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1、 自動(dòng)化立體倉庫堆垛機(jī)的設(shè)計(jì) 車小賀，王勁松，楊程程  遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新（123000） E-mail：braveheart0910@ 摘 要：結(jié)合中型物流中心貨物流通的特點(diǎn)，將自動(dòng)化立體倉庫技術(shù)應(yīng)用到大型物流系統(tǒng)中， 設(shè)計(jì)了用于自動(dòng)分揀、儲(chǔ)存的堆垛機(jī)。堆垛機(jī)由前叉、中叉、后叉和導(dǎo)向滾子組成，具有結(jié) 構(gòu)緊湊，傳動(dòng)方式簡單，重量輕等特點(diǎn)。本文對(duì)堆垛機(jī)的三個(gè)貨叉的受力情況進(jìn)行了詳細(xì)分 析，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了 PLC 控制程序，對(duì)堆垛機(jī)的行走進(jìn)行控制。完善了立體倉庫中堆 垛機(jī)部分的設(shè)計(jì)，為自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考借鑒，適用于高

2、速流通的倉儲(chǔ)控 制系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：立體倉庫；堆垛機(jī)；受力分析；PLC 控制 中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 1. 引言 隨著我國經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代物流技術(shù)在我國也得到了很大的提高，特別 是作為現(xiàn)代物流技術(shù)典范的自動(dòng)化倉庫技術(shù)尤其令人關(guān)注。自動(dòng)化立體倉庫，是實(shí)現(xiàn)物流系 統(tǒng)合理化的關(guān)鍵。它具有空間利用率高、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理、實(shí)時(shí)自動(dòng)結(jié)算庫存貨物種類 和數(shù)量、立體倉庫信息庫可以和中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行等許多優(yōu)點(diǎn)。對(duì)加快物流速度、提 高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本都有重要意義。 2. 自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)構(gòu)成 2.1 貨物流通過程 貨物

3、在倉庫中的存儲(chǔ)過程是貨物流通的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，其構(gòu)成如圖 2-1 所示。據(jù) 對(duì)沈陽市物流中心的調(diào)查，貨物的分揀和出入庫基本上仍然是手工作業(yè)，貨物流通的時(shí)間滯 后在很大程度上是由這一環(huán)節(jié)造成的，而且由于是人工作業(yè)，工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度很大，貨 物的損壞、丟失及其它管理不善也時(shí)有發(fā)生。從這個(gè)角度上說，在物流倉庫中引進(jìn)自動(dòng)化倉 庫技術(shù)是很有必要的。 圖 2-1 貨物流通過程示意圖 2. 2 自動(dòng)化倉庫的組成 自動(dòng)化立體倉庫大致由三部分組成：1.高層立體式堆貨架；2.入出庫用搬運(yùn)機(jī)(堆垛機(jī)、 貨物分配車等)；3.信息處理

4、控制設(shè)備(計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信裝置等)。倉庫的平面布置一般有三 - 1 - 種形式：L 型、U 型和直線型，其余的形式都是這三種形式的變形，其中直線型布置簡潔， 易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用也最為廣泛[1]。 3. 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3.1 輸送伸縮式貨叉 由于輸送車是輸送貨物的重要工具，一般都由前叉、中間叉、固定叉以及導(dǎo)向滾子組成。 按驅(qū)動(dòng)方式貨叉可分為：1.差動(dòng)齒輪動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式；2.齒輪齒條驅(qū)動(dòng)方式；3.鏈輪鏈條傳動(dòng)方 式；4.液壓驅(qū)動(dòng)方式[2]。固定叉裝在載貨臺(tái)上，中間叉可在齒輪、齒條或鏈條、鏈輪的驅(qū)動(dòng) 下，從中間叉的中點(diǎn)，向左或右移動(dòng)自身長度的一半。前叉可

5、從中間叉的中點(diǎn)向左或向右伸 出比自身稍長的長度。前叉由兩根滾子鏈條或鋼絲繩驅(qū)動(dòng)，鏈條或鋼絲繩的一端固定在固定 叉(或貨臺(tái)上)，另一端固定在前叉上。如圖 3-1 所示。伸縮式貨叉具有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1.結(jié) 構(gòu)緊湊，所占空間??；2.傳動(dòng)方式簡單，動(dòng)作靈活；3.重量輕，可以減小運(yùn)行慣性力。 圖 3-1 貨叉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖 3.2 貨叉設(shè)計(jì)分析 貨叉是堆垛機(jī)存、取貨的關(guān)鍵部件，它在工作時(shí)前叉要伸入貨架中，所以在設(shè)計(jì)貨叉時(shí)， 應(yīng)以前叉的厚度盡量薄，同時(shí)，叉前端的撓度應(yīng)控制在最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6、 圖 3-2 貨叉載荷圖 將貨叉分解為固定叉、中間叉和前叉分別進(jìn)行考慮伸縮貨叉的撓度與強(qiáng)度。如圖 3-2 貨 叉的載荷圖。 - 2 - 3.2.1. 固定叉  如圖 3-3，假設(shè) l0為不變形部分的長度，Q —額定載荷，E —材料的縱彈性系數(shù)人為變 形量； I I I1; ;23 —固定叉、中間叉、前叉的在重力方向的慣性矩。 Ql 當(dāng) P =2， a x L0時(shí)： 1 b  =  Pbx  ?  (  ?  ) 彎矩為： M 1 P

7、 x a = ?  ∫  x m L0 1 = ?  p ?bx3 ? +  (  x a  )2  ? I1I0 0 EI 1 dx I0 2EI ? I 0 ? ? 圖 3-3 固定叉 λ x x m P ?bx3  (  )3 ? = I x ? 2 dx = I x ? 1 ? + ?x a ? 0 0 0 EI 1 0 bEI ? I 1 0

8、 ? 當(dāng) x L0時(shí)， λ = 0  I  = ?  p 1  (  L + b  ) I 1  = ?  Pab EI I  1  (  I0+ a  ) 0 EL L 61 0 0 61 0 C 點(diǎn)的傾角 λ1為： λ1= ?  Pab I+a L1) 3.2.2.中間叉 EI I 61 0 0 3 如圖 3-4 (a)所示，因載荷 Q 的作用，在（b）間產(chǎn)生反力 P1、P2,設(shè) C 點(diǎn)的

9、傾角為 I2, 撓度為 λ2(假設(shè) l3 為不變形部分的長度)。 M = P x  = QL 2x 1 d λ b QL x2 I = dx = ? 2 EI b 22 3 + I 0 λ = ? QL x2+ I x + λ EI b 62 0 0  - 3 - 圖 3-4 中間示意圖 當(dāng) x b 時(shí)的傾斜角 I2和撓度 λ2為：  = ? QL b

10、 λ = ? QL bL I 2 2 EI 32 ，所以 2 2 EI 32 3 據(jù)圖 3-4 ( ) 示，把 b 段作為剛性， c 點(diǎn)作為固定端考慮，并設(shè)由于 W 在中間產(chǎn)生的反 力為 P3和 P4，而由于這些反力作用在叉子前端產(chǎn)生的撓度為 λ3和 λ4，則: ( ) M = ?P x d3? + P x4 P 3  = e d  Q  P 4  = (e d ) d  Q λ = ? x x M 0 0 EI 2  dx 2 = ? 

11、∫ x 1 ? ?? ( )  2 0 2EI 2 P x d3? + P x dx4 = ? 1 ?  3 (  ? )3? ? P x ? P x d ? 6EI d 4 3 2 當(dāng) x L1時(shí) λ = ? Q ?( )  3 ( )3? 3 λ  = ? EI d 62 Q ? ? e d L1? e L1? d ( ) (+ + ) ? ? ? ? ( 2  L  )

12、 4 3.2.3.前叉 EI d 22 ? e x d e d x ? 3 ? L1 由圖 3-5 所示，載荷 Q 在 d 區(qū)間產(chǎn)生的反力有 P3、P4,在 E 點(diǎn)的傾斜角為 I5，撓度為 λ5。 - 4 - I  = ?  eQx 

13、 3  +  I0  圖 3-5 前叉受力分析圖  EL d 63 3 λ = ?eQx+ I x + δ EL d 63  I 0 = 0 eQd  λ = ?  eQd(L  ) 當(dāng) x d 時(shí)：5 EL 63 ，所以 5 EL 33 3 ? L1 因此，在設(shè)

14、載貨臺(tái)和立柱為剛性時(shí)，伸縮貨叉工作的總撓度為： Δ = +λ λ λ λ λ12 3+4+5 此 Δ 值應(yīng)控制在5 ~ 10mm[3]。 4. 自動(dòng)化倉庫的控制的方案 現(xiàn)在以工業(yè)輸送車在對(duì) 8 個(gè)倉庫存儲(chǔ)物品時(shí)，對(duì)堆垛機(jī)車有以下的控制要求: (1) 工作開始后，車此時(shí)停在某個(gè)倉庫。當(dāng)沒有用車呼叫（既呼車）時(shí)，各倉庫的指示 燈亮，表示各倉庫可以呼車。 (2) 如果某倉庫遇有呼車時(shí)，按下本倉的呼車按鈕，則其它各倉位的指示燈均滅，表示 此后再呼車無效。 (3) 在停車位呼車則車不動(dòng)，當(dāng)呼車位號(hào)大于停車位號(hào)時(shí)，車自動(dòng)向高位行駛；當(dāng)車位 號(hào)小于停車位號(hào)時(shí)，車自動(dòng)向低位行駛，當(dāng)

15、車到達(dá)呼車位時(shí)自動(dòng)停車[4]。 (4) 車到達(dá)呼車位時(shí)要求停留 30s 供該倉庫使用，不應(yīng)立即被其他倉庫呼走。 (5) 臨時(shí)停電后再復(fù)電，車不會(huì)自行起動(dòng)。 4.1 PLC 程序設(shè)計(jì) 每個(gè)倉庫均設(shè)置一個(gè)滾輪式限位開關(guān) ST 和一個(gè)呼車鍵按鈕 SB，ST 可自動(dòng)復(fù)位；系統(tǒng) 設(shè)有用于起動(dòng)和停機(jī)的按鈕，這些均為 PLC 的輸入元件。車要用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，電動(dòng)機(jī) 正轉(zhuǎn)時(shí)車駛向高位，反轉(zhuǎn)時(shí)小駛向低位，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)各需要一個(gè)接觸器，是 PLC 的 輸出執(zhí)行元件。另外各倉庫還要指示燈作為呼車顯示。電動(dòng)機(jī)和指示燈是 PLC 的控制對(duì)象。 各自動(dòng)化倉庫的限位開關(guān)和呼車按鈕的布置如圖

16、4-1 所示，圖 4-1 中 ST 和 SB 編號(hào)也是 各倉庫編號(hào)。 - 5 - 圖 4-1 自動(dòng)化倉庫布置圖 4 號(hào)倉 ST4 I1.3 系統(tǒng)起鈕 I0.0 4 號(hào)倉 SB4 I2.3 5 號(hào)倉 ST5 I1.4 系統(tǒng)停鈕 I0.1 5 號(hào)倉 SB5 I2.4  為了分析問題方便，先做出系統(tǒng)動(dòng)作過程的流程圖，之后依據(jù)工業(yè)輸送車的工藝要求， 設(shè)計(jì)出相

17、應(yīng)的控制程序梯形圖，流程圖和梯形圖分別如圖 4-2、圖 4-3 所示。 圖 4-2 工業(yè)運(yùn)輸車控制系統(tǒng)流程圖 在程序中，用到了傳輸指令和比較指令，即先把車所在的倉庫號(hào)傳輸?shù)揭粋€(gè)內(nèi)存單元中， 再把呼車的倉庫號(hào)傳輸?shù)搅硪粌?nèi)存單元中，然后將這兩個(gè)內(nèi)存單元的內(nèi)容進(jìn)行比較[5]。若呼 車的位號(hào)大于停車的位號(hào)，則車向高位行駛;若呼車的位號(hào)小于停車的位號(hào)，則車向低位行 駛。對(duì)車的這種控制，是程序設(shè)計(jì)的主線。 程序控制的其他要求 (1) 若有某倉庫呼車則應(yīng)立即封鎖其他倉庫的呼車信號(hào)。 (2) 車行駛到位后應(yīng)在該倉庫停留一段時(shí)間，即

18、延遲一定時(shí)間再解除對(duì)呼車信號(hào)的封 鎖。 (3) 失壓保護(hù)程序。 (4) 呼車顯示程序。 由于自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用可編程控制器為核心，提高了控制的靈活性及通用性，以適應(yīng) 各種工藝要求的變化，使倉庫技術(shù)進(jìn)一步向智能自動(dòng)化方向發(fā)展。 - 6 - 5. 結(jié)論和展望  圖 4-3 工業(yè)輸送車控制程序梯形圖 

19、 在倉庫領(lǐng)域中，物資的輸送、存儲(chǔ)、管理和控制的規(guī)模越來越大，靠人工實(shí)現(xiàn)已經(jīng)遠(yuǎn)不 能夠需要。自動(dòng)化倉庫技術(shù)在物資存儲(chǔ)行業(yè)中受到人們的重視，其控制重點(diǎn)轉(zhuǎn)向物資的控制 和管理要求實(shí)時(shí)、協(xié)調(diào)和一體化，計(jì)算機(jī)之間、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)之間、機(jī)械設(shè)備的控制器之間以 及它們與主計(jì)算機(jī)之間的通信可以及時(shí)地匯總信息，倉庫計(jì)算機(jī)及時(shí)地記錄訂貨和到貨時(shí) 間，顯示庫存量，計(jì)劃人員可以方便地作出供貨決策，管理人員隨時(shí)掌握貨源及需求[6]。信 息技術(shù)的應(yīng)用已成為倉庫技術(shù)的重要支柱。滿足了人們速度、精度、高度、重量、重復(fù)存取 和搬運(yùn)等要求，使總體效益和生產(chǎn)的應(yīng)變能力大大超過各部分獨(dú)立效益的總和，自動(dòng)化技術(shù)

20、 逐漸成為倉庫自動(dòng)化技術(shù)的核心。 致謝 本課程設(shè)計(jì)論文是在我的輔導(dǎo)老師王勁松老師的精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。他嚴(yán)肅 的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，孜孜以求的工作作風(fēng)，深深地感染和鼓勵(lì)著我。在整個(gè)論文 創(chuàng)作過程中，王老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。從大三開始接觸王老師開始， 老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、工作中給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn) 向王老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 論文的完成過程中，多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我 誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!

21、 - 7 - 參考文獻(xiàn) [1][蘇]A.A.斯麥霍夫.自動(dòng)化倉庫[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [2]虞和謙.高層貨架倉庫講座[J].物流技術(shù).1997 [3]蔡傳杰.自動(dòng)倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)[M].機(jī)械技術(shù)(臺(tái)灣). 2001.(3). [4]丁曉紅.自動(dòng)化立體倉庫的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)[M].起重運(yùn)輸機(jī)械.1996 (12)  [5]常發(fā)亮，李幕蘭，林連序.自動(dòng)化立體倉庫 PLC 控制系統(tǒng)[J].電器自動(dòng)化.1995 (4), 45-47 [6]范祖堯，胡宗武，徐服冰.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè).第三卷.非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)

22、出版社. RS part of the design Che xiao he,Wang jin song,Yang cheng cheng Liaoning Technology University，Mechanical Engineering College, Fuxin Liaoning (123000) Abstract In this paper, medium-sized logistics center combining the characteristics of the flow of goods, warehouse automation techno

23、logy to large-scale logistics system, designed for automatic sorting, storage stacker. Stacker by the front fork, in the forks, fork and after the roller-oriented component, with compact structure, transmission is simple, light weight and so on. This paper stacker Fork of the three forces conduc

24、ted a detailed analysis on the basis of PLC control program designed for walking stacker control. Perfected the three-dimensional warehouse stacker part of the design, for the automated warehouse system designed to provide a reference from, suitable for high-speed flow of the warehouse control s

25、ystem. Keywords:Three-dimensional warehouse, stacking machine, force analysis, PLC control 作者簡介： 車小賀（1987.9—），女，遼寧丹東人，滿族，本科在讀，遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 學(xué)生； 王勁松 (1976.2—)，男，遼寧阜新人，漢族，碩士，遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講 師，主要進(jìn)行機(jī)電控制方面的研究與教學(xué)工作； 楊程程（1988.2—），女，遼寧沈陽人，漢族，本科在讀，遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 學(xué)生。 - 8 -