堆垛机（堆垛起重机的简称），属于自动化立体仓库中最重要的起重运输设备[1]。堆垛机的主要作用是通过在通道内来回运行的过程中，将货架上的货物取出并运输至巷道口，或者将巷道口的货物存入货架的货格中。

早期的堆垛机是利用货叉在立柱上的上下运动以及立柱的旋转运动来搬运货物的，通常称为桥式堆垛机。巷道式堆垛机出现于1960年左右[2]。其后，随着计算机控制技术和自动化立体仓库的发展，堆垛机的技术性能越来越好，举升高度越来越高，运输效率也越来越高。本文主要研究堆垛机的运行原理，对自动化立体仓库中的堆垛机进行结构设计，计算其运输能力。

堆垛机由水平行走电机通过驱动轴带动水平行走轮箱在地轨上做水平运动，由垂直方向的提升电机通过钢丝绳带动载货台做垂直升降运动，由载货台上的货叉带动货物做伸缩运动[3]，通过上述三维运动完成出库、入库的动作。

水平方向和垂直方向的运动分别采用激光和条码带定位控制，货叉通过接近开关和旋转编码器控制。采用无线以太网方式进行通讯控制[4]。既可以实现自动控制，也可以实现手动或半自动控制。堆垛机的整体结构图如图1所示。

图1 堆垛机的整体结构图  

巷道堆垛机属于双立柱钢丝绳式结构。主要由机架、水平运行装置、提升驱动装置、货叉装置、载货台、超速断绳保护装置、阻挡装置、维修爬梯等部件组成。

(1）机架

堆垛机的机架由两根立柱和两根横梁组成一个平面框架，整体具有良好的刚度和足够的强度[5]，同时配置上下各两组导向轮组，有效地增加了堆垛机的安全可靠性，提高了运行时的稳定性及运行效率，在堆垛机一侧设置有垂直爬梯和检修平台，用于堆垛机上横梁等其它部件的检修与保养。

(2）水平运行装置

水平运行装置是将行走轮箱安装于机架下横梁框架内，主要作用为水平运送堆垛机到达指定位置。堆垛机水平采用激光定位的方式进行认址，定位精度可达±5mm。在堆垛机的水平运行轨迹区域的安装反光板，在堆垛机高速运行时，能够实时传输绝对地址，保证堆垛机速度平稳和定位准确。水平运行采用交流开环变频调速，运行速度可以达到4m/min～120m/min；水平运行到位的停准精度可以达到±5 mm，结构图如图2所示：

图2 水平运行装置   

(3）提升装置

提升驱动装置主要作用是通过电机驱动起升卷筒，起升卷筒带动钢丝绳运送载货台到达指定高度位置。堆垛机垂直提升采用条码带定位的方式进行认址，定位精度可达±5mm。在堆垛机的水平运行轨迹区域的安装反光板，在堆垛机高速运行时，实时传输绝对地址，保证堆垛机速度平稳和定位准确。垂直提升运行速度可达4m/min-30m/min；垂直升降到位的停准精度可达±5mm，如图3所示。

图3 提升装置   

(4）货叉装置

货叉伸缩速度：为提高出入库频率，速度20m/min（实载）/40m/min（空载）。货叉装置安装于载货台上，由上中下叉、导轮、传动机构等组成。传动系统由电机减速机、扭矩限制器、链传动机构等组成。货叉在原位时，堆垛机才能运行。货叉装置上设有到位减速开关，以保证货叉伸缩到位的精度，如图4所示。

图4 货叉装置   

(5）载货台

载货台主要就是一个运送货物起升的工作平台。货叉装置通过高强度螺栓安装在载货台上。在载货台上布置有各种安全检测开关和联锁装置。主要包括：上下限位开关、机械死限位开关、超高检测开光和超宽检测开关等。

图5 载货台   

上、下极限保护开关能确保载货台向上、向下超过货架最高、最低货位时，并在上、下到位开关不能正常工作的情况下，使载货台能够停止运行。机械死限位是在上极限开关失灵时，防止堆垛机冲顶，最终保证堆垛机的运行安全。

上述所有检测开关与电气控制之间形成联锁系统，能够确保堆垛机在出现非正常情况时整个系统立即停止运行，如图5所示。

(6）断绳保护装置

断绳保护装置的作用是当钢丝绳断裂载货台超速下降时，可及时钳住载货台，避免坠落。系统具有强制减速功能，当载货台向下运行距离下一层货架约300mm时，限制载货台减速运行，如图6所示。

图6 断绳保护装置   

(7）堆垛机天、地轨系统

1）天轨系统

有轨堆垛机天轨又称上部导轨，采用方管100mm*100mm*5mm；一般地面支撑型堆垛机上部采用水平导轨夹住天轨运行。图7为天轨固定与连接的方法，并且能够调节到规定允许的偏差范围。上下表面距离误差不得超出±10mm/全长，与地轨平行度要求不得超出±5mm全长，天地轨采用无缝连接，地轨焊接采用轨道钢专用焊条焊接、轨道磨光机打磨。

图7 天轨连接方法  

2）地轨系统

地轨采用38kg/m重轨，图8是地轨结构形式，轨道安装在用地脚螺栓支撑的调平板上，接头处采用焊接方式实现无缝连接。安装方式：调平板用地脚螺栓固定在预埋板上，调平板与轨道间设有8mm减震橡胶板。

轮压表面垂直方向直线度误差：轮距范围内不超出±1.5mm，全长不超出±3mm，表面光滑；轮压表面水平方向直线度误差：水平导向轮轮距长度内不超出±0.5mm，全长不超出±2mm，表面光滑。

图8 地轨结构形式   

运输时间的计算：

实载：

空载：

±5mm全长，天地轨采用无缝连接，地轨焊接采用轨道钢专用焊条焊接、轨道磨光机打磨。

升降时间：Tf3=2s

到位等待时间：Tf4=1.5s

图9 运载时间的计算   

随着科技的进步与市场需求的扩张，自动化立体仓库也在不断融合新兴技术，仓储运输能力也得到了逐步的提升。为了更好地满足仓储物流业的需求，对堆垛机进行结构设计，并对堆垛机的提升能力进行计算，从而在更短的操作周期内提供更高的提升运输能力，为以后自动化立体仓库堆垛机的结构设计奠定了理论基础。