物流仓储设备立体货架参数化系统开发的参数化建模与总体设计说明书.docx

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物流仓储设备立体货架参数化系统开发的参数化建模与总体设计说明书

1.1本课题的研究背景、目的及研究意义

1.1.1本课题的研究背景

自动化立体仓库（AS/RS-AutomatedStorageandRetrievalSystem）产生于60年代的美国，到现在为止大致经历了机械式立库系统、自动化立库系统、集成化立库系统、智能型立库系统四代的发展历程，并逐渐向第五代“3I"（Inteligent智能化，Integrated集成化，Information信息化）立体库系统过渡。

至今，世界上己有将近5000座自动化立体仓库，数量最多的是日本，其次是美国。

自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下自动地存储和提取物料的系统，它是以计算机综合管理控制系统为基础，加上多层货架、堆垛机及其配套的运行设施、托盘、货箱等联合组成。

此外，还配有自动安全消防监控系统，它是机电一体化和现代信息技术在物资流通领域应用的一个重要分支[1]。

自动化立体仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产和技术发展的结果。

20世纪50代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的仓库，50年代末到60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机。

1963年美国首先在仓库业务中采用计算机控制，建立了第一座计算机控制的立体仓库[2]。

国外货架的设计和制造过程己经实现了规范化和数字化，像国际上著名公司ABB、Comas、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。

而在国内，货架的规范化和数字化设计与研究起步比较晚，我国于1974年在郑州纺织机械厂建成第一座自动化立体仓库至今，己有上千座自动化立体仓库建成投入运营，这些仓库使用在机器制造业、电器制造业、航空港、轻工和化工企业、商储业、军需部门等。

目前，国内对立体仓库的需求不断增加。

历史和现实已充分证明，使用自动化立体仓库能够产生巨大的社会效益和经济效益。

与发达国家比，我国在自动化程度、信息处理、可靠性等方面还有很大的差距，所以一些大型的工程往往被国外厂商所承揽。

由于技术设备落后和经费不足等原因，我国自动化立体仓库的发展速度远赶不上实际需要。

目前，只有一些物流设备生产企业，如太原刚玉物流工程有限公司、湖州德马物流有限公司和相关的科研院进行这一些方面的工作，无论在基础上，在软件工具，或是应用情况上，相对于国际先进水平还有相当大的差距，特别是设计方案的参数化、分析和优化工作开展很少，亟待解决。

1.1.2本课题的目的

本课题的目的是物流仓储设备立体货架参数化系统开发的参数化建模与总体设计，用SolidWorks建立物流仓储设备立体货架参数化模型，开发程序计算出各个参数，实现所有零部件和总装的参数化驱动与工程图生成。

1.1.3本课题的研究意义

目前常见的货架类型有许多种，每种货架都有其特定的结构和应用范围，其结构精度和承载能力都有严格的要求。

如何在满足需求的前提下选择安全、经济的货架类型是设计者和使用者共同面临的问题[3]。

目前，国内的货架设计行业在技术创新和设计思想上明显滞后于当今科学技术的发展水平，主要存在的问题有：

①货架设计仍以手工设计为主，计算机仅仅作为一个绘图工具，没有充分发挥计算机辅助设计的功能。

②货架设计过程是一个系列化、参数化的过程，国内的货架设计还不具有参数化数据驱动的效果，造成大量重复性的劳动，影响设计效率和速度。

③货架设计结果几乎全为工程二维平面图，虽然不影响设计和生产，但是不能更好地体现货架的三维设计效果，造成销售人员和客户的沟通困难[4]。

为了解决这些问题，本文采用基于对象的分析方法，通过研究常见货架形式的组成部件和共同特性，运用三维参数化设计实现产品系列设计。

以不破坏原有设计的基本原理和基本结构特性，产生和原有设计相似的新产品，可快速、安全、高质量、低成本地生产新产品以满足不断变化的市场需求。

1.2课题主要研究内容

本课题要解决的问题是弥补当前对立体货架设计中传统简化设计的不足，主要工作是设计规范的分析与自用规范和设计流程的形成，部分专题研究，熟悉掌握物流仓储设备立体货架设计计算方法，熟练掌握VB软件对SolidWorks的二次开发技术，用SolidWorks建立物流仓储设备立体货架参数化模型，开发程序计算出各个参数，实现所有零部件和总装的参数化驱动与工程图生成。

拟采用的研究手段：

本课题主要研究内容和研究方法如下:

（l）研究、分析、整理现行货架设计规范，形成可行的自用设计规范和流程。

（2）用模拟参数进行横梁式货架设计，检验自用设计规范和流程。

（3）运用成熟理论和技术，在自用设计规范和流程的框架下进行部分专题研究:

1）、根据结构力学理论，钢结构设计理论建立一个合理、实用、计算量小的平面货架的力学、数学模型。

2）、建立立体货架的实体模型。

本专题主要利用SOLIDWORKS软件的三维建模

功能，建立货架的实体模型，实现模型驱动。

3）、用VB软件对SolidWorks的二次开发技术，用SolidWorks建立物流仓储设备立体货架参数化模型，开发程序计算出各个参数，实现所有零部件和总装的参数化驱动与工程图生成。

1.3结语

随着各种CAD/CAM工具应用到制造业中，这些工具也逐步应用到了自动化立体仓库和货架设计与制造。

这些工具的应用表明己经开始将利用现代信息技术来改进传统的产品设计过程，标志着自动化立体仓库和货架设计与制造数字化设计的开始。

但是从数字化设计与制造在自动化立体仓库和货架设计与制造的应用现状和发展趋势来看，多数科学文献、学术刊物里对货架的研究都还停留在局部范围，没有对货架进行系统的研究，目前仍未形成一套完善的体系。

立体货架参数化设计系统开发是非常有研究意义的课题，它使用了先进的计算机辅助设计等手段，无论是对理论研究还是实际应用，都是非常有价值的。

本文通过查阅大量的资料及相关文献，总结了立体货架参数化设计的目的、意义，其国内外的研究程度，及本课题所用的方法及相关工具，以便于以后类似工程的设计。

第二章立体货架结构设计

2.1货架设计规范总结及自用设计流程规划

2.1.1货架设计的基本规范

根据查阅的文献资料，整理现行的设计方法，依据《钢货架结构设计规范》（CECS23:

90），可以将货架的基本设计规范归结为:

1）设计准则:

钢货架结构的设计应遵守《钢货架结构设计规范》（CECS23:

90）的规定、《钢结构设计规范》（GBJ17—88）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GBJ18—87）、及《钢结构施工验收规范》等的要求。

2）材料选择:

钢货架承重结构的钢材，应根据其重要性、荷载特征、连接方法、使用环境等具体情况选择其钢号和材质。

承重结构的钢材通常宜采用《碳素结构钢》（GB700—88）规定的Q235钢和《低合金结构钢》（GB1591—88）规定的16锰钢。

当有可靠根据时，可采用其他钢号。

3）荷载及荷载效应组合:

货架结构上的荷载可分为恒荷载、货架活荷载、竖向冲击荷载、水平荷载以及可能有的风载、屋面活荷载（或雪载）和地震作用。

货架结构应按上列荷载效应的最不利组合设计。

4）构件的基本设计规定:

按承载能力极限状态设计货架结构时，应采用荷载设计值和强度设计值进行计算；按正常使用极限状态设计货架结构时，应采用荷载标准值和容许变形进行计算。

2.1.2货架设计流程

根据总结的货架设计基本规范，应用参数化设计思想与现有的CAD/CAM技术，结合现有的一组设计参数，初步构造出货架的设计流程

货架的模拟设计参数如下:

货架高18000mm，货架厚度1500mm，货阁宽度2500mm，货阁高2000mm，最低货阁距地面为200mm，2排8层40列（合计640个货位），巷道宽度3500mm。

货架设计要求：

每个货阁最大承载质量2000kg。

货架相对应的托盘，尺寸要求长25O0mm宽1500mm高100mm。

设计流程如下：

1）货架选型：

根据《钢结构设计规范》8.1.2条例规定:

在钢结构的受力构件

及其连接中，不宜采用：

厚度小于4mm的钢板;壁厚小于3mm的钢管;截面小于L型454或L型56364的角钢（对于焊接结构），或截面小于L型505的角钢（对螺栓连接）。

2）货架材料的选取：

参照基本规范第２条

3）确定整体尺寸：

参照基本规范之第1、2条。

4）货架的载荷与工况分析：

参照基本规范第3条。

5）货架基本构件的尺寸确定：

参照前面总结的规范之第4条。

6）实体建摸与数据导入：

建立货架立体SolidWorks模型后，用VB编程驱动。

2.2货架简介与选型

2.2.1货架简介

货架布局一般为矩阵网状阁式，成单行式或多行式。

行间有供堆垛机械进行作业运行的巷道。

货阁为货架的存储基本单位，货架的每一个方格为货阁，一个货阁可以有一个或多个货位，其所在的位置按统一规则编码，成为其在计算机管理系统中的地址码。

仓库的进出口装有光、电或磁原理识别装置和记录装置，以便对进出仓库的货物进行识别和登记、识别标志。

2.2.2货架的类型简介

（l）立体货架

仓库的储存方式自平面储存向高层化立体储存发展以来，货架即成为立体仓库的主体。

由满足不同功能要求的各种不同形式的货架所组成的多种多样的自动化、机械化仓库，已成为仓储系统以至整个物流系统或生产工艺流程中的重要环节。

（2）托盘货架

托盘货架以储存单元化托盘货物，配以巷道式堆垛机及其他储运机械进行作业。

高层货架多采用整体式结构，一般是由型钢焊接的货架片（带托盘），通过水平、垂直拉杆以及横梁等构件联接起来。

其侧面间隙，考虑在原始位置货物的停放精度，堆垛机的停位精度，堆垛机及货架的安装精度等；货物支承的宽度必须大于侧面间隙，免得货物一侧处于无支承状态。

（3）重力式货架

重力式货架的每一个货格就是一个具有一定坡度的存货滑道。

入库起重机装入滑道的货物单元能够在自重作用下，自动地从入库端向出库端移动，直至滑道的出库端或者碰上已有的货物单元停住为止。

位于滑道出库端的第一个货物单元被出库起重机取走之后，在它后面的各个货物单元便在重力作用下依次向出库端移动一个货位。

为减少货箱与货架之间的摩擦力，在存货滑道上设有辊子或滚轮。

（4）贯通式货架

贯通式货架在同样的空间内比通常的托盘货架几乎多一倍的储存能力，因为取消位于各排货架之间的巷道，将货架合并在一起，使同一层、同一列的货物互相贯通。

（5）阁楼式货架

这是一种充分利用空间的简易货架。

在己有的货架或工作场地上建造一个中间阁楼以增加储存面积。

阁楼楼板上一般可放轻泡及中小件货物或储存期长的货物，可用叉车、输送带、提升机、升降台提升货物。

阁楼上一般采用轻型小车或托盘牵引小车作业。

（6）屏挂式货架

屏挂式货架由百页式挂屏和挂箱组成，适用于多品种或多规格的各种小型零件的储存，也可设置在手推车或托盘上，做工序间临时储存，或装配线供料用。

（7）移动式货架

移动式货架易控制，安全可靠。

每排货架有一个电机驱动，由装置于货架下的滚轮沿铺设于地面上的轨道移动。

其突出的优点是提高了空间利用率，一组货架只需一条通道，而固定型托盘货架的一条通道，只服务于通道内两侧的两排货架。

所以在相同的空间内，移动式货架的储存能力比一般固定式货架高得多。

（8）敞开式移动货架

敞开式移动货架其传动机构设于货架底座内，操作盘设于货架端部，外形简洁，操作方便。

货架的前后设有安全分线开关，一遇障碍物整个货架立即停止。

（9）封闭式移动货架

封闭式移动货架当不需要存取货物时，所有货架移动到一起后，全部封闭，并可全部锁住。

在各货架接口处装有橡皮封口，也称为封闭式货