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    摘要：本論文詳細論述了現代大型企業中普遍使用的自動化立體倉庫設計方案。從堆垛機的特點及構成開始，分析立柱的受力情況，然后推導出立柱的彎矩及撓度關系式，再給出設計數據進行校核，重點設計了貨叉伸縮機構的結構設計。設計出了一種體積小、靈敏度高、動作可靠、帶柔性裝置的堆垛機安全機構的設計方案。本設計通過選用合適的PLC，并設計相應的控制系統進行編程、運行、調試，最終達到設計要求。

一、簡介

    自動化立體倉庫是高層貨架倉庫的升級版,又稱為自動倉儲系統(AutomaticStorage&RetrievalSystem,AS/RS)。它是現代物流管理技術的核心,主要由高層貨架、巷道式堆垛起重機、通訊系統、現場總線、電氣控制系統、計算機管理監控系統、搬運小車、貨箱或托盤等設備組成。采用變頻調速、出入庫輸送信息系統、三維條形碼識別、紅外通訊、載波通訊、射頻數字通訊、光電檢測、人機界面等技術實現手動或自動控制、計算機集中監管控制、并可與上級計算機聯網組成內部局域網,從而實現管理、監控、執行一體化的全自動倉儲物流管理系統。

自動化立體庫由以下部分組成:

    高層貨架:用于存儲貨物的鋼架結構。目前主要有焊接式貨架和組合式貨架兩種形式。

    托盤（貨箱）：用于承載貨物的工具，亦稱工位器具。

    巷道堆垛機:用于自動存取貨物的設備。按結構形式分為單立柱和雙立柱兩種形式；按服務方式分為直道、彎道和轉移車三種形式。

    輸送機系統:立體庫的主要外圍設備，負責將貨物運送到堆垛機或從堆垛機將貨物移走。輸送機種類非常多，常見的有輥道輸送機，鏈條輸送機，升降臺，分配車，提升機機，皮帶機等。

    AGV系統:即自動導向小車。根據其導向方式可分為感應式導向小車和激光導向小車。

    自動控制系統:驅動自動化立體庫系統各設備的自動控制系統。目前以采用現場總線方式為主。

    庫存信息管理系統:也叫中央計算機管理系統。是全自動化立體庫系統的控制核心。目前典型的自動化立體庫系統均采用大型的數據庫系統（如ORACLE，SYBASE等）構筑典型的客戶機/服務器體系，可以與其他系統（如ERP系統等）聯網或集成。

    自動化立體倉庫的優越性是多方面的，主要有以下幾個方面。

(1)立體化設計提高空間利用率

    早期立體倉庫構想的基本出發點就是提高空間利用率，節約土地已與節約能源、保護環境等更多方面聯系起來。倉庫的空間利用率與其規劃是緊密相連的，一般來講，立體倉庫的空間利用率為普通倉庫的2～5倍。

(2)先進的倉儲系統提高企業生產管理水平

    傳統的倉庫只是貨物的儲存場所，僅有保存貨物的功能，屬于靜態儲存。立體倉庫則是采用了先進的自動化貨物搬運設備，不僅能在倉庫內按需要自動存取貨物，而且還可以與倉庫以外的生產環節進行有機地連接，并通過先進的計算機管理系統和自動化物料搬運設備使倉庫成為企業生產管理中的重要環節。

(3)加快貨物存取，減輕勞動力的投入，提高生產率

    建立以自動化立體倉庫為核心的物流系統，其優越性還表現在自動化立體倉庫具有快速的出入庫能力，能夠妥善地將貨物存入立體倉庫，并及時自動地將生產所需零部件和原材料送達生產線。同時，立體倉庫系統減輕了工人綜合勞動力投入。

(4)有效減少庫存資金的積壓

    為了滿足預期的生產能力和生產要求，就必須準備充足的原材料和零部件，這樣，庫存積壓就成為較大的問題。如何降低庫存資金積壓的同時充分滿足生產需求，已經成為大型企業面對的重要問題。自動化立體倉庫系統可以有效解決這一問題。

二、硬件結構設計

    堆垛機是硬件結構的核心，在設計的時候，需要進行強度和剛度的受力分析，其中一個最重要的就是其金屬機架結構在堆垛機靜態和工作過程中要承擔全部力、慣性力和載荷的作用，它是變形最為嚴重的部件。作為支撐堆垛機工作的物理結構，它的設計好壞是決定堆垛機的工作壽命和工作穩定性的關鍵。

2.1機架經驗公式計算

2.1.1機架結構分析

(1)外部載荷計算

在巷道中建立立體坐標系：

X軸：載貨臺貨叉對貨物進行存取作業

Y軸：巷道堆垛機沿巷道的運行方向

Z軸：立柱上的載貨臺沿導軌升降運作

當載荷位置最高時，立柱的受力狀況最為不利，此時各部分結構尺寸力及載荷的位置如圖1。

圖1  載貨臺受力分析簡圖

(2)沿巷道縱向平面(即YOZ平面)

    當載貨臺滿載且位于最高位置且以最大加速度啟動或制動時，立柱的受力情況最不利。

圖2  YOZ平面內結構受力簡圖

圖中：H——堆垛機的總高度

B——堆垛機總寬

P _H ——水平慣性力

h——上滾輪與立柱頂端間的距離

b ₁ 和 b ₂——立柱截面X方向中性軸到下橫梁兩支點的距離

F——立柱頂部壓力

立柱橫向力矩的計算：

2.1.2結構強度計算

    對于最大內力在支承處的壓彎構件，當截面出現塑性鉸時便會達到強度的極限。在利用材料的塑性過程中，應受到一定的限制。限制的辦法是在結構強度計算中引入塑性發展系數，即采用塑性從局部深入截面的彈塑性工作階段作為設計準則。

(1)強度計算公式

在鋼結構設計中，應用極限狀態法的設計準則，推出了雙向壓彎構件的強度計算公式為：

式中：N——軸向壓力(N)

A——截面面積(cm ²)

M _x 和 M_y——X軸和Y軸的最大彎矩(N*mm)

M _nx 和 M _ny ——X軸和Y軸的凈截面抗彎模量

 U_x和U_y——X向和Y向塑性發展系數(它與截面形式、塑性發展深度、翼緣板和腹板截面積比值以及應力狀態有關)

2.2下橫梁強度計算

下橫梁在YOZ平面內可以簡化為如圖所示的計算簡圖。

圖3    貨架下橫梁計算簡圖

其中q _梁——下橫梁自重均布載荷

M _max——立柱底部截面的最大彎矩，M _max =705N*mm

P _總——額定起重重量和立柱結構自重載荷的總和

顯然，可確定下橫梁和立柱聯接處的截面即為危險截面。則：

式中 M _max是危險截面彎矩，W^y_x是下橫梁X軸方向的抗彎模量。由此可知滿足許用應力要求。

2.3行走機構齒條齒輪強度與校核

    在起重機構中應用最多的是齒輪傳動，蝸桿傳動使用最少，鏈傳動只在個別情況下使用。

    齒輪傳動分閉式傳送和開式傳動兩種，電動起重機的所有機構都是采用閉式齒輪傳動（減速器）。開式齒輪傳動只在某些特殊情況下使用（如回轉機構的布置，要求末級傳動為開式齒輪傳動；設計機構時無合適的減速器可供選用），使用時，齒輪圓周速度一般不超過1.5m/s。

    齒輪材料以剛為主，其次是鑄鐵、銅合金及其他材料。齒輪材料和熱處理方式的選擇取決于機構的工作級別、工作條件和制造工藝的可能性。為了提高齒輪的承載能力，減小齒輪的尺寸和重量，廣泛使用優質碳素鋼或合金鋼制造齒輪。為了降低成本，齒輪與軸最好使用不同材料制造，將齒輪裝配在軸上。為了保證齒面和輪齒的強度，齒面應有足夠的硬度，而心部要有足夠的剛度和韌性，因此，齒輪都要經過熱處理。

三、硬件的選型與分析

    合理選擇堆垛機電機,將直接影響堆垛機的運行狀況。堆垛機使用的電機包括行走電機、貨叉電機和升降電機。升降電機的動力太大,會引起包括升降臺在內的整個系統的振動,噪聲過大；升降電機容量則太小,起重力過小,因此不能實現必要的升降運動。因此,應合理選擇堆垛機電機的容量。

    在選定堆垛機用的電動機時應考慮以下的各項問題。

（1）在電氣與機械方面都應對反復啟動停止的操作有充分的耐久力。

（2）速度的可控性應良好。

（3）慣性矩應比較小，體積小且重量輕。

（4）輸出軸的轉速應與減速裝置的結構相適應。

（5）應有可靠的外殼保護結構。

    堆垛機的電源，除了極少數的特殊情況以外多用普遍的交流電源，使用最多的電動機是各結構都很堅固且價格低廉的三相鼠籠式感應電動機。

3.1步進電機驅動器的選型

    步進電機驅動器的脈沖信號的頻率與步進電機的轉速是成正比的。其輸出信號有以下兩種：

(1)初相位信號：每次給驅動器上點后，將使步進電機在一個固定的相位上起始，這個相位就是初相位。初相位信號是指每當步進電機運行到初相位時，此信號就會以高電平的形式輸出，反之為低電平。此信號和控制系統結合使用，還具有相位記憶功能。

(2)報警輸出信號：所有驅動器都有多種保護措施（如：過溫、過壓、過流等）。當保護措施執行時，驅動器進入脫機狀態從而使電機失電，但這時控制系統是尚未知曉的。如果想要通知系統，就要通過“報警輸出信號”來傳達。此信號共占用兩個接線端子，此兩端為繼電器的常開觸點，報警時觸點會立即閉合。驅動器正常時，觸點為常開狀態。觸點規格：DC24V/1A或AC110V/0.3A

    對于兩相四根線的電機，一般來講，可以直接連接驅動器。

    所以本設計采用型號為SH-2H057的步進電動機驅動器。SH-2H057步進電機驅動器采用的是鑄鋁結構，常用于小功率設備，其外殼就是散熱體。所以使用時要將其固定在厚且大的金屬板上或者較厚的機柜里，同時接觸面之間還要涂上導熱硅脂，并在其旁邊加上風機用以良好的散熱。

四、軟件程序設計

4.1PLC控制流程圖

根據系統控制的要求，可以總結出基本的流程圖，如圖4.

圖4系統流程圖

4.2立體倉庫PLC總程序

五、總結

    本論文首先介紹了自動化立體倉庫的歷史知識以及發展狀況，然后分別進行了硬件方面和軟件方面的設計。

    硬件方面主要設計了堆垛機的電控系統，以及貨倉貨架等倉庫的整體結構。電控系統主要采用了激光測距傳感器用于水平方向的尋址，增強了堆垛機的精度和運行系統的可靠性，為以后的再次優化奠定了基礎。水平和垂直方向上還采用了閉環控制的方法，實現了低速停的準，換速時平穩，且可以高速運行的控制要求。

    總之，系統結構硬件性能優良、簡單、圖形界面友好、軟件功能強大，基本上達了此次設計的要求。