图7　堆垛机总体结构

3.1 机架

上横梁、下横梁及两侧立柱组成的矩形框架为堆垛机主体结构，称为机架，运行于上下导轨之间。结构件采用大截面矩形钢管和钢板焊接而成，并通过焊后和粗加工后两次热时效消除应力，保证了总体的强度、刚性和稳定性[2，3]。

3.2 载货台

载货台用于承载托盘及物料，由载货台本体和货叉组成（见图8）。载货台沿立柱上的导轨作垂直于行走方向的运动（起重）和垂直于起重-行走平面方向的货叉左右伸缩运动。生产线内不同设备、装卸站、线边库位等由于结构特点和工作方式不同，承接托盘的工作台与堆垛机轨道中心线的距离不一致，这就需要货叉既要有足够的行程，又可以在任意伸缩位置准停，以适应不同设备间的托盘交换需求，同时货叉的挠度也要严格控制，挠度过大就会导致托盘与设备间的零点定位系统无法匹配入位而造成损坏，影响设备及生产线正常运行。基于以上分析，货叉采用双伸位双向伸缩货叉，驱动形式采用伺服电动机通过减速机驱动齿轮齿条实现货叉伸缩运动。货叉结构（见图9）主要由上叉体、中叉体和下叉体等组成。叉体材料选用优质合金结构钢锻造后经机加工而成，结合优化的结构设计，强度高，刚性足。下叉体安装在载货台上，中叉体和上叉体在齿轮齿条的驱动下向外延伸，使上叉体的伸缩距离直接延伸至目标位置。叉体之间相对运动采用高刚性、高承载能力的凸轮随动轴承夹持叉体自身导向部位进行支承和导向。

图8　载货台结构

图9　货叉结构

3.3 行走机构

传统立体库巷道堆垛机普遍采用的行走轮驱动形式存在车轮与导轨的相对滑动，导致运动精度不高，一般只能达到±5mm，无法满足机械加工生产线托盘取放的±2mm甚至更高的精度要求。因此，机械加工生产线应用的堆垛机机架行走和载货台升降运动采用伺服电动机通过减速机驱动齿轮与齿条啮合传动，这种驱动形式的优势是通过增加齿条的数量和长度易于实现长行程运动，传动精度高，驱动力大，互换性和模块化程度高。为降低运行噪声并提高运行平稳性，齿型选用螺旋齿。

堆垛机行走支承和导向采用天地轨形式。相较于直线导轨副容差能力较强，对地基等安装条件要求不高，对接和调整方便，更易于实现往复运动的长行程布置，保养维护简单，导向精度完全满足生产线托盘存储要求，性价比高。

地轨承载整个堆垛机及货物的自重，采用重型钢轨，单轨布置。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。地轨通过钢制垫板进行调平，调平板与轨道间设有减振橡胶板。机架下横梁前后各安装一个大规格钢制行走轮，在地轨上滚动运行，为防止车轮啃轨，行走轮采用无轮缘圆柱车轮，两侧安装有水平导向轮将地轨夹持在中间，防止侧倾。天轨通过螺栓固接在上导轨吊梁上，机架上横梁两端各有一组导轮将天轨夹持在中间，防止机架倾覆。地轨端头均设有固定端挡，能缓冲和承受堆垛机满载全速运行的冲击，并确保不损坏堆垛机的结构。

行走机构具体结构如图10所示。

图10　行走机构

3.4 升降机构

相对于仓储立体库，生产线内托盘（物料）库库位数量一般不多，层数不会大于3层，即可满足生产线内产品24h无人值守的自动化加工要求。堆垛机升降运动行程较小，导轨一般不需要对接，安装精度可由立柱加工保证，采用直线导轨副进行升降运动的支承和导向，提高了运行的精度和稳定性。4条高刚性直线导轨副，分别安装在立柱前后端面。每条导轨配置3个滑块，共同支承导向载货台垂直升降运动，并承受货叉在伸缩运动中的扭转、倾覆力矩。为防止载货台由于突然断电等意外情况导致跌落，4条直线导轨副均配置气动抱闸。

载货台升降驱动采用双伺服电动机配减速机两侧同步驱动，采用减速机输出齿轮与安装在立柱上的齿条啮合传动。两组驱动减速机通过长直轴联轴器刚性连接，机械结构上保证两侧同步驱动运行。这种驱动形式相对于传统巷道堆垛机采用的钢丝绳和链条传动精度和可靠性更高，传动更为平稳。

升降机构具体结构如图11所示。

图11　升降机构

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结束语

本文通过对堆垛机物流系统背景和现状分析，结合自动化加工生产线托盘及物料输送的特点，对堆垛机总体结构、各部件及系统的组成和功能特点进行了论述。通过在生产线内应用验证，该堆垛机性能稳定，适用性强，满足中大型托盘及物料（直径1200mm，质量2500kg）在生产线内各设备、线边库、装卸站等之间的平稳转运和精确存取。堆垛机设计中融入的模块化思想为后续产品系列化开发奠定了基础。

本文发表于《金属加工（冷加工）》2023年第1期69~72页，作者：北京航臻科技有限公司 韩庆元、潘恩彩、刘思远 ，原标题：《基于自动化机械加工生产线的堆垛总体结构设计》。