自动化立体仓库机械设计【通过答辩毕业论文+CAD图纸】

毕业设计自动化立体仓库设计学生姓名学号系部机械工程系机械设计制造及其自动化专业指导教师诚信声明本人郑重声明本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名年月日毕业设计任务书设计题目自动化立体仓库设计系部机械工程系专业机械设计制造及其自动化学号学生指导教师（含职称）副教授专业负责人1设计的主要任务及目标查阅和参考相关资料文献，做出自动化立体仓库的整体设计方案建立自动化立体仓库规划设计的一般流程,设计立体仓库物流系统,对所建立的自动化立体仓库进行仿真2设计的基本要求和内容立体仓库的结构设计立体仓库的物流系统设计设计采用计算机图形模拟物品存取轨迹编写设计说明书3主要参考文献1张万忠主编，电器与PLC控制技术M，化学工业出版社，2003年2胡学林主编，可编程控制器教程M，电子工业出版社，2004年3周美兰主编，PLC电气控制与组态设计M，北京科学出版社，2006年4曾庆波主编，监控组态软件及其应用技术M，哈尔滨工业出版社，2006年5严盈高主编，西门子S7200PLC入门M，北京人民邮电出版社，2007年4进度安排设计各阶段名称起止日期1完成开题报告2014333232确定总体方案20143244243实验和初稿20144255244毕业设计定稿20145256105完成答辩2014611620自动化立体仓库设计摘要自动化立体仓库作为现代化物流系统中的重要组成部分。自动化立体仓库主要由高层货架、巷道堆垛机、出入库输送设备、自动控制与管理系统所组成。本设计系统地分析了自动化立体仓库的总体规划和设计方法，在此基础上设计了自动化立体仓库的结构特性、货位分配策略及优化分析、物流系统的优化设计，并基于FLEXSIM仿真优化技术对自动化立体仓库的运行状况进行了可视化仿真研究。关键词自动化立体仓库，货位分配，巷道堆垛机，仿真DESIGNOFAUTOMATICSTEREOSCOPICWAREHOUSEABSTRACTASANIMPORTANTPARTOFMODEMLOGISTICSSYSTEMITISMADEUPOFHIGHLEVELSHELVES，STACKERCRANE，INOUTCONVEYORSYSTEM；AUTOMATICCONTROLANDMANAGEMENTSYSTEMTHEDESIGNOFSYSTEMATICANALYSISOFTHEOVERALLPLANNINGANDDESIGNMETHODOFTHEAUTOMATEDWAREHOUSE,ONTHEBASISOFTHEDESIGNOFTHEAUTOMATEDWAREHOUSESTRUCTURECHARACTERISTICS,STORAGELOCATIONASSIGNMENTSTRATEGYANDOPTIMIZATIONOFLOGISTICSSYSTEMANALYSIS,OPTIMIZATIONDESIGNTHISTHESISSTUDIEDTHESIMULATIONOFAS/RSONTHEBASISOFFLEXSIMSIMULATIONSOFTWAREKEYWORDSAUTOMATEDSTORAGEANDRETRIEVALSYSTEMAS/RS，CELLSDISTRIBUTIONRETRIEVALVEHICLERGV，SIMULATIONI目录1前言111自动化立体仓库系统概述1111自动化立体仓库的概念1112自动化立体仓库的分类1113自动化立体仓库的组成312国内外自动化立体仓库的发展及现4121立体仓库的历史与发展4122我国自动化立体仓库的发展513物流系统仿真及其研究现状6131物流系统仿真概述6132物流系统仿真国内外研究现状62自动化立体仓库系统总体方案设计721自动化立体仓库的总体规划与设计基础7211一般原则7212主要过程与步骤722自动化立体仓库货架设计模型分析9221货架最佳参数确定模型9222货位空间尺寸计算模型12II23自动化立体仓库具体实例结构设计14231货架和托盘的设计14232巷道堆垛机1524确定仓库总体布局233堆垛机控制系统2431巷道堆垛机的控制方式2432堆垛机货位虚实检测2433PLC控制系统25331PLC输入输出I/O点分配25332PLC控制系统的程序流程274自动化立体仓库物流系统的设计3141物流管理31411货物存储模式和货位分配原则31412货位分配原则3242出入库作业调度优化32421作业调度操作方式33422出入库作业调度原则34423作业周期345基于FLEXSIM的自动化立体仓库运行仿真3651物流系统仿真概述36III52基于FLEXSIM的物流系统仿真37521FLEXSIM物流仿真软件37522FLEXSIM仿真模型3853自动化立体仓库仿真的建立396结论40参考文献41致谢43附录4411前言11自动化立体仓库系统概述111自动化立体仓库的概念自动化立体仓库又称立体库，高层货架仓库，自动仓储系统AS/RSAUTOMATEDSTORAGEANDRETRIEVALSYSTEM1。所谓自动化仓库是指由电子计算机进行管理和控制，不需要人工搬运作业，而实现货物收发作业的仓库。立体仓库是指采用高层货架以货架或托盘存取货物，用巷道堆垛机及其他机械进行作业的仓库。将两种仓库的作业技术结合称为自动化立体仓库2。它具有占地面积小，存储量大、周转快的优点，是集信息、存储、管理于一体的高技术密集型机电一体化产品34。112自动化立体仓库的分类自动化立体仓库是一个复杂的综合自动化系统，作为一种特定的仓库形式，一般有以下几种分类方式16781按建筑形式可分为整体式和分离式两种。整体式指货架除了存储货物以外，还作为建筑物的支撑结构，构成建筑物的一部分，即库房货架一体化结构，一般整体式高度在12米以上。这种仓库结构重量轻，整体性好，抗震好。分离式中存货物的货架在建筑物内部独立存在。分离式高度在12米以下，但也有15米至20米的。适用于利用原有建筑物作库房，或在厂房和仓库内单建一个高货架的场合。2按照货物存取形式分为单元货架式、移动货架式和拣选货架式。2单元货架式是常见的仓库形式。货物先放在托盘或集装箱内，再装入单元货架仓库货架的货格中。移动货架式由电动货架组成，货架可以在轨道上行走，由控制装置控制货架合拢和分离。作业时货架分开，在巷道中可进行作业；不作业时可将货架合拢，只留一条作业巷道，从而提高空间的利用率。拣选货架式仓库的分拣机构是其核心部分，分为巷道内分拣和巷道外分拣两种方式。“人到货前拣选”是拣选人员乘拣选式堆垛机到货格前，从货格中拣选所需数量的货物出库。“货到人处拣选”是将存有所需货物的托盘或货箱由堆垛机至拣选区，拣选人员按提货单的要求拣出所需货物，再将剩余的货物送回原址。3按照货架构造形式分类可分为单元货格式、贯通式、水平循环式和垂直循环式。单元货格式仓库中巷道占去了三分之一左右的面积。为了提高仓库利用率，可以取消位于各排货架之间的巷道，将个体货架合并在一起，使每一层、同一列的货物互相贯通，形成能一次存放多货物单元的通道，而在另一端由出库起重机取货，成为贯通式仓库。根据货物单元在通道内的移动方式，贯通式仓库又可分为重力式货架仓库和穿梭小车式货架仓库。重力式货架仓库每个存货通道只能存放同一种货物，所以它适用于货物品种不太多而数量又相对较大的仓库。梭式小车可以由起重机从一个存货通道搬运到另一通道。水平旋转式仓库的货架本身可以在水平面内沿环形路线来回运行。每组货架由若干独立的货柜组成，用一台链式传送机将这些货柜串连起来。每个货柜下方有支撑滚轮，上部有导向滚轮。传送机运转时，货柜便相应运动。需要提取某种货物时，只需在操作台上给予出库指令。当装有所需货物的货柜转到出货口时，货架停止运转。这种货架对于小件物品的拣选作业十分合适。它简便实用，充分利用空间，在作业频率要求不太高的场合是很实用的。垂直旋转货架式仓库与水平循环货架式仓库相似，只是把水平面内的旋转改为垂直面内的旋转。这种货架特别适用于存放长卷状货物，如地毯、地板革、胶片卷、电缆卷等。34按所起的作用可以分为生产性仓库和流通性仓库。生产性仓库是工厂内部为了协调工序和工序、车间和车间、外购件和自制件物流的不平衡而建立的仓库；流通性仓库是一种服务性仓库，是为了协调生产厂和用户间的供需平衡而建立的仓库。这种仓库进出货物比较频繁，吞吐量较大。113自动化立体仓库的组成自动化立体仓库AS/RS是由高层货架、托盘或货箱、巷道堆垛机、出入库输送系统、通讯系统、堆垛机控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其他辅助设备组成的复杂的自动化系统16。1货架910货架用于存放货物。货架的高度通常在8M50M之间。货架越高，所占用的面积越少。同时，对货架的要求也越高。货架的形式有很多种从货架的制造工艺分为焊接式货架和组合式货架两种。从货架的结构形式来分，又可分为单元式货架、贯通式货架、旋转式货架和悬臂式货架。2托盘或货箱自动化立体仓库采用货箱或托盘作为载体来存放货物。各种外形不规则的货物和零散的货物，采用货箱存放；大型的规则的货物用托盘存放。使用托盘或货箱方便货物的管理和存储，还可以保护物品免受损伤。托盘多为钢制、木制或塑料制成。3巷道堆垛机堆垛机在立体仓库货架区的巷道内往复运行，存取货物，又称巷道堆垛机。堆垛机是整个自动化立体仓库的核心设备，通过手动操作、半自动操作或全自动操作实现把货物从一处搬运到另一处。巷道堆垛机是随着立体仓库的应用而发展起来的4专用起重机，通常一个巷道配备一台堆垛机，有时两个巷道或多个巷道共同使用一台堆垛机。巷道堆垛机是目前国内外立体仓库中应用最多的一种设备。巷道式堆垛机有多种不同的分类形式1213按结构形式分为单立柱型和双立柱型。单立柱型堆垛机的机械结构由一根立柱和上、下横梁组成，自重较轻，但刚性较差；双立柱型堆垛机的机械结构由两根立柱和上、下横梁组成，刚性好，但该结构堆垛机的自重比单立柱型堆垛机重。按支撑方式分类可分为地面支撑型、悬挂型和货架支撑型。地面支撑型堆垛机由其下部运行机构支撑和驱动，堆垛机整体运行于铺设在地面的轨道上，堆垛机上部设有水平导向轮；悬挂型堆垛机的货架下部设导轨，堆垛机悬挂于轨道下翼缘上运行，运行机构设在堆垛机的上部，堆垛机下部设有导向轮货架支撑型堆垛机支撑在货格顶部两侧轨道上运行，货架下部设导轨，堆垛机下部设导向轮，运行机构设在堆垛机的上部。按作业方式可分为单元型和拣选型。单元型堆垛机以整个货箱为单元，进行入出库作业，堆垛机载货台需备有叉取货物的装置；拣选型堆垛机上设拣选平台，由司机或工作人员拣货出库，载货台上可不带货叉机构。4出入库输送系统出入库输送系统是货架与货物出入库口的联结输送系统。出入库输送设备有辊式输送机、链式输送机、出入库站台小车RGV、自动引导小车AGV等。自动化立体仓库的出入库系统的规划设计以及采用哪些输送机械，需根据仓库的整体布局、仓库的功能以及货物的类型等情况决定。出入库系统的输送速度以及分岔、合流点的数量等，都要以满足仓库的出入库效率作业效率为原则来确定。5堆垛机控制系统控制系统是自动化仓库运行成功的关键。没有好的控制，系统运行的成本就会5很高，而效率很低。为了实现自动运转，自动化仓库内所用的各种存取设备和输送设备本身必须配备各种控制装置。这些控制装置种类较多，从普通开关和继电器，到微处理器、单片机和可编程序，根据各自的设定功能，它们都能完成一定的控制任务，如巷道式堆垛机的控制控制器PLC要求就包括了位置控制、速度控制、货叉控制以及方向控制等。所有这些控制都必须通过各种控制装置去实现。12国内外自动化立体仓库的发展及现121立体仓库的历史与发展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11。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。此后，在欧洲各国，由于用地紧张，开始计划建造25到30米的高层自动化化仓库。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，1970年安装了了由货架支承式改变为地面支承式的高度达40米的堆垛机。70年代还提出了采用50米高堆垛机的可能性。进入90年代后，堆垛机在使用范围和性能上有了很大的发展17。在日本，从1967年开始安装了高度为20到25米的高层堆垛机，1965年出现了联机全自动化仓库。此后，日本的自动化仓库技术和设备的台数都有了突飞猛进的发展，在各个部门都安装了各种各样的堆垛机，特别是1973年建成了一座贮藏生鲜食品的自动化冷藏库，这是世界上第一座温度在零下40摄氏度的极低温仓库，解决了低温条件下堆垛机工作的可靠性和技术方面的问题，取得了引人瞩目的成果。日本的自动化仓库技术和自动化仓库的拥有量位居世界前茅12。美国学者JAWHITE将自动化技术在仓储领域包括立体仓库中的发展分为五个阶段人工仓储阶段、机械化仓储阶段、自动化仓储阶段、集成化仓储阶段和智6能化阶段。其中智能自动化仓储在九十年代后期以及二十一世纪的若干千年内，将是自动化立体仓库技术的主要发展方向181920。122我国自动化立体仓库的发展我国对自动化立体仓库及其物料搬运设备的研制并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机机械部北京起重运输机械研究所，1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库高15米，机械部起重所负责，该库1980年投入运行。1995年建成的仪征化纤工业联合公司涤纶自动化立体仓库是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。近些年，我国自动化仓库技术发展很快，已实现了与其他信息决策系统得集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。据不完全统计，截止到2009年底，全国自动化立体库的保有量已超过1500座。2009年建设的自动化立体库在500座以上，主要集中在机械制造、汽车、烟草、食品加工、服装生产、医药生产及流通等行业。军队自动化立体仓库建设速度加快，近两年全军列入建设计划的自动化立体库有几十座，各供应厂商格外重视该市场领域，今后的竞争将日趋激烈。预计2011年形势会更好，全年自动化立体库建设数量将接近800座。13物流系统仿真及其研究现状131物流系统仿真概述仿真是利用计算机来运行物流系统的仿真模型，模拟系统的运行状态及其随时间变化的过程，并通过对仿真模型运行过程的观察和统计，得到被仿真系统的输出参数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能47。20世纪40年代以来，伴随着计算机技术的发展，仿真技术在航空、航天、原子反应堆等领域以及电力、石油化工、冶金、机械等重要工业部门发挥着重要的作用。7132物流系统仿真国内外研究现状随着建模仿真技术本身的发展与物流管理、自动化水平的提高，物流系统仿真技术水平也不断提高，推广应用。目前，国内外对物流系统仿真的研究主要集中在供应链库存控制系统、交通运输系统、生产物流系统、仓储物流系统、港口装卸系统等49。1972年，BAFNA和REED18对具有高层货架的自动化立体仓库的设计使用了仿真程序来评估设计的优劣。1984年，ROSENBLATT和ROLL19对于自动化立体仓库的仿真模型使用一种搜索程序，寻求减少自动化立体仓库建设和运行的最低费用。1983年，PERRY等开发出了优化搜寻程序，用于仿真自动化立体仓库模型。1999年，WILLIAMB，NORDGREN对使用FLEXSIM物流仿真软件进行自动化立体仓库建模的流程进行了分析。AYANFRITZ，STEPHENHORVATH等对自动化立体仓库的系统建模与仿真技术进行了较为全面的研究，对FLEXSIM在自动化立体仓库建模流程和优化分析方法着重的进行了论述。1998年，常发亮、刘长有等建立了分析自动化立体仓库输送调度系统的仿真PETRI网模型。2006年，张汉江，肖伟等刚使用FLEXSIM物流仿真软件建立了辅助自动化立体仓库设计的可视化仿真模型，并使用该仿真辅助设计，模型对公司自动化立体仓库的设计进行了验证和进一步的优化调整。刘立军，阮建敏等利用系统建模和仿真技术对自动化立体仓库的系统运作进行分析，通过FLEXSIM仿真评价系统，提供系统可行性分析，为系统建模提供决策依据。2自动化立体仓库系统总体方案设计21自动化立体仓库的总体规划与设计基础211一般原则一般来说，建设立体仓库的主要目的是提高储存供应能力、节约人力物力、有8效衔接生产、加快物资周转、降低物流成本、提高科学管理技术水平和企业经济效益。因此，在自动化立体仓库规划设计要遵循的一般原则为系统性、先进性和经济性。第一，自动化立体仓库的规划设计应考虑系统性原则。立体仓库是一个完整的系统，设计时一方面要考虑到自动化立体仓库的完整性；另一方面还要考虑它作为供应链中一个环节，与其他物流环节的相互衔接和配合问题。第二，自动化立体仓库的规划设计应该考虑先进性原则。在规划和设计自动化立体仓库时，结合企业的实际情况，如果经费允许，设计者应具有一定的前瞻性，尽量采用比较先进的物流设备。这样，一方面可以保证短期内所设计的自动化立体仓库具有一定的先进性，另外也可以减少更换旧产品的经费，节约仓库的建设维护成本。第三，自动化立体仓库的规划设计还应该考虑经济性原则。自动化立体仓库的规划设计中，在满足自动化立体仓库的主要功能的前提下，要求设计者为企业的投入成本着想，尽量减少工程量，减少不必要的项目开支，选用性价比较高的设备。212主要过程与步骤自动化立体仓库的组成设备众多，它是一个由相互作用、相互联系的各种因素和环节构成的综合系统。同时，作为一个相对完整的子系统，自动化立体仓库还与企业供应链上的其他环节相互衔接。因此仓库的设计过程实际上是一个不断分析各种因素之间的相互关系并做出最合理决策的过程。自动化立体仓库的设计的一般过程和步骤1收集和研究原始资料。在确定要建立自动化立体仓库之后，规划设计人员需要研究原始资料，经过分析和整理后结合实际情况进行修订，得出仓库规划设计的主要依据。2确定仓库形式、作业方式和货物单元。在调查分析入库货物的品种的基础上，首先应该确定仓库的形式。一般采用单元货位式仓库，对于储存品种单一或很少，9而批量较大的仓库则可采用重力式货架仓库或者其它形式的仓库；对于有特殊要求的货物，可以采用如冷藏、防潮、恒温等设施仓库。根据以整单元出库为主还是零星货物出库为主，决定是否采用拣选作业。为了提高出入库的搬运效率，应尽量采用复合式作业方式，避免采用单入单出模式，也可以采用一次搬运两个货物单元使用双叉堆垛机的作业方式提高作业效率。3确定货物单元形式和货架设计。为了确定货物单元形式、尺寸和重量，应该对货物进行品种分析，选择最佳的设计方法。确定好货物单元形式后，可以据此进行货架的设计。货架的设计过程实际上是一个确定合理的货架参数的过程。货架参数的确定在立体仓库设计流程中起着重要的作用，货架参数将直接决定仓库布局，合理的参数可以避免空间的浪费，满足仓库出入库能力要求，同时又降低了立体仓库的造价。4确定库存量和仓库总体尺寸。立体仓库的设计规模主要取决于库存量。如果库存量已知，在适当考虑未来发展需要的基础上，可以直接使用这个库存量参数，但是要给出一定的裕量。如果库存量未知，需要研究原始资料，根据前几年的出入库的数量和规律确定库存量。确定立体仓库的总体尺寸时，考虑到容易实现和经济性要求，仓库不宜设计的过高，以LO20M的高度为宜。仓库的高度和长度之间的比例关系一般在01504；仓库的宽度和高度之间的比例关系一般在01204。5选择机械设备类型数量。选择机械设备类型和数量主要是为立体仓库选择堆垛机。堆垛机的数量主要取决于仓库的作业能力，即最大出、入库频率。一般情况下，货架的高和长的比值等于堆垛机的垂直运行速度和水平运行速度的比值一般1/41/6时，堆垛机的效率最高。6立体仓库的出入库流量设计主要和出入库搬运周期有关。立体仓库的搬运周期一般取决于巷道堆垛机的作业循环时间。堆垛机的出入库搬运分为单一作业和复合作业两种，堆垛机的搬运周期越短，立体仓库的出入库作业效率也越高。7总体布局设计。在完成上述六个主要步骤之后，便可以根据作业要求对自动化立体仓库进行总体布局设计。总体布局设计时应考虑立体货架与作业区的衔接方式和货物单元出入高层货架的方式。1022自动化立体仓库货架设计模型分析221货架最佳参数确定模型货架的最佳参数设计得到了很多研究和讨论，各种设计计算方法在确定货架最佳参数时，虽然所采取的数学模型各不相同，但是都是基于一个设计指导思想遵循设计机械化仓库时所应该采取的经济性原则，同时也考虑各种特殊的因素和技术经济指标，使立体仓库货架的成本降低，并获得更高的效率。本章主要使用基于堆垛机最佳运行效率的货架最佳参数确定模型。基于堆垛机效率的货架最佳参数确定模型是在有空间限制和无空间限制两种条件下以堆垛机的使用效率作为目标，对货架的长度和高度进行估算，得出货架的最佳参数。使用这种方法进行货架最佳参数设计时，首先需要计算出堆垛机的运行周期。堆垛机的运行周期是指堆垛机完成一个出入库搬运作业所需要的时间，堆垛机单一作业循环和复合作业循环如图21、22所示。11图21堆垛机单一作业循环原理图图22堆垛机复合作业循环原理图堆垛机从原始位置出发到指定货位完成一次取货或存货后重新回到原始位置待命为一个单一作业循环；从原始位置出发到某指定货位完成一次存货之后又到另一指定货位完成一次取货，然后返回原始位置为一个复合作业循环。目前我国物流行业标准、欧洲物料搬运协会的物流标准都选用P102L，067H，P2067L，02H，L是整个立体仓库的货架总长，H是立体仓库货架的总高。对堆垛机运行周期的计算，就是通过计算三个点的运行时间来得到的。另外它还取决于堆垛机的速度、加速度，以及货叉完成一次存货或取货的时间。如果堆垛机启动后同时在水平和垂直方向上达到最大运行速度，即VX/AXVY/AX，且货架的设计使得堆垛机作业时水平运行机构和垂直运行机构同时到达货位，即L/VXH/VY，能减少堆垛机作业等待时间，堆垛机作业效率较高。1对于单一作业循环周期的计算，由图21可知O点到P1点X方向运行的时间T1XL/5VXVX/AX，Y方向的运行时间T1Y2H/3VYVY/AY。12O点到P2点X方向的运行时间T2X2L/3VXVX/AX，Y方向的运行时间T2YH/5VYVY/AY。根据堆垛机单一作业循环时间公式TSMAX（T1X，T1Y）MAX（T2X，T2Y）2，堆垛机单一作业运行时间有四种情况，比较四种堆垛机单一作业循环时间，选择最大值，可得堆垛机单一作业循环时间表示为TST2XT1Y22H/3VY2L/3VXVY/AYVX/AX2TF21式中TS为堆垛机单一作业循环时间，为堆垛机货叉伸缩时间。H为立体仓库货架区总高，L为立体仓库货架区总长。为堆垛机水平运行速度，为堆垛机垂直运行速度。运行加速度，为堆垛机垂直运行加速度。2对于复合作业循环周期的计算，由图22可知O点到P1点X方向运行的时间T1XL/5VXVX/AX，Y方向的运行时间T1Y2H/3VYVY/AY。P1点到P2点X方向运行时间T2X7L/15VXVX/AX，Y方向的运行时间T2Y7H/15VYVY/AY。P2点到0点X方向的运行时间T3X2L/3VXVX/AX，Y方向的运行时间T3XH/5VYVY/AY。根据复合作业循环周期的计算公式TDMAX（T1X，T1Y）MAX（T2X，T2Y）MAXT3X，T3X4TF，堆垛机复合作业循环时间有八种情况，可得堆垛机复合作业循环周期是TD2H/3VY7L/15VX2L/3VXVY/AYVX/AX4TF1317L/15VX2H/3VY2VX/AXVY/AY4TF22式中TD为复合作业循环时间。在确定堆垛机的单一作业循环周期和复合作业循环周期后，还应该分析堆垛机单一循环作业和复合循环作业在堆垛机整个作业过程中的比例，分别为PROP1和PROP2且PROP1PROP21。具体的最佳参数H和L设计方法如下1有空间限制的设计方法。这种设计方法常常用于设计的空间已经被限制的情况如已经建设好仓储库房只需设计货架的行数等参数，此时由于空间有限，实际上货架的行数和层数都已经基本确定，可以直接使用给定的货架区货架的H和L值进行运算。因此根据出入库能力来确定巷道数为NPPROP1TSPPROP2TD/3600（23）式中P为每小时托盘出入库总量，为堆垛机期望使用效率，N堆垛机的数目。求出堆垛机的数目N，2N是单伸货架的排数，4N是双伸货架的排数。2无空间限制的设计方法。这种设计方法常常用于设计空间由设计者制定的情况如仓储库房仍未建设，设计者可以自己制定H和L参数。这种设计方法的计算步骤如下根据经验设计法推荐仓库的经济使用高度H；根据设计要求确定堆垛机的期望使用效率；分析堆垛机的单作业循环和复合作业循环的比例PROP1和PROP2，并计算堆垛机的运行周期；根据堆垛机的期待使用效率公式推导货架的长度工的计算式，具体计算方法如下所示；根据堆垛机的期望使用效率公式PPROP1TSPPROP2TD/3600N24将公式21、22带入公式24可得货架长度的计算公式14LABCDE25且A5400VXN/P107PROP1,B10VXH/VY107PROP2C15VX21PROP1/AX107PROP2,D15VXVY/AY107PROP2E30TFVX1PROP2/107PROP2推导出货架的长度估算公式后，将N1,2,3。分别带入该公式，得到N组关于堆垛机数目和货架长度的解，选择其中最接近期望值的一组为最佳货架长度参数L和堆垛机数目N，2N为单伸货架行数，4N为双伸货架行数。222货位空间尺寸计算模型货架按照存取作业的方式不同，可以分为托盘货架单元货架、驶入式货架、阁楼式货架、重力式货架、悬臂式货架、移动式货架、旋转式货架等。托盘货架由于架设施工简单、费用经济、出入库存取不受物品先后顺序的限制等优势获得了广泛应用。托盘货架的货位存放托盘货物的方式主要有单货位单托盘、单货位双托盘和单货位三托盘三种。货位的空间尺寸取决于货物货箱尺寸以及托盘货物存放在货位上后，托盘四周留出的空间大小。托盘货架的货位尺寸如图23所示。1516图23托盘货架货位尺寸示意图图中PX为托盘货物的宽，PY为托盘货物的长，PZ托盘货物的高；CX为货位的长，CY为货位的宽，CZ为货位的高；LX货架支撑的长，WY货架支撑的宽，HZ货架横梁的高；A、B、C、D为货位间隙。由图23可得单托盘货位的尺寸为CXPX2ALX，CYPY2BWY，CZPZDHZ由图23可得双托盘货位的尺寸为CX2PX2ALX，CYPY2BWY，CZPZDHZ由图23可得三托盘货位的尺寸为CX3PX2A2CLX，CYPY2BWY，CZPZDHZ货架类型的选择主要依赖于货物的重量、仓库的储存量和空阔的尺寸限制。在确定货位尺寸时，必须综合考虑影响它的因素，根据具体的货物类型、选用的堆垛机和货架的材料来选择A、B、C、D等参数。特别是堆垛机的定位精度、货叉的行程和稳度都对货位的结构尺寸有很大影响。1723自动化立体仓库具体实例结构设计某柔性制造实验室实施了一项自动化立体仓库建设项目。项目实施目标在原来建设的20M8M4M仓储库房内建设一个自动化立体仓库。231货架和托盘的设计1确定仓库形式和作业方式。采用托盘货架式仓库，巷道堆垛机进行存取作业，单一作业和复合作业混合。货架长55米,宽2米,高3米第一、二排每排设10列，每列设6层，上面五层存放货物，下面一层起到支撑作用，一共136个货格。货格尺寸为490MM630MM320MM，每个货格最大可储存50KG货物，托盘使用1100MMX1100MM规格，托盘均为锯木托盘。货架严格按JB“1“532396立体仓库焊接式钢结构货架技术条件，标准设计、制造和安装调试。每两排货架由堆垛机的通行巷道分开，堆垛机装有可伸缩的叉式抓取装置，可以将装有货物的托盘送入两排货架的深处，从而使仓库的利用率提高。将收发货间分别设置在双排型货架相对的两端，这样可保证货物的连续移动，减少货物在仓库区的运输行程。货架采用Q235冷弯薄壁型钢制作，冷弯型钢是制作轻型钢结构的主要材料，采用钢板或钢带冷弯成型制成。它的壁厚不仅可以制得很薄，而且大大简化了生产工艺，提高生产效率。紧固部分使用螺栓紧固，便于安装与拆卸维护。232巷道堆垛机堆垛机为单立柱巷道堆垛机，巷道堆垛机主要由起升机构、运行机构、货叉、机架立柱及上横梁、载货台、电气设备和安全及连锁保护机构等组成。堆垛机的结构图如图24所示18图24巷道堆垛机结构图1堆垛机的载荷计算堆垛机的在和主要是由以下几部分堆垛机的龙门框架的重量,即堆垛机的立柱重量G、上横梁的重量G3包括滑轮组和导轮的重量、下横梁的重量GS,堆垛机运行机构的重量,即驱动轮的重量G7、从动轮的重量G6,堆垛机起升机构的重量主要是驱动19电机和底座的重量G4,存取货物机构的重量,即载货台和货叉的重量G,货物重量G2,还有就是电气控制柜重量G5。20图25堆垛机受力图据图示对于立柱的受力情况可知,两个立柱受力情况有所不同,立柱1除受到自身重力G外,受到上横梁的重力G3、货物重力负、存取货装置G1,还受到电气控制柜负,立柱2上横梁的重力G3、货物重力G2、存取货装置G1以,还受到起升电机的重力G4。当堆垛机以较高速度运行时,立柱还受到惯性力的作用,尤其货物处于最高位置时,立柱的受力状况最为不利,这种情况为立柱受力的极限情况。2下横梁的弯曲变形计算得其中为下横梁的变形极限,B为主、从动轮轴距。堆垛机在以最大的加速度运行时,下横梁1412151385424GLFIEQLILAMIELQHIVII）（下1214302530H628AILYLLYMIIII331403107FB中点M4103B21的水平弯曲在控制范围之内,不影响堆垛机的整体结构的稳定。根据公式得到3上横梁的弯曲变形计算对于堆垛机上横梁受力分析,如图26所示图26上横梁受力图上横梁受力产生形变,主要是受到载货台、货叉、货物的重力作用,受自身重力作用,另外,载货台加速上升时,上横梁还受拉力的作用。上横梁的变形在中点处的挠度最大,由以上几种受力的作用叠加得到。对于计算人,根据图26,质点G1、G2、G3的重力作用使上横梁弯曲变形,质点M1与M2加速上升对上横梁的拉力使得发生形变。对于上横梁中点的挠度为F上5556510267310726310892FHVHVAAA下2412213221I38Q544FIELILAIELGLIVII上22式中L一钢丝绳到立柱轴线距离L一两立柱轴线间距离E一上横梁的弹性模量MPAI一上横梁截面对中轴的惯性矩M其他参数同上。将各参数的数值带入公式得到根据公式即堆垛机在以最大的加速度运行时,上横梁的水平弯曲在控制范围之内,不影响堆垛机的整体结构的稳定4运动中立柱的摆动分析在实际的工作过程中,通过仔细的观察也发现堆垛机在启动和停车的一瞬间,立柱会出现摆动现象。如果这种摆动量过大,有可能会发生货物抖落的危险情况,并且立柱的这种摆动对堆垛机在停车后进行取、放货物是十分不利的。还有就是起升系统钢丝绳的拉力瞬间加剧,影响钢丝绳的使用寿命。堆垛机启动以后,加速度达到最大时,立柱柱端的摆幅也最大,对此时柱端进行分析,得出最大摆幅。建立堆垛机运动模型,并解决其摆动问题。由于双立柱堆垛机的两个立柱在运行过程中以共同的频率,共同摆幅的摆动的,所以在本文仅对其中一个立柱进行摆动分析,该立柱相当于一个悬臂梁,梁长为25M。为简化计算,把堆垛机简化成理想状态下的单质点悬臂梁的振动,如图27所示。M1083F4中点558710743FVVAA上23图27悬臂梁静变形曲线由材料力学公式得到悬臂梁的静变形曲线为式中，为梁的自由端的静力挠度，所以悬梁的的弯曲变形刚度为假定作简谐振动，悬臂梁的自由端的变位方程可以表示为梁上相应各点的位移可表示为相应各点运动的速度，可由Y对T取一阶导数而得，即32YLXEIMGL3SINTWASIN23Y2TWALXLXCOS32TLXN3KLEIP24假设梁的单位长度的质量为，梁上任一点长DX的单位质量DMDX,整个梁所具有的动能为得悬臂梁的振动频率为其中A梁的自由端的摆幅由于初始位置相位角为零，则堆垛机立柱的摆动方程为由于堆垛机运行的导轨不是一根完整的铁轨,而是由一定长度的铁轨焊接而成的,焊缝通过打磨机进行打磨,使得焊缝与两边的导轨过渡平滑。但是不论怎么打磨,焊缝总是会对堆垛机的运行产生一定的影响,这样一来当堆垛机通过这些焊缝的时候,就会产生激励。当堆垛机通过这些间隙时候的速度不同时,其产生的激励频率就会不同。堆垛机两轮的轴距是17M,如果堆垛机的最高速度是133M/S的时候,堆垛机在通过轨道焊缝的时候,将会对行走轮产生03866HZ频率的激励。固有频率为激励频率与固有频率相差较多。因此,不容易引起立柱的共振。所以对于堆垛机的振动,主要考虑固有频率振动对立柱摆动的影响。SRADMLEIFWN/46885714035923242232122VX）（NHWAWVFVTVATNNVHSIY22321HZW712468F221065423210210SCOS143COS9TWALDXTWXXALDYTNNN255堆垛机组成起升机构堆垛机的起升机构由电机减速机、卷筒、钢丝绳等部件组成，是移动载货台上、下运行的装置。起升机构性能及参数电机SEW三相交流电机速度430M/MIN速度控制器变频器认址方式编码器和光电开关加速度及减速度02M/S2运行机构运行机构主要由电机减速机、下横梁和车轮组成。运行机构安装在下横梁一端，下部车轮为主动轮，另一端为被动轮。运行机构性能及参数电机SEW三相交流电机速度4160M/MIN速度控制器变频器认址方式光电开关和激光测距仪加速度和减速度03M/S2货叉货叉是堆垛机的主要工作机构，其结构特点是能够双向伸出，以便向两侧货格26送入取出货物。缩回后，货叉连同载货台一起随堆垛机在巷道内运行。为此，货叉伸缩机构的设计要求是货叉完全伸出后，其长度须为原来长度的两倍以上。货叉全收回后，结构尺寸需尽量小。货叉性能及参数货叉结构三层双货叉电机SEW三相交流电机动力传达方式齿轮和链条传动叉货速度430M/MIN速度控制器变频器认址方式接近开关加速度及减速度02M/S2机架堆垛机双立柱结构形式的机架如“门“框形式，机架有上、下横梁及两根立柱构成，立柱与上、下横梁之间用法兰盘联结。堆垛机的机架是堆垛机的骨架，承受和传递堆垛机所担负的各机构的重量以及载重量。由于堆垛机的工作是频繁的起动、制动及变速运动，因此对机架结构要求也很高。载货台载货台是货物单元承载装置，通过钢丝沿立柱方向有导向装置，当货叉取送货物时，可以防止货叉倾斜；当载货台沿立柱方向运动时，导向装置可以防止载货台摆动。电气设备电气设备主要包括电力拖动、控制、检测和安全保护等强、弱电设备，三个主要机构的电力拖动系统，目前国内外普遍采用的是变频调速控制，从而满足堆垛机27高速运行、换速平稳、低速停准的要求。检测系统必须具有堆垛机自动认址、货位虚实探测、货箱位置检测等功能。对堆垛机的控制，目前国内外常用PLC可编程逻辑控制器控制。PLC的模块化结构以及远程通讯功能，完全可以满足堆垛机单机自动控制、全自动控制的要求。24确定仓库总体布局根据上述对自动化立体仓库的规划设计，最后得到自动化立体仓库总体布局如图28所示2829图28仓库总体布局3堆垛机控制系统31巷道堆垛机的控制方式该自动化立体仓库采用3种操作方式手动控制按钮操作、单机自动控制触摸屏操作、联机自动控制上位计算机操作。正常情况下使用联机自动方式，这时巷道堆垛机由上位计算机控制，只需人工在上位计算机上输入入库单/出库单，其余的工作都由控制系统自动完成。当通讯线路故障或上位机故障时，为了不影响生产，可采用单机自动控制工作方式。1手动控制方式通过堆垛机的转换开关及按钮控制堆垛机水平和提升运动及货叉伸缩。同时运动速度也可以手动选择。手动操作时，系统给予相应的警示信号。同时，系统将解除大部分的保护控制。手动操作主要用于安装、调试和排除故障。2单机自动控制触摸屏操作用触摸屏对堆垛机进行自动控制，控制系统根据用户输入的参数进行自动的取送货动作。触摸屏操作时，可以实现对货物的单送、单取、批送、批取、盘货等操作，可以实时显示设备运行工况、故障及查询历史故障等功能。3联机自动控制方式上位计算机操作监控计算机根据作业计划发出作业命令，经过CP5611卡由MPI网络传输到S7300的PLC内，S7300将接收到的数据进行处理，通过无红外通讯装置，将命令通过PROFIBUSDP网传给指定的堆垛机内的PLC。堆垛机上的PLC接到指令后，控制执行机构自动完成作业。同时堆垛机上的PLC及时将堆垛机的运行状态返回监控机，监30控机通过监视器显示堆垛机的工作状态。32堆垛机货位虚实检测堆垛机在自动状态下进行货物的搬运，在搬运过程中需要对货位虚实进行检测和监控。1货位虚实探测装在升降台上两个俯射的漫反射光电开关，随时可向控制系统传递货格或站台内有无托盘的信号，使控制系统能知道是存、还是取，或者是校正系统下达指令是否正确，若指令正确就执行，否则向系统传送出错信号。2货物尺寸检测通过装在升降台检测架上的两对对射式光电开关货架货格有两种存货高度对叉取的货物进行超高检测。货叉取货时，如果货物超过货架货格允许存储高度，光电开关光路被遮挡，堆垛机发出报警，并将货物送回至出入库站台小车或货格。3载货台有无托盘检测检测载货台有无托盘是通过装在升降台上能检侧到空、实托盘的光电开关来实现监测的。33PLC控制系统331PLC输入输出I/O点分配堆垛机控制系统所采用的PLC是S7200CUP226，总共使用了22个输入点、16个输出点，具体的I/O点分配如表31所示。堆垛机控制系统使用扩展VO模块EM221，EM223增加输入输出控制点，其I/O点分配如表32、33所示。31表31控制柜CPU226输入输出I/O点分配序号控制元件符号编程地址序号控制元件符号编程地址1联机/本机1SA3I0020横向后对准1SQ16I252自动/手动1SA4I0121前进强行减速1SQ17I263高速/低速1SA5I0222后退强行减速1SQ18I274停止1SB5I0323水平电机1KA8Q005急停1SB6I0424货叉电机1KA9Q016横向选定1SA6I0525水平变频器正转1KA10Q027纵向选定1SA7I0626水平变频器反转1KA11Q038堆垛机前进1SB7I0727水平变频器中速1KA12Q049堆垛机后退1SB6I1028水平变频器高速1KA13Q0510应急按钮1SA7I1329水平变频器第二减速1KA14Q0611货叉左伸到位1SQ7I1430水平变频器复位1KA15Q0712货叉右伸到位1SQ8I1531提升变频器正转1KA16Q1013货叉中位左1SQ9I1632提升变频器反转1KA17Q1114货叉中位右1SQ10I1733提升变频器中速1KA18Q1215纵向认址上对准1SQ11I2034提升变频器高速1KA19Q1316纵向认址计数1SQ12I2135提升变频器第二减速1KA20Q1417纵向认址下对准1SQ13I2236提升变频器复位1KA21Q153218横向前对准1SQ14I2337水平电机闸1KA22Q1619横向认址计数1SQ15I2438提升电机闸1KA23Q17表32控制柜PLCEM221扩展输入点分配序号控制元件符号编程地址序号控制元件序号编程地址1下降强行减速1SQ19I3013货叉左探空光电1SQ28I412前进极限停车1SQ20I3114低货位检测1SQ29I423后退极限停车1SQ21I3215高货位检测1SQ30I434上升极限停车1SQ22I3316超载信号1SP1I475横向原点1SQ23I3417松绳信号1SP2I506纵向原点1SQ24I3518提升变频器故障1BK1I517左货位探空光电1SQ25I3619水平变频器故障1BK2I528右货位探空光电1SQ26I3720货叉电机故障1FR3I539货叉左探空光电1SQ27I4021极限断电信号1KA27I54表33控制柜PLCEM223扩展输出点分配序号控制元件符号编程地址1上电继电器2KA24Q202警示灯2KA25Q21333报警输出2KA26Q22332PLC控制系统的程序流程编程采用了模块化的思想，使程序维护简单，可扩充性强并能够实现代码重用，提高编程效率。图34、图35、图36、图37给出堆垛机机载控制柜PLCCPU226主要程序流程。34图34堆垛机主程序流程图在堆垛机主程序流程图34中，堆垛机每次开机上电时，PLC系统通电，然后执行用户编写的功能模块程序。PLC系统上电后，首先执行图35堆垛机自检子程序。堆垛机自检子程序主要是判断上次系统是否是正常关机，如果属于非正常关机，堆垛机有无不安全因素货叉是否在收叉位置，载货台上有无货物，货物位置是否正常等，存在不安全因素，相应巷道的堆垛机开始报警，等待故障处理。若正常关机，则判断堆垛机工作模式。在手动操作模式，执行堆垛机手动操作子程序。在联机操作模式，则等待上位PC下发取送货任务。在单机自动模式，则由堆垛机机载控制柜上的触摸屏操作下发作业任务。35图35堆垛机自检子程序流程图36图36堆垛机取货子程序流程图37图37堆垛机送货子程序流程图384自动化立体仓库物流系统的设计41物流管理由于货物进出的频繁而导致货架上的货物存放过于集中，使得货架受力不均，再加上有的货物出入库的频率可能随时间发生了变化，这样就不得不进行盘库作业。但如果货位能在入库时规划好，就可以极大的减少不必要的工作量，从而节省大量人力物力。自动化立体仓库的货位管理主要是合理分配和使用货位，既考虑如何提高货位的利用率，又要保证出库效率。货位分配包含有两层含义，一是为入库的物料分配最佳货位因为可能有许多空闲货位即入库分配，二是选择待出库物料的货位因为符合出库要求的物料可能有很多个货位。科学的分配货位要考虑双方面的问题。合理的货位分配原则是实现作业调度的基础。411货物存储模式和货位分配原则目前自动化立体仓库的货物存储模式主要有固定货位存储模式、随机货位存储模式、分类存储模式和就近存储模式等。1固定货位存储模式是指货物入库时，货物的存储地址采取人工干预的方式进行分配，货物的信息与货位号是一一对应的，每一件货物都有固定货位，不同的货物不得借用货位。该模式的优点是便于自动作业和人工作业，灵活性较强；缺点是操作较麻烦，堆垛机效率不高，并且需要的仓储空间多。2随机货位存储模式是指货物入库时，根据货物出入库的频率统计，管理系统随机分配其存储地址，也就是说任何货物都可以存储在任何可以利用的货位上。该模式的优点是操作简便，出入库速度快；缺点是不便于人工干预，一旦系统出现故障