堆垛机模块化设计研究

堆垛机模块化设计研究

石建飞

南京华德仓储设备制造有限公司江苏南京210000

摘要：巷道式堆垛起重机(简称堆垛机)是物流装备的核心产品。与国外技术相比，目前我国堆垛机产品在技术参数、产品覆盖范围、技术稳定性和产业规模等方面均有差距。国外知名堆垛机厂家的堆垛机产量基本上在200台/年以上，基本上实现了产品零部件批量生产以及堆垛机设计和制造系列化和模块化;而国内制造企业相对规模较小，年产量在100台/年以下，还处于以项目合同推进设计和生产的阶段，并且在堆垛机产业化方面的研究较少，产品综合竞争力和技术水平比较低。基于此，本文主要对堆垛机模块化设计进行分析探讨。

关键词：堆垛机；模块化；设计研究

前言

近几年如上海海烟物流系统、伊力乳业等重大项目的业主综合考虑后均选择了产业化和技术较为成熟的国外产品，表明我国物流装备制造行业在技术水平和行业规模竞争中处于不利地位。为增强行业的竞争水平，进行产业化研究是目前十分紧迫的任务，而模块化设计是实现产业化从而快速响应市场的有效方式。

1、堆垛机结构形式选择

巷道式堆垛机按结构可分为单立柱型和双立柱型。单立柱堆垛机的机架结构由一根立柱、上横梁和下横梁组成，或仅由一根立柱和下横梁组成，整机重量较轻，制造工时和材料消耗少，适用于起重量2t以下、起升高度在16m以下的仓库。双立柱堆垛机的机架结构由两根立柱和上、下横梁组成一个矩形框架，结构的刚度和强度较好，质量比单立柱大，适用于各种起升高度的仓库，起重量一般可达5t，必要时还能更大,可用于高速运行。

堆垛机按照运行方式可分为无轨巷道式和有轨巷道式。无轨堆垛机适用于作业次数不太频繁、作业高度不太大的仓库，特别是在普通仓库改造成中、低层货架的仓库时，尤为适用。与无轨巷道式堆垛机相比，有轨巷道式堆垛机在结构上有很大不一样：它采用钢轮在轨道上运行，使其能沿着仓库巷道内设置好的地轨水平运行，作业高度视立体仓库的高度而定。本文选择设计有轨巷道式堆垛机。

2、堆垛机与模块化设计

典型的单立柱堆垛机结构见图1。

图1堆垛机结构

它由地轨1、下横梁2、载货台3、货叉机构4、提升滑轮5、天轨6、立柱7、控制柜8、起升电机9、行驶机构和驱动轮10等构成。对于堆垛机系统，其设计很难用传统模块化原理和方法进行产品的拼装和组合，也不能用参数化设计对产品进行简单地缩放，而是要按照立体仓库系统的需求，确定其结构型式和规格大小，因其固有的大惯量、较大跨度的结构参数变化和运动参数的变化，对各组成模块的性能(如刚度、强度、稳定性、可靠性等)有严格要求，使具有相同或相似功能的模块在结构上可能有较大差异，并且根据参数的变化，模块模型结构形式变化多样，传统模块化设计不能满足这些要求，因此引入基于模板模块的模块化设计方法将堆垛机系统设计特点和模块化设计优势相结合。

基于模板模块的堆垛机产品模块化设计是对传统模块化设计的扩展，其核心思想是考虑堆垛机载荷特征、材料特性、受力情况、功能配置以及运动参数等对其结构形式的影响，把堆垛机结构强度、刚度、功能参数以及运动参数等作为模块设计的目标参数，通过这些参数把设计要求传递给模块。实现参数表达的模块称为模板，它是模块的抽象而不是一个具体的可用的模块，是一类功能模块的通用模型，模板综合了大量实例的相似设计特点，将模板搭建成产品结构模型。实际设计时从设计要求中提取产品设计参数，对模板模块进行赋值，在产品机构模型的框架内得到实例化的产品，快速完成堆垛机产品设计。模板是产品模块化设计的基础，因此必须保证模板设计的合理性。一个合格的模板模块应集成设计知识，预留再设计和模型扩充的接口，这些接口包括模板属性信息、连接信息以及参数信息，改变各接口信息值就可以改变模板的特性。接口信息应该同堆垛机设计知识体系具有映射关系，其取值依照产品知识体系和设计标准确定。堆垛机模块化设计主要包括功能模块的合理划分和模块之间机械界面的通用化和标准化设计。

(1)模块的划分、综合及标准化

如何正确划分功能模块是堆垛机设计的主要研究内容之一。正确合理的模块划分可以简化设备的结构，降低设备的重构频率，提高模块之间的精度匹配，减少重构操作的工作量，美化设备的外观。另外，模块的标准化也极其重要，只有实现标准化，才便于组织专业化的大规模生产，实现不同厂家模块的互换。

(2)机械界面标准化

堆垛机模块要真正得到广泛应用，设计时必须考虑各种模块的界面标准化，包括机械、液压、润滑、冷却、电控接头等。模块化设计理论已经出现了几十年，但一直没有得到广泛应用。究其原因，主要是机械界面部分研究得很不够，人们往往将注意力集中在模块的划分、设计和综合方面。事实上，模块化设计能否得到广泛应用，与机械界面的设计和标准化关系极大。界面的标准化研究主要包括界面结合的精度、稳定性和可靠性、界面的标准化、模块更换的快速性和方便性等。

3、堆垛机功能分析及模块划分

按照模块化设计的基本思路，对堆垛机产品进行市场调查和分析，并综合制造和装配等因素，将影响堆垛机功能的设计参数进行归纳和整理，确定产品参数范围与主参数，同时按堆垛机功能进行模块划分，如建立驱动模块、底架支撑模块、立柱模块、载货台模块、控制系统模板等一级模块，并对每个大类模块进行纵向细化，对每个模块结合已经生产出来的堆垛机进行结构优化，并固定结构形式，在此基础上对模块进行参数描述，建立各模块的模板。按照模板间参数关系构建堆垛机产品结构模型，建立模板间的参数关系，形成一个具有信息接口和使用规则的堆垛机设计专家系统，通过参数赋值将模板实例化以实现堆垛机模块化设计。根据以上的分析并结合已有的设计经验，将堆垛机的设计参数归纳如下:

(1)功能参数堆垛机结构形式、运行方式、存取货方式、货位形式、货物类型和设备拣选方式等。功能参数采用定性参数描述，见表1。

表1堆垛机功能参数表

（4）堆垛机模块化设计需要在功能分析的基础上构建产品结构功能树，按照功能结构树进行模块划分，通过设计参数完成功能向结构的映射并建立模块与产品的属性关系和模块与模块之间的连接与相关关系，堆垛机产品模块体系的建立与产品的配置管理均以对模块的参数描述为基础。

4、结束语

堆垛机产品是物流设备中相对复杂、自动化要求较高的产品。通过对该产品的模块化设计研究，可以探索出一种持续有效的管理和提升产品品质的设计方法，建立持续改进产品的知识平台。将该方法推广到其他物流设备的设计管理具有深远的意义。

参考文献：

[1]杨化林，郭涛，童水光．基于产品族的产品设计方法研究[J]．机床与液压2006。(1)：43

[2]赵立平，王宗彦，秦慧斌，董良．面向大规模定制的堆垛机快速设计系统研究[J]．中国机械工程，2008，19(18)：2161—2165