【硕士论文】基于SolidWorks的数控回转立体库的自动设.pdf

出东大学矮士学链论文 | 自目目目墨1 1 I 一 1 1 , | ! E 目E E | 自# E ! _ 摘要 数控强转立体库是物流系统中一稀重簧静设备，与传统仓储方式相比，熊够 节省大量静存储空澜及存褚辩闻，并胃进行有教鲍管理。它可 ；i 用律仓瘁，也可 誊接粥在苎奠产线上。在溺内矫己大量臻予电子、食品、烟草、稍造等行鼗。数控 潮转变体霹是一种系列化产品，一般簧根据甩户要求进行定制。本文通j 童对数控 西转立体瘁结构的分析研究，结合C A D 技术开发了一种基于S o l i d W o r k s 的囱动设计 软件，其主要内容靓括： 1 ) 在传统设计方法的基础上，弓f 入墩优化方法，采用v c + + N E T2 0 0 3 为开发 工具，开发了数控阐转囊体库结构优化设计模块。通过本模块可以迅速获得满足 载重量及容积要求且空间利用率最高的数控回转立体库的主要结构参数 2 ) 剖析S o l i d W o k r s 的三维造型技术的特点，并对其二次开发技术进行了深入 的研究，探索对其：次开发的最有效的方法。 3 ) 分析了数控回转立体库各工件间的尺寸相关性，并确定父级参数及子级参 数，建立了参数化标准件库及零件库，采用V 1 3 N E T2 0 0 3 为开发工具，以S o l i d W o r k s ，为支撑软件，以A c c e s s2 0 0 0 作为后台数据摩，于i ：发出数控回转立体库参数化绘 图模块 4 ) 将结构优化设计模块和参数化绘图模块集成为一个完整的数控回转立体库 的自动设计系统。成用该系统可以快速获得满足用户要求的设计。 关键词：数控回转立体库，结构优化，参数化绘图，设计自动化，S o l i d W o r k s 山东大学硕士学位论文 I Ir q I I I I I 皇囊詈_ A B S T R A C T V e r t i c a lc a r o u s e li So n eo fi m p o r t a n te q u i p m e n t so fl o g i s t i c ss y s t e m C o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lm o d u l e so fs t o r a g e ，t h ev e r t i c a lc a r o u s e lc a ns a v eal o to fs p a c ea n d t i m e F u r t h e rm o r e i tm a k e sm a n a g e m e n tm u c hm o r ee f f e c t i v e 。V e r t i c a lc a r o u s e ln o t o n l yc a nb eu s e di ns t o r e h o u s eb u ta l s oi np r o d u c tl i n e 。A th o m e a n do v e r s e a s , i th a s b e e nu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha se l e c t r o n i c s , f o o d ，t o b a c c oa n dm a n u f a c t u r e V e r t i c a l c a r o u s e li ss e r i e so f p r o d u c t s , c o m m o n l yw h i c hi sm a d ea c c o r d i n gt ot h eu s e r sr e q u e s t s T h es t r u c t u r e so ft h ev e r t i c a lc a r o u s e la f ea n a l y z e di nt h i sp a p e r C o m b i n i n gC A D t e c h n o l o g y , t h ea u t o m a t i cd e s i g n i n gs o f t w a r eo f t h ev e r t i c a lc a r o u s e li sd e v e l o p e db a s e d o nS o l i d W o r k s T h ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) O nt h eb a s i so ft r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sa n dt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o db y m e a n so fV C + + j i E T2 0 0 3 t h eo p t i m i z i n gd e s i g nm o d u l eo ft h ev e r t i c a lc a r o u s e l s s t r u c t u r e si sd e v e l o p e d U s i n gt h em o d u l e ，t h em a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r st h a tm e e t r e q u i r e m e n t so f l o a da n dc u b a g e C a l lb eo b t a i n e d 翁囊谗c h a r a c t e r i s t i c so f t h r e e - d i m e n s i o n e dd r a w i n gt e c h n o l o g yo fS o l i d W o r k sa 糟 a n a l y z e d ，t h es e c o n dd e v e l o p m e n t ( e c h n o l o g yi ss t u d i e di nd e t a i l ，a n dSt h em o s t e f f e c t i v em e t h o do f t h es e c o n dd e v e l o p m e n ti si n v e s t i g a t e d 3 ) T h ed i m e n s i o nr e l a t i v i t yo fp a r t so ft h ev e r t i c a lc a r o u s e li sa n a l y z e d , a n dt h e f a t h e rp a r a m e t e r sa n ds o np a r a m e t e r sa r ec o n f i r m e d ，a n dt h es t a n d a r d - p a r tl i b r a r ya n d p a r tl i b r a r ya r eb u i l t 。B ym e a n so fV B N E T2 0 0 3 ，S o l i d W o r k sa n dA c c e s s2 0 0 0 ，t h e p a r a r n e t e r i z e dd r a w i n gm o d u l eo f v e r t i c a lc a r o u s e li sd e v e l o p e d 4 ) I n t e g r a t i n gt h e m o d u l eo ft h eo p t i m u md e s i g no fs t r u c t o r e sa n dt h e p a r a m e t e r i z e dd r a w i n gm o d u l e ，a l li n t e g r a t e dv e r t i c a lc a r o u s e la u t o m a t i cd e s i g n i n g s o 最w 黜i so b t a i n e d T h e nt h ed e s i g na c c o r d i n gt ot h eu s e r sr e q u i r e m e n t sc a nb e c a r r i e do u tr a p i d l y K e yw o r d s ；V e r t i c a lc a r o u s e l ，T h eo p t i m u md e s i g no fs t n l e t a r e s ，P a r a m e t e r i z e d d r a w i n g ，A u t o m a t i z a t i o no f d e s i g n , S o l i d W o r k s n 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 随着我国加入W T O ，我国经济融入世界经济一体化的进程加快，电子商务、 物流、供应链管理是当前经济发展的必然趋势。供应链中任何一个环节都将关系 到企业的正常运行，其中仓储设备的更新换代和仓储管理是个非常重要的环节。 作为现代仓储物流的重要组成部分，自动货柜的先进性与强大的功能已为越来越 多的用户所认识，得到越来越多用户的使用吐 1 1 自动货柜技术【1 9 1 1 1 I 自动货柜的种类及其由来 自动货柜( 或自动货架) 是一种先进的自动仓储设备，又称单元式立体库， 其发展始于2 0 世纪5 0 年代中叶，在欧洲，德国享乃尔公司根据垂直旋转的原理， 开始批量生产办公室用的文件柜，用于存放各种式样的文件或文件夹由于受到 办公室高度的限制，办公用的文件柜一般只有2 3 米高，载重也不大，软件功能 也比较简单。到了7 0 年代，德国享乃尔、瑞士卡迪斯等公司相继开发出工业用的 垂直旋转式自动货柜即数控回转立体库，如亨乃尔的R o t o m a t 和卡迪斯的 I n d u s t r i v c r ，使自动货柜的应用领域有了更大扩展。进入8 0 年代，世界市场对工业 用的垂直自动货柜有了巨大的需求为了适应市场需求，工业用的自动货柜比起 办公用的文档柜有了长足的发展，体现在：( 1 ) 更宽：达到3 6 米；( 2 ) 更高： l O 米以上，可以穿过多层楼板，每层楼都有出货口，像电梯一样；( 3 ) 承重更大： 单个货架可以承重7 5 0 - - 1 0 0 0 公斤以上，总承重6 0 吨以上。 9 0 年代，垂直升降式的自动货柜开发成功，其中有代表性的是亨乃尔公司的 L e a n - L i f t 和卡迪斯公司的S h u t t l e 。与旋转式自动货柜相比较，垂直升降式自动货 柜有以下优点： 存取货物时，只有相关的托盘运动 可以更加有效地利用空间，高度可达2 0 米以上。 完全从使用者的角度出发的软件设计，功能更加强大。 在机械方面发展的同时，软件的发展也日趋完善。软件功能与硬件技术的完 山东大学硕士学位论文 美结合，使自动货柜成为现代化工厂中不可缺少的设备，也是现代物流系统中具 有实时管理功能的仓储设备 水平旋转货柜是由美国F K IW h i t eS y s t e m 公司的创始人于5 0 年前从干洗店的 旋转衣架的原理中得到启示，最先为商业配送和工业仓储领域开发生产的一种仓 储拣选配货设备约在上世纪6 0 年代初期，W h i t eS y s t e m 公司和瑞士卡迪斯公司 开始为轻型的工业产品提供水平旋转货架，适合大规模的存储和拣选。自7 0 年代 初期起，W h i t e S y s t e m 公司先后开发出了可用于存储重型产品的底盘驱动水平旋转 货架、双列型旋转货架、托盘旋转架和与之配套的机器手系统等。在此水平旋转 库的发展过程中，电子标签技术随着I T 技术的发展，被广泛地应用于水平旋转货 架系统中，以实现多批量、准确和快速拣货，从而使水平旋转库成为大型配送中 心、工业品仓库等领域非常重要的设备 这三类设备都具有节省空间、人力，提高存储密度和拣选效率等特点。其不 同点在各系统有着不同的配置和应用方案：垂直库偏重于解决存取自动化和节省 仓储场地；而水平旋转库偏重于较大规模、大批量的快速拣货，特别适用于满足品 种数量大而单件数量少的配货需求 1 1 2 自动货柜的优越性 自动货柜之所以受到越来越多用户的青睐，是由于它具有很多优点： ( 1 ) 全自动化操作，存取物品方便，是货到人前，不是人找货，存取速度 快，大大节省时间； ( 2 ) 充分利用空间：能够在占地面积最小的情况下，充分利用现有的空间 高度，从而使仓储能力增加6 0 以上； ( 3 ) 降低劳动强度，提高生产效率； ( 4 )由于是密闭的，存储的物品可以有效避免灰尘、阳光的侵害； ( 5 ) 具有保密授权功能，可以对不同的用户设置不同的密码，一般用户无 法提取被锁定用户的物品； ( 6 ) 可以实现智能管理：当低于最小库存量时，系统会自动提示补充，因 而不会出现库存短缺； ( 7 ) 具有先进先出的功能，不会有货物长期存放而失效。 2 山东大学硕士学位论文 ( 8 ) 随着信息技术和网络技术的发展，自动货柜最大的优点是可以对货物 进行实时管理。 一个现代化的企业，要求做到精细管理。这就需要做到库存的精细管理，实 时地掌握系统中每种物料的生产和库存情况，以及整个公司从原材料、生产、半 成品，成品、销售等各个环节的信息。可以想象：如果是人工管理的货架，即便 是一个规模不大的车间，在短时间内也很难统计出库房所存放物品的信息，更谈 不上实时管理。这对于领导的决策、对于市场的把握都无法做到准确。相反，如 果一个现代化管理的企业，能够通过网络查询到该企业在世界各地的库存情况， 实时掌握每个自动货柜的每个货架存放的货物名称、编号、数量等信息，也可以 知道某种产品在不同的库房里的哪个自动货柜的哪个货架上及其准确的数量。 要实现这样的功能，非自动货柜莫属 1 1 3 自动货柜的应用 在工业发达的欧美国家，自动货柜已得到广泛应用，几乎没有严格的行业和 领域的差别，各种行业都可以使用。如：办公用文档柜，可以用于机关事业单位 的人员档案管理，也可以用于银行、保险公司的资料和客户档案以及医院的病历 管理等。工业用的范围更广，包括电子行业的生产线，汽车生产线，加工中心的 刀具管理，工具、量具管理，零备件库等等 水平旋转货柜的回转是在水平方向上的，这种产品特别适合安装在矮小但狭 长的空间内。几乎在工业制造、办公室文档管理和零售等各个领域都有应用。从 行业来讲，主要包括航空、汽车、配送、电子、零售、电子商务、政府部门、医 疗机构、金属加工和工具制造等。 水平旋转货架在商业领域的订单拣货方面发挥了巨大的作用，同时在工业领 域也有大量应用，使企业的拣货效率、拣货的准确率、库存准确率都大大提高， 库存准确度超过9 0 ，保证了各项配货订单的及时完成和生产线原材料的准时供 给。例如，亚马逊网站在1 9 9 8 年圣诞节结束时，堆积了大量的客户圣诞礼品订单， 尚需月余才能处理完毕；而在1 9 9 9 年采用了F K I 公司提供的水平旋转库、流动货 架和分拣机的组合系统后，于1 2 月2 1 日就完成了所有礼品的配送工作，无任何 积累，远远走在了其他同类公司的前面。 出东大学硕士学位论文 我国的特点与欧洲、美国等发达囡家有很大的不同首要的问题悬观念，大 部分企妲不知道有这样种产菇可默存储锈晶，冒醣掇离效率，降 氐成本。冀次 是经济条件的制约，使用自动费柜一次性投资较大，丽且，我国劳动力和地价相 对便赢。这些都限制了自动货柜的发展和使用国内使用自动货柜的单位，露前 大部分是会姿、独资公司，或赣是国内趣模大、效益好豹企业。它 3 舆有相弱的 特点；企业的管理水平高，要求货物的管理精确度高，实时性也高。今后，随着 我鏊鬻氏经济黪侠速发震，我霆金业冬鏊强金效戆差躐会逐步缩夸，会毒越采越 多的企业希望采用这种自动化仓储设备来提高生产率，降低成本，因此未来中国 自动赞蓰市场潜力将会十分匿穴。 目前，国外著名的自动货桅生产厂家有：德国的攀乃尔，瑞士的卡迪斯，美 国的F K I 等一些公司，他们的产品都已经来到中国。黼内供威商主要有沈飞、琵 疑、太琢剐玉秘搏刨念嬉等。2 0 0 1 年爝，搏刨仓储物滤( 系统) 设备公司受山东 省科技攻关计划和山东省优秀中青年科研奖励基金资助，进行了新型数控回转立 体痒豹谬 发，并获五磺鋈家专零l 。嚣馁5 0 年瓣生产历史窝长麓积累熬率塞经验， 进口产品无论在质量、性能还是工艺上都有很大的优势，特别值得一提的是，在 软件的功髓方瑟、诗簿机网络管理方瑟更膣一筹。但燕，莺产产品在徐格主蒸有 非常明显的优势。因此，目前国内与嗣外进口产品各肖各的用户群体：进口产品 主要满足独资、合资众业的需求，而函产产品主要应用在国内企业 1 2 C A D 技术 1 2 1C I A D 技米的发璇 C A D ( C o m p u t e rA i d e dD e s i g n ) 技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基 础，包括二维绘图设计、三维几何造溅设计、有限元分析( F 队) 及优化设计、数 茳热z 绽翟( N C P ) 、谚真揍掇及产品数据警邂等蠹容。它是耪象鸵设计方法， 也是一门多学科综合殿用的新技术。随着I n t e m e t I n t r a n e t 网络和并行、高性能计 雾及攀务楚纛豹普及，异建、癸嗣、纛撅设谤及实露傍奏毫褥鼙l 广泛痰溪l l o l 。 谯C A D 软件发展初期，C A D 的禽义仅仅怒图板的替代品，即：意指C o m p u t e r A i d e dD r a w i n g ( o rD r a f t i n g ) 而 # 现在我们经常l 寸论斡C A D ( C o m p u t e rA i d e dD e s i g n ) 山东大学硕士学位论文 所包含的全部内容。C A D 技术9 - - 维绘图为主要目标的算法一直持续到7 0 年代末 期，以后作为C A D 技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。在今天中国的C A D 用户特别是初期C A D 用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。 C A D 技术的发展大致经过四个比较明显的阶段【l I l ： 1 ) 第一次C A D 技术革命一贵族化的曲面造型系统 7 0 年代，法国人提出了贝赛尔算法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问 题时变得可以操作，同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们，能在二维 绘图系统C A D A M 的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推 出了三维曲面造型系统C A T I A 。它的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模 仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主 要信息，同时也使得C A M 技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统C A T I A 为 人类带来了第一次C A D 技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达 曲面的落后的工作方式。 2 ) 第二次C A D 技术革命一生不逢时的实体造型技术 7 0 年代末到8 0 年代初，由于计算机技术的大跨步前进，C A E 、C A M 技术也 开始有了较大发展。基于对于C A D C A E 一体化技术发展的探索，S D R C 公司于 1 9 7 9 年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c A D C A E 软件 I - D E A S 。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一 C A D 、C A E ，C A M 的模型表达，给设计带来了惊人的方便性它代表着未来C A D 技术的发展方向。基于这样的共识，各软件纷纷仿效。一时间，实体造型技术呼 声满天下可以说，实体造型技术的普及应用标志C A D 发展史上的第二次技术革 命但是新技术的发展往往是曲折和不平衡的。在当时的硬件条件下，实体造型 的计算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显得比较勉强。由于以实体模型为 前提的C A E 本来就属于较高层次技术，普及面较窄，反映还不强烈；另外，在算 法和系统效率的矛盾面前，许多赞成实体造型技术的公司并没有下大力量去开发 它，而是转去攻克相对容易实现的表面模型技术。 3 ) 第三次C A D 技术革命一一鸣惊人的参数化技术 进入8 0 年代中期，C V 公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了一种比无 山东大学硕士学位论文 约束自由造型更新颍、更好的算法一参数化实体造型方法。从算法上来说，这是 一种很好的设想。它主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸 驱动设计修改。进入9 0 年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许 多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。可以认为，参数化技术的应用 主导了C A D 发展史上的第三次技术革命。 4 ) 第四次C A D 技术革命一更上层楼的变量化技术 S D R C 的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的 实体造型技术变量化技术，作为今后的开发方向。S D R C 的决策者们权衡利弊， 同意了这个方案，决定在公司效益正好之时，抓住机遇，从根本上解决问题，否 则日后落后无疑。于是，从1 9 9 0 至1 9 9 3 年，历经3 年时间，投资一亿多美元， 将软件全部重新改写，于1 9 9 3 年推出全新体系结构的I - D E A SM a s t e rS e r i e s 软件。 变量化技术既保持了参数化技术的原有优点，同时又克服了它的许多不利之处。 它的成功应用，为C A D 技术的发展提供了更大的空间和机遇。变量化技术成就了 S D R C ，也驱动了C A D 发展的第四次技术革命。 1 2 2C A D 技术的应用 C A D 技术就其应用方式来说，可以分为两个层次一个层次是通用性较强的 商品化C A D 基础软件，它们应用范围很广，也称为支撑软件。另一个层次即专业 的应用软件。它们有些是以通用的C A D 软件二次开发衍生而来这类软件的优点 在于开发费用较低，商品化程度较高，实用性也很好有些是根据用户具体要求 进行的专门设计，在不同的专业领域里有不同的内犁幢1 目前，C A D 技术已广泛应用于国民经济的许多方面，主要集中在工业制造、 工程建设，电子电路、仿真模拟、广告设计、轻工棉纺、服装设计、平面设计等。 当前常用的C A D 系统集设计、绘图、分析计算、仿真等为一体，设计人员只需坐 在电脑前，充分发挥自己对产品的构思，随心所欲地利用C A D 系统构件产品模型， 加以分析计算，经反复修改后，即可进行产品的仿真运行，直至理想后输出图纸 或加工代码即可。目前常用的有U G I I 、I D E A s 、C A l l A 、P r o E 、C i m a t r o n 、 S o l i d W o r k s 、S o l i d E d g e 、M D T 等。 随着现代行业分工越来越细，不可能有哪一种现成C A D 软件可以满足所有行 6 山东大学硕士学位论文 业的要求。在这种情况下，很多企业或部门开始了对C A D 二次开发的研究，以达 到满足本行业要求的目的。目前二次开发的研究主要集中在标准件库、零件通用 库等“ 1 5 1 的研究开发上，例如各种模具标准件库的开发。支撑软件几乎涉及到了 常用的各个C A D 软件，如：A u t o C A D 、U G I I 、P r o E 、S o l i d W o r k s 、S o l i d E d g e 等。 1 2 3C A D 二次开发技术概述 所i W - 次开发是指在现有支撑软件的基础上，为提高和完善软件功能，使之 更符合用户的需要而做的开发工作。其根本目的是提高设计、制造质量，缩短产 品的生产周期，充分发挥C A D C A M 软件的价值1 1 6 J 。 二次开发与其他软件的设计开发不同，有其自身的特点： 1 ) 是一种设计工具一般二次开发系统的目的都是减少设计人员的重复劳 动，有效地运用C A D 软件的技术，提高工作效率和工作质量而进行的开发。因此， 它常常是设计人员进行设计时的一种辅助设计工具。 2 ) 专业性由于二次开发一般都是给特定用户设计的，因此二次开发的专业 性很强，必须有一些既懂专业技术，又具备软件设计能力的专门人员来完成。 3 ) 继承提高性由于二次开发不同于一般的软件开发，主要它不是从底层开 始的软件设计，而是在已有的软件基础上的完善和提高，使之更适合用户的需要， 所以二次开发有很强的继承性。二次开发软件的性能在很大程度上取决于基础支 撑软件的性能和开放程度。 C A D 软件的二次开发是在C A D 基础支撑软件基础上进行开发的一般来说， 基础支撑软件提供最基本的应用功能，软件的适用范围广另一方面，基础支撑 软件的功能又不可能设计的很具体。用户的要求是千变万化的，基础支撑软件只 能解决其中带有共性的问题。因此，基础支撑软件功能与用户的要求必然存在着 一定的距离，二次开发的任务之一就是消除这个距离，在基础支撑软件和用户之 间建立一座“桥梁”。经二次开发后的C A D 软件而具有良好的人机界面，并融入了 大量的专业知识和经验，从而达到设计人员能够方便的使用计算机进行产品设计， 提高设计质量和设计效率的目的【1 6 】。 作为软件设计的一种，二次开发应遵循的原则【1 7 l ： 1 ) 友好的用户界面应用软件是用户直接被用户使用的软件，因此应具有友 7 山东大学硕士学位论文 好的用户界面。通过用户界面，用户不必去了解许多关于计算机硬件和软件方面的 知识，只需按屏幕提示便能方便地完成产品设计。一个友好的用户界面应满足以下 几个方面的要求：使用方便；记忆最少原则；灵活的提示信息；良好的交互方式； 良好的出错处理等。 2 ) 遵循软件工程方法软件工程是指导计算机软件开发和维护的工程科学。 即采用工程的概念、原理、技术和方法来开发和维护软件软件工程采用生存周期 的方法学，从时间上对软件的开发和维护的问题进行分解，把软件生存的周期依次 划分为若干阶段，从对任务的抽象逻辑分析开始，一个阶段一个阶段的开发。 1 3 课题的提出与研究内容 1 3 1 课题提出的背景 数控回转立体库作为自动货柜的一种，国外称之为v e r t i c a l c a r o u s e l 。它是采用 弗里斯转轮原理，由P L C 及变频器拖动电机、减速器，并通过链轮、链条带动可移 式箱斗做回转运动，物品放置在可移式箱斗中，P L C 接收存取指令后，箱斗按最短 路径运动，使物品最快送达存取口。基于数据库的仓库管理或文档管理系统安装 在微机中，并通过通信端口与P L C 通信，使P L C 接收并处理计算机发出的指令。物 品的存取操作由计算机或控制面板发出指令驱使数控回转立体库运转即可完成”3 数控回转立体库搜索时间少，取货高度一般在操作者的腰部，操作方便。由 于同一时刻只有一层货箱是敞开的，因此其对货物的安全性和防尘防腐能力比较 好在机械结构方面，由于重力的作用，使其运动只需要很小的驱动力即可，因 此节省了能源数控回转立体库主要用于电子、电力、烟草、装备制造等行业进 行元器件、备品备件、工模具等的自动仓储与管理，可用于仓库，也可直接用在 生产线上；办公领域的回转立体库通称智能文件柜，一般用于纸质文档，或磁盘 光盘等小物品的自动存取与管理，智能文件柜与办公自动化系统整合在一起，形 成文档管理一体化解决方案。 在国际上，德国亨乃尔公司最早发明了回转立体库的垂直翻转原理，其产品 代表世界最高水平在国内，最早为沈飞集团在9 0 年代初投入大量的人力物力从 国外购样机，开始对数控回转立体库的研究与开发。随后，国内的一些其他企业 盛 山东大学硕士学位论文 I - _ 目_ I g 目 i I t ! i E _ _ - 和研究所也开贻了这一方面的研究。其簇本研究方法是迮从“样机”到“测绘” 再菇“鬻纸”最后蜀“产磊”麓路子。在产品歼发过程中，这惫一条捷径，可鞋 迅速地制造出岛国外同型号非常接近的产品。假是，回转立体瘁是一种蓉列化产 品，用以满足不同行业或不同用户的要求，可燕不可能把各种受号的产潞都买来。 这些系列纯产黯虽原理炎议，懿尺寸著誉是一个簏单熬放大或缭小豹鲻遂。嚣此， 由于上述研究部门在理论研究方面以及设计技术上的明驻不足，在进行产品系列 纯嚣，零平一羹上不去。9 0 年鼗班来，潼起瞬鬻校对数控嚣转嶷薅痒毽送露7 一 些探索，但与众业和研究所研究相比又是入另一极端，欺研究内容主要集中在邂 行控制壤论方霹，如拣选路径优亿等”“，关予箕设计理论、设计方法、设计手袋 的研究则几近空白。 数控回转囊体库是种系列化产品，其包含了大量的具有共同特征的系列件， 这些系捌终蓑楚形状特 菱攘羁嚣足专特 蒌骞差努，或楚骞些零佟多一骛特薤，蠢 些零件少一些特征，如果能通过一个模型衍生出一系列模型，就会大大提高设计 籁绘霞鹣效率。并虽在湃发系戮产品辩，并不燕尺寸酶简单敖犬或缩，l 、，置大部 分工件都属于异形件，肖必要在兰维C A D 平台上进行：次开发。随着计算机的发 展和C A D 技术应用水平的提高，三维造型技术的日益成熬，为其商层次的应用携 供了可熊。近几年出现的许多优秀的三维造型软搏，如P r o E 、U G 珏、S o l i d W o r k s 、 S o l i d E d g c 等，它们除了提供了黻大的燕体造型功能外，还提供了二次开发工具， 镬褥耀声莓戳壤据塞己瓣罴要设诗密专簸兹痊麓软终成凳霹憩。 1 3 2 课题的研究内容与意义 在上述背景下提出了一种蒸于S o l i d w o r k s 的数控回转立体库的自动设计系统。 设计者只要输入籀斗尺寸、承羹量等参数，系统会通过捷让运算选择链轮、链条、 电动机、减速机等，确定立体席的几何尺寸和各种设计参数，并自动给出各零件 及装配髂戆三缀烫形。囊要雾 究凌容包戆： 1 ) 数控回转立体麾的结构设计及优化模块的开发。这部分生要从设计理论、 浚诗方法、设计手段主辩数控阐转立俸痒结梅送行系统研究，零l 入最优亿方法， 并开发其结构设计优化模块。 2 ) 削析S o l i d w o k r s 的三维造型技术的特点，并对其：次开发技术进行了深入 山东大学硕士学位论文 的研究，探索对其二次开发的最有效的方法 3 ) 数控回转立体库参数化绘图模块研究与开发。这部分研究是在s o l i d w o r k s 平台上对数控回转立体库进行参数化绘图研究，讨论了参数化绘图系统的设计方 案，并确定各工件间的尺寸相关性，确定父级参数及子级参数，建立标准件参数 库及零件参数库，开发出参数化绘图系统。 4 ) 将结构设计优化系统和参数化绘图系统集成为一个完整的数控回转立体库 的自动设计软件该软件实现了与S o l i d W o r k s 的无缝集成，设计了良好的用户界 面 本课题将在S o l i d W o r k s 平台上开发出数控回转立体库自动设计软件。通过本 系统不仅可以迅速设计出数控回转立体库的各个零件及装配参数，而且同时绘制 出了相应零件的三维造型图，大量节省设计人员的工作量，且具备了速度快、噪 声低、重量轻、运行平稳、易于制造、安装方便、空间利用充分等优点。 数控回转立体库作为一种系列化产品，原理相同，结构类似，但在大部分情 况下部要根据用户的房间面积、房间高度、存储物品的尺寸、载重量等参数进行 定制。因此，开发出数控回转立体库设计软件，为立体库制造企业以最快地设计 和开发出满足用户个性化要求的产品，增强市场反应速度和竞争力，很具工程意 义。同时，在满足性能要求的前提下，解决了最高空间利用率及产品最轻量化的 问题。本课题不仅将传统的设计方法用计算机来实现，还引入最优化设计技术， 因此也具有高的理论意义。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章数控回转立体库结构优化设计 2 1 数控回转立体库的结构分析 图2 - l 数控回转立体库结构图 数控回转立体库基本结构，如图2 1 所示。数控回转式立体库一般由左右侧架、 覆盖件、箱斗、驱动机构、传动机构等部分组成。其中驱动机构和传动机构是本 章研究的主要内容。驱动机构主要由链轮、链条、支撑杆等零件组成；传动机构 由电动机、减速器、小链轮、链条、大链轮组成。整个运动过程是由传动机构的 电动机提供动力，通过减速器和链传动两级减速后，带动传动轴转动，然后由驱 动机构的输送链带动所有箱斗做循环回转运动【1 9 , 20 1 。 2 2 立体库的驱动机构优化设计计算 立体库驱动机构优化设计的主要目的是得出最优的链条规格、链轮齿数、跨 越及间隔链节数、传动轴半径、支撑杆长度等参数。设计人员根据用户提供的房 屋面积、房间高度、存储物品的尺寸、载重量等参数经初步计算要确定的数控回 转立体库设计参数有：单个箱斗的重量G ，载重量G ，箱斗的个数M ，箱斗的几 何尺寸长厶，宽，高凰，以及一些辅助参数如：箱斗移动速度v 等。 山东大学硕士学位论文 1 1 2 2 1 设计原理 首先是输送链的确定。输送链的选择是根据输送物的种类、重量、尺寸以及 要求的输送类型、速度、距离、环境等条件来决定的，一般的顺序是【2 1 1 ： 1 ) 确定输送条件 i )输送物的状态与所采用的容器，以及输送对象的重量和尺寸大小等 i i )输送的路线( 水平、倾斜或垂直；直线或弯道) 、输送的长度以及 输送的配置等 i i i )输送的条件。应明确输送量、输送速度和输送间隔；有无润滑以及 输送物有无容器、工装板等 i v ) 输送的环境。主要是指温度情况，有无药物、水、湿度等腐蚀条件， 有无玻璃碎片、金属粉、涂料屑和砂等磨损物的存在等 2 ) 初步选择输送类型和链条规格 根据输送条件来初选出适合与该种输送对象的运输机类型，同时可以初选出 链条的品种，在按照公式( 2 - 1 ) 初算一下预算张力F 加然后对照标准中该种链 条的最小极限拉伸载荷，从而暂取一种链条的规格和相应的链条尺寸，然后进行 验算。 F 月= 9 8 w r f r ( 2 1 ) 式中F 厂预算张力( ) 一除链条外输送物料的总重量( k g ) ，摩擦系数 肛遂度系数( 表2 1 ) 表2 - 1 速度系数 嗣 链条速度 1 5 以下1 5 3 03 0 5 05 0 7 07 0 - 9 09 肌1 1 0l l O 1 2 0 ( m m i n ) 速度系数K1 01 21 4 1 62 22 83 2 3 ) 计算作用在链条上的张力 在选择了链条类型后，具体规格取决于链条工作的最大张力载荷，链条最大 山东大学硕士学位论文 张力，可按公式( 2 2 ) 计算： F = W 2 + W j + W 4 + Q + F i 7 2Q 二萄 式中形广一链条总重量( ) 可从样本中查到单位长度重量后计算出 一箱斗总重量( ) 可据单个箱斗重量计算出 彬广在装载段箱斗中物料的总重量( 预料中的变化情况与箱斗过载情况亦 需考虑) ( ) Q 在装载过程中和提升中内部摩擦作用造成的附加载荷( ) 乃张紧装置拉力( ) 由式( 2 2 ) 计算得到的最大张力尚需乘以使用系数七J 、幻、b 、颤以后，才能 最终得到选择链条用的计算工作载荷足。即： F 。= F k j k 2 k 3 k 4( 2 - 3 ) 各使用系数具体值可按表2 - 2 选择。 表2 - 2 使用系数数值表 项目使用条件使用系数 冲击频率不频繁冲击 l 系数幻频繁冲击 1 2 链条载荷均匀载荷 l 性质系数中等冲击载荷 1 2 1 5 幻重冲击载荷 周围环境中等干燥度和湿度 1 2 条件系数暴露在空气中非常干燥、磨蚀、中等腐蚀 1 4 白适当的湿度 每日工作 8 1 0 矗l 时间系数幻 l o 一之4 h1 2 根据式( 2 3 ) 得到的计算工作载荷疋，对照有关链条标准和样本中提供的许 用最小工作载荷，即可确定所用链条的具体规格。当标准中只提供链条最小极限 拉伸载荷，未提供许用工作载荷时，可取许用工作载荷为最小极限拉伸载荷的十 分之一处理( 即安全系数驴l O ) 可参照输送链的强度验算方法来确定合适的链条 山东大学硕士学位论文 规格。 4 ) 定链条的品种、规格 以上链条的选择只是初步选择，最后需要进一步验证才可以确定，验证公式： Fs【，】(2-4) 式中 【同链条的许用张力，或称许用拉伸载荷( ) ，它等于 【用：旦 ( 2 5 ) C H 式中9 链条最小极限拉伸载荷( ) r 载荷修正系数 ，广安全系数( 表2 3 ) 表2 - 3 安全系数M 链条速度 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 ( m m 加) 安全系数刀 5 ，76 母7 1 08 1 3 9 1 5l O 1 7 另外，当采用以链条作为直接承载件时，还应验算链板的接触压力、销轴的剪 应力和弯曲应力。 5 ) 计算所需功率 水平输送及倾斜输送时 P = 等( 2 - 6 ) 垂直输送时 Pf f i 1 I ( M h + O 1 q h ) v ( 枷) ( 2 - 7 ) 6 0 0 0 式中 f 一被输送物料在单位长度上的重量( k g m ) J r 链轮中心距离( 肌) v 一输送速度( m r a i n ) 6 ) 其他注意事项 为了保证输送机能处于良好的使用状态，应安装张紧装置。 链条与链轮应有三个以上的齿相啮合。 山东大学硕士学位论文 多根链条并列使用时，应注意链轮齿的相位一致，并且链轮尽量安装在同一 根轴上 如果输送距离较长，同时又并列使用两根以上链条，并且链条的节距精度要 求又较高时，为了尽可能减少链条间的长度相对误差，应对链条进行选配。同时 还应采取成对切齿的链轮，以保证链轮齿的相位一致。 2 2 2 设计计算 根据立体库的设计原理和要求，我们采用滚子链作为输送链，箱斗的旋转速 度v 在1 5 m m i n 以下，因此速度系数磊，- 1 0 ，在忽略摩擦的影响的情况下由式( 2 1 ) 得到链条的预算张力： F f 9 8 ( G G 1 ) N b K 由式( 2 3 ) 选择链条的工作载荷为： F c = F 靠 k 农籼 。 由立体库的实际工作条件查表2 2 得：k l = 1 2 ；J 尸1 2 ：k s = 1 2 ；幻= 1 由表2 3 根据速度要求取安全系数n = 5 ，载荷修正系数c = l 由式( 2 5 ) 变换求得：Q o = ! 李 然后根据计算得出的Q m 所查滚子链标准，初步确定所要选择链条的型号。从 而得到链条的节距P 和单位重量g 。跨越链节数墨指的是单个箱斗两根支撑杆之 间的链节数，间隔链节数磊茹指的是相邻两个箱斗间相邻两根支撑杆之间的链节 数。在垂直运动段上，箱斗的高度与箱斗问的实际间隙之和凰+ 勘在理论上等于 臼0 + 岛) P 的距离阻l ，a P ： H 6 + 如= ( K K | P ) p 式中( 疋+ 岛) 为链节数之和，故其值为正整数。首先我们将用户输入的参数岛 和西代入方程，经数学变换圆整后求得( 墨+ 茂，) 的值，同时可计算确定箱斗间 的实际间隙d 矗。 接下来验证选择的链条是否满足要求。首先求得链条的总长度掣 L = ( K K 印) N b P 最大张力：F = 9 8 x ( G b + 白) x N b x K + 工t x q x 2 山东大学硕士学位论文 工作载荷：疋= 确岛置池 验证：墨旦 | AC 丹 若上式成立则说明链条选择正确，可以进行后面的计算，否则需要选择大一 型号链条。 由式( 2 7 ) 使整个系统运动所需要的功率： P ：! ：! ：丛鱼鱼! ：丝! ：! ! 生：! ：型 4 6 0 0 0 下面由圆轴扭转的强度条件式( 2 - 8 ) 计算传动轴的半径R 。】 2 等s 纠 ( 2 8 ) 传动轴采用4 5 号钢，其许用应力【r 】o 坳口，轴的最大扭矩丁二= w ，c R ( 其 中R 为链轮的分度圆半径) ，轴截面抗扭截面系数：! 擎参数带入式( 2 - 8 ) 求得足。 经过上面的计算，还需要确定的参数有为或蜀。、链轮齿数z 、链轮半径R 、 支撑杆长度L ，等。优化条件主要包括结构运动的过程中不发生干涉的条件和线速 度梯度条件等，如图2 2 所示。本系统采用枚举的优化方案，优化目标是整个立体 库所占用的空间最小立体库的长度三基本上有用户输入的箱斗长度确定，立体 库的宽度和高度日由以上优化的各个参数确定因此确定优化目标函数为： V = ( L - O 。 1 6 圜园 鹪 圈划 图2 - 2 运动分析简图 山东大学硕士学位论文 2 3 传动机构设计 传动机构设计主要是给整个立体厍运动提供动力的机构设计，采用Y 系列封 闭式三相异步电动机提供动力，采用减速器和链传动进行两级减速来达到设计要 求的箱斗移动速度v 。 2 3 1 分配传动比 传动系统是通过两级减速来达到设计要求的，因此需要合理的对这两极减速 过程分配传动比由箱斗的移动速度v 。计算得出传动轴的转速，l ： 1 0 0 0 v 6 0 2 1 i 鬲r 由电动机参数表初取电动机的额定转速疗t ，因此，传动系统的总传动比如： k 5 等 根据链传动减速的特点，初取链传动的传动比：k = 3 则减速器的传动比：k = 2 3 2 链传动设计 链传动设计计算过程如下【2 4 l ： 1 ) 确定小链轮齿数：Z i = 2 9 - 链 ( 乃取奇整数) 确定大链轮齿数：Z 2 = 龟z I ( 乃取奇整数) 2 ) 确定小链轮的转速：甩= i uX n 轴 3 ) 选择链条： 根据设计要求取工况系数肠= 1 3 ，小链轮齿数系数恐= 1 2 3 ，排数系数 蜀产l 故计算功率只= 嚣然后根据押和丹查图表确定链条型号， 即可查得链条的相应参数。 4 ) 初定中心距：= 4 0 x p 传 1 7 山东大学硕士学位论文 4 ，链条俄铲半亿p a o 幢p +