机械电子工程 硕士论文-基于自动化立体仓库堆垛机的运动仿真研究.pdf

论文题目：基于自动化立体仓库堆垛机的运动仿真研究 专 业：机械电子工程 硕 士 生：刘 丹 （签名） 指导教师：周新建 （签名） 摘 要 自动化立体仓库的广泛应用使得企业的生产物流速度大大提高， 而堆垛机作为自动 化立体仓库的重要搬运设备， 其工作效率的高低直接影响着自动化立体仓库的运行效率 和经济效益。体现堆垛机性能优劣的指标有：运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、 振动与噪音、认址精度等。其中，堆垛机的速度控制对堆垛机运行的平稳性、振动、认 址精度影响都比较大。随着自动化立体仓库的广泛应用，尤其是重载、高速、高效、更 大起升高度的堆垛机设计及速度控制尤为重要。 本文对自动化立体仓库堆垛机系统进行研究，提出了堆垛机三大机构的速度、位置 检测与控制系统的设计方案。对堆垛机运行机构进行受力分析，建立了堆垛机运动构件 的力学模型，利用材料力学理论推导出堆垛机运行时上、下横梁和立柱的挠度公式，立 柱的摆动方程，并对堆垛机运行时立柱的挠度变化进行仿真。针对目前堆垛机运行中多 档调速控制曲线存在加、减速冲击，启动停止时速度变化过大造成的立柱变形、货物偏 移等现象，提出了 s 型速度曲线控制方案，分别对多档调速曲线控制和 s 型速度曲线控 制进行仿真。对比堆垛机立柱的挠度变化，得出 s 型速度控制在减小立柱变形量、提高 运行效率、减少对堆垛机的冲击等方面优势明显。 关 键 词：自动化立体仓库；堆垛机；仿真；s 型速度曲线 研究类型：应用研究 subject ：study of motion simulation based on warehouse automation stacker speciality ：mechatronic engineering name ：liu dan (signature) instructor ：zhou xinjian (signature) abstract the extensive utilization of automated warehouse allows businesses greatly increase the speed of production logistics, while the stacker, as a major automated warehouse handling equipment, their working efficiency directly affects the operating efficiency and economic benefits of the automated warehouse. several indexes that reflect the advantages and disadvantages of stacker performance are as follows: operation speed, lifting speed, fork speed, stationarity, vibration and noise, precision of recognition site. among them, the speed control of stacker greatly impacts the stationarity, vibration and noise, recognition accuracy. with the extensive utilization of automated warehouse, especially the design and speed control of the stacker with heavy load, high-speed, high efficiency and greater lifting height are particularly important. the automated warehouse stacker system was researched in this paper, the design scheme of velocity and position detection and control system in the three large mechanisms were proposed. the stress analysis of the operation organization was carried out and the mechanical model of motion component was established, based on material mechanics theory, the upper and lower beams and columns of the deflection formula were derived when the stacking machine was in the run-time; the vibration model of the column was established; the vibration equation was derived and the operation of stacker caused by the deflection changes of column was simulated. according to acceleration and deceleration shock caused by multi-range speed control curve, as well as, column deformation and cargo offset caused by great velocity change when starting and stopping, the s-velocity curve control scheme was proposed. after compared the stacker column deflection change through the simulation between multi-range speed control curve and s-velocity curve control scheme, we can easily come to the conclusion that the s-type speed control have many obvious advantages in reducing the column deformation, improving operating efficiency and reducing the impact of the stacker. key words ：automated warehouse aisle vehicle simulation s-type speed curve thesis ： application research 目 录 i 目 录目 录 1 绪论1 1.1 课题背景1 1.1.1 自动化立体仓库系统概述.1 1.1.2 巷道堆垛机控制系统.3 1.1.3 堆垛机的速度控制方式.4 1.2 本课题研究目的及意义4 1.3 本课题研究内容5 2 自动化立体仓库堆垛机系统总体设计7 2.1 立体仓库整体规划7 2.2 堆垛机总体结构8 2.2.1 巷道堆垛机.8 2.2.2 堆垛机的构成.9 2.3 堆垛机平均作业时间计算12 2.3.1 堆垛机运行周期计算.13 2.3.2 出入库能力计算.15 2.4 本章小结17 3 堆垛机的运行与控制系统18 3.1 堆垛机系统的作业流程18 3.2 堆垛机系统的运动分析20 3.2.1 堆垛机的运动分析.20 3.2.2 堆垛机速度控制曲线设计.22 3.3 堆垛机系统的定位控制25 3.3.1 水平认址系统.25 3.3.2 垂直认址系统.27 3.3.3 定位控制分析.27 3.4 本章小结28 4 堆垛机的受力分析与计算29 4.1 堆垛机的载荷计算29 4.2 堆垛机立柱的受力分析29 4.2.1 堆垛机立柱的挠度计算.30 4.2.2 下横梁弯曲变形的转角及挠度计算.32 目 录 ii 4.2.3 立柱总挠度计算.36 4.3 运动中立柱的摆动分析38 4.4 本章小结40 5 堆垛机立柱的仿真分析与运动优化41 5.1 matlab 简介.41 5.2 运动中立柱的仿真分析42 5.3 优化控制s 型速度控制.46 5.3.1 速度曲线介绍.46 5.3.2 控制原理.47 5.3.3 s 型速度控制仿真.49 5.3.4 s 型速度控制的实现.51 5.4 本章小结53 6 结论54 6.1 结论54 6.2 展望54 致 谢55 参考文献56 附 录59 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题背景 1.1.1 自动化立体仓库系统概述 自动化立体仓库又称立库、高层货架仓库、自动仓储系统 as/rs(automatic storage retrieval system)。它是一种用高层立体货架存储物资，用电子计算机控制管理，用自 动控制堆垛运输车进行存取作业的仓库。 自动化立体仓库的功能从单纯地进行物资的储 存保管，发展到担负物资的接受、分类、计量、包装、分拣配送、存档等多种功能，有 助于实现高效率物流和大容量储藏，能适应现代化生产和商品流通的需要1-2。自动化 立体仓库技术作为一种新型的仓储技术，一门集物料搬运和仓储科学于一体的综合学 科，在世界范围内的仓储领域中已经得到广泛应用。据不完全统计，美国已经拥有各种 类型的自动化立体仓库 20000 多座，日本拥有 38000 多座，德国拥有 10000 多座，英国 有 4000 多座，前苏联有 1500 多座。应用领域包括机械、汽车、冶金、石油化工、食品 加工、烟草、印刷、配送中心、航空航天、电子、医药、机场和港口等3。自动化立体 仓库之所以得到广泛应用，其优势在于它是以先进的计算机控制技术为主要手段，可以 在不直接进行人工处理情况下自动地存储和提取物料，它以多层立体货架为主要标志， 配以先进的搬运设备(包括堆垛机、智能运输车及其配套的运行设施、托盘、货箱等)， 由此而组成高效率的物流，大容量和科学地储藏，以适应现代化生产、物资交流和仓储 的需要4-5。 在自动化立体仓库设计方面，国外己有采用参数化、模块化设计，即由约束条件来 确定最佳的货架高度、巷道数量、货架尺寸和堆垛机数量以及出入库运行系统的参数， 并用计算机模拟技术来考核仓库的功能。货架在国外己系列化、标准化，对货架的承载 能力(包括抗震)进行了很多实验研究，货架计算采用计算机软件分析。堆垛机产品己经 走入系列化，运行噪声低，备有各种安全保护装置，调速性能好，一般都具有完善的货 物位置检测和货物尺寸检测。国外立体仓库普遍采用抗干扰能力强、工作可靠的可编程 控制器来控制巷道堆垛机，并且用计算机进行货位管理和库存管理，仓库管理工控机与 上级管理计算机联网并能与控制系统相接，实现在线控制。例如，日本名古屋附近的三 菱汽车装配总厂的自动化立体仓库， 其自动化程度就非常高。 这座装配厂每天(16 小时) 生产 11520 辆汽车，在长达两公里的巨大输送带上，能同时装配 5 种完全不同车型的汽 车，半成品装配件(除车体在生产线上进行焊接外)完全来自于立体仓库，仓库的库存量 只能维持两天的生产，需要不断的进库补充，这样大的进、出库量及名目繁多的部件进 西安科技大学硕士学位论文 2 出及管理是人工无法胜任的。 在采用了计算机控制的进出库资料和库存资料处理技术及 先进的智能控制技术后，这一切得到了很好的解决6-9。 自动化技术在仓储领域中的发展可分为五个阶段： 人工仓储阶段、 机械化仓储阶段、 自动化仓储阶段、 集成化仓储阶段和智能自动化仓储阶段。 在 20 世纪 90 年代后期及 21 世纪的若干年内，智能自动化仓储将是自动化技术的主要发展方向。下面介绍以下各个 发展阶段的技术特点： 第一阶段：物资的输送、存储、管理和控制主要是由人工操作，其优点是实时性和 直观性。人工仓储技术在初期设备投资的经济指标也具有优越性。 第二阶段：物料可以通过传送带、工业输送车、机械手、吊车、堆垛机和升降机来 移动和搬运，用货架托盘和可移动货架存储物料，通过人工操作机械存取设备，用限位 开关， 螺旋机械制动和机械监视器等控制设备的运行。 机械化满足了人们对速度、 精度、 高度、重量、重复存取和搬运等要求。 第三阶段是自动化仓储技术阶段： 自动化技术对仓储技术的发展起了重要的推动作 用。在 20 世纪 60 年代，相继研制和采用了自动导引小车(agv)、自动货架、自动存取 机器人、自动识别和自动分拣等系统。20 世纪 70 年代和 80 年代，旋转式货架、移动式 货架、巷道式堆垛机和其他搬运设备都加入了自动控制的行列，但这时只是各个设备的 局部自动化并各自独立应用，被称为“自动化孤岛” 。随着计算机技术的发展，工作重 点转向物资的控制和管理要求实时、协调和一体化，自动化技术逐渐成为仓储自动化技 术的核心。信息技术的应用已成为仓储技术的重要支柱。 第四阶段是集成自动化仓储技术阶段：在 20 世纪 80 年代，自动化技术被越来越多 地用到生产和分配领域，显然， “自动化孤岛”需要集成化，于是便形成了“集成系统” 的概念。在集成化系统中包括了人、设备和控制系统。整个系统的有机协作，使总体效 益和生产的应变能力大大超过各部分独立效益的总和。 集成化仓库技术作为计算机集成 制造系统(cimscomputer integrated manufacturing system)中物资存储的中心受到人 们的重视。虽然在 80 年代系统集成化己经引起注意，但至今在我国已建成的集成化仓 储系统还不多。 第五阶段是智能自动化仓储技术：人工智能技术的发展，使自动化技术向更高级的 阶段智能自动化方向发展。现在，智能自动化仓储技术已经有了较快发展，未来仓储 技术的智能化将具有广阔的应用前景10-13。 在我国，立体仓库的发展是从 20 世纪 70 年代初期开始的，是在消化吸收德国西马 克特兰斯普兰股份公司(siemag transplan.gmbh)技术的基础上开发出来的。 1980 年由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成我国第一座自动化立体仓库， 并在 北京汽车制造厂投产。 1995 年建成的仪征化纤工业联合公司涤纶长丝自动化立体仓库是 目前由国内独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体仓库。 这些立体仓库广泛使用 1 绪论 3 在各行各业。在 2006 年，经过第三次技术革新的海尔国际物流中心，跃升为技术水平 世界领先的物流中心。该立体仓库高 22 米，全部操作采用世界上最先进的激光导引无 人运输车系统，自动完成装卸货物，实现了物流的自动化和智能化，使海尔集团库存资 金占用从每年 15 亿元降至 6 亿元，杜绝了呆滞物资的产生。高速、高质量完成订单， 高速运转、操作简单的巷道堆垛机进行着对货物的自动存取，充电行走、自动码垛的机 器人高精度进行着存货和取货。在这个投资近亿元，相当于平面仓库 30 万平方米的国 际物流中心，只有 19 名员工，叉车工仅 9 名14-15。 随着我国经济的快速发展，进一步促进了物资流通，货物储运发送量越来越大。可 以预测， 今后市场对仓储物流设备的需求量将有更大幅度的增长， 而且将对自动化程度、 信息化程度等方面提出更高的要求。 为实现物流的高效率， 必须提高堆垛机的存取速度。 要求堆垛机的运行速度达到 160-200m/min 以上、运行平稳可靠、认址准确、启动制动 灵敏、运行振动小、噪音低于 80db 等综合性能提高，需要多项技术的创新和改进，更 需要新技术的支持。 自动立体仓库作为物资存储和物流调节的重要手段及现代物流系统的重要组成部 分，不但在现代经济中起着非常重要的作用，而且在一定程度上体现着一个国家的经济 发展水平16。 1.1.2 巷道堆垛机控制系统 随着现代物流技术的发展，自动化仓储系统开始在我国得到广泛应用。作为自动化 立体仓库的主要设备巷道式堆垛机技术水平的提高也日益受到重视。 巷道堆垛机是立体 仓库成套设备中的主机，是一种在轨道上运行的起重机械，它能在三维空间上（行走、 升降、两侧向伸缩）按照一定的顺序组合进行往复运动，以完成对集装单元或拣选货物 的入库、出库和倒库功能。从功能上堆垛机可以分为以下几部分：三维动作控制即控制 在水平、垂直、左右方向的运行；位置控制即堆垛机的在货架的定位；通讯功能即堆垛 机与上位机和其他仓库设备的通讯；保护报警功能即提供各种电机保护，保证堆垛机运 行安全；人机界面功能即通过人机界面向操作人员提供堆垛机的状态信息。从机构上堆 垛机一般由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本设备 组成。运行机构与起升机构使堆垛机到达指定货位，载货台及货叉伸缩机构与起升机构 组合完成存取作业。 从结构形式上来看，目前立体仓库堆垛机有双立柱结构和单立柱结构。 (1)双立柱堆垛机。双立柱结构的堆垛机机架由两根立柱和上横梁、下横梁组成一个 长方形框架。立柱形式有方管和圆管。方管兼作起升导轨，圆管附加起升导轨。双立柱 堆垛机的起升机构普遍采用链条传动，由电机减速机驱动链轮转动，通过链条牵引载货 台沿立柱或起升机导轨作升降运动。由于链条牵引载货台或配重装置受空间尺寸限制， 西安科技大学硕士学位论文 4 传动和布置较复杂，但定位较准确。双立柱堆垛机的最大优点是强度和刚性都比较好， 并且运行平稳。一般对于起重高度较高、起重量较大和水平运行速度高的立体仓库堆垛 机多采用双立柱结构。 (2)单立柱堆垛机。单立柱结构的堆垛机机架由一根立柱和下横梁组成。立柱多采用 较大的 h 型钢或焊接制作， 立柱上附加导轨。 单立柱堆垛机的起升结构普遍采用钢丝绳 传动，由电机减速机驱动卷筒转动，通过钢丝绳牵引载货台沿立柱或起升钢轨作升降运 动。对于钢丝绳传动，传动和布置相对容易，但定位准确性稍差。单立柱结构的堆垛机 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。由于载货台及货物 对立柱的偏心作用，以及行走、制动时产生的水平惯性力作用，使单立柱堆垛机在使用 上有局限性。不适于起重重量大和水平运行速度高的堆垛机13。 1.1.3 堆垛机的速度控制方式 目前堆垛机速度控制的技术主要有以下几种： (1)多档速度运行方式，即由堆垛机的实际控制需要及经验，使堆垛机的速度采用变 化分档运行控制方式。但应用时应协调好堆垛机的控制要求与变频器性能间的关系。 (2)对堆垛机速度采用闭环控制，由变频器完成；位移则是采用开环控制。堆垛机的 实际运行曲线可以概括为几条标准加减速曲线。不同的货格数为不同的标准，调用不同 的运行曲线。通过实验来确定各种运行曲线，把这些曲线存储在变频器里，当主控机得 到上位机发出的当前任务的目的地址和当前地址时，通过比较要运行的起止距离，用 plc对变频器的运行曲线进行变换，达到调速和停准的目的。 (3)在堆垛机的控制中引入模糊控制技术。在不影响效率的前提下，改善在原速度曲 线拐点处的切换问题。在实际应用中，首先plc对采集到测速机的输入信号进行处理， 之后进行控制模式的选择，通过各模式自身的响应表可以得到精确的频率控制量，通过 变频器的多段速度选择端子可以实现速度控制4。 1.2 本课题研究目的及意义 本课题研究的目的在于结合现实经济与技术背景， 立足某汽车发动机生产线工装卡 具自动化立体仓库进行规划设计及堆垛机运动仿真技术的研究。 并且提出采用 s 型速度 曲线控制方式，对堆垛机控制系统进行优化，提高堆垛机工作效率和系统工作安全性。 自动化立体仓库是机械和电气，强电控制和弱电控制相结合的产品，是由计算机控 制的机电一体化系统。主要由货物存储系统、货物存取和传送系统、控制和管理等三大 系统组成，还有与之相配套的供电系统、空调系统、消防报警系统、称重计量系统、信 息通信系统等。自动化立体仓库具有高效的仓储能力、优化的仓库管理、快速准确的自 动化仓库操作，生产资源的大量节省，以信息网络化为特征，已经成为现代化物流设计 1 绪论 5 中产品生产与存储的枢纽18。 在制造业中，自动化立体仓库系统将带来巨大的经济效益，已经引起企业的重视， 主要表现在以下几个方面：节省空间、合理的生产组织、减少库存，节省流动资金。 在生产控制方面， 在线立体仓库系统能按照预定生产流程和整个生产线的生产节拍 实现准时将某工件置于某工位的控制思想。 在管理控制方面， 在线立体仓库系统能向上位电子控制台提供各种有用信息， 包括： 当前库存情况，物流跟踪信息，各车间作业情况等，并能打印各种报表，如：各终端日 (月、年、度)作业报表、空货位报表、库存物资报表等，还可实现对库存物资数量超限、 紧缺、滞留超期等特殊情况的报警19。 在信息控制方面， 在线立体仓库系统通过自己的网络硬件接口与整个工厂计算机信 息管理网络相连，可与工厂内各个职能部门快速、准确地沟通和交换信息，保证各部门 能够协调、统一地工作。 可见，自动化立体仓库系统是现代化制造系统中网络和信息流的组织和协调中心， 是保证整个系统正常、高速运行的基础。该系统的技术水平与质量指标在很大程度上决 定了整个制造系统的品质。因此，研究讨论这一领域的课题具有重大的经济和社会效益 20-22。 随着自动化立体仓库的广泛应用，尤其是设计重载、高速、高效、更大起升高度的 堆垛机，对堆垛机的速度控制要求越来越高。我国堆垛机运行的速度曲线大都为多档调 速控制，这种多档调速控制基本能够满足控制要求，但也存在不足：如在启/停速度变化 过大造成的立柱变形、货物偏移等。基于上述情况，对堆垛机的速度控制进行研究具有 一定的实际意义。 1.3 本课题研究内容 本文将自动化立体仓库技术应用到工具使用与管理领域中。首先，设计适合某汽车 发动机工装卡具立体仓库的自动储存、取货的堆垛机控制系统。其次，对自动化立体仓 库的堆垛机在运行过程中的受力状况、变形情况进行分析，并用 matlab 软件进行仿 真。最后，对堆垛机的控制系统提出一种高效、安全、可靠的速度运行控制方法，以便 实现堆垛机更加高效、稳定的工作。论文包括了以下主要内容： (1)自动化立体仓库堆垛机系统的总体设计：内容包括整体库区的规划和货架、堆垛 机的初步设计以及各种理论计算。通过分析立体仓库的功能，对堆垛机进行整体设计， 然后通过推导和具体计算，得到自动化立体仓库的出入库能力。 (2)堆垛机的运行与控制系统设计：由堆垛机的速度控制方式，设计速度运行曲线。 分析了现有堆垛机位置检测的定位方式，采用闭环控制系统（认址片+认址器） ，实现堆 垛机的高速行走、精确定位。 西安科技大学硕士学位论文 6 (3)分析和计算堆垛机在静止和运动状态下，立柱以及上、下横梁在受到力与弯矩、 惯性力的作用后产生的挠度变形，并对堆垛机立柱的摆动进行分析，建立摆动方程。 (4)在 matlab 环境中，建立 simulink 仿真系统，导入堆垛机速度曲线数据（多档 调速控制方式） ，对堆垛机运行时立柱的摆动进行实时的仿真。对堆垛机的速度控制曲 线进行改进，采用 s 型曲线速度控制，并进行仿真分析。通过对比仿真结果，验证 s 型 速度控制的优越性。 2 自动化立体仓库堆垛机系统的总体设计 7 2 自动化立体仓库堆垛机系统总体设计 2.1 立体仓库整体规划 本文对某汽车发动机工装卡具立体仓库进行了整体规划设计，包括库区规划、实现 的用途及功能、仓库的基本设置。 (1)库区整体规划 立体仓库库房由立体库货架、堆垛机、出入库台车及计算机控制管理系统等四大部 分组成23。 本文堆垛机采用双立柱式， 运行型式为直线型， 存取方式为单元托盘存取式。 (2)立体仓库的用途和基本功能 该自动化立体仓库用于压力机模具、焊接、机加夹具及零件的存放，应具备自动存 取和货物的管理功能，要求货物的取放快捷、安全、平稳，工作可靠。堆垛机的控制采 用微处理器与 plc 相结合的方法，具有安全性和灵活性。 (3)仓库布置简图 立体库尺寸为：长 36 米、宽 8 米、货架高 7.96 米，总体布置如图 2.1 所示： 图 2.1 仓库规划简图 (4)仓库基本设置： 仓库内配置 2 条巷道，4 排货架，2 台堆垛机，2 台电动输送台车，1 台三吨吊车， 1 套数控回转库； 西安科技大学硕士学位论文 8 货架采用焊接结构，为 4 排，每排 19 列，每列设置 7 层，共有货位 532 个； 每个货位可储存单元重量为 3.0 吨，体积为 1200mm800mm800mm， 1200mm800mm500mm 两种货物，共计可储存货物 1596 吨； 托盘尺寸及结构：分别为长 1200mm、宽 800mm、高 800mm，和长 1200mm、宽 800mm、高 500mm 的平板式托盘两种，两组槽钢垫铁； 系统出入库能力：45 盘/小时； 在出入库侧设立微机管理室。 2.2 堆垛机总体结构 堆垛机是立体仓库中一种重要的运输设备，是代表立体仓库特征的标志。主要用途 是在立体仓库的通道内运行， 将位于巷道口的货物存入货格， 或者将货位中的货物取出， 运送到巷道口。 堆垛机的分类方式有很多种，主要分类形式如下： 按有无导轨，堆垛机可以分为有轨堆垛机和无轨堆垛机。有轨堆垛机是指堆垛机沿 着巷道内轨道运行；无轨堆垛机又称高架叉车。在立体仓库中主要的作业设备为有轨巷 道堆垛机，无轨巷道堆垛机和普通叉车。 按高度不同，堆垛机可以分为低层型，中层型和高层型。低层堆垛机一般起升高度 在 5m 以下，主要用于分体式高层货架仓库及简易立体仓库；中层堆垛机是指起升高度 在 5m15m 之间；高层堆垛机是指起升高度在 15m 以上，主要用于整体式的高层货架 仓库24。 按驱动方式不同，堆垛机可以分为上部驱动，下部驱动和上下部相结合驱动方式。 按自动化程度不同，堆垛机可分为手动，半自动，自动堆垛机。自动堆垛机采用自 动控制装置进行控制，可以进行自动寻址，自动装卸货物。 按照用途不同，堆垛机可以分为桥式堆垛机和巷道堆垛机。 本文仓库采用巷道堆垛机，其特征如表 2.1 所示： 表表 2.1 堆垛机类型堆垛机类型 分类特征 有无导轨 堆垛机高度(m) 驱动方式 自动化程度 堆垛机类型 有轨堆垛机 7.85(m) 下部驱动 手动，半自动，自动 2.2.1 巷道堆垛机 堆垛机沿轨道在巷道内运行，又称有轨巷道堆垛机。有轨巷道堆垛起重机简称为堆 垛机，它是由叉车、桥式堆垛机演变而来的。目前的 as/rs 中应用最广的是有轨巷道堆 垛机，它具有很多优点：巷道堆垛机使得作业高度提高；采用货叉伸缩机构，使货叉可 2 自动化立体仓库堆垛机系统的总体设计 9 以向两侧伸缩，这样就可以使巷道宽度变窄，提高仓库的利用率；巷道堆垛机一般采用 半自动或自动控制装置，运行速度和生产效率较高。但由于其只能在货架巷道内作业， 因此要配备出入库装置；机架除应满足一般起重机的强度和刚度要求以外，还有较高的 制造与安装精度要求；要采用特殊形式的取物装置，常用三节伸缩货叉或货板；各机构 电气传动及调速要求高，且要求制动平衡，需要安装保护装置。 巷道堆垛机适用于各种高度的高层货架仓库，可以实现半自动、自动和远距离集中 控制。 巷道堆垛机的起重量是指被起升单元货物的重量(包括托盘或货箱)。 由使用要求， 起重量一般为 0.251.5 吨。巷道堆垛机起重机的起升速度为 6.340 m/min，运行速度 为 25180 m/min，货叉伸缩速度为 530 m/min3。 2.2.2 堆垛机的构成 本文立体仓库的巷道堆垛机由机架即车身、运行机构、起升机构、载货台及货叉伸 缩机构、和电气系统五部分组成，如图 2.2 所示： 图 2.2 有轨巷道堆垛机 (1)机架 堆垛机的机架由立柱、上横梁和下横梁组成一个框架。整机结构高而窄。机架采用 双立柱结构，由两根立柱和上、下横梁组成一个长方形的框架。这种结构强度和刚性都 比较好，适用于起重量较大或起升高度比较高的场合。堆垛机的机架沿天轨运行。为防 止框架倾倒，上梁装有导轮，采用双立柱结构，立柱下部框架采用焊接，法兰部分采用 螺钉连接的结构， 立柱采用不变形的方形钢焊接， 确保高速行走及加、 减速运行的安全。 (2)运行机构 堆垛机的运行机构和运行的车轮安装在下横梁上，如图 2.3 所示。运行机构采用地 面驱动式，采用两个承重轮，沿敷设在地面上的轨道运行。在堆垛机顶部有两组水平轮 沿天轨(在堆垛机上方辅助其运行的轨道)导向。 如果堆垛机车轮与金属机架通过销轴铰 西安科技大学硕士学位论文 10 接，堆垛机就可以转弯，从一个巷道转移到另一个巷道去工作。 图 2.3 堆垛机运行机构 (3)起升机构 堆垛机的起升机构如图 2.4 所示，由减速电机、卷筒或链轮以及柔性件组成，常用 的柔性件有钢丝绳和起重链等。本文起升机构选用钢丝绳连接，卷筒通过钢丝绳牵引载 货台作升降运动。 起升机构焊接在堆垛机的立柱上， 与上横梁导轮方向一致， 两个卷筒， 一个左旋，一个右旋，保证钢丝绳的同时收放。 图 2.4 堆垛机起升卷筒机构 在堆垛机上，提升电机通过 plc 变频控制，避免在开始升降和停止时钢丝绳所受 拉力过大。由于载重量大，起升机构的工作速度一般在 5m/min10m/min，而且备有低 速档，主要用于平稳停准和取放货物时的“微升降”作业。在堆垛机的起重、行走和伸 叉(叉取货物)三种驱动中，起重的功率最大。 (4)载货台及货叉伸缩机构 载货台是自动存取货物装置，如图 2.5 所示，载货台主要由货叉、动滑轮、断绳保 护装置组成，台面上安装货叉，两侧安装安全保护装置。断绳保护装置采用机械连动方 式，与载货台上的动滑轮连为一体，平时载货台受重力作用，使弹簧处于拉伸状态，一 2 自动化立体仓库堆垛机系统的总体设计 11 旦链条或者钢丝绳断裂，载货台两侧的滑轮便不受拉力，断绳保护装置弹簧复位，触发 断绳装置的轮叉受力下移，拨动旋块，使其旋转卡在立柱的挡块上，避免载货台失重下 落，出现设备损坏和人员伤亡。为了保证载货台平稳上下运行，在它的每个侧面装有沿 立柱的 4 个导向轮和 2 个顶轮24。 图 2.5 载货台装置 伸缩式货叉装置是堆垛机的特殊工作机构。 货叉取货部分的结构必须由货物外形特 点设计。按驱动方式分，货叉可分为：差动齿轮驱动方式、齿轮齿条驱动方式、链轮链 条传动方式、液压驱动方式等。本文伸缩货叉采用齿轮齿条驱动方式，伸叉机构安装在 载货台上，伸叉的方向为垂直于堆垛机行走平面的方向，货叉装置如图 2.6 所示： 图 2.6 货叉装置 货叉主要由电机减速器、链轮、链连接装置、叉板、活动导轨、固定导轨、辊轮轴 承和一些定位装置组成。辊轮安装在中叉机构上，其中一种设计形式是内侧辊轮在上叉 的导轨中运行，外侧辊轮安装在固定导轨上，固定导轨安装在载货台横梁上。另一种设 计形式是外侧辊轮在上叉的导轨中运行，内侧辊轮安装在固定导轨上。本文采用第一种 西安科技大学硕士学位论文 12 形式。从机构设计的角度，伸缩货叉设计具有典型性，货叉完全伸出后，其长度约为原 来长度的两倍以上。堆垛机货叉的齿条链轮机构工作原理如图 2.7 所示： 图 2.7 货叉传动关系 三层齿条组成的直线差动机构，固定叉装在载货台上，中间叉可在齿轮、齿条或链 条、链轮的驱动下，从中间叉的中点，向左或右移动自身长度的一半。前叉可从中间叉 的中点向左或向右伸出比自身稍长的长度。前叉由两根滚子链条或钢丝绳驱动，链条或 钢丝绳的一端固定在固定叉(或货台上)，另一端固定在前叉上。当滚动的链轮带动齿条 直线运动时，由上叉、中间货叉及下齿条组成的三层货叉会向前方水平移动，增加了取 送行程，达到取送货物的目的。其行程关系为：在上叉的全部行程中，中间货叉相对下 叉行走 1/3 行程；上叉相对中间货叉行走 2/3 行程。上叉与中间货叉之间、中间货叉与 下叉之间均有合适的导向接触面长度，保证了三层货叉伸出时的相对刚度要求。同时， 三层货叉相对运动时，采用了辊轮与滚道的纯滚动摩擦，最大限度地减小了工作摩擦阻 力。行程通过行程开关控制。伸缩式货叉的结构特点：结构紧凑，所占空间小、传动方 式简单、动作灵活、重量轻，可以减小运行惯性力。 (5)电气系统 电气系统主要包括电力拖动、控制、检测和安全保护。在电力拖动方面，目前国内 多用的是交流变频调速、交流变极调速和可控硅直流调速，涡流调速己很少使用。对堆 垛机的控制一般采用可编程控制器、单片机、单板机和计算机等。电力拖动系统要同时 满足快速、平稳和准确三个方面的要求。堆垛机结构设计除需满足强度要求外，还须具 有足够的刚性，并且满足精度要求。 堆垛机的控制方式和方法很多，现在多采用模块化控制方式，驱动系统一般为交流 电机，无级调速。这种方式，既能实现堆垛机的高速运行，又能平稳进行停车对位。但 对于功率要求不太大的堆垛机也经常采用步进电机驱动。 为了保证人身及设备的安全，堆垛机必须配备有完善的硬件和软件的安全保护措 施， 并在电气控制上采取一系列联锁和保护措施。 主要的安全保护装置有： 端限位保护、 联锁保护、正位检测控制、载货台断绳保护和断点保护等25-27。 2.3 堆垛机平均作业时间计算 堆垛机的运行周期是自动化立体仓库总体设计的一个重要参数， 它决定了系统是否 能满足出入库能力的需要和堆垛机性能参数的选择。 堆垛机的出入库搬运分为单一作业 2 自动化立体仓库堆垛机系统的总体设计 13 循环和复合作业循环两种。 从原始位置出发到指定货位完成一次取货或存货后重新回到 原始位置待命为一个单一作业循环； 从原始位置出发到某指定货位完成一次存货之后又 到另一指定货位完成一次取货，然后返回原始位置为一个复合作业循环。目前我国的物 流行业标准、欧洲物料搬运协会的物流标准都选用 p1(0. 2l，0.67h)，p2(0.67l，0.2h)， l 是整个立体仓库货架的总长，h 是立体仓库货架的总高。对堆垛机运行周期的计算， 就是通过计算三个点的运行时间来得到的。另外它还取决于堆垛机的速度、加速度、以 及货叉完成一次存货或取货时间。 2.3.1 堆垛机运行周期计算 堆垛机的出、入库搬运分为单一作业循环和复合作业循环两种，两种循环方式的原 理示意图如图 2.8 所示： 图 2.8 复合入/出库作业图 从图 2.8 对堆垛机的运行周期进行计算3： (1)单一作业循环周期 o 点到 p1点： x 方向的运行时间1xt为： 1xxxx=l/5v +v /at (2.1) y 方向的运行时间1yt为： 1yyyy=2h/3v +v /at (2.2) o 点到 p2点： x 方向的运行时间2xt为： 2xxxx=2l/3v +v /at (2.3) y 方向的运行时间2yt为： 西安科技大学硕士学位论文 14 2yyyy=h/5v +v /at (2.4) 单一作业循环时间的周期st为： 1122 1 2max(,)2max(,)2 2 sxyxyftttttt=+ (2.5) 由经验可得单一作业循环周期st为： 2/ 32/ 3/2syxyyxxfthvlvvavat=+ (2.6) (2)复合作业循环周期 o点到p1点： x方向的运行时间1xt为： 1xxxx=l/5v +v /at (2.7) y方向的运行时间1yt为： 1yyyy=2h/3v +v /at (2.8) p1点到p2点： x方向的运行时间2xt为： 2xxxx=7l/15v +v /at (2.9) y方向的运行时间2yt为： 2yyyy=7h/15v +v /at (2.10) p2点到o点： x方向的运行时间3xt为： 3xxxx=2l/3v +v /at (2.11) y方向的运行时间3yt为： 3yyyy=h/5v +v /at (2.12) 复合作业循环时间的周期st为： 112233max(,)max(,)max(,)4sxyxyxyftttttttt=+ (2.13) 由经验可得复合作业循环周期st为： 2/317 /15/2/4syxyyxxfthvlvvavat=+ (2.14) 式(2.14)中： ts平均单一作业循环时间(s)； dt复合作业循环时间(s)； h立体仓库货架区总高(m); l立体仓库货架区总长(m)； xv堆垛机水平运行最高速度(m/min)； yv 堆垛机垂直运行最高速度(m/min)； 2 自动化立体仓库堆垛机系统的总体设计 15 xa堆垛机水平运行加速度(m/s2)； ya 堆垛机垂直运行加速度（m/s2） ； ft 堆垛机货叉伸叉时间(s)。 2.3.2 出入库能力计算 堆垛机的出入库能力即每小时入库或出库的存储单元数， 是堆垛机性能及运行效率 的指标，可以通过作业循环时间进行计算。 (1)单一作业循环时间的计算 单一作业方式即堆垛机从巷道口入库台，取一个单元货物送到选定货位，然后返回 巷道口的出库台(单入库)； 或者从巷道口出发到某一给定货位取出一个单元货物送到出 库台(单出库)。堆垛机单一作业循环时间（作业周期）的长短，与堆垛机的速度和作业 距离，即货架在水平方向的长度和货架在垂直方向的高度有关。堆垛机的主要运行参数 如表2.2所示： 表表 2.2 堆垛机的主要运行参数堆垛机的主要运行参数 项目 行走速度 升降速度 货叉速度 最大水平行程 最大提升高度 参数 v1=5-80m/min v2=3-10m/min 5-10m/min 33m 6.7m 平均单一作业循环时间指堆垛机从原始位置(0，0)处至p1(l/5，2h/3)点及从原始位 置(0，0)处至p2(2l/3，h/5)点往返运行时间的平均值，以及运行中固定不变的动作(包括 定位、 货位探测、 货叉伸缩等)时间的总和。 由设计规范， 堆垛机平均作业周期取p1(l/5， 2h/3)和p2(2l/3，h/5)两点作业的平均值。 原点到 p1点运行时间tp1为： tp1=max(2h/3)/vy,(l/5)/vx=25.2s (2.15) 原点到 p2点运行时间tp2为： tp2=max(h/5)/vy,(2l/3)/vx =15.2s (2.16) 固定时间ta为： ta=2t1+4t2+2t3 (2.17) 即：ta=16+16+2=34s 式(2.17)中： t1货叉伸叉、微升降和缩叉时间周期； t2堆垛机加（减）速过程时间； t3堆垛机对准延时。 t1=3+1+3+1=8s；t2=4s；t3=1s； 平均时间t为： 西安科技大学硕士学位论文 16 t=tp1+tp2+ta=25.2s+15.2s+34s=74.4s (2.18) (2)复合作业循环时间的计算 复合作业循环时间指堆垛机从原始位置(0，0)处取上货物运行至p1(h/5，2h/3)点， 将货物放好后再运行至p2(2l/3，h/5)点，取出指定货物，最后返回原始位置(0，0)处运 行时间， 以及运行中固定不变的动作(包括定位、 货位探测、 货叉伸缩等)时间的总和(在 此期间共执行了两个托盘的入出任务)。 原点到p1点运行时间tp1为： tp1=max(2h/3)/vy,(l/5)/vx =25.2s (2.19) p1点到p2点运行时间tp1p2为： tp1p2= max(7h/15)/vy,(7l/15)/vx =18.8s (2.20) p2点到原点运行时间tp2为： tp2=max(h/5)/vy,(2l/3)/vx =15.5s (2.21) 固定时间ta为： ta=2t1+4t2+2t3 (2.22) 即：ta=16+16+2=34s 式(2.22)中： t1货叉伸叉、微升降和缩叉时间周期； t2堆垛机加(减)速过程时间； t3堆垛机对准延时。 t1=3+1+3+1=8s；t2=4s；t3=1s。 平均时间t为： t=tp1+tp1p2+tp2+2ta=25.2s+18.8s+15.5s+2x34s= 127.5s (2.23) 平均单一作业循环时间的基准出入库能力： ns=3600/ts=3600/74.7=48（盘/h） (2.24) 式(2.24)中： ns每小时入库或出库的存储单元数(存储单元/h)； ts平均单一作业循环时间(s)。 平均复合作业循环时间的基准出入库能力nd为： nd=(3600/td)x2=(3600/127.5)x2=56（盘/h） (2.25) 式(2.25)中： nd每小时的入库或出库的存储单元数(存储单元/h)； td平均复合作业循环时间(s)； 2 自动化立体仓库堆垛机系统的总体设计 17 2.4 本章小结 通过分析立体仓库的功能， 对仓库进行整体规划设计， 对堆垛机进行总体方案设计， 其中包括：货叉装置、载货台总成、上横梁总成及起升装置等；最后通过推导和具体计 算，得到自动化立体仓库的出入库能力在允许范围内，满足设计指标要求。 西安科技大学硕士学位论文 18 3 堆垛机的运行与控制系统 在自动化立体仓库中，巷道堆垛机沿轨道在水平方向和垂直方向运动时，能自动辨 认各个货位的地址。堆垛机控制系统的中心控制器是plc，在认址过程中能够由认址信 息计算当前位置、速度变换和停车等信息，以控制堆垛机的运行。在控制过程中还要充 分考虑堆垛机运行时的机构和材料特性，以保证有较高的控制精度和可靠性。 3.1 堆垛机系统的作业流程 堆垛机在接收到上位机发来的指令之后， 对出/入库载货台进行操作， 由巷道口 （堆 垛机的初始位置）进入巷道，同时其升降台也沿立柱作升降运动，运动到目的货位后， 货叉执行存/取操作，操作结束后货叉回位，堆垛机由目的位置返回巷道口初始位置，再 对出/入库载货台进行操作。 堆垛机进行作业时，由获取的作业任务信息来确定控制方式。作业任务信息包括目 标位置和作业内容。作业内容又包括入库和出库。作业任务信息的获取随着控制方式的 不同而不同。在自动控制方式下，作业任务信息由上位机提供；半自动控制方式下，作 业任务信息通过人机界面获得；手动控制方式主要用于调试和故障处理