模块化设计的设计理念是在降低产品开发成本,缩短设计周期的要求下提出的[1]。其基本思想是以有限的模块组成多样的产品,达到既要满足用户对产品的个性要求,又保证批量生产从而降低成本的目的[2]。其意义主要体现在下列几个方面。

1)缩短研发时间,缩短供货周期;由于模块式结构有多种数据参数,可根据用户提出的不同要求选择合适的型号,采用已有的模块进行组装,可直接满足用户对产品的要求。

2)有利于产品升级换代,开发新产品;可根据用户需求,研发设计新功能模块,通过模块间组合形成新技术新功能模块,代替旧模块,研发设计出新产品。

3)优化产品性能,减少产品成品;模块设计方便模块自身设计优化,方便形成专业化生产,能够提高生产效率,提高企业效益。

4)便于实现自动化、标准化、通用化。模块化设计的自动化是建立在模块的标准化和通用化的基础上,标准化和通用化能更好实现零件的互换性,更容易实现产品的批量自动化生产。

堆垛机是自动化仓库的重要设备之一,在两排货架之间的巷道中运行,与输送机配合完成出入库、移库等任务。堆垛机接受自动化仓储系统主机出入库命令,控制器按照指令中的排、列、层,结合堆垛机所在位置,判断出堆垛机的运动方向。先水平电机启动并到达指令中的排、列处,同时垂直电机把货叉提升到指令中的层处。货叉电机按照出库(入库)指令,到货架上取货(把货物放到货架上)。堆垛机的功能主要分为运动功能、检测功能和安全防护功能三部分[3]。

运动功能主要包括水平运动、竖直运动和货叉伸缩运动。其中水平运动为堆垛机在巷道内行走,也称为X方向运动。竖直运动为垂直方向运动,保证堆垛机能将货物运送到不同货架高度,也称为Y方向运动。货叉伸缩运动为堆垛机完成货物取存任务,也称为Z方向运动。

检测功能主要包括XYZ三方向位置检测功能和货物检测功能两方面。其中XYZ三方向检测功能主要检测堆垛机所处位置,即堆垛机处在具体仓库货架位置。货物检测功能主要检测货架上有无货物。

安全防护功能是对堆垛机起到安全保护的作用,该功能部分主要由机械缓冲装置构成。保证堆垛机在失去控制条件下,吸收堆垛机动能,避免发生碰撞事故。

堆垛机控制系统在以上三种工作方式下可以完成货物的入库、出库、移库等基本功能和高速运行、精确停止、精确认址、故障报警等功能。

货物入库操作流程:水平移动到入库货台位置→伸叉→货叉向上托起(取货)→收叉至货叉中位→货叉停止→水平、垂直移动到指定仓位→向入库目标货位伸叉→货叉下降(放货)→收叉至货叉中位→货叉停止。

根据堆垛机功能及组成将堆垛机模块划分为控制模块、X方向模块、Y方向模块、XY连接模块、载货台模块和货叉模块,共六部分。其中X方向模块、Y方向模块和货叉模块为运动部分,三方向运动沿着空间直角坐标系XYZ三轴做往复运动,从而能动到达空间任意位置。控制模块为堆垛机的大脑,包括各种传感器和控制器以及电气元件。

以十三车间的电子元件生产仓库需求为依托,完成堆垛机的设计。拟达到的技术指标如表1所示。

表1 堆垛机技术指标 导出到EXCEL

由于电子元件生产车间的库房的物品均为小重量,也就是载货台的负载比较轻,且要求质量≥20kg。因此该项目采用单立柱堆垛机,堆垛机采用单立柱结构,主要结构如图1所示,包括X方向模块、XY连接模块、载货台模块、货叉模块和Y方向模块。

图1 堆垛机机械结构图   下载原图

其中X、Y方向模块为线性模组,框架为铝合金材料,防尘罩采用钢带和磁铁结构。电机通过减速机与模组连接,传动系统采用同步带方式,结构如图2所示。货叉采用MIAS双向多级伸缩货叉,如图3所示。MIAS将最常使用的伸缩货叉制成标准产品,有多种型号可供选择[4]。XY连接模块为连接X方向模块和Y方向模块的支架,采用铝合金板通过螺栓紧固定位方式。载货台模块为将货叉定位在Y方向模组的定位模块,采用铝合金板螺栓连接方式。

图2 X、Y方向模块   下载原图

图3 货叉模块   下载原图

堆垛机的控制系统主要由上位机、触摸屏、PLC可编程控制器、水平行走控制系统、垂直提升控制系统、货叉伸缩控制系统、层认址系统、列认址系统和货物检测系统等组成[5]。其中控制柜如图4所示。控制系统与上位机通信实现无线通信,上位机可对堆垛机状态进行实时监控和实施控制,完成各个动作。堆垛机要求水平行走最大速度为30m/min,垂直提升最大速度为10m/min,货叉伸缩最大速度为10m/min的情况下达到±3mm定位精度,同时考虑自动化专业对伺服控制技术的需求兼顾低成本的原则,确定XYZ三方向控制系统选择伺服控制器+伺服电机控制模式[6]。

图4 堆垛机控制柜   下载原图

文章针对小型电子元器件仓库,提供一种模块式堆垛机应用方案。尤其是一些小型仓库,高度在10m下,采用这种模块式堆垛机,能大大缩短研发周期,降低设备成本,能满足日常的使用要求。