自动化立体仓库设计方案

自动化立体仓库设计方案第1章绪论1.1引言当前世界经济发展的两大趋势是全球化和市场化。集扮流、信息流和资金流于一身的物流配送中心，在全球化和市场化的时代里，进一步促进了世界经济与贸易的发展。代表21世纪国林物流先进技术的物流配送中心的特征是自动化、计算机化、信．息化、两络化、智笼化、柔性化、电子商务化、标准化和社会化。自动化立体仓库在现代化的物流配送中心中起到了重大的作用，可以说没有自动化立体仓库就没有现代化的物流系统。在全球化和市场化的国际经济活动中，流通是联系生产和消费的纽带。只有通过商品流通才能体现出商品的价值及其使用价值，流通是国民经济运行的大动脉。自动化立体仓库加速了商品流通，减少了商品损坏，降低了流通成本，节约了土地面积、人力和财力。此外，它还提高了库存周转率、经营灵活性和工作效率。它以最快速度、最低价格和最佳服务来满足用户需求，从而获得最大利益。我国加入WTO之后，加速了工业化和现代化的建设．物流配送中心和自动化立体仓库的需求量越来越大．它必将为国民经济的腾飞做出巨大的贡献。基于这一现状提出了本课题。自动化立体仓库由计算机控制系统、高层货架、堆垛机、输送机一和周边机械等构成，它是现代化物流配送中心的关键设备系统。1.2特点及其研发意义物流系统中的自动化立体仓为又称立库、高层货架仓库、自动仓储要SA/RS，是以高层立体货架（托盘系统）储存物资，用电子计算机控制管理和自动控制堆垛运输车进行存取作业的仓库。仓库的功能从单纯地进行物资的储存保管，发展到担负物资的接受、分类、计量、包装、分拣、配送、存档等多种功能，实现高效率物流和大容量存储，以满足现代化生产和商品流通的需要。近年来，我国为了发展经济，各地都在大力发展交通，海、路、空并举，进行大规模的基本项目的投资建设，成为现代化经济发展建设的主旋律。而交通事业发展的最终目的，就是使物资能够迅速流通，促进经济的发展。在现代社会中，物资流通领域的供应链在信息、网络的冲击下发生了各个交通枢纽上的结点，仓储设备的发展必须紧跟时代的步伐，为满足现代社会的商品需求、管理与流通，必须加快仓储设备的发展。因此，未来仓储物流设备的发展必将成为我国经济发展的一个重要增长点。到目前，我国立体仓库数量以有相当大的规模，由于其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待点，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。立体仓库应用围很厂，几乎遍布所有行业。在我国，采用立体仓库的主要行业有机械、冶金、化工、航宅航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场和港口等。基于上述原因，本课题就立体仓库设计的理论和主要技术进行较系统的研究。作为大学生，自动化仓库的功能及开发，培养我们的实际动手操作能力和应用知识解决问题的能力，接触世界前沿的自动化控制技术，提高我们的综合素质。机械运动模型蕴藏着较高的软件技术含量，可以进行综合性的专业训练，不但能进行专业知识的学习，还能培养我们的创新思维。1.3现有自动化立体仓库的优越性首先，从自动化立体仓库的基本优势上看：(1)科学储备，提高物料调节水平。(2)有效地衔接生产，加快物资周转，降低成本。(3)为企业的生产指挥和决策提供有效的依据。其次，从自动化立体仓库的社会效益和经济效益方面说明：(1)由于使用高层货架存储货物，存储区可以大幅度地向高空发展，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，使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度。同时，能方便地纳入企业的物流系统，使企业物流更趋合理化。(3)自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统联网，实现企业信息管理的自动化。同时，由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，从而也提高了操作人员素质和管理人员的水平。(4)自动化立体库对于提升企业形象，具有巨大的社会经济效益。1.4自动化立体仓库的设计程序仓库设计的顺序图见下：第2章自动化仓库机械部分设计方案2.1引言机电一体化机械系统要求精度高、运动平稳、工作可靠，具有良好的伺服性能，从而要求传动机构满足以下几个方面的要求:转动惯量小，以减小机械负载，避免对系统造成不良影响；刚度大，有利于减小动力损失，提高固有频率，增加闭环伺服系统的稳定性:阻尼合适。机械部分主要包括电动机的选择及减速机构选择、传动链选择、导轨设计、货架、轴的设计、链轮设计、车轮设计、支撑链机构、连杆设计。本章通过对部货架和堆垛机的设计分析，合理选用了货架系统以及堆垛机的运行、存取、传动、控制系统，通过分析比较确定出了整套装置的设计方案。2.2立体仓库总体规划方案本文设计的堆垛机结构系统由于任务区分关系，本文主要考虑三部分，一是货架系统，目的是创造一个固态环境，为研究堆垛机及测试定位寻址提供基础条件；二是堆垛机系统，目的是采用精简的安装系统、合理运行方式，模拟现实运送存取货物，三是堆垛机控制系统，采用单片机控制系统，包括上位机、传感器、键盘等。自动化立体仓库设计步骤如下图2.3货架设计方案2.3.1货架结构尺寸由图2一3所示，n列、m层货架的主要尺寸：毫米1、宽度B=2e＋b2+b1+b3，其中e为支柱宽度。2、货架横向长度为：列数n×货格长度A，其中货格长度A=al+a2+a3+2e。3、货架顶层的高度Hl，取决于堆垛机是否为载人搭乘型。非搭乘型的Hl为1.2米，搭乘型的Hl为2.2米；货架第一层距离地面的高度H2一般为0.5米，由堆垛机和轨道的高度决定。本课题取Hl为200mm，H2为500mm。4、货架的总高度H为：当层数为偶数时；H=Hl+H2+0.5mh3+(0.5m-1)h5，其中h3为无水平拉杆的货格高度，b5为有水平拉杆的货格高度，m为货架的层数。当层数为奇数时：H==Hl+H2+0.5m(h3+h5）。货架总共4层、3列，采用尺寸450x400x450；托盘尺寸450x300mm；每一货格左右留50mm间隙。采用数据如下：e=50mm、al=300mm、a2＝a3＝75mm、Hl=2O0mm、H2=500mm、h1=300mm、h2=50、h4=100、bl=300、b2=100、b3=50。综上货架参数如下：总高H=HI+H2+4x(hl+h2＋h4)+4×e=200+500+4x450+4x50=2700mm总宽B=2xe+bl+b2+b3=100+400=500mm总长L=(al+a2＋a3）x3+4xe=450x3+4x50=1550mm2.3.2货架材料根据这里的高度（低于20m）和适用场合选用钢结构，其优点是构件尺寸小，仓库利用率高，制作方便，安装建设周期短。2.3.3立体仓库设计参数如下：立体仓表2.1立体仓库具体参数出/入货柜台最重物品20Kg每个仓位的高度450mm仓位的上下距离50mm仓位的平行距50mm可编程控制器（PLC）电源24VDC堆垛机电源220VAC,50Hz2.4堆垛机结构设计方案2.4.1堆垛机采用低层型，下部驱动式，因为货架高度总高H=5900mm6000mm,所以选用桅杆式的。结构图：2.4.2步进电机的选型步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广围速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电机不会运行的。为了驱动步进电动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该立体仓库控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统，如下图所示：图3.1步进电机驱动系统的组成在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是具体的品种选择，在该立体仓库控制系统中要求步进电动机电压低、电流小、有定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，确定步进电动机采用2相8拍混合式步进电机；在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩Tl、额定转矩Tn和运行频率fy，以确定步进电机的具体规格和控制装置。由于我们使用螺栓机构的定位装置，已知条件和要求条件为：移动部分总重M=25kg外力Fa=4kg·cm磨擦系数μ=0.04螺栓机构的效率η=0.9螺栓轴径DB=1.2cm螺栓长LB=42cm螺距P=3mm分辨率L=0.01mm移动距离=0.0075mm/步速度V=2m／min计算：设拟选用2相、1.8°步距角的HB型电动机速比(设使用直接驱动方式)i=m×θb/(360×L)=2×1.8／(360×0.01)=1轴向力F=Fa+μM=4+0.04×25=5kg·cm负载转矩Tl=F×P／(2πη)+(μ0×F0×P)/2π=5×0.3／(2×3.14×0.9)+(0.3×1.67×0.3)/(2×3.14)=0.289kg·cm螺栓的惯量JB=（π×ρ×LB×DB4）/32=（3.14×7.9×10-3×42×1.24）/32=0.0675kg·cm2移动体的惯量Jt=M×(P/2π)2=25×（0.3/6.28）2=0.0571kg·cm2负载惯量为JL=JB+Jt=0.0675+0.00571=0.1246kg·cm2根据以上计算可以初步选定步进电动机，其惯量为JM=0.03kg·cm2，空载起动频率fs=3000H。由要求的速度可求出运行的频率：f=V／L=2000／(60×0.01)=3333HZ可知需要加减速的驱动方式。齿轮比：G=360°/θbL=0.0075×360°/(1.8°×0.01)=150换算到电机轴的负载转矩为T=G×L(Tl+F)/2πη=150×0.01×(0.289+5)/(6.28×0.9)=1.40kg·cm对首次设计的装置来讲，所选用的电动机通常留有2～3倍的余量，所以电机转矩TN=3T=3×1.40=4.2kg·cm=0.41N·M根据以上的计算，在该立体仓库控制系统中的步进电动机采用斯达特机电科技发展生产的2相8拍混合式步进电机，它的主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。型号：42BYGHl01。表3.1步进电机的电气技术数据2.4.2步进电机驱动器的选择步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所有型号驱动器的输入信号都相同，共有三路信号，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE(此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行)。它们在驱动器部的接口电路都相同，见下图。OPTO端为三路信号的公共端，三路输入电机型号相数步距角相电流驱动电压额定转矩重量42BYGH10121.801.7ADC24V0.44N·M0.24kg信号在驱动器部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC是+5V则可直接接入；如果VCC不是+5V则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器部光耦提供8-15mA的驱动电流，参见图3-4