全自動聯(lián)體提升貨柜的研制及其應用

彭香玲，劉茂生，郭志鋼

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024）

目前國內物流倉儲行業(yè)發(fā)展較快，自動貨柜作為倉儲設備的一種，經過多年的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應用在航空航天、機械、電子、煙草、醫(yī)藥等領域，用來存放機械零備件、電子元器件、刀具、模具、醫(yī)療藥品器具等物品。憑借其全自動化的控制模式、小占地面積上的大存儲空間，以及可對庫存實現(xiàn)現(xiàn)代化管理等獨特優(yōu)勢，自動貨柜正逐步擴大著市場占有額，成為越來越多的企業(yè)在采購倉儲設備時的首選。

傳統(tǒng)的自動貨柜分為垂直循環(huán)貨柜和垂直提升貨柜兩類。循環(huán)柜產品問世較早，原理也比較簡單，儲物料斗懸掛在循環(huán)轉動的鏈條上，平衡曲柄沿設計的導軌運動，使料斗在運行中保持水平；鏈條轉動通過電機驅動，自動將目標料斗移送到取貨口。該設備控制簡單，運行穩(wěn)定，價格相對偏低，但由于運行時柜內全部料斗同步轉動，當設備高度達到6m時，存取效率會顯得過低，同時，整機載重能力不大；物品規(guī)格、形狀多變時，靈活性不足。

自動貨柜的另一個類型——垂直提升貨柜，在很大程度上解決了這些問題。提升柜柜體分為前、中、后三部分，前、后兩部分為立柱片構成的貨架，中間為供提取小車升降的通道。小車采用四點鏈條懸掛，由電機驅動上下運行；小車上的水平鏈條掛取機構將提升柜的儲物單元——托盤在貨架、小車以及工作臺之間移動。在程序的控制下，小車的升降運動和托盤的水平移動，共同完成托盤在不同貨位上的存取操作。由于其機械結構的特點，提升柜可存放尺寸差異較大和形狀不規(guī)則的物品，物品高度只受取貨口高度的限制；此外，提升柜高度可隨廠房高度變化，并可穿越樓層，整機載重可達60 t。

全自動聯(lián)體提升貨柜即是在成熟的提升柜制造技術基礎上，由中國電子科技集團公司第二研究所率先在國內研發(fā)而成。該設備不僅具有提升柜的所有優(yōu)特點，而且可在小空間內實現(xiàn)密集型存儲，容量大大提高；相對于同為密集型存儲系統(tǒng)的自動化立體倉庫，聯(lián)體柜的占地面積又極小。因此，聯(lián)體提升貨柜可看作是一種介于垂直提升柜和立體倉庫之間的產品，在空間有限而又需要高密度存儲的場合，聯(lián)體柜可作為立體倉庫的替代品，進行物料的存放與管理。

1 全自動聯(lián)體提升貨柜簡介

1.1 設備主要結構

全自動聯(lián)體提升貨柜，主要由骨架、內部結構、配重、外殼和電氣五大部分組成。其中，骨架包括底座、貨架片、頂梁等；內部結構主要由提取架、橫移小車和托盤組成；柜體兩側設有配重裝置，用來部分抵消提取車的自重；外殼包括前板、側板、后板、頂板以及電動門；電氣部分主要由PLC、觸摸屏、變頻器、測高光幕、安全光柵和一些輔助器件組成，實現(xiàn)設備的運行控制和安全保護（如圖1所示）。

圖1 聯(lián)體提升貨柜主要機械結構

1.2 基本工作原理

全自動聯(lián)體提升貨柜是由多列貨架構成貨位，用一臺提取車將貨物在水平左右、水平前后、垂直上下三個方向上移動，從而實現(xiàn)貨物在不同貨位上的存取操作。它以托盤為存儲單元，用戶可直接輸入物料代碼或輸入物料所在的托盤號，提取車根據(jù)用戶指令在幾臺提升柜單元間運動，將所需托盤運至存儲位或取料口。具體工作過程如下：

（1）提取車垂直升降。垂直升降機構采用與普通提升貨柜類似的鏈條傳動，四點懸掛，托盤實現(xiàn)垂直位移（見圖2）。

圖2 提取車垂直升降機構

（2）橫移小車水平移動。采用同步齒形帶傳動，小車在導軌上滑動，實現(xiàn)托盤在各列貨架之間的位移（見圖3）。

圖3 水平橫移機構

（3）貨叉縱移。橫移小車上安裝有貨叉，由同步齒形帶傳動。貨叉沿直線導軌滑動，實現(xiàn)托盤在前后貨架之間的位移（見圖 4）。

圖4 貨叉縱移機構

（4）貨叉開合（見圖5）。

圖5 貨叉的掛取開合動作

1.3 電氣控制

設備電氣控制以可編程控制器（PLC）為核心，觸摸屏為人機輸入，同時貨柜上裝有多種確認電機運轉位置和用于安全互鎖的傳感器（見圖6）。它們通過數(shù)字I/O口，將信號傳遞到PLC，PLC通過讀取各傳感器的信號來控制電機運轉，達到可靠定位、安全運行。如果操作過程中發(fā)生某些故障，觸摸屏將迅速顯示出來，同時還可顯示其他各種信息，以提示操作者正確操作。

圖6 系統(tǒng)控制圖

2 研制難點與解決辦法

2.1 提取框架的橫梁變形問題

聯(lián)體提升貨柜在長度方向上，跨度較大，提取框架的橫梁易出現(xiàn)彎曲變形，由此可能造成橫移小車運動阻力增大，垂直定位不準。對此，我們設計了兩套配重裝置，連接在提取框架左右縱梁的中點處。設備兩側留出一定間距，作為配重及其導向的安裝空間。配重裝置通過鋼絲繩繞過頂梁上的滑輪組件后與提取框架相連，提取框架獲得向上的提升力，該力部分抵消了橫移小車由自重引起的對提取框架的壓力，從而使提取框架的橫梁保持水平。

此外，提取框架的橫梁下面設置了螺桿微調裝置，可以在一定范圍內調整框架的水平。

2.2 橫移小車水平移動的高速與平穩(wěn)性問題

橫移小車高速、平穩(wěn)運行，是實現(xiàn)托盤高效率存取的關鍵技術。對此，我們采用同步齒形帶拖動橫移小車，在直線導軌上運行的方式，減小了運動的摩擦阻力，提高了運行精度，確保橫移小車水平運動的高速與平穩(wěn)。

2.3 貨叉縱移的良好重復性

為保證托盤每次掛取均能準確無誤，必須確保貨叉重復縱移的精度。對此，我們采用伺服電機驅動，滿足了貨叉換位、前后移動等各種復雜的動作要求，同時定位準確，重復性好。

貨叉縱移采用同步齒形帶傳動，貨叉沿直線導軌運行，運動平穩(wěn)，作業(yè)效率高。

3 設備主要技術參數(shù)與優(yōu)點

3.1 主要技術參數(shù)

單托盤最大載質量：500 kg

提取車垂直速度：0～48m/min

橫移小車水平橫移速度：0～50m/min

橫移小車水平縱移速度：0～12m/min

定位精度：±1mm

額定功率：4.5 kW

3.2 設備優(yōu)點

（1）在功能上實現(xiàn)了提取車的三軸聯(lián)動；

（2）只用一個載貨平臺和一套控制系統(tǒng)，對相鄰的多個儲位點展開作業(yè)，大幅度降低生產成本；

（3）設備存儲量相當于同等數(shù)量的多臺垂直提升貨柜，但造價遠低于多臺提升柜造價的總額，性價比大大提高；

（4）可采用兩個以上的多個存取口，滿足用戶對入庫口和出庫口需要分別設置的需求；

（5）技術先進，可靠性高，尤其適用于存儲物品種類多、批量小、重量輕的場合。

4 結束語

全自動聯(lián)體提升貨柜是所自主研發(fā)出的國內第一臺此類設備，它的問世填補了貨柜在該領域的空白，打破了傳統(tǒng)兩類柜型占領市場的舊格局。隨著用戶對空間利用率、存儲密集度的要求越來越高，聯(lián)體提升貨柜以其低成本、多儲位、高性價比、高技術含量等突出優(yōu)勢，必將獲得巨大的市場份額，為自動倉儲行業(yè)開啟新的局面。

[1]王之泰.現(xiàn)代物流管理[M].北京：工人出版社，2000.

[2]（英）沃爾特斯.庫存控制與管理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3]王洪欣，等.機械設計工程學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2001.