小型立体仓库设计.doc

黄河科技学院毕业设计说明书 第 23页 单位代码 6130 学号 050105050 分 类 号 th 密 级 秘密 毕业设计说明书小型立体仓库设计 院（系）名称工学院 专业名称机械设计制造及其自动化 学生姓名刘标 指导教师薛东彬 2009年 5 月13日1 绪论1.1 课题的背景物流自古以来就伴随着人类社会共同向前发展，成为人们生活中不可缺少的组成部分，是现代科学技术与工业发展相结合的产物。仅年来，我国为了发展经济，各地都在大力发展交通，海、路、空并举，进行大规模的基本项目的投资建设，成为现代化经济发展的主旋律。而交通事业发展的最终目的，就是使物质能够迅速流通，促进经济的发展。在现代社会中，物质流通领域的供应链在信息、网络的冲击下发生了根本的改变，依靠传统的流通方式已经不能满足时代的需要，而仓库又成为各个交通枢纽上的结点，仓库设备的发展必须跟时代的步伐，为了满足现代社会的商品需求、管理与流通，立体仓库营运而生，并在现代物流中起着重要作用，且随着社会的需要，向自动化、智能化发展。1.2 国内外研究状况 立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。 我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所），1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械部起重所负责），该库1980年投入运行。到2003年为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。据美国adl公司调查，1988年世界自动化仓库和运输设备的市场容量约为20亿美元，到了1995年市场规模为35亿美元。21世纪自动化仓库和搬运设备市场已达70亿，比1995年提高了一倍。又据日本通产省在1990年对日本国内的自动化立体仓库市场调查结果为549亿日元，到了1995年，日本自动化立体仓库的市场容量增加到752亿日元，2000年达到1030亿日元。依此推算，未来自动化立体仓库市场容量增长可达65%。自动化立体仓库在国内大中城市发展前景看好。上海市已经把发展立体仓库和立体仓库事业作为上海的五大支柱产业之一。仓库物流业的发展是一个及其复杂的动态产业。而流通领域的革命是通过物流设备完成的，并将新的的业种和技术引入了现代社会，成为一门新兴产业，对提高产、供、销的效率和效益起着关键性的作用。在这个系统中包含着经济指标。技术先进性和科学。运用自然科学中的数学逻辑推理与计算，对系统进行模型化、模拟化、仿真分析和优化设计，使集“物流、商流、资金流和信息流”于一身的物流配送系统，在经济发展中得到延伸。目前，我国的物流产业与美国、日本、德国等发达国家的差距相当大。所以，为了提高我国整体物流业的实力，同时为国家经济建设充分发挥强大的作用，通过道路交通的发展带动仓库物流技术，以仓库设备及技术的提高带动机械制造业的发展，建立良好的物流系统，使其越来越多地发挥出强大生命力，在国家经济建设中发挥出越来越重要的作用。相信在不久的将来，随着国家经济建设步伐的加快，自动化搬运和仓库设备的完善，计算机及信息网络技术的普及，人们意识的提高，集自动化、计算机和信息化管理的物流网络系统必将大大发展，以物流发展起来的网络系统将发挥出巨大的力量。1.3 课题研究内容本次设计对象为一个五行六列，共30个仓位的小型立体仓库。要求仓库堆垛机能够实现3维运动、自动定位；上下运动采用钢丝绳提升机构；左右运动采用上下轨道导向支撑。且主要为机械部分设计，包括货架和堆垛机。2 设计方案对比立体仓库组成主要为货架、堆垛机和电气控制部分。货架和堆垛机根据使用场合和实际需要其结构和实现方式而不同，我们应根据实际需要，进行方案对比加以选择。2.1 货架方案对比本次设计对象是一个配有有轨堆垛机的、能够自动定位的、单排的小型立体仓库，因此可供选择的货架结构大概有三种，一贯通式货架，二悬臂式货架，三牛腿式货架。（1）贯通式货架 这种货架的优点是具有高密度存储能力，于一般货架相比，其容量可加倍，高度可达10m，不会压损货品。与其他高密度系统相比，其投资成本相对较低，能很好地适用存储季节性货物。缺点是无法不移动其他托盘而拣取所需托盘，取货时只能由外向内顺序取，且此货位尺寸会影响有轨堆垛机的框架尺寸。由此可见此货架不太适合本次设计。（2）悬臂式货架 悬臂式货是由若干塔式悬臂和纵梁构成，根据悬臂上放置物品大小、重量、长短，可以是单面悬臂，也可为双面悬臂，悬臂一般用金属构件。架适合存放长料货物和不规则货物.前伸的悬臂具有结构轻巧，载重能力好，并且对存放不规则的或是长度较为特殊的物料时，能大幅提高仓库的利用率和工作的效率。增加了搁板后，特别适合空间小，高度低的库房，管理方便，视野宽阔，与普通搁板式货架相比，利用率更高。此结构货架适合本设计。（3）牛腿式货架 牛腿式货架主要用于自动化仓库中。此类货架系统所使用的托盘承载能力强，刚性好，如托盘承载很小可取消横梁，或货格较小而不用横梁，直接用塑料箱等置于牛腿之上，由堆垛机对货物进行自动存取作业。此货架适合本设计。 悬臂式货架与牛腿是货架相比，前者通常用于大型、重型货物，所用设备为侧向叉车、起重机等；后者比较适合轻型货物，通常于堆垛机配用，且我国早期的自动化立体仓库一般都采用牛腿式，这这方面技术较成熟。故此，本设计货架采用牛腿式。为了减少货架日后的为何工作量，货架通过焊接连接。2.2 堆垛机方案对比有轨巷道堆垛起重机通常称为巷道堆垛其中机，简称堆垛机，是自动化立体仓库中重要的货物存取设备之一。堆垛机的起重量一般在2t以下，特殊需要的可达10t以上，使用高度在1025m之间，高者已达50m。本次设计的堆垛机要求：上下运动采用钢丝绳提升机构；左右运动采用上下轨道导向支撑。且其按功能分，可分为三个组成部分：起升机、存取机构和行走机构。（1）起升机构 起升机构是用于驱动载货台升降运动的机构，通过支架用螺栓固定在立柱下端、下端或中部。通常的起升机构的方式有：电动葫芦起升机构和卷扬机起升机构。 电动葫芦起升机构通常用于重型或中型起重，而本次设计的堆垛机的载货重量不超过50kg，不适合采用电动葫芦起重机构。故选用卷扬机起升机构。卷扬机起升机构的可采用放置位置有两种：一放置在中部，二放置在上端。考虑到如果把卷扬机构放置在中部会影响存取机构的尺寸设计，因此决定把卷扬机起升机构放置在上端，通过微电机直接驱动卷筒提升载货台。（2）存取机构 通过查阅相关资料并进行筛选，得到两种可供选择的存取机构。一三节伸缩式货叉机构（如图2.1），二钢丝绳拉伸式货叉结构（如图2.2）。1) 后叉也即固定叉，安装在载货台上，中间叉在齿轮齿条的驱动下，从中间叉的中点，向左向右移动大约自身长度的一半。前叉可从中间叉的某一固定点向左或向右伸出中间叉二倍的长度。2)钢丝绳拉伸式货叉结构 如图2.2所示，通过电机的正反转拉动连接着货叉的钢丝绳，从而实现货叉的向左向右运动。图2.1 三节伸缩式货叉机构图2.2 钢丝绳拉伸式货叉结构 钢丝绳拉伸式货叉机构简单，运动平稳，但由于钢丝绳的弹性，货叉动作会有滞后性，且货叉尺寸较大。三节伸缩式货叉机构结构紧凑，动作迅速，实时性较好，且由于是两节货叉同事伸缩，这就减小了货叉的长度。相比，三节伸缩式货叉机构则是个较好的选择，且从本次的设计目的角度看，设计三节伸缩式货叉将会用到更多所学专业知识，达到温故而知新的效果。因此三节伸缩式货叉机构。（3）行走机构 行走机构即是驱动堆垛机在轨道上来回运动。根据设计要求可知微电机是本次设计的动力源的最佳选择。因此行走结构有两种方案，一通过联轴器把电机伸出轴与滚子轴连接，直接驱动；二通过电机伸出的齿轮轴通过齿轮啮合驱动滚子（被动齿轮做在滚子边缘上。3 总体设计立体仓库的方案通过比较已经确定后，立体仓库的整体设计就是按照已确定的方案进行材料的选择、参数及尺寸的确定。根据立体仓库方案对比的划分，立体仓库的整体设计同样可以划分为货架设计和堆垛机设计，同时堆垛机的设计又可分为堆垛机的存取机构设计、堆垛机的起升机构设计和堆垛机行走机构设计。3.1 货架设计3.1.1 货架材料选择通过查阅相关资料及类似设计类比，货架的立柱及横梁采用6号结构用冷弯方型空心刚，材料为q235a。货架片用5号结构用冷弯矩形空心钢，材料q235a。3.1.2 货架材料校核 已知6号结构用冷弯方型空心刚宽a=30mm，厚度t=3mm，惯性矩ix=iy=3.5104mm4,，取r=4m，理论重量为2.361kg/m，q235a的弹性模量e=2.05105。 图3.1 货架受力分析图立柱的临界压应力fr（货架受力如图3.1）：立柱实际承受的压力f：安全系数,所以所选材料能够满足设计要求。3.2 堆垛机存取机构设计本次设计的堆垛机的存取机构采用齿轮长条式三级货叉伸缩式，首先，固定叉上的齿轮与中间叉上的齿条啮合，驱动中间叉，中间叉上的齿轮同时固定叉与前叉上的齿条啮合，驱动前叉。它的参数设计主要是电机的选择和齿轮齿条的参数计算。3.2.1堆垛机存取机构电机选择取货叉伸缩速度为v=0.18m/s，取安全系数n=1.2，则故可以选择40w可逆电机（精研），型号90yr40dv22。其额定转速1200r/min.中间叉（中间齿轮）速度：试选转速n=32r/min,故选择传动比为i=36，选用标准减速箱90gk36rt（精研），输出转速为36r/min,输出额定转矩为8.3mn*m。3.2.2 齿轮齿条设计1、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1） 选用直齿圆柱齿轮传动。由于货叉机构要求的速度速度不高，故选用7级精度（gb 1009588）。2） 材料选择。由机械设计（以下类似）表10-1选择齿轮材料为40cr（调质），硬度为280hbs，齿条材料为45钢（调质），硬度为240hbs，二者材料硬度差为40hbs。3） 选择齿轮齿数为22。2、按齿面接触强度设计由设计公式进行试算。（1） 确定公式内的各计算数值1） 试选载荷系数kt=2。2） 计算齿轮传递的转矩3） 由表10-7选取齿宽系数=1。4） 由表10-6查得材料的弹性影响系数=189.8mpa。5） 由图10-21d按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限=600mpa；齿条的接触疲劳强度极限=550mpa。6） 计算应力循环系数取工作寿命10年（每年工作300天）：7） 由图10-19取接触疲劳寿命系数。8） 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数s=1，得（2） 计算1） 计算齿轮分度圆直径，代入中较小的值。2） 计算圆周速度v3） 计算齿宽b4） 计算齿宽与齿高比模数 齿高 5） 计算载荷系数根据v=0.076m/s,7级精度，由图10-8查得：直齿轮，；由表10-2查得使用系数；由表10-4用插值法查得7级精度、齿轮悬臂布置时，由，查图10-13得；故载荷系数6） 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径7） 计算模数m3、按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式为（1） 确定公式内的各计算数值1） 由图10-20c查得齿轮的弯曲疲劳强度极限；齿条的弯曲强度极限； 2） 由图10-18取弯曲疲劳寿命系数3） 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数s=1.4，得4） 计算载荷系数k5） 查取齿形系数由表10-5查得 6） 查取应力校正系数由表10-5查得7） 计算齿轮齿条的并加以比较齿条的数值大。设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度设计的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算的的模数0.983并就近圆整为标准值m=1mm，按接触强度算得的分度圆直径d=34.016 mm，算出齿轮齿数4、几何尺寸计算3.3 堆垛机起升机构设计（1）起升驱动力起升的物体主要为：提升笼框架框架、存取驱动电机、货叉机构及货物。货台框架：长宽高=340340500=（340+340+500）41032.361kg=11.144kg存取驱动电机（包含安装架）：=（5.3+0.27）kg=5.57kg货叉机构：=8kg（2）钢丝绳的选用选用钢丝绳公称直径，67类天然纤维芯钢丝绳，最小破坏拉力4.39kn（gb/t 89181996）。（3）卷筒公称直径取d=60。（4）选择起升电机取起升速度，则转速：。电机功率选用200w电磁制动电机，型号10yb200dv22（精研）。选用速比为25的标准减速箱，型号100gf25h，其输出转速：25r/min；额定转矩：27.7nm。3.4 堆垛机行走机构设计3.4.1 堆垛机行走机构动力部分设计（1） 行走机构所受的压力 行走机构所受的压力可以看为起升总重量加上堆垛机外框架重、起升电机及卷筒重。起升总重量：堆垛机外框架重：堆垛机外框架采用5号热轧槽钢，其理论重量为5.438kg/m。框架长高=450mm2210mm。起升电机及卷筒重：则。取安全系数n=1.2。（1） 电机选择主动滚轮的直径设计为65mm，行走速度为0.2m/s；故选择功率为90w的可逆电机（精研），型号90yr90dv22。选择速比为25的标准减速箱（带耳型），型号90gf30he。3.4.2 堆垛机行走机构齿轮设计1、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1） 选用直齿圆柱齿轮传动。由于行走机构要求的速度速度不高，故选用7级精度（gb 1009588）。2） 材料选择。由机械设计（以下类似）表10-1选择小齿轮材料为40cr（调质），硬度为280hbs，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240hbs，二者材料硬度差为40hbs。3） 选择齿轮齿数为35。2、按齿面接触强度设计由设计公式进行试算。（1） 确定公式内的各计算数值1） 试选载荷系数kt=1.3。2） 计算齿轮传递的转矩3） 由表10-7选取齿宽系数=0.5。4） 由表10-6查得材料的弹性影响系数=189.8mpa。5） 由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600mpa；大齿轮的接触疲劳强度极限=550mpa。6） 计算应力循环系数取工作寿命10年（每年工作300天）：7） 由图10-19取接触疲劳寿命系数。8） 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数s=1，得（2） 计算1） 计算齿轮分度圆直径，代入中较小的值。2） 计算圆周速度v3） 计算齿宽b4） 计算齿宽与齿高比模数 齿高 5） 计算载荷系数根据v=0.122m/s,7级精度，由图10-8查得：直齿轮，；由表10-2查得使用系数；由表10-4用插值法查得7级精度、齿轮悬臂布置时，1.192由，1.192查图10-13得1.172；故载荷系数6） 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径7） 计算模数m3、按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式为（1） 确定公式内的各计算数值1） 由图10-20c查得齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲强度极限； 2） 由图10-18取弯曲疲劳寿命系数3） 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数s=1.4，得4） 计算载荷系数k5） 查取齿形系数由表10-5查得 6） 查取应力校正系数由表10-5查得7） 计算小齿轮大齿轮的并加以比较大齿轮的数值大。（2） 设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度设计的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算的的模数 并就近圆整为标准值m= 0.837mm，按接触强度算得的分度圆直径d= 1mm，算出齿轮齿数4、几何尺寸计算由于齿轮的尺寸不能满足设计需求，因此对齿轮参数进行修正。取模数 。 修正减速箱速比： 故选择减速箱的速比为12.5，型号90gf12.5he。3.5 轴承的设计 由总装图可知，行走机构从动轮的轴承负载大，尺寸小。因此只须校核从动轮轴承即可，轴承受力如图3.2所示。（1） 设计参数径向力：轴向力：图3.2 轴承受力分析轴颈：d1=15mm转速：n=58.765r/min要求寿命：温度系数：ft=1润滑方式：脂润滑（2） 被选轴承信息轴承类型：深沟球轴承轴承型号：6002轴承内径 ：d=152mm轴承外径 ：d=32mm轴承宽度 ：b=9 mm基本额定动载荷：c=5580n基本额定静载荷 ：co=2850n极限转速(脂) ：nlimz=19000 r/min（3）当量动载荷负荷系数 fp=1.2，判断系数 e=0.16，径向载荷系数 x=1，轴向载荷系数 y=0当量动载荷：轴承所需基本额定动载荷：c=5071.073 n（4）校核轴承寿命轴承寿命：所以所选轴承满足使用要求。主动轮轴承选用型号为6304的深沟球轴承。4 电气部分电气设备主要包括电力拖动、控制、检测和安全保护堆垛机的控制一般采用可编程序控制器(pij3) 及计算机等 堆垛机必须有自动认址、货位虚实等检测以及其他检测。电力拖动要同时满足快速、平稳和准确三方面的要求。在安全方面，堆垛机是一种起重机械，它要在又高又窄的巷道内高速运行。主要的安全保护措施有：终端极限限位保护；堆垛机在行走、升降和伸缩货叉的终端都设有限位保护装置；联锁保护 堆垛机在行走与升降时，货叉伸缩电路切断；相反货叉伸缩时，行走与升降电路切断； 正位虚实检测控，只有堆垛机在垂直和水平方向停准时，货叉才能伸缩。堆垛机到某货格入库，在伸叉存入货物前，需要先探测货格内有无货物，以防止双重入库，造成事故。探测器可以是反射式光电开关，当货格内有货物时则停止送货，同时发出“双重入库”报警信号； 载货台断链保护 堆垛机正常工作时，起升导轨两侧的偏心轮与导轨脱开使载货台能够沿着起升导轨上下运动。当由于意外及长期使用等原因造成提升链条突然断裂时，偏心轮通过连秆机构及弹簧作用卡在起升导轨的两侧，使载货台不致突然下落；断电保护。如果载货台升降过程中突然断电，则通过升降电机制动使载货台不致于降落下来。4.1 控制系统自动化立体仓库的控制系统主要是指托盘搬运控制系统，包括堆垛机的控制和外围输送设备的控制。目前自动化立体仓库中应用的控制系统是树形结构的系统，如图4.1所示。图4.1 控制系统结构图上位机通信模块的作用是把控制命令传送给设备控制plc，同时获取plc检测到的各设备状态信号及命令执行情况等信息，以保证存取作业的顺利进行。上位机发送给pie的命令有功能设定、货物状态、存取位置等类型，plc根据这些命令自主地完成对设备的控制动作。堆垛机及外围托盘输送设备的控制pie要完成的功能见表4.1。表4.1 堆垛机及外围托盘输送设备plc功能4.2 计算机管理系统自动化立体仓库的计算机管理系统包括出入库管理(出入库的原则和优化调度)以及对库存等信息及其与其他系统的接口管理。自动化仓库是计算机集成制造系统的一部分，目前企业级的信息系统都是基于计算机网络的系统，自动化立体仓库的库存数据库将成为企业信息系统中分布式数据库的一部分，解决立体仓库信息在网络上与其他系统共享数据的问题是自动化立体仓库的库存管理的基本内容和需要着重解决的问题计算机管理系统是自动化立体仓库中一个重要的组成部分，是充分发挥自动化立体仓库与信息系统紧密结合优势的保证。它体现了自动化立体仓库可以与企业信息系统天然结合的特点。结论在仓库领域中，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 。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、重复存和搬运