【毕业学位论文】（Word原稿）基于ANSYS的立体库堆垛机货叉建模与分析

兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 1 第一章 绪 论 题研究的背景及意义 国物流的现状 1978 年，我国从日本引进了物流的概念 ； 2001 年 4 月，原中国物资流通协会正式更名为中国物流与采购联合会，我国的物流基础工作自此全面展开 ；同年年底， 中国成为 员国， 2005 年底，我国的物流市场全面对外开放 ； 2006年，国家“十一五”规划中，“大力发展现代物流业”首次进入国家的发展规划 ；2009 年 3 月，物流业调整和振兴规划正式出炉，确定了振兴物流业的主要任务和重点工程 ； 2011 年 3 月，发展、调整和变革成为物流业贯彻“ 十二五”的基本特点 ； 2011 年 8 月， 国务院办公厅发出 关于促进物流业健康发展政策措施的意见 ，物流业迎来多重利好。今天，物流业已经成为我国国民经济的重要产业，它囊括了运输、仓储、加工、配送、信息等诸多活动，它推进了生产，拉动了消费，吸纳了为数众多的就业人口，在保持增长、扩大内需、调整结构、增强国力等方面发挥着重要作用。 从总体来看，我国社会物流总额规模庞大、增长迅速，自 2005 年至 2012 年，全社会物流总值从 亿元上升到 177 万亿元，体现了物流业较为旺盛的发展需求。从物流业增加值来看，“十 一五”期间从 12271 亿元到 27310 亿元，保持了年均 增速。而同期，我国物流总费用占 比例 则稳中有降，虽然降幅仅约 但在物流需求规模逐年增加的前提下，这一比例的逐步降低，意味着我国物流业的直接经济效益在不断增加，运行质量在不断提高 1 。 在物流业发展的宏观环境方面，“十一五”期间，从中央到地方，各级各类物流规划渐成体系，使物流业的发展目标更明确，步骤更清晰 ; 在政策扶持方面，各级政府从设施建设、资金投入、企业培育、装备更新、人才培养、土地、税费等各个层面对物流业的发展给予 了政策倾斜和大力支持，保障了物流业良好的运行势头。 物流基础设施的增加和改善是我国物流业发展的又一体现。截至 2012 年 ，我国铁路营业里程达 公里，高速公路里程达 公里，双双跃居世界第二 ； 民航航空业务规模业已成为全球第二大航空运输系统 ； 港口吞吐量已经 连续 6 年保持世界第一 2 。目前全国规划和在建的物流园区超过 600 个， 仓储、兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 2 配送等设施现代化水平不断提高，一批区域性物流中心逐步形成。物流技术设备加快更新换代，物流信息化建设有了突破性进展 3 。 在物流技术发展方面，目前，运输、库存、装卸、 包装、集装箱化等一系列现代物流技术已被我国物流企业认真学习并大量采用 ； 同时，我国约有 39%的物流企业运用计算机技术、网络技术、信息分类编码技术、条码技术、射频识别技术、电子数据交换技术、 信息技术对企业的综合管理和操作流程加以改进，通过多种途径和各个环节来降低企业的运营成本，提高企业的综合效益。经过 30 多年的探索和积累，我国物流业在规范化、信息化和智能化建设方面已经迈出了可喜的步伐。 虽然我国物流业发展迅速，成效显著，但是，发展时间短暂的中国物流业总体水平仍然偏低，存在问题比较突出， 主要 体现在以下几方面 4： 1物流资源利用率低。一方面因为传统的仓库因其在仓储净空高度往往得不到利用而造成大量空间资源的闲置浪费；另一方面因为传统仓库的管理和作业模式均采用原始的作业方式，仓库设备的能力没有充分发挥出来，在一定程度上也造成了浪费。 2作业质量引起的损耗较大。一方面是传统的平面仓库物流自动化水平较低，货物的进入库基本是人工利用叉车进行作业，而由于人工操作不当会造成货物碰撞损耗；另一方面是因为错误作业或错误配送所引起的错误成本，特别是药品的配送，会引起更严重的后果。 3信息流和物流无法做到适 时统一。一方面传统的仓库往往信息化程度较低，导致整体物流管理水平低下，无法向客户提供优质和灵活的物流服务。另一方面会因信息流和物流无法统一而造成上面所述的错误成本，使总体仓储成本提高。 4作业效率低下。传统的平面仓库是“人工一叉车一货架”的作业模式，其作业速度根本无法与立体仓库中的“计算机一堆垛机一货架”的作业模式相比，大大影响物流企业的竞争能力。 决问题的方法 在现代化企业生产经营的过程中，物流以低成本高效率及全方位管理越来越多的占据物流服务的市场，而立体仓库可从物流成本、物流服务质量和物流 效率等方面来促使物流企业提高核心竞争力。 随着现代企业生产经营方式的变革和市场外部条件的变化，以降低原材料成本和进行产品技术开发来降低产品成本的空间越来越小，这使得他们把目光转向兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 3 有着“第三利润源泉”的物流环节上来。而传统的自给自足式的物流服务不管从经济效益上还是系统化、专业化程度上都无法与专业的物流企业相比，这使得越来越多的企业为了优化企业资源配置和增强市场竞争优势，将不属于企业核心竞争力范畴的物流业务外包，促使我国物流 (处在高速发展的道通上。 为了解决上述问题， 一部分物流企业建设了立体仓库。那么物流企业建设立体仓库究竟能给企业带来哪些好处呢 ?这里从以下几方面简单介绍一下 5： 1信息流和物流有机结合，全面提高企业的管理水平。 目前国内大多数第三方物流企业均采用传统的仓库，即普通货架、叉车等组成的仓库。这些仓库一般均采用原始的作业方式 看单作业，作业人员根据打印出来的出库单或入库单，利用叉车进行货物的出入库，虽然有些条件好一点的平面仓库也利用条形码和 线射频技术在一定程度上提高了管理水平，但在进行作业时还是需要人工去寻找目标货物，在出入库时也需要人工扫描确 认，也就是说在作业过程中，信息流和物流无法做到真正的统一。 立体仓库系统的出现则解决了这个问题，它把高层货架、堆垛机、周边的出入库设备和货物的信息流有机结合，使仓库作业计算机化，应用功能完备的标准化物流管理软件，操作简单、报表齐全，同时还具备物流分析功能，为企业制定生产纲领提供及时准确的数据分析资料，全面提高企业管理水平和电子商务能力，为用户赢得更强的物流核心竞争力。 2充分利用仓库的高度和平面空间，提高空间利用率。 随着国家对土地资源监控越来越严，地土地成本也在急剧增加，如何降低占地成本也引起各第三方物 流企业的重视。传统的仓库一般都不高，因为普通叉车叉取高度有限，一般都在十米以下，而立体仓库的高度可达 5，可以很大程度的提高空间利用率，降低占地成本。 同时，一般叉车的所需的通道都很宽，约在 3 米左右，而立体仓库的核心设备堆垛机的宽度只需在 左右，在平面空间上也提高了利用率，达到降低占地成本的目的。虽然有些叉车 (如窄巷道叉车 )所需的通道宽度也较小，但因其价格较堆垛机要高，从成本上考虑并不合算，而且其作业效率也不如堆垛机。 3充分发挥自动化设备的作业能力，提高仓库作业的效率。 由于立体仓库实现了作 业计算机化，而且其核心作业设备堆垛机的运行速度可达速度 80300 米 /分钟，可实现快速整盘出入库作业、拣选作业、配送作业，整个系统运行效率比较普通仓库将提高 100 500%。 4提高作业正确率，降低过失成本。 作为第三方物流企业，仓库所储存的货物是来自不同客户的不同产品，而且兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 4 还会不断地更换新的客户，仓库作业人员不可能对货物都很熟悉。而传统的平面仓库很大程度上要依赖人的判断来作业，这就导致错误作业发生，产生过失成本。而立体仓库则会完全避免这种过失成本，计算机会自动根据作业指令来指定入库或出库的货位 (也可人工指 定 )，无需依赖作业人员的判断。 立体仓库还可与 系统无缝连接，降低人工成本，实现作业无纸化等。 综上所述 ，立体仓库可以从物流成本、物流服务质量和物流效率等方面增强物流企业和竞争力。建设一个高效、高品质的自动化仓库系统已成为众多物流企业提高核心竞争力的重要需求 6。 体 库在国内外发展现状与前景 内外的发展现状 立体仓库最早产生于 60 年代的美国，到现在大致经历了四代的发展： 1950 年美国首先产生了手动控制的桥式堆垛起重机，这种起重机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，与此同时也提出了高层货架的新概念，被认为是自动化仓库的雏形。 1960 年左右在美国开始出现了没有大梁的由人工操作的巷道式堆垛机。随着立体仓库的发展，巷道式堆垛机逐渐代替了桥式堆垛机。 1963 年美国的一个食品厂在仓库工作中采用电子计算机，成为世界上最早的全自动化仓库， 20 世纪 60 年代产生的第一代机械式立体仓库系统中，操作人员可通过一些电器按钮和开关来控制一些机械设备进行人、出库作业，实现了搬运的机械化；从 1963年开始，在欧洲各国，由于用地紧张，开始计划建造 25的高层 自动化仓库。从 1967 年开始，相继完成了一些计算机管理和计算机控制的全自动化仓库。在日本，从 1967 年开始安装了高度为 20的高层堆垛机， 1969 年出现了联机全自动化仓库。 1970 年安装了由货架支承式变为地面支承式的高度达 40 米的堆垛机。 70 年代美国还提出了采用 50 米高堆垛机的可能性 7。到了 70 年代末期，随着可编程控制器 动存取、自动导向小车、条形码阅读器等设备在立体仓库中的应用，第二代自动化仓库系统实现了控制自动化。 1980 年后，计算机技术的异军突起及其在自动化仓库系统中的成功应用，导致了第三代集成化立体仓库系统的诞生，形成了由管理级、监控级、控制级组成的三级分布式控制结构，上位管理机协调控制整个仓库系统的出、人库作业和兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 5 库存管理，并且与上位工厂计算机信息管理网相联结，实现管理微机化。 1990 年后，堆垛机在使用范围和性能上有了很大的发展，还出现了第四代智能型立体仓库系统，该类仓库系统不仅实现了对出、人库任务和仓库信息的全自动处理，而且还可根据生产计划报表分析、制定出所需材料与劳动力，并依据物资的现有库存量提出外购建议，当某些物资库存量不能满足生产需要时，系统还可根据现有在库物资适当修改 生产计划，并上报工厂相关部门，诸如此类人工智能已逐步融入了立体仓库系统中；此外，随着电子数据交换技术的日臻完善。目前，自动化仓库系统逐步向第五代“ 3I (库系统过渡。 我国立体仓库的发展是从 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专有技术的基础上开发出来的。国内第一座自动化仓库是郑州纺织机械厂冷作二车间的模具库，建成于 1974 年 2 月，与此同时，国内一些科研机构也开始了自动化仓库的研究工作。 1977 年北京汽车制 造厂与自动化研究所合作，动工兴建了该厂的自动化仓库，该库属于整体式结构，采用计算机进行控制和数据处理。稍后，北京商业储运公司与河南粮食科研所和中科院自动化研究所合作，兴建了该公司的针织品自动化仓库。 80 年代初，一些部队仓库和少数企业率先使用具有高层货架，并利用堆垛起重机进行入、出库作业的立体仓库。由于当时国内立体仓库的设计和制造均处于初级阶段，用户对立体仓库所应能达到的功能不了解，因此，对立体仓库的要求不高。只有少数立体库采用 制，实现自动认址，光电探测货位 多数的堆垛机仍使用手动控制 入、出库作业。它与一般平库比较，主要是利用空间，增加库存量、减少占地、减轻劳动强度和减少货物破损率。尽管如此，立体仓库的优势已较为明显地被人们所看到。随着土地价值的不断上涨和现代化管理要求越来越高，立库产品越来越多地进入国民经济各行各业。 80 年代至 90 年代初，立体仓库产品的设计和制造有了很大的发展，全国至少有十几家科研单位和生产厂家在进行立体仓库的科研、开发、设计、制造 8。 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。先后建成了第二汽车制造厂立体库、天水长城开关厂 材立体库、上海宝钢总厂备件立体库、国家 863 计划中 验工程立体库、济南第一机床厂中央立体库、株洲南方航空动力机械有限公司物流系统、仪征化纤股份公司涤纶长丝立体库、广东震德塑料机械厂有限公司零部件自动化立体库、浙江正泰电器集团立体仓库、伊利液态奶立体仓库、蒙牛乳业立体仓库和中国人民解放军军需、器材立体仓库等百座自动化仓库的建设 , 近些年来，仓储物流行业已有了自己的学术组兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 6 织，定期在全国范围内交流学术经验。针对目前我国立体仓库行业的设计制造水平， 参照国外标准制定出了一系列行业标准、规范，使立体仓库的科研、设计、制造进入规范化发展。 近些年我国自动化仓库技术发展很快，已实现了与其它信息决策系统的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。尽管如此，至今在我国己建成的集成化仓储系统还不多，我国的立体仓库与国外发达国家相比，无论是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距。 体 库的应用前景 一个国家的物流水平充分反映出来了这个国家的综合实力和市场竞争力，尤其在跨世纪的未来十年中，物流科学对于经济发展的影响显得格外重要，对于企业生产来说，物流科 学可以带来巨大的经济效益，向物流要利润成为了企业即席生存和发展的基础。物流的关键就是对于立体仓库及成套设备的管理。 物流是经济发展的命脉，像人体的血液一样，时刻支撑着人体的各种循环，维持着生命。在物流学说的研究领域中，工业企业物流一直是被关注的焦点，这不仅由于物流组织的好坏直接决定着企业生产过程是否能够顺利进行，决定着企业产品的价值和使用价值是否能够顺利实现，而且企业的物流费用己成为生产成本和流通成本的重要组成部分。在这种情况下，企业将主要力量花在降低生产成本上是“不得要领”的，明智而有效的方法是改善物流。 因此，以降低物流成本、减少资金占用、缩短生产周期为主要目标的物流合理化 (称为企业的“第三利润源泉”、“最重要的竞争领域”，它被放到企业发展的战略高度来加以研究和实施。而自动化仓库作为物流系统的一个枢纽和核心，是物流系统实现物流合理化的关键所在，在国民经济中有着举足轻重的地位。 立体 库的出现与发展，应该是与工业、科技的发展相适应。现代化大生产，越来越促使工业生产社会化、专业化、集中化。生产的高度机械化和自动化必然要求物资的供应和分发要及时、迅速、准确。由于其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。立体化仓库技术能否得到迅速的应用和发展，已成为工厂设计中高科技的一个象征。随着科学技术的进步，仓库技术将进一步向系统化、自动化、无人化方向发展，仓库管理也将向计算机化、网络化的趋势发展。自动化立体仓库在企业的广泛应用将为进一步提高企业的综合经济效益发挥着重要的作用。 目前，立体仓库在发达国家已相当普遍，以自动化功能齐全的立体仓库取代兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 7 传统的普通房式仓库己成为世界仓储建设 发展的潮流。据不完全统计，美国拥有各种类型的立体仓库 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。高度达 40 米以上的巨型立体仓库数量越来越多 9。 我国 立体 库使用中存在的主要问题是利用率低、效果不明显、规模不确定、优势不突出，使许多库场资源闲置，特别是一些产品批量小而单一的生产企业实现仓库自动化，库场设施设备资源闲置与重复配置矛盾突出。据不完全统计，目前我国拥有立体仓库 1000 余座，在 15 米以上的大型立体仓库 100 多座，其中全自动化的立体仓库有 30 多个。 1995 年建成的仪征化纤工业联合公司涤纶长丝立体仓库是日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高度 10。 商务部提出了“十二五”时期商务发展的九大任务中提出“加快构建现代流通网络，全面提升流通效率和水平，大力发展第三方物流，支持大型连锁企业发展统一配送，鼓励中小企业发展共同配送，支持物流企业拓展服务网络和服务功能，提高物流组织化和专业化水。加强城市现代配送中心建设，完善大中城市社会化配送网络。 这对 立体 库的发展及应用创造了良好的前景。 论文研究的主要内容与结构 文研究的主要内容 本课题针对兰州石化公司使用的 太原刚玉物流工程有限公司生产的 自动化立体仓库 单立柱有轨巷道式堆垛机货叉 在存取货物时频繁出现冲击振动大， 存取货定位不准、运行不 太 稳定、存取货不到位 等现象。作者 利用 算机软件对货叉的力学性能进行 了 分析，为 克服以上问题， 提高存取货物的准确率，改进 堆垛机 货叉 的性能 作了大量分析研究 。单立柱有轨巷道式堆垛机如图 1示，堆垛机货叉机构如图 1示。 兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 8 图 1单立柱巷道式堆垛机 图 1垛机货叉机构 该堆垛机主要技术性能与参数如表 1示。 兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 9 表 1垛机主要技术性能与参数 项目 技术性能与参数 结构形式 单立柱落地式 载荷 载荷尺寸 450W x 450D x 300H 量 100运动速度 走 行 18m/ 升 18m/ 叉 15m/行范围 走行距离： 2m 升降距离： 3.6 m 伸缩距离： 左 /右 600 机类型 行 走 交流伺服电机 升 交流伺服电机 叉 交流伺服电机 定载重量 1000N (100主要内容如下： 1 建立货叉 结构 模型 货叉伸缩机构是堆垛机的取放物料装置，是比较重要的装置，通过三维软件建立其结构模型，并进行原理仿真。 2货叉的力学性能分析 对货叉伸缩机构建立 真模型，网格图，并进行力学分析，通过有限元分析得到在重力作用下的变形情况。 3货叉的模态分析 对货叉整机进行模态分析，提取了前 8 阶固有频率、主振型及振型图，可得到货叉结构的自振频率和相应振型，为结构设计提供依据。 4货叉 谐响应分析与控制 在模态分析的基础上，通过谐响应分析，得出货叉伸缩机构沿伸缩运动方向的激振力的谐响应曲线，可以得到单立柱堆垛机在受外界激励作用下各阶危险频率的变形情况，设计时尽量使这些固有频率避开外激励的频率可以避免发生共振，有效地减小振动幅值，从而控制相应的激振力的频率，避开该振型下的共振。 5货叉结构优化，以提高其静动态特性 兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 10 文的组织结构 第一章主要对本课题研究的背景暨我国物流的现状及存在的问题进行说明，阐述立体仓库在国内外的发展现状及应用前景，并针对 太原刚玉物流工程有限公司生产的 单立柱巷 道堆垛机货叉进行研究。 第二章主要介绍立体仓库的组成及功能，立体仓库的关键设备 用 件建立三级直线差动式货叉结构模型，进行模拟仿真，并分析了货叉的运动特性。 第三章主要利用 件建立三级直线差动式货叉有限元模型，并对货叉叉板位移为 300、 400、 500、 600个不同位置进行仿真模型加载并求解，获取了货叉的变形情况。 第四章主要建立模态分析方程和谐响应分析方程，并利用 件对货叉模型进行模态分析和谐响应分析，获取了货叉的固有频率及 振动特性。 第五章主要针对货叉进行结构优化，建立了优化模型，并对优化模型进行静态、模态及谐响应分析。 第六章主要对本课题的内容进行总结及存在的问题进行说明，并展望了立体库堆垛机货叉的情况，为今后设计、分析及应用奠定了基础。 兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 11 第二章 立体 库及堆垛机货叉系统简介 体 库简介 体 库的概念 立体 库又称为自动存储自动检索系统 (s/是一种新型 的仓储技术，是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工程。立体 库是以先进的计算机 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。立体仓库的规划和设计是涉及到物流监控技术、计算机应用技术、通信技术、设备控制及货位优化管理等技术领域的综合工程项目。 立体 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。 立体 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，能节省大量的生产资源，应用领域非常广泛，图 2立体 库的示意图。 兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 12 图 2立体 库的示意图 体 库的组成 立体 库是由仓库建筑物、高层货架、巷道式堆垛机、周边设备和控制系统等组成 10。 1高层货架及仓库建筑 立体 库从总体结构上看，可分为整体式和分离式两种形式。整体式是指仓库建筑 与高层货架互相连接，形成一个不可分开的整体。其货架结构既是存放货物的支架，又是仓库的立柱和仓库侧壁的支撑，仓库的墙壁和屋顶都固定在高层货架上。分离式是指仓库建筑与高层货架是相互分离的，货架安装在仓库建筑物之内。但无论哪种形式，高层货架都是主体结构。 2巷道堆垛机 用于自动存取货物，是立体 库中的主要堆垛和搬运设备。按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形式；按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。 兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 13 它主要由立柱、载货台、货叉、运行机构、卷扬机构和控制机构等所组成。到目前为止，巷道式堆垛机已经有了很大的改 进。为了提高作业能力和作业效率，其运行起升、货叉速度都有明显提高；改善了调速技术，提高了停准精度；自动控制技术和保护措施日趋完备。 3输送系统 是立体 库的周边设备，主要有液压升降平台、辊式输送机、链条输送机，升降台，分配车、台车、叉车、 统 (自动导向小车 )等，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。这些设备与堆垛机互相配套，互相衔接，构成一个完整的装卸搬运系统，完成物资的进出库作业。 4自动控制系统 自动控制系统是立体 库的“指挥部”和“神经中枢”。它控制堆垛机和各种周边设备的运行，自动完成货物 的存入与拣出。立体仓库中的自动控制系统主要指检测装置、信息识别装置、控制装置、通信设备、监控调度设备、计算机管理设备以及大屏幕显示器和图像监视等设备。 体 库的 功能 立体仓库的功能一般包括自动收货、存货、取货、发货和信息查询等 11。 1收货 指仓库从供应方接受各种产品、材料或半成品，收存入仓库的过程。收货时需要站台或场地供运输车辆停靠，需要升降平台作为站台和载货车辆之间的过桥，需要装卸机械完成装卸作业。卸货时需要检查货物的品质和数量以及货物的完好状态，确认完好后方能入库存放。一般的立体仓库从 货物卸载经查验进入自动系统的接货设备开始，将信息输入计算机，生成管理信息，由自动控制系统进行货物入库的自动操作。 2存货 指自动化系统将货物存放到规定的位置，一般是放在高层货架上。存货之前首先要确定存货的位置。某些情况下可以采取分区固定存放的原则，即按货物的种类、大小和包装形式来实行分区存放。随着移动货架和自动识别技术的发展，已经可以做到随意存放，既能提高仓库的利用率，又可以节约存取时间。 3取货 是指自动化系统根据需求从库房货架上取出所需货物。取货可以有不同的取货原则，通常采用的是先进先出的原则，即在 出库时，先存入的货物先被取出。对某些立体仓库来说，必须能够随时存取任意货位的货物，这种存取货要求搬运兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 14 设备和地点能频繁更换。 4发货 是指取出的货物按照严格的要求发往用户。根据服务对象的不同，有的仓库只向单一用户发货，有的则需要向多个用户发货。发货时需要配货，即根据使用要求对货物进行配套供应。 5信息处理 是指能随时查询仓库的有关信息和伴随各种作业产生信息报表单据。在立体仓库中可以随时查询库存信息、作业信息以及其它相关的信息。这种查询可以在仓库范围内进行，有的可以在其他部门或分厂进行。 体 库的 使用意义 由于使用高层货架存储货物，存储区可以大幅度地向高空发展，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。目前世界上最高的立体仓库高度已达 50 米。立体仓库单位面积的储存量可达 /平方米，是普通仓库的 5 至 10 倍。采用高层货架储存，并结合计算机管理，可以容易地实现先入先出，防止货物的自然老化、变质、生锈或发霉。立体仓库也便于防止货物的丢失及损坏。 低劳动强度 使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提高了劳动生产率，降低操 作人员的劳动强度，同时，能方便地进入企业的物流系统，使企业物流更趋合理化。 采用自动化技术后，还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要。如国内已有的冷冻物品自动化仓库和存储胶片的自动化仓库，在低温和完全黑暗的库房内，由计算机自动控制，实现货物的出入库作业。从而改善工作环境，保证安全操作。 高物料调节水平，加快储备资金周转 由于自动化仓库采用计算机控制，对各种信息进行存储和管理，能减少货物处理过程中的差错，而利用人工管理不能做到这一点。同时借助于计算机管理还能有效地利 用仓库储存能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快储备资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。 快物资周转，降低成本 作为生产过程的中间环节，具有原材料、在制品和成品的缓冲存储功能，在自动化和机械化设备处理下，自动化程度提高，各种物料库存周期缩短，从而降兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 15 低了总成本。对不同运输方式、不同装运方式、不同状态的物料衔接，改变运输方式，改变装运方式和采用有效的技术，都会带来费用的降低。 立体 库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业 信息管理的自动化。自动化仓库往往也是企业信息系统的重要环节，决策者根据库存信息制定战略和计划，指挥、监测和调整企业行为。由于仓储信息管理及时准确，便于决策者随时掌握库存情况，根据生产及市场情况及时对企业计划做出调整，提高生产的应变力和决策力。 总之，立体 库的出现，使传统的仓储作业变为自由选择货位，按需实现先入先出的机械化、自动化仓储作业。在储存的同时，可以对货物进行必要的拣选、组配，并根据具体需要 ,有计划地将库存货物按指定的数量和时间要求送到合适的地点，满足均衡生产的需要。立体仓库的出现使“静态仓库”变成了 “动态仓库”。 垛机货叉系统的结构 堆垛机的主要机械动作有 :转运车巷道运输行走，货物周转箱自动提升下落，货叉伸缩向立体货架存物取货。其中，货叉的自动伸缩机构设计难度最大，主要体现在： （ 1） 为了尽可能合理利用立体货架空间，自动伸缩货叉机构在满足刚度要求的前提下，应尽可能降低自身高度，结构也不宜复杂庞大。 （ 2） 为使货物在立体货位上摆放整齐，稳定可靠，货叉伸出行程应大于等于物品周转货箱的长度。 （ 3） 为使堆垛机存物取货动作灵活可靠，货叉伸缩机构应尽可能减小摩擦阻力和机构运动间隙。 （ 4） 根据巷道堆垛机 的工作空间限制，为使货叉结构紧凑，尽可能降低造价，伸缩货叉的原动机应重量轻、体积小，动作行程短，满足货叉双向伸缩的工作行程要求。 垛机货叉系统的结构 该堆垛机货叉采用 3 级直线差动式货叉机构，能够实现直线双向伸缩 12。 1上叉 兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 16 处于 3 级货叉的最上面，其结构如图 2示，材料为碳素钢，是直接叉取托盘的装置。 图 2垛机货叉机构中的上叉结构图 2中叉 处于 3 级货叉的中间，其结构如图 2示，材料为碳素钢，它在下叉上运动，是上叉在其上运动的支撑部件。 图 2堆垛机货叉机构中的中 叉结构图 3下叉 处于 3 级货叉的最下层，其结构如图 2示，材料为碳素钢，它固定在载货台上，是中叉在其上运动的支撑部件。 图 2堆垛机货叉机构中的下叉结构图 齿条 侧板 上台面 轴承母 下叉滚轮导轨 上叉滚轮导轨 齿轮 联结板 轴承 齿条 兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 17 4驱动机构 伸叉机构装在载货台上，载货台在辊轮的支撑下沿立柱上的导轨作垂直行走方向的运动 (起重 )，垂直于起重一行走平面的方向为伸叉的方向。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。 堆垛机伸缩货叉必须采用一种能使原动机动作行程增倍的双向驱动直线运动机构，为此，在本案中选择了齿轮齿条驱动机构。 5安全保护装置 堆垛机是一种起重机械，它要在又高又窄的巷道内高速运行。为了保证人身及设备的安全，堆垛机必须配备有完替的硬件及软件的安全保护装置，并在电气控制上采取一系列连锁和保护措施。 （ 1）货叉伸缩终端处设有机械和电气限位装置。 （ 2）载货台上还设有检测货叉是否回位、如货叉没有回位，堆垛机不能水平运行，以避免发生事故。 垛机货叉机构的工作原理 货叉伸缩机构采用三级直线差动式货叉的机构原理驱动形式。这种结构形式的货叉由动力驱动和上、中、底三叉以及导向部分构成，下叉侧面装有滚轮并固定在载货台的台 架上 ,中叉的下板与工字行导轨相连 ,上叉的顶板与立板相连 ,在立板上装有滚轮。货叉电机带动齿轮旋转 ,齿轮带动齿条及中叉运动，相对于底叉向两侧伸出一定距离，同时，由于齿轮齿条倍增机构，上叉沿着中叉的工字行导轨，相对中叉向外伸出更长的距离当齿轮顺时针转动时，货叉向右伸出，当齿轮逆时针转动时，货叉向左伸出，实现向货位内存取货物。如图 2示。 兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 18 图 2叉伸缩机构工作图 如图 2示，直线差动行程倍增机构为 1 个滚动齿轮和 2 个齿条组成的直线差动机构，从动齿条在滚动齿轮的上方，固定齿条在滚动齿轮的下方，根据相对运动原理，滚动齿轮与固定齿条的节点为二者的速度瞬心，当滚动齿轮相对于固定齿条滚动时，从动齿条将沿滚动齿轮中心运动方向，以滚动齿轮中心二倍的速度平行移动。这样，就形成了从动齿条相对于滚动齿轮中心速度与行程的增倍机构 13。 图 2线差动行程倍增机构 这种机构的特点是上叉相对于中叉伸出的距离为伸出行程的 2/3,而中叉相对于下叉伸出的距离为伸出行程的 1/3,上叉与中叉之间、中叉与下叉之间均有合适的导向接触长度，保证 3 层货叉伸出时的相对刚度要求。 体 库货叉的运动特性 叉的运动特点 堆垛机货叉是一种需要经常启动、制动的机械。而且在运动过程中其速度、兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 19 加速度和加速度的变化率也是变化的量，从而对机构和结构产生强烈的冲击和振动，这就是通常所说的动载荷。例如，升降系统中，当开始起升和下降时，由于频繁开闭起升电机和制动装置会产生力矩冲击的动力载荷。升降系统的起升绳索属于弹性系统，当绳索从松弛状态突然起升时，会产生较大的冲击并引起动力载荷。此外，电动机平衡度较差，链条、链轮传动及各种零件的制造误差和缺陷都能使机构激振而产生动力载荷；以及与缓冲器发生碰撞都会引起振动和冲击，在机构中产生较大的动力载荷。 货叉系统中，当货叉伸出和缩回时，由于频繁开闭电机会产生力矩冲击的动力载荷 ,货叉伸缩采用齿轮齿条驱动，由于齿轮、齿条的跳动，啮合间隙及制造的误差使机构激振而产生动力载荷，以及与行程开关碰撞接触都会引起振动和冲击，都会产生动力载荷。 所以载货升降及货叉系统的运动特点可以概括为间歇、重复、循环、频繁的起动、制动，在工作过程中伴随有动力载荷 14。 叉的速度曲线分析 货叉由于在起动和制动过程中，伴随有振动和冲击，当载货台加速上升或减速下降时，有超重 ;当载货台加速下降或减速上升时，有失重现象。货叉伸缩 机构在起动和制动过程中，也伴随有振动和冲击，当取存货物的时候，要求货叉运行平稳，尽量减少冲击和振动，若过大会对堆垛机立柱产生冲击，影响定位精度。可见，速度变化的选择是就显得更为重要。选择得适当，不但可以载货台和货叉运行平稳，同时还能提高载货升降系统的运行效率。所以研究载货升降及货叉系统理想速度曲线，合理选择速度曲线，对提高载货升降系统和货叉系统运行品质是非常重要的。如果能够对加速度曲线以及对应的速度曲线作深入的推导后应用于计算和控制程序设计中，将会加强结果的准确性和可行性，为动态分析仿真和参数分析提供很好的 依据。 载货升降台的运行速度曲线有梯形、抛物线形、 S 曲线速度曲线三种形式。梯形速度曲线的运行效率较高，但其加速度容易突变，对提升机构造成过大的冲击，引起较大的振动，带来不安定因素。正弦速度曲线的加速度按正弦变化，加速度变化率不恒定，冲击和振动相对较小，但正弦函数计算复杂，不适用于产生实时速度信号，且分析不方便。 S 曲线速度实际上是有梯形速度曲线与抛物线相结合而构成的，在曲线的加、减速的始、末端均呈抛物线形，中间为直线形，而实际的运行速度曲线与平稳性有极大的关系，它随速度的控制方式的不同而变化，一般包括动加速阶 段、稳速运行阶段和减速制动阶段。这种速度曲线的各项兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 20 分析和计算都较为方便，可使运动特性得到很好的改善，在实际中得到广泛应用。 货叉伸缩的运行速度曲线有线性、非线性和 S 三种曲线，前二种曲线特性与载货台升降系统中的梯形、抛物线速度曲线特性一样，但 S 曲线形适用于恒转矩负载，在起动和制动时，其变频器频率上升和下降速度较慢，从而减少货叉的冲击和振动。 为了使货叉具有光滑加减速曲线，既满足仓位定位速度快，货叉运行平稳，又能满足出入库频率高的要求，本文选用 S 曲线 14进行运动分析。 S 速度曲线如图 25所示，与 图 2应的还有货叉的加速度和加加速度（跃度）曲线，分别如图 2图 2示。图中， m 分别为货叉的速度最大值、加速度最大值以及加加速度（跃度）最大值。 图 2速度曲线 图 2速度曲线 兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 21 图 2加加速度曲线 叉伸缩的运行曲线参数计算 货叉伸缩运行速度曲线的计算，一般都是在给定合理的运行最大速度，同时设定 最大加速度及加速度变化率的条件下，计算出提升系统的各个运动参数。设载货台在图 2示的 S 速度曲线中的最大速度、最大加速度及加速度变化率分别为 m ，以此为依据确定曲线的其它参数。由于载货台运行在变速度下，以运行的时间段来区分计算，可将一个完整的 S 形曲线分为 0 7 个时间段，即加加速段 加速段 减速段 速段 加速段 减速段 减减速段 速段的速度是根据输送能力的要求和驱动电动机功率及电耗较小的原则确定的，加 (减 )速段的加速度一般是根据运行系统的惯性力和冲击力引起升降系统的振动、冲击效应以及防滑条件来确定的 16。 设 段的加速度变化率分别为 1， 2， 3， 4，运行的时间为 据几何关系可在每个时间段计算货叉的运行速度、加速度和运行位移如下。 1 02)选择 闭对话框 文选择的单元类型为 料属性是与几何模型无关的本身属性，例如杨氏模量、密度等。虽然材料属性并不与单元类型联系在一起，但是由于计算单元矩阵时需要材料属性，了方便用户，还对每种单元类型列出了相应的材料类型，根据不兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 33 同的应用，材料属性可以是线性或者非线性的。与单元类型及实常数类似，一个分析中可以定义多种材料，每种材料设定一个编号。货叉主要结构材料为 45 钢，但必须定义其杨氏模量、密度、泊松比。其他材料属性不需要给出。 杨氏模量： 105度： 0松比： 0. 3 货叉由上叉、中叉和下叉构成，在 别建立上叉、中叉和下叉实体模型如图 3示。 然后按单立柱巷道式堆垛机上叉、中叉和下叉间相互位置关系，将上叉、中叉和下叉模型移动到位。然后运用 尔运算将所有的体进行相加；考虑到计算机性能，本文建模时对单立柱巷道式堆垛机货叉系统做了部分简化。 布尔操作可以对几何图元进行布尔运算， 的布尔计算操作包括加 (减 (求交 (分解 (接 (搭接 (。它们不仅适用于简单的体素的图元，也适用于从 统传入的复杂的几何模型。在缺省的情况下，布尔操作完成后输入的图元被删除。被删除的图原编号变成“自由”的（这些自由的编号将附给新创建的图元，从最小的自由编号开始）。对上叉、中叉和下叉实体模型进行布尔运算后便得到货叉系统的仿真模型。为分析货叉系统位移对货叉受载后变形的影响 。 本章按上述方法 ，可以 建立货叉系统 任意 位移 （从 0 600加载仿真模型，为了求解方便，作者选择了货叉位移分别为 300400500600仿真模型。对货叉模型进行布尔运算之后，运用自由划分网格的方式对货叉系统模型进行网格划分。 兰州大学硕士研究生学位论文 基于 立体库堆垛机货叉建模与 分析 34 图 3 上叉、中叉和下叉仿真模型 模型施加载荷和求解 对下叉底面施加全约束 24,25。 本章仿真工作台受 1000N 的载荷情况下货叉系统的静态变形，假设承载面尺寸为： 150 245 ，因此对模型工作台施加 面力。 叉位移为 300 的仿真模型加载与求解 加载如图 3示，对加载后的模型求解得