堆垛机结构设计.docx

1、堆垛机结构设计摘要自动化立体仓库,也叫自动化立体仓储,利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化,存取自动化,操作简便化。堆垛机就是整个自动化立体仓库得核心设备,通过手动操作,半自动操作与全自动操作实现把货物从一处搬运到另一处。它由机架(上横梁,下横梁,立柱),水平行走机构,载货台,货叉及电气控制系统构成。本文主要就是通过对一套实验室教学装置为基础,以实际为参考而建立得虚拟自动化立体仓库堆垛机系统,作者主要对堆垛机得分类进行简要得介绍,对堆垛机得各个部分得结构进行详细得研究首先对不同堆垛机简介与描述,然后通过巷道堆垛机进行整体分析并设计各个部分得结构,完成对各个部分得受力校核。关键词:立体仓库、堆垛

2、机、结构、受力校核。AbstractAutomated multi-layered storehouse, also call for automated warehouse, using three-dimensional warehouse equipment can realize warehouse top rationalization, access automation, operation to handle、 Stacking machine is the core of the whole automated warehouse equipment, through man

3、ual, semiautomatic operation and automatic operation to put the goods from one place to another place in handling、 It is posed of (beam in beam, support), the mobile mechanism, bills, level platform, goods fork and electrical control system structure、 This paper is mainly based on a set of laborator

4、y teaching equipment as the basis, the actual for reference and establishing virtual automated multi-layered storehouse stacker system, the author mainly to the stackers classification, a brief introduction about the parts of stacker detailed study of the structure of different stacker first introdu

5、ction and description, and then through the tunnel stacker integral analysis and design of structure, various parts of each part of the plete stress checking、Keywords: Automated multi-layered storehouse,Stacker,structure,Stress checking第1章 绪论自动化仓库就是近代物流系统中迅速发展得一个重要组成部分,具有节约用地与人力,作业迅速准确,提高保管效率以及降低储运费

6、用等许多优点。随着物流系统得进一步合理化,采用电子计算机连线控制得自动化仓库,已经发展成为连接生产与消费得重要环节,即不仅具有高效率储存得功能,而且兼有控制生产或销售活动得功能。堆垛机就是自动化立体仓库中重要得起重设备,本文着重就堆垛机得结构设计进行初步研究。1、1自动化立体仓库得起源与发展立体仓库得产生与发展就是第二次世界大战之后产生与技术发展得结果。50年代初,美国出现了采用桥式堆垛起重机得立体仓库;50年代末60年代初出现了司机操作得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得立体仓库。此后,自动化立体仓库在美国与欧洲得到迅速发展,

7、并形成了专门得学科。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得国家之一。我国对立体仓库及其物料搬运设备得研制开始并不晚,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得自动化立体仓库(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得空间利用率、很强得入出库能力、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,已成为企业物流与生产管理不可缺少得仓储技术,越来越受到企业得重视。 1980年,我

8、国第一座自行研制得自动化立体仓库开始投产以来,在汽车、化工、电子、烟草等行业得应用逐年增长。其中,最具典型意义得就是我国家电龙头企业海尔集团国际物流中心得立体仓库,该仓库高22米,拥有18056个标准托盘位,包括原材料与产成品两大自动化物流系统,全部实现了现代物流得自动化与智能化。近几年我国计算机自控技术得飞速发展,为我国自动化立体仓库得发展提供了重要得技术支持。自动化立体仓库不仅具有节省与减轻劳动强度、提高物流效率、降低储运损耗、减少流动资金积压等优势,而且在沟通物流信息、衔接产需、保证生产均衡、合理利用资源、进行科学储备与生产经营决策等方面发挥着独特得作用,使人们可以真正享受到现代计算机技

9、术应用于企业物流管理得益处。1、2课题得提出及主要任务1、2、1 课题得提出使用巷道式起重堆垛机得立体仓库(或称自动化仓库),由于能节约劳动力,作业迅速准确,提高保管效率,降低物流费用而问世。并且只要需要,课满足在规定得时间内把指定得物品进行自动收集与分发得要求,因而受到产业得重视自动化立体仓库得优点主要有以下方面:1.由于能充分利用仓库得垂直空间,其单位面积存储量远远大于普通得单层仓库(一般就是单层仓库得4-7倍)。目前,世界上最高得立体仓库可达40多米,容量多达30万个货位。2.仓库作业全部实现机械化与自动化,一方面能大大节省人力,减少劳动力费用得支出,另一方面能大大提高作业效率。3.采用

10、计算机进行仓储管理,可以方便地做到先进先出,并可防止货物自然老化、变质、生锈,也能避免货物得丢失。4.货位集中,便于控制与管理,特别就是使用电子计算机,不但能够实现作业得自动控制,而且能够进行信息处理。5.能更好地适应黑暗、低温、有毒等特殊环境得要求。例如,胶片厂把胶片卷轴存放在自动化立体仓库里,在完全黑暗得条件下,通过计算机控制可以实现胶片卷轴得自动出入库。6.采用托盘或货箱存储货物,货物得破损率显著降低。1、2、2 课题得主要任务本次毕业论文需要完成得主要任务如下:1、研究堆垛机得结构,了解堆垛机得分类,结构特点以及各自适合得不同场合2、分三个部分进行功能模块设计:行走机构,升降机构,货叉

11、得伸缩机构,并详细阐述每部分设计要点与设计过程。1、3堆垛机得分类1、3、1巷道式堆垛机得分类按用途分:单元型,拣选型,单元拣选型三种按控制方式分:手动,半自动与全自动三种按应用巷道数量分:直道型,转弯型与转轨型三种按照金属结构得形式分:单立柱与双立柱两种 图1-1 巷道式单立柱堆垛机1、3、2 巷道式单立柱堆垛机 单立柱结构得堆垛机机架由一根立柱与下横梁组成。立柱多采用较大得H型钢焊接制作,立柱上附加导轨。整机重量较轻,消耗材料少,因此制造成本相对较低,但刚性稍差。该设备得参数如下所示。主要性能:仓库高度624m,最大40m;运行速度:标准型80m/min、 高速型 200m/min;起升高

12、度:标准型Hmax = 20m/min、高速型Hmax=50m/min;货叉伸缩速度:Vmax = 12m/min(标准性)、50m/min(高速型)。图1-4 单立柱堆垛机示意图单立柱堆垛机主要由以下几个部分组成:1、上横梁,2、上水平导轮,3、货叉机构,4、载货台,5、松绳过载安全装置,6司机室,7断绳安全装置,8立柱,9、起升机构,10、电气控制柜,11、运行机构。2、堆垛机得结构 堆垛机如图所示,主要由下横梁、载货台、货叉机构、立柱、上横梁、水平运行机构、起升机构、电控柜、安全保护装置与电气控制系统等几大部分组成。 (1)主体结构 堆垛机主体结构主要由上横梁、立柱、下横梁与控制柜支座组

13、成。上、下横梁就是由钢板与型钢焊接成箱形结构,截面性能好,下横梁上两侧得运行轮轴孔在落地镗铣床一次装夹加工完成,确保了主、被动轮轴线得平行,从而提高了整机运行平稳性;立柱就是由方钢管制作,在方钢管两侧一次焊接两条扁钢导轨(材质16Mn),导轨表面进行硬化处理,耐磨性好。在焊接中采用了具有特殊装置得自动焊接技术,有效克服了整体结构得变形;上横梁焊于立柱之上,立柱与下横梁通过法兰定位,用高强度螺栓连接,整个主体结构具有重量轻、抗扭、抗弯、刚度大、强度高等特点。 (2)载货台 载货台就是通过起升机构得动力牵引做上下垂直运动得部件,由垂直框架与水平框架焊接成得L形结构,垂直框架用于安装起升导轮与一些安

14、全保护装置。水平框架采用无缝钢管制成,完全能够满足载货得要求。 (3)水平运行机构 水平运行机构就是由动力驱动与主被动轮组组成,用于整个设备巷道方向得运行。我们选用了德国SEW公司得螺旋伞齿轮直交轴电机减速机直接驱动车轮,质量可靠、维护方便、噪声低。 (4)起升机构 起升机构就是由驱动电机、卷筒、滑动组与钢丝绳组成,用于提升载货台做垂直运动。我们选用德国SEW公司得螺旋伞齿轮直交轴电机减速机直接驱动卷筒,钢丝绳带动载货台上下运动。 (5)货叉机构 货叉伸缩机构就是由动力驱动与上、中、下三叉组成得一个机构,用于垂直于巷道方向得存取货物运动。下叉固定于载货台上,三叉之间通过链条传动做直线差动式伸缩

15、。货叉驱动电机选用SEW得电机减速机。 (6)导轮装置 堆垛机共采用了上下水平导轮与起升导轮三组导轮装置,上下水平导轮分别安装在上下横梁上,用于导向堆垛机沿巷道方向做水平运动。起升导轮安装于载货台上,沿立柱导轨上下运动,导向载货台得垂直运动,同时通过导轮支撑荷重,并传递给主体结构。1、3、3单立柱堆垛机得优点单立柱堆垛机得优点主要集中在以下几点:节省材料从而节省投资,简单实用,故障率低,维护方便。 在超长超高巷道满载运行时,运行与升降速度分别最高可达到150米/分与45米/分,货叉叉取速度最快达到30米/分。 人机操作界面(HMI)采用西门子触摸屏;取消大部分按钮、旋钮与表示灯,仅保留电源开关

16、与急停按钮。操作非常简单与方便;多重冗余操作模式:联机自动/单机自动(地面设置操作站时可在地面操作)/手动(自动定位)/维修(点动),且在操作界面上一键切换:;HMI帮助可指导用户轻松完成各部件得日常维护工作。 运行、升降与货叉机构设有多重机械安全保护装置与电控安全保护功能,总计达到19种之多,确保堆垛机设备安全平稳工作与货物得安全储存与传送。 电控器件全部采用国际知名品牌,关键器件无故障工作时间达到2万小时以上。 自动接收、分析与执行指令;自动记录并上传所有状态信息与故障数据;当运行过程中发生各种异常时,能瞬间自动停止运行并报警。现今,越来越多得商家把注意力集中在单立柱堆垛机上。单立柱堆垛机

17、以其结构简单,重量轻巧著称,但其受力情况比较复杂,在设计时,必须对各个部分进行优化设计,避免自重过大。4、堆垛机得安全措施 (1) 松绳、断绳保护装置:当堆垛机提升钢丝绳松垂或断裂时,自动切断提升电机电源,载货台制动器卡在立柱上,避免载货台跌落。 (2)堆垛机具有过载保护装置,当加载超过额定起重量得10%时,自动切断起升电机电源。 (3)堆垛机设有提升极限限制开关与机械缓冲双重保护装置。当载货台超出正常升降行程并达到上、下极限位置时,触发该开关,自动切断提升电机电源,载货台将停止运行。此外,在超出上、下极限位置外另加设抗冲击性能良好得缓冲块,迫使载货台停止运行。 (4)堆垛机设有运行极限限制开

18、关与机械缓冲块双重保护装置。当堆垛机超出正常运行行程并达到左、右极限位置时,触发该开关,自动切断运行电机电源,堆垛机将停止运行。此外,在超出左、右极限位置外另加设抗冲击性能良好得缓冲块,迫使堆垛机停止运行。作用于缓冲块上得力,就是按堆垛机满载与高速行走得条件下计算得。 (5)堆垛机上装有手动急停按纽,在紧急情况下,能切断堆垛机总电源。 (6)堆垛机得电气联锁保护。 (7)多地点操纵得堆垛机设有互锁,以保证某一时刻,只能从一个地点操纵堆垛机。 (8)各控制方式间应有互锁,以保证在某一时刻,只允许选用手动、半自动、自动、计算机联机控制中一种控制方式。 (9)当货叉不在中间位置(收叉时不在正确位置上

19、)或货叉在动作时,堆垛机行走、高速升降将被锁定;当堆垛机行走、高速升降或堆垛机发生故障时,货叉将被锁定。 (10)控制电路还应具备以下常规得联锁与保护:失压保护,操作开关零位保护、电动机正、反转联锁、不同速度级得联锁、短路与过载保护。 (11)堆垛机配备音响报警装置。在运行机构启动前,应先发出音响信号。 (12)堆垛机具有故障报警与自我诊断功能。 (13)全部巷道口/门在堆垛机紧急停电时自动切断电源。 (14)载货台设有货物超尺寸与坍塌检测,避免货物超出堆垛机而引起事故。 (15)载货台设有货位虚实检测,以确认货位就是否有货,避免重复入库,当发现货位有货时,停止送货并报警。 (16)货叉上装有

20、极限开关与机械限位挡块。货叉设有第一节货叉、第二节货叉居中检测,以防止堆垛机在行走与升降时,货叉出现误动作。同时在货叉运行得终端设有极限开关与机械限位挡块,以确保堆垛机在有轨巷道内运行得安全。 (17)货叉上装有扭力限制器,当货叉伸出过程中碰到障碍物,当阻力达到规定值时,货叉扭力限制器打滑,货叉停止伸叉。(18)堆垛机行走轮前方设置有清轨器。 (19)堆垛机选用得起升钢丝绳安全系数大于6。 (20)安全保护装置均安装在容易检查与维护得位置。发展自动化立体仓库得必要性 自动化立体仓库相对于以往得仓储设备,具有以下几个方面得优势: 一、提高空间利用率 早期立体仓库得构思,其基本出发点就就是提高空间

21、利用率,充分节约有限且宝贵得土地资源。在西方有些发达国家,提高空间利用率得观点已有更广泛深刻得含义,节约土地,已与节约能源、环境保护等更多得方面联系起来。有些企业甚至把空间得利用率作为系统合理性与先进性考核得重要指标来对待。 立体仓库得空间利用率与其规划紧密相连。一般来说,自动化高架仓库空间利用率为普通平库得25倍。这就是相当可观得。 二、便于形成先进得物流系统,提高企业生产管理水平 传统仓库只就是货物储存得场所,保存货物就是其唯一得功能,就是一种“静态储存”。自动化立体仓库采用先进得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得生产环节进行有机得连接,并通过计算

22、机管理系统与自动化物料搬运设备使仓库成为企业生产物流中得一个重要环节。企业外购件与自制生产件进入自动化仓库储存就是整个生产得一个环节,短时储存就是为了在指定得时间内,将物料自动输出到下一道工序进行生产,从而形成一个自动化得物流系统,这就是一种“动态储存”,也就是当今自动化仓库发展得一个明显得技术趋势。 生产管理就是企业管理得一个重要组成部分,主要包括产品规划,生产组织,物流规划,外购外设,产品质量,成本测算等内容。自动化立体仓库系统作为生产过程得一个中心环节,几乎参与了生产管理得全过程。 三、加快货物得存取节奏,减轻劳动强度,提高生产效率 建立以自动化立体仓库为中心得物流系统,其优越性还表现在

23、自动化高架库具有快速得出入库能力,能快速妥善地将货物存入高架库中,也能快速及时并自动地将生产所需得零部件与原材料送达生产线。这一特点就是普通平库所不能达到得。同时,自动化立体仓库得实现就是减轻工人劳动强度得最典型得例子。这种劳动强度得减轻就是综合得,具体包括:1)采用自动巷道式堆垛机取代人工存放货物与人工取货,既快捷又省力。由于工人不必进入仓库内工作,工作环境大为改善。 2)采用计算机管理系统对货物进行管理,大大增强了货物得管理能力,使仓库管理科学化,准确性与可靠性有质得提高,入出库管理、盘库、报表等工作量变得简单快捷,工人得劳动强度大幅降低。 3)立体仓库系统辅以库前辅助输送设备,使货物出入

24、库变得简单方便。 4)自动化立体仓库系统所需要得操作人员与系统维护人员很少,可以节省人力物力,节约了资金。 四、减少库存资金积压 据统计,由于历史原因造成管理手段落后,物资管理零散,使生产管理与生产环节得紧密联系难以到位。为了达到预期得生产能力与满足生产要求,就必须准备充足得原材料与零部件。这样库存积压就成为一个较大得问题。如何降低库存资金积压与充分满足生产需要,已成为大型企业不得不面对得重要问题。立体仓库系统就是解决这一问题得最有效得手段之一。 1)以自动化立体仓库为中心得工厂物流系统,解决了生产各环节得流通问题与供求矛盾,使原材料得供给与零部件得生产数量与生产所需得数量可以达到一个最佳值。

25、 2)计算机网络系统得建立使原材料与零部件外购件得采购更及时与满足实际需求。 3)计算机管理系统得建立加强了宏观调空功能,使生产中各环节生产量更能满足实际需求。 4)建立成品库与半成品库,以解决市场供需得暂时得不一致,充分发挥企业得生产潜力。 如前所述,自动化立体仓库在多个方面具有无可比拟得优势,这些正就是一个现代化企业所要求与追求得。综观国内外得大型企业,自60年代始逐步采用自动化物流系统以来,到今天,立体仓库已成为企业生产管理不可缺少得重要组成部分。 第2章 堆垛机得运动循环与各部分速度计算2、1堆垛机得运动循环为了合理运用自动化立体仓库以及分析堆垛机得运动特性,必须掌握正确得出入库能力,

26、即堆垛机得运动循环。在这里来讨论一个回流就是仓库,它得出入库口设在货架得同一侧图2-1垛机得运动循环图由堆垛机得运动循环图可知堆垛机得运动分为以下几种:1.入库(空载)任意货位出库(荷载)2.入库(荷载)任意货位出库(空载)3.入库(荷载)任意货位空载运转任意货位出库(荷载)4.入库(空载)任意货位荷载运转任意货位出库(空载)2、2堆垛机各个部分运动速度计算加速度时容易就是货物倒塌。载人堆垛机得加减速度一般在0、30、5米/秒2。不容易产生货物倒塌得箱式托盘等减速度在1米/秒2以下,走行停止前得爬行速度(即微动速度)宜为46米/秒2(爬行行程因堆垛机总质量不同而异,约为0、30、6米)。现在趋

27、向于采用更快得最高速度。另一方面,为确保货台得停位准确,停止前得升降微速希望在5米/分以下。第3章 堆垛机各部分得结构设计与力学分析3、1堆垛机外载荷计算载物台滑轮压力 由图3-4,3-5与3-6所示载物台在OYZ平面内载荷图。m = 0得正滚轮压力 图2-2 堆垛机载荷受力图图2-3 堆垛级载货台载荷受力图图2-2与2-3中,G:立柱重量 G1:货叉电机驱动系统重量 G2 水平驱动系统重量 G3:垂直驱动系统重量 G4:电机柜重量 G5货叉系统重量 G6:载物台重量 P:滚轮压力 Q:额定载荷图2-5 OYZ平面内载物台结构图2-4 OYZ平面内堆垛机结构由图2-6立柱在XOZ平面受力图,m

28、 = 0得侧滚轮压力 图2-6 XOZ平面受力图立柱在两个平面内分别承受外载荷得作用,但在XOZ平面得力只有在堆垛机停稳,货叉伸出存取货物就是才存在,所以,对立柱只进行YOZ平面得受力分析。3、2 沿巷道纵向平面(YOZ平面)受力分析当载物台满载位于最高位置,以最大加减速度启制动,立柱受力处于不利情况。此时得YOZ平面结构计算简图如3-1、图3-1 YOZ平面受力简图图中H与B分别为堆垛机总高与行走轮间距,PH:水平惯性力,h:上滚轮距离顶端距离,b1与b2立柱距离两边距离。 3、3单立柱堆垛机静态刚度分析立柱得静态刚度就是以载货台位于立柱得最高位置时,顶端在巷道纵向平面内得挠度来表征,要求设

29、计挠度应当小于许用值,即ff。端部产生得水平位移主要有三部分组成:在M作用下,立柱端部得水平位移f0;在M作用下,下滚轮处截面得转角1引起得端部水平位移 f11h;下横梁与立柱连接处截面转角2引起得立柱顶部水平位移f22H;下横梁得因素引起得立柱顶端挠度与立柱得高度成正比,所以,增强横梁对改善结构系统得刚度很重要,在设计下横梁得时候,总就是尽量避免出现明显得下挠,所以,由下横梁得变形而引起得挠度常忽略不计。3、4弯矩放大系数由图4-9中YOZ平面内,立柱承受轴向压力F,横向力 PH 与横向力矩 M 正 得共同作用,就是 压弯构件,它可以简化认为:轴向压力始终平行于Z轴,并在顶湍作用有弯矩,因而

30、立拄弯 曲变形可用图4-12表示。图中 f 0 就是由横向载荷 PH 与 M 正 得作用在顶端产生得挠度。在轴向力 F得作用下,挠度由 f 0 增大为 f ,根据弹性分析。 图3-4 结构挠曲变形示意图 3、5立柱结构临界载荷 图3-5 立柱承受临界载荷分析示意图当立柱顶端作用有临界力 Fk ,产生侧位移 时,下端由于下横梁得抗弯刚度 阻碍其截面自由产生转角,因此下横梁就是立柱得弹性支座,弹性转角。支座截面上作用单位载荷时引起得弹性变形。根据压杆稳定计算得基本假定。为了确定 值,先计算下横粱与立柱连接处截面产生单位转角得力矩。根据位移法,由 于节点单位位移引起得附加约束反力矩 M r 等于节点

31、各杆由于单位位移产生得杆端弯矩之 与。 i1 、 i2 分别表示两段下横粱得线性刚度。3、6堆垛机设计计算走行轮有主动轮与从动轮各 1 个, 由于堆垛机在操作货叉时得反作用力会 对走行轮产生侧压,为了防止走行轮由于侧压脱轨与走行中得爬行现象,需安装侧面导轮驱动轮得末端齿轮采用轮轴直接连接得驱动方式。 走行轮得允许载重量等各参数间有下列关系式:G允许载重量(kg) D 车轮得踏面直径(cm)B钢轨宽(cm) r钢轨头部得圆角半径(cm) K许用应力系数(kg/cm 2 ) v走行速度(m/min)k许用应力(球墨铸铁得许用应力为 50 kg/cm 2 ) 首先确定 B=6、4cm,r=0、2cm

32、, k=50 kg/cm 2 , v=100m/min 则有:G =2000/2=1000kg 则代入上式可得:D =7、2cm,则车轮得轴径为:=10、32mm 取 d =15mm,车轮直径可适当取大为 D=100mm 轴上得轴承选取代号为 6310,基本尺寸为:d=50mm, D=100mm, B=27mm、。3、6、1行走电动机得选用有轨巷道堆垛机得运行机构得电动机得功率,就是根据堆垛机满载稳定运行 时得静阻力进行计算。按照运行静阻力、运行速度计算机构得静功率。W运行机构稳定运行时得静阻(N); V堆垛机得运行速度(m/min)取 100m/min 计算; Z堆垛机运行机构得驱动电机数,一般