垂直升降货柜设计

目录

摘要.................................................. 错误！未定义书签。ABSTRACT............................................... 错误！未定义书签。

第1章绪论............................................................ - 1 -

1.1 自动货柜与垂直升降式货柜的定义与特点........................... - 1 -

1.2 垂直升降货柜的主要组成部分及作用............................... - 2 -

1.3 垂直升降货柜控制系统的组成.................................... - 4 -

1.3.1 系统硬件.................................................. - 4 -

1.3.2 系统管理软件.............................................. - 5 -

1.5 自动化货柜控制系统设计......................................... - 5 -

1.5.1 硬件设计................................................. - 5 -

1.5.2 软件设计................................................. - 6 -

1.6 自动化货柜在国内外的发展情况................................... - 6 - 第2章主体控制结构的选定............................................. - 8 - 第3章传动方案的选定..................................... 错误！未定义书签。

3.1传动方式的选定..................................... 错误！未定义书签。

3.2 各主要部件的计算.................................. 错误！未定义书签。

3.2.1 已知条件..................................... 错误！未定义书签。

3.2.2 重要零件的选择............................... 错误！未定义书签。

3.3 选择电机...................................................... - 13 -

3.4 货箱结构的设计................................................ - 13 - 第4章垂直升降货柜的控制系统设计...................................... - 14 - 第5章结论.............................................. 错误！未定义书签。致谢.................................................. 错误！未定义书签。参考文献.................................................. 错误！未定义书签。

第1章绪论

随着先进制造技术的发展,自动化存储技术已越来越多的应用于CIMS 和FMS 系统,或者纳入企业的整个物流链当中。但是以往的自动化立体仓库多用于固定品种,大批量的存储,而这种面向特定应用整体式设计的系统不能根据企业的现阶段经济状况和未来的发展模式逐步扩展,不能灵活地适应各种管理水平和企业平台的需要。为了适应当前的应用环境,自动化存储系统应该具有下述特点:模块化构造,能任意拼装,灵活布局,实现物流合理化;能重组和扩展,对变品种生产存储的应变能力强,响应速度快,适应生产发展;能实现机械结构、存储和管理的多元柔性。为此按照实用性、开放性、模块自治性、通用性、兼容性的原则设计了自动化立体仓库系统。21 世纪随着我国国民经济的迅速发展及加入WTO 后的竞争形势,要求物流体系必须迅速现代化,现在物流系统的优化往往都集中在宏观方面,作为其重要组成部分的立体仓库内部的优化就比较少。已经出现的一些相关优化理论和算法大多是关于库存管理的理论,关于内部运输工具存取路径方面的优化甚少,因而企业还是不能有效地提高经济效益。

1.1 自动货柜与垂直升降式货柜的定义与特点

自动货柜即自动化仓储货柜，是由电脑控制的自动存取货物的仓储设备。其主要特点如下：

（1）全自动化操作，存取物品方便，是货到人，不是人找货，存取速度快，大大节省了时间；

（2）充分利用空间：能够在占地面积最小的情况下，充分利用现有的空间高度，从而使仓储能力增加60%以上；

（3）降低劳动强度，提高了生产效率；

（4）由于是封闭的，存储的物品可以有效地避免灰尘、阳光的侵害；

（5）具有保密授权功能，可以对不同的用户设置不同的密码，一般用户无法提取被用户所定的物品；

（6）可以实现智能管理：当低于最小库存量时，系统会自动提示补充；因而不会出现库存短缺；

（7）具有先进先出的功能，不会有货物长期存放而失效；

（8）随着信息技术和网络技术的发展，自动货柜的最大优点是可以对货物进行实时管理。

而作为垂直升降式货柜，是自动化货柜（包括水平旋转式、垂直回转式和垂直升降式）的一种，它又具备了以下几个鲜明的特点：

（1）存取货物时，只有相关的托盘运动，有效地解决了旋转式货架在存取货物时重量不平衡的问题；

（2）可以更加有效的利用空间；

（3）完全从使用者的角度出发的软件设计，功能更加强大。

多数企业对零备件的储存基本上采用的是传统的存储管理方式——普通开式货架贮存。这种管理方式存在的主要缺点是：

● 现有房屋的高度、面积不能充分利用；

● 需要经常提取放在货架上层的物品,利用梯子爬上爬下，长距离搬运，工作人员劳动强度大，效率低；

● 开式货架上的物品受灰尘的污染，不适合某些精密零备件的存储；

● 无法限制无关人员在货架上存取物品，使管理混乱；

● 难于采取先进先出的管理办法，盘库、清库困难；

● 库房显得杂乱无章，不整洁美观，有碍库房面貌。

鉴于许多企业目前零备件管理中的上述缺点，提出了由若干台垂直循环货柜、垂直升降式货柜、一定数量的开式货架以及集中管理的计算机组成零备件自动化存储与管理系统。该系统能为零备件库带来一个安全、整洁的工作环境和高效的现代化企业信息管理。

1.2 垂直升降货柜的主要组成部分及作用

由于初次涉及垂直升降货柜的设计，所以所选结构比较简单，货柜主要由箱体如图1-1所示、升降台如图1-2所示、货箱如图1-3所示、传动轴、传动链等几部分组成。高层存储货架模块由各种基本模块拼装组合，构成柜式结构，可灵活布置在生产线的各个位置，有效地提高空间的利用率，并能够缩短物流路线，使物流更合理。我们可以通过增加模块库的数量向平面扩展，也可以通过增加结构子模块的层数向空间延伸，并可根据生产的变化重新组合，适应现代化变品种在线存储的柔性要求。

在存储过程中，将所存物品及托盘视为托盘模块，系统根据模块的大小，将其分配到合适的存储单元空间。具体实施中，在存储区主支承立柱上预先设置若干托架，形成若干存储单元，存储空间内不设有限制存储单元的高度的横梁，即存储单元不固定分配给任何托盘，托盘模块经过操作窗口的过程中，系统检测模块的最大高度，按照最大空间利用率原则，选择一组合适的存储单元空间，分配给托盘模块。同样也可以设计横向不限定的存储单元，或两者结合的货架。

箱体是垂直升降货柜的主体，用来支撑货格和承载货箱；升降台用来运载货物，负责

货物的传输；传动链用来带动升降台的升降。

图1-1箱体

图1-2 升降台

图1-3 货箱

1.3 垂直升降货柜控制系统的组成

1.3.1 系统硬件

垂直升降货柜是一种封闭式结构，其内部的提升机根据操作指令让货柜自动以最短路径运动实现垂直升降运动，使需要提取的物品自动送到存取窗口，这些货柜可以按用户存储物品的要求，做成不同的结构形式，或者在货柜上放置很多可以盛放小型配件的塑料盒，用来存放不同尺寸、形状、重量的物品。垂直升降货柜适用于存放一个人能搬动的物品，单件重量以低于50千克左右为宜。

垂直升降式货柜有一个提取器，通过操作指令，将用户所需要的物品送到存取口，或送到一个空间，使储存密度最大。

集中管理计算机，可以对数十个货柜进行集中管理和控制，并能提供各种统计分析手段。

1.3.2 系统管理软件

根据库房实际情况开发的管理控制软件，能较好地满足车间库房管理的要求。

(1) 库房的管理计算机与各车间有关的管理计算机联网，便于车间随时查询和信息交换，这样二级备件库就没有存在的必要。

(2) 库房内的管理计算机与各货柜控制器(PLC)之间联网通讯，便于管理计算机对货柜的控制，一台管理计算机可以同时控制数十台货柜的运动。

(3) 计算机可以有效地管理自动化仓储货柜和普通货架中的配件，准确地记录物品的各项信息，包括零件的编号、名称、规格、存放位置、库存数量、同一种零件的属性(随机、进口、国产)以及零件的替代关系等。零件编号可以有24位。满足所有国产和进口零件的要求。

(4) 从进货到领用的全过程进行管理，进货的数量、经办人、供应商、入库和领用的详细记录，高效准确地处理出入库事务。从而提高工作效率，保证零配件的及时供应。

(5) 实用的统计分析功能，可以按不同要求进行各种统计、给出各种报表。

①详细的领用记录；

②按时统计消耗，帮助更合理地确定订货数量；

③按车间、班组、机组统计消耗，帮助核算生产成本；

④显示和警示功能:显示库存数量、最低值、低库存和空库的报告。事先设定的标准库存量及库存下限的警告；

⑤其它管理功能。可按不同用户的实际需要和具体要求设计。

1.5 自动化货柜控制系统设计

1.5.1 硬件设计

系统硬件组成如图2所示控制系统采用西门子S7 - 200 (CPU226) 作为控制核心。可编程控制器(PLC)具有体积小、灵活通用、维护简单、抗干扰能力强及可靠性高等优点，而且PLC的输入输出模块、特殊功能模块都有即插即用功能，连接十分容易，很方便系统扩展。操作界面采用西门子公司的TP07人机操作界面，该产品为触摸屏操作，可以实现系统要求的数值输入、数值显示、画面变换及按键操作等绝大部分的人机界面功能。采用一块EM232模拟量输出模块，联接两台欧陆514C直流调速器。S7-200(CPU226)本身带有24个输入点/16个输出点,其中I010～I115同时作为PLC高速计数器的输入。通过联接两个增量编码器至两个高速计数器，可以检测货柜的速度和位置。高速计数器的工作频率可达到2kHz，有12种工作模式，而且不影响CPU的性能。为了保证系统正常运行，还设置有原

点检测、货高检测、限位保护、有无货物检测、货叉状态检测等各种类型的传感器[2]。

1.5.2 软件设计

为了使货柜在不同的情况下都能够正常运行，货柜的控制方式有联机自动控制(接上位机) 、自动控制(单机自动) 、半自动控制和手动控制四种。控制系统的软件设计根据货柜运行特点，采用模块化设计方案。过载保护、限位保护、联锁及互锁等系统的基本功能由主程序完成。设计有如下子程序：报警子程序、X 轴运行控制子程序、Y轴运行控制子程序、高速计数器中断程序、取货子程序、卸货子程序、通信子程序等。

1.6 自动化货柜在国内外的发展情况

自动货柜的发展始于20世纪50年代中叶，在欧洲，德国亨乃尔公司根据垂直旋转原理，开始批量生产办公用的文件柜，用于存放各种式样的文件和文件夹。由于受到办公高度的限制，办公用的文件柜一般只有2~3米高，载重也不大，软件功能也比较简单。

到了70年代，德国亨乃尔、瑞士卡迪斯等公司相继开发出工业用的垂直旋转式自动货柜，如亨乃尔的Rotomat和卡迪斯的Industriver ，使自动货柜的应用领域有了更大扩展。进入80年代，世界市场对工业用的垂直自动货柜有了巨大的需求。为了适应市场需求，工业用的自动货柜比起办公用的文档柜有了长足的发展，体现在：

（1）更宽：达到3~6米；

（2）更高：10米以上，可以穿过多层楼板，每层楼都有出货口，像电梯一样；

（3）载重更大，单个货架可以载重750~1 000公斤以上，总载重30吨以上。

在工业用自动货柜发展的同时也出现了一些问题：当需要存取一个货物时，所有的货物都要转动，容易产生重量的不平衡。为了解决这个问题亨乃尔公司为6米以上的自动货柜加装了不平衡显示装置。在哪个货架增加货物在哪个货架减少货物，以消除不平衡。

由于上述弊端限制了自动货柜的发展，所以激发了新的开发、研究。90年代，垂直升降式的自动货柜开发成功，其中最具代表性的是亨乃尔公司的Lean-Lift和卡迪斯公司的Shuttle。与旋转式自动货柜相比较，垂直升降式自动货柜有以下优点：（1）存取货物时，只有相关的托盘运动。

（2）可以更加有效地利用空间，高度可达20米以上。

（3）完全从使用者的角度出发的软件设计，功能更强大。

在机械方面发展的同时，软件的发展也日趋完善。软件功能与硬件技术的完美结合，使自动货柜成为现代化工厂中不可缺少的设备，也是现代物流系统中具有实时管理功能的仓储设备。

在工业发达的欧美国家，自动货柜已得到广泛应用，几乎没有严格的行业和领域的差

别，各种行业都可以用。如：办公用文档柜，可以用于机关事业单位的人员档案管理，也可以用于银行、保险公司的资料和客户档案以及医院的病历管理等。工业用的范围更广，包括电子行业的生产线，汽车生产线，加工中心的刀具管理，工具、量具管理，零备件库等等。

我国的特点与欧洲、美国等发达国家有很大的不同。首要的问题是观念，大部分企业不知道有这样一种产品可以存储物品，可以提高效率，降低成本。其次是经济条件的制约，只用自动货柜一次性投资较大，而且，我国劳动力和低价相对便宜，这些都限制了自动货柜的发展和使用。

国内使用自动货柜的单位，目前大部分是合资、独资公司，或者是国内规模大、效益好的企业。它们具有相同的特点：企业管理水平高，要求货物的管理精确度高，实时性也高。

今后，随着我国国民经济的快速发展，我国企业与国外企业的差距桌布缩小。自动货柜会很快进入国内经营、管理较好的企业，得到更广泛的应用。

目前，国内著名的自动货柜生产厂家有：德国的亨乃尔、瑞士的Kardex，美国的KFI 等一些公司，他们的产品都已经来到中国。国内供应商主要有沈飞、昆船和太原刚玉等。

凭借50年的生产历史和长期积累的丰富经验，进口产品无论在质量上、性能还是工艺上都有很大优势，特别值得一提的是，在软件的功能方面、计算机网络管理方面更胜一筹。但是，国产产品在价格上具有非常明显的优势。因此，目前国内与国外进口产品各有各的用户群体：进口产品主要满足独资、合资企业的需求，而国产产品主要应用在国内企业。

自动货柜的应用范围相当广泛。既有简单的应用，如办公室文档管理或者小规模的工业品仓储，一台或几台自动货柜自成系统或者独立操作；也有复杂的应用，十几台甚至几十台自动货柜连接成网络，再与企业的物流系统相连接，还可以实现物流系统的实时管理与网络化管理。用户的需求是不同的，自动货柜的功能也是不同的。不同的产品可以满足不同层次用户的需求。

目前，自动货柜在国内尚处于起步阶段，很多企业并不了解自动货柜的特点与使用自动货柜所能带来的效益。但是，随着经济水平的提高和企业管理水平的不断提升，中国市场对自动货柜的潜在需求很大。现阶段，生产厂家应当共同培育和开发市场，引导用户认识到采用自动货柜所带来的巨大收益。相信在3~5年后，自动化物流仓储设备与系统在我国将得到越来越广泛的应用，是我国企业的物流管理水平跃上新的台阶。

第2章主体控制结构的选定

在参考的资料中，垂直升降货柜可分为以下几个部分（如图2-1所示）：实现垂直升降运动的小车装置、实现水平运动（即:将货物由货架移到小车或将货物由小车移到货架上）的拨叉装置、承载货物托盘的货架、控制装置、操作面板（如图2-2所示）以及由电机输出的动力传动装置。其中，作垂直升降运动的小车由一台电动机带动，做水平运动的拨叉是由另外一台安装在小车上的电机带动。小车和拨叉的运动都是由传感器来发布信号指令，经由PLC来进行控制的。

图2-1 垂直升降货柜结构图

图2-2 垂直升降货柜操作面板

为了简化设计，便于PLC编程，现将两侧的相应位置托盘支架设为在同一高度（如图2-3所示）。在此图上可以了解垂直升降货柜的两个主要动作，小车的垂直升降和拨叉的水平转动运动。根据货物的所在位置和存、取的不同，水平电机要选择不同的旋转方式。由于本次设计主要设计机械部分，所以对控制部分不多做介绍。

图2-3所设计的升降货柜示意图货位

货位

货位

（2）链轮，链条的选定

货箱的宽度为500mm ，为了防止货箱升降台在升降的过程中碰撞，升降台四角各安装一个导轮。初定链轮分度园直径为350，链条带有延伸片的那个型号。

查《机械师设计手册》为了保证链轮的强度和旋转的平稳性。链轮的齿数定为20.由公式d=

180sin

p

Z

得 350=

180sin

20

p

P=53.55

查《机械设计师手册》P525选取分度园节距为50.8的链轮；

链条的选取：查《机械设计基础》P212 表13-9 选12A 型号的链条； 节距P=19.05；

滚子外径 D1=22.78； 极限载荷 Q=31100N ； 链条每米质量 m=1.5kg ； 内链节宽 b1=31.55； 销轴直径 d2=14.27； 套筒内径 b1=14.32； 内链节外宽 b2=45.27； 外链节内宽 b3=45.26； 销轴长度 L=65.5； 销轴止锁端加长量 b7=7.9； 链条通道高度 h1=48.47； 内链条通道高度 h2=48.26； 外链板与链板高度 h3=41.66； 链条强度的校核：

主动轴与从动轴的中心距 a=320； 链条的总长 L=πD+2a ；

L=3.14×0.343+2×1.2； L=2.93m ； 货物的质量为 60 kg ； 总质量 M=80kg ；

受力 F=80×10=800N ； 因为 800<31100；

所以链条符合要求。 （3）主轴的计算

主轴材料为45# 许用最大切应力为δ=70MP a ；

按需用弯曲应力验算传动轴危险界面的 强度条件为：由弯矩所产生的弯曲应力应不超过许用弯曲应力。

因为次轴是对称的所以计算一侧即可。 M=P×0.25+P×1.25； M=800×0.25+800×1.25 M=1200Nm

主轴的转动扭矩M9=F R ?=800×0.2=160 组合扭矩Mz=1210Nm ； 受力处的横截面积S=π?20×20 S=1256mm ；

应力τ=Z M S =1200

1256

τ=1 MPA ； 因为1<70；

所以主轴强度符合要求。 从动轴强度的校核

从动轴的材料为45#;最大拉应力为10；

经分析得:从动轴上受的载荷小于主动轴上的载荷,所以，从动轴的强度，满足条件即可。

链条的质量：

查教材《机械设计基础》P212表13-9得 型号12A 链条：极限载荷Q=31100N ； 每米长质量Q=1.5kg ； 链条的总长度L=10m ； 链条的质量M 2=L×Q

4

M 2=15kg ；

货箱轴的质量M 3=20kg ； 货箱的质量M 4=30kg ； 在一根轴上的所受的最大力 Fmax=(50+15+20) ×10

Fmax=850N ； 轴的横截面积S=π10×10 S=314mm ；

应力τ=F

S

τ=850314

τ=2.7

因为2.7<10

所以从动轴符合要求 （4）选择传动件

运动速度V=0.2m/s ，链轮的轴心到货箱的轴心的距离为250mm 。 链轮的角速度

W=V

R

=0.20.25=0.8rad /s ；电动机的角速度W=1360×260 =142 rad /s ； 降速比为64

1， 链轮的确定

初定主链轮的分度圆直径为120，由公式d=180sin

p

Z

得

120=180sin

20

p

得

p=18.73

查《机械设计基础》P212 表13-9应选型号为12A 的链条。

节距P=19.05mm 滚子外经d 1=11.91mm 极限载荷Q9（单排）=31100N ；每米长质量为1.5kg 。

主动链轮的节距P=19.05，齿数Z=20。

分度圆直径 d=180sin

20

p

d=124

齿顶圆直径 damin=d+1.25p-d 1 damin=145

齿根圆直径 d f =d-d 1 d f =113 宽度定为20mm 2， 链条的较核

计算链条的拉力F1

已知力矩M=175Nm ，链轮分度圆直径为0.248m.半径=0.124m,由公式M=FL 400=0.124×F F=3225N

两个链轮的中心距为A=520；

粗略计算链条长度L=122R R A ππ?+?+ L=1.6m ；

链条自重G=mg G=16N ；

拉力F=3241N 因为3241<32110； 所以链条符合要求。 3， 升降台传动部件的设计

因为货箱从货柜箱体到升降台的运动是滑动，滑动系数为0.02，货箱满载时质量为55kg ；所以把货物从货柜拖到升降台上所用的力很小。升降台上传动轴直径为15mm ，所以升降台上传动轴不用校核。

3.3 选择电机

当货柜升降台上货物满载时，所需电机功率最大。

G=（M+m ）×g=700N ； P=FV=700×0.3=210W ； M=FL=700×0.25=175Nm ；

由公式N P

M 9550=；

得 P=13W ； 总功率 1p =223W ；

经查手册得知：深沟球轴承的传动效率为0.99，链条的传动效率为0.7，涡轮蜗杆的传动效率为0.5。

电机的计算功率：Plt=

42

223

0.990.50.7

??=950W ； 为了使货架能轻松起动，所以选择功率为1.5KW 的电机。查《机械设计师手册》P1199选用型号为ZD22-4的电机（如图），额定功率为1.5KW ，转速为1360r/min ，额定电压为380V ，额定频率为50HZ ，负载持续率为25%质量为38kg ，机身总长L=375mm ，主轴的外身量E=30mm ，固定肋的外周直径为290mm ，机身直径为210mm 。

3.4 货箱结构的设计

货箱主要用来盛放货物。货物在存取时需要由货箱在货柜箱体支撑轨道上滑动，所以，货箱与箱体支撑轨道的接触面比较光滑。箱体货箱厚度为20毫米的钢板，货箱结构科学，

加之每个货箱的质量为20千克每个货箱载荷仅为60千克。货箱强度能达到要求, 无需校核,。货箱俯视图如图3-2所示。

图3-2货箱

第4章垂直升降货柜的控制系统设计

货架的控制和管理系统一般采用计算机控制和管理，视垂直升降货柜的不同情况，采取不同的控制方式。有的仓库只采取对垂直升降货柜的单台PLC控制，机与机无联系；有的仓库对各单台垂直升降货柜进行联网控制。更高级的垂直升降货柜的控制系统采用集中控制、分离式控制和分布式控制，即由管理计算机、中央控制计算机和垂直升降货柜、出入库输送等直接控制的可编程控制器组成控制系统。本设计的控制系统只针对单台垂直升降货柜。

如图4-1所示，在PLC通电后，选择“取货”按钮，则取货的主控电路即可开通，再选择了相应的货位按钮后，两电机就依次发生作用。它们为：在判断出货位的所在层位时，则相应的电路接通，垂直电机正转到达目的地时，停止运动；则水平电机开始旋转，它的

正、反转取决于我们所选择的货位的辅助继电器，从而实现准确取货；当取货完毕后，垂直电机反转，运动到货口层，再由水平电机反转，将货物送出由小车送到货口。而对于1号货位，水平电机只需逆时针旋转两次即可将货物由货位送到，货口整个取货过程结束。对于存货如图4-2所示而言，只是在选择货位之前先发生一次顺时针旋转，将货物由货口移到小车上，其他环节与取货相似在此就不再赘述。由于本设计主要针对垂直升降货柜的机械结构部分，所以对控制部分只简单介绍存取货的流程图，对其余控制部分不做详细介绍。

图4-1取货流程图

图4-2存货流程图