立体仓库堆垛机设计.docx

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

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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。

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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； I I I1; ;23 —固定叉、中间叉、前叉的在重力方向的惯性矩。
Ql

当
P =2，
a x L0时：

1
b

=

Pbx

−

(

−

)

弯矩为： M
1
P x a

= −


∫

x m
L0
1

= −

p ⎡bx3
⎢ +


(


x a


)2

⎤

I1I0
0 EI
1
dx I0
2EI ⎣ I
0
⎥
⎦

图 3-3 固定叉

λ
x x m
P
⎡bx3

(

)3
⎤

= I x −
2
dx = I x
−
1
⎢ + −x a ⎥

0
0 0
EI
1
0
bEI ⎣ I
1 0
⎦

当 x L0时， λ = 0


I


= −

p
1

(


L + b

)

I
1


= −

Pab
EI I


1


(


I0+ a


)
0
EL L
61 0
0

61 0
C 点的倾角 λ1为： λ1= −

Pab
I+a L1)

3.2.2.中间叉
EI I
61 0
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 = P x

=
QL
2x

1
d λ
b
QL x2

I =
dx
= −
2
EI b
22
3
+ I
0

λ = − QL x2+ I x + λ

EI b
62
0
0


- 3 -

图 3-4 中间示意图
当 x b 时的倾斜角 I2和挠度 λ2为：


= −
QL b
λ = − QL bL

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 = −P x d3− + P x4

P
3

=
e
d

Q

P
4

=
(e d )
d

Q

λ = −
x x M
0 0 EI
2

dx
2

= −
∫
x
1
⎡
⎣−
(
)

2

0 2EI
2
P x d3− + P x dx4

= −
1
⎡

3
(

−
)3⎤

⎣
P x − P x d
⎦

6EI d
4
3

2
当 x L1时

λ = −
Q
⎡(
)

3
(
)3⎤

3

λ

= −
EI d
62
Q
⎣
⎡
e d L1− e L1− d
( ) (+ + )
− −
⎦
⎤ ×(
2


L

)

4

3.2.3.前叉
EI d
22
⎣
e x d
e d x
⎦
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


EL d
63
3
λ = −eQx+ I x + δ

EL d
63


I
0

=
0
eQd


λ = −

eQd(L

)

当 x d 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 = +λ λ λ λ λ12 3+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。

4.1 PLC 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 ST4 I1.3 系统起钮 I0.0 4 号仓 SB4 I2.3
5 号仓 ST5 I1.4 系统停钮 I0.1 5 号仓 SB5 I2.4


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。

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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、机械设备的控制器之间以
及它们与主计算机之间的通信可以及时地汇总信息，仓库计算机及时地记录订货和到货时
间，显示库存量，计划人员可以方便地作出供货决策，管理人员随时掌握货源及需求[6]。信
息技术的应用已成为仓库技术的重要支柱。满足了人们速度、精度、高度、重量、重复存取
和搬运等要求，使总体效益和生产的应变能力大大超过各部分独立效益的总和，自动化技术
逐渐成为仓库自动化技术的核心。

致谢

本课程设计论文是在我的辅导老师王劲松老师的精心指导和大力支持下完成的。他严肃
的科学态度，严谨的治学精神，孜孜以求的工作作风，深深地感染和鼓励着我。在整个论文
创作过程中，王老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。从大三开始接触王老师开始，
老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、工作中给我以无微不至的关怀，在此谨
向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
论文的完成过程中，多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我
诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!

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参考文献
[1][苏]A.A.斯麦霍夫.自动化仓库[M].北京:机械工业出版社，2001
[2]虞和谦.高层货架仓库讲座[J].物流技术.1997
[3]蔡传杰.自动仓储控制系统[M].机械技术(台湾). 2001.(3).
[4]丁晓红.自动化立体仓库的实时监控系统[M].起重运输机械.1996 (12)


[5]常发亮，李幕兰，林连序.自动化立体仓库 PLC 控制系统[J].电器自动化.1995 (4), 45-47
[6]范祖尧，胡宗武，徐服冰.现代机械设备设计手册.第三卷.非标准机械设计[M].机械工业出版社.

RS part of the design
Che xiao he,Wang jin song,Yang cheng cheng
Liaoning Technology University，Mechanical Engineering College, Fuxin Liaoning (123000)
Abstract
In this paper, medium-sized logistics center combining the characteristics of the flow of goods,
warehouse automation technology to large-scale logistics system, designed for automatic sorting,
storage stacker. Stacker by the front fork, in the forks, fork and after the roller-oriented component,
with compact structure, transmission is simple, light weight and so on. This paper stacker Fork of the
three forces conducted a detailed analysis on the basis of PLC control program designed for walking
stacker control. Perfected the three-dimensional warehouse stacker part of the design, for the
automated warehouse system designed to provide a reference from, suitable for high-speed flow of the
warehouse control system.
Keywords:Three-dimensional warehouse, stacking machine, force analysis, PLC control

作者简介：
车小贺（1987.9—），女，辽宁丹东人，满族，本科在读，辽宁工程技术大学机械工程学院
学生；
王劲松 (1976.2—)，男，辽宁阜新人，汉族，硕士，辽宁工程技术大学机械工程学院讲
师，主要进行机电控制方面的研究与教学工作；
杨程程（1988.2—），女，辽宁沈阳人，汉族，本科在读，辽宁工程技术大学机械工程学院
学生。

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