輕型件箱堆垛機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

引言

堆垛機(jī)作為自動(dòng)化倉庫物流系統(tǒng)中的核心設(shè)備,為無人化搬運(yùn)的實(shí)現(xiàn)提供了支持。堆垛機(jī)的水平運(yùn)行速度及其加速度、載貨臺(tái)升降速度及其加速度、貨叉伸縮速度及其加速度這幾項(xiàng)重要參數(shù),直接影響物料的出入庫效率[1]。本文通過對(duì)堆垛機(jī)核心部件的優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化了其各項(xiàng)參數(shù),制造出了高性能堆垛機(jī),提高了中藥材的周轉(zhuǎn)效率,可以有效滿足企業(yè)高速發(fā)展的需求。

1高速堆垛機(jī)機(jī)構(gòu)

1.1高速堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

普通雙立柱堆垛機(jī)走行速度為160m/min,加速度為0.5m/s2:升降速度為45m/min,加速度為0.5m/s2。走行機(jī)構(gòu)由天軌、地軌、底架、鐵質(zhì)走行輪、天地軌導(dǎo)向輪（金屬材料）、地軌走行伺服電機(jī)等組成,驅(qū)動(dòng)方式為地軌伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)鐵質(zhì)走行輪在地軌上運(yùn)行,兩種鐵質(zhì)材料通過摩擦力推動(dòng)幾十米高的設(shè)備前進(jìn)很難實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行且運(yùn)行噪聲較大:升降機(jī)構(gòu)由立柱、頂梁、載貨臺(tái)、卷揚(yáng)機(jī)、導(dǎo)向輪、一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)等裝置組成,驅(qū)動(dòng)方式為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)旋轉(zhuǎn),卷揚(yáng)機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩實(shí)現(xiàn)載貨臺(tái)上升、下降,若高速上升、下降,會(huì)發(fā)生鋼絲繩松繩故障,此機(jī)構(gòu)限制了高速運(yùn)行。

針對(duì)普通堆垛機(jī)進(jìn)行優(yōu)化,重新設(shè)計(jì)出高速堆垛機(jī)。高速堆垛機(jī)走行機(jī)構(gòu)由天軌、地軌、底架、同步輪、同步帶、橡膠走行輪、地軌驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、天軌伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、天地軌導(dǎo)向輪(橡膠材料）組成,選用同步帶輪傳動(dòng)方式來替代傳統(tǒng)的直接驅(qū)動(dòng)走行輪模式可實(shí)現(xiàn)較大幅度提速,通過底架上的走行伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步輪高速運(yùn)轉(zhuǎn),在同步帶輪的作用下實(shí)現(xiàn)整個(gè)堆垛機(jī)沿天地軌做水平方向的走行運(yùn)動(dòng)。由于堆垛機(jī)高數(shù)十米,在高速運(yùn)行的狀態(tài)下,存在天地軌道走行不同步的情況,相對(duì)于普通堆垛機(jī),高速堆垛機(jī)在天軌上增加了一套走行機(jī)構(gòu),和地軌走行電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)運(yùn)行,確保穩(wěn)定高效運(yùn)行。高速堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)由立柱、頂梁、載貨臺(tái)、兩套同步帶輪、兩臺(tái)升降伺服電機(jī)、導(dǎo)向輪等裝置組成,通過升降驅(qū)動(dòng)裝置上的兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)其帶輪旋轉(zhuǎn),然后通過升降驅(qū)動(dòng)裝置上的同步帶帶動(dòng)載貨

臺(tái),實(shí)現(xiàn)其沿立柱的上下運(yùn)動(dòng)。高速堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)較普通堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)多出一套驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)裝置。普通堆垛機(jī)載貨臺(tái)為整體式框架結(jié)構(gòu),由于速度慢可實(shí)現(xiàn)整體上升、下降,高速堆垛機(jī)載貨臺(tái)兩側(cè)使用軸承連接,自由度較高,在兩套伺服動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下難免發(fā)生載貨臺(tái)不水平的情況,通過激光測(cè)距系統(tǒng),實(shí)時(shí)檢測(cè),實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)反饋給伺服電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制,確保載貨臺(tái)在高速運(yùn)行的情況下也能保持水平狀態(tài)。

通過上述設(shè)計(jì)優(yōu)化,高速堆垛機(jī)走行速度可達(dá)到300m/min,加速度可達(dá)到2m/s2:升降速度可達(dá)到100m/min,加速度可達(dá)到2m/s2。核心參數(shù)方面有了重大提升。

1.2走行位置檢測(cè)

(1）走行原點(diǎn)/反原點(diǎn)檢測(cè)裝置:巷道兩端分別為堆垛機(jī)的走行原點(diǎn)和反原點(diǎn),它們分別是堆垛機(jī)在走行原點(diǎn)端(反原點(diǎn)端）的正常停止位置,通過底架上的一個(gè)叉式光電開關(guān)和地面上的原點(diǎn)檢測(cè)片(反原點(diǎn)檢測(cè)片）來檢測(cè)(圖1）。

(2）走行位置檢測(cè)裝置:在堆垛機(jī)運(yùn)行過程中,需用走行位置檢測(cè)裝置來檢測(cè)堆垛機(jī)走行方向的位置。堆垛機(jī)走行檢測(cè)采用條碼測(cè)距,通過條碼測(cè)距器閱讀條碼帶上的條碼來確定堆垛機(jī)位置。

1.3安全裝置

(1）速度檢測(cè):出于安全考慮,堆垛機(jī)的運(yùn)行速度必須被實(shí)時(shí)監(jiān)控。堆垛機(jī)的走行速度由走行驅(qū)動(dòng)電機(jī)上自帶的編碼器來反饋。

(2）強(qiáng)制減速:出于安全考慮,堆垛機(jī)在運(yùn)行到巷道兩端之前必須減速。該功能通過堆垛機(jī)底架上的舌簧開關(guān)和地面上的磁鐵(圖1）來共同完成。當(dāng)堆垛機(jī)向巷道端頭運(yùn)行時(shí),機(jī)上的舌簧開關(guān)被地面的磁鐵觸發(fā),然后向控制系統(tǒng)發(fā)出指令,堆垛機(jī)開始減速。堆垛機(jī)向巷道端頭運(yùn)行時(shí),機(jī)上的舌簧開關(guān)被地面的第一個(gè)磁鐵觸發(fā)后,堆垛機(jī)將正常減速:被第二個(gè)磁鐵觸發(fā)后,若堆垛機(jī)的速度未降至規(guī)定速度,則堆垛機(jī)將被強(qiáng)制減速。

（3）極限檢測(cè):在巷道正常運(yùn)行范圍外的兩端,地面上各有一個(gè)極限觸板,它們與堆垛機(jī)底架上的行程開關(guān)（圖1）一起,用于檢測(cè)堆垛機(jī)是否超出正常的運(yùn)行范圍。若超出,則堆垛機(jī)將立即啟動(dòng)應(yīng)急停車程序,驅(qū)動(dòng)電機(jī)抱閘。

（4）緩沖器:堆垛機(jī)巷道兩端設(shè)有油壓緩沖器,緩沖器是保證堆垛機(jī)安全的最后一道防線,當(dāng)堆垛機(jī)超出極限運(yùn)行位置后,可通過油壓緩沖器實(shí)現(xiàn)緩沖和機(jī)械限位。

（5）超速保護(hù)裝置:堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中,若提升同步帶出現(xiàn)松弛的意外情況,會(huì)使升降機(jī)構(gòu)做短暫的自由落體運(yùn)動(dòng),從而使載貨臺(tái)超速,這會(huì)對(duì)堆垛機(jī)造成嚴(yán)重的傷害,甚至導(dǎo)致人員傷亡,因此堆垛機(jī)需要設(shè)置提升同步帶松弛檢測(cè)裝置和升降機(jī)構(gòu)超速保護(hù)裝置。其中,松弛檢測(cè)裝置是在提升同步帶連接末端各設(shè)置一個(gè)行程開關(guān),當(dāng)出現(xiàn)松弛時(shí),該同步帶連接末端處的自張緊裝置彈起,觸發(fā)該行程開關(guān),從而檢測(cè)出同步帶松弛。超速保護(hù)裝置（圖2）有兩個(gè)功能:一是檢測(cè)載貨臺(tái)是否超速,二是超速后需使其停止運(yùn)動(dòng),對(duì)其實(shí)施保護(hù),即超速制動(dòng)。

（6）貨物狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu):載貨臺(tái)上設(shè)有貨物狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu),用于檢測(cè)進(jìn)出載貨臺(tái)的貨物外形尺寸是否超出限值、載貨臺(tái)內(nèi)是否有貨物、貨架上是否有貨物。

2高速堆垛機(jī)在中藥倉儲(chǔ)物流自動(dòng)化中的應(yīng)用

（1）堆垛機(jī)與上位調(diào)度系統(tǒng)的通信:高速堆垛機(jī)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)需要上位調(diào)度系統(tǒng)對(duì)其下指令,然后堆垛機(jī)按該指令執(zhí)行相應(yīng)的操作,通過在地面上地軌末端和堆垛機(jī)機(jī)身上分別安裝一個(gè)紅外通信器來實(shí)現(xiàn)通信（圖3）。

（2）堆垛機(jī)與站臺(tái)的通信:當(dāng)堆垛機(jī)與站臺(tái)需要進(jìn)行貨物信息傳輸時(shí),通過堆垛機(jī)上的站臺(tái)互鎖與地面上的對(duì)應(yīng)站臺(tái)互鎖來實(shí)現(xiàn)（圖3）。

（3）堆垛機(jī)的存取貨功能:走行電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪使堆垛機(jī)沿天地軌做水平運(yùn)動(dòng):在升降驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下,同步帶拉動(dòng)載貨臺(tái)使其沿立柱上的升降導(dǎo)軌完成升降運(yùn)動(dòng):載貨臺(tái)上裝有貨叉,貨叉電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu),使叉體完成左右伸縮運(yùn)動(dòng)。通過這3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),完成貨物從站臺(tái)到貨架之間的存取任務(wù)。

（4）入庫:前處理車間生產(chǎn)人員在wMs系統(tǒng)人工創(chuàng)建入庫單據(jù),創(chuàng)建完成后,將已經(jīng)加工好的凈藥材飲片裝入周轉(zhuǎn)箱內(nèi),通過在線稱重將藥材相關(guān)信息同步至wMs系統(tǒng),周轉(zhuǎn)箱再輸送至高速堆垛機(jī)取貨站臺(tái),滿足取貨條件后由wCs系統(tǒng)對(duì)高速堆垛機(jī)下達(dá)指令,堆垛機(jī)從取貨站臺(tái)取走周轉(zhuǎn)箱并放入相應(yīng)的貨格中,完成該箱入庫任務(wù)。當(dāng)所有周轉(zhuǎn)箱全部入庫后,wMs系統(tǒng)自動(dòng)完成入庫任務(wù),并自動(dòng)生成入庫報(bào)表,wMs系統(tǒng)同步將藥材信息自動(dòng)傳輸至sAP系統(tǒng)。

（5）出庫:提取車間生產(chǎn)人員在sAP系統(tǒng)上開具調(diào)撥單,sAP系統(tǒng)同步將憑證號(hào)傳送至wMs系統(tǒng),wCs系統(tǒng)對(duì)堆垛機(jī)下達(dá)任務(wù),使堆垛機(jī)從相應(yīng)貨格中取出所需要的周轉(zhuǎn)箱,然后輸送至出庫站臺(tái),自動(dòng)輸送至提取罐投料。投料完成后wMs系統(tǒng)自動(dòng)扣除相應(yīng)庫存,并將庫存信息自動(dòng)同步至sAP系統(tǒng)。

3結(jié)語

高速堆垛機(jī)可用于搬運(yùn)100kg以下的箱式或輕型貨物,具有重量輕、噪聲小、速度快的優(yōu)點(diǎn),每臺(tái)堆垛機(jī)流量可達(dá)到120箱/h,能夠滿足中藥飲片自動(dòng)化投料的需求。