编者按

基于对自动化物流系统背景和现状的分析对比，结合自动化机械加工生产线物流输送系统的特点和要求，设计出适用性强的堆垛机产品，重点对堆垛机总体结构、行走系统、升降系统等组成和特点进行了详细论述。通过实际应用验证，满足自动化机械加工生产线对托盘尤其是中大型托盘及物料输送和存取的效率、精度、稳定性等方面的要求。

01

序言

随着新一轮工业革命的到来，制造业正在加速转型升级，自动化和智能化已成为大势所趋。目前，在航空、航天这些重要领域，产品更新换代的速度越来越快，对产品质量、效率、可靠性和稳定性的要求也越来越高。工厂现有的加工能力难以满足新形势下的加工能力、供货节拍和质量要求。引入先进的自动化生产线模式，提升设备利用率，对于提升产能、提高质量和减少人工成本能够起到事半功倍的作用。自动化加工制造首先要解决物料输送的自动化，即需要配置一套高效稳定可靠的自动化物流系统。目前在航空航天工厂建设的自动化生产线内所集成的物流系统基本以进口为主，除了价格昂贵外，售前交流、实施技术支持及售后服务都得不到很好的保障，受制于当前的国际形势，很容易被“卡脖子”。国内也有很多自动化厂家和机床企业在进行自动化物流系统的研发制造，主要集中在负载较小的桁架机械手、轨道机器人和小规格AGV等，技术比较成熟且在很多民用领域广泛应用，技术水平已接近或达到国外同类产品。但对于1000kg以上托盘和产品的自动化输送系统，目前国内成熟度较低，其核心关键技术仍然掌握在国外企业手里。因此，自主开发大规格重载自动化物流系统，替代进口，显得尤为重要，这不仅关系到企业本身的长远发展，也对切实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，托盘及工件自动搬运不仅可以大大提高效率，降低人力强度和成本，还可以有效地提高产品质量及一致性。目前主流的输送工具包括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、上下料等的主要机构为气（电）动卡爪、插臂等形式。

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500kg以下托盘工件的搬运，尤其是300kg以下产品搬运优势明显，成本低，技术成熟度高，运行灵活可靠。超过300kg负载的机器人受制于本体多关节串联结构，刚性和定位精度很难得到有效保证，即便能够满足重载运输要求，价格也很昂贵，性价比较差，因此应用较少。

AGV输送车（见图3）具有良好的柔性，只需改变控制软件实现运行路径的变更，空间无障碍，智能程度比较高，但其承载能力一般不高，大规格重载的AGV成本又极高，AGV的定位精度一般为±5mm, 无法满足自动上下料对高精度定位的要求。此外AGV采用蓄电池作为动力源，需要定时进行充电，很难保证满负荷连续运行12h以上，且通信大多依靠WIFI，在许多军工企业使用受限。

图3 AGV输送车

RGV输送车（见图4）沿固定轨道运行，通过电动机带动减速器再通过齿轮齿条、同步带、链条等方式传动，导向传动精度高，通过电动机编码器的位置反馈进行半闭环控制，可实现±0.5mm的定位要求，能够满足托盘交换机构对输送车定位准停精度的要求。通过合理的结构设计和驱动选择可满足中大托盘及工件的搬运，在重载（1000kg以上）时优势明显。但由于RGV一般不配置升降机构，只能水平进行托盘交换，因此托盘缓存库只能设计成单层，库位或站位数量有限，除了针对一些加工工时较长的钛合金飞机结构件等零件加工可满足节拍要求以外，对于大多数零件的自动化加工，库位数量都很难满足12h无人值守和生产线运行节拍要求。

图4 RGV输送车

大型重载堆垛机物流系统不仅具有RGV的几乎所有优点，而且配置了升降载货台，物料及托盘可以立体存放，空间利用率大幅度提高。通过对潜在用户及已有项目的深入分析和调研，发现堆垛机系统应用前景广泛，尤其针对发动机机匣等零件自动化加工生产线具有很强的适用性。

对于大规格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，能够投入产线实际运行的也只有宁江、海天等少数机床企业，且只针对自家机床进行组线，不作为独立产品对外销售，适用性不强。国外能够生产重载堆垛机物流系统的厂商主要有芬兰的法斯顿（见图5）、德国的利勃海尔（见图6）等，其产品经过数十年应用验证和迭代完善，可靠性高，稳定性好，并已形成完整的产品系列，在众多领域均有较为成熟的应用。

图5　法斯顿堆垛机

图6　利勃海尔堆垛机

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堆垛机总体结构

本文研究的堆垛机主要用于中大型结构件机械加工生产线上托盘（含物料、工装、夹具）在各设备之间全自动转运以及工序间缓存、装卸。相较于传统仓储立体库用堆垛机具有更高的结构刚性、控制柔性、位置精度、可靠性和安全性等。堆垛机用于存储单元出入货架的搬运作业。

如图7所示，堆垛机主要由机架、载货台（含货叉）、行走机构、升降机构、控制系统、外形检测装置和安全保护装置等组成[1]。在生产线内进行机架水平直线往复、载货台垂直升降、货叉左右伸缩叉取等运动，实现托盘及物料存取和转运。