小区自动化立体仓库设计

绪论引言1.1.1研究背景随着国民经济水平的不断提高和电子商务行业的迅速发展，城市居民区对物流供应链各方面的需求和要求也在持续地增长和提高。其中，仓储系统作为物流供应链连接生产、供应及销售的中转站，对物流活动的流通效率起着重要的帮扶作用。据不完全统计，截止至2015年，我国智能仓储行业市场规模已达到410.5亿元，至2019年，更是持续增长到969.8亿元，其市场规模年均复合增长率达到了24%左右[1]。而自动化立体仓库作为自动化、智能化物流仓储系统中的重要一环，在现今人力成本高昂和土地面积资源紧缺的情况下，早已备受各领域行业的持续性关注。截止至2019年，我国烟草行业的自动化立体仓库的应用率已经达到到了14.8%左右，是我国对自动化立体仓库应用最广的一个行业，紧随其后的是医药行业，其应用率也达到了12.8%左右[2]。图1-1自动化立体仓库应用行业分布而在自动化立体仓库已被普遍使用于各行各业的仓储系统的今天，大部分城市居民区的物流仓储系统还处于人力管理的阶段，设施老旧，并且难以得到有效的管理，已远远无法满足当代城市居民的货物存取需求，同时也使得小区“取件难”、“翻找麻烦”、“乱堆放”等各种问题随之而来。据国家邮政局近期发布，截止至2023年4月6日上午8时，我国快递业务量已达300亿件，一个1000户的小区平均一天有200的快递量左右。而我国的大型小区的建筑密度高、人口密度大，人口流动性强，但与之所配套的物流服务却依旧是位置分布不均匀、入库时间不规律，以人力管理为主的小型快递柜服务，其取件流程不仅繁琐复杂，同时也因为其库容量小而产生了节假日快递过多便无法入库、居民签收快递的效率低下以及暂存快递的时间一旦超过了规定值，就随即收取费用的问题[3]。其次，小型快递柜服务由于是由人工处理信息来分拣快递，在分拣工作量过大时往往会出现错码错件、收件人信息混杂以及货物打包信息错误的问题，从而导致居民的满意度下降和物流作业效率低下。除此之外，小型快递柜服务所能存储的货物规格范围十分有限，尺寸过大的快递一般只能暂存在距离小区最近的快递站点，无法做到“最后一米”的服务，导致其灵活性大打折扣。因此，面临如此庞大的快递货物数量，不少大型小区所存在的末端仓储设施欠缺、智能物流设施配备不足的问题急需解决。1.1.2研究意义自动化立体仓库由于具有搬运无人化、空间利用率高、管理信息化等诸多优势，在军事、工业生产、物流等领域得到广泛的应用。当代自动化立体仓库结合堆垛机等多种机械设备和自动控制系统等智能化计算机操作系统，采用软硬件协同工作的形式来实现货物的存取、搬运以及管理工作。相较于传统仓库，自动化立体仓库不仅将货物的保存方式由“静态存储”转变为“动态物流”，从而大大提高了货物的存取效率，同时其空间利用率也是普通仓库的2~5倍。此外，自动化立体仓库无需额外的人工干预管理，在一定程度上也降低了人力资源成本，其模块化的设计也便于日后的升级和维护。在面对城市居民区货物存储空间较小、货物流动量较大、货物管理较难的情况时，小区自动化立体仓库的建设可以有效地解决上述的三类问题。与此同时，自动化立体仓库与计算机技术的日益结合，以及“互联网+”模式的逐步运用，也为其日后自动化的小区物流生产链的形成起到了重要的铺垫辅助作用。因此针对小区应用背景下的自动化立体仓库研究具有较强的意义。1.2国内与国外研究现状自动化立体仓库是当代物流仓储系统不可或缺的重要组成部分，其不仅承担了货物的入库、存储及出库流程工作，同时还具备对货物进行加工、分拣、包装的功能，是自动化和智能化的合一。五十年代初期，美国创造性地发明出桥式堆垛起重机，并将其应用到立体仓库当中，随后于六十年代初期发展为由手动操作的巷道式堆垛起重机立体仓库。此后，随着电子计算机技术的成熟和发展，1963年电子计算机控制技术首次在美国被应用于立体仓库，其操作方式也由手动操作逐渐转变为半自动和全自动操作。八十年代以来，伴随着物流的自动化、数据化及RS、ACVS、BarcodeScanner等设备的应用，自动化立体仓库也逐渐走向人工智能化和集成化[4]。据不完全统计，迄今为止，美国、日本等发达国家所建设的自动化立体仓库数量均超过了10000，并针对自动化立体仓库的一系列组成系统做了仓储货位的优化，有效地解决了立体仓库的分类储存的库位分配问题。目前，美国Hallmark公司、日本Muratec公司及澳大利亚FINEMORES公司等立体仓库应用在全球均有一定的知名度。相较于国外，我国对立体仓库的建设虽然紧随其后，但其配套起重运输设备及其自动化控制系统的研究起步相对较晚、技术水平相对落后。1963年，第一台由我国自主研制的桥式堆垛起重机首次被成功应用到现实立体仓库当中，随后于1980年顺利发展为具备电子计算机控制技术的自动化立体仓库。2012年，随着物流和电商行业规模的迅速扩张和发展，我国的自动化立体仓库的技术水平也随之突飞猛进。据不完全统计，截止到2019年，我国自动化立体仓库保有量超6000座左右，其行业市场规模已增长至2911亿元，预计到2023年，将达到4300亿元，基本覆盖到了绝大多数应用行业，例如烟草、冷链行业等[5]。除此之外，无论是我国还是国外其他发达国家，对自动化立体仓库的主要研究层面均集中在立体仓库的输送机系统、信息管理系统及计算机控制系统等方面。现今，绝大部分的国内外自动化立体仓库均采用了AGV运输车来牵引载货台车进行物料的搬运，且其作业过程也逐步向智能化、柔性化、自动化等方向发展。1.3课题主要研究内容本文主要以规格为任意一边的长度小于1m，横周长小于3m，重量小于20公斤的快递包裹为研究对象，以《自动化立体仓库设计规范》JB/T9018-2011为设计依据，在查阅大量文献资料的同时，运用所学专业知识，以小区物流仓储为基础，对适用于小区仓储系统的自动化立体仓库进行了结构设计和分析，并对其校核检验。其主要内容如下：（1）首先，本文先对当代自动化立体仓库的设计原则及步骤等进行了相关的说明和总结，随后详细介绍了其基本设备构成及其核心关键设备的参数的设计，最后讨论了立体仓库中常见的布局方式及其优劣势。（2）对自动化立体仓储系统中所采用的堆垛机和货架进行了详细的设计，并对相应的部位的刚度和强度等性能进行校核，验证设计的合理性。（3）根据小区应用背景下自动化立体仓库的实际需求，假设构建出相应的自动化立体仓储系统，随后利用仿真软件Flexsim对其进行模拟仿真，最后根据所得统计数据分析仿真结果、优化模型。1.4本章小结本章节主要以小区物流的三大痛点为介入点，从中分析和说明了小区自动化立体仓库建设的研究意义以及简要地阐述了立体仓库的国内外研究现状及优势，随后对本文研究课题的核心内容作了说明和总结。

2小区自动化立体仓库规划与设计2.1立体仓库的组成自动化立体仓库（AS/RS）主要由堆垛机、托盘、高层立体货架、输送系统、分拣系统、计算机控制系统、库存信息管理系统及其他外围设备所组成，如图2-1所示。此外，按照其建筑构造形式的不同还可分为库架合一式和组合式：在库架合一式中，货架不仅仅是存储货物的场所，同时还需要支撑整个仓库结构，其高度一般在12m以上；在组合式中，货架以仓库内部独立个体的形式存在，不具备支撑功能，其高度一般在12m以下，部分高度在15m~20m之间。图2-1自动化立体仓库整体结构图2.1.1堆垛机堆垛机即堆垛起重机，主要由下横梁、起升机构、载货台以及电气控制系统等部件组成，隶属于仓储设备的一种，可在短时间内完成高架货物的搬运与存取作业。此外，由于堆垛机的规格尺寸较小，不仅能在狭窄的巷道内运行，还可通过远程控制完成作业过程。图2-2巷道式堆垛起重机整体结构图2.1.2托盘托盘又名工位器具，作为物流系统中的集装设备，在物流运作中主要起到对货物进行装卸、存储及运输的重要辅助作用，在对货物进行一定保护的同时，也规范了货物的规格大小，实现了货物包装的单元化和标准化。根据不同的货叉叉入方式，其可分类为单向叉入型、双向叉入型以及四向叉入型等。2.1.3货架现代化仓储货架根据钢结构的不同可分类为组合式、焊接式以及整体式。其中传统的通过焊接的方式来连接钢结构的托盘式货架运用最为广泛。现今常用的托盘式货架按照有无竖向支撑系统，又可将托盘式货架分为无支撑托盘式货架结构和带支撑托盘式货架结构，分别如图2-3（a）（b）所示[5]。在实际工程中，无支撑托盘式货架结构通常用于高度低于12m的平库；带支撑托盘货架可用在高于12m的货架结构中，并多用于高度大于20m的自动化立体库中[5]。无支撑托盘式货架（b）带支撑托盘式货架图2-3托盘式货架结构图2.1.4输送系统自动化输送系统根据其不同的运作模式，可分为输送机系统、往复穿梭车系统、环形穿梭车系统以及AGV系统，其一般被用作自动化立体仓库的外围设备，主要负责货物的出入库接收、处理及运输工作，但同时也具备了一定的货物暂存和缓冲的功能。2.1.5分拣系统自动分拣系统由机械传输线、机电一体化控制系统、分类系统以及分拣道口等其他配套设备组成，是自动化立体仓库中不可或缺的重要组成部分。自动分拣系统主要用于以货物的种类、储位或派发地点为依据，不间断、大批量地对各物流货物进行挑拣分类，并且将各货物运输到指定的货架储位或配送站台。根据其组成结构的不同，可将自动分拣系统分为堆块式、交叉带式、斜导轮式以及摇臂式等。2.2立体仓库主要的参数设计2.2.1货格尺寸的设计托盘的存储方式和规格尺寸的大小是设计货格尺寸的形式的重要参考条件，二者直接决定了货格尺寸的设计形式。因此，在对货格尺寸进行设计之前，第一步要先确定好托盘的存储方式和规格尺寸的大小。除此之外，一个合理的货格尺寸设计不单单能增加立体仓库的库容量、大大提高仓库空间的利用率，同时也能配合输送设备，在一定程度上提高整个仓储系统的工作效率。下面简要介绍横梁式货架的货格尺寸的设计方法。图2-4单货格存放单托盘本文采用单货格存放单托盘的货格存储方式，其相关尺寸参数见图2-4。货格的尺寸相关设计方法如下[6-8]：Lcell=Dcell=Hcell=其中：Hcell——货格高度（mm）Dcell——货格深度Lcell——货格长度（mm）HZ——托盘高度DZ——托盘深度（mm）LZ——托盘长度a——货格与托盘两侧间隙，一般取75mm~100mmb——货格与托盘上方间隙，一般取(0.85~0.9)×2.2.2货架尺寸的设计货架高度作为自动化立体仓储系统设计规则中的重要参数，其数值大小不仅会直接影响到系统其他参数的设置，同时还会直接关联到仓储系统制造成本的高低与否。货架高度H与其折算费用的变化关系见表2-1所示。立体仓库的库容量大小对货架的最佳高度的设计好坏具有决定性的影响，当库容量达到6000吨以下时，最佳高度应设计为12.6m；当库容量达到6000吨以上时，最佳高度应设计为16m。货架的长度取决于堆垛机最大的行走距离，一般满足以下关系：HL=表2-1折算费用与货架高度H之间的变化关系H/m68.410.812.614.416.2折算费用（%）10096927364582.2.3堆垛机作业周期堆垛机的作业周期长短决定着自动化立体仓储系统的出入库能力，因此在对堆垛机进行选型时，应将作业周期作为重要数值参考。堆垛机出入库作业经常采取的两种方法：复合作业方法和单一作业方法。堆垛机复合作业方法的周期根据经验简化的计算公式为[9]：TD=堆垛机单一作业方法的周期根据经验简化的计算公式为[9]：TS=2L其中：TfL：货架的总长度，单位为m；H：货架的总高度，单位为m；aY：堆垛机运行时的垂直加速度，单位为maX：堆垛机运行时的水平加速度，单位为mVX：堆垛机运行时的最大水平速度，单位为mVY：堆垛机运行时的最大垂直速度，单位为mTDTS2.2.4堆垛机基准出入库能力复合作业方法下堆垛机的基准出入库能力计算公式如下：ND=其中： NDTD单一作业方法下堆垛机的基准出入库能力计算公式如下：NS=其中： NSTS2.2.5巷道数的设计根据有无空间的不同限制条件，巷道数的计算需要采取不同的相应计算方法。但由于在无空间限制条件下，巷道数的计算过程复杂麻烦且计算量大，所以本节仅选用在有空间限制条件的情况下，对巷道数的一般计算方法进行分析和讨论。有空间限制条件通俗来说，即指仓库货架的行数与层数都基本确定的情况。在处于该限制条件下时，设计计算所需的最少巷道数必须要以立体仓库的基准出入库能力为计算根据，才能得到相对应的合理巷道数数值。其计算公式如下：n=P×T其中： n：巷道数 TSTDk1：堆垛机单一作业次数占总次数的比例；k2：堆垛机复合作业次数占总次数的比例；P：立体仓库每小时的出入库总数量；η：堆垛机期望使用率。2.5本章小结本章节主要对自动化立体仓库的各个组成部分做了简要的阐述和说明，并对其货架单元和堆垛机做了较为详细的参数计算。3小区自动化立体仓库的详细设计近年来，随着物流业和科学技术的不断发展，自动化立体仓库被更多地应用于物流供应链的仓储系统中。而在立体仓库中，堆垛机的合理设计对提高货物的存取效率起着关键作用，同时货架结构的强度往往决定着存放货物的多少。因此本章将对堆垛机和货架进行详细的设计。3.1堆垛机的设计堆垛机作为自动化立体仓库的设备之一，可分为桥式和巷道式两种，均能有效地完成货物的堆垛作业。相较于桥式堆垛机，巷道式堆垛机质量更为轻便、体积更为小巧，可以配合实际工作场合的变化，灵活搬运堆垛货物，所以本节最终决定以单立柱有轨巷道式堆垛机为设计重点，并对其下横梁等核心部件进行详细地设计和进一步地分析。巷道式堆垛机整体设计图如图3-1所示。1-下横梁2-起升机构3-伸缩货叉4-立柱5-地轨图3-1巷道式堆垛起重机整体设计图3.1.1堆垛机下横梁设计堆垛机下横梁是支撑货物、货叉及起升机构，同时带动堆垛机沿地轨水平方向运动的重要机构。其主要由缓冲垫、驱动轮、水平导轮、从动轮以及减速电机等零件组成。结构如图3-2所示。1-缓冲垫2-驱动轮3-水平导轮4-从动轮5-减速电机图3-2下横梁结构图（1）行走轮直径的确定主动轮组和从动轮组统称为行走轮组。由于堆垛机在实际工作中，其货叉会因受到货物重力的反作用而导致行走轮组侧压，从而发生脱轨现象，所以需要在行走轮侧面进一步安装导向轮。行走轮各项参数之间的关系式如下[10]：P=KDB−2r（3-1K=240k240+v（3-式中：P——允许载荷（kg）D——车轮的踏面直径（cm）B——钢轨的宽度（cm）r——钢轨头部的圆角半径（cm）K——许用应力系数（kg∕cm2v——行走速度（m/min）k——许用应力（球墨铸铁的许用应力为50）（kg∕cm在确定B=6.4cm，r=0.2cm，k=50kg∕cm2，v=80m∕min后，将各项参数代入公式（3-5）考虑到本文所设计堆垛机的应用仓储系统为小区立体仓库，实际存储的货物规格较小、重量较轻，所以假设实际情况中Pmax=100kg，然后将相关已知参数代入（3-4）可得：D=4.4cm，车轮的轴径为dmin=C（2）运行阻力的计算小型的有轨巷道式堆垛机在沿金属轨道做直线运行时，其行走轮组与轨道、轴承之间，轴与轮毂之间均会因为摩擦而产生一定的阻力，因此若根据实际情况进行考虑，其计算过程较为繁琐麻烦。所以，为了简化计算过程、加快计算的速度，本节假设用一个行走轮来承担行走轮组所受到的全部载荷。其受力图如图3-3所示。图3-3单个车轮受力图由弯扭平衡条件得[9]：M=Fd2+Nf=D2即有：Wf=(P+G)(μdD+2fD考虑其它附加阻力，乘以一个系数K，即[11]：W=(P+G)(μdD+2fD)K式中：M——驱动力矩（MPa）f——行走轮滚动摩擦系数D——行走轮直径（mm）μ——轴承摩擦系数P——堆垛机的额定起重重量（N）d——轴径（mm）G——堆垛机的自身重量（N）经查表可知：滚动摩擦系数f=0.04，轴承摩擦系数μ=0.02，附加阻力系数K=2，带入（3-8）式中求得，满载时的运行摩擦阻力为：W=10125N。考虑到其工作环境为小区室内，所以可以忽略其他可能的外在阻力的影响，从而直接假设其静阻力就等于其摩擦阻力，最后计算可以得到堆垛机在满载工作时的运行阻力为10125N。（3）行走机构电动机功率的计算根据有轨巷道式堆垛机在满载且稳定运行的情况下所承受的静阻力以及该情况下的运行速度可以计算得出堆垛机运行机构的电动机功率。静功率（KW）的计算公式为[12]：N=WV60×1000×Z×η（3-式中：W——行走机构满载运行时的静阻力（N）V——运行速度（m/min），取240m/minZ——驱动电机数，一般取1η——传动总效率，一般取0.8将相应数据带入式（3-9）得：N=3.2KW。查表可知，需要选用电动机Y112-M-2。该电动机的质量G=45Kg，效率为85.5%。3.1.2堆垛机起升机构设计（1）起升机构的主要组成部分起升机构的主要组成部分包括电机、滑筒、链条、链轮以及立柱。其通过电机驱动及联轴器的连接来带动链轮的运转，从而提升货物。连接箱由四块钢板经螺栓连接而成，其上下两端用链条连接，从而带动伸缩货叉上下运动。在本设计中，为了防止停电时起升平台掉落，导致损坏或者安全事故的发生，同时额外选用了另一制动电机用于保护。总体结构如图3-4所示。1-减速电机2-链条3-连接箱图3-4起升机构总体结构图1）链条式起升结构链条式起升结构即是以链传动来提升货物的结构。其链传动结构如图3-5所示。图3-5链传动结构图2）起降滑筒结构起降滑筒结构即是通过滑筒来提升货物的结构。其主要通过多个导向轮组与立柱或导轨的连接，使载货台与立柱模块建立相应的稳定连接，从而固定载货台的位置[13-14]。图3-6为起降滑筒结构图。图3-6起降滑筒结构图（2）电动机功率计算根据起升机构满载荷稳定工作时的静功率可计算得出起升电机所需功率，由:Ne=FmaxV式中：Fmax——最大起升载荷（N）V——额定起升速度（m/minη——起升机构总效率起升平台和货物总重：100Kg，V=0.2m/s，考虑到其他的不确定因素，最后通过查表决定选取升降电机型号为YEJ90L-4的制动电机，P=1.5kw，n=1440r/min。在确定了所要使用的升降电机的型号后，还需要对其过载能力和发热程度进行相对应的校核。根据《自动化立体仓库设计规范》的要求，升降电机必须在有电压损失的情况下，依然可以提升起超额定起重量1.25倍的重量，故升降电机的功率应满足式3-8的要求[15]。N≥HPv60000λZη（3-式中：N——电动机的额定功率(kw)P——最大起升载荷(N)V——额定起升速度(m/min)η——总效率H——系数，异步电动机H一般取2.1，直流电动机H一般取1.4Z——驱动电动机数经校核，电动机选型符合要求。（3）链传动的主要参数选择1）传动比的选择在设计一个合理的链传动的过程中，小链轮的包角是设计时所要考虑的重要参数，包角过小，链轮轮齿的啮合齿数过少达不到要求，轮齿之间的磨损则会愈发强烈，最后导致跳齿现象的发生，所以一般要求小链轮的包角最好不小于1200。而与此同时，链传动的传动比选择就变得尤为关键，过大的传动比是导致小链轮的过小包角产生的主要原因之一，同时过大的传动比也会在一定程度上减少啮合的齿数，故限制传动比i≤７。而在本节中，为了保证托台以垂直方向沿立柱运动以及保证主、从动链轮大小的一致，取传动比i=1[16]2）链轮齿数根据链速v=0.2m/s，传动比i=1可查表取得齿数Z1=Z2=17[17]。3.1.3堆垛机伸缩货叉设计堆垛机的伸缩货叉主要用来实现货物的装载和存放的任务。其结构如图3-7所示。图3-7货叉结构图（1）货叉传动方案选择货物的装载和存放工作主要由货叉来承担，货物的全部重量都加载在货叉上，所以货叉相较于其他结构，会承受较大的外力。因此，设计货叉的传动的首要任务就是需要对货叉的伸缩运动进行多级减速，不仅要通过减速器对电机的驱动速度进行减速，随后还要再次通过带轮进行二级减速，与此同时齿轮齿条也通过轮齿之间的啮合来传递力矩，从而实现驱动力的传递[18]。除此之外，由于货架平板在工作时有伸缩动作的产生，因而对其采用双齿条齿轮机构以完成伸缩动作。货叉的部分传动结构如图3-8所示。图3-8货叉传动部分结构图（2）电机选择由摩擦力Ff=μ×查表知：η则传动装置的总效率为：η总=η电机运行静功率：P故选用型号为80BL89S25-430TK0的直流无刷电机，功率P=250W，转速nm=3000r/min（3）确定传动比选取驱动齿轮的直径D=50mmn齿=vπd×60=76.4i总=nmn所以取i减=25，i3.1.2堆垛机主要技术参数堆垛机在自动化立体仓储系统中发挥着十分重要的作用，其不仅是实现货物自动存储过程的核心货物运输设备，同时还具备了远程控制的功能条件，保证了其作业过程无需人工的干预。此外，应用于不同场景下的堆垛机所采用的技术参数往往各不相同，因此根据现如今堆垛机的实际应用情况，本文所采用的单立柱有轨巷道式堆垛机的主要技术参数如下。见表3-1所示。表3-1堆垛机主要参数名称技术参数额定负载100kg最大行走行程60m行走速度100m/min行走加速度0.5m∕提升高度3.2m提升速度40m/min提升加速度0.5m∕货叉伸缩速度40m/min托盘尺寸500×500×600mm3.2堆垛机主体结构有限元分析在确定堆垛机的总体结构后，为了验证堆垛机在危险工况下静止状态和运动状态过程中，立柱的挠度以及载货板与连接箱之间的应力是否满足设计要求，本节采用Workbench软件对堆垛机进行静力学分析和瞬态动力学分析来验证设计的合理性。3.2.1建立堆垛机主体结构有限元分析模型（1）简化处理后的有限元模型堆垛机的主体金属结构主要是由下横梁、立柱、连接箱以及伸缩货叉组成，这些零部件是堆垛机受力的主要部分。在构建本文所需的有限元模型时，需要在保证建立的有限元模型的接触等关系与实际模型在工作状态下的接触等关系相差不大的情况下，尽可能去除对所需部件的分析结果影响不大的特征，如倒角和螺纹孔，这样既可以简化划分网格时的复杂度，又可以加快仿真时的收敛速度。本文将伸缩货叉进行了简化，保留伸缩货叉在伸出时的尺寸信息，忽略三维模型的设计细节，将其简化为一块矩形板状体与连接箱相连。同时，将连接箱简化成一个整体结构，忽略三维模型设计时的螺栓以及螺纹孔等细节。（2）材料属性的定义定义金属结构的材料为Q235，其具体参数见表3-2所示。表3-2Q235材料属性ρ/(kg/E/GPaνσE78502000.32351000（3）划分网格有限元网格作为有限元分析的重要参考条件，网格质量的好坏对有限元分析时计算的效率高低、收敛速度的快慢以及精度的大小具有决定性的影响。而与三维四面体网格相对比，六面体网格的计算收敛速度较快，计算规模相对较小，计算精度更高，以及其他各项方面都具有更为明显的优势条件。所以本文的有限元模型均采用六面体网格，同时使用软件Hypermesh对本文的有限元模型进行有限元模型的网格划分[20]。最终网格划分见3-9所示，总共生成28985个单元和41081个节点。图3-9堆垛机有限元模型网格图3.2.2危险工况下的静力学分析单立柱有轨巷道式堆垛机当伸缩货叉载有货物且在立柱的最高位置时，处于危险工作状态。在对堆垛机主体结构进行有限元分析时，综合考虑单立柱有轨巷道式堆垛机在实际工作时的情况后，在下横梁底部两端施加固定约束，限制其六个自由度。下横梁和立柱之间的接触采用共节点连接，连接箱与立柱之间的接触也采用共节点连接，在保证精度的情况下，以加快计算速度。在简化后的伸缩货叉上施加与100kg重物等效的力载荷后，进行求解，得到其等效应力云图和变形云图，分别见图3-10和图3-11所示。图3-10堆垛机等效应力云图图3-11堆垛机静态受力变形图由图3-10可以看出，在危险工况下，堆垛机的最大等效应力发生在连接箱与伸缩货叉连接的部位，应力值为29.8Mpa。堆垛机在不受风载的情况下，安全系数n取1.5。堆垛机的材料为Q235，其屈服极限为235Mpa，许用应力为σ=σs/n=157Mpa，由等效应力云图3-10可知，堆垛机的在危险工况下的应力均小于许用应力，故满足强度要求。由静态受力变形图3-11可知，堆垛机最大变形出现在伸缩货叉上，最大变形为1.5327mm。本文主要关心立柱的挠度是否满足技术要求，立柱的静态受力变形云图见图3-12所示。立柱的最大变形发生在立柱顶部，为图3-12立柱静态受力变形图3.2.3危险工况下瞬态动力学分析为了研究堆垛机在因故障或其他原因突然发生减速现象的情况下，堆垛机的主体金属结构在危险工况下的应力和变形状况，在本节对堆垛机进行瞬态动力学分析。（1）边界条件的施加在上一节静力分析模型中边界条件的基础上，施加X方向上的速度约束，同时设置Y和Z方向上的速度均为0，从而完成了边界条件的施加。X方向上的速度见表3-3所示表3-3X方向速度数值表StepsTime(s)X(mm/s)10.000.021.000.035.002247.246.343000.057.003000.067.630.0由表3-3可知，第1步至第2步行走机构还没有运行，对堆垛机施加货物的载荷，第2步行走机构开始运行，做加速运动，在5.34s内速度由0提高至3m/s，即加速度为0.5m/s2，第4步至第5步堆垛机以3m/s的速度匀速运行，第5至第6步模拟堆垛机因故障而发生急速停止的过程，速度由3m/s降为0（2）变形状态分析设置好相应的边界条件后，对堆垛机主体结构有限元模型进行瞬态动力学仿真。最终得到的沿X方向上的变形情况如图3-13至3-15所示。在ANSYS中进行瞬态动力学分析后的变形值都是相对于坐标系原点的位移，所以在求解立柱相较于下横梁的实际变形结果时，要将受载荷时各个时刻的变形值与仅刚体位移时的变形值相减，即可得到堆垛机立柱的实际变形值，最终可以得到几个关键时间点的立柱实际变形值见表3-4所示。表中负号表示方向与X轴相反，从表中可以看出，在0.5s时刻立柱的实际变形值为1.35mm，变形方向与X轴相反，与上一节静力学分析的结果吻合。在5s时刻，堆垛机处于加速运行阶段，加速度方向与X轴方向相同，由于惯性的作用，立柱会朝着X轴的负方向继续发生变形，5s时处于一个稳定状态，实际变形值为1.90mm。在6.5s时刻，堆垛机处于匀速运动阶段，此时因为没有加速度的存在，立柱的实际变形值会朝着X轴的变化，最终变为1.30mm。在7s至7.63s这个减速阶段，堆垛机的加速度方向为X轴的负方向，由于惯性的作用，立柱的变形值会朝着X轴的正方向进行变化，于7.25s时，立柱实际变形值为0mm，最终在7.63s时刻，立柱的实际变形值变为2mm，方向为X轴的正方向。在整个过程中，立柱的实际变形值都小于许用的挠度，故当堆垛机发生因故障而发生急速停止的情况时，堆垛机的主体结构的刚度是符合要求的。表3-4立柱相对于下横梁的实际变形值时间（s）实际变形值（mm，负号表示方向）0.50-1.355.00-1.906.50-1.307.250.007.632.00图3-13加速阶段5s时刻变形图图3-14匀速阶段6.8s时刻变形图图3-15减速阶段7.25s和7.63s时刻变形图（3）应力状态分析应力状态的计算结果见图3-16至3-18所示。在堆垛机行走过程中的加速阶段，最大应力发生在伸缩货叉与连接箱相接的部位，5s时刻的应力值为30.002Mpa。匀速运行阶段和减速运行阶段最大应力值同样也发生在伸缩货叉与连接箱相接的部位。匀速运行阶段，6.8s时刻最大应力为30.023Mpa，减速运行阶段，7.25s最大应力为30.082Mpa，7.63s最大应力为32.068Mpa。可见堆垛机运行过程中的每一时刻，其最大应力值均小于Q235的许用应力值157Mpa，故堆垛机的强度符合设计要求。图3-16加速阶段5s时刻变形图图3-17匀速阶段6.8s时刻变形图图3-18减速阶段7.25s和7.63s时刻变形图3.3货架单元的设计在货架设计需要按照三个原则来进行设计，分别为高效原则、类似产品相近原则、稳定性原则。1）高效原则：货物的周转速度由周转率间接反映。将周转率高的货物存放在离仓库入口近的货架上，可以在一定程度上缩短堆垛机的运动距离和时间，提高效率。2）类似产品相近原则：应该将仓库内种类相似的货物存放在一起。这种方法可以便于仓库管理员管理货物。3）稳定性原则：上轻下重。货物统一摆放为较轻的置于上层，较重的置于下层，以使货架的整体重心下移，从而更加稳定。除此之外，货物应均匀摆放于货架的不同区域，避免集中堆放而导致货架的受力不均匀。在对小区自动化立体仓库的设计中，结合货物实际状况，采用托盘式货架。其特点结构相对筒单、通用性强，空间利用率高。3.3.1货架的设计托盘式货架主要的组成部件为拉杆构件、横梁和立柱。每组部件都在整体架构中起到不同的作用，立柱与倾斜支撑构件构成了货架整体的竖向框架，与横梁共同承载货物的大部分重量；合理布置背部的拉杆与顶部的拉杆则可以在一定程度上增强货架整体结构的纵向刚度，从而一定程度上增加了货架的整体稳定性。图3-19货架示意图图3-19为一种托盘式货架构件示意图，图上标注为序号1的构件名叫做货架立柱，标注为序号2的构件名叫做货架横梁，标注为序号3的构件名叫做背部拉杆构件，标注为序号4的构件名叫做顶部拉杆构件，标注为序号5的构件名叫做货架内斜支撑构件，标注为序号6的叫做巷道中心线。货架主要由钢材料组成，各构件所用材料大部分为Q235，其密度为7850kg/m3，弹性模量为2.1×105MPa，屈服强度为235MPa，泊松比根据实际的使用要求，本文设计托盘式货架为8列7层，总高度为5m,长为9m，每个货架能放置两个货格单元，货格尺寸为长500mm，宽500mm，高600mm。其总体结构见图3-20所示。图3-20实际采用的货架结构图3.3.2货架的静力学分析为了研究货架在堆满货物（简称为满载）的情况下，各个钢结构的强度情况，所以本小节将在ANSYSWorkbench中对货架在满载状态下进行受力分析。（1）模型简化与有限元模型建立货架主要有立柱和各层货格的支撑部件组成，根据工程经验可知，货架在承受货物载荷时，其最大应力将会出现在货物支撑板与货物货架连接件的接触部位，而立柱所受到的力不大，所以在建立有限元模型时将对立柱的设计细节进行简化，只保留重要的特征，这样会降低网格划分的难度，减少计算时间。本文将对Solidworks中三维模型导出到Hypermesh中进行网格划分，然后将划分好的网格模型导入ANSYSWorkbench中进行静力学分析[20]。（2）网格的划分本文将采用Hypermesh对货架进行网格处理。因为货架在满载状态下各个钢结构会受到弯曲变形，所以在划分网格的时候要注意将各个钢结构的厚度方向上至少要有三层单元，这样才能用实体单元来模拟弯曲。在进行网格处理的过程中，都是采用六面体实体单元进行划分。最终得到的网格图见图3-21所示。（a）整体网格效果图（b）局部网格效果图图3-21网格效果图（3）静力学分析将划分好的网格模型导入ANSYSWorkbench中，在Workbench中定义分析时用到的材料属性为Q235普通碳钢的属性，随后赋予到网格模型上。然后将货架的支撑脚与地面的接触面定义为固定约束。由于本文中的货架适用于小区自动化立体仓库，故假设货架上的货物的质量最大为100Kg，然后将这个载荷属性等价到每个货物与支撑板接触部位的压力，此时每个货物与支撑板接触面的压力为0.012Mpa。最后进行求解。求解得到的变形云图见图3-22，应力云图见图3-23。图3-22货架满载工况下变形云图图3-23货架满载工况下应力云图分析仿真后的结果可知，货架在满载工况下，最大变形为2.4493mm，等效应力最大值为171.84Mpa，并且应力最大值出现在货物支撑板与货物货架连接件的接触部位，故符合之前的工程经验。依据《钢结构设计规范》的要求，钢结构框架的总体变形值小于钢结构的总高度千分之一，则符合要求[21]。本文设计的货架的总高度约为5m，而货架在满载状态下最大变形量为2.4493mm，并且等效应力最大值小于Q235普通碳钢的屈服极限，故本文采用的货架符合强度要求。3.4本章小结本章结合中型小区的实际背景对自动化立体仓库里面用到的堆垛机以及货架进行了较为详细的设计与验证。首先对堆垛机相关的组成部分进行了介绍，然后对堆垛机在危险工况下的等效应力和变形值进行了仿真分析，同时重点关注了立柱的挠度这个参数，将得到的仿真结果与许用结果进行对比发现，堆垛机主体结构在危险工况下的刚度和强度都符合要求。再之后对堆垛机进行瞬态动力学分析，模拟堆垛机因故障而发生急速停止情况时，堆垛机主体结构的应力和变形情况，发现此时也符合设计要求；同理，在对货架设计完后，也要验证该设计的合理性，因此也对货架进行了静力学分析，最后得出的货架设计也满足了实际设计要求的结论。

4基于FLEXSIM小区自动化立体仓库的仿真与分析在对中小型社区的自动化仓储系统进行设计的过程中，通过理论计算的方法去获得仓储系统中想要的值往往很麻烦，且实际计算过程中的误差会不断累积，从而导致最终计算结果常差强人意。为了获得较为准确的计算结果，为后续验证设计方案的可行性，故采用FlexSim仿真软件对所设计的仓储系统进行建模以及仿真结果分析，最后通过仿真模型的计算出来的相应结果，对本文设计的仓储系统进行优化。4.1FLEXSIM的介绍FlexSim软件通过使用离散仿真模拟的策略来进行设计，其通过完全的C++面向对象便捷建立仿真模型的方式以及图像显示的真实化，来建立符合实际特征的仿真模型，具有高度的开放性[22]。其在图形环境下将C++编程语言和编译器联合在一起的方式，使它相较于同类仿真软件具有更加明显的优势。此外其通过C++直接定义模型的方式，可以让使用者抛弃传统的手动设置链接库和用户自定义变量的繁琐方式，从而让使用者在使用过程中更加轻松。4.2小区自动化立体仓库建模本文以一个有7000户住户的小区为自动化立体仓库的使用背景，同时假设该小区分为三个主要片区，每个片区离自动化仓库的距离不一。其中一号片区离自动化仓库最近，居民步行至自动仓库大概需要5分钟；二号片区次之，居民步行至自动仓库大概需要20分钟；三号片区最远，居民步行至自动仓库大概需要35分钟，大致分布如图4-1所示。充分考虑三个片区的距离特点后，将自动化立体仓库的存储模式设定为三组不同的存货架，每组货架分别存放不同片区的货物，从而使货物在存取过程中更为高效。随后通过FlexSim建立的小区自动化立体仓库仿真模型来模拟小区内货物存取峰值期一天内的使用状况。图4-1小区各片区与立体仓库位置关系图在讨论完具体使用背景后，根据实际要求，在软件中进行相应设备的调用以及参数的设定。在建立仿真模型的过程中，需要将系统设定的参数尽量与实际参数保持一致。在软件中构件仿真模型主要由表4-1所示中的设备元素构成，主要包括发生器、处理器、合成器、分解器、叉车、传送机、机器手、货架、堆垛机和暂存区[23-25]。表4-1仓储系统中设备元素在Flexsim中对于的实体关系表设备元素实体元素发生器Source处理器Processor合成器Combiner分解器Separator叉车Transporter传送机Conveyor机器手Robot货架Rack堆垛机ASRSvehide暂存区Queue其中一些关键设备的具体参数的设置分别如下：发生器的参数设置在FlexSim软件中，发生器是用来模拟货物的产生的设备元素。考虑到小区的住户有7000户，所以设定发生器在货物存取峰值期一天内的货物产生量为9000个，然后对发生器设置相应的参数。设置发生器产生一个货物的时间设定为符合均值2.6，方差为1的正态分布，通过定义发生器Triggers中的属性，其能产生六种不同颜色的货物，并且这六种不同颜色的货物产生的数量是随机的。相应的发生器参数设置如图4-2。图4-2发生器参数设定（2）合成器的参数设置在FlexSim软件中，可以将合成器看作对货物进行打包的一个设备元素。在软件中设置合成器Pack的参数为8，即在软件中会将8个货物打包成一个货物体，然后进行存储。具体参数设置如图4-3所示。图4-3合成器参数设定（3）传送机参数设置传送机的传动速度对仓储系统中设备利用率有较大的影响，当传送机的传动速度过小时，仓储系统中的设备利用率偏低；当传送机的传动速度过大时，仓储系统中的设备利用率过高。这两种情况对仓储系统的高效性和使用寿命均会造成一定的不良影响。因此需要合理地设置传送机的传动速度参数，其具体参数如图4-4所示。图4-4传送机参数设定（4）货架参数设置根据上文中的讨论，货架分为三组不同的属性进行参数设定，以此来模拟实际情况。假设该小区自动化立体仓库从早上7：00开始进行货物的存取。经过实际统计估计假设片区一的居民会在一个小时后开始陆续来取货物，片区二的居民在四个小时后开始陆续来取货物，片区三的居民在八小时后开始陆续来取货物，并且取货物的时间间隔满足指数族分布。相应的参数设定如图4-5所示。片区一对应货架组的参数设定(b)片区二对应货架组的参数设定片区三对应货架组的参数设定图4-5各货架组相应的参数设定在对一些关键设备完成参数设定后，设定仿真持续时间为45000秒，即12.5h。最后建立产生货物的时间间隔满足均值为2.6，方差为1的正态分布的发生器，发生器随机产生六种不同的货物，六种不同的货物通过传送机和合成器模拟货物打包和运输的过程，再由叉车运输到处理器进行货物标签的识别，然后通过传送机传送到货架位置，随后通过堆垛机进行入库操作。出库的流程与入库的操作相反。上述参数是经过两次不同方案的优化后所得到的，由上述参数建立的具体的仿真模型如图4-6所示。图4-6仿真模型示意图4.3小区自动化立体仓库仿真分析通常，设备利用率是评价自动化立体仓储系统设计是否合理的重要指标。同时在对小区自动化立体仓库分析时，还要考虑出库时的传送机是否会发生严重堵塞的现象，若发生堵塞现象，会导致住户等待货物时间过久的情况[26]。本文中主要考虑叉车（Transporter）、机械手（Robot）和堆垛机（ASRSvehide）的利用率。上一节中的关键设备的参数是经过多次仿真后得到的较优参数，然而在此之前经过了两次对模型的优化操作，这两次优化操作对分析小区自动化立体仓库的合理性也有一定的研究意义，故需要在本文中讨论，下面将按照两种优化方案产生的时间顺序进行讨论。（1）优化方案一优化方案一建立的仿真模型如图4-7所示。相较于图4-6所示的模型，初代模型在出库过程中只采用了两个分解器和两个处理器进行出库处理，而发生器产生货物的时间间隔满足均值为4，方差为1的正态分布，产生货物的速度相较于最终方案这个较优方案来说要慢一些，其余参数和最终方案一致。图4-7优化方案一仿真模型图经过一次仿真后发现，在仿真过程中，住户取货的时候会出现很严重的货物堵塞问题，堵塞程度如图4-8所示，而这种情况正是在实际运作过程中需要避免的。在经过多次调整发生器产生货物的时间间隔的参数后发现，将货物产生的时间间隔调大不仅不能有效地缓解堵塞现象，反而将设备的利用率降低了，所以通过调整发生器产生货物的时间间隔的方式来缓解堵塞问题是不可取的[28]。综合考虑后，在出库过程中采用了三个分解器和三个处理器进行出库处理，从而有效地缓解堵塞问题，模型图与图4-6一致。图4-8初代模型仿真过程中的堵塞情况（2）优化方案二在对第一次优化后的仿真模型进行仿真后，发现设备的利用率较低，其仿真后的利用率如图4-9所示。所以需要对优化方案一进行优化，以此来提高设备的利用率。（a）存货阶段相应设备的利用率（b）取货阶段相应设备的利用率图4-9优化方案一的部分设备的利用率在对优化方案一的仿真过程中发现，货物在存货的时候，货物在合成器进行打包的等待时间过长，经过分析后得知，导致这种情况发生的原因是发生器产生的货物需要比较久的时间。所以优化方案二的基本思路是通过调整发生器产生货物间隔时间的正太分布参数来达到优化效果。经过多次调整参数，得到仿真模型在发生器满足产生货物的时间间隔满足均值为2.6，方差为1的正态分布时，设备利用率大部分达到55%~85%之间，并且取货时不会发生货物严重堵塞的情况。经优化方案二的设备利用率如图4-10所示。（a）存货阶段相应设备的利用率（b）取货阶段相应设备的利用率图4-10优化方案二的部分设备的利用率经过上述两次优化后，得到的小区自动化仓储系统能很好的满足设计要求。4.4本章小结本章节对上一章设计的中型小区自动化立体仓库在Flexsim软件中进行了仿真建模，并结合设计要求对其进行了多次优化操作，最终得到了较为可行的实施方案。

5总结及展望5.1总结本文主要阐述和分析了自动化立体仓库的结构组成及其主要参数的设计原则，并结合小区物流仓储的实际运作情况对自动化立体仓库的堆垛机、货架单元等关键组成设备进行了参数计算、三维建模以及力学分析，同时根据小区物流的实际运作情况，假设构建了一个小区的物流情况及其所对应的自动化立体仓储系统，随后使用仿真软件Flexsim对所构建的自动化立体仓储系统在该小区的物流环境下的运行过程进行模拟仿真，最后在根据Flexsim的仿真分析结果对该小区的自动化立体仓库设计方案进行了优化。论文的主要工作及研究成果如下：首先，通过使用Solidworks的三维建模功能，对本文所设计的自动化立体仓库的堆垛机进行了下横梁、起升结构以及伸缩货叉等零部件的建模和整体装配。其次，通过使用Workbench的力学分析功能，对所设计的堆垛机主体结构及货架单元进行了有限元分析，对其危险工况下的刚度、强度等力学性能进行了校核。最后，通过使用Flexsim的数据仿真功能，对所假设的小区自动化立体仓储系统进行了建模及模拟仿真，优化了其参数设定，确保其设备利用率大部分维持在55%~85%之间，并且避免了货物严重堵塞的情况的发生。5.2展望本文虽然对小区自动化立体仓库的堆垛机、货架单元等关键组成设备进行了建模及有限元优化，同时对小区自动化仓储系统进行了模拟仿真，但并未对其整体组成系统进行详细的设计和研究，所做工作并不十分全面，还需要进一步的提升和改进：小区物流仓储的实际工作环境复杂，货物种类繁多，本文对小区自动化立体仓储系统的参数设定仅限于其中本文所假设的一种情况，所得到的仓储系统参数不能适用于所有小区的物流运作情况。本文只对自动化立体仓库的部分重要关键设备进行了结构设计，忽略了自动化立体仓库其他重要辅助系统及工作设备的设计。堆垛机和货架单元现实工作的受力情况复杂，本文所作力学分析对其施加力的情况假设存在一定的理想化，由此所得数据与现实情况对比会有一定的误差。

参考文献饶东宁,罗南岳.基于多任务强化学习的堆垛机调度与库位推荐[J].计算机工程,2023,49(2):10.叶煌城.自动化立体仓库堆垛机的控制与设计研究[J].设备管理与维修,2022(12):2.成慧翔,李国勇,李强等.立体仓库智能堆垛机控制系统设计[J].现代制造技术与装备,2023,59(03):27-29.DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0135.郭恒发,李兴森.自动化立体仓库穿梭式货架的结构可拓设计[J].广东工业大学学报,2022,39(06):123-129.TQF,MXG,ZXY.ConstructionofSustainableDigitalFactoryforAutomatedWarehouseBasedonIntegrationofERPandWMS[J].Sustainability,2023,15(2).NataliAgnese,MorelliFrancesco,SalvatoreWalter.OntheseismicdesignandbehaviorofAutomat