自动化立体仓库堆垛机的电气设计与性能优化

自动化立体仓库堆垛机的电气设计与性能优化

王延平

南京熊猫电子装备有限公司  江苏南京 210033

摘要：本文深入研究了电气系统在自动化堆垛机中的关键作用。通过对控制系统、传感器应用、电动机与驱动器等方面的详细探讨，揭示了电气设计对提升堆垛机运行效率、精确性和安全性的重要性。以Miniload堆垛机为例，分析了其技术特点、设计目标和面临的技术难点，并对该堆垛机进行性能测试，验证了该堆垛机在提高仓储系统的效能提供的有力支持。

关键词：自动化堆垛机；电气设计；控制系统；传感器；性能优化

引言

随着全球物流体系的不断演进和市场需求的日益增长，自动化堆垛机作为现代仓储系统中的重要组成部分，发挥着关键的角色。其高效的货物存储和快速的拣选能力，成为提高仓库效率、减少人工成本的重要手段。在这一背景下，电气设计作为自动化堆垛机的核心驱动力，对其性能的影响变得愈加重要[1]。本文旨在深入研究电气设计在自动化堆垛机中的作用，关注控制系统、传感器应用、电动机与驱动器等关键领域。通过对Miniload堆垛机等案例的详细分析，我们将探讨创新的电气设计方案，以应对自动化堆垛机在现代仓储环境中面临的挑战。随着科技的迅猛发展，电气设计的创新不仅提高了堆垛机的性能，还拓展了其应用领域。本研究将探讨如何通过先进的控制系统实现更高水平的运动控制，通过传感器应用提高货物定位精度，通过电动机与驱动器的协同工作优化整个系统的能耗，从而实现对仓库内物流操作的精细化掌控。

1电气设计在自动化堆垛机中的作用

自动化物流系统通常由自动化仓库系统、自动化搬运与输送系统、自动化分拣与拣选系统及其电气控制和信息管理系统等部分组成。自动化仓库系统主要包括货架、堆垛机以及密集存储的自动子母车等自动化存储设备；自动化搬运与输送系统主要包括各式输送机、无人搬运小车、轨道穿梭车、机器人和其它自动搬运设备；自动化分拣与拣选系统主要包括各类自动化分拣设备、手持终端拣选和电子标签拣选等。本章将介绍堆垛机中的电气设计要点，包括控制系统、传感器、电动机与驱动器等。

1.1控制系统

1.1.1运动控制

控制系统通过对电动机和驱动器的精确控制，实现堆垛机的各个运动部分的准确定位和运动控制。运动控制涉及到提升、下降、水平移动和货物抓取等动作，需要确保在各种操作情况下的平稳运行和高度准确的定位，以提高工作效率并降低误差率。

1.1.2定位系统

电气设计中的控制系统通过集成精密的传感器和编码器，实现对堆垛机当前位置的实时监测和定位。这对于准确抓取和放置货物至关重要，同时还能够提高整个仓库系统的空间利用率。

1.1.3系统集成与通信

电气设计需要考虑与其他仓库自动化系统的良好集成，以实现信息的共享和实时通信。控制系统的设计应当具备良好的可扩展性和兼容性，以适应未来可能的系统升级和扩展需求。

1.2传感器应用

在自动化堆垛机中，电气设计中的传感器应用是不可或缺的要素。传感器通过感知和获取与堆垛机运行相关的数据，为控制系统提供实时关键信息，从而实现自动化的运动、定位和操作。各类传感器，如位置传感器、负荷传感器、距离传感器、视觉传感器以及温度和湿度传感器，发挥着重要作用[2]。位置传感器监测堆垛机的实时位置，确保货物准确抓取和定位；负荷传感器监测负荷状态，避免超载和确保安全搬运；距离传感器防止碰撞，保障设备和环境安全；视觉传感器实现目标检测和导航，提高智能化操作能力；而温度和湿度传感器则确保在特殊环境中的适宜运行条件。通过这些传感器的充分应用，电气设计能够提高堆垛机系统的感知能力，使其具备更高的智能化水平，从而提高自动化仓库的运行效率和安全性。

1.3电动机与驱动器

电动机作为驱动力的源泉，通过电气设计的精心规划和配置，实现了堆垛机在垂直和水平方向的高效运动。电动机的选型与配置决定了系统的动力性能，而驱动器负责转化电能为机械运动，确保在各种操作场景下的平稳运行。通过合理匹配和调整电动机与驱动器，电气设计能够优化能源利用，提高系统的运行效率和响应速度，从而全面提升自动化堆垛机的性能表现。

2堆垛机技术特点与应用

物流仓储行业中提供托盘级和料箱级智能仓储拣选物流一体化解决方案，主要产品包括：托盘堆垛机、货架、智能拣选亮灯系统、托盘输送线、托盘AGV、托盘RGV、拆码垛机、miniload堆垛机、穿梭车、料箱输送线、WMS仓储管理系统、智能小车调度平台软件、WCS仓储控制系统、PLC逻辑控制系统、智能小车控制系统等，本文以Miniload堆垛机的电气设计为例进行研究。

2.1Miniload堆垛机技术特点

Miniload堆垛机作为一种智能仓储设备，具有多项关键技术特点，使其在货物存储与拣选方面表现卓越。其三维渲染图如图2-1所示，该堆垛机的主要特点包括：

图2-1 Miniload堆垛机渲染图

（1）自动化操作与软件信息化调度： Miniload堆垛机采用轻型堆垛机自动化作业，通过先进的软件信息化调度系统，实现智能的货物定位、拣选和存储，极大提升了仓储系统的整体效率。

（2）适用于货到人拣选系统： 设计上考虑到货到人拣选的需求，Miniload堆垛机能够以纸箱/周转箱为单位存储商品。其灵活性使其特别适用于多品种、小批量的拣选场景。

（3）高定位精度： Miniload堆垛机实现了在水平和竖直方向的行走，其定位精度可达到±3mm，确保货物的准确存储和提取，提高了仓库内货物管理的精确性。

（4）本项目提供了7~50kW不同功率的堆垛机，以及单工位单伸位、单工位双伸位、双工位单伸位、双工位双伸位等多种款式。以满足不同客户需求，适应不同仓储场景，进一步拓展了项目的市场覆盖面。

2.2设计目标

Miniload堆垛机的设计目标旨在实现高性能、智能拣选，以及适应多种应用场景。Miniload堆垛机在设计中注重实现高性能，包括行走、提升定位精度、额定载荷、速度和提升高度等方面，以确保其在复杂仓库环境中高效运行[3]。设计目标着重考虑货到人拣选系统的应用需求，通过智能的软件调度和自动化作业，实现对周转箱和纸箱等不同货物形式的快速拣选与发货。

2.3技术难点

在Miniload堆垛机的设计和实现过程中，面临了多个技术难点，需要通过创新性的解决方案来克服。主要技术难点有：

（1）提高运动控制的效率： 采用伦茨驱动器方案，有效提高了电动机的效能，使得堆垛机在运动控制方面表现更为高效。实现零速悬停、防摇等功能，这有助于提高货物的处理速度，减少等待时间，进一步提升整体仓储系统的效率。

（2）精准货物定位和识别： 引入劳易测激光条码技术，配合增量型、绝对值多圈编码器、旋转变压器，使堆垛机能够实现对货物的高度精准定位和识别。这提高了系统的智能化水平，减少了定位误差，进而提高了拣选和存储的准确性。

（3）强化系统安全性： 使用西克探物技术和欧姆龙限位系统，具备智能识别托盘位置以及外形的功能，有效增强了堆垛机的安全性。西克探物技术用于检测障碍物，预防碰撞事故，而欧姆龙限位系统提供了可靠的位置控制，有效避免了意外运动和位置偏移，并设计超速保护、故障报警、设置安全距离、检测货叉顶板脱落装置、电压过载保护等功能，确保了人员和设备的安全。

（4）灵活的通讯方案： 采用光通讯、电力载波、无线通讯等多种通讯方案，根据不同工况采用SSI、PROFINET、IO多种通讯方式，项目具有灵活性，可以在不同工业环境中进行无缝通讯。这为堆垛机在不同场景中的部署提供了更多的选择，提高了系统的适应性和灵活性。

3Miniload堆垛机的性能测试

3.1伺服电机驱动与轻量化设计

利用高效能的伺服电机驱动系统，确保堆垛机在运行时具有高动态响应性，提高操作效率。采用轻量化设计，通过使用工业铝型材替代传统的钢结构立柱，降低整机重量。这不仅有助于提高机械结构的运动效率，还减轻了对电机的负担。

开模定制专业的工业铝型材作为地轨，确保轨道面的平整度，从而提高运行的稳定性和定位的准确性。

3.2技术指标测试

Miniload堆垛机的最高行驶速度达到240m/min，最大提升速度为120m/min，最大加速度为2m/s²。这些指标确保了堆垛机在高速移动和提升的情况下能够稳定操作。额定载重范围为0-50KG，适应不同种类和重量的货物[4]。环境适应性广泛，可在-30℃~+50℃的温度范围内运行，包括冷冻库、冷藏库、阴凉库、常温库等不同环境。该堆垛机符合国标、国军标、欧标、TUVPLd等安全标准，确保设备在运行过程中的安全性。运行噪音小于60db，通过采用先进的驱动和轻量化设计，有效降低了运行过程中产生的噪音水平。

3.3货架设计与抗震性能

货架主要用于密集存放各种料箱，确保在有限的仓库空间内充分利用空间。货架结构由立柱片、前后横梁、料箱支撑、水平连杆、垂直背拉等关键零部件组成，通过合理的设计保证货架的稳定性和可靠性。其中，货架示意图如图3-1所示。

图3-1 货架示意图

对于众多穿梭车在巷道内部运行可能引发的料箱位移问题，货架设计需考虑并解决这一难题。符合安装所在地的抗震等级要求和国内/外的抗震计算标准，确保货架在地震等极端情况下的安全性。

4结论

通过对自动化立体仓库堆垛机的电气设计与性能优化的深入研究，本文得出以下结论：

（1）电气设计在自动化堆垛机中扮演着至关重要的角色。控制系统的精密运动控制、定位系统的准确性、故障检测与安全保障机制的稳健性，系统集成与通信的协同作用以及能耗优化策略的制定，共同构成了电气设计的多方面贡献，为提升堆垛机综合性能奠定了基础。

（2）以Miniload堆垛机为例，该技术在实现自动化操作、高定位精度和适应货到人拣选系统等方面表现突出。设计目标的明确和技术难点的挑战激发了创新思维，推动了堆垛机技术的不断进步。

（3）针对采用高效能的伺服电机驱动、轻量化设计和工业铝型材应用等关键性能指标，本文通过系统的性能测试和验证，确保了堆垛机在各种工作条件下表现出色。最高行驶速度、提升速度、额定载重等方面的技术指标证明了电气设计在实际运行中的可靠性和稳定性。

（4）电气设计的不断创新不仅提升了堆垛机的性能，还为仓储系统的智能化发展提供了有力支持。在未来，通过电气设计的不断优化，自动化堆垛机将更好地适应多样化和复杂化的仓储环境。

参考文献

[1]杨增钢,闫明,雷蕾.自动化立体仓库堆垛机路径优化方法研究[J].物流科技,2024,47(01):174-176.

[2]张煜哲,韩松涛,张辰等.箱形单立柱有轨巷道堆垛机立柱机构研究[J].起重运输机械,2023,(22):16-21.

[3]李强.基于PLC的智能立体仓库控制系统设计[J].山西大同大学学报(自然科学版),2023,39(05):116-120.

[4]甘军,张梁,付筱等.自动化立体仓库在通用飞机制造业的设计与应用[J].信息记录材料,2023,24(12):77-79.

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