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1、立体式仓储堆垛机的设计作者XX：XXXXX专业名称：机械工程及自动化指导教师：XXXXXX讲师摘要自动化立体仓库是现代物流随经济、科技发展而产生的新型物流系统。旨在利用电力科学驱动机械设备解放人力，提高生产率，降低生产成本。它是在不直接进行人工干预的情况下自动地存储和取出物流的系统。它是现代工业社会发展的高科技产物。堆垛机能够在自动化立体的巷道中来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存入货格或者将位于货格内的货物取出并运送到巷道口。近年来，随着企业对生产与管理认识的不断提高，物流系统的改善与合理性对企业的发展也至关重要。事实上，堆垛机已经越来越广泛地参与生产运输中，它是自动化立体仓库中最重要的起重堆
2、垛设备。本文依据在学校实验室自动化立体仓库，详细论述了堆垛机的设计方案，对其中的货架、堆垛机结构和货叉机构进行设计。文章的重点放在堆垛机的三个部件：升降机构、行走机构、货叉机构的设计上。首先，提出各个机构的总体设计方案；其次，对各个机构的受力情况进行了分析并计算，然后估算初取值，再进行校核，最后确定各个实际值。本次设计的有轨堆垛机性能良好、动作灵活、操作方便、故障率低、维护简单方便，满足了生产的需要。关键词：自动化立体仓库 货架 堆垛机AbstractAutomated Warehouse is a newly logistics system exploited with the devel
3、opment of the modern science and economy which aims at using mechanical equipment to liberate human effort , increase productivity and reduce production costs. While its saving and taking out goods ,manual intervention is needless .It is high-tech product in the development of modern industrial soci
4、ety.Stackers can run back and forth in the automated three-dimensional roadway, putting the goods located at the mouth of roadway into the cargo boxes or delivering the goods to the mouth of roadway after taking them out from cargo boxes.In recent years, with the continuous improvement of enterprise
5、 knowledge on production and management, improvement and rationalityof logistics system isalso vital to enterprises development.Stac-ker have, in fact, more and more widely involved in the production and transportation,for it is the most important lifting piling equipment in Automated Warehouse.This
6、 thesis detailedly discusses the design proposal of stacker based on laboratory automation stereoscopic warehouse at school ,especially the detailed design on goods shelves, the structure of the stacker and fork mechanism .The article focuses on the three parts of stackers: the stacker lifting mecha
7、nism, deliver mechanism and the organization of cargo fork.First of all, the paper puts forward the overall design scheme of each ponents ;Secondly, the force of the each ponents are analyzed and calculated. Then the actual values have been put out after estimating and checking the data . The guide
8、rail machine that I have designed perform well and have the advantages of flexible motion, easy operation, low failure rate, and convenient maintenance which can meet the needs of the production.Keywords:Automationthree-dimensionalstorehouse,Shelf,Stacker cranes目录摘要IAbstractII目录III前言11 堆垛机的发展21.1 堆垛
9、机的定义21.2 堆垛机的特点21.3 堆垛机的分类21.4 堆垛机的发展趋势32 总体设计方案设计及机构简图42.1 设计题目42.2 设计要求42.3 主要设计参数及技术指标如下42.4 总体设计方案设计42.5 机构简图52.5.1 堆垛机总体装配图52.5.2 堆垛机整体局部图72.5.3 零件图103 堆垛机总体设计293.1 货叉机构电机选取及校核293.1.1 最大工作负载下电机轴所承受的负载转矩293.1.2 快速空载起动时电机轴所承受的负载转矩293.1.3 电机1的选取303.1.4 电机1的性能校核303.2 货叉机构齿轮、齿条传动设计313.2.1 齿轮1转速校核323
10、.2.2 齿轮1、齿条1参数计算323.2.3 齿轮2角速度校核323.2.4 齿轮2、齿条2参数计算333.3 行走机构电机选取及性能校核333.3.1 最大工作负载下电机轴所承受的负载转矩333.3.2 快速空载起动时电机轴所承受的负载转矩343.3.3 电机3的选取343.3.4 电机3的性能校核353.4 行走机构齿轮、齿条传动设计363.4.1 齿轮3转速校核363.4.2 齿轮3、齿条3参数计算363.5 链传动（升降机构）设计374 控制设计与程序编程394.1 堆垛机有两种控制方式394.2 堆垛机PLC自动控制流程序图394.3 四种作业方式地址传送路径表404.4 程序清单
11、40总结43致谢44参考文献45前言高层货架仓库简称高架仓库，是当代货架存储系统发展的一个阶段。它与一般是指采用几层、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，例如堆垛机，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”。自动化立体仓库是物流仓储中出现的新概念，是当前技术水平较高的形式。利用立体仓库设备可以实现仓库的高层合理化、存取自动化、操作简便化。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
12、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。自动化立体仓库是物流中的重要组成部分，它是在不直接进行人工干预的情况下自动地存储和取出物流的系统。它是现代工业社会发展的高科技产物，对提高生产率、降低成本有着重要意义。它的主要系统优点在于：一、节约仓库用地，使仓库的空间实现了充分利用。二、自动化管理提高了仓库管理水平。三、自动化立体仓库可以形成先进的生产链，促进生产力的进步。世界主要工业国家都把着眼点放在开发性能可靠的新产品和采用高新技术上，更加注重实用性和安全性。在堆垛机方面，我们应当看到我国和世界发达国家的差距，总结
13、经验，找出不足，打破传统思路，推出新的设计理念和更高性能的堆垛机。相信，通过从业者们的不断努力，一定能够设计出高效、安全、可靠性高的堆垛机，升级我国物流系统，增强我国综合国力。1 堆垛机的发展1.1 堆垛机的定义堆垛机是立体仓库中的主要起重运输设备，是随立体仓库发展起来的专用起重机械设备。运用这种设备的仓库最高可达40m。大多数在1025m之间。堆垛机的主要用途是在立体仓库的巷道间来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存入货格或将货格中的货物取出运送到巷道口。这种设备只能在仓库内运行，还需配备其他设备让货物去入库。1.2 堆垛机的特点堆垛机减轻了工人的劳动强度，提高了仓库的利用率和周转率；它具有如下
14、特点： 堆垛机的整机结构高而窄，适合于在巷道内运行。 堆垛机有特殊的取物装置，如货叉、机械手等。 堆垛机的电力控制系统具有快速、平稳和准确的特点，保证能快速、准确、安全地取出和存入货物。 堆垛机具有一系列的连锁保护措施。由于工作均地窄小，稍不准确就会机毁人亡，所以堆垛机上配有一系列机械和电气的保护措施。1.3 堆垛机的分类 按堆垛机的起升高度不同可分为高层型、中层型、低层型。高层型是指起升高度在15m以上的堆垛机，主要用于一体式的高层货物仓库中；中层型是指起升高度在515m之间的堆垛机；低层型是指起升高度在5m一下的堆垛机，主要用于分体式高层货架仓库和简易立体仓库中。 按堆垛机有无轨道可分为有
15、轨堆垛机和无轨堆垛机。有轨堆垛机是指堆垛机工作时沿着巷道内的轨道运行，其工作X围受轨道的限制，需配备出入库设备；而无轨堆垛机是没有轨道的堆垛机，又称高架叉车，没有轨道限制，工作X围较大。 按堆垛机自动化程度不同可分为手动堆垛机、半自动堆垛机和自动堆垛机。手动堆垛机和半自动堆垛机上带有操作室，由工人操作控制堆垛机；而自动堆垛机可实现无人操作，由计算机自动控制堆垛机的整个操作过程，实现自动寻址，自动完成取出或存入作业。 按堆垛机的用途不同可分为巷道式堆垛机和桥式堆垛机两种。1.4 堆垛机的发展趋势 系列化、大型化 系列化是堆垛机发展的重要趋势。国外著名大公司逐步实现其产品系列化，形成了从微型到特大
16、型不同规格的产品，与此同时产品更新换代的周期明显缩短。大型堆垛机产品特点是科技含量高、研制与生产周期较长、投资大、市场容量有限，市场竞争主要集中在少数几家公司。因此，我国必须加大研发力度才不至于受制于人。 专业化、多品种自动仓储系统 大型超市的纷纷建立，刺激了对室内搬运机械需求的增长。高性能电动叉车、前移式叉车、窄巷道堆垛机等各类仓储叉车迅速发展，为了尽可能地用机器作业替代人力劳动，提高生产效率，适应城市狭窄施工场所以及货栈、码头、仓库、舱位、农舍、建筑物层内和地下工程作业环境的使用要求，小型及微型堆垛机有了用武之地，并得大了较快发展。另一方面，堆垛机的通用性还在不断地提高，这样可使用户在不增
17、加投资的前提下充分发挥设备本身的效能，能完成更多的工作。 电子化、智能化 以仓储发展为依托，发展新品种，特别是前移式叉车和堆垛机产品。计算机技术在堆垛机上逐步应用，并纳入信息化控制。无人驾驶的堆垛机将适用于有毒或特殊环境的需要，具有较大发展空间。 安全性和舒适性随着国际化的进程加快，安全性和舒适性已成为占据市场的另一手段。2 总体设计方案设计及机构简图2.1 设计题目立体式仓储堆垛机的设计2.2 设计要求设计一款堆垛机，能满足对某自动化立体仓库中的货物进行搬运、存取；要求货物架采用横梁式组合架。货架规格：2排（105层）共100个货位，每个货架尺寸650500380，单元载荷50（不含托盘）。
18、2.3 主要设计参数及技术指标如下 堆垛机的高度：2.8 堆垛机额定净载重量：100 载货台宽度：574 运行速度：630 提升速度：430 货叉速度：320 停准精度：起升、运行，货叉 控制方式：手动、单机自动、联机自动、PLC控制 供电方式：安全滑触线供电 供电容量：20，三相四线制：380V502.4 总体设计方案设计堆垛机的布置方式、机架结构、水平行走机构、升降机构和货叉机构2.5 机构简图2.5.1 堆垛机总体装配图 堆垛机整体结构图图2.1 堆垛机整体结构图(2) 堆垛机整体工程图图2.2 堆垛机整体工程图2.5.2 堆垛机整体局部图 链条、链轮图2.3 链条、链轮 堆垛机下箱体、
19、步进电机图2.4 堆垛机下箱体、步进电机(3) 导轨、导轨齿条图2.5 导轨、导轨齿条(4) 上下行走机构轴承图2.6 上下行走机构轴承(5) 货叉机构图2.7 货叉机构 1图2.8 货叉机构 2(6) 齿轮、齿条传动图2.9 齿轮、齿条传动2.5.3 零件图 货叉机构上板图2.10 货叉机构上板图2.11 货叉上板工程图 货叉机构中板图2.12 货叉机构中板工程图图2.13 货叉机构中板 货叉机构箱体图2.14 货叉机构箱体图2.15 货叉机构箱体工程图 小齿轮图2.16 小齿轮图2.17 小齿轮工程图 小齿条图2.18 小齿条图2.19 小齿条工程图 大齿条图2.20 大齿条图2.21 大
20、齿条工程图 大齿轮图2.22 大齿轮图2.23 大齿轮工程图 挡板图2.24 挡板图2.25 挡板工程图 螺栓M12x45图2.26 螺栓M12x45图2.27 螺栓M12x45工程图 立柱图2.28 立柱图2.29 立柱工程图 链轮2图2.30 链轮2图2.31 链轮2工程图 链条（单节）图2.32 链条（单节）图2.33 链条（单节）工程图 链轮1图2.34 链轮1工程图 挡圈图2.35 挡圈图2.36 挡圈工程图 挡圈固定螺钉图2.37 挡圈固定螺钉图2.38 挡圈固定螺钉工程图 其他零件截图图2.39 大轴承图2.40 小轴承图2.41 键4x4x25图2.42 步进电机110BF00
21、3图2.43 螺母外形3 堆垛机总体设计3.1 货叉机构电机选取及校核3.1.1 最大工作负载下电机轴所承受的负载转矩初选货叉运行速度电机轴转速初选齿轮1的半径 齿轮2的半径摩擦系数3.1.2 快速空载起动时电机轴所承受的负载转矩 （为电动机加速所用时间，选为1S）最大静转矩选定 （安全系数K选为4）3.1.3 电机1的选取查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-3，初选电机为110BF003查表知110BF003： 最大静转矩 转子惯量 空载运行频率为 空载起动频率为 步距角为3.1.4 电机1的性能校核 最快工进速度时电动机输出转矩校核查机电一体化图5.50（c）运行矩频特性曲线，可知电动
22、机输出转矩 满足设计要求 最快空载移动时，电动机输出转矩校核查机电一体化图5.50（c），此时输出转矩也远大于快速空载起动时的负载转矩 满足性能要求 最快空载移动时电动机运行频率校核电动机运行频率为查机电一体化手册表4.3知110BF003的极限运行频率为，由此可见没有超出上限，满足性能要求 运行频率校核查机电一体化手册表4.3，电机不带任何负载时最高空载起动频率上式说明：要想保证步进电机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1246.3Hz。实际上，用软件升降频时，起动频率选的很低，通常只有100Hz，远小于综上所诉，选取110BF003步进电机满足性能要求3.2 货叉机构齿轮、齿条传动
23、设计每转脉冲数步进电机转速货叉速度：中间板速度：3.2.1 齿轮1转速校核初选齿轮1的半径 齿数 模数根据以上条件知 因为 所以 满足性能要求3.2.2 齿轮1、齿条1参数计算齿数 模数 压力角有效齿宽 齿顶高系数 顶隙系数顶圆直径 根圆直径 齿顶高齿根高 全齿高 弧齿厚全齿高系数 齿条齿顶高 齿条齿根高齿条全齿高 齿条弧齿厚分度圆直径基圆直径齿条分度线至基准距离齿条节线至基准距离齿条齿顶至基准距离齿根至基准距离安装距（齿轮轴线至齿条基准面）3.2.3 齿轮2角速度校核初选齿轮2的半径 齿数 模数满足性能要求3.2.4 齿轮2、齿条2参数计算齿数 模数 压力角有效齿宽 齿顶高系数 顶隙系数顶圆
24、直径 根圆直径 齿顶高齿根高 全齿高 弧齿厚全齿高系数 齿条齿顶高 齿条齿根高齿条全齿高 齿条弧齿厚分度圆直径基圆直径齿条分度线至基准距离齿条节线至基准距离齿条齿顶至基准距离齿根至基准距离安装距（齿轮轴线至齿条基准面）3.3 行走机构电机选取及性能校核3.3.1 最大工作负载下电机轴所承受的负载转矩初选取3.3.2 快速空载起动时电机轴所承受的负载转矩最大静转矩选定（安全系数K选为4）3.3.3 电机3的选取查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5，选电机为130BYG3502查表知130BYG3502：最大静转矩 转子惯量 空载运行频率为 空载起动频率为 步距角3.3.4 电机3的性能校核
25、 最快工进速度时电机输出转矩校核查机电一体化图5.50（c）电机运行矩频特性曲线，可知电机输出转矩 满足设计要求 最快空载移动时，电机输出转矩校核查机电一体化图5.50（c），此时输出转矩也远大于 ，满足性能要求 最快空载移动时，电动机运行频率校核查机电一体化手册表4.3知130BYG3502的极限运行频率为，远大于电机运行频率，满足性能要求 运行频率校核查机电一体化手册表4.3，电机不带任何负载时最高空载起动频率上式说明：要想保证步进电机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1360Hz。实际上，用软件升降频时，起动频率选的很低，通常只有100Hz，远小于。综上所诉，选取130BYG35
26、02步进电机满足性能要求。3.4 行走机构齿轮、齿条传动设计每转脉冲数步进电机3转速行走速度：3.4.1 齿轮3转速校核取（满足性能要求）3.4.2 齿轮3、齿条3参数计算齿数 模数 压力角有效齿宽 齿顶高系数 顶隙系数顶圆直径 根圆直径 齿顶高齿根高 全齿高 弧齿厚全齿高系数 齿条齿顶高 齿条齿根高齿条全齿高 齿条弧齿厚分度圆直径基圆直径齿条分度线至基准距离齿条节线至基准距离齿条齿顶至基准距离齿根至基准距离安装距（齿轮轴线至齿条基准面）3.5 链传动（升降机构）设计提升速度 功率 （r取0.042mm）假设链传动单链承受的力为总受力的一半，则（安全系数K=3） 查机电一体化附表1.9初选57
27、BYG058步进电机由此得 功率 初选链轮齿数为13，估计此链传动工作于（机械设计基础）图13-33所示曲线顶点左侧，由表13-13查机械设计基础图13-33，当n=114r/min时，16A链条功率约为4.5kw1.95kw （满足设计要求）查机械设计基础表13-11,16A滚子链的主要参数如下：节距 滚子外径极限载荷Q=55600N 每米长质量q=2.6kg/m链速校核（满足要求）综上所述，链轮（16A滚子链）参数如下：节距 齿数 滚子直径节内宽 中间量中间量 齿宽倒角半径 倒角宽分度圆直径齿根圆直径齿顶圆直径齿侧凸缘直径凸缘圆角4 控制设计与程序编程4.1 堆垛机有两种控制方式单机自动控
28、制方式和联机自动控制方式。 在单机自动控制方式下，各PLC机与管理机处于脱机状态，任务指令由堆垛机操作面板上的键盘输入。 在联机自动控制方式下，各PLC机通过RS232C串行口与管理机进行时定时通信，任务指令由管理机输入。是否自动选择运动地址输入作业地址和指令判断定位程序是否已经到位启动主启动主程序初始化过程仅在启动时完成是否自动程序初始化过程仅在启动时完成置到位标志返回4.2 堆垛机PLC自动控制流程序图4.3 四种作业方式地址传送路径表表4.1 四种作业方式地址传送路径表SBN000入库出库拣选盘库h30,h31,h32（#0036时，#0001，#0000，#0001）（#0036时，#
29、0001，#0073，#0001）H22,H23,H24H22,H23,H24H22,H23,H24h33,h34,h35H22,H23,H24（#0036时，#0002，#0000，#0001）（#0036时，#0002，#0073，#0001）（#0036时，#0001，#0000，#0001）（#0036时，#0001，#0073，#0001）H25,H26,H274.4 程序清单LD 05502 05502为ON时为拣选作业方式；OUT XFER #0003 将选货箱地址（H22,H23,H24）传送给SBN 000的首地址（H30,H31,H32）； H20 H30MOV #0001
30、 H33CMP cool 确定堆垛机最近的入库台（拣选台）地址， 并将其传送给SBN000的目的地址（H33,H34,H35）； #0036AND 25505MOV #0073 H34LD LD 25506OR 25507AND LDMOV #0000 H34MOV #0001 H35SBS 000 调用SBN000；LD 05505 05505 ON时为入库作业；OUT MOV #0001 将拣选台地址传送给SBN000的首地址 （H30,H31,H32）； H30CMP cool #0036OUT AND 25505MOV #0073 H31LD LD 25506OR 25507AND L
31、DMOV #0000 H31MOV #0001 H32XFER #0001 将拣选货箱地址（H22,H23,H24）传送给SBN000的首地址（H33,H34,H35） H22 H23SBS 000总结本文依据在学校实验室的自动化立体仓库的设计方案。首先，简要地介绍了自动化立体仓库的定义以及对现代物流系统的意义。然后，解释了堆垛机的定义以及特点，并对堆垛机进行了分类。介绍了堆垛机的发展趋势，从而对论文所要论述的问题有了一个初步性的认识。所以，通过前文的介绍，我们可以了解到，随着现代科学技术的发展，自动化立体仓库的优越性越来越为明显。而且，随着控制技术的发展，其效率也有很大的提高。而作为核心部件
32、的堆垛机，其最重要的控制功能就是定位控制，即实现精确定位和速度控制。本文主要研究了巷道式堆垛机的定位控制。对于核心部件堆垛机，也是本次设计最主要的东西，采取的是分结构设计。具体来说，有货叉机构，水平行走机构以及升降机构。对于每一个机构来说，首先提出各个机构的总体设计方案；其次，对各个机构的受力情况进行了分析并计算，然后估算初取值，再进行校核，最后确定各个实际值。对于控制部分的设计也是参考了大量的资料，无数次的请教指导老师，根据设计方案分析出各个机构之间的关系，以及想要达到的机械效果，最后确定了一套较为合理的PLC控制方案。总的来说，此次毕业设计较为圆满地完成了任务，在设计的过程中既运用了以前所
33、学的知识又学到了新的知识，收获颇丰。当然，我国的自动化立体仓库还很落后，跟欧美国家还有一定的差距。但是，制造工业的发展，计算机集成制造技术在中国的发展，也急需自动化仓库向更高的水平发展。自动化立体仓库还有很大的进步空间。在堆垛机方面，不断推出具有新的设计理念和更高性能的设备，主要包括提高电子和控制技术，使堆垛机具有更高定位精度的同时提高搜索能力和运行速度。作业的基本要求是能够获得更短的操作周期和更大的生产能力，这就要求我们不断学习提高自己的专业素质，同时还要加强与国外物流企业的交流与合作，学习吸收国外的先进技术与经验，以提高我国的自动化立体仓库的管理与设计水平。致谢能够完成大学阶段中最重要的事
34、情毕业论文，要特别感谢我的导师XXXX老师，正是他的耐心指导以及细心的帮助，这份毕业设计才能够顺利的完成。在此我衷心的感谢我的老师！求学过程是艰苦的，但又是快乐的。感谢我的授课老师们，没有你们的无私相授，完成这毕业设计是不可能的。谢谢你们每一位在这四年里为我讲授的每一个知识，虽然我也不曾学得很好。在这四年的学期中结识的各位生活和学习上的挚友让我得到了人生最大的一笔财富。在此，也对他们表示衷心感谢。谢谢我的父母，没有他们辛勤的付出也就没有我的今天，在这一刻，将最崇高的敬意献给你们！本文参考了大量的文献资料，在此，向各学术界的前辈们致敬！参考文献1 尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书M.机械工业，2007.52 曾励.机电一体化系统设计M.高等教育，2010.63 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册M.第三版.高等教育，2006.54 朱辉.画法几何及工程制图M.6版.XX科学技术，2007.55 杨可桢,程光蕴,李仲生.机械设计基础M.5版.高等教育，2006.56 单辉祖.材料力学M.第3版.高等教育，2009.77 祝之光.物理学M.第三版.高等教育，2009.1
