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本科毕业设计（论文）题 目 标准件存放立体仓库及自动存取货机构设计 姓 名 专 业 学 号 指导教师 标准件存放立体仓库及自动存取货机构设计摘 要 世界主要工业国家都把着眼点放在开发性能可靠的新产品和采用高新技术上，更加注重实用性和安全性。如今， 标准件存放立体仓库及自动存取货机构设计已成为企业生产管理不可获缺的重要组成部分。本文从实际问题出发，以现有设备为依托，先确定出标准件存放立体仓库的总体结构及各部分的结构草图，然后运用理论力学、材料力学、机械设计、制造技术等专业知识，并查阅相关设计手册，对其机械部分进行了详细的设计计算，包括：机架、行走机构、升降机构、载货台和货叉伸缩机构。设计过程中，以实现标准件存放立体仓库的机械性能为目的，在满足其强度、刚度、运行稳定性等要求的前提下，综合考虑结构的合理性和所选材料的经济性，力求达到高质量、低成本。关键词: 自动化 ,标准件存放立体仓库及自动存取货机构, 立体仓库 标准件存放立体仓库 结构设计43AbstractThe worlds major industrial countries have the focus on the development of reliable performance of new products and the use of the high-tech, more emphasis on practicality and safety. Today, standard parts storage warehouse and automatic access to goods mechanism design has become an important part of production management indispensable.From the practical problems, taking the existing equipment as the basis, first determine the standard storage structure warehouse sketch the overall structure of each part, and then use the theoretical mechanics, mechanics of materials, mechanical design, manufacturing technology, expertise, and Now Related design Manual, its mechanical part of the detailed design calculations, comprising: a frame, running gear, lifting mechanism, loading station and fork telescopic mechanism. The design process in order to achieve the mechanical properties of standard parts storage warehouse for the purpose, to meet its strength, rigidity, running stability requirements of the premise, considering the reasonableness of the selected material and economic structure, and strive to achieve high quality, low cost.Keywords: automation, standard parts storage warehouse and automatic access to goods mechanism, standard parts warehouse storage warehouse design目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题目的和意义11.2 本选题在国内外的研究状况及发展趋势11.3自动化立体仓库的发展21.4 发展自动化立体仓库的必要性3第2章 标准件存放立体仓库及自动存取货机构方案设计52.1 升降机构动力系统选择依据52.2 动力计算52.3 动力选型62.4 三层货叉移动行走方案设计6第3章 升降传动系统设计73.1常见机构的特点和应用73.2 传动机构的确定93.3 链传动计算93.3.1链的类型选择93.3.2滚子链的基本参数和尺寸93.3.3 滚子链链轮的基本参数和主要尺寸（GB/T12341997）103.3.4 齿槽形状的选取113.3.5 链轮材料的选择和热处理113.4 链传动校核113.4.1 链传动的主要失效形式113.4.2 链传动的承载能力13第4章 三层货叉移动行走设计164.1 电动机的选择164.1.1选择电动机应综合考虑的问题164.1.2电动机的选择164.2 传动装置的设计174.2.1 传动方案的确定174.2.2 齿条齿部弯曲强度的计算23第5章 标准件存放立体仓库机架的结构设计245.1 自动化立体仓库的结构尺寸及运行条件245.2 机架设计概述245.2.1机架设计应满足的一般要求245.2.2 机架的设计步骤245.3 上导轨设计255.3.1 导轨类型的确定255.3.2 导轨材料的确定265.3.3导轨截面形状的确定265.4 上横梁的设计275.5 立柱设计315.6 下导轨设计355.6.1导轨类型的选择355.6.2滚动直线导轨副的结构与特点365.6.3 滚动直线导轨副的计算36结 论41致 谢42参考文献43标准件存放立体仓库及自动存取货机构设计第1章 绪论1.1 选题目的和意义随着仓储水平的提高，自动化立体仓库在仓储业中应用越来越广泛。随着自动化立体仓库的出现，人们对仓储空间的利用率逐渐提高，改变了传统的仓储模式。本次设计是用组态软件来模拟一个小型自动化立体仓库，来体现自动化立体仓库的便捷性、控制性。自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。它通过高层货架存储，使存储区大幅度地向高空发展，提高了空间利用率；自动化立体仓库采用层积式存放，结合计算机管理，可以很容易实现先入先出，防止货物的自然老化、变质和损坏；通过自动存取系统(AS/RS),加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度；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；计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了货物处理和信息处理过程中的差错；同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。自动化立体仓库由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库托盘输送机系统、尺寸检测条码阅读系统、通讯系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其他如电线电缆桥架配电柜、托盘、调节平台、钢结构平台等辅助设备组成的复杂的自动化系统组成。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。立体仓库的出现,实现了仓库功能从单纯保管型向综合流通型的转变。随着现代化生产规模的不断扩大和深化,它将为工业、企业带来巨大的经济效益。自动化立体仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。在我国，自立体仓库应用的行业主要有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。1.2 本选题在国内外的研究状况及发展趋势20世纪50年代初,美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库;50年代末至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,建立了第一座由计算机控制的立体仓库.此后,自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.据资料统计,日本目前已建成的自动化立体仓库物流系统已超过8000座.我国首先由机械部北京起重运输机械研究所于1963年研制成第一台桥式堆垛起重机,1973年开始研制我国第一座由计算机控制的高15m的自动化立体仓库,并于1980年投入运行.与厂级计算机管理信息系统联网以及与生产线紧密相连的自动化立体仓库更是当今计算机集成制造系统(CIMS)及柔性制造系统(FMS)必不可少的关键环节。据不完全统计,美国拥有各种类型的自动化立体仓库20000多座,日本有38000多座,德国有10000多座,英国有4000多座,前苏联有1500多座。自动化所围绕自动化立体仓库系统开发了多种自动化系统硬件设备及软件产品，如:不同类型的库存管理软件、系统仿真软件、图形监控及调度软件、堆垛机输送机控制软件、条形码识别跟踪系统、搬运机器人、码垛机械手、自动运行小车、货物分选系统、堆垛机认址检测系统、堆垛机控制系统、货位探测器、高度检测器、输送系统、码垛系统、自动输送小车等产品。自动化立体仓库的出现大大拓展了仓库功能,使之从“静态仓库”变成了“动态仓库”,由单纯的保管型向综合的流通型方向发展.通过采用计算机控制,对各种信息进行存储和管理,有效衔接生产与库存,加快了物资周转,降低了成本.从发展来看,建立物流系统与企业大系统间的实时连接,是目前自动化立体仓库发展的另一个明显的趋势.1.3自动化立体仓库的发展立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产力和技术发展的结果。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，出现了由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，目前已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，于1963年研制成功第一台桥式堆垛起重机（北京起重运输机械研究所机械部），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，该仓库1980年投入运行。到2003年为止，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、很强的出入库能力、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，现今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。自动化立体仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。在我国自动化立体仓库应用的行业主要有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。1.4 发展自动化立体仓库的必要性自动化立体仓库相对于以往的仓储设备，具有以下几个方面的优势：一、提高空间利用率早期立体仓库的构思，其基本出发点就是提高空间利用率，充分节约有限且宝贵的土地资源。在西方有些发达国家，提高空间利用率的观点已有更广泛深刻的含义，节约土地，已与节约能源、环境保护等更多的方面联系起来。有些企业甚至把空间的利用率作为系统合理性和先进性考核的重要指标来对待。立体仓库的空间利用率与其规划紧密相连。一般来说，自动化高架仓库空间利用率为普通平库的25倍。这是相当可观的。二、便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平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。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内，将物料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。生产管理是企业管理的一个重要组成部分，主要包括产品规划，生产组织，物流规划，外购外设，产品质量，成本测算等内容。自动化立体仓库系统作为生产过程的一个中心环节，几乎参与了生产管理的全过程。三、加快货物的存取节奏，减轻劳动强度，提高生产效率建立以自动化立体仓库为中心的物流系统，其优越性还表现在自动化高架库具有快速的出入库能力，能快速妥善地将货物存入高架库中，也能快速及时并自动地将生产所需的零部件和原材料送达生产线。这一特点是普通平库所不能达到的。同时，自动化立体仓库的实现是减轻工人劳动强度的最典型的例子。这种劳动强度的减轻是综合的，具体包括：1）采用自动巷道式标准件存放立体仓库取代人工存放货物和人工取货，既快捷又省力。由于工人不必进入仓库内工作，工作环境大为改善。2）采用计算机管理系统对货物进行管理，大大增强了货物的管理能力，使仓库管理科学化，准确性和可靠性有质的提高，入出库管理、盘库、报表等工作量变得简单快捷，工人的劳动强度大幅降低。3）立体仓库系统辅以库前辅助输送设备，使货物出入库变得简单方便。4）自动化立体仓库系统所需要的操作人员和系统维护人员很少，可以节省人力物力，节约了资金。四、减少库存资金积压据统计，由于历史原因造成管理手段落后，物资管理零散，使生产管理和生产环节的紧密联系难以到位。为了达到预期的生产能力和满足生产要求，就必须准备充足的原材料和零部件。这样库存积压就成为一个较大的问题。如何降低库存资金积压和充分满足生产需要，已成为大型企业不得不面对的重要问题。立体仓库系统是解决这一问题的最有效的手段之一。1）以自动化立体仓库为中心的工厂物流系统，解决了生产各环节的流通问题和供求矛盾，使原材料的供给和零部件的生产数量和生产所需的数量可以达到一个最佳值。2）计算机网络系统的建立使原材料和零部件外购件的采购更及时和满足实际需求。3）计算机管理系统的建立加强了宏观调空功能，使生产中各环节生产量更能满足实际需求。4）建立成品库和半成品库，以解决市场供需的暂时的不一致，充分发挥企业的生产潜力。如前所述，自动化立体仓库在多个方面具有无可比拟的优势，这些正是一个现代化企业所要求和追求的。综观国内外的大型企业，自60年代始逐步采用自动化物流系统以来，到今天，立体仓库已成为企业生产管理不可缺少的重要组成部分。第2章 标准件存放立体仓库及自动存取货机构方案设计升降机构工作原理：升降机构采用链传动方式，由电动机通过链条驱动传动链轮旋转，并进行一级减速，再由传动链轮带动升降链轮实现载货台的升降运动。2.1 升降机构动力系统选择依据驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点，它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点，结构紧凑，刚性好。定位精度高，克实现任意位置开停。有很多专业机械手能直接利用主机的液压系统。但缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气动驱动结构简单、造价低廉。气源方便，所需的压缩气源一般工厂都有，并且无污染，一般采用的压力0.4-0.6MPa,最高可达1MPa。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。机械式用于简单的场合。电动由于减速和回转运动变往复运动机构，该机构适用于无污染，有电就可以工作，操作简单方便，在工作场合只需要接通电源即可工作，而工作场合在各个大楼区域，很容易找到电源。 综合以上叙述，将选用最后一种电动机作为本升降机的动力来源。2.2 动力计算由于本设计升降速度v=5m/min。所以输出转速为：.（21） （r为链轮的半径,数据将在后面介绍来源） 机构升降功率为：（22）2.3 动力选型由上面计算结果知道需要输出转速很低，根据机构需要选择摆线针轮减速器，其主要特点是传动比大，一级转速时传动比在11-87，两极转速时传动比范围在20128。由于在传动过程中为多齿齿合，所以对过载和冲击有较强的承受能力，传动平稳，可靠；由于采用了行星摆线传动结构，所以其结构紧凑、体积小、重量轻，在功率相同条件下，其质量是其它减速器的一半，由于摆线齿轮、针齿销、轴销和轴套都是由轴承钢制造，工作中又的有滚动摩擦，因此大大加强了个零件的机械性能并保证使用寿命，提高了传动效率。 由于升降转速需14.5r/min ，输出功率需要大于0.083KW，表15-2-119选择二级直连型XWED8175B型，传动比103，输入转速1500r/min,输出转速14.5r/min，额定转矩2750N.M,额定功率为1.5KW(考虑超载及摩擦等其他不可意料的因素，这个值尽量取大一些).其机构尺寸如图（JB/T298-1994）图2-1 二级直连型XWED8175B型电动机（带减速器的）2.4 三层货叉移动行走方案设计行走机构的作用是传递电动机的功率，将电动机的旋转运动转换成直线运动，使三层货仓沿导轨做往复运动。行走机构主要由驱动电机和传动装置两部分组成。为了将电动机的旋转运动转换为三层货仓直线运动，可以选择齿轮齿条传动。第3章 升降传动系统设计3.1常见机构的特点和应用类型特点应用连杆机构结构简单，制造容易，工作可靠，传动距离较远，传递载荷较大，可实现急回运动规律，但不易获得匀速运动或其他任意运动规律，传动不平稳，冲击与振动较大用于从动件行程较大或承受重载的工作场合，可以实现移动、摆动等复杂的运动规律或运动轨迹。凸轮机构结构紧凑，工作可靠，调整方便，可获得任意运动规律，但动载荷较大，传动效率较低用于从动件行程较小和载荷不大以及要求特定运动规律的场合。非圆齿轮机构结构简单，工作可靠，从动件可实现任意转动规律，但齿轮制造较困难用于从动件作连续转动和要求有特殊运动规律的场合。槽轮间歇机构结构简单，从动件转位较平稳，而且可实现任意等时的单向间歇转动，但当拨盘转速较高时，动载荷较大常用作自动转位机构，特别适用于转位角度在45以上的低速传动。凸轮式间歇机构结构较简单，传动平稳，动载荷较小，从动件可实现任何预期的单向间歇转动，但凸轮制造困难用作高速分度机构或自动转位机构。不完全齿轮机构结构简单，制造容易，从动件可实现较大范围的单向间歇传动，但啮合开始和终止时有冲击，传动不平稳多用作轻工机械的间歇传动机构螺旋机构传动平稳无噪声，减速比大；可实现转动与直线移动，传动平稳无噪声，互换；滑动螺旋可做成自锁螺旋机构；工作速度一般很低，只适用于小功率传动多用于要求微动或增力的场合，如机床夹具以及仪器、仪表，还用于将螺母的回转运动转变为螺杆的直线运动的装置。摩擦轮机构有过载保护作用；轴和轴承受力较大，工作表面有滑动，而且磨损较快；高速传动时寿命较低用于仪器及手动装置以传递回转运动。圆柱齿轮机构载荷和速度的许用范围大，传动比恒定，外廓尺寸小，工作可靠，效率高；制造和安装精度要求较高，精度低时传动噪声较大，无过载保护作用；斜齿圆柱齿轮机构运动平稳，承载能力强，但在传动中会产生轴向力，在使用时必须安装推力轴承或角接触轴承广泛应用于各种传动系统，传递回转运动，实现减速或增速、变速以及换向等。齿轮齿条机构结构简单，成本低，传动效率高，易于实现较长的运动行程；当运动速度较高或为提高运动平稳性时，可采用斜齿或人字齿条机构广泛应用于各种机器的传动系统，变速操纵装置，自动机的输送、转向、进给机构以及直动与转动的运动转换装置圆锥齿轮机构用来传递两相交轴的运动；直齿圆锥齿轮传递的圆周速度较低，曲齿用于圆周速度较高的场合用于减速、转换轴线方向以及反向的场合，如汽车、拖拉机、机床等。螺旋齿轮机构常用于传递既不平行又不相交的两轴之间的运动，但其齿面间为点啮合，且沿齿高和齿长方向均有滑动，容易磨损，因此只宜用于轻载传动用于传递空间交错轴之间的运动。蜗轮蜗杆机构传动平稳无噪声，结构紧凑，传动比大，可做成自锁蜗杆；自锁蜗杆传动的效率很低，低速传动时磨损严重，中高速传动的蜗轮齿圈需贵重的减摩材料(如青铜)，制造精度要求较高，刀具费用昂贵用于大传动比减速装置(但功率不宜过大)、增速装置、分度机构、起重装置、微调进给装置、省力的传动装置行星齿轮机构传动比大，结构紧凑，工作可靠，制造和安装精度要求高，其他特点同普通齿轮传动；主要有渐开线齿轮、摆线针轮、谐波齿轮3种齿形的行星传动常作为大速比的减速装置、增速装置、变速装置，还可实现运动的合成与分解。带传动机构轴间距离较大，工作平稳无噪声，能缓冲吸振，摩擦式带传动有过载保护作用；结构简单，安装要求不高，外廓尺寸较大；摩擦式带传动有弹性滑动，不能用于分度系统；摩擦易起电，不宜用于易燃易爆的场合；轴和轴承受力较大，传动带寿命较短用于传递较远距离的两轴的回转运动或动力。链传动机构轴向距离较大，平均传动比为常数，链条元件间形成的油膜有吸振能力，对恶劣环境有较强的适应能力，工作可靠，轴上载荷较小；瞬时运转速度不均匀，高速时不如带传动平稳；链条工作时因磨损伸长后容易引起共振，一般需增设张紧和减振装置用于传递较远距离的两轴的回转运动或动力。3.2 传动机构的确定根据上述表格和任务书条件距离较远，属于长距离输送物料。初步选择带传动机构和链条传动机构。但是由于上升过程中不得出现打滑和倒退现象，故带传动机构被淘汰掉。最终确定链条传动作为本升降机的传动机构。3.3 链传动计算链是标准件，因而链传动的设计计算主要是根据传动要求选择链的类型、决定链的型号、合理地选择参数、链轮设计、确定润滑方式等。3.3.1链的类型选择本设计链起到平衡和传动的作用，因此通过表14.21根据实际需要选短节距精密滚子链（简称滚子链），其结构特点：由外链节和内链节铰接而成。销轴和外链板、套筒和内链板为静配合；滚子空套在套筒上可以自由转动，以减少啮合 时的摩擦和磨损，并可以缓和冲击。3.3.2滚子链的基本参数和尺寸根据实际需要选择12A型链条，尺寸如图图 滚子链结构尺寸节距 P=19.05mm滚子直径 d1=11.91mm 内节内宽 b1=12.57mm 销轴直径 d2=5.96mm 套筒孔径 d3=5.98mm 链条通道高度 h1=18.34mm内链板高度 h2=18.08mm 外链板高度 h3=15.62mm 过渡链尺寸 l1=7.9mm l2=9014mm c=0.1mm 排距 Pt=22.783.3.3 滚子链链轮的基本参数和主要尺寸（GB/T12341997）图 滚子链链轮结构尺寸查表14.23初选Z=18,已经选择链条的型号为12A型。通过查表14.22查得配用链条的节距P=19.05mm滚子链外径 排距确定分度圆的直径d: （215）齿顶圆直径 : （216）由于121.60mmd115.14mm,选择d=118mm齿跟直径: （217）分度圆弦齿高 ：取=5mm最大齿跟距离 （218）齿侧凸缘 ：选取=80mm3.3.4 齿槽形状的选取选择三圆弧一直线齿形。3.3.5 链轮材料的选择和热处理由于本设计的链轮无剧烈冲击振动和要求耐磨损的主从动链轮，所以根据表14.218选择链轮的材料为45钢。热处理方法为：淬火 回火，齿面硬度要求4050HRC.3.4 链传动校核3.4.1 链传动的主要失效形式1、铰链磨损链节在进入和退出啮合时，相邻链节发生相对转动，因而在铰链的销轴与套筒间有相对转动动，引起磨损，使链的实际节距变长，啮合点沿链轮齿高方向外移。当达到一定程度后，就会破坏链与链轮的正确啮合，导致跳齿或脱链，使传动失效。链条磨损后节距变长的情况如图812a所示。图中Dp为链节距的平均伸长量。铰链磨损后实际上只是外链节节距伸长了2Dp，即p2=p+2Dp。而内链节距是不变的，即p1=p。如图812b所示，可知链轮节圆直径的增量为Dd=Dp/sin(180/z)。由此可见，若Dp一定（通常许用伸长率Dp/p3%），则Dd随链轮齿数z的增多而增大。因此，为了保证链的使用寿命，不致过早产生跳齿或脱链，除应满足规定的润滑状态外，还有必要限制链轮的最大齿数。a) b)图812 链条磨损铰链磨损，过去是链传动的主要失效形式。近年来，由于链和链轮的材料、热处理工艺、防护与润滑状况都有了很大的改进，链因铰链磨损而失效的形式已经退居次要地位。只有那些不能保证所要求的润滑状态或防护装置不当的传动，磨损才会成为主要的失效原因。2疲劳破坏由于链在运转过程中所受载荷不断改变，因而链是在变应力状态下工作的。经过一定循环次数后，链的元件将产生疲劳破坏。滚子链在中、低速时，链板首先疲劳断裂；高速时，由于套筒或滚子啮合时所受冲击载荷急剧增加，因而套筒或滚子先于链板产生冲击疲劳破坏。在润滑充分和设计、安装正确的条件下，疲劳强度是决定链传动承载能力的主要因素。3铰链胶合铰链在进入主动轮和离开从动轮时，都要承受较大的载荷和产生相对转动，当链轮转速超过一定数值时，销轴与套筒之间的承载油膜破裂，使金属表面直接接触并产生很大的摩擦，由摩擦产生的热量足以使销轴和套筒胶合。在这种情况下，或者销轴被剪断，或者导致销轴、套筒与链板的紧配合松动，从而造成链传动迅速失效。试验表明，铰链胶合与链轮转速关系极大，因此，链轮的转速应受胶合失效的限制。4链被拉断在低速（v0.6m/s情况下允许传递的额定功率P0。当实际情况不符合实验规定的条件时，如图814所示，查得的P0值应乘以一系列修正系数，如小链轮齿数系数KZ、链长系数KL、多排链系数KP和工作情况系数KA等（系数值见下节图表）。当不能按如图815所示的方式润滑而使润滑不良时，则磨损加剧。此时，链主要是磨损破坏，额定功率P0值应降低，当v1.5m/s且润滑不良时，为图值的30%60%；无润滑时为15（寿命不能保证15000h）；当1.5m/s7m/s且润滑不良时，该传动不可靠，不宜采用。图8-14 A系列滚子链实用功率曲线图8-15推荐的润滑方式人工定期润滑滴油润滑油浴或飞溅润滑压力喷油润滑当v0.6m/s时，链传动的主要失效形式是过载拉断，此时应进行静强度校核。静强度安全系数S应满足下式要求 (88)链的极限拉伸载荷Qn=nQ，n为排数，单排链的极限拉伸载荷Q见表81；工况系数KA见表85；链的总拉力F1按式（86）计算。当实际工作寿命低于15000h时，则按有限寿命进行设计，其允许传递的功率可高些。设计时可参考有关资料。第4章 三层货叉移动行走设计行走机构的作用是传递电动机的功率，将电动机的旋转运动转换成直线运动，使三层货仓沿导轨做往复运动。行走机构主要由驱动电机和传动装置两部分组成。为了将电动机的旋转运动转换为三层货仓直线运动，可以选择齿轮齿条传动。4.1 电动机的选择4.1.1选择电动机应综合考虑的问题1根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。2根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电动机的功率和冷却通风方式。3根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘以及腐蚀和易燃易爆气体等，考虑必要的保护方式，选择电动机的结构型式。4根据企业的电网电压标准对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类型。5根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。4.1.2电动机的选择电动机额定转速是根据生产机械的要求而定的。在确定电动机转速时，必须考虑机械减速机构的传动比值，两者相互配合，经过技术、经济全面比较再确定。当电动机功率一定时，电动机的转速愈低，则其尺寸愈大，价格愈贵，且效率也较低，如选用高速电动机，势必加大机械减速机构的传动比，致使机械传动部分变得复杂。对于标准件存放立体仓库而言，工作速度较低，需要频繁地正、反转切换，为缩短正、反转过渡时间，提高生产效率，降低消耗，减小噪声，节省投资，应选用低速电动机。4.2 传动装置的设计4.2.1 传动方案的确定为了将电动机的旋转运动转换为三层货仓直线运动，可以选择齿轮齿条传动。考虑功率不大，选择图3.4是北京和利时电机技术有限公司部分110BYG系列混合式步进电机的技术数据。图3.4 110BYG系列混合式步进电机的技术数据所以根据计算所得数据选择110BYG350DH-SAKRMA型号的电机，图3.5是110BYG系列混合式步进电机的型号说明。图3.5 110BYG系列混合式步进电机的型号说明110BYG系列混合式步进电机的外形尺寸，如图3.6所示。图3.6 110BYG系列混合式步进电机的外形尺寸110BYG系列混合式步进电机的矩频特性曲线，如图3.7所示。图3.7 110BYG350DH型电机矩频特性曲线1. 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数a. 选直齿圆柱齿轮;b. 货叉为一般工作机械，速度不高，故选用7级精度（GB/0095-88）;c. 材料选择。选择齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，齿条材料为45钢（调质），硬度为240HBS；d. 初选齿轮齿数为Z=20。2. 按齿面接触强度计算 设计公式为dt2.32 (4-3-1)a. 确定公式内各参数的值。（1）.试选载荷系数Kt=1.2(2).计算齿轮传递的转矩T= (4-3-2)=1.47*N.mm(3).选齿宽系数=0.45（4）.查得材料的弹性影响系数ZE=189.8 (5).按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限，齿条的接触疲劳强度极限（6）取齿轮接触疲劳寿命系数kH=0.90, 齿条接触疲劳寿命系数kH=0.95（7）计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1，安全系数S=1，由公式=求得：齿轮的接触疲劳许用应力=540MPa,齿条的接触疲劳许用应力=522.5Mpa。b. 按齿面接触强度计算(1) 计算齿轮的分度圆直径dt2.32 (4-3-3) =2.32 =36.5mm（2）.计算圆周速度v= (4-3-4) = =0.05m/s（3）.齿宽b=*dt=0.45*36.5=16.425mm (4-3-5)(4).计算齿宽与齿高之比 模数 mt=36.5/20=1.825mm (4-3-6) 齿高 h=2.25mt=2.25*1.825=4.11mm (4-3-7) =16.425/4.11=3.996（5）.计算载荷系数 根据v=0.05m/s,7级精度，由图可查得动载系数Kv=1.002 直齿轮，KH=KF=1由表查得使用系数KA=1.25由表查得7级精度，齿轮悬臂布置时，KH=1.189由=3.996，KH=1.189，查得KF=1.14；故载荷系数 K=KAKvKHKH=1.002*1*1.25*1*1.189=1.489 (4-3-8)（6）.按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由公式得： d=dt=36.5=39.222mm (4-3-9)(7).计算模数m m=d/z=39.222/20=1.96mm (4-3-10)3.按齿根弯曲强度计算弯曲强度的设计公式为 m (4-3-11)a. 确定公式内各参数的值（1）.查得齿轮的弯曲疲劳强度极限；齿条的弯曲疲劳强度极限（2）.查得齿轮的弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.83；齿条的弯曲疲劳寿命系数KFN2=0.88；（3）.计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由公式得： 齿轮的许用应力=296.43Mpa (4-3-12) 齿条的许用应力=238.86Mpa (4-3-13)(4).计算载荷系数K K=KAKvKFKF=1.002*1.25*1*1.14=1.428 (4-3-14) (5).查取齿形系数查得齿轮的齿形系数YFa=2.80 (6).查取应力校正系数查得YSa=1.55(7).计算 =0.01464 (4-3-15)b. 设计计算m (4-3-16) =1.51mm 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.51并就近圆整为标准值m=2mm,按接触强度算得的分度圆直径d=39.222mm，算出齿轮齿数z=d/m=39.222/2 =20这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。4.几何尺寸的计算a.计算分度圆直径 d=mz=2*20=40mm (4-3-17)b计算齿轮齿条宽度 b=*d=0.45*40=18mm, (4-3-18)取齿轮宽度B=17mm,齿条宽度为B=16mm.c.计算齿顶圆直径 da=d+2ha*m=40+2*2=44mm (4-3-19)d.计算齿根圆直径 df=d-2(ha+c)m=40-2*1.25*2=35mm (4-3-20)e.计算齿轮齿条的节距 P=m=2 (4-3-21)f.计算齿顶高ha=m=1*2=2 (4-3-22)g.计算齿根高 hf=(+)m=(1+0.25)*2=2.5 (4-3-22)4.2.2 齿条齿部弯曲强度的计算齿条牙齿的单齿弯曲应力： 式中： 齿条齿面切向力 b 危险截面处沿齿长方向齿宽 齿条计算齿高 S 危险截面齿厚 从上面条件可以计算出齿条牙齿弯曲应力： =451.16N/mm上式计算中只按啮合的情况计算的，即所有外力都作用在一个齿上了，实际上齿轮齿条的总重合系数是2.63（理论计算值），在啮合过程中至少有2个齿同时参加啮合，因此每个齿的弯曲应力应分别降低一倍。 = 182.2N/mm 齿条的材料我选择是 45刚制造，因此：抗拉强度 690N/mm (没有考虑热处理对强度的影响)。齿部弯曲安全系数 S = / = 3.8 因此，齿条设计满足弯曲疲劳强度设计要求。又满足了齿面接触强度，符合本次设计的具体要求。第5章 标准件存放立体仓库机架的结构设计5.1 自动化立体仓库的结构尺寸及运行条件标准件存放立体仓库作为自动化立体仓库中重要的起重设备，应该充分满足生产中所需的要求，其结构尺寸应根据所应用的立体仓库的规格及所搬运货物的体积、重量等参数进行设计。本文所涉及的自动化立体仓库应用于汽车发动机零部件生产的物流系统，所存储的货物主要为发动机汽缸的铸件、半成品及成品。立体仓库应适用于货物的自动化存取要求，应有堆垛机自动认址的方案设计，并能双向存放货物，立体仓库双向八层，25列；货物周转箱尺寸为：500*400*400；每箱货物重量（包括箱体自重）不超过100公斤，货箱应该有足够的刚性。保证生产活动的顺利进行，将标准件存放立体仓库的最大承载能力定为100kg。标准件存放立体仓库的行走速度为80m/s, 载货台升降速度为0.2m/s，货叉伸缩速度为0.2m/s。5.2 机架设计概述5.2.1机架设计应满足的一般要求机架的设计主要应保证其刚度、强度及稳定性的要求，在此前提下，还应使机架的重量尽量轻，以节约材料，降低成本。而且机架还要有良好的抗振性，能够将受迫振动的振幅限制在允许范围内。运行时噪声小，温度场分布合理，热变形对机架精度的影响小。结构合理，工艺性好，便于安装与调整。另外有导轨的机架要求导轨面受力合理，耐磨性良好。5.2.2 机架的设计步骤一、初步确定机架的结构形状及尺寸机架的结构形状和尺寸，取决于安装在它内部与外部的零件和部件的形状与尺寸，装配情况、安装与拆卸等要求。同时也取决于工艺、所承受的载荷、运动等情况。然后，综合上述情况，利用经验公式或有关资料提供的经验数据，同时结合设计人员的经验，并参考现有同类型机架，初步拟定出机架的结构形状和尺寸。标准件存放立体仓库机架结构草图如图2.1所示，由上横梁、底板和两根立柱构成框形结构。为了便于安装零件和减轻标准件存放立体仓库机架的重量，上横梁选择热扎普通槽钢。对于立柱的截面形状有圆形、矩形和工字形三种选择。当截面面积相同时，圆形截面有较高的抗扭刚度，宜用于受扭为主的机架；工字形截面的抗弯强度最大，但抗扭性很低，宜用于承受纯弯的机架；矩形截面抗弯、抗扭分别低于工字形截面和圆形截面，但其综合刚性最好（各种形状的截面，其封闭空心截面的刚度比实心截面的刚度大）。标准件存放立体仓库在行进和升降货台的过程中，拉、压、弯曲、扭转均会出现，对抗弯性和抗扭性都有要求，而且所升降的货物不是很重，因此选择矩形空心截面。另外，截面面积不变，曾大封闭空心截面的外形轮廓尺寸，减小壁厚，亦可提高截面的抗弯、抗扭刚度。即在满足相同刚度要求的情况下，通过使用空心的、大尺寸截面，可以节省材料，减小立柱重量，节约成本。根据立体仓库货架的尺寸，两立柱轴线间距离为1.0m。由于标准件存放立体仓库上导轨与仓库货架最顶端横梁等高，载货台最低位置应与货架最底层等高，所以立柱长度初定为11.8m。二、常规计算常规计算是利用理论力学、材料力学、弹性力学等固体力学理论和计算公式，对机架进行强度、刚度和稳定性等方面的校核，而后修改设计，以满足设计要求。5.3 上导轨设计5.3.1 导轨类型的确定上导轨基本不承受载荷，主要起导向作用，因此在选择导轨类型时主要从满足导向精度方面考虑，即运动的直线度。由2 P9-107 表9.3-1，选择塑料导轨。该类型导轨在普通的金属滑动导轨副中的一件（一般在移动件）的导轨面上，用钉接、粘接或喷涂上一层通用的工程塑料板、纤塑层压板或者专用的导轨软带和耐磨涂层。塑料导轨的优点在于：（1）有良好的自润滑性和耐磨性。（2）对金属的摩擦系数小，因而能降低滑动件驱动力，提高传动效率。（3）静、动摩擦系数相接近，使滑动平稳。（4）加工简单，表面可用通用机械加工方法（铣、刨、磨等）加工。（5）由于塑料较软，落入导轨中的尘屑、磨粒可嵌入其中，不会对金属导轨面产生拉伤。（6）磨损后，拆除旧的塑料层，更换新的即可。（7）可以减小导轨重量。5.3.2 导轨材料的确定塑料材料，查1 P3-254 表3-3-20，选择聚酰胺（尼龙66），该材料机械性能较好，可替代金属用作工程结构，在各种环境下均能保持优良的性能。金属材料，查1 P3-74 表3-1-29，选择灰铸铁HT200，具有较好的耐磨性和良好的减振性，铸件粗加工后，需要进行人工时效处理。5.3.3导轨截面形状的确定直线运动导轨的截面形状主要有四种：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形，并可互相组合，每种导轨副之中还有凹凸之分。根据实际情况，由2 P9-108 表9.3-2，选择双三角形导轨组合方式，如图2.2所示，该方式不需要镶条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好。图5.2 滑动导轨剖面每条导轨为对称凹形三角形导轨，这样利于保存润滑油。尽管凹形容易留有灰尘，但如前所述，塑料导轨可以减小尘粒对导轨的磨损。另外，三角形导轨面磨损后能自动补偿，减小间隙。导轨上部固定于货架上，每段导轨长度在货架设计中确定，此处不作处理。导轨下部固定于标准件存放立体仓库上横梁，为减轻标准件存放立体仓库重量，将其制作成两个长为100mm的滑块，对称焊接在上横梁槽钢上。查2 P9-110 表9.3-5，得导轨截面尺寸如下：表 5-1 导轨截面尺寸BbA20mm2mm70mm90导轨上、下部分结构尺寸如图2.3所示：(a)(b)图 5.3 导轨尺寸5.4 上横梁的设计上横梁通过焊接与两根立柱联接，保持立柱间的相对稳定性。另外，上导轨的滑动部分固定于上横梁上，对其产生下压力。为保证上横梁具有一定的刚度、强度和良好的稳定性，按照GB/T 707-1988标准，选用热扎槽钢材料制作。查1 P3-112 表3-1-53，初选槽钢型号为10号，其尺寸参数如下：图 5.4 槽形钢截面尺寸表 5-2 槽形钢尺寸尺寸 /mm截面面积cm2hbDtr r1100485.38.58.54.212.748参考数值x-xy-yZ0Wx /cm3Ix /cm4ix /cmWy /cm3Iy /cm4iy /cm/cm39.71983.957.825.61.411.52按GB/T 699-1999，JB/T 6397-1992标准，选上横梁材料为45号钢。根据材料力学，上横梁可看作两端固定梁，受滑块的下压力。当标准件存放立体仓库行走时，滑块所受的摩擦力方向为轴向，在此处可忽略不计。其剪力图、弯矩图如图2.4所示：图 5.4 上横梁受力图其中， q匀布载荷， M弯矩， Q剪力计算最大弯矩和最大剪力：其中， V导轨下部的体积， m导轨下部质量， 材料密度，查1 P1-6 表1-1-4，灰铸铁密度为7.25t/m3 （2-1） （2-2）梁的横截面对中性轴的惯性矩IY = 25.6cm4在受拉一边的最大拉应力： （2-3）查1 P3-13 表3-1-7，材料的强度极限：，材料的屈服极限：材料的许用应力为：其中， S安全系数，S=S1S2S3查1 P1-115 表1-1-92，则： 在受压一边的最大压应力： （2-4）横梁所受的最大拉应力与最大压应力均未超出许用值，符合要求中性轴以下半个横截面面积对中性轴的静面矩为： （2-5）最大切应力为： （2-6）梁所受的最大切应力远小于许用切应力，满足要求5.5 立柱设计立柱支撑着载货台，是主要的受力部件。因此立柱的抗弯、抗扭强度对标准件存放立体仓库的力学性能起着决定性的作用。两根立柱之间，由上下横梁连接，下端固定于底板上。立柱上安装有链轮、链条，可通过电机带动载货台的升降运动。立柱体积较大，因此在满足力学性能要求的前提下，应尽量减小立柱的横截面面积，以降低重量，按GB/T 6728-1986标准，选择结构用冷弯矩形空心型钢，查1 P3-134 表3-1-66，初选尺寸为8060mm，壁厚4.0mm，截面面积为10.147cm2；按GB/1591-1994标准，查1 P3-19 表3-1-8，选择Q345低合金结构钢，该材料综合力学性能良好，低温性能亦可，有良好的塑性、焊接性和冷弯性，材料的强度极限为b=470MPa，屈服极限为s=345MPa。在工作中，立柱处于最大受力状态时，有以下两种情况：（1）当载货台位于立柱最顶部，货叉完全伸出，并载有货物时，立柱所受弯矩最大；（2）载货台载有货物，从立柱顶部向下加速运动时，或载货台从下向上升降货物，在接近立柱顶部作减速运动时，立柱受到载货台与货物对其静应力和动应力的影响。下面对这两种情况分别进行讨论。第一种情况：立柱与载货台相对静止，可将其看作一个整体，货物对其有匀布载荷，受力分析如图2.5所示，画其轴力图和弯矩图： 图 5.5 力柱受力图a由图可得： （0xl） （2-7） （0xl） （2-8）其中， 立柱到载货台边缘的距离，由轴力FN产生的压应力为：在弯矩作用下，以立柱轴线为中性轴，则最大拉应力等于最大压应力，查1 P3-134 表3-1-66，该轴惯性矩I=87.905cm4，由式（2-4），则： 查1 P1-115 表1-1-92，有：则： 第二种情况：在已知加速度的情况下，构件的内力计算，可以应用理论力学中的动静法。即在构件运动的某一时刻，给每个质点虚加上惯性力，则该惯性力与构件上的已知载荷和支反力，在形式上构成一组平衡力系。于是，构件可按这种假想的平衡状态来计算内力以及应力。根据该理论有： （2-9）其中，qd动载荷集度， qst静载荷集度， ld动伸长量， lst静伸长量， Kd动荷因数，a加速度为减小冲击载荷与惯性力，将a初定为1.5m/s2则 另外，根据压杆稳定性的概念，对于竖直受轴向压力的杆件，由于材料的不均匀和压力存在偏心，会使杆件的轴线发生弯曲。此时，若存在横向干扰力，则弯曲程度将会增大，即跨中挠度增大。当偏心压力很大时，微小的干扰外力也会引起显著的挠度曾量，这意味着该杆件此时已不能正常工作，压杆的平衡失去了稳定性，简称为压杆失稳，此时的轴向压力称为临界压力，用Fcr表示。对于细长的压杆，当压力接近上述临界力时，将会因挠度增加过快而不能正常工作；对于中等长度的钢压杆来说，随着压力的增加，由于弯压联合作用，在危险截面附近将先出现屈服区，最终发生弯折而丧失承载能力。因此，该临界压力为压杆承载能力的上限。标准件存放立体仓库立柱可看作两端固定的细长压杆，在轴向力作用下处于微平衡状态，当材料是在线弹性范围内工作时，即可应用挠曲线的近似微分方程，如图2.6建立坐标系， （2-10）距原点为z的任意横截面上的弯矩为：将其代入上式中引用记号 图5.6 力柱受力图b则有二阶齐次线形微分方程此微分方程的通解为：式中，A和B为积分常数。压杆两端的位移边界条件是：利用前一个边界条件可得于是有再利用后一个边界条件，可得到如果A等于零，则压杆各横截面的挠度均为零，不符合现在的情况。所以欲使压杆处于平衡状态，则必有：满足此条件的kl值为：将k值代回原式，得 （2-11）显然，能使压杆保持微弯平衡状态的最小轴向压力是n=1时，即查1 P1-7 表1-1-6，合金钢的弹性模量E=206GPa因此立柱能够保持微平衡状态5.6 下导轨设计5.6.1导轨类型的选择下导轨承受着标准件存放立体仓库全部的重量，因此对其各方面的性能均有很高的要求。根据经验，选择滚动导轨。滚动导轨是在相配合的两导轨面之间，放置滚动体或滚动支承，使导轨面间的摩擦性质成为滚动摩擦。滚动导轨的最大优点是摩擦因数小，动、静摩擦因数差很小，因此，运动轻便灵活，运动所需功率小，摩擦发热少，精度保持性好，低速运行平稳性好，移动精度和定位精度高。另外，滚动导轨还具有润滑简单（有时可用油脂润滑），高速运动时不会像滑动导轨那样因“动压效应”而使导轨起浮的优点。由2 P9-125 表9.3-43，选择滚动导轨中的滚动直线导轨副。5.6.2滚动直线导轨副的结构与特点一、结构滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。当导轨与滑块作相对运动时，钢球沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向器进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动，返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滚块内部。钢球承载的形式，与角接触球轴承相似，一个滑块就像是4个直线运动的角接触球轴承。导轨轴的安装形式可以水平或倾斜，可根据实际需要，将多条导轨连接成长导轨。二、特点（1）动、静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。有利于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率小。（2）承载能力大，刚度高。（3）能实现高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高10倍左右。（4）采用滚动直线导轨副可以简化设计、制造和装配工作，保证质量，缩短时间，降低成本。导轨副具有“误差均化效应”，从而降低基础件的加工精度。5.6.3 滚动直线导轨副的计算一、已知条件标准件存放立体仓库重量：另外载货台约重150kg，货物重100kg，驱动电机、升降电机、链条、链轮等其它零部件共重约250kg，则标准件存放立体仓库总重量约为700kg，移动速度，运动环境：常温，无外力冲击作用。按照以上条件，由机械设计手册，选择GGB30AA2P23000-3型滚动直线导轨副。二、导轨额定寿命的计算滚动直线导轨副额定寿命的计算与滚动轴承基本相同 （2-11）式中，L额定寿命（kN） Ca额定动载荷（kN） P当量动载荷（kN） Fmax受力最大的滑块所受的载荷（kN） 指数，当滚动体为滚珠时，=3 K额定寿命单位，K=50km 硬度系数由于产品技术要求规定，滚道硬度不得低于58HRC，故通常可取 温度系数，查2 P 9-127 表9.3-45， 接触系数，查2 P 9-127 表9.3-46， 温度系数，查2 P 9-127 表9.3-47， 温度系数，查2 P 9-127 表9.3-48，查2 P9-131 表9.3-51， （2-12） 三、导轨寿命时间的计算 （2-13）式中 Lh寿命时间 La导轨行程长度，取La=3m n每分钟往返次数，取n=1按每年工作日为260天，两班工作制，每班8小时四、摩擦力摩擦阻力受结构型式、润滑剂的黏度、载荷及运动速度的影响而略有变化，预紧后，摩擦力增大。摩擦力可按下式计算 （2-14）式中， F