毕业设计（论文）-堆垛机柔性载货台模块化设计.doc

堆垛机柔性载货台模块化设计堆垛机柔性载货台模块化设计全套图纸加扣3012250582 摘要 随着我国市场经济制度的逐渐完善以及互联网技术的大规模应用，市场竞争十分激烈，对于企业而言，土地成本和人力资源成本都在不断增长，越来越多的企业为提高生产效率、节约生产成本，选择重点投资生产制造及物流派送系统的自动化。自动化立体仓库具有提高仓储空间利用率、提高企业管理水平等优点，被广泛应用于生产加工、医药、烟草、物流配送等企业。堆垛机通常用来存取尺寸规格相对固定的货物。但物流配送等行业中，堆垛机往往需要存取尺寸规格不一的货物。传统的堆垛机需要配合垛板来实现货物的存取，不仅造成空间的浪费，同时降低了生产效率。本文针对这种普遍存在的问题，尝试性地设计一种新型的具有较高柔性的载货台，可以灵活调节货叉的间距，完场尺寸规格不同的货物的存取。本课题运用模块化设计方法，对堆垛机载货台进行了模块划分，给出了详细的设计思路以及有限元分析以验证设计的可行性。设计出了可以较好地解决存取尺寸规格不一货物的问题的柔性载货台。对于企业解决仓储物流中所遇到的传统堆垛机在存取尺寸规格浮动较大的小型货物时，存在的存取困难甚至无法存取的情况，具有优秀的实用价值。 关键词: 自动化立体仓库，柔性载货台，模块化设计，有限元分析MODULAR DESIGN OF THE FLEXIBLELOADING PLATFORM OF THE STACKING CRANEABSTRACTWith the rapid development of Internet and electronic commerce, market competition is becoming increasingly fierce, and land resources become increasingly strained, the gradual increase in the cost of human resources, more and more enterprises for improving production efficiency, reduce production cost and choose to focus on investment in manufacturing and logistics automation system. Automated warehouse has the advantages of improving the utilization rate of storage space and improving the management level of enterprises, and has been widely used in manufacturing, pharmaceutical, tobacco, logistics and other enterprises. In the automated warehouse, the crane plays a very important role.Stacking machine is usually used to access the relative fixed size of the goods. But in the industry, such as logistics and distribution, the crane often needs to access the size of different sizes of goods. Traditional stacking machine needs to realize the goods with the plate stack access, waste not only caused a space, while reducing the production efficiency. This paper aiming at the ubiquitous problem, the paper attempts to design a model with high flexibility of the loading platform, can flexibly adjust the spacing of the fork, and time with different sizes and specifications of goods access. Modular design method is used in this paper, and the module division of the platform is given. The detailed design idea and the finite element analysis are given to verify the feasibility of the design. A flexible loading table is designed to solve the problem of access to different sizes of goods. For enterprises to solve the storage and logistics of the traditional stacking crane in access to the size of the larger size of the small goods, the existence of access difficulties and even can not access the situation, with excellent practical value.Keywords:Automated warehouse, flexible loading platform, modular design, FEA目 录1.绪论-11.1 课题研究的背景-11.2 自动化立体仓库概述-11.3 堆垛机及现代设计方法研究现状-21.4 课题研究的目的和意义-31.5 课题的主要研究内容-42.堆垛机模块化设计技术研究-52.1 模块化设计方法概述及关键技术-5 2.2 堆垛机模块化设计平台-6 2.3 堆垛机功能分析与模块划分-9 3.堆垛机载货台模块化设计-10 3.1堆垛机以及载货台的概述-10 3.2 载货台模块化总体设计-11 3.2.1堆垛机的工作流程及设计参数-11 3.2.2货叉式载货台三维建模-11 3.2.3总体设计方案-12 3.3 模块化详细设计-13 4.载货台静动态性能研究-21 4.1有限元概述-21 4.2载货台静刚度特性分析-21 4.3运动学仿真-24 4.4结果分析及方案优化-27 5.结论与展望-29 5.1结论-29 5.2展望-30参考文献-31致谢-33译文及原文-3461 绪论1.1 课题背景 随着我国市场经济制度的逐渐完善，以及互联网技术的大规模应用，物流行业也迎来了高速发展。新的历史时期带来了不同以往的市场环境，在产品结构，性能趋近的情况下，控制成本，提高利润已经成了企业提高竞争力的重要手段，提高企业的生产管理水平就是其中一个重要方法。新的环境要求企业对市场做出更为快速的响应，这对企业的物流效率提出了较高的要求。在这种环境下，自动化立体仓库受到了各类生产企业的关注。自动化立体仓库具有可以良好实现仓库的高层化，操作简便化，存取自动化等特点，可以大幅提升企业的物流效率和生产管理水平，因此，自动化立体仓库迅速得到了广泛的应用，获得了长足的发展。 近年来自动化立体仓库被广泛应用于生产制造等诸多行业，取得了良好的经济利益。此时，仓库存取货物的规格从最初的单一规格逐渐向不固定规格转变。传统的堆垛机载货台运用伸缩式的水平货叉，配合相应的垛板完成货物的存取。这种方式在面对物流环境中存取尺寸变化很大的中小型货物时，会造成使用垛板空间浪费过大，不使用垛板无法完成正常存取的尴尬状况。提高堆垛机载货台的柔性成为解决这个问题的关键，让载货台上的货叉更加灵活的夹取货物，不仅可以提高货仓的空间利用率，更能大幅降低生产管理的成本。1.2 自动化立体仓库概述随着科学技术和工业生产的飞速发展，立体仓库出现在了现代物流技术领域。自动化立体仓库一般是指采用多层的货架来存储单元货物，利用相应的运输设备进行货物存取的仓库。自动化立体仓库是包含机械设备、电气元件、管理软件、通信模块、传感器、自动控制技术的一个集合体，通过以上组成部分之间的有效配合，可以实现了仓储机械化、控制自动化、管理软件化、通信网络化，可以帮助各类生产企业提高生产效率、降低生产成本、减少操作失误、提高系统稳定性。如图1-1所示，自动化立体仓库由以下几个部分组成：（1） 货架：是一种焊接式或者组合式的钢结构，主要用来存储货物。（2） 托盘：用于承载货物的器具。（3） 巷道堆垛机：实现货物存取功能的设备，通常有单立柱和双立柱两种形式。本课题研究的载货台是堆垛机的一个组成部分。（4） 输送机系统：仓库的外围运输设备，负责将货物传递给堆垛机或者从堆垛机将货物运走。（5） 自动控制系统：驱动仓库中各种设备的自动控制系统。（6） 中央计算机管理系统：是自动化立体仓库的核心，采用大型的数据库系统构筑客户机/服务器体系。（7） AGV系统：即自动导向小车，可分为感应式导向小车和激光导向小车。 图1.1 自动化立体仓库1.3 堆垛机及其现代设计方法研究现状堆垛机自从近代进入我国，被广泛应用于工业生产等领域之后，很多专家学者对堆垛机进行了科学系统的研究，并取得了非常具有实用价值的研究成果。王转、尹军琪将计算机系统应用在堆垛机的研究中。开发了计算机软件IMS系统，可以用于立体仓库总体设计中一些数据尺寸的计算工作，包括货格尺寸、静态法确定货架尺寸、动态法确定货架尺寸、投资和年度费用计算、设计方案比较和设计结果输出等。1何月研究了有轨巷道堆垛机的标准化设计。虽然堆垛机属于非标产品，但是从它的功能、结构、零部件形状进行分析，即可实现通用化、系列化、标准化设计。何月将标准化设计的思想运用到了堆垛机的设计上，证明了堆垛机具有标准化开发的基础，实践证明这种设计方法收到了很好的经济收益2。赵利平、王宗彦、秦慧斌、董良为提高堆垛机生产企业对市场的快速响应能力，在大规模定制思想的指导下，研究了广义模块化设计和参数化设计方法。同时，采用产品主模型技术、装配草图技术以及与数据库关联的系列产品配置技术，开发了堆垛机系列产品的参数化设计系统。这种设计系统可以缩短产品开发周期，提高设计效率和质量，可以快速响应市场的需求3。曹玲芝和刘绍坤为了提高自动化物流系统的工作效率，对堆垛机的变频改造进行了研究。作者针对卷烟生产中的特殊环境，改进了堆垛机的变频调速方式和超尺寸检测系统，提高了堆垛机的运行效率4。程斌、金国峰、赵逍、唐秀英研究了堆垛机系统中通常使用的三种认址技术：编码器认址、激光测距认址和条码定位认址。作者分析了各种认址方式所具有的特点，并指出了对应的适用范围5。郭环和禹永伟论述了自动化立体仓库中传统的有轨巷道式堆垛机的结构和特点。这种伸缩式的货叉，尺寸规格都相对固定，两叉的间距固定，必须配合相匹配的木栈板，可用于货物规格相对固定的仓储环境6。1.4 课题研究的目的和意义本课题针对当前仓储物流中所遇到的传统堆垛机在存取尺寸规格浮动较大的小型货物时，存在的存取困难甚至无法存取的情况，运用模块化设计的思想，将堆垛机载货台进行模块化划分，通过对其中的一些模块进行重新设计和变异，得到新型的可以满足立体仓库中的货物柔性化存取的堆垛机载货台。研究这种新型的堆垛机载货台具有多项意义，具体体现在：（1） 在资源利用上：传统的的堆垛机载货台，需要将货物放置在垛板上，才可以配合载货台上的货叉进行存取。而对于这种新型的堆垛机载货台，采用了夹抱式的存取方式，不需要再使用垛板，可以省去企业一笔不小的购置和维护费用，具有良好的经济价值。（2） 在空间利用上：新型的堆垛机载货台可以调节货叉的间距，可以灵活存取尺寸规格变化很大的小型货物。同时，没有了垛板的宽度限制，在相同的货架空间内，新型的堆垛机载货台可以紧凑摆放相对较多的货物，对提高仓库的空间利用率具有重要意义。（3） 在装备的替换效率上：新型的堆垛机载货台，运用了模块化设计的思想，在传统堆垛机载货台的基础上进行设计。设计过程中，对堆垛机载货台进行模块划分，只对其中的一些关键模块进行重新设计和变异。这样做的意义在于：在企业需要使用这种新型的堆垛机载货台时，可以直接在传统堆垛机载货台的基础上，采用最少的改动，获得所需的新型载货台。这种设计方法，可以提高装备的置换效率，大幅度降低企业替换新型设备所需的费用。1.5 课题主要研究内容本课题的研究内容在于，运用模块化设计的思想，将堆垛机载货台进行模块化划分，通过对其中的一些模块进行重新设计和变异，得到一种新型的堆垛机载货台。具体内容有：（1）收集资料，对载货台机构进行概念设计。设计的过程在于，设计完成所需动作功能所需要的结构，进行合理组合。结合传统堆垛机载货台的三维模型，对设计的相关限制条件有一个大体的了解。（2）对载货台机构进行模块化划分，进行总体机构设计。从功能上将传统堆垛机载货台划分为相应的模块。将所需改动的功能模块，替换为所设计的新型模块，获得较为完整的机构设计方案。（3）建立新型堆垛机载货台的三维模型，对关键的结构进行力学分析和有限元分析，以验证设计的合理性。若所设计的结构无法满足性能要求，则根据所学知识对该结构进行合理改进和优化。2堆垛机模块化设计技术研究2.1 模块化设计方法概述 模块化的思想从古代就已经出现。虽然模块化设计这一专业术语出现在20世纪中期，但它并不是处于偶然，而是古人智慧的结晶，是产品设计和制造规律的总结，在市场需求的刺激下受到了广泛的关注。20世纪初，模块化家具逐渐流行起来，随后在机床等行业中，模块化设计逐渐受到了重视。在我国，模块化设计初步受到重视是在20世纪70年代末至80年代初，我国制造机床的一些企业将模块化设计的理念运用到新产品的开发中，取得了不少的成果。南京机床厂在N-038型高效自动车床系列的设计中，使用了模块化设计技术，设计出了40多种模块，可以组成8种型式功能各有不同的机床。齐齐哈尔第二机床厂研发的万能摇臂铣床也应用了模块化设计方法。近几年，随着大规模定制的兴起和广泛应用，模块化设计技术逐渐体现出了它的优点。大规模定制将大批量生产和定制生产高度结合在一起，具有生产低成本、高质量、短交货期等特点，同时可以满足用户的个性化需求。一般认为，模块化设计是将一个产品，在一定范围内，根据它的不同功能或者同功能不同性能划分出一整套的功能模块，合理选择需要的功能模块进行组合，就可以获得满足用户需求的产品。模块是模块化产品的基本成分，它的定义是：一组同时具有相同功能和组合要素，具有不同性能、用途或者不同结构特征，但是可以相互置换的单元。模块化设计方法对比传统设计方法，有很多不相同的地方：传统设计方法通常采用自下而上的基于规则和经验支持下，设计出一个具体的产品；而模块化设计是使用完善的模块化设计流程，采用自上而下、目标驱动的方式，通过对模块进行选择、变型、组合和修改，可以极大地减小产品设计的周期，模块化设计是面向产品的系统的，设计的结果包括产品和模块。模块化设计需要依照三个步骤进行：（1） 系统分析步骤（市场分析、产品系列型谱拟定）。（2） 模块化产品设计（系统应用步骤）。（3） 模块选择、模块综合模块系统设计（详细设计步骤）。 这是产品进行模块化设计的基本思路。许多科研工作者从产品设计的某一特定方面或阶段研究模块化的实施方法和技术，总结出了四项关键技术：（1） 模块分类与识别技术相关性分析是模块识别的常用方法，其关键在于将产品的组成单元进行定性或定量的相关性分析与计算，对这些基本单元进行聚类则形成模块。这些单元可以是产品功能或物理结构。（2） 模块接口与组合技术模块接口技术的研究主要包括两个组成部分：接口的设计与加工技术，主要有接口的稳定性、可装配性和加工工艺方法等；接口的管理技术，主要有标准化、编码、接口数据库管理和模块组合测试等。模块组合是根据设计任务选择出模块并组合产品总体方案。因为符合所需功能要求的模块可能不唯一，所以进行模块组合会可以产生多个模块组合方案，使用有向图可以清楚描述模块的组合方案。为了实现计算机辅助模块组合设计的功能，必须将模块及接口的编码进行合理编制。（3） 模块编码技术 一种基础的模块编码系统，它主要以GT编码和力流为概念，其功能是描述结构较为固定、接口面相对简单的模块化产品。（4） 模块评估与优化技术与单个产品优化最明显的不同在于,产品族优化需要考虑并平衡模块或者产品在生产时可能遇到的各种因素，搭建系统成本模型，目的是合理控制系统运行的成本。2.2 堆垛机模块化设计平台模块化系统综合利用了设计与管理等领域的相关知识，解决现代产品快速更新与市场需求多样化的问题。堆垛机模块化设计平台的基本思想是根据用户需求，充分利用已有的产品和技术，通过选择已有的模块或设计新的可重构模块来重构目标产品。堆垛机的模块化设计平台采用如图2.1所示的体系架构，下面本文将详细阐述该体系架构的组成：模块化建模功能分析模块划分模块设计或变型设计动态设计分析模块静力学仿真动力学仿真运动学仿真决策评估系统模块试验集成平台仿真评估设计决策支持用户需求/设计、分析人员产品模型库决策知识库性能分析库实例模块库功能模块库总体设计集成平台ANSYSSolidWorksPDM 图2.1 堆垛机模块化设计平台（1）用户是指多有参与模块化设计的用户，既包括客户，也包括可重构模块化系统的参与人员，有模块设计人员、动态设计分析人员、决策评估人员以及其他人员。（2）可重构模块化建模的主要工作是根据客户的需求及对堆垛机的功能分析，对堆垛机进行可重构模块划分，确定堆垛机各模块的属性参数之后，对各个模块进行设计并重构出产品。各个模块的设计可以选用已有模块或对已有模块进行变型设计。（3）动态设计分析模块的主要工作是对各个模块及产品进行静力的变形及强度分析、动力学分析、运动学仿真及堆垛机的控制系统仿真。这项任务应用到了ANSYS仿真分析软件。（4）决策评估系统模块是为了有效评估堆垛机的重构决策，包括重构过程中各个方面的评估。决策评估系统模块包括了试验集成平台、仿真评估专家系统、领域知识处理系统、设计决策支持系统。（5）数据库为系统的执行提供参考和依据。PDM（Product Data Management）是在数据库管理技术和网络技术的基础上发展起来的一门技术，主要应用于管理产品生命周期内所有与产品相关的信息和过程，目的是为了使设计数据的更有条理、设计过程的优化和资源的可以灵活交流。在PDM中建立可重构模块化系统所需的各个库，利用ERP系统对生产经营活动（包括生产、物料、制造系统）进行管理。可重构模块化系统的数据库包括功能模块库、实例模块库、性能分析库、决策知识库和产品模型库。（6）总体设计平台中利用到的软件SolidWorks软件SolidWorks 是在 Windows平台上建立的高性能三维设计软件，可以进行大量的产品的设计和开发复杂形状的产品，由于SolidWorks 软件是在Windows开源环境下开发的，所以它充分利用了Windows的优秀界面，为我们提供了一个更简单高效 的工作环境。SolidWorks是美国 SolidWorks公司研发的三维CAD 产品，它基于Windows平台，功能强大，易于使用，是使用最广泛的中高端CAD 产品，逐渐成为其它三维CAD软件追赶并遵循的标准。SolidWorks 还拥有丰富的第三方软件支持，可以处理，分析，逆向工程和其它工程应用。在本课题中，SolidWorks主要应用有：构建柔性载货台的三维模型、构建有限元分析的简易模型、使用motion分析进行载货台货叉的运动学仿真、导出柔性载货台装配图及零件图纸等。ANSYS软件ANSYS软件是由ANSYS公司研制开发的大型通用有限元分析程序。能够在PC机、工作站或巨型计算机上运行。ANSYS具有三个主要模块：预处理模块、分析计算模块、后处理模块。因其功能强大，操作简便，成为了最流行的有限元分析软件，本课题使用ANSYS进行载货台框架结构的有限元分析。2.3 堆垛机载货台功能分析与模块划分对传统堆垛机载货台根据其功能进行模块划分，划分结果如表2-1所示：表2-1 载货台模块划分结果一级模块支撑功能模块货物存取功能模块竖直运动功能模块安全保护功能模块传动功能模块二级模块基座结构加强板护板下叉中叉上叉导向轮装置拔杆稳定装置安全钳缓冲器电机链条链轮 其中： （1）支撑功能模块：是载货台结构的主要组成部分，是主要的基座结构，保证货叉的稳定，是货叉实现存取功能的保证。 （2）货物存取功能模块：主要由三个结构组成，伸出时，电机带动下叉中的齿轮带动中叉向外伸出，中叉中的传动机构再带动上叉伸出。 （3）竖直运动功能模块：包括各种导向轮、稳定装置，是载货台连接立柱的结构，使载货台可以在立柱上作竖直方向的移动。 （4）安全保护功能模块：包括各种保证设备运行安全以及缓冲的装置，可以缓解各种冲击对装备造成的损害，使得装备的使用期限得到延长。 （5）传动功能模块：主要为机构运行提供动力，驱动机构完成预订的动作。3堆垛机载货台模块化设计3.1 堆垛机以及载货台的概述自动化立体仓库的出现在物流领域具有划时代的意义，使仓储行业从劳动密集型向设备运行自动化转变，极大提升了仓储运输的效率。自动化立体仓库同时使仓储管理概念的快速普及，使仓储管理从简单的保管型向综合的流通型方向发展。堆垛机时自动化立体仓库的主要搬运设备，是实现立体仓库高效、安全、可靠运行的关键机构之一。堆垛机主要负责立体仓库货物的存放和取出。本课题所改造的载货台所属的堆垛机为单立柱有轨巷道堆垛机。行走机构电气控制柜立柱载货台提升机构货叉 图3.1 单立柱巷道式堆垛机机械结构示意图如图3.1所示，堆垛机的机械结构主要有：立柱、提升机构、货叉、载货台、行走机构、电气控制设备等组成。单立柱巷道式堆垛机有几个较为突出的特点：单立柱巷道式可以充分利用高层的存储空间；堆垛机载货台上装有可以灵活伸缩的货叉，在巷道中运行时货叉处于收缩状态，这使得巷道的宽度可以设计得比较窄，因此仓库平面上空间可以被充分地利用；此外，该堆垛机的自动化程度比较高、货物运输速度相对叉车等设备更快速，大大提高了仓储物流的作业效率。而在堆垛机中，载货台是直接与货物接触的机械结构，载货台靠起升机构的动力牵引实现上升或者下降的动作，载货台的机构框架主要由垂直框架和水平框架焊接而成。垂直框架的背面可以安装滑轮装置和一些缓冲装置。水平框架采用了钢结构，使强度能够满足载货的要求。3.2 堆垛机模块化总体设计 3.2.1 堆垛机的工作流程及设计参数单立柱巷道式堆垛机通常只有两种工作任务：出库和入库。在堆垛机接收到计算机发出的出库任务时，堆垛机启动驶入巷道内，同时载货台沿立柱做垂直运动。当水平和垂直位置与货物位置对应时，通过定位校准，货叉将货物叉取并托运到载货台上。然后，堆垛机行驶离开巷道，并将货物放置到运输机上。入库任务与出库任务正好相反。堆垛机叉取放置在运输机上的货物，然后驶入巷道内。载货台运动到货物预定的放置位置，货叉伸出将货物放置到货架上。通过查阅有关单立柱巷道堆垛机的相关资料7以及企业调研，可获得相关设计参数： 工作环境：温度范围-540 工作电压380V 频率50Hz 堆垛机尺寸：高8m 长3m 宽1m 货叉运行参数：速度9m/min 伸缩加（减）速度0.2m/s2 行程1200mm 设定的堆垛机载货台额定载货重量：500kg 3.2.2 货叉式载货台三维建模建立传统堆垛机载货台的三维模型，如图3.2所示，可以看出：传统堆垛机载货台存取货物的方式主要由两个货叉来完成，水平框架由结构钢制成，外部焊接有若干加强板。上方安装了一块护板，主要作用是阻隔立柱与货物，对货叉以及货物起到保护作用。水平框架主要起到支撑货叉以及货物的作用，机架结构后方的导向轮装置起到连接立柱的作用，使得载货台在立柱上只有上下两个自由度。立柱上方的钢缆连接载货台的滑轮，使载货台可以上下滑动。安全钳框架结构护板导向轮装置伸缩货叉 图3.2货叉式载货台三维模型 3.2.3 总体设计方案：经过合理的模块划分和分析，在柔性载货台的设计过程中，选择保留传统堆垛机的三大主要模块：支撑功能模块、竖直运动功能模块和安全保护功能模块。如图3.3所示： 图3.3三维模型保留部分示意图 该模型去掉传统堆垛机载货台的货叉装置。该模型包含了支撑功能模块、竖直运动功能模块和安全保护功能模块三大模块。这样做的意义还在于：传统堆垛机已经被广泛应用于各行各业中，在设计新型的柔性堆垛机中，尽量不对这些部分做出改动可以大幅降低企业在选择新型设备后，进行设备替换所需付出的代价和缩短新设备投入使用的时间，即提升了新型堆垛机的竞争力。结合之前堆垛机载货台功能分析与模块划分这一小节中，综合分析可以得出，对于新型的柔性载货台的设计，必须从货物存取模块入手，将传统的伸缩式货叉替换为可以柔性存取货物的新型货叉。而支撑功能模块中的基座结构与伸缩货叉相连接，如果将货叉替换为新型货叉，则必须要对基座部分进行适当改造以适应新型货叉的安装需求，即将基座结构的模块接口进行改造以满足安装新型货叉的条件。在完成新型的货物存取功能模块后，为了使新型货叉能够灵活调节间距达到货物柔性存取功能，添加一种调节货叉间距的模块，即货叉间距调节模块。3.3 模块化详细设计 （1）货叉间距调节模块 根据最初的设计方案，新型的柔性载货台的货叉可以灵活调节间距以适应性地夹取货物。所以，在货叉与基座间，必然要安装一种滑轨结构。直线导轨，一般被使用在往复运动的场合，允许承受一定的扭矩，在高负载的情况下仍然能够实现高精度的直线运动，比较满足本课题所研究新型载货台的要求。直线导轨型号根据实际应用条件进行选择。将基座上加装直线导轨如图3.4所示：图3.4 直线导轨设计与装配示意图 直线导轨广泛应用于机床、激光焊接机等自动化机械上。直线导轨的移动元件和固定元件之间使用滚动钢球，可以将滑动摩擦转变为滚动摩擦，大幅降低摩擦阻力。直线导轨的长度由载货台基座的尺寸可以确定。在直线导轨上，外侧安装的两组滑块用来安装新型的柔性货叉，内侧的两组滑块用来安装滑板。 （2）货物存取功能模块 设计货叉的基座，主要功能是支持货叉进行伸出或者收缩的动作，以及固定电机、传感器等元件。货叉基座的侧边设计一条略微突出的结构，该结构上可以固定若干个小型的滑轮，中叉可以通过滑轮与货叉基座连接，并且在中叉机构中设置一个嵌套结构将该滑轮包裹，使中叉不会轻易的脱离货叉基座。同理，在设计外叉时，也可以使用这种结构，使整体的结构更加牢固可靠。模型如图3.5所示：图3.5货叉基座设计与装配示意图 货叉基座中，设置有四个肋板和三个金属条以加强基座的强度，长立板与短立板之间的间隙用于放置电机、传感器等元件。货叉的长度由载货台框架结构的宽度相同，以防止载货台在巷道内运行时，货叉与货架发生碰撞。按照与货叉基座相同的设计思路，进行货叉结构中中叉和外叉的设计，如图3.6和图3.7所示：图3.6 中叉设计与装配示意图图3.7 外叉设计与装配示意图 其中，货叉之间均设置槽状结构，使得货叉之间可以通过槽中的小滑轮起到减小摩擦的作用，外叉下方的U型槽安装皮带，皮带之间包裹一对小滑轮，下方的皮带与中叉相连。在中叉受到电机的带动向前伸出时，外叉通过皮带的带动会以相同的速率向外伸出。相反，在中叉做收缩运动时，外叉也会跟随收回。 设计货物的钩取装置，即在外叉末端加装小电机和拉钩，如图3.8：图3.8 拉钩装置设计与装配示意图 拉钩收起状态时处于竖直，当货叉伸出到超出所抓货物的位置时，电机带动拉钩转动90，使得两边拉钩向内弯曲。在货叉收回时，将货物拉到滑板上，完成货物的钩取动作。在设计上，可以选择将拉钩和电机的设置位置稍微往里，并且在外叉的对应位置开一个长条状的空隙使得拉钩可以伸出，这样做可以防止拉钩频繁工作后容易松动造成脱落的状况。 （3）货物承载功能模块 设计滑轮装置，如图3.9所示，滑轮架与直线滑轨上的滑块用螺丝螺母进行连接。滑轮架上装有若干滚子，滚子的高度略微高出滑轮架，使货叉在钩取货物时，可以将货物钩到滑轮上，以减小货物与载货台的摩擦。滚子的材料可以使用光滑、材质坚固的塑料滚子，不推荐金属滚子，会造成滑板自重过大，影响结构强度。图3.9 滑板及滚子设计与装配示意图 （4）传动功能模块 货叉基座与中叉直接的传动 如图3.10所示，在货叉基座上安装电机，电机的转动轴上安装带轮，带轮上连接皮带。图3.10 带轮、皮带设计及装配示意图 带轮上的皮带与中叉的下端接触，电机转动，将带动皮带，进而带动中叉运动。在应对存取较为重的货物时，可以使用链条链轮的结构代替皮带和带轮，同时使用更大功率的电机驱动，可以较好地应付存取较重货物的情况。 货叉与滑板之间的传动： 图3.11 铰链结构设计及装配示意图 在堆垛机载货台的下方设置铰链结构，在货叉基座和滑轮架上，设置固定点，将杆连接铰接组成如图3.11所示的连杆机构，在两基座相靠近时，也会带动滑轮板相靠近，如图3.12所示。图3.12 货叉间距调节示意图 货叉基座在水平方向的运动 构建一个小齿轮的模型，并拉伸一个较长的轴，获得模型如图3.13所示：图3.12 传动齿轮模型示意图 设计相匹配的齿条，并配合到柔性载货台的模型上。在货叉基座上打出与齿轮轴匹配的孔，将齿轮与齿条进行啮合，示意图如下：图3.13 传动齿轮、齿条设计及装配示意图 最终设计出的柔性载货台的模型，如图3.14所示：图3.14 柔性载货台模型示意图 4载货台静动态性能研究4.1 有限元概述：1943年，Courant提出了有限元法的概念。1956年，Turner和Clough第一次用三角形单元离散飞机机翼，对机翼的强度及刚度借助有限元法概念进行了研究。1960年，Clough正式提出了有限元法（Finite Element Method）。20世纪60年代以后，由于数学界的参与，FEM得到了快速发展，受到了广泛应用。在限元分析(FEA，Finite Element Analysis)是运用有限元法，以计算机为工具，对实际物理问题进行模拟求解的一种分析方法。进行分析的思路就是将一个连续体，看成由若干通过结点相连的单元组成的整体，将其分割成有限个单元，形成一个离散体；先将单元进行分析，再将这些单元重新组合起来形成一个新的连续体，用这个连续体代表原来的结构进行整体分析，得出不失真的近似解。这种分析方法复杂问题变得简单化，降低了求解的难度，具有良好的可操作性。因此，有限元分析成为了工程技术领域被广泛应用十分有限的分析方法。4.2载货台静刚度特性分析本课题使用ANSYS软件进行有限元分析。分析过程可以分为六个步骤：定义参数、创建几何模型、划分网格、加载数据、求解、结果分析。本次分析，使用的是载货台框架结构的简易模型，使用8结点四面体单元将其进行了网格划分。通过分析，在货叉基座分离达到最大位置时，所装载的货物尺寸最大，载货台受到的载荷最大。根据三维模型，得出此时滑板在框架结构上对应的四个受力面的位置。固定框架结构背面的四个滚轮的滚动平面，在四个受力面上施加预定的最大承载货物的重力，即可得出载货台框架结构的受力及形变情况。分析过程如下： （1）载荷分布：载重货物5000N，在货叉展开到极限位置，对滑轮板所对应的四个滑块施加载荷。如图4.1所示：图4.1 载货台框架结构载荷施加示意图 （2）边界条件：结合载货台运动的实际情况，载货台通过四个滑轮与立柱相连，因此，约束四个滑轮的滚动面作为边界条件，如图4.2所示：图4.2 载货台框架结构定义边界条件示意图 （3）网格划分：选用8结点四面体单元进行划分，划分结果如图4.3所示： 图4.3 载货台框架结构网格划分示意图 （4）计算分析： 静应力分析，如图4.4所示：图4.4 载货台框架结构静应力分析结果 静态位移分析，如图4.5所示：图4.5载货台框架结构静态位移分析结果 分析结果： 载货台最大应力发生在垂直框梁与斜撑接触处，最大应力为190.62MPa，小于材料许用应力范围； 载货台最大变形发生在载货台右端（如载货台变形图所示红色区域），最大变形量为2.59mm。4.3 运动学仿真： 已知在堆垛机载货台上： 货叉的伸缩速度=12m/min 加（减）速度=0.2m/s 所设计柔性载货台的货叉为双伸位货叉，在货叉向外伸出到极限位置时，中叉应为外叉位移的二分之一 货叉的长度 =外叉=中叉=1100mm 货叉行程=外叉=1200mm 中叉位移中叉=600mm综上，即可计算出中叉、外叉的运动速度在匀速运行阶段 中叉=200mm/s 外叉=400mm/s利用SolidWorks软件，在中叉和外叉上设置传感器，输入相关参数，模拟货叉伸长动作。导入中叉的运动参数，如图4.6所示 图4.6 导入中叉运动参数示意图导入外叉运行的参数，如图4.7所示： 图4.7 导入外叉运动参数示意图进行motion分析，如图4.8所示： 图4.8 motion分析过程示意图生成结果和并导出图解，即可中叉末端（红色曲线）和外叉末端（蓝色曲线）的位移、速度、加速度曲线，如图4.9、4.10、4.11所示： 图4.9 中叉（红色）、外叉（蓝色）位移曲线 图4.10 中叉（红色）、外叉（蓝色）速度曲线 图4.11 中叉（红色）、外叉（蓝色）加速度曲线4.4 结果分析与方案优化：通过对载货台框架结构的静刚度受力分析可知，载货台在承受最大负载时，最大应力为190.62Mpa，一般结构钢的屈服值在325Mpa左右，符合结构钢的需用应力范围。框架结构的最大变形发生在框架结构的右端，变形量2.59mm。考虑到分析所用模型只是载货台框体结构的简易模型，在实际应用中，在框体结构外部，将会安装若干加强板强化载货台的结构强度。在框体制造过程中，加入预变形量以满足载货台垂直框架与水平框架的的垂直度公差在许用范围，使得载货台可以处在最佳工作状态。在货叉结构的运动学仿真中，参照传统单立柱巷道式堆垛机货叉的运动参数，将柔性载货台的货叉运行速度设定在一个相对合理的范围内，暂定为12m/min。进行仿真后，可以看出，货叉的运行轨迹较为平滑，运动过程中速度的变化较为连贯。考虑到电机在实际运行中，转速的增加或者减小并非突变的过程，可以在载货台控制系统的设计过程中，使用更为科学的控制程序，使得速度的变化更为平滑。这样，可以加强货叉在运动过程中，货物的稳定性。 5 结论与展望本文以当下十分发展十分迅速的仓储物流模块化解决方案为主要切入点，针对目前传统的堆垛机在存取规格尺寸差别较大的中小型货物中遇到的一些问题，运用模块化设计的方法，尝试性地设计验证了一款柔性载货台。对关键的部件进行了力学分析，设计达到了预期目标。5.1 结论 通过整个的设计过程，得出了以下结论:1. 设计产品要根据用户的实际需要，运用模块组合的思想，将需要的功能模块进行组合，已获得用户所需要的产品。不仅可以满足用户的实际需求，另外在使用产品时，可以最小程度地减小置换设备造成的损失。2. 对载货台的部件进行了受力计算。建立了柔性载货台的三维模型，通过理论计算，得出了载货台上的货叉运行到极限位置时的挠度值，通过与相关经验值进行对比时，均符合相关要求。3. 利用有限元分析软件ANSYS对堆垛机的框架结构进行了分析。通过对载货台货叉运行到极限位置时得出最不利情况时载荷的受力位置。利用SolidWorks的motion分析功能分析了货叉的运动过程，进一步验证了设计的合理性。4. 在设计过程中多次对所设计的堆垛机载货台进行了优化以及改进，对载货台的运动方式进行了多次模拟和仿真，制作了仿真动画便于用户理解柔性载货台是如何在应对规格尺寸不同的货