堆垛機及控制系統(tǒng)設計（全套含CAD圖紙）

1摘 要本文詳細論述了普遍應用在現(xiàn)代大中型企業(yè)中的單立柱有軌巷道式堆垛機的設計方案。文中對堆垛機的分類，特點及其構(gòu)造進行了詳細的敘述。堆垛機是自動化立體倉庫中最重要的起重堆垛設備，是隨著立體倉庫的出現(xiàn)而發(fā)展起來的專用起重機。它能夠在自動化立體倉庫的巷道中來回穿梭運行，將放置在巷道口的貨物存入指定的貨格，或者從貨格中取出貨物運送到巷口。設計重點主要包括：堆垛機的機架、升降機構(gòu)、行走機構(gòu)、貨叉伸縮機構(gòu)以及安全機構(gòu)。文章在確定堆垛機的總體設計方案的前提下，再對各個機構(gòu)進行受力分析和設計計算，最后進行必要的相關(guān)校核并最終確定各個的機構(gòu)實際取值。本次的設計運用多種起重機的現(xiàn)代設計方法，特別是運用計算機輔助設計（CAD）的方法，在計算機上將堆垛機的設計圖紙 CAD 化，大大提高了設計的效率，節(jié)省時間。關(guān)鍵詞：自動化立體倉庫；堆垛機；升降機構(gòu)；行走機構(gòu)；貨叉伸縮機構(gòu)；安全機構(gòu) 2AbstractThis article has discussed the design of the single-pillar type of Narrow-Aisle Stacker Crane which has been universally used in modern most enterprises in detail. This article described the kinds of stakers, features and the structure in detail. Stacker cranes is the most important part of the automation three-dimensional storehouse among the take heavy crane pile up equipment, it can in the tunnel of automation cube in the shuttle operation of round trip, will locate in tunnel the goods of mouth stock goods shelf; or opposite take out the goods transit in goods shelf go to tunnel mouth. The design focus mainly include: The stacker's rack, walk organization, fork telescoping mechanism and safe organization. Under the premise of overall design scheme of stacking crane, then for organization analyze by force condition calculate. Finally, check nuclear necessarily and definite every numerical.This Graduation Design use many kinds of Modern Designs of the crane, especially to use the method of Computer-aided design(CAD),Stackers will be the design drawings of the CAD on the computer, which greatly improve the efficiency of the design and saving time.Keywords: Automation three-dimensional storehouse Stacker Crane Movement organization Walk organization Fork telescoping mechanism Safe organization3目 錄第一章 緒論 ...................................................................................................................................11.1 研究背景及意義 ..................................................................................................................11.2 研究的內(nèi)容及設計思路 ......................................................................................................11.2.1 主要設計內(nèi)容 ...............................................................................................................11.2.2 設計要求 .......................................................................................................................21.3 研究的發(fā)展趨勢 ..................................................................................................................21.4 堆垛機所受載荷的簡化方法 ..............................................................................................2第二章 堆垛機的整體結(jié)構(gòu)設計方案 ...........................................................................................42.1 堆垛機結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)組成 ..............................................................................................42.2 單立柱有軌巷道式堆垛機的特點 ......................................................................................52.3 堆垛機的機架結(jié)構(gòu) ..............................................................................................................52.4 堆垛機起升機構(gòu)的整體設計 ..............................................................................................62.4.1 柔性件的選取 ...............................................................................................................62.4.2 卷筒的選取 ...................................................................................................................62.4.3 電動機的選取 ...............................................................................................................72.4.4 減速器的選取 ...............................................................................................................72.4.5 制動器的選取 ...............................................................................................................82.5 堆垛機行走機構(gòu)的整體設計 ..............................................................................................92.5.1 驅(qū)動方式的選取 ...........................................................................................................92.5.2 車輪的的設計 .............................................................................................................102.5.3 電動機的選取 .............................................................................................................102.5.4 減速器的選取 .............................................................................................................102.5.5 制動器的選取 .............................................................................................................102.6 軌道的設計與安裝 ............................................................................................................102.7 堆垛機的控制裝置 ............................................................................................................11第三章 堆垛機機架的結(jié)構(gòu)設計計算 .........................................................................................133.1 機架立柱的尺寸設計 ........................................................................................................133.2 機架的上、下橫梁設計 ....................................................................................................14第四章 堆垛機伸縮貨叉機構(gòu)的設計計算 .................................................................................154.1 伸縮貨叉的擾度與強度 ....................................................................................................154.1.1 下叉的受力分析計算 ................................................................................................154.1.2 中叉的受力分析計算 .................................................................................................164.1.3 上叉的設計分析計算 .................................................................................................184第五章 堆垛機行走機構(gòu)的設計計算 .........................................................................................195.1 行走機構(gòu)電動機的選取 ....................................................................................................195.2 堆垛機行走輪的設計計算 ................................................................................................195.3 行走機構(gòu)減速器的選取 ....................................................................................................20第六章 堆垛機升降機構(gòu)的設計計算 .........................................................................................216.1 升降機構(gòu)零部件的設計計算 ............................................................................................216.1.1 鋼絲繩的計算 .............................................................................................................216.1.2 卷筒的相關(guān)尺寸計算 .................................................................................................216.2 升降機構(gòu)傳動裝置的選取 ................................................................................................226.2.1 電動機的選擇 .............................................................................................................226.2.2 減速器的選擇 .............................................................................................................22第七章 堆垛機控制系統(tǒng)的設計 .................................................................................................237.1 堆垛機的位置檢測 ............................................................................................................237.2 光電傳感器選擇 ................................................................................................................257.3 變頻器的選擇 ....................................................................................................................267.4 本章小結(jié) ............................................................................................................................31結(jié)論 ...............................................................................................................................................32致謝 ...............................................................................................................................................33參考文獻 .......................................................................................................................................345第一章 緒論隨著世界經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和科學技術(shù)的突飛猛進以及經(jīng)濟全球化的趨勢的加強，各國面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。在這種大形勢之下，現(xiàn)代物流作為工業(yè)化進程中最為經(jīng)濟合理的綜合服務模式和管理技術(shù)已被越來越多的企業(yè)所重視。隨著全球物流事業(yè)的快速發(fā)展，物流系統(tǒng)的進一步改善和合理性對優(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，自動化立體倉庫系統(tǒng)也越來越受到青睞。其核心設備—巷道堆垛起重機則是代表自動化立體倉庫的標志，對立體倉庫的出入庫效率有重要影響。本文從堆垛機的應用特點入手，著重就堆垛機的結(jié)構(gòu)設計進行初步的研究。1.1 研究背景及意義自動化立體倉庫作為現(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庫系統(tǒng)。它是在不直接進行人工干預的情況下由巷道堆垛機實現(xiàn)貨物的存儲和取出，整個過程由計算機網(wǎng)絡管理和自動控制系統(tǒng)完成。自動化立體倉庫最早誕生在美國，進入20 世紀 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)標志著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)步入了一個加速發(fā)展的階段。自動化倉庫技術(shù)的研究對優(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。堆垛機是自動化立體倉庫中最重要的其重堆垛設備，它能夠在倉庫巷道中來回穿梭運行，將位于巷道口的貨物存入貨格，或者從貨格里取出貨物運送到巷道口。我國于 1973 年開始研制，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前已建成 300 多座立體倉庫。目前我過的自動化倉庫技術(shù)已實現(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)達國家相比，存在著一定的差距。總結(jié)經(jīng)驗，查找不足，勇于創(chuàng)新，不斷交流改進，相信我們在該項技術(shù)的研究上一定回取得突破性的進展。1.2 研究的內(nèi)容及設計思路1.2.1 主要設計內(nèi)容（1）堆垛機的機架的設計計算；（2）堆垛機的貨叉伸縮機構(gòu)的設計計算；（3）堆垛機的行走機構(gòu)的設計計算；6（4）堆垛機的升降機構(gòu)的設計計算；（5）堆垛機的安全機構(gòu)的設計計算。1.2.2 設計要求 為使堆垛機能夠準確、快速、安全、自動搬運貨物出入庫 ，必須滿足以下設計要求：(1)具備三維運動功能，即堆垛機沿巷道來回水平運動、載貨臺垂直運動、貨叉沿貨架方向伸縮運動；(2)滿足一定的定位精度 ，重復定位精度誤差不能超過 10mm；(3)具備安全保護措施；(4)在滿足強度、剛度和可靠性的前提下，盡量減小堆垛機各部的　重量，以減小提升功率和行走時的摩擦阻力;(5)保護倉庫環(huán)境，避免貨物污染受損?！?.3 研究的發(fā)展趨勢以品種多、數(shù)量少、頻率高供給方式下的物流環(huán)境為背景，對于自動化立體倉庫的效能提出了越來越高的要求。早期的堆垛機，在橋式起重機的起重小車上懸掛一個門柱，利用貨叉在立柱上的上下運動及立柱的旋轉(zhuǎn)運動來搬運貨物，通常稱之為橋式堆垛機。但通常由于立柱高度的限制，橋式堆垛機的作業(yè)高度不能太高，而巷道堆垛機沿貨架倉庫巷道內(nèi)的軌道運行，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，提高自動化立體倉庫的利用率，它適用于各種高度的高層貨架倉庫，可以實現(xiàn)半自動、全自動和遠距離高集中控制。日本大福公司于 1999 年在巷道堆垛機主體的高速化上下功夫，開發(fā)了 AS21 模式。AS21 模式是以高效率動作為基礎，在高效能化（縮短循環(huán)時間）方面引用的一個概念，使巷道堆垛機的高效能化技術(shù)得到了大幅度的提升。1.4 堆垛機所受載荷的簡化方法堆垛機的機架有立柱、上下梁組成，整機結(jié)構(gòu)高而窄。堆垛機工作時，將受到載貨臺、貨物的鉛垂作用，行走、制動和加減速的水平慣性力作用以及起吊時的沖擊載荷作用；某些特殊環(huán)境下，還要受到風力的作用。堆垛機每完成一個工作循環(huán)，以上載荷將重復出現(xiàn)一次。因次，堆垛機所受的是交替變化的載荷。為了保證堆垛機安全可靠的工7作，其鋼結(jié)構(gòu)部分的強度與剛度計算是必不可少的。在此，就堆垛機所受載荷簡化的基本方法作一一說明。1）起重重量 PL 實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的動載沖擊作用，則設計起重重量 LPS???式中， 稱為沖擊系數(shù)，與堆垛機分類有關(guān)：(見表 1-1)?I 類 II 類 III 類 IV 類1.?1.25?1.41.6?表 1-1 堆垛機分類工作時間載荷 長 中 短輕 I Ⅰ Ⅱ中 I Ⅱ Ⅲ重 II Ⅲ Ⅳ2）水平載荷 SH堆垛機沿水平方向加減速行走或制動時，其自身質(zhì)量及起重質(zhì)量必然會產(chǎn)生與其加速度有關(guān)的水平慣性力。即 ，式中， 稱為動載荷系數(shù)，由于加速度的不確定LS????性，一般用額定速度 v 來確定。水平行走時 0.5??3）風力載荷 SW風力載荷 SW 為風壓力 q 與受風面積的乘機，即 ，堆垛機工作時，風壓力WSqA??，非工作狀態(tài)，風壓力 ，式中，h 為吊具高度，單位取 mm。4172.qh? 418.?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，這時的沖擊載荷很大，設計時應另行考慮。5）載荷狀態(tài)堆垛機工作時，其承載能力是上述各種載荷與自重 的不同組合：GSA 正常工作狀態(tài)： ()GLHMS???B 特殊工作狀態(tài)： WSC 起升工作狀態(tài)：S G + SL + SH8D 停止：S G + SW以上各式中，M 稱為作業(yè)系數(shù)，與堆垛機的分類有關(guān)：I 類 M=1.0； II 類 M=1.05； III 類 M=1.1；IV 類 M=1.20第二章 堆垛機的整體結(jié)構(gòu)設計方案參考國內(nèi)外有關(guān)堆垛機廠家的分類和型號，結(jié)合堆垛機的具體工作環(huán)境，本次設計的單立柱有軌巷道式堆垛機主要用于起重量在 15kg，起升高度在 0.8 米的自動化立體倉庫里，采用此設備便于實現(xiàn)倉庫的綜合機械化、自動化。2.1 堆垛機結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)組成堆垛機結(jié)構(gòu)主要有三個機構(gòu)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖(2-1)所示：圖 2-1 單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)圖（1）升降機構(gòu)有電動機、制動器、減速器、卷筒、鋼絲繩及防落安全裝置組成。升降機構(gòu)的工作速度一般控制在 15~25m/min，最高可達 45m/min，設計時選取 20m/min.(2) 行走機構(gòu)有電動機、聯(lián)軸器、制動器、減速器和行走輪組成。在其頂部設置導向輪沿固定在貨架上弦的上軌道導行。下軌道設置兩個行走輪沿敷設在地面上的單軌運行。為防止堆垛機出現(xiàn)脫軌或側(cè)翻現(xiàn)象，在其車輪兩側(cè)裝有側(cè)面導向輪。行走機構(gòu)的工作速度依據(jù)巷道長度和物料出入庫頻率而定，正常工作速度控制在 50~100m/min，最高可達到 180m/min，設計時選取 80m/min。本堆垛機將采用交流變頻調(diào)速方式。(在交流異步9電動機的諸多調(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，運行效率高。（3）貨叉伸縮機構(gòu)是堆垛機的取放物料裝置，它有上叉、中間叉、固定叉、滾動齒輪等組成。貨叉伸縮機構(gòu)的工作速度控制在 15m/min，最高可達 30m/min，設計時選取10m/min。2.2 單立柱有軌巷道式堆垛機的特點由于使用場合的限制，本單立柱巷道式堆垛機在結(jié)構(gòu)和性能方面具有以下幾個特點：（1）由于機架采用單立柱結(jié)構(gòu)，整機重量小，結(jié)構(gòu)緊湊，作業(yè)時，駕駛員的視野較好，但由于載貨臺和貨物對單立柱的幾何力矩作用可能會造成立柱的扭曲和變形，使整機剛性較差。（2）本堆垛機沿著巷道天地軌運行，其作業(yè)具有三個方向動作。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)件除應滿足強度和剛度要求外，還要有較高的制造和安裝精度。（4）采用專門的叉取貨物的裝置，常用多節(jié)伸縮貨叉或貨板機構(gòu)。（5）各電氣傳動機構(gòu)應同時滿足快速、平穩(wěn)和準確的要求。（6）為保證人生和設備的安全，堆垛機必須配備有硬件及軟件的安全保護裝置，控制系統(tǒng)應具有一系列連鎖保護措施。此外，在電氣柜上設置報警系統(tǒng)，當堆垛機出現(xiàn)故障或探測器發(fā)現(xiàn)異常情況發(fā)出報警。2.3 堆垛機的機架結(jié)構(gòu)機架是堆垛機的主要承載構(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（有時也沒有） 。立柱上附加導軌，使載貨臺沿導軌上下升降，同時還能夠靠地上和頂上的導軌保持走行穩(wěn)定和支持貨叉伸出進行裝卸作業(yè)時的翻轉(zhuǎn)彎矩。在機架上安裝有升降、走行等機械裝置，以及配置有電氣控制開關(guān)、安全保護裝置等。下部支承式的集中放在機架的下部。由于載貨臺與貨物對單立柱的力矩作用，以及走行時起動、制動及加減速產(chǎn)生的水10平慣性力的作用，對立柱會產(chǎn)生動、靜方面的影響。機架在通道的縱向發(fā)生撓曲，整個機架成為振動體，其柱端的振動較大。同樣，在通道的直角方向，立柱由于貨叉作業(yè)時的彎矩作用而發(fā)生彎曲，使伸長的伸縮叉的前端的撓度增大。當柱端振動和貨叉前端的撓度一超過極限，就成為堆垛機自動定位的障礙，所以機架應滿足足夠的強度和剛度要求本次設計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)。當拼裝成型后必須調(diào)整立柱的垂直度，以補償在貨架頂部載貨時造成立柱的彈性變形。 [1]2.4 堆垛機起升機構(gòu)的整體設計為了使堆垛機上貨物的存取機構(gòu)做升降運動，需要設計一個升降機構(gòu)，用以滿足該功能要求。起升機構(gòu)主要包括：電動機、減速器、制動器、卷筒、柔性件、導軌組成。起升機構(gòu)的運轉(zhuǎn)是通過減速裝置使卷筒轉(zhuǎn)動，使柔性件卷入卷筒，柔性件機通過架立柱頂部的定滑輪與載貨臺相連，因此柔性件牽引載貨臺上升，當?shù)竭_指定的貨格位置時，制動器動作，使載貨臺平穩(wěn)、準確地停住。2.4.1 柔性件的選取在堆垛機的起升機構(gòu)里需要靠柔性件來來起吊貨物。目前，起重機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)點在于：強度高、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；高速運轉(zhuǎn)時工作平穩(wěn)、無噪音等。綜上所述，通過分析比較，設計中確定選用鋼絲繩作為起升機構(gòu)的柔性件。2.4.2 卷筒的選取為了卷繞和容納鋼絲繩，通過對鋼絲繩的收放，需要設置卷筒裝置來實現(xiàn)該功能。在起重機械中，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：單層卷繞卷筒方案二：多層卷繞卷筒方案對比：單層卷繞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，防止卷繞過程中相鄰鋼絲繩間的相互摩擦。從而可以延長鋼絲繩的使用壽命。但當起升11重物量增加，需要較長的鋼絲繩時，卷筒的長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，運轉(zhuǎn)起來不平穩(wěn)。綜上所述，結(jié)合堆垛機具體使用場合和性能要求，本設計中選擇單層卷繞圓柱形卷繞卷筒。2.4.3 電動機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、制動、調(diào)速方便，機械活動范圍廣，故選取電動機作為起升機構(gòu)的原動機。按電動機轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)不同可有以下兩種備選方案。 [2]方案一：繞線式異步電機方案二：鼠籠式異步電機方案對比 ：繞線式異步電機的轉(zhuǎn)子電阻可以調(diào)節(jié)，因此起動電流不是很大，通常不會超過額定電流的 2—2.5 倍，而且也便于調(diào)速。鼠籠式異步電機的構(gòu)造簡單，操縱方便，價格也較便宜，但起動電流較大，達到額定電流的 4—6 倍，調(diào)速性能差，不能承受較頻繁的起動，通常只用在起動不頻繁、功率較小的工作機構(gòu)中。根據(jù)具體工作環(huán)境，堆垛機的啟動負載大，啟動、制動、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比，本設計中選用允許有較大振動和沖擊，轉(zhuǎn)動慣量小，過載能力大的 YZR 系列繞線型起重用三相異步電動機。2.4.4　減速器的選取在電動機和卷筒之間需要設計一個傳動裝置用以傳遞運動和作用，并藉以改變運動的形式、速度大小和轉(zhuǎn)矩的大小。本設計中采用減速器作為起升機構(gòu)的傳動裝置。(1) 傳動方式的選擇起重機械中常有以下四種備選方案。方案一：二級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比：二級圓柱齒輪減速器效率高，功率范圍大，現(xiàn)已標準化，因而使用范圍12普遍；蝸輪減速器雖然結(jié)構(gòu)尺寸小，傳動比較大，重量輕，但效率低，壽命較短，在長期連續(xù)使用時就顯得不經(jīng)濟，一般只用于小型起重機；行星齒輪減速器的結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比也較大，但價格比較昂貴。綜上所述，從產(chǎn)品的成本、性能和具體使用場合考慮，本設計中選取二級圓柱齒輪減速器。(2) 輸出（入）軸的配置根據(jù)機械設計手冊輸出（入）軸有以下四種備選方案。方案一：展開式。特點：結(jié)構(gòu)簡單，但齒輪相對與軸承的位置不對稱，因此要求軸有較大的剛度，高速級齒輪布置在遠離轉(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)的場合，高速級一般做成斜齒，低速級一般做成直齒。結(jié)構(gòu)簡單，應用廣泛。方案二：分流式特點：結(jié)構(gòu)復雜，但由于齒輪相對于軸承對稱布置，與展開式相比載荷沿齒寬分布均勻，軸承受載較均勻。適用于變載荷的場合。高速級一般用斜齒，低速級可用直齒或人字齒。方案三：同軸式特點：減速器橫向尺寸較小，兩對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，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：每對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，對比四種方案的特點，從堆垛機本身的工作場合考慮，本設計最終確定選用展開式二級圓柱齒輪減速器。(3) 輸入、輸出端的形式輸入端采用帶專用聯(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) 潤滑方式的選擇因為浸油潤滑具有結(jié)構(gòu)簡單，潤滑可靠，成本較低的優(yōu)點，因此本設計中采用浸油潤滑的潤滑方式。132.4.5 制動器的選取堆垛機在工作過程中，為了使存取的重物的升降運動能夠停止或者支持重物并使其保持在空中，需要在起升機構(gòu)中設置一個制動器來保證堆垛機工作的安全性和可靠性以及實際工作特點的要求。一般規(guī)定，提升裝置的制動器的制動轉(zhuǎn)矩應為相當于額定載重量的貨物被吊起時的最大轉(zhuǎn)矩值的 1.5 倍以上。 [3]通常情況，制動器按其構(gòu)造形式可有以下三種備選方案。方案一：帶式制動器方案二：塊式制動器方案三：盤式制動器方案對比：帶式制動器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，制動力矩較大，但是制動時軸上產(chǎn)生較大的彎曲載荷，制動帶磨損不均勻；塊式制動器工作可靠，兩個對稱的瓦塊磨損均勻，制動力矩大小與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)，制動輪軸不受彎曲作用。但缺點是制動力矩較小，與帶式制動器相比其結(jié)構(gòu)尺寸較大；盤式制動器制動平穩(wěn)，制動輪軸不受彎曲作用，可用較小的軸向壓力產(chǎn)生較大的制動力矩，使堆垛機的機構(gòu)布置很緊湊，目前應用也比較廣泛。綜上所述，也同時為了滿足升降機構(gòu)必須要有足夠的制動轉(zhuǎn)矩的要求，本設計中選用常閉盤式制動器。2.5 堆垛機行走機構(gòu)的整體設計 要滿足堆垛機能夠在自動化立體倉庫的貨架巷道里來回穿梭運行，實現(xiàn)貨物的存取要求，需要設計行走機構(gòu)。主要包括：電動機、減速器、制動器、行走車輪。2.5.1 驅(qū)動方式的選取方案一：地面驅(qū)動式行走機構(gòu)安裝在下橫梁上，行走軌道鋪設在地面上，堆垛機靠下部的車輪支承和驅(qū)動，上部的導向輪用以防止堆垛機的傾倒或擺動。這種驅(qū)動方式的優(yōu)點在于：驅(qū)動裝置由于裝在下橫梁上，容易保養(yǎng)維護，使用方便。起重范圍大，應用比較廣泛，適合于各種高度的立體倉庫。方案二：上部驅(qū)動式該驅(qū)動方式又可分為懸掛式和支承式兩種結(jié)構(gòu)形式。行走機構(gòu)安裝在堆垛機門架的上部，在地面上也沒有導軌，使門架下部的導軌以一定的間隙夾持在導軌的兩側(cè)，從而14防止堆垛機運行時產(chǎn)生的擺動和傾斜，其升降裝置也安裝在門架的上部。這種驅(qū)動方式的優(yōu)點在于：在設計機架（即：金屬結(jié)構(gòu)）時，可不考慮橫向的彎曲強度，鋼結(jié)構(gòu)的自重可以減輕，加減速時的慣性和擺動小，穩(wěn)定靜止所需的時間就短。但是由于行走、升降等驅(qū)動裝置都安裝在堆垛機上部，保養(yǎng)、檢查與維修必須在高空作業(yè)，既不方便也不安全，而且立體倉庫的屋頂要承擔堆垛機的全部移動載荷重，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比，結(jié)合設計題目的要求，本設計中的驅(qū)動型式采用“下部支承地面驅(qū)動型” 。 [4]2.5.2 車輪的的設計為使堆垛機能夠在軌道上平穩(wěn)運行，因此必須依靠車輪來實現(xiàn)這一運動。通常，車輪的形式有帶輪緣和無輪緣兩種。因為本設計中將采用貨叉作業(yè)，這樣將會產(chǎn)生啃軌現(xiàn)象。嚴重時使車輪與軌道劇烈磨損，并且大大增加附加載荷，使堆垛機運行扭擺。發(fā)出響聲，影響其正常工作，甚至出現(xiàn)開不動和脫軌現(xiàn)象。因此，在設計中，在下軌道上設置圓柱形（無輪緣）車輪（設計 2 個行走輪） ，并在下軌道側(cè)面安裝 2 個側(cè)面導向輪。上軌道設置 2 個有輪緣車輪作為導向輪，從而保證堆垛機的安全穩(wěn)定運行。2.5.3 電動機的選取本設計中，行走機構(gòu)的電動機確定選用允許有較大振動和沖擊，轉(zhuǎn)動慣量小，過載能力大的 YZR 系列繞線型起重用三相異步電動機。2.5.4 減速器的選取從堆垛機本身的工作場合考慮，本設計最終確定選用展開式一級圓柱齒輪減速器。2.5.5 制動器的選取堆垛機在運行過程中，為了滿足能夠減速停車的要求，需要在運行機構(gòu)中設置一個制動器以便控制制動力矩的大小，從而實現(xiàn)其功能。同時考慮堆垛機能平穩(wěn)工作，本設計中確定選用盤式常開式制動器。在走行方面的制動轉(zhuǎn)矩值的大小一般為電機額定轉(zhuǎn)矩的 100%即可。2.6 軌道的設計與安裝15本設計采用地面驅(qū)動式，需要設計上、下軌道來支承起堆垛機的全部自重，并能使堆垛機在其上順利運行。目前，常用的軌道主要有以下三種：起重機鋼軌、鐵路鋼軌和方鋼。綜合堆垛機的具體工作場合和性能要求（剛度強度的要求） ，并進行市場調(diào)查進行成本考慮，上軌道可采用工字鋼，其具有良好的抗彎強度，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。其頂部做成凸狀的，底部具有一定寬度，具有良好的抗彎強度。堆垛機軌道安裝的好壞直接影響到堆垛機的運行質(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，逐層逐道進行堆焊，最后修補周圍。焊接時應注意以下問題：1）在施焊前，固定鋼軌接頭時，2 根鋼軌端頭之間所留間隙是上寬下窄，以軌底間隙為準，一般控制在 15—18mm 之間。2）當鋼軌端頭焊接完成后，應采取熱處理來消除其應力，可以用氣焊噴嘴圍繞軌頭、軌腰、軌底反復進行加熱。 [5]2.7 堆垛機的控制裝置自動運行的堆垛機控制系統(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停止在作業(yè)位置的功能。自動化立體倉庫一般都采用高層貨架結(jié)構(gòu)，以 X、 Y、 Z 坐標表示貨架的行、列、段的方向，用三維坐標表示貨物的位置。為了自動確定位置，也就是為了在某一位置發(fā)出減速指令使堆垛機減速，在規(guī)定位置發(fā)出停機信號，就必須檢測現(xiàn)在的位置。本設計中位置的檢測可由在個坐標軸上按一定的間隔裝設的傳感器來進行檢測。(2 ) 速度控制速度控制包括對提高作業(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)堆垛機出庫和入庫作業(yè),伸縮貨叉向左側(cè)或右側(cè)進行叉取操作的順序控制功能。 (4) 全保護裝置16堆垛機的立柱高度達 2 米，載貨臺的升降速度也達到 20m/min，而載貨臺是沿堆垛機立柱的導軌上下運行的承載結(jié)構(gòu)，上有貨叉機構(gòu)、駕駛室等。為了保證堆垛機正常工作，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裝置。本設計中設置以下幾種保護裝置:1) 機貨叉上、下限自動停止保護在堆垛機貨叉在進行升降運動時，不能超過導軌的上端和下端極限。因此可以在上下端各設置一個限位開關(guān)來實現(xiàn)該功能。2) 載貨臺負荷限制在載貨臺超載時，發(fā)出報警信號并切斷起升機構(gòu)動力。當載貨臺被托住，鋼絲繩松弛時，也會發(fā)出停止運動的報警信號并切斷動力。因此可設置熱繼電器來作為檢測裝置，再安裝一個蜂鳴器作為警報提示。3) 駕駛室的安全保護為確保駕駛室里操作人員的人身安全，駕駛室門安全與否非常重要?？稍O置一個限位開關(guān)來檢測為使堆垛機能夠在軌道上平穩(wěn)運行，因此必須依靠車輪來實現(xiàn)這一運動。4) 速度轉(zhuǎn)換裝置當堆垛機走到軌道的某一位置時應以高、中、低速 的某一速度行進時，就需要通過速度裝換裝置來實現(xiàn)這一功能。本設計中可以設置一個接近開關(guān).5) 貨叉保護裝置其功能,若發(fā)現(xiàn)不安全則堆垛機就會完全停止工作.6) 貨叉保護裝置堆垛機在進行工作過程中，為了確保當貨叉伸縮到一定位置時就回自動停止，可設置一個機械制動器來實現(xiàn)該功能。7) 載貨臺斷繩保護裝置當鋼絲發(fā)生繩斷裂時，能夠自動可靠的將載貨臺停止，避免溜車或墜車事故的發(fā)生。因此對這種安全保護裝置的設計要求是靈敏度高、作用可靠、沖擊小、結(jié)構(gòu)簡單。本設計中采取連桿凸輪機構(gòu)來實現(xiàn)這一功能要求。一旦鋼絲繩斷裂，彈簧通過連桿機構(gòu)使凸輪卡在升降機構(gòu)的導軌里阻止載貨臺墜落。正常工作時，提桿平衡載貨臺及其上貨物的質(zhì)量，彈簧處于壓縮狀態(tài)，凸輪與升降機構(gòu)的導軌分離。17第三章 堆垛機機架的結(jié)構(gòu)設計計算3.1 機架立柱的尺寸設計堆垛機機架的設計計算參數(shù)如下：Q —上梁及附件重量；1Q —貨臺、貨物、附件及搭乘人員的總重量；2Q —電氣控制盤的重量；3Q —卷揚裝置的重量；4q—柱的單位長度的平均重量；L—立柱的高度；E—彈性模量， （依材料而定） ；—許用應力；[]?堆垛機的立柱應具有足夠的強度和適當?shù)膭偠?，因此，為解決該類問題，本設計中按強度設計準則來設計截面尺寸。設計時，初取橫截面的長、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化為簡支梁來計算，立柱的設計應滿足強度設計準則：= 式（3.1）max?WM?][18自重引起的彎矩 2160.195.68qMl KNm????載荷（包括 Q ， Q ， Q ， Q ） 引起的彎矩 1234+ +20hL?33hQL?441018.9hKNmL???因此立柱中央截面的總彎矩 M 總= M q+ =5.95+118.9=124.85 KN.m抗彎截面系數(shù)= 式（3.2）26bhW?3將（3.2）式帶入（3.1）式得： 33618.902bm??h?3.2 機架的上、下橫梁設計設計時初選槽鋼 (高*腿長*腰厚)，截面面積=28.83，單位長度重量2073?=22.63kg/m， ，q=22.63 7kg/m。486Icm?對其進行剛度校核，上、下橫梁應滿足剛度設計準則 ][max??——許用轉(zhuǎn)角；][將上、下橫梁簡化為簡支梁進行計算 324qlEI????滿足剛度要求，因此最終確定選用槽鋼 。70?19第四章 堆垛機伸縮貨叉機構(gòu)的設計計算4.1 伸縮貨叉的撓度與強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)尺寸所設計的貨叉是指貨叉插入貨架中的部分，應以厚度盡量薄，同時貨叉前端的擾度控制在最小，作為設計的目標。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123E：材料的彈性模量4.1.1 下叉的受力分析計算如圖 4-2 所示20圖 4-2 下叉受力分析圖進行受力分析時，在 AC 段內(nèi)取距 A 端為 x 的任意截面為研究對象，則該截面上產(chǎn)生的反力 P =W l /b 12a x l 時的彎矩方程為：?0 10()PbxMal??用積分法求得起其轉(zhuǎn)角為：= - dx= - [ +(x-a) ] 式 (4.1)1?0?xEI10?12Ip03lbx2撓度為：= x- [ +(x-a) ] 式 (4.2)01xMdI????01bIp03l3當 x= 0 時， A 端的截面轉(zhuǎn)角 ( +b) 式(4.3)1006paEI??l當 x=l 時，將式（3）代入式（2）和式（1）中，分別算得在 c 點處的轉(zhuǎn)角和撓度。001()6pablEI????103()6palI????4.1.2 中叉的受力分析計算如圖 4-3 所示：因載荷 W 的作用，在 b 間產(chǎn)生反力 P ，P ，12x圖 4-3 中叉受力分析圖21進行受力分析時，在 BF 段內(nèi)取距左端為 x 的任意截面為研究對象當 時，可算得其轉(zhuǎn)矩方程為：0lxa?21WlMPb?用積分法算出其轉(zhuǎn)角為：= = + 式(4.4)?dx?2lEI?0?撓度為：+ + 式(4.5)326WlIb?0?當 x=b 時， B 端的截面轉(zhuǎn)角式(4.6)20lEI?當 x=b 時，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223WlbI???223lbI????如圖 4-4 所示：將 b 段作為剛性，c 點作為固定端（即視為懸臂梁）考慮，并設由于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3P4 3?。 4?e2圖 4-4 中叉受力分析圖轉(zhuǎn)矩方程為：M= (x-d)+ x3P?4以固定端 E 視為坐標原點，算得： eWd?以固定端 D 視為坐標原點，算得： 4()?22用積分法算出其撓度為：當 x=l 時，代入式（ 4.7）算得：1[(e+d) -e(l -d) ]326WEId???31l2= 式（4.8）402xM??222()()]exdex???當 x=l 時 , 代入式（ 4.8）算得：1[-e(l -d) +(e+d)l ]42WEId???1221所以 。431()l?????4.1.3 上叉的設計分析計算載荷 W 在 d 區(qū)間產(chǎn)生的反力有 P , P ，在 E 點的傾斜角為 ，撓度為 ，受力分析34 5?5?如圖 4-5 所示：圖 4-5 上叉受力分析圖轉(zhuǎn)矩方程為： eWMxd?用積分法算出其轉(zhuǎn)角為：= = + 式(4.9)?x?23eEI?0?撓度為：= + x+ 式(4.10)36eWId0當 x=d 時，D 端的截面轉(zhuǎn)角式(4.11)03eEI??當 x=d 時，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：23(l l )53eWdEI???53eWdEI???1因此，設載貨臺和立柱為剛性時，伸縮貨叉工作的總擾度為總= + + + +12345第五章 堆垛機行走機構(gòu)的設計計算5.1 行走機構(gòu)電動機的選取行走機構(gòu)的電動機所需的功率為可按下式計算：（KW） 式（5.1）10jFvP??式中 —行走阻力；v—行走機構(gòu)的運行速度jF—行走機構(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，可按下式計算：（N） 式（5.2）fQj kDdGF???)2()(?式中 —堆垛機的額定起重量和自重之和；GFQ?—軸承摩擦系數(shù)，查表選取 0.1；?f—車輪滾動阻力系數(shù)，查表選取 0.3；D—車輪直徑；d—軸徑；—阻力摩擦系數(shù)，查表選取 1.5；fk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jF得所需電動機的功率 P=2.9KW，因此選擇型號為 Y112M，轉(zhuǎn)速為 1440r/min，額定功率為4KW，效率為 90%且 4 90%=3.6 ，可選。?2.9KW?5.2 行走機構(gòu)減速器的選取24行走機構(gòu)中的減速器可根據(jù)機構(gòu)的傳動比從標準中選用。 [9]行走機構(gòu)的傳動比由下式確定：式（5.7）mni?式中 —電動機額定轉(zhuǎn)速； —車輪的轉(zhuǎn)速mnn代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（5.7）中算得： 1406.