自動化立體倉庫中堆垛機的創新設計研究

尹博文

（江蘇亨通智能科技有限公司，江蘇蘇州 215000）

0 引言

隨著我國工業生產以及電子商務產業的快速發展，自動化立體倉庫已經成為企業生產、存儲、運輸等物流系統高效化、合理化的關鍵，其中堆垛機作為自動化立體倉庫中必備的起重堆垛設備，具有自動化的物品分類與管理、智能化的管理、高效的物品運輸等優點，可以大大提高物流效率，降低生產管理成本。因此，自動化立體倉庫中堆垛機的結構創新設計與控制技術的優化，對于促進現代企業倉儲和物流行業發展具有一定意義。

1 自動化立體倉庫和堆垛機簡介

1.1 自動化立體倉庫

自動化立體倉庫是建立在互聯網和信息技術之上的物流倉儲中出現的一種新型倉儲概念，主要是由貨架、堆垛起重機以及入庫、出庫等貨物管理的操作控制系統等組成，在現代物流、工業生產、商品制造等領域具有廣泛的應用。相對于傳統的倉儲，自動化立體倉庫可以最大限度地利用倉庫有限的立體空間，并且借助于信息化、智能化的管理系統，大大提高貨物的入庫、分類、包裝、配送等存儲效率。

自動化立體倉庫有多種分類方式：按照建筑形式分為貨架與建筑物一體化的整體式，貨架獨立于建筑物之外的分離式倉庫；按照貨物存取形式，可與分為相對獨立的單元貨架式、可移動的移動貨架式和巷道式揀選貨架；按照貨架的結構，又分為類似單元貨架式的單元貨格式倉庫，貨架相互貫通的貫通式倉庫，沿環形路線來回運行的水平旋轉式倉庫，沿垂直面內旋轉的垂直旋轉貨架式倉庫。自動化立體倉庫有多種類型，不同的倉庫建筑形式、貨物存取形式和貨架構造，所適用的貨物類型、行業不同，在提高空間利用率、存儲效率、企業生產管理水平以及成本控制等方面發揮著重要作用。

隨著各行業的持續快速增長，自動化立體倉庫成為提高企業市場競爭力必備手段，具有廣闊的發展前景。

1.2 堆垛機

堆垛機是伴隨著現代物流行業發展和立體化倉庫發展，而形成的倉庫專用起重機械設備，其運行原理主要是在倉庫貨架之間的巷道里來回穿梭運行，進行貨物的分類、運輸、存貯等。相對于傳統的人力分揀和裝卸，堆垛機可以大大提高現代立體化倉庫的利用率和周轉率。堆垛機憑借在整體造型、取物裝置、動力控制、保護措施等方面的優勢，成為現代自動化立體倉庫的必要裝備。

堆垛機有多種分類方式：按照起升高度的不同，可以分為低層型、中層型、高層型3 類；按照有無軌道，可以分為工作范圍大的無軌堆垛機、沿軌道運行的有軌堆垛機；按照自動化程度，可以分為自動堆垛機、半自動堆垛機和手動堆垛機；按照用途的不同，可分為橋式堆垛機和巷道式堆垛機。

2 自動化立體倉庫中堆垛機的創新設計策略

2.1 堆垛機結構形式選擇

堆垛機作為自動化立體倉庫的重要設備，其結構、操作控制、安全保護等性能決定著自動化倉庫的運行效率和優劣。對于堆垛機結構形式選擇，一定要充分考慮自動化立體倉庫的建筑形式、貨物存取形式、貨架的結構以及貨物的特點，進而選擇合適的堆垛機結構。例如，對于高速重載、貨架較高的立體倉庫宜選擇雙立柱堆垛機，需要在巷道中來回穿梭運輸貨物的立體倉庫需要選擇單立柱堆垛機。就單立柱堆垛機而言，由于在實際工作中受力情況較為復雜，其穩定性、動態性相對較差。因此，在對于單立柱堆垛機結構設計時，需要充分考慮其受力情況，在保證自由度的情況下橫梁等部位要選用優質鋼材；設計斷繩保護裝置、過載保護裝置、載貨臺行程保護裝置等保護裝置；在滿足其穩定性、強度及剛度的原則下，盡可能減少其余繁雜部位的質量，節省制造成本，同時減少堆垛機加速和制動時的慣性沖擊。

2.2 堆垛機的設計要點

進行結構設計之前，需要分析針對橫梁、立柱、載貨臺、伸縮貨叉、水平行走機構、電氣控制設備等結構的受力情況，為堆垛機設計提供數據參考。在對立柱結構節點受力、下橫梁結構截面壓力、堆垛機結構靜應力、立柱結構固有振動頻率、立柱結構穩定性進行計算的基礎上，使用UG（Unigraphics NX）進行三維模型創建，根據ANSYS 仿真分析和數據計算，才能設計出具有較高穩定性、適應不同需求的合理結構，并且也可以提高設計時間、節約成本。

以巷道雙立柱堆垛機設計為例，經過需求設計、詮釋設計、參考設計實例、制作三維零部件、裝配、計算校核、確定結構尺寸、建立有限元模型、有限元分析、分析結構、設計合理性評價分析等設計流程，最后生成加工模型（表1）。

表1 巷道雙立柱堆垛機（載重3 t）的主要性能參數

2.3 堆垛機結構設計方案

在堆垛機結構設計中，為保證其結構的強度和剛性，在實際運行中能平穩、安全、快速、準確地實現貨物的搬送、分揀與運輸，必須對堆垛機的底架、立柱、升降載貨臺、升降機構、行走機構、貨叉驅動機構以及堆垛機的速度、位置、安全保護等控制裝置進行優化設計。例如，堆垛機的貨叉長度對于巷道寬度、托盤深度的適應，可以讓堆垛機存取貨時能夠快速進行行走和升降；在保障堆垛機的強度、穩定性的基礎上，盡可能減少其重量，減少摩擦阻力、提升功率。

下面以巷道雙立柱堆垛機的結構設計為例，對堆垛機的起升裝置、伸縮貨叉機構、行走機構、機體支架等結構進行設計分析。

2.3.1 起升裝置設計

合適的電機類型，是保障巷道雙立柱堆垛機高效、平穩運行的動力來源，根據自動化立體倉庫的工作要求和條件，需要甄選堅固耐用、運行可靠、運行效率高、調速范圍寬、變頻調速的三相異步交流電動機。另外需要對于鋼絲繩的拉力以及與滑輪的匹配關系、卷筒的長度、蝸輪蝸桿減速器的傳動比進行計算和數據分析，以確保巷道雙立柱堆垛機起升裝置的合理性。

2.3.2 伸縮貨叉機構

為了能夠快速、準確地進行貨物的拾取、搬運，需要在滿足其強度和剛度的同時，巷道雙立柱堆垛機的伸縮貨叉厚度盡量薄、前端的擾度控制最小。通過對于下叉、中叉、前叉的受力曲線分析，并根據其參數標準進行貨叉的軸承、齒輪、鏈輪鏈條、電機和減速器等各零部件的選取與校核，最終確定伸縮貨叉各部分結構的參數。

2.3.3 行走機構

行走輪的主動輪、從動輪，作為巷道雙立柱堆垛機的傳動結構，在選擇合適電機的前提下，通過V 形帶輪與V 形帶的設計計算、行走機構聯軸器的選擇、行走機構減速器的選取，最終確定選擇輪軸直接連接的驅動方式。

2.3.4 機體支架

對于巷道雙立柱堆垛機機架設計，要以其工況要求、昂篤要求、穩定性要求、美觀等設計準則為依據，對于機架的重量、材料、結構、裝配方式、加工工藝等進行整體設計，以保障機架的制造成本低、穩定性高、便于制造和安裝，以及抗振性、耐腐蝕性、耐磨性能好。

對于機架的設計，首先需要確定堆垛機機架的形狀、尺寸，以保證其在巷道中可以自由穿梭運行，并根據機架的形狀、尺寸來確定制造工藝。然后根據堆垛機的載荷情況、貨架結構來確定機架結構的形式，以及各裝置與結構之間的配合情況，以確定機架的基本尺寸。如機架高度為12 000 mm，立柱的長度為360 mm，立柱之間的距離為1800 mm，并且立柱之間設有雙槽，以保證堆垛機貨叉的平穩運行。

2.3.5 安全保護裝置

堆垛機作為一種起重機械，其安全可靠性是保證其平穩運行的重要保障，因此必須要為堆垛機設計和配備完善的防護裝置。

（1）終端限位保護：在堆垛機的運動方向終端設置電氣或者機械限位裝置，以實現對于堆垛機自由度的限制，以保障其安全運行。

（2）聯鎖保護裝置：堆垛機在升降起重和行走運動過程中，通過電路開合的聯動設置，來保障堆垛機的安全平穩運行。例如在堆垛機升降和行走時，貨板伸縮驅動的電路斷開，而在堆垛機貨板執行伸縮命令時，則控制堆垛機升降和行走的電路斷開。

（3）正位檢測控制：應用準確認地系統，在堆垛機工作時通過對于地址碼的準確檢測和執行，來開啟和停止堆垛機的升降和行運動工作。例如，只有當認址系統通過編碼方式準確識別到貨倉的層數、隊列，才能按照指令進行操作，而當差值為零時則停止工作。

（4）斷電保護裝置：當由于外力阻擋、內部問題而引起堆垛機故障時，通過制動器制動堆垛機的升降和行運，強行停止其工作并停止在當前狀態，以防墜落等意外發生。

3 結語

綜上所述，近些年隨著我國經濟發展和企業生產水平的不斷提高，越來越多的企業本文以巷道雙立柱堆垛機為例，在分析堆垛機工作原理的基礎上，從堆垛機的機架等重要的組成結構設計入手，通過相應的參數計算和結構選擇，設計出一種結構合理、運行平穩、準確高效且安全性能高的堆垛機，以滿足現代快速發展的自動化立體倉庫的需求。