机械毕业设计601堆垛机伸缩货叉设计

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毕业设计(论文) 堆垛机伸缩货叉设计Stacker Telescopic Fork Design
学生姓名
学院名称机电工程学院
专业名称机械设计制造及其自动化
指导教师
6月02日
摘要
自动化立体仓库目前广泛应用于汽车、电子、医药、烟草、建材、邮电等许多行业，是实现物流系统合理化的关键，对加快物流速度、提高劳动生产率、降低生产成本都有重要意义。

其中堆垛机又是自动化立体仓库中最重要的搬运、起重、堆垛设备, 对立体仓库的出入库效率有重要影响。

本文将注重研究双伸位堆垛机，它的使用不仅减少巷道占地，而且还减少了堆垛机台数。

在相同面积条件下，大幅度提高了地面利用率和存取工作效率，同时能够为用户节约可观的投资。

由于双伸位堆垛机的这个独特优势，它已得到迅速推广，并具有很大的市场空间。

但与国外技术相比，目前我国堆垛机产品在技术参数、产品覆盖范围、技术稳定性和产业规模等方面均有差距。

因此，本设计课题将从堆垛机的最主要的部分——货叉展开研究，希望能进一步的提高堆垛机的工作效率及使用寿命。

双伸位堆垛机采用了多级双伸位货叉，通过行程倍增实行大距离伸出，实现巷道内单边双排货架存取货物，但由于货叉悬臂加长，导致力矩相应增加，控制货叉的下挠量成为技术关键，同时也是技术难题。

堆垛机伸缩货叉采用一种能使原动机动作行程增倍的双向驱动直线运动机构。

为此，在方案设计中选择链条链轮组成的传动机构。

根据货叉存物取货的双向伸缩行程要求，仅采用双层货叉行程增倍机构是不够的，还必须实现第3层货叉的行程增倍直线差动。

但由于货叉悬臂加长，导致力矩相应增加，因此需要通过严格的理论计算和实际中的经验来控制货叉的下挠量。

在这次设计过程中，将使用Pro/E建模，并进行运动仿真，其中主要建模的零件包括链轮、链条、齿轮、齿条、下叉、中叉、上叉等。

难点在于各尺寸的确定及配合，和链传动的运动仿真。

关键词：货叉；Pro/E；挠性；仿真
Abstract
Automated Warehouse now widely have been used in automotive, electronic, pharmaceutical, tobacco, building materials, telecommunications and other industries,it is to achieve rationalization of the key logistics system, to accelerate the pace of logistics, improve labor productivity, lower production costs have important significance. One stacker warehouse automation is the most important of handling, lifting and stacking equipment, for the three-dimensional warehouse to have an important impact on the efficiency of storage, the paper will focus on extending double-stacker, which not only reduce the use of roadway Land, but also reduce the number of stacking machine, under the conditions in the same area, a substantial increase access and utilization of the ground work efficiency, while users can save considerable investment. Because of this unique advantage of the extended-stacker, it has been the rapid promotion, and has great market space. However, compared with foreign technology, China's Stacker products in the technical parameters, product coverage, technology steadily and technology industries in scale of the gap. Therefore, this issue will design the most important part - Fork study, hoping to further improve the efficiency of Stacker and life.
Two-side-stacker adopted the multi-level two-side-Fork, through the implementation of the gap doubled to achieve within the roadway unilateral double shelf access of goods, but because fork cantilever longer, resulting in a corresponding increase in torque , under the control Fork torsion is not only a key technology, but also technical difficulties.
Stacker telescopic Fork can adopt a program of action motivated by two-way drive times the linear motion agencies, to that end, in program design in the choice of the sprocket chain drive mechanism. According Fork of the pickup of two-way telescopic trip request, only a double-decker Fork journey times by institutions is not enough, we must also achieve the three-tier Fork trip times by linear differential. However, due to Fork cantilever longer, resulting in a corresponding increase in torque, it needs a rigorous theoretical and practical experience to the next control Fork of torsion.
In the design process, it is using Pro / E modeling and simulation exercise, which mainly include the sprocket parts modeling, the chain, gears, rack, under the higher, middle, lower fork and so on, the difficulty lies in Identify and cope with the size, and chain drive the simulation.
Key words:Fork Pro / E Flexible Simulation
目录
1．绪论 (1)
1.1自动化立体仓库在国民经济中的重要地位及堆垛机的意义 (1)
1.1.1自动化立体仓库 (1)
1.1.2自动化立体仓库的重要地位 (1)
1.1.3有轨巷道堆垛机的意义 (2)
1.2课题研究的目的及意义 (3)
1.3堆垛机及货叉的技术要求，研究内容 (3)
2．自动化立体仓库设计 (5)
2.1自动化立体仓库总体规划时需要考虑的问题 (5)
2.2自动化立体仓库总体规划 (6)
2.2.1高层货架 (6)
2.2.2巷道堆垛机 (6)
2.2.3输送系统 (6)
2.2.4托盘(货箱) (6)
2.2.5自动控制系统 (7)
2.2.6库存信息管理系统 (7)
2．3巷道堆垛机设计 (7)
2.3.1设计思路 (7)
2.3.2 控制系统结构 (10)
2.3.3 速度控制 (11)
2.3.4 位置确定 (11)
3．货叉方案设计 (13)
3.1液压传动 (13)
3.1.1双杆活塞缸 (13)
3.2机械传动 (15)
3.2.1链传动 (15)
3.2.2齿轮齿条传动 (15)
4．零件设计 (18)
4.1电动机、减速器的选择 (18)
4.1.1电动机的选择 (18)
4.1.2减速器的选择 (19)
4.2货叉的力学计算 (21)
4.2.1货叉弯矩的计算 (21)
4.2.2堆垛机货叉强度的计算 (22)
4.2.3货叉变形计算 (23)
4．3链轮链条传动计算 (26)
4.3.1链传动的优缺点 (26)
4.3.2链条链轮的确定 (27)
4.4单个螺栓联接的受力分析和强度计算 (30)
4.4.1货叉没展开时 (30)
4.4.2货叉展开时（极限位置） (31)
5 零件建模仿真 (35)
5.1Pro/E零件建模仿真 (35)
5.1.1螺栓的设计过程 (35)
5.1.2螺母制作过程 (38)
5.2链条链轮的设计过程 (39)
5.3零件的装配 (40)
5.4链传动及总装图 (42)
6. NC代码 (44)
6.1NC代码简介 (44)
6.2．中叉上的链条槽 (44)
6.3.中叉上的孔 (52)
结论 (56)
致谢 (57)
参考文献 (58)
附录........................................................ 错误!未定义书签。

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中文译文.................................................. 错误!未定义书签。

1．绪论
1.1自动化立体仓库在国民经济中的重要地位及堆垛机的意义
1.1.1自动化立体仓库
在现代物流系统中，自动化立体仓库是一个重要的组成部分，它是一种新型的仓储技术，自动化立体仓库又称为自动存储检索系统，它是物料搬运和仓储科学中的一门综合科学技术工程。

它集机械、电子、计算机、通信、网络、传感器和自动控制等多种技术于一体，以搬运机械化、控制自动化、管理微机化、信息网络化为特征，成为现代化物流设计中产品生产与存储的枢纽。

以自动化功能齐全的立体仓库取代传统的普通房式仓库己成为世界仓储建设发展的潮流。

据不完全统计，美国拥有各种类型的自动化立体仓库20000多座，日本拥有38000多座，德国拥有10000多座，英国有4000多座，前苏联有1500多座。

高度达40米以上的巨型立体仓库数量越来越多。

我国进人80年代以来，一些交通运输部门，物资储存部门以及现代大中型企业对老式仓库进行了技术改造，开始采用自动化立体仓库，据不完全统计，目前我国拥有立体仓库500余座，其中高度在15米以上的大型立体仓库100多座。

自动化仓库作为物流系统的一个枢纽和核心，是物流系统实现物流合理化的关键所在，在国民经济中有着举足轻重的地位。

通常，一种产品要从原材料做成成品，再把成品作为商品，送到消费者手中，需经过两个基本物流环节:前者是物流生产过程(如:加工流水线，自动生产线)，后者是把商品送到消费者手中的物流流通过程。

基于上述两个基本物流环节，目前立体仓库系统主要有两大应用领域:其一是各种自动化生产线中的在线立体仓库系统(如CIMS中的在线立库系统);其二是各种物资配送中心(如超市配货中心等)。

在制造业，其备件时间占整个加工和装配周期的近10%。

在加工过程中，原材料、备件及半成品的存贮及运输占大部分时间。

在制造业中，材料的存贮及运输问题须引起国有企业的重视，因为现代化物料搬运系统将带来巨大的经济效益，主要表现在以下几个方面: . 1.节省空间
2.合理的生产组织
3.减少库存，节省流动资金
4.增加加工制造的柔性
1.1.2自动化立体仓库的重要地位
历史和现实己充分证明，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。

效益主要来自以下几方面高层货架存储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。

1
目前世界上最高的立体仓库己达。

立体仓库单位面积的存储量是普通仓库的一倍。

采用高层货架储存并结合计算机管理，可以实现货物的先入先出原则，防止货物的自然老化、变质、生锈或发霉。

立体仓库也便于防止货物的丢失及损坏，对于防火防潮等大有好处。

集装箱化的存储也利于防止货物搬运过程中的破损。

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。

计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了货物处理和信息处理过程中的差错。

而人工管理则不能做到这一点。

同时借助第二章自动化立体仓库概述于计算机管理还能有效地利用仓库储存能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金。

从而提高仓库的管理水平。

如某汽车厂的仓库，在采用自动化仓库后，库存物资金额比过去降低了，节约资金数百万元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。

由于仓储信息管理及时准确，便于企业领导随时掌握库存情况，根据生产及市场情况及时对企业规划做出调整，提高了生产的应变能力和决策能力，同时会带动企业其他部门人员素质的提高，还有其他间接的社会效益，如提高装卸速度等。

1.1.3有轨巷道堆垛机的意义
在立体仓库中的搬运设备有高位叉车、工业机器人、桥式堆垛机和有轨式单双立柱堆垛机。

有轨巷道式双立柱堆垛机由于效率高, 高度可达30～40 m , 便于实现无人操作, 行走稳定, 载货量大,噪声小, 在目前的立体仓库中得到广泛应用。

堆垛机是立体仓库中最重要的一种运输设备，是代表立体仓库特征的标志。

其主要用途是在立体仓库的通道内运行，将位于巷道口的货物存入货格，或者将货位中的货物取出，运送到巷道口。

堆垛机的分类方式有很多种，主要分类形式如下按照有无导轨，堆垛机可以分为有轨堆垛机和无轨堆垛机。

有轨堆垛机是指堆垛机沿着巷道内的轨道
运行无轨堆垛机又称高架叉车。

在立体仓库中主要
的作业设备为有轨巷道堆垛机，无轨巷道堆垛机和
普通叉车。

按照高度不同，堆垛机可以分为低层型，
中层型和高层型。

低层型堆垛机一般起升高度在以
下，主要用于分体式高层货架仓库及简易立体仓库
中层型堆垛机是指起升高度在一之间高层型堆垛
机是指起升高度在以上，主要用于一体式的高层货
架仓库。

图1-1
2
按照驱动方式不同，堆垛机可以分为上部驱动，下部驱动和上下部相结合的驱动方式。

按照自动化程度不同，堆垛机可分为手动，半自动，自动堆垛机。

手动和半自动堆垛机上有司机室，自动堆垛机不带有司机室，采用自动控制装置进行控制，可以进行自动寻址，自动装卸货物。

按照用途不同，堆垛机可以分为桥式堆垛机和巷道堆垛机。

巷道堆垛机沿货架仓库巷道内的有轨运行，又称有轨巷道堆垛机。

有轨巷道堆垛起重机简称为堆垛机。

它是由叉车、桥式堆垛机演变而来的。

桥式堆垛机由于桥架笨重因而运行速度受到很大的限制，它仅适用于出入库频率不高或存放长形原材料和笨重货物的仓库。

其优点在于可以方便地为多个巷道服务。

目前应用最广的是有轨巷道式堆垛机。

巷道堆垛机使得作业高度提高采用货叉伸缩机构，使货叉可以伸缩，这样就可以使巷道宽度变窄，提高仓库的利用率巷道堆垛机一般采用半自动和自动控制装置，运行速度和生产效率都较高其只能在货架巷道内作业，因此要配备出入库装置机架除应满足一般起重机的强度和刚度要求以外，还有较高的制造与安装精度要求采用特殊形式的取物装置，常用多节伸缩货叉或货板各机构电气传动调速要求高，且要求制动平衡，采用安全保护装置，措施齐全。

巷道堆垛机适用于各种高度的高层货架仓库，可以实现半自动，自动和远距离集中控制。

巷道堆垛机的起重量是指被起升单元货物的重量包括托盘或货箱。

根据使用要求，检选入库，出库方式的起重量取或单元化入库，出库方式的起重量一般为0.25～5t。

巷道堆垛机起重机的起升速度为6.3～40m/min，运行速度为25～180m/min，货叉伸缩速度为5～30m/min。

1.2课题研究的目的及意义
自动化立体仓库目前广泛应用于汽车、电子、医药、烟草、建材、邮电等许多行业，是实现物流系统合理化的关键，对加快物流速度、提高劳动生产率、降低生产成本都有重要意义。

其中堆垛机又是自动化立体仓库中最重要的搬运、起重、堆垛设备, 对立体仓库的出入库效率有重要影响,本文将注重研究双伸位堆垛机，它的使用不仅减少巷道占地，而且还减少了堆垛机台数，在相同面积条件下，大幅度提高了地面利用率和存取工作效率，同时能够为用户节约可观的投资。

由于双伸位堆垛机的这个独特优势，它已得到迅速推广，并具有很大的市场空间。

但与国外技术相比，目前我国堆垛机产品在技术参数、产品覆盖范围、技术稳定性和产业规模等方面均有差距。

因此，本设计课题将从堆垛机的最主要的部分——货叉展开研究，希望能进一步的提高堆垛机的工作效率及使用寿命。

1.3堆垛机及货叉的技术要求，研究内容
在自动化立体仓库中,堆垛机的运行不是一个独立的单一系统, 它受到多种因素的制
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约,是一个动态变化的多因素系统,它不仅涉及到自身各项技术参数的改变与综合性能的提高,还涉及其它相对独立因素的制约,需要多项技术的创新和改进, 更需要新技术的支持。

总体上来讲,堆垛机控制从功能上需要以下几部分:(1)三维动作控制:控制堆垛机在水平、垂直、左右方向的运行;(2)位置控制:控制堆垛机以适合的速度运行并精确的定位在货格或入出库口处;否则就可能取错货物、碰坏货架、货物等,严重时会损坏堆垛机本身。

因此位置控制技术就成为堆垛机控制系统中最关键的一种。

(3)保护功能:为了确保堆垛机安全可靠的运行,以下的保护功能在设计中是必须考虑到的:提供各种电气和机械保护,保证堆垛机在高速、频繁的运行和取送货过程中不会发生事故;(4)人机界面: 通过HMI 或其它输入和显示设备,提供本机或遥控操作及向操作人员提供堆垛机的各种状态信息。

(5) 通讯功能:在自动化立体仓库系统中,为了实现设备的自动运行,堆垛机与上位机或其它仓库设备需要进行频繁的信息交换。

由于堆垛机是在巷道中运行,其通讯大都采用无线方式或通过供电滑触线的载波通讯方式。

其中载波通讯易受电力线杂波等干扰,所以除弯道堆垛机外不宜采用;在无线通讯方式中,红外通讯稳定性好,不受干扰,是目前应用最多的方式。

在一座立体仓库中,往往有多台堆垛机和其它自动化设备,它们都需要与上位机或与其它设备进行通讯,系统通讯结构也有多种方案。

堆垛机作为自动化立体仓库的心脏部分。

其优越性必须通过堆垛机才能充分体现出来。

为此，堆垛机必须有严格的技术要求：
(1)堆垛机的正常工作条件
1)堆垛机正常工作的环境温度范围为-5～40℃，在24h内平均温度不超过35℃。

在40％的温度条件下，相对湿度不超过50％。

温度较低时相对湿度可以高一些。

2)堆垛机工作环境的污染等级应在国家规定范围之内。

3)供电电网进线电源为频率是50Hz、电压是380V的三相交流电，电压波动的。

允许偏差为±10％。

(2)堆垛机用的金属结构件的材质
根据货叉存物取货的双向伸缩行程要求，仅采用双层货叉行程增倍机构是不够的，还必须实现第3层货叉的行程增倍直线差动。

但由于货叉悬臂加长，导致力矩相应增加，因此需要通过严格的理论计算和实际中的经验来控制货叉的下挠量。

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2．自动化立体仓库设计
对于仓库的设计，不是越大越好，也不是越先进越好，而是要综合各方面的指标限制，在满足使用目的功能的前提下全面来衡量，一般来说，评价一个立体仓库有如下指标：降低费用、充分利用空间、对需求作出快速响应、扩充或更改的可能性、提高供应水平、提
高作业效率等。

2.1自动化立体仓库总体规划时需要考虑的问题
在确定自动化立体仓库总体规划方案时主要考虑三部分，一是货架系统，主要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，模拟显示运输存取货物，三是堆垛机控制系统，采用驱动自动化立体库系统各设备的自动控制系统。

自动化立体仓库设计步骤如下图2-1：
图2-1
调研是设计的基础，为了使设计方案为最佳，应该调研分析各种必要的资料，比如：将要进行存放的货物品种、特征、外形及尺寸，单件重量；模拟传送的各种货物的出库频率、出库量等。

对这些数据进行分析处理，再根据分析结果为依据即可进行仓库的规划与设计。

选择仓库类型时，要根据出入库频率，对是否采用全自动、立体化进行判断；在形式上是采用整体式还是分离式；在货架构造上是采用单元货叉式、贯通式、旋转式还是旋臂式仓库，以此来决定总体框架。

本文仅讨论单元货叉式仓库的设计方法。

在确定主要参数时，主要对以下参数进行确定；货架数目及尺寸、堆垛机设计尺寸、堆垛机平均作业循环时间、仓库的出入能力、采用的寻址及其控制方式等，这是自动化仓库总体设计的总要内容。

对于控制方案和管理系统方案的设计，总要是考虑用两级或三级控制系统，还是采用现场总线技术，以及仓库管理和控制软件及其算法的确定。

计算机仿真分析，是利用专业的仿真软件，建立方案的工艺模型并模拟系统的运行情
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况，得到准确的流量和使用效率分析报告，并根据仿真的结果对原设计方案进行修改，以达到最优的方案。

2.2自动化立体仓库总体规划
2.2.1高层货架
货架是自动化立体仓库系统实现货物立体存放的主要支撑结构，作为仓库不可或缺的组成部分，其性能直接影响仓库及其设备的使用．目前高层货架主要有焊接式和组合式2种形式，而组合式货架因其制造运输、表面处理、现场组装等优势，逐渐得到越来越广泛的应用。

货架的排、列、层数的多少，决定了仓储的密度；目前世界上最高的立体仓库高度已达50m，单位面积的储存量可达7．5 t／m2．货架设计时需要对基础的承载能力及不平度提出明确要求，而且应考虑货架施工的条件，通常将天轨、地轨的安装一并进行，并以地轨作为施工基准．满载状态下的横梁挠度是检验货架的一个重要指标．此外，考虑到仓库的消防需要，应为仓库预留消防空间。

2.2.2巷道堆垛机
在自动化立体仓库的物流输送过程中，堆垛机实现货物在各出入库端到货格的搬运。

基本功能包括
动作控制，有水平，垂直及货叉的左右动作。

位置控制，以合适的速度运行并精确定位在货位或出入库台。

通讯功能，与上位机通讯和与仓库其他设备之间的通讯。

保护功能，提供各种电气和机械的保护。

人机界面，通过触摸屏或者控制面板，提供本机状态或者进行遥控操作。

巷道堆垛机通过安全滑触线供电，在巷道内进行水平往复直线、垂直升降、货叉左右伸缩叉取等一系列协调动作，实现存储单元货物在巷道端口和指定货位问的出、入库作业．按结构形式它可分为单立柱和双立柱2种基本形式；按服务方式可分为直道、弯道和转移车3种基本形式．巷道堆垛机的动作由行走、起升、货叉伸缩等机构来实现；通过参考目标位置确保精确定位，同时载货台上装有各种检测器和安全装置，保证巷道机能高速、精确、安全地在货架中存取货物单元．目前，货叉多采用3节指形叉机构，特殊的可以做成5节，实现巷道内单边双排货架存取货物。

2.2.3输送系统
立体库的主要外围设备，负责将货物运送到巷道端口或从巷道端口将货物移走．常见的有辊道输送机、链条输送机、升降台、分配车、提升机、皮带机等；近年AGV系统即自动导向小车也较好地用于输送系统，根据其导向方式可分为感应式导向小车和激光导向小车。

2.2.4托盘(货箱)
用于承载货物的器具，有钢、塑料、木制托盘，其中木托盘具有较高的性能价格比。

2.2.5自动控制系统
驱动自动化立体库系统各设备的自动控制系统．该系统除了作为完整的系统独立运行外还预留和上级管理系统及仓库内部其他管理系统的接口。

目前，立体仓库自动控制方式有集中控制、分离式控制和分布式控制3种。

分布式控制是目前国际发展的主要方向，大型立体仓库通常采用三级计算机分布式控制系统；三级控制系统是由管理级、中间控制级和直接控制级组成的。

管理级对仓库进行在线和离线管理；中间控制级对通讯、流程进行控制，并进行实时图像显示；直接控制级是由PLC(可编程序控制器)、微处理器组成的控制系统，对各设备进行单机自动操作。

可编程控制器(PLC)的主要特点有：
①软硬件功能强大，其内部具有很多功能，如时序、计数器、主控继电器、各种寄存器等，能够方便的实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等功能。

不仅可以进行逻辑运算、算术运算、数据转换、以及顺序控制，还可以实现模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等功能，并具有完备的输入输出系统。

②使用维护方便，PLC不需要像计算机控制那样在输入输出接口上做大量的工作，PLC 的输入输出接口是已经做好的，可以直接与现场设备相连的接口。

PLC控制系统的维护也很简单，只要利用其自诊断功能和监控功能，就可以迅速查找到故障并及时排除。

③运行稳定可靠，由于PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路完成，同时还采用了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰措施，所以其平均无故障时间在2万小时以上。

④设计施工周期短，PLC采用面向控制过程和面向问题的梯形图语言编程方法，既继承了传统控制线路清晰直观的优点，又符合电气技术人员的习惯，易于编程和修改调试，十分灵活方便。

同时接线简单，只需将输入信号的设备与输入端子连接，输出端子连接执行元件即可。

2.2.6库存信息管理系统
也称中央计算机管理系统，是全自动化立体库系统的核心。

目前，典型的自动化立体库系统均采用大型的数据库系统(如SQL、ORA．CLE、SYBASE等)构筑典型的客户机／服务器体系，可以与其他系统(如ERP系统等)联网或集成．
2．3巷道堆垛机设计
作为自动化立体仓库的核心设备，巷道堆垛机发挥着不可替代的作用，本节将就巷道堆垛机的设计思路、结构和控制部分进行探讨。

2.3.1设计思路。