材料受力有一定限制，因此夹紧力也不能无限提高。另外，从公式2可见，堆垛机自重m越小，加速度越大，因此，这种驱动形式只适用于轻型堆垛机。

这种行走驱动形式机械结构复杂，由于驱动装置安装在下横梁端头，导致下横梁长度变长，会占用巷道长度方向空间。为节约空间，减速机采用行星齿轮减速机，价格偏高。

4.堆垛机行走驱动形式对比

根据上文对堆垛机行走驱动三种形式的介绍，列表进行对比，见表2。

表2 堆垛机三种行走驱动形式的对比

三、结论

本文对堆垛机的三种行走驱动形式做了详细的描述及计算，分析了各种驱动形式的优缺点，并列表做了对比。从分析中可见，要提高堆垛机的行走加速度，可采用夹紧轮驱动形式，加速度值可以达到3.5-4m/S2，是目前加速度最大的驱动方式。