立体仓库设计
毕业设计作者：李李李
题目立体仓库设计
学院
专业
班级
学生
学号
指导教师
二〇年四月二十日
原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位设计，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本设计不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。
设计作者签名：_____闫海______日期_ 2020.4.27___
关于毕业设计使用授权的声明
本人完全了解济南大学泉城学院有关保留、使用毕业设计的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交设计的复印件和电子版，允许设计被查阅或借阅；本人授权济南大学泉城学院可以将毕业设计的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存设计和汇编本毕业设计。
（保密设计在解密后应遵守此规定）
设计作者签名：____闫海_____导师签名：_________ 日期：___________
摘要
距世界第一个立体仓库的产生已经过去了70年，目前这个行业已经非常成熟，立体仓库是比较先进的物流管理方式，它不像一般的仓库那样乱放或者地面堆放，立体仓库充分利用了整个空间，是采用堆垛机、货架还有一些自动化设备进行存、取，并在此基础上在使用计算机管理，节省大量的人力物力财力。
本课题的设计对象是一个四行五列，共二十个仓位的小型立体仓库。主要为机械部分的设计，包括堆垛机和货架。
本文以现有的设备为模板，根据大学所学专业知识，加入了自己的一些想法，先对堆垛机的总体结构进行确定，然后通过大学所学的机械设计、机械原理、AutoCAD、等学科的知识对立体仓库中的堆垛机和货架进行了设计和计算，主要是机械结构部分的，力求在满足其基本功能、强度、刚度、稳定性上上，最大程度上减少成本。
关键词：立体仓库；堆垛机；货架；结构设计
ABSTRACT
It has been 70 years since the first three-dimensional warehouse was born in the world. At present, the industry is very mature. The three-dimensional warehouse is a more advanced logistics management method. It is not stacked like a general warehouse or stacked on the ground. The three-dimensional warehouse is fully utilized. The entire space is stored and retrieved using stacking machines, shelves and some automated equipment, and on this basis, it is managed using a computer to save a lot of manpower, material and financial resources. The design object of this project is a small three-dimensional warehouse with four rows and five columns and 20 warehouses..
This paper takes the existing equipment as the template, according to the professional knowledge learned by the University, adds some ideas of its own, first determines the overall structure of the stacker, and then designs and calculates the stacker and shelf in the three-dimensional warehouse through the knowledge of the mechanical design, mechanical principle, mechanical drawing, AutoCAD, mechanical manufacturing technology and other disciplines learned by the University, mainly mechanical knot In the structure part, there are the design of the lifting mechanism of the stacker, the design of the walking mechanism of the stacker and the design and calculation of the expansion mechanism of the fork of the stacker, so as to minimize the cost in meeting its basic function, strength, rigidity and stability.
Key words：Stacker;Stereoscopic; Warehouse AS/RSelectric power system; Mechanical Design
目录
摘要................................................................................................................................ I ABSTRACT.................................................................................................................. II 1 前言....................................................................................................................... - 1 -
1.1研究的背景与内容 (1)
1.2立体仓库的组成 (2)
1.3自动化立体仓库中的堆垛起重机 (2)
1.4课题的主要任务 (3)
2 堆垛机的设计....................................................................................................... - 4 -
2.1堆垛机设计参数 (4)
2.2堆垛机的组成 (4)
3 行走机构的设计................................................................................................... - 5 -
3.1电动机的选择 (5)
3.2传动装置的设计 (5)
3.2.1 传动方案的确定............................................................................... - 5 -
3.2.2 第一级减速齿轮副的计算............................................................... - 6 -
3.2.3 第二级减速齿轮副的计算............................................................. - 10 -
3.2.4 齿轮齿条尺寸确定及计算............................................................. - 13 -
3.2.5 轴的计算......................................................................................... - 14 -
3.3行走机构结构图 (19)
4 堆垛机起升机构的设计..................................................................................... - 21 -
4.1起升机构的总体选型 (21)
4.2卷筒的设计 (24)
4.2.1 卷筒部件计算................................................................................. - 24 -
4.2.2 齿轮连接盘的计算......................................................................... - 28 -
5 载货台与货叉伸缩机构的设计......................................................................... - 30 -
5.1电动机的选择[14] (31)
5.2传动机构的计算 (31)
5.2.1 圆锥齿轮副的计算......................................................................... - 31 -
5.2.2 齿轮齿条副的计算......................................................................... - 36 -
5.2.3 传动轴的设计................................................................................. - 40 -
5.3板件尺寸的确定 (42)
5.4载货台结构图 (43)
6 货架设计............................................................................................................. - 45 - 结论与展望............................................................................................................. - 46 - 致谢......................................................................................................................... - 4
7 - 参考文献................................................................................................................. - 4
8 -
1前言
1.1 研究的背景与内容
在第二次世界大战后，科技快速发展，各行各业都在飞速的前进，美国第一个出现采用了桥式堆垛机的立体仓库；到了五十年代末第一次出现由人操控的巷道式堆垛机组成的立体仓库；到了1963年，第三次科技革命带来了电子计算机，美国率先在高架仓库中使用了由计算机控制技术，第一座由计算机控制的立体仓库便应运而生。在随后几十年中，自动化立体仓库如雨后春笋般的在美国和欧洲迅速发展，并成立专门的研究部门，在其方向上进一步研究，到了六十年代中期，日本开始兴建立体仓库，因为有了前车之鉴，所以发展速度越来越快，成为行业的佼佼者。
我国第一次对立体仓库的研究在1963年，原北京起重运输机械研究所以国外技术为蓝本，通过不断努力开发出国内第一座自动化立体仓库，核心是桥式堆垛起重机，但当时的中国物流行业不发达，工业水平也不高，以至于没办法大力推广，所以造成了发展较为缓慢、落后的局面。
到了二十世纪，市场的需求便迅速扩大，加上我国科技实力不断增强，技术能力越来越强，立体仓库开始在各行各业中展现它的价值，尤其是在汽车制造行业较为突出，立体仓库其突出特点就是有很高的空间利用率，而且能为企业降低不少成本，现在已经成为企业物流中不可缺少的技术[1]。
图1.1 立体仓库
1.2 立体仓库的组成
（1）高层货架[2]：它是用来存储货物的单元格，一般用钢制成[6]。在单元格内存放托盘。
（2）堆垛机[3]：堆垛机简单来说就是搬运货物从货架存取的机构。
（3）输送系统：就是将货物在堆垛机上移走的系统。输送机的种类有很多，如AGV、升降台等等。
（4）自动控制系统：计算机收到信息指令后给下属机构发送指令，完成作业。
1.3 自动化立体仓库中的堆垛起重机
堆垛机是立体仓库最重要的搬运、起重设备，是体现立体仓库是否能够达到要求的设备之一。在初期堆垛机的结构是模仿叉车的工作特点发展而来，叫做桥式堆垛机。在随后几年里，由于桥式堆垛机的桥架太过笨重而使运动速度受到了极大的限制，于是人们在桥式堆垛机的基础上改进演变，之后美国出现了世界上第一个巷道堆垛机，巷道堆垛机改变了桥式堆垛机体积大、质量重的缺点，在抗弯和抗扭强度都提高了很多，而且解决了桥式堆垛机不能再太高的仓库工作的缺点，巷道堆垛机的可以在高层货架的巷道内来回穿梭运行，适用范围大，且调速性能优秀。
巷道堆垛机由下面几个部分组成：
1.机架：堆垛机的承载部件，由上下横梁和立柱组成，单立柱的结构刚度不如双立柱，所以制约起重量和起重高度。双立柱的强度刚度高，适用范围就较广，起重高度和起重量高，可用于高速运行。如果要求工作场合条件苛刻，立柱可以使用圆管。
2.行走机构：行走机构由电机、减速器、行走车轮、制动器、导向轮组成，这里分为有轮缘和无轮缘两种类型，有轮缘的车轮会对车轮产生啃轨力，要避免出现这种现象，所以大多数采用无轮缘车轮，在下横梁处安装车轮，车轮的材料可以使用铸钢，侧面安装导向轮。采用前轮驱动，减速器安装在前轮上。
3.起升机构：用来实现物料的垂直移动，是堆垛机最基本的结构。一般由电机、卷筒、减速器、钢丝绳、滑轮等构成，减速器的低速轴带动卷筒，通过钢丝绳的旋转和滑轮组带动载货台的升降运动。
4.伸缩机构：它是堆垛机存取货物的执行元件，可以使得堆垛机左右伸叉工作，它由电机减速器、链轮、链条、齿轮、齿条、轴承、三叉构成。电机拖过链轮链条使得齿轮旋转，齿轮带动齿条及中叉运动。
5.托盘[4]：一种辅助储存工具，多用于临时放置货物。
6.安全保护装置[5]：为保证人和机械的安全，凡是机械设备就要有一定的安
全保护措施，堆垛机也不例外。第一可以采用终端限位保护，在以上几个机构中都设置限位保护，第二要有断电保护，比如堆垛机工作时正把物品送到货架，为使载货台不迅速下滑，要通过升降电机制动使得载货台“卡住”进行保护，还要有连锁保护等等[6]。
1.4课题的主要任务
本课题主要对立体仓库的堆垛机、货架进行研究，了解它们的背景、分类、基本机构、工作原理等等，进行结构设计。
2 堆垛机的设计
2.1 堆垛机设计参数
堆垛机的设计参数应对应生产所需要求，它的整体结构根据所运送的货物的体积大小、货物的重量等参数进行设计。
立体仓库的大小：4巷道8排20列4层。立体仓库货格尺寸设为900×600×1000mm。堆垛机所要搬运的物品重量设为200kg内，最大承载能力不超过300kg，堆垛机的行走速度定为100/ 1.7/
（），升降速度为30
m min m s
（），伸缩速度（货叉速度）为6/0.1/
m min m s
/0.5/
（）。
m min m s
2.2 堆垛机的组成
图2.1有轨巷道式双立柱堆垛机
3 行走机构的设计
行走机构[8]是使旋转运动转化为直线运动，使堆剁机沿导轨做往复运动。行走机构包括传动装置和驱动电机[19]。
3.1 电动机的选择
对于电动机的选择要考虑的问题很多[9]，要考虑到工作环境、负载特性、负载速度变化范围还有工作时间和启动的频繁程度等等。堆垛机要求的工作速度不高，需要经常地正、反转切换，为提高效率，降低损耗，降低成本，综上选择低俗电动机。
对于直线运动机械，查机械设计手册，电动机功率的计算公式为：
P =Fv
1000η （3-1）
式中 F —作用力，N
v —运动速度，v=100m/min η—电动机传动效率，取η=0.75
则 P =600×9.8×100
1000×0.75×60=13.08kw
查表选择Y160M 三相异步电动机，额定转速974 /v r min
3.2 传动装置的设计
3.2.1 传动方案的确定
可以选择滚珠丝杠或者齿轮齿条传动。 滚珠丝杠传动的优点： （1）传动效率高。
（2）定位精度高、传动精度高，运动平稳，传动没有间隙，无爬行现象。 （3）摩擦力小，使用寿命长。
（4）互换性好，滚珠丝杠已经实现标准化。
但是，滚珠丝杠副的结构复杂，对环境要求也比较严格，如果润滑油的质量不过关、在灰尘较多的地方工作，会使得无法正常工作使磨损大大增加，而且不易清洁，成本也高，不适合本次设计。
与滚珠丝杠副相比，齿轮齿条传动存在间隙会导致会产生传动误差，影响传动精度。但是堆垛机的不属于高精密机械，它对定位精度的要求不高，所以可以忽略不计。而齿轮齿条的优点在与成本低，结构简单，而且互换性好，易维修，易更换。
以上可以得出，齿轮齿条传动比滚珠丝杠传动合理。 另外，按照齿轮齿条传动计算，堆垛机的行走速度为：
(/min)v dn m π= （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：
100
1000
323.14974
d mm =≈?
图3.1 二级减速装置
显然齿轮直径较小，不能满足强度要求，所以需要采用二级减速传动，降低齿轮转速，以增大齿轮直径。减速机构如图所示。 3.2.2 第一级减速齿轮副的计算
已知条件：电动机功率15P KW =，输出转速1974/n r min =，转动比初定为
2.5i =。选小齿轮材料为40Cr ，大轮材料为45号钢，都采用调质处理。
1．初步计算（按齿面接触疲劳强度计算）
转矩 T 1=9.55×106P n 1
=9.55×106×15
974=147000N ?mm （3-3)
齿宽系数d φ 查表， ?d =1.0
接触疲劳极限 查图， σHlim =760Mpa 许用接触应力 [σH ]=
σHlim S Hlim
Z NT Z L Z R Z W （3-4）
式中 Z NT —寿命系数，查表 Z NT =1.6 Z L —润滑系数， Z V —速度系数，
Z R —粗糙度系数，查表，Z L Z V Z R =1.0 Z W —齿面工作硬化系数，查表，
Z W =1.2?
HB ?1301700=1.2?260?130
1700
=1.12
S Hlim —最小安全系数，查表，S Hlim =1.10
则 [σH ]=760×1.6×1.0×1.12
1.10
=1238Mpa
初步计算小齿轮直径
d 1≥A d √T 1
?
d σH
2?
u+1u
3
=63.8mm （3-5）
取 d 1=65mm
小齿轮齿宽 b =?d d 1=1.0×65=65mm （3-6） 2．校核计算 圆周速度
11
65974
3.3/601000
601000
d n v m s ππ??=
=
=??
（3-7）
精度等级 速度要求不高，考虑成本选8级精度 齿数和模数 取齿数z 1=30
m =d 1z 1=6530
=2.17
取 2.5m mm =
11/65/2.526z d m === 21 2.52665z i z =?=?=
齿间载荷分配系数H K α
1122147000
452365
1.25452386.98/100/65
t A t T F N d K F N mm N mm b ?=
==?==< （3-8）
1211
[1.88 3.2(
)]cos 111.88 3.2()2665
1.71
z z αεβ=-+=-?+=
Z ε=√
4?εα3
=√
4?1.713
=0.87 （3-9）
则 22
11 1.320.87H K Z αε=
== （3-10） 齿向载荷分布系数H K β 查表，
24241.230.18 6.1101.230.181 6.110651.45
H d K b
βφ--=++?=+?+??= （3-11） 使用系数 查表得 1.25A K = 动载荷系数 查表得 1.16V K =
载荷系数
1.25 1.16 1.32 1.45
2.77
A V H H K K K K K αβ
==???= （3-12）
弹性系数
查表，E Z =节点区域系数 查图， Z H =2.5 验算
189.8 2.50.87817.4[]
H E H H Z Z Z MPa ε
σσ==??=< （3-13）
合格
3．齿轮主要尺寸 小齿轮齿数 126z = 大齿轮齿数 265z =
小齿轮直径 11 2.52665d mz mm ==?= 大齿轮直径 22 2.565162.5d mz mm ==?= 中心距 12() 2.5(2665)
113.7522
m z z a mm +?+=
== 齿宽 1 1.06565d b d mm φ==?= 取1265,55b mm b mm ==
输出转速 21/974/2.5390/min n n i r ===
重合度系数（齿根弯曲疲劳强度验算）
0.75
0.75
0.250.250.691.71
Y εα
ε=+
=+
= （3-14）
齿间载荷分配系数 查表[1]
11 1.450.69
F K Y αε=
== （3-15）
齿顶到齿根的轮齿高度
**
*()/2
[2)(22)]/2
[(2621)(262120.25)] 2.5/25.625a f a a h d d z h z h c m mm
=----+?--?-?? =(+ = =
/65/5.62511.563b h ==>
2
1
0.911/(/)F N h b h b =
=++
齿向载荷分布系数
0.91() 1.45 1.4F N F H K K ββ===
（3-16）
载荷系数
1.25 1.16 1.45 1.4
2.9A V F F K K K K K αβ==???=
（3-17）
复合齿形系数 查图， 4.2FS Y = 弯曲最小安全系数 查表， S Fmin =1.25 弯曲疲劳极限 查图， σFlim =450Mpa 弯曲寿命系数 查表， Y NT =2.5 尺寸系数 查表， Y X =1.0 许用弯曲应力
lim min
450 2.5 1.0
[]9001.25
F NT X
F F Y Y MPa S σσ??=
=
=
（3-18）
验算
1
12F FS KT Y Y bd m
εσ=
2 2.9147000
4.20.692346565 2.5
[]F MPa
σ??=
??=??< （3-19）
无严重过载，合格。 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 1．初步计算（按齿面接触疲劳强度计算） 转矩 6
611159.55109.5510352615390
P T N mm n =?=??=? 齿宽系数d φ 查表， 1.0d φ= 接触疲劳极限 查图， σHlim =760Mpa 许用接触应力 lim
min
[]H H NT L V R W H Z Z Z Z Z S σσ=
式中 NT Z —寿命系数，查表， 1.6NT Z = L Z —润滑系数，
V Z —速度系数， R Z —粗糙度系数，查表， 1.0L V R Z Z Z = W Z —齿面工作硬化系数，查表，
130260130
1.2 1.2 1.1217001700
W HB Z --=-
=-=
S Hmin —最小安全系数，查表，S Hmin =1.10 则 760 1.6 1.0 1.12
[]12381.10
H MPa σ???==
初步计算小齿轮直径
1d d A ≥
60mm
=90 =为保证 v =πd 2n 2=80m/min
则有 2801000196390/3d mm π?=≈?
由 i =d
2d 1
d 1=
d 2i
=
1963
=66mm
取 166d mm =
小齿轮齿宽 1 1.06666d b d mm φ==?= 2．校核计算
圆周速度 11
66390
1.33/601000
601000
d n v m s ππ??==
=??
精度等级 设备速度不高，考虑成本选9级精度 齿数和模数 取齿数z 1=30 m =
d 1z 1
=65
30=2.17
查表，取2m = 则 Z 1=
d 1m
=662
=33
Z 2=i ×Z 1=3×33=99 使用系数 查表，K A =1.25 动载荷系数 查表，K A =1.16 齿间载荷分配系数H K α
1122352615
1068566
1.2510685
2.2.4/100/66
t A t T F N d K F N mm N mm b ?=
==?==>
1211
[1.88 3.2(
)]cos 111.88 3.2()3399
1.75
z z αεβ=-+=-?+=
0.86Z ε= 则 2211 1.330.86
H K Z αε=
== 齿向载荷分布系数H K β 查表，
24241.230.18 6.1101.230.181 6.110661.45
H d K b βφ--=++?=+?+??= 载荷系数
1.25 1.16 1.33 1.45
2.79
A V H H K K K K K αβ
==???=
弹性系数
查表，E Z =节点区域系数 查图， Z H =2.5 验算
189.8 2.50.861212[]
H E H H Z Z Z MPa ε
σσ==??=<合格
3．齿轮主要尺寸 小齿轮齿数 133z = 大齿轮齿数 299z =
小齿轮直径 1123366d mz mm ==?= 大齿轮直径 22299198d mz mm ==?= 中心距 12()2(3399)
13222
m z z a mm +?+=
== 齿宽 1 1.06666d b d mm φ==?= 取1266,56b mm b mm ==
输出转速 21/390/3130/min n n i r === 重合度系数 (齿根弯曲疲劳强度验算)
0.75
0.75
0.250.250.671.75
Y εα
ε=+
=+
=
齿间载荷分配系数 查表，
11 1.470.67
F K Y αε=
== 齿顶到齿根的轮齿高度
()/2
***[)(22)]/2[(3321)(332120.25)]2/24.5h d d a f z h c m a a mm
=----+?--?-?? =(z+2h = =
/66/4.514.73b h ==>
2
1
0.931/(/)F N h b h b =
=++
齿向载荷分布系数
0.93() 1.45 1.41F N F H K K ββ===
载荷系数
1.25 1.16 1.47 1.41 3.0A V F F K K K K K αβ==???=
复合齿形系数 查图， 4.0FS Y = 弯曲最小安全系数 查表，S Fmin =1.25 弯曲疲劳极限 查图，σFlim =450Mpa 弯曲寿命系数 查表，Y NT =2.52.
5
尺寸系数 查表，Y X =1.0 许用弯曲应力
lim min
450 2.5 1.0
[]9001.25
F NT X
F F Y Y MPa S σσ??=
=
=
验算
11223352615
4.00.6765066662[]
F FS F KT Y Y MPa bd m εσσ??=
=??=??<
合格
3.2.4 齿轮齿条尺寸确定及计算
齿数 z 1=99 模数 2m mm = 螺旋角 0β=? 压力角 20α=? 齿顶高系数 *
1a h =
顶隙系数 *0.25c = 齿轮变位系数 查表，0.15x =
齿宽 齿轮 165b mm = ，齿条 260b mm = 齿条基准面至齿顶高的距离 30J mm = 齿条长度 500l mm =
齿轮分度圆直径 /cos 198d mz mm β==
齿顶高 齿轮 *
1()(10.15)2 2.3a a
h h x m mm =+=+?= 齿条 *
2122a a h h m mm ==?=
齿根高 齿轮 *
1(*)(10.250.15)2 2.2f a h h c x m mm =+-=+-?= 齿条 *2(*)(10.25)2 2.5f a h h c m mm =+=+?=
齿高 齿轮 111 2.3 2.2 4.5a f h h h mm =+=+= 齿条 111 2.3 2.2 4.5a f h h h mm =+=+= 齿轮中心到齿条中线的距离 198
0.15299.322
d H xm mm =
+=+?= 齿条齿距 3.142 6.28n P m mm π==?= 齿条齿数 2500
0.50.880.16.28
n L z P =+=+=，取整 2=80Z 3.2.5 轴的计算
轴选用45钢，轴向固定一般采用弹性挡圈，紧定螺钉还有套筒配合轴肩固定；周向固定一般采用键连接可以选择平键连接，平键连接应用比较广泛且结构简单。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。
1、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 查表，11235,135MPa MPa στ--== 有效应力集中系数 查表， 1.76, 1.54K K στ== 表面质量系数 查表，0.95β=