自动化立体仓库中堆垛机的设计
Design of stacking crane in automated warehouse
金琦淳1，胡 元1，崔 吉2 JIN Qi-chun1, HU Yuan1, CUI Ji2
（1. 中国矿业大学 机电工程学院，徐州 221116；2. 中国矿业大学 徐海学院，徐州 221008 ）摘 要： 堆垛机是自动化立体仓库中重要的起重堆垛设备，本文根据堆垛机的特点和设计要点，详细
论述了堆垛机存取货机构、提升机构、行走机构和安全保护装置的设计方案，其中存取货机构采用了单级齿条式伸缩货板传动的方案实现了立体仓库中货物的存取搬运，提升机构采用了卷筒组驱动钢丝绳进行牵引的方案实现了堆垛机的垂直升降运动，行走机构采用了链传动驱动的方案实现了堆垛机的水平行走运动，堆垛机配备有完善的安全保护装置，保证了起重堆垛的安全可靠。本文设计的堆垛机结构简洁、美观、合理，具有广阔的实际应用前景。
关键词： 自动化立体仓库；堆垛机；设计
中图分类号：TH246 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2012)4(下)-0116-03Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2012.4(下).34
0 引言
自动化立体仓库由于具有空间利用率高、生产效率高，并且采用计算机进行控制管理，又有利于企业实现现代化管理等优点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术。巷道堆垛机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，通常简称为堆垛机[1]。它是自动化立体仓库中的主要作业机械，担负着出库、进库、盘库等任务,是自动化立体仓库的核心设备，自动化立体仓库的发展是以堆垛机的发展为主要标志，因此对堆垛机的研究成为了自动化立体仓库领域的热点。
成，整机重量较轻，制造工时和材料消耗少，适用于起重量2t以下、起升高度在16m以下的仓库。双立柱堆垛机的机架结构由两根立柱和上、下横梁组成一个矩形框架，结构的刚度和强度较好，质量比单立柱大，适用于各种起升高度的仓库，起重量一般可达5t，必要时还能更大,可用于高速运行。本文以单立柱堆垛机为设计对象。
3 堆垛机设计要点
本设计中的堆垛机在接受控制系统指令后能够在自动化立体仓库巷道中来回穿梭运行，将位于巷道口一定重量的货物存入货仓，或者相反取出货仓内的货物运送到巷道口。为使堆垛机能够准确、快速、平稳、安全运送货物出入库，必须注意以下设计要点[3, 4]：
1）能实现三个自由度运动功能，即堆垛机沿巷道水平运动、载货台垂直运动、存取货机构沿货仓方向双向伸缩，并具备电气和机械安全保护措施，堆垛方式准确安全。
2）在满足强度、刚度和可靠性的前提下，尽量减小堆垛机各部分的重量、体积，从而减小能耗，使得结构简单、外形美观、操作方便。
1 堆垛机运行方式选择
堆垛机按照运行方式可分为无轨巷道式和有轨巷道式[1]。无轨堆垛机适用于作业次数不太频繁、作业高度不太大的仓库，特别是在普通仓库改造成中、低层货架的仓库时，尤为适用。与无轨巷道式堆垛机相比，有轨巷道式堆垛机在结构上有很大不一样：它采用钢轮在轨道上运行，使其能沿着仓库巷道内设置好的地轨水平运行，作业高度视立体仓库的高度而定。本文选择设计有轨巷道式堆垛机。
2 堆垛机结构形式选择
巷道式堆垛机按结构可分为单立柱型和双立柱型[2]。单立柱堆垛机的机架结构由一根立柱、上横梁和下横梁组成，或仅由一根立柱和下横梁组
4 堆垛机结构设计
根据以上设计思路所设计的有轨巷道式单立柱堆垛机的结构如图1所示，主要由存取货机构、提升机构、行走机构和安全保护装置等组成。
收稿日期：2011-10-08
作者简介：金琦淳（1988－），男，江苏无锡人，硕士研究生，研究方向为机械制造等。【116】 第34卷 第4期 2012-4(下)
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高、拆装维修方便，其结构如图2所示。存取货机构的货物存取搬运功能通过齿轮—齿条传动和链条传动两种传动形式来实现：齿轮齿条传动方式如图3所示，它是将主、从动轴齿轮的旋转运动转化为单级齿条式伸缩货板的直线运动，从而能使货板沿着货仓方向双向伸缩以取送货物，传动精度高，定位准确；链传动实现了齿条式伸缩货板由主动轴齿轮向从动轴齿轮运动的过渡，从而保证了传动的连续性。齿条式伸缩货板与固定在箱体上的滚动导轨副[5]装配，大大减小了货板工作时的摩擦阻力，降低了能耗。
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1. 定滑轮；2. U型立柱；3. 钢丝绳；4. 导向轮；5. 提升机构；6. 行走机构；7. 地轨；8. 提升箱体；9. 存取货机构
1. 齿条式货板；2. 主动轴齿轮
图3 齿轮齿条传动简图
图1 有轨巷道式单立柱堆垛机结构图
4.1 存取货机构
存取货机构的主要功能是实现货物的存取搬运，是堆垛机存取货物的执行机构，装设在载货台上，目前最常用的是三级直线差动式伸缩货叉[2]，它由上叉、中叉、下叉和起导向作用的滚针轴承等构成，该机构为了保证在巷道内有足够的伸缩行程取送货物，其运动关系和结构较复杂，且当仓库内巷道宽度比较宽时，其实用性不强。本文设计的存取货机构运动关系和结构简化、强度提
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4.2 提升机构
提升机构的主要功能是实现堆垛机存取货机构的垂直运动，目前有部分堆垛机的提升机构是靠起重链柔性件来进行牵引[1]。本文设计的提升机构是采用卷筒组驱动钢丝绳进行牵引的方案，其结构如图1所示：钢丝绳由卷筒引出，经过上横梁上的定滑轮改变方向以后，与承载存取货机构的提升箱连接，通过牵引提升箱来带动存取货机构升降，当到达指定仓位层时，制动器动作，使提升箱平稳、准确地停住。U型立柱作为提升箱上导向轮的导轨，保证了提升箱升降时不发生偏摆。上横梁上设置的滑轮组[6, 7]，不仅防止了钢丝绳发生跳绳的情况，且使U型立柱两侧受力基本保持平衡，确保了堆垛机进行提升时的稳定性。与起重链牵引相比较，钢丝绳牵引的优越处在于：工作平稳；无噪音；自重较轻；钢丝绳在破断以前，外面的钢丝先断裂和松散，容易发现以便及时更换[8]；在堆垛机、货仓的刚强度等条件允许范围内，根据实际需要改变卷筒组规格，就能改变堆垛机提升物品的重量范围。
4.3 行走机构
行走机构的主要功能是实现堆垛机沿巷道方向的水平运动，目前常用的行走机构有上部行走
第34卷 第4期 2012-4(下) 【117】
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1. 齿条式货板；2. 滚动导轨副；3. 传动链；4. 链轮；5. 从动轴齿轮；6. 减速电机
图2 存取货机构结构图
式的悬挂型和货架支撑型[2]：上部行走式的悬挂型行走机构采用车轮在悬挂于屋架下弦的工字钢下翼缘上行走，下部设有水平导轮；货架支撑型的行走机构采用上部车轮沿着巷道两侧货架顶部的两根轨道行走，下部也设有水平导轮。但是这两种型式的行走机构都不便于对其进行保养和维修。本文设计的堆垛机采用地面行走式的地面支撑型行走机构，即下部驱动下部支撑型行走机构，其结构如图4所示。堆垛机的水平行走运动通过链传动方案来实现：行走机构通过链传动驱动主动行走轮组，从而带动从动行走轮组以一定速度安全可靠地在地轨上水平行走，链传动的优点[6]是：适用于传动中心距较大的场合；易于布置、安装、调整、结构简单、经济方便；具有较好的缓冲、吸振性能。
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该系统用二进制编码方式分别表示货仓的层、列数，堆垛机在运行时直接检测地址码，并同时与指令给定的地址作比较，当差值为一定数值时进行减速，差值为零时，堆垛机停止。
4）货位虚实检测。存取货机构工作前，还需要先探测货仓内有无货物，以防止货物双重入库，探测器应用反射式光电开关。
5）断电保护。发生意外断电时，通过制动器制动提升电机使提升箱停在当前位置，不致坠落。
5 结束语
本文详细论述了现代企业中有轨巷道式单立柱堆垛机的设计方案，所设计的堆垛机结构简洁、美观、合理，具有广阔的实际应用前景。随着我国经济持续高速的发展，企业对现代物流的关注和应用会越来越广泛。堆垛机性能和效率的改善，将更好的提高物流技术水平，从而推动国民经济建设，带来更大的社会和经济效益。参考文献：
[1] 陈军. 物流自动化设备[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社,
2009.
[2] 肖生苓. 现代物流装备[M]. 北京: 科学出版社, 2009.[3] 张岩军, 王忠宾. 新型有轨巷道式单立柱堆垛机的设计
[J]. 起重运输机械, 2011, (3): 12-15.
[4] 郭环, 禹永伟. 自动化立体仓库中堆垛机的设计[J]. 物流
技术, 2002, (3): 17-18.
[5] 尹志强. 机电一体化系统设计课程设计指导书[M]. 安
徽: 合肥工业大学出版社, 2003.
[6] 程志红. 机械设计[M]. 南京: 东南大学出版社, 2006.[7] 王文斌. 机械设计手册(第二卷)[M]. 北京: 机械工业出版
社, 2001.
[8] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京:化学工业出版社, 2009.[9] Min S. Ko, Hey S.Shin, G.N.Wang, Sang C.Park. Machine
Control Level Simulation of an AS/RS in the Automotive Industry[J]. Proceedings of the 2010 Winter Simulation Conference: 1727-1737.
1. 链轮；2. 传动链；3. 行走电机；4. 从动行走钢轮
图4 行走机构结构图
4.4 安全保护装置
作为一种重要的起重机械，堆垛机的安全性和可靠性非常重要，必须有完善的防护措施，其中主要的安全保护装置如下：
1）终端限位保护。堆垛机的三自由度运动终端处设有机械和电气限位装置。
2）联锁保护。堆垛机执行升降和行走运动时，货板伸缩驱动电路断开；货板伸缩工作时，升降和行走驱动电路断开。升降和行走运动可同时进行。
3）正位检测控制。只有当自动认址系统检测到堆垛机在垂直和水平方向已停准时，存取货机构才能工作。认址系统应用绝对数字认址系统[9]，
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自动化立体仓库中堆垛机的设计
Design of stacking crane in automated warehouse
金琦淳1，胡 元1，崔 吉2 JIN Qi-chun1, HU Yuan1, CUI Ji2
（1. 中国矿业大学 机电工程学院，徐州 221116；2. 中国矿业大学 徐海学院，徐州 221008 ）摘 要： 堆垛机是自动化立体仓库中重要的起重堆垛设备，本文根据堆垛机的特点和设计要点，详细
论述了堆垛机存取货机构、提升机构、行走机构和安全保护装置的设计方案，其中存取货机构采用了单级齿条式伸缩货板传动的方案实现了立体仓库中货物的存取搬运，提升机构采用了卷筒组驱动钢丝绳进行牵引的方案实现了堆垛机的垂直升降运动，行走机构采用了链传动驱动的方案实现了堆垛机的水平行走运动，堆垛机配备有完善的安全保护装置，保证了起重堆垛的安全可靠。本文设计的堆垛机结构简洁、美观、合理，具有广阔的实际应用前景。
关键词： 自动化立体仓库；堆垛机；设计
中图分类号：TH246 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2012)4(下)-0116-03Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2012.4(下).34
0 引言
自动化立体仓库由于具有空间利用率高、生产效率高，并且采用计算机进行控制管理，又有利于企业实现现代化管理等优点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术。巷道堆垛机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，通常简称为堆垛机[1]。它是自动化立体仓库中的主要作业机械，担负着出库、进库、盘库等任务,是自动化立体仓库的核心设备，自动化立体仓库的发展是以堆垛机的发展为主要标志，因此对堆垛机的研究成为了自动化立体仓库领域的热点。
成，整机重量较轻，制造工时和材料消耗少，适用于起重量2t以下、起升高度在16m以下的仓库。双立柱堆垛机的机架结构由两根立柱和上、下横梁组成一个矩形框架，结构的刚度和强度较好，质量比单立柱大，适用于各种起升高度的仓库，起重量一般可达5t，必要时还能更大,可用于高速运行。本文以单立柱堆垛机为设计对象。
3 堆垛机设计要点
本设计中的堆垛机在接受控制系统指令后能够在自动化立体仓库巷道中来回穿梭运行，将位于巷道口一定重量的货物存入货仓，或者相反取出货仓内的货物运送到巷道口。为使堆垛机能够准确、快速、平稳、安全运送货物出入库，必须注意以下设计要点[3, 4]：
1）能实现三个自由度运动功能，即堆垛机沿巷道水平运动、载货台垂直运动、存取货机构沿货仓方向双向伸缩，并具备电气和机械安全保护措施，堆垛方式准确安全。
2）在满足强度、刚度和可靠性的前提下，尽量减小堆垛机各部分的重量、体积，从而减小能耗，使得结构简单、外形美观、操作方便。
1 堆垛机运行方式选择
堆垛机按照运行方式可分为无轨巷道式和有轨巷道式[1]。无轨堆垛机适用于作业次数不太频繁、作业高度不太大的仓库，特别是在普通仓库改造成中、低层货架的仓库时，尤为适用。与无轨巷道式堆垛机相比，有轨巷道式堆垛机在结构上有很大不一样：它采用钢轮在轨道上运行，使其能沿着仓库巷道内设置好的地轨水平运行，作业高度视立体仓库的高度而定。本文选择设计有轨巷道式堆垛机。
2 堆垛机结构形式选择
巷道式堆垛机按结构可分为单立柱型和双立柱型[2]。单立柱堆垛机的机架结构由一根立柱、上横梁和下横梁组成，或仅由一根立柱和下横梁组
4 堆垛机结构设计
根据以上设计思路所设计的有轨巷道式单立柱堆垛机的结构如图1所示，主要由存取货机构、提升机构、行走机构和安全保护装置等组成。
收稿日期：2011-10-08
作者简介：金琦淳（1988－），男，江苏无锡人，硕士研究生，研究方向为机械制造等。【116】 第34卷 第4期 2012-4(下)
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高、拆装维修方便，其结构如图2所示。存取货机构的货物存取搬运功能通过齿轮—齿条传动和链条传动两种传动形式来实现：齿轮齿条传动方式如图3所示，它是将主、从动轴齿轮的旋转运动转化为单级齿条式伸缩货板的直线运动，从而能使货板沿着货仓方向双向伸缩以取送货物，传动精度高，定位准确；链传动实现了齿条式伸缩货板由主动轴齿轮向从动轴齿轮运动的过渡，从而保证了传动的连续性。齿条式伸缩货板与固定在箱体上的滚动导轨副[5]装配，大大减小了货板工作时的摩擦阻力，降低了能耗。
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1. 定滑轮；2. U型立柱；3. 钢丝绳；4. 导向轮；5. 提升机构；6. 行走机构；7. 地轨；8. 提升箱体；9. 存取货机构
1. 齿条式货板；2. 主动轴齿轮
图3 齿轮齿条传动简图
图1 有轨巷道式单立柱堆垛机结构图
4.1 存取货机构
存取货机构的主要功能是实现货物的存取搬运，是堆垛机存取货物的执行机构，装设在载货台上，目前最常用的是三级直线差动式伸缩货叉[2]，它由上叉、中叉、下叉和起导向作用的滚针轴承等构成，该机构为了保证在巷道内有足够的伸缩行程取送货物，其运动关系和结构较复杂，且当仓库内巷道宽度比较宽时，其实用性不强。本文设计的存取货机构运动关系和结构简化、强度提
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4.2 提升机构
提升机构的主要功能是实现堆垛机存取货机构的垂直运动，目前有部分堆垛机的提升机构是靠起重链柔性件来进行牵引[1]。本文设计的提升机构是采用卷筒组驱动钢丝绳进行牵引的方案，其结构如图1所示：钢丝绳由卷筒引出，经过上横梁上的定滑轮改变方向以后，与承载存取货机构的提升箱连接，通过牵引提升箱来带动存取货机构升降，当到达指定仓位层时，制动器动作，使提升箱平稳、准确地停住。U型立柱作为提升箱上导向轮的导轨，保证了提升箱升降时不发生偏摆。上横梁上设置的滑轮组[6, 7]，不仅防止了钢丝绳发生跳绳的情况，且使U型立柱两侧受力基本保持平衡，确保了堆垛机进行提升时的稳定性。与起重链牵引相比较，钢丝绳牵引的优越处在于：工作平稳；无噪音；自重较轻；钢丝绳在破断以前，外面的钢丝先断裂和松散，容易发现以便及时更换[8]；在堆垛机、货仓的刚强度等条件允许范围内，根据实际需要改变卷筒组规格，就能改变堆垛机提升物品的重量范围。
4.3 行走机构
行走机构的主要功能是实现堆垛机沿巷道方向的水平运动，目前常用的行走机构有上部行走
第34卷 第4期 2012-4(下) 【117】
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1. 齿条式货板；2. 滚动导轨副；3. 传动链；4. 链轮；5. 从动轴齿轮；6. 减速电机
图2 存取货机构结构图
式的悬挂型和货架支撑型[2]：上部行走式的悬挂型行走机构采用车轮在悬挂于屋架下弦的工字钢下翼缘上行走，下部设有水平导轮；货架支撑型的行走机构采用上部车轮沿着巷道两侧货架顶部的两根轨道行走，下部也设有水平导轮。但是这两种型式的行走机构都不便于对其进行保养和维修。本文设计的堆垛机采用地面行走式的地面支撑型行走机构，即下部驱动下部支撑型行走机构，其结构如图4所示。堆垛机的水平行走运动通过链传动方案来实现：行走机构通过链传动驱动主动行走轮组，从而带动从动行走轮组以一定速度安全可靠地在地轨上水平行走，链传动的优点[6]是：适用于传动中心距较大的场合；易于布置、安装、调整、结构简单、经济方便；具有较好的缓冲、吸振性能。
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该系统用二进制编码方式分别表示货仓的层、列数，堆垛机在运行时直接检测地址码，并同时与指令给定的地址作比较，当差值为一定数值时进行减速，差值为零时，堆垛机停止。
4）货位虚实检测。存取货机构工作前，还需要先探测货仓内有无货物，以防止货物双重入库，探测器应用反射式光电开关。
5）断电保护。发生意外断电时，通过制动器制动提升电机使提升箱停在当前位置，不致坠落。
5 结束语
本文详细论述了现代企业中有轨巷道式单立柱堆垛机的设计方案，所设计的堆垛机结构简洁、美观、合理，具有广阔的实际应用前景。随着我国经济持续高速的发展，企业对现代物流的关注和应用会越来越广泛。堆垛机性能和效率的改善，将更好的提高物流技术水平，从而推动国民经济建设，带来更大的社会和经济效益。参考文献：
[1] 陈军. 物流自动化设备[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社,
2009.
[2] 肖生苓. 现代物流装备[M]. 北京: 科学出版社, 2009.[3] 张岩军, 王忠宾. 新型有轨巷道式单立柱堆垛机的设计
[J]. 起重运输机械, 2011, (3): 12-15.
[4] 郭环, 禹永伟. 自动化立体仓库中堆垛机的设计[J]. 物流
技术, 2002, (3): 17-18.
[5] 尹志强. 机电一体化系统设计课程设计指导书[M]. 安
徽: 合肥工业大学出版社, 2003.
[6] 程志红. 机械设计[M]. 南京: 东南大学出版社, 2006.[7] 王文斌. 机械设计手册(第二卷)[M]. 北京: 机械工业出版
社, 2001.
[8] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京:化学工业出版社, 2009.[9] Min S. Ko, Hey S.Shin, G.N.Wang, Sang C.Park. Machine
Control Level Simulation of an AS/RS in the Automotive Industry[J]. Proceedings of the 2010 Winter Simulation Conference: 1727-1737.
1. 链轮；2. 传动链；3. 行走电机；4. 从动行走钢轮
图4 行走机构结构图
4.4 安全保护装置
作为一种重要的起重机械，堆垛机的安全性和可靠性非常重要，必须有完善的防护措施，其中主要的安全保护装置如下：
1）终端限位保护。堆垛机的三自由度运动终端处设有机械和电气限位装置。
2）联锁保护。堆垛机执行升降和行走运动时，货板伸缩驱动电路断开；货板伸缩工作时，升降和行走驱动电路断开。升降和行走运动可同时进行。
3）正位检测控制。只有当自动认址系统检测到堆垛机在垂直和水平方向已停准时，存取货机构才能工作。认址系统应用绝对数字认址系统[9]，
【118】 第34卷 第4期 2012-4(下)