立体仓库堆垛机的设计

立体车库堆垛机机械结构设计

学 生学 专 业* *

姓 名：院：年 级：* 师： 郑超 李昭 白鹤鹏 封二佳 机械工程学院 机械10级 *** 2014年 1 月6 1

日

目 录

摘要.....................................................4 前言.................................................... 5 第一章 绪论.............................................4

1.1自动化立体仓库的起源与发展.......................6 1.2 课题的提出及主要任务............................7 1.2.1 课题的提出.................................7 1.2.2 课题的主要任务.............................7 第二章 堆垛机的分类.....................................8

2.1 巷道式堆垛机的分类..............................8 2.1.1 巷道式单立柱堆垛机........................8

2.1.2 双立柱巷道堆垛起重机......................9 2.1.3 桥式堆垛起重机............................9

第三章 堆垛机门架的结构设计计算.......................10

3.1堆垛机各个部分运动速度计算......................10

3.1.1行走速度..................................10 3.1.2升降速度..................................11 3.1.3货叉的伸缩速度............................11 3.2额定数据表......................................12 第四章 减速电机的选取..................................12

4.1行走装置的减速电机的选取........................12 4.2升降电动机的选用................................13

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4.3伸缩运动电机的选用..............................14 第五章 堆垛机伸缩货叉机构的校核 .....................14

5.1叉架的受力分析计算..............................15 第六章 结论............................................16 致 谢...............................................17 参考文献 ..............................................18

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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。堆垛机是整个自动化立体仓库的核心设备，通过手动操作，半自动操作和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的虚拟自动化立体仓库堆垛机系统，作者主要对堆垛机的分类进行简要的介绍，对堆垛机的各个部分的结构进行详细的研究首先对不同堆垛机简介和描述，然后通过巷道堆垛机进行整体分析并设计各个部分的结构，完成对各个部分的受力校核。

关键字： 立体仓库 堆垛机 结构 受力校核

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前 言

随着经济的发展和技术的进步，企业物资仓储的手段在不断地改善，自动化立体仓库己成为当今企业发展的强劲趋势。近年来，随着物流内涵的不断扩展，物流管理手段、技术都在不断地改善和提高，缩短物流时间、节省物流费用、提高物流效率、使物流组织合理化是经济发达国家物流发展的共同特征，目前已拥有了现代化的物流业基础设施自动化立体仓库系统是现代物流系统的一个重要组成部分，广泛应用于各行各业中。目前，它已经成为企业生产和管理信息化的标志之一。

本次毕业设计主要以三维立体车库为研究对象主要从车库的机械结构方面展开对自动化立体仓库的研究。首先从机械式立体仓库的总体结构，了解三维立体仓库堆垛机的主体钢架，升降机构，横移机构及旋转台等组成部分的结构及运行原理，分析仓库的关键结构部件的堆垛机的种类及其特点，重点完成不同堆垛机的结构原理及其适应场合。这些任务的完成要求我们熟练掌握和运用所学过的机械以及控制部分的知识，对我们进一步巩固和加强专业知识和培养专业技能有很重要的实践意义。

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第一章 绪论

自动化仓库是近代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分，具有节约用地

和人力，作业迅速准确，提高保管效率以及降低储运费用等许多优点。随着物流系统的进一步合理化，采用电子计算机连线控制的自动化仓库，已经发展成为连接生产与消费的重要环节，即不仅具有高效率储存的功能，而且兼有控制生产或销售活动的功能。堆垛机是自动化立体仓库中重要的起重设备，本文着重就堆垛机的结构设计进行初步研究。

1.1 自动化立体仓库的起源与发展

立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后产生和技术发展的结果。50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的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的立体仓库。此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。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的国家之一。

我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，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的自动化立体仓库（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的空间利用率、很强的入出库能力、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，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。

1980年，我国第一座自行研制的自动化立体仓库开始投产以来，在汽车、化工、电子、烟草等行业的应用逐年增长。其中，最具典型意义的是我国家电龙头企业海尔集团国际物流中心的立体仓库，该仓库高22米，拥有18056个标准托盘位，包括原材料和产成品两大自动化物流系统，全部实现了现代物流的自动化和智能化。

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近几年我国计算机自控技术的飞速发展，为我国自动化立体仓库的发展提供了重要的技术支持。自动化立体仓库不仅具有节省和减轻劳动强度、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的作用，使人们可以真正享受到现代计算机技术应用于企业物流管理的益处。

1.2 课题的提出及主要任务

1.2.1 课题的提出

使用巷道式起重堆垛机的立体仓库（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，课满足在规定的时间内把指定的物品进行自动收集和分发的要求，因而受到产业的重视

自动化立体仓库的优点主要有以下方面： 1．由于能充分利用仓库的垂直空间，其单位面积存储量远远大于普通的单层仓库(一般是单层仓库的4-7倍)。目前，世界上最高的立体仓库可达40多米，容量多达30万个货位。2．仓库作业全部实现机械化和自动化，一方面能大大节省人力，减少劳动力费用的支出，另一方面能大大提高作业效率。 3．采用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，也能避免货物的丢失。4．货位集中，便于控制与管理，特别是使用电子计算机，不但能够实现作业的自动控制，而且能够进行信息处理。5．能更好地适应黑暗、低温、有毒等特殊环境的要求。例如，胶片厂把胶片卷轴存放在自动化立体仓库里，在完全黑暗的条件下，通过计算机控制可以实现胶片卷轴的自动出入库。 6．采用托盘或货箱存储货物，货物的破损率显著降低。

1.2.2 课题的主要任务

本次毕业论文需要完成的主要任务如下：

1、研究堆垛机的结构，了解堆垛机的分类，结构特点以及各自适合的不同场合

2、分三个部分进行功能模块设计：行走机构，升降机构，货叉的伸缩机构，并详细阐述每部分设计要点与设计过程。

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3、对堆垛机的各个部分的材料，连接方式，电机进行选取。 4、对堆垛机的各个部分受力进行分析。

第二章 堆垛机的分类

2.1巷道式堆垛机的分类

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，半自动和全自动三种

按应用巷道数量分：直道型，转弯型和转轨型三种

按照金属结构的形式分：单立柱和双立柱两种

图1-1 巷道式单立柱堆垛机

2.1.1巷道式单立柱堆垛机

单立柱结构的堆垛机机架由一根立柱和下横梁组成。立柱多采用较大的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。该设备的参数如下所示。 主要性能：仓库高度6～24m,最大40m；

运行速度：标准型80m/min、 高速型 200m/min；

起升高度：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)。

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2.1.2 双立柱巷道堆垛机

机架由两根立柱和上横梁、下横梁组成一个长方形框架。立柱形式有方管和圆管，方管兼做起升导轨，圆管需附加起升导轨。

图1-2 双立柱巷道堆垛

2.1.3 桥式堆垛起重机

主要由桥架、大车运行机构、小车运行机构、电气设备等部分组成。其工作原理可参考第五章桥式起重机部分。操纵司机室有单独的起升机构，保证司机有良好的视野，同时司机室还安装有安全装置，保证了操纵者的安全。起重机还装有多种安全装置，保证了起重机的安全工作。

图1-3 桥式堆垛起重机

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第三章 堆垛机门架的结构设计计算

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。

3.1堆垛机各个部分运动速度计算

加速度时容易是货物倒塌。载人堆垛机的加减速度一般在0.3~0.5米/秒2。不容易产生货物倒塌的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4~6米/秒2（爬行行程因堆垛机总质量不同而异，约为0.3~0.6米）。现在趋向于采用更快的最高速度。另一方面，为确保货台的停位准确，停止前得升降微速希望在5米/分以下。

3.1.1行走速度

vx1.0*Lbx

vx1.0*800.4 =4.0m/s

选择行走速度为4m/min。

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式中 Vx——堆垛机的走行速度（米/秒）： bx——堆垛机的走行加速度（米/秒2）； L——最大走行距离（米）

即使选择的速度超过这个数值，作业周期的缩短也少于10%。选择的速度如果显著少于这个数值，作业周期就要大大增加

3.1.2升降速度

HVZvwL

0.751.67vw80 =0.94m/min

选择升降速度为0.94m/min。

式中 Vw——堆垛机的升降速度（米/秒）： H——最大走行距离（米）

即使超过这个速度，作业周期的缩短一般也远远少于10%的值。

3.1.3货叉的伸缩速度

ZbZVZ20.20.2VZ0.12选择伸缩速度为0.1m/s。

式中 VZ——堆垛机的升降速度（米/秒）： bz——堆垛机的伸缩加速度（米/秒2）；

Z—

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—最大伸缩距离（米）

3.2额定数据表

通过上述计算堆垛机各部分数据如下表所示

表2-1 堆垛机额定数据表 走行速度 4米/分 走行加减速度 0.4米/秒2 升降速度 0.94米/分 升降加速度 0.1米/秒2 货叉伸缩速度 0.1米/秒 货架规格 300*540*450 单元货架规格 300*180*150 货架层数 3 货架行数 3

第四章 减速电机的选取

4.1行走装置的减速电机的选取

走行装置在额定速度下必需的功率为：

Wrv161201P=（KW） 其中，

WrQ(d1f)2r

式中，Wr—走行阻力 d—走行轮轴的直径

—摩擦系数 f—滚动摩擦系数 Q—堆垛机的总重量

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350(0.35/20.1)4/3.568W61200.9由此，求得P=

直流减速电机的具有如下优势：

1.启动转矩大 2.回转速度变动小

3.用途广泛，效率高、用电省、维护方便 4.可依需要加装制动器或高速装置 类型如下：

出力：20W、30W、36W、40W、60W、65W、70W、100W、 120W 、200W

电压：12V、24V、90V、180V 回转速度：1RPM-3600RPM

因此我们选用功率为70w、电压为24v、转速为120r/min的直流减速电机作为走行装置的电机，电机由宝应县科龙直流电机制造有限公司生产。 4.2升降电动机的选用

静功率 (kw)的计算公式为

WVP601000Z

式中 W——运行机构稳定运行时的静阻(N)； V——堆垛机的升降速度(m/min)取 0.94m/min 计算； Z——堆垛机运行机构的驱动电机数，一般取 Z=1； η——运行机构传动的总效率,一般取 0.8。 代入有：

WVP601000Z1000.94P600000.9P42W

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由上表查去电动机 功率为60W、电压为24V，转速为50r/min直流减速电机作为升降电动机，电机由宝应县科龙直流电机制造有限公司生产。

4.3伸缩运动电机的选用

静功率 (kw)的计算公式为

WVP601000Z

式中 W——运行机构稳定运行时的静阻(N)； V——堆垛机的升降速度(m/min)取 20m/min 计算； Z——堆垛机运行机构的驱动电机数，一般取 Z=1； η——运行机构传动的总效率,一般取 0.8。 代入有：

WVP601000Z1000.273P600000.9P30W

由上表查去电动机 功率为36W、电压为24V，转速为40r/min直流减速电机作为升降电动机，电机由宝应县科龙直流电机制造有限公司生产。

第五章 堆垛机伸缩货叉机构的校核

货叉是堆垛机中最主要的部分,所设计的货叉是指货叉插入货架中的部分,应以厚度尽量薄,同时叉前端的扰度控制在最小,作为设计的目标.

货叉各参数如下: W： 载荷

I： 为重力方向的惯性矩 E： 材料的纵弹性系数

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5.1叉架的受力分析计算:

在载荷W的作用下叉架端部的变形如下，其中扰度为

5,

查书的挠曲线方程为：

FX2v(3LX)6EI

vmaxFl3100*0.2030.00113EI3*200*0.0128mm

vmax[v]其中端部最大挠度为

叉架的材料为铸铁，许用挠度[v]=0.0001L=0.002mm, 叉架满足条件。

，因此，该

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第六章 结论

本次“双立柱巷道堆垛机的设计”属于工程制图设计，从门架设计以及几个主要重点机构的结构设计着手，分析了堆垛机的运行机理。论文首先从堆垛机的特点及组成形式开始，再对设计出数据进行校核，最终设计出了满足承受重载，高而窄的双立柱门架；

详细重点设计了货叉伸缩机构的结构设计，首先分析货叉的受力图，并推导出弯矩挠度公式，设计出货叉的外部结构尺寸，接着又设计校核了货叉内部零件的尺寸，最终设计出了满足条件、灵活、适用、简捷、方便的货叉结构，并选取出适宜的电机、减速器；介绍了堆垛机的升降机构和行走机构的设计计算，并确定了尺寸及减速电机的选取；最后，设计出了一种体积小、灵敏度高、动作可靠、带柔性装置的堆垛机安全机构的设计方案，并给出详细尺寸及夹轨原理。 本次设计，囊括了大学四年所学知识的方方面面，是我在以后的学习工作之前，对各个学科课程的一次深入的综合性的练习，锻炼了自己发现问题、分析问题、解决问题的能力，并为以后的工作学习打下良好的坚实的基础。本次设计是对四年以来学习的总结，并锻炼了总体设计的能力。

由于本人能力有限，以及时间上的仓促，设计中难免有考虑不周与设计不正确的地方，希望各位老师能够给予谅解，并提出您的宝贵建议，我将不胜感激！

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致 谢

能顺利完成本次毕业论文设计，首先与我的导师单根立老师的悉心教导分不开的，在此，我先向单老师致以我深深的谢意！

本次论文设计从论文的选题、撰写、修改直到打印完成自始自终都是在贾老师的悉心指导和勉励下完成的。单老师渊博的学识、敏锐的思维、民主而严谨的作风使我受益非浅；单老师一丝不苟的钻研精神，严谨求实的治学态度，执着忘我的工作作风，独树一帜的思维方式，无时无刻不在影响着我，让我终身难忘。他的言传身教，将永远指导着我今后的学习和工作。

感谢单老师在进行个性化教育工作中所给予的帮助，他的不倦教诲和点拨是我今日点滴知识的来源。

还要感谢我的学友和朋友对我的关心和帮助，他们的启发和友爱互助的精神给予我论文写作极大的帮助。

最后，再次向他们表示忠心的感谢！

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参考文献

1．濮良贵，《机械零件》，北京：高等教育出版社，1982。

2．刘鸿文，《材料力学》，北京：高等教育出版社，1991。

3．王连明、陈铁鸣，《机械设计》，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998。 4．周骥平、王岗，《机械制造自动化技术》，北京：机械工业出版社，2001 。 5. 机械设计联合编写组，《机械设计手册》，北京：化学工业出版社，1983。 6. 薛焱 王新平，《中文版AutoCAD 2008基础教程》，北京：清华大学出版社，2007。

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