隨著新一輪工業革命的到來，制造業正在加速轉型升級，自動化和智能化已成為大勢所趨。目前，在航空、航天這些重要領域，產品更新換代的速度越來越快，對產品質量、效率、可靠性和穩定性的要求也越來越高。工廠現有的加工能力難以滿足新形勢下的加工能力、供貨節拍和質量要求。引入先進的自動化生產線模式，提升設備利用率，對于提升產能、提高質量和減少人工成本能夠起到事半功倍的作用。自動化加工制造首先要解決物料輸送的自動化，即需要配置一套高效穩定可靠的自動化物流系統。目前在航空航天工廠建設的自動化生產線內所集成的物流系統基本以進口為主，除了價格昂貴外，售前交流、實施技術支持及售后服務都得不到很好的保障，受制于當前的國際形勢，很容易被“卡脖子”。國內也有很多自動化廠家和機床企業在進行自動化物流系統的研發制造，主要集中在負載較小的桁架機械手、軌道機器人和小規格AGV等，技術比較成熟且在很多民用領域廣泛應用，技術水平已接近或達到國外同類產品。但對于1000kg以上托盤和產品的自動化輸送系統，目前國內成熟度較低，其核心關鍵技術仍然掌握在國外企業手里。因此，自主開發大規格重載自動化物流系統，替代進口，顯得尤為重要，這不僅關系到企業本身的長遠發展，也對切實保障國家經濟安全和國防安全具有重要意義。

02

現狀分析

在自動化領域，托盤及工件自動搬運不僅可以大大提高效率，降低人力強度和成本，還可以有效地提高產品質量及一致性。目前主流的輸送工具包括AGV、RGV、桁架機械手（見圖1）、軌道機器人（見圖2）和堆垛機等，搬運、交換、上下料等的主要機構為氣（電）動卡爪、插臂等形式。

圖1　桁架機械手

圖2　軌道機器人

桁架機械手和軌道機器人一般用于500kg以下托盤工件的搬運，尤其是300kg以下產品搬運優勢明顯，成本低，技術成熟度高，運行靈活可靠。超過300kg負載的機器人受制于本體多關節串聯結構，剛性和定位精度很難得到有效保證，即便能夠滿足重載運輸要求，價格也很昂貴，性價比較差，因此應用較少。

AGV輸送車（見圖3）具有良好的柔性，只需改變控制軟件實現運行路徑的變更，空間無障礙，智能程度比較高，但其承載能力一般不高，大規格重載的AGV成本又極高，AGV的定位精度一般為±5mm, 無法滿足自動上下料對高精度定位的要求。此外AGV采用蓄電池作為動力源，需要定時進行充電，很難保證滿負荷連續運行12h以上，且通信大多依靠WIFI，在許多軍工企業使用受限。

圖3 AGV輸送車

RGV輸送車（見圖4）沿固定軌道運行，通過電動機帶動減速器再通過齒輪齒條、同步帶、鏈條等方式傳動，導向傳動精度高，通過電動機編碼器的位置反饋進行半閉環控制，可實現±0.5mm的定位要求，能夠滿足托盤交換機構對輸送車定位準停精度的要求。通過合理的結構設計和驅動選擇可滿足中大托盤及工件的搬運，在重載（1000kg以上）時優勢明顯。但由于RGV一般不配置升降機構，只能水平進行托盤交換，因此托盤緩存庫只能設計成單層，庫位或站位數量有限，除了針對一些加工工時較長的鈦合金飛機結構件等零件加工可滿足節拍要求以外，對于大多數零件的自動化加工，庫位數量都很難滿足12h無人值守和生產線運行節拍要求。

圖4 RGV輸送車

大型重載堆垛機物流系統不僅具有RGV的幾乎所有優點，而且配置了升降載貨臺，物料及托盤可以立體存放，空間利用率大幅度提高。通過對潛在用戶及已有項目的深入分析和調研，發現堆垛機系統應用前景廣泛，尤其針對發動機機匣等零件自動化加工生產線具有很強的適用性。

對于大規格重載堆垛機物流系統，技術難度大，研發投入高，目前國內成熟度較低，能夠投入產線實際運行的也只有寧江、海天等少數機床企業，且只針對自家機床進行組線，不作為獨立產品對外銷售，適用性不強。國外能夠生產重載堆垛機物流系統的廠商主要有芬蘭的法斯頓（見圖5）、德國的利勃海爾（見圖6）等，其產品經過數十年應用驗證和迭代完善，可靠性高，穩定性好，并已形成完整的產品系列，在眾多領域均有較為成熟的應用。

圖5　法斯頓堆垛機

圖6　利勃海爾堆垛機

03

堆垛機總體結構

本文研究的堆垛機主要用于中大型結構件機械加工生產線上托盤（含物料、工裝、夾具）在各設備之間全自動轉運以及工序間緩存、裝卸。相較于傳統倉儲立體庫用堆垛機具有更高的結構剛性、控制柔性、位置精度、可靠性和安全性等。堆垛機用于存儲單元出入貨架的搬運作業。

如圖7所示，堆垛機主要由機架、載貨臺（含貨叉）、行走機構、升降機構、控制系統、外形檢測裝置和安全保護裝置等組成[1]。在生產線內進行機架水平直線往復、載貨臺垂直升降、貨叉左右伸縮叉取等運動，實現托盤及物料存取和轉運。

圖7　堆垛機總體結構

3.1 機架

上橫梁、下橫梁及兩側立柱組成的矩形框架為堆垛機主體結構，稱為機架，運行于上下導軌之間。結構件采用大截面矩形鋼管和鋼板焊接而成，并通過焊后和粗加工后兩次熱時效消除應力，保證了總體的強度、剛性和穩定性[2，3]。

3.2 載貨臺

載貨臺用于承載托盤及物料，由載貨臺本體和貨叉組成（見圖8）。載貨臺沿立柱上的導軌作垂直于行走方向的運動（起重）和垂直于起重-行走平面方向的貨叉左右伸縮運動。生產線內不同設備、裝卸站、線邊庫位等由于結構特點和工作方式不同，承接托盤的工作臺與堆垛機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停，以適應不同設備間的托盤交換需求，同時貨叉的撓度也要嚴格控制，撓度過大就會導致托盤與設備間的零點定位系統無法匹配入位而造成損壞，影響設備及生產線正常運行。基于以上分析，貨叉采用雙伸位雙向伸縮貨叉，驅動形式采用伺服電動機通過減速機驅動齒輪齒條實現貨叉伸縮運動。貨叉結構（見圖9）主要由上叉體、中叉體和下叉體等組成。叉體材料選用優質合金結構鋼鍛造后經機加工而成，結合優化的結構設計，強度高，剛性足。下叉體安裝在載貨臺上，中叉體和上叉體在齒輪齒條的驅動下向外延伸，使上叉體的伸縮距離直接延伸至目標位置。叉體之間相對運動采用高剛性、高承載能力的凸輪隨動軸承夾持叉體自身導向部位進行支承和導向。

圖8　載貨臺結構

圖9　貨叉結構

3.3 行走機構

傳統立體庫巷道堆垛機普遍采用的行走輪驅動形式存在車輪與導軌的相對滑動，導致運動精度不高，一般只能達到±5mm，無法滿足機械加工生產線托盤取放的±2mm甚至更高的精度要求。因此，機械加工生產線應用的堆垛機機架行走和載貨臺升降運動采用伺服電動機通過減速機驅動齒輪與齒條嚙合傳動，這種驅動形式的優勢是通過增加齒條的數量和長度易于實現長行程運動，傳動精度高，驅動力大，互換性和模塊化程度高。為降低運行噪聲并提高運行平穩性，齒型選用螺旋齒。

堆垛機行走支承和導向采用天地軌形式。相較于直線導軌副容差能力較強，對地基等安裝條件要求不高，對接和調整方便，更易于實現往復運動的長行程布置，保養維護簡單，導向精度完全滿足生產線托盤存儲要求，性價比高。

地軌承載整個堆垛機及貨物的自重，采用重型鋼軌，單軌布置。地軌安裝在地面的基礎板上，基礎板通過化學錨栓與地面固定。地軌通過鋼制墊板進行調平，調平板與軌道間設有減振橡膠板。機架下橫梁前后各安裝一個大規格鋼制行走輪，在地軌上滾動運行，為防止車輪啃軌，行走輪采用無輪緣圓柱車輪，兩側安裝有水平導向輪將地軌夾持在中間，防止側傾。天軌通過螺栓固接在上導軌吊梁上，機架上橫梁兩端各有一組導輪將天軌夾持在中間，防止機架傾覆。地軌端頭均設有固定端擋，能緩沖和承受堆垛機滿載全速運行的沖擊，并確保不損壞堆垛機的結構。

行走機構具體結構如圖10所示。

圖10　行走機構

3.4 升降機構

相對于倉儲立體庫，生產線內托盤（物料）庫庫位數量一般不多，層數不會大于3層，即可滿足生產線內產品24h無人值守的自動化加工要求。堆垛機升降運動行程較小，導軌一般不需要對接，安裝精度可由立柱加工保證，采用直線導軌副進行升降運動的支承和導向，提高了運行的精度和穩定性。4條高剛性直線導軌副，分別安裝在立柱前后端面。每條導軌配置3個滑塊，共同支承導向載貨臺垂直升降運動，并承受貨叉在伸縮運動中的扭轉、傾覆力矩。為防止載貨臺由于突然斷電等意外情況導致跌落，4條直線導軌副均配置氣動抱閘。

載貨臺升降驅動采用雙伺服電動機配減速機兩側同步驅動，采用減速機輸出齒輪與安裝在立柱上的齒條嚙合傳動。兩組驅動減速機通過長直軸聯軸器剛性連接，機械結構上保證兩側同步驅動運行。這種驅動形式相對于傳統巷道堆垛機采用的鋼絲繩和鏈條傳動精度和可靠性更高，傳動更為平穩。

升降機構具體結構如圖11所示。

圖11　升降機構

04

結束語

本文通過對堆垛機物流系統背景和現狀分析，結合自動化加工生產線托盤及物料輸送的特點，對堆垛機總體結構、各部件及系統的組成和功能特點進行了論述。通過在生產線內應用驗證，該堆垛機性能穩定，適用性強，滿足中大型托盤及物料（直徑1200mm，質量2500kg）在生產線內各設備、線邊庫、裝卸站等之間的平穩轉運和精確存取。堆垛機設計中融入的模塊化思想為后續產品系列化開發奠定了基礎。