自动化堆垛机原理（自动堆垛机工艺流程图）

在对自动化物流系统的背景和现状进行分析比较的基础上，结合自动化机械加工生产线物流运输系统的特点和要求，设计了适用性强的堆垛机产品，重点关注整体结构、行走系统、升降系统等的组成和特点进行了详细论述。经过实际应用验证，满足托盘尤其是中大型托盘自动化加工生产线以及物料输送存取的效率、精度、稳定性等要求。

01 前言

随着新一轮工业革命的到来，制造业正在加速转型升级，自动化、智能化已成为大势所趋。目前，在航空航天等重要领域，产品更新换代速度越来越快，对产品质量、效率、可靠性、稳定性的要求也越来越高。工厂现有加工能力无法满足新形势下的加工能力、交货节奏和质量要求。引进先进的自动化生产线模式，提高设备利用率，对于提高产能、提高质量、降低人工成本可以起到事半功倍的作用。自动化加工制造首先要解决物料运输的自动化，即需要配置高效、稳定、可靠的自动化物流系统。目前，航天工厂建设的自动化生产线集成的物流系统基本都是进口的。除了价格昂贵之外，售前沟通、实施技术支持和售后服务都没有很好的保障，受制于当前国际形势，很容易陷入“卡壳”。国内也有不少自动化厂商和机床企业从事自动化物流系统的研发和制造，主要集中在桁架机械手、轨道机器人和负载较小的小型AGV等领域。该技术相对成熟，广泛应用于许多民用领域。技术水平接近或达到国外同类产品水平。但对于1000kg以上的托盘及产品的自动化输送系统，目前国内成熟度较低，其核心关键技术仍掌握在国外企业手中。因此，自主研发大型、重载的自动化物流系统替代进口显得尤为重要。这不仅关系到公司自身的长远发展，而且对于有效保障国家经济安全和国防安全具有重要意义。

02 现状分析

在自动化领域，托盘和工件的自动搬运不仅可以大幅提高效率、降低劳动强度和成本，还能有效提高产品质量和一致性。目前主流的搬运工具有AGV、RGV、桁架机械手（见图1）、轨道机器人（见图2）和堆垛机等。搬运、交换、装卸的主要机构有气动（电动）爪、插入件等。武器和其他形式。

图1 桁架机械手

图2 轨道机器人

桁架机械手和轨道机器人一般用于搬运重量小于500kg的托盘工件，特别是重量小于300kg的产品。它们在成本低、技术成熟度高、运行灵活可靠等方面具有明显优势。负载超过300kg的机器人，受制于机体的多关节串联结构。难以有效保证刚性和定位精度。即使能够满足重载运输的要求，但价格也非常昂贵，性价比较差，因此很少使用。

AGV运输车（见图3）具有良好的灵活性。只需更换控制软件即可改变运行路径。它在空间内没有障碍物，具有高度的智能性。但其承载能力普遍不高，大型重载AGV成本极高。高，AGV的定位精度一般为5mm，无法满足自动上下料的高精度定位要求。另外，AGV采用电池作为动力源，需要定期充电。很难保证满负荷连续运行12小时以上。大多数通信依赖于WIFI，这在许多军工企业中受到限制。

图3 AGV输送车

RGV输送车（见图4）沿着固定轨道运行。电机驱动减速机，再通过齿轮齿条、同步带、链条等传动，导轨传动精度高。通过电机编码器的位置反馈进行半闭环控制，可以达到0.5mm的定位要求，可以满足托盘切换机构对输送车准确定位和停止精度的要求。通过合理的结构设计和驱动选择，可以处理中大型托盘和工件的搬运，在搬运重物（1000kg以上）时优势明显。但由于RGV一般不配备举升机构，只能水平交换托盘，因此托盘缓存只能设计为单层，存储位置或工位数量有限，除了一些零件如钛合金飞机结构件外。需要较长加工时间的零件。除了能够满足节奏要求的加工外，对于大多数零件的自动化加工来说，库位数量很难满足12小时无人值守和生产线作业节奏要求。

图4 RGV输送车

大型重型堆垛机物流系统不仅具有RGV几乎所有的优点，而且还配备了升降平台，可以实现物料和托盘的立体存储，大大提高了空间利用率。通过对潜在用户和现有项目的深入分析和研究，发现堆垛机系统具有广阔的应用前景，尤其适用于发动机壳体等零部件的自动化加工生产线。

对于大型重载堆垛机物流系统，技术难度大，研发投入高。目前国内成熟度较低。只有宁江、海天等少数机床企业能够真正投产生产线，而且仅限于自己的机床。组装成一条线，不作为独立产品销售，适用性不强。国外能够生产重型堆垛机物流系统的厂家主要有芬兰的Faston（见图5）、德国的利勃海尔（见图6）等，其产品经过数十年的应用验证和迭代改进，是可靠的。其性能高、稳定性好，已形成完整的产品系列，在多个领域有相对成熟的应用。

图5 Faston堆垛机

图6 利勃海尔堆垛机

03 堆垛机整体结构

本文研究的堆垛机主要用于中、大型结构件加工生产线上，托盘（包括材料、工装、夹具）在各设备之间的全自动转移，以及各设备之间的缓存、装卸。流程。与传统立体仓库堆垛机相比，具有更高的结构刚性、控制灵活性、位置精度、可靠性和安全性。堆垛起重机用于将存储单元运入和运出货架。

如图7所示，堆垛机主要由车架、货台（含货叉）、行走机构、起升机构、控制系统、外观检测装置、安全保护装置等组成[1]。生产线中，进行机架的水平和直线往复运动、货台的垂直升降、左右伸缩货叉等运动，实现托盘和物料的存储、检索和转运。

图7 堆垛机整体结构

3.1 机架

由上梁、下梁和两侧立柱组成的矩形框架，是堆高机的主体结构，称为车架，运行在上下导轨之间。结构件采用大断面矩形钢管和钢板焊接而成，焊后和粗加工后通过两次热时效工艺消除应力，保证整体强度、刚度和稳定性[2, 3]。

3.2 货运平台

货台用于承载托盘和物料，由货台体和货叉组成（见图8）。货台沿立柱上垂直于行进方向（升降）的导轨移动，货叉垂直于升降行进平面方向左右伸缩。由于生产线中不同设备、装卸站、线边仓库等的结构特点和工作方式不同，接收托盘的工作台与堆垛机轨道中心线的距离不一致。这就要求货叉有足够的行程，并能在任意伸缩位置准确停止，以适应不同设备之间的托盘交换需要。同时，必须严格控制货叉的挠度。过大的偏转会导致托盘与设备之间的零点定位系统无法匹配而造成损坏。影响设备和生产线的正常运行。综合以上分析，货叉采用双伸位双向伸缩货叉，驱动方式采用伺服电机通过减速机驱动齿轮齿条，实现货叉的伸缩运动。叉体结构（见图9）主要由上叉体、中叉体和下叉体组成。叉体材料采用优质合金结构钢锻造而成，然后机械加工而成。结合优化的结构设计，具有高强度和足够的刚性。下叉体安装在货台上，中叉体和上叉体在齿条的带动下向外延伸，使上叉体的伸缩距离直接延伸到目标位置。叉体之间的相对运动由高刚性、高承载能力的凸轮从动轴承支撑和引导，以夹紧叉体本身的导向部分。

图8 Cargo平台结构

图9 叉子结构

3.3 运行机制

传统立体仓库隧道堆垛机普遍采用行走轮驱动，轮子与导轨之间存在相对滑动，导致运动精度较低。一般只能达到5mm，无法满足机械加工生产线托盘取放的2mm或更高的要求。精度要求。因此，机械加工生产线中使用的堆垛架行走和装载平台升降运动均采用伺服电机通过减速机驱动齿轮和齿条。这种驱动形式的优点是很容易通过增加齿条的数量和长度来实现。长行程运动、传动精度高、驱动力大、互换性和模块化程度高。为了降低运转噪音，提高运转稳定性，齿型选用螺旋齿。

堆垛机的行走支撑和导向采用天轨和地轨的形式。与直线导轨相比，公差能力更强，对地基等安装条件要求不高，对接调整方便，更容易实现往复运动的长行程布局。维护简单，导向精度完全满足生产线托盘存储要求。它具有成本效益。高的。

地轨承载整个堆垛机和货物的重量，采用重型钢轨和单轨布局。地轨安装在地面的基础板上，基础板通过化学锚栓与地面固定。地轨通过钢垫进行调平，调平板与轨道之间装有减震橡胶板。车架下梁前后各安装有大型钢制走轮，在地轨上滚动。为了防止车轮啃轨，行走轮采用无缘圆柱轮，两侧安装水平导向轮，夹紧地轨。放在中间，防止滚动。天轨通过螺栓固定在上导轨悬梁上。机架上横梁两端各有一组导向轮，将中间的天轨夹住，防止机架翻倒。地轨两端设有固定端挡，可以缓冲和承受堆垛机满载、高速运行时的冲击力，保证堆垛机结构不被损坏。

行走机构具体结构如图10所示。

图10 运行机构

3.4 升降机构

与三维仓库相比，生产线中的托盘（物料）仓位数量一般较少，层数不会超过3层，可以满足生产线中产品24小时无人值守自动化加工的要求。生产线。堆高机的升降运动较小，导轨一般不需要对接。通过立柱加工可以保证安装精度。采用直线导轨副支撑和引导升降运动，提高了运行的精度和稳定性。立柱前后端面安装4对高刚性直线导轨副。每根导轨上装有三个滑块，共同支撑引导货台的垂直升降运动，并承受货叉伸缩运动时的扭转和倾覆力矩。为了防止货物平台因突然断电等意外情况而坠落，四对直线导轨均配有气动制动器。

货物平台升降驱动采用双伺服电机和减速机两侧同步驱动。减速机的输出齿轮与安装在立柱上的齿条啮合进行传动。两组驱动减速器通过长直轴联轴器刚性连接，机械结构保证两侧同步驱动运行。与传统隧道堆垛机采用的钢丝绳、链条传动相比，这种驱动方式具有更高的精度和可靠性，传动更稳定。

起升机构具体结构如图11所示。

图11 起升机构

04 结论

本文分析了堆垛机物流系统的背景和现状，结合自动化加工生产线中托盘和物料运输的特点，讨论了堆垛机的整体结构、各部件和系统的组成和功能特点。经生产线应用验证，堆垛机性能稳定，适用性强，可满足中大型托盘及物料（直径1200mm，质量2500kg）在各设备、线边仓库、装卸间的平稳转运和转运需求。生产线中的卸料站等。精准接入。堆垛机设计中融入的模块化理念为后续产品系列化的开发奠定了基础。

审稿人：李茜