摘要：本論文詳細論述了現(xiàn)代大型企業(yè)中普遍使用的自動化立體倉庫設計方案。從堆垛機的特點及構(gòu)成開始，分析立柱的受力情況，然后推導出立柱的彎矩及撓度關(guān)系式，再給出設計數(shù)據(jù)進行校核，重點設計了貨叉伸縮機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計。設計出了一種體積小、靈敏度高、動作可靠、帶柔性裝置的堆垛機安全機構(gòu)的設計方案。本設計通過選用合適的PLC，并設計相應的控制系統(tǒng)進行編程、運行、調(diào)試，最終達到設計要求。

一、簡介

    自動化立體倉庫是高層貨架倉庫的升級版,又稱為自動倉儲系統(tǒng)(AutomaticStorage&RetrievalSystem,AS/RS)。它是現(xiàn)代物流管理技術(shù)的核心,主要由高層貨架、巷道式堆垛起重機、通訊系統(tǒng)、現(xiàn)場總線、電氣控制系統(tǒng)、計算機管理監(jiān)控系統(tǒng)、搬運小車、貨箱或托盤等設備組成。采用變頻調(diào)速、出入庫輸送信息系統(tǒng)、三維條形碼識別、紅外通訊、載波通訊、射頻數(shù)字通訊、光電檢測、人機界面等技術(shù)實現(xiàn)手動或自動控制、計算機集中監(jiān)管控制、并可與上級計算機聯(lián)網(wǎng)組成內(nèi)部局域網(wǎng),從而實現(xiàn)管理、監(jiān)控、執(zhí)行一體化的全自動倉儲物流管理系統(tǒng)。

自動化立體庫由以下部分組成:

    高層貨架:用于存儲貨物的鋼架結(jié)構(gòu)。目前主要有焊接式貨架和組合式貨架兩種形式。

    托盤（貨箱）：用于承載貨物的工具，亦稱工位器具。

    巷道堆垛機:用于自動存取貨物的設備。按結(jié)構(gòu)形式分為單立柱和雙立柱兩種形式；按服務方式分為直道、彎道和轉(zhuǎn)移車三種形式。

    輸送機系統(tǒng):立體庫的主要外圍設備，負責將貨物運送到堆垛機或從堆垛機將貨物移走。輸送機種類非常多，常見的有輥道輸送機，鏈條輸送機，升降臺，分配車，提升機機，皮帶機等。

    AGV系統(tǒng):即自動導向小車。根據(jù)其導向方式可分為感應式導向小車和激光導向小車。

    自動控制系統(tǒng):驅(qū)動自動化立體庫系統(tǒng)各設備的自動控制系統(tǒng)。目前以采用現(xiàn)場總線方式為主。

    庫存信息管理系統(tǒng):也叫中央計算機管理系統(tǒng)。是全自動化立體庫系統(tǒng)的控制核心。目前典型的自動化立體庫系統(tǒng)均采用大型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（如ORACLE，SYBASE等）構(gòu)筑典型的客戶機/服務器體系，可以與其他系統(tǒng)（如ERP系統(tǒng)等）聯(lián)網(wǎng)或集成。

    自動化立體倉庫的優(yōu)越性是多方面的，主要有以下幾個方面。

(1)立體化設計提高空間利用率

    早期立體倉庫構(gòu)想的基本出發(fā)點就是提高空間利用率，節(jié)約土地已與節(jié)約能源、保護環(huán)境等更多方面聯(lián)系起來。倉庫的空間利用率與其規(guī)劃是緊密相連的，一般來講，立體倉庫的空間利用率為普通倉庫的2～5倍。

(2)先進的倉儲系統(tǒng)提高企業(yè)生產(chǎn)管理水平

    傳統(tǒng)的倉庫只是貨物的儲存場所，僅有保存貨物的功能，屬于靜態(tài)儲存。立體倉庫則是采用了先進的自動化貨物搬運設備，不僅能在倉庫內(nèi)按需要自動存取貨物，而且還可以與倉庫以外的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行有機地連接，并通過先進的計算機管理系統(tǒng)和自動化物料搬運設備使倉庫成為企業(yè)生產(chǎn)管理中的重要環(huán)節(jié)。

(3)加快貨物存取，減輕勞動力的投入，提高生產(chǎn)率

    建立以自動化立體倉庫為核心的物流系統(tǒng)，其優(yōu)越性還表現(xiàn)在自動化立體倉庫具有快速的出入庫能力，能夠妥善地將貨物存入立體倉庫，并及時自動地將生產(chǎn)所需零部件和原材料送達生產(chǎn)線。同時，立體倉庫系統(tǒng)減輕了工人綜合勞動力投入。

(4)有效減少庫存資金的積壓

    為了滿足預期的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)要求，就必須準備充足的原材料和零部件，這樣，庫存積壓就成為較大的問題。如何降低庫存資金積壓的同時充分滿足生產(chǎn)需求，已經(jīng)成為大型企業(yè)面對的重要問題。自動化立體倉庫系統(tǒng)可以有效解決這一問題。

二、硬件結(jié)構(gòu)設計

    堆垛機是硬件結(jié)構(gòu)的核心，在設計的時候，需要進行強度和剛度的受力分析，其中一個最重要的就是其金屬機架結(jié)構(gòu)在堆垛機靜態(tài)和工作過程中要承擔全部力、慣性力和載荷的作用，它是變形最為嚴重的部件。作為支撐堆垛機工作的物理結(jié)構(gòu)，它的設計好壞是決定堆垛機的工作壽命和工作穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

2.1機架經(jīng)驗公式計算

2.1.1機架結(jié)構(gòu)分析

(1)外部載荷計算

在巷道中建立立體坐標系：

X軸：載貨臺貨叉對貨物進行存取作業(yè)

Y軸：巷道堆垛機沿巷道的運行方向

Z軸：立柱上的載貨臺沿導軌升降運作

當載荷位置最高時，立柱的受力狀況最為不利，此時各部分結(jié)構(gòu)尺寸力及載荷的位置如圖1。

圖1  載貨臺受力分析簡圖

(2)沿巷道縱向平面(即YOZ平面)

    當載貨臺滿載且位于最高位置且以最大加速度啟動或制動時，立柱的受力情況最不利。

圖2  YOZ平面內(nèi)結(jié)構(gòu)受力簡圖

圖中：H——堆垛機的總高度

B——堆垛機總寬

P _H ——水平慣性力

h——上滾輪與立柱頂端間的距離

b ₁ 和 b ₂——立柱截面X方向中性軸到下橫梁兩支點的距離

F——立柱頂部壓力

立柱橫向力矩的計算：

2.1.2結(jié)構(gòu)強度計算

    對于最大內(nèi)力在支承處的壓彎構(gòu)件，當截面出現(xiàn)塑性鉸時便會達到強度的極限。在利用材料的塑性過程中，應受到一定的限制。限制的辦法是在結(jié)構(gòu)強度計算中引入塑性發(fā)展系數(shù)，即采用塑性從局部深入截面的彈塑性工作階段作為設計準則。

(1)強度計算公式

在鋼結(jié)構(gòu)設計中，應用極限狀態(tài)法的設計準則，推出了雙向壓彎構(gòu)件的強度計算公式為：

式中：N——軸向壓力(N)

A——截面面積(cm ²)

M _x 和 M_y——X軸和Y軸的最大彎矩(N*mm)

M _nx 和 M _ny ——X軸和Y軸的凈截面抗彎模量

 U_x和U_y——X向和Y向塑性發(fā)展系數(shù)(它與截面形式、塑性發(fā)展深度、翼緣板和腹板截面積比值以及應力狀態(tài)有關(guān))

2.2下橫梁強度計算

下橫梁在YOZ平面內(nèi)可以簡化為如圖所示的計算簡圖。

圖3    貨架下橫梁計算簡圖

其中q _梁——下橫梁自重均布載荷

M _max——立柱底部截面的最大彎矩，M _max =705N*mm

P _總——額定起重重量和立柱結(jié)構(gòu)自重載荷的總和

顯然，可確定下橫梁和立柱聯(lián)接處的截面即為危險截面。則：

式中 M _max是危險截面彎矩，W^y_x是下橫梁X軸方向的抗彎模量。由此可知滿足許用應力要求。

2.3行走機構(gòu)齒條齒輪強度與校核

    在起重機構(gòu)中應用最多的是齒輪傳動，蝸桿傳動使用最少，鏈傳動只在個別情況下使用。

    齒輪傳動分閉式傳送和開式傳動兩種，電動起重機的所有機構(gòu)都是采用閉式齒輪傳動（減速器）。開式齒輪傳動只在某些特殊情況下使用（如回轉(zhuǎn)機構(gòu)的布置，要求末級傳動為開式齒輪傳動；設計機構(gòu)時無合適的減速器可供選用），使用時，齒輪圓周速度一般不超過1.5m/s。

    齒輪材料以剛為主，其次是鑄鐵、銅合金及其他材料。齒輪材料和熱處理方式的選擇取決于機構(gòu)的工作級別、工作條件和制造工藝的可能性。為了提高齒輪的承載能力，減小齒輪的尺寸和重量，廣泛使用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金鋼制造齒輪。為了降低成本，齒輪與軸最好使用不同材料制造，將齒輪裝配在軸上。為了保證齒面和輪齒的強度，齒面應有足夠的硬度，而心部要有足夠的剛度和韌性，因此，齒輪都要經(jīng)過熱處理。

三、硬件的選型與分析

    合理選擇堆垛機電機,將直接影響堆垛機的運行狀況。堆垛機使用的電機包括行走電機、貨叉電機和升降電機。升降電機的動力太大,會引起包括升降臺在內(nèi)的整個系統(tǒng)的振動,噪聲過大；升降電機容量則太小,起重力過小,因此不能實現(xiàn)必要的升降運動。因此,應合理選擇堆垛機電機的容量。

    在選定堆垛機用的電動機時應考慮以下的各項問題。

（1）在電氣與機械方面都應對反復啟動停止的操作有充分的耐久力。

（2）速度的可控性應良好。

（3）慣性矩應比較小，體積小且重量輕。

（4）輸出軸的轉(zhuǎn)速應與減速裝置的結(jié)構(gòu)相適應。

（5）應有可靠的外殼保護結(jié)構(gòu)。

    堆垛機的電源，除了極少數(shù)的特殊情況以外多用普遍的交流電源，使用最多的電動機是各結(jié)構(gòu)都很堅固且價格低廉的三相鼠籠式感應電動機。

3.1步進電機驅(qū)動器的選型

    步進電機驅(qū)動器的脈沖信號的頻率與步進電機的轉(zhuǎn)速是成正比的。其輸出信號有以下兩種：

(1)初相位信號：每次給驅(qū)動器上點后，將使步進電機在一個固定的相位上起始，這個相位就是初相位。初相位信號是指每當步進電機運行到初相位時，此信號就會以高電平的形式輸出，反之為低電平。此信號和控制系統(tǒng)結(jié)合使用，還具有相位記憶功能。

(2)報警輸出信號：所有驅(qū)動器都有多種保護措施（如：過溫、過壓、過流等）。當保護措施執(zhí)行時，驅(qū)動器進入脫機狀態(tài)從而使電機失電，但這時控制系統(tǒng)是尚未知曉的。如果想要通知系統(tǒng)，就要通過“報警輸出信號”來傳達。此信號共占用兩個接線端子，此兩端為繼電器的常開觸點，報警時觸點會立即閉合。驅(qū)動器正常時，觸點為常開狀態(tài)。觸點規(guī)格：DC24V/1A或AC110V/0.3A

    對于兩相四根線的電機，一般來講，可以直接連接驅(qū)動器。

    所以本設計采用型號為SH-2H057的步進電動機驅(qū)動器。SH-2H057步進電機驅(qū)動器采用的是鑄鋁結(jié)構(gòu)，常用于小功率設備，其外殼就是散熱體。所以使用時要將其固定在厚且大的金屬板上或者較厚的機柜里，同時接觸面之間還要涂上導熱硅脂，并在其旁邊加上風機用以良好的散熱。

四、軟件程序設計

4.1PLC控制流程圖

根據(jù)系統(tǒng)控制的要求，可以總結(jié)出基本的流程圖，如圖4.

圖4系統(tǒng)流程圖

4.2立體倉庫PLC總程序

五、總結(jié)

    本論文首先介紹了自動化立體倉庫的歷史知識以及發(fā)展狀況，然后分別進行了硬件方面和軟件方面的設計。

    硬件方面主要設計了堆垛機的電控系統(tǒng)，以及貨倉貨架等倉庫的整體結(jié)構(gòu)。電控系統(tǒng)主要采用了激光測距傳感器用于水平方向的尋址，增強了堆垛機的精度和運行系統(tǒng)的可靠性，為以后的再次優(yōu)化奠定了基礎。水平和垂直方向上還采用了閉環(huán)控制的方法，實現(xiàn)了低速停的準，換速時平穩(wěn)，且可以高速運行的控制要求。

    總之，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)硬件性能優(yōu)良、簡單、圖形界面友好、軟件功能強大，基本上達了此次設計的要求。