王 嬌 ，王引衛(wèi) ，王興爍

（西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

0 引言

毋庸置疑，物流離不開貨物儲(chǔ)存。以前物流行業(yè)用于存儲(chǔ)貨物的普通倉庫是以人力為勞動(dòng)力，輸送車和叉車為設(shè)備的，這種倉庫操作煩瑣，不能更好地利用空間。而自動(dòng)化立體倉庫是高度機(jī)械化、半自動(dòng)化甚至完全自動(dòng)化的立體型倉庫[1]，這種倉庫能夠更好地利用空間，使操作變得簡(jiǎn)單方便，還能提高生產(chǎn)效率。

堆垛機(jī)是立體倉庫的核心設(shè)備，作用就是通過堆垛機(jī)的升降、橫移、伸縮等功能來實(shí)現(xiàn)貨物準(zhǔn)確快速的存取功能。山東阿特拉斯智能科技有限公司的杜毅針對(duì)堆垛機(jī)進(jìn)行了研究，分析了堆垛機(jī)的分類和特點(diǎn)。堆垛機(jī)有多種多樣的形式，其中包括單立柱型堆垛機(jī)、雙立柱型堆垛機(jī)、平衡式堆垛機(jī)等等[2]。

單立柱堆垛機(jī)的重量相對(duì)較輕、結(jié)構(gòu)也比較緊湊，但由于采用單立柱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致機(jī)架沒有形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，貨叉在工作時(shí)受到的工作阻力有可能會(huì)使立柱產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。所以本設(shè)計(jì)在采用單立柱結(jié)構(gòu)時(shí)，立柱的材料要選擇能夠抵抗工作阻力所帶來彎曲作用的材料，并且機(jī)架還要有較高的精度。

單立柱堆垛機(jī)的橫移機(jī)構(gòu)沿著天軌、地軌向X軸運(yùn)行，升降機(jī)構(gòu)沿Z軸方向帶動(dòng)載貨臺(tái)和貨叉伸縮機(jī)構(gòu)上下運(yùn)行，貨叉伸縮機(jī)構(gòu)沿Y軸方向伸出或縮回，通過這三個(gè)主要機(jī)構(gòu)以及一些輔助機(jī)構(gòu)配合運(yùn)行，以此來實(shí)現(xiàn)存放或取走貨物的功能。

1 單立柱堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 堆垛機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

堆垛機(jī)的機(jī)架主要由下橫梁、立柱以及其他部件組成。立柱是機(jī)架最重要的組成部分，主要起支撐作用，在立柱上面安置導(dǎo)軌，可使載貨臺(tái)承載著貨叉伸縮機(jī)構(gòu)沿著導(dǎo)軌上升和下降，同時(shí)機(jī)架還能隨著橫移機(jī)構(gòu)沿著地軌和天軌保持橫移的穩(wěn)定，并且立柱還能夠承載載貨臺(tái)以及貨叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝卸工作時(shí)所產(chǎn)生的彎矩。而安裝立柱的下橫梁也受到彎矩作用，因此下橫梁要滿足一定的強(qiáng)度、硬度，避免變形損壞。

升降機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)都安裝在機(jī)架上，并且在機(jī)架上配置有電氣控制系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置等，使堆垛機(jī)的整體機(jī)構(gòu)較為緊湊，減少了所占用的空間。

由于堆垛機(jī)的機(jī)架承受載荷比較大，所以堆垛機(jī)的機(jī)架應(yīng)滿足一定剛度和強(qiáng)度的要求，以此來避免機(jī)架的沖擊損壞、振動(dòng)破壞以及彎曲損壞。本次設(shè)計(jì)機(jī)架結(jié)構(gòu)是由質(zhì)量較好的鋼材焊接而成的，相對(duì)來說較為穩(wěn)固。立柱的垂直度必須在機(jī)架裝配成型后進(jìn)行調(diào)整，用來補(bǔ)償堆垛機(jī)在工作時(shí)所承受的載荷對(duì)立柱帶來的彈性變形。

1.2 工作原理

單立柱堆垛機(jī)主要由橫移機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、載貨臺(tái)以及貨叉伸縮機(jī)構(gòu)四個(gè)部分組成。升降機(jī)構(gòu)承載著載貨臺(tái)和貨叉伸縮機(jī)構(gòu)與立柱相連，并在電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，立柱與橫移機(jī)構(gòu)相連，在橫移機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)在堆垛機(jī)的工作過程中，橫移機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下承載著堆垛機(jī)整體沿著Y軸方向運(yùn)行，當(dāng)達(dá)到指定位置時(shí)，橫移機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行，同時(shí)堆垛機(jī)的升降機(jī)構(gòu)開始工作，升降機(jī)構(gòu)通過升降電機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)載貨臺(tái)承載著貨叉伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行升降，為節(jié)省時(shí)間，橫移機(jī)構(gòu)與升降機(jī)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行工作，當(dāng)達(dá)到與貨架相對(duì)應(yīng)的高度時(shí)，升降機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行，并且貨叉伸縮機(jī)構(gòu)開始工作。通過橫移機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)以及貨叉伸縮機(jī)構(gòu)的配合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)存取貨物的功能。

2 主要部位設(shè)計(jì)

2.1 堆垛機(jī)的載貨臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

載貨臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)互相垂直的框架焊接而成，一個(gè)框架水平放置，一個(gè)框架垂直放置。水平框架一般由矩形的鋼管焊接而成，其在升降機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下可承載貨叉伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行升降。使用矩形的鋼管不但總體重量較輕，而且能夠滿足強(qiáng)度要求；其升降動(dòng)滑輪和安全保護(hù)裝置安裝在垂直框架上，以升降電機(jī)來驅(qū)動(dòng)卷筒，通過鋼絲繩帶動(dòng)載貨臺(tái)進(jìn)行上升和下降。為了保證載貨臺(tái)可以平穩(wěn)升降，在載貨臺(tái)上安裝了四個(gè)導(dǎo)向輪和四個(gè)滾輪。導(dǎo)向輪設(shè)置在垂直框架上，其目的是防止載貨臺(tái)在工作過程中沿Y軸方向晃動(dòng)。滾輪設(shè)置在導(dǎo)軌的左右兩側(cè)，滾輪除了導(dǎo)向作用外，還能夠承載工作阻力對(duì)載貨臺(tái)產(chǎn)生的彎矩作用。

2.2 堆垛機(jī)貨叉伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

組成堆垛機(jī)貨叉伸縮機(jī)構(gòu)的主要部件有固定貨叉、中間貨叉和上層貨叉，各貨叉之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力是通過鏈輪和鏈條來傳遞的。固定叉直接與載貨臺(tái)相連，將鏈輪裝在固定貨叉上，在鏈輪的軸上安裝小型卷筒，在卷筒上纏繞鋼絲繩。通過卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)從而達(dá)到貨叉伸出和收縮的功能。貨叉伸縮機(jī)構(gòu)在工作過程中，固定貨叉不動(dòng)，中間貨叉在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下向前伸出中間貨叉長(zhǎng)度的三分之二；上層貨叉在中間貨叉伸出的同時(shí)，也向外伸出上層貨叉的三分之二?？偟膩碚f，中間貨叉相對(duì)于伸出總長(zhǎng)度來說占了三分之一，上層貨叉相對(duì)于伸出總長(zhǎng)度來說占了三分之二，伸出總距離為一個(gè)貨叉的長(zhǎng)度。其中單根貨叉長(zhǎng)度為1000 mm，貨叉運(yùn)行速度選取10 m/min，其中軸承選擇代號(hào)為6340的深溝球軸承，通過計(jì)算及查表，該型號(hào)軸承滿足壽命要求。通過計(jì)算得其鏈輪、鏈條的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：鏈條型號(hào)12A-1；鏈輪齒數(shù)z1=21，z2=63，鏈節(jié)數(shù)為118；中心距為710 mm。

2.3 堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

堆垛機(jī)的升降機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過減速器后驅(qū)動(dòng)卷筒，再由卷筒帶動(dòng)柔性件提升載貨臺(tái)，在載貨臺(tái)承載貨物進(jìn)行升降過程中，需要導(dǎo)向部件進(jìn)行輔助[3]。為了使載貨臺(tái)能夠平穩(wěn)停車，當(dāng)載貨臺(tái)即將達(dá)到與所需存儲(chǔ)貨架對(duì)應(yīng)的高度時(shí)，需要開啟制動(dòng)器。柔性件作為連接電動(dòng)機(jī)與載貨臺(tái)、并且向載貨臺(tái)傳遞動(dòng)力的一個(gè)零件，是升降機(jī)構(gòu)中不能缺少的零件之一。升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)行需要靠電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力才能工作。但是，由于升降機(jī)構(gòu)的載貨臺(tái)需要承載貨物進(jìn)行上升和下降，在工作時(shí)其位置是不固定的，因此，不能把電動(dòng)機(jī)和工作機(jī)構(gòu)直接相連的，需要在電動(dòng)機(jī)和工作機(jī)構(gòu)之間加入能傳遞動(dòng)力或改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的柔性件。目前，升降機(jī)構(gòu)常用的柔性件有傳動(dòng)帶、鏈條及鋼絲繩。由于鋼絲繩具有撓性和柔韌性好、自重輕、強(qiáng)度高、耐沖擊、承載能力大、成本低廉、平穩(wěn)可靠等特點(diǎn)，所以在此選用型號(hào)為12.5NAT6*7+FC1700ZS的鋼絲繩作為升降機(jī)構(gòu)的起重柔性件[4]。為了使鋼絲繩與滑輪的輪槽有足夠的接觸面積，并且為鋼絲繩留有一定的偏斜度，與鋼絲繩配套使用的嵌入式的滑輪組[5]中滑輪外徑D=355 mm，軸徑D0=45 mm，槽底半徑R=7 mm。升降機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)需要鋼絲繩縮回或伸出，為了能夠滿足這個(gè)功能，對(duì)鋼絲繩的收放需要卷筒裝置來完成。目前來說電纜卷筒可按照鋼絲繩在卷筒上的纏繞層數(shù)分為單層卷繞和多層卷繞卷筒兩種形式[6]。單層卷筒摩擦力大，不易打滑，所以本設(shè)計(jì)采用單層卷繞圓柱形卷繞卷筒，此卷筒的直徑D=250 mm；標(biāo)準(zhǔn)槽形槽距P=13.5 mm；最大升降高度H=10 m；滑輪組倍率α=2.0。其卷筒的輸出扭矩為M=1029 N·m。由于堆垛機(jī)的啟動(dòng)負(fù)載較大，在工作時(shí)啟動(dòng)、制動(dòng)、換向及調(diào)速較為頻繁，因此要求堆垛機(jī)要有較高的工作穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)選擇的YZR系列繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)、制動(dòng)平穩(wěn)可靠，能承受一定沖擊載荷，進(jìn)行頻繁啟動(dòng)，啟動(dòng)電流較小，方便調(diào)速的特點(diǎn)[7]，其型號(hào)為Y160L-6，額定功率為11 kW，滿載轉(zhuǎn)速為n=970 r/min。根據(jù)減速器和制動(dòng)器的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用二級(jí)展開式圓柱齒輪減速器和常閉盤式制動(dòng)器。

2.4 堆垛機(jī)橫移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

橫移機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式選用下部支撐地面驅(qū)動(dòng)式，以電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)行走輪，從而帶動(dòng)堆垛機(jī)整體進(jìn)行移動(dòng)。其行走路線是沿著地軌進(jìn)行的，為了運(yùn)行更加平穩(wěn)，在橫移機(jī)構(gòu)的上方安裝導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪沿著天軌運(yùn)行，由于天軌和地軌具有導(dǎo)向作用，所以都要滿足一定的強(qiáng)度和剛度要求。天軌可以采用抗彎能力強(qiáng)的H型鋼，地軌可以采用抗彎能力良好的輕型鋼軌[8]，其鋼軌寬度B=64 mm，鋼軌頭部的圓角半徑在此取r=2 mm。由于此類驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在下方，因此便于維護(hù)。其中下橫梁采用口字鋼結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為5500 mm。其行走輪按照形式可將行走輪分為有帶輪緣的行走輪和無輪緣的行走輪，由于有帶輪緣的行走輪在工作時(shí)不僅起到了支撐的作用，還具有一定的導(dǎo)向作用，所以本設(shè)計(jì)在堆垛機(jī)的橫移機(jī)構(gòu)中，選擇有帶輪緣的行走輪[9]，其踏面直徑D=350 mm，行走輪軸徑d=80 mm。由于單立柱堆垛機(jī)的橫移機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)和沖擊，啟動(dòng)載荷也相對(duì)較大，需要使用過載能力較大的電動(dòng)機(jī)，因此橫移機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)選用YZR系列繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)，與升降機(jī)構(gòu)所選電機(jī)同類型，其型號(hào)為Y132S-4，額定功率為5.5 kW，滿載轉(zhuǎn)速為n=1440 r/min。由于在堆垛機(jī)水平方向的阻力相對(duì)來說不大，只要減速器輸出一定的轉(zhuǎn)矩即可滿足堆垛機(jī)的正常工作，所以在設(shè)計(jì)中橫移機(jī)構(gòu)選用展開式二級(jí)圓柱齒輪減速器即可滿足使用要求。至于制動(dòng)器，由于水平橫移速度較大，所以選用工作平穩(wěn)可靠、壽命長(zhǎng)的盤式常開式制動(dòng)器[10]。

3 總結(jié)

從零件的選型到部件的組裝再到形成裝配圖，筆者在這里用CAX CAD繪制了裝配圖，如圖1所示。

圖1 堆垛機(jī)裝配圖

設(shè)計(jì)內(nèi)容包括產(chǎn)品的選材和選型以及強(qiáng)度的校核。將整機(jī)劃分為機(jī)架結(jié)構(gòu)、載貨臺(tái)機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)五個(gè)部分。單立柱堆垛機(jī)的橫移機(jī)構(gòu)沿著X軸運(yùn)行，升降機(jī)構(gòu)沿Z軸方向帶動(dòng)載貨臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，貨叉伸縮機(jī)構(gòu)沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)，通過這三個(gè)主要機(jī)構(gòu)以及一些輔助機(jī)構(gòu)配合運(yùn)行，以此來實(shí)現(xiàn)貨物的存取功能。立體倉庫堆垛機(jī)具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。在這個(gè)網(wǎng)購盛行的時(shí)代，立體倉庫堆垛機(jī)為自動(dòng)化倉庫提供了極大的便利，使工作效率得到了極大提高，避免了人力勞動(dòng)效率低下的問題，還降低了人力成本。