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第一章 緒論
隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)以及經(jīng)濟(jì)全球化的趨勢(shì)的加強(qiáng)，各國(guó)面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在這種大形勢(shì)之下，現(xiàn)代物流作為工業(yè)化進(jìn)程中最為經(jīng)濟(jì)合理的綜合服務(wù)模式和管理技術(shù)已被越來(lái)越多的企業(yè)所重視。隨著全球物流事業(yè)的快速發(fā)展，物流系統(tǒng)的進(jìn)一步改善和合理性對(duì)優(yōu)化資源配置、提高企業(yè)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本起著至關(guān)重要的作用。因此，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)也越來(lái)越受到青睞。其核心設(shè)備—巷道堆垛起重機(jī)則是代表自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的標(biāo)志，對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)的出入庫(kù)效率有重要影響。本文從堆垛機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)入手，著重就堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的研究。
1.1 研究背景及意義
自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)作為現(xiàn)代物流系統(tǒng)的重要組成部分，是一種多層存放貨物的高架倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)。它是在不直接進(jìn)行人工干預(yù)的情況下由巷道堆垛機(jī)實(shí)現(xiàn)貨物的存儲(chǔ)和取出，整個(gè)過(guò)程由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理和自動(dòng)控制系統(tǒng)完成。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)最早誕生在美國(guó)，進(jìn)入20世紀(jì)80年代，在世界發(fā)展迅速，使用范圍涉及幾乎所有行業(yè)，它的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)步入了一個(gè)加速發(fā)展的階段。自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)技術(shù)的研究對(duì)優(yōu)化資源配置、提高企業(yè)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本有著非常重要的意義。堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中最重要的其重堆垛設(shè)備，它能夠在倉(cāng)庫(kù)巷道中來(lái)回穿梭運(yùn)行，將位于巷道口的貨物存入貨格，或者從貨格里取出貨物運(yùn)送到巷道口。
我國(guó)于1973年開(kāi)始研制，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前已建成300多座立體倉(cāng)庫(kù)。目前我過(guò)的自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了與其他信息決策系統(tǒng)的集成，正在做智能控制和模糊控制的研究工作。但同世界主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，存在著一定的差距?？偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)，查找不足，勇于創(chuàng)新，不斷交流改進(jìn)，相信我們?cè)谠擁?xiàng)技術(shù)的研究上一定回取得突破性的進(jìn)展。
1.2 研究的內(nèi)容及設(shè)計(jì)思路
1.2.1 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
（1）堆垛機(jī)的機(jī)架的設(shè)計(jì)計(jì)算；
（2）堆垛機(jī)的貨叉伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算；
（3）堆垛機(jī)的行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算；
（4）堆垛機(jī)的升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算；
（5）堆垛機(jī)的安全機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。
1.2.2設(shè)計(jì)要求
為使堆垛機(jī)能夠準(zhǔn)確、快速、安全、自動(dòng)搬運(yùn)貨物出入庫(kù) ，必須滿足以下設(shè)計(jì)要求：
(1)具備三維運(yùn)動(dòng)功能，即堆垛機(jī)沿巷道來(lái)回水平運(yùn)動(dòng)、載貨臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)、貨叉沿貨架方向伸縮運(yùn)動(dòng)；
(2)滿足一定的定位精度 ，重復(fù)定位精度誤差不能超過(guò)10mm；
(3)具備安全保護(hù)措施；
(4)在滿足強(qiáng)度、剛度和可靠性的前提下，盡量減小堆垛機(jī)各部的 重量，以減小提升功率和行走時(shí)的摩擦阻力;
(5)保護(hù)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境，避免貨物污染受損?！?
1.3 研究的發(fā)展趨勢(shì)
以品種多、數(shù)量少、頻率高供給方式下的物流環(huán)境為背景，對(duì)于自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的效能提出了越來(lái)越高的要求。早期的堆垛機(jī)，在橋式起重機(jī)的起重小車(chē)上懸掛一個(gè)門(mén)柱，利用貨叉在立柱上的上下運(yùn)動(dòng)及立柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)搬運(yùn)貨物，通常稱(chēng)之為橋式堆垛機(jī)。但通常由于立柱高度的限制，橋式堆垛機(jī)的作業(yè)高度不能太高，而巷道堆垛機(jī)沿貨架倉(cāng)庫(kù)巷道內(nèi)的軌道運(yùn)行，使得作業(yè)高度提高。采用貨叉伸縮結(jié)構(gòu)，可以使巷道寬度變窄，提高自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的利用率，它適用于各種高度的高層貨架倉(cāng)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)、全自動(dòng)和遠(yuǎn)距離高集中控制。
日本大福公司于1999年在巷道堆垛機(jī)主體的高速化上下功夫，開(kāi)發(fā)了AS21模式。AS21模式是以高效率動(dòng)作為基礎(chǔ)，在高效能化（縮短循環(huán)時(shí)間）方面引用的一個(gè)概念，使巷道堆垛機(jī)的高效能化技術(shù)得到了大幅度的提升。
1.4 堆垛機(jī)所受載荷的簡(jiǎn)化方法
堆垛機(jī)的機(jī)架有立柱、上下梁組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)高而窄。堆垛機(jī)工作時(shí)，將受到載貨臺(tái)、貨物的鉛垂作用，行走、制動(dòng)和加減速的水平慣性力作用以及起吊時(shí)的沖擊載荷作用；某些特殊環(huán)境下，還要受到風(fēng)力的作用。堆垛機(jī)每完成一個(gè)工作循環(huán)，以上載荷將重復(fù)出現(xiàn)一次。因次，堆垛機(jī)所受的是交替變化的載荷。為了保證堆垛機(jī)安全可靠的工作，其鋼結(jié)構(gòu)部分的強(qiáng)度與剛度計(jì)算是必不可少的。
在此，就堆垛機(jī)所受載荷簡(jiǎn)化的基本方法作一一說(shuō)明。
1）起重重量PL
實(shí)際起重重量包括貨叉、附件重量和額定重量之和，用SL示。考慮到貨物正常起吊時(shí)的動(dòng)載沖擊作用，則設(shè)計(jì)起重重量
式中，稱(chēng)為沖擊系數(shù)，與堆垛機(jī)分類(lèi)有關(guān)：(見(jiàn)表1-1)
I類(lèi) II類(lèi) III類(lèi) IV類(lèi)
表1-1堆垛機(jī)分類(lèi)
工作時(shí)間
載荷
長(zhǎng)
中
短
輕
I
Ⅰ
Ⅱ
中
I
Ⅱ
Ⅲ
重
II
Ⅲ
Ⅳ
2）水平載荷SH
堆垛機(jī)沿水平方向加減速行走或制動(dòng)時(shí)，其自身質(zhì)量及起重質(zhì)量必然會(huì)產(chǎn)生與其加速度有關(guān)的水平慣性力。即，式中，稱(chēng)為動(dòng)載荷系數(shù)，由于加速度的不確定性，一般用額定速度v來(lái)確定。
水平行走時(shí)
3）風(fēng)力載荷SW
風(fēng)力載荷SW為風(fēng)壓力q與受風(fēng)面積的乘機(jī)，即，堆垛機(jī)工作時(shí)，風(fēng)壓力，非工作狀態(tài)，風(fēng)壓力，式中，h為吊具高度，單位取mm。
4) 起升沖擊載荷SR
在正常情況下，起吊貨物的加速度可能很大，這時(shí)的沖擊載荷很大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)另行考慮。
5）載荷狀態(tài)
堆垛機(jī)工作時(shí)，其承載能力是上述各種載荷與自重的不同組合：
A 正常工作狀態(tài)：
B 特殊工作狀態(tài)：
C 起升工作狀態(tài)：SG + SL + SH
D 停止：SG + SW
以上各式中，M稱(chēng)為作業(yè)系數(shù)，與堆垛機(jī)的分類(lèi)有關(guān)：
I類(lèi) M=1.0； II類(lèi)M=1.05； III類(lèi)M=1.1；IV類(lèi)M=1.20
第二章 堆垛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)堆垛機(jī)廠家的分類(lèi)和型號(hào)，結(jié)合堆垛機(jī)的具體工作環(huán)境，本次設(shè)計(jì)的單立柱有軌巷道式堆垛機(jī)主要用于起重量在15kg，起升高度在0.8米的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)里，采用此設(shè)備便于實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)的綜合機(jī)械化、自動(dòng)化。
2.1 堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)組成
堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)主要有三個(gè)機(jī)構(gòu)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖(2-1)所示：
圖2-1 單立柱堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)圖
（1）升降機(jī)構(gòu)有電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器、卷筒、鋼絲繩及防落安全裝置組成。升降機(jī)構(gòu)的工作速度一般控制在15~25m/min，最高可達(dá)45m/min，設(shè)計(jì)時(shí)選取20m/min.
(2) 行走機(jī)構(gòu)有電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、減速器和行走輪組成。在其頂部設(shè)置導(dǎo)向輪沿固定在貨架上弦的上軌道導(dǎo)行。下軌道設(shè)置兩個(gè)行走輪沿敷設(shè)在地面上的單軌運(yùn)行。為防止堆垛機(jī)出現(xiàn)脫軌或側(cè)翻現(xiàn)象，在其車(chē)輪兩側(cè)裝有側(cè)面導(dǎo)向輪。行走機(jī)構(gòu)的工作速度依據(jù)巷道長(zhǎng)度和物料出入庫(kù)頻率而定，正常工作速度控制在50~100m/min，最高可達(dá)到180m/min，設(shè)計(jì)時(shí)選取80m/min。本堆垛機(jī)將采用交流變頻調(diào)速方式。(在交流異步電動(dòng)機(jī)的諸多調(diào)速方法中，變頻調(diào)速的性能最好，調(diào)速范圍大，穩(wěn)定性好，運(yùn)行效率高。
（3）貨叉伸縮機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)的取放物料裝置，它有上叉、中間叉、固定叉、滾動(dòng)齒輪等組成。貨叉伸縮機(jī)構(gòu)的工作速度控制在15m/min，最高可達(dá)30m/min，設(shè)計(jì)時(shí)選取10m/min。
2.2 單立柱有軌巷道式堆垛機(jī)的特點(diǎn)
由于使用場(chǎng)合的限制，本單立柱巷道式堆垛機(jī)在結(jié)構(gòu)和性能方面具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
（1）由于機(jī)架采用單立柱結(jié)構(gòu)，整機(jī)重量小，結(jié)構(gòu)緊湊，作業(yè)時(shí)，駕駛員的視野較好，但由于載貨臺(tái)和貨物對(duì)單立柱的幾何力矩作用可能會(huì)造成立柱的扭曲和變形，使整機(jī)剛性較差。
（2）本堆垛機(jī)沿著巷道天地軌運(yùn)行，其作業(yè)具有三個(gè)方向動(dòng)作。水平行走為x-x方向，能把貨物送到任意一列；垂直升降為y-y方向，能把貨物提升到任意一層；貨叉伸縮為z-z方向，能存取貨物。
（3）金屬結(jié)構(gòu)件除應(yīng)滿足強(qiáng)度和剛度要求外，還要有較高的制造和安裝精度。
（4）采用專(zhuān)門(mén)的叉取貨物的裝置，常用多節(jié)伸縮貨叉或貨板機(jī)構(gòu)。
（5）各電氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)同時(shí)滿足快速、平穩(wěn)和準(zhǔn)確的要求。
（6）為保證人生和設(shè)備的安全，堆垛機(jī)必須配備有硬件及軟件的安全保護(hù)裝置，控制系統(tǒng)應(yīng)具有一系列連鎖保護(hù)措施。此外，在電氣柜上設(shè)置報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)堆垛機(jī)出現(xiàn)故障或探測(cè)器發(fā)現(xiàn)異常情況發(fā)出報(bào)警。
2.3 堆垛機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)
機(jī)架是堆垛機(jī)的主要承載構(gòu)件，主要由立柱和上、下橫梁聯(lián)接而成。通常有單柱式和矩形框架式。按支承方式，又可分為安裝在貨架上的上部支承式和安裝在地面上的下部支承式。不論哪種型式都帶有伸縮貨叉和人工駕駛室（有時(shí)也沒(méi)有）。立柱上附加導(dǎo)軌，使載貨臺(tái)沿導(dǎo)軌上下升降，同時(shí)還能夠靠地上和頂上的導(dǎo)軌保持走行穩(wěn)定和支持貨叉伸出進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)的翻轉(zhuǎn)彎矩。
在機(jī)架上安裝有升降、走行等機(jī)械裝置，以及配置有電氣控制開(kāi)關(guān)、安全保護(hù)裝置等。下部支承式的集中放在機(jī)架的下部。
由于載貨臺(tái)與貨物對(duì)單立柱的力矩作用，以及走行時(shí)起動(dòng)、制動(dòng)及加減速產(chǎn)生的水平慣性力的作用，對(duì)立柱會(huì)產(chǎn)生動(dòng)、靜方面的影響。機(jī)架在通道的縱向發(fā)生撓曲，整個(gè)機(jī)架成為振動(dòng)體，其柱端的振動(dòng)較大。同樣，在通道的直角方向，立柱由于貨叉作業(yè)時(shí)的彎矩作用而發(fā)生彎曲，使伸長(zhǎng)的伸縮叉的前端的撓度增大。當(dāng)柱端振動(dòng)和貨叉前端的撓度一超過(guò)極限，就成為堆垛機(jī)自動(dòng)定位的障礙，所以機(jī)架應(yīng)滿足足夠的強(qiáng)度和剛度要求
本次設(shè)計(jì)中采取立柱下部支承式，采用優(yōu)質(zhì)鋼材焊接而成牢固結(jié)構(gòu)。當(dāng)拼裝成型后必須調(diào)整立柱的垂直度，以補(bǔ)償在貨架頂部載貨時(shí)造成立柱的彈性變形。[1]
2.4 堆垛機(jī)起升機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)
為了使堆垛機(jī)上貨物的存取機(jī)構(gòu)做升降運(yùn)動(dòng)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)升降機(jī)構(gòu)，用以滿足該功能要求。起升機(jī)構(gòu)主要包括：電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器、卷筒、柔性件、導(dǎo)軌組成。起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)是通過(guò)減速裝置使卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，使柔性件卷入卷筒，柔性件機(jī)通過(guò)架立柱頂部的定滑輪與載貨臺(tái)相連，因此柔性件牽引載貨臺(tái)上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的貨格位置時(shí)，制動(dòng)器動(dòng)作，使載貨臺(tái)平穩(wěn)、準(zhǔn)確地停住。
2.4.1 柔性件的選取
在堆垛機(jī)的起升機(jī)構(gòu)里需要靠柔性件來(lái)來(lái)起吊貨物。目前，起重機(jī)常用的柔性件主要有鋼絲繩和鏈條。鋼絲繩與鏈條相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：強(qiáng)度高、承載能力大，彈性好，能承受較大的沖擊；自重較輕；工作可靠，在破斷以前，外面的鋼絲先斷裂和松散。因此容易發(fā)現(xiàn)和更換，安全可靠，及少驟然折斷；成本較低；高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工作平穩(wěn)、無(wú)噪音等。綜上所述，通過(guò)分析比較，設(shè)計(jì)中確定選用鋼絲繩作為起升機(jī)構(gòu)的柔性件。
2.4.2 卷筒的選取
為了卷繞和容納鋼絲繩，通過(guò)對(duì)鋼絲繩的收放，需要設(shè)置卷筒裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。在起重機(jī)械中，主要采用圓柱形的鋼絲繩卷筒。按鋼絲繩在卷筒卷繞層數(shù)的不同可有以下兩種備選方案。
方案一：?jiǎn)螌泳砝@卷筒
方案二：多層卷繞卷筒
方案對(duì)比：?jiǎn)螌泳砝@卷筒表面通常切有螺旋形繩槽，鋼絲繩依次排列其內(nèi)，繩槽節(jié)距比鋼絲繩直徑稍大，繩槽半徑比鋼絲繩半徑梢大，這樣增了鋼絲繩與卷筒的接觸面積，防止卷繞過(guò)程中相鄰鋼絲繩間的相互摩擦。從而可以延長(zhǎng)鋼絲繩的使用壽命。但當(dāng)起升重物量增加，需要較長(zhǎng)的鋼絲繩時(shí)，卷筒的長(zhǎng)度和直徑都將有所增加。多層卷繞卷筒雖可以減少卷筒的長(zhǎng)度，但由于鋼絲繩所受的擠壓力大，相互摩擦力大，使鋼絲繩的壽命降低。此外，如果卷筒卷速不變，由于鋼絲繩每層卷繞半徑不等，鋼絲繩的卷繞速度或作用卷筒上的外力矩就隨卷繞層數(shù)變化，運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)不平穩(wěn)。
綜上所述，結(jié)合堆垛機(jī)具體使用場(chǎng)合和性能要求，本設(shè)計(jì)中選擇單層卷繞圓柱形卷繞卷筒。
2.4.3 電動(dòng)機(jī)的選取
一般工廠里都有交流電網(wǎng)提供三相交流電，其成本低，啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速方便，機(jī)械活動(dòng)范圍廣，故選取電動(dòng)機(jī)作為起升機(jī)構(gòu)的原動(dòng)機(jī)。按電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)不同可有以下兩種備選方案。[2]
方案一：繞線式異步電機(jī)
方案二：鼠籠式異步電機(jī)
方案對(duì)比 ：繞線式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻可以調(diào)節(jié)，因此起動(dòng)電流不是很大，通常不會(huì)超過(guò)額定電流的2—2.5倍，而且也便于調(diào)速。鼠籠式異步電機(jī)的構(gòu)造簡(jiǎn)單，操縱方便，價(jià)格也較便宜，但起動(dòng)電流較大，達(dá)到額定電流的4—6倍，調(diào)速性能差，不能承受較頻繁的起動(dòng)，通常只用在起動(dòng)不頻繁、功率較小的工作機(jī)構(gòu)中。根據(jù)具體工作環(huán)境，堆垛機(jī)的啟動(dòng)負(fù)載大，啟動(dòng)、制動(dòng)、換向頻繁，要求有較高的工作穩(wěn)定性。
綜合以上兩種方案的對(duì)比，本設(shè)計(jì)中選用允許有較大振動(dòng)和沖擊，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，過(guò)載能力大的YZR系列繞線型起重用三相異步電動(dòng)機(jī)。
2.4.4 減速器的選取
在電動(dòng)機(jī)和卷筒之間需要設(shè)計(jì)一個(gè)傳動(dòng)裝置用以傳遞運(yùn)動(dòng)和作用，并藉以改變運(yùn)動(dòng)的形式、速度大小和轉(zhuǎn)矩的大小。本設(shè)計(jì)中采用減速器作為起升機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。
(1) 傳動(dòng)方式的選擇
起重機(jī)械中常有以下四種備選方案。
方案一：二級(jí)圓柱齒輪減速器
方案二：蝸輪減速器
方案三：行星齒輪減速器
方案對(duì)比：二級(jí)圓柱齒輪減速器效率高，功率范圍大，現(xiàn)已標(biāo)準(zhǔn)化，因而使用范圍普遍；蝸輪減速器雖然結(jié)構(gòu)尺寸小，傳動(dòng)比較大，重量輕，但效率低，壽命較短，在長(zhǎng)期連續(xù)使用時(shí)就顯得不經(jīng)濟(jì)，一般只用于小型起重機(jī)；行星齒輪減速器的結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比也較大，但價(jià)格比較昂貴。
綜上所述，從產(chǎn)品的成本、性能和具體使用場(chǎng)合考慮，本設(shè)計(jì)中選取二級(jí)圓柱齒輪減速器。
(2) 輸出（入）軸的配置
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)輸出（入）軸有以下四種備選方案。
方案一：展開(kāi)式。
特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但齒輪相對(duì)與軸承的位置不對(duì)稱(chēng)，因此要求軸有較大的剛度，高速級(jí)齒輪布置在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)矩輸入端，這樣，軸在轉(zhuǎn)矩作用下產(chǎn)生的扭矩變形和軸在彎矩作用下產(chǎn)生的彎曲變形可部分的相互抵消，以減緩沿齒寬分布不均勻的現(xiàn)象。用于載荷比較平穩(wěn)的場(chǎng)合，高速級(jí)一般做成斜齒，低速級(jí)一般做成直齒。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。
方案二：分流式
特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但由于齒輪相對(duì)于軸承對(duì)稱(chēng)布置，與展開(kāi)式相比載荷沿齒寬分布均勻，軸承受載較均勻。適用于變載荷的場(chǎng)合。高速級(jí)一般用斜齒，低速級(jí)可用直齒或人字齒。
方案三：同軸式
特點(diǎn)：減速器橫向尺寸較小，兩對(duì)齒輪浸入油中深度大致相同，但軸向尺寸和重量都較大，且中間軸較長(zhǎng)，剛度差，沿齒寬載荷分布不均勻，高速軸的承載能力難于充分利用。
方案四：同軸分流式
特點(diǎn)：每對(duì)嚙合齒輪僅傳遞全部載荷的一半，輸入軸和輸出軸只承受轉(zhuǎn)矩，中間軸只承受全部載荷的一半，故與傳遞同樣功率的其他減速器相比，軸頸尺寸可以縮小。
綜上所述，對(duì)比四種方案的特點(diǎn)，從堆垛機(jī)本身的工作場(chǎng)合考慮，本設(shè)計(jì)最終確定選用展開(kāi)式二級(jí)圓柱齒輪減速器。
(3) 輸入、輸出端的形式
輸入端采用帶專(zhuān)用聯(lián)軸器的輸入軸，輸出軸為空心軸，用聯(lián)軸器與卷筒相連。
(4) 潤(rùn)滑方式的選擇
因?yàn)榻蜐?rùn)滑具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，潤(rùn)滑可靠，成本較低的優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)中采用浸油潤(rùn)滑的潤(rùn)滑方式。
2.4.5 制動(dòng)器的選取
堆垛機(jī)在工作過(guò)程中，為了使存取的重物的升降運(yùn)動(dòng)能夠停止或者支持重物并使其保持在空中，需要在起升機(jī)構(gòu)中設(shè)置一個(gè)制動(dòng)器來(lái)保證堆垛機(jī)工作的安全性和可靠性以及實(shí)際工作特點(diǎn)的要求。一般規(guī)定，提升裝置的制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)為相當(dāng)于額定載重量的貨物被吊起時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩值的1.5倍以上。[3]
通常情況，制動(dòng)器按其構(gòu)造形式可有以下三種備選方案。
方案一：帶式制動(dòng)器
方案二：塊式制動(dòng)器
方案三：盤(pán)式制動(dòng)器
方案對(duì)比：帶式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，制動(dòng)力矩較大，但是制動(dòng)時(shí)軸上產(chǎn)生較大的彎曲載荷，制動(dòng)帶磨損不均勻；塊式制動(dòng)器工作可靠，兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的瓦塊磨損均勻，制動(dòng)力矩大小與旋轉(zhuǎn)方向無(wú)關(guān)，制動(dòng)輪軸不受彎曲作用。但缺點(diǎn)是制動(dòng)力矩較小，與帶式制動(dòng)器相比其結(jié)構(gòu)尺寸較大；盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)平穩(wěn)，制動(dòng)輪軸不受彎曲作用，可用較小的軸向壓力產(chǎn)生較大的制動(dòng)力矩，使堆垛機(jī)的機(jī)構(gòu)布置很緊湊，目前應(yīng)用也比較廣泛。
綜上所述，也同時(shí)為了滿足升降機(jī)構(gòu)必須要有足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，本設(shè)計(jì)中選用常閉盤(pán)式制動(dòng)器。
2.5 堆垛機(jī)行走機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)
要滿足堆垛機(jī)能夠在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的貨架巷道里來(lái)回穿梭運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)貨物的存取要求，需要設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)。主要包括：電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器、行走車(chē)輪。
2.5.1 驅(qū)動(dòng)方式的選取
方案一：地面驅(qū)動(dòng)式
行走機(jī)構(gòu)安裝在下橫梁上，行走軌道鋪設(shè)在地面上，堆垛機(jī)靠下部的車(chē)輪支承和驅(qū)動(dòng)，上部的導(dǎo)向輪用以防止堆垛機(jī)的傾倒或擺動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)在于：驅(qū)動(dòng)裝置由于裝在下橫梁上，容易保養(yǎng)維護(hù)，使用方便。起重范圍大，應(yīng)用比較廣泛，適合于各種高度的立體倉(cāng)庫(kù)。
方案二：上部驅(qū)動(dòng)式
該驅(qū)動(dòng)方式又可分為懸掛式和支承式兩種結(jié)構(gòu)形式。行走機(jī)構(gòu)安裝在堆垛機(jī)門(mén)架的上部，在地面上也沒(méi)有導(dǎo)軌，使門(mén)架下部的導(dǎo)軌以一定的間隙夾持在導(dǎo)軌的兩側(cè)，從而防止堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的擺動(dòng)和傾斜，其升降裝置也安裝在門(mén)架的上部。這種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)在于：在設(shè)計(jì)機(jī)架（即：金屬結(jié)構(gòu)）時(shí)，可不考慮橫向的彎曲強(qiáng)度，鋼結(jié)構(gòu)的自重可以減輕，加減速時(shí)的慣性和擺動(dòng)小，穩(wěn)定靜止所需的時(shí)間就短。但是由于行走、升降等驅(qū)動(dòng)裝置都安裝在堆垛機(jī)上部，保養(yǎng)、檢查與維修必須在高空作業(yè)，既不方便也不安全，而且立體倉(cāng)庫(kù)的屋頂要承擔(dān)堆垛機(jī)的全部移動(dòng)載荷重，從而增加了屋頂結(jié)構(gòu)和貨架的重量。
綜合以上兩種方案的對(duì)比，結(jié)合設(shè)計(jì)題目的要求，本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)型式采用“下部支承地面驅(qū)動(dòng)型”。[4]
2.5.2 車(chē)輪的的設(shè)計(jì)
為使堆垛機(jī)能夠在軌道上平穩(wěn)運(yùn)行，因此必須依靠車(chē)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)動(dòng)。
通常，車(chē)輪的形式有帶輪緣和無(wú)輪緣兩種。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中將采用貨叉作業(yè)，這樣將會(huì)產(chǎn)生啃軌現(xiàn)象。嚴(yán)重時(shí)使車(chē)輪與軌道劇烈磨損，并且大大增加附加載荷，使堆垛機(jī)運(yùn)行扭擺。發(fā)出響聲，影響其正常工作，甚至出現(xiàn)開(kāi)不動(dòng)和脫軌現(xiàn)象。因此，在設(shè)計(jì)中，在下軌道上設(shè)置圓柱形（無(wú)輪緣）車(chē)輪（設(shè)計(jì)2個(gè)行走輪），并在下軌道側(cè)面安裝2個(gè)側(cè)面導(dǎo)向輪。上軌道設(shè)置2個(gè)有輪緣車(chē)輪作為導(dǎo)向輪，從而保證堆垛機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
2.5.3 電動(dòng)機(jī)的選取
本設(shè)計(jì)中，行走機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)確定選用允許有較大振動(dòng)和沖擊，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，過(guò)載能力大的YZR系列繞線型起重用三相異步電動(dòng)機(jī)。
2.5.4 減速器的選取
從堆垛機(jī)本身的工作場(chǎng)合考慮，本設(shè)計(jì)最終確定選用展開(kāi)式一級(jí)圓柱齒輪減速器。
2.5.5 制動(dòng)器的選取
堆垛機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，為了滿足能夠減速停車(chē)的要求，需要在運(yùn)行機(jī)構(gòu)中設(shè)置一個(gè)制動(dòng)器以便控制制動(dòng)力矩的大小，從而實(shí)現(xiàn)其功能。同時(shí)考慮堆垛機(jī)能平穩(wěn)工作，本設(shè)計(jì)中確定選用盤(pán)式常開(kāi)式制動(dòng)器。在走行方面的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩值的大小一般為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的100%即可。
2.6 軌道的設(shè)計(jì)與安裝
本設(shè)計(jì)采用地面驅(qū)動(dòng)式，需要設(shè)計(jì)上、下軌道來(lái)支承起堆垛機(jī)的全部自重，并能使堆垛機(jī)在其上順利運(yùn)行。目前，常用的軌道主要有以下三種：起重機(jī)鋼軌、鐵路鋼軌和方鋼。綜合堆垛機(jī)的具體工作場(chǎng)合和性能要求（剛度強(qiáng)度的要求），并進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查進(jìn)行成本考慮，上軌道可采用工字鋼，其具有良好的抗彎強(qiáng)度，常選用含C、Mn較高的鋼材軋制而成。下軌道可采用鐵路鋼軌中的輕軌，常選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。其頂部做成凸?fàn)畹模撞烤哂幸欢▽挾?，具有良好的抗彎?qiáng)度。
堆垛機(jī)軌道安裝的好壞直接影響到堆垛機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。常用的安裝方法有：
壓板固定法、鉤形螺桿固定、焊接和螺栓聯(lián)用固定。軌道的接頭采用焊接方式，其順序是由上而下，先軌底后軌腰、軌頭，逐層逐道進(jìn)行堆焊，最后修補(bǔ)周?chē)?。焊接時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題：
1）在施焊前，固定鋼軌接頭時(shí)，2根鋼軌端頭之間所留間隙是上寬下窄，以軌底間隙為準(zhǔn)，一般控制在15—18mm之間。
2）當(dāng)鋼軌端頭焊接完成后，應(yīng)采取熱處理來(lái)消除其應(yīng)力，可以用氣焊噴嘴圍繞軌頭、軌腰、軌底反復(fù)進(jìn)行加熱。[5]
2.7 堆垛機(jī)的控制裝置
自動(dòng)運(yùn)行的堆垛機(jī)控制系統(tǒng)必須具有行走控制、升降控制、位置控制、速度控制、貨叉控制、安全保護(hù)功能、自我診斷故障的功能等多種控制功能。[6]
(1) 位置功能
位置控制就是確定堆垛機(jī)停止在作業(yè)位置的功能。
自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)一般都采用高層貨架結(jié)構(gòu)，以X、Y、Z坐標(biāo)表示貨架的行、列、段的方向，用三維坐標(biāo)表示貨物的位置。為了自動(dòng)確定位置，也就是為了在某一位置發(fā)出減速指令使堆垛機(jī)減速，在規(guī)定位置發(fā)出停機(jī)信號(hào)，就必須檢測(cè)現(xiàn)在的位置。本設(shè)計(jì)中位置的檢測(cè)可由在個(gè)坐標(biāo)軸上按一定的間隔裝設(shè)的傳感器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。
(2 ) 速度控制
速度控制包括對(duì)提高作業(yè)效率有關(guān)的高速度,防止貨物倒塌以及不致于使堆垛機(jī)發(fā)生沖擊的加速度和減速度,以及為便于高精度定位的最終穩(wěn)定微速度等的速度控制。
(3) 貨叉控制
根據(jù)堆垛機(jī)出庫(kù)和入庫(kù)作業(yè),伸縮貨叉向左側(cè)或右側(cè)進(jìn)行叉取操作的順序控制功能。
(4) 全保護(hù)裝置
堆垛機(jī)的立柱高度達(dá)2米，載貨臺(tái)的升降速度也達(dá)到20m/min，而載貨臺(tái)是沿堆垛機(jī)立柱的導(dǎo)軌上下運(yùn)行的承載結(jié)構(gòu)，上有貨叉機(jī)構(gòu)、駕駛室等。為了保證堆垛機(jī)正常工作，確保操作人員的人身和貨物的安全，其上必須配備完善的安全保護(hù)裝置。本設(shè)計(jì)中設(shè)置以下幾種保護(hù)裝置:
1) 機(jī)貨叉上、下限自動(dòng)停止保護(hù)
在堆垛機(jī)貨叉在進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，不能超過(guò)導(dǎo)軌的上端和下端極限。因此可以在上下端各設(shè)置一個(gè)限位開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。
2) 載貨臺(tái)負(fù)荷限制
在載貨臺(tái)超載時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)并切斷起升機(jī)構(gòu)動(dòng)力。當(dāng)載貨臺(tái)被托住，鋼絲繩松弛時(shí)，也會(huì)發(fā)出停止運(yùn)動(dòng)的報(bào)警信號(hào)并切斷動(dòng)力。因此可設(shè)置熱繼電器來(lái)作為檢測(cè)裝置，再安裝一個(gè)蜂鳴器作為警報(bào)提示。
3) 駕駛室的安全保護(hù)
為確保駕駛室里操作人員的人身安全，駕駛室門(mén)安全與否非常重要?？稍O(shè)置一個(gè)限位開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)為使堆垛機(jī)能夠在軌道上平穩(wěn)運(yùn)行，因此必須依靠車(chē)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)動(dòng)。
4) 速度轉(zhuǎn)換裝置
當(dāng)堆垛機(jī)走到軌道的某一位置時(shí)應(yīng)以高、中、低速 的某一速度行進(jìn)時(shí)，就需要通過(guò)速度裝換裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。本設(shè)計(jì)中可以設(shè)置一個(gè)接近開(kāi)關(guān).
5) 貨叉保護(hù)裝置
其功能,若發(fā)現(xiàn)不安全則堆垛機(jī)就會(huì)完全停止工作.
6) 貨叉保護(hù)裝置
堆垛機(jī)在進(jìn)行工作過(guò)程中，為了確保當(dāng)貨叉伸縮到一定位置時(shí)就回自動(dòng)停止，可設(shè)置一個(gè)機(jī)械制動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。
7) 載貨臺(tái)斷繩保護(hù)裝置
當(dāng)鋼絲發(fā)生繩斷裂時(shí)，能夠自動(dòng)可靠的將載貨臺(tái)停止，避免溜車(chē)或墜車(chē)事故的發(fā)生。因此對(duì)這種安全保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)要求是靈敏度高、作用可靠、沖擊小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)中采取連桿凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能要求。一旦鋼絲繩斷裂，彈簧通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)使凸輪卡在升降機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌里阻止載貨臺(tái)墜落。正常工作時(shí)，提桿平衡載貨臺(tái)及其上貨物的質(zhì)量，彈簧處于壓縮狀態(tài)，凸輪與升降機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌分離。
第三章 堆垛機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 機(jī)架立柱的尺寸設(shè)計(jì)
堆垛機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如下：
Q—上梁及附件重量；
Q—貨臺(tái)、貨物、附件及搭乘人員的總重量；
Q—電氣控制盤(pán)的重量；
Q—卷?yè)P(yáng)裝置的重量；
q—柱的單位長(zhǎng)度的平均重量；
L—立柱的高度；
E—彈性模量，（依材料而定）；
—許用應(yīng)力；
堆垛機(jī)的立柱應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠龋虼?，為解決該類(lèi)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)中按強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)設(shè)計(jì)截面尺寸。設(shè)計(jì)時(shí)，初取橫截面的長(zhǎng)、寬之比為b：h=1：2，初選截面為矩形的鋼管作為立柱材料。堆垛機(jī)的受力分析如圖（3-1）所示。[7]
圖3-1 立柱受力分析圖
立柱可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁來(lái)計(jì)算，立柱的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：
= 式（3.1）
自重引起的彎矩
載荷（包括Q，Q，Q，Q）引起的彎矩
++
因此立柱中央截面的總彎矩 M總= Mq+=5.95+118.9=124.85 KN.m
抗彎截面系數(shù)
= 式（3.2）
將（3.2）式帶入（3.1）式得：
3.2 機(jī)架的上、下橫梁設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)時(shí)初選槽鋼(高*腿長(zhǎng)*腰厚)，截面面積=28.83，單位長(zhǎng)度重量=22.63kg/m， ，q=22.637kg/m。
對(duì)其進(jìn)行剛度校核，上、下橫梁應(yīng)滿足剛度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
——許用轉(zhuǎn)角；
將上、下橫梁簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁進(jìn)行計(jì)算
滿足剛度要求，因此最終確定選用槽鋼。
第四章 堆垛機(jī)伸縮貨叉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 伸縮貨叉的撓度與強(qiáng)度
伸縮貨叉各尺寸表示如圖4-1所示：
圖4-1 伸縮貨叉的結(jié)構(gòu)尺寸
所設(shè)計(jì)的貨叉是指貨叉插入貨架中的部分，應(yīng)以厚度盡量薄，同時(shí)貨叉前端的擾度控制在最小，作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
貨叉各參數(shù)如下：
W：載荷
I，I，I：分別為固定叉、中間叉、上叉的重力方向的慣性矩
E：材料的彈性模量
4.1.1 下叉的受力分析計(jì)算
如圖4-2所示
圖4-2 下叉受力分析圖
進(jìn)行受力分析時(shí)，在AC段內(nèi)取距A端為x的任意截面為研究對(duì)象，則該截面上產(chǎn)生的反力P=W l/b
ax l時(shí)的彎矩方程為：
用積分法求得起其轉(zhuǎn)角為：
=-dx=-[+(x-a)] 式 (4.1)
撓度為：
=x-[+(x-a)] 式 (4.2)
當(dāng)x= 0時(shí)，A端的截面轉(zhuǎn)角
(+b) 式(4.3)
當(dāng)x=l時(shí)，將式（3）代入式（2）和式（1）中，分別算得在c點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角和撓度。
4.1.2 中叉的受力分析計(jì)算
如圖4-3所示：因載荷W的作用，在b間產(chǎn)生反力P，P，
圖4-3 中叉受力分析圖
進(jìn)行受力分析時(shí)，在BF段內(nèi)取距左端為x的任意截面為研究對(duì)象
當(dāng)時(shí)，可算得其轉(zhuǎn)矩方程為：
用積分法算出其轉(zhuǎn)角為：
==+ 式(4.4)
撓度為：
++ 式(4.5)
當(dāng) x=b時(shí)，B端的截面轉(zhuǎn)角
式(4.6)
當(dāng)x=b時(shí)，將式（4.6）代入式（4.4）和式（4.5）中，分別算得此段的轉(zhuǎn)角和撓度
如圖4-4所示：將b段作為剛性，c點(diǎn)作為固定端（即視為懸臂梁）考慮，并設(shè)由于W在中叉產(chǎn)生的反力為和，而由這些反力作用在貨叉前端產(chǎn)生的擾度為分別為和。
圖4-4 中叉受力分析圖
轉(zhuǎn)矩方程為：
M=(x-d)+x
以固定端E視為坐標(biāo)原點(diǎn)，算得：
以固定端D視為坐標(biāo)原點(diǎn)，算得：
用積分法算出其撓度為：
當(dāng)x=l時(shí)，代入式（4.7）算得：
[(e+d)-e(l-d)]
= 式（4.8）
當(dāng)x=l時(shí), 代入式（4.8）算得：
[-e(l-d)+(e+d)l]
所以。
4.1.3 上叉的設(shè)計(jì)分析計(jì)算
載荷W在d區(qū)間產(chǎn)生的反力有P, P，在E點(diǎn)的傾斜角為，撓度為，受力分析如圖4-5所示：
圖4-5 上叉受力分析圖
轉(zhuǎn)矩方程為：
用積分法算出其轉(zhuǎn)角為：
==+ 式(4.9)
撓度為：
=+x+ 式(4.10)
當(dāng)x=d時(shí)，D端的截面轉(zhuǎn)角
式(4.11)
當(dāng)x=d時(shí)，將式（4.11）代入式（4.9）和式（4.10）中，分別算得此段的轉(zhuǎn)角和撓度：
(ll)
因此，設(shè)載貨臺(tái)和立柱為剛性時(shí)，伸縮貨叉工作的總擾度為
總=++++
第五章 堆垛機(jī)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1 行走機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的選取
行走機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)所需的功率為可按下式計(jì)算：
（KW） 式（5.1）
式中 —行走阻力；v—行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度
—行走機(jī)構(gòu)的總效率，一般可取0.85-0.95
由上式可知，現(xiàn)須確定行走阻力的大小，可按下式計(jì)算：
（N） 式（5.2）
式中 —堆垛機(jī)的額定起重量和自重之和；
—軸承摩擦系數(shù)，查表選取0.1；
f—車(chē)輪滾動(dòng)阻力系數(shù)，查表選取0.3；
D—車(chē)輪直徑；
d—軸徑；
—阻力摩擦系數(shù)，查表選取1.5；
將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（5.2）中，算得：=2005N，并將其結(jié)果帶入式（5.1），最后算得所需電動(dòng)機(jī)的功率P=2.9KW，因此選擇型號(hào)為Y112M，轉(zhuǎn)速為1440r/min，額定功率為4KW，效率為90%且490%=3.6，可選。
5.2 行走機(jī)構(gòu)減速器的選取
行走機(jī)構(gòu)中的減速器可根據(jù)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比從標(biāo)準(zhǔn)中選用。[9]
行走機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比由下式確定：
式（5.7）
式中 —電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速；—車(chē)輪的轉(zhuǎn)速
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（5.7）中算得：
可選取減速器的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)為ZDY160（低速級(jí)中心距為160）。
5.3行走機(jī)構(gòu)聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器的具體規(guī)格根據(jù)載荷情況、計(jì)算轉(zhuǎn)矩、軸直徑和工作轉(zhuǎn)速來(lái)選擇。計(jì)算轉(zhuǎn)矩有下式確定：
式（5.8）
==
工作情況系數(shù)取2.3，則2.319.23=44.24
由設(shè)計(jì)手冊(cè)選取彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器TL8。它的許用轉(zhuǎn)矩為710，半聯(lián)軸器材料為鋼時(shí)，許用轉(zhuǎn)速為3000r/min。
第六章 堆垛機(jī)升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
6.1升降機(jī)構(gòu)零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算
6.1.1 鋼絲繩的計(jì)算
起升機(jī)構(gòu)中鋼絲繩的直徑按最大靜載荷來(lái)確定。
鋼絲繩中最大靜拉力可根據(jù)式（6.1）來(lái)確定：
（N） 式（6.1）
式中， —最大起升載荷（其中包括貨叉和附件重量）；
—滑輪組倍率，根據(jù)公式算得a為2；
—滑輪組總效率；
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（6.1）中估算得鋼絲繩中最大靜拉力=875N
可根據(jù)式（6.2）確定鋼絲繩的直徑：
（mm） 式（6.2）
式中， —鋼絲繩最小直徑；
C—與工作級(jí)別有關(guān)的選擇系數(shù)，本設(shè)計(jì)中選取0.093
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（6.2）中算得=2.75mm，故選擇鋼絲繩直徑為3mm。
6.1.2 卷筒的相關(guān)尺寸計(jì)算
卷筒的直徑可根據(jù)式（6.3）進(jìn)行計(jì)算：
式（6.3）
式中， —卷筒的最小卷繞直徑；
h—與工作級(jí)別有關(guān)的選擇系數(shù)，本設(shè)計(jì)中選取14；
d—鋼絲繩的直徑；
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（6.3）中算得：
38.5mm。設(shè)計(jì)中取=40mm。
卷筒的壁厚可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（6.4）進(jìn)行計(jì)算：
式（6.4）
=0.0240+8
9mm
6.2升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置的選取
6.2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
要將載貨臺(tái)、貨物、附件及搭乘人員以20m/min的速度提升時(shí)，所選取的電動(dòng)機(jī)的功率可根據(jù)式（6.6）進(jìn)行計(jì)算：
式（6.6）
式中 —最大起升載荷（其中包括貨叉和附件重量）；
V—起升速度，設(shè)計(jì)中選取20m/min；
—機(jī)構(gòu)總效率，設(shè)計(jì)中取0.9；
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（6.6）中算得：P=0.73KW
再根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別、作業(yè)特點(diǎn)以及電動(dòng)機(jī)的工作特性，所選擇的電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)滿足式（6.7）：
（KW） 式（6.7）
式中 —電動(dòng)機(jī)的額定功率；
—穩(wěn)態(tài)負(fù)載平均系數(shù)，查表選取該值為0.80；
代入相關(guān)數(shù)據(jù)算得：電動(dòng)機(jī)的額定功率=0.584W
由此，選擇型號(hào)為Y90S，額定功率為1.1KW，轉(zhuǎn)速為1440r/min，效率為92%，且1.192%=1.012>0.584KW，可選。
6.2.2 減速器的選擇
升降機(jī)構(gòu)中的減速器可根據(jù)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比從標(biāo)準(zhǔn)中選用。
升降機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比由下式確定：
式(6.8)
式中 —電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速；—卷筒的轉(zhuǎn)速
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（6.8）中算得：=32
可選取減速器的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)為ZLY180（低速級(jí)中心距為180）。
第七章 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
由上一章我們已經(jīng)了解了堆垛機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)中重要部件的組成原理，以及其機(jī)械保護(hù)裝置。但是僅僅知道這些還是不夠的，堆垛機(jī)要想在人不直接參與的情況下對(duì)指定的貨物進(jìn)行存取作業(yè)，還需要控制元器件以及相關(guān)程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制和約束。機(jī)械部件和控制系統(tǒng)的元器件在其正常工作過(guò)程中就像軀體和思想靈魂的關(guān)系一樣，密不可分，缺一不可。
堆垛機(jī)正常工作的目的，是對(duì)指定的貨物進(jìn)行定向的存取，然而在眾多貨格中能夠正常工作，這就需要堆垛機(jī)有能夠確認(rèn)貨格地址的功能，即堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的認(rèn)址、尋址。而堆垛機(jī)準(zhǔn)確的行走到貨格前，叉車(chē)對(duì)貨物進(jìn)行精準(zhǔn)的存取，這就需要堆垛機(jī)有能夠準(zhǔn)確停車(chē)的功能，即堆垛機(jī)的定位。
7.1堆垛機(jī)的位置檢測(cè)
自動(dòng)控制的堆垛機(jī)必須具有自動(dòng)認(rèn)址系統(tǒng)。自動(dòng)認(rèn)址系統(tǒng)可分為數(shù)字式和非數(shù)字式兩大類(lèi)，而數(shù)字式認(rèn)址又可分為相對(duì)數(shù)字認(rèn)址系統(tǒng)和絕對(duì)數(shù)字認(rèn)址系統(tǒng)。
1．相對(duì)數(shù)字認(rèn)址系統(tǒng)。每個(gè)貨格都有一個(gè)層號(hào)以及一個(gè)列號(hào)。當(dāng)操作人員將貨格的地址輸入的時(shí)候，計(jì)數(shù)器就記下了所輸入地址的列數(shù)和層數(shù)。從中減去堆垛機(jī)在接受這個(gè)作業(yè)命令時(shí)所處位置的列數(shù)和層數(shù)后，其差值就分別代表堆垛機(jī)從目前所處位置走到目的地址需沿巷道縱長(zhǎng)方向經(jīng)過(guò)的列數(shù)和沿垂直方向經(jīng)過(guò)的層數(shù)。堆垛機(jī)沿巷道運(yùn)行時(shí)，每經(jīng)過(guò)1個(gè)貨列就計(jì)1個(gè)數(shù)。計(jì)夠了一定的數(shù)（離目的地的距離）就減速，到達(dá)了目的地就停止。在貨臺(tái)升降時(shí)，也用同樣的方法認(rèn)址。
2．絕對(duì)數(shù)字認(rèn)址系統(tǒng)。每一個(gè)貨位的列數(shù)和層數(shù)分別用編碼表示。堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)就用相應(yīng)的檢測(cè)裝置，對(duì)標(biāo)號(hào)牌進(jìn)行讀數(shù)，檢測(cè)所在的實(shí)際地址，然后送入地址運(yùn)算程序與目的地址比較。當(dāng)其差值為一定數(shù)值時(shí)即進(jìn)行減速，差值為零時(shí)，發(fā)出機(jī)構(gòu)停止的信號(hào)。
3．非數(shù)字式認(rèn)址系統(tǒng)。在每個(gè)貨格前裝一個(gè)發(fā)號(hào)元件（如干簧管）。當(dāng)堆垛機(jī)來(lái)到目的地址前時(shí)，磁場(chǎng)使堆垛機(jī)上的檢測(cè)元件動(dòng)作，堆垛機(jī)即能確認(rèn)已到了目的地址。
在本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)中我們采用絕對(duì)數(shù)字認(rèn)址系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的定位。
在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們?cè)谒椒较虿捎脙蓪?duì)光電開(kāi)關(guān)和認(rèn)址擋板的組合來(lái)進(jìn)行定位。
兩對(duì)光電開(kāi)關(guān)之間的距離為180mm，擋光板的長(zhǎng)度為200mm。運(yùn)行時(shí)，前面的光電開(kāi)關(guān)用來(lái)計(jì)數(shù)，一般的情況下是快速運(yùn)行，當(dāng)計(jì)數(shù)到位后(即第一個(gè)光電管被擋光,距準(zhǔn)確位置還有190mm)減速到慢速，再以慢速向前繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)后面的光電開(kāi)關(guān)被擋光后剎車(chē)定位。此種方法的定位精度為±10mm。允許最高速度為400m/ min。此種定位方法的優(yōu)點(diǎn)是：在運(yùn)行到位前，堆垛機(jī)是以較高的速度來(lái)接近目的地址，當(dāng)?shù)诙?duì)光電開(kāi)關(guān)被擋光后，再由慢速剎車(chē)定位，慢速運(yùn)行的時(shí)間可通過(guò)改變加速度的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。
堆垛機(jī)的縱向定位我們也采用光電開(kāi)關(guān)和認(rèn)址擋板組合定位，低位為放貨完畢收叉或取貨開(kāi)始伸叉的位置，髙位為取貨完畢收叉或放貨開(kāi)始伸叉的位置。為了保證貨叉能完成作業(yè)，堆垛機(jī)在垂直方向上必須要提供使貨叉能停在高位或低位的檢測(cè)裝置。所以在堆垛機(jī)的升降臺(tái)上安裝三個(gè)光電開(kāi)關(guān)，與升降臺(tái)一起上升下降，中間的一個(gè)共用，其他兩個(gè)分別為上位置和下位置。存貨開(kāi)始或取貨結(jié)束時(shí)，升降臺(tái)貨叉停在髙位置，下面兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)；取貨開(kāi)始或存貨結(jié)束時(shí)，貨叉停在低位置，此時(shí)上面兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)處于認(rèn)址片內(nèi)。
圖7-1 縱向認(rèn)址
在堆垛機(jī)運(yùn)行控制功能上，堆垛機(jī)的認(rèn)址是非常重要的部分。我們采用光電開(kāi)關(guān)和認(rèn)知擋板來(lái)實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)在運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中的定位。
首先自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)3×3的貨格當(dāng)中以6個(gè)認(rèn)址設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)9個(gè)貨格的編號(hào)。橫向認(rèn)址設(shè)備我們分別放在堆垛機(jī)的軌道和滑輪（堆垛機(jī)移動(dòng)）附近，來(lái)實(shí)現(xiàn)貨格列數(shù)的編號(hào)，而縱向排數(shù)的編號(hào)我們則將認(rèn)址設(shè)備分別放在縱向立柱及滑軌之上。
堆垛機(jī)收到信號(hào)，從入口（原零點(diǎn)）開(kāi)始向目標(biāo)貨格進(jìn)軍，在橫向上，當(dāng)堆垛機(jī)前光電開(kāi)關(guān)接觸到認(rèn)址擋板時(shí)計(jì)數(shù)，當(dāng)前光電開(kāi)關(guān)接觸到目標(biāo)貨格的認(rèn)址擋板時(shí)，計(jì)數(shù)器動(dòng)作并開(kāi)始減速，當(dāng)后光電開(kāi)關(guān)也接觸到目標(biāo)認(rèn)址擋板時(shí)，發(fā)出停車(chē)信號(hào)，堆垛機(jī)停止運(yùn)行。
在縱向，以上光電開(kāi)關(guān)接觸到認(rèn)址擋板為計(jì)數(shù)信號(hào)，在取貨定位時(shí)則以上光電開(kāi)關(guān)接觸到目標(biāo)認(rèn)址擋板，使得計(jì)數(shù)器開(kāi)始動(dòng)作并且堆垛機(jī)開(kāi)始減速，以光電開(kāi)關(guān)上對(duì)準(zhǔn)（上光電開(kāi)關(guān)和中光電開(kāi)關(guān)都接觸到認(rèn)址擋板）作為停車(chē)信號(hào)。而在存貨定位時(shí)，也是以上光電開(kāi)關(guān)接觸到目標(biāo)認(rèn)址擋板，使得計(jì)數(shù)器開(kāi)始動(dòng)作并且堆垛機(jī)開(kāi)始減速，以光電開(kāi)關(guān)下對(duì)準(zhǔn)（下光電開(kāi)關(guān)和中光電開(kāi)關(guān)都接觸到認(rèn)址擋板）作為停車(chē)信號(hào)。而光電開(kāi)關(guān)的上、下對(duì)準(zhǔn)時(shí)堆垛機(jī)所行走的路程為堆垛機(jī)伸叉后提降貨物的行程。
7.2 光電傳感器選擇
在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，光電開(kāi)關(guān)主要用于堆垛機(jī)的位置檢測(cè)和認(rèn)址以及對(duì)貨格有無(wú)貨物進(jìn)行檢測(cè)的重要檢測(cè)部件。
光電開(kāi)關(guān)有很多種類(lèi)型，按照檢測(cè)方式可分為漫反射式、對(duì)射式、鏡面反射式和槽式光電開(kāi)關(guān)四種類(lèi)型。
1．漫反射式光電開(kāi)關(guān)
漫反射光電開(kāi)關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，將光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開(kāi)關(guān)是首選的檢測(cè)模式。如圖7-2為漫反射原理圖。
圖7-2 漫反射原理圖
2．鏡反射式光電開(kāi)關(guān)
鏡反射式光電開(kāi)關(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)反射鏡，反射回接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)且完全阻斷光線時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。如圖7-3為鏡反射式光電開(kāi)關(guān)。
圖7-3 鏡反射式光電開(kāi)關(guān)
3．對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)
對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器。當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體是不透明時(shí)，對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)是最可靠的檢測(cè)模式。
圖7-4 對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)
4.槽式光電開(kāi)關(guān)
槽式光電開(kāi)關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。槽式光電開(kāi)關(guān)比較安全可靠的適合檢測(cè)高速變化，分辨透明與半透明物體。
圖7-5 槽式光電開(kāi)關(guān)
在本設(shè)計(jì)中貨格貨物檢測(cè)我們采用漫反射式光電開(kāi)關(guān)。認(rèn)址系統(tǒng)我們采用鏡反射式光電開(kāi)關(guān)。
7.3 變頻器的選擇
變頻器的結(jié)構(gòu)及工作原理
變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源。
現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。
變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、再次整流(直流變交流)、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成的。
變頻器的類(lèi)型繁多，目前市場(chǎng)上主流變頻器的基本結(jié)構(gòu)為：
圖7-6 變頻器的基本結(jié)構(gòu)
在本設(shè)計(jì)中，我選用三菱FR－A540型全數(shù)字變頻器，它具有磁通矢量控制、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償、負(fù)載轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)等先進(jìn)功能，以最大限度地提高電機(jī)功率因數(shù)和電機(jī)效率，特別適合交流感性類(lèi)負(fù)載頻繁變化的場(chǎng)合。另外，F(xiàn)R－A540變頻器的起動(dòng)、制動(dòng)具有可任意調(diào)節(jié)的S曲線和零頻仍可輸出150%力矩的特點(diǎn)，控制精度可達(dá)0.01～0.02%，使得電機(jī)運(yùn)行情況好。它可自學(xué)習(xí)所配電機(jī)的各個(gè)參數(shù)，精確控制任何品牌的電機(jī)。采用高性能IGBT，載波頻率20KHZ，從而使變頻器輸出一個(gè)不失真的正弦流波形，使電機(jī)始終運(yùn)行于靜噪音狀態(tài)。
FR－A540變頻器的特點(diǎn)如下：
1. 包括電流矢量控制在內(nèi)的四種控制方式均實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。
2. 有豐富的內(nèi)藏與選擇功能。
3. 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積小。
4. 保護(hù)功能完善、維修性能好。
在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用低壓型FR－A540型變頻器變頻的輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路采用交－直－交電路。
PLC的選型
在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們首先應(yīng)該確定的就是控制方案，接下來(lái)就是PLC的選型。在進(jìn)行設(shè)計(jì)選型時(shí)我們要重點(diǎn)參考工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求。因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。
1．輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算
I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%～20%的可擴(kuò)展。余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。根據(jù)估算的方法故本課題的I/O點(diǎn)數(shù)為輸入40點(diǎn)，輸出21點(diǎn)。
2．存儲(chǔ)器容量的估算
存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶(hù)應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶(hù)應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代。
存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒(méi)有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。因此本課題的PLC內(nèi)存容量選擇應(yīng)能存儲(chǔ)5000條梯形圖，這樣才能在以后的改造過(guò)程中有足夠的空間。
3．控制功能的選擇
該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。
4．PLC的選擇
（1）PLC的類(lèi)型
FX2系列可編程控制器主機(jī)分為16、24、32、64、80、128點(diǎn)六檔，還有各種輸入和輸出擴(kuò)展單元，這樣在增加I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)，不必改變機(jī)型，可以通過(guò)擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)，降低了經(jīng)濟(jì)投入。本課題設(shè)計(jì)的立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)有輸入信號(hào)40個(gè)，輸出信號(hào)21個(gè)。其中，外部輸入元件包括：檢測(cè)元件、按鈕、取、送、急停、限位開(kāi)關(guān)、超限位保護(hù)等等；輸出有三個(gè)方向上三相異步電動(dòng)機(jī)的正反向、動(dòng)作指示、錯(cuò)誤顯示等等。按照上述配置，所選I/O點(diǎn)不得低于61點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，所選I/O點(diǎn)為80點(diǎn)。因此我所選型號(hào)為FX2N-80MR。
（2）經(jīng)濟(jì)性的考慮
選擇PLC時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比?？紤]經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。
輸入輸出點(diǎn)數(shù)對(duì)價(jià)格有直接影響。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲(chǔ)器容量相應(yīng)增加，因此，點(diǎn)數(shù)的增加對(duì)CPU選用、存儲(chǔ)器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。本課題所設(shè)計(jì)的立體倉(cāng)庫(kù)屬于小型控制系統(tǒng)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性的考慮因此選擇整體型PLC。
根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的立體倉(cāng)庫(kù)其輸入點(diǎn)數(shù)為40點(diǎn)、輸出點(diǎn)數(shù)為21點(diǎn)，所以選擇三菱FX2N-80MR。
PLC對(duì)變頻器的控制
隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速已經(jīng)發(fā)展到今天的變頻器調(diào)速時(shí)代。并且在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)在工業(yè)控制系統(tǒng)中，以PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制最為常見(jiàn)。本次設(shè)計(jì)采用PLC通過(guò)RS485通訊實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。
本方法是PLC主機(jī)上裝RS-485BD通訊適配器與變頻器的485PU口相連接，通過(guò)PLC和變頻器之間的RS485半雙工串行通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。
PLC和變頻器之間的RS-485協(xié)議
PLC和變頻器之間進(jìn)行通訊，通訊規(guī)格必須在變頻器的初始化中設(shè)定，如果沒(méi)有進(jìn)行設(shè)定或有一個(gè)錯(cuò)誤的設(shè)定，數(shù)據(jù)將不能進(jìn)行通訊。且每次參數(shù)設(shè)定后，需復(fù)位變頻器。確保參數(shù)的設(shè)定生效。
該過(guò)程分5個(gè)階段：1. 計(jì)算機(jī)發(fā)出通訊請(qǐng)求；2. 變頻器處理等待；3. 變頻器作出應(yīng)答；4. 計(jì)算機(jī)處理等待；5. 計(jì)算機(jī)作出應(yīng)答。
根據(jù)不同的通訊要求完成相應(yīng)的過(guò)程，如寫(xiě)變頻器啟、?？刂泼顣r(shí)則只需完成1-3三個(gè)過(guò)程；監(jiān)視變頻器運(yùn)行頻率時(shí)則需完成1-5五個(gè)過(guò)程。不論是寫(xiě)數(shù)據(jù)還是讀數(shù)據(jù)，均有PLC發(fā)出請(qǐng)求，變頻器只是被動(dòng)接受請(qǐng)求并作出應(yīng)答。
本設(shè)計(jì)采用PLC輸出的開(kāi)關(guān)量控制的變頻器調(diào)速。
實(shí)現(xiàn)方法：PLC的輸出點(diǎn)、COM點(diǎn)直接與變頻器的STF(正轉(zhuǎn)啟動(dòng))、STR(反轉(zhuǎn)啟動(dòng))、RH(高速)、RM(中速)、RL(低速)、REX、輸入端SG等端口分別相連接。PLC通過(guò)程序即可以控制變頻器的啟動(dòng)、停止； 也可以控制變頻器高速、中速、低速端子的不同組合實(shí)現(xiàn)多段速度運(yùn)行。
變頻器參數(shù)設(shè)置：操作模式Pr.79=2（外部模式）；基本參數(shù)：上限頻率Pr.1=40Hz；下限頻率Pr.2=20Hz；點(diǎn)動(dòng)頻率Pr.13=30Hz；Pr.7=2s(加速時(shí)間)；Pr.8=2s(減速時(shí)間)；Pr.9=電動(dòng)機(jī)的額定電流x100%（根據(jù)所用電動(dòng)機(jī)的額定電流大小設(shè)定）=69
根據(jù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的性能，在堆垛機(jī)水平方向和垂直方向以及貨叉方向上我們采用三相異步電動(dòng)機(jī)采用泰安伊萬(wàn)福電機(jī)有限公司生產(chǎn)的Y2系列Y2-632-2型電機(jī)，額定功率300W，額定電流0.69A，額定電壓380V， 額定頻率50Hz， 轉(zhuǎn)速2720r/min，功率因數(shù)0.81。
通訊方案的確定
為了使堆垛機(jī)在無(wú)人直接參與的情況下對(duì)其進(jìn)行控制，必須對(duì)堆垛機(jī)傳輸運(yùn)轉(zhuǎn)和作業(yè)的信息。一條指令執(zhí)行結(jié)束之后，堆垛機(jī)須向地面發(fā)送確認(rèn)信號(hào)，然后才能執(zhí)行下一條指令。堆垛機(jī)傳輸信息的順序是：首先堆垛機(jī)接受的作業(yè)信息是從什么地方取貨，而后再把它存放在哪個(gè)貨格。堆垛機(jī)控制盤(pán)在收到作業(yè)信息之后向地面控制盤(pán)發(fā)出響應(yīng)信息。堆垛機(jī)根據(jù)作業(yè)信息進(jìn)行作業(yè)。作業(yè)完了之后，向地面發(fā)出“作業(yè)結(jié)束”信息。這樣把一系列作業(yè)進(jìn)行完了之后，成為等待下一個(gè)作業(yè)信息的待機(jī)狀態(tài)。
串行通信中最常用的物理層協(xié)議為RS-232C和RS-485。本文采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)。主要基于以下兩點(diǎn)考慮：
1．RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)只能用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，而RS-485能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。RS-485允許平衡電纜上連接32個(gè)發(fā)送器/接收器。立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)要求監(jiān)控系統(tǒng)和3臺(tái)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)連接，要求物理層的協(xié)議必須支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。
2．RS-485采用差動(dòng)發(fā)送/接收，所以共模抑制比高，抗干擾能力強(qiáng)。立體倉(cāng)庫(kù)的工作環(huán)境較惡劣，熱、電、磁等干擾信號(hào)較多，要求通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力較強(qiáng)，才能保證數(shù)據(jù)的正確接收。RS-485標(biāo)準(zhǔn)除上述優(yōu)點(diǎn)外，還具有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
由于PLC帶有串行通信接口，只需用RS-485總線分別連接到計(jì)算機(jī)即可，可見(jiàn)系統(tǒng)的構(gòu)建十分簡(jiǎn)單當(dāng)需要增加新設(shè)備時(shí)，只需要將新設(shè)備也連接到計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)的擴(kuò)展也較容易。為了利用計(jì)算機(jī)帶有的RS-232接口與下層的各個(gè)模塊通信，在計(jì)算機(jī)上需要安裝232-485轉(zhuǎn)換器。
在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)中選用Modbus通訊協(xié)議作為其通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。Modbus通訊協(xié)議是Modicon公司設(shè)計(jì)的一種適用于工業(yè)控制的主從結(jié)構(gòu)式串口