立体仓库堆垛机设计.docx
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立体仓库堆垛机设计
自动化立体仓库堆垛机的设计
车小贺，王劲松，杨程程
辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新（123000）
E-mail：
braveheart0910@
摘要：
结合中型物流中心货物流通的特点，将自动化立体仓库技术应用到大型物流系统中，
设计了用于自动分拣、储存的堆垛机。
堆垛机由前叉、中叉、后叉和导向滚子组成，具有结
构紧凑，传动方式简单，重量轻等特点。
本文对堆垛机的三个货叉的受力情况进行了详细分
析，并在此基础上设计了PLC控制程序，对堆垛机的行走进行控制。
完善了立体仓库中堆
垛机部分的设计，为自动化立体仓库系统的设计提供了参考借鉴，适用于高速流通的仓储控
制系统。
关键词：
立体仓库；堆垛机；受力分析；PLC控制
中图分类号：
TP273文献标识码:
A
1.引言
随着我国经济和科学技术的不断发展，现代物流技术在我国也得到了很大的提高，特别
是作为现代物流技术典范的自动化仓库技术尤其令人关注。
自动化立体仓库，是实现物流系
统合理化的关键。
它具有空间利用率高、便于实现自动化管理、实时自动结算库存货物种类
和数量、立体仓库信息库可以和中央计算机系统联网运行等许多优点。
对加快物流速度、提
高劳动生产率、降低生产成本都有重要意义。
2.自动化立体仓库系统构成
2.1货物流通过程
货物在仓库中的存储过程是货物流通的一个非常重要的环节，其构成如图2-1所示。
据
对沈阳市物流中心的调查，货物的分拣和出入库基本上仍然是手工作业，货物流通的时间滞
后在很大程度上是由这一环节造成的，而且由于是人工作业，工作人员的劳动强度很大，货
物的损坏、丢失及其它管理不善也时有发生。
从这个角度上说，在物流仓库中引进自动化仓
库技术是很有必要的。
图2-1货物流通过程示意图
2.2自动化仓库的组成
自动化立体仓库大致由三部分组成：
1.高层立体式堆货架；2.入出库用搬运机（堆垛机、
货物分配车等）；3.信息处理控制设备（计算机、数据通信装置等）。
仓库的平面布置一般有三
-1-
种形式：
L型、U型和直线型，其余的形式都是这三种形式的变形，其中直线型布置简洁，
易于实现，应用也最为广泛[1]。
3.机械部分设计
3.1输送伸缩式货叉
由于输送车是输送货物的重要工具，一般都由前叉、中间叉、固定叉以及导向滚子组成。
按驱动方式货叉可分为：
1.差动齿轮动驱动方式；2.齿轮齿条驱动方式；3.链轮链条传动方
式；4.液压驱动方式[2]。
固定叉装在载货台上，中间叉可在齿轮、齿条或链条、链轮的驱动
下，从中间叉的中点，向左或右移动自身长度的一半。
前叉可从中间叉的中点向左或向右伸
出比自身稍长的长度。
前叉由两根滚子链条或钢丝绳驱动，链条或钢丝绳的一端固定在固定
叉（或货台上），另一端固定在前叉上。
如图3-1所示。
伸缩式货叉具有如下结构特点：
1.结
构紧凑，所占空间小；2.传动方式简单，动作灵活；3.重量轻，可以减小运行惯性力。
图3-1货叉机构结构简图
3.2货叉设计分析
货叉是堆垛机存、取货的关键部件，它在工作时前叉要伸入货架中，所以在设计货叉时，
应以前叉的厚度尽量薄，同时，叉前端的挠度应控制在最小为设计目标。
图3-2货叉载荷图
将货叉分解为固定叉、中间叉和前叉分别进行考虑伸缩货叉的挠度与强度。
如图3-2货
叉的载荷图。
-2-
3.2.1.固定叉
如图3-3，假设l0为不变形部分的长度，Q—额定载荷，E—材料的纵弹性系数人为变
形量；III1;;23—固定叉、中间叉、前叉的在重力方向的惯性矩。
Ql
当
P=2，
axL0时：
1
b
=
Pbx
−
（
−
）
弯矩为：
M
1
Pxa
=−
∫
xm
L0
1
=−
p⎡bx3
⎢+
（
xa
）2
⎤
I1I0
0EI
1
dxI0
2EI⎣I
0
⎥
⎦
图3-3固定叉
λ
xxm
P
⎡bx3
（
）3
⎤
=Ix−
2
dx=Ix
−
1
⎢+−xa⎥
0
00
EI
1
0
bEI⎣I
10
⎦
当xL0时，λ=0
I
=−
p
1
（
L+b
）
I
1
=−
Pab
EII
1
（
I0+a
）
0
ELL
610
0
610
C点的倾角λ1为：
λ1=−
Pab
I+aL1）
3.2.2.中间叉
EII
610
0
3
如图3-4（a）所示，因载荷Q的作用，在（b）间产生反力P1、P2,设C点的倾角为I2,
挠度为λ2（假设l3为不变形部分的长度）。
M=Px
=
QL
2x
1
dλ
b
QLx2
I=
dx
=−
2
EIb
22
3
+I
0
λ=−QLx2+Ix+λ
EIb
62
0
0
-3-
图3-4中间示意图
当xb时的倾斜角I2和挠度λ2为：
=−
QLb
λ=−QLbL
I
2
2
EI
32
，所以
2
2
EI
32
3
据图3-4（）示，把b段作为刚性，c点作为固定端考虑，并设由于W在中间产生的反
力为P3和P4，而由于这些反力作用在叉子前端产生的挠度为λ3和λ4，则:
（
）
M=−Pxd3−+Px4
P
3
=
e
d
Q
P
4
=
（ed）
d
Q
λ=−
xxM
00EI
2
dx
2
=−
∫
x
1
⎡
⎣−
（
）
2
02EI
2
Pxd3−+Pxdx4
=−
1
⎡
3
（
−
）3⎤
⎣
Px−Pxd
⎦
6EId
4
3
2
当xL1时
λ=−
Q
⎡（
）
3
（
）3⎤
3
λ
=−
EId
62
Q
⎣
⎡
edL1−eL1−d
（）（++）
−−
⎦
⎤×（
2
L
）
4
3.2.3.前叉
EId
22
⎣
exd
edx
⎦
3−L1
由图3-5所示，载荷Q在d区间产生的反力有P3、P4,在E点的倾斜角为I5，挠度为λ5。
-4-
I
=−
eQx
3
+
I0
图3-5前叉受力分析图
ELd
63
3
λ=−eQx+Ix+δ
ELd
63
I
0
=
0
eQd
λ=−
eQd（L
）
当xd时：
5
EL
63
，所以
5
EL
33
3−L1
因此，在设载货台和立柱为刚性时，伸缩货叉工作的总挠度为：
Δ=+λλλλλ123+4+5
此Δ值应控制在5~10mm[3]。
4.自动化仓库的控制的方案
现在以工业输送车在对8个仓库存储物品时，对堆垛机车有以下的控制要求:
（1）工作开始后，车此时停在某个仓库。
当没有用车呼叫（既呼车）时，各仓库的指示
灯亮，表示各仓库可以呼车。
（2）如果某仓库遇有呼车时，按下本仓的呼车按钮，则其它各仓位的指示灯均灭，表示
此后再呼车无效。
（3）在停车位呼车则车不动，当呼车位号大于停车位号时，车自动向高位行驶；当车位
号小于停车位号时，车自动向低位行驶，当车到达呼车位时自动停车[4]。
（4）车到达呼车位时要求停留30s供该仓库使用，不应立即被其他仓库呼走。
（5）临时停电后再复电，车不会自行起动。
4.1PLC程序设计
每个仓库均设置一个滚轮式限位开关ST和一个呼车键按钮SB，ST可自动复位；系统
设有用于起动和停机的按钮，这些均为PLC的输入元件。
车要用一台电动机拖动，电动机
正转时车驶向高位，反转时小驶向低位，电动机正转和反转各需要一个接触器，是PLC的
输出执行元件。
另外各仓库还要指示灯作为呼车显示。
电动机和指示灯是PLC的控制对象。
各自动化仓库的限位开关和呼车按钮的布置如图4-1所示，图4-1中ST和SB编号也是
各仓库编号。
-5-
图4-1自动化仓库布置图
4号仓ST4I1.3系统起钮I0.04号仓SB4I2.3
5号仓ST5I1.4系统停钮I0.15号仓SB5I2.4
为了分析问题方便，先做出系统动作过程的流程图，之后依据工业输送车的工艺要求，
设计出相应的控制程序梯形图，流程图和梯形图分别如图4-2、图4-3所示。
图4-2工业运输车控制系统流程图
在程序中，用到了传输指令和比较指令，即先把车所在的仓库号传输到一个内存单元中，
再把呼车的仓库号传输到另一内存单元中，然后将这两个内存单元的内容进行比较[5]。
若呼
车的位号大于停车的位号，则车向高位行驶;若呼车的位号小于停车的位号，则车向低位行
驶。
对车的这种控制，是程序设计的主线。
程序控制的其他要求
（1）若有某仓库呼车则应立即封锁其他仓库的呼车信号。
（2）车行驶到位后应在该仓库停留一段时间，即延迟一定时间再解除对呼车信号的封
锁。
（3）失压保护程序。
（4）呼车显示程序。
由于自动化控制系统采用可编程控制器为核心，提高了控制的灵活性及通用性，以适应
各种工艺要求的变化，使仓库技术进一步向智能自动化方向发展。
-6-
5.结论和展望
图4-3工业输送车控制程序梯形图
在仓库领域中，物资的输送、存储、管理和控制的规模越来越大，靠人工实现已经远不
能够需要。
自动化仓库技术在物资存储行业中受到人们的重视，其控制重点转向物资的控制
和管理要求实时、协调和一体化，计算机之间、数据采集点之间
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