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自动化立体仓库系统设计--堆垛机及其防坠落装置及其安全系统、水平运行装置、机架设计说明书.docx
自动化立体仓库系统设计--堆垛机及其防坠落装置及其安全系统、水平运行装置、机架设计含6张CAD图
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自动化立体仓库系统设计-堆垛机及其防坠落装置及其安全系统、水平运行装置、机架设计Automatic three-dimensional warehouse system design-stacker and its falling prevention device and its safety system, horizontal operation device and rack design摘 要 社会消费方式的转变带动了物流事业的发展，从而催化了自动化立体仓储系统的产生与发展，而自动化立体堆垛机则是自动化仓储系统中最重要的运输及起重机械，可以极具形象的将堆垛机比作自动化立体仓库的心脏，它对整个仓储系统都具有深远的意义。本文重点对堆垛机的机架、安全系统以及行走机构做具体设计。文中对堆垛机的分类方式，具体构造皆做了详细叙述。本次设计运用了一般起重机的设计方法并结合计算机辅助设计。文章在 确定堆垛机总体方案后，进一步对所设计的内容进行反复验算、校核，以确保所设计的机械符合现实工作的要求。关键词：自动化立体仓储系统；堆垛机；机架；安全系统；VABSTRACT The transformation of the social consumption mode has promoted the development of the logistics industry, thus catalyzing the emergence and development of the automated stereoscopic storage system, the automatic stacker is the most important transport and lifting machinery in the automated storage and retrieval system. It can be compared to the heart of the automated storage and retrieval system, it has far-reaching significance to the entire storage system. This paper focuses on the stackers rack, safety system and travel mechanism to do specific design. In this paper, the classification method and the specific structure of the stacker are described in detail. This design used the general crane design method and combined with the computer-aided design. After the overall scheme of the stacker is determined, the design is checked and checked repeatedly to ensure that the machine meets the requirements of practical work.Keywords: Automated Storage and retrieval system；stacker；rack； safety system； walking mechani 目 录1绪论11.1研究背景与内容11.1.1概述11.1.2有轨巷道堆垛机发展现状及趋势21.1.3有轨巷道堆垛机分类31.1.4巷道堆垛机的特点51.2设计的目的和意义61.3 设计内容及要求71.4原始参数81.5 初定堆垛机各部分设计参数82 总体方案的确定102.1 堆垛机三维运动速度的确定112.1.1 堆垛机出/入库能力计算112.1.2 堆垛机三维速度的计算112.2 堆垛机各部分的方案选择122.2.1堆垛机机架的设计思路122.2.2堆垛机行走机构的设计思路122.2.3堆垛机安全系统的设计思路122.3 堆垛机的技术参数133 堆垛机行走机构的设计183.1 堆垛机行走机构的选型设计183.1.1 车轮直径的确定183.1.2 运行机构的计算214 堆垛机机架的选型设计254.1 堆垛机基本结构的确定254.2 堆垛机机架的设计254.2.1机架的结构254.2.2 机架的截面形状274.2.3堆垛机立柱挠度的计算304.2.4 堆垛机下横梁弯曲变形的挠度和转角计算364.2.5立柱总挠度y的验算：384.2.6下横梁弯曲变形的验算404.2.7 上横梁的弯曲变形验算415 堆垛机安全机构的选型设计435.1 堆垛机运行防碰撞装置的选型设计445.2 堆垛机的防坠落保护装置475.3 制动器的选型设计515.4 检测货物及货叉装置536 堆垛机电控原理566.1 堆垛机速度的控制566.1.1 变频调速的优点566.1.2 变频器的结构566.1.3 变频调速原理576.2 系统主控器的选择586.2.1 PLC工作原理586.3 堆垛机的精准定位59参考文献61致谢66 1 绪论1.1研究背景与内容1.1.1概述随着科学技术的进步，社会生产力的发展，生产规模的扩大以及产品结构的转变，客观上规定要改变以制造业企业为基础的物资供应仓库或重建。但是，由于目前的生产和制造商业用地资源相对有限，并且难以扩大物资供应仓库的商业用地，因此只有足够的开发已有潜力加以利用，因此目前总的合理利用率仓库面积增加，并且发展到较高的位置，并且需要用于存储的空间。本质是将单层仓库更改为多层仓库或立体仓库。自1970年以来，自动化仓储在我国迅速发展。根据我国的现状和未来的发展趋势，自动化仓库必将再次实现长远发展。此外，随着公司制造和管理方法的不断改进，许多公司已经了解到合理化物流管理系统对于公司提高生产效率和控制成本至关重要。自动化的立体仓库可以实现仓库高层使用的合理性，也可以保证仓储自动化和简单的实际操作；自动化立体仓库是指无需手动控制即可自动从仓库物流中取走货物或放置货物。仓储系统的主要框架是高层的立体存储货架，搬运以堆垛机为代表。自动化仓库管理系统是一种高效，大容量的存储组织，集自动控制系统，通信技术和机电工程技术于一体3。自动化仓库的产生和发展大幅度的提高了仓库的有用面积以及空间利用率。堆垛机是一类适用于立体仓库的特殊机械。自动化立体堆垛机可以不经过人工操作，传输稳定，充电量小，工作可靠，噪音低等特点。自动存储系统中的大多数起重机都属于巷道堆垛机。它是通过轨道机构（负责行走）、链轮系统（负责提升产品货物）和货叉伸缩一起协调工作，将出入库工作完成，完成货物的精准到达。堆垛机的实际原理是：传动机构中的电机根据转轴完成沿滑轨的水平运动，提升电机使货台垂直移动，货台上的货叉进行伸缩式移动。根据以上三个维度移动，可以移动指定运输的货物或将货物交付到指定货物之地点。根据详细地址识别、光电开关识别和光纤通信数据信号转换计算机系统控制完成精确定位和操纵，并根据识别设备确定整体机械的运行过程。货叉底部的限位开关控制叉车货叉伸出的距离，光学限位开关控制叉车货叉返回的位置。整体机械选用伸缩叉来组织伸缩叉车，可以将叉车之货叉分开，从而减少道路总宽度，进一步提高仓库利用率。本文产品适用于各类仓储系统，完成全自动、自动化甚至远距离作业不在话下。1.1.2有轨巷道堆垛机发展现状及趋势随着社会经济发展的经济全球化进程的加快和信息技术的迅猛发展，传统的生产和消费方式发生了重大变化。物流和货运在日常生活中的功能越来越受到每个公司的青睐，对物流人才的要求和需求也越来越严格并多。创建物流货运实验室的建立是非常充分必要的。因为这类实验室的建立可以让学生或学者之间的交流变得方便起来，增强学生对智能物流基础理论的理解，提高学生的能力，实现认知与行动的统一。自动化立体仓库系统集成了多项技术，例如机械，电气，电子和计算机等。知识面广阔，前景一片光明。由于我国劳动力资源的丰富，国内外公司物流投资的紧迫性存在差异。如今，我国大多数智能立体仓库都是简单的低层独立小仓库。所以，对堆垛机的研究势在必行，迫在眉睫。但是，在仓储系统科研的全过程中，要充分结合我国的具体国情，要结合我国发展，将仓库基础设施现代化与仓库管理现代化紧密结合起来，逐步制定一套方案，适合我国的基本国情，进而在我国的自动化技术中全面推进自动化仓库的发展。世界的未来是社会经济发展遵循可持续发展理念，且经济全球化日趋激烈；因此，智能化，综合化，信息化是我国物流仓储及堆垛机未来发展的主要方向。 图1-1中型自动化立体仓库模具1.1.3有轨巷道堆垛机分类目前，可以根据结构，支撑位置和行走方式对堆垛机进行划分，因此应从这三个方面考虑堆垛机的选择和设计。（1）直线型堆垛机顾名思义，直线型堆垛机只能在隧道的线性路径上运行，并且不能自行更改隧道。如果需要将货物运输到其他运输路线，则需要借助其他运输设备来完成运输。它的快速特性能够满足仓库快速出入库的要求。而且它的设计并不难，所以很多设计都在向它靠近。（2）曲线型堆垛机该型机械的走轮通过铰链铰接在下横梁上，相较于直线型而言能在弯曲或者是曲线型得轨道上工作。与直线型有所不同的是，它无需其他设备即可实现路径得切换。任何机械也不是完美的，曲线型机械的使用也不例外，它存在局限性，只能在节奏较慢的自动化立体仓储系统中被利用。（1）悬挂式堆垛机悬挂式堆垛机的悬吊轨道位于仓库屋顶下弦，操作位置灵活，底架两侧也架设了轨道，有效的降低了堆垛机整体晃动。这种类型的起重机适用于起重量较轻且起升高度较低的小型仓库，因为灵活的操作方法可应用于各种狭窄的仓库环境。（2）地面支撑型有轨巷道式堆垛机。这种堆垛机可以被直接置于仓库的地面，仅需操控行走轮的动作就可以实现整体机械的作业，该类机械的上导轮考虑了防偏斜设计，可有效提高设施的稳定性。堆垛机的行走机构几乎皆位于下横梁上，这便使得将来的维护工作非常方便。这种堆垛机的应用范围很广，可以有效地处理不同高度的自动化立体仓库系统，还可以根据实际情况及时调整起重重量。3、按机械结构划分可分为双立柱有轨巷道式堆垛机和单立柱有轨巷道式堆垛机。（1）双立柱有轨巷道式堆垛机在直观可见的方面，双立柱堆垛机是由左右两侧的两根立柱、上下两横梁以及载货台所组成。其的最大优点就是具有良好的强度和刚度，可以实现快速提升，并且可以平稳地装载和运行。它们通常用于具有较高举升高度、较大举升重量和较快水平运行速度的存储系统中，它们最主要缺点是自重较大。图1-2双立柱有轨巷道式堆垛机（2）单立柱有轨巷道式堆垛机单立柱堆垛机的主要布局是由一根立柱、下部横梁和上部横梁构成。所以刚性较差。且由于载货台和货物对轴有偏心作用，以及在行走和制动过程中会产生的水平惯性力，单柱堆垛机的应用具有局限性，不适于起重量大或者是水平运行速度快的堆垛机10。图1-3单立柱有轨巷道式堆垛机结合原始数据及各种类型堆垛机的优缺点，最终确定所设计堆垛机的基本结构为双立柱地面支撑型巷道堆垛机。1.1.4巷道堆垛机的特点(1)该类堆垛机采取的是详细地址识别、光电开关识别和光纤通信数据信号转换计算机系统控制，制动以及识别效果都会良好。 (2)采用安全滑触式的输电装置，如此设计完善了供电不可靠的缺点。(3)设计要考虑过载保护装置，以确保工作安全的保证，例如松绳、断绳保护等措施。(4)在设计整体框架时，它的选材应该充分考虑质量轻韧性好的材料，这样抗弯、抗扭性即可得到保障；所有的导轨设计精度必须高，耐磨性要求由于工作量的原因也必须良好。(5)通过对货叉进行两端伸缩的设计，巷道宽度自然就变窄了，仓库的总面积及利用率也就会有所提升。1.2设计的目的和意义自动化仓库和自动化技术的堆垛机的大规模投入使用，直观的产生了巨大的经济效益、也酿就了多元的科研方向、并且社会效益显著。（一）按照高层储物架的寄存方式，有用的操纵了储物空间，提高了空间的操纵率。由于使用了高层储物架用于货物的存放，因此可以在高处开发和设计储物柜空间，以充分利用仓库的空间，从而节省库存覆盖范围，并进一步提高空间利用率。在这个阶段，世界最高仓库的高度已达到50米。自动化立体仓储系统的空间存储容量可以达到7.5t/m2，是普通仓库总面积的5到10倍1。由于自动化技术仓库由计算机系统控制，因此它可以存储和管理各种信息内容，从而减少对货物的不正确处理。此外，依靠计算机管理可以合理利用仓库的存储空间，方便快速出入库。加速储备资金周转，节省营运基金，提高仓库管理能力。它合理地连接了制造和库存，加快了资金周转并降低了成本，为企业进行领先的生产和决策提供了有效的基础，并且为各行各业带来了巨大的经济利益。（二）堆垛机系列自动化设备具有较快的实际运行和响应速度，提高了劳动效率，减轻了实际作业人员的劳动疲劳度。另外，它可以轻松进入公司的货运物流管理系统，使公司的货运物流更加客观。选择自动控制后，它可以更好地集成到独特场所的存储要求中，例如黑暗，超低温，环境污染，有害，有易燃和易爆物品的场合。就类似于我国目前的用于冻结物体的全自动仓库和用于存储胶片的全自动仓库，在超低温和全黑仓库中，使用自动计算机控制系统来完成货物的进出。然后改善办公环境，确保实际操作的安全性2，并完成科学的存储。在我国，自动化仓库系统软件的科学研究也在继续，这也促进了我国货运物流等领域的科学发展趋势。因此，对自动化仓库系统软件的科学研究也具有一定的科学现实意义。（三）根据展望工业研究院发布的我国立体仓库自动化发展趋势和行业前景数据分析报告，全国自动化立体仓库的总面积已从2006年的1.4亿平方米增加到到2012年底，2017年为2.74亿平方米。在2017年和2018年，我国有800多个新创建的自动化三维仓库，截至2018年底，全国立体仓库总面积约为2.91亿平方米，数量约为5,000个 中国自动化立体仓库发展现状与市场前景分析报告R.2020.3.18.中国产业调研网发布.。随着中国经济的持续稳定发展自动化仓库在未来将面临巨大的市场需求，不可避免地会产生巨大的需求。社会和经济效益，行业前景广阔。总而言之，自动化三维仓库的出现将传统的人工仓储和物流业务变成了随机选择的存储地点，并按需完成了先进先出的堆栈式机械自动化以及自动化仓储和物流业务。在本机械存储货物的同时，它还可以对货架上的货物做必要的挑撰、分组、淘汰。目的性明确的将库存的产品和货物按指定的数量和时间段的请求送至指定的地址，从而均衡生产的必要。自动化立体仓库的出现使“静态仓库”转变为“动态仓库”3。自动化立体堆垛机对于自动化立体仓库有着重要的意义，因此对自动化立体堆垛机的优化设计显得尤为重要。本设计通过设计用于自动化立体仓库系统的堆垛机，重点完成堆垛机的安全系统、行走机构以及机架的设计。要求所设计的产品能够及时准确的将物品送至指定区域或将货架上的物品取出，完成出库动作；并且在进出库过程中要保证运行平稳，安全可靠。在设计过程中加深对自动化立体仓库系统的了解与认识。1.3 设计内容及要求设计整体框架图纸时，要求设计原理正确，运用相关国家或行业标准、查阅相关手册，正确处理好图、数字、符号、标准等的关系，绘图满足要求。所有的主要设计都有图纸补充、绘图的标注要用国家最近更新的标准；整机装配图纸设计时更是如此，要考虑结构优化，能顺利投入生产；部件图和传动系统的设计以及零件图设计要认真完成。毕业设计论文，设计的依据必须是可靠的，参数的选用要符合现实，强度刚度校核时要严谨、计算所用的公式及数据必须准确，内容完整，中英文摘要与科技论文必须做到准确无误。选取主要传动方案时要细细分析，并可行性论证。对主要的零部件进行动力的计算，强度、刚度的校核。对牵引部的润滑选择。1.检索文献，要求查阅近5年的中外文相关文献各40篇，针对与本设计（论文相关的内容写出文献综述，阐述论文的先进性、可行性和创新性；2.设计仓库净空尺寸（宽mm高mm长mm）和货架结构及其尺寸；3.选择合适的托盘型号和规格；4设计堆垛机及其防坠落装置及其安全系统、水平运行装置、机架等5.设计双立柱堆垛机，确定其满足存取货物要求的水平运行速度、货叉升降和伸缩速度等；6.对自动化立体仓库的控制系统进行钻研，做出整个系统的电气控制图，并对其所有的原理要求和实现路径等进行详细说明；1.4原始参数立体仓库容量：5000个货位；存储货物每件质量：不大于300kg/件；货物最大外形尺寸（宽mm高mm长mm）：500500400；货物外包装材料：瓦楞纸箱、木板箱；出入库能力：4件/ min。 1.5 初定堆垛机各部分设计参数堆垛机若要无愧于自动化仓储系统核心这一称号，应当具备以下功能：1.尽可能精准完成必要出入库操作；2.它的结构尺寸、运行速度这些设计参数应根据它所在的立体仓库的整体规格及所搬运货物的各方面参数进行设计考虑。本次设计的堆垛机应该符合货物的尺寸和生产规模的要求，根据原始数据中货物最大外形尺寸500500400mm（宽mm高mm长mm），由于国标托盘的最小长度也在1100mm，所以其货格尺寸定为7008001100mm，货架总共为10层，40列，货架最底层距离地面高度拟定为50cm 。 由初始数据可知要将堆垛机举升量控制在300kg之下，但是既要考虑它的运行操作是否能满足作业要求也要考虑安全生产的要求，可以适当加大其最大承载力，暂定为500kg。它的升降机构有：电动机、制动器、减速器、卷筒、钢丝绳及防落安全装置等零部件；货叉伸缩机构的工作速度取20m/min；升降机构的工作速度根据原始参数暂取30m/min；行走机构得作业速度要根据出入库得速度要求和巷道钢轨得长度选定，国产堆垛机得正常工作速度一般是在50100m/min得区间内，最高时也可有180m/min之快。结合起重机设计规范等标准，拟定堆垛机的主要参数如下表1-1表1-1 堆垛机主要参数表工作环境及指标工作参数立体仓库7巷道14排10层40列（5600个货位）巷道宽度1100mm托盘尺寸1100800150（mm）堆垛机尺寸350090010000（mm）额定起重量300kg行走速度2m/s行走最大速度3m/s水平加速度0.6m/s2升降速度30m/min(0.5m/s)起升加速度0.2m/s2货叉伸缩速度20m/min(0.3m/s）792 总体方案的确定本课题的主要任务是对自动化立体仓库系统的堆垛机及其防坠落装置及其安全系统、水平运行装置、机架等进行设计。为了使得所设计机械准确、快速、安全、充分地进行货物存取，它应该有三维运动功能，即1.堆垛机在钢轨上的水平移动；2.垂直方向的装载平台的上下移动；3.货叉伸出和收缩的移动。定位精度也要可靠，即两次在同一位置作业时的误差不能太多。要合理设计其机架，既要满足刚度强度等要求也要保证自重较轻和成本较低。从而下降能耗，使布局简略，形状雅观。要有保护装置，包括机械和电气安全保护措施。且要考虑对仓库和货物的保护。双立柱堆垛机的基本结构如图2-1： 图2-1双立柱有轨巷道堆垛机2.1 堆垛机三维运动速度的确定2.1.1 堆垛机出/入库能力计算以前在比较堆垛机的一个工作轮回的时候时，是经由过程设定堆垛机货叉在仓储货架中心位置是计算出来的，但是随着控制方式的不断改进，堆垛机在一个工作周期内的标准位置的计算也随之产生了变化。现在已经成为堆垛机到达所有存储位置的使用时间的平均值13。题目要求出入/库能力：4件/ min，即每小时的出/入库能力应该240件。根据平均单循环时间的基本出/入库能力： Ns=3600/Ts （2.1）代入数据可得其平均单循环时间Ts=15s。式中：2.1.2 堆垛机三维速度的计算由上可知堆垛机的平均单循环时间为15s，由单循环时间计算公式可知： Ts=j=1m1k=1ntjk2mxn+2tfti （2.2） 式中：将表1-1所拟定的时间代入其中，Ts=12s15s，所以可以确定堆垛机的三维速度，水平运行速度 2m/s，水平加速度0.6m/s2；升降速度0.5m/s；货叉伸缩速度0.3m/s。2.2 堆垛机各部分的方案选择2.2.1堆垛机机架的设计思路上横梁是由四个厚钢板焊接而成的箱形布局，这些钢板按照焊接和立柱合在一起。立柱是由角铁和厚钢板焊接而成并具有箱形矩形框架的横截面。它具有抗扭转，高抗弯刚度，重量轻和良好的耐磨性等这些优点。下横梁的结构可类比上横梁，与立柱的连接也是同上横梁一样。2.2.2堆垛机行走机构的设计思路堆垛机在轨道上行走的装置即行走机构。一般是由电动机、联轴器、减速器、制动系统及其行走轮组成的。它的布局也是多种多样的，分别有卧式减速器和套装式减速器。本设计拟选用套装三合一减速器，即把凸缘电动机、盘式制动器及减速器做成一个整体，这样可以大大缩小整体的净重和占用空间。设计时尽可能使用标准件，这样做可以提高整个系统的可靠性和稳定性，也使得这个系统便于维护。设计考虑带均衡架和水平轮组对，因为均衡架可以最大程度使走轮的轮压一致。车轮选用无轮缘的圆柱车轮，这样就可避免在运行时发生轮缘啃轨，同时，为了防止堆垛机在运行时冲出轨道，拟在轨道的两侧加水平导向轮。在拟定基本结构时选用的是地面支撑型堆垛机，这种类型的堆垛机，因为行走机构的驱动装置位于堆垛机下面，所以维护保养起来就比较方便。三合一的减速器和轮组安装在下承重梁处，起到支撑点和驱动器的作用。上导轮作用是防止堆垛机工作时摇晃，使其在作业时更加平稳。2.2.3堆垛机安全系统的设计思路在生产生活中安全都是最重要的一个环节，堆垛机的设计也不例外，所以堆垛机的设计必须拥有完善的安全系统来确保其工作时的安全。（1）堆垛机移动时，应在货台升降机及其货叉终端上设置工业设备和电气设备的行程开关设备防止不必要的碰撞。（2）在堆垛机设计时还应考虑货物到位识别设备，一但检测到货架上有货物没有在指定的地方时，堆垛机将停止运行并发出警报。一般允许误差为30-40 mm，检测组件为红外直光束或双光束红外传感器。（3）还应在装载平台上设置一个装置，以检测货叉是否在位，货叉上是否有货物以及存储空间中是否有货物。如果不归还货叉，则堆垛机将无法水平操作；如果现有货物放在货叉上，将无法再取货。进入仓库时，有必要检查存储空间中是否有任何货物，以防止现有货物被挤压。或者倾倒存储架，导致安全事故。（4）电源突断维护。如果在货运平台升降的整个过程中突然关闭电源，那么如果通过增加电机制动系统将货运平台停在其位置上。建议使用类似电梯轿厢的防坠系统软件，即安全钳和电梯限速器相互配合。（5）货物平台的断开维护，根据与货物平台相连的压缩弹簧，对传动链进行改进，当传动链由于长期使用或事故而突然断裂时，传动链会弹回，检测装置将检测传动链当负载停止时，驱动器的相应设备将货台停在其位置而不会掉落，并且所有堆垛机都将停止运行。2.3 堆垛机的技术参数堆垛机是自动化仓储系统中最重要的输送设备，因此有效利用其各种参数对于所有立体仓库管理系统都具有极其深远的现实意义，并且将直接影响到自动化仓库的经济效益和工作效率，有效的参数选择必然产生更高的经济效益和更快的工作效率。1.速度参数主要的是包括堆垛机的三维运动，包括水平行走速度，载货平台升降的速度和货叉的双向伸缩速度。堆垛机的各种运行速度会直接影响货物进出仓库的速度，从而危及到仓库的效率，自然就影响了经济效益2.尺寸参数尺寸参数是指堆垛机的框架尺寸（长宽高），还有就是堆垛机的举升高度，下降深度以及最低货位极限深度。最低货位极限深度指的是仓库货架的最低端与安装地轨的水平面之间的垂直之距。 3.货叉挠度值堆垛机货叉的挠度值是指在额定载荷下将货物提升到较大高度时货叉的相对横截面的中心线的偏移距离。该参数是指货叉抵抗变形的能力。这与货叉的原材料，设计值，工艺性有关。4.堆垛机噪音堆垛机在出入库作业时，尤其是在快速行走和上升下降两者同时进行时，由于摩擦和振动等原因，将制造出较大的噪音，影响周围环境。标准中规定，堆垛机在运行时的声音分贝值不得高于84dB。当速度超过100m/s时一般难以保证，这也是目前需要攻克的难关之一。5. 额定起重量额定起重量是指堆垛机在所有正常运行条件下，堆垛机所载最大的总净重量（Kg或t）。使用堆垛机时，应考虑起重量的额定值。起重量的额定值过小，不能满足装卸搬运的要求。如果过大，会导致基础设施投资的无畏消耗。6.生产效率生产效率是堆垛机在单位时间内所堆垛的质量，单位为（t/h），这个操作要在指定的情境下。堆垛机的生产效率即与堆垛机自生参数和技术要求有关，还有和工人操作的熟练程度息息相关。提高堆垛机的生产效率，需要从起重量、单位时间循环系统的频率、优良制造方法的实施和实际操作熟练程度的提高等方面入手。2.4 堆垛机的技术要求堆垛机是整个物流仓储中最重要的环节之一，自动化立体仓库系统的优越性从于堆垛机特性息息相关，因此，堆垛机的设计必须要有严格的技术要求。堆垛机可正常工作的条件：1.堆垛机正常运行的环境温度不得高于+40，也不可以低于10；2堆垛机正常工作的空气相对湿度要85；3堆垛机正常工作时周围环境应无导电尘埃，也不得含有易燃易爆炸的气体和粉尘；4堆垛机工作海拔不超过2000m；5堆垛机进柜电源的电压波动不得超过5。堆垛机金属结构的常用材料：上承重梁，下承重梁，立柱和其他关键构件应根据国家规定的行业标准来选择原材料。还必须保证变速箱齿轮，滑轮，车轮，钢丝等关键零部件的原材料选取。堆垛机部件的焊接：首先，确保焊丝，焊条和助焊剂必须与要焊接的原材料一致。焊接现场所需的专用工具和机械设备应保持清洁整齐，焊接过程中应立即清除不必要的物品（断线，焊球，残留的焊接材料等）。点焊表面不应有通气孔，且焊接不应暴露基材的金属材料，也不应有锋利的边缘，焊剂熔渣和杂质。焊缝应符合国家行业标准。堆垛机关键轴承部件的焊接质量等级不得低于GB / T3323-1987中的级。通用零件规定：（1）链轮的规定堆垛机装载平台通常在立柱上下运动，主要通过链轮和链条实现。因此，规定应选择短节径高精度滚子链。且尺寸公差应符合GB / T12431997的要求。此外，要始终润滑链条和链轮。（2）钢丝绳的选取规范钢丝绳必须使用GB / T89181996要求的圆股钢丝绳。不可以将两股钢丝绳接一起使用，这样会使钢丝绳的寿命大打折扣，安全等级也需要满足要求。暂定选择6级。 (3)缓冲器要求为减轻堆垛机在工作上的冲击以及保护机架，这时就要考虑安装缓冲器。工业上用来减振的缓冲器一般采用橡胶、工程塑料或液压装置。所应用的缓冲器得承受堆垛机冲击的70。(4)对螺栓和螺母的要求要求主要受力部件所用螺栓性能等级不低于8.8级，螺母性能等级不低于8级。(5)制造和组装要求规定堆垛机的上横梁的水平弯曲度为f K / 1000，K为上横梁的总长度。梁的水平弯曲f B / 1000，B是主动轮和从动轮的轴距。根据机械自动化的具体工作经验，仅允许下横梁向上弯曲，而上弯度F B / 1000。在制造过程中，我们必须严格管理按照规格制造的堆垛机的每个零件。此外，必须严格检查组装后的堆叠器结构的各种规格。规定滑轨中间的平面度误差应小于6mm。直线d和d的误差小于4mm，导轨内侧的C值误差为3mm，两个导轨同一侧的平面度公差在4mm以内，直线线检测点在极点的上方和下方。在安装表面100 mm处，n1和n2之差在3 mm以内。（6）性能规定堆垛机货叉性能货叉在操作的时候，最高处与最低处应有机械挡板限制，不可随意上升下降到任何地方，这样就大大增加安全性。在标准载荷下工作时货叉应满足任何设计要求，当货叉在过载时或行程较大时，设计应满足其挠度值应小于20 mm。额定行程伸缩叉差距值不能超过5，伸缩叉的制动精度值要5mm，货叉设计要考虑过载打滑，当所载值超过额定值时，前叉离合器会打滑，从而使整个机械停止运行，保证其操作安全以及保护了电机。水平行走的性能堆垛机移动的额定速度要满足实际生产需求，误差要尽可能小近乎不变。载货台的升降性能载货台的起落额定速率应适合实际工况，偏差应小于5%，在速度的切换时要避免有猛烈的冲击振幅，制动机能在设计时也要仔细斟酌，它的制动精度值最好不要大于10mm。动载荷试验在堆垛机设计完后的调试过程当中，动载荷实验是有必要去做的，选取实验载荷为额定载荷的1.25倍，在1.25倍额定载荷的运载条件下，将堆垛机的使用工作流程进行完整模拟，观察其是否满足要求。机械噪声标准规定中，堆垛机在工作时，其噪声值不应该高于84dB。为设计出寿命长，结构简单，工作效率高的自动化立体堆垛机，需考虑以下几点：1.起吊重力由于载货台、货叉等吊具本身也具有重力，所以在设计时应将其考虑进去。2.额定载荷堆垛机的额定载荷等于它的起吊重力减去所有吊具的重力。3.水平载量即水平方向的承载量，可将堆垛机外结构看作绗架结构来进行受力分析， 可求出吊具在急停时的惯性力。通过计算其应力应变可求出钢架的形变量。4.增加系数在一些特殊载荷情况下，有可能发生货物倾倒，所以在进行货叉设计时应该将货叉尺寸设计的比原设计尺寸大一些。5.使用寿命（使用循环次数）在堆垛机的设计时，使用寿命应尽可能长，以减少成本消耗3 堆垛机行走机构的设计3.1 堆垛机行走机构的选型设计起重量Cp为 300kg/件，重力G为2940N（取重力加速度g为9.8m/s2），选工作级别为M4，堆垛机自重5673kg。Cp/m=300/5673=0.053。3.1.1 车轮直径的确定下横梁上安装的是两个由球墨铸铁制成的轮子。走轮和转动轴之间以一定锥度的形式进行连接。轴上所选用轴承的耐磨性要好，轴承的安装在便于加注润滑剂的环境中。在下横梁的轮子要安装可调节的导向轮，目的是对机械在导轨上的移动起了换向作用。夹轨器要用高强度螺栓固定在下横梁上，整体就是一个固定部件，主要是为了防止出现机械的倾覆可能性，调节夹轨器与下导轨之间的间隙，确保夹轨器不会在下导轨上拖行。选用带平衡架和水平轮的车轮组，为防止堆垛机在运行时轮缘啃轨，应用无轮缘的圆柱形轮，并且在轨道两端加机械死挡用来防止车轮出轨造成不必要的伤害。由经验可知，堆垛机自重在四个行走轮上的分布是不均匀的，假设不均匀系数是1.2，则可知四个车轮中轮压最大为： Rt=56739.841.2=16679N （3.1） 被起升的载荷所产生的压力在四个行走轮上的分布可近似看作均匀的，由此可知每一个车轮由起升载荷所引起的轮压为： R1=29404=735N （3.2）由上述可知，堆垛机车轮的最小轮压（空载轮压）为： RminRt=16679N （3.3）堆垛机的车轮的最大轮压（满载轮压）为： Rmax=R1+Rt=735+16679=17414N （3.4）目前，市面上的堆垛机运行速度一般取在40-80m/min的速度区间内，车轮直径主要按疲劳计算轮压选取，其计算公式为： Rc=2Rmax+Rmin3FC （3.5）代入数据可得：Rc=17169N式中：在实际生产过程中，要考虑因为工时过多而使得堆垛机运行钢轨的磨损，就会使得车轮与钢轨的接触从点接触变为线接触。P14-P50的钢轨头部的曲率半径皆为300mm，即无论选用何种型号的钢轨，按线接触公式计较，Fc的公式为： Fc=C1C2DLK1 （3.6）式中： C1转速系数（按表3-1选取）；计算下走轮直径公式： DRc/(C1C2LK1) （3.7）代入数据可得：D=226mm，取D为250mm的车轮，其许用轮压为26000N大于17414N，所以满足要求。表3-1 由车轮转速决定的转速系数C1值转速r/min112100806356504540C10.790.820.870.910.920.940.960.97表3-2 由工作级别决定的C2值工作级别M1-M3M4M5M6M7-M8C00.90.8表3-3 由材料抗拉强度决定的K1值抗拉强度b（N/mm）500600650700780K.2 运行机构的计算1、运行静阻力堆垛机行走时的静阻力有三种：其一是行走轮中轴承构件之间的摩擦阻力；其二是车轮与轨道之间存在的滚动阻力；其三是由于机器在移动时会不可避免地偏斜，故必须选择按水平平衡架，这时就有了平衡架与轨道侧面的多余摩擦阻力。所以在计算时要将三者综合，这三种阻力之和可用下列公式计算： Ff=(2（G0+Gn）g)/D（K+Ud/2）+（G0+Gn）gf （3.8）代入数据可得：Ff=625N.式中： Ff运行时的阻力（N）； G0堆垛机自身重量（kg）； Gn堆垛机的额定起重量（kg）；D下走轮直径（mm）；2、初选电动机在选用电动机以前，要确定堆垛机机构的接电持续率Jc值见表3-4。表3-4工作级别对应的接电持续率Jc值工作级别M1M2M3M4M5M6M7M8接电持续率（）1015202530405060按满载运行时选取电动机静功率Pm： Pm=FfV/10000 （3.9）带入数据可得：Pm=1.56Kw式中：加速时所需功率：MN=Pm9550/Nm （3.10）代入数据可得：MN=10.1 Kw (Pm单位为kw时，Nm取1450)。由静功率Pm来初选电动机型号。经过前面的计算暂时拟定型号为Y2-112M-4的电机，他一般与机座号为QS08的减速器（含内置制动器）配套使用，具体是否确定使用该型号的减速器，还需要继续验证校核。根据实际工况选定的工作等级为M4，由表3-4可知其接电持续率为25%，该型号的电动机，当接电持续率为25%时，它的额定功率为1.831kw，同步转速为100r/min，转动惯量Jm为0.0275kgm2 。那么接下来就可以验证减速器是否适用。电动机发热验算：稳态功率： Ps=GFfV10000 （3.11）G为稳态载荷平均系数。计算时取G为0.9 。代入数据计算可得：Ps=1.41KW.对于型号为Y2-112M-4的电动机，当实际工作等级为M4时，它的输出功率P为1.8kw，是大于计算所得出的稳态功率1.41kw的，所以发热量合格，可以确定选择无误。验算减速器：车轮之转速计算： n=60V1000D （3.12）代入数据可得：转速n=153r/min。传动机构的速比i=1000/153=6.54机座号为QS08减速器的速比i为8.23，所以选定的减速器是满足要求的。验算制动器： 加速度取a= 0.6m/s2 ， 则可计算出机械的减速时间为 t=3s. 从而可得制动转矩为：Tb=mvtFfD/（10002i） （3.13）代入数据可得：Tb=60.34 Nm 机座号为QS08的减速器内置的盘式制动器制动力矩为200Nm，因此所选取的减速器也满足要求。主动轮打滑验算：因为堆垛机的水平行走机构在设计时考虑的是以单个车轮作为主动轮驱动，这样设计使得主动轮的轮压Nt可近似的取为总轮压的1/4。Nt=Rt/1.2 （3.14）代入数据可得：Nt=13899 N取粘着系数0=0.15，则可得粘着力为: 0N t = 0.1513899 = 2084.9 N （3.15）不打滑的条件为: 0Nt Mvta-0dDNt （3.16）右式代入数据可得等于3198N ，所以满足要求。式中： D车轮直径（mm） d车轴直径（mm）钢轨的选取：地轨可选用型号为P15的轻轨，头宽42.86mm，每单位长度的理论质量为15.2kg，且与车轮相匹配。天轨选用型号为30a的热轧工字钢，高度为300mm，与堆垛机上部的导向轮相互匹配。4 堆垛机机架的选型设计4.1 堆垛机基本结构的确定目前，可以根据堆垛机结构，支撑方式和运行方式对其进行划分。因此，需要从这三个层面考虑堆垛机的设计方案。根据运行方式的不同，可分为直线型堆垛机和曲线型堆垛机。根据支撑方式，可分为悬挂式堆垛机和地面支撑式堆垛机。根据机机架结构的划分，可分为双立柱堆垛机和单立柱堆垛机。因为直线型是相对于曲线型的，相较之下它可以快速移动，并可以完成自动仓库工作的高频进出。总体设计方案也非常简单，因此在工作模式下直线运行类型；地面支撑类型的该机械和悬挂类型的该类机械相比的话，堆垛机立柱的工作面抗弯抗扭强度是首要需要考虑的，但是由于地面支撑型的驱动设备全部位于下部横梁上，因此非常易于维护并进行维护，因此在支撑方法中选择了地面支撑型。从机械结构考虑，双立柱堆垛机主体是由左右两立柱、上下两横梁组成，这种堆垛机的主要优点是抗压强度和刚度都比较好。它可以快速启动和制动系统，并且运行稳定。它通常用于具有相对较高的升降高度和宽度，较大的升降重量和较高的运行速度的自动化仓库中；唯一的缺点就是自重较大。单立柱堆垛机的机架由立柱，下横梁和上横梁组成，整机的净重相对较轻，消耗的原材料较少，因此制造成本较低，但刚性稍差。由于装载平台和货物在立柱上具有轴向力的作用，以及由水平运行机构和制动系统引起的水平惯性矩的影响，单立柱堆垛机的应用受到很大限制。它不适用于高质量提升和高运行速度的堆垛机。因此，结构类型选择了实用性好的双立柱式堆垛机。最终再结合原始数据可得出设计的堆垛机基本结构，即双立柱地面支撑型有轨巷道式直线型堆垛机。4.2 堆垛机机架的设计4.2.1机架的结构堆垛机的机架是整个堆垛机的主体部分，本设计研究对象是双立柱有轨巷道直线型堆垛机。在双立柱巷道式堆垛机中，机架是由上下横梁以及左右两根立柱组成的，其中立柱被作为载货台的升降轨道使用，上下横梁分别需要装上相关的元器件，例如：导向轮、联轴器、起升电机、控制器件、电器开关等相关元件。根据参考文献3可知机架设计的一般要求：1.机架材料的选取要兼顾成本以及质量，也要将其抗弯抗扭性能考虑其中。2堆垛机的整体机架要在设计时考虑减震抗震，将震动造成的损失减到最低。 3堆垛机在实际作业时的噪音应该控制。4温度场的分布应该合理，要求热变形对机器精度的影响必须小；5结构设计要合理，工艺性能良好，便于铸造、焊接、以及机械加工等操作；6零部件选取是要尽可能选用标准件，便于维护检修；7导轨上运行机器的机架要求耐磨性能优并且导轨接触的面受力也应当合理；8整体造型美观，适用性，安全性，经济性统筹兼顾。图 4-1 堆垛机结构简图堆垛机的机架主要由上横梁、下横梁和双立柱以及在立柱上的一些电器元件包括起升电动机、制动器、减速器、卷筒等。其相应的重量可近似认为上横梁G1、货物重量G2、载货台重量G3、电器控制器G4、下横梁G5、起升电机重量G6、以及立柱重量G。如上图4-1所示。 由图4-1可知左边的的立柱除了受到自重G之外还受到了上横梁的重量G1，货物重量G2,载货台重量G3和电气控制箱G4，右边的立柱则是受到本身重力G，上横梁的重力G1，货物重物G2，载货台重力G3，起升电机重力G6。而且当载货台运动的时候立柱还受到惯性力的作用，当载货台停在最顶端的时候，此时立柱的受力最大，所以该位置为堆垛机受力最不利的极限位置，校核时应当重点计算该位置。机架的结构形状和规格主要取决于工艺性能，负载能力，运动速度等条件；此外，它还取决于安装在其内部和外部的零件的形状和规格，以及装配条件，安装和拆卸规定。通常，使用经验公式法则或相关材料给出的工作经验数据信息，并结合设计计划人员的工作经验，参考当前同类的机架的结构形状和规格基本可以草拟。堆垛机的框架由金属材料制成。它是堆垛机的关键承重预制组件。左右立柱以及上下横梁共同形成其门框结构。堆垛机的整体结构是由上横梁，下横梁和两个立柱组成的门框结构。立柱是分段制造的，每个分段的长度为3m。在安装过程中，按照每个部分顶部的法兰盘进行连接，然后通过高强度螺栓连接，将上部梁通过电焊焊接在立柱上方，并将立柱和下部梁也通过焊接立柱相连。可通过法兰盘进行准确定位。堆垛机主要结构都具有重量轻，抗扭转，高弯曲刚度和抗压强度高的特点。4.2.2 机架的截面形状 根据机械设计手册3中所讲，因为零件的抗弯性，抗扭强度和弯曲刚度不仅与截面的总面积有关，而且还与截面的形状有很大关系。因此，在堆垛机立柱结构的设计中，我比较了三种不同的横截面，并通过比较得出了每个横截面的优缺点：根据惯性矩的相对值，我们可以得到：圆形截面具有较高的扭转弯曲刚度，但弯曲强度较弱，因此适用于以扭转为主的机架。尽管工字形截面的弯曲强度很高，但其抗扭强度却很低，它适合于纯弯曲机架。矩形框架部分的抗弯强度和扭转强度分别小于圆形截面和工字形截面，但综合类型是最好的，即弯曲和扭转强度均中等。根据工程力学的专业知识，已知对于各种形状的横截面，封闭的空心结构的刚度实际上超过实心结构的刚度。另一方面而言，在总截面积不变的条件下，增加了原料的中空量并减小了壁厚；换句话说，就是使原材料远离中性轴也可以改善扭转弯曲刚度，并且还可以减少对原材料的使用量。封闭的截面在扭转弯曲刚度方面比未封闭的截面要强得多。综上所述，因为本文所设计的双立柱有轨巷道式堆垛机的立柱受到包括拉、压、弯曲、扭转等力学性能，且对刚度要求也很高，所以本次设计的堆垛机的立柱的截面形状选取到矩形截面。 图4-2 立柱的截面形状立柱的结构以及材料的选型通过上述可知，由于堆垛机机架的立柱的截面形状选取的是矩形截面，所以先拟定用角钢和钢板焊在一起，整体呈箱式矩形断面结构，该结构有性能优良，耐磨性好等特点。角钢拟选用的是8010的等边角角钢，其内圆弧半径为r=9mm，重量为11.9kg，截面面积为15.13cm28。 立柱钢板选用公称厚度为35mm热轧钢板。法兰盘钢板也选用公称厚度为35mm的热轧钢板，螺栓选用M30高强度螺栓。整体的框架结构如图4-2所示。尺寸为350x400x25（mm）。需在立柱两内侧依次焊接两条合金扁钢导轨(16Mn),规格为100x10（mm），重量为7.85kg/m，导轨表面进行硬化处理，增加其耐磨性。整个金属结构具有结构简单、重量较轻、且强度与刚度皆满足要求等特点。上下横梁的结构以及材料选型上横梁通过焊接与两根立柱联接在一起，从而保持立柱间的相对稳对性。上横梁采用两块槽钢和两块钢板焊接而成。按照GB/T707-1988的标准，上横梁采用的槽钢为热轧槽钢（Q235），槽钢型号16，（16065，厚度8.5mm,截面面积为25.162cm2,单位重量19.752kg/m），钢板选用公称厚度为 20mm 的热轧钢板（单位质量为157kg/m2），将两者按如图4-3的形状焊接而成。如图4-3所示，截面长度为350mm，宽度为200mm。 图4-3上横梁的截面形状下横梁是由四块钢板焊接而成的箱式矩形断面结构，下横梁的钢板选用公称厚度为 50mm的热轧钢板。如图4-4所示尺寸，长度为为380mm，宽度为300mm，这种结构既可以保证刚度需求，又可以减轻整体的重量，具有较大的抗扭、抗弯强度，并通过焊接与立柱紧密连接。载货台的立板采用20mm热轧钢板。但是由于下横梁需要装配行走轮等行走机构，因此下横梁在运行轮轴孔的钻取时，需一次装夹加工完成，以保障安装精度。图4-4 下横梁的截面形状4.2.3堆垛机立柱挠度的计算由上可知，当载货台运行至最顶端时，此时堆垛机立柱所受载荷最大，所以该位置为堆垛机受力最不利的极限位置，我取此位置计算立柱的静刚度，需满足其设计挠度要小于其许用挠度，即ff 。根据叠加法原理可知，当立柱上受到几种不同载荷的同时作用时，任何一个位置载荷的挠度和转角应该分别等于该截面上各载荷单独作用的情况下的挠度和转角的代数之和1，这样的话在计算立柱所受挠度时，可以分为两部分来计算，一者是立柱在静止时受到的自身的重量以及立柱上方其他器件和元件对其所造成的挠度；二者是在堆垛机运行的情况下立柱本身以及其他元器件所产生的惯性力对立柱的影响。根据挠度计算公式： （4.1）堆垛机立柱在静止状态下的挠度计算：图4-5 机架结构受力简图根据已学知识可以知道当立柱处于静止状态下，当其受外力的作用时，立柱就会产生弯曲变形，这时产生的挠度就可以用叠加法原理来进行运算，图4-5为机架结构的受力图。由图4-5的受力图可以得出：由于两根立柱是通过天轨连接在一起的，所以当它们受到外力作用时所产生的弯曲变化挠度应该是一致的，所以在计算时仅对两根立柱之一进行分析即可。如图4-6所示，以下横梁中心线为x轴，以立柱的中心线为y轴，由于横梁和立柱皆是由均匀材质锻造而成，所以可知其质量中心应该与其几何中心重合。由于载货台做的的上下往复运动，它只会产生y轴方向的坐标变化量，而x轴方向的坐标值是不会发生变化的，当载货台运行至最高处时，它对两根立柱造成的弯曲变形是最大的，所以当载货台上升至最高处时，这个位置就是立柱所处于的最不利位置，所以需要使得立柱在此时的挠度变形量小于其许用变形量。图4-6 立柱弯矩图从上面的论述已知，两根立柱的变形基本一致，所以只计算其中之一即可，计算分析如下：由于机架材质分布均匀，所以上横梁作用在每根立柱上的重力应该是G1/2；同理，载货台和货物也有一半的重力作用在单根立柱上，即（G2+G3）/2；还有立柱自身的重力G以及电气箱重力G4。所以可得立柱在静止状态下的挠度： （4.2）M=GXi= mgXi（4.3）式中： Iz= （4.4）立柱在堆垛机进行上下运行时的挠度计算堆垛机在工作操纵时，共包括三个方向的运动，分别是1.水平方向的行走运动；2.竖直方向上堆垛机载货台的升降运动；3.货叉的伸缩运动。在堆垛机运行时，立柱即受到自身重力的作用还受到上下横梁对其的牵引作用，故其挠度值为： （4.5）式中： mi立柱上各质点的质量（kg）； av堆垛机在做升降运动时的加速度（m/s2）；E-立柱的弹性模量（Mpa）；（本次材料的弹性模量为200Gpa3）；立柱在堆垛机水平运行时的挠度计算当堆垛机在进行水平运行时，立柱上的各质点同样会产生惯性力，特别是当载货台搭载货物到达最高点的时候，立柱受到惯性力的影响是最大的，因此在该时刻立柱所产生的形变量也是最大的。所以在计算时选取此位置为立柱在水平运行时的极限状态。如下图4-7所示。图4-7 堆垛机水平运行时立柱挠度图在此过程中加速度所产生的弯曲变形的惯性力可近似的看成两部分叠加而成，其一是立柱上各质点水平加速时所产生的惯性力，其二就是立柱自身的惯性力。所以当堆垛机在进行水平加速运动时对立柱产生的挠度值为： （4.6）F =m a （4.7）式中： Fi立柱上各质点产生的惯性力（N）；aH-堆垛机水平运行时的加速的（m/s2）;m立柱各质点的质量（kg）；在设计中可近似认为，堆垛机立柱的材质分布均匀，这样的话它的质量自然也分布均匀，这样就可以画出其惯性力受力图，如上图4-7所示，根据梁的曲率公式可以计算其曲率： （4.8）即： （4.9）当y=h时，带入公式4.9可得： （4.10）式中： q立柱单位质量（kg）；其余参数以及变量同上面的公式。因此根据叠加法原理，该堆垛机立柱在水平运行时的惯性力作用下的变形的挠度为： （4.11）由于堆垛机立柱变形方向取决于堆垛机加速运行时惯性力所产生的方向和堆垛机弯矩的方向是否一致，当上述两者方向一致的时候，堆垛机立柱的形变量是最大的；当两者方向相反时，立柱产生的形变量是最小的。最终根据叠加法，堆垛机立柱的最大的挠度为:（4.12）4.2.4 堆垛机下横梁弯曲变形的挠度和转角计算对堆垛机的下横梁进行受力分析，下横梁在自重和其上方元器件重力和堆垛机运行时的惯性力的作用下会产生弯曲变形，假设下横梁的弯曲角度为 ，则 可以看成是由两个转角叠加而成的。第一个转角是由于质点作用产生的转角 ，第二个是由于堆垛机运行时惯性力产生 ，如下图4-8所示：图4-8 下横梁挠度图首先，先计算由于各质点作用于下横梁所产生的转角 ：由图4-1我们可知立柱重力G，上横梁重力G1，整个载货平台包括所起升的货品的重力是G2、G3都会经由立柱传递到下横梁，从而使得下横梁产生弯曲变形。而电器控制箱的重力G4和升降电机的重力G6以及下横梁自身重力G5都可看作下横梁由于本身重力对自己作用而产生变形的另一因素。假设G、G1、G2、G3的重力作用于下横梁所产生变形的转角的，因为G4和G6处于支点上所以不会对下横梁作用而产生变形。设单根立柱对右侧支点的转角 ，则： （4.13）式中： G堆垛机各部分的重力（kg）；L单根立柱的惯性量；E-弹性模量（MPa）；I1下横梁的惯性矩（m4）。由图4-8可知：对于下横梁的变形，主要需要考虑的是其中心处所产生的变形（此处变形最为明显），所以下横梁的挠度为： （4.14）由上述可知双立柱作用于下横梁所产生的形变量是一致的，即 = 由上可知，x轴、y轴已确定，所以以其交点为坐标原点，利用叠加法原理便可得出由于质点作用而使下横梁产生变形的转角： G=G1+G2= （4.15）下横梁由于自身重量而造成的转角： = （4.16）因此就可以得到下横梁总的转角： = + （4.17）而下横梁由于自身重量造成的挠度yq： （4.18）因为堆垛机升降台在上升下降时对下横梁造成的影响极小，所以可以近似认为堆垛机升降台运行时所产生的加速度不足以使下横梁产生变形。因此最终下横梁的变形主要可以看作是由上横梁、载货台、立柱等的重力使其变形，还有便是自身重力使其产生的变形。下横梁的总的变形量y下如下： （4.19）由于堆垛机的整体高度比较高，因此下横梁变形对立柱所造成的影响可以近似用下面公式来表示：= （4.20）4.2.5立柱总挠度y的验算：由4.1.3和4.1.4的计算内容综合可知： （4.21） 式中：L-为下横梁的长度（m）；L1为0.15m；q= 2.745kg/cm；q1=1.32kg/cm，q2=5.65 kg/cm；弹性模量E=E1=E2=200GPa。计算所需相关参数如下表4-1：表4-1 双立柱自动化立体堆垛机相关参数名称质量（kg）坐标惯性矩(m4)长度（m）G 立柱2196（0，4）、（2，4）I=1.7910-48G1上横梁368.8（1，8）I1=6.26910-62.8G2 货物300（1，7.25）G3 载货台+货叉800（1,6.5）G4 电控箱200（-0.5，1）G5 下横梁1808.64（2.5，0）I2=1.810-43.2G6 起升电机300（3，1）将表中数据带入公式4.21中： 由堆垛机设计的经验公式7 因为立柱高8m，所以可得0.004-0.008，而立柱的总挠度小于许用值，因此设计的所有立柱尺寸皆满足要求，可以采用。4.2.6下横梁弯曲变形的验算由上述式4.19可知下横梁的变形总挠度为： 根据堆垛机设计的经验公式7 下横梁长为2.8m，可得0.0014-0.0028，而下横梁的总的变形挠度小于许用值， 因此下横梁的一切设计皆满足要求。4.2.7 上横梁的弯曲变形验算上横梁的相关计算可类比于下横梁的计算方法。对上横梁的受力分析如下：图4-9 上横梁挠度图分析可知，主要是载货台、货物、货叉的重力以及自身重力会对上横梁产生弯曲变形的影响。因为堆垛机升降台在上升下降时对上横梁造成的影响极小，所以可以近似认为堆垛机升降台在运行时所产生的加速度不足以使下横梁产生变形。故此，上横梁的弯曲变形主要是来源于上横梁自身的重力以及载货台、货叉、货物的重力共同作用。可仿照下横梁变形的公式4.19： （4.22）式中： 将表4-1中的相关参数带入上式：=0.0000052根据堆垛机设计的经验公式7 上横梁长为3.2m，可得 0.0016-0.0032，而上横梁的总的变形挠度远小于许用值， 因此上横梁的一切设计皆满足要求。5 堆垛机安全机构的选型设计随着自动化技术和信息技术的发展趋势，以及产业链生产规模的不断扩大和市场竞争的日益激烈，自动化立体仓库系统也受到了越来越多的关注并得到了广泛的应用，特别是在运输和物流层面。堆垛机是伴随着立体仓库的出现和发展而产生的一种特殊类型的起重机械。利用它可以进一步增添室内空间的总面积和空间利用率。堆垛机的主要功能是在立体仓库的巷道中的轨道上来回穿梭，将在库房口或指定位置处的货物存储到存储架的隔间中，或者将其移到隔间或进行运输到巷道的出口。根据机械结构和控制系统的相互配合，可以完成堆垛机在轨道上的自由运动。安全隐患一直是一个棘手的问题，在生产和制造中必须加以讨论，自然堆垛机的设计方案中也不可例外。作为一种起重设备，堆垛机在高而狭窄的巷道中高速穿梭，为了防止对人身安全和机械设备的威胁，堆垛机必须具有一套完整的硬件配置和软件平台保护措施。1. 堆垛机在工作过程中的防碰撞装置。包罗堆垛机的行走、载货台的起落和货叉的伸缩过程当中终端处都应该设有硬件和电气限位装配。一般将橡胶缓冲器安装在立柱与上下横梁相交处，以及将机械死挡安置于轨道的终端，这样的话就算堆垛机失控出轨，也有相应的缓冲保护装置，这样就能最大限度地避免堆垛机出轨造成人身及财产的损失。2. 载货台的防坠落保护装置。钢丝绳是有寿命的，由于过长时间的使用或者过载等意外有可能会发生突然断裂，当检测装置检测到钢丝绳断裂时，其防坠落保护便开始生效，安全钳和限速器共同作用使载货台停在当前位置，不至于坠落，而造成财产损失和人员伤亡。3. 载货台上还应装有货叉伸缩回位电气保护装置以及检测货架上是否有货物的装置。在确认货叉已收回的情况下，堆垛机才可运行，避免将产品碰下货架或将货架碰倒；如果货架上已有货物，则堆垛机不可以再往该位置装货；人库时，必须检测货叉上是否有货物，如果有则该货叉不能再取货。4. 堆垛机还应设有断电保护装置。在载货台升降的过程中如果突然断电的话，就要考虑要有一个迅速制动的装置，使载货平台立即制动，不至坠落，造成损失和人员受伤。5.1 堆垛机运行防碰撞装置的选型设计堆垛机的整体操作是三维运动，包括堆垛机沿轨道的水平运动，装载平台的提升运动和货叉伸缩运动。对于这三个不同方向的运动，必须考虑其安全装置。行走机构使整个装置沿轨道驱动运行。因此，有必要在轨道的终端设备上安装水平机械设备限位开关装置，以免当堆垛机的运行速度太快或堆垛机失控的时候造成损失。则设备应具有以下功能：缓冲，反应迅速，可靠。尽可能避免堆垛机越过轨道或猛烈撞击造成经济损失或更严重人员伤亡。通常，这种机械设备限位开关设备采用液压机或橡胶缓冲器，并安装在承重梁的两个边界上，以和缓冲冲击动能。缓冲器的缓冲容量计算公式如下： （5.1）式中：代入数据可得缓冲器的缓冲容量T为：=1219.07 N.m 图5-1 橡胶缓冲器根据所求得的缓冲容量可选取型号为HX-160的橡胶缓冲器。具体参数如下：表5-1 缓冲器的参数表参数型号主要尺寸（mm）螺栓规格缓存容量W/KN.m缓冲行程S/mm缓冲力/KN重量/kgDD1D2HH1H2ABdLHX-160125136180125822200160M16401.6056955.00堆垛机的第二个方向的活动是载货台在竖直线起落活动，这个活动是经由堆垛机的起落机构实现的。堆垛机的升降机构通过起升电动机驱动载货台进行上下运动，这个竖直方向的运动也需要同行走机构的一样在两根立柱的上下边界分别安装缓冲装置，一般为橡胶缓冲器或液压缓冲器。与此同时也需要在载货台上安装限位保护开关，这个装置是为了避免升降机构在上升或下降的过程中超过了机构本身的上下位限而对机构造成影响。限位保护开关如下图5-2所示：图5-2 限位保护开关1-柱塞 2-固定触点 3-转换触头其工作原理就是一旦堆垛机的载货台超过极限位置便会将柱塞下压，从而使得触点2与触头3分离，使整个堆垛机系统断电载货台停在原处，这样就避免了载货台超越极限位置造成机器损坏。5.2 堆垛机的防坠落保护装置当载货台下降速度过快或者当载货量过大、钢丝绳老化发生断绳事故时, 此时必须要求载货台能迅速自动可靠的停在原处, 以防止发生货物摔毁和砸伤工人等事故。所以,对于防坠落保护装置的设计要求是反应迅速、工作可靠、冲击较小、结构简单、造价低廉、拆装方便等。 目前常用的钢丝绳机构的安全防坠落保护装置按制动形式，一般可以分为类似码头龙门架（井字架）的滑楔式、类似电梯防坠的偏心轮式（安全钳和限速器）以及销式三大类。滑楔式防坠落装置高质量且可靠的防坠安全装置应该具备整体框架结构，并且必须包括三个部分：启动机构，传动机构和抓捕机构。滑楔式防坠器的整体结构图如图5-3所示。其原理是，在堆垛机正常工作时，抬起镀锌钢丝绳以向上驱动主杆2，并启动弹簧3复位（复位量可根据具体情况调整）。这时，连杆机构促使可动滑动楔形件下沉（如图5-4所示），从而使可动滑动楔形件和无缝钢管导轨之间有足够的空间。该间隙促进了装载平台的无阻碍运行，但是一旦镀锌钢丝绳突然断裂，主拉杆的上拉阻力就会突然消失。这时，弹簧迅速恢复到原先状态，迫使连杆机构挤压滑楔。两边的滑动楔块抱死无缝钢管，从而起到制动作用。滑楔式防坠落装置的制动系统快速，灵巧，冲击力小且稳定。然而，它制造精度，滑轨的直线度和平整度的要求非常高，这将导致成本增加。图5-3 防坠器总体结构示意图1- 框架 2-主拉杆 3-弹簧 4-导向和制动轨道 5-抱刹机构 6-连杆机构 图5-4 双向抱刹抓捕机构1-制动和导向轨道 2-上盖板 3-滚子排 4-定滑楔 5-动滑楔 6-下盖板（2）偏心轮式安全防坠落装置如图5-5所示，偏心轮式安全防坠装置采用弹簧垂直布局的启动机构。其传动机构仍与滑动楔形防坠落安全装置相同，使用杠杆机构，而偏心轮的关键组成部分则是其抓捕机构。该类防坠落设施作业的基本的原理是：在载货平台下降的同时，偏心轮也跟着旋转，与钢轨得距离也会越来越近，随着偏心量越来越大，由于径向力的作用，偏心轮在滑轨上的正压力越来越大，滑动摩擦力也再次增大。当滑动摩擦力使装载平台和货物力相等时，系统制动完成。该类防坠落装置的自身重量小，且制动平稳迅速，工作可靠；但是由于制造偏心轮时的步骤较为繁琐且偏心轮加工精度要求较高，加工难度大，不利于节省成本。图5-5 偏心轮式安全防坠落装置1-主拉杆 2-横担 3-连杆 4-复位弹簧 5-杠杆 6-滑板 7-拉杆 8-扭杆 9-偏心轮 （3）销式安全防坠落装置销式安全防坠落装置示意图如下图5-6所示，它的大体结构像是一个弹射结构，其使载货平台制动的原理是：当牵引钢丝绳断裂的时候，原先压缩的弹簧会立即被释放以恢复原状，此时位于弹簧末端的卡销就会被弹出，卡在立柱的凹槽内，这样就会使载货平台停止坠落。此类防坠设备制动时间短、反映敏捷、布局简略，比较经济实用。但是由于卡销的迅速弹射会产生较大的动能，这样就可能对立柱造成很大的冲击，因此就要求滑销、载货台以及立柱的强度较高。图5-6 销式安全防坠器防坠装置支架 2-卡销 3-弹簧 4-导轮 5-钢丝 6-连杆 结合三种防坠落装置的优缺点，选取销式防坠落装置。5.3 制动器的选型设计制动器是堆垛机安全平稳运行所不可缺少的重要装置，是用于机构或机器减速器或者使其停止的装置。制动器的主要作用如下：1）断开堆垛机的开关电源时，制动器可以自主运行。制动闸瓦锁定制动轮以停止载货台的运动。2）由于整个立体仓储系统中除了堆垛机还有其他设备，当系统中除堆垛机之外的其他任意设备发生故障时，堆垛机需立即停止工作。要求堆垛机载货台在承受1.25倍额定载货量时仍可停在原处。3）当堆垛机行走速度超过额定值时，制动器必须迅速介入，减速或使其停车。货物平台的制动器必须是在接通电源时消除制动作用，以便堆垛机能够操作；当堆垛机的驱动电源或操纵开关电源断开时，或者堆垛机超出极限位置，超速和出现故障情况时，制动器应立即制动，使堆垛机可以停止运行或无法启动，确保在堆垛机电源突断或发生其他意外情况时，制动器必须立即生效；但是当正常工作时，制动器不可以进行任何活动以干扰正常作业。 选择制动器需要考虑机器或者机构的运转情况来计算制动轴的负载转矩Tt，然后再结合堆垛机升降机构制动转矩的安全系数Sp。这样便可以根据制动转矩公式T（T=SPTt）求出制动转矩，考虑安全储备的制动安全系数Sp推荐值如下表5-2所示：表5-2 安全系数Sp驱动型式机构工作等级Sp人力驱动M1（轻级）1.5动力驱动M1、M2、M3、M4（轻级）1.5M5(中级)1.75M6（重级）2.0M7（特重级）2.5由制动器引起的制动扭矩必须超过由货物和货物平台引起的静扭矩。这样就要求在载货台停在半空中时，必须需要有安全提前量，整个机械每一个制动器都必须满足以下要求： （5.1）式中：因此有：由上面计算所得的制动转矩，查机械设计手册，确定选用YW系列的电力液压式制动器。经比对本次设计使用型号为YWZ100/18的电力液压块式制动器。其主要参数如下表5-3：表5-3 YWZ100/18制动器主要参数制动器型号制动轮直径D制动转矩制动瓦退矩电力液压推动器总重量（kg）型号额定推力（N）工作行程补偿行程电机功率重量YWZ100/18100400.6YT1-181801370.069.817.35.4 检测货物及货叉装置 由于堆垛机运行的巷道较窄，因此无论是在堆垛机在轨道行走时还是在载货台升降时都需要检测堆垛机载货台上的货叉是否回位，这样可以避免货叉在堆垛机行走时碰到货物或碰倒货架，通过限位开关检测，其原理如图5-7所示，当启动按钮SB1被按下时,SB1的常闭接点先断开KM1的电路，常开接点接通使接触器KM2线圈通电吸合KM2主触头闭合接通电动机电源，电动机正常运行并带动机械部件运动；当电动机拖动的机械部件运动到预定位置时挡块碰撞行程开关SQ2，SQ2的常闭触点断开接触器KM2的线圈回路，KM2断电，主触头释放，电动机断电停止17。因此只有当货叉完全回位，行走电机才可以启动，伴随着升降电机才可以高速运转。这样才可以保证堆垛机在行走的时候不会撞到货架而造成财产损失。 图5-7 限位保护电路另一方面，货物在货架里的安放是否得体（即货物是否突出了货架），也是需要检测的。自动化立体仓库系统的堆垛机在进行入库作业的时候有可能出现异常的情况,或者在人为作用下（例如有意无意的人为碰撞），也有可能导致货物在货架存放位置错位。货物一旦凸起到货架外,就有大概率会影响到堆垛机在巷道内正常作业,也会大概率造成堆垛机本身或者是仓库中其他物品得损坏，在设计时拟定在堆垛机的顶端安装一个竖直方向的激光检测装置，初始光线与货架的最外端边沿对齐，如图5-8所示。若是激光射线照射在非货架上时，便意味着货物没有在安全位置处,就会马上触动报警体系,体系检测到报警信息后即发出信号灯使堆垛机遏制运行,以制止造成堆垛机本身和仓库货架货物等的破坏。图5-8 货物检测传感器6 堆垛机电控原理本章是对堆垛机的控制系统进行描述，其中重点在于对堆垛机电控系统进行设计，分三个方面进行，1.对堆垛机速度的控制；2. 选择整个系统的主控制器；3.堆垛机的精准定位。6.1 堆垛机速度的控制堆垛机的速度控制是通过变频技术实现的，相较于之前用减速器进行调速的方式，大大减小了调速设备的体积以及提高了调速效率，并且机械故障的可能性也有了显著的降低。6.1.1 变频调速的优点 1、调速范围比较广；2、输出平滑性好；3、能够可靠的实现异步电动机的无级调速；4、节能效果良好；5、可以实现恒转矩调速以及恒功率调速。6.1.2 变频器的结构变频器是完成变频调速的关键。顾名思义，调频以致变速，它可以将直流电转变为各种频率的交流电，从而起到变速的目的。变频器由控制回路和主电源电路组成。控制回路包括主控回路、信号检测供电电路、电网电压控制器供电电路、外接电源插座供电电路、维护供电电路。是变频调速器的重要电源电路。控制回路的好坏决定了逆变电源特性的好坏。控制回路的重要作用是控制逆变电源开关电源的主电源开关，控制电子整流器的工作标准电压和执行各种维护功能，进而控制主电源电路。逆变电源结构的基本概念图如图6-1所示：逆变电源的主电源电路由逆变电路和逆变电源电路两部分组成。其中，逆变电路将进入逆变电源的直流电和交流电流转换为直流电源，并对直流电源进行平滑滤波，再由逆变电源电路将直流电源变换成各种频率。然后交流电驱动电机运行。 图6-1 变频器原理图6.1.3 变频调速原理 当三相异步电动机定子绕组上通电时，该三相电压将会发生旋转磁场，这时候转子的速率是由定子的电压频率确定的。因为磁场是旋转的，所以电动机转子相当于做切割磁感线运动，这促进了电机转子绕组中的感应电流和感应电动势。由于电磁振荡的作用而产生的感应电动势进一步产生电磁力，即转矩，从而使电机转子随着电磁振荡而旋转。异步电动机定子电磁场的速比称为异步电动机的同步速比。相同的速比由电机的大部分磁场和开关电源频率决定： （6.1）式中：通常而言，异步电动机的转速是小于其同步转速的，而其准确的转速计算如下： （6.2）式中：它可以从等式（6.2）中获得。如果改变主参数f，s中的任何一个都可以改变电机的实际转速，从而完成异步电机的变速控制。因此，这也证明了改变电源的频率来完成异步电动机的变速的可行性。6.2 系统主控器的选择在系统主控器的选取上，我选择了可编程控制器（PLC），PLC与继电器作为主控器相比而言，在特性上有诸多的优势，特别是在稳定性、循环时间、调整变化、体积、功能损失、应用维护等方面。 PLC是一种应用于产业链自动化技术产业链的专用微机控制系统软件，具有布局合理、操作简单、抗干扰性强、价格低廉等特点。6.2.1 PLC工作原理PLC采用的是巡回扫描的工作机制,它的一个扫描周期由输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段三部分组成，PLC通过循环的执行扫描周期来完成任务。其基本结构如图6-2所示：图6-2 PLC基本结构6.3 堆垛机的精准定位选用光电编码器进行精确定位。光电编码器分为正单脉冲伺服电机（APC）和增量单脉冲伺服电机（SPC）。它们通常用作速度控制或零件自动控制系统的检查部件。伺服电机输出分为单输出和双输出两种。单路输出是指光电编码器输出一组单脉冲，而双路输出光电编码器输出两组单脉冲，相角为90度。基于这两组单脉冲，不仅可以准确测量速率比，还可以区分旋转方向。当使用光电编码器进行精确偏移和精确定位时，由于是交流电机拖动堆垛机的实际运行，因此牵引电机前后旋转的角度也决定了其移动的距离，如图6-3所示。将一个光电盘安装在牵引电机的轴上，并且在圆盘的同一圆上对称地添加许多小圆孔。当牵引电动机旋转时，光盘也会旋转。光电编码器根据旋转的小圆孔的总数进行传输。计算与总数相对应的脉冲数据信号，从而仅测量脉冲数，就可以知道堆垛机的行走距离，即知道了堆垛机的实际位置。 图6-3 光电编码示意图参考文献1 周奇才. 基于现代物流的自动化立体仓库系统(AS/RS)管理及控制技术研究D. 西南交通大学, 2015.2 王龙辰. 一种防碰伤和便于胶卷更换的物流包装用打包机:, CN110395451AP. 2019.3 李霞, 朱煜明. 自动化立体仓库动态货位分配建模与仿真J. 物流科技, 2016, 39(003):131-136.4 蒋蕊聪. 自动化立体仓库J. 中国储运, 2017, 000(009):73-75.5 张德民, 张慧慧. 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