人工智能无人值守户外仓储设计

引言1.1课题背景近年来，随着全球经济快速发展和人民生活水平不断日益提高，人工智能无人值守户外仓储需求量大幅提高。2021年，考虑疫情影响，全球户外仓储消费量依然保持了4.2%增长率。人工智能无人值守户外仓储也称自动存取系统，它是一种用高层立体货架（托盘系统）存储物资，用自动控制堆垛机进行存取作业，用计算机控制管理的户外仓库。人工智能无人值守户外仓储除了具有传统仓库的基本功能外，还具有分拣、理货的功能，以及在不直接进行人工处理的情况下，自动存储和取出物料的功能。1.2国内外研究现状立体仓库的发展和产生是二战后生产和技术进步的结果。50年代初，美国发明并使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年美国最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，日本立体仓库大量投入建设，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。

我国自动化立体仓库技术的市场应用经历了漫长的过程。目前已经几乎覆盖了国民经济的各个方面。下面对市场应用作简单描述。图1.1市场应用情况图图1.2市场应用情况图根据中国物流技术协会信息中心2020年的调研报告，我国2020年自动化立体仓库系统及相关产品的总市场约为150亿，分布如下：图1.3市场份额情况图1.3本课题研究的意义针对户外仓储生产行业，户外仓储分拣工作主要采用人工或者半自动机械，仓储分拣依然停留在通过肉眼观察区分和搬运，该种作业方式效率低，劳动强度大，严重户外仓储物流运输行业的发展。针对上述情况，本文设计了一种人工智能无人值守户外仓储设装置，可实现对户外货物的自动出入仓、自动进出货架、自动分类，可极大提高生产效率，降低工人劳动强度，促进户外仓储行业朝着自动化、智能化方向发展，具有重大的民生意义和社会意义。1.4本课题的研究方法查询市场上现有人工智能无人值守户外仓储装置常用的的机械结构，结合相关研究国内外资料，整合无人值守户外仓储装置工艺流程分析，确定人工智能无人值守户外仓储设装置的整体结构，然后根据课题需求按照功能模块进行分部详细设计，然后采用solidworks2018软件进行三维建模装配，最后对现有人工智能无人值守户外仓储设装置主要结构部件进行有限元静力学分析和校核。第二章人工智能无人值守户外仓储设计装置总体方案设计2.1人工智能无人值守户外仓储设计需求分析针对户外仓储生产行业，户外仓储分拣工作主要采用人工或者半自动机械，仓储分拣依然停留在通过肉眼观察区分和搬运，该种作业方式效率低，劳动强度大等问题。本课题需要设计一种人工智能无人值守户外仓储设装置，可实现对户外货物的自动出入仓、自动进出货架和自动分类存储。2.2人工智能无人值守户外仓储设计装置整体布局设计2.2.1人工智能无人值守户外仓储功能模块分解根据设计需求，对人工智能无人值守户外仓储装置进行功能模块分析，该装置需要具备外框架模块、货架模块、堆垛机模块、智能操作模块和电控系统五大部分组成。外框架模块主要承载，需要满足户外环境使用条件，具备牢固、耐用，同时重量轻便，占地面积小等特点。货架需要具备承载能力强，组装拆卸方便快捷，结构轻便等特点。堆垛机需要具备高速移动，其伸缩货叉需要具备双向移动承载货物和托盘。智能操作模块，需要具备触摸屏操作和信息实时显示控制。图2.1仓储货架示意图2.2.1人工智能无人值守户外仓储装置工艺流程分析根据设计需求和功能模块分析，确定人工智能无人值守户外仓储设计装置整体工艺流程，初步确定采用直型布置方式，其非常适合纯粹的越库作业，便于解决高峰时同时进出货库作业。其适用类型为产品品种较为单一的成品库，如电子产品、香烟和医药行业的成品库。具体如下：图2.2人工智能无人值守户外仓储工艺流程图2.2.2人工智能无人值守户外仓储装置整体布局设计根据人工智能无人值守户外仓储功能模块分析，结合工艺流程图，同时综合考虑生产效率和节拍因素，确定采用双工位流水线整体布局方式，具体如下：图2.3人工智能无人值守户外仓储总体布局图如图2.2所示，人工智能无人值守户外仓储设装置主要由外框架模块、货架模块、堆垛机模块、智能操作模块和电控系统五大部分组成，设备的总长度5.11m，总宽度1.97m，采用左右对称双货架仓储方式布置，可保证生产节拍和自动化生产效率。第三章人工智能无人值守户外仓储设计装置机械结构设计3.1外框架装置结构设计根据市场调研和查询相关的文献资料，调查市场上常见户外仓储外框架结构，初步确定底板采用Q235碳素结构钢板加工制作，其具备承载能力强，稳定、牢固，能适应户外恶劣环境，钢板安装地脚，采用高强度化学锚栓固定。框架外部采用SUS304不锈钢钣金折弯护罩保护，及美观，又能起到很好的防护作用，具体结构形式见下图。图3.1人工智能无人值守户外仓储外框架示意图3.2货架模块结构设计根据市场调研和查询相关的文献资料，市场上常见立体仓储货架主要有两种形式：碳钢钣金焊接组合结构形式和铝型材模块化搭接形式（具体结构形式见下图）。图3.2铝型材搭接货架图图3.3碳钢钣金焊接货架图3.3堆垛机结构设计根据课题需要，本设计初步采用巷道式堆垛机，考虑货物重量和应用场合，选用单立柱式巷道堆垛机。图3.4巷道式堆垛机结构示意图3.3.1堆垛机行走机构设计堆垛机的行走机构有电机和传动机构组成，它的主要原理就是利用电机的转动带动传动机构从而使堆垛机在下导轨上完成来回往返运动。本文主要是对行走机构的电动机、传动机构进行选择设计计算。电机减速机的选型计算1）按照要求可以选用伺服电机驱动，电压220V；2)已知满载货物的总重为100kg，堆垛机行走速度为，电动机传动效率；3）电动机所需的功率为： (4-1)4）电动机所需的额定功率为： (4-2)综合以上计算，选择MDMF152L1G6伺服电机，额定功率，额定转速为2000r/min，配套世协PUL142-3-P2型减速机，减速比10。传动机构的选型计算为了将电动机的扭矩转化为堆垛机的动力，传统的有2种传动装置，一种是有齿轮齿条传动，另一种滚珠丝杆传动。但相对于齿轮齿条传动，丝杆传动中间不能搭建支撑，导轨的长度过长，所以材料的刚度以及强度都要提高，成本也相对应的来说增加不少，而齿轮传动虽然之间有间隙，传动存在误差，但对于堆垛机这种非精度要求高的机器，误差可以忽略不记，相比于丝杆传动，齿轮的性价比也较高，所以综合以上几点因素，本文的堆垛机行走机构采用齿轮齿条传动。1、选定齿轮类型、精度等级、材料级齿数采用直齿圆柱齿轮齿条传动。速度较低，故选用7级精度（GB10095-88）。材料选择。查询设计手册，选择小齿轮硬度为280HBS，材料为40Cr(调质)，齿条材料为45钢（调质）硬度为240HBS。初步选小齿轮齿数Z1=22，大齿轮齿数Z2、按齿面接触强度设计由设计计算公式进行计算，即d确定公式内的各计算数值试选载荷系数Kt计算小齿轮传递的转矩。（预设齿轮模数m=4mm,直径d=88mm）T3)由表10-7选齿宽系数φd4）由表10-6查得材料的弹性影响系数ZE5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1=600MPa;齿条的接触疲劳强度极限6）由式10-13计算应力循环次数。N7)由图10-19取接触疲劳寿命系数KHN18）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得σ计算试算小齿轮分度圆直径dt1,代入σd计算圆周速度v。v=3)计算齿宽b。b4)计算齿宽与齿高之比bh模数m齿高hb计算载荷系数。根据v=0.497m/s,7级精度，由图10-8查得动载荷系数K直齿轮，KHα由表10-2查得使用系数KA由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮为悬臂布置时KHβ由bh=5.33，KHβ=1.250查图K=按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（10-10a）得d7)计算模数m。m按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度设计公式为m≥确定公式内各计算数值由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE1=500MPa;齿条的弯曲强度极限由图10-18取弯曲疲劳寿命系数KFN1=1.1，计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得σσ4)计算载荷系数K。K=5)查取齿形系数。由表10-5查得YFa1=2.65,6）查取应力校正系数。由表10-5查得YSa1=1.58，计算齿轮齿条的YFaYY齿条的数值大。设计计算m由于齿轮模数m的大小主要决定弯曲强度，而齿面接触疲劳强度主要取决于齿轮直径。可由弯曲强度算得的模数3.55并就近圆整为标准值m=4mm，则模数m=4，直径d=88的齿轮是符合强度要求的图3.5巷道式堆垛机行走驱动结构示意图3.3.2堆垛机立柱结构设计计算立柱是堆垛机中贯穿全体的骨架，连接着伸缩货叉，载物台以及行走、起升的机构，它是整个堆垛机部件中受力最大的部件，它的顶端连接着轮盘带动着链条促使起升机构的产生，它的底部连接着横梁，支架，由电机等传动机构带动堆垛机完成行走。作为堆垛机最重要部件之一，因此立柱的抗弯性，抗扭性对整个堆垛机都起着至关重要的作用。因此在设计立柱的时候应当考虑到立柱的力学性能。由于立柱高而窄，受力大，为了保证立柱良好的力学性能，必须减少其横截面积，降低它的重量，根据实际进行设计选用100×100的锻造H型高强度碳素结构钢；按GB/1591-1994标准，查机械设计手册，选用Q345低合金结构钢作为立柱的材料，改材料具有良好的力学性能，其弯矩大，温度对其影响不大，低温下材料的力学性能变化也不大，材料的强度极限为，屈服极限为。当伸缩货叉在立柱最顶端且载货台上放置着最大负载的货物即100kg的货物时，立柱的所受的力矩是最大的，就以此种情况为例来计算并验算立柱的材料是否合格。已知条件，立柱为空性矩形，尺寸为，壁厚为10mm，横截面积为21.9cm2，受最大压力为F=1000N，立柱高1.77m，则计算力学性能步骤如下：1）画出立柱的受力变形图，如下图2-1所示：图3.6立柱受力变形图2）计算出立柱所受的力矩立柱为空性矩形，则立柱所受惯性矩为： (2-6) (2-7)当所受力且立柱的力臂，则可以计算出立柱所受的力矩为： (2-8)则的屈服极限，也小于材料的强度计算，所以该材料以及设计完全符合设计需求。3.3.3伸缩货叉设计计算堆垛机的伸缩货叉由电机、货叉以及一些传动装置组成。下叉固定不动，且下叉与中叉以及上叉通过滚动导轨连接而成，保证货叉能够完成伸缩的动作，中叉和上叉通过齿轮、齿条啮合等传动装置实现共同伸缩。伸缩货叉和载货台相组合，组成了堆垛机运输的运输平台。一、电机的选择及计算已知伸缩货叉的运行速度为5m/min，与滚动滑轨之间的摩擦系数为0.03，货叉的自重约为200kg，货物按照最大负载为100kg，齿轮减速器的传动效率约为0.9，链条的传动效率约为0.9，则伸缩货叉以最快速度运动时所需的功率： (3-1)行走阻力： (3-2)总效率为： (3-3)所以可以求得最大功率为： (3-4)为保证伸缩货叉能够安全的运动，可以选择MQMF042L1U2型伺服电机，功率为0.75kW，额定转速2000r/min，配套RS090-30S1型减速机，减速比30。二、传动机构的选择及计算1、齿轮的尺寸计算根据伸缩货叉的传动要求，选用齿轮齿条传动，取传动比i=1；1）材料选择由表10-1选择小齿轮40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮45（调质），硬度为240HBS；2）根据表10-6选用7级精度2.按齿面接触强度进行设计 (3-5)1)确定未知系数查机械设计手册可得，载荷系数；齿宽系数；区域系数；材料弹性影响系数；许用应力。2）齿轮传递扭矩T已知减速机的转速n=100r/min，额定功率P=0.75kW，则可求出齿轮传递扭矩： (3-6)综上所述计算得： (3-7)3.确定齿数取齿轮齿数Z1=40；4.确定模数 (3-8)圆整模数取m=3；5.计算分度圆的锥角锥距 (3-9) (3-10) (3-11)6.计算分度圆直径 (3-12)7.确定齿宽 (3-13)即8.齿根弯曲疲劳强度校核 (3-14)查机械设计手册，得，且，T=1170，计算可得： (3-15)所以综上所述齿轮满足齿根疲劳强度的要求。三、载货台的设计载货台是附着在伸缩货叉之上用于运输货物的一个平台，它与伸缩货叉相组合就是本文所设计的单立柱堆垛机的伸缩运输机构，通过以上计算分析，通过CAD以及SolidWorks软件对其进行二维的绘图以及三维的建模，如下图所示：图3.7载货台第四章人工智能无人值守户外仓储设计三维模型的建立和分析4.1人工智能无人值守户外仓储设计装置三维模型设计本课题采用SOLIDWORKS三维软件对人工智能无人值守户外仓储装置进行详细地设计，整体设计采用自下而上的思路，即根据总体布局图，先分别设计外框架模块、货架模块、堆垛机模块、智能操作模块和电控系统，然后再利用SOLIDWORKS软件进行整机的装配。各子模块装配过程中，根据各输送环节的关系、结构尺寸和布局，对各子模块进行尺寸调整，并确定各个零件材质选取，完成人工智能无人值守户外仓储装置整体的三维设计。图4.1人工智能无人值守户外仓储装置三维模型示意图图4.2人工智能无人值守户外仓储装置堆垛机三维模型示意图4.2关键部件的有限元静力分析人工智能无人值守户外仓储装置主要由外框架模块、货架模块、堆垛机模块、智能操作模块和电控系统五大部分组成，选取其中载货台和行走机构传动齿轮轮关键部件进行有限元静力学分析。本次有限元静力学分析采用SOLIDWORKSSimulation软件进行分析[9]。1、载货台分析为了确定所设计的堆垛机是否合理，本节对堆垛机载货台受力情况进行分析，通过分析得到载货台的最大应力和位移，最后通过分析验证了载货台的设计合理性。此次分析主要流程包括：模型的选择、进入材料库选择材料、添加夹具即约束以及根据实际受力情况添加负载，而后进行网格划分，最后的出分析结果，具体步骤如下：（1）选取模型如图4-1所示为要进行有限元分析的模型-堆垛机中的载货台。图4-1载货台点击进入simulation插件，打开算例，如图4-2所示。图4-2算例（2）材料设置进入Simulaiotn界面，右键需要定义材料的零件，选择应用/编辑材料，如图5-3所示。图5-3材料编辑进入选项之后，我们可以看到各种各样的材料，在此对于堆垛机的载货台选用的是一个普通碳钢的材料，选择之后我们可以浏览到材料的各项系数，其中材料的密度，弹性模量，泊松比，屈服极限等等都对分析有着影响，如图所示4-4所示。（3）自定义材料右键材料库里的一种材料，选择确定添加材料。图5-4材料库（4）夹具设置右键夹具选择固定几何体，如图5-5所示,将工件固定到夹具上：图4-5夹具选择这里将载货台立板设为约束，设置如图4-6所示。图4-6添加约束（5）载荷加载右键外部载荷选择力，如图5-7所示图4-7载荷选择在载货台承载面加载2000N载荷，如图4-8所示，为载货台受负载的情况。图4-8受负载情况（6）划分网格右键网格选择生成网格，这里使用默认的网格设置对载货台进行划分，勾选细节可以知道网格参数图如图5-9所示。图4-9网格尺寸最后的网格如下图4-10所示。图4-10网格化（7）求解。右键静力分析选择运行，等待结果进行计算。（8）结果分析双击位移，得到位移云图，如图4-11所示将载货台立板设为约束，在载货台承载面加载2000N载荷，从位移分布图中可以看出最大位移位于载货台的承载架中间位置，大小为0.0566mm。图4-11位移云图双击应力，得到应力云图，如图4-12所示将载货台立板设为约束，在载货台承载面加载2000N载荷的应力分布图，从图中可以看出最大应力为175MPa小于材料普通碳钢的屈服极限345MPa，符合设计要求。图4-12应力云图双击应变，得应变云图，如图4-13所示将将载货台立板设为约束，在载货台承载面加载2000N载荷的应变分布图，从图中可以看出最大应变为5.896e-5。图4-13应变云图结语本文设计了一种人工智能无人值守户外仓储设装置，详细地设计了外框架模块、货架模块、堆垛机模块、智能操作模块和电控系统五大部分，利用SOLIDWORKS软件建立了各部件的三维模型和整机的装配体，并对人工智能无人值守户外仓储设装置中的载货台关键部件进行有限元静力学分析，分别对应力、应变和位移分析。本文所取得的主要研究成果如下：通过功能和设计任务的分析，初步制定了人工智能无人值守户外仓储设装置的总体方案。对各功能模块分析，进行具体结构的设计。利用SOLIDWORKSSimulation软件对重要零部件进行静力学有限元分析。齿轮齿条传动和电机等重要部件选型与计算。装置的整体三维建模与装配。主要零件工程图绘制。通过本次设计，加深了我对所学知识的理解，提高了对知识的应用能力。但是，由于本人的水平和能力有限，本次设计一定存在一些不合理之处，希望老师给予批评和指正。在设计的过程中，我查阅了很多关于人工智能无人值守户外仓储的资料，跟随着科技的快速发展，传统的物流仓储已经满足不了现代的需求，所以越来越多的自动化立体仓库被投入使用，人工智能无人值守户外仓储的研究应用也随之快速发展，在未来高科技的引领下，人工智能无人值守户外仓储的发展将会越来越完善，功能以及性能也将会越来越强大，希望本次的人工智能无人值守户外仓储设计能够为户外物流仓储的发展提供一些微薄之力。设计过程中，我查阅大量资料，通过向老师和同学交流学习，丰富了很多知识，也培养了我独立完成工作的能力，树立了信心，充分体会到了在创造过程中的艰难，同时也感受到了成功的喜悦，相信会对今后的学习工作生活有深远的影响。参考文献[1]何黎明．“新常态”下我国物流与供应链发展趋势与政策展望[J]．中国流通经济,2014(8):3-8.[2]ZhangPL,WeiQY.Logisticsdistributioncenterallocationmodelandelicitationalgorithm[J].JournalofTraffic&Tra