基于PLC控制的自动化仓库的堆垛机设计

1、摘要摘要 本文详细介绍了基于 PLC 控制的自动化仓库的堆垛机设计，其中重点放在了行走机 构的设计、货叉伸缩机构的设计计算和 PLC 控制程序上。在进行行走机构的设计时，主 要是通过对行走机构的传动方案的选取，运行阻力所决定的行走电机的选取，由速比决 定的减速器的选取，以及制动装置夹轨器的选取等主要部件的选取来进行设计的，在根 据设计要求对各部件初步选型后，都进行了校核，保证了选择的合理性；货叉是堆垛机 存储和取出货物的主要工具，对其设计有较高要求，文中给出了比较详细的分析及计算 过程；PLC 程序的设计，有比较详细的流程，程序能够实现所要求的功能。在本文最后 部分，对该堆垛机的稳定性进行了较

2、为详细的讨论，保证了堆垛机工作时运行的平稳性。 本次设计的堆垛机性能良好、动作灵活、操作方便、 、维护简单方便，满足了生产的 需要。 关键词：关键词：PLC，堆垛机，机械，行走机构，稳定性，货叉，堆垛机，机械，行走机构，稳定性，货叉 Abstract This paper describes in detail the design of the stacking crane in stereoscopic warehouse controlled on the basis of PLC.In my design ,I focuses on the design of walking mech

3、anism、forks and the programs of PLC, at the beginning of design, firstly, I select the transmission of the walking mechanism, secondly, I choose the motor by the running resistance of the walking system. Once the motor is selected，the speed ratio between the motor and the running wheels is defined.

4、And the reducer is selected by the speed ratio. The other components such as brakes which are used to break when necessary can be selected by any commands of the system，so is the buffers，and so on. In according to the design requirements, the initial selected components must be conducted checks to e

5、nsure the justifiability of choice. Forks are the main tool of Stackers storage and removal of goods, there have higher requirements for its design, and this paper gives a more detail analysis and calculations. The design of programs of PLC,I provide the processes of the programs which meet the requ

6、irements of the design. In the last part of this paper, the stability of the crane is checked in more details of discussion to ensure the stacker cranes working stability. The design of the crane works out in good condition, action and flexible, convenient operation, low failure rate, maintenance， s

7、imple and convenient to meet the production needs. A suit system of stacker based on PLC, and realized the automatic control. Keywords:Keywords: PLCPLC，stackingstacking cranecrane，machinemachine，travelingtraveling mechanismmechanism，stability,forksstability,forks 目录目录 摘要摘要.I ABSTRACT .II 目录目录 .1 第第

8、1 章章 绪论绪论 .3 1.1 课题研究的背景及内容.3 1.1.1 课题的意义和价值.4 1.1.2 自动化立体仓库的研究现状.5 1.1.3 堆垛机的研究现状.7 1.1.3.1 单立柱有轨巷道堆垛机的分类.8 1.1.4 PLC的发展过程及现状.9 1.1.5 本课题的研究目标及内容.10 第第 2 章章 堆垛机的结构计算堆垛机的结构计算 .12 2.1 堆垛机的主要参数及尺寸参数.12 2.1.1 堆垛机的金属结构设计.12 2.1.2 起重重量.13 2.1.3 水平载荷.13 2.1.4 载荷状态.13 2.1.5 循环寿命.14 第第 3 章章 水平运行机构设计方案水平运行机构

9、设计方案 .15 3.1 水平运动机构总体方案的确定.15 3.2 水平运行机构具体布置的主要问题.15 3.3 机构的布置形式.15 3.4 堆垛机设计计算.16 3.4.1 主动行走轮直径的确定.16 3.4.2 运行阻力计算.16 3.4.3 行走电动机功率的计算.17 3.4.4 电动机的发热校验.18 3.4.5 减速器的选择.18 3.4.6 各轴的转速计算.18 3.4.7 各轴的输入功率计算.19 3.4.8 各轴的转矩计算.19 3.5 齿轮的设计与计算.19 3.5.1 齿轮的材料选择.19 3.5.2 齿轮的计算.19 3.5.3 齿轮的应力工作循环次数计算.19 3.5

10、.4 齿轮传动的计算载荷.20 3.5.5 齿根弯曲疲劳强度计算.20 3.5.6 齿面的接触疲劳强度计算.21 3.6 夹轨器的选择.22 3.6.1 主要技术参数.22 3.6.2 结构特点.22 3.6.2.1 结构简图以及基本参数如下.23 3.7 轨道及车轮.24 3.7.1 轨道.24 3.7.2 车轮.24 3.7.2.1 车轮载荷的计算.24 3.7.2.2 车轮直径的确定.24 3.7.3 车轮的载荷验核.25 3.7.4带传动的设计的主要数据.26 3.7.5轴承的选择.28 3.8 中心轴的确定及校核.29 3.8.1 轴的校核.29 3.8.2 各种力作用下的各轴的强度

11、校核.30 第第 4 章章 堆垛机稳定性计算堆垛机稳定性计算 .33 4.1 堆垛机的稳定性分析.33 4.2 运行中立柱挠度的计算.33 4.2.1 立柱的相关计算.33 4.2.2 堆垛机外载荷计算 8 .33 4.2.2.1 单立柱堆垛机静态刚度分析.36 4.2.2.2 单立柱堆垛机动刚度计算.37 4.2.3 堆垛机结构强度计算.39 4.2.4 整体结构稳定性的计算.40 第第 5 章章 堆垛机货叉伸缩机构的计算堆垛机货叉伸缩机构的计算 .41 5.1 堆垛机货叉的结构.41 5.2 货叉的设计计算.41 5.2.1 货叉机构的受力分析.41 5.2.2 货叉挠度的计算.42 5.

12、3货叉电机的计算.45 5.4双联齿轮的确定.45 第第 6 章章 堆垛机升降机构的计算堆垛机升降机构的计算 .46 6.1 电机的选取.46 6.2 减速器的选用.46 6.3 卷筒的计算.46 6.4 钢丝绳的选用.46 第第 7 章章 PLC 的程序设计的程序设计 .47 参考文献参考文献 .52 致谢致谢 .53 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题研究的背景及内容课题研究的背景及内容 随着经济全球化和信息技术的迅速发展，企业生产资料的获取与产品营销范围日趋 扩大，社会生产、物资流通，商品交易及其管理方式正在并将继续发生深刻的变革与 此相适应，被普遍认为企业在降低物质消耗、提高劳动生

13、产率以外的“第三利润源”的 现代物流业正在全世界范围内广泛兴起。迈向2l世纪的物流技术，不仅是企业战略的。 商务物流”，而且是向整个社会实现物资供给的“社会物流” 自动化仓库简称高架仓库。一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架用于储 存单元货物，并用相应的搬运设备进行货物入，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” 近年来随着我国经济的快速发展和对外联系得日益密切，物流研究受到了产学界的 高度重视。先进的生产制造模式、市场多元化的需求、产品生产周期的缩短以及供应链 的快速发反应、生产制造的全球化等特点使得物流活动在时间和空间上更加广泛和频繁。 同

14、时物流服务业也在蓬勃发展之中，各地专业化的物流中心、物流企业大量诞生电子 商务对传统物流业产生了巨大的冲击和影响，在此环境下，要求包括货物中转和配送在 内的物流活动反应速度越来越快，前置时间越来越短，周转次数越来越多。 现代化要求越来越促使工业生产社会化、专业化、集成化。立体仓库的出现与发展， 是与工业、科技发展相适应的。自动立体仓库，是由计算机控制的机电一体化系统，尤 其具有优化的仓库管理和自动化操作。它由计算机控制立体仓库的堆垛机来操纵存货、 取货、加减速过程及认址的控制，使货物能自动化出入库，再经传输机械将货物传送到 场地或从场地存入立体仓库；同时对立体仓库的仓储物流数据进行计算机管理。

15、生产的 高度机械化，自动化必然要求物资的筹措供应分发及时、迅速、准确。这就促使立体仓 库技术得到迅速的发展，并已成为工厂设计中高科技的一个象征它具有信息处理、系 统监控、系统控制、系统管理、信息反馈、物流数据采集及跟踪管理系统等主要功能， 同时可以根据用户的特殊要求来设置其他功能 自动化立体仓库系统的使用要求是：短(要求作业周期短)、频(出入库频繁)、快(系 统响应快)、强(控制实时性强)为了提高仓库作业的自动化管理水平，越来越多的立体 仓库普遍运用了计算机控制的自动化立体仓库系统，这一系统的仓库布置和设计，与使 用机械化操作的设施是一样的，不同之处在于所有的程序由计算机指导和监控。 只需在上

16、位机输入目的货格的坐标，就可以进行观摩和作业，由上位机控制PLC，实 现自动化控制。本文是在此背景下，设计立体库堆垛机及其控制系统，旨在深入探索新 的控制和管理技术，深入研究和优化自动化仓库堆垛机控制问题，为物流仓储作业提供 各方面应用的实验环境。 1.1.11.1.1 课题的意义和价值课题的意义和价值 国内外其它行业采用自动化仓库的情况己经充分证明，使用自动化立体仓库能够产 生巨大的社会效益和经济效益。这些效益主要表现在以下几个方面： (1)高层货架存储由于使用高层货架，存储区可以大幅度地向空间扩展，充分利用仓 库地面和空间，因此节省了库存占地面积，提高了空间利用率。 (2)自动存取自动化立

17、体仓库使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提高了作 业效率 (3)计算机控制与管理计算机能够准确无误地对仓库的各种信息进行存储和管理，降 低了操作人员的劳动强度，从而提高仓库的管理水平 (4)作业效率明显提高能充分保证“先进先出”的合理作业原则。由于计算机管理、 自动作业，可以方便地实施货位和帐目的科学管理，改善库存结构，避免盲目压货，并 改善劳动环境。 (5)节约费用随着经济的高速发展，我国有关行业开始重视立体库的研究，对于促进 传统观念的转变、提高现代化物流意识，形成新型的商品流通产业等方面均产生了强劲 的推动作用。 由于自动仓储系统这一新技术的出现，使有关仓储的传统观念发生了根本性的

18、改变。 原来那种固定货位，人工搬运和码放、人工管理、只是以存为主的仓储作业已改变为优 化选择货位，按需要实现先入先出的机械化、自动化仓库作业从对我国自动化立体仓 库使用的行业分布情况分析，绝大多数自动化仓库还只是仅仅应用于工厂企业领域，而 且自动化程度不高 为此本文的任务是将自动化仓库技术应用到物流领域中，设计出以PLC为核心的控制 器，以及适合自动存储的高速堆垛机位置控制系统储存的同时可以对货物进行跟踪以 及必要的拣选和组配，并根据整个企业生产的需要，有计划地将库存货物按指定的数量 和时间要求送到恰当地点，以满足均衡生产的需求 随着经济一体化和全球化的进程加快，尤其是以电子商贸为代表的“新经

19、济”的浮 现和发展，使得物流这个概念几乎深入所有的经济和管理理念。基于我国物流业有待专 业管理和运作的现状及其具有广阔发展空间的趋势，为了保证整个仓库的性能指标最优， 提高现代企业的物流技术及物料搬运技术水平，就要对它的各子系统进行合理控制，使 其能够协调运转，此自动化立体仓堆垛机的设计，旨在深入探索新的控制技术，有利于 培养学生的实践实验能力和创新思维能力。 1.1.21.1.2 自动化立体仓库的研究现状自动化立体仓库的研究现状 自动化立体仓库是在不进行人工处理的情况下自动存储和取出物料的系统在现代 物流系统中，自动化立体仓库又称为高层货架仓库、自动存储检索系统，它是物料搬 运和仓储科学中的

20、一门综合科学技术工程。 自动化立体仓库(Automated Storage and Retrieval System)产生于60年代的美国， 到现在大致经历了手工储运式、机械式立库系统、自动化立库系统、集成化立库系统， 智能型立库系统五代的发展，并逐步向第六代“3I”(Inteligent智能化，Integrated集 成化，Information信息化)型自动化立体仓库系统过渡131至今，世界上已有5000多座 自动化立体仓库，它是以计算机综合管理控制系统为基础，加上多层货架、堆垛机、转 轨机及其配套的运行设施、托盘、货箱等联合构成。 目前，自动化立体仓库在发达国家已相当普遍，日本是自动化仓

21、库发展最快，建造 数量最多的国家此外美国、德国、瑞士、意大利、英国和法国等国家也建造了许多自 动化仓库发展至今，自动化仓库在设计、制造、自动化控制和计算机管理方面的技术 也日趋成熟。 50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库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年美国率先在立体仓库中采用计算机控制技术， 建立了世界上第一座计算机控制的立体仓库。我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制 开始并不晚，上世纪70年代开始研究并逐渐采用巷道式堆垛机的立体仓库，进入80年代 以来一些交通运输部门和部队物资储存对老式仓库进行技术改造，开始采用自动化立体 仓库1980年由北京机

22、械工业自动化研究所等 单位研制建成我国第一座自动化立体仓库，并在北京汽车制造厂投产从此以后， 立体仓库在我国得到了迅速的发展。1991年3月长春客车厂建造的双排整体焊接式自动化 立体仓库，都取得了降低储存成本提高储存经济效益的良好效果。1995年建成的仪征化 纤工业联合公司涤纶长丝自动化立体仓库是目前由国内独立设计和制造的综合自动化程 度最高的立体仓库尤其十堰第二汽车制造厂采用国内较先进的ASRS物流管理系统， 由五台不同规模的微型计算机组成了分层分布式系统，实现了仓库信息管理自动化和仓 库入库及出库作业的自动化。据不完全统计， 目前我国已经建成的立体仓库近300个，其中全自动化的立体仓库有3

23、0多个此外， 还有一些建设比较成功的立体仓库，如洛阳第一拖拉机厂、清华大学CIMS实验室的立体 仓库等。 自动化立体仓库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我国的自动化仓库技术现己实现与其他信息决策系统的集 成，正在做智能控制和模糊控制的工作。 在总体设计方面，国外已有采用计算机辅助设计的(CAD)即根据约束条件来确定最佳 的货架高度、巷道数量、货架尺寸和堆垛机数量以及出入库运行系统的参数，并用计算 机模拟技术来考核仓库的功能。货架在国外已系列化、标准化，对货架的承载能

24、力(包括 抗震)进行了很多实验研究(包括破坏性实验)，货架计算采用计算机程序堆垛机产品已 经走入系列化，运行噪声低，备有各种安全保护装置，调速性能好一般都具有完善的 货物位置检测和货物尺寸检测。国外立体仓库普遍采用抗干扰能力强、工作可靠的可编 程控制器来控制巷道堆垛机和出入库系统，并且用计算机进行货位管理和库存管理，仓 库管理计算机与上级管理机联网并能与控制系统相接，实现在线控制。例如，日本名古 屋附近的三菱汽车装配总厂的自动化立体仓库，其自动化程度就非常高这座装配厂每 天(16d,时)生产11520辆汽车。在长达两公里的巨大输送带上，能同时装配5种完全不同 车型的汽车，半成品装配件(除车体在

25、生产线上进行焊接外)完全来自于立体仓库，仓库 的库存量只能维持两天的生产，需要不断的进库补充，这样大的进、出库量及名目繁多 的部件是人工无法胜任的 当前产品生命周期大大缩短，多品种、小批量生产方式的比重大幅度增加，产品的 交货期大大缩短。同时，产品结构日趋复杂、功能更为完善，用户对于产品需求的个性 化，都将促使制造技术和生产、经营观念日新月异，这些无不要求制造业应具有高度柔 性与较强的应变能力。必须采取一定的策略来适应不断提高要求的库存管理、运行的柔 性以及各种过程集成的程度，能够时时监控生产流程，设备状态及物料的加工状况，有 效协调整个生产过程，以提高企业的竞争力。 1.1.31.1.3 堆

26、垛机的研究现状堆垛机的研究现状 堆垛机的机械部分由运行机构、起升机构、伸叉机构及载货台和机架组成。它是在 所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。尽管各厂家各有独创，结构形式有些差 异，但可以说大同小异，所有的堆垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控 制系统等部分组成 随着微电子技术的应用和发展，计算机控制的堆垛机日益增加，最新的开发包括提 高电子和控制技术，在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。 而且，堆垛机的结构也有了较大的改变，不断推出具有新的物理外形和更高性能的设 备随着大、中、小型立体仓库不断的建立，堆垛机也由货架支撑式改变为地面支撑式， 从而出现了形态

27、各异的堆垛机。单立柱堆垛机应用日益广泛，不断体现出优越性。 初期的立体仓库使用的堆垛机以桥式起重机为基础，这种堆垛机是从起重机的大梁 上悬挂一个门架(立柱)，利用门架的上下和旋转运动来搬运货物。1960年左右，美国出 现了没有大梁的巷道式堆垛机，这种堆垛机是在地面上的导轨上行走，利用货架上边的 导轨防止倾倒，或者相反，在上边的导轨上行走，利用地面的导轨防止倾倒随着立体 仓库的发展，巷道式堆垛机逐渐代替了受重量和跨度限制的桥式堆垛机。目前在堆垛机 方面也不断推出具有新的物理外形和更高性能的设备。最新的开发包括提高电子和控制 技术，在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，以期获得

28、更短 的操作周期和更大的生产能力。目前，巷道式堆垛机的起升速度己经可以达至 90mmin，运行速度达至240mmin，货叉伸缩速度达至30mmin。在有的高度较大的立 体仓库中，采用上、下两层分别用巷道堆垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力。 现在运用比较成熟的控制方式是用PLC(可编程控制器)作执行机的控制器，或单机控 制，或由PLC配置通讯模块联机控制。由于PLC专为工业环境下应用设计，具有可靠性高、 通用性强、维护工作量小等优点监控机对堆垛机的控制通过与PLC通信实现。PLC由于 体积小，可读性好，可靠性高，抗干扰能力强，编程简单而在工程实际中大量应用。PLC 控制中堆垛机的认址方式一般

29、采用绝对认址与相对认址混合方式，位置定位通过两对光 电开关实现但是这种方案的缺点是；堆垛机的认址需要较多的认址片，硬件成本比较 高；其控制方式为开环控制，控制精度较低，不便于实现堆垛机的实时监控基于上述 情况，对堆垛机的控制方案进行研究具有一定的实际意义。 1.1.3.11.1.3.1 单立柱有轨巷道堆垛机的分类单立柱有轨巷道堆垛机的分类 （1）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，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

30、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 1.1 所示。 图 1.1 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

31、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。 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

32、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。 1.1.41.1.4 PLCPLC 的发展过程及现状的发展过程及现状 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的 元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组成， 可以完成简单的逻辑控制及

33、定时、计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很 快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具 有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用， 可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处 理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相 结合的产物。 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入 可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业 抗干扰设计、模拟量运算、PID 功

34、能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制 器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界 上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成 熟阶段。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模 上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特 殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力 来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控

35、制设备的配 套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等 领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引 进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。近十年来，随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中 小设备开始采用 PLC 进行控制，PLC 在我国的应用增长十分迅速。目前，我国自己已可以 生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产 的 DKK 及 D 系列、大连组合机床研究所生产的 S 系列

36、、苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列 等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上 海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。 随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内 PLC 在我国 仍将保持高速增长势头。通用 PLC 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器， 但 PLC 相对一般嵌入式控制器而具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的 一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步采用通用 PLC 或定制 PLC 取代嵌入式控制 器。 1.1.51.1.5 本课题的研究目标本课题的研究目标及内容及内容 目标

37、：设计安全可靠，具有经济性能和操作性能良好的堆垛机控制系统。全文着重 对堆堆机整体结构、货架结构以及 PLC 构成的控制器进行合理的设计，采取相应的算法 及可行措施，确保系统具有精确、可靠、先进的性能。控制功能主要通过软件来实现， 简化了安装过程，降低了安装成本，增加了系统的适应性，这在仓库柔性化的发展趋势 下具有广阔前景。 内容：已知仓库货架总高度为 10m， 行走速度：63m/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： （1）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

38、数的计 算； （2） 通过功率、速度等参数的计算、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； （4）货叉的相关设计及受力计算。 第第 2 章章 堆垛机的结构计算堆垛机的结构计算 2.1 堆垛机的主要参数及尺寸参数堆垛机的主要参数及尺寸参数 包括最大起重量、载荷的几何参数与运行速度相关的参数（货物的入出频率 行走 起升及货叉的伸缩） 堆垛机外型几何参数，行走速度为 63m/min，最大起重重量为 2000Kg。 2.1.12.1.1 堆垛机的金属结构设计堆垛机的金属结构设计 单立柱机架由一根立柱

39、、 上、下横梁组成，刚度较差，但质量较轻。堆垛机的受力 参数包括自重载荷、起升载荷、垂直惯性力与水平惯性的作用。 （1）自重载荷是工作EG 中始终存在的固定和运动部件；（2）起升载荷 Pq 上由以下部分重力组成：单元货物 （包括货箱、托盘）单元货物的存取货部件如货叉、平台等，载货台以及牵引构件如钢 丝绳、链条等；（3）垂直惯性力由自重载荷系数 f 及起升载荷系数来考虑确定。即： F=f+Pq。EG 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 2.1 所示。 图 2.1 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

40、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道两端时,缓冲器用来吸收小型有轨巷道堆垛机 运行量，防止事故的发生。 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。法兰盘.固定在下横梁的上部，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，

41、 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。 图 2.2 下横梁模块图 2.1.22.1.2 起重重量起重重量 实际起重重量包括吊具重量和额定重量之和，用表示。 考虑到货物正常起吊时的SL 动载冲击作用，则设计起重重量 = LPSL 上式中，称为冲击系数，与堆垛机分类有关： I 类 = 11， II 类 = 125， 类 = 14， IV 类 = 160 2.1.32.1.3 水平载荷水平载荷 堆垛机沿水平方向加速减速行走或旋转时，必然存在与其 加速度有关的水平惯性力。 即 = HS

42、SL 上式中，称为动载荷系数，由于加速度的不确定性，一般用额定速度 v 来确定。 水平行走时=0000 5 v； 旋转时 =00004 v。 2.1.42.1.4 载荷状态载荷状态 堆垛机工作时，其承载能力是上述各种载荷与自重的不同组合，可分为 EG A正常工作状态：Mx(+ +）EGLSHS B特殊工作状态： Mx(+ +)+ EGLSHSWS C起吊工作状态：+EGLSTS D停止：+EGWS 以上表达式中，M 称为作业系数，与前述堆垛机的分类有: I 类 M = 10， 类 M = 1.05； 类 M = 11， IV 类 M = 1.20。 2.1.52.1.5 循环寿命循环寿命 堆垛

43、机每完成一次入库或出库所需时间是由多种因素决定的，图 1 所示为堆垛机行 走时的加减速度情况。堆垛机完成入库或出库一次工作循环所需平均时间称为基本作业 时间，用 T。来表示。 图 1 堆垛机行走加减速度示意图 设堆垛机开动率为 n，为堆垛 机实际开动时间占工作时 间的百分比。若一天工作时间为 8h，则堆垛机每天可经历的 工 作循环次数为 8x3 600 x nTo (5) 式 (5)中，时间 To 单位为秒。 若堆垛机寿命按 10 年计，每年工作 300 天，每天工作 8h， 基本作业时间 To=100 秒，开动率 n=70，则堆垛机的循环 寿命为: 10 x300 x8x3 600 x0.7

44、100 6x(次 ) 5 10 图 2.3 堆垛机行走加减速度示意图 第第 3 章章 水平运行机构设计方案水平运行机构设计方案 3.1 水平运动机构总体方案的确定水平运动机构总体方案的确定 根据以上计算可初步确定有以下方案： 方案 1：选择设计单立柱无轨道式堆垛机； 方案 2：选择设计单立柱双轨道式堆垛机； 方案 3：选择设计单立柱单轨道式堆垛机； 根据以上计算可知：此堆垛机的最大载荷重量为 2000Kg，水平运动速度为 63m/min 以及所受的 载荷均很小，故选择第三种方案：单立柱型单轨道堆垛机。其优点在于支撑于地面可避免受力的分配 不均所引起的种种问题，单立柱适用于堆垛机的结构特点,单轨

45、道可以适应巷道内狭窄的空间。另外水 平行走机构按行走轨迹有两种型式-直线型和曲线转轨型，针对本课题的要求选择直线型。 3.2 水平运行机构具体布置的主要问题水平运行机构具体布置的主要问题 1. 因为下横梁时主要的承载部件，机架的运行速度很高，而且在受载之后向下挠曲， 机构零部件的安装可能不十分准确，所以如果单从保持机构的运动性能和补偿安装的不 准确性着眼，凡是靠近电动机、减速器和车轮的轴，最好都用浮动轴。 2. 为了减少立柱的扭转载荷，应该使机构零件尽量靠近立柱；尽量靠近端梁，使端 梁能直接支撑一部分零部件的重量。 3. 对于行走机构的设计应该参考现有的资料，使安装运行机构的平台减小，占用巷

46、道的空间最小，总之考虑到堆垛机的设计和制造方便。 3.3 机构的布置形式机构的布置形式 水平运行机构由电机、减速机、车轮组、缓冲器等组成。它的布置形式多种多样， 但比较合理的驱动形式如图 1 和图 2 所示的两种。图 1 采用的是一般卧式减速器。图 2 采用套装式减速器，本次设计选用图一所示结构 图3.1 采用一般的卧式减速器 图3.2 采用套装立式减速器 3.4 堆垛机设计计算堆垛机设计计算 3.4.13.4.1 主动行走轮直径的确定主动行走轮直径的确定 走行轮有主动轮与从动轮各 1 个，由于堆垛机在操作货叉时的反作用力会对走行轮 产生侧压，为了防止走行轮由于侧压脱轨与走行中的爬行现象，需安

47、装侧面导轮驱动轮 的末端齿轮采用轮轴直接连接的驱动方式。 走行轮的允许载重量等各参数间有下列关系式： P=KD （B-2r） （kg） 且K=（kg/cm ） v k 240 240 2 式中，P允许载重量（kg） D 车轮的踏面直径（cm） B钢轨宽（cm） r钢轨头部的圆角半径（cm） K许用应力系数（kg/cm ） v走行速度（m/min） 2 k许用应力（球墨铸铁的许用应力为 50） （kg/cm ） 2 首先确定 B=6.4cm，r=0.2cm, k=50 kg/cm , v=63m/min 2 则 K=40（kg/cm ） v k 240 240 63240 50240 2 P =

48、2195/2=1097.5kg 则代入上式可得：D =6.7cm，则车轮的轴径为 d=34mm 3 min /nPC 取 d =50mm,车轮直径可适当取大为 D=100mm 轴上的轴承选取代号为 6210，基本尺寸为：d=50mm, D=90mm, B=20mm. 3.4.23.4.2 运行阻力计算运行阻力计算 (1)有轨巷道堆垛机的运行时的静阻力 小型有轨巷道堆垛机沿轨道直线运行时，行走轮与轨道之间以及行走轮与轴承之间， 都存在着摩擦阻力，另外轴与轮毂之间也存在着滑动摩擦阻力、因此，为了简化讨论， 假定全部载荷作用在一个行走轮上。当行走轮沿着轨道滚动时，其受力情况如图 3.2 所 示。 图

49、 3.3 摩擦阻力计算 由弯矩平衡条件得： M=F+Nf= 2 d f W D 2 即有 ) 2 )( D f D ud GPWf 考虑其它阻力的附加阻力，乘以一个系数 K 即 W=K D f D ud GP) 2 )( 式中 M-驱动力矩(MPa)； P+G-堆垛机的额定起重量和自重之和(N)； f-行走轮滚动摩擦系数； D、d-分别为车轮直径和轴径(mm)； -轴承摩擦系数。 查得：滚动阻力系数 f=0.04，轴承摩擦系数 =0.02，附加阻力系数 k=2，代入上 式中： 当满载时的运行摩擦阻力： W =21750（0.020.05/0.1+20.04/0.1）2=35235N 当小型有轨

50、巷道堆垛机在室内运行时，风阻力和轨道斜坡阻力较小，经常忽略不计； 所以小型有轨巷道堆垛机的静阻力等于其摩擦阻力。 于是计算得到满载时的运行阻力为 35235N 3.4.33.4.3 行走电动机功率的计算行走电动机功率的计算 有轨巷道堆垛机的运行机构的电动机的功率，是根据堆垛机满载稳定运行时的静阻 力进行计算。堆垛机水平运行部分重 200kg，升降部分重 700kg，立柱重 96.77kg/m10=967kg，故堆垛机自重 W=967+900=1867kg，行走速度 v=63m/s=1.05m/s， 滚动阻力系数 u=0.02，动力传动效率=0.9，行走阻力为 R=（W+）u=（18670+60

51、00）0.02=493.4N 2 W 故最高时速需动力 P=Rv/=493.41.05/0.9=575.6w=0.58kw 选用电动机 Y802-2；额定功率 1.1KW，满载转速 2830r/min 电动机的重量 Gd=45kg，电机轴D=19mm，长 L=285，效率 85.5%。 1 3.4.43.4.4 电动机的发热校验电动机的发热校验 等效功率： Nx=K25rNj =0.751.30.58=0.55KW 式中 K25工作类型系数，由1表 8-16 查得当 JC%=25 时，K25=0.75 r由1按照起重机工作场所得 tq/tg=0.25，由1图 8-37 估得 r=1.3 由此可

52、知：NxP,故初选电动机发热条件通过。 3.4.53.4.5 减速器的选择减速器的选择 车轮的转数： nc=Vdc/（Dc）= /100=200.6r/min 机构传动比： i。=n1/nc=2830/200.6=14.15 减速器的第一级传动比为 2.5,第二级的传动比为 2.8，考虑空间位子条件，用带轮连接电动机和减 速器，传动比为 2.02。 图 3.4 减速器的外观图 3.4.63.4.6 各轴的转速计算各轴的转速计算 电动机输出轴：=2830r/minmn 减速器高速轴：=2830/2.02=1400r/minn 12 /inm 减速器中间轴轴: = 1400/2.5r/min=56

53、0r/min 2312 /inn 减速器低速轴：= 560/2.8r/min=200r/min 3423 /inn 3.4.73.4.7 各轴的输入功率计算各轴的输入功率计算 电动机的额定功率：=1.1kw m p 减速器高速轴：=1.10.9=0.99kw 1 p m p 减速器中间轴轴: =0.990.97=0.9603kw 12 Pp 12 减速器低速轴：=0.9603 0.76=0.73kw 12 Pp 23 3.4.83.4.8 各轴的转矩计算各轴的转矩计算 减速器高速轴mNnPT8 . 61400/99 . 0 9550/9550 111 减速器中间轴轴: mNnPT38.1656

54、0/9603 . 0 9550/9550 222 减速器低速轴：mNnPT86.34200/73 . 0 9550/9550 333 3.5 齿轮的设计与计算齿轮的设计与计算 3.5.13.5.1 齿轮的材料选择齿轮的材料选择 一般齿轮要选择用 20钢，硬度为 56-62HRC，由图5-28d 查得弯曲疲劳极限应力 r C 2 =450MPa；由图 5-29d 查得接触疲劳极限应力=1500 Mpa. limF limH 3.5.23.5.2 齿轮的齿轮的计算计算 其传动的许用应力和许用弯曲应力分别为： 2 lim/HHNHZS =/ F limF NstY Y F S 式中：实验齿轮的接触疲

55、劳极限（） ；limHaMP 实验齿轮的弯曲疲劳极限（） ；limFaMP 、分别由图表查取；由图可查得limHlimF =1500；=450；limHaMPlimFaMP -实验齿轮的应力修正系数，按国家校准，取 2.0;stY 、-接触强度和弯曲强度计算的安全系数=1.0，=1.25 H S F S H S F S -接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算的寿命系数，用于考虑应力循环次数的影响。NZNY =1.15,=2.5NZNY 3.5.33.5.3 齿轮的应力工作循环次数计算齿轮的应力工作循环次数计算 =（）=16.81060hNnjL 8 所以： =15001.15/1.0=1725 MP

56、alim/HHNHZS =/=450 2 2.5/1.3=1731MPa F limF NstY Y F S 3.5.43.5.4 齿轮传动的计算载荷齿轮传动的计算载荷 计算载荷ncnFKF AVKK K K K 式中：K-载荷系数； -使用系数；AK -动载系数；VK -齿间载荷分配系数；K -齿间载荷分布系数；K -齿轮法向力；nF 使用系数=1.25AK 动载系数=1.1VK 齿间载荷分配系数=1.0K 齿间载荷分布系数=1.3K 所以 K=1.251.11.01.3=1.79； 3.5.53.5.5 齿根弯曲疲劳强度计算齿根弯曲疲劳强度计算 112/FFaSaFKT Y Ybd m 式

57、中：-齿形系数；查表得=2.62FaYFaY -应力校正系数；查表得=1.59SaYSaY 56311 6 . 1 2450 min lim 1 XN F STF FP YY s Y 已知=6.8NM，K=1.3 1 T 初步确定各参数知 =39，取=97，=，u=97/39=2.487 1 Z 5 . 97395 . 2 12 iZZ 2 Z5 . 0 d 15 则=/cos=39/ cos=43 1v Z 1 Z 3 3 15 查表知小齿轮复合齿形系数=4.06 1FS Y 108 cos 97 cos 33 2 2 Z Zv =1.72cos) 11 (2 . 388. 1 21vv v

58、a ZZ 15cos) 108 1 43 1 (2 . 388. 1 6 . 0 Y 可求的模数为 =1.4 3 2 2 59 . 0 06 . 4 563395 . 0 15cos8 . 63 . 1 6 . 12 n m 取=2mm n m 中心距为 a=160.1 cos2 )( 21 ZZmn 15cos2 )9739(2 取 a=161mm 可知 cos=0.88 1612 )9739(2 2 )( 21 a ZZmn 可得=28.35 则小齿轮分度圆直径为 mm zm d n 3 . 65 88 . 0 392 cos 1 1 mm zm d n 240 88 . 0 972 co

59、s 2 2 mmdb d 32 3 . 655 . 0 12 ，取为 40mmmmbb4237)105( 21 HPEH u u bd KT ZZ ) 1 (109 2 1 1 取MPaZZ E 8 . 189,85 . 0 MPa H 327) 487 . 2 1487 . 2 ( 3 . 6532 8 . 63 . 1 85 . 0 8 . 189109 2 1Z1,5 . 1, WNlimN lim lim ZSZZ S HW H H HP ，取 计算得1000MPa HP ., HP 故合格 H 3.5.63.5.6 齿面的接触疲劳强度计算齿面的接触疲劳强度计算 HH 式中：-接触应力

60、；H -许用接触应力；H =H 3 1121/dHEKTudu Z Z 式中：区域系数，对于标准齿轮，=2.5；HZ HZ -齿宽系数。d 由以上计算得=0.15MpH 3 2 1.794733002/ 2681.2XXXXH 所以符合要求 3.6 夹轨器的选择夹轨器的选择 夹轨器是轨道式行走设备不可缺少的安全保护装置，当主机不工作时,可以靠 夹轨器把它固定在轨道上 ,以防被大风吹走而发生倾倒事故.目前国内每年都有几 起因夹轨器不可靠而造成主机被风吹跑,引起翻车的事故 ,给国家造成巨大的经济 损失.重锤式和弹簧式两种夹轨器是利用连杆机和杠杆夹钳各自把重锤重力和弹簧顶 力传递到夹钳的钳口上 ,使