一种轻型高速料箱堆垛机的开发与应用

2020-03-27傅友宾纪然陈仕彬

机械工程师 2020年3期

傅友宾, 纪然, 陈仕彬

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，沈阳110168）

0 引言

作为立体仓库中的重要运输设备，在堆垛机设计过程中能否合理地选择其各项技术参数将直接影响到整座立体仓库的运行效率和经济效益[1-2]。

与世界先进水平相比，我国现有立体仓库中堆垛机技术参数的选用仍然存在着很大的提升空间[3]。水平运行速度及加速度、起升速度及加速度和货叉伸缩速度及加速度，是与堆垛机运行速度相关的几项重要参数，直接关系到出入库频率的高低。这几项参数的合理选择是设计过程中普遍存在的难题，这也是目前我国堆垛机的运行速度落后于国际先进水平的主要原因[4-5]。

本项目在总结经验的基础上，推出具有更高性能的堆垛机，特别在堆垛机主要速度参数的选择上，接近国际先进水平。在确保更高定位精度的同时提高运行速度，获得了更短的操作周期，提高了生产力，为客户提供了一种更加稳定、效率更高的自动化存储系统解决方案。

1 轻型高速料箱堆垛机机构设计

轻型高速料箱堆垛机主要构成如图1所示。下横梁采取夹轮式驱动机构；伸缩货叉采取勾取式货叉。

1.1 下横梁夹轮式驱动机构

下横梁中的运行机构为堆垛机提供动力。为了获得堆垛机运行的高加速度，运行机构采用夹轮式驱动，通过增大夹轮对轨道的夹紧力避免高加速度时驱动轮打滑。另外，优化了下横梁结构形式，使得最低取货位置大幅度下降，可更加合理地利用有效空间，增加库容量。夹轮式下横梁设计如图2所示。

1.1.1 下横梁夹紧力计算

堆垛机自重估算：总质量=下横梁质量+立柱质量+上横梁质量+载货台质量+货叉质量+电控柜质量+其他质量+货物质量=1000 kg。

下横梁夹轮采用聚氨酯轮，地轨采用特制的铝合金地轨，根据表1选取摩擦因数。

表1 聚氨酯对铝合金摩擦因数

牵引力F小于最大静摩擦力fmax时，不打滑。加速时：F-f=ma，F=f+ma= 2μ2F夹+μ2mg+ma＜fmax=2μ1F夹，F夹＞m(μ2g+a)/[2(μ1-μ2)]。其中a为堆垛机加速度，选取为2.5 m/s2。F夹＞4027 N，调整夹轮机构中的蝶形弹簧将夹紧力控制在5000 N，以使堆垛机获取相应的加速度。

1.1.2 行走电动机参数计算

行走电动机参数具体计算过程如表2所示。

表2 行走电动机参数计算表

1.2 伸缩货叉采取勾取式货叉

货叉是堆垛机中最为核心的部件。目前，国内外堆垛机生产厂商生产的堆垛机货叉大多数采用板式货叉或指式货叉。货叉需伸入至货物下方取货，故要求货架为牛腿式货架或者横梁式货架。牛腿式货架较横梁式货架结构强度低，且货架上货物的大小、类型受到限制。而采用横梁式货架配备托盘，则使储物空间缩小。另外，这两种货叉伸叉行程较长，为使货叉挠度降低，对货叉结构强度要求增高，加大了货叉自重。伸叉行程长及自重加大导致对载货台转矩增大，故对载货台结构强度的要求也随之增大[6]。

为了克服现有技术中堆垛机货叉对货架与货物的限制，以及伸叉行程长导致的挠度和转矩过大的问题，本项目中优化了货叉技术，采取伸缩式结构，在内侧货叉两端设置了货物抓取器。货物抓取器上的勾取“手指”可由手指驱动单元折进折出，用于协助推出或者拉入存储单元。勾取不需要如目前的普通指式货叉一样，需要伸入到货物下方取货，之后低速抬起、收叉，故省去了堆垛机微升和微降的时间，大大提高了堆垛机存取效率。

标准单深勾取货叉如图4所示。外叉、中叉、内叉之间由同步皮带和同步带轮进行传动，内叉相对于中叉以两倍的速度进行伸缩。内叉上设置有货物抓取器，用于协助推出或者拉入存储单元。伸叉电动机通过驱动装置带动双面齿形带，双面齿形带与中叉的中叉板连接，双面齿形带将伸叉电动机的动力传递至中叉以使其进行伸缩动作。

2 堆垛机效率计算

在自动化立体仓库中，可以通过单一作业和复合作业这两种基本方式进行货物存取。单一作业方式为：堆垛机从出入库台取出货物单元送到选定货位，然后返回巷道口的出入库台。复合作业方式为：堆垛机从出入库台取出货物单元送到选定的货位后直接空载转移到另一个给定货位，再次取出其中的货物单元并回到出入库台出库的[7]。目前我国的堆垛机的单一作业和复合作业的出入库能力均与国外堆垛机有较大差距。

本项目通过优化堆垛机参数，以及缩短信号传递、调整对位时间，提高了堆垛机的出入库能力。根据FEM9.851巷道堆垛机作业时间计算方法，以巷道长度为50 m，高度为6 m的料箱立体仓库为例，如图5所示，取P1(X/5，2Y/3+Ye/3）和P2(2X/3，Y/5+Ye/3)两点计算平均单一作业循环时间[8]。其中：X为堆垛机行走方向坐标；Y为堆垛机提升方向坐标；E点为出入库授货台位置；Ye为授货台在Y方向的坐标值。根据上述公式得出本项目中高速料箱堆垛机的单一出入库能力为90 箱/h，非常接近国外先进堆垛机的出入库能力。