自动化立体仓库堆垛起重机机械设计

III 摘 要 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的发展非常重要。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的起重堆垛设备，它能够在自动化立体的巷道中来回穿梭运行，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。 本文详细论述了在现代大多数企业中普遍使用的双立柱堆垛机的设计方案，文章的重点放在其两个部件：升降机构、货叉伸缩机构的设计上，并对安全机构和控制部分进行简单的选取和计算其中包含电机 ,减速器的选取，齿轮，齿条的计算，卷筒的计算，轴的校核，电器原理图 的配置等。首先，提出各个机构的总体设计方案；其次，对各个机构的受力情况进行了分析并计算，然后估算初取值，再进行校核，最后确定各个实际值。 关键词： 自动化立体仓库；堆垛机；升降机构；货叉伸缩机构 IV Abstract In recent years, along with the unceasing raising of enterprise production and management, more and more enterprises know that thing flows out reasonability and the improvement of system, is very important for the development of enterprise. Stacker cranes is automation three-dimensional storehouse in most important take heavy crane pile up equipment, it can in the tunnel of automation cube in the shuttle operation of round trip, will locate in tunnel the goods of mouth stock goods shelf； or opposite take out the goods transit in goods shelf go to tunnel mouth. This paper describes the majority of enterprises in the widespread use of modern double-column stacking machine design, the article focused on its two components: lifting mechanism, telescopic fork design of institutions, and security agencies and the control part simple selection and calculation including motor, reducer selection, gear, rack of calculation, the calculation of roll, axis calibration, electrical schematic diagram of the configuration. First, the proposed design programs of various agencies； Secondly, the force of the various agencies to conduct the analysis and calculation, and then estimate the initial value, and then checked, and finally establish the actual value. Keyword:automation three-dimensional storehouse；stacker cranes；lifting mechanism； telescopic fork institutions V 目 录 摘 要 . III ABSTRACT. III 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 研究的背景与内容 . 1 1.1.1 概述 . 1 1.1.2 有轨巷道堆垛机的发展现状及特点 . 1 1.1.3 有轨巷道堆垛机的类型 . 2 1.1.4 巷道堆垛机的特点 . 5 1.2 设计的目的和意义 . 5 1.3 设计的内容及要求 . 5 1.4 设计参数 . 6 2.1 堆垛机三维运动速度的确定 . 7 2.2 堆垛机各个部分的方案选择 . 8 2.2.1 堆垛机起升机构传动方式的选择 . 8 2.2.2 堆垛机行走机构传动方式的选择 . 9 2.2.3 堆垛机机架的设计思路 . 9 2.2.4 堆垛机货叉的设计思 路 . 9 2.2.5 堆垛机安全方案的确定 . 11 2.3 堆垛机的技术参数 . 11 2.4 堆垛机的技术要求 . 11 3 堆垛机起升机构的设计 . 15 3.1 起升机构的总体选型 . 15 3.2 卷筒的设计 . 18 3.2.1 卷筒部件计算 . 18 3.2.2 齿轮连接盘的计算 . 22 4 堆垛机行走机构和机架的选型设计 . 25 4.1 堆垛机行走机构的选型设计 . 25 4.2 堆垛机机架的选型设计 . 27 5 堆垛机货叉的设计 . 28 5.1 货叉传动装置的总体选型 .28 5.2 货叉传动齿轮、齿条的计算 .28 5.3 货叉传动链轮、链条的设计计算 .32 5.4 制动器的制动容量的设计 .34 6 堆垛机安全装置 .35 VI 6.1 防撞保护装置 . 35 6.2 钢丝绳断绳保护装置 . 35 7 结论与展望 . 36 7.1 结论 . 36 7.2 不足之处及未来展望 . 36 致 谢 . 37 参考文献 . . 38 1 1 绪论 1.1 研究的背景与内容 1.1.1 概述 自动化立体仓库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、立体仓库信息库可以和中央计算机系统联网运行等许多优点，对加快物流速度、提高劳动生产率、降低生产成本都有重要意义，已开始应用于汽车、电子、医药、烟草、建材、邮电等许多行业 。 而堆垛机对立体仓库的出人库效率有重要影响，是立体仓库能否达到设计要求和体现其优点的关键设备 之一。 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，是在高 层货架的窄巷道内作业的起重机，通常简称为堆垛机。堆垛机是立体仓库中最重要的起重运输设备，可大大提高仓库的面积和空间利用率，是自动化仓库的主要设备，是代表立体仓库特征的标志。堆垛机的功能是堆垛机接受计算机指令后，能在高层货架巷道中来回穿梭，把货物从巷道口出人库货台搬运到指定的货位中，或者把需要的货物从仓库中搬运到巷道口出人库货台，再配以相应的转运、输送设备通过计算机控制实现货物的自动出人库。在立体仓库中的搬运设备有高位叉车、工业机器人、桥式堆垛机和有轨巷道式单双立柱堆垛机。有轨巷道式双立柱堆垛机由于效率高，高 度可达 30-40 m，便于实现无人操作，行走稳定，载货量大，噪声小，在目前的立体仓库中得到广泛应用。 1.1.2 有轨巷道堆垛机的发展现状及特点 随着经济全球化步伐的口益加快和信息技术的快速发展，传统行业和消费方式正发生着深刻的变化，物流在经济活动中的作用越来越受到企业的重视，物流人才的需求也在口益增长。目前，物流人才已经被列为我国 12 大类紧缺人才之一，有报道称“物流人才的需求已超过 600 万”。物流实验室的建设正是要搭建一座理论与实践的桥梁，目前，我国许多高校已经建立了物流实验室，据不完全统计，已经有 160 多所高校建立了自己的物流实验室。物流实验室为学生提供实训平台，深化学生对现代物流理论的理解，提高学生的操作能力，内融机械、电气、电子及计算机等技术于一体的综合技术，在这种技术中，不同领域和层次的知识与能力融会在一起。 另外，为了更好的模拟货物在自动化立体仓库各仓储单元内存储的物流过程，研究提高物流效率以及堆垛机性能和作业效率方法，许多物流研究中心业纷纷建立起来。山东大学现代物流控制实验中心是目前我国第一个现代的物流控制实验室，在物流调度、物流控制、机械手拣选控制和机器视觉的综合研究和开发应用方面目前处 于国内领先地位。 2 图 1.1 仓储 1.1.3 有轨巷道堆垛机的类型 有轨巷道堆垛机可按其结构形式、支承方式和运行轨迹等进行分类，一般可分为以下几种类型 : (1) 按结构形式，分为双立柱有轨巷道堆垛机和单立柱有轨巷道堆垛机： 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。立柱形式有方管和圆管两种，方管可兼作起升导轨，圆管需要附加起升导轨。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。其结构如图 1.2 所示 。 3 图 1.2 双立柱有轨巷道堆垛机 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。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导轨作升降运动。对于钢丝绳传动，传动和布置相对容易，但定位准确性稍差。其结构如图 1.3所 示。 4 图 1.3 单立柱有轨巷道堆垛机 (2) 按支承方式分类，有轨巷道堆垛机分为悬挂型和地面支承型。 悬挂型有轨巷道堆垛机 悬挂型有轨巷道堆垛机悬挂在巷道上方的轨道上运行，其运行机构安装在堆垛机门架的上部。在地面铺设导轨，使门架下部的导向轮以一定的间隙夹在导轨的两侧，从而防止堆垛机运行时产生摆动和倾刹。悬挂式堆垛机有如下优点 :在设计门架时，可以不考 虑横向的弯曲强度，钢结构的自重可以减轻，加减速时的惯性摆动小，稳定所需的时间短 ；其缺点是维修和检查不方便。 地面支承型有轨巷道堆垛机 堆垛机的运行轨道铺设在地面上，堆垛机用下部行走轮支承和驱动，上部导向轮用来防止堆垛机倾倒或摆动。和悬挂型有轨巷道堆垛机相比，这种堆垛机的立柱主要考虑轨道平面内的弯曲强度，因此，需要加大立柱在行走方向截面的惯性矩。由于驱动装置均装在 5 下横梁上，容易保养和维修。 (3) 按其运行轨迹形式不同，分为直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机。 直线运行型堆垛机 直线运行型堆垛机只能在巷 道内直线轨道上运行，不能自行转换巷道。只能通过其他输送设备转换巷道，直线运行型堆垛机可以实现高速运行，能够满足出入库频率较高的立体仓库作业，应用最为广泛。 曲线运行型堆垛机 曲线运行型堆垛机行走轮与下横梁是通过垂直轴铰接的，能够在环形或其他曲线轨道上运行，不通过其他输送设备便可以从一个巷道自行转移到另一个巷道。曲线运行型堆垛机在使用上有局限性，只适用于出入库频率较低的立体仓库。 本文研究的堆垛机是结构形式为双立柱，支承方式为地面支承型，并且其运行轨迹为直线型巷道堆垛机。 1.1.4 巷道堆垛机的特点 由于使用场合的限制，巷道堆垛机在结构和性能方面有以下特点： (1)整机结构高而窄，其宽度一般不超过储料单元的宽度，因此限制了整机布置和结构选型。 (2)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。 (3)采用专门的取料装置，常用多节伸缩货叉或货板机构。 (4)各电气传动机构应同时满足快速、平稳和准确。 (5)配备可靠的安全装置，控制系统应具有一系列连锁保护措。 1.2 设计的目的和意义 仓储自动化建设是一项系统工程，物资储运作业自动化是其重 要的内容。实现仓库物资储运作业自动化，仓储机械设备、设施及管理、信息、人才系统配套、协调发展是重要的发展趋势。 通过引入计算机、自动控制技术和人工智能等高新技术对仓储机械的技术该做，仓储机械的技术性能将较大提高。载重量大、机动性强、操作方便、可维修性好的叉车、无人叉车、牵引车、托盘运输车、堆高车、堆垛机、码垛机、管道输送机、带状输送机、自动拣选机等先进的装卸搬运机械设备将广泛应用于仓储系统。 本设计通过设计用于仓储货架的堆垛机，完成堆垛机水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备的设计，能及时 、准确地把物品自动送到指定位置，从而加深对堆垛机的认识与了解。 1.3 设计的内容及要求 有轨巷道堆垛机的内容包括 : 第一 ,分析、论述目前堆垛机堆垛的原理、方法，堆垛机的设计思路，探讨各种解决途径。 6 第二 ,论述本设计采用的方法、原理及可行性，进行结构设计、运动学计算和强度计算。 第三 ,堆垛机的工作方式及货物识别控制原理。 第四 ,绘制堆垛机总装图和主要零部件图。 有轨巷道堆垛起重机的设计要求包括： 1.结构简单、操作方便。 2.堆垛方式准确可靠 。 3.结构紧凑坚固，使用维护方便，外形美观。 1.4 设计参数 立体仓库为 8 巷道 16 排 40 列 7 层 堆垛机总高度： 8m 总长度： 3.1m 总宽度： 1m 堆垛机额定起重量 300kg 行走最大速度 130m/min(2.2m/s) 升降最大速度 30m/min(0.5m/s) 货叉速度 9m/min(0.15m/s) 加减速度：升降 0.6 2/ms 行走 0.6 2/ms 伸缩 0.2 2/ms 货架上下 7 层，层高 1100mm 2/ms 货架每层 40 格，格宽 900mm 货箱尺寸：长宽高 600500800mm 货格尺寸：长宽高 9006001100mm 宽度方向为货叉叉取方向。 7 2 总体设计方案的确定 为使堆垛机能够准确、快速、安全、自动搬运货物出人库，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运动、载货台垂直运动、货叉沿货架方向双向伸缩 ； (2)满足一定的定位精度，重复定位 精度误差不能超过 10 mm； (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分的重量，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。 堆垛机组成 图 2.1 有轨巷道式双立柱堆垛机 1.天轨 2.天轨导向轮 3.上横梁 4.立柱 5.链轮 6.载货台导向轮 7.载货台顶轮 8.电器柜 9.轮系 10.地轨 11.下横梁 12.电机 13.卷筒 14.减速器 15.载货台 16.货叉 17.载货台立板 2.1 堆垛机三维运动速度的确定 (1)行走速度的确定： 40900=36000mm=36m 8 行走加速度为 20.6 /ms 最优行走速度为 0 . 5 3 6 0 . 6 2 . 3 2 4 / 1 3 9 . 4 3 / m i nm s m ，取为 130m/min (2)升降速度的确定： 货架高度为 71100 7700mm=7.7m 最优升降速度为 7 . 7 1 3 9 2 9 . 7 / m i n36 m，取为 30m/min,即 0.5m/s (3)货叉速度的确定： 货叉伸缩长度为 0.46m=460mm 伸缩加减速度为 20.2 /ms 最优伸缩速度为 0 . 5 0 . 4 6 0 . 2 0 . 1 5 / 9 . 1 / m i nm s m ，取为 9m/min 取微升降高度为 8mm 2.2 堆垛机各个部分的方案选择 2.2.1 堆垛机起升机构传动方式的选择 巷道式堆垛起重机的起升机构是使载货台垂直运动的机构，主要由电动机、制动器、减速器、卷筒或链轮以及相应的柔性件组成。电动机通过减速器带动柔性件使载货台升降。常用的柔性件有钢丝绳和起重链两种。链条传动的缺点是自重量大，有可能突然断裂，不安全，因而本传动机构选用钢丝 绳，钢丝绳的优点是质量轻，使用安全，工作噪声低，便于维护保养等等。 在堆垛机特殊的工作环境下，为了使起升机构结构紧凑，本设计使用带制动器的电动机。这种电动机具有锥形转子，通电时，转子在磁拉力作用下产生一定的轴向位移，使尾部的锥形盘式制动器同时打开。断电时，磁拉力消失，制动器在弹簧作用下又重新上闸，使电动机很快地停住。起升机构的位置布置在堆垛机的下部，位于立柱外侧。 联轴器选用梅花形弹性联轴器，此联轴器是由带突爪的形状相同的两个半联轴器和梅花形弹性元件组成，将梅花形弹性元件置于两个半联轴器的突爪之间以实现联结 。联轴器工作时，梅花瓣受压。单向运转时只有半数花瓣参与工作，半数不承载；反向运转时，亦是如此。此联轴器具有结构简单，零件数少，径向尺寸小，不需润滑；弹性块受压，承载能力较高等特点。 减速器选用 JZQ型减速器，它是特为起重机设计制造的低硬度齿面的减速器，制造工艺较容易，有很多中小型厂均有现成产品供货。卷筒为与减速器配合的自制卷筒，通过齿轮连接盘与减速器的低速轴齿轮轴端相连。此卷筒的特点是卷筒轴不受转矩，只承受弯矩，为封闭式传动，不易受外界环境干扰。 钢丝绳的一端固定在卷筒上，另一端固定在机架的上横梁上，钢丝绳 通过安装在立柱上的定滑轮导向，带动安装在载货台上的两个动滑轮使载货台升降。 9 2.2.2 堆垛机行走机构传动方式的选择 堆垛机的行走机构是堆垛机水平运行的驱动装置。一般由电动机、联轴器、制动器、减速箱和行走车轮组成。本设计选用三合一减速器，把突缘电动机、盘式制动器和减速器做成整体，选用标准件，提高了系统的可靠性。采用带平衡架及水平轮的车轮组，平衡架使两个车轮的轮压相等，车轮为无轮缘圆柱车轮，是为了避免车轮在运行时轮缘啃轨，同时为了防止出轨在轨道两侧加水平导向轮。 本传动系统为地面支承式，三合一减速器和车轮 组安装在堆垛机下横梁下方起支承和驱动作用，上部用导向轮运行在工字钢的下翼缘上来防止堆垛机倾倒或摆动。由于驱动装置装在堆垛机下下部，容易维修保养。 2.2.3 堆垛机机架的设计思路 上横梁是由四块钢板焊接而成的箱形结构，其与立柱间通过焊接联结在一起。 立柱由角钢和钢板焊接而成的箱式矩形断面，具有抗扭、抗弯刚度大，重量轻，耐磨性好等特点。 下横梁也是由四块钢板焊接的箱式矩形断面，具有较大的抗扭、抗弯刚度。下横梁与立柱间通过焊接联结在一起。 2.2.4 堆垛机货叉的设计思路 货叉装置是堆垛机存取货物的执行 机构，装设在载货台上。本机构采用二级直线差动式伸缩货叉，由上叉、下叉及起导向作用的滚针轴承等组成，以减少巷道的宽度，且使之具有足够的伸缩行程。 由于存取货物时货叉伸出的距离已经超过本身的长度，所以货叉为级伸缩装置，下叉固定在载货台本体上，起支承作用，上面的上叉叉取货物。 货叉的伸缩可以采用齿轮齿条传动或者链轮链条传动，本设计采用齿轮齿条传动，齿轮齿条传动具有结构简单，传动关系清晰等优点。 货叉装置采用二级直线式伸缩货叉，叉体体积小、刚性大，且具有超载保护功能。 货叉主要由电动机、联轴器、减速器、链轮链条传动 装置、齿轮齿条传动装制、下叉、上叉和滚针轴承等组成。 10 图 2.2 货叉结构示意图 1.上叉叉板 2.上叉活动导轨 3.上叉支承板 4.上叉挡板 5.上叉齿条板 6.滚针轴承 7.下叉立板 8.下叉底板 9.轴承支承板 10.传动轴 11.链条 12.减速器 13.联轴器 14.传动齿轮 15.电动机 16.下叉挡板 结构示意图如上图 2 1 所示。上叉由上叉叉板、上叉支承板、上叉齿条板组成，上叉叉板直接承载货箱，为了防滑选用花纹钢板，上叉支承板则安装有支承上叉的四 个滚针轴承，使上叉相对于中叉运动，上叉齿条板下方焊接有齿条，由装在中叉连接板上的双啮合齿轮传递动力。中叉由中叉活动导轨、中叉连接板、中叉齿条板组成，中叉活动导轨支承在四个滚针轴承上，四个滚针轴承分别装在下叉立板和下叉支承板上，中叉连接板则把中叉齿条板、中叉活动导轨和双啮合齿轮连接起来，中叉齿条板下方焊接有齿条，通过传动轴上的齿轮传递动力。下叉由下叉支承板、下叉立板、下叉齿条板和下叉底板组成，下叉支承板下部安装有滚针轴承，支承起传动轴，上部安装有支承中叉活动导轨的滚针轴承，下叉立板也安装有支承中叉活动导轨的滚 针轴承，下叉齿条板的顶部装有齿条，提供与双啮合齿轮啮合的下齿条，下叉底板则是整个货叉的支承板，其上固定有电动机、减速器、下叉立板、下叉齿条板、下叉支承板和双向挡板。焊接在下叉底板上的双向挡板则限制货叉的极限伸缩位置。 整个货叉的传动原理是，电动机通过联轴器、减速器减速把动力传递给减速器轴端的链轮，轴端链轮通过链条把动力传递给传动轴，传动轴上的链轮和减速器轴端的链轮一样大，链轮链条传动比为 1。安装在传动轴轴端的齿轮通过中叉齿条板把动力传递给中叉，使中叉以一定的速度相对于下叉运动，而安装在中叉连接板上的双啮合齿 轮以中叉速度与中叉一起运动，双啮合齿轮下面与下叉齿条板上的齿条啮合，上面与上叉齿条板上的齿条啮合，下叉齿条板不动，那么上叉齿条板则以二倍于中叉的速度向前运动。 11 当电动机反向时中叉与上叉则反方向运动，从而实现货叉的双向存取货物。焊接在下叉底板上的双向挡板与焊接在中叉连接板底部的双向挡板配合使用，当货叉运行到极限位置时上、下双向挡板相碰，从而使货叉停止运动。联轴器为限力矩联轴器，当力矩超过设定值时，联轴器内部的钢珠打滑，从而保护货叉受到破坏，提高系统的安全性。 本货叉传动系统除了电动机、联轴器和减速器安装在货叉 左侧以外，基本为对称布置，左半部分相当于左货叉，右半部分相当于右货叉，这样链轮链条传动布置于货叉中间，从而提高系统的平稳性。 2.2.5 堆垛机安全方案的确定 为了保护人身、设备和货物的安全，堆垛机必须具有完善的安全保护措施： （ 1）堆垛机在行走、载货台升降和货叉伸缩终端处都设有机械和电气限位装置。 （ 2）货物检测载货台上设有货物超高、超长和超宽检测装置。在货物进入载货台时，当检测到货物超过设定高度、长度或宽度时，堆垛机便停止运行并报警。一般允许误差为30 一 40 mm，检测元件采用对射或反射式光电传感器 。 （ 3）载货台上还设有检测货叉是否回位、货叉上有无货物和货位中有无货物的装置。如货叉没有回位，堆垛机不能水平运行 ；如货叉上已有货物，则不能再取货 ；人库时，必须检测货位中有无货物，以避免发生事故。 （ 4）断电保护如载货台升降过程中忽然断电，则通过提升电机制动使载货台停在当前位置，不会掉落下来。 （ 5）载货台断链保护提升链条通过压簧与载货台相连，当链条由于长时间使用或意外原因忽然断裂时，弹簧弹开链条，检测装置检测到链条时，便驱动相应装置使载货台停在当前位置，不至于掉下来，同时整个堆垛机停止运行。 2.3 堆垛 机的技术参数 堆垛机作为立体仓库中重要的运输设备，其各项技术参数的选用，将直接影响到整座立体仓库的运行效率和经济效益。合理的选择各项参数，将大大提高整个系统的运行效率和经济效益。我国现阶段立体仓库中，堆垛机技术参数的选用上，和世界先进水平相比，存在着较大的差别。 （ 1）堆垛机的速度参数。与堆垛机的速度有关的参数，主要指水平运行速度、起升速度和货叉伸缩速度。这三项参数的高低，直接关系到出入库频率的高低。 （ 2）堆垛机的尺寸参数。堆垛机的尺寸参数较多，例如起升高度、下降深度、整机全长、最低货位极限高度等 。其中最低货位极限高度，即货叉上表面从最低一层货格的低位到地轨安装水平面的垂直距离。该参数涉及合理利用有效空间，增加库容量，亦是评价堆垛机设计水平的标准之一。目前，国内立体仓库堆垛机的最低货位极限高度普遍偏高。 （ 3）堆垛机的货叉下挠度。货叉下挠度，是堆垛机的一项非常重要的性能参数，直接关系到堆垛机是否能正常工作。因结构型式、材料及加工热处理工艺的限制，同等状况下，目前国内立体堆垛机的货叉下挠度要比国外大 20%30%。改进货叉结构，合理选材，提高工艺手段，是减少货叉下挠度，保证堆垛机工作性能的重要措施。 12 （ 4）堆