立体仓库存取系统机电一体化设计毕业论文

1、摘 要 立体仓库一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架存储单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。本文构建了了一个实验室规模的的自动化立体仓库，由控制系统和存取系统组成。控制系统中以三菱FX2N系列PLC作为核心控制元件，专用键盘作为人机接口部件，控制步进电机来驱动一个有三自由度的仓库模型在高强度导轨上做三维运动，以步进电机每转输出的脉冲数为基础，通过键盘对每个仓位予以地址编码，通过PLC对命令键盘进行扫描并得到相应的仓位号，当PLC接收到来自键盘的输入命令后，便输出对应仓位的脉冲数，经过驱动器驱动步进电机按设定的方向转动一定的角度，进而控制传动部件丝杠旋转进行准确的定

2、位，以完成货物的存取功能，另外，为了保证整个控制系统运行的稳定性和可靠性，我们还采用了限位开关对其进行限位保护。存取系统由立体框架结构、托盘装置、导引装置、定位与安全装置组成，保证了物件能在控制系统的控制下安全的存取。 关键字：目 录参考文献231 绪论11.1 本课题设计的背景11.2本课题设计的内容11.3本课题设计的目的和意义22 硬件部分42.1 立体仓库的基本结构42.2 立体仓库的硬件原理5 步进电机的原理5 联轴器的原理6 丝杠传动的原理73 元器件的选择103.1 步进电机的选择103.2 牵引电机的选择123.3 联轴器的选择123.4 立体钢架的设计133.5 托盘的设计1

3、43.6 立柱模块的设计153.7 行走机构模块的设计163.8 货叉机构模块的设计17结论19致谢20参考文献211 绪论1.1 本课题设计的背景立体仓库一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓库”。 立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。此后，自

4、动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，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。到目前为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。立体仓库由于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

5、受到企业的重视。在现代化的物流仓储系统中，自动化立体仓库应用日益广泛，而堆垛机的优劣对整个立体仓库的运行起着重要作用。单就我国现有的生产力发展水平来看，在自动化立体仓库中设计出造价低廉、工作可靠的堆垛机替代原有仓库的管理和控制，能更加适应某些中小企业投资少见效快的目标，1.2 本课题设计的内容立体仓库由控制系统和存取系统组成。 传统条件下的库房管理作业，主要依据人工装卸，特别是对于一些大型物资，不仅工作效率低，浪费大量的人力、物力，存在较大的安全隐患，同时还占据大量的库房面积。立体库的投入使用，彻底解决了这一难题。 自动化仓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。同

6、时，由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，也提高了操作人员素质和管理人员的水平 。2 硬件部分2.1 立体仓库的基本结构 按键号功能选择定义1自动选择1号仓位手动机构水平向左移动2自动选择2号仓位手动机构垂直向下移动3自动选择3号仓位手动机构水平向右移动4自动选择4号仓位手动机构水平向后移动5自动选择5号仓位手动机构垂直向上移动6自动选择6号仓位手动机构水平向前移动7自动选择7号仓位手动无意义8自动选择8号仓位手动无意义9自动选择9号仓位手动无意义10自动选择10号仓位手动无意义11自动选择11号仓位手动无意义12自动选择12号仓位手动无意义联轴器主要适用于连接伺服

7、电机、步进电机、一般常用电机、旋转编码器和滚珠丝杆等。广泛应用于数控加工机床、电子制造设备、纺织机械、印刷机械、包装机械、塑料机械、工程机械、工业机器人、自动装置等领域。 其主要适用于连接伺服电机、步进电机、一般常用电机、旋转编码器和滚珠丝杆等。广泛应用于数控加工机床、电子制造设备、纺织机械、印刷机械、包装机械、塑料机械、工程机械、工业机器人、自动装置等领域。联轴器所联接的两轴，由于制造及安装误差，承载后的变形以及温度变化的影响等，会引起两轴相对位置的变化，往往不能保证严格的对中。根据联轴器有无弹性元件、对各种相对位移有无补偿能力，即能否在发生相对位移条件下保持联接功能以及联轴器的用途等，联轴

8、器可分为刚性联轴器，挠性联轴器和安全联轴器。 刚性联轴器 只能传递运动和转矩，不具备其他功能 包括凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等 。如下图所示。 刚性联轴器实物图挠性联轴器 无弹性元件的挠性联轴器，不仅能传递运动和转矩，而且具有不同程度的轴向、径向、角向补偿性能 包括齿式联轴器、万向联轴器、链条联轴器、滑块联轴器等。有弹性元件的挠性联轴器，能传递运动和转矩；具有不同程度的轴向、径向、角向补偿性能；还具有不同程度的减振、缓冲作用，改善传动系统的工作性能 包括各种非金属弹性元件挠性联轴器和金属弹性元件挠性联轴器，各种弹性联轴器的结构不同，差异较大，在传动系统中的作用亦不尽相同。如下图所示。

9、安全联轴器 传递运动和转矩，过载安全保护。挠性安全联轴器还具有不同程度的补偿性能 包括销钉式、摩擦式、磁粉式、离心式、液压式等安全联轴器如下图所示。 安全联轴器实物图 丝杠传动的原理丝杠一般是把丝杠的传动转变为螺母的直线运动，一般使用伺服电机加一个联轴器进行驱动，对于现在流行的滚珠丝杠来说，其摩擦系数很小，所受的轴向力很小，所以传动不需要很大的力。滚珠丝杠是将回转运动转变为直线运动、或者将直线运动转变为回转运动的理想产品。滚珠丝杠的结构：滚珠丝杠副的结构传统分为内循环结构(以圆形反向器和椭圆形反向器为代表)和外循环结构(以插管为代表)两种。这两种结构也是最常用的结构。这两种结构性能没有本质区别

10、，只是内循环结构安装连接尺寸小；外循环结构安装连接尺寸大。目前，滚珠丝杠副的结构已有10多种，但比较常用的主要有：内循环结构；外循环结构；端盖结构；盖板结构。滚珠丝杠原理：1、按照国标GB/T17587.3-1998及应用实例，滚珠丝杠（目前已基本取代梯形丝杆，已俗称丝杆）是用来将旋转运动转化为直线运动；或将直线运动转化为旋转运动的执行元件，并具有传动效率高，定位准确等2、当滚珠丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。滚珠丝杠的特点：1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3滚珠丝杆的丝杠轴与丝母之间有很多

11、滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。2、高精度的保证滚珠丝杆是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度·湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3、微进给可能滚珠丝杆由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。4、无侧隙、刚性高滚珠丝杆可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压

12、力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。5、高速进给可能滚珠丝杆由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。滚珠丝杠加工注意问题：滚珠丝杠加工时，螺杆预拉就是在装配时用螺杆两端的锁紧螺母按要求对螺杆的长度方向施加一定的拉力以调整螺杆正反螺母的反向紧度，原因是螺杆在运行中温升时，热应力效应会使螺杆伸长，使螺杆的长度变得不稳定。目的是为了有效消除该部件的弹性变量以期获得平稳的运动精度。否则在微量进给时当滑鞍或工作台的阻尼力大于螺杆及螺母的弹性力矩时工作台不发生位移，随着不断的进给螺杆及螺母的累积弹性力矩超过工作台阻尼力矩此时的工作台产生冲动位移。虽然总的进给量可能

13、不受影响、但实际的步数、每步的进给量与控制器的输出产生误差，其后果是严重影响加工精度。其实物如下图所示： 滚珠丝杠实物图3 元器件的选择移动部分总重 M=25kg 外力 Fa=4kg.cm磨擦系数 =0.04螺栓机构的效率 =O. 9螺栓轴径 =1.2cm螺栓长 =42cm螺距 P=3mm分辨率 L=0.01mm移动距离 =0.0075mm/步速度 V=2mmin 计算： 设拟选用2相、1.8°步距角的HB型电动机速比(设使用直接驱动方式)i=m×/(360×L)=2×1.8(360×O.01)=1轴向力F=Fa+M=4+0.04×2

14、5=5kg.cm负载转矩=F×P(2 )+(××)/2 =5×0.3(2 ×3.14×0.9)+ (0.3×1.67× 0.3)/(2 ×3.14)=0.289kg.cm 螺栓的惯量 =（×××）/32=（3.14×7.9××42×）/32=0.0675kg.移动体的惯量=M×=25×=0.0571 kg. 负载惯量为=+=0.0675+0.00571=0.1246kg.根据以上计算可以初步选定步进电动机，其惯量为=

15、0.03 kg.，空载起动频率=3000H。由要求的速度可求出运行的频率：f=VL=2000(60×0.01)=3333HZ可知需要加减速的驱动方式。齿轮比：G=360°/L=0.0075 ×360°/ (1.8°×0.01)=150换算到电机轴的负载转矩为T=G×L(+F)/ 2 =150×0.01×(0.289+5)/(6.28×0.9) =1.40 kg.cm对首次设计的装置来讲，所选用的电动机通常留有23倍的余量，所以电机转矩=3T=3×1.40=4.2 kg.cm =0.41

16、N.M1.80=0.9，最高时速需要动力P=（W1+W2）V/=（5000+13000）*0.15/0.9=3KW 因此为保证安全，选择牵引电机功率为5.5KW 选择电机为绕线形异步电机：YZ160M1-6 5.5KW 型号 功率（KW）转速（r/min） 转动惯量 （kg/m2）转子绕子开路电压（V）YZ160M1-6 5.5 930 0.12 138 滑块联轴器剖面图工字钢也称钢梁，是截面为工字形的长条钢材。其规格以腰高( h)*腿宽(b)*腰厚(d)的毫米数表示，如“工160*88*6”，即表示腰高为160毫米、腿宽为88毫米、腰厚为6毫米的工字钢。工字钢的规格也可用型号表示，型号表示腰

17、高的厘米数，如工16#。腰高相同的工字钢，如有几种不同的腿宽和腰厚，需在型号右边加a b c 予以区别，如32a# 32b# 32c#等。工字钢分普通工字钢和轻型工字钢，热轧普通工字钢的规格为10-63#。经供需双方协议供应的热轧普通工字钢规格为12-55#。工字钢广泛用于各种建筑结构、桥梁、车辆、支架、机械等。 其具有以下特点：1翼缘宽，侧向刚度大。抗弯能力强。 2 翼缘两表面相互平行使得连接、加工、安装简便。 3与一般型钢相比，成本低，精度高，残余应力小，无需昂贵的焊接材料和焊缝检测，节约钢结构制作成本30%左右。 4 相同截面负荷下热轧H钢结构比传统结构重量减轻15%-20%。 5与砼结

18、构相比，工字钢结构可增大6%的使用面积，而结构自重减轻20%一30%，减少结构设计内力。 6 工字钢可加工成T型钢，蜂窝梁可经组合形成各种截面形式，极大满足工程设计与制作需求。 综合以上所述，钢架结构的材料选用32（a）工字钢铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。纯铝的密度小（=2.7g/cm3），大

19、约是铁的 1/3，熔点低（660），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（:3240%，:7090%），易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态 b 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。 添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，b 值分别可达 2460kgf/mm2。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值 b/）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机

20、等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。 铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质刚，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。为了减轻托盘的重量，托盘采用铝合金材料，这样既减轻了了重量，还能保持你的坚固性。其外形如图所示： 托盘CAD截图为了使其具有更好的传动性，方便在皮带上传动，故设计为船型。3.6立柱模块的设计 立柱模块主要有立柱、导轨和法兰盘组成，立柱通过法兰盘与下横梁相连接，立柱采用热轧H型钢和钢板焊接而成，在满足刚度和强度的情况下使得重量减轻，节省了材料，而且外形美观。 立柱CAD截图

21、 立柱实体图3.7 行走机构模块 行走机构模块是堆垛机的重要组成部分，它主要有上下两个轨道以及导轮组等零部件组成。 下横梁是模块零部件的支撑机构，又是堆垛机的承载构件，因此它要有足够的强度和刚度，通过电机驱动导轮使其在轨道上行走，完成堆垛机沿轨道方向的水平运动，两组导轮夹在上下轨道的之间，使堆垛机水平运行时能够沿着轨道行走不至于跑偏，起到导向的作用。 导轨CAD截图 底座行走机构CAD截图 导轮CAD图3.8 货叉机构模块 货叉机构是堆垛机的主要工作机构，货叉机构安装在载货台上，能够上下和前后移动，来完成货物的存取。为防止堆垛机在运行过程中与轨道两边的货物发生碰撞，所以你本身的长度要小于两个轨

22、道之间的宽度。在货叉运行时其行程要远远大于两个轨道之间的宽度，故采用丝杠传动，使货叉与螺母一起运动，当滚珠丝杠做回转运动时螺母就会做直线运动。通过牵引钢丝做上下运动，其动力是堆垛机上方的牵引电机。 货叉CAD截图 货叉实物图结论传统仓库只是货物储存的场所，保存货物是其唯一的功能，是一种“静态储存”。自动化立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库内按需要自动存取，而且可以与仓库以外的生产环节进行有机的连接，并通过计算机管理系统和自动化物料搬运设备使仓库成为企业生产物流中的一个重要环节 ，而且节省人力，大大降低劳动强度，能准确、迅速地完成出入库作业； 提高储存空

23、间的利用效率； 确保库存作业的安全性，减少货损货差； 能及时了解库存品种、数量、金额、位置、出入库时间等信息。企业外购件和自制生产件进入自动化仓库储存是整个生产的一个环节，短时储存是为了在指定的时间自动输出到下一道工序进行生产，从而形成一个自动化的物流系统，这是一种“动态储存”，也是当今自动化仓库发展的一个明显的技术趋势。通过我学习到了很多东西，在工作的细心上也得到了提高。并且，更了解了有关可编程控制器的功能。我选择这个设计，也是为了弥补以前学习上的不足。这次设计，使我了解到老师的用心良苦，并且从老师那学到了很多宝贵的东西。致谢伴着青春的激情和求知的欲望，我已走完了四年的求知之旅，美好的大学生活培养了我科学严谨的思维方法，更造就了我积极乐观的生活态度和开拓进取的创新意识。回想起四年当中和同学一起走过的日子，我们的内心感受颇深，在毕业设计过程中我们的自学能力得到极大提高，同学们在遇到一些CAD等软件难题时，通过各位老师的引导，再一步一步摸索，并浏览参考了大量相关网站和电子书，也请教过很多网络高手,最终在大家的通力奋战合作中将机械和线条连接成功，同时也加深了对综合设计方面的认识,培养了大家的自学能力和学习接受能力. 在平时处理问题时，大家一起去讨论，解决,交换意见和改进思想,项目组