堆垛机作业周期与作业能力计算.docx
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堆垛机作业周期与作业能力计算
自动化物流系统
实验报告
——物流基础课程实验
（二）
专业：
姓名：
学号：
同组成员：
实验时间：
目 录
1实验名称：
自动化物流系统
2实验目的：
通过实验可以使学生了解自动化物流系统的设备构成和运行原理，使学生掌握自动化仓库的典型设备——货架的结构及承载特点，有轨巷道堆垛机的组成部分、运动机理及入出库作业步骤，掌握自动化仓库作业周期的计算方法。
通过该实验，初步培养学生对自动化物流系统进行分析和认知能力，为后续课程的学习奠定基础。
3实验内容
本实验的主要内容是通过对自动化物流系统的运行实验，了解自动化立体仓库的构成、货架的基本结构和堆垛机的作业原理等。
4实验原理
4.1立体仓库的作业方式
在立体仓库中，货物的存取作业有两种基本方式，即单一作业方式和复合作业方式。
单一作业方式即堆垛机从出入库台取一个货物单元送到选定的货位，然后返回巷道口的出入库台（单入库）；或者从巷道口出发到某一个给定的货位取出一个货物单元送到出入库台（单出库）。
复合作业方式即堆垛机从出入库台取一个货物单元送到选定的货位，然后直接转移到另一个给定货位，取出其中的货物单元，回到出入库台出库。
4.2单一作业周期的计算
单一作业周期是指堆垛机完成一次单入库或单出库作业所需要的时间。
当库容量很大时，直接计算作业周期的计算量很大，故一般采用简易算法。
图4-1单一作业周期的计算
如图4-1所示，将货架的左下角看作坐标原点O，货架的高设为H，长设为L，在货架中取
和
两个货位（即上图中的
和
），分别测量或计算到P1、P2两点的作业周期，之后求平均值，即可得到立体仓库单作业周期的近似值。
即：
也可将上公式分解为：
其中，
——平均单作业周期（s）
——堆垛机完成
货位的作业周期（s）
——堆垛机完成
货位的作业周期（s）
——
点到
点的运行时间（s）；
——
点到
点的运行时间（s）；
为从O点到P点的水平运行时间
为从O点到P点的垂直运行时间
——货叉叉取（或存放）的作业时间（s）
——堆垛机作业的附加时间（指指令传递处理时间等）（s）
4.3复合作业周期的计算
图4-2复合作业周期的计算
如图4-2所示所示，复合作业周期是按O→
→
→O的总时间来计算的。
P1、P2点的定义与单一作业周期的计算公中一样，则复合作业周期的经验计算公式为：
其中，
——平均复合作业周期（s）
——堆垛机从
点到
点的运行时间（s）
其余同前。
4.4立体库出入库能力的计算
立体库的出入库能力是用仓库每小时平均入库或出库的货物单元数来表示。
堆垛机的出入库能力也就是指每台堆垛机每小时平均入库或出库的货物单元数。
采用单一作业方式时，堆垛机的出入库能力为：
式中：
P1：
每小时出库或入库货物单元数
tms：
单一作业周期（s）
采用复合作业方式时，堆垛机的出入库能力为：
式中：
P1：
每小时出库或入库货物单元数
tmd：
复合作业周期（s）
若库内有n台堆垛机（即巷道数为n个），则仓库的出入库能力为
5实验设备
北京科技大学物流配送中心自动化立体仓库系统，是目前国内最先进的自动化立体库系统之一。
该系统主要由一套货架系统、1台有轨巷道堆垛起重机、2套入出库输送机系统组成。
所有单机设备具备联机自动和手动控制功能，整个自动化系统统一由计算机管理和监控系统进行集中管理和调度，使所有物流设备高效和有条不紊地运行，实现作业的全部自动化，最终满足实际入出库的需要。
5.1堆垛机简介
本机为单立柱型式、下部支撑、下部驱动的有轨巷道堆垛机，由金属结构（包括上、下横梁及立柱）、载货台、运行机构、起升机构、货叉伸缩机构、超速保护装置、过载及松绳保护装置、电气控制装置等部件组成。
在很小的空间内，堆垛机能在三个相互垂直方向上（行走、起升和货叉伸缩）按照一定的顺序组合进行往复运动。
通过这些运动，完成对单元货物的入、出库搬运作业。
由于三个运动的速度采用变频调速控制，因此它的动作非常准确，可以根据不同的指令，将货物准确地送到指定位置。
既能按指定的地址自动或手动将巷道n,k库输送机上的货物存入货架的货格内，完成入库作业；也可自动或手动从指定货格中取出货物运至到巷口出库输送机上，完成出库作业。
本库内的每台堆垛机都具备一套完整的电气控制系统，以控制堆垛机的正常工作。
机器的电源来自天轨侧面的滑触线，交流380v，三相五线制，即安全又可靠。
堆垛机控制系统分三种工作方式，即手动、单机自动、联机自动。
手动方式：
工作人员站在电气柜前的踏板上，可以操作堆垛机随意停在巷道内的任意位置。
手动控制主要用于堆垛机调试阶段或自动控制出故障时应急使用；单机自动方式：
工作人员在堆垛机的监控机上设定命令后，即可启动堆垛机，使其自动完成物品的存取工作，单机自动主要用于联机自动出故障时。
联机自动：
堆垛机接收管理机发给的命令，收到命令后，按命令自动进行作业。
本库内堆垛机的型式和主要技术参数如下：
结构型式：
单立柱有轨巷道堆垛机
操作方式：
联机自动方式
供电方式：
滑导线
起重量：
l00kg
高度：
3m
运行速度：
80m/min（变频调速）
升降速度：
20m/min（变频调速）
货叉伸缩速度：
有货20m/min，无货40m/min（变频调速）
货叉工作行程：
1300mm
5.2堆垛机结构
5.2.1金属结构
金属结构是堆垛机的主要承载构件之一，它由立柱、上横梁、下横梁三部分组成。
立柱是载货台垂直升降的支撑和限制部件，其两侧装有垂直导轨，以保证载货台平稳、灵活地升降；立柱上装有起升机构、过载松绳安全装置、限速防坠保护装置、载货台升降的上下极限限位开关等电气元件；动力电缆及控制电缆均通过立柱内腔。
上横梁由钢板焊接而成，它上部装有起升用的定滑轮和支撑堆垛机的上部导向轮组。
钢丝绳通过这些滑轮及载货台上的动滑轮，使载货台能上升或下降。
上横梁上还装有滑导线的集电装置。
下横梁由钢板焊接而成，是堆垛机的主要支撑部件。
下横梁上装有运行驱动车轮组、从动车轮组、下部水平轮组及夹轨器等装置，还装有红外通讯、电气控制柜及运行限位开关组等电气装置。
5.2.2载货台
载货台是堆垛机承接货物并进行升降运动的部件，载货台由垂直框架和水平框架焊接成直角形结构件。
起升机构上出来的钢丝绳通过上横梁上的定滑轮、垂直框架上的动滑轮带动载货台沿起升轨道上下运动，完成运送货物任务。
载货台装有货叉机构、起升滑轮装置、导向轮组、升降位置检测组件（旋转编码器）、升降限位撞尺以及光电探测装置等。
安装在载货台两侧的导向轮其轴为偏心轴，可通过旋转轴来调节导轮与导轨之间的间隙，以保证载货台的平稳运行和货叉的水平。
5.2.3运行机构
运行机构是堆垛机水平运动的驱动机构。
驱动单元采用德国SEW公司的齿轮电机减速机。
运行机构采用变频闭环调速，高速可达80m/min，低速可达2m/min以下，保证了生产效率和停准精度两方面的要求。
5.2.4起升机构
起升机构由SEW电机减速机、卷筒及钢丝绳等组成。
起升机构安装在立柱上，是堆垛机载货台进行升降运动的驱动部件，用钢丝绳联接定滑轮与载货台上的动滑轮以驱动载货台升降。
起升机构采用变频闭环调速，高速可达20m/min，低速可达2m/min以下，达到平稳而准确的升降作业。
5.2.5货叉机构
货叉机构是由货叉伸缩机构、传动轴装置以及驱动装置组成。
货叉伸缩机构由上叉、中叉、下叉组成，是堆垛机存取货物的执行机构。
下叉安装在载货台上，也称为固定叉，上、中两层叉体通过链条驱动进行伸缩运动，完成取、送货任务。
货叉伸缩机构上装有机械限位挡块。
传动轴装置上装有旋转编码器组件，用于检测货叉伸缩距离。
货叉工作行程为1300mm，可通过PLC程序调节。
5.2.6限速防坠装置
限速防坠保护装置由钢丝绳，安全钳、限速器、电气开关和配重等组成。
它的主要作用是当起升钢丝绳意外断裂等原因造成载货台超速下降时，限速器停止转动，此时钢丝绳即刻带动安全钳装置，自动将载货台夹在起升导轨上，防止其下滑，起到保护货物及设备的作用。
这种情况下堆垛机的电源会被自动切断。
5.2.7过载及松绳保护装置
过载及松绳保护装置由碟形弹簧、轴、撞尺、开关等元件组成。
它的主要作用是：
当货台上的货物重量超过额定起重量的25％时，或载货台上的重量低于空载重量的75％时，撞尺与开关接触发出信号，切断堆垛机电源。
5.2.8电气装置
电气装置由电气控制柜、行程开关、起升与货叉位置检测器（旋转编码器组件）、滑削集电器、光电开关、撞尺、激光测距仪以及红外通信装置等组成。
电气控制柜装设在立柱面下横梁上。
在控制柜的正面装有手动操作面板。
行程开关分别装在下横梁、立柱等位置，其作用是控制堆垛机起升上下极限位置及强迫换速、运行强迫换速及前后极限位置。
光电开关装在载货台上，作用是探测货格内、载货台上或出入库输送机上有无货物，以免堆垛误操作或双重入库。
起升与货叉位置检测器（旋转编码器组件）分别用于控制升降位置和刀体伸缩位置。
激光测距仪用于运行定位，装在下横梁的前端。
红外通信装置装在下横梁刃上，作用是接收监控机发出的信号，使堆垛机完成自动作业。
5.3立体仓库货架
自动仓库是由几层、十几层乃至几十层高的货架，中间配以专门的有轨堆垛机进行作业而构成的系统。
高层货架是立体仓库的主要储存设备。
根据货架结构不同可以分为横梁式货架和牛腿式货架。
横梁式货架的进本结构及构成见图5-1所示。
图5-1立体仓库货架结构
本实验所用货架系统的参数如下。
货架类型：
横梁货架
存储单元：
300×480×260mm
巷道数量：
1
货架数量：
2排x12列x4层
货架总货位数：
96
货架高度：
2200m
5.4入出库输送系统
本输送机系统是根据自动化立体仓库的工艺流程要求而设计的。
总共4台设备，由链条输送机、辊道机组成。
从功能上将整个系统分为入库区（设备号1A）、出库区（设备号1C）、拣选区（设备号1E）。
电气上是由一套PLC分别控制，通过PROFIBUS总线同监控系统相连。
入出库输送系统构成包括辊道输送机1台，链条输送机1台，输送机控制系统1套以及LED显示屏1个。
输送系统参数及特点如表1所示。
表1入出库输送系统参数及特点
额定载荷
20kg
输送货物规格
300x480mm
输送速度
10m/min
输送机高度
600mm
控制方式
联机自动控制方式
安全措施
具有完整的连锁、导向保护装置,以避免
任何破坏设备或货物的动作发生
表面处理和涂膜
酸洗，磷化处理，喷塑（颜色由甲方选定）
输送控制系统采用SIEMENSS7-200系列PLC作为控制主站，采用通讯模块通过网络与上位管理、监控系统连接起来。
系统采用通讯电缆，与分布在现场的条码阅读器、传感器、电动机直接连接，进行现场数据采集、参数设定及过程控制。
输送机的控制方式采用联机自动控制方式。
6实验系统布置图
实验室布置图如图6-1所示。
图6-1实验室布局示意图
实验系统布置图如图6-2所示。
图6-2实验系统布置图
7实验步骤
（1）实验员介绍自动化物流系统的设备构成和功能；
（2）实验员操作完成堆垛机的出入库作业，学生观察各机构的运动原理，画出速度变化图；
（3）设定两个作业货位（1/5L，2/3H）和（2/3L，1/5H），学生观察作业顺序，并记录作业时间；
（4）分析堆垛机出入库作业的动作顺序，分析计算作业周期和作业能力；
（5）学生分析货架结构，测量货架尺寸，并画出货架承载示意图。
8实验记录
8.1立体仓库控制系统操作流程描述
8.1.1入库操作流程
首先，在自动化立体仓库的操作软件中，点击“入库”下的“入库单录入”，在入库单中分别填入单别、入库单号、品名代码、批号、生产日期、质检状态、件数、装置、入库数量等必要信息。
其中必须记住所填批号以对应出库时的批号。
其次，再在入库状态下点击“收货”，在收货单中填写单号、实收数量、托盘号等重要的入库收货信息。
其中我们组实验的托盘号为“60000021”，其首数字“6”代表高架区，后两位“21”代表托盘号。
最后，在所有入库管理操作完成以后就可以进行输送系统的入库作业。
8.1.2出库操作流程
首先，在有货物需要出库时，可以在管理机上进行类似输送系统入库作业的操作，即在“出库”状态下点击“出库录入”，在出库单中分别填写单别、出库单号、品名代码、批号、路线等必须信息。
其中所填批号须与入库时填入的批号相一致。
其次，在确认填写完出库单后，再在“出库”状态下点击“配货”按钮进行配货操作，同样应该填写必要的出库信息。
最后，在所有出库管理操作完成以后就可以进行输送系统的出库作业。
8.2堆垛机出入库作业
8.2.1堆垛机运行过程描述
堆垛机运行装置主要包括行走装置、提升装置和货叉伸缩装置。
通过这三个装置堆垛机可以在很小的空间内，在行走、起升和货叉伸缩三个相互垂直方向上同时运行实现对货物的出入库作业。
8.2.2时间记录
表8-1出入库操作时间记录
作业过程时间/秒
一号货位（02-02-03）
二号货位（01-08-01）
入库
货叉取货时间
堆垛机行走时间
货叉存货时间
堆垛机返回时间
出库
堆垛机行走时间
货叉取货时间
堆垛机返回时间
货叉放货时间
复合作业
两货位间行走时间
8.3货架尺寸测量
表8-2托盘尺寸
托盘尺寸
长
宽
高
表8-3货架尺寸
名称
数据
货格长度
货格宽度
货格高度
货架顶层高度
货架底层高度
横梁宽度
立柱宽度
巷道宽度
货架排数
货架列数
货架层数
9数据处理
9.1堆垛机作业周期与作业能力计算
9.1.1单作业方式
9.1.2复合作业方式
9.2货架系统
9.2.1货架系统参数
9.2.2货架三视图
9.2.3货架承载示意图
10总结
格式要求：
1.封面内容填写完整。
2.正文中字体为小四，段落为1.5倍行距。
3.表格格式如下，包括表标题和表格字体。
表1-1XXXXXXX
4.图片格式如下，包括图片标题和图片
图5-1立体仓库货架结构
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