自动化立体仓库堆垛机设计01

西南交通大学本科毕业设计（论文）自动化立体仓库堆垛机设计DESIGNOFSTACKERCRANEFORAUTOMATICWAREHOUSE20012年6月西南交通大学本科毕业设计(论文)第PAGEV页摘要有轨式巷道堆剁起重机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，通常简称为堆剁机。堆剁机是立体仓库中最重要的起重运输设备，是代表立体仓库特征的标志。其主要用途是在高层货架仓库的巷道内沿轨道运行，将位于巷道口的货物存入货格，或是取出货格内的货物运送到巷道口，完成出入库作业。20世纪70年代初期，我国开始研究采用巷道式堆剁机的立体仓库，不久便广泛应用于各行业和地区，有的已经形成系列化，据不完全统计，到目前已建成三百余座。随着现代工业生产的发展，有轨巷道堆垛起重机的技术也在不断提高和完善。世界主要工业国家都把着眼点放在开发性能可靠的新产品和采用高新技术上，更加注重实用性和安全性。如今，自动化立体仓库及堆垛机已成为企业生产管理不可获缺的重要组成部分。本文从实际问题出发，以现有设备为依托，先确定出堆垛机的总体结构及各部分的结构草图，然后运用理论力学、材料力学、机械设计、制造技术等专业知识，并查阅相关设计手册，对其机械部分进行了详细的设计计算，包括：机架、行走机构、提升机构、载货台和货叉伸缩机构。设计过程中，以实现堆垛机的机械性能为目的，在满足其强度、刚度、运行稳定性等要求的前提下，综合考虑结构的合理性和所选材料的经济性，力求达到高质量、低成本。关键词自动化立体仓库堆垛机结构设计AbstractTrackTunnel-StackerCraneisdevelopedbyaspecialcranewiththeemergenceofthree-dimensionalwarehouse,usuallyreferredtoasstackercrane.Stackercraneisthemostimportantliftingandtransportationequipmentinathree-dimensionalwarehouse,andisonecharacteristicofthree-dimensionalwarehouse.Itsmainuseisorbitalongtheroadwayintunnelofhigh-risewarehouse,putthegoodsthatbelocatedatthemouthofthetunnelintotheshelves,ortakeoutgoodsanddeliveredtothetunnelmouth,completethestorageoperations.Attheearly70’sof20th,Chinastartedtodevelopthethree-dimensionalwarehousewithstackercrane,andsoonhavebewidelyusedinvariousindustriesandregions，somehaveformedserialization.Accordingtoincompletestatistics,morethan300warehouseshavebeencompletednow.Withthedevelopmentofmodernindustry,thetechnologyofstackercraneisbeingimproved.Alltheworld'smajorindustrialcountriesfocusonthedevelopmentofnewproductswithreliableperformanceandtheuseofhigh-tech，andpaymoreattentiontothepracticalityandsafety.Atpresent,automaticthree-dimensionalwarehouseandstackercranehavebecomeanimportantcomponentofproductionmanagement.Thispaperstartsfromthepracticalproblems,andbasesonexistingequipments.Firstlyconfirmtheoverallstructureofstackercraneandthedraftofpartsofthestructure.ThenuseTheoreticalMechanics,MaterialMechanics,MachineDesignandManufacturingTechnology,andaccordingtorelevantdesignmanuals,elaboratesonitsmachineryparts,including:Rack,RunningMechanism,LiftingMechanism,LoadingStationsandTelescopicForkMechanism.Inthedesignprocess,consideringtherationalityofstructureandtheeconomyoftheselectedmaterialsinordertoachievethemechanicalpropertiesofstackerandrequestofstrength,stiffness,runningstability,attempttoreachtheaimofhigh-quality,low-cost.KeywordsAutomaticThree-DimensionalWarehouseStackerCraneDesignofStructure目录第一章绪论 11.1自动化立体仓库概述 11.2自动化立体仓库的发展 11.3发展自动化立体仓库的必要性 21.4自动化立体仓库中的堆垛起重机 41.5巷道式堆垛起重机的结构及设计要点 51.5.1机架 51.5.2行走机构 51.5.3提升机构 51.5.4载货台及货叉 51.5.5电器设备 61.5.6安全保护装置 6第二章堆垛机机架的结构设计 72.1自动化立体仓库的结构尺寸及运行条件 72.2机架设计概述 72.2.1机架设计应满足的一般要求 72.2.2机架的设计步骤 72.3上导轨设计 92.3.1导轨类型的确定 92.3.2导轨材料的确定 92.3.3导轨截面形状的确定 92.4上横梁设计 112.5立柱设计 142.6下导轨设计 192.6.1导轨类型的选择 192.6.2滚动直线导轨副的结构与特点 192.6.3滚动直线导轨副的计算 20第三章行走机构的设计 253.1电动机的选择 253.1.1选择电动机应综合考虑的问题 253.1.2电动机的选择 253.2传动装置的设计 263.2.1传动方案的确定 263.2.2第一级减速齿轮副的计算 283.2.3第二级减速齿轮副的计算 323.2.4齿轮齿条副几何尺寸的确定及计算 363.2.5轴的计算 373.3行走机构结构图 42第四章提升机构的设计 434.1电动机的选择 434.2传动滚子链的设计计算 434.2.1滚子链几何尺寸的计算 434.2.2滚子链静强度计算 444.2.3链轮几何尺寸计算 454.3提升滚子链的设计计算 474.3.1滚子链几何尺寸的计算 474.3.2链轮几何尺寸的计算 48第五章载货台与货叉伸缩机构的设计 495.1电动机的选择 495.2传动机构的计算 505.2.1圆锥齿轮副的计算 505.2.2齿轮齿条副的计算 535.2.3传动轴的设计 575.3导轨与叉板的设计 595.3.1导轨的计算 595.3.2板件尺寸的确定 605.4载货台结构图 61结论 63致谢 65参考文献 66附录Ⅰ毕业实习报告 67西南交通大学本科毕业设计(论文)第90页第一章绪论1.1自动化立体仓库概述自动化立体仓库是物流系统中的重要组成部分，它是在不直接进行人工处理的情况下能够自动地存储和取出物料的系统。它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。自动化立体仓库（AS/RS）是由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库托盘输送机系统、尺寸检测条码阅读系统、通讯系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其他如电线电缆、桥架、配电柜、调节平台、钢结构平台等辅助设备组成的复杂的自动化系统。运用一流的集成化物流理念，采用先进的控制、总线、通讯和信息技术，通过以上设备的协调动作，按照用户的需要完成指定货物的自动有序、快速准确、高效的入库出库作业。1.2自动化立体仓库的发展立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产力和技术发展的结果。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，出现了由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，目前已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，于1963年研制成功第一台桥式堆垛起重机（北京起重运输机械研究所机械部），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，该仓库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、很强的出入库能力、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，现今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。自动化立体仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。在我国自动化立体仓库应用的行业主要有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。1.3发展自动化立体仓库的必要性自动化立体仓库相对于以往的仓储设备，具有以下几个方面的优势：一、提高空间利用率早期立体仓库的构思，其基本出发点就是提高空间利用率，充分节约有限且宝贵的土地资源。在西方有些发达国家，提高空间利用率的观点已有更广泛深刻的含义，节约土地，已与节约能源、环境保护等更多的方面联系起来。有些企业甚至把空间的利用率作为系统合理性和先进性考核的重要指标来对待。立体仓库的空间利用率与其规划紧密相连。一般来说，自动化高架仓库空间利用率为普通平库的2~5倍。这是相当可观的。二、便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平传统仓库只是货物储存的场所，保存货物是其唯一的功能，是一种“静态储存”。自动化立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库内按需要自动存取，而且可以与仓库以外的生产环节进行有机的连接，并通过计算机管理系统和自动化物料搬运设备使仓库成为企业生产物流中的一个重要环节。企业外购件和自制生产件进入自动化仓库储存是整个生产的一个环节，短时储存是为了在指定的时间内，将物料自动输出到下一道工序进行生产，从而形成一个自动化的物流系统，这是一种“动态储存”，也是当今自动化仓库发展的一个明显的技术趋势。生产管理是企业管理的一个重要组成部分，主要包括产品规划，生产组织，物流规划，外购外设，产品质量，成本测算等内容。自动化立体仓库系统作为生产过程的一个中心环节，几乎参与了生产管理的全过程。三、加快货物的存取节奏，减轻劳动强度，提高生产效率建立以自动化立体仓库为中心的物流系统，其优越性还表现在自动化高架库具有快速的出入库能力，能快速妥善地将货物存入高架库中，也能快速及时并自动地将生产所需的零部件和原材料送达生产线。这一特点是普通平库所不能达到的。同时，自动化立体仓库的实现是减轻工人劳动强度的最典型的例子。这种劳动强度的减轻是综合的，具体包括：1）采用自动巷道式堆垛机取代人工存放货物和人工取货，既快捷又省力。由于工人不必进入仓库内工作，工作环境大为改善。2）采用计算机管理系统对货物进行管理，大大增强了货物的管理能力，使仓库管理科学化，准确性和可靠性有质的提高，入出库管理、盘库、报表等工作量变得简单快捷，工人的劳动强度大幅降低。3）立体仓库系统辅以库前辅助输送设备，使货物出入库变得简单方便。4）自动化立体仓库系统所需要的操作人员和系统维护人员很少，可以节省人力物力，节约了资金。四、减少库存资金积压据统计，由于历史原因造成管理手段落后，物资管理零散，使生产管理和生产环节的紧密联系难以到位。为了达到预期的生产能力和满足生产要求，就必须准备充足的原材料和零部件。这样库存积压就成为一个较大的问题。如何降低库存资金积压和充分满足生产需要，已成为大型企业不得不面对的重要问题。立体仓库系统是解决这一问题的最有效的手段之一。1）以自动化立体仓库为中心的工厂物流系统，解决了生产各环节的流通问题和供求矛盾，使原材料的供给和零部件的生产数量和生产所需的数量可以达到一个最佳值。2）计算机网络系统的建立使原材料和零部件外购件的采购更及时和满足实际需求。3）计算机管理系统的建立加强了宏观调空功能，使生产中各环节生产量更能满足实际需求。4）建立成品库和半成品库，以解决市场供需的暂时的不一致，充分发挥企业的生产潜力。如前所述，自动化立体仓库在多个方面具有无可比拟的优势，这些正是一个现代化企业所要求和追求的。综观国内外的大型企业，自60年代始逐步采用自动化物流系统以来，到今天，立体仓库已成为企业生产管理不可缺少的重要组成部分。1.4自动化立体仓库中的堆垛起重机堆垛机是自动化立体仓库中最重要的搬运、起重、堆垛设备，对立体仓库物料的出入库效率有着重要的影响，是立体仓库能否达到设计要求和体现其优点的关键设备之一，通常将其分为桥式堆垛起重机和巷道式堆垛起重机两种。桥式堆垛起重机是在桥式起重机的基础上，结合叉车的特点发展起来的。在从起重小车悬垂下来的刚性立柱上有可升降的货叉，立柱可以绕垂直中心线转动，因此货架间需要的巷道宽度比叉车作业时所需要的小。这种起重机支承在两侧高架轨道上运行，除一般单元货物外还可堆运长物件。起重量和跨度较小时也可在悬挂在屋架下面的轨道上运行，这时它的起重小车可以过渡到邻跨的另一台悬挂式堆垛起重机上。立柱可以是单节的或多节伸缩式的。单节立柱结构简单、较轻，但不能跨越货垛和其他障碍物，主要适用于有货架的仓库。多节伸缩式的一般有2~4节立柱，可以跨越货垛，因此也可用于单元货物直接堆码成垛的无架仓库。巷道式堆垛起重机专用于高架仓库。起重机在货架之间的巷道内运行，主要用于搬运装在托盘上或货箱内的单元货物；也可以开到相应的货格前，由机上人员按出库要求拣选货物出库。巷道式堆垛起重机由起升机构、运行机构、货台司机室和机架等组成。起升机构采用钢丝绳或链条提升载货台。机架有一根或两根立柱，货台上的货叉可以伸向巷道两侧的货格存取货物。货叉一般为三节伸缩式，用齿轮齿条传动或链传动实现伸缩。这种起重机大多在地面上的一根钢轨上运行，水平轮装在顶部；高度不大时也可以悬挂在巷道顶部的工字钢下翼缘上运行，水平轮装在下部；起重量较小时，可以直接在货架顶部铺设的轨道上运行。巷道式堆垛起重机采用电力驱动，其控制方式有：eq\o\ac(○,1)手动控制；eq\o\ac(○,2)半自动控制，即起升和运行机构由人操作来改变速度，但在制动时机构能使货叉自动对准货格；eq\o\ac(○,3)自动控制，起重机备有自动认址系统。随着自动化立体仓库的不断发展，巷道式堆垛机逐渐取代了桥式堆垛机，其原因主要有以下几点：1）与巷道式堆垛机相比，自重很大，必须用比较坚固的建筑结构；2）为使堆垛机的大梁通过，在仓库天棚与货架之间要有很大的净空间；3）桥式堆垛机的通告宽度大，而且也受大梁的跨度的限制。1.5巷道式堆垛起重机的结构及设计要点堆垛机主要由机架、行走机构、提升机构、载货台及货叉、电器控制和各种安全保护装置构成。1.5.1机架机架是由上横梁、立柱和下横梁构成的框架，它是堆垛机的主要承载构件，整机结构高而窄，立柱一般由方管制成。如果堆垛机的高度很高、起重量较大、运行速度较快，立柱最好由圆管制成。上横梁及下横梁一般由槽钢和钢板焊接而成。堆垛机的机架沿天轨运行，为防止框架倾倒，在上横梁上装有导向轮。天轨一般由角钢、槽钢或热扎H型钢制成。1.5.2行走机构行走机构主要由电机减速器、行走车轮、导向轮等组成。在堆垛机下横梁的下面装有两个车轮，车轮一般由铸钢制成。在每个车轮的侧面有两个导向轮，以保证堆垛机能够在地轨上正常行驶。轴装式电机减速器装在前面的车轮上，它带动堆垛机在地轨上运行，当切断电机电源时，电机能够自动制动，使堆垛机停止在立体库的巷道中。1.5.3提升机构提升机构主要由电机减速器、驱动链轮、驱动链条、升降链轮、升降链条、配重块等组成。升降链条与载货台相连接，它与升降链轮、力柱的链轮及载货台组成封闭结构。当电机减速器通过驱动链轮带动升降链轮旋转时，升降链轮再通过升降链条带动载货台上下运动。1.5.4载货台及货叉载货台主要由槽钢、方管及钢板焊接而成。在它的每个侧面装有四个导向轮和一个顶轮，以保证载货台能够沿着升降轨道正常行驶。货叉是堆垛机中最主要的部分，它主要由电机减速器、链轮、链条、齿轮、齿条、下叉、中叉、上叉、轴承等组成。下叉侧面装有轴承并固定在载货台的台架上，中叉的下板与工字型导轨相连，上叉的顶板与立板相连，在立板上装有轴承。货叉电机通过链轮、链条带动齿轮旋转，齿轮带动齿条及中叉运动，同时中叉中的链轮通过链条带动上叉沿着中叉的工字形导轨运动。1.5.5电器设备电器设备主要包括电力拖动、控制、检测和安全保护。在电器拖动方面目前主要采用交流变频调速及交流变极调速。堆垛机的控制一般采用可编程控制器（PLC）及计算机等。堆垛机必须有自动认址、货位虚实等检测功能。电力拖动要同时满足快速、平稳和准确三方面的要求。1.5.6安全保护装置堆垛机是一种起重机械，它要在又高又窄的巷道内高速运行。为保证人身及设备的安全，堆垛机必须有完善的安全保护措施。主要的安保措施有：终端极限限位保护。堆垛机在行走、升降和伸缩货叉的终端都应设有限位保护装置。联锁保护。堆垛机在行走与升降时，货叉伸缩电路要自动切断；相反货叉伸缩时，行走与升降电路切断。正位虚实检测控制。只有堆垛机在垂直和水平方向停准时，货叉才能伸缩。另外，堆垛机到某货格入库，在伸叉存入货物前，需要先探测货格内有无货物，以防止双重入库，造成事故。载货台断链保护。堆垛机正常工作时，起升导轨两侧的偏心轮与导轨脱开，使载货台能够沿着起升导轨上下运动。当由于以外及长期使用等原因造成提升链条突然断裂时，偏心轮通过连杆机构及弹簧作用卡在起升导轨的两侧，使载货台不致突然下落。断电保护。如果载货台升降过程中突然断电，则通过升降电机制动使载货台不致于降落下来。第二章堆垛机机架的结构设计2.1自动化立体仓库的结构尺寸及运行条件堆垛机作为自动化立体仓库中重要的起重设备，应该充分满足生产中所需的要求，其结构尺寸应根据所应用的立体仓库的规格及所搬运货物的体积、重量等参数进行设计。本文所涉及的自动化立体仓库应用于汽车发动机零部件生产的物流系统，所存储的货物主要为发动机汽缸的铸件、半成品及成品。根据货物的尺寸和生产规模的要求，该立体仓库的货格尺寸为80×70×80cm，货架总共为15层，30列，货架最底层距离地面高度为50cm，因此仓库货架的整体尺寸为24×0.8×12.5m。堆垛机搬运的货物的重量不超过50kg，托盘重量小于5kg，从安全方面考虑，同时为使堆垛机的运行能力能够充分满足生产要求，保证生产活动的顺利进行，将堆垛机的最大承载能力定为100kg。堆垛机的行走速度为80m/s,载货台提升速度为0.2m/s，货叉伸缩速度为0.2m/s。2.2机架设计概述2.2.1机架设计应满足的一般要求机架的设计主要应保证其刚度、强度及稳定性的要求，在此前提下，还应使机架的重量尽量轻，以节约材料，降低成本。而且机架还要有良好的抗振性，能够将受迫振动的振幅限制在允许范围内。运行时噪声小，温度场分布合理，热变形对机架精度的影响小。结构合理，工艺性好，便于安装与调整。另外有导轨的机架要求导轨面受力合理，耐磨性良好。2.2.2机架的设计步骤一、初步确定机架的结构形状及尺寸机架的结构形状和尺寸，取决于安装在它内部与外部的零件和部件的形状与尺寸，装配情况、安装与拆卸等要求。同时也取决于工艺、所承受的载荷、运动等情况。然后，综合上述情况，利用经验公式或有关资料提供的经验数据，同时结合设计人员的经验，并参考现有同类型机架，初步拟定出机架的结构形状和尺寸。堆垛机机架结构草图如图2.1所示，由上横梁、底板和两根立柱构成框形结构。为了便于安装零件和减轻堆垛机机架的重量，上横梁选择热扎普通槽钢。对于立柱的截面形状有圆形、矩形和工字形三种选择。当截面面积相同时，圆形截面有较高的抗扭刚度，宜用于受扭为主的机架；工字形截面的抗弯强度最大，但抗扭性很低，宜用于承受纯弯的机架；矩形截面抗弯、抗扭分别低于工字形截面和圆形截面，但其综合刚性最好（各种形状的截面，其封闭空图2.1机架结构草图心截面的刚度比实心截面的刚度大）。堆垛机在行进和升降货台的过程中，拉、压、弯曲、扭转均会出现，对抗弯性和抗扭性都有要求，而且所提升的货物不是很重，因此选择矩形空心截面。另外，截面面积不变，曾大封闭空心截面的外形轮廓尺寸，减小壁厚，亦可提高截面的抗弯、抗扭刚度。即在满足相同刚度要求的情况下，通过使用空心的、大尺寸截面，可以节省材料，减小立柱重量，节约成本。根据立体仓库货架的尺寸，两立柱轴线间距离为1.0m。由于堆垛机上导轨与仓库货架最顶端横梁等高，载货台最低位置应与货架最底层等高，所以立柱长度初定为11.8m。二、常规计算常规计算是利用理论力学、材料力学、弹性力学等固体力学理论和计算公式，对机架进行强度、刚度和稳定性等方面的校核，而后修改设计，以满足设计要求。2.3上导轨设计2.3.1导轨类型的确定上导轨基本不承受载荷，主要起导向作用，因此在选择导轨类型时主要从满足导向精度方面考虑，即运动的直线度。由[2]P9-107表9.3-1，选择塑料导轨。该类型导轨在普通的金属滑动导轨副中的一件（一般在移动件）的导轨面上，用钉接、粘接或喷涂上一层通用的工程塑料板、纤塑层压板或者专用的导轨软带和耐磨涂层。塑料导轨的优点在于：（1）有良好的自润滑性和耐磨性。（2）对金属的摩擦系数小，因而能降低滑动件驱动力，提高传动效率。（3）静、动摩擦系数相接近，使滑动平稳。（4）加工简单，表面可用通用机械加工方法（铣、刨、磨等）加工。（5）由于塑料较软，落入导轨中的尘屑、磨粒可嵌入其中，不会对金属导轨面产生拉伤。（6）磨损后，拆除旧的塑料层，更换新的即可。（7）可以减小导轨重量。2.3.2导轨材料的确定塑料材料，查[1]P3-254表3-3-20，选择聚酰胺（尼龙66），该材料机械性能较好，可替代金属用作工程结构，在各种环境下均能保持优良的性能。金属材料，查[1]P3-74表3-1-29，选择灰铸铁HT200，具有较好的耐磨性和良好的减振性，铸件粗加工后，需要进行人工时效处理。2.3.3导轨截面形状的确定直线运动导轨的截面形状主要有四种：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形，并可互相组合，每种导轨副之中还有凹凸之分。根据实际情况，由[2]P9-108表9.3-2，选择双三角形导轨组合方式，如图2.2所示，该方式不需要镶条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好。图2.2滑动导轨剖面每条导轨为对称凹形三角形导轨，这样利于保存润滑油。尽管凹形容易留有灰尘，但如前所述，塑料导轨可以减小尘粒对导轨的磨损。另外，三角形导轨面磨损后能自动补偿，减小间隙。导轨上部固定于货架上，每段导轨长度在货架设计中确定，此处不作处理。导轨下部固定于堆垛机上横梁，为减轻堆垛机重量，将其制作成两个长为100mm的滑块，对称焊接在上横梁槽钢上。查[2]P9-110表9.3-5，得导轨截面尺寸如下：表2-1导轨截面尺寸BbAα20mm2mm70mm90°导轨上、下部分结构尺寸如图2.3所示：(a)(b)图2.3导轨尺寸2.4上横梁的设计上横梁通过焊接与两根立柱联接，保持立柱间的相对稳定性。另外，上导轨的滑动部分固定于上横梁上，对其产生下压力。为保证上横梁具有一定的刚度、强度和良好的稳定性，按照GB/T707-1988标准，选用热扎槽钢材料制作。查[1]P3-112表3-1-53，初选槽钢型号为10号，其尺寸参数如下：图2.4槽形钢截面尺寸表2-2槽形钢尺寸尺寸/mm截面面积cm2hbDtrr110044.212.748参考数值x-xy-yZ0Wx/cm3Ix/cm4ix/cmWy/cm3Iy/cm4iy/cm/cm39.71983.957.825.61.411.52按GB/T699-1999，JB/T6397-1992标准，选上横梁材料为45号钢。根据材料力学，上横梁可看作两端固定梁，受滑块的下压力。当堆垛机行走时，滑块所受的摩擦力方向为轴向，在此处可忽略不计。其剪力图、弯矩图如图2.4所示：图2.4上横梁受力图其中，q—匀布载荷，M—弯矩，Q—剪力计算最大弯矩和最大剪力：其中，V—导轨下部的体积，m—导轨下部质量，—材料密度，查[1]P1-6表1-1-4，灰铸铁密度为7.25t/m3（2-1）（2-2）梁的横截面对中性轴的惯性矩IY=25.6cm4在受拉一边的最大拉应力：（2-3）查[1]P3-13表3-1-7，材料的强度极限：，材料的屈服极限：材料的许用应力为：其中，S—安全系数，S=S1S2S3查[1]P1-115表1-1-92，则：在受压一边的最大压应力：（2-4）横梁所受的最大拉应力与最大压应力均未超出许用值，符合要求中性轴以下半个横截面面积对中性轴的静面矩为：（2-5）最大切应力为：（2-6）梁所受的最大切应力远小于许用切应力，满足要求2.5立柱设计立柱支撑着载货台，是主要的受力部件。因此立柱的抗弯、抗扭强度对堆垛机的力学性能起着决定性的作用。两根立柱之间，由上下横梁连接，下端固定于底板上。立柱上安装有链轮、链条，可通过电机带动载货台的升降运动。立柱体积较大，因此在满足力学性能要求的前提下，应尽量减小立柱的横截面面积，以降低重量，按GB/T6728-1986标准，选择结构用冷弯矩形空心型钢，查[1]P3-134表3-1-66，初选尺寸为80×60mm，壁厚4.0mm，截面面积为10.147cm2；按GB/1591-1994标准，查[1]P3-19表3-1-8，选择Q345低合金结构钢，该材料综合力学性能良好，低温性能亦可，有良好的塑性、焊接性和冷弯性，材料的强度极限为σb=470MPa，屈服极限为σs=345MPa。在工作中，立柱处于最大受力状态时，有以下两种情况：（1）当载货台位于立柱最顶部，货叉完全伸出，并载有货物时，立柱所受弯矩最大；（2）载货台载有货物，从立柱顶部向下加速运动时，或载货台从下向上提升货物，在接近立柱顶部作减速运动时，立柱受到载货台与货物对其静应力和动应力的影响。下面对这两种情况分别进行讨论。第一种情况：立柱与载货台相对静止，可将其看作一个整体，货物对其有匀布载荷，受力分析如图2.5所示，画其轴力图和弯矩图：图2.5力柱受力图a由图可得：（0≤x≤l）（2-7）（0≤x≤l）（2-8）其中，—立柱到载货台边缘的距离，由轴力FN产生的压应力为：在弯矩作用下，以立柱轴线为中性轴，则最大拉应力等于最大压应力，查[1]P3-134表3-1-66，该轴惯性矩I=87.905cm4，由式（2-4），则：查[1]P1-115表1-1-92，有：则：第二种情况：在已知加速度的情况下，构件的内力计算，可以应用理论力学中的动静法。即在构件运动的某一时刻，给每个质点虚加上惯性力，则该惯性力与构件上的已知载荷和支反力，在形式上构成一组平衡力系。于是，构件可按这种假想的平衡状态来计算内力以及应力。根据该理论有：（2-9）其中，qd—动载荷集度，qst—静载荷集度，Δld—动伸长量，Δlst—静伸长量，Kd—动荷因数，a—加速度为减小冲击载荷与惯性力，将a初定为1.5m/s2则另外，根据压杆稳定性的概念，对于竖直受轴向压力的杆件，由于材料的不均匀和压力存在偏心，会使杆件的轴线发生弯曲。此时，若存在横向干扰力，则弯曲程度将会增大，即跨中挠度δ增大。当偏心压力很大时，微小的干扰外力也会引起显著的挠度曾量，这意味着该杆件此时已不能正常工作，压杆的平衡失去了稳定性，简称为压杆失稳，此时的轴向压力称为临界压力，用Fcr表示。对于细长的压杆，当压力接近上述临界力时，将会因挠度增加过快而不能正常工作；对于中等长度的钢压杆来说，随着压力的增加，由于弯压联合作用，在危险截面附近将先出现屈服区，最终发生弯折而丧失承载能力。因此，该临界压力为压杆承载能力的上限。堆垛机立柱可看作两端固定的细长压杆，在轴向力作用下处于微平衡状态，当材料是在线弹性范围内工作时，即可应用挠曲线的近似微分方程，如图2.6建立坐标系，（2-10）距原点为z的任意横截面上的弯矩为：将其代入上式中引用记号图2.6力柱受力图b则有二阶齐次线形微分方程此微分方程的通解为：式中，A和B为积分常数。压杆两端的位移边界条件是：利用前一个边界条件可得于是有再利用后一个边界条件，可得到如果A等于零，则压杆各横截面的挠度均为零，不符合现在的情况。所以欲使压杆处于平衡状态，则必有：满足此条件的kl值为：将k值代回原式，得（2-11）显然，能使压杆保持微弯平衡状态的最小轴向压力是n=1时，即查[1]P1-7表1-1-6，合金钢的弹性模量E=206GPa因此立柱能够保持微平衡状态2.6下导轨设计2.6.1导轨类型的选择下导轨承受着堆垛机全部的重量，因此对其各方面的性能均有很高的要求。根据经验，选择滚动导轨。滚动导轨是在相配合的两导轨面之间，放置滚动体或滚动支承，使导轨面间的摩擦性质成为滚动摩擦。滚动导轨的最大优点是摩擦因数小，动、静摩擦因数差很小，因此，运动轻便灵活，运动所需功率小，摩擦发热少，精度保持性好，低速运行平稳性好，移动精度和定位精度高。另外，滚动导轨还具有润滑简单（有时可用油脂润滑），高速运动时不会像滑动导轨那样因“动压效应”而使导轨起浮的优点。由[2]P9-125表9.3-43，选择滚动导轨中的滚动直线导轨副。2.6.2滚动直线导轨副的结构与特点一、结构滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。当导轨与滑块作相对运动时，钢球沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向器进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动，返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滚块内部。钢球承载的形式，与角接触球轴承相似，一个滑块就像是4个直线运动的角接触球轴承。导轨轴的安装形式可以水平或倾斜，可根据实际需要，将多条导轨连接成长导轨。二、特点（1）动、静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。有利于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率小。（2）承载能力大，刚度高。（3）能实现高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高10倍左右。（4）采用滚动直线导轨副可以简化设计、制造和装配工作，保证质量，缩短时间，降低成本。导轨副具有“误差均化效应”，从而降低基础件的加工精度。2.6.3滚动直线导轨副的计算一、已知条件堆垛机重量：另外载货台约重150kg，货物重100kg，驱动电机、提升电机、链条、链轮等其它零部件共重约250kg，则堆垛机总重量约为700kg，移动速度，运动环境：常温，无外力冲击作用。按照以上条件，由《机械设计手册》，选择GGB30AA2P2×3000-3型滚动直线导轨副。二、导轨额定寿命的计算滚动直线导轨副额定寿命的计算与滚动轴承基本相同（2-11）式中，L—额定寿命（kN）Ca—额定动载荷（kN）P—当量动载荷（kN）Fmax—受力最大的滑块所受的载荷（kN）ε—指数，当滚动体为滚珠时，ε=3K—额定寿命单位，K=50km—硬度系数由于产品技术要求规定，滚道硬度不得低于58HRC，故通常可取—温度系数，查[2]P9-127表9.3-45，—接触系数，查[2]P9-127表9.3-46，—温度系数，查[2]P9-127表9.3-47，—温度系数，查[2]P9-127表9.3-48，查[2]P9-131表9.3-51，（2-12）三、导轨寿命时间的计算（2-13）式中Lh—寿命时间La—导轨行程长度，取La=3mn—每分钟往返次数，取n=1按每年工作日为260天，两班工作制，每班8小时四、摩擦力摩擦阻力受结构型式、润滑剂的黏度、载荷及运动速度的影响而略有变化，预紧后，摩擦力增大。摩擦力可按下式计算（2-14）式中，F—法向载荷f—密封件阻力，每个滑块座f=5Nμ—滚动摩擦力系数当所受载荷低于额定静载荷10%时，由于载荷过小，滚珠间相互摩擦的阻力和润滑脂的阻力占有较大比例。这是摩擦力并不随法向载荷的降低而成正比例地下降。实验表明，当；当，，当时，值将急剧增大查[2]P9-131表9.3-51，（2-15）因此，若采用此型号导轨，摩擦阻力将过大，消耗电机功率，产生振动。将滚动直线导轨副的型号改为GGB25AA2P2×3000-3，查[2]P9-131表9.3-51，额定动载荷，额定静载荷取重新计算额定寿命与寿命时间按每年工作日为260天，两班工作制，每班8小时五、安装与使用1．基础件上安装导轨副的安装平面的精度要求根据[2]P9-136表9.3-60，有安装侧基面平行度误差δb=0.02mm安装基面高度误差δh=k·b式中k—计算系数，k=0.00008b—两导轨轴线间距，b=200mm则δh=0.00008×200=0.016mm图2.7滚动导轨安装精度基础件滑块安装面的高度误差δs=0.00004b=0.00004×200=0.008mm2．导轨副在连接基准面的固定结构形式导轨轴和滑块座与侧基准面靠上定位台阶后，应从另一面预紧后再固定，预紧固定方法，查[2]P9-136图9.3-10，选用紧固螺钉固定，螺钉的数量和位置，与导轨轴安装螺钉孔的数量和位置相同，滑块座上的螺孔为通孔。3．双导轨定位在同一平面内平行安装两条导轨，如果振动和冲击不大，可以一条导轨侧面定位，导轨轴按照下列步骤安装：（1）将基准侧的导轨轴基准面（刻有小沟槽的一侧）紧靠装配面，对准螺孔，将导轨轴轻轻地用螺栓予以固定。（2）上紧导轨轴侧面的预紧装置，使导轨的轴基准侧面紧紧靠在装配表面。（3）按规定值用力矩扳手逐个拧紧导轨轴的安装螺钉。从中间开始按交叉顺序向两端拧紧。查[2]P9-139表9.3-62，拧紧力矩取12N·m。（4）非基准侧的导轨轴与基准侧的安装次序相同，只是侧面需轻轻靠上，不要预紧，否则反而引起过定位，影响运行的灵敏性和精度。4．滑块座的安装（1）将工作台置于滑块座的平面上，并对准安装螺钉孔，轻轻地予以紧固。（2）拧紧基准侧滑块座侧面的压紧装置，使滑块座基准侧面紧紧靠在工作台的侧基面。（3）按对角线顺序，逐个拧紧基准侧和非基准侧滑块座上各个螺栓。安装完毕后，检查其全行程内运行是否轻便、灵活、无停顿阻滞现象。摩擦阻力在全行程内不应有明显的变化。第三章行走机构的设计行走机构的作用是传递电动机的功率，将电动机的旋转运动转换成直线运动，使堆剁机沿导轨做往复运动。行走机构主要由驱动电机和传动装置两部分组成。3.1电动机的选择3.1.1选择电动机应综合考虑的问题1．根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。2．根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电动机的功率和冷却通风方式。3．根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘以及腐蚀和易燃易爆气体等，考虑必要的保护方式，选择电动机的结构型式。4．根据企业的电网电压标准对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类型。5．根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。3.1.2电动机的选择一、电动机类型的选择本论文设计的堆垛机在封闭的车间内运行，杂尘较少，工作环境为常温下工作，另外要求电机能够正转反转，而且正反转切换和启停较为频繁。根据这些条件，查[1]P22-10表22-1-6，运行平稳、断续工作所适用的电动机类型为笼型三相异步电动机。二、转速的选择电动机额定转速是根据生产机械的要求而定的。在确定电动机转速时，必须考虑机械减速机构的传动比值，两者相互配合，经过技术、经济全面比较再确定。当电动机功率一定时，电动机的转速愈低，则其尺寸愈大，价格愈贵，且效率也较低，如选用高速电动机，势必加大机械减速机构的传动比，致使机械传动部分变得复杂。对于堆垛机而言，工作速度较低，需要频繁地正、反转切换，为缩短正、反转过渡时间，提高生产效率，降低消耗，减小噪声，节省投资，应选用低速电动机。三、电动机功率计算对于直线运动机械，查[1]P22-13表22-1-10，电动机功率的计算公式为：（3-1）式中F—作用力，Nv—运动速度，v=80m/minη—电动机传动效率，取η=0.75则查[1]P22-62表22-1-33，选择Y160M三相异步电动机，额定转速v=974r/min3.2传动装置的设计3.2.1传动方案的确定为了将电动机的旋转运动转换为堆剁机直线运动，可以选择齿轮齿条传动，或滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动是丝杠和螺母间以滚球为滚动体的螺旋转动副，其优点主要有以下几个方面：1．传动效率高达0.9~0.98，有利于主机的小型化及减轻劳动强度；2．摩擦力小，接触刚度高，使温升及热变形减小，有利于改善主机的动态特性和提高工作精度。3．传动无间隙，无爬行，运转平稳，传动精度高。4．已经实现系列尺寸标准化，可根据实际需要直接选取。但是，滚珠丝杠副的结构复杂，对滚珠所用的材料有严格要求，成本较高，承受径向载荷的能力差。在本设计中，巷道长度为24m，丝杠中间不能设置支撑装置，跨度过大，抗振性差，而且对其抗弯强度的要求必将提高，势必增加所用材料的成本。另外，为获得所要求的精度，需将丝杠分成多段制造，最后装配成长丝杠，因此，在每段丝杠的联结处，其力学性能降低，当螺母经过时容易产生振动。维修、更换零件困难。与滚珠丝杠副相比，齿轮齿条传动的不足在于存在间隙，因此在堆垛机反向运动时，会产生传动误差，影响传动精度。但堆垛机并非高精密器械，对定位精度的要求不是很高，因此可以忽略间隙的影响。齿轮齿条传动的优点在于结构简单，成本低，齿轮磨损后易于更换，装配方便，缩短维修时间。另外，齿条安装于地面上，可以一定的长度分段固定，提高了传动的稳定性。由以上分析可以看出，选用齿轮齿条传动，在结构性、经济性等方面匀较滚珠丝杠副合理。另外，按照齿轮齿条传动计算，堆垛机的行走速度为：（3-2）式中d—齿轮直径n—齿轮转速若将电机直接与齿轮连接，齿轮转速为974r/min，则有：图3.1二级减速装置显然齿轮直径过小，不能满足强度要求，因此需要采用二级减速传动，降低齿轮转速，以增大齿轮的直径。减速机构的结构简图如图3.1所示。3.2.2第一级减速齿轮副的计算已知条件：电动机功率P=15kW，输出转速n1=974r/min，转动比初定为i=2.5。选小齿轮材料为40Cr，调质处理，查[1]P3-27表2-1-19，硬度241HB~286HB，平均取为260HB。大齿轮材料为45钢，调质处理，查[1]P3-15表3-1-7，硬度207HB~302HB，平均取为250HB。按齿面接触疲劳强度计算1．初步计算转矩（3-3）齿宽系数查[3]P119表2-48，接触疲劳极限查[3]P151图2-80，许用接触应力（3-4）式中ZNT—寿命系数，查[3]P154表2-87，ZNT=1.6ZL—润滑系数，ZV—速度系数，ZR—粗糙度系数，查[3]P155表2-88，ZLZVZR=1.0ZW—齿面工作硬化系数，查[3]P表2-90，SHmin—最小安全系数，查[3]P156表2-91，SHmin=1.10则初步计算小齿轮直径（3-5）取小齿轮齿宽（3-6）2．校核计算圆周速度（3-7）精度等级查[3]P217表2-137，选8级精度齿数和模数查[3]P117表2-46，取齿数查[3]P42表2-4，取则使用系数查[3]P130表2-58，KA=1.25动载荷系数查[3]P135表2-69，KV=1.16齿间载荷分配系数（3-8）（3-9）则（3-10）齿向载荷分布系数查[3]P139表2-75，（3-11）载荷系数（3-12）弹性系数查[3]P144表2-81，节点区域系数查[3]P144图2-73，验算（3-13）计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无须调整3．齿轮主要尺寸小齿轮齿数大齿轮齿数小齿轮直径大齿轮直径中心距齿宽取输出转速齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数（3-14）齿间载荷分配系数查[3]P142表2-79，（3-15）齿顶到齿根的轮齿高度齿向载荷分布系数（3-16）载荷系数（3-17）复合齿形系数查[3]P149图2-78，弯曲最小安全系数查[3]P156表2-91，弯曲疲劳极限查[3]P152图2-80，弯曲寿命系数查[3]P157表2-92，尺寸系数查[3]P159表2-95，许用弯曲应力（3-18）验算（3-19）计算结构表明，传动无严重过载，齿轮尺寸无须调整3.2.3第二级减速齿轮副的计算齿轮材料与上一步相同，小齿轮40Cr钢，大齿轮45钢，初定传动比i=3按齿面接触疲劳强度计算1．初步计算转矩齿宽系数查[3]P119表2-48，接触疲劳极限查[3]P151图2-80，许用接触应力式中ZNT—寿命系数，查[3]P154表2-87，ZNT=1.6ZL—润滑系数，ZV—速度系数，ZR—粗糙度系数，查[3]P155表2-88，ZLZVZR=1.0ZW—齿面工作硬化系数，查[3]P表2-90，SHmin—最小安全系数，查[3]P156表2-91，SHmin=1.10则初步计算小齿轮直径为保证则有由取小齿轮齿宽2．校核计算圆周速度精度等级查[3]P217表2-137，选9级精度齿数和模数查[3]P117表2-46，取齿数查[3]P42表2-4，取则使用系数查[3]P130表2-58，KA=1.25动载荷系数查[3]P135表2-69，KV=1.16齿间载荷分配系数则齿向载荷分布系数查[3]P139表2-75，载荷系数弹性系数查[3]P144表2-81，节点区域系数查[3]P144图2-73，验算计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无须调整3．齿轮主要尺寸小齿轮齿数大齿轮齿数小齿轮直径大齿轮直径中心距齿宽取输出转速齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数齿间载荷分配系数查[3]P142表2-79，齿顶到齿根的轮齿高度齿向载荷分布系数载荷系数复合齿形系数查[3]P149图2-78，弯曲最小安全系数查[3]P156表2-91，弯曲疲劳极限查[3]P152图2-80，弯曲寿命系数查[3]P157表2-92，尺寸系数查[3]P159表2-95，许用弯曲应力验算计算结构表明，传动无严重过载，齿轮尺寸无须调整3.2.4齿轮齿条副几何尺寸的确定及计算齿轮齿数模数螺旋角压力角齿顶高系数顶隙系数齿轮变位系数查[3]P271表3-2，齿宽齿轮，齿条齿条基准面至齿顶高的距离齿条长度齿轮分度圆直径齿顶高齿轮齿条齿根高齿轮齿条齿高齿轮齿条齿轮中心到齿条中线的距离齿条齿距齿条齿数，取整3.2.5轴的计算轴选用45钢，齿轮在轴上的定位方式，轴向以轴肩和套筒固定，结构简单，定位可靠，轴上不需开槽、钻孔，因而不会影响轴的疲劳强度；周向以平键固定，制造简单，装卸方便，对中心性好。两端选用角接触球轴承,采用锁口在内圈，面对面排列，该方式可承受双向轴向载荷，通过预紧可提高轴的刚度和旋转精度。一、轴Ⅰ的计算轴Ⅰ为电动机圆柱形轴伸，查电机安装尺寸，轴径为25mm。疲劳强度安全系数校核疲劳极限查[1]P6-4表6-1-1，有效应力集中系数查[1]P6-25表6-1-30，表面质量系数查[1]P6-27表6-1-36，尺寸影响系数查[1]P6-26表6-1-34，应力折算系数查[1]P6-26表6-1-33，平均应力查[1]P6-22表6-1-25，截面模数查[1]P6-23表6-1-28，应力幅（3-20）（3-21）弯曲安全系数（3-22）扭转安全系数（3-23）许用安全系数查[1]P6-22表6-1-26，复合安全系数（3-24）二、轴Ⅱ的计算按扭转强度计算轴径（3-25）式中A—系数，查[1]P6-20表6-1-19，A=110P—轴所传递的功率，kWn—轴的工作转速，r/min，取d=38mm初步设计轴Ⅱ的主要结构尺寸如图3.2所示：图3.2轴Ⅱ结构草图查[1]P5-194表5-3-18，选择平键尺寸及公差如图3.3所示：疲劳强度安全系数校核疲劳极限查[1]P6-4表6-1-1，有效应力集中系数查[1]P6-25表6-1-30，表面质量系数查[1]P6-27表6-1-36，(a)A—A截面平键(b)B—B截面平键图3.3平键尺寸结构尺寸影响系数查[1]P6-26表6-1-34，应力折算系数查[1]P6-26表6-1-33，平均应力查[1]P6-22表6-1-25，截面模数查[1]P6-23表6-1-28，应力幅弯曲安全系数扭转安全系数许用安全系数查[1]P6-22表6-1-26，复合安全系数三、轴Ⅲ的计算按扭转强度计算轴径，取d=54mm初步设计轴Ⅲ的主要结构尺寸如图3.4所示：图3.4轴Ⅲ结构草图查[1]P5-194表5-3-18，选择平键尺寸及公差，如图3.5所示。疲劳强度安全系数校核疲劳极限查[1]P6-4表6-1-1，有效应力集中系数查[1]P6-25表6-1-30，图3.5平键尺寸结构表面质量系数查[1]P6-27表6-1-36，尺寸影响系数查[1]P6-26表6-1-34，应力折算系数查[1]P6-26表6-1-33，平均应力查[1]P6-22表6-1-25，截面模数查[1]P6-23表6-1-28，应力幅弯曲安全系数扭转安全系数许用安全系数查[1]P6-22表6-1-26，复合安全系数3.3行走机构结构图通过前面的设计与计算，利用AutoCAD绘制行走机构装配图，如图3.6所示：图3.6行走机构第四章提升机构的设计提升机构工作原理：提升机构采用链传动方式，由电动机通过链条驱动传动链轮旋转，并进行一级减速，再由传动链轮带动提升链轮实现载货台的升降运动。4.1电动机的选择电动机功率计算载货台提升速度为0.2m/s（4-1）查[1]P22-94表22-1-61，选择YCJ120减速三相异步电动机，额定功率，输出转速4.2传动滚子链的设计计算4.2.1滚子链几何尺寸的计算传动比取则小链轮齿数取大链轮齿数设计功率查[1]P13-104表13-2-3，工况系数（4-2）单排链条传递的功率查[1]P13-104表13-2-4，小链轮齿数系数，查[1]P13-104表13-2-5，排数系数，（4-3）链条节距查[1]P13-105图13-2-1，选择链条号为08A，验算小链轮轴孔直径查[1]P13-106表13-2-6，初定中心距（4-4）取以节距计的初定中心距（4-5）链条节数查[1]P13-106表13-2-7，系数k=11.7（4-6）圆整，取链条长度（4-7）计算中心距式中查[1]P13-106表13-2-7，实际中心距（4-8）链条速度（4-9）有效圆周力（4-10）4.2.2滚子链静强度计算（4-11）式中—静强度安全系数—链条极限拉伸载荷，查[1]P13-102表13-2-1，—离心力引起的里，—链条质量，查[1]P13-108表13-2-9，—链条速度—悬垂力，在和中取较大者（其中，系数查[1]P13-108图13-2-3，取）—许用安全系数