堆垛机及控制系统设计（毕业论文）.doc

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1、第一章 绪论随着世界经济的持续发展和科学技术的突飞猛进以及经济全球化的趋势的加强，各国面临着前所未有的机遇和挑战。在这种大形势之下，现代物流作为工业化进程中最为经济合理的综合服务模式和管理技术已被越来越多的企业所重视。随着全球物流事业的快速发展，物流系统的进一步改善和合理性对优化资源配置、提高企业生产率、降低生产成本起着至关重要的作用。因此，自动化立体仓库系统也越来越受到青睐。其核心设备巷道堆垛起重机则是代表自动化立体仓库的标志，对立体仓库的出入库效率有重要影响。本文从堆垛机的应用特点入手，着重就堆垛机的结构设计进行初步的研究。1.1 研究背景及意义 自动化立体仓库作为现代物流系统的重要组成部

2、分，是一种多层存放货物的高架仓库系统。它是在不直接进行人工干预的情况下由巷道堆垛机实现货物的存储和取出，整个过程由计算机网络管理和自动控制系统完成。自动化立体仓库最早诞生在美国，进入20世纪80年代，在世界发展迅速，使用范围涉及几乎所有行业，它的出现标志着现代工业技术步入了一个加速发展的阶段。自动化仓库技术的研究对优化资源配置、提高企业生产率，降低生产成本有着非常重要的意义。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的其重堆垛设备，它能够在仓库巷道中来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存入货格，或者从货格里取出货物运送到巷道口。我国于1973年开始研制，据不完全统计，我国目前已建成300多座立体仓库。目前我过

3、的自动化仓库技术已实现了与其他信息决策系统的集成，正在做智能控制和模糊控制的研究工作。但同世界主要工业发达国家相比，存在着一定的差距。总结经验，查找不足，勇于创新，不断交流改进，相信我们在该项技术的研究上一定回取得突破性的进展。1.2 研究的内容及设计思路1.2.1 主要设计内容（1）堆垛机的机架的设计计算；（2）堆垛机的货叉伸缩机构的设计计算；（3）堆垛机的行走机构的设计计算；（4）堆垛机的升降机构的设计计算；（5）堆垛机的安全机构的设计计算。1.2.2设计要求 为使堆垛机能够准确、快速、安全、自动搬运货物出入库 ，必须满足以下设计要求：(1)具备三维运动功能，即堆垛机沿巷道来回水平运动、载

4、货台垂直运动、货叉沿货架方向伸缩运动；(2)满足一定的定位精度 ，重复定位精度误差不能超过10mm；(3)具备安全保护措施；(4)在满足强度、刚度和可靠性的前提下，尽量减小堆垛机各部的重量，以减小提升功率和行走时的摩擦阻力;(5)保护仓库环境，避免货物污染受损。1.3 研究的发展趋势以品种多、数量少、频率高供给方式下的物流环境为背景，对于自动化立体仓库的效能提出了越来越高的要求。早期的堆垛机，在桥式起重机的起重小车上悬挂一个门柱，利用货叉在立柱上的上下运动及立柱的旋转运动来搬运货物，通常称之为桥式堆垛机。但通常由于立柱高度的限制，桥式堆垛机的作业高度不能太高，而巷道堆垛机沿货架仓库巷道内的轨道

5、运行，使得作业高度提高。采用货叉伸缩结构，可以使巷道宽度变窄，提高自动化立体仓库的利用率，它适用于各种高度的高层货架仓库，可以实现半自动、全自动和远距离高集中控制。日本大福公司于1999年在巷道堆垛机主体的高速化上下功夫，开发了AS21模式。AS21模式是以高效率动作为基础，在高效能化（缩短循环时间）方面引用的一个概念，使巷道堆垛机的高效能化技术得到了大幅度的提升。1.4 堆垛机所受载荷的简化方法堆垛机的机架有立柱、上下梁组成，整机结构高而窄。堆垛机工作时，将受到载货台、货物的铅垂作用，行走、制动和加减速的水平惯性力作用以及起吊时的冲击载荷作用；某些特殊环境下，还要受到风力的作用。堆垛机每完成

6、一个工作循环，以上载荷将重复出现一次。因次，堆垛机所受的是交替变化的载荷。为了保证堆垛机安全可靠的工作，其钢结构部分的强度与刚度计算是必不可少的。在此，就堆垛机所受载荷简化的基本方法作一一说明。1）起重重量PL 实际起重重量包括货叉、附件重量和额定重量之和，用SL示。考虑到货物正常起吊时的动载冲击作用，则设计起重重量式中，称为冲击系数，与堆垛机分类有关：(见表1-1)I类 II类 III类 IV类表1-1堆垛机分类 工作时间载荷 长中短轻I中I重II2）水平载荷SH堆垛机沿水平方向加减速行走或制动时，其自身质量及起重质量必然会产生与其加速度有关的水平惯性力。即，式中，称为动载荷系数，由于加速度

7、的不确定性，一般用额定速度v来确定。水平行走时 3）风力载荷SW风力载荷SW为风压力q与受风面积的乘机，即，堆垛机工作时，风压力，非工作状态，风压力，式中，h为吊具高度，单位取mm。4) 起升冲击载荷SR在正常情况下，起吊货物的加速度可能很大，这时的冲击载荷很大，设计时应另行考虑。5）载荷状态堆垛机工作时，其承载能力是上述各种载荷与自重的不同组合：A 正常工作状态：B 特殊工作状态：C 起升工作状态：SG + SL + SHD 停止：SG + SW以上各式中，M称为作业系数，与堆垛机的分类有关：I类M=1.0； II类M=1.05； III类M=1.1；IV类M=1.20第二章 堆垛机的整体结

8、构设计方案参考国内外有关堆垛机厂家的分类和型号，结合堆垛机的具体工作环境，本次设计的单立柱有轨巷道式堆垛机主要用于起重量在15kg，起升高度在0.8米的自动化立体仓库里，采用此设备便于实现仓库的综合机械化、自动化。2.1 堆垛机结构的主要结构组成堆垛机结构主要有三个机构组成，整体结构如图(2-1)所示：图2-1 单立柱堆垛机结构图（1）升降机构有电动机、制动器、减速器、卷筒、钢丝绳及防落安全装置组成。升降机构的工作速度一般控制在1525m/min，最高可达45m/min，设计时选取20m/min. (2) 行走机构有电动机、联轴器、制动器、减速器和行走轮组成。在其顶部设置导向轮沿固定在货架上弦

9、的上轨道导行。下轨道设置两个行走轮沿敷设在地面上的单轨运行。为防止堆垛机出现脱轨或侧翻现象，在其车轮两侧装有侧面导向轮。行走机构的工作速度依据巷道长度和物料出入库频率而定，正常工作速度控制在50100m/min，最高可达到180m/min，设计时选取80m/min。本堆垛机将采用交流变频调速方式。(在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，稳定性好，运行效率高。（3）货叉伸缩机构是堆垛机的取放物料装置，它有上叉、中间叉、固定叉、滚动齿轮等组成。货叉伸缩机构的工作速度控制在15m/min，最高可达30m/min，设计时选取10m/min。2.2 单立柱有轨巷道式堆垛机的特

10、点 由于使用场合的限制，本单立柱巷道式堆垛机在结构和性能方面具有以下几个特点： （1）由于机架采用单立柱结构，整机重量小，结构紧凑，作业时，驾驶员的视野较好，但由于载货台和货物对单立柱的几何力矩作用可能会造成立柱的扭曲和变形，使整机刚性较差。 （2）本堆垛机沿着巷道天地轨运行，其作业具有三个方向动作。水平行走为x-x方向，能把货物送到任意一列；垂直升降为y-y方向，能把货物提升到任意一层；货叉伸缩为z-z方向，能存取货物。 （3）金属结构件除应满足强度和刚度要求外，还要有较高的制造和安装精度。 （4）采用专门的叉取货物的装置，常用多节伸缩货叉或货板机构。 （5）各电气传动机构应同时满足快速、平

11、稳和准确的要求。 （6）为保证人生和设备的安全，堆垛机必须配备有硬件及软件的安全保护装置，控制系统应具有一系列连锁保护措施。此外，在电气柜上设置报警系统，当堆垛机出现故障或探测器发现异常情况发出报警。2.3 堆垛机的机架结构 机架是堆垛机的主要承载构件，主要由立柱和上、下横梁联接而成。通常有单柱式和矩形框架式。按支承方式，又可分为安装在货架上的上部支承式和安装在地面上的下部支承式。不论哪种型式都带有伸缩货叉和人工驾驶室（有时也没有）。立柱上附加导轨，使载货台沿导轨上下升降，同时还能够靠地上和顶上的导轨保持走行稳定和支持货叉伸出进行装卸作业时的翻转弯矩。在机架上安装有升降、走行等机械装置，以及配

12、置有电气控制开关、安全保护装置等。下部支承式的集中放在机架的下部。由于载货台与货物对单立柱的力矩作用，以及走行时起动、制动及加减速产生的水平惯性力的作用，对立柱会产生动、静方面的影响。机架在通道的纵向发生挠曲，整个机架成为振动体，其柱端的振动较大。同样，在通道的直角方向，立柱由于货叉作业时的弯矩作用而发生弯曲，使伸长的伸缩叉的前端的挠度增大。当柱端振动和货叉前端的挠度一超过极限，就成为堆垛机自动定位的障碍，所以机架应满足足够的强度和刚度要求本次设计中采取立柱下部支承式，采用优质钢材焊接而成牢固结构。当拼装成型后必须调整立柱的垂直度，以补偿在货架顶部载货时造成立柱的弹性变形。12.4 堆垛机起升

13、机构的整体设计为了使堆垛机上货物的存取机构做升降运动，需要设计一个升降机构，用以满足该功能要求。起升机构主要包括：电动机、减速器、制动器、卷筒、柔性件、导轨组成。起升机构的运转是通过减速装置使卷筒转动，使柔性件卷入卷筒，柔性件机通过架立柱顶部的定滑轮与载货台相连，因此柔性件牵引载货台上升，当到达指定的货格位置时，制动器动作，使载货台平稳、准确地停住。2.4.1 柔性件的选取 在堆垛机的起升机构里需要靠柔性件来来起吊货物。目前，起重机常用的柔性件主要有钢丝绳和链条。钢丝绳与链条相比，其优点在于：强度高、承载能力大，弹性好，能承受较大的冲击；自重较轻；工作可靠，在破断以前，外面的钢丝先断裂和松散。

14、因此容易发现和更换，安全可靠，及少骤然折断；成本较低；高速运转时工作平稳、无噪音等。综上所述，通过分析比较，设计中确定选用钢丝绳作为起升机构的柔性件。2.4.2 卷筒的选取 为了卷绕和容纳钢丝绳，通过对钢丝绳的收放，需要设置卷筒装置来实现该功能。在起重机械中，主要采用圆柱形的钢丝绳卷筒。按钢丝绳在卷筒卷绕层数的不同可有以下两种备选方案。 方案一：单层卷绕卷筒 方案二：多层卷绕卷筒 方案对比：单层卷绕卷筒表面通常切有螺旋形绳槽，钢丝绳依次排列其内，绳槽节距比钢丝绳直径稍大，绳槽半径比钢丝绳半径梢大，这样增了钢丝绳与卷筒的接触面积，防止卷绕过程中相邻钢丝绳间的相互摩擦。从而可以延长钢丝绳的使用寿命

15、。但当起升重物量增加，需要较长的钢丝绳时，卷筒的长度和直径都将有所增加。多层卷绕卷筒虽可以减少卷筒的长度，但由于钢丝绳所受的挤压力大，相互摩擦力大，使钢丝绳的寿命降低。此外，如果卷筒卷速不变，由于钢丝绳每层卷绕半径不等，钢丝绳的卷绕速度或作用卷筒上的外力矩就随卷绕层数变化，运转起来不平稳。 综上所述，结合堆垛机具体使用场合和性能要求，本设计中选择单层卷绕圆柱形卷绕卷筒。2.4.3 电动机的选取 一般工厂里都有交流电网提供三相交流电，其成本低，启动、制动、调速方便，机械活动范围广，故选取电动机作为起升机构的原动机。按电动机转子绕组结构不同可有以下两种备选方案。2 方案一：绕线式异步电机 方案二：鼠笼式异步电机 方案对比 ：绕线式异步电机的转子电阻可以调节，因此起动电流不是很大，通常不会超过额定电流的22.5倍，而且也便于调速。鼠笼式异步电机的构造简单，操纵方便，价格也较便宜，但起动电流较大，达到额定电流的46倍，调速性能差，不能承受较频繁的起动，通常只用在起动不频繁、功率较小的工作机构中。根据具体工作环境，堆垛机的启动负载大，启动、制动、换向频繁，要求有较高的工作稳定性。 综合以上两种方案的对比，本设计中选用允