巷道式堆垛机提升机构的设计与分析.pdf

-142-巷道式堆垛机提升机构的设计与分析 胡开元 刘克武（成都理工大学工程技术学院自动化工程，四川 乐山 614000）【摘 要】以固高科技有限公司型号为 GT-WH-L 的巷道式堆垛机为设计基础，对单立柱巷道式堆垛机的提升机构进行结构设计与分析，重点对立柱，电动机，及链轮链条进行了选择分析，最后完成提升机构的装配。【关键词】巷道式堆垛机；提升机构；单立柱式；天地轨 【中图分类号】TH246 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2012)08-0142-04 Design and analysis of Gallery-used stacking machine lifting mechanism Abstract:Abstract:Based on the design of Gallery-used stacking machine which its model is GT-WH-L,Lifting institutions of the single pillar type stacking machine made the structural design and analysis,especially pillar,motor,and chain sprocket,finally the assembly of hoisting mechanism was completed.Keywords:Keywords:Gallery-used stacking machine;Lifting mechanism;Single pillar;Rail 堆垛机的主要用于高层货架巷道内的平行轨道上来回穿梭运行，将位于巷道口入库台的货物存入货格，或取货格内的货物运送至巷道口出库台。堆垛机主要由升降机构、运行机构、伸缩机构、机架、电控等部分构成。起升机构在堆垛机设计中起到了重要的作用，一般由电动机、减速器、制动器、滚筒以及柔性件等组成，其主要作用是实现堆垛机载货台的升降运动。常用的提升机构有链条提升机构、曳引式提升机构、卷筒式提升机构。根据本堆垛机的结构特点，选用链条式结构。本文以固高科技有限公司型号为 GT-WH-L 的巷道式堆垛机为设计基础，对单立柱巷道式堆垛机的整体进行结构的设计和分析。单立柱巷道式的提升机构它是实现货叉在竖直方向的升降运动，在本文主要包括了立柱、起升伺服电动机、制动器、链轮链条柔性件，与轨道支撑固定链接，载物台通过滑槽链接，其设计结构简图如图 1 所示。提升机构也作为堆垛机主体的一部分，其设计优劣也将直接的影响到堆垛机的整体运行效果，其各部分结构的设计、校核及分析如下。1 立柱的设计 本设计采用单立柱作为提升机构部分的设计基础，其主要原因是，目前多数立体仓库采用了单立柱结构的巷道式堆垛机，它的结构简单，横向尺寸紧凑，巷道宽度小，而且立柱可以选用不同的载物台，同时也存在相应的缺点，其受力较复杂，特别是在大型的自动化立体仓库里面，立柱高达几十米，载重达到了十多吨，立柱难以保证具有足够的强度、刚度和稳定性。因此对立柱受力分析，强度校核是我们必须考虑的一个过程。1.1 立柱整体载荷的分析 该堆垛机主要受自身的质量单元、天轨的支撑、载物台的质量单元、载重物体的质量单元和地轨的支撑等载荷。其受力简图如图 2 所示。123567竖 直 伺服 电 动机4 1.天轨支撑；2.链轮轴；3.链轮；4.导向和制动装置；5.立柱；6.链条；7.竖直伺服电动机 图 1 立柱结构简图 总第 14 卷 156 期 大 众 科 技 VoL.14 No.8 2012 年 8 月 Popular Science&Technology August 2012【收稿日期】2012-07-15【作者简介】胡开元（1983），男，四川成都人，成都理工大学工程技术学自动化系助教，硕士研究生，研究方向为材料加工工程及模具 CAD/CAE/CAM。-143-1.2 立柱的设计及校核（1）立柱的结构设计和选材 堆垛机载物台总质量 m=40kg，额定载物为 35kg，取安全系数为 S=1.1，计算物体载荷化整为 40kg，选立柱的材料为型号为 8A 的高级碳素钢，厚度为 5mm，立柱高为 2450mm，截面为 150mm 的方形截面。与货叉方向各焊接安全导向凸槽，截面为 20mm 方形，材料与立柱相同，主要用于安全导向。天轨支撑采用 T 字钢链接导向轮，导向轮为 4 个，分为两排，与天轨到 L 型槽成滑动链接，地轨支撑通过螺栓连接，其示意图如图 3 所示。竖直伺服电动机物体F上F立柱F下F物体F载物台 图 2 立柱受力简图（2）挠度校核 巷道式单立柱堆垛机主要用于搬运和存取以加工和待加工的工件，整个过程由计算机自动化控制和管理，对工件的存取和搬运，要求堆垛机在工作时平稳可靠，停位准确，一般使货叉与托盘的对位误差不超过 10mm。由于载物台和货物重量对立柱的偏心作用，以及堆垛机的行走、制动和加减速的水平惯性作用，立柱在巷道纵向平面内会产生一定的挠度，水平惯性力还使立柱和载物台产生一定的振动。当载物台处于最高位置时，立柱的挠度和振动幅度最大，其值如果超过我们的许用值，将不能保证准确的停位。因此，立柱的动、静刚度是影响堆垛机的停位精度和工作平稳的决定因素，以下是对其分析与计算。12345 1.天轨导向轮 2.T 字支撑 3.凸导向槽 4.立柱主体 5.地轨连接图 图 3 立柱示意图（3）静刚度的计算 立柱的静刚度是以载物台在满载时，位于立柱的最高位置，顶端在巷道纵向平面内的挠度来表征，设计的挠度应该小于许用值，即 ff。如图 4 所示，当载物台升至最高位置时，载物台通过链条作用，在升降轨道上的受力为：立柱货叉物GGGPF+=可以认为立柱在距顶端 h 截面上受力矩 M 的作用，即：()货叉物G+GS=PS =M 式中：物G-载物台上额定货物所受的重力，在这里40kgm=物，物G取 400N；货叉G-整个载物台的重力，取 400N；S-为载物台的中心位置距立柱中心截面位置的距离，在这里为 450mm；即：mN=+=3604004000.45M）（竖直伺服电动机物体hHG物G货叉abLG立柱PF 图 4 升降机的轨道受力图 立柱在力矩 M 的作用下，端部产生的水平位移 e，主要由三部分组成：（a）在 M 的作用下，立柱端部的水平位移端e；（b）在 M 作用下，下轨轮处截面转角1引起的顶部水平位移He1顶；（c）下横梁和立柱联接处截面转角2引起的立柱顶部水平位He2=底 即：底顶端eeee+=这里，由于单立柱的上横梁通过天轨固定，下横梁通过地轨固定，通过整体受力图 2 所示的分析可知，上下横梁为作用力和反作用力，产生力矩相反，影响效果小，且可以近似抵消，故只计算端e。端e的计算：-144-由外载荷弯矩图（图 5），通过挠曲轴的近似方程，可得：立柱底EIMe=式中：立柱I-立柱的惯性矩；E-弹性模量，查手册取 196GPa。hHM立柱G立柱G货叉G物hHMhHM(a)(b)(c)（a）立柱竖直受力图（b）立柱弯矩图（c）挠曲线 图 5 受力分析图 立柱I惯性矩的计算 立柱I为空心截面对于整个立柱截面的惯性矩，可以由外边正方形截面和里面空心截面组成，其简图如图 6 所示，设整个外正方体的惯性矩为整I，里面空心矩为空I，则空立柱整III+=由此得：空整立柱I-II=。45-4444m101.02120.14-120.1512b-12aI=立柱 将以上数据代入公式可得：1.8101.0210196360e5-9=底 150140150I整I空心I立柱 图 6 立柱惯性矩计算图 即：1.8ef=底 又 8.4500f=l，故 ff，所以选材合适。（4）动刚度的计算 堆垛机立柱的动刚度可用自振频率表征，要求该频率不大于许用值，即）（动Hzff 堆垛机在运行过程中制动，各部分质量将受到惯性力作用。由于立柱是弹性构件，惯性冲击将引起堆垛机振动。图7 为振动简图：m1m3m2m4 m1-载物台总质量，m2-立柱均布质量,m3-提升机构质量，m4-下横梁总质量 图 7 振动简图 利用振动简图，通过等效质量原理，将其转化为单自由度系统图，如图 8 所示：memeSL12 图 8 堆垛机振动系统图 由此可得：动动fm212fen=式中：k-为立柱顶部横向刚度；em-为立柱顶部等效质量；动f-为立柱满载自振频率值，一般取 2Hz。2 竖直电机的选择 在竖直方向，我们选择的是伺服电机作为输出的动力源，其运行中克服的阻力主要来源于载物台和工件，还有部分的由链轮和载物台导向轨道产生的摩擦阻力，其计算方式如下：导向链物货叉作ffGGF+=又 预导向导向ff=）（导向物货叉链链fGGf+=式中：作F-为立柱在竖直方向的总阻力；货叉G-为载物台的重力 400N；-145-物G-为额定计算载荷 400N；链f-为链轮的阻力；导向f-为导向轮的摩擦阻力；导向-为导向轮在凸槽上的摩擦阻力因素，取 0.1；预f-为导向轮与凸槽的压紧力，取 50N；链-为链轮的摩擦因数，取 0.01；最后计算出：5Nf=导向 8.5N504004000.01f=+=）（链 813.5N8.55400400F=+=作 故，堆垛机在竖直方向的总功率为：244.05w6018813.5vFP=作 传动效率取：8.0=；wPw3058.0/05.244Pr=引入功率储备系数取：2.1=k；储备功率：w366PKPr=选择电动机的型号：根据工作条件，查机械设计手册可选取电动机的型号为YL712-4，额定功率 P=0.37kw，转速 n=1500r/min。类型为伺服电机。基本参数如表 1 所示。表 1 货叉电动机选择参数 电机型号 最大转矩 额定功率 同步转速 外形尺寸 YL712-4 1.7 370w 1500r/min 255x145x180mm 3 链轮链条的设计及校核 链传动是由装在平行轴上的主、从动链轮和绕在链轮上的环形链条组成，以链作中间的柔性件，靠链与链轮轮齿的啮合来传递动力。本文以深圳固高科技的 GT-WH-L 的巷道式堆垛机链为例。它能保持准确的平均传动比，需要的张紧力小，作用在轴上的压力小，结构紧凑，制造和安装精度的要求都较低，在立柱这样大的中心距的情况下传动结构简单。但是它的链速和瞬时传动比不是常数，因此传动的平稳性较差，在堆垛机的运行中是产生噪音的主要部位。3.1 链轮链条的选择 链条作为传动动力的主要元件，按结构不同可以分为滚子链和齿形链，考虑承载和各方面的受力要求，通过对链条链轮各项参数的计算，选择 A 系列型号为 12A 的单排滚子链，其节距为19.05mm，滚子外径为11.91mm，极限载荷为31100N，每米重量为 1.5kg，链轮的齿数为 13，按 1：1 传动，中心距为 2400mm，材料均选用 60Mn。其结构图如图 7 所示。3.2 强度校核 通过链条链轮的参数，如表 2 所示：表 2 链轮链条参数 链轮齿数 传动比 中心距 功率 P 型号 滚子直径（1d）13 1：1 2400mm 30.5w 12A 11.91mm 小链轮齿数：131=Z；因载物台传动的链轮链条传动所需的增速或者减速，可以直接通过闭环的伺服电机来控制，所以传动比我们取的i=1，即 大链轮齿数：1313112=ZiZ；链轮材质选择 40 铬合金调质钢，并进行淬火处理。硬度可达 HRC4050，链轮采用整体式制造。图 7 链轮链条的结构图（1）链节数计算PL 在本次设计中，两轴互相平行，且位于同一平面，链条为竖直方向布置，不考虑两边链轮的松紧，根据立柱的长度比例，选取中心距2400mm=a，则：2562131319.05240022221=+=+=ZZPaLP（2）作用在链条的力RF 作用在链轮上的圆周力为：10167N3.030.510001000r=vPF 由经验公式 13217N016713.13.1=FFR 因为作用在链轮上的作用力主要由链条提供，其链条上所受的力近似与链轮的圆周力相等：即 31100NFFF RR=额（额F为链条的额定载荷），故所选链轮链条型号适合。（3）链轮的主要尺寸计算 链轮的分度圆直径 mmzpd6.7985.13sin05.19sin=齿顶圆直径 91.5mm911105.1925.179.6-25.11amax=+=+=dpdd -146-84.39mm 11.91-19.05131.6-179.6d-pz1.6-1dd1amin=+=+=）（）（齿根圆直径：67.69mm11.91-79.6-ddd1f=齿形采用标准的刀具加工，两链轮尺寸相同，都为实心式，其结构图如上图 7 所示。3.3 顶端链轮轴的选择 顶端链轮轴是支撑链轮的关键，其承载整个载物台，对它的受力分析如图 8 所示，在立柱的顶端通过两对相对的滚子轴承安装，轴承选择型号为 6007，考虑轴的刚度要求，选择轴的材料为 45 号钢。图 8 齿轮轴的受力图 轴的具体尺寸如图 8 所示，通过受力分析知 31100NFR=对轴的强度校核 确定轴的许用应力：400MPa1.5600nb=（n 为安全因数，在这里我们取为 1.5）故：N103.8750.1753.1410400rF7262=因 FFr，故符合选择要求。4 提升机构部分的装配 提升机构部分装配时主要应该注意两链轮的对中、链轮轴在立柱顶端的稳定性、载物台在轨道上的平稳性以及导向轮对导向凸槽的压力的适中性，满足各装配的精度和受力要求，除此之外还应该注意各电器控制元件，尤其是限位开关的装配。在立柱的导向道上，由于涉及到竖直方向运动的稳定性，故在载物台的导向槽内还设计有安全锁紧装置，防止在急停时，载物台的向下滑落。提升机构部分的各示意图如图 9 所示。5 结论 计算，校核立柱、链轮链条以及对电动机的选配对于堆垛机的使用性及安全性起到至关重要的作用。同时整体的装配成功性对于整个车间或者教学的经济效益有很大的帮助。对优化产业结构及后期的保养保修起到了有效的理论基础。2345689107 1.立柱主体；2.链轮轴；3.天轨支撑；4.凸导向槽链轮 6.链条 7.伺服电机；8.竖直导向轮；9.载物台；10.地轨支撑座 图 9 提升机构的示意图 【参考文献】1 乔玉晶,吕宁.立体仓库巷道堆垛机控制系统设计J.工业控制与应用,2004,(11):20.2 卢宗慧,徐星蕾,卢泓翰,饶金海.堆垛机提升机构设计J.制造自动化,2011,33(5).3 单辉祖.材料力学(I)第三版M.高等教育出版社,2009.4 王太辰.中国机械设计大典M.江西科学技术出版社,2002.5 张岩军,王忠宾.新型有轨巷道式单立柱堆垛机的设计J.起重运输机械,2011(3).（上接第 167 页）17温宗良,岳桂华,杨靖,等.基于共轭梯度算法的 BP 神经网络在高血压中医诊断中的应用J.山东中医药大学学报,2012,36(3):183-184.18胡家宁,阎述池,王秀章,等.脉象人工神经网络分析系统模型J.中国医科大学学报,1997,26(2):134-137.19王炳和,相敬林.基于神经网络方法的人体脉象识别研究J.西北工业大学学报,2002,20(3):454.20岳沛平.神经网络识别在中医脉象信号辨识系统中的运用J.江苏中医药,2005,26(11):4-6.21郭红霞,王炳和,张丽琼,等.基于小波包分析和 BP 神经网络 的 中 医 脉 象 识 别 方 法 J.计 算 机 应 用 研 究,2006,(6):185-187.22王璐,吴南健,温殿忠.人工神经网络在孕妇脉象判别中的应用J.黑龙江大学自然科学学报,2003,20(4):66-68,72.23周越,许晴,孔薇.脉象特性分析和识别方法的研究J.生物医学工程学杂志,2006,23(3):505-508.24李华东,王崇骏,李训铭,等.基于改进的LVQ算法的中医脉象 识 别 J.广 西 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 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