岳森峰 張煜哲 周 煒 張 辰 劉友朋

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

巷道堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉庫的核心設(shè)備，各部件之間配合可實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)運(yùn)行、起升、伸縮3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)貨物出入庫的功能。貨叉是堆垛機(jī)直接實(shí)現(xiàn)伸縮動(dòng)作的部件，其與托盤貨物直接對接，貨叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與托盤貨物規(guī)格尺寸有直接的關(guān)系。

如圖1所示，貨叉機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器、定位裝置等構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在自身電動(dòng)機(jī)減速器的作用下將動(dòng)力傳遞給伸縮機(jī)構(gòu)，伸縮機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)計(jì)有齒輪，與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)嚙合可完成伸縮叉的動(dòng)作。伸縮機(jī)構(gòu)根據(jù)托盤尺寸的實(shí)際需要設(shè)計(jì)為多組，組與組之間用聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器可傳遞驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的扭矩。定位裝置一般為與傳動(dòng)軸直接相連的脈沖編碼器，可根據(jù)轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的脈沖電信號讀取貨叉的伸叉位置。

圖1 堆垛機(jī)貨叉機(jī)構(gòu)

如圖2所示，以單伸貨叉為研究對象，其伸縮機(jī)構(gòu)一般由上叉、中叉和下叉等3節(jié)叉體組成。上下叉體上均可按照實(shí)際的需要設(shè)計(jì)導(dǎo)輪和導(dǎo)靴，中叉叉體上設(shè)有與上下叉體導(dǎo)輪導(dǎo)靴配合的軌道，導(dǎo)輪和導(dǎo)靴可在軌道內(nèi)滑動(dòng)。下叉體上的齒輪系既可與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪嚙合，還可與中叉的齒條嚙合。在驅(qū)動(dòng)裝置作用下，電動(dòng)機(jī)減速器帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)齒條直線運(yùn)動(dòng)，最終拉動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)伸出和縮回，完成伸叉動(dòng)作。

圖2 單伸貨叉伸縮機(jī)構(gòu)

對于只對應(yīng)單一種類托盤的貨叉機(jī)構(gòu)，只需合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和貨叉位置，使其與該托盤尺寸對應(yīng)即可滿足該托盤的存取要求。對于需要對應(yīng)多種尺寸托盤的貨叉，可考慮在貨叉機(jī)構(gòu)中添加電磁離合裝置來適應(yīng)多規(guī)格，多尺寸貨物托盤的存儲。

本文將對某行業(yè)特定的案例進(jìn)行分析，探究適合該存儲場景的帶電磁離合裝置的貨叉設(shè)計(jì)方案，并與傳統(tǒng)貨叉設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比，最終提出一種普適于各類行業(yè)的多規(guī)格托盤存儲貨叉設(shè)計(jì)原則。

1 項(xiàng)目工況介紹

如圖3所示，某物流中心巷道區(qū)主要進(jìn)行2種物料的存儲，這2種物料存放在2種不同的托盤上，堆垛機(jī)可以一次完成1個(gè)大盤的存儲，1個(gè)小盤的存儲或2個(gè)大盤的存儲。小盤的長寬分別為L1和W1，大盤的長寬分別為L2和W2。在該項(xiàng)目中有

圖3 RMG鋼結(jié)構(gòu)示意

式中：W1為小盤的寬度，W2為大盤的寬度，L1為小盤的長度，L2為大盤的長度，l為貨格上2小盤的固定距離。

對于貨叉的伸縮機(jī)構(gòu)來說，由于2托盤的寬度一致，完成大小盤存取需要設(shè)計(jì)的長度和行程也一致；對于托盤沿巷道的尺寸來說，可以合理布置貨叉的中心距，使其滿足大小盤存儲時(shí)貨叉中心距的要求。本文將提出2種適用于該存儲方案的貨叉設(shè)計(jì)方案，并對于適用于該方案的新技術(shù)進(jìn)行展望。

2 貨叉設(shè)計(jì)方案

在本方案中，作業(yè)流程要求堆垛機(jī)可以存取一個(gè)大托盤，可以同時(shí)存取2個(gè)小托盤，也可以兼顧存取一個(gè)小托盤。小托盤的尺寸為1 000 mm×1 400 mm，大托盤的尺寸為2 100 mm×1 400 mm。

2.1 2組獨(dú)立貨叉設(shè)計(jì)方案

針對該方案的實(shí)際情況，可采用如圖4所示設(shè)計(jì)方案。該方案采用2套獨(dú)立貨叉的設(shè)計(jì)，2組貨叉之間不做硬性連接，2組貨叉采用2套獨(dú)立的控制系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立控制，完成存取貨動(dòng)作，其作業(yè)流程為：當(dāng)堆垛機(jī)執(zhí)行大托盤存取任務(wù)時(shí)（見圖4a），2組控制系統(tǒng)分別控制2組貨叉同步完成伸縮叉動(dòng)作，此時(shí)2組貨叉一同承載大托盤載荷，一起伸出和縮回，完成存取動(dòng)作。當(dāng)堆垛機(jī)執(zhí)行小托盤存取任務(wù)時(shí)（見圖4b），2組控制系統(tǒng)分別單獨(dú)控制單組貨叉完成伸縮叉動(dòng)作，完成一個(gè)小托盤的存取或2個(gè)小托盤的存取。

圖4 2組獨(dú)立貨叉的設(shè)計(jì)方案

這種方案設(shè)計(jì)較簡單、便捷，但因受到托盤尺寸限制，適用于固定的場景，應(yīng)用范圍相對較窄。在大托盤的存取過程中，2套貨叉必須嚴(yán)格同步，否則易因存在速度差而引起托盤的偏移，從而導(dǎo)致掉盤倒貨的情況出現(xiàn)，故控制難度較大。而且，2組貨叉分別為獨(dú)立的系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)數(shù)量均為2套，成本較高?；谏鲜鲈?，本文將探究另一種基于電磁離合裝置的貨叉設(shè)計(jì)方案。

2.2 基于電磁離合裝置的貨叉設(shè)計(jì)方案

針對使用2組貨叉造成的成本過高、調(diào)試繁瑣的情況，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，采用圖5所示設(shè)計(jì)方案。該方案采用含電磁離合裝置的貨叉設(shè)計(jì)方案，2組貨叉之間采用電磁離合柔性連接，PLC可以控制電磁離合器抱閘或松開，從而實(shí)現(xiàn)大小托盤的獨(dú)立存儲。

圖5 電磁離合裝置結(jié)構(gòu)原理圖

圖5為電磁離合裝置的結(jié)構(gòu)原理圖，主動(dòng)軸傳入帶鐵芯的軸套中，軸端采用螺栓軸向固定，在軸上由平鍵來傳遞扭矩。因此，軸與軸套可以保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)，軸套中有電磁線圈。被動(dòng)軸穿入帶銜鐵的軸套中，與主動(dòng)軸一樣，被動(dòng)軸也采用軸端螺栓和平鍵來進(jìn)行軸向固定和采用平鍵來傳遞扭矩。被動(dòng)軸套與主動(dòng)軸套可以滑動(dòng)式連接。當(dāng)線圈通電時(shí)，鐵芯與銜鐵被緊緊吸合在一起，依靠2軸套中主從動(dòng)摩擦片之間的摩擦力使被動(dòng)軸隨主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)線圈斷電時(shí)，銜鐵和摩擦片位置復(fù)原，離合器即失去傳遞力矩的作用。

本文考慮將電氣離合裝置應(yīng)用在雙貨叉叉體組合的實(shí)施方案中。當(dāng)堆垛機(jī)執(zhí)行大托盤存取任務(wù)時(shí)（見圖6a），PLC給電磁離合裝置抱閘的信號，電磁離合裝置鎖緊，2組貨叉被固定到一起，控制系統(tǒng)控制2組貨叉一起伸縮叉，2組貨叉被硬性連接在一起，共同承載大托盤載荷，同時(shí)伸出和縮回完成存取動(dòng)作，按照該方式也可完成2個(gè)小托盤的同時(shí)存取。當(dāng)堆垛機(jī)執(zhí)行小托盤存取任務(wù)時(shí)（見圖6b），PLC給電磁離合裝置松開的信號，驅(qū)動(dòng)裝置單獨(dú)驅(qū)動(dòng)視圖左側(cè)的單組貨叉，完成小托盤的存取動(dòng)作。

圖6 含電磁離合裝置的貨叉設(shè)計(jì)方案

相較于2套獨(dú)立貨叉的方案，該方案設(shè)計(jì)和控制更簡單便捷。在采用電磁離合的貨叉設(shè)計(jì)方案中，2組貨叉因電磁離合的抱緊而同步，不會(huì)因變頻器頻率等原因引起托盤存在偏移、掉盤的情況，降低了控制難度。而且，相較于2套獨(dú)立系統(tǒng)的方案，該方案控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)均為1套，成本更低，故該方案更有優(yōu)越性。

2.3 可變中心距的貨叉的展望

可變中心距貨叉適用于一些特定的、貨叉長度L變化較小的場合，無論對應(yīng)的是多少種托盤尺寸，均可采用貨叉中心距的改變來適配對應(yīng)尺寸的托盤。然而，該方案也有不足之處，如可變中心距的貨叉不僅需要伸縮機(jī)構(gòu)的尺寸傳動(dòng)，還需要通過傳動(dòng)裝置對2貨叉中心距進(jìn)行調(diào)整，機(jī)械機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，控制較繁瑣。同時(shí)，由于伸縮機(jī)構(gòu)必須處于中心距調(diào)整的傳動(dòng)系統(tǒng)上，采用這種設(shè)計(jì)方案的存取貨位置相對前2種方案較高，會(huì)造成立體倉庫貨位數(shù)的損失。另外，可變中心距貨叉只適用于中心距變化不大的場合，故應(yīng)用范圍不夠廣泛。最后，由于可變中心距貨叉往往是2個(gè)貨體間的中心距調(diào)整，托盤承載的面積相對較小，故其對托盤的質(zhì)量也有更為嚴(yán)格的要求?；谏鲜鲈?，可變中心距的貨叉設(shè)計(jì)方案并不適用于本項(xiàng)目。

3 總結(jié)

本文介紹了堆垛機(jī)貨叉的功能和結(jié)構(gòu)原理，并結(jié)合國內(nèi)某物流中心的布置規(guī)劃和作業(yè)流程，分析了該項(xiàng)目中與貨叉直接相關(guān)的托盤載具和貨叉設(shè)計(jì)方案。隨后提出適用于該項(xiàng)目的2種設(shè)計(jì)方案，并將其進(jìn)行對比：

1）2套獨(dú)立貨叉分別控制2套貨叉機(jī)構(gòu)的方案應(yīng)用范圍窄，控制復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)高，成本高；

2）采用基于電磁離合裝置的貨叉設(shè)計(jì)方案更簡單便捷，控制難度低，成本低。

結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)，在本項(xiàng)目中考慮采用基于電磁離合裝置的貨叉設(shè)計(jì)方案。