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1、 自動化立體倉庫堆垛機的設(shè)計 車小賀，王勁松，楊程程  遼寧工程技術(shù)大學機械工程學院，遼寧阜新（123000） E-mail：braveheart0910@ 摘 要：結(jié)合中型物流中心貨物流通的特點，將自動化立體倉庫技術(shù)應用到大型物流系統(tǒng)中， 設(shè)計了用于自動分揀、儲存的堆垛機。堆垛機由前叉、中叉、后叉和導向滾子組成，具有結(jié) 構(gòu)緊湊，傳動方式簡單，重量輕等特點。本文對堆垛機的三個貨叉的受力情況進行了詳細分 析，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了 PLC 控制程序，對堆垛機的行走進行控制。完善了立體倉庫中堆 垛機部分的設(shè)計，為自動化立體倉庫系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考借鑒，適用于高

2、速流通的倉儲控 制系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：立體倉庫；堆垛機；受力分析；PLC 控制 中圖分類號：TP273 文獻標識碼:A 1. 引言 隨著我國經(jīng)濟和科學技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代物流技術(shù)在我國也得到了很大的提高，特別 是作為現(xiàn)代物流技術(shù)典范的自動化倉庫技術(shù)尤其令人關(guān)注。自動化立體倉庫，是實現(xiàn)物流系 統(tǒng)合理化的關(guān)鍵。它具有空間利用率高、便于實現(xiàn)自動化管理、實時自動結(jié)算庫存貨物種類 和數(shù)量、立體倉庫信息庫可以和中央計算機系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運行等許多優(yōu)點。對加快物流速度、提 高勞動生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本都有重要意義。 2. 自動化立體倉庫系統(tǒng)構(gòu)成 2.1 貨物流通過程 貨物

3、在倉庫中的存儲過程是貨物流通的一個非常重要的環(huán)節(jié)，其構(gòu)成如圖 2-1 所示。據(jù) 對沈陽市物流中心的調(diào)查，貨物的分揀和出入庫基本上仍然是手工作業(yè)，貨物流通的時間滯 后在很大程度上是由這一環(huán)節(jié)造成的，而且由于是人工作業(yè)，工作人員的勞動強度很大，貨 物的損壞、丟失及其它管理不善也時有發(fā)生。從這個角度上說，在物流倉庫中引進自動化倉 庫技術(shù)是很有必要的。 圖 2-1 貨物流通過程示意圖 2. 2 自動化倉庫的組成 自動化立體倉庫大致由三部分組成：1.高層立體式堆貨架；2.入出庫用搬運機(堆垛機、 貨物分配車等)；3.信息處理

4、控制設(shè)備(計算機、數(shù)據(jù)通信裝置等)。倉庫的平面布置一般有三 - 1 - 種形式：L 型、U 型和直線型，其余的形式都是這三種形式的變形，其中直線型布置簡潔， 易于實現(xiàn)，應用也最為廣泛[1]。 3. 機械部分設(shè)計 3.1 輸送伸縮式貨叉 由于輸送車是輸送貨物的重要工具，一般都由前叉、中間叉、固定叉以及導向滾子組成。 按驅(qū)動方式貨叉可分為：1.差動齒輪動驅(qū)動方式；2.齒輪齒條驅(qū)動方式；3.鏈輪鏈條傳動方 式；4.液壓驅(qū)動方式[2]。固定叉裝在載貨臺上，中間叉可在齒輪、齒條或鏈條、鏈輪的驅(qū)動 下，從中間叉的中點，向左或右移動自身長度的一半。前叉可

5、從中間叉的中點向左或向右伸 出比自身稍長的長度。前叉由兩根滾子鏈條或鋼絲繩驅(qū)動，鏈條或鋼絲繩的一端固定在固定 叉(或貨臺上)，另一端固定在前叉上。如圖 3-1 所示。伸縮式貨叉具有如下結(jié)構(gòu)特點：1.結(jié) 構(gòu)緊湊，所占空間??；2.傳動方式簡單，動作靈活；3.重量輕，可以減小運行慣性力。 圖 3-1 貨叉機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖 3.2 貨叉設(shè)計分析 貨叉是堆垛機存、取貨的關(guān)鍵部件，它在工作時前叉要伸入貨架中，所以在設(shè)計貨叉時， 應以前叉的厚度盡量薄，同時，叉前端的撓度應控制在最小為設(shè)計目標。

6、 圖 3-2 貨叉載荷圖 將貨叉分解為固定叉、中間叉和前叉分別進行考慮伸縮貨叉的撓度與強度。如圖 3-2 貨 叉的載荷圖。 - 2 - 3.2.1. 固定叉  如圖 3-3，假設(shè) l0為不變形部分的長度，Q —額定載荷，E —材料的縱彈性系數(shù)人為變 形量； I I I1; ;23 —固定叉、中間叉、前叉的在重力方向的慣性矩。 Ql 當 P =2， a x L0時： 1 b  =  Pbx  ?  (  ?  ) 彎矩為： M 1 P

7、 x a = ?  ∫  x m L0 1 = ?  p ?bx3 ? +  (  x a  )2  ? I1I0 0 EI 1 dx I0 2EI ? I 0 ? ? 圖 3-3 固定叉 λ x x m P ?bx3  (  )3 ? = I x ? 2 dx = I x ? 1 ? + ?x a ? 0 0 0 EI 1 0 bEI ? I 1 0

8、 ? 當 x L0時， λ = 0  I  = ?  p 1  (  L + b  ) I 1  = ?  Pab EI I  1  (  I0+ a  ) 0 EL L 61 0 0 61 0 C 點的傾角 λ1為： λ1= ?  Pab I+a L1) 3.2.2.中間叉 EI I 61 0 0 3 如圖 3-4 (a)所示，因載荷 Q 的作用，在（b）間產(chǎn)生反力 P1、P2,設(shè) C 點的

9、傾角為 I2, 撓度為 λ2(假設(shè) l3 為不變形部分的長度)。 M = P x  = QL 2x 1 d λ b QL x2 I = dx = ? 2 EI b 22 3 + I 0 λ = ? QL x2+ I x + λ EI b 62 0 0  - 3 - 圖 3-4 中間示意圖 當 x b 時的傾斜角 I2和撓度 λ2為：  = ? QL b

10、 λ = ? QL bL I 2 2 EI 32 ，所以 2 2 EI 32 3 據(jù)圖 3-4 ( ) 示，把 b 段作為剛性， c 點作為固定端考慮，并設(shè)由于 W 在中間產(chǎn)生的反 力為 P3和 P4，而由于這些反力作用在叉子前端產(chǎn)生的撓度為 λ3和 λ4，則: ( ) M = ?P x d3? + P x4 P 3  = e d  Q  P 4  = (e d ) d  Q λ = ? x x M 0 0 EI 2  dx 2 = ? 

11、∫ x 1 ? ?? ( )  2 0 2EI 2 P x d3? + P x dx4 = ? 1 ?  3 (  ? )3? ? P x ? P x d ? 6EI d 4 3 2 當 x L1時 λ = ? Q ?( )  3 ( )3? 3 λ  = ? EI d 62 Q ? ? e d L1? e L1? d ( ) (+ + ) ? ? ? ? ( 2  L  )

12、 4 3.2.3.前叉 EI d 22 ? e x d e d x ? 3 ? L1 由圖 3-5 所示，載荷 Q 在 d 區(qū)間產(chǎn)生的反力有 P3、P4,在 E 點的傾斜角為 I5，撓度為 λ5。 - 4 - I  = ?  eQx 

13、 3  +  I0  圖 3-5 前叉受力分析圖  EL d 63 3 λ = ?eQx+ I x + δ EL d 63  I 0 = 0 eQd  λ = ?  eQd(L  ) 當 x d 時：5 EL 63 ，所以 5 EL 33 3 ? L1 因此，在設(shè)

14、載貨臺和立柱為剛性時，伸縮貨叉工作的總撓度為： Δ = +λ λ λ λ λ12 3+4+5 此 Δ 值應控制在5 ~ 10mm[3]。 4. 自動化倉庫的控制的方案 現(xiàn)在以工業(yè)輸送車在對 8 個倉庫存儲物品時，對堆垛機車有以下的控制要求: (1) 工作開始后，車此時停在某個倉庫。當沒有用車呼叫（既呼車）時，各倉庫的指示 燈亮，表示各倉庫可以呼車。 (2) 如果某倉庫遇有呼車時，按下本倉的呼車按鈕，則其它各倉位的指示燈均滅，表示 此后再呼車無效。 (3) 在停車位呼車則車不動，當呼車位號大于停車位號時，車自動向高位行駛；當車位 號小于停車位號時，車自動向低位行駛，當

15、車到達呼車位時自動停車[4]。 (4) 車到達呼車位時要求停留 30s 供該倉庫使用，不應立即被其他倉庫呼走。 (5) 臨時停電后再復電，車不會自行起動。 4.1 PLC 程序設(shè)計 每個倉庫均設(shè)置一個滾輪式限位開關(guān) ST 和一個呼車鍵按鈕 SB，ST 可自動復位；系統(tǒng) 設(shè)有用于起動和停機的按鈕，這些均為 PLC 的輸入元件。車要用一臺電動機拖動，電動機 正轉(zhuǎn)時車駛向高位，反轉(zhuǎn)時小駛向低位，電動機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)各需要一個接觸器，是 PLC 的 輸出執(zhí)行元件。另外各倉庫還要指示燈作為呼車顯示。電動機和指示燈是 PLC 的控制對象。 各自動化倉庫的限位開關(guān)和呼車按鈕的布置如圖

16、4-1 所示，圖 4-1 中 ST 和 SB 編號也是 各倉庫編號。 - 5 - 圖 4-1 自動化倉庫布置圖 4 號倉 ST4 I1.3 系統(tǒng)起鈕 I0.0 4 號倉 SB4 I2.3 5 號倉 ST5 I1.4 系統(tǒng)停鈕 I0.1 5 號倉 SB5 I2.4  為了分析問題方便，先做出系統(tǒng)動作過程的流程圖，之后依據(jù)工業(yè)輸送車的工藝要求， 設(shè)計出相

17、應的控制程序梯形圖，流程圖和梯形圖分別如圖 4-2、圖 4-3 所示。 圖 4-2 工業(yè)運輸車控制系統(tǒng)流程圖 在程序中，用到了傳輸指令和比較指令，即先把車所在的倉庫號傳輸?shù)揭粋€內(nèi)存單元中， 再把呼車的倉庫號傳輸?shù)搅硪粌?nèi)存單元中，然后將這兩個內(nèi)存單元的內(nèi)容進行比較[5]。若呼 車的位號大于停車的位號，則車向高位行駛;若呼車的位號小于停車的位號，則車向低位行 駛。對車的這種控制，是程序設(shè)計的主線。 程序控制的其他要求 (1) 若有某倉庫呼車則應立即封鎖其他倉庫的呼車信號。 (2) 車行駛到位后應在該倉庫停留一段時間，即

18、延遲一定時間再解除對呼車信號的封 鎖。 (3) 失壓保護程序。 (4) 呼車顯示程序。 由于自動化控制系統(tǒng)采用可編程控制器為核心，提高了控制的靈活性及通用性，以適應 各種工藝要求的變化，使倉庫技術(shù)進一步向智能自動化方向發(fā)展。 - 6 - 5. 結(jié)論和展望  圖 4-3 工業(yè)輸送車控制程序梯形圖 

19、 在倉庫領(lǐng)域中，物資的輸送、存儲、管理和控制的規(guī)模越來越大，靠人工實現(xiàn)已經(jīng)遠不 能夠需要。自動化倉庫技術(shù)在物資存儲行業(yè)中受到人們的重視，其控制重點轉(zhuǎn)向物資的控制 和管理要求實時、協(xié)調(diào)和一體化，計算機之間、數(shù)據(jù)采集點之間、機械設(shè)備的控制器之間以 及它們與主計算機之間的通信可以及時地匯總信息，倉庫計算機及時地記錄訂貨和到貨時 間，顯示庫存量，計劃人員可以方便地作出供貨決策，管理人員隨時掌握貨源及需求[6]。信 息技術(shù)的應用已成為倉庫技術(shù)的重要支柱。滿足了人們速度、精度、高度、重量、重復存取 和搬運等要求，使總體效益和生產(chǎn)的應變能力大大超過各部分獨立效益的總和，自動化技術(shù)

20、 逐漸成為倉庫自動化技術(shù)的核心。 致謝 本課程設(shè)計論文是在我的輔導老師王勁松老師的精心指導和大力支持下完成的。他嚴肅 的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，孜孜以求的工作作風，深深地感染和鼓勵著我。在整個論文 創(chuàng)作過程中，王老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。從大三開始接觸王老師開始， 老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、工作中給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹 向王老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 論文的完成過程中，多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我 誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!

21、 - 7 - 參考文獻 [1][蘇]A.A.斯麥霍夫.自動化倉庫[M].北京:機械工業(yè)出版社，2001 [2]虞和謙.高層貨架倉庫講座[J].物流技術(shù).1997 [3]蔡傳杰.自動倉儲控制系統(tǒng)[M].機械技術(shù)(臺灣). 2001.(3). [4]丁曉紅.自動化立體倉庫的實時監(jiān)控系統(tǒng)[M].起重運輸機械.1996 (12)  [5]常發(fā)亮，李幕蘭，林連序.自動化立體倉庫 PLC 控制系統(tǒng)[J].電器自動化.1995 (4), 45-47 [6]范祖堯，胡宗武，徐服冰.現(xiàn)代機械設(shè)備設(shè)計手冊.第三卷.非標準機械設(shè)計[M].機械工業(yè)

22、出版社. RS part of the design Che xiao he,Wang jin song,Yang cheng cheng Liaoning Technology University，Mechanical Engineering College, Fuxin Liaoning (123000) Abstract In this paper, medium-sized logistics center combining the characteristics of the flow of goods, warehouse automation techno

23、logy to large-scale logistics system, designed for automatic sorting, storage stacker. Stacker by the front fork, in the forks, fork and after the roller-oriented component, with compact structure, transmission is simple, light weight and so on. This paper stacker Fork of the three forces conduc

24、ted a detailed analysis on the basis of PLC control program designed for walking stacker control. Perfected the three-dimensional warehouse stacker part of the design, for the automated warehouse system designed to provide a reference from, suitable for high-speed flow of the warehouse control s

25、ystem. Keywords:Three-dimensional warehouse, stacking machine, force analysis, PLC control 作者簡介： 車小賀（1987.9—），女，遼寧丹東人，滿族，本科在讀，遼寧工程技術(shù)大學機械工程學院 學生； 王勁松 (1976.2—)，男，遼寧阜新人，漢族，碩士，遼寧工程技術(shù)大學機械工程學院講 師，主要進行機電控制方面的研究與教學工作； 楊程程（1988.2—），女，遼寧沈陽人，漢族，本科在讀，遼寧工程技術(shù)大學機械工程學院 學生。 - 8 -