堆垛機伸縮貨叉設計
堆垛機伸縮貨叉設計,堆垛,伸縮,設計
圖書分類號：
密 級：
畢業(yè)設計(論文)
堆垛機伸縮貨叉設計
Stacker Telescopic Fork Design
學生姓名
殷錄卿
學院名稱
機電工程學院
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
指導教師
張磊
2008年
6月
02日
徐州工程學院畢業(yè)設計(論文)
徐州工程學院學位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明： 所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用或參考的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標注。
本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。
論文作者簽名： 日期： 年 月 日
徐州工程學院學位論文版權協議書
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論文作者簽名： 導師簽名：
日期： 年 月 日 日期： 年 月 日
摘要
自動化立體倉庫目前廣泛應用于汽車、電子、醫(yī)藥、煙草、建材、郵電等許多行業(yè)，是實現物流系統合理化的關鍵，對加快物流速度、提高勞動生產率、降低生產成本都有重要意義。其中堆垛機又是自動化立體倉庫中最重要的搬運、起重、堆垛設備, 對立體倉庫的出入庫效率有重要影響。本文將注重研究雙伸位堆垛機，它的使用不僅減少巷道占地，而且還減少了堆垛機臺數。在相同面積條件下，大幅度提高了地面利用率和存取工作效率，同時能夠為用戶節(jié)約可觀的投資。由于雙伸位堆垛機的這個獨特優(yōu)勢，它已得到迅速推廣，并具有很大的市場空間。但與國外技術相比，目前我國堆垛機產品在技術參數、產品覆蓋范圍、技術穩(wěn)定性和產業(yè)規(guī)模等方面均有差距。因此，本設計課題將從堆垛機的最主要的部分——貨叉展開研究，希望能進一步的提高堆垛機的工作效率及使用壽命。
雙伸位堆垛機采用了多級雙伸位貨叉，通過行程倍增實行大距離伸出，實現巷道內單邊雙排貨架存取貨物，但由于貨叉懸臂加長，導致力矩相應增加，控制貨叉的下撓量成為技術關鍵，同時也是技術難題。
堆垛機伸縮貨叉采用一種能使原動機動作行程增倍的雙向驅動直線運動機構。為此，在方案設計中選擇鏈條鏈輪組成的傳動機構。根據貨叉存物取貨的雙向伸縮行程要求，僅采用雙層貨叉行程增倍機構是不夠的，還必須實現第3層貨叉的行程增倍直線差動。但由于貨叉懸臂加長，導致力矩相應增加，因此需要通過嚴格的理論計算和實際中的經驗來控制貨叉的下撓量。
在這次設計過程中，將使用Pro/E建模，并進行運動仿真，其中主要建模的零件包括鏈輪、鏈條、齒輪、齒條、下叉、中叉、上叉等。難點在于各尺寸的確定及配合，和鏈傳動的運動仿真。
關鍵詞：貨叉；Pro/E；撓性；仿真
Abstract
Automated Warehouse now widely have been used in automotive, electronic, pharmaceutical, tobacco, building materials, telecommunications and other industries,it is to achieve rationalization of the key logistics system, to accelerate the pace of logistics, improve labor productivity, lower production costs have important significance. One stacker warehouse automation is the most important of handling, lifting and stacking equipment, for the three-dimensional warehouse to have an important impact on the efficiency of storage, the paper will focus on extending double-stacker, which not only reduce the use of roadway Land, but also reduce the number of stacking machine, under the conditions in the same area, a substantial increase access and utilization of the ground work efficiency, while users can save considerable investment. Because of this unique advantage of the extended-stacker, it has been the rapid promotion, and has great market space. However, compared with foreign technology, China's Stacker products in the technical parameters, product coverage, technology steadily and technology industries in scale of the gap. Therefore, this issue will design the most important part - Fork study, hoping to further improve the efficiency of Stacker and life.
Two-side-stacker adopted the multi-level two-side-Fork, through the implementation of the gap doubled to achieve within the roadway unilateral double shelf access of goods, but because fork cantilever longer, resulting in a corresponding increase in torque , under the control Fork torsion is not only a key technology, but also technical difficulties.
Stacker telescopic Fork can adopt a program of action motivated by two-way drive times the linear motion agencies, to that end, in program design in the choice of the sprocket chain drive mechanism. According Fork of the pickup of two-way telescopic trip request, only a double-decker Fork journey times by institutions is not enough, we must also achieve the three-tier Fork trip times by linear differential. However, due to Fork cantilever longer, resulting in a corresponding increase in torque, it needs a rigorous theoretical and practical experience to the next control Fork of torsion.
In the design process, it is using Pro / E modeling and simulation exercise, which mainly include the sprocket parts modeling, the chain, gears, rack, under the higher, middle, lower fork and so on, the difficulty lies in Identify and cope with the size, and chain drive the simulation.
Key words: Fork Pro / E Flexible Simulation
III
徐州工程學院畢業(yè)設計(論文)
目 錄
1．緒論 1
1.1自動化立體倉庫在國民經濟中的重要地位及堆垛機的意義 1
1.1.1自動化立體倉庫 1
1.1.2自動化立體倉庫的重要地位 1
1.1.3有軌巷道堆垛機的意義 2
1.2課題研究的目的及意義 3
1.3堆垛機及貨叉的技術要求，研究內容 3
2．自動化立體倉庫設計 5
2.1自動化立體倉庫總體規(guī)劃時需要考慮的問題 5
2.2自動化立體倉庫總體規(guī)劃 6
2.2.1高層貨架 6
2.2.2巷道堆垛機 6
2.2.3輸送系統 6
2.2.4托盤(貨箱) 6
2.2.5自動控制系統 7
2.2.6庫存信息管理系統 7
2．3巷道堆垛機設計 7
2.3.1設計思路 7
2.3.2 控制系統結構 10
2.3.3 速度控制 11
2.3.4 位置確定 11
3．貨叉方案設計 13
3.1液壓傳動 13
3.1.1雙桿活塞缸 13
3.2機械傳動 15
3.2.1鏈傳動 15
3.2.2齒輪齒條傳動 15
4．零件設計 18
4.1電動機、減速器的選擇 18
4.1.1電動機的選擇 18
4.1.2減速器的選擇 19
4.2貨叉的力學計算 21
4.2.1貨叉彎矩的計算 21
4.2.2堆垛機貨叉強度的計算 22
4.2.3貨叉變形計算 23
4．3鏈輪鏈條傳動計算 26
4.3.1鏈傳動的優(yōu)缺點 26
4.3.2鏈條鏈輪的確定 27
4.4單個螺栓聯接的受力分析和強度計算 30
4.4.1貨叉沒展開時 30
4.4.2貨叉展開時（極限位置） 31
5 零件建模仿真 35
5.1Pro/E零件建模仿真 35
5.1.1螺栓的設計過程 35
5.1.2螺母制作過程 38
5.2鏈條鏈輪的設計過程 39
5.3零件的裝配 40
5.4鏈傳動及總裝圖 42
6. NC代碼 44
6.1NC代碼簡介 44
6.2．中叉上的鏈條槽 44
6.3.中叉上的孔 52
結論 56
致謝 57
參考文獻 58
附錄 59
英文原文 59
中文譯文 71
87
1．緒論
1.1自動化立體倉庫在國民經濟中的重要地位及堆垛機的意義
1.1.1自動化立體倉庫
在現代物流系統中，自動化立體倉庫是一個重要的組成部分，它是一種新型的倉儲技術，自動化立體倉庫又稱為自動存儲檢索系統，它是物料搬運和倉儲科學中的一門綜合科學技術工程。它集機械、電子、計算機、通信、網絡、傳感器和自動控制等多種技術于一體，以搬運機械化、控制自動化、管理微機化、信息網絡化為特征，成為現代化物流設計中產品生產與存儲的樞紐。
以自動化功能齊全的立體倉庫取代傳統的普通房式倉庫己成為世界倉儲建設發(fā)展的潮流。據不完全統計，美國擁有各種類型的自動化立體倉庫20000多座，日本擁有38000多座，德國擁有10000多座，英國有4000多座，前蘇聯有1500多座。高度達40米以上的巨型立體倉庫數量越來越多。我國進人80年代以來，一些交通運輸部門，物資儲存部門以及現代大中型企業(yè)對老式倉庫進行了技術改造，開始采用自動化立體倉庫，據不完全統計，目前我國擁有立體倉庫500余座，其中高度在15米以上的大型立體倉庫100多座。
自動化倉庫作為物流系統的一個樞紐和核心，是物流系統實現物流合理化的關鍵所在，在國民經濟中有著舉足輕重的地位。通常，一種產品要從原材料做成成品，再把成品作為商品，送到消費者手中，需經過兩個基本物流環(huán)節(jié):前者是物流生產過程(如:加工流水線，自動生產線)，后者是把商品送到消費者手中的物流流通過程?；谏鲜鰞蓚€基本物流環(huán)節(jié)，目前立體倉庫系統主要有兩大應用領域:其一是各種自動化生產線中的在線立體倉庫系統(如CIMS中的在線立庫系統);其二是各種物資配送中心(如超市配貨中心等)。
在制造業(yè)，其備件時間占整個加工和裝配周期的近10%。在加工過程中，原材料、備件及半成品的存貯及運輸占大部分時間。在制造業(yè)中，材料的存貯及運輸問題須引起國有企業(yè)的重視，因為現代化物料搬運系統將帶來巨大的經濟效益，主要表現在以下幾個方面:
. 1.節(jié)省空間
2.合理的生產組織
3.減少庫存，節(jié)省流動資金
4.增加加工制造的柔性
1.1.2自動化立體倉庫的重要地位
歷史和現實己充分證明，使用自動化立體倉庫能夠產生巨大的社會效益和經濟效益。效益主要來自以下幾方面高層貨架存儲由于使用高層貨架存儲貨物，存儲區(qū)可以大幅度地向高空發(fā)展，充分利用倉庫地面和空間，因此節(jié)省了庫存占地面積，提高了空間利用率。目前世界上最高的立體倉庫己達。立體倉庫單位面積的存儲量是普通倉庫的一倍。采用高層貨架儲存并結合計算機管理，可以實現貨物的先入先出原則，防止貨物的自然老化、變質、生銹或發(fā)霉。立體倉庫也便于防止貨物的丟失及損壞，對于防火防潮等大有好處。集裝箱化的存儲也利于防止貨物搬運過程中的破損。自動存取使用機械和自動化設備，運行和處理速度快，提高了勞動生產率，降低操作人員的勞動強度。同時，能方便地納入企業(yè)的物流系統，使企業(yè)物流更趨合理化。計算機控制能夠始終準確無誤地對各種信息進行存儲和管理，減少了貨物處理和信息處理過程中的差錯。而人工管理則不能做到這一點。同時借助第二章自動化立體倉庫概述于計算機管理還能有效地利用倉庫儲存能力，便于清點和盤庫，合理減少庫存，加快資金周轉，節(jié)約流動資金。從而提高倉庫的管理水平。如某汽車廠的倉庫，在采用自動化倉庫后，庫存物資金額比過去降低了，節(jié)約資金數百萬元自動化倉庫的信息系統可以與企業(yè)的生產信息系統聯網，實現企業(yè)信息管理的自動化。同時，由于使用自動化倉庫，促進企業(yè)的科學管理，減少了浪費，保證均衡生產。從而也提高了操作人員素質和管理人員的水平。由于倉儲信息管理及時準確，便于企業(yè)領導隨時掌握庫存情況，根據生產及市場情況及時對企業(yè)規(guī)劃做出調整，提高了生產的應變能力和決策能力，同時會帶動企業(yè)其他部門人員素質的提高，還有其他間接的社會效益，如提高裝卸速度等。
1.1.3有軌巷道堆垛機的意義
在立體倉庫中的搬運設備有高位叉車、工業(yè)機器人、橋式堆垛機和有軌式單雙立柱堆垛機。有軌巷道式雙立柱堆垛機由于效率高, 高度可達30～40 m , 便于實現無人操作, 行走穩(wěn)定, 載貨量大,噪聲小, 在目前的立體倉庫中得到廣泛應用。堆垛機是立體倉庫中最重要的一種運輸設備，是代表立體倉庫特征的標志。其主要用途是在立體倉庫的通道內運行，將位于巷道口的貨物存入貨格，或者將貨位中的貨物取出，運送到巷道口。堆垛機的分類方式有很多種，主要分類形式如下按照有無導軌，堆垛機可以分為有軌堆垛機和無軌堆垛機。有軌堆垛機是指堆垛機沿著巷道內的軌道運行無軌堆垛機又稱高架叉車。在立體倉庫中主要的作業(yè)設備為有軌巷道堆垛機，無軌巷道堆垛機和普通叉車。按照高度不同，堆垛機可以分為低層型，中層型和高層型。低層型堆垛機一般起升高度在以下，主要用于分體式高層貨架倉庫及簡易立體倉庫中層型堆垛機是指起升高度在一之間高層型堆垛機是指起升高度在以上，主要用于一體式的高層貨架倉庫。 圖1-1
按照驅動方式不同，堆垛機可以分為上部驅動，下部驅動和上下部相結合的驅動方式。按照自動化程度不同，堆垛機可分為手動，半自動，自動堆垛機。手動和半自動堆垛機上有司機室，自動堆垛機不帶有司機室，采用自動控制裝置進行控制，可以進行自動尋址，自動裝卸貨物。按照用途不同，堆垛機可以分為橋式堆垛機和巷道堆垛機。
巷道堆垛機沿貨架倉庫巷道內的有軌運行，又稱有軌巷道堆垛機。有軌巷道堆垛起重機簡稱為堆垛機。它是由叉車、橋式堆垛機演變而來的。橋式堆垛機由于橋架笨重因而運行速度受到很大的限制，它僅適用于出入庫頻率不高或存放長形原材料和笨重貨物的倉庫。其優(yōu)點在于可以方便地為多個巷道服務。目前應用最廣的是有軌巷道式堆垛機。巷道堆垛機使得作業(yè)高度提高采用貨叉伸縮機構，使貨叉可以伸縮，這樣就可以使巷道寬度變窄，提高倉庫的利用率巷道堆垛機一般采用半自動和自動控制裝置，運行速度和生產效率都較高其只能在貨架巷道內作業(yè)，因此要配備出入庫裝置機架除應滿足一般起重機的強度和剛度要求以外，還有較高的制造與安裝精度要求采用特殊形式的取物裝置，常用多節(jié)伸縮貨叉或貨板各機構電氣傳動調速要求高，且要求制動平衡，采用安全保護裝置，措施齊全。
巷道堆垛機適用于各種高度的高層貨架倉庫，可以實現半自動，自動和遠距離集中控制。巷道堆垛機的起重量是指被起升單元貨物的重量包括托盤或貨箱。根據使用要求，檢選入庫，出庫方式的起重量取或單元化入庫，出庫方式的起重量一般為0.25～5t。巷道堆垛機起重機的起升速度為6.3～40m/min，運行速度為25～180m/min，貨叉伸縮速度為5～30m/min。
1.2課題研究的目的及意義
自動化立體倉庫目前廣泛應用于汽車、電子、醫(yī)藥、煙草、建材、郵電等許多行業(yè)，是實現物流系統合理化的關鍵，對加快物流速度、提高勞動生產率、降低生產成本都有重要意義。其中堆垛機又是自動化立體倉庫中最重要的搬運、起重、堆垛設備, 對立體倉庫的出入庫效率有重要影響,本文將注重研究雙伸位堆垛機，它的使用不僅減少巷道占地，而且還減少了堆垛機臺數，在相同面積條件下，大幅度提高了地面利用率和存取工作效率，同時能夠為用戶節(jié)約可觀的投資。由于雙伸位堆垛機的這個獨特優(yōu)勢，它已得到迅速推廣，并具有很大的市場空間。但與國外技術相比，目前我國堆垛機產品在技術參數、產品覆蓋范圍、技術穩(wěn)定性和產業(yè)規(guī)模等方面均有差距。因此，本設計課題將從堆垛機的最主要的部分——貨叉展開研究，希望能進一步的提高堆垛機的工作效率及使用壽命。
1.3堆垛機及貨叉的技術要求，研究內容
在自動化立體倉庫中,堆垛機的運行不是一個獨立的單一系統, 它受到多種因素的制約,是一個動態(tài)變化的多因素系統,它不僅涉及到自身各項技術參數的改變與綜合性能的提高,還涉及其它相對獨立因素的制約,需要多項技術的創(chuàng)新和改進, 更需要新技術的支持?？傮w上來講,堆垛機控制從功能上需要以下幾部分:(1)三維動作控制:控制堆垛機在水平、垂直、左右方向的運行;(2)位置控制:控制堆垛機以適合的速度運行并精確的定位在貨格或入出庫口處;否則就可能取錯貨物、碰壞貨架、貨物等,嚴重時會損壞堆垛機本身。因此位置控制技術就成為堆垛機控制系統中最關鍵的一種。(3)保護功能:為了確保堆垛機安全可靠的運行,以下的保護功能在設計中是必須考慮到的:提供各種電氣和機械保護,保證堆垛機在高速、頻繁的運行和取送貨過程中不會發(fā)生事故;(4)人機界面: 通過HMI 或其它輸入和顯示設備,提供本機或遙控操作及向操作人員提供堆垛機的各種狀態(tài)信息。(5) 通訊功能:在自動化立體倉庫系統中,為了實現設備的自動運行,堆垛機與上位機或其它倉庫設備需要進行頻繁的信息交換。由于堆垛機是在巷道中運行,其通訊大都采用無線方式或通過供電滑觸線的載波通訊方式。其中載波通訊易受電力線雜波等干擾,所以除彎道堆垛機外不宜采用;在無線通訊方式中,紅外通訊穩(wěn)定性好,不受干擾,是目前應用最多的方式。在一座立體倉庫中,往往有多臺堆垛機和其它自動化設備,它們都需要與上位機或與其它設備進行通訊,系統通訊結構也有多種方案。
堆垛機作為自動化立體倉庫的心臟部分。其優(yōu)越性必須通過堆垛機才能充分體現出來。為此，堆垛機必須有嚴格的技術要求：
(1)堆垛機的正常工作條件
1)堆垛機正常工作的環(huán)境溫度范圍為-5～40℃，在24h內平均溫度不超過35℃。在40％的溫度條件下，相對濕度不超過50％。溫度較低時相對濕度可以高一些。
2)堆垛機工作環(huán)境的污染等級應在國家規(guī)定范圍之內。
3)供電電網進線電源為頻率是50Hz、電壓是380V的三相交流電，電壓波動的。允許偏差為±10％。
(2)堆垛機用的金屬結構件的材質
根據貨叉存物取貨的雙向伸縮行程要求，僅采用雙層貨叉行程增倍機構是不夠的，還必須實現第3層貨叉的行程增倍直線差動。但由于貨叉懸臂加長，導致力矩相應增加，因此需要通過嚴格的理論計算和實際中的經驗來控制貨叉的下撓量。
2．自動化立體倉庫設計
對于倉庫的設計，不是越大越好，也不是越先進越好，而是要綜合各方面的指標限制，在滿足使用目的功能的前提下全面來衡量，一般來說，評價一個立體倉庫有如下指標：降低費用、充分利用空間、對需求作出快速響應、擴充或更改的可能性、提高供應水平、提高作業(yè)效率等。
2.1自動化立體倉庫總體規(guī)劃時需要考慮的問題
在確定自動化立體倉庫總體規(guī)劃方案時主要考慮三部分，一是貨架系統，主要是創(chuàng)造一個固態(tài)環(huán)境，為研究堆垛機及測試定位尋址提供基礎條件；二是堆垛機系統，目的是采用精簡的安裝系統、合理運行方式，模擬顯示運輸存取貨物，三是堆垛機控制系統，采用驅動自動化立體庫系統各設備的自動控制系統。
自動化立體倉庫設計步驟如下圖2-1：
圖2-1
調研是設計的基礎，為了使設計方案為最佳，應該調研分析各種必要的資料，比如：將要進行存放的貨物品種、特征、外形及尺寸，單件重量；模擬傳送的各種貨物的出庫頻率、出庫量等。對這些數據進行分析處理，再根據分析結果為依據即可進行倉庫的規(guī)劃與設計。
選擇倉庫類型時，要根據出入庫頻率，對是否采用全自動、立體化進行判斷；在形式上是采用整體式還是分離式；在貨架構造上是采用單元貨叉式、貫通式、旋轉式還是旋臂式倉庫，以此來決定總體框架。本文僅討論單元貨叉式倉庫的設計方法。
在確定主要參數時，主要對以下參數進行確定；貨架數目及尺寸、堆垛機設計尺寸、堆垛機平均作業(yè)循環(huán)時間、倉庫的出入能力、采用的尋址及其控制方式等，這是自動化倉庫總體設計的總要內容。
對于控制方案和管理系統方案的設計，總要是考慮用兩級或三級控制系統，還是采用現場總線技術，以及倉庫管理和控制軟件及其算法的確定。
計算機仿真分析，是利用專業(yè)的仿真軟件，建立方案的工藝模型并模擬系統的運行情況，得到準確的流量和使用效率分析報告，并根據仿真的結果對原設計方案進行修改，以達到最優(yōu)的方案。
2.2自動化立體倉庫總體規(guī)劃
2.2.1高層貨架
貨架是自動化立體倉庫系統實現貨物立體存放的主要支撐結構，作為倉庫不可或缺的組成部分，其性能直接影響倉庫及其設備的使用．目前高層貨架主要有焊接式和組合式2種形式，而組合式貨架因其制造運輸、表面處理、現場組裝等優(yōu)勢，逐漸得到越來越廣泛的應用 。貨架的排、列、層數的多少，決定了倉儲的密度；目前世界上最高的立體倉庫高度已達50m，單位面積的儲存量可達7．5 t／m2．貨架設計時需要對基礎的承載能力及不平度提出明確要求，而且應考慮貨架施工的條件，通常將天軌、地軌的安裝一并進行，并以地軌作為施工基準．滿載狀態(tài)下的橫梁撓度是檢驗貨架的一個重要指標．此外，考慮到倉庫的消防需要，應為倉庫預留消防空間。
2.2.2巷道堆垛機
在自動化立體倉庫的物流輸送過程中，堆垛機實現貨物在各出入庫端到貨格的搬運?；竟δ馨?
動作控制，有水平，垂直及貨叉的左右動作。
位置控制，以合適的速度運行并精確定位在貨位或出入庫臺。
通訊功能，與上位機通訊和與倉庫其他設備之間的通訊。
保護功能，提供各種電氣和機械的保護。
人機界面，通過觸摸屏或者控制面板，提供本機狀態(tài)或者進行遙控操作。
巷道堆垛機通過安全滑觸線供電，在巷道內進行水平往復直線、垂直升降、貨叉左右伸縮叉取等一系列協調動作，實現存儲單元貨物在巷道端口和指定貨位問的出、入庫作業(yè)．按結構形式它可分為單立柱和雙立柱2種基本形式；按服務方式可分為直道、彎道和轉移車3種基本形式．巷道堆垛機的動作由行走、起升、貨叉伸縮等機構來實現；通過參考目標位置確保精確定位，同時載貨臺上裝有各種檢測器和安全裝置，保證巷道機能高速、精確、安全地在貨架中存取貨物單元．目前，貨叉多采用3節(jié)指形叉機構，特殊的可以做成5節(jié)，實現巷道內單邊雙排貨架存取貨物。
2.2.3輸送系統
立體庫的主要外圍設備，負責將貨物運送到巷道端口或從巷道端口將貨物移走．常見的有輥道輸送機、鏈條輸送機、升降臺、分配車、提升機、皮帶機等；近年AGV系統即自動導向小車也較好地用于輸送系統，根據其導向方式可分為感應式導向小車和激光導向小車。
2.2.4托盤(貨箱)
用于承載貨物的器具，有鋼、塑料、木制托盤，其中木托盤具有較高的性能價格比。
2.2.5自動控制系統
驅動自動化立體庫系統各設備的自動控制系統．該系統除了作為完整的系統獨立運行外還預留和上級管理系統及倉庫內部其他管理系統的接口。目前，立體倉庫自動控制方式有集中控制、分離式控制和分布式控制3種。分布式控制是目前國際發(fā)展的主要方向，大型立體倉庫通常采用三級計算機分布式控制系統；三級控制系統是由管理級、中間控制級和直接控制級組成的。管理級對倉庫進行在線和離線管理；中間控制級對通訊、流程進行控制，并進行實時圖像顯示；直接控制級是由PLC(可編程序控制器)、微處理器組成的控制系統，對各設備進行單機自動操作。
可編程控制器(PLC)的主要特點有：
①軟硬件功能強大，其內部具有很多功能，如時序、計數器、主控繼電器、各種寄存器等，能夠方便的實現延時、鎖存、比較、跳轉和強制I/O等功能。不僅可以進行邏輯運算、算術運算、數據轉換、以及順序控制，還可以實現模擬運算、顯示、監(jiān)控、打印及報表生成等功能，并具有完備的輸入輸出系統。
②使用維護方便，PLC不需要像計算機控制那樣在輸入輸出接口上做大量的工作，PLC的輸入輸出接口是已經做好的，可以直接與現場設備相連的接口。PLC控制系統的維護也很簡單，只要利用其自診斷功能和監(jiān)控功能，就可以迅速查找到故障并及時排除。
③運行穩(wěn)定可靠，由于PLC采用了微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路完成，同時還采用了屏蔽、濾波、隔離等抗干擾措施，所以其平均無故障時間在2萬小時以上。
④設計施工周期短，PLC采用面向控制過程和面向問題的梯形圖語言編程方法，既繼承了傳統控制線路清晰直觀的優(yōu)點，又符合電氣技術人員的習慣，易于編程和修改調試，十分靈活方便。同時接線簡單，只需將輸入信號的設備與輸入端子連接，輸出端子連接執(zhí)行元件即可。
2.2.6庫存信息管理系統
也稱中央計算機管理系統，是全自動化立體庫系統的核心。目前，典型的自動化立體庫系統均采用大型的數據庫系統(如SQL、ORA．CLE、SYBASE等)構筑典型的客戶機／服務器體系，可以與其他系統(如ERP系統等)聯網或集成．
2．3巷道堆垛機設計
作為自動化立體倉庫的核心設備，巷道堆垛機發(fā)揮著不可替代的作用，本節(jié)將就巷道堆垛機的設計思路、結構和控制部分進行探討。
2.3.1設計思路
為使堆垛機能夠準確、快速、安全、自動搬運貨物出入庫, 必須滿足以下設計要求: (1) 具備三維運動功能, 即堆垛機沿巷道來回運動、載貨臺垂直運動、貨叉沿貨架方向雙向伸縮; (2) 滿足一定的定位精度, 重復定位精度誤差不能超過10 mm ; (3) 具備安全保護措施; (4) 在滿足強度、剛度和可靠性的前提下, 盡量減小堆垛機各部分的重量, 以減小提升功率和行走時的摩擦阻力;（5) 保護倉庫環(huán)境, 避免貨物污染受損。
圖2-2堆垛機在自動化立體倉庫中的位置
1.巷道 2.貨架 3.天軌 4.堆垛機 5.計算機控制臺
6.地軌 7.出入庫貨臺 8.貨物單元
根據以上設計思路，巷道堆垛機的結構見下圖2-3所示
圖2-3堆垛機結構
堆垛機由金屬結構、起升機構、 運行機構、貨叉伸縮機構、載貨臺、司機房、電器控制柜等幾大部件組成，其特點如下：
1 機架
機架是由上橫梁、左右立柱和下橫梁構成的長方形框架, 主要用于承載。為了便于安裝零件和減輕堆垛機重量, 上、下橫梁用槽鋼制作, 立柱用方鋼制作。上橫梁上設有天軌阻擋器和緩沖器, 下橫梁上設有地軌阻擋器。。如果堆垛機的高度很高、起重量較大、運行速度較快，立柱最好由圓管制成。上橫粱及下橫粱一般由槽鋼及鋼板焊接而成。堆垛機的機架沿天軌運行，為防止框架傾倒，在上橫粱上裝有導向輪。天軌一般由角鋼、糟鋼或熱軋H型鋼制成。
2 鋼絲繩起升機構
起升機構主要由電機減速器、驅動鏈輪、驅動鏈條、升降鏈輪、升降鏈條、配重塊等組成。升降鏈條與載貨臺相連接，它與升降鏈輪、上下橫粱的鏈輪及載貨臺組成封閉結構。當電機減速機通過驅動鏈輪帶動升降鏈輪旋轉，升降鏈輪再通過升降鏈條帶動載貨臺上下運動。起升機構用以驅動載貨臺上升及下降。采用變頻調速控制的減速電機，可使上升及下降速度實現無級調速，減小機械沖擊，便于載貨臺的準確定位。 鋼繩式曳引起升機構大大地減小了起升電機功率和減速機體積，降低了運行費用。采用直聯式減速電機，起升曳引輪安裝于減速機伸出軸上，結構緊湊，工作可靠。
3 運行機構
運行機構主要由電機減速器、行走車輪、導向輪等組成。在堆垛機下橫梁的下面裝有2個車輪，車輪一般由鑄鋼制成。在每個車輪的側面有兩個導向輪，以保證堆垛機能夠在地軌上正常行駛。軸裝式電機減速器裝在前面構車輪上，它帶動堆垛機在地軌上運行，當切斷電機電源時，電機能夠自動制動，使堆垛機停止在立體庫的巷道中。為了保證堆垛機平穩(wěn)運行, 在上橫梁上裝有天軌導向輪。
4 貨叉伸縮機構
貨叉伸縮機構是堆垛機中最主要的部分，可以向堆垛機左右兩側伸叉作業(yè)，主要由電機減速器、鏈連接裝置（或者齒輪傳動等，根據選用的方案來定）、叉板、活動導軌、固定導軌、輥輪軸承和一些定位裝置組成。為了使貨叉伸縮到位, 保證準確存、取貨物,在貨叉上裝有機械定位裝置(雙向阻擋器) 和電氣定位感應開關(極限感受塊和接近開關) 組成的雙重定位報護裝置。另外, 還有檢測貨叉是否回到原位的中位感應條和接近開關。關于伸縮貨叉的相關內容，在下一章將詳細介紹。
5 載貨臺
載貨臺是堆垛機承接貨物并進行升降運動的部件，是由垂直吊架和水平結構兩部分牢固地焊接成型的結構件，其上裝置貨叉伸縮機構、松繩過載和斷繩安全裝置、升降動滑輪、升降導向輪和側向導輪。載貨臺主要由扁通、鋼板焊接而成, 主要用于安裝貨叉和一些安全保護裝置。為了保證載貨臺平穩(wěn)上下運行, 在它的每個側面裝有沿立柱的4個導向輪和2個頂輪。
6 電氣設備及控制
主要包括電力拖動、信號傳輸和堆垛機控制。在電氣拖動方面目前主要采用交流變頻調速及交流變極調速，電力拖動要同時滿足快速、平穩(wěn)和準確三方面的要求。堆垛機采用滑觸線供電; 由于用供電滑觸線載波通訊易受電力雜波等干擾, 所以采用抗干擾性好的紅外通信方式與計算機等倉庫設備進行信息交換。堆垛機運行特點是必須精確定位和準確認址,否則就會取錯貨物, 碰壞貨物、貨架, 嚴重時會損壞堆垛機本身。堆垛機的位置控制采用絕對認址方式, 用激光測距儀通過測量堆垛機到基點的距離和事先儲存在PLC 中的數據進行比較來確定堆垛機當前位置, 成本較高, 但可靠性很高。
7 安全保護裝置
堆垛機是一種起重機械，它要在又高又窄的巷道內高速運行。為了保護人身、設備和貨物的安全, 堆垛機必須具有完善的安全保護措施:
(1) 堆垛機在行走、載貨臺升降和貨叉伸縮終端處都設有機械和電氣限位裝置。終端極限限位保護。堆垛機在行走、升降和伸縮貨叉的終端都設有限位保護裝置。
(2) 聯鎖保護 堆垛機在行走與升降時，貨叉伸縮電路切斷；相反貨叉伸縮時，行走與升降電路切斷。
(3)正位虛實檢測控制 只有堆垛機在垂直和水平方向停準時，貨叉才能伸縮。堆垛機到某貨格入庫，在伸叉存入貨物前，需要先探測貨格內有無貨物，以防止雙重入庫，造成事故。探測器可以是反射式光電開關，當貨格內有貨物時則停止送貨，同時發(fā)出“雙重入庫”報警信號。
(4) 貨物檢測 載貨臺上設有貨物超高、超長和超寬檢測裝置。在貨物進入載貨臺時, 當檢測到貨物超過設定高度、長度或寬度時, 堆垛機便停止運行并報警。一般允許誤差為30～40 mm , 檢測元件采用對射或反射式光電傳感器。
(5) 斷電保護 如載貨臺升降過程中忽然斷電, 則通過提升電機制動使載貨臺停在當前位置,不會掉落下來。
(6) 載貨臺斷鏈保護 提升鏈條通過壓簧與載貨臺相連, 當鏈條由于長時間使用或意外原因忽然斷裂時, 彈簧彈開鏈條, 檢測裝置檢測到鏈條時,便驅動相應裝置使載貨臺停在當前位置, 不至于掉下來, 同時整個堆垛機停止運行。
2.3.2 控制系統結構
堆垛機的行列行走和升降臺運動采用了交流電動機變頻調速，配有電磁制動器，由光字盤顯示運行狀態(tài)。組成結構如圖2-4
圖2-4
2.3.3 速度控制
為保證堆垛機運行中精確定位和工作效率，要對堆垛機的運動速度進行控制。根據實際需要，設計多檔速度運行方式。速度控制主要是對列、層行走電機進行控制。以列速度控制為例說明速度控制的方法:巷道口最底層為第1列第0層，設運行過程中距目的貨位的距離(位置定位計數器當前值)為S個貨格，控制算法如下:
如果目的位置和初始位置之差小于6則一開始就用中速起動。如果目的位置和初始位置之差小于2，則用低速起動(初始位置為0)。
2.3.4 位置確定
正確可靠地存取貨箱，準確地認址定位是關鍵。認址方法如下:在巷道地基上相對于每列貨格安裝一固定的認址片(擋板)，在堆垛機底部安裝4個光電開關(GDI和GD2)與(GD3和GD4)隨堆垛機一起前后運動，每經過一列貨格，光電開關通過認址檔板發(fā)出一脈沖信號到PLC，從而達到列認址目的;同樣，在堆垛機立柱上相對干每一層安裝一認址片，在其升降臺安裝光電開關GD5和GD6隨升降臺一起上下運動，達到層認址的目的。光電開關的脈沖輸人信號作為PLC內部認址計數器的計數信號，計數器的當前值作為速度控制的依據。當堆垛機到達目的貨格即計數器的計數值計到零時，發(fā)出停車信號使其停止運行。
升降臺上的光電開關GD3又用PLC內部的計數器接收光電脈沖，升降臺每經過一層，計數器減1計數，從而達到層方向認址的目的。
堆垛機對其定位精度要求是很高的。比如列定位，要求堆垛機能停在目的列貨格的中心線上，誤差不超過2mm。否則，由于誤差的積累，在貨叉存取貨箱時易碰到貨架或發(fā)生其他事故。
但是發(fā)出停車信號后，堆垛機由于慣性還會滑行一點，這樣，光靠計數認址很難達到精確定位的目的。為此我們把認址結構片做成如下形式。用1號光電開關作為認址計數開關，計數到零時發(fā)出停車信號，然后再利用1號和2號開關作精確定位。如果1號2號開關同時有信號，說明已停準;如果只2號開關有信號，說明己超過，點動堆垛機回退，再檢測比較;如果只1號開關有信號，說明還未到中心點，點動堆垛機前進，再檢測比較;這樣達到準確定位的目的。
3．貨叉方案設計
存取貨裝置是堆垛機的特殊工作機構。其中，伸叉機構裝在載貨臺上，載貨臺在輥輪的支承下沿立柱上的導軌做垂直行走方向的運動（起重），垂直于起重-行走平面的方向為伸叉的方向。一般情況下，要求堆垛機貨叉完全伸出后，起長度約為原來長度的2倍以上在貨叉伸縮過程中應平穩(wěn)、靈活。為了保證足夠的硬度和強度，上叉、中叉和下叉的叉體硬度須達到225～255HB。
在堆垛機組裝后，貨叉在水平面內其中心線對運行軌道的垂直度公差值△x為1mm
圖3-1
堆垛機組裝后，貨叉上平面對起升導軌的垂直公差度△y為1mm，貨叉的上平面的高低差應不大于2mm。
圖3-2
這里討論的是載貨的貨叉插入貨架中的部分，應以厚度盡量薄，同時叉前端的撓度控制在最小，作為設計的目標。下面將就各種傳動方案進行比較:
3.1液壓傳動
3.1.1雙桿活塞缸
如下圖3-3所示，缸筒固定的雙桿活塞缸。它的進、出油口布置在缸筒兩端，兩活塞桿的直徑是相等的，因此，當工作壓力和輸入流量不變時，兩個方向上輸出的推力和速度是相等，其值見式(3-1) ，(3-2)。
F1=F2=（p1-p2）A =（p1-p2）(D2-d2) 式(3-1)
ν1=ν2= = 式(3-2)
式中 A——活塞的有效工作面積
D，d——活塞直徑，活塞桿直徑；
q——輸入流量
p1，p2——缸進口壓力，出口壓力；
，——缸的機械效率，容積效率
這種安裝形式使工作臺的移動范圍約為活塞有效行程的3倍，但占地面積大，適用于小型設備。
圖3-3
液壓傳動有以下優(yōu)點
①在同等的體積下液壓裝置能比電氣裝置產生出更多的動力，因為液壓系統中的壓力可以比電樞磁場中的磁力大出30～40倍。在同等的功率下，液壓裝置的體積小，重量輕，結構緊湊。
②液壓裝置工作比較平穩(wěn)。由于重量輕、慣性小、反應快，液壓裝置易于實現快速啟動、制動和頻繁的轉向。液壓裝置的換向頻率，在實現往復回轉運動時每分鐘可達500次，實現往復直線運動時每分鐘可達1000次。
③液壓裝置能在大范圍內實現無級調速（調速范圍可達2000），它還可以在運行的過程中進行調速。
④液壓傳動易于實現自動化，這是因為它對液體壓力、流量或流動方向易于進行調節(jié)或控制的緣故。當將液壓控制和電氣控制、電子控制或氣動控制結合起來使用時，整個傳動裝置能實現很復雜的順序動作，接受遠程控制。
⑤液壓裝置易于實現過載保護。液壓缸和液壓馬達都能長期在失速狀態(tài)下工作而不會過熱，這是電氣傳動裝置和機械傳動裝置無法辦到的。液壓件能自行潤滑，使用壽命較長
⑥由于液壓元件已實現了標準化、系列化和通用化，液壓系統的設計、制造和使用都比較方便。液壓元件的排列布置也具有較大的機動性。
⑦用液壓傳動來實現直線運動遠比用機械傳動簡單。
但在有如上優(yōu)點的同時，缺點不容忽視：
①液壓傳動不能保證嚴格的傳動比，這是由液壓油液的可壓縮性、泄露等原因造成的。
②液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失（摩擦損失、泄露損失等），長距離傳動時更是如此。
③液壓傳動對油溫的變化比較敏感，它的工作穩(wěn)定性很易受到溫度的影響，因此它不宜在很高或很低的溫度下工作。
④為了減少泄漏，液壓元件在制造精度上的要求較高，因此它的造價較貴，而且對油液的污染比較敏感。
⑤液壓傳動要求有單獨的能源。
⑥液壓傳動出現故障時不宜找出原因。
3.2機械傳動
3.2.1鏈傳動
鏈傳動主要是由主、從動鏈輪組成，鏈輪上的齒與鏈節(jié)的嚙合傳遞運動和動力。將采用的傳動方案如圖3-4
圖3-4
鏈傳動的優(yōu)點是：可以在兩軸中心距較遠的情況下傳遞運動和動力。能在低速，重載和高溫條件下及塵土大的情況下工作。能夠保證準確的傳動比，傳遞功率較大，并且作用在軸上的力較小。傳動效率高。缺點是：鏈條的鉸鏈磨損后，使節(jié)距變大造成脫節(jié)。安裝和維護要求較高。
3.2.2齒輪齒條傳動
圖3-5所示為1個雙聯齒輪和2個齒條組成的直線差動機構，在圖3-5中假設齒條1為固定齒條，齒條2為從動齒條，雙聯齒輪的齒輪3的分度圓直徑D1大于齒輪4的分度圓直徑D2，當滾動的雙聯齒輪的齒輪3沿固定齒條1滾動時，由齒輪4驅動的從動齒條2將以與雙聯齒輪中心運動相反的方向水平移動。
其相對運動的距離
L=（D1—D2）N
式中N——雙聯齒輪轉過的圈數
按此計算公式，當雙聯齒輪D1=D2時，不論雙聯齒輪轉過的圈數為多少，齒條1與齒條2走過的相對距離為0。
圖3-5齒輪齒條直線查動機構
1.固定齒條 2.從動齒條 3.4雙聯齒輪
根據貨叉存物取貨的雙向伸縮行程要求，僅采用雙層貨叉行程增倍機構是不夠的，還必須實現第3層貨叉的行程增倍直線差動。為此 ,在中間貨叉2端設置有2個可轉動的鏈輪，這2個鏈輪相當于滑輪組的2個動滑輪，如圖3.6-c所示，與左端鏈輪嚙合的鏈條分別固定在上下貨叉的右端，與右端鏈輪嚙合的鏈條分別固定在上下貨叉的左端。與齒輪齒條傳動時的速度、行程增倍機構原理相同，當中間貨叉5水平移動時，通過鏈輪鏈條傳動，上叉8就以中間貨叉2倍的速度與行程沿滾輪中心移動方向水平移動。這樣,當雙向液壓缸驅動活塞桿且滾動齒輪4水平行走1／6固定貨叉長度的行程時，中間貨叉5相對固定貨叉1水平移動1／3的固定貨叉長度行程 ；而上叉8相對中間貨叉5水平移動了2／3的固定貨叉長度行程 ；相對固定貨叉1水平移動了1個固定貨叉長度行程，最終滿足了貨叉伸縮行程的動作要求。同時，為了最大限度地縮小貨叉機構的結構尺寸，雙向液壓缸的液壓泵站設置在巷道轉運小車上。
3層貨叉直線差動機構的結構特點（見圖3-6-b）：在上叉的全部行程中，中間貨叉5相對下叉5行走1／3行程；上叉8相對中間貨叉5行走2／3行程，上叉與中間貨叉之間、中間貨叉與下叉之間均有合適的導向接觸面長度，保證了3層貨叉伸出時的相對剛度要求。同時，3層貨叉相對運動時，采用了滾輪與滾道的純滾動摩擦，最大限度地減小了工作摩擦阻力。加上滾道鑲條和滾輪偏心軸的調整手段，可最大限度減小3層貨叉間運動間隙，這些都間接保障了機構的運動精度和運動靈活性。最重要的是，3層貨叉采用了齒輪齒條組成的直線差動行程增倍機構，能使雙向驅動液壓缸用固定貨叉自身長度的1／3行程，滿足上層貨叉雙向伸縮固定貨叉自身長度的工作要求。
圖3-6 三層直線差動貨叉結構及工作原理示意圖
1. 固定叉 2.鏈輪 3.雙向液壓缸 4.滾動齒輪 5.中間貨叉
6.中間叉滾輪 7.鏈條 8.上叉 9.上叉滾輪
在貨叉裝置中齒輪齒條都有一定的要求，齒輪的精度都不得低于GB10095中8-8-7級，齒條的精度不得低于GB10096中8級。在上述結構中齒輪傳動的優(yōu)點是：能保證瞬時傳動比恒定，平穩(wěn)性高，傳遞運動準確可靠。傳遞的功率和速度范圍較大。結構緊湊，工作可靠，可實現較大的傳動比。傳動效率高，使用壽命長。但缺點是：制造，安裝要求較高。
通過以上比較可發(fā)現，鏈傳動較另兩個性價比高，且更結構簡單，效率高，適合大規(guī)模批量生產。
4．零件設計
4.1電動機、減速器的選擇
4.1.1電動機的選擇
4.1.1.1選用電動機時應考慮以下各項問題:
1.在機械與電氣方面對反復起動停止的操作都應有充分的耐久性;
2.應完全適合負載的速度一轉矩特性，特別是起動轉矩應有余裕;
3.速度的可控性良好;
4.慣性矩應小，體積小而重量輕;
5.輸出軸的轉數應適宜于減速裝置的結構;
6.應有可靠的外殼保護結構。
4.1.1.2貨叉電機的選擇計算
已知條件:行走速度V = 5.8 m/ min = 0. 0967 m/ s ,滾動摩擦系數μ = 0. 03 ,貨叉可動部分重力W′=2 000 N ,行走阻力R = (W′+ W2 )μ = 210 N , 動力傳動效率η = 0. 9 (齒輪減速電機) ×0. 9 (鏈條) =0. 81。
最高時速時需要動力: P = RV /η = 210×0.0967/ 0. 81 = 0. 025 kW，為保證貨叉在安全環(huán)境下正常工作,選擇貨叉電機功率為0. 45kW。
由于鼠籠形電動機具有很多直流電動機無可比擬的優(yōu)點:機構簡單，價格低廉，單機容量大，對環(huán)境的要求不苛刻且維護方便，所以占電動機總數的比例很大，因而它的調速方法和控制技術，毫無疑問將成為電動機驅動控制的關鍵技術，而變頻器和鼠籠形電動機的結合，便是通常交流電動機調速系統的最佳選擇。這個系統具有顯著的節(jié)能效果、高控制精度和寬調速范圍以及簡單的維護和使用和易于實現自動控制和過程控制等優(yōu)異性能，所以倍受青睞。
變級多速三相異步電動機YD90L，結構特征：自扇冷卻、封閉式結構，能防止灰塵、水滴大量進入電機內部。它的主要用途：作一般用途的驅動源，即用于驅動對啟動性能、調速性能及轉差率無特殊要求的機器和設備；亦可用灰塵較多、水土飛濺的場所。
表4-1電機的主要性能數據
電機型號
功率/KW
轉速
質量/kg
YD90L
0.45
750
25
通過查詢“機械設計手冊”（軟件版）V3.0”，查得具體技術數據如下圖4-1：
圖4-1
4.1.2減速器的選擇
4.1.2.1減速器型號的確定
減速器是一種有封閉在剛性殼體內的齒輪傳動、蝸桿傳動或齒輪-蝸桿傳動所組成的獨立部件，常用于動力機與工作機作為減速的傳動裝置。由于減速器機構緊湊、效率較高、傳遞運動準確可靠。使用維護簡單，并可成批生產，故在現代機器中應用很廣。目前國內使用的堆垛機，采用電動機-制動器-外齒輪減速器-車輪的傳動方式。由于減速器傳動比大，需要多級減速，使得整個減速器機構體積大，重量大，噪音大，效率低。因此本文采用了一種新的運行機構，用異步電動機直接帶動少齒差減速器。
少齒差行星齒輪傳動具有以下優(yōu)點：(1)加工方便、制造成本較低。漸開線少齒差傳動的特點是用普通的漸開線齒輪刀具和齒輪機床就可以加工齒輪，不需要特殊的刀具與專用設備，材料也可采用普通齒輪材料(2)傳動比范圍大，單級傳動比為10～1000以上 。(3)結構形式多
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