堆垛及控制系统设计论文【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 随着信息科学技术的迅速发展和经济发展的全球化，企业管理经营模式和社会生产制造模式都在不断的变革。物流运输行业的关注度越来越高，自动化立体仓库是这些行业中的核心部分，它取代了传统搬运货物的方式，实现无需耗费人员体力和时间的物流管理，对提高生产率、降低制造成本有着重要意义。在物流行业的不断发展背景下，对自动化立体仓库的需求越来越大，并且对他的功能和性能要求也在不断提高，而堆垛机以及其控制系统是自动化立体仓库的核心部分，因此它的设计研究和创新变革直接影响了物流行业的发展趋势、企业生产效率和经济效益。 堆 垛机在正常工作的情况下有三个方向的运动，包括水平方向的横向运动、竖直方向上的纵向移动和货叉机构的伸缩运动，通过三个不同功率的减速电机作为驱动。设计时首先对堆垛结构建模，然后对上下横梁、立柱和货叉机构的强度和刚度的计算校核，以及对紧固件、连接件、轴承等标准件的选择。在控制系统方面，主要的控制方案是实现堆垛机的三个方向的运动，通过定位与操作实现货物的存入取出。同时为了保证可靠性和操作性，控制系统中包含了自动操作和手动操作两个部分。 本课题中堆垛机及控制系统设计主要是对堆垛机的机械结构，材料选取，运行方案以及对控 制方式的研究，培养我们对机械设计和电气设计的综合能力，结合现实生产和所学的基础知识加以分析优化，最后完成所要求的设计任务，并叙写设计说明书，运用计算机绘画相关部件结构和电气接线图，提高学生的综合设计能力。 关键词： 堆垛机 ， 自动化仓库 ， 物流 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 of We to of no in of of is as as is of so in of in of of in as by of on of of as as is of of of in to of in is of to of of to 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 1 绪论 . 1 研究背景及内容 . 1 堆垛机的结构设计概述 . 2 堆垛机所受载荷的简化方法 . 3 2 堆垛机立柱和上下梁设计计算 . 5 门架的弯矩和扰度 . 6 设计数据计算和校核 . 10 3 堆垛机伸缩货叉机构的设计计算 . 13 货叉的扰度与强 度 . 13 货叉各参数的选择 . 18 货叉内部零件的选取与校核 . 18 货叉装置中的减速电机的选取 . 20 4 堆垛机行走机构的设计计算 . 22 堆垛机走行轮的设计计算及其校核 . 22 行走装置的 速电机的选取 . 23 5 堆垛机升降机构的设计计算 . 24 升降机构零部件的设计计算 . 24 升降机构的卷扬机构的设计 . 24 升降机构链传动设计 . 24 6 堆垛机控制部分设计 . 26 堆垛机的工作过程分析 . 26 堆垛机位置控制 . 27 控制方案的比较选择 . 30 . 31 7 总结 . 35 参考文献 . 36 致谢 . 37 附录 . 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 绪论 近年来，随着企业生产与管理的不断提高，越来越多的企业认识到物流系统的改善与合理性对企业提高生产率、降低成本非常重要。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的起重堆垛设备。本文着重就堆垛机的结构设计进行初步研究。 研究背景及内容 究背景及意义 当今在物流行业和制造行业中，对自动化立体仓库的研究已经有很长一段时间了，对堆垛机本体的结构设计也出现了各种各样的方案，但普遍是为了达到这几个要求：自动化的存储方式，存储空间的高效利用，定 位精度和响应的快速性，方便管理，降低成本等。以改变传统的搬运方式节约时间和减少人力劳动损耗。 世界主要工业国家都把重点放在开发可靠的新产品和高性能的设备上，同时根据实际仓库类型提高实用性和安全性。在堆垛机的设计上，我们和当今的工业大国还有很大的差距，因此我们更好不断的学习借鉴，攻克关键技术，推出新型号的和新技术的堆垛机。希望通过我们的不断努力，设计出安全、高速、可靠性、功能强大的堆垛机，造就便捷的、存储量强大的自动化立体仓库，使得我们国家的工业水平和物流水平保持快速的发展。 文献综述 本设计中 引用的文献主要 内容 包括堆垛机结构 原理、材料力学的校核方法、控制系统的认真定位以及 垛机类型有很多种，比如：单立柱式、双立柱式；地面支承式和悬挂式等，根据所设计的仓库特点结合参考文献中列举出的优缺点进行方案比较，以便下一步的设计。在结构设计的过程中，还需要对所设计的零部件进行强度和刚度以及使用寿命进行校核，根据参考文献中提出的不同工况进行分析计算。在控制方案中主要采取了光电开关和行程开关想结合的定位方式。 常用的控制器之一，它有可靠性高、方便灵活的特点，可以通过编写不同的程序来达到不 同的控制效果。 研究的内容 （ 1）分析课题的内容和设计要求及其意义。 立体仓库主要用于自动化生产线中暂存环节，堆垛机则完成存取货物控制，对生产过程控制有着重要意义 设计要求：纵向行程 1600直方向 600料重量 10 文献翻译 20000印刷符号。完成工作平台总装配图一张，若干部件图和零件图，计算机控制原理图一张，设计图纸总量不少于 2张 计计算说明书一本。 （ 2）堆垛机的驱动装置，选型与校核。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 （ 3）通过功率、速度等参数的计算、完成堆垛机运行机构的选型和计算。 （ 4）堆垛 机的控制系统及电气接线原理图，元器件选择。 （ 5）对堆垛机的立柱、上下横梁的强度、局部稳定性和整体稳定性的检验。 堆垛机的结构设计概述 堆垛机结构的组成和形式 堆垛机主要的三个运动结构： （ 1）行走机构由上下横梁、减速电机、链轮、行走轮等组成。通过横梁上安装的导向轮保证其行走的方向于轨道一致。行走机构的运行速度根据仓库的存储要求和输送带的进出货物量来决定，一般情况下工作速度控制在 20 100m/间，最高速度可达 240m/设计中行走机构的速度选取 40m/（ 2）升降机构由减速电机、卷筒、钢丝绳等组成。正常情况下升降机构的工作速度在 8 25m/高速度可达 60m/设计中升降机构的速度选取 10m/（ 3）货叉机构是堆垛机存储和取出货物的装置，它的组成有减速电机、链条传动、齿轮传动、上中下叉等。货叉机构的工作速度一般在 10m/右，最高速度可达50m/设计中货叉机构的工作速度选取 12m/堆垛机整体方案如图： 图 1垛机整体结构示意图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 巷道堆垛机的特点 根据实际仓库类型的不同，工作环境的不同 ，巷道式堆垛机有已下结构和功能特点： （ 1）整机结构多为金属结构，重量较大，要符合相应的强度和刚度的要求。另一方面也要求有较高的制造精度，实现其自动化的存取的精确定位。 （ 2）巷道式堆垛机的结构紧凑，立柱较高，机体结构狭窄，一般小于一个货架的宽度。 与其他运输装置不同，其有专门的取料货叉装置，分为上中下叉。 （ 4）各个方向的运动满足快速、平稳和准确等控制要求。 堆垛机所受载荷的简化方法 受巷道型仓库限制，堆垛机高度很高，宽度较小，以保证在巷道里运行过程中不会撞到货架而产出故障。堆垛机运行时，将受到 货物、货叉的竖直方向上的力，前后行走和加减速时又收到水平方向上的力，升降时还会有一定的冲击。一些特别的工作环境，还可能受到风的阻力作用。堆垛机每实现一次工作周期，以上载荷会重复一次出现。因而，它所受到的是交替变化的载荷。为了确保堆垛机的可靠性和安全性，在其结构的设计上强度和刚度是重点考虑的 2。 以下是堆垛机所受载荷情况的简化： （ 1）竖直载荷 竖直方向的载荷包括货叉重量和货物重量，用 示。由于升降的过程中会产生一定的冲击，则设计竖直载荷 式中， f 是冲击系数，根据不同堆垛机类型分为： 第 1类 1.1f 第 2类 25.1f 第 3类 4.1f 第 4类 6.1f （ 2）水平载荷 堆垛机在水平方向前后变速行走，就产生了与加速度相关的水平惯性力。即S 式中， 是动载荷系数，因为加速度存在不稳定性，可以通过运行时的额定速度 在水平方向行走时 ； 旋转运动时 . （ 3）风力载荷q 与所受风面积的乘积，即 堆垛 机正常工作时，风压力 堆垛机不工作时，风压力 式中， h 为货叉高度，单位为 4)升降冲击载荷 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 在正常情况下，升降货物的加速度有可能很大，这个时候其冲击载荷很大，在设计计算式时需要另行考虑。 （ 5）载荷状态 堆垛机工作时，根据不用的运行情况，它的承载能力是以上各个载荷和自重 不同 组合： A 正常运行情况下： )(B 特殊运行情况下： )(C 升降运行情况下：D 停止 :S 上述各公式中， 堆垛机的分类有关： 第 1类 ； 第 2类 第 3 类 第 4类 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 堆垛机立柱和上下梁设计 计算 立柱和上下梁是堆垛机的主要结构之一，有双立柱和单立柱之分。根据不同的支承方法，主要有两种：通过地面支承堆垛机和通过货架结构支承的堆垛机。堆垛机的横梁和立柱是整个机器的主要受力机构，因为自动化的要求，两者构成的门架型的结构制造和生产事都要确保其质量和精度以实现自动地位和存取货物的运动要求。 以门架为机体，布置了电机，电气控制开关等装置，安装了升降、行走、以及货叉等机械零件。门架 下端则承受整个堆垛机和货物的重量。 堆垛机运行过程中，起动、停止、升降存入取出都会产生相应的惯性力，导致机构产生扰度，我们在设计中必须使得这样的挠度小于相应规定的值，抱着堆垛机的正常工作。 在机械结构上也应该设计满足相应的强度要求和寿命要求。 本方案选择双立柱地面支承的门架结构进行设计。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 门架的弯矩和扰度 图 2立柱门架结构简图 双立柱堆垛机的矩形门架结构是超静定结构。因此按照角位移的分析如下： 双立柱堆垛机门架结构的设计计算参数： 1Q：上横梁及其附件重量 2Q：货叉、货物、附件的总重量 3Q：电气控制部件的重量 4Q：升降装置的重量 5Q：上横梁的重量 6Q：下横梁的重量 7Q：立柱的总重量 8Q：立柱的单位长度的重量 作用在门架上的惯性力 :(及 1 ( :减速度 , 2=1h4h 下梁中心线分别到1Q4买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1I 立柱 l 立柱的中心距 E：弹性模量 R 因构件两端变位而产生的弯距 上横梁与下横梁端部的偏转角 C 由构件的中间载荷在杠端产生的弯距，称为载荷项。 /K I l 上下横梁的刚度 ； 1 1 1/K I l 立柱的刚度 。 1n/ 刚度比 ； M 弯距 。 由水平载荷产生的弯距 画出作用在门架结构上的惯性力图解： 4性力图 图 1 列出角变位移方程： )32(2 1 （ 2 )32(2 1 )2(2 1 )2(2 1 C D 1 2 ( 2 3 )C D C K R C D C 1 2 ( 2 3 )D C D K R C )2(2 1 )2(2 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 其中载荷项： D 12/)()()/1( 21231332212221 （ 2 C 12/)()()/1( 21231332212221 有节点的弯距平衡方程式： 0B A B 0A B A （ 2 0C B C 0D A D 由 隔离体静力平衡方程式： 21 1 2 2 3 3 1 / 2 0A B B A C D D M M H h H h H h q h g （ 2 2A 1 1 2 2 3 3 14 ( / 6 ) ( / 2 )B C D D C C DR n E K C C H h H h H h q h g 通过以上各式，可先求出 A、 B、 C、 D、 R 再代入其它式子可求出 上下横梁内力 立柱内力 = D 列出角变位移方程式： 12 ( 2 2 3 )A B A B A K R C （ 2 12 ( 2 2 3 )A B A B A K R C 2 ( 2 )B C B K 2 ( 2 )C B C K 12 ( 2 2 3 )C D C K R 12 ( 2 2 3 )D C D K R 2 ( 2 )A D A K 2 ( 2 )D A D K 固端弯距 C（载荷项） 2 2 21 4 4 1 4 1( / ) ( ) / 1 2 h H h h h q h g (22 2 21 4 4 1 4 1( / ) ( ) / 1 2 h H h h h q h g C D D C B C C B A D D C C C C 有节点的弯距平衡方程式： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 0A B A 0B A B (2 0C B C 0D C D 有隔离体静力平衡方程式： 24 4 1 /2A B B A C D D M M H h q h g (2 2A 4 4 14 ( / 6 ) ( / 2 ) 0B C D A B B AR n E K C C H h q h g 通过以上各式，可先求出 A、 B、 C、 D、 R 。 再求出立柱及上下横梁的内力 由水平载荷产生的弯距，可由图 1 图 2 叠加得出： 1A B A B A M 1B C B C B M (2 1C D C D C M 1D A D A D M 又由节点方程式可得 11A B A 11B C B 11C D C 11D A D 门架立柱端部的线变位 ： 1 h ( R R ) (2由行走轮的反力产生的弯距 其受力分析图如下： 走轮反力分析图 列出角变位移方程式： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 2 ( 2 )B C B K (22 2 ( 2 )B A B K 2 2 ( 2 )A B A K 2 2 ( 2 )C B C K 2 2 ( 2 )C D C K 2 2 ( 2 )D C D K 2 2 ( 2 )A D A K C 2 2 ( 2 )D A D K C 固端弯距 C： C V a ( 2 ) / 2 ( 1 ) ( 3 )A n n C E K n n (2( 1 ) ( 3 )B n C E K n n 2 1 / ( 1 ) ( 3 ) ( 2 3 n n n V a ）(22 1 / ( 1 ) ( 3 ) ( )n n n V a 2 1 / ( 1 ) ( 3 ) ( 2 n n n n V a ）在此，22A B D 22B C B 22C B C 22D A A V：走行轮的反力，按（堆垛机总重量 +载重）的一半计算。 有叉取作业产生的弯矩 在货叉工作时，其所受的载荷位置发生变化，产生与行走方向和门架面垂直的力矩，产生了扰度。但是， 这个弯矩远远小于之前所计算的弯矩，而且堆垛机不会在货叉机构伸出的情况下行走，所以可以认为最大弯矩为1 设计数据计算和校核 框架结构的设计数据如下： 上下横梁为焊接件，具体尺寸见装配图 立柱（ 20 10 角钢， 4773I ） 1 2 3 4 1 300Q 300Q 100Q 200Q /q k g c m / 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 堆垛机总重量（自重 +载重） =900计时载重增加 25%作为试验载荷，为 30*（ 1+25%） =据 讨论，关于载荷的修正系数，对堆垛机的冲击系数 f=业系数M*=此载荷组合为 * ( )G L S S。 各部分的弯矩 1 1 1/n K K I h I2 1 2 0 3 . 44 . 21 5 4 6 1 0 . 9l (2固端弯矩： 4 m m9 m 5 m 0 . 0 0 0 3 0 . 0 0 0 1 5 0 . 0 0 0 4 3R R R (2堆垛机行走停止时扰度产生的线变位： =100 注： 值容许范围 一般在 合要求 ) 各部分由水平载荷产生的弯矩： 1 * ( + )A D A D A M M =(m (2 1 * ( + )B C B C B M M =(m 1 * ( + )C B C B C M M =(m 1 * ( + )D A D A D M M =(m 各部分由走行车轮的反力产生的弯矩 V=1664端的弯矩 : C=1664 m 则 :2m 2m 2m 最大的弯矩 :m m m m m m m 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 m 结构构件所承受的弯曲应力 上 下 横 梁 的 断 面 系 数 3/ 2 1 2 0 / 4 . 8 5 4 3 8Z I y c m , 立柱 的 断 面 系 数311 / 7 7 3 / 5 1 5 5Z I y c m 。 因此 : = 920 N/ 1148 N/ = =1488 N/ 680 N/在堆垛机循环的往返运动过程，交变应力的产生。立柱 点处产生最大的应力振幅。若用应力比法，则 K= 3780= 切口分类为 a 类 ,可查出其疲劳许用应力为 12500N/所以能满足上述弯曲应力条件。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 堆垛机伸缩货叉机构的设计计算 堆垛机要把货物存入相应的位置，需要一个深入货架的运动，本设计中的货叉机构就能实现这个功能，它由上叉、中叉、下叉构成，通过他们的不同伸出速度，使得在上叉的货物能够完全的进入货架里，再调节货叉在竖直方向 上的位置来存入取出货物。货叉机构包括齿轮、齿条、链轮、链条、减速电机、传动轴和轴承等零件构成。如图所示 .： 图 3叉机构 电机通过齿轮将运动传递到货叉内的传动轴上，通过链传动带动中叉和上叉上轴的转动，又由齿轮齿条的传动，将转动转化成中叉和上叉的直线移动。 货叉的扰度与强度 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 2叉机构受力分析图 货 叉工作时中叉和上叉都会伸入货架里，为了节约空间，增加存货量，尽量使得货叉机构的厚度小一点，同时设计所产生的扰度达到相应的要求。 堆垛机货叉各参数如下： W： 载荷 1I,2I,3中叉 上叉的重力方向的惯性矩 E: 材料的纵弹性系数 叉的受力分析计算 : l 1l 2图 2叉受力分析图 如图 ， 假设3 12 / 3 0 0 0 . 4 5 / 0 . 6 2 2 5P W l b N ,0a x l时其弯矩为 1 10()P b x 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 211 0 001 1 0 ( ) 2x pM b xi i d x i x E I l (33 310000 1 1 0 ( ) xx pM b xi x d x i x x b E I l (3当0 , = 0 10010()6 p a bi i l (3将 (3入到 (3得 ，0 c 点处的倾角 为 10110()6p a b a I l 51013 9 - 810() 2 2 5 0 . 4 0 . 6 . + . 8 5 2 . 6 1 06 6 2 0 0 1 0 2 2 0 1 0 0 . 8p a b a l l （ 0 4 0 8 ） 中叉的受力分析计算 图 a: 由于载荷 P， l 1l 2图 2叉受力分析图 设点的倾角为2i,扰度为221 x 2 2222W l x E I E I b 22022W l x E I b (332002= - +6W l x b (3因 x=b 时 , =0, 0=0 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 则2026Wl I (3将 (3入到 (3 ,求 x=b 时的倾斜角 2223Wl I 5222 9 - 823 0 0 0 . 4 5 0 . 6- 0 . 4 5 3 . 4 1 03 3 2 0 0 1 0 1 8 0 1 0W l b 图 b: 把 b 段作为刚性段， c 点作为固定端考虑，并设由 W 在中叉产生的反力为4 ，而由这些反力作用在货叉前端产生的扰度为3和 4 ,则 c d 叉受力分析图 34()M P x d P x 3 ()2 3 34300 221 ( ) 6 d x P x P x E I 在1 323 1 12= - ( ) ( ) 6 W e d l e l d 2369 - 8300- 0 . 0 5 + 0 . 3 5 0 . 4 0 . 0 5 0 . 4 0 . 0 5 7 . 7 1 06 2 0 0 1 0 1 8 0 1 0 0 . 3 5 m 另外2240 22 ( ) ( ) 2x d x e x d e d E I d 当1 ,224 1 12 ( ) ( ) 2 Wi e l d e d d 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 259 - 8300- - 0 . 0 5 0 . 4 - 0 . 3 5 0 . 0 5 + 0 . 3 5 0 . 4 4 . 2 7 1 02 2 0 0 1 0 1 8 0 1 0 0 . 3 5 m 所以 54 4 3 1( ) 1 . 9 2 1 0i l l m 上叉的设计分析计算 因载荷 W 在 d 区间产生的反力有 在 E 点的倾斜角为 扰度为5，则受力分析如下： c d 叉受力分析图 则 2 33d M e W xd x E I E I d 2032d e W x E I d (330036e W x d (3当 x=d 时 , =0, 0=0 , 0 36I (3将（ 3入到（ 3，当 x=d 时 6 36I 65 3 1 9 - 830 . 0 5 3 0 0 0 . 3 5( ) - 0 . 8 5 0 . 4 1 . 7 9 1 03 3 2 0 0 1 0 2 0 0 1 0e W d l l 因此，假设载 货台和立柱为刚性时，货叉机构工作时的总扰度为 = 1 + 2 +3+ 4 +5注：当货叉伸入货架的深度为 80 值应控制在 10 15毫米。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 货叉各参数的选择 a=50 b=50 c=5 d=45 e=5l=100 1l=50 2l=55 3l=105叉、下叉、中叉长为：1 2 3 100L L L c m 上叉为板状，并取其宽度为 150它参数见装配图和零件图上标注。 代入数据求得： = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 =据要求 | | 1510 ：本设计满足上述要求，上、中、下叉的结构尺寸详细尺寸装配图和零件图。 货叉内部零件的选取与校核 轴承 7 的选取校核 本方案中设计货叉的工作速度为 12m/以每各轴承所承受的压力为 F=（ 机械设计 表 选择深沟球轴承 276，类型代号为 61800 它的基本参数为： d=10 D=19 B=5mm