立体仓库巷道式堆垛机设计

立体仓库巷道式堆垛机设计- 1 -1 绪论1.1 本课题研究的背景及意义我国现在正处于工业化、城市化发展的高速期，未来一段时间内，土地资源和劳动力资源将会成为制约企业发展的瓶颈，鉴于此，建造立体仓库是未来企业发展趋势，自动化立体仓库是现代物流中的重要组成部分，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、降低生产成本很重要，已开始应用于汽车、电子、医药、烟草、建材、邮电等许多行业。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的搬运、起重、堆垛设备，对立体仓库的出入库效率有决定性影响，是立体仓库能否达到设计要求的关键设备之一。而我国在堆垛机制造技术上和世界发达国家有很大差距，鉴于我国未来物流业发展的广阔空间，堆垛机技术落后必将成为限制我国自动化立体仓库发展的瓶颈，使我国在国际物流业竞争中处于不利地位。鉴于以上因素，发展堆垛机技术有积极意义。1.2 有轨巷道堆垛机的发展现状有轨巷道堆垛起重机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，通常简称为堆垛机。其主要用途是在高层货架仓库的巷道内沿轨道运行，将位于巷道口的货物存入货格，或者相反，取出货格内的货物运送到巷道口，完成出入库作业。20世纪70年代初期，我国开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库，1980年我国第一座自动化立体仓库在北京汽车制造厂投产，从此自动化立体仓库在我国得到了迅速发展。据不完全统计，到目前已建成三百余座。堆垛机做为立体仓库中最重要的起重运输设备，也得到了较快的发展。早期的堆垛机是在桥式起重机的起重小车上悬挂一个门架，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。1960年左右在美国出现了巷道堆垛机，这种堆垛机是在地面的导轨上行走，利用货架上部的导轨防止倾倒。随着立体仓库的发展，巷道堆垛机逐渐替代了桥式堆垛机。随着计算机控制技术和自动化立体仓库的发展，堆垛机的应用越来越广泛，技术性能越来越好，高度也在不断增加，到1970年实现了由货架支承的高度为40米的堆垛机。堆垛机的运行速度也不断提高，目前堆垛机水平运行速度可达200m/min，起升速度高达120m/min，货叉伸缩速度达50m/min。2004年国际物流综合展览会上推出的超高效能巷道堆垛机“ H-V1”，走行速度 500m/min，加减速 0.5G，处理能力每小时500箱，实现了自动化立体仓库存取效率的飞跃。80年代初期，巷道堆垛机的运行能力主要由机械的速度模式来决定，速度控制是将子母电机或变极电机进行复合，机械式地进行速度切换来控制高速、低速运行。因立体仓库巷道式堆垛机设计- 2 -此，最高行走速度不超过100m/min，最高升降速度不超过20m/min，在高速化上受到了制约。于是，在速度控制方面采用了直流电机的电压切换控制方式，使巷道堆垛机的最高行走速度达到125m/min，最高升降速度达到30m/min。但是，伴随高速化的另一个重要问题是停止，为了滑动停止就必须降到很低的速度。当进行速度切换时，由于急加减速而形成的或是由于制动停止而引起的冲击，诱发了机械的振动。现代堆垛机多使用变频调速，速度控制更加平稳，解决了变速时的冲击问题，但是在堆垛机制动器抱闸停止时，也会产生冲击，在堆垛机机架较高的情况下，造成机架晃动，目前只能通过改善控制减小冲击，尚无更好的解决办法。目前，我国巷道堆垛机的性能参数和可靠性有待进一步提高。国产堆垛机的质量相对国外堆垛机而言差距较大，为使国产堆垛机赶超国际水平，应加强自主研究和开发。1.3 本课题设计任务及要求此堆垛机用于机械加工工厂的毛坯、零件仓库，仓库货架总高度为10m，货物单元长、宽尺寸为1200x1000mm，额定负载800kg，最高行走速度120m/min，最高升降速度30m/min，最高货叉速度30m/min，首层货架高度600mm，负载单元器具为托盘或货箱，货叉数为双货叉，每小时出入库20次，平均工作周期3min。本次毕业设计对堆垛机的机械结构进行设计，主要包括门架结构、行走机构、升降机构、货叉伸缩机构。设计出更合理堆垛机门架结构,在保证其强度及刚度条件下尽量减轻整机重量，同时，设计出能减轻堆垛机制动时晃动的辅助天轨制动装置和更加简单可靠的断绳保护装置。立体仓库巷道式堆垛机设计- 3 -2 堆垛机总体方案的确定堆垛机工作于立体仓库货架之间，为节省空间，加大有限空间存货量，现代立体仓库货架间距做的很窄而高度很高。堆垛机在此环境下工作，决定其整体结构高而窄，为防止倾倒，将堆垛机行走轨道设计成上下双轨，下部地轨起支撑和引导作用，上部天轨可支持堆垛机直立行走，保证不发生倾倒事故。高而窄的结构也造成堆垛机沿高度方向刚度不足，在起停过程中振动严重，会延长定位时间，影响效率，也会造成堆垛机定位不准确，无法正常工作。为减轻刚度不足造成的影响，堆垛机设计中要非常注意机构的动刚度。2.1 有轨巷道堆垛机门架结构选型按传统门架结构形式堆垛机可分为双立柱有轨巷道堆垛机和单立柱有轨巷道堆垛机：(1)双立柱有轨巷道堆垛机双立柱有轨巷道堆垛机由两根立柱、上横梁、下横梁和带货叉的载货台组成，立柱、上横梁和下横梁组成一个长方形的框架，一般称为机架。这种堆垛机的最大优点就是强度和刚性都比较好，能快速起、制动，并且运行平稳。一般用在起升高度较高、起重量较大和水平运行速度较高的立体仓库中，其缺点是自重较大。(2)单立柱有轨巷道堆垛机单立柱有轨巷道堆垛机的机架由一根立柱、下横梁和上横梁组成。立柱多采用型钢或焊接制作，立柱上附加导轨。整机重量较轻，消耗材料少，因此制造成本相对较低，但刚性稍差。由于载货台和货物对立柱有偏心作用，以及行走、制动时产生的水平惯性力作用，使单立柱有轨巷道堆垛机在使用上有较大的局限性。不适于起重量大和水平运行速度高的堆垛机。通过对比分析，本设计中堆垛机应用于机械零件及毛坯的搬运，受力较大。单立柱堆垛机结构刚度小，设计大刚度门架较困难。且本设计针对加大仓库存货量的中型仓库，库高为10米，单立柱结构做到10米高，会显著提高成本，不够经济。故本设计采用双立柱有轨巷道堆垛机，这种堆垛机强度和刚性都比较好，能快速起、制动，并且运行平稳。用在起升高度较高、起重量较大 图2.2 单立柱有轨巷道堆垛机图2.1 双立柱有轨巷道堆垛机立体仓库巷道式堆垛机设计- 4 -和水平运行速度较高的立体仓库中，符合本设计的任务要求。2.2 货叉伸缩机构2.2.1 货叉结构货叉伸缩机构是堆垛机存取货物的执行机构，置于堆垛机载货台上，可以横向伸缩以便向两侧货格送入或取出货物。一般按叉子的数量分为单叉货叉，双叉货叉和多叉货叉，其中多叉货叉多用在特长货物的堆垛。由于工作需要，堆垛机货叉在收回状态下的长度要小于巷道的宽度，但伸展后的长度却要大大长于巷道宽度。为了从结构上实现这个要求，必须采用多级伸缩式货叉，目前最常用的是3级直线差动式货叉。底叉固定在载货台上，动力装置安装在底叉上，通过传动机构驱动中叉相对底叉运动，中叉和上叉之间装有直线差动机构，使中叉相对底叉运动时，上叉相对中叉以2倍速运动，从而实现大距离伸叉的要求。2.2.2 中叉板的驱动中叉的运动是通过安装在底叉板或载货台上的电动机和传动机构驱动执行机构实现的，传动方案有齿轮齿条传动和链条传动。1.齿轮齿条式伸缩叉如图2.3，电动机及减速机构安装在载货台上，齿条固定在中间叉上，齿轮固定在载货台中部，驱动齿条从中点，向左或向右移动大约自身长度的的一半。前叉可以从中间叉的中点，在链条或钢丝绳驱动下向左或向右伸出比自身稍长的长度。图2.3 齿轮齿条式伸缩叉伸缩机构2.链条链轮式伸缩叉如图2.4，固定叉安装在载货台上，固定货叉、中、上叉之间由链轮链条进行连接，电动机通过驱动链轮由链条带动中间叉运动，从固定叉中点向左或向右伸缩，在中叉向左或向右伸缩时，由另外两条链带动上叉以三倍速度伸缩。立体仓库巷道式堆垛机设计- 5 -图2.4 链条式货叉伸缩机构分析以上两方案，链条式货叉伸缩机构采用链轮链条执行动作，链轮链条机构整体尺寸较大，由图中也可以看到，链条数较多，空间布置不便，容易造成链条间的干涉，传动中有一定的速度波动，货叉位置控制难以做到很精确，不利于检测。齿轮齿条式货叉伸缩机构采用齿轮齿条执行动作，速度平稳，结构简单紧凑，齿轮齿条耐用度高，减少维修辅助时间。鉴于以上优点，本设计采用齿轮齿条式货叉伸缩机。2.3 起升机构2.3.1 起升机构形式起升机构通过支架用螺栓固定在立柱下端，本设计可参考方案有电动葫芦起升机构，卷扬机起升机构以及链条起升机构。1.电动葫芦起升机构钢丝绳由电动葫芦卷筒引出，通过上横梁的两个固定滑轮与载货台上的动滑轮连接，如图2.5.电动葫芦作为起升机构应用很广泛，但在调速方面，市场上目前暂无可调频调速的电动葫芦，需要专厂定制，且市场成熟度不是很好，在一定程度上增加成本。由于本设计中堆垛机对定位要求很高，电动葫芦由于调速上的缺陷难以做到很精确定位，市场上现有的产品升降速度也不能满足任务要求，故不采用。2.吊链式起升机构采用链轮与链条起升，该形式在结构上由于升降电机装置上置，使堆垛机重心上移，增加了不稳定因素。链传动本身不稳定，工作中产生振动和脉动，且工作一段时间吊链伸长量超标(5%)，必须更换，增加了成本和辅助时间，对于高度较高的堆垛机设备不是最合理的选择，本设计不采用。图2.6吊链式起升机构图2.5 电动葫芦起升机构立体仓库巷道式堆垛机设计- 6 -3.卷扬机起升机构该机构可采用专业起重用调频调速电机，通过直连式或联轴器与减速器轴连接，输出轴上安装卷筒，卷筒是非标件，可根据具体起升高度自行设计。根据市场上现有堆垛机设备调查，目前市场上巷道堆垛机多采用这种升降装置，故本设计采用，其结构如图2.6。钢丝绳3缠绕在卷筒8上，由卷筒引出后通过上横梁的固定滑轮2与载货台上的动滑轮10连接，卷筒在电动机驱动下转动，通过控制电动机输出转速可以准确控制载货台位置。1-机架 2-定滑轮 3-钢丝绳 4-电动机 5-支座 6-联轴器 7-减速器 8-卷筒图2.6 卷扬机起升机构2.3.2 卷扬机构的布置方案卷扬机典型布置方案有3种，如图2.7。(a)图采用的是平行轴圆柱齿轮减速器，它将电动机和卷筒布置在减速器的同侧，这种布置型式结构最紧凑，整套机构外形尺寸最小。但它要求减速器的中心距具有一定的数值。 (b)图采用的也是平行轴圆柱齿轮减速器，它将电动机和卷筒布置在减速器的两侧，这种布置型式适用于减速器的中心距不够大，整套机构的宽度尺寸不受限制的情况。 (c)图采用的是直交轴的减速器，它是在整套机构的长度尺寸不受限制的情况下采用的一种布置型式。图2.7 卷扬机布置形式立体仓库巷道式堆垛机设计- 7 -鉴于巷道堆垛机的工作环境限制，选择图(a)的布置形式，其结构紧凑，也便于安装。2.3.3 安全机构为了保证堆垛机正常工作，确保载货台上人员、货物的安全，当载货台工作中发生断绳事故时，必须自动可靠地将载货台及时停止，避免发生溜车或坠车事故 因此，载货台必须装有安全机构。这种安全机构的设计要求是敏度高、作用可靠、冲击小、结构简单、安装方便等。2.4 行走机构行走机构是堆垛机水平运动的驱动机构，一般由电动机，联轴器，制动器，减速器和行走车轮组成。按运行机构所在位置的不同分为地面运行式和上部运行式，由于上部运行式堆垛机的天轨设计强度要求高，制造难度大，增加了仓库顶棚成本，行走驱动在顶部使堆垛机重心上移，增加不稳定因素，维修不便。行走驱动机构地面布置利用地轨支撑驱动轮，很容易保证刚度，成本较低，维修方便，结构合理。本设计采用地面驱动形式，主动轮和从动轮沿设在地面上的单轨运行，结构图如2.8所示。图2.8 行走机构堆垛机的顶部用两组水平轮固定在上横梁的工字钢导上，如图2.9。上横梁和立柱焊接在一起，下横梁用槽钢和钢板拼焊，行走驱动机构，主从动车轮，电器柜等都装在它的上面。图2.9 天轨机构行走机构驱动形式如图2.10，图a采用一般卧式减速器，减速器输出轴通过联轴器立体仓库巷道式堆垛机设计- 8 -连接驱动轮，整体尺寸较大。图b采用套装式减速器，减速器提供空心轴孔，驱动轮轴直接插入减速器空心轴孔中，车轮组安装时较简便，并能使运行机构整体布置紧凑。主动车轮通过键与轴连接，减速器底座用螺栓固定在下横梁一侧的底座上，输入侧通过电机连接盘与电机壳相连。同时可将车轮轴通过带偏心法兰依靠螺栓固定在下横梁端头两侧板上，利用带孔偏法兰心可调整被动车轮轮心与轨面距离，从而达到调整立柱对轨道的垂直度。行走车轮在铺设于地面的单轨上行走，为防止走行轮行走中产生脱轨现象，本设计安装侧面导轮机构。在下横梁两端头部设置清轨器和聚氨脂缓冲器，减少碰撞时的冲击力。(a) (b)由于堆垛机的高窄结构，当堆垛机下部行走机构制动时，惯性力的作用会导致运动方向出现点头摆动。由于车体的摆动，在停车过程中会产生定位误差，既影响准确寻址定位，又会产生震动，增加噪音，造成机体的损伤。随着堆垛机运行速度的提高，制动带来的摆动幅度会越来越大，因此消除惯性、减小摆动显得尤为重要。此外，由于天轨与导轮之间存在间隙，又无夹紧定位，停车存取作业时，由上导轮间隙产生的角倾斜，加大了货叉作业时产生的下挠。要克服以上不足，堆垛机停车过程必须即制即停，并且保持足够的刚度，从而减小作业时产生振动，克服上部导轮间隙造成的倾斜，减小货叉的下挠，提高定位精度。根据堆垛机运行停车制动产生点头摆动的机理分析，要有效避免点头摆动，必须实现堆垛机下部与上部同步制动。目前国内制造的有轨巷道堆垛机尚无同步制动装置。为解决堆垛机制动时的冲击问题，需要设计同步夹紧制动装置。图2.10 行走机构驱动形式立体仓库巷道式堆垛机设计- 9 -3 货叉伸缩机构设计计算3.1 直线差动机构设计3.1.1 伸缩叉尺寸确定根据使用要求，确定货叉长度为1000mm，货叉伸出量为1100mm，由结构特点初步设计货叉各段尺寸如下图3.1所示。图3.1 货叉尺寸参数a=650mm b=350mm c=200mm d=350mm e=100mml =900mm l =550mm l =650mm l =1150mm01233.1.2 中叉速度确定由图2.3可知，当中叉相对于底叉运动时，动滑轮和定滑轮构成动滑轮组。根据动滑轮的特点，当动滑轮以速度V相对于定滑轮运动时，也就是中叉板相对于底叉板运动速度为V时，动滑轮与上叉板之间的钢绳就会以近似于2V的速度相对于动滑轮运动，从而带动上叉板以近似于2V的速度相对于中叉板运动，实现了速度和行程的倍增，最终上叉板相对于底板实现3倍速的运动。货叉