基于自動(dòng)化機(jī)械加工生產(chǎn)線的堆垛總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于對(duì)自動(dòng)化物流系統(tǒng)背景和現(xiàn)狀的分析對(duì)比，結(jié)合自動(dòng)化機(jī)械加工生產(chǎn)線物流輸送系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)出適用性強(qiáng)的堆垛機(jī)產(chǎn)品，重點(diǎn)對(duì)堆垛機(jī)總體結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、升降系統(tǒng)等組成和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)論述。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，滿足自動(dòng)化機(jī)械加工生產(chǎn)線對(duì)托盤尤其是中大型托盤及物料輸送和存取的效率、精度、穩(wěn)定性等方面的要求。

01 序言

隨著新一輪工業(yè)革命的到來(lái)，制造業(yè)正在加速轉(zhuǎn)型升級(jí)，自動(dòng)化和智能化已成為大勢(shì)所趨。目前，在航空、航天這些重要領(lǐng)域，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、效率、可靠性和穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高。工廠現(xiàn)有的加工能力難以滿足新形勢(shì)下的加工能力、供貨節(jié)拍和質(zhì)量要求。引入先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線模式，提升設(shè)備利用率，對(duì)于提升產(chǎn)能、提高質(zhì)量和減少人工成本能夠起到事半功倍的作用。自動(dòng)化加工制造首先要解決物料輸送的自動(dòng)化，即需要配置一套高效穩(wěn)定可靠的自動(dòng)化物流系統(tǒng)。目前在航空航天工廠建設(shè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線內(nèi)所集成的物流系統(tǒng)基本以進(jìn)口為主，除了價(jià)格昂貴外，售前交流、實(shí)施技術(shù)支持及售后服務(wù)都得不到很好的保障，受制于當(dāng)前的國(guó)際形勢(shì)，很容易被“卡脖子”。國(guó)內(nèi)也有很多自動(dòng)化廠家和機(jī)床企業(yè)在進(jìn)行自動(dòng)化物流系統(tǒng)的研發(fā)制造，主要集中在負(fù)載較小的桁架機(jī)械手、軌道機(jī)器人和小規(guī)格AGV等，技術(shù)比較成熟且在很多民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，技術(shù)水平已接近或達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品。但對(duì)于1000kg以上托盤和產(chǎn)品的自動(dòng)化輸送系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)成熟度較低，其核心關(guān)鍵技術(shù)仍然掌握在國(guó)外企業(yè)手里。因此，自主開發(fā)大規(guī)格重載自動(dòng)化物流系統(tǒng)，替代進(jìn)口，顯得尤為重要，這不僅關(guān)系到企業(yè)本身的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，也對(duì)切實(shí)保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全和國(guó)防安全具有重要意義。

02 現(xiàn)狀分析

在自動(dòng)化領(lǐng)域，托盤及工件自動(dòng)搬運(yùn)不僅可以大大提高效率，降低人力強(qiáng)度和成本，還可以有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量及一致性。目前主流的輸送工具包括AGV、RGV、桁架機(jī)械手（見圖1）、軌道機(jī)器人（見圖2）和堆垛機(jī)等，搬運(yùn)、交換、上下料等的主要機(jī)構(gòu)為氣（電）動(dòng)卡爪、插臂等形式。

圖1桁架機(jī)械手

圖2軌道機(jī)器人

桁架機(jī)械手和軌道機(jī)器人一般用于500kg以下托盤工件的搬運(yùn)，尤其是300kg以下產(chǎn)品搬運(yùn)優(yōu)勢(shì)明顯，成本低，技術(shù)成熟度高，運(yùn)行靈活可靠。超過(guò)300kg負(fù)載的機(jī)器人受制于本體多關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，剛性和定位精度很難得到有效保證，即便能夠滿足重載運(yùn)輸要求，價(jià)格也很昂貴，性價(jià)比較差，因此應(yīng)用較少。

AGV輸送車（見圖3）具有良好的柔性，只需改變控制軟件實(shí)現(xiàn)運(yùn)行路徑的變更，空間無(wú)障礙，智能程度比較高，但其承載能力一般不高，大規(guī)格重載的AGV成本又極高，AGV的定位精度一般為±5mm， 無(wú)法滿足自動(dòng)上下料對(duì)高精度定位的要求。此外AGV采用蓄電池作為動(dòng)力源，需要定時(shí)進(jìn)行充電，很難保證滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行12h以上，且通信大多依靠WIFI，在許多軍工企業(yè)使用受限。

圖3 AGV輸送車

RGV輸送車（見圖4）沿固定軌道運(yùn)行，通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器再通過(guò)齒輪齒條、同步帶、鏈條等方式傳動(dòng)，導(dǎo)向傳動(dòng)精度高，通過(guò)電動(dòng)機(jī)編碼器的位置反饋進(jìn)行半閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)±0.5mm的定位要求，能夠滿足托盤交換機(jī)構(gòu)對(duì)輸送車定位準(zhǔn)停精度的要求。通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)選擇可滿足中大托盤及工件的搬運(yùn)，在重載（1000kg以上）時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。但由于RGV一般不配置升降機(jī)構(gòu)，只能水平進(jìn)行托盤交換，因此托盤緩存庫(kù)只能設(shè)計(jì)成單層，庫(kù)位或站位數(shù)量有限，除了針對(duì)一些加工工時(shí)較長(zhǎng)的鈦合金飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等零件加工可滿足節(jié)拍要求以外，對(duì)于大多數(shù)零件的自動(dòng)化加工，庫(kù)位數(shù)量都很難滿足12h無(wú)人值守和生產(chǎn)線運(yùn)行節(jié)拍要求。

圖4 RGV輸送車

大型重載堆垛機(jī)物流系統(tǒng)不僅具有RGV的幾乎所有優(yōu)點(diǎn)，而且配置了升降載貨臺(tái)，物料及托盤可以立體存放，空間利用率大幅度提高。通過(guò)對(duì)潛在用戶及已有項(xiàng)目的深入分析和調(diào)研，發(fā)現(xiàn)堆垛機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用前景廣泛，尤其針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等零件自動(dòng)化加工生產(chǎn)線具有很強(qiáng)的適用性。

對(duì)于大規(guī)格重載堆垛機(jī)物流系統(tǒng)，技術(shù)難度大，研發(fā)投入高，目前國(guó)內(nèi)成熟度較低，能夠投入產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行的也只有寧江、海天等少數(shù)機(jī)床企業(yè)，且只針對(duì)自家機(jī)床進(jìn)行組線，不作為獨(dú)立產(chǎn)品對(duì)外銷售，適用性不強(qiáng)。國(guó)外能夠生產(chǎn)重載堆垛機(jī)物流系統(tǒng)的廠商主要有芬蘭的法斯頓（見圖5）、德國(guó)的利勃海爾（見圖6）等，其產(chǎn)品經(jīng)過(guò)數(shù)十年應(yīng)用驗(yàn)證和迭代完善，可靠性高，穩(wěn)定性好，并已形成完整的產(chǎn)品系列，在眾多領(lǐng)域均有較為成熟的應(yīng)用。

圖5法斯頓堆垛機(jī)

圖6利勃海爾堆垛機(jī)

03 堆垛機(jī)總體結(jié)構(gòu)

本文研究的堆垛機(jī)主要用于中大型結(jié)構(gòu)件機(jī)械加工生產(chǎn)線上托盤（含物料、工裝、夾具）在各設(shè)備之間全自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)以及工序間緩存、裝卸。相較于傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)立體庫(kù)用堆垛機(jī)具有更高的結(jié)構(gòu)剛性、控制柔性、位置精度、可靠性和安全性等。堆垛機(jī)用于存儲(chǔ)單元出入貨架的搬運(yùn)作業(yè)。

如圖7所示，堆垛機(jī)主要由機(jī)架、載貨臺(tái)（含貨叉）、行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、外形檢測(cè)裝置和安全保護(hù)裝置等組成［1］。在生產(chǎn)線內(nèi)進(jìn)行機(jī)架水平直線往復(fù)、載貨臺(tái)垂直升降、貨叉左右伸縮叉取等運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)托盤及物料存取和轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖7堆垛機(jī)總體結(jié)構(gòu)

3.1 機(jī)架

上橫梁、下橫梁及兩側(cè)立柱組成的矩形框架為堆垛機(jī)主體結(jié)構(gòu)，稱為機(jī)架，運(yùn)行于上下導(dǎo)軌之間。結(jié)構(gòu)件采用大截面矩形鋼管和鋼板焊接而成，并通過(guò)焊后和粗加工后兩次熱時(shí)效消除應(yīng)力，保證了總體的強(qiáng)度、剛性和穩(wěn)定性［2，3］。

3.2 載貨臺(tái)

載貨臺(tái)用于承載托盤及物料，由載貨臺(tái)本體和貨叉組成（見圖8）。載貨臺(tái)沿立柱上的導(dǎo)軌作垂直于行走方向的運(yùn)動(dòng)（起重）和垂直于起重-行走平面方向的貨叉左右伸縮運(yùn)動(dòng)。生產(chǎn)線內(nèi)不同設(shè)備、裝卸站、線邊庫(kù)位等由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作方式不同，承接托盤的工作臺(tái)與堆垛機(jī)軌道中心線的距離不一致，這就需要貨叉既要有足夠的行程，又可以在任意伸縮位置準(zhǔn)停，以適應(yīng)不同設(shè)備間的托盤交換需求，同時(shí)貨叉的撓度也要嚴(yán)格控制，撓度過(guò)大就會(huì)導(dǎo)致托盤與設(shè)備間的零點(diǎn)定位系統(tǒng)無(wú)法匹配入位而造成損壞，影響設(shè)備及生產(chǎn)線正常運(yùn)行?；谝陨戏治?，貨叉采用雙伸位雙向伸縮貨叉，驅(qū)動(dòng)形式采用伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條實(shí)現(xiàn)貨叉伸縮運(yùn)動(dòng)。貨叉結(jié)構(gòu)（見圖9）主要由上叉體、中叉體和下叉體等組成。叉體材料選用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼鍛造后經(jīng)機(jī)加工而成，結(jié)合優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度高，剛性足。下叉體安裝在載貨臺(tái)上，中叉體和上叉體在齒輪齒條的驅(qū)動(dòng)下向外延伸，使上叉體的伸縮距離直接延伸至目標(biāo)位置。叉體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)采用高剛性、高承載能力的凸輪隨動(dòng)軸承夾持叉體自身導(dǎo)向部位進(jìn)行支承和導(dǎo)向。

圖8載貨臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖9貨叉結(jié)構(gòu)

3.3 行走機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)立體庫(kù)巷道堆垛機(jī)普遍采用的行走輪驅(qū)動(dòng)形式存在車輪與導(dǎo)軌的相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)精度不高，一般只能達(dá)到±5mm，無(wú)法滿足機(jī)械加工生產(chǎn)線托盤取放的±2mm甚至更高的精度要求。因此，機(jī)械加工生產(chǎn)線應(yīng)用的堆垛機(jī)機(jī)架行走和載貨臺(tái)升降運(yùn)動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與齒條嚙合傳動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)形式的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)增加齒條的數(shù)量和長(zhǎng)度易于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)行程運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)精度高，驅(qū)動(dòng)力大，互換性和模塊化程度高。為降低運(yùn)行噪聲并提高運(yùn)行平穩(wěn)性，齒型選用螺旋齒。

堆垛機(jī)行走支承和導(dǎo)向采用天地軌形式。相較于直線導(dǎo)軌副容差能力較強(qiáng)，對(duì)地基等安裝條件要求不高，對(duì)接和調(diào)整方便，更易于實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)行程布置，保養(yǎng)維護(hù)簡(jiǎn)單，導(dǎo)向精度完全滿足生產(chǎn)線托盤存儲(chǔ)要求，性價(jià)比高。

地軌承載整個(gè)堆垛機(jī)及貨物的自重，采用重型鋼軌，單軌布置。地軌安裝在地面的基礎(chǔ)板上，基礎(chǔ)板通過(guò)化學(xué)錨栓與地面固定。地軌通過(guò)鋼制墊板進(jìn)行調(diào)平，調(diào)平板與軌道間設(shè)有減振橡膠板。機(jī)架下橫梁前后各安裝一個(gè)大規(guī)格鋼制行走輪，在地軌上滾動(dòng)運(yùn)行，為防止車輪啃軌，行走輪采用無(wú)輪緣圓柱車輪，兩側(cè)安裝有水平導(dǎo)向輪將地軌夾持在中間，防止側(cè)傾。天軌通過(guò)螺栓固接在上導(dǎo)軌吊梁上，機(jī)架上橫梁兩端各有一組導(dǎo)輪將天軌夾持在中間，防止機(jī)架傾覆。地軌端頭均設(shè)有固定端擋，能緩沖和承受堆垛機(jī)滿載全速運(yùn)行的沖擊，并確保不損壞堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)。

行走機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10行走機(jī)構(gòu)

3.4 升降機(jī)構(gòu)

相對(duì)于倉(cāng)儲(chǔ)立體庫(kù)，生產(chǎn)線內(nèi)托盤（物料）庫(kù)庫(kù)位數(shù)量一般不多，層數(shù)不會(huì)大于3層，即可滿足生產(chǎn)線內(nèi)產(chǎn)品24h無(wú)人值守的自動(dòng)化加工要求。堆垛機(jī)升降運(yùn)動(dòng)行程較小，導(dǎo)軌一般不需要對(duì)接，安裝精度可由立柱加工保證，采用直線導(dǎo)軌副進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)的支承和導(dǎo)向，提高了運(yùn)行的精度和穩(wěn)定性。4條高剛性直線導(dǎo)軌副，分別安裝在立柱前后端面。每條導(dǎo)軌配置3個(gè)滑塊，共同支承導(dǎo)向載貨臺(tái)垂直升降運(yùn)動(dòng)，并承受貨叉在伸縮運(yùn)動(dòng)中的扭轉(zhuǎn)、傾覆力矩。為防止載貨臺(tái)由于突然斷電等意外情況導(dǎo)致跌落，4條直線導(dǎo)軌副均配置氣動(dòng)抱閘。

載貨臺(tái)升降驅(qū)動(dòng)采用雙伺服電動(dòng)機(jī)配減速機(jī)兩側(cè)同步驅(qū)動(dòng)，采用減速機(jī)輸出齒輪與安裝在立柱上的齒條嚙合傳動(dòng)。兩組驅(qū)動(dòng)減速機(jī)通過(guò)長(zhǎng)直軸聯(lián)軸器剛性連接，機(jī)械結(jié)構(gòu)上保證兩側(cè)同步驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。這種驅(qū)動(dòng)形式相對(duì)于傳統(tǒng)巷道堆垛機(jī)采用的鋼絲繩和鏈條傳動(dòng)精度和可靠性更高，傳動(dòng)更為平穩(wěn)。

升降機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11升降機(jī)構(gòu)

04 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)堆垛機(jī)物流系統(tǒng)背景和現(xiàn)狀分析，結(jié)合自動(dòng)化加工生產(chǎn)線托盤及物料輸送的特點(diǎn)，對(duì)堆垛機(jī)總體結(jié)構(gòu)、各部件及系統(tǒng)的組成和功能特點(diǎn)進(jìn)行了論述。通過(guò)在生產(chǎn)線內(nèi)應(yīng)用驗(yàn)證，該堆垛機(jī)性能穩(wěn)定，適用性強(qiáng)，滿足中大型托盤及物料（直徑1200mm，質(zhì)量2500kg）在生產(chǎn)線內(nèi)各設(shè)備、線邊庫(kù)、裝卸站等之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)運(yùn)和精確存取。堆垛機(jī)設(shè)計(jì)中融入的模塊化思想為后續(xù)產(chǎn)品系列化開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

審核編輯 ：李倩