1、毕业设计堆垛机的结构设计管理资料1. 绪论11. 绪论近年来，随着企业生产与管理的不断提高，越来越多的企业认识到物流系统的改善与合理性对企业提高生产率、降低成本非常重要。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的起重堆垛设备。本文着重就堆垛机的结构设计进行初步研究。 研究背景及内容1. 1. 1 有轨巷道堆垛机的发展自动化立体仓库是现代物流中的重要组成部分，它是在不直接进行人工处理的情况下自动存取物料的系统，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。在20 世纪70 年代初期，我国开始研究采用有轨巷道式堆垛机(简称堆垛机)的立体仓库。1980 年我国第一座自动化立体仓库在北京汽
2、车制造厂投产，从此自动化立体仓库在我国得到了迅速发展。巷道堆垛机是自动化立体仓库中的核心物流设备，是随着自动化立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，它是仓库中使用最广泛的物料搬运设备，也是物流仓储系统的最重要设备，其用途是在自动化立体仓库的货架巷道间来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存入货格，或者相反取出货格内的货物运送到巷道口2。早期的堆垛机是在桥式起重机的起重小车上悬挂一个门架，利用货叉在立柱上的上下运动及立柱的旋转运动来搬运货物，通常称之为桥式堆垛机3。1960 年左右在美国出现了巷道堆垛机，这种堆垛机是在地面的导轨上行走，利用货架上部的导轨防止倾倒，或者相反，在上部导轨上行走，利用地面导
3、轨防止倾倒4随着立体仓库的发展，巷道堆垛机逐渐替代了桥式堆垛机。在口本从1967 年开始安装高度为25 米高度的堆垛机。随着计算机控制技术和自动化立体仓库的发展，堆垛机的应用越来越广泛，技术性能越来越好，高度也在不断增加，到1970 年实现了由货架支承的高度为40 米的堆垛机。堆垛机的运行速度也不断提高，目前堆垛机水平运行速度最高达200m/min(小载重量的堆垛机己达300m/min)，起升速度高达120m/min，货叉伸缩速度达50m/min 。1. 1. 2有轨巷道堆垛机的类型有轨巷道堆垛机可按其结构形式、支承方式和运行轨迹等进行分类，一般可分为以下几种类型:(1)按结构形式，分为双立柱
4、有轨巷道堆垛机和单立柱有轨巷道堆垛机：双立柱有轨巷道堆垛机双立柱有轨巷道堆垛机由两根立柱、上横梁、下横梁和带货叉的载货台组成，立柱、上横梁和下横梁组成一个长方形的框架，一般称为机架。立柱形式有方管和圆管两种，方管可兼作起升导轨，圆管需要附加起升导轨。这种堆垛机的最大优点就是强度和刚性都比较好，能快速起、制动，并且运行平稳。一般用在起升高度较高、起重量较大和水平运行速度较高的立体仓库中，其缺点是自重较大。西安工业大学毕业设计（论文）35其结构如图1. 1 所示。图1. 1 双立柱有轨巷道堆垛机单立柱有轨巷道堆垛机单立柱有轨巷道堆垛机的机架由一根立柱、下横梁和上横梁组成。立柱多采用型钢或焊接制作，
5、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。由于载货台和货物对立柱有偏心作用，以及行走、制动时产生的水平惯性力作用，使单立柱有轨巷道堆垛机在使用上有较大的局限性。不适于起重量大和水平运行速度高的堆垛机。单立柱堆垛机的起升结构，普遍采用钢丝绳传动，由电机减速机驱动卷筒转动，通过钢丝绳牵引载货台沿立柱或起升导轨作升降运动。对于钢丝绳传动，传动和布置相对容易，但定位准确性稍差。其结构如图1. 2 所示。图1. 2 单立柱有轨巷道堆垛机(2)按支承方式分类，有轨巷道堆垛机分为悬挂型和地面支承型。悬挂型有轨巷道堆垛机悬挂型有轨巷道堆垛机悬挂在巷道上方的轨道上运行，其运行机
6、构安装在堆垛机门架的上部。在地面铺设导轨，使门架下部的导向轮以一定的间隙夹在导轨的两侧，从而防止堆垛机运行时产生摆动和倾刹。悬挂式堆垛机有如下优点:在设计门架时，可以不考虑横向的弯曲强度，钢结构的自重可以减轻，加减速时的惯性摆动小，稳定所需的时间短;其缺点是维修和检查不方便。西安工业大学毕业设计（论文）3地面支承型有轨巷道堆垛机堆垛机的运行轨道铺设在地面上，堆垛机用下部行走轮支承和驱动，上部导向轮用来防止堆垛机倾倒或摆动。和悬挂型有轨巷道堆垛机相比，这种堆垛机的立柱主要考虑轨道平面内的弯曲强度，因此，需要加大立柱在行走方向截面的惯性矩。由于驱动装置均装在下横梁上，容易保养和维修。(3)按其运行
7、轨迹形式不同，分为直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机。直线运行型堆垛机直线运行型堆垛机只能在巷道内直线轨道上运行，不能自行转换巷道。只能通过其他输送设备转换巷道，直线运行型堆垛机可以实现高速运行，能够满足出入库频率较高的立体仓库作业，应用最为广泛。曲线运行型堆垛机曲线运行型堆垛机行走轮与下横梁是通过垂直轴铰接的，能够在环形或其他曲线轨道上运行，不通过其他输送设备便可以从一个巷道自行转移到另一个巷道。曲线运行型堆垛机在使用上有局限性，只适用于出入库频率较低的立体仓库。本文研究的堆垛机是结构形式为双立柱，支承方式为地面支承型，并且其运行轨迹为直线型巷道堆垛机。1. 1. 3有轨巷道堆垛机的发展现状
8、及特点随着经济全球化步伐的口益加快和信息技术的快速发展，传统行业和消费方式正发生着深刻的变化，物流在经济活动中的作用越来越受到企业的重视，物流人才的需求也在口益增长。目前，物流人才已经被列为我国12 大类紧缺人才之一，有报道称“物流人才的需求已超过600 万”。物流实验室的建设正是要搭建一座理论与实践的桥梁，目前，我国许多高校已经建立了物流实验室，据不完全统计，已经有160 多所高校建立了自己的物流实验室。物流实验室为学生提供实训平台，深化学生对现代物流理论的理解，提高学生的操作能力，内融机械、电气、电子及计算机等技术于一体的综合技术，在这种技术中，不同领域和层次的知识与能力融会在一起。另外，
9、为了更好的模拟货物在自动化立体仓库各仓储单元内存储的物流过程，研究提高物流效率以及堆垛机性能和作业效率方法，许多物流研究中心业纷纷建立起来。山东大学现代物流控制实验中心是目前我国第一个现代的物流控制实验室，在物流调度、物流控制、机械手拣选控制和机器视觉的综合研究和开发应用方面目前处于国内领先地位。图1. 3 是研究中心的小型仓储系统 小型仓储系统西安工业大学毕业设计（论文）4 变频器概述目前，交流调速传动已经上升为电气调速传动的主流。中、小容量范围内，采用自关断器件的全数字控制PWM 变频器己经实现了通用化。全数字控制方式的软件功能不但考虑到通用变频器自身的内在性能，而且还融入了大量的实用经验
10、和技术、技巧，使得通用变频器的RAS 三性(Reliability, Availability,Serviceability，可靠性、可使用性、可维修性)功能得以充实。由于通用变频器具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便且便于同其他设备接口等一系列优点，所以应用越来越广泛，社会经济效益十分显著。：(1)按照主电路工作方式分类。当按照主电路工作方式进行分类时，变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器。电压型变频器的特点是将直流电压源转换为交流电源，而电流型变频器的特点则是将直流电流源转换为交流电源。电压型变频器。在电压型变频器中，整流电路或者斩波电路产生逆变电路
11、所需要的直流电压，并通过中间电路的电容进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起直流电压源的作用，而电压源输出的直流电压在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电压。在电压型变频器中，由于能量回馈给直流中间电路的电容，并使直流电压上升，还需要有专用的放电电路，以防止换流器件因电压过高而被破坏。电流型变频器。在电流型变频器中，整流电路给出直流电流，并通过中间电路的电抗将电流进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起电流源的作用，而电流源输出的交流电流在逆变电路中被转换为所需要的交流电流，并被分配给各输出相后作为交流电流提供给电动机。在电流型变频器中，电动机定子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的
12、方式实现的。对于电流型变频器来说，在电动机进行制动的过程中可以通过将直流中间电路的电压反向的方式使直流电路变为逆变电路，并将负载的能量回馈给电源。由于在采用电流控制方式时可以将能量回馈给电源，而且在出现负载短路等情况时也更容易处理，电流型控制方式更适合子大容量变频器。(2)按照开关方式分类。按照逆变电路的开关方式对变频器进行分类，则变频器可以分为PAW 控制方式，PWM 控制方式和高载频PWM 控制方式三手中。 PAM 控制PAM 控制是Pulse Amplitude Modulation(脉冲振幅调制)控制的简称，是一种在整流电路部分对输出电压(电流)的幅值进行控制，而在逆变电路部分对输出频
13、率进行控制的控制方式。因为在PAM 控制的变频器中逆变电路换流器件的开关频率即为变频器的输出频率，所以这是一种同步调节方式。PWM 控制PWM 控制是Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)控制的简西安工业大学毕业设计（论文）5称，是在逆变电路部分同时对输出电压(电流)的幅值和频率进行控制的控制方式。在这种控制方式中，以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压(电流)的目的。高载频PWM 控制这种控制方式原理上实际是对PWM 控制方式的改进，是为了降低电动机运转噪音而采用的一种控制方式。在这种控制方式中，载频被提高到入耳可以听到的
14、频率(10-20KHz)以上，从而达到降低电动机噪音的目的。这种控制方式主要用于低噪音型的变频器，也将是今后变频器的发展方向。由于这种控制方式对换流器件的开关速度有较高的要求，所用换流器件只能使用具有较高开关速度的IGBT 和MOSFET 等半导体元器件，目前在大容量变频器中的利用仍然受到一定限制。但是，随着电力电子技术的发展，具有较高开关速度的换流元器件的容量将越来越大，所以预计采用这种控制方式的变频器也将越来越多。PWM 控制和高载频PWM 控制都属于异步调速方式，即变频器的输出频率不等于逆变电路换流器件的开关频率。(3)按照工作原理分类。按照工作原理对变频器进行分类，按变频器技术的发展过
15、程可以分为U/f 控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式三种。U/f 控制变频器Ulf 控制是一种比较简单的控制方式。它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使U/f(电压和频率的比)的值保持一定而得到所需的转矩特性。采用Ulf 控制方式的变频器控制电路成本较低，多用于对精度要求不太高的通用变频器。转差频率控制变频器转差频率控制方式是对Ulf 控制的一种改进。在采用这种控制方式的变频器中，电动机的实际速度由安装在电动机上的速度传感器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率的和被自动设定。从而达到在进行调速控制的同时控制电动机输出转矩的目的。转
16、差频率控制是利用了速度传感器的速度闭环控制，并可以在一定程度上对输出转矩进行控制，所以和Ulf 控制方式相比，在负载发生较大变化时仍能达到较高的速度和具有较好的转矩特性。但是，由于采用这种控制方式时需要在电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特性调节转差，通常多用于厂家指定的专用电动机，通用性较差。矢量控制变频器矢量控制是70 年代由西德B 1 aschke 等人首先提出来的对交流电动机的一种新的控制思想和控制技术，也是交流电动机的一种理想的调速方法。矢量控制的基本思想是将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量(励磁电流)和与其相垂直的产生转矩的电流分量(转矩电流)并分别加以控制。由于
17、在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量，这种控制方式被称为矢量控制方式。矢量控制方式使对异步电动机进行高性能的控制成为可能。采用矢量控制方式的交流调速系统不仅在调速范围上可以与直流电动机相匹敌，而且可以直接控制异步电动机产生的转矩。所以已经在许多需要进行精密控制的领域得到了应用。西安工业大学毕业设计（论文）6(4)按照用途分类。按照用途对变频器进行分类时变频器可以分为以下几种类型。通用变额器顾名思义，通用变频器的特点是其通用性。这里通用性指的是通用变频器可以对普通的异步电动机进行调速控制。高性能专用变频器随着控制理论，交流调速理论和电力电子技术的发展，异
18、步电动机的矢量控制方式得到了充分地重视和发展，采用矢量控制方式高性能变频器和变频器专用电动机所组成的调速系统在性能上己经达到和超过了直流伺服系统。高频变频器在超精密加工和高性能机械区域中常常要用到高速电动机。为了满足这些高速电动机驱动的需要，出现了采用PAM 控制方式的高速电动机驱动用变频器。这类变频器的输出频率可以达到3KHz，所以在驱动两极异步电动机时电动机的最高转速可以达到180000r / min.单相交频器和三相变频器交流电动机可以分为单相交流电动机和三相交流电动机两种类型，与此相对应，变频器也分为单相变频器和三相变频器。二者的工作原理相同，但电路的结构不同。变频器的特点：变频器与异
19、步电动机相结合，可以实现对生产机械的调速传动控制，简称为变频器传动。变频器传动具有固有的优势，应用在不同的生产机械或设备上体现不同的功能，总体来说，变频器传动具有以下几个效能。1、节能应用主要体现在提高运行可靠性、台数控制和调速控制并用。2、提高生产效率(1)保证加工工艺中的最佳运行(2)适应负载不同工作情况下的最佳转速(3)使原有设备的增速运转3、设备的合理化4、改善和适应环境交流变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向。近十多年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，变频器己经广泛地用于交流电动机的速度控制。同时由于电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，作为交流变频调速
20、系统核心的变频器的性能也得到了飞跃性的提高，并几乎应用扩展到了工业生产的所有领域。其重要性和发展潜力不可忽视。第一代具有通信功能的变频器带有一个独立的“速度包”(Speed Pod);第二代变频器的通信进入点对点模拟信号连接方式。随着计算机技术的发展，带数字接口的变频器是当代变频器的通信方式，它具备网络通信能力。当代通信产品能提供比用户所能使用的更多的数据和1/O 选择，但传统的接口技术使用的是RS485/422，它们的抗干扰能力和传输能力都不能满足工业现场的需要。当实施控制的时候，通过RS485 只能接收少量的实时信息，并且通过人机接口界西安工业大学毕业设计（论文）7面编程，无法实现变频器参
21、数的在线监控和优化，从而影响整个控制系统性能和生产工艺水平的提高。现在，由于现场总线和网络技术的发展，特别是美国罗克韦尔自动化的Control Net 和Device Net 技术，可将带数字接口的变频器集成到网络化的平台中，通过PLC、人机界面HIM，甚至与工厂信息管理层共享实时数据，从而实现变频器参数的在线监控和优化。对于多电动机的同步控制、协调控制、负载均衡分配和高速设备等应用场合，其关键参数PID 可以按具体工况条件进行在线优化，对于实现系统控制性能和水平的提高有重要意义。因而基于集成化网络的变频器控制将会成为当前世界自动化领域研究的热点。美国罗克韦尔自动化公司的变频器均可通过各种类型
22、的SCAN port 通信模块与相应的网络连通，包括Control Net, Device Net, DH, DH+和RIO, DH-485网络，而且它们与法国IE 公司的Modbus, Modbus Plus、美国Metasys 公司，日本OMRON 公司和德国西门子公司的Profibus 均可连通。已知仓库货架总高度为12m，, 行走速度：5240/min。要求：（a）根据运行空间设计结构尺寸；（b）设计行走机构；（c）根据运行速度进行整体稳定性的计算。具体在堆垛机设计中将做以下工作：对堆垛机的立柱、上下横梁，按照自重最轻原则，完成其选型和截面参数的计算；（2） 通过功率、速度等参数的计算
23、、完成堆垛机运行机构的选型和计算；（3） 对堆垛机的立柱、上下横梁的强度、立柱轨道疲劳强度、整机静强度、动强度、局部稳定性和整体稳定性的验算；2. 堆垛机的结构设计82. 堆垛机的结构设计堆垛机主要由下横梁、货叉机构、立柱、上横梁、平运行机构、起升机构、电护装置和电气控制系组成。堆垛机主体结构主要由上横梁、立柱、下横梁和控制柜支座组成。上、下横梁是由钢板和型钢焊接成箱形结构，截面性能好，下横梁上两侧的运行堆垛机由行走电机通过驱动轴轮轴孔在落地镗铣床一次装夹加工完成，确保了主、被动轮轴线的平行，从而提高了整机运行平稳性；立柱是由方钢管制作，在方钢管两侧一次焊接两条扃钢导轨(材质16Mn)，导轨表
24、面进行硬化处理，耐磨性好。在焊接中采用了具有特殊装置的自动焊接技术，有效克服了整体结构的变形；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。门架是堆垛机的主要结构物，有单柱式和矩形框架式。按支承方式，又可分为安装在货架上的上部支承式和安装在地面上的下部支承式。不论哪种型式都带有伸缩货叉和人工驾驶室（有时也没有）的货合。升降台沿立柱升降，同时靠地上和顶上的导轨保持走行稳定和支持货叉伸出进行装卸作业时的翻转弯矩。在门架上安装有卷扬、走行等机械装置，以及配置有电气控制开关、控制装置、配线等。下部支承式的集中放在门架下部。由于
25、走行起动、停止及加减速时产生的惯性力，门架在通道的纵向发生挠曲，整个门架成为振动体，其柱端的振动较大。同样，在通道的直角方向，立柱由于货叉作业时的弯矩作用而发生弯曲，使伸长着的伸缩叉的前端的挠度增大。柱端振动：和货叉前端的挠度一超过极限，就成为堆垛机自动定位的障碍，所以门架应具有足够的强度和挠度小的适当刚度。本次毕业设计选取双立柱下部支承式门架进行结构计算。堆垛机门架设计分三个模块进行设计：(1) 立柱模块主要有立柱、导轨和法兰盘组成，立柱通过法兰盘与上横梁和下横梁联结，导轨是载货台沿立柱上下运行的轨道，有时候堆垛机可以没有轨道，载货台直接在立柱上运行。立柱一般采用了端面为矩形、中空的结构，在
26、满足刚度和强度的情况下使得重量减轻，节省了材料，而且外形美观。立柱模块结构如图西安工业大学毕业设计（论文）9 立柱模块结构图(2)上横梁模块上横梁模块主要有上横梁、上横梁导向轮组、上横梁法兰盘和缓冲器等零部件组成，上横梁模块结构图如图2. 9 所示。 上横梁模块图上横梁一般很短，是模块零件的支撑部件。上横梁上总共有两对导向轮组，通过支架固定在上横梁上，导向轮组夹在天轨两端，防止小型有轨巷道堆垛机倾倒，在每组导向轮中有一个偏心轴，用来微调导向轮之间的间距夹紧天轨。上横梁法兰盘焊接在上横梁的下端，通过法兰盘与立柱模块联结，主要用高强度螺栓来固定。缓冲器固定在上横梁两端，当小型有轨巷道堆垛机运动到巷
27、道两端时,缓冲器用来吸收小型有轨巷道堆垛机运行能量，防止事故的发生。(3) 下横梁模块下横梁是模块零部件的支撑机构，又是堆垛机的承载构件，因此它要有足够的强度和刚度。，用来固定减速电机，也是与立柱模块联结的接口。下横梁导向轮组通过支架固定在下横梁上，两组导向轮组夹在地轨两端，使小型有轨巷道堆垛机水平运行时，能够沿着地轨行走不至于跑偏，起到导向的作用。缓冲器同上横梁的一样，主要用来吸收堆垛机运行到巷道两端时发生碰撞产生的能量。西安工业大学毕业设计（论文）10 下横梁模块图 堆垛机门架的弯矩和挠度堆垛机的矩形门架是超静定结构。这里按角变位移法解如下：堆垛机门架的设计计算参数：Q1上梁及附件重量Q
28、2 货台、货物、附件及搭乘人员的总重量Q 3 电气控制盘的重量Q 4 卷扬装置的重量q 柱的单位长度的平均重量作用在门架上的惯性力：H i =（ /g）Q i 及qh1 /g( :减速度，g = 米/秒2 )h1h 4 下梁中心线分别到Q1 Q 4 的中心高度l立柱的中心距I 1立柱AB、DC 的断面惯性距 上梁与下梁端部的偏转角R因构件两端变位产生的弯距E：纵弹性模量C由构件的中间载荷在杠端产生的弯距，称为载荷项。K 1= I 1/ h 1立柱的刚度K=I/l 上下梁的刚度n=K/ K 1刚度比M弯距 由于水平载荷产生的弯距作出作用于框架结构的惯性力图解：西安工业大学毕业设计（论文）11h3
29、h2h1l2B 1 CDBlD1 C4h4h1 作用于框架结构的惯性力图解 列出角变位移方程：M AB =2EK 1（2 A + B -3R ）M BA =2EK 1（2 B + A -3R ）M BC =2EK 1（2 B + C ）M CB =2EK 1（2 C + B ）M CD =2EK 1（2 C + D -3R ）+C CDM DC =2EK 1（2 D + C -3R ）-C DCM AD =2EK 1（2 A + D ）M DA=2EK 1（2 D + A ）其中载荷项：C CD =（1/h 21）H 2 h 22 (h 1-h 2 ) 2 +H 3 h 3 ( h 1- h
30、3) 2 +q h 21 /12gC DC =（1/h 21）H 2 h 22 (h 1-h 2 ) 2 +H 3 h 32 ( h 1- h 3 )+q h 21 /12g有节点的弯距平衡方程式：M BA + M BC =0 M AB +M AD =0M CB + M CD =0 M DA+ M DC =0由隔离体静力平衡方程式：西安工业大学毕业设计（论文）12M AB +M BA + M CD +M DC +H 1 h 1 +H 2 h 2 + H 3 h 3 + q h 21 /2g=0 A + B + C + D =4 R +（n/6EK ）(C DC - C CD -H 1 h 1 -H 2 h 2 -H 3 h 3 -q h 21 /2g)由上面各式，可先求出 A 、 B 、 C 、 D 、R
