教学型立体仓库提升与送物部分设计.docx
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教学型立体仓库提升与送物部分设计
1绪论
随着我国经济和科学技术的不断发展，现代物流技术在我国也得到了很大的提高，特别是作为现代物流技术典范的自动化仓库技术尤其令人关注。
自动化立体仓库，是实现物流系统合理化的关键。
它具有空间利用率高、便于实现自动化管理、实时自动结算库存货物种类和数量、立体仓库信息库可以和中央计算机系统联网运行等许多优点。
对加快物流速度、提高劳动生产率、降低生产成本都有重要意义。
1.1课题背景及目的
高层货架仓库简称高架仓库。
一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。
由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓库”。
立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。
50年代初，美国出现了采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年美国率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，日本开始兴建立体仓库，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[1]。
我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所），1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械部起重所负责），该库1980年投入运行。
到2003年为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。
立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。
根据立体仓库控制系统要求，我们参考了德国西门子PLCS7-200CPU226型号，此类型PLC可以满足多种多样自动化控制的要求，它虽为小型机，但有些功能可与大中型PLC相媲美。
S7-200具有很强大的指令系统，具有功能齐全的编程软件和接口友好的工业控制组态软件，同时它有多种功能模块，便于组网，有良好的扩展性。
此外，低廉的价格，很高的性价比也是我们采用它的重要原因。
此系统为了保证堆垛机三维位置移动定位的精确性，在同一位置误差不超过5毫米，我们采用两个步进电机控制堆垛机的升降和行走。
同时伸叉控制使用直流电动机为执行组件，完成伸出收回动作。
此系统的输入信号分为两部分，一是控制面板上的控制按钮，包括急停按钮、自动手动转换开关、左右按钮、上下按钮、伸出和收回按钮。
另一部分是各方位的限位开关，包括：
上下限位、左右限位、伸出限位和收回限位。
此系统的输出相对要复杂一些，S7-200CPU226支持两路的PTO脉冲输出，分别为Q0.0和Q0.1。
PTO可以输出一串占空比50%的脉冲，我们可以控制脉冲的周期和个数，其中周期可以根据需要选用微秒或毫秒，脉冲个数是一个32位的无符号数。
此系统用Q0.0来控制上下电机的运动，Q0.1来控制左右电机的运动。
另外，步进电机还有正反转控制功能，用Q0.2来控制上下电机的运动方向，用Q0.3来控制左右电机的运行方向。
同时，用Q0.4和Q0.5来控制伸叉电机的正反转。
自动化立体仓库（AS/RS）是由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库托盘输送机系统、尺寸检测条码阅读系统、通讯系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其它如电线电缆桥架配电柜、托盘、调节平台、钢结构平台等辅助设备组成的复杂的自动化系统。
运用一流的集成化物流理念，采用先进的控制、总线、通讯和信息技术，通过以上设备的协调动作，按照用户的需要完成指定货物的自动有序、快速准确、高效的入库出库作业[3]。
本课题研究的目的是研究出教学所用的立体仓库的提升和送物部分的设计，为以后所开展的教学活动充分做好准备，为同学们的实验课及二课活动增加更多的去向和培养
方向，增加同学们的学习的积极性。
1.2国内外研究状况
自动化立体仓库是现代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分,它具有节约用地、减轻劳动强度、消除差错、提高仓储自动化水平及管理水平、提高管理和操作人员素质、降低储运损耗、有效地减少流动资金的积压、提高物流效率等诸多优点。
与厂级计算机管理信息系统联网以及与生产线紧密相连的自动化立体仓库更是当今CIMS（计算机集成制造系统）及FMS（柔性制造系统）必不可少的关键环节[4]。
自动化所围绕自动化仓储系统开发了多种自动化系统硬件设备及软件产品,如:
不同类型的库存管理软件、系统仿真软件、图形监控及调度软件、堆垛机输送机控制软件、条形码识别跟踪系统、搬运机器人、码垛机械手、自动运行小车、货物分选系统、堆垛机认址检测系统、堆垛机控制系统、货位探测器、高度检测器、输送系统、码垛系统、自动输送小车等产品。
货物在仓库中的存储过程是货物流通的一个非常重要的环节，其构成如图1所示。
据对沈阳市物流中心的调查，货物的分拣和出入库基本上仍然是手工作业，货物流通的时间滞后在很大程度上是由这一环节造成的，而且由于是人工作业，工作人员的劳动强度很大，货物的损坏、丢失及其它管理不善也时有发生。
从这个角度上说，在物流仓库中引进自动化仓库技术是很有必要的。
1.3课题研究方法
1.3.1自动化立体仓库的组成
自动化立体仓库大致由三部分组成：
1.高层立体式堆货架；2.入出库用搬运机（堆垛机、货物分配车等）；3.信息处理控制设备（计算机、数据通信装置等）。
仓库的平面布置一般有三种形式：
L型、U型和直线型，其余的形式都是这三种形式的变形，其中直线型布置简洁，易于实现，应用也最为广泛。
图1.1自动化立体仓库货物流通过程示意图
1.3.2自动化立体仓库主要技术性能
（1）控制系统：
技术先进，采用现场控制总线直接通讯的方式，真正做到计算机只监不控，所有的决策、作业调度和现场信息等均由堆垛机、出入库输送机等现场设备通过相互间的通讯来协调完成。
●每个货位的托盘号分别记录在堆垛机和计算机的数据库里，管理员可利用对比功能来比较计算机的记录和堆垛机里的记录，并进行修改，修改可自动完成和手动完成。
●系统软、硬件功能齐全，用户界面清晰，便于操作维护。
●堆垛机有自动召回原点的功能，即无论任何情况，只要货叉居中且水平运行正常时，可按照下达的命令自动返回原点。
这意味着操作人员和维护人员可以尽量不进入巷道。
●智能的控制系统，可以实现真正的自动盘库功能，避免了以往繁重的人工盘库工作，减轻了仓库管理人员的工作强度，同时保证了出库作业的出错率为零。
（2）监控管理系统包括数据管理、入库管理、出库管理、查询、报表、单据与盘库、报警、监控与动画等模块
1.3.3自动化立体仓库应用领域
自动化所先后参加了第二汽车制造厂立体库、天水长城开关厂FMS板材立体库、上海宝钢总厂备件立体库、国家863计划中CIMS实验工程立体库、济南第一机床厂中央立体库、株洲南方航空动力机械有限公司物流系统、仪征化纤股份公司涤纶长丝立体库、广东震德塑料机械厂有限公司零部件自动化立体库、浙江正泰电器集团立体仓库、伊利液态奶自动化立体仓库、蒙牛乳业自动化立体仓库和中国人民解放军军需、器材立体仓库等百座自动化仓库的建设,这些自动化仓库都达到了当时的国内最高水平,有的达到了国际先进水平。
1.3.4自动化立体仓库供货方式
项目总承包（设计、制造、安装、调试、服务）或控制及管理系统分承包。
自动化立体库基本由一下部分组成:
高层货架:
用于存储货物的钢结构。
目前主要有焊接式货架和组合式货架两种基本形式。
托盘（货箱）：
用于承载货物的器具，亦称工位器具。
巷道堆垛机:
用于自动存取货物的设备。
按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形式；按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。
输送机系统:
立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。
输送机种类非常多，常见的有辊道输送机，链条输送机，升降台，分配车，提升机机，皮带机等。
AGV系统:
即自动导向小车。
根据其导向方式分为感应式导向小车和激光导向小车。
自动控制系统:
驱动自动化立体库系统各设备的自动控制系统。
目前以采用现场总线方式为控制模式为主。
库存信息管理系统:
亦称中央计算机管理系统。
是全自动化立体库系统的核心。
目前典型的自动化立体库系统均采用大型的数据库系统（如ORACLE，SYBASE等）构筑典型的客户机/服务器体系，可以与其它系统（如ERP系统等）联网或集成[7]。
1.3.5自动化立体仓库的优越性
自动化立体仓库其优越性是多方面的，对于企业来说,可从以下几个方面得到体现：
1）提高空间利用率
早期立体仓库的构想，其基本出发点就是提高空间利用率，充分节约有限且宝贵的土地。
在西方有些发达国家，提高空间利用率的观点已有更广泛深刻的含义，节约土地，已与节约能源、环境保护等更多的方面联系起来。
有些甚至把空间的利用率作为系统合理性和先进性考核的重要指标来对待。
立体库的空间利用率与其规划紧密相连。
一般来说，自动化高架仓库其空间利用率为普通平库的2-5倍。
这是相当可观的。
2）便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平
传统仓库只是货物储存的场所，保存货物是其唯一的功能，是一种“静态储存”。
自动化立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库内按需要自动存取，而且可以与仓库以外的生产环节进行有机的连接，并通过计算机管理系统和自动化物料搬运设备使仓库成为企业生产物流中的一个重要环节。
企业外购件和自制生产件进入自动化仓库储存是整个生产的一个环节，短时储存是为了在指定的时间自动输出到下一道工序进行生产，从而形成一个自动化的物流系统，这是一种“动态储存”，也是当今自动化仓库发展的一个明显的技术趋势。
以上所述的物流系统又是整个企业生产管理大系统（从订货、必要的设计和规划、计划编制和生产安排、制造、装配、试验、发运等）的一个子系统，建立物流系统与企业大系统间的实时连接，是目前自动化高架仓库发展的另一个明显的技术趋势。
1.3.6自动化立体仓库在我国较少的原因
1980年，我国第一座自行研制的自动化立体仓库开始投产以来，在汽车、化工、电子、烟草等行业的应用逐年增长。
其中，最具典型意义的是我国家电龙头企业海尔集团国际物流中心的立体仓库，该仓库高22米，拥有18056个标准托盘位，包括原材料和产成品两大自动化物流系统，全部实现了现代物流的自动化和智能化。
1.4论文构成及研究内容
本教学型立体仓库由组合式货架、全自动机械传送装置和立体仓库控制中心组成。
目前只设置X层Y列的货架，先行设计1排，今后需要在行扩展。
组合式货架用于存放加工的原材料或者各种成品货物，根据实际需要可以分成不同的区域（如原料区和成品区）。
货位数量为3层×3列，托盘尺寸为60mm×60mm，最大承载重量为1.5kg。
全自动机械传送装置用于将立体仓库中的货物取出到出货台或者将入货台上的货物放置到设定的货位，可实现3个方向运动。
由沿X方向上的水平运动和Z方向上的垂直运动，以及载货台和货叉Y方向上的伸缩运动组成[8]。
教学型立体仓库的机械部分由于机械部分传动量小，所以水平方向（X方向）运动由步进电机驱动，最大运行速度为30mm/s。
垂直方向（Z方向）运动由步进电机驱动升降台作升降运动，最大提升速度30mm/s。
前后方向（Y方向）的运动由固定在升降台上的载货台及货叉带动货物一起作伸缩运动，伸缩量为30mm，用于货物的存取操作，货叉驱动电机采用步进电机，步进速度按照货叉速度（30mm/s）要求设定。
2机械部分的总体设计
本课题要完成的主要内容是对教学型立体仓库提升与送物部分进行设计。
主要是机械传送装置部分的设计。
设计出满足要求的教学型立体仓库，并完成其总体装配图与部分零件图。
。
2.1机械部分的功能
机械部分接受指令后,能在高层货架巷道中来回穿梭,把货物从巷道口出入库货台搬运到指定的货位中,或者把需要的货物从仓库中搬运到巷道口出入库货台,再配以相应的转运、输送设备通过计算机控制实现货物的自动出入库。
在立体仓库中的搬运设备有高位叉车、工业机器人、桥式堆垛机和有轨式单双立柱堆垛机。
有轨巷道式双立柱堆垛机由于效率高,高度可达30～40m,便于实现无人操作,行走稳定,载货量大,噪声小,在目前的立体仓库中得到广泛应用。
2.2机械部分设计思路
为使机械部分能够准确、快速、安全、自动搬运货物出入库,必须满足以下设计要求:
（1）具备三维运动功能,即机械部分沿巷道来回运动、载货台垂直运动、货叉沿货架方向双向伸缩;
（2）满足一定的定位精度,重复定位精度误差不能超过5mm;（3）具备安全保护措施;（4）在满足强度、刚度和可靠性的前提下,尽量减小机械部分各部分的重量,以减小提升功率和行走时的摩擦阻力;（5）保护仓库环境,避免货物污染受损。
2.3机械部分结构及设计要点
根据以上设计思路设计教学型立体仓库的机械部分结构主要由行走机构、提升机构及载货台、货叉、控制系统和各种安全保护装置构成。
机械部分的行走机构、起升机构和载货台及货叉机构是通过步进电机驱动及导轨丝杠的运动实现机械部分的运动和控制。
其中丝杠传动中采用滚珠丝杠螺母副传动。
3机械部分提升与送物部分设计
3.1行走机构
行走机构是机械部分水平运动的驱动机构。
由电机减速机连接主动轮以及丝杠在导轨上的的运动组成。
行走机构在整个带动提升机构及载货台、货叉、货物的水平运动。
行走机构采用闭环调速，高速可达30mm/s，低速可达2mm/s以下，保证了生产效率和停准精度两方面的要求。
3.1.1行走机构设计分析
行走机构采用步进电机驱动丝杠转动，进而带动滚珠丝杠副运动，完成行走机构的进给。
滚珠丝杠副可以参照图纸（滚珠丝杠副）设计。
3.1.2行走机构电机的选择及设计
本次设计行走机构的电机采用42BYG永磁感应子式步进电机。
如图3.1所示。
步进电机的选择应先计算电机输出的总力矩M：
M=Ma+Mf+Mt（1-3）
Ma=（Jm+Jt）.n/T×1.02×10ˉ2（1-4）
式中Ma---电机启动加速力矩（N.m）
Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量（Kg.cm.s2）
n---电机所需达到的转速（r/min）
T---电机升速时间（s）
Mf=（u.W.s）/（2πηi）×10ˉ2（1-5）
Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m）
u---摩擦系数
η---传递效率
Mt=（Pt.s）/（2πηi）×10ˉ2（1-6）
Mt---切削力折算至电机力矩（N.m）
Pt---最大切削力（N）
步距角：
0.9/1.8DEG
绝缘电阻：
500VDC 100MΩ
绝缘强度：
500VAC 1Minute
温 升：
65K
环境温度：
-10~+55℃
绝缘等级：
B
步进电机的参数如表3.1所示：
表3.1步进电机的参数
型号
相数
电压
电流
电阻
电感
静转矩
机身长
出轴长
重量
单位
V
A
Ω
mH
N.m
mm
mm
kg
42BYG004
2
4.2
0.6
7
6
0.14
33
18
0.2
图3.142BYG永磁感应子式步进电机
3.1.3行走机构滚珠丝杠副的选择及设计
1） 精度选择
滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,其导程误差对机床定位精度影响最明显。
一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量V300p应小于目标设定位的定位精度值的1/3～1/2,在最后精度验算中确定。
2） 丝杠导程的确定
丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为vmax、伺服电机的最高转速nmax及电机与丝杠的传动比i来确定,基本丝杠导程应满足下式为:
3）按额定动载荷初步确定滚珠丝杠规格
滚珠丝杠副设计时一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠副的尺寸规格。
额定动载荷是指一批相同规格的滚珠丝杠经过运转一百万次后,90%的丝杠副（螺纹表面或滚珠）不产生疲劳剥伤（点蚀）时的轴向载荷。
在实际运用中额定动载荷值可按下式计算
C=fdfhfHPd/fn
式中:
fh为寿命系数,按滚珠丝杠预期寿命选取;
fd为载荷性质系数,按工作载荷性质选取;
fH为动载荷硬度影响系数,按滚珠及滚道表面硬度选取;
fn为转速系数,按丝杠平均转速nd选取;
Pd为平均轴向载荷。
不同工况下,平均轴向载荷及平均转速计算方法有多种,对加工中心而言,可认为属通用型设备,针对的是不同的用户和不同的工况,其工作条件及所占工作时间并无一定规律,平均轴向载荷及平均转速可按下面公式计算为
Pd=（2Pmax+Pmin）/3
nd=（2nmax+nmin）/3
式中:
Pmax最大轴向载荷;nmax为最高转速;Pmin为最小轴向载荷;nmin为最小转速。
最小轴向载荷为工作台和工件作用下的导轨摩擦力,最大轴向载荷的计算即为机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力,它为切削力在滚珠丝杠轴向的分力与导轨摩擦力之和（此时导轨摩擦力是由工作台、工件、夹具三者总的重量以及切削力在垂直导轨方向的分量共同引起。
在计算出额定载荷后,可按额定动载荷从样本中选取滚珠丝杠的公称直径和型号。
丝杠安装方式的选择包括丝杠支承方式和丝杠专用轴承的选择,滚珠丝杠不同的支承方式对丝杠的刚度、回转精度,临界转速有很大的影响,一般根据丝杠的长度、回转精度、刚度要求及转速选择不同的安装方式[9]。
滚珠丝杠包括丝杠、螺母、滚道和滚珠。
螺母内的滚珠在螺旋状的滚道里滚动。
滚珠丝杠螺母副的设计参照图3.2设计。
考虑到丝杠及导轨的刚性不足，在滚珠丝杠螺母副下方设计长度为100mm的固定导轨，以增加丝杠及导轨的刚度。
滚珠丝杠副参数参照表3.2设计。
注：
ø8-ø14螺帽标准品无刮刷器，如需刮刷器，请告知业务人员。
螺帽均无油孔
1：
导程Da:
珠径n：
珠圈数K：
刚性（Kg/um）
Ca：
动额定载荷（Kgf）Coa：
静额定载荷（Kgf）
图3.2滚珠丝杠副
表3.2滚珠丝杠副的参数
滚珠螺杆、帽之基准数据
型号
d
I
Da
D
A
B
L
W
H
X
n
Ca
Coa
K
SFK1002
10
2
1.2
18
30
5
28
24
22
3
3
158
305
9
3.1.4行走机构联轴器的选择及设计
联轴器用于滚珠丝杠和电机之间的连接传动，联轴器采用沟槽式螺钉固定型CLL，材料采用铝制。
如图3.3所示。
联轴器的参数参照表3.3所示。
图3.3沟槽式螺钉固定型CLL
表3.3联轴器的参数
型号
D
d1
d2
L
l
M
F
容许
扭矩
螺钉紧固扭矩
CLL
28
5
5
32
8
3
4
2
1.7
3.2提升机构
机械部分的提升机构是机械部分垂直运动的驱动机构。
由电机减速机连接主动轮以及丝杠在导轨上的的运动组成。
提升机构带动载货台、货叉及货物的垂直方向上的运动。
提升机构也采用闭环调速，高速可达30mm/s，低速可达2mm/s以下，保证了生产效率和停准精度两方面的要求。
3.2.1提升机构设计分析
行走机构采用步进电机驱动丝杠转动，进而带动滚珠丝杠副运动，完成行走机构的进给。
滚珠丝杠副可以参照图GZT-00-02（滚珠丝杠副）设计。
3.2.2提升机构电机的选择及设计
本次设计行走机构的电机采用42BYG永磁感应子式步进电机如图3.1。
参数参照行走机构设计如表3.1。
3.2.3提升机构滚珠丝杠副的选择及设计
滚珠丝杠包括丝杠、螺母、滚道和滚珠。
螺母内的滚珠在螺旋状的滚道里滚动。
滚珠丝杠螺母副的设计参照图3.2设计。
考虑到丝杠及导轨的刚性不足，在滚珠丝杠螺母副下方设计长度为100mm的固定导轨，以增加丝杠及导轨的刚度。
参数设计参照行走机构滚珠丝杠副参数如表3.2。
3.2.4提升机构联轴器的选择及设计
联轴器用于滚珠丝杠和电机之间的连接传动，联轴器采用沟槽式螺钉固定型CLL，材料采用铝制。
如图3.3所示。
联轴器的参数参照表3.3所示。
3.3载货台
载货台主要由扁通、钢板焊接而成,主要用于安装货叉和一些安全保护装置。
它的运动由步进电机连接主动轮在导板上的的运动组成。
载货台带动货叉和货物在内外方向上做伸缩运动。
3.3.1载货台步进电机的选择及设计
载货台的步进电机采用2相式步进电动机，如图3.4所示。
图3.42相式步进电动机
电机参数如表3.4所示
表3.42相式步进电机参数
型号
步距角
相电流
相电阻
相电感
保持转矩
定位转矩
转动惯量
接线图
电机重量
机身长度
单位
度
A
Ω
mH
mN.m
mN.m
g.cm2
g
L
8HY001-2
1.8°
0.6
6.5
1.7
18
2
2
a
60
30
3.3.2载货台滚珠丝杠副的选择及设计
滚珠丝杠包括丝杠、螺母、滚道和滚珠。
螺母内的滚珠在螺旋状的滚道里滚动。
滚珠丝杠螺母副的设计参照图3.2设计，具体尺寸设计如表3.5所示：
表3.5载货台滚珠丝杠副的参数
滚珠螺杆、帽之基准数据
型号
d
I
Da
D
A
B
L
W
H
X
n
Ca
Coa
K
SFK0410
4
1
0.8
10
20
3
12
15
14
2.9
2
42
51
2.5
3.3.3载货台联轴器的选择和设计
联轴器用于滚珠丝杠和电机之间的连接传动，联轴器采用沟槽式螺钉固定型CLL，材料采用铝制。
如图3.3所示。
联轴器的参数参照表3.6所示。
表3.6载货台联轴器的选择和设计
型号
D
d1
d2
L
l
M
F
容许扭矩
螺钉紧固扭矩
CLJ
14
3
3
16
4.25
2
1
1
0.85
3.4货叉
本设计采用输送伸缩式货叉，由于伸缩货叉是输送货物的重要工具，一般都由前叉、中间叉、固定叉以及导向滚子组成[10]。
按驱动方式货叉可分为：
1.差动齿轮动驱动方式；2.齿轮齿条驱动方式；3.链轮链条传动方式；4.液压驱动方式。
固定叉装在载货台上，中间叉可在齿轮、齿条或链条、链轮的驱动下，从中间叉的中点，向左或右移动自身长度的一半。
前叉可从中间叉的中点向左或向右伸出比自身稍长的长度。
前叉由两根滚子链条或钢丝绳驱动，链条或钢丝绳的一端固定在固定叉（或货台上），另一端固定在前叉上。
如图3.5所示。
伸缩式货叉具有如下结构特点：
1.结构紧凑，所占空间小；
2.传动方式简单，动作灵活；
3.重量轻，可以减小运行惯性力。
图3.5货叉机构运动简图
图3.6货叉载荷图
3.4.1货叉设计分析
货叉是送物机构存、取货的关键部件，它在工作时前叉要伸入货架中，所以在设计货叉时，应以前叉的厚度尽量薄，同时，叉前端的挠度应控制在最小为设计目
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