自动化立体仓库堆垛机毕业设计

本科毕业设计（论文）
自动化立体仓库堆垛机设计DESIGN OF STACKER CRANE FOR AUTOMATIC WAREHOUSE
20013年6月
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
Abstract
Track Tunnel-Stacker Crane is developed by a special crane with the emergence of three-dimensional warehouse, usually referred to as stacker crane. Stacker crane is the most important lifting and transportation equipment in a three-dimensional warehouse, and is one characteristic of three-dimensional warehouse. Its main use is orbit along the roadway in tunnel of high-rise warehouse, put the goods that be located at the mouth of the tunnel into the shelves, or take out goods and delivered to the tunnel mouth, complete the storage operations.
At the early 70’s of 20th, China started to develop the three-dimensional warehouse with stacker crane, and soon have be widely used in various industries and regions，some have formed serialization. According to incomplete statistics, more than 300 warehouses have been completed now. With the development of modern industry, the technology of stacker crane is being improved. All the world's major industrial countries focus on the development of new products with reliable performance and the use of high-tech，and pay more attention to the practicality and safety. At present, automatic three-dimensional warehouse and stacker crane have become an important component of production management.
This paper starts from the practical problems, and bases on existing equipments. Firstly confirm the overall structure of stacker crane and the draft of parts of the structure. Then use Theoretical Mechanics, Material Mechanics, Machine Design and Manufacturing Technology, and according to relevant design manuals, elaborates on its machinery parts, including: Rack, Running Mechanism,Lifting Mechanism,Loading Stations and Telescopic Fork Mechanism. In the design process, considering the rationality of structure and the economy of the selected materials in order to achieve the mechanical properties of stacker and request of strength, stiffness, running stability, attempt to reach the aim of high-quality, low-cost.
Keywords Automatic Three-Dimensional Warehouse Stacker Crane Design of Structure
目录
第一章绪论 (1)
1.1自动化立体仓库概述 (1)
1.2自动化立体仓库的发展 (1)
1.3发展自动化立体仓库的必要性 (2)
1.4自动化立体仓库中的堆垛起重机 (4)
1.5巷道式堆垛起重机的结构及设计要点 (5)
1.5.1 机架 (5)
1.5.2行走机构 (5)
1.5.3提升机构 (5)
1.5.4载货台及货叉 (5)
1.5.5电器设备 (6)
1.5.6安全保护装置 (6)
第二章堆垛机机架的结构设计 (7)
2.1 自动化立体仓库的结构尺寸及运行条件 (7)
2.2 机架设计概述 (7)
2.2.1机架设计应满足的一般要求 (7)
2.2.2 机架的设计步骤 (7)
2.3 上导轨设计 (9)
2.3.1 导轨类型的确定 (9)
2.3.2 导轨材料的确定 (9)
2.3.3导轨截面形状的确定 (9)
2.4 上横梁设计 (11)
2.5 立柱设计 (14)
2.6 下导轨设计 (19)
2.6.1导轨类型的选择 (19)
2.6.2滚动直线导轨副的结构与特点 (19)
2.6.3 滚动直线导轨副的计算 (20)
第三章行走机构的设计 (25)
3.1 电动机的选择 (25)
3.1.1选择电动机应综合考虑的问题 (25)
3.1.2电动机的选择 (25)
3.2 传动装置的设计 (26)
3.2.1 传动方案的确定 (26)
3.2.2 第一级减速齿轮副的计算 (28)
3.2.3 第二级减速齿轮副的计算 (32)
3.2.4 齿轮齿条副几何尺寸的确定及计算 (36)
3.2.5 轴的计算 (37)
3.3 行走机构结构图 (42)
第四章提升机构的设计 (43)
4.1 电动机的选择 (43)
4.2 传动滚子链的设计计算 (43)
4.2.1滚子链几何尺寸的计算 (43)
4.2.2 滚子链静强度计算 (44)
4.2.3 链轮几何尺寸计算 (45)
4.3提升滚子链的设计计算 (47)
4.3.1滚子链几何尺寸的计算 (47)
4.3.2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 (49)
5.1 电动机的选择 (49)
5.2 传动机构的计算 (50)
5.2.1 圆锥齿轮副的计算 (50)
5.2.2 齿轮齿条副的计算 (53)
5.2.3 传动轴的设计 (57)
5.3导轨与叉板的设计 (59)
5.3.1导轨的计算 (59)
5.3.2 板件尺寸的确定 (60)
5.4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................................. 错误!未定义书签。

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：○1手动控制；○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；○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
B b A α
20mm 2mm 70mm 90°
导轨上、下部分结构尺寸如图2.3所示：
(a)。