自动化立体仓库中堆垛机的创新设计研究

尹博文

（江苏亨通智能科技有限公司，江苏苏州 215000）

0 引言

随着我国工业生产以及电子商务产业的快速发展，自动化立体仓库已经成为企业生产、存储、运输等物流系统高效化、合理化的关键，其中堆垛机作为自动化立体仓库中必备的起重堆垛设备，具有自动化的物品分类与管理、智能化的管理、高效的物品运输等优点，可以大大提高物流效率，降低生产管理成本。因此，自动化立体仓库中堆垛机的结构创新设计与控制技术的优化，对于促进现代企业仓储和物流行业发展具有一定意义。

1 自动化立体仓库和堆垛机简介

1.1 自动化立体仓库

自动化立体仓库是建立在互联网和信息技术之上的物流仓储中出现的一种新型仓储概念，主要是由货架、堆垛起重机以及入库、出库等货物管理的操作控制系统等组成，在现代物流、工业生产、商品制造等领域具有广泛的应用。相对于传统的仓储，自动化立体仓库可以最大限度地利用仓库有限的立体空间，并且借助于信息化、智能化的管理系统，大大提高货物的入库、分类、包装、配送等存储效率。

自动化立体仓库有多种分类方式：按照建筑形式分为货架与建筑物一体化的整体式，货架独立于建筑物之外的分离式仓库；按照货物存取形式，可与分为相对独立的单元货架式、可移动的移动货架式和巷道式拣选货架；按照货架的结构，又分为类似单元货架式的单元货格式仓库，货架相互贯通的贯通式仓库，沿环形路线来回运行的水平旋转式仓库，沿垂直面内旋转的垂直旋转货架式仓库。自动化立体仓库有多种类型，不同的仓库建筑形式、货物存取形式和货架构造，所适用的货物类型、行业不同，在提高空间利用率、存储效率、企业生产管理水平以及成本控制等方面发挥着重要作用。

随着各行业的持续快速增长，自动化立体仓库成为提高企业市场竞争力必备手段，具有广阔的发展前景。

1.2 堆垛机

堆垛机是伴随着现代物流行业发展和立体化仓库发展，而形成的仓库专用起重机械设备，其运行原理主要是在仓库货架之间的巷道里来回穿梭运行，进行货物的分类、运输、存贮等。相对于传统的人力分拣和装卸，堆垛机可以大大提高现代立体化仓库的利用率和周转率。堆垛机凭借在整体造型、取物装置、动力控制、保护措施等方面的优势，成为现代自动化立体仓库的必要装备。

堆垛机有多种分类方式：按照起升高度的不同，可以分为低层型、中层型、高层型3 类；按照有无轨道，可以分为工作范围大的无轨堆垛机、沿轨道运行的有轨堆垛机；按照自动化程度，可以分为自动堆垛机、半自动堆垛机和手动堆垛机；按照用途的不同，可分为桥式堆垛机和巷道式堆垛机。

2 自动化立体仓库中堆垛机的创新设计策略

2.1 堆垛机结构形式选择

堆垛机作为自动化立体仓库的重要设备，其结构、操作控制、安全保护等性能决定着自动化仓库的运行效率和优劣。对于堆垛机结构形式选择，一定要充分考虑自动化立体仓库的建筑形式、货物存取形式、货架的结构以及货物的特点，进而选择合适的堆垛机结构。例如，对于高速重载、货架较高的立体仓库宜选择双立柱堆垛机，需要在巷道中来回穿梭运输货物的立体仓库需要选择单立柱堆垛机。就单立柱堆垛机而言，由于在实际工作中受力情况较为复杂，其稳定性、动态性相对较差。因此，在对于单立柱堆垛机结构设计时，需要充分考虑其受力情况，在保证自由度的情况下横梁等部位要选用优质钢材；设计断绳保护装置、过载保护装置、载货台行程保护装置等保护装置；在满足其稳定性、强度及刚度的原则下，尽可能减少其余繁杂部位的质量，节省制造成本，同时减少堆垛机加速和制动时的惯性冲击。

2.2 堆垛机的设计要点

进行结构设计之前，需要分析针对横梁、立柱、载货台、伸缩货叉、水平行走机构、电气控制设备等结构的受力情况，为堆垛机设计提供数据参考。在对立柱结构节点受力、下横梁结构截面压力、堆垛机结构静应力、立柱结构固有振动频率、立柱结构稳定性进行计算的基础上，使用UG（Unigraphics NX）进行三维模型创建，根据ANSYS 仿真分析和数据计算，才能设计出具有较高稳定性、适应不同需求的合理结构，并且也可以提高设计时间、节约成本。

以巷道双立柱堆垛机设计为例，经过需求设计、诠释设计、参考设计实例、制作三维零部件、装配、计算校核、确定结构尺寸、建立有限元模型、有限元分析、分析结构、设计合理性评价分析等设计流程，最后生成加工模型（表1）。

表1 巷道双立柱堆垛机（载重3 t）的主要性能参数

2.3 堆垛机结构设计方案

在堆垛机结构设计中，为保证其结构的强度和刚性，在实际运行中能平稳、安全、快速、准确地实现货物的搬送、分拣与运输，必须对堆垛机的底架、立柱、升降载货台、升降机构、行走机构、货叉驱动机构以及堆垛机的速度、位置、安全保护等控制装置进行优化设计。例如，堆垛机的货叉长度对于巷道宽度、托盘深度的适应，可以让堆垛机存取货时能够快速进行行走和升降；在保障堆垛机的强度、稳定性的基础上，尽可能减少其重量，减少摩擦阻力、提升功率。

下面以巷道双立柱堆垛机的结构设计为例，对堆垛机的起升装置、伸缩货叉机构、行走机构、机体支架等结构进行设计分析。

2.3.1 起升装置设计

合适的电机类型，是保障巷道双立柱堆垛机高效、平稳运行的动力来源，根据自动化立体仓库的工作要求和条件，需要甄选坚固耐用、运行可靠、运行效率高、调速范围宽、变频调速的三相异步交流电动机。另外需要对于钢丝绳的拉力以及与滑轮的匹配关系、卷筒的长度、蜗轮蜗杆减速器的传动比进行计算和数据分析，以确保巷道双立柱堆垛机起升装置的合理性。

2.3.2 伸缩货叉机构

为了能够快速、准确地进行货物的拾取、搬运，需要在满足其强度和刚度的同时，巷道双立柱堆垛机的伸缩货叉厚度尽量薄、前端的扰度控制最小。通过对于下叉、中叉、前叉的受力曲线分析，并根据其参数标准进行货叉的轴承、齿轮、链轮链条、电机和减速器等各零部件的选取与校核，最终确定伸缩货叉各部分结构的参数。

2.3.3 行走机构

行走轮的主动轮、从动轮，作为巷道双立柱堆垛机的传动结构，在选择合适电机的前提下，通过V 形带轮与V 形带的设计计算、行走机构联轴器的选择、行走机构减速器的选取，最终确定选择轮轴直接连接的驱动方式。

2.3.4 机体支架

对于巷道双立柱堆垛机机架设计，要以其工况要求、昂笃要求、稳定性要求、美观等设计准则为依据，对于机架的重量、材料、结构、装配方式、加工工艺等进行整体设计，以保障机架的制造成本低、稳定性高、便于制造和安装，以及抗振性、耐腐蚀性、耐磨性能好。

对于机架的设计，首先需要确定堆垛机机架的形状、尺寸，以保证其在巷道中可以自由穿梭运行，并根据机架的形状、尺寸来确定制造工艺。然后根据堆垛机的载荷情况、货架结构来确定机架结构的形式，以及各装置与结构之间的配合情况，以确定机架的基本尺寸。如机架高度为12 000 mm，立柱的长度为360 mm，立柱之间的距离为1800 mm，并且立柱之间设有双槽，以保证堆垛机货叉的平稳运行。

2.3.5 安全保护装置

堆垛机作为一种起重机械，其安全可靠性是保证其平稳运行的重要保障，因此必须要为堆垛机设计和配备完善的防护装置。

（1）终端限位保护：在堆垛机的运动方向终端设置电气或者机械限位装置，以实现对于堆垛机自由度的限制，以保障其安全运行。

（2）联锁保护装置：堆垛机在升降起重和行走运动过程中，通过电路开合的联动设置，来保障堆垛机的安全平稳运行。例如在堆垛机升降和行走时，货板伸缩驱动的电路断开，而在堆垛机货板执行伸缩命令时，则控制堆垛机升降和行走的电路断开。

（3）正位检测控制：应用准确认地系统，在堆垛机工作时通过对于地址码的准确检测和执行，来开启和停止堆垛机的升降和行运动工作。例如，只有当认址系统通过编码方式准确识别到货仓的层数、队列，才能按照指令进行操作，而当差值为零时则停止工作。

（4）断电保护装置：当由于外力阻挡、内部问题而引起堆垛机故障时，通过制动器制动堆垛机的升降和行运，强行停止其工作并停止在当前状态，以防坠落等意外发生。

3 结语

综上所述，近些年随着我国经济发展和企业生产水平的不断提高，越来越多的企业本文以巷道双立柱堆垛机为例，在分析堆垛机工作原理的基础上，从堆垛机的机架等重要的组成结构设计入手，通过相应的参数计算和结构选择，设计出一种结构合理、运行平稳、准确高效且安全性能高的堆垛机，以满足现代快速发展的自动化立体仓库的需求。