（车辆工程专业论文）自动化立体仓库实验台堆垛机结构及控制系统设计研究.pdf

摘要 自动化立体仓库是一种集信息、储存、管理于一体的高技术密集型机电化产 品，堆垛机是其关键设备实验台是模拟现实系统，研究其管理和控制技术的重 要平台本文以实验台开发为工程背景，研究实验台堆垛机机械结构和控制系统 设计开发的关键技术，具有重要的实际应用价值。 本文的实验台系统作为分析和模拟自动化立体仓库，从整体上分成三部分， 一是实验台货架设计方案，日的是创造一个固态环境，为研究堆垛机及测试定位 寻址提供基础条件；二是设计堆垛机系统以及结构强度校核，目的是采用精简的 安装系统、合理的运行方式，模拟现实运送存取货物过程；三是研究堆垛机控制 系统，采用单片机控制系统，包括上位机、传感器、键盘等。具体内容包括： 1 、提出立体仓库实验台堆垛机结构的设计方案；对货架、货格尺寸进行规划 设计，分析实验台的布置形式，并且利用p r o e 软件对堆垛机系统进行建模。 2 、对单立柱堆垛机系统的强度、刚度、整体结构稳定性进行力学分析，为实 验台堆垛机系统的设计提供理论依据。 3 ，采用用光电传感器检测堆垛机位置，分析了堆垛机的工作过程、认址检测 方式等，并分析研究了堆垛机运动控制，实现了堆垛机的定位方案 4 、采用a t 8 9 c 5 5w d 单片机，对控制系统进行设计，包括8 1 5 5 扩展接口、外 围电路、人机界面、抗干扰等，以及可以通过键盘实现堆垛机自动、半自动、手 动三种控制方式的选择 5 、设计单片机软件流程，包括单片机运行主程序流程、步进电动机的位置控 制流程、单片机串行通信程序、串行通信中断子程序等。 关键词自动化立体仓库；实验台；堆垛机；单片机；控制系统 参lj ，j j j 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i cs t o r a g e r e t r i e v a ls y s t e mi sal c i n do fh i g h - t e c hi n t e n s i v e m e c h a t r o n i c sp r o d u c t s ，w h i c hi n t e g r a t e si n f o r m a t i o n , s t o r a g ea n dm a n a g e m e n t h a y s t a c k e r sa r et h ek e ye q u i p m e n t s a ne x p e r i m e n t a ld e s k ( e d ) i sap l a t f o r mt h a ts i m u l a t e s t h er e a l l ys y s t e ma n ds t u d i e st h em a n a g e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y u n d e rt h e b a c k g r o u n do fd e v e l o p m e n to ft h ee x p e r i m e n t a ld e s k , t h ed e s i g no fm e c h a n i c a l s t r u c t u r e sa n dc o n t r o ls y s t e m so fe da r es t u d i e d , w h i c ha r ei ng r e a tv a l u eo f a p p l i c a t i o n t h ee x p e r i m e n td e s ks y s t e mw a sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t si nt h ew h o l ea st h e a n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o no fa s r s o n ew a sd e s i g ns c h e m eo ft h es h e l l so fe d ， w h i c hw a st oc r e a mas o l i de n v i r o n m e n ta n dp r o v i d et h ef o u n d a t i o nc o n d i t i o nf o r s t u d y i n gt h eh a ys t a c k e ra n dt h et e s tl o c a l i z a t i o na d d r e s s i n g ；t h es e c o n dw a s t od e s i g n t h eh a ys t a c k e rs y s t e mw h i c hu s e ds i m p l i f i e ss y s t e m a t i c a l l yi n s t a l l s ，t h er e a s o n a b l e m o v e m e n tw a yt os i m u l a t et h er e a l i t yp r o c e s so fd e l i v e r i n ga n da c c e s s i n gt h eg o o d s t h em i r dw a st o s t u d y c o n t r o l s y s t e mo f t h e h a ys t a c k e r , w i t ha d o p t i n g a m i c r o c o n t r o l l e r , i n c l u d i n gh o s tc o m p u t e r , s e n s o r , k e y b o a r da n d o n 弧es p e c i f i c c o n t e n t si n c h i d e d ： 1 d e s i g np r o p o s a lo fe x p e r i m e n t a ld e s ko fa s r s a n dt h eh a ys t a c k e rw e r e p r o p o s e d n 圮d i m e n s i o n so fg o o d ss h e l fa n dg o o d sf r a m ew e r ed e s i g n e d t h ep o s i t i o n o fe x p e r i m e n t a ld c s kw a sa r r a n g e da n dt h em o d e l so fb ys t a c k e rw e r eb u i l tb yp r o e 2 t h ei n t e n s i t y , r i g i d i t ya n ds t r u c t u r es t a b i l i t yo fs i n g l ec o l u m ns t a c k e rs y s t e m w e r ea n a l y z e di nf o r c e ，w h i c hp r o v i d e dt h e o r yb a s i sf o rd e s i g no f s t a c k e rs y s t e m 3 1 i g h t e l e c t r i c i t ys e n s o r sw e r eu s e dt om e a s u r ed i s p l a c e m e n to ft h eh a ys t a c k e r w o r kp r o c e s sa n dt h ew a yo fr e c o g n i z i n gt h es i t eo fh a ys t a c k e rw e r ea n a l y z e d 1 1 圮 m o v e m e n to f t h eh a ys t a c k e rw a sa n a l y z e df r o mt h e o r ya n dp r a c t i c e 4 a t 8 9 c 5 5w dw a su s e dt od e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h em i c r o - c o n t r o l l e r , w h i c hi n c l u d e se x p a n s i o n si n t e r f a c eo f8 1 5 5 ，p e r i p h e r ye l e c t r i cc i r c u i t ，m a n - m a c h i n e c o n t a c ts u r f a c e 。a n t i - i n t e r f e r e n c ea n ds oo i lt h r e ek i n d so fc o n t r o lm e t h o d so fh a y s t a c k e r , i n c l u d i n ga u t o ，a u t o m a t i c ，s e m i - a u t o m a t i c , a n dm a n u a lc o u l db ec h o s eb ya k e y b o a r d ，a n da l s oh o wt os e l e c t a ne l e c t r i c a l e n g i n e e r i n gw a sa n a l y z e di nt h e l i tr 山东大学硕士学位论文 m e a n t i m e 5 s o f t w a r ep r o c e s so f m i c r o - c o n t r o l l e rw a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h em a i np r o g r a m o fm i c r o - c o n l r o l l e rp r o c e s s ，t h ep o s i t i o nc o n t r o lp r o c e s so ft h es t e 曲y s t e pe l e c t r i c m o t o r , t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a mo fm i c r o - c o n t r o l l e r , s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r r u p ts u b p r o g r a ma n ds o0 1 1 k e yw o r d sa u t o m a t i cs t o r a g e r e t r i e v a ls y s t e m ；e x p e r i m e n t a ld e s k ；h a ys t a c k e r ；t h e m i c r o - c o n t r o l l e r ；c o n t r o ls y s t e m m ，。j 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体一经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 翌麴! 垒 日期：之! 兰；兰：2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：他导师签名：竺组钆日 期：5 二。幻 一 ； j 山东大学硕士学位论文 葺皇詈审# _ 鲁冒鼍薯皇鼍薯皇量量兰曼目皇邕皇置置| 皇茸_ 置e _ _ - _ 簟i - _ 音_ 一 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 随着经济全球化和信息技术的迅速发展，企业生产资料的获取与产品营销范 围日趋扩大，社会生产、物资流通，商品交易及其管理方式正在并将继续发生深 刻的变革与此相适应，被普遍认为企业在降低物质消耗、提高劳动生产率以外 的“第三利润源”的现代物流业正在全世界范围内广泛兴起。迈向2 l 世纪的物流 技术，不仅是企业战略的。商务物流”，而且是向整个社会实现物资供给的“社会 物流”i l 】 自动化仓库简称高架仓库。一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架 用于储存单元货物，并用相应的搬运设备进行货物入，出库作业的仓库。由于这类 仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓库” 近年来随着我国经济的快速发展和对外联系得日益密切，物流研究受到了产 学界的高度重视。先进的生产制造模式、市场多元化的需求、产品生产周期的缩 短以及供应链的快速发反应、生产制造的全球化等特点使得物流活动在时间和空 间上更加广泛和频繁。同时物流服务业也在蓬勃发展之中，各地专业化的物流中 心、物流企业大量诞生电子商务对传统物流业产生了巨大的冲击和影响，在此 环境下，要求包括货物中转和配送在内的物流活动反应速度越来越快，前置时间 越来越短，周转次数越来越多 2 1 。 现代化要求越来越促使工业生产社会化、专业化、集成化。立体仓库的出现 与发展，是与工业、科技发展相适应的。自动立体仓库，是由计算机控制的机电 一体化系统，尤其具有优化的仓库管理和自动化操作。它由计算机控制立体仓库 的堆垛机来操纵存货、取货、加减速过程及认址的控制，使货物能自动化出入库， 再经传输机械将货物传送到场地或从场地存入立体仓库；同时对立体仓库的仓储 物流数据进行计算机管理。生产的高度机械化，自动化必然要求物资的筹措供应 分发及时、迅速、准确。这就促使立体仓库技术得到迅速的发展，并已成为工厂 设计中高科技的一个象征它具有信息处理、系统监控、系统控制、系统管理、 一 j 山东大学硕士学位论文 信息反馈、物流数据采集及跟踪管理系统等主要功能，同时可以根据用户的特殊 要求来设置其他功能 自动化立体仓库系统的使用要求是：短( 要求作业周期短) 、频( 出入库频繁) 、 快( 系统响应快) 、强( 控制实时性强) 为了提高仓库作业的自动化管理水平，越 来越多的立体仓库普遍运用了计算机控制的自动化立体仓库系统，这一系统的仓 库布置和设计，与使用机械化操作的设施是一样的，不同之处在于所有的程序由 计算机指导和监控。 在实验台上进行作业时，只需在上位机输入目的货格的坐标，就可以进行观 摩和作业，由上位机控制单片机，实现自动化控制。本文是在此背景下，设计立 体库实验台堆垛机系统，旨在深入探索新的控制和管理技术，深入研究和优化自 动化立体仓库堆垛机控制问题，为物流仓储作业提供各方面应用的实验环境。 1 2 课题的意义和价值 国内外其它行业采用自动化仓库的情况己经充分证明，使用自动化立体仓库 能够产生巨大的社会效益和经济效益。这些效益主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 高层货架存储由于使用高层货架，存储区可以大幅度地向空间扩展，充分 利用仓库地面和空间，因此节省了库存占地面积，提高了空间利用率。 ( 2 ) 自动存取自动化立体仓库使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提 高了作业效率 ( 3 ) 计算机控制与管理计算机能够准确无误地对仓库的各种信息进行存储和 管理，降低了操作人员的劳动强度，从而提高仓库的管理水平 ( 4 ) 作业效率明显提高能充分保证“先进先出”的合理作业原则。由于计算机 管理、自动作业，可以方便地实施货位和帐目的科学管理，改善库存结构，避免 盲目压货，并改善劳动环境。 ( 5 ) 节约费用随着经济的高速发展，我国有关行业开始重视立体库的研究，对 于促进传统观念的转变、提高现代化物流意识，形成新型的商品流通产业等方面 均产生了强劲的推动作用。 由于自动仓储系统这一新技术的出现，使有关仓储的传统观念发生了根本性 2 山东大学硕士学位论文 的改变。原来那种固定货位，人工搬运和码放、人工管理、只是以存为主的仓储 作业已改变为优化选择货位，按需要实现先入先出的机械化、自动化仓库作业 从对我国自动化立体仓库使用的行业分布情况分析，绝大多数自动化仓库还只是 仅仅应用于工厂企业领域，而且自动化程度不高 为此本文的任务是将自动化仓库实验台技术应用到物流领域中，设计出以单 片机为核心的控制器，以及适合自动存储的高速堆垛机位置控制系统在实验台 仓库里。模拟储存的同时可以对货物进行跟踪以及必要的拣选和组配，并根据整 个企业生产的需要，有计划地将库存货物按指定的数量和时间要求送到恰当地点， 以满足均衡生产的需求 随着经济一体化和全球化的进程加快，尤其是以电子商贸为代表的“新经济” 的浮现和发展，使得物流这个概念几乎深入所有的经济和管理理念。基于我国物 流业有待专业管理和运作的现状及其具有广阔发展空间的趋势，为了保证整个仓 库的性能指标最优，提高现代企业的物流技术及物料搬运技术水平，就要对它的 各子系统进行合理控制，使其能够协调运转，我们设计开发了“自动化立体仓库 实验台堆垛机结构”，旨在深入探索新的控制和管理技术，有利于提高实验教学水 平；有利于培养学生的实践实验能力和创新思维能力：有利于提高物流行业运营 效益，进一步模拟仓储管理，推进自动化进程。 1 3 自动化立体仓库的研究现状 自动化立体仓库是在不进行人工处理的情况下自动存储和取出物料的系统 在现代物流系统中，自动化立体仓库又称为高层货架仓库、自动存储检索系统， 它是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工程。 自动化立体仓库( a u t o m a t e ds t o r a g ea n dr e t r i e v a ls y s t e m ) 产生于6 0 年代的美 国，到现在大致经历了手工储运式、机械式立库系统、自动化立库系统、集成化 立库系统，智能型立库系统五代的发展，并逐步向第六代“3 i ”( i n t e l i g e n t 智能化， i n t e g r a t e d 集成化，i n f o r m a t i o n 信息化) 型自动化立体仓库系统过渡1 3 1 至今，世界 上已有5 0 0 0 多座自动化立体仓库，它是以计算机综合管理控制系统为基础，加上 多层货架、堆垛机、转轨机及其配套的运行设施、托盘、货箱等联合构成。 山东大学硕士学位论文 目前。自动化立体仓库在发达国家已相当普遍，日本是自动化仓库发展最快， 建造数量最多的国家此外美国、德国、瑞士、意大利、英国和法国等国家也建 造了许多自动化仓库发展至今，自动化仓库在设计、制造、自动化控制和计算 机管理方面的技术也日趋成熟。 5 0 年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库6 0 年代初，出现了 司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库1 9 6 3 年美国率先在立体仓库中采用计算 机控制技术，建立了世界上第一座计算机控制的立体仓库。我国对立体仓库及其 物料搬运设备的研制开始并不晚，上世纪7 0 年代开始研究并逐渐采用巷道式堆垛 机的立体仓库，进入8 0 年代以来一些交通运输部门和部队物资储存对老式仓库进 行技术改造，开始采用自动化立体仓库1 9 8 0 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从此以后， 立体仓库在我国得到了迅速的发展。1 9 9 1 年3 月长春客车厂建造的双排整体焊接式 自动化立体仓库，都取得了降低储存成本提高储存经济效益的良好效果 4 1 。1 9 9 5 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尤其十堰第二汽车制造厂采用国内较 先进的a s r s 物流管理系统，由五台不同规模的微型计算机组成了分层分布式系 统，实现了仓库信息管理自动化和仓库入库及出库作业的自动化。据不完全统计， 目前我国已经建成的立体仓库近3 0 0 个，其中全自动化的立体仓库有3 0 多个此外， 还有一些建设比较成功的立体仓库，如洛阳第一拖拉机厂、清华大学c i m s 实验室 的立体仓库等 自动化立体仓库具有很高的空间利用率，很强的入出库能力，采用计算机进 行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可 缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视我国的自动化仓库技术现己实现与其 他信息决策系统的集成，正在做智能控制和模糊控制的工作吼 在总体设计方面，国外已有采用计算机辅助设计的( c a d ) 即根据约束条件来 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。货架在国外已系列化、标准化， 对货架的承载能力( 包括抗震) 进行了很多实验研究( 包括破坏性实验) ，货架计算 采用计算机程序堆垛机产品已经走入系列化，运行噪声低，备有各种安全保护 4 山东大学硕士学位论文 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和出入 库系统，并且用计算机进行货位管理和库存管理，仓库管理计算机与上级管理机 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( 1 6 d , 时) 生产 1 1 5 2 0 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 繁多的部件是人工无法胜任的 当前产品生命周期大大缩短，多品种、小批量生产方式的比重大幅度增加， 产品的交货期大大缩短。同时，产品结构日趋复杂、功能更为完善，用户对于产 品需求的个性化，都将促使制造技术和生产、经营观念日新月异，这些无不要求 制造业应具有高度柔性与较强的应变能力。必须采取一定的策略来适应不断提高 要求的库存管理、运行的柔性以及各种过程集成的程度，能够时时监控生产流程， 设备状态及物料的加工状况，有效协调整个生产过程，以提高企业的竞争力 6 1 。 1 4 堆垛机的研究现状 堆垛机的机械部分由运行机构、起升机构、伸叉机构及载货台和机架组成。 它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。尽管各厂家各有独创，结 构形式有些差异，但可以说大同小异，所有的堆垛机都不外乎由机架、载货台、 伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成 随着微电子技术的应用和发展，计算机控制的堆垛机日益增加，最新的开发 包括提高电子和控制技术，在使堆垛机具有更高定位精度的同时，提高搜索能力 和运行速度。而且，堆垛机的结构也有了较大的改变，不断推出具有新的物理外 形和更高性能的设备随着大、中、小型立体仓库不断的建立，堆垛机也由货架 支撑式改变为地面支撑式，从而出现了形态各异的堆垛机。单立柱堆垛机应用日 益广泛，不断体现出优越性。 初期的立体仓库使用的堆垛机以桥式起重机为基础，这种堆垛机是从起重机 山东大学硕士学位论文 的大梁上悬挂一个门架( 立柱) ，利用门架的上下和旋转运动来搬运货物。1 9 6 0 年左右，美国出现了没有大梁的巷道式堆垛机，这种堆垛机是在地面上的导轨上 行走，利用货架上边的导轨防止倾倒，或者相反，在上边的导轨上行走，利用地 面的导轨防止倾倒随着立体仓库的发展，巷道式堆垛机逐渐代替了受重量和跨 度限制的桥式堆垛机。目前在堆垛机方面也不断推出具有新的物理外形和更高性 能的设备。最新的开发包括提高电子和控制技术，在使堆垛机具有更高定位精度 的同时，提高搜索能力和运行速度，以期获得更短的操作周期和更大的生产能力。 目前，巷道式堆垛机的起升速度己经可以达至t j 9 0 m m i n ，运行速度达至t j 2 4 0 m m i n ， 货叉伸缩速度达至t j 3 0 m m i n 。在有的高度较大的立体仓库中，采用上、下两层分别 用巷道堆垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力1 7 】。 现在运用比较成熟的控制方式是用p l c ( 可编程控制器) 作执行机的控制器，或 单机控制，或由p l c 配置通讯模块联机控制。由于p l c 专为工业环境下应用设计， 具有可靠性高、通用性强、维护工作量小等优点监控机对堆垛机的控制通过与 p l c 通信实现。p l c 由于体积小，可读性好，可靠性高，抗干扰能力强，编程简单 而在工程实际中大量应用。p l c 控制中堆垛机的认址方式一般采用绝对认址与相对 认址混合方式，位置定位通过两对光电开关实现但是这种方案的缺点是；堆垛 机的认址需要较多的认址片，硬件成本比较高；其控制方式为开环控制，控制精 度较低，不便于实现堆垛机的实时监控基于上述情况，对堆垛机的控制方案进 行研究具有一定的实际意义。 1 5 课题的研究内容 课题的研究目标是：设计安全可靠，具有经济性能和操作性能良好的实验台 堆垛机控制系统。全文着重对堆堆机整体结构、货架结构以及单片机构成的控制 器进行合理的设计，采取相应的算法及可行措施，确保系统具有精确、可靠、先 进的性能。控制功能主要通过软件来实现，简化了安装过程，降低了安装成本， 增加了系统的适应性，这在仓库柔性化的发展趋势下具有广阔前景。 课题的研究内容包括： ( 1 ) 提出立体仓库实验台堆垛机结构的设计方案；对货架布置、货格尺寸及 6 山东大学硕士学位论文 其立体仓库实验台的布置形式进行设计和分析，并且利用p r o e 软件对堆垛机系统 进行建模。 ( 2 ) 主要对堆垛机系统的强度、刚度进行力学分析，从载货台滚轮压力、总 提升力、立柱顶部作用力入手，并且对实验台堆垛机立柱静态刚度、堆垛机结构 强度、整体结构稳定性进行了计算分析，为实验台的设计作了理论计算研究 ( 3 ) 对堆垛机认址方式进行改进，以时间最短为原则，采用光电传感器实现 堆垛机快速精确定位；对堆垛机的运行过程和控制要求进行分析。构建可以满足 堆垛机运行控制功能的单片机控制系统，从硬件和软件上保证堆垛机控制功能的 实现 ( 4 ) 对单片机控制系统进行设计，控制系统中单片机采用a t 8 9 c 5 5w d ，同 时包括8 1 5 5 扩展接口、外围电路、人机界面、抗干扰等，以及可以通过键盘实现 堆垛机自动、半自动、手动三种控制方式的选择，同时对电机选择也作了进一步 的分析 ( 5 ) 依据实验台的控制功能，对单片机软件流程进行设计，包括单片机运行 主程序流程、步进电动机的位置控制流程、单片机串行通信程序、串行通信中断 子程序等 7 山东大学硕士学位论文 第2 章自动化立体仓库实验台设计方案 2 1 引言 用于模拟和定性分析自动化立体仓库特性的实验台系统，不仅要能够尽量从 仓库的实际情况出发，而且要根据实际堆垛机的运行特性，设计合理定位、寻址 方式等便于试验的研究。 本章通过对实验台内部货架和堆垛机的设计分析，合理选用了货架系统以及 堆垛机的运行、存取、传动、控制系统，通过分析比较确定出了整套实验装置的 设计方案。 2 2 立体仓库实验台总体规划方案 本文设计的实验台堆垛机结构系统由于任务区分关系，本文主要考虑三部分， 一是货架系统，目的是创造一个固态环境，为研究堆垛机及测试定位寻址提供基 础条件；二是堆垛机系统，目的是采用精简的安装系统、合理运行方式，模拟现 实运送存取货物，三是堆垛机控制系统，采用单片机控制系统，包括上位机、传 感器、键盘等。 自动化立体仓库实验台设计步骤如下图： 隧整堡盐i 睢垛机设计i l 恸力装置选择i 图2 1 立体仓库实验台总体设计框图 调研是实验台设计的基础，为使实验台设计方案为最佳，应该调研分析各种 必要的资料，比如：将要进行实验的货物品种、特征、外形及尺寸，单件重量； 8 山东大学硕士学位论文 模拟运营的各种货物的出库频率，出库量等。对这些数据资料进行分析处理，以 分析结果为依据即可进行仓库实验台的规划与设计 在选择仓库类型时，要根据出入库频率，对是否采用全自动、立体化进行判 断；在形式上是采用整体式还是分离式；在货架构造形式上是采用单元货格式、 贯通式、旋转式还是悬臂式仓库，以此来决定实验台的总体框架本文仅讨论单 元货格式仓库实验台的设计方法 在确定实验台主要参数时，主要对以下参数进行确定：货架数目及尺寸、堆 垛机设计尺寸、堆垛机平均作业循环时间、仓库的出入库能力、采用的寻址及其 控制方式等，这是自动化立体仓库实验台总体设计的重要内容 对于控制方案和管理系统方案的设计，主要用是考虑用两级或三级控制系统， 还是采用现场总线技术，以及仓库管理和控制软件及其算法的确定，这方面的内 容见第四章 计算机仿真分析，是利用专业的仿真软件，建立方案的工艺模型并模拟系统 的运行情况，得到准确的流量和使用效率分析报告，并根据仿真的结果对原设计 方案进行修改，以达到最优的方案；本文因篇幅所限，对该部分内容不作进一步 的研究。最后，生成相关的流程图。 另外，对于仓库实验台设计，不是越大越好，也不是越先进越好，而是要综 合各方面的指标限制，在满足使用目的功能的前提下全面来衡量，一般来说，评 价一个实验台系统有如下指标：降低费用、充分利用空间、对需求作出快速响应、 扩充或更改的可能性、提高供应水平、提高作业效率，提供良好的教学、仿真现 实达到虚拟真正仓库的目的i 引 2 3 货架设计方案 货架是立体仓库实验台的主体，货位空间尺寸的确定是一项非常重要的设计 工作，关系到整个系统的设计根据所确定的实托盘的外型尺寸和重量来确定货 格的类型，而货位尺寸则取决于实托盘四周留出的空隙大小，并直接影响了仓库 的面积和空问利用率 ( 1 ) 货物单元尺寸的确定高架立库一般使用货物单元进行货物的存储，货物单 9 山东大学硕士学位论文 元由货箱或者托盘组成，或者是两者的组合它的主要功能是装物料，同时还要 便于叉车和堆垛机的叉取和存放，货物单元尺寸是货架设计的基础数据，该尺寸 的确定将对自动化立库的成功起着至关重要的作用 货物单元的长、宽尺寸一般采用：8 0 0 m i n x ! 0 0 0 m m8 0 0 m m x l 2 0 0 m m l 1 0 0 0 m m 1 2 0 0 m m 等。货物单元根据货物的品种的不同，在装载用量上差别也很大， 在底面尺寸相同的前提下，可选择不同的单元高度，使每个货物单元的重量均相 同。同一立库，应尽量使每个货物单元的底面尺寸和重量相同，这样就使堆垛机 的规格可以统一起来，货格尺寸在长和宽的方向上也要统一，目的是便于设计、 安装和使用。 ( 2 ) 货格尺寸的确定货格是货架内存储货物的单位空间，货位是货格内存放一 个单元货物的位置每个货格内可有一个货位或多个货位货物单元尺寸确定好 以后，就可确定货格尺寸。在立库设计中，恰当地确定货格尺寸是一项极其重要 的内容，因为它直接关系到仓库面积和空间利用率，也关系到仓库能否顺利地存 取货物。对于给定尺寸的货物单元，货格尺寸主要取决于货物单元四周需留的间 隙的大小和货架构件的有关尺寸四周间隙留得太大或太小，都不合理。若间隙 太大的话，会造成空间浪费，使得空间利用率下降，进而影响仓库的库容量。若 间隙太小的话，未留出足够的空隙容纳由于货架的制造安装误差、堆垛机运行轨 道误差、堆垛机的制造误差及重复定位误差、货箱在巷道口的位置误差，认址片 的误差等所引起的尺寸偏移，从而影响堆垛机的存取作业的顺利完成 图2 - 2 货架结构尺寸 货格尺寸也受到货架构造形式的影响，通常货架在高度方向上，每隔一个货 山东大学硕士学位论文 i i i i ! i 目! e e 目j e 目j | e ! 自! | 目e 皇! 目目目! e 自! 自| 一 格都固定有一根水平拉杆，水平拉杆横贯整个货架，起安全性和稳定性的支撑作 用；在货格之间的两侧及上下的连接处也增加支撑拉杆如图2 2 。一般都采用 2 4 0 0 x 1 2 0 0 x 5 0 0 的尺寸，每一货格内有2 个货位，郎放2 个托盘，托盘左右留有l o o m m 的间隙，便于存取【9 j 本课题只讨论对于一个货格只有一个货位的情况，货格与货 物的尺寸关系见图2 3 所示 生址 f _ 、 7 _ _ ，7 弋卜下 l 弋 li t _ _ i i 爿 笙 憩 * 量 l 、 咔i | 墨 i i i 沙 巨 j ，i j 一 h 1l 竺 昶； 蟛 h a l 货物长a 2 一左侧向间隙a 3 右侧向间隙b l 一货物宽b 2 一后面间隙 b 卜前面间隙h 1 货物高h 2 一货物上部间隙h 4 托盘高度 图2 - 3 货架与货物的尺寸关系， 货格高度的确定，主要取决于单元货物上部垂直间隙1 1 2 和下部垂直间隙h 4 的 尺寸。单元货物上部垂直间隙1 1 2 要保证货物入出库时不与货架结构相碰；单元货 物下部垂直间隙h 4 要保证堆垛机货叉自由进出货架货位存取货物在确定高度1 1 2 时，首先，要考虑货叉的微升降行程；第二，要考虑以下几项误差累积：货叉升降 时的定位误差、认址误差、托盘支承安装误差等：第三，要考虑货叉在伸出以后 的下垂量，该值由货叉各节之问的间隙和货台的倾斜量组成，还要考虑在货箱压 力作用下，货叉的弹性下挠；最后，要加上一个安全裕度对于我们实验台取每 一货格高度为1 2 0 m m 。 ( 3 ) 货架数目及尺寸的确定仓库总体布置的中心问题是确定仓库的存储能力， 而货架占地面积和高度( 用货架数目表示) 是表示存储能力的参数。确定该参数时， 首先根据单元货物的大小和重量、现场场地及空间的限制确定出单巷道的两排货 架的数目，然后再根据仓库的预计存储能力、仓库的预计出入库频率、及堆垛机 的出入库能力等因素确定出货架的总排数，即该堆垛机能否充分地完成所要求的 山东大学硕士学位论文 出入库频率，来决定采用一个巷道还是多个巷道。从提高仓库可靠性的角度出发， 应保持两台以上的堆垛机，即使其中的一台发生故障，整个仓库也不致停止运转 为了保证空货位的顺利周转，通常在设计中要增加5 6 的货架数目 由图2 2 和2 3 所示，n 列m 层货架的主要尺寸：毫米| 1 0 - 1 3 l l 、宽度b = 2 e + b 2 + b l + b 3 ，其中e 为支柱宽度。 2 、货架横向长度为：列数n 货格长度a ，其中货格长度a = a 1 + a 2 + a 3 + 2 e 。 3 、货架顶层的高度h l ，取决于堆垛机是否为载人搭乘型。非搭乘型的h 1 为1 2 米，搭乘型的h l 为2 2 米；货架第一层距离地面的高度h 2 一般为0 5 米，由堆垛机 和轨道的高度决定本课题取h l 为2 0 m m ，h 2 为5 0 m m 。 4 、货架的总高度h 为： 当层数为偶数时：h = h i + h 2 + 0 5 m h 3 + ( 0 5 m 1 ) h 5 ，其 中”为无水平拉杆的货格高度，h 5 为有水平拉杆的货格高度，m 为货架的层数。 当层数为奇数时：h = h 1 + i 2 + o 5 m ( h 3 + h 5 ) 对于仓库试验台的货格而言，为了方便试验需要，取实验台货架总共8 层、8 列，采用尺寸1 2 0 x s 0 x 1 2 0 ；托盘尺寸1 0 0 x 8 0 m m , 每一货格左右留1 0 m m 间隙。采 用数据如下：e = 1 0 m m 、a l - - 9 0 m m 、a 2 = a 3 = 1 5 m m 、h l - - 2 0 m m 、1 - 1 2 = 5 0 m m 、h l = 6 0 m m 、 1 1 2 = 0 0 、h 4 = 3 0 ，b l = 5 0 、b 2 = 2 0 、b 3 = 1 0 。 综上货架参数如下： 总高h = h i + h 2 + 8 o l l + 1 1 2 + 1 1 4 ) + 8 x e _ 2 0 + 5 0 + 8 1 2 0 + 8 x 1 0 = 1 1 1 0 m m 总宽b = 2 x 刮- b l + b 2 + b 3 - - 2 0 + 8 0 = 1 0 0 m m 总长l = ( a l + a 2 + a 3 ) x 8 + 9 x c = 1 2 0 x 8 + 9 x 1 0 = 1 0 5 0 m m 2 4 堆垛机结构设计方案 堆垛机结构设计方面主要分成= 部分，第一部分是堆垛机整车设计；第二部 分是动力装置电机的选择。在设计过程中一方面要考虑满足实验要求，另一方面 还要考虑设计部分以便于加工、制造。 巷道堆垛机是自动化立体仓库用于搬运和存取货物的主要设备，在现代物流 中，要求堆垛机能够快速、准确、安全的进行货物的出 入库，这就要求堆垛机在 快速反应、定位精度上一定要保证、出结构的特殊性，其高度通常都在1 0 - 2 5 米之 山东大学硕士学位论文 问由于堆垛机在运动时在沿巷道平面内会产生振动，有的甚至更高，堆垛机当 立柱顶端的挠度和振动幅超过一定范围时，就难以保证堆垛机的定位精度。这对 其结构设计、速度提高和准确定位提出了比较高的要求【4 1 。 首先在满足足够的刚度和强度的基础上进行选材，使之能承受各种可能出现 的载荷。特别是要考虑堆垛机整车在事故状态下出现“不平衡极限”时对实验台 整体产生的动力载荷；其次充分考虑所有传动机械结构等的相互配合关系，使之 能够发挥最大的工作效能。 实验台的堆垛机系统设计的合理与否，直接关系到整个系统的安全可靠性及 能否提供良好的研究测试条件。立柱是堆垛机的重要组成，因此堆垛机立柱形式 的选择，结构的设计是非常重要的问题 2 4 1 堆垛机形式的选择 由于实验台主要用于模拟实际仓库，运行速度不高，载重量不大，一般货物 重量在几公斤范围内，所以在设计立柱框架结构时，可不考虑纵弯屈强度，钢结 构自重可以减轻，同时加、减速时惯性就很小，从行走状态变为停止状态时框架 的摆动较小，使之稳定、静止所需的时间就短有利于便捷直观的理解其各项性能 指标；同时其行走、升降等机械装置都安装在堆垛机的下方，保养、检查、修理 时既方便，又安全 因此我们选择单立柱堆垛机。其优点在于：整机重量较轻，制造工时和材料 消耗少，结构更紧凑；但缺点在于由于载货台和货物对单立柱的偏心作用，以及 行走、制动和加速减速的水平惯性力作用，对单立柱刚性要求很高 1 天轨2 升降机构3 伸叉机构 及载货台4 机架5 运行机构6 轨道7 上横粱 图2 - 4 单立柱式堆垛机简图 单立柱堆垛机是由轨道、横梁、立柱、和带货叉的载货台组成。装在下横梁 1 3 、 山东大学硕士学位论文 上的行走轮在固定于地面上的单轨上行驶，立柱顶端装有水平导轮，它行走在安 装于巷道顶部的工字钢上下横梁用槽钢及钢板拼焊，其上装有行驶机构、主、 从动行走轮、水平导轮、安全机构、限位器、纵向定位装置以及终端限位装置、 供电、通信部件等，实验台总体设计样图( 见附录1 ) 立柱为一抗扭曲的箱形结构( 有带工字钢箱形结构和一般箱形结构) ，立柱和下 横梁是用螺栓联成一体的。立柱顶端除装有水平导轮外，还装有起升机构滑轮、 松绳超载保护装型1 5 1 在立柱下部，在载货台的另一侧，装有堆垛机起升机构。 2 4 2 货叉装置 实验台货叉的齿条链轮机构工作原型嘲：图2 5 所示3 层齿条组成的直线差动 机构，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3 层 货叉会向前方水平移动，且增加了取送行程达到取送货物的目的。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左右伸缩式货叉，由起 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， 货叉行程通过行程开关控制 l 下货叉( 齿条)2 小链轮3 双向液压缸 5 中间货又6 中间叉滚轮7 链条8 上叉 七) 4 滚动齿轮 9 上叉滚轮 图2 5 货叉结构及工作原理图 根据货叉存物取货的双向伸缩行程要求，仅采用双层货叉行程增倍机构是不 够的，还必须实现第3 层货叉的行程增倍直线差动为此，在中间货叉2 端设置有2 个可转动的链轮，这2 个链轮相当于滑轮组的2 个动滑轮，如图2 5c 所示，与左端 链轮啮合的链条分别固定在上下货叉的右端，与右端链轮啮合的链条分别固定在 1 4 山东大学硕士学位论文 上下货叉的左端。与齿轮齿条传动时的速度、行程增倍机构原理相同，当中间货 叉5 水平移动时，通过链轮链条传动，上叉8 就以中间货叉2 倍的速度与行程沿滚轮 中心移动方向水平移动其结构特点( 见图2 5 ”：在上叉的全部行程中，中问货叉 5 相对下叉l 行走l 3 行程；上叉8 相对中问货叉5 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3 层货叉伸出时的 相对刚度要求。同时，3 层货叉相对运动时，采用了滚轮与滚道的纯滚动摩擦，最 大限度地减小了工作摩擦阻力最重要的是，3 层货叉采用了齿轮齿条组成的直线 差动行程增倍机构，能使双向驱动液压缸用下货叉自身长度的l 3 行程，满足上 层货又双向伸缩下货叉自身长度的工作要求 2 4 3 载货台总成 载货台总成主要由导轮架、载货台体、导向座、支撑轮装置及滑轮组等组成； 其上装有货叉装置、断绳保护装置、起升的主侧导向轮、司机室、升降认址装置、 货物位置异常检测装置等“”( 见附录2 ) 2 4 4 上横梁总成及起升装置 上横梁总成主要由上横梁、上导轮支架、上导轮及滑轮组等组成。上横梁是 由槽钢焊接的开口断面，其与立柱问通过法兰、高强度螺栓联结：起升装置是由 a s 型固定式电动葫芦、电机支座等组成，用于驱动载货台升降运动，并通过电机 支座用螺栓固定在立柱下端( 见附录2 ) 2 5 确定实验台的