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第九章物流系统自动化 本章将较全面介绍物流装备的概念 分类和特点 阐述各类装备的基本知识 对于合理选用设备 充分发挥其效能 提高物流系统的自动化程度具有一定的意义 第一节概述 物流设备是指用于储存 装卸搬运 运输包装 信息采集和处理等物流活动的设备总称 这些设备按其功能可划分为输送设备 装卸搬运设备 包装设备 储存分拣设备 信息采集与处理设备 集装单元设备等 现代物流的发展对物流装备提出新的要求 现代物流需要有完善 健全的物流网络体系 网络上结点和结点间的物流活动保持系统性 一致性 要求整个物流网络配合协调 快速的运输 灵活的配送 最优的库存 最快的商品周转 使物流服务快速化 现代化和集成化 第二节物料搬运 输送设备 物料的搬运是指在同一场所范围内的 以改变物料的存放 支撑 状态 及狭义的装卸 和空间位置 既狭义的搬运 为主要目的的活动 即对物料 产品 零部件或其他物品进行搬上 卸下 移动的活动 输送设备是在一定的线路上 沿同一方向连续不断地输送物料的一种搬运设备 常见的输送设备有辊式 链式 轮式 带式 悬挂式等多种形式 物料输送 搬运在生产领域各个生产环节中起着相互连接与转换作用 使生产能连续正常进行 物料搬运的一般原则有 1 保持或提高物料的搬运活性 2 减少环节 简化作业流程 实现物流合理化 3 以满足生产工艺的需要为前提 充分发挥机械设备的利用率 4 实现机械化 自动化的原则 5 贯彻系统化 标准化原则 一 连续输送设备 输送机是物流系统作业中重要的且必不可少的设备 其特点在于 生产率高 设备简单 操作方便 一定类型的连续输送机只适合输送一定的物品 只能沿着一定路线定向输送 在使用上有一定的局限性 按结构形式的分类方法分 连续输送机分为三大类 具有挠性牵引构件的连续输送机不具有挠性牵引构件的连续输送机液体输送装置 管道输送 一 带式输送装置 通用带式输送机 主要由输送带 支撑托辊 张紧装置 驱动装置 改向装置 装料装置 卸料装置 机架等装置组成 气垫槽式带式输送机 带式输送机典型布置形式 圆管带式输送机 波状挡边带式输送机1卸料漏斗 2 头部护罩 3 传动滚筒 4 清扫器 5 挡边带 6 凸弧段机架 7压带轮 8 挡轮 9 中间机架 10 中间架支腿 11 上托辊 12 凹弧段机架 13 改向滚筒 14 下托辊 15 导料槽 16 空段清扫器 17 尾部辊轮 18 尾架 19 拉紧装置 波状档边输送带 二 链式输送机 链式输送机由链条 链轮 以及电动机 减速器 联轴器等组成 长距离输送时 还应附加张紧装置和链条支撑导轨 有关电动机 减速器 联轴器的选用与带输送机相同 链式输送机结构原理图1 电动机 2 平带 3 链轮 4 链条 5 锥齿轮 6 减速器 1 埋刮板式输送机 链式输送机的形式有平板式输送机 刮板式输送机 斗式提升机 埋刮板式输送机等 埋刮板式输送机水平型b z型c 刮板链条1 张紧段 2 加料段 3 水平段 4 刮板链条 5 头部 6 弯曲段 7 垂直中间段 8 上回转段 常用的链条类型a 模锻链b 套筒滚子链c 板链 刮板的基本形状a T型b V型c U型d B型e O型f H型g L型 2 斗式提升机 斗式提升机是用链条作为牵引构件 在垂直方向或很大倾斜角的输送方向连续提升散粒物料的输送机 适用于水泥 煤 化工材料 粮食等粒状或碎快状物料 斗式提升机1进料口 2张紧装置 3牵引机构 4料斗 5驱动平台 6驱动装置 7驱动轮 8头部罩壳 9卸料口 10中间罩壳 11张紧轮 12底座 3 悬挂输送机 悬挂输送系统更加节省空间 更容易与工艺流程结合 因此广泛应用在各个工业部门的流水生产线的各工序之间 如机器制造业 汽车制造业 冶炼厂 建材工业 食品工业及其他经济部门 悬挂输送机 悬挂输送机的自动装载 提式滑架1 架空导轨 2 滑架 3 牵引链 4 挂吊具 推式滑架1 车体 2 推头 3 框板 4 牵引轨道 5 牵引链 6 挡块 7 承重轨道 8 滚轮 9 导向轮 双滑架示意图 各种形式的吊具a 通过型b 导向型c 转向型d 旋转型e 屏蔽型f 装卸型g 柔性两点吊具h 刚性两点吊具i 多点吊具 坠重式张紧装置 4 辊子输送机 辊子输送机主要用来输送具有一定规则形状 底部平直的成件物品 它结构简单 运行可靠 维护方便 经济节能 近20年来 各种通用的和专用的辊子输送机得到了迅速广泛发展 辊道式输送机1 辊子 2 支架 3 支腿 4 物品 5 传动装置 6 驱动装置 辊子链轮传动示意图单链条传动 圆锥齿轮传动的辊子输送机1 辊子轴 2 锥齿轮 3 传动轴 4 减速箱 5 电动机 压辊胶带传动 辊子回转台 滚珠回转台 具有特殊构造的辊子转运机构 摆动式叉道 辊道式升降台 辊道式转运台 5 不带挠性牵引件的输送设备 不带挠性牵引件的输送设备除上面讲的辊子输送设备外 还有螺旋输送机 振动输送机 以及气力输送机等均属此类 其工作特点是使物品与推动件分别运动 推动件作旋转运动或往返运动时 靠物品与承载件的摩擦力或惯性力 使物品向前运动 而推动件自身仍保持或恢复到原来位置 螺旋输送机总体结构1 驱动装置 2 出料口 3 旋转螺旋轴 4 中间吊挂轴承 5 壳体 6 进料口 偏心连杆式振动输送机 吸送式悬浮系统图 第三节搬运自动化 一 搬运机器人1 物料搬运的概念 作用及目的在同一场所范围内 以改变物料的存放状态和空间位置为主要目的的活动 物料的输送 搬运在生产领域各个环节起着连接和转换作用 使生产能够正常的进行 正确的选择输送搬运设备 按一定的搬运原则对物料进行搬运 是提高搬运效率 降低成本的先决条件 搬运机器人类型 功能与应用 生产过程中的物料搬运机器人货场物料搬运机器人 搬运自动化设备搬运机器人自动搬运小车 柔性加工单元的机器人 柔性加工系统中机器人1 拉床2 车床3 插齿机4 剃齿机5 塔式存储架6 机器人7 去毛刺机 三台机器人分别负责柔性加工系统上下料工作 焊接线上的搬运机器人 电子板装配 打包机器人 码垛机器人 2工业机器人的定义 是一种能够自动控制 可重复编程 多功能 多自由度的操作机 能搬运材料 工件或挟持工件 用以完成各种作业 是一种机电一体化的自动装置 其典型特征之一是受微机控制 具有 重复 编程控制功能 是可以代替人类从事某种作业的工具 3机器人的构成及分类 机械结构系统驱动系统控制系统 工业机器人系统组成 工业机器人运动功能图形符号 1 2 2 1 1 机械结构系统 操作机 PUMA机器人操作机 关节机器人 PUMA562机器人 按机械结构类型分类 球坐标型机器人 三个基本关节 移动关节1个 转动关节2个 运动图形 空心球体优点 由于其具有俯仰自由度 能完成从地面提取工件的任务 工作范围扩大了 缺点 运动直观性差 结构较复杂 臂端的位置误差会随臂的伸长而放大 球坐标型机器人 圆柱坐标型机器人 圆柱坐标型机器人 直角坐标型机器人 直角坐标型机器人 2 驱动系统由驱动装置 如电机 液压或气动装置 减速器 和内部检测元件等组成 为机器人提供动力和运动 工业机器人的驱动方式 电力驱动方式 步进电动机驱动 步进电动机驱动器 普通交 直流电动机驱动 交 直流伺服电机驱动 同步式交流伺服电动机驱动器 直流伺服电动机驱动器 液压驱动方式 驱动力或驱动力矩大实现直接驱动 结构简单速度调节方便易控 实现平稳的无级调速和换向 实现自我润滑 过载保护方便 使用寿命长 需配置液压系统 易产生泄漏 易发热 维修困难 气压驱动方式 气源方便 系统简单 无污染 动作速度快 系统体积大 运动平衡性差 位置精度低 几种驱动方式的性能比较 3 控制系统 检测 控制 内传感器模块外传感器模块 例 美国生产的PUMA560关节机器人关节伺服控制系统 通常采用伺服控制 PUMA560机器人控制系统 4工业机器人主要技术参数 1 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目 不包括手爪的开合运动 设计的依据 用户选择和使用机器人的重要资料 2 工作范围是指机器人正常工作时手臂末端或手腕中心能在空间活动的最大范围 机器人工作空间 3 最大工作速度 通常是指机器人手臂末端的最大速度 4 承载能力 是指机器人在工作范围内 任何位姿上所能承受的最大重量 承载能力是指高速运行时的承载能力 除考虑负载外 还要考虑机器人末端件的质量 巨型 作业负载1000kg大型 作业负载100 1000kg中型 作业负载10 100kg小型 作业负载0 1 10kg微型 作业负载0 1kg以下 5 精度 是指如果动作重复多次 机器人手部到达同样位置的精确程度 重复定位精度用标准偏差表示 定位精度 是指机器人手部实际到达的位置与目标位置之间的差异 重复定位精度 机器人精度和重复精度典型情况 定位精度 c最好 b其次 d最差重复定位精度 b最好 d其次 c最差 二 自动搬运小车 自动搬运小车是生产系统中搬运物料的一种重要工具 又称自动导引小车AGV AutomaticGuidedVehicle AGV是以电池为动力 装有非接触导向装置 独立寻址系统的无人驾驶自动运输车 是物流系统的重要搬运设备 随着工厂自动化 计算机集成系统技术和物流业的发展 自动导向搬运车得到了广泛的应用 一 分类 从当前的应用和研制水平看 自动搬运小车分为有轨自动小车和自动导引小车两大类 有轨自动小车依靠埋设在地面上的轨道进行导向搬运物料 是搬运小车发展初期普遍采用的一种方式 无固定路线型小车是最理想的方式 即自动路径引导小车 这种小车的自动路径导引有下列几种方式 自动搬运小车的几种引导方式1 位姿计算 2 信标导引 信标导引工作原理 3 惯性导向 4 激光导引 5 其他导引方式 激光导引原理 二 AGV的主要技术参数及评价指标 1 AGV主要技术参数 1 额定载重量 是指AGV所能承载的最大重量 2 车体尺寸 是车体的外形尺寸 这一参数应与承载货物的尺寸和作业场地相适应 3 停位精度 是指AGV作业结束时所处的位置与理论设定位置之间的误差 4 最小转弯半径 是指AGV空载低速行驶 偏转程度最大时瞬时转向中心与AGV纵向中心线的距离 5 运行速度 是指AGV在额定重量下行驶的最大速度 6 工作周期 AGV完成一次工作循环所需的时间 2 AGV引导技术的评价指标 1 运行精度 是指小车运行线路和停车定位的精度 2 可靠性 引导系统的可靠性包括系统发生失灵 引导机构本身影响或阻止系统正常发挥功能的概率 以及引导机构的耐久性 维修性 安全性等 3 灵活性 灵活性是指AGV运行路线变更的难易程度 4 可控制性 是指在一定引导方式下AGV启停控制 转弯运行 岔道选择等实现的难易程度 以及小车与中央控制系统之间数据通信的实现方法和性能水平 5 系统的成本 三 自动导引车系统 自动导引车系统 AGVS 是指自动导引小车所组成的物料搬运和进行作业的机电一体化系统 1 主计算机2 系统管理控制器3 交通控制器4 车上控制器 AGV控制系统框图 第四节分拣自动化 分拣是指把物品按不同的品种 不同的地点和单位及顾客的定货要求 把货按一定方式进行分类 集中并分配到指定地点 按分拣的手段不同 分拣可分为人工分拣 机械分拣和自动分拣 自动分拣是指在从货物进入分拣系统直到将货物送到指定的分配位置的过程中 货物的运送都是按照一定的指令 依靠自动分拣装置来完成 一 自动分拣设备的结构及组成 自动分拣系统1 输入输送带 2 喂料输送带 3 钢带输送带 4 刮板式分流器 5 送出辊道 6 分拣道口 7 信号给定器 8 激光读码器 9 通过捡出器 10 磁信号发生器 11 控制器 12 磁信号读取器 自动分拣系统包括以下几部分 1 收货输送机2 合流输送装置3 送喂料输送装置4 分拣信号输入装置 1 人工键盘输入 2 声音识别输入 3 光学识别输入 激光识别输入 4 传感器输入 5 射频识别输入 二 自动分拣装置 1 斜行胶带式分拣 2 翻盘式分拣装置 3 斜置辊轮式分拣装置 4 滑块式分拣装置 5 摇臂式分拣装置 6 推出式分拣装置 气缸推出装置摇臂推出装置 辊道侧翻推出装置 三 分拣作业 1 分拣信息 是对顾客的订单要求进行处理后产生的 是分拣工作的指令 它引导分拣作业进行查找货位 拣取和搬运货物 同时按一定的方式将货物分类 集中 分拣信息包括以下几个部分 1 基本部分 货物的品名 规格 数量 重量及货物发送的单元和总量 2 主要部分 货物储存位 拣货集中地 储备货物的储存 补货量 补货的登记 3 附加部分 货物的价格 代码 标签 货物的包装 发送货物单元的代码和标签等 2 自动分拣信息的控制系统 分拣系统网络控制结构 3 分拣作业 自动分拣作业有四个环节 货物提取 输送并汇入到识别引导部位 自动识别 自动分拣 自动搬运 包装 分拣作业消耗的时间主要包括以下4个方面 1 形成拣货指令的订单信息处理过程所需时间 2 分拣设备的行走或货物运动的时间 3 准确找到储位并确认货物及其数量所需的时间 4 分拣完毕 将货物集中的时间 第五节起重装备自动化 一 起重设备的概念及分类起重设备是一种循环 间歇运动的机械 用来垂直升降货物或兼做货物的搬运 以满足货物的装卸 转载等作业要求 按照起重机械具有机构多少 动作繁简的程度以及工作性质和用途 可把起重机械归纳为以下三大类 1 简单起重机械 2 通用起重机械 3 特种起重机械 二 巷道式堆垛机 一 巷道式堆垛机特点及分类1 特点整体结构高而窄 配备货叉伸缩机构取物 货叉可以伸缩 堆垛机的电力拖动系统能够同时满足运行速度快 启动平稳 停车准确的要求 采用可靠的安全保护装置 控制系统具有一系列的连锁保护 2 分类 巷道式堆垛机按不同形式分类可分为 单立柱型巷道堆垛机双立柱型巷道堆垛机地面支撑型巷道堆垛机悬挂型巷道堆垛机货架支承型巷道堆垛机单元型巷道堆垛机拣选型巷道堆垛机 单立柱巷道堆垛机1 主辊道 2 岔道1 3 立柱 4 起重机构 一般用于起重量2t以下 起升高度不大于16m的仓库 双立柱巷道堆垛机1 托板 2 横梁 3 立柱 4 升降机构 5 减速装置 6 机架 适用于各种起重高度的仓库 起重量5t以下 可高速运行 二 巷道堆垛机的结构 巷道堆垛机由运行机构 升降机构 货台及装 取货伸缩机构 机架及电力设备及安全保护装置等6部分组成 1 运行机构 地面行走机构上部支承行走机构 行走轮的布置 堆垛机运行机构的输出扭矩的大小根据行走阻力而定 减速比与车轮直径和行走速度有关 运行速度可根据仓库长度和货物出入库频率而定 正常工作速度一般控制在80m min以下 最高可达到180m min 为保证停止精度 应需要一挡慢速 约4m min左右 对于自动控制的堆垛机 为了在近距离运行时缩短慢速爬行时间 还需要一中速档 约20m min 2 升降机构 升降机构由电动机 制动器 卷筒或链轮 柔性件 以及防落安全装置组成 常用的柔性件有钢丝绳和起重链 升降机构的工作速度一般控制在15 25m min 最高可达45m min 升降速度应备有慢速挡 如3 5m min 主要用于堆垛机平稳准停 货叉短距离取货 放货时的升降 起动链传动升降机构钢丝绳传动升降机构 3 载货台及装 取货伸缩机构 货叉的伸缩速度一般控制在15m min以下 最高可达30m min 为了便利起动和制动 当伸缩速度大于10m min时 应设置慢速挡 4 机架机架是堆垛机的主要构件 要求有足够的强度和刚度 有单柱式和巨型框架的双立柱式 5 电气及安全保护装置 电气装置由电力驱动装置和自动控制装置组成 除了起重设备常备的安全保护装置与措施如 各机构的终端限位保护和缓冲保护 电动机过热和过电流保护 控制电路的零位保护等外 还应增加下列保护措施 1 货叉与行走 升降机构互锁 2 空出库 货格虚实探测 3 载货台断绳保护 4 声光信号 5 软件自检措施 三 其他各类起重设备 1 桥式起重机 通用桥式起重机1 桥架 2 小车 3 大车运行机构 4 操纵室 5 小车导电装置 6 起重机总电源导电装置 门式起重机L 门框跨距H 吊具最高位L 吊具左右极限位B 车轮距 梁式起重机a 手动单梁起重机b 手动双梁起重机c 手动单梁悬挂起重机 2 旋转起重机 固定旋转起重机港口起重机 轮胎起重机1 起重臂 2 变副滑轮组 3 机棚 4 人字架 5 支腿 6 后桥 7 回转滚盘 8 底架 9 前桥 10 吊钩 由于各类型起重机的结构特点 起重量 起升高度 速度和工作级别等不同 因此使用范围各异 技术参数各异 在起重机选用上要根据有关参数 特点和使用范围进行合理选取 配备起重机的选择原则 主要根据以下参数进行起重机的类型 型号选择 1 起重物品的重量 形态 外形尺寸等 2 工作场地的条件 长 宽 高 室内或室外 3 工作频繁程度 负荷情况的要求 4 生产率的要求 第六节自动化立体仓库 一 概述自动化立体仓库又称高层货架仓库 自动仓储系统AS RS AutomaticStorage RetrievalSystem 1 自动化立体仓库的特点 1 高层货架存储 2 自动存取 3 计算机控制 2 自动化立体仓库的功能 1 储存和保管功能 2 调节供需功能 3 调节货物运输能力 3 自动化立体仓库的发展 二 自动化立体仓库的构成 1 货物储存系统 货物储存系统由立体货架的货格 托盘或货箱 组成 货架的结构形式可分为分离式 整体式和柜式三种 按其高度分为高层货架 12m以上 中层货架 5 12m 低层货架 5m以下 货架按排 列 层组合成立体仓库储存系统 2 货物存取和传送系统 货物存取和传送系统由有轨或无轨堆垛机 出入库输送机 装卸机械组成 3 控制和管理系统 控制系统是自动化立体仓库充分发挥其优越性的关键 自动化立体仓库主要由机械系统和控制管理系统两部分组成 机械部分包括货物储存系统 货物存取和传送系统 三 自动化立体仓库的设计 1 机械系统设计 1 高层货架设计首先要根据用户提供的库房空间和库存量 设计仓库的总体尺寸和储存货物的类型 选择仓库的形式和作业方式 据此可确定仓库的巷道数 层数 列数和货架的形式 并且考虑货架的结构形式 材料和货物单元的形式 2 巷道式堆垛机的选用 DA05170型巷道式堆垛机的具体参数是 形式 单立柱 双货叉 额定载质量 500kg行走速度 4 8m min升降速度 2 12m min行走及升降定位精度 10mm提升高度 22 5m巷道有效宽度 1200mm 在选定堆垛机型号后 对货架的参数进行校核验算 以符合用户要求 3 输送机等设备的选择 仓库输送 搬运还必须利用各种输送机 叉车 自动搬运小车 升降机等其他机械设备构成出入库的运输系统 至于采用那种输送装置 要根据货物的类型 装运条件和仓库的结构等情况决定 2 控制系统的设计 1 信息识别系统 信息识别包括对自动化仓库中货物识别 跟踪 堆垛机自动认址 货物位置检测和堆垛机准停等内容 2 数据通信 自动化立体仓库由众多子系统组成 各系统之间 各设备之间要进行大量的信息交换 对不同设备的控制器应采用不同的信息接口 通信操作方式及协议 3 仓库总体尺寸设计 1 仓库高度仓库高度代表立体仓库水平的一个主要参数 一般以10 20m为适宜 如果立体仓库库存量为 巷道数为 货架高度方向上的层数为 则每排货架的水平方向上的列数 就可以根据公式D N 2AB计算出来 再根据每排货架的列数以及货格横向尺寸就可以确定货架总长度 根据货架总长度 宽度和高度 在结合实际需要 考虑办公室 操作控制室 搬运机械的转弯以及其他辅助设施等 就可以确定仓库的总体尺寸 2 立体仓库面积 S 立体仓库所需总面积 m2 a 立体仓库面积利用率 为堆货面积与总面积之比 mq 立体仓库货物的堆存量 t q 立体仓库单位面积上的货物堆放量 t m2 E 通过立体仓库的月最大货物存取量 每月30天计算 K 设计最大入库百分数 t 货物在立体仓库中平均库存期 根据统计的各种货物历年平均库存周期分析确定 H 货物的堆放高度 按照装卸工艺要求确定 m r 货物堆存量 t m2 立体仓库总面积也可以由以下公式计算 f1 存放货物有效存放面积 m2 f2 入库验货场地面积 m2 f3 出库发货场地面积 m2 f4 通道 人行道 车行道 面积 m2 3 立体仓库通过能力 b为立体仓库货物的月不平衡系数 该系数与货运量 货源 运输工具的衔接 水文气象以及生产管理因素有关 应该参照同类仓库正常情况下不少于连续三年的统计资料来分析确定 一般情况下 运量越大 不平衡系数越小 s q a t意义同前 4 堆垛机作业循环时间 对多机的作业循环时间可以分为平均单一作业循环时间和平均复合作业循环时间 1 平均单一作业循环时间平均单一作业循环时间是指堆垛机从某一出 入库站开始向所有货格进行入库作业循环 或出库作业循环 所需要的总时间被货格数除所得的时间 单货叉 单伸长式的堆垛机作业时间可以用下式表示 Ts 平均单一作业循环时间 s j 货架列数 1 m k 货架层数 1 n tjk 单程移动时间 从该入库站开始到j列k层单程移动时间 s tf 叉货时间 在出入库站或货格处 货物移动