立体仓库堆垛机的设计与研究*

王 娇 ，王引卫 ，王兴烁

（西京学院机械工程学院，陕西 西安 710123）

0 引言

毋庸置疑，物流离不开货物储存。以前物流行业用于存储货物的普通仓库是以人力为劳动力，输送车和叉车为设备的，这种仓库操作烦琐，不能更好地利用空间。而自动化立体仓库是高度机械化、半自动化甚至完全自动化的立体型仓库[1]，这种仓库能够更好地利用空间，使操作变得简单方便，还能提高生产效率。

堆垛机是立体仓库的核心设备，作用就是通过堆垛机的升降、横移、伸缩等功能来实现货物准确快速的存取功能。山东阿特拉斯智能科技有限公司的杜毅针对堆垛机进行了研究，分析了堆垛机的分类和特点。堆垛机有多种多样的形式，其中包括单立柱型堆垛机、双立柱型堆垛机、平衡式堆垛机等等[2]。

单立柱堆垛机的重量相对较轻、结构也比较紧凑，但由于采用单立柱结构，导致机架没有形成对称结构，货叉在工作时受到的工作阻力有可能会使立柱产生弯曲现象。所以本设计在采用单立柱结构时，立柱的材料要选择能够抵抗工作阻力所带来弯曲作用的材料，并且机架还要有较高的精度。

单立柱堆垛机的横移机构沿着天轨、地轨向X轴运行，升降机构沿Z轴方向带动载货台和货叉伸缩机构上下运行，货叉伸缩机构沿Y轴方向伸出或缩回，通过这三个主要机构以及一些辅助机构配合运行，以此来实现存放或取走货物的功能。

1 单立柱堆垛机结构设计

1.1 堆垛机的机架结构设计

堆垛机的机架主要由下横梁、立柱以及其他部件组成。立柱是机架最重要的组成部分，主要起支撑作用，在立柱上面安置导轨，可使载货台承载着货叉伸缩机构沿着导轨上升和下降，同时机架还能随着横移机构沿着地轨和天轨保持横移的稳定，并且立柱还能够承载载货台以及货叉机构进行装卸工作时所产生的弯矩。而安装立柱的下横梁也受到弯矩作用，因此下横梁要满足一定的强度、硬度，避免变形损坏。

升降机构、横移机构都安装在机架上，并且在机架上配置有电气控制系统、安全保护装置等，使堆垛机的整体机构较为紧凑，减少了所占用的空间。

由于堆垛机的机架承受载荷比较大，所以堆垛机的机架应满足一定刚度和强度的要求，以此来避免机架的冲击损坏、振动破坏以及弯曲损坏。本次设计机架结构是由质量较好的钢材焊接而成的，相对来说较为稳固。立柱的垂直度必须在机架装配成型后进行调整，用来补偿堆垛机在工作时所承受的载荷对立柱带来的弹性变形。

1.2 工作原理

单立柱堆垛机主要由横移机构、升降机构、载货台以及货叉伸缩机构四个部分组成。升降机构承载着载货台和货叉伸缩机构与立柱相连，并在电机的带动下进行上下运动，立柱与横移机构相连，在横移机构的带动下进行运动在堆垛机的工作过程中，横移机构在电动机的带动下承载着堆垛机整体沿着Y轴方向运行，当达到指定位置时，横移机构停止运行，同时堆垛机的升降机构开始工作，升降机构通过升降电机提供动力带动载货台承载着货叉伸缩机构进行升降，为节省时间，横移机构与升降机构同时进行工作，当达到与货架相对应的高度时，升降机构停止运行，并且货叉伸缩机构开始工作。通过横移机构、升降机构以及货叉伸缩机构的配合运行实现存取货物的功能。

2 主要部位设计

2.1 堆垛机的载货台结构设计

载货台的整体结构是由两个互相垂直的框架焊接而成，一个框架水平放置，一个框架垂直放置。水平框架一般由矩形的钢管焊接而成，其在升降机构的带动下可承载货叉伸缩机构进行升降。使用矩形的钢管不但总体重量较轻，而且能够满足强度要求；其升降动滑轮和安全保护装置安装在垂直框架上，以升降电机来驱动卷筒，通过钢丝绳带动载货台进行上升和下降。为了保证载货台可以平稳升降，在载货台上安装了四个导向轮和四个滚轮。导向轮设置在垂直框架上，其目的是防止载货台在工作过程中沿Y轴方向晃动。滚轮设置在导轨的左右两侧，滚轮除了导向作用外，还能够承载工作阻力对载货台产生的弯矩作用。

2.2 堆垛机货叉伸缩机构的设计

组成堆垛机货叉伸缩机构的主要部件有固定货叉、中间货叉和上层货叉，各货叉之间的运动和动力是通过链轮和链条来传递的。固定叉直接与载货台相连，将链轮装在固定货叉上，在链轮的轴上安装小型卷筒，在卷筒上缠绕钢丝绳。通过卷筒的转动从而达到货叉伸出和收缩的功能。货叉伸缩机构在工作过程中，固定货叉不动，中间货叉在电动机的带动下向前伸出中间货叉长度的三分之二；上层货叉在中间货叉伸出的同时，也向外伸出上层货叉的三分之二。总的来说，中间货叉相对于伸出总长度来说占了三分之一，上层货叉相对于伸出总长度来说占了三分之二，伸出总距离为一个货叉的长度。其中单根货叉长度为1000 mm，货叉运行速度选取10 m/min，其中轴承选择代号为6340的深沟球轴承，通过计算及查表，该型号轴承满足寿命要求。通过计算得其链轮、链条的主要设计参数为：链条型号12A-1；链轮齿数z1=21，z2=63，链节数为118；中心距为710 mm。

2.3 堆垛机升降机构的设计

堆垛机的升降机构由电动机提供动力，通过减速器后驱动卷筒，再由卷筒带动柔性件提升载货台，在载货台承载货物进行升降过程中，需要导向部件进行辅助[3]。为了使载货台能够平稳停车，当载货台即将达到与所需存储货架对应的高度时，需要开启制动器。柔性件作为连接电动机与载货台、并且向载货台传递动力的一个零件，是升降机构中不能缺少的零件之一。升降机构的运行需要靠电动机提供动力才能工作。但是，由于升降机构的载货台需要承载货物进行上升和下降，在工作时其位置是不固定的，因此，不能把电动机和工作机构直接相连的，需要在电动机和工作机构之间加入能传递动力或改变运动状态的柔性件。目前，升降机构常用的柔性件有传动带、链条及钢丝绳。由于钢丝绳具有挠性和柔韧性好、自重轻、强度高、耐冲击、承载能力大、成本低廉、平稳可靠等特点，所以在此选用型号为12.5NAT6*7+FC1700ZS的钢丝绳作为升降机构的起重柔性件[4]。为了使钢丝绳与滑轮的轮槽有足够的接触面积，并且为钢丝绳留有一定的偏斜度，与钢丝绳配套使用的嵌入式的滑轮组[5]中滑轮外径D=355 mm，轴径D0=45 mm，槽底半径R=7 mm。升降机构作业时需要钢丝绳缩回或伸出，为了能够满足这个功能，对钢丝绳的收放需要卷筒装置来完成。目前来说电缆卷筒可按照钢丝绳在卷筒上的缠绕层数分为单层卷绕和多层卷绕卷筒两种形式[6]。单层卷筒摩擦力大，不易打滑，所以本设计采用单层卷绕圆柱形卷绕卷筒，此卷筒的直径D=250 mm；标准槽形槽距P=13.5 mm；最大升降高度H=10 m；滑轮组倍率α=2.0。其卷筒的输出扭矩为M=1029 N·m。由于堆垛机的启动负载较大，在工作时启动、制动、换向及调速较为频繁，因此要求堆垛机要有较高的工作稳定性。本设计选择的YZR系列绕线式三相异步电动机具有启动、制动平稳可靠，能承受一定冲击载荷，进行频繁启动，启动电流较小，方便调速的特点[7]，其型号为Y160L-6，额定功率为11 kW，满载转速为n=970 r/min。根据减速器和制动器的特点，本设计采用二级展开式圆柱齿轮减速器和常闭盘式制动器。

2.4 堆垛机横移机构的设计

横移机构的驱动方式选用下部支撑地面驱动式，以电动机为驱动装置，驱动行走轮，从而带动堆垛机整体进行移动。其行走路线是沿着地轨进行的，为了运行更加平稳，在横移机构的上方安装导向轮，导向轮沿着天轨运行，由于天轨和地轨具有导向作用，所以都要满足一定的强度和刚度要求。天轨可以采用抗弯能力强的H型钢，地轨可以采用抗弯能力良好的轻型钢轨[8]，其钢轨宽度B=64 mm，钢轨头部的圆角半径在此取r=2 mm。由于此类驱动方式的驱动电机在下方，因此便于维护。其中下横梁采用口字钢结构，长度为5500 mm。其行走轮按照形式可将行走轮分为有带轮缘的行走轮和无轮缘的行走轮，由于有带轮缘的行走轮在工作时不仅起到了支撑的作用，还具有一定的导向作用，所以本设计在堆垛机的横移机构中，选择有带轮缘的行走轮[9]，其踏面直径D=350 mm，行走轮轴径d=80 mm。由于单立柱堆垛机的横移机构在运行时会产生一定的振动和冲击，启动载荷也相对较大，需要使用过载能力较大的电动机，因此横移机构的电动机选用YZR系列绕线式三相异步电动机，与升降机构所选电机同类型，其型号为Y132S-4，额定功率为5.5 kW，满载转速为n=1440 r/min。由于在堆垛机水平方向的阻力相对来说不大，只要减速器输出一定的转矩即可满足堆垛机的正常工作，所以在设计中横移机构选用展开式二级圆柱齿轮减速器即可满足使用要求。至于制动器，由于水平横移速度较大，所以选用工作平稳可靠、寿命长的盘式常开式制动器[10]。

3 总结

从零件的选型到部件的组装再到形成装配图，笔者在这里用CAX CAD绘制了装配图，如图1所示。

图1 堆垛机装配图

设计内容包括产品的选材和选型以及强度的校核。将整机划分为机架结构、载货台机构、货叉伸缩机构、升降机构、横移机构五个部分。单立柱堆垛机的横移机构沿着X轴运行，升降机构沿Z轴方向带动载货台进行运动，货叉伸缩机构沿Y轴方向运动，通过这三个主要机构以及一些辅助机构配合运行，以此来实现货物的存取功能。立体仓库堆垛机具有占地面积小、结构紧凑的特点。在这个网购盛行的时代，立体仓库堆垛机为自动化仓库提供了极大的便利，使工作效率得到了极大提高，避免了人力劳动效率低下的问题，还降低了人力成本。