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第一章 緒論
隨著世界經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和科學技術(shù)的突飛猛進以及經(jīng)濟全球化的趨勢的加強，各國面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。在這種大形勢之下，現(xiàn)代物流作為工業(yè)化進程中最為經(jīng)濟合理的綜合服務模式和管理技術(shù)已被越來越多的企業(yè)所重視。隨著全球物流事業(yè)的快速發(fā)展，物流系統(tǒng)的進一步改善和合理性對優(yōu)化資源配置、提高企業(yè)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本起著至關(guān)重要的作用。因此，自動化立體倉庫系統(tǒng)也越來越受到青睞。其核心設(shè)備—巷道堆垛起重機則是代表自動化立體倉庫的標志，對立體倉庫的出入庫效率有重要影響。本文從堆垛機的應用特點入手，著重就堆垛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行初步的研究。
1.1 研究背景及意義
自動化立體倉庫作為現(xiàn)代物流系統(tǒng)的重要組成部分，是一種多層存放貨物的高架倉庫系統(tǒng)。它是在不直接進行人工干預的情況下由巷道堆垛機實現(xiàn)貨物的存儲和取出，整個過程由計算機網(wǎng)絡(luò)管理和自動控制系統(tǒng)完成。自動化立體倉庫最早誕生在美國，進入20世紀80年代，在世界發(fā)展迅速，使用范圍涉及幾乎所有行業(yè)，它的出現(xiàn)標志著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)步入了一個加速發(fā)展的階段。自動化倉庫技術(shù)的研究對優(yōu)化資源配置、提高企業(yè)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本有著非常重要的意義。堆垛機是自動化立體倉庫中最重要的其重堆垛設(shè)備，它能夠在倉庫巷道中來回穿梭運行，將位于巷道口的貨物存入貨格，或者從貨格里取出貨物運送到巷道口。
我國于1973年開始研制，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前已建成300多座立體倉庫。目前我過的自動化倉庫技術(shù)已實現(xiàn)了與其他信息決策系統(tǒng)的集成，正在做智能控制和模糊控制的研究工作。但同世界主要工業(yè)發(fā)達國家相比，存在著一定的差距?？偨Y(jié)經(jīng)驗，查找不足，勇于創(chuàng)新，不斷交流改進，相信我們在該項技術(shù)的研究上一定回取得突破性的進展。
1.2 研究的內(nèi)容及設(shè)計思路
1.2.1 主要設(shè)計內(nèi)容
（1）堆垛機的機架的設(shè)計計算；
（2）堆垛機的貨叉伸縮機構(gòu)的設(shè)計計算；
（3）堆垛機的行走機構(gòu)的設(shè)計計算；
（4）堆垛機的升降機構(gòu)的設(shè)計計算；
（5）堆垛機的安全機構(gòu)的設(shè)計計算。
1.2.2設(shè)計要求
為使堆垛機能夠準確、快速、安全、自動搬運貨物出入庫 ，必須滿足以下設(shè)計要求：
(1)具備三維運動功能，即堆垛機沿巷道來回水平運動、載貨臺垂直運動、貨叉沿貨架方向伸縮運動；
(2)滿足一定的定位精度 ，重復定位精度誤差不能超過10mm；
(3)具備安全保護措施；
(4)在滿足強度、剛度和可靠性的前提下，盡量減小堆垛機各部的 重量，以減小提升功率和行走時的摩擦阻力;
(5)保護倉庫環(huán)境，避免貨物污染受損?！?
1.3 研究的發(fā)展趨勢
以品種多、數(shù)量少、頻率高供給方式下的物流環(huán)境為背景，對于自動化立體倉庫的效能提出了越來越高的要求。早期的堆垛機，在橋式起重機的起重小車上懸掛一個門柱，利用貨叉在立柱上的上下運動及立柱的旋轉(zhuǎn)運動來搬運貨物，通常稱之為橋式堆垛機。但通常由于立柱高度的限制，橋式堆垛機的作業(yè)高度不能太高，而巷道堆垛機沿貨架倉庫巷道內(nèi)的軌道運行，使得作業(yè)高度提高。采用貨叉伸縮結(jié)構(gòu)，可以使巷道寬度變窄，提高自動化立體倉庫的利用率，它適用于各種高度的高層貨架倉庫，可以實現(xiàn)半自動、全自動和遠距離高集中控制。
日本大福公司于1999年在巷道堆垛機主體的高速化上下功夫，開發(fā)了AS21模式。AS21模式是以高效率動作為基礎(chǔ)，在高效能化（縮短循環(huán)時間）方面引用的一個概念，使巷道堆垛機的高效能化技術(shù)得到了大幅度的提升。
1.4 堆垛機所受載荷的簡化方法
堆垛機的機架有立柱、上下梁組成，整機結(jié)構(gòu)高而窄。堆垛機工作時，將受到載貨臺、貨物的鉛垂作用，行走、制動和加減速的水平慣性力作用以及起吊時的沖擊載荷作用；某些特殊環(huán)境下，還要受到風力的作用。堆垛機每完成一個工作循環(huán)，以上載荷將重復出現(xiàn)一次。因次，堆垛機所受的是交替變化的載荷。為了保證堆垛機安全可靠的工作，其鋼結(jié)構(gòu)部分的強度與剛度計算是必不可少的。
在此，就堆垛機所受載荷簡化的基本方法作一一說明。
1）起重重量PL
實際起重重量包括貨叉、附件重量和額定重量之和，用SL示?？紤]到貨物正常起吊時的動載沖擊作用，則設(shè)計起重重量
式中，稱為沖擊系數(shù)，與堆垛機分類有關(guān)：(見表1-1)
I類 II類 III類 IV類
表1-1堆垛機分類
工作時間
載荷
長
中
短
輕
I
Ⅰ
Ⅱ
中
I
Ⅱ
Ⅲ
重
II
Ⅲ
Ⅳ
2）水平載荷SH
堆垛機沿水平方向加減速行走或制動時，其自身質(zhì)量及起重質(zhì)量必然會產(chǎn)生與其加速度有關(guān)的水平慣性力。即，式中，稱為動載荷系數(shù)，由于加速度的不確定性，一般用額定速度v來確定。
水平行走時
3）風力載荷SW
風力載荷SW為風壓力q與受風面積的乘機，即，堆垛機工作時，風壓力，非工作狀態(tài)，風壓力，式中，h為吊具高度，單位取mm。
4) 起升沖擊載荷SR
在正常情況下，起吊貨物的加速度可能很大，這時的沖擊載荷很大，設(shè)計時應另行考慮。
5）載荷狀態(tài)
堆垛機工作時，其承載能力是上述各種載荷與自重的不同組合：
A 正常工作狀態(tài)：
B 特殊工作狀態(tài)：
C 起升工作狀態(tài)：SG + SL + SH
D 停止：SG + SW
以上各式中，M稱為作業(yè)系數(shù)，與堆垛機的分類有關(guān)：
I類 M=1.0； II類M=1.05； III類M=1.1；IV類M=1.20
第二章 堆垛機的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
參考國內(nèi)外有關(guān)堆垛機廠家的分類和型號，結(jié)合堆垛機的具體工作環(huán)境，本次設(shè)計的單立柱有軌巷道式堆垛機主要用于起重量在15kg，起升高度在0.8米的自動化立體倉庫里，采用此設(shè)備便于實現(xiàn)倉庫的綜合機械化、自動化。
2.1 堆垛機結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)組成
堆垛機結(jié)構(gòu)主要有三個機構(gòu)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖(2-1)所示：
圖2-1 單立柱堆垛機結(jié)構(gòu)圖
（1）升降機構(gòu)有電動機、制動器、減速器、卷筒、鋼絲繩及防落安全裝置組成。升降機構(gòu)的工作速度一般控制在15~25m/min，最高可達45m/min，設(shè)計時選取20m/min.
(2) 行走機構(gòu)有電動機、聯(lián)軸器、制動器、減速器和行走輪組成。在其頂部設(shè)置導向輪沿固定在貨架上弦的上軌道導行。下軌道設(shè)置兩個行走輪沿敷設(shè)在地面上的單軌運行。為防止堆垛機出現(xiàn)脫軌或側(cè)翻現(xiàn)象，在其車輪兩側(cè)裝有側(cè)面導向輪。行走機構(gòu)的工作速度依據(jù)巷道長度和物料出入庫頻率而定，正常工作速度控制在50~100m/min，最高可達到180m/min，設(shè)計時選取80m/min。本堆垛機將采用交流變頻調(diào)速方式。(在交流異步電動機的諸多調(diào)速方法中，變頻調(diào)速的性能最好，調(diào)速范圍大，穩(wěn)定性好，運行效率高。
（3）貨叉伸縮機構(gòu)是堆垛機的取放物料裝置，它有上叉、中間叉、固定叉、滾動齒輪等組成。貨叉伸縮機構(gòu)的工作速度控制在15m/min，最高可達30m/min，設(shè)計時選取10m/min。
2.2 單立柱有軌巷道式堆垛機的特點
由于使用場合的限制，本單立柱巷道式堆垛機在結(jié)構(gòu)和性能方面具有以下幾個特點：
（1）由于機架采用單立柱結(jié)構(gòu)，整機重量小，結(jié)構(gòu)緊湊，作業(yè)時，駕駛員的視野較好，但由于載貨臺和貨物對單立柱的幾何力矩作用可能會造成立柱的扭曲和變形，使整機剛性較差。
（2）本堆垛機沿著巷道天地軌運行，其作業(yè)具有三個方向動作。水平行走為x-x方向，能把貨物送到任意一列；垂直升降為y-y方向，能把貨物提升到任意一層；貨叉伸縮為z-z方向，能存取貨物。
（3）金屬結(jié)構(gòu)件除應滿足強度和剛度要求外，還要有較高的制造和安裝精度。
（4）采用專門的叉取貨物的裝置，常用多節(jié)伸縮貨叉或貨板機構(gòu)。
（5）各電氣傳動機構(gòu)應同時滿足快速、平穩(wěn)和準確的要求。
（6）為保證人生和設(shè)備的安全，堆垛機必須配備有硬件及軟件的安全保護裝置，控制系統(tǒng)應具有一系列連鎖保護措施。此外，在電氣柜上設(shè)置報警系統(tǒng)，當堆垛機出現(xiàn)故障或探測器發(fā)現(xiàn)異常情況發(fā)出報警。
2.3 堆垛機的機架結(jié)構(gòu)
機架是堆垛機的主要承載構(gòu)件，主要由立柱和上、下橫梁聯(lián)接而成。通常有單柱式和矩形框架式。按支承方式，又可分為安裝在貨架上的上部支承式和安裝在地面上的下部支承式。不論哪種型式都帶有伸縮貨叉和人工駕駛室（有時也沒有）。立柱上附加導軌，使載貨臺沿導軌上下升降，同時還能夠靠地上和頂上的導軌保持走行穩(wěn)定和支持貨叉伸出進行裝卸作業(yè)時的翻轉(zhuǎn)彎矩。
在機架上安裝有升降、走行等機械裝置，以及配置有電氣控制開關(guān)、安全保護裝置等。下部支承式的集中放在機架的下部。
由于載貨臺與貨物對單立柱的力矩作用，以及走行時起動、制動及加減速產(chǎn)生的水平慣性力的作用，對立柱會產(chǎn)生動、靜方面的影響。機架在通道的縱向發(fā)生撓曲，整個機架成為振動體，其柱端的振動較大。同樣，在通道的直角方向，立柱由于貨叉作業(yè)時的彎矩作用而發(fā)生彎曲，使伸長的伸縮叉的前端的撓度增大。當柱端振動和貨叉前端的撓度一超過極限，就成為堆垛機自動定位的障礙，所以機架應滿足足夠的強度和剛度要求
本次設(shè)計中采取立柱下部支承式，采用優(yōu)質(zhì)鋼材焊接而成牢固結(jié)構(gòu)。當拼裝成型后必須調(diào)整立柱的垂直度，以補償在貨架頂部載貨時造成立柱的彈性變形。[1]
2.4 堆垛機起升機構(gòu)的整體設(shè)計
為了使堆垛機上貨物的存取機構(gòu)做升降運動，需要設(shè)計一個升降機構(gòu)，用以滿足該功能要求。起升機構(gòu)主要包括：電動機、減速器、制動器、卷筒、柔性件、導軌組成。起升機構(gòu)的運轉(zhuǎn)是通過減速裝置使卷筒轉(zhuǎn)動，使柔性件卷入卷筒，柔性件機通過架立柱頂部的定滑輪與載貨臺相連，因此柔性件牽引載貨臺上升，當?shù)竭_指定的貨格位置時，制動器動作，使載貨臺平穩(wěn)、準確地停住。
2.4.1 柔性件的選取
在堆垛機的起升機構(gòu)里需要靠柔性件來來起吊貨物。目前，起重機常用的柔性件主要有鋼絲繩和鏈條。鋼絲繩與鏈條相比，其優(yōu)點在于：強度高、承載能力大，彈性好，能承受較大的沖擊；自重較輕；工作可靠，在破斷以前，外面的鋼絲先斷裂和松散。因此容易發(fā)現(xiàn)和更換，安全可靠，及少驟然折斷；成本較低；高速運轉(zhuǎn)時工作平穩(wěn)、無噪音等。綜上所述，通過分析比較，設(shè)計中確定選用鋼絲繩作為起升機構(gòu)的柔性件。
2.4.2 卷筒的選取
為了卷繞和容納鋼絲繩，通過對鋼絲繩的收放，需要設(shè)置卷筒裝置來實現(xiàn)該功能。在起重機械中，主要采用圓柱形的鋼絲繩卷筒。按鋼絲繩在卷筒卷繞層數(shù)的不同可有以下兩種備選方案。
方案一：單層卷繞卷筒
方案二：多層卷繞卷筒
方案對比：單層卷繞卷筒表面通常切有螺旋形繩槽，鋼絲繩依次排列其內(nèi)，繩槽節(jié)距比鋼絲繩直徑稍大，繩槽半徑比鋼絲繩半徑梢大，這樣增了鋼絲繩與卷筒的接觸面積，防止卷繞過程中相鄰鋼絲繩間的相互摩擦。從而可以延長鋼絲繩的使用壽命。但當起升重物量增加，需要較長的鋼絲繩時，卷筒的長度和直徑都將有所增加。多層卷繞卷筒雖可以減少卷筒的長度，但由于鋼絲繩所受的擠壓力大，相互摩擦力大，使鋼絲繩的壽命降低。此外，如果卷筒卷速不變，由于鋼絲繩每層卷繞半徑不等，鋼絲繩的卷繞速度或作用卷筒上的外力矩就隨卷繞層數(shù)變化，運轉(zhuǎn)起來不平穩(wěn)。
綜上所述，結(jié)合堆垛機具體使用場合和性能要求，本設(shè)計中選擇單層卷繞圓柱形卷繞卷筒。
2.4.3 電動機的選取
一般工廠里都有交流電網(wǎng)提供三相交流電，其成本低，啟動、制動、調(diào)速方便，機械活動范圍廣，故選取電動機作為起升機構(gòu)的原動機。按電動機轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)不同可有以下兩種備選方案。[2]
方案一：繞線式異步電機
方案二：鼠籠式異步電機
方案對比 ：繞線式異步電機的轉(zhuǎn)子電阻可以調(diào)節(jié)，因此起動電流不是很大，通常不會超過額定電流的2—2.5倍，而且也便于調(diào)速。鼠籠式異步電機的構(gòu)造簡單，操縱方便，價格也較便宜，但起動電流較大，達到額定電流的4—6倍，調(diào)速性能差，不能承受較頻繁的起動，通常只用在起動不頻繁、功率較小的工作機構(gòu)中。根據(jù)具體工作環(huán)境，堆垛機的啟動負載大，啟動、制動、換向頻繁，要求有較高的工作穩(wěn)定性。
綜合以上兩種方案的對比，本設(shè)計中選用允許有較大振動和沖擊，轉(zhuǎn)動慣量小，過載能力大的YZR系列繞線型起重用三相異步電動機。
2.4.4 減速器的選取
在電動機和卷筒之間需要設(shè)計一個傳動裝置用以傳遞運動和作用，并藉以改變運動的形式、速度大小和轉(zhuǎn)矩的大小。本設(shè)計中采用減速器作為起升機構(gòu)的傳動裝置。
(1) 傳動方式的選擇
起重機械中常有以下四種備選方案。
方案一：二級圓柱齒輪減速器
方案二：蝸輪減速器
方案三：行星齒輪減速器
方案對比：二級圓柱齒輪減速器效率高，功率范圍大，現(xiàn)已標準化，因而使用范圍普遍；蝸輪減速器雖然結(jié)構(gòu)尺寸小，傳動比較大，重量輕，但效率低，壽命較短，在長期連續(xù)使用時就顯得不經(jīng)濟，一般只用于小型起重機；行星齒輪減速器的結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比也較大，但價格比較昂貴。
綜上所述，從產(chǎn)品的成本、性能和具體使用場合考慮，本設(shè)計中選取二級圓柱齒輪減速器。
(2) 輸出（入）軸的配置
根據(jù)機械設(shè)計手冊輸出（入）軸有以下四種備選方案。
方案一：展開式。
特點：結(jié)構(gòu)簡單，但齒輪相對與軸承的位置不對稱，因此要求軸有較大的剛度，高速級齒輪布置在遠離轉(zhuǎn)矩輸入端，這樣，軸在轉(zhuǎn)矩作用下產(chǎn)生的扭矩變形和軸在彎矩作用下產(chǎn)生的彎曲變形可部分的相互抵消，以減緩沿齒寬分布不均勻的現(xiàn)象。用于載荷比較平穩(wěn)的場合，高速級一般做成斜齒，低速級一般做成直齒。結(jié)構(gòu)簡單，應用廣泛。
方案二：分流式
特點：結(jié)構(gòu)復雜，但由于齒輪相對于軸承對稱布置，與展開式相比載荷沿齒寬分布均勻，軸承受載較均勻。適用于變載荷的場合。高速級一般用斜齒，低速級可用直齒或人字齒。
方案三：同軸式
特點：減速器橫向尺寸較小，兩對齒輪浸入油中深度大致相同，但軸向尺寸和重量都較大，且中間軸較長，剛度差，沿齒寬載荷分布不均勻，高速軸的承載能力難于充分利用。
方案四：同軸分流式
特點：每對嚙合齒輪僅傳遞全部載荷的一半，輸入軸和輸出軸只承受轉(zhuǎn)矩，中間軸只承受全部載荷的一半，故與傳遞同樣功率的其他減速器相比，軸頸尺寸可以縮小。
綜上所述，對比四種方案的特點，從堆垛機本身的工作場合考慮，本設(shè)計最終確定選用展開式二級圓柱齒輪減速器。
(3) 輸入、輸出端的形式
輸入端采用帶專用聯(lián)軸器的輸入軸，輸出軸為空心軸，用聯(lián)軸器與卷筒相連。
(4) 潤滑方式的選擇
因為浸油潤滑具有結(jié)構(gòu)簡單，潤滑可靠，成本較低的優(yōu)點，因此本設(shè)計中采用浸油潤滑的潤滑方式。
2.4.5 制動器的選取
堆垛機在工作過程中，為了使存取的重物的升降運動能夠停止或者支持重物并使其保持在空中，需要在起升機構(gòu)中設(shè)置一個制動器來保證堆垛機工作的安全性和可靠性以及實際工作特點的要求。一般規(guī)定，提升裝置的制動器的制動轉(zhuǎn)矩應為相當于額定載重量的貨物被吊起時的最大轉(zhuǎn)矩值的1.5倍以上。[3]
通常情況，制動器按其構(gòu)造形式可有以下三種備選方案。
方案一：帶式制動器
方案二：塊式制動器
方案三：盤式制動器
方案對比：帶式制動器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，制動力矩較大，但是制動時軸上產(chǎn)生較大的彎曲載荷，制動帶磨損不均勻；塊式制動器工作可靠，兩個對稱的瓦塊磨損均勻，制動力矩大小與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)，制動輪軸不受彎曲作用。但缺點是制動力矩較小，與帶式制動器相比其結(jié)構(gòu)尺寸較大；盤式制動器制動平穩(wěn)，制動輪軸不受彎曲作用，可用較小的軸向壓力產(chǎn)生較大的制動力矩，使堆垛機的機構(gòu)布置很緊湊，目前應用也比較廣泛。
綜上所述，也同時為了滿足升降機構(gòu)必須要有足夠的制動轉(zhuǎn)矩的要求，本設(shè)計中選用常閉盤式制動器。
2.5 堆垛機行走機構(gòu)的整體設(shè)計
要滿足堆垛機能夠在自動化立體倉庫的貨架巷道里來回穿梭運行，實現(xiàn)貨物的存取要求，需要設(shè)計行走機構(gòu)。主要包括：電動機、減速器、制動器、行走車輪。
2.5.1 驅(qū)動方式的選取
方案一：地面驅(qū)動式
行走機構(gòu)安裝在下橫梁上，行走軌道鋪設(shè)在地面上，堆垛機靠下部的車輪支承和驅(qū)動，上部的導向輪用以防止堆垛機的傾倒或擺動。這種驅(qū)動方式的優(yōu)點在于：驅(qū)動裝置由于裝在下橫梁上，容易保養(yǎng)維護，使用方便。起重范圍大，應用比較廣泛，適合于各種高度的立體倉庫。
方案二：上部驅(qū)動式
該驅(qū)動方式又可分為懸掛式和支承式兩種結(jié)構(gòu)形式。行走機構(gòu)安裝在堆垛機門架的上部，在地面上也沒有導軌，使門架下部的導軌以一定的間隙夾持在導軌的兩側(cè)，從而防止堆垛機運行時產(chǎn)生的擺動和傾斜，其升降裝置也安裝在門架的上部。這種驅(qū)動方式的優(yōu)點在于：在設(shè)計機架（即：金屬結(jié)構(gòu)）時，可不考慮橫向的彎曲強度，鋼結(jié)構(gòu)的自重可以減輕，加減速時的慣性和擺動小，穩(wěn)定靜止所需的時間就短。但是由于行走、升降等驅(qū)動裝置都安裝在堆垛機上部，保養(yǎng)、檢查與維修必須在高空作業(yè)，既不方便也不安全，而且立體倉庫的屋頂要承擔堆垛機的全部移動載荷重，從而增加了屋頂結(jié)構(gòu)和貨架的重量。
綜合以上兩種方案的對比，結(jié)合設(shè)計題目的要求，本設(shè)計中的驅(qū)動型式采用“下部支承地面驅(qū)動型”。[4]
2.5.2 車輪的的設(shè)計
為使堆垛機能夠在軌道上平穩(wěn)運行，因此必須依靠車輪來實現(xiàn)這一運動。
通常，車輪的形式有帶輪緣和無輪緣兩種。因為本設(shè)計中將采用貨叉作業(yè)，這樣將會產(chǎn)生啃軌現(xiàn)象。嚴重時使車輪與軌道劇烈磨損，并且大大增加附加載荷，使堆垛機運行扭擺。發(fā)出響聲，影響其正常工作，甚至出現(xiàn)開不動和脫軌現(xiàn)象。因此，在設(shè)計中，在下軌道上設(shè)置圓柱形（無輪緣）車輪（設(shè)計2個行走輪），并在下軌道側(cè)面安裝2個側(cè)面導向輪。上軌道設(shè)置2個有輪緣車輪作為導向輪，從而保證堆垛機的安全穩(wěn)定運行。
2.5.3 電動機的選取
本設(shè)計中，行走機構(gòu)的電動機確定選用允許有較大振動和沖擊，轉(zhuǎn)動慣量小，過載能力大的YZR系列繞線型起重用三相異步電動機。
2.5.4 減速器的選取
從堆垛機本身的工作場合考慮，本設(shè)計最終確定選用展開式一級圓柱齒輪減速器。
2.5.5 制動器的選取
堆垛機在運行過程中，為了滿足能夠減速停車的要求，需要在運行機構(gòu)中設(shè)置一個制動器以便控制制動力矩的大小，從而實現(xiàn)其功能。同時考慮堆垛機能平穩(wěn)工作，本設(shè)計中確定選用盤式常開式制動器。在走行方面的制動轉(zhuǎn)矩值的大小一般為電機額定轉(zhuǎn)矩的100%即可。
2.6 軌道的設(shè)計與安裝
本設(shè)計采用地面驅(qū)動式，需要設(shè)計上、下軌道來支承起堆垛機的全部自重，并能使堆垛機在其上順利運行。目前，常用的軌道主要有以下三種：起重機鋼軌、鐵路鋼軌和方鋼。綜合堆垛機的具體工作場合和性能要求（剛度強度的要求），并進行市場調(diào)查進行成本考慮，上軌道可采用工字鋼，其具有良好的抗彎強度，常選用含C、Mn較高的鋼材軋制而成。下軌道可采用鐵路鋼軌中的輕軌，常選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。其頂部做成凸狀的，底部具有一定寬度，具有良好的抗彎強度。
堆垛機軌道安裝的好壞直接影響到堆垛機的運行質(zhì)量。常用的安裝方法有：
壓板固定法、鉤形螺桿固定、焊接和螺栓聯(lián)用固定。軌道的接頭采用焊接方式，其順序是由上而下，先軌底后軌腰、軌頭，逐層逐道進行堆焊，最后修補周圍。焊接時應注意以下問題：
1）在施焊前，固定鋼軌接頭時，2根鋼軌端頭之間所留間隙是上寬下窄，以軌底間隙為準，一般控制在15—18mm之間。
2）當鋼軌端頭焊接完成后，應采取熱處理來消除其應力，可以用氣焊噴嘴圍繞軌頭、軌腰、軌底反復進行加熱。[5]
2.7 堆垛機的控制裝置
自動運行的堆垛機控制系統(tǒng)必須具有行走控制、升降控制、位置控制、速度控制、貨叉控制、安全保護功能、自我診斷故障的功能等多種控制功能。[6]
(1) 位置功能
位置控制就是確定堆垛機停止在作業(yè)位置的功能。
自動化立體倉庫一般都采用高層貨架結(jié)構(gòu)，以X、Y、Z坐標表示貨架的行、列、段的方向，用三維坐標表示貨物的位置。為了自動確定位置，也就是為了在某一位置發(fā)出減速指令使堆垛機減速，在規(guī)定位置發(fā)出停機信號，就必須檢測現(xiàn)在的位置。本設(shè)計中位置的檢測可由在個坐標軸上按一定的間隔裝設(shè)的傳感器來進行檢測。
(2 ) 速度控制
速度控制包括對提高作業(yè)效率有關(guān)的高速度,防止貨物倒塌以及不致于使堆垛機發(fā)生沖擊的加速度和減速度,以及為便于高精度定位的最終穩(wěn)定微速度等的速度控制。
(3) 貨叉控制
根據(jù)堆垛機出庫和入庫作業(yè),伸縮貨叉向左側(cè)或右側(cè)進行叉取操作的順序控制功能。
(4) 全保護裝置
堆垛機的立柱高度達2米，載貨臺的升降速度也達到20m/min，而載貨臺是沿堆垛機立柱的導軌上下運行的承載結(jié)構(gòu)，上有貨叉機構(gòu)、駕駛室等。為了保證堆垛機正常工作，確保操作人員的人身和貨物的安全，其上必須配備完善的安全保護裝置。本設(shè)計中設(shè)置以下幾種保護裝置:
1) 機貨叉上、下限自動停止保護
在堆垛機貨叉在進行升降運動時，不能超過導軌的上端和下端極限。因此可以在上下端各設(shè)置一個限位開關(guān)來實現(xiàn)該功能。
2) 載貨臺負荷限制
在載貨臺超載時，發(fā)出報警信號并切斷起升機構(gòu)動力。當載貨臺被托住，鋼絲繩松弛時，也會發(fā)出停止運動的報警信號并切斷動力。因此可設(shè)置熱繼電器來作為檢測裝置，再安裝一個蜂鳴器作為警報提示。
3) 駕駛室的安全保護
為確保駕駛室里操作人員的人身安全，駕駛室門安全與否非常重要?？稍O(shè)置一個限位開關(guān)來檢測為使堆垛機能夠在軌道上平穩(wěn)運行，因此必須依靠車輪來實現(xiàn)這一運動。
4) 速度轉(zhuǎn)換裝置
當堆垛機走到軌道的某一位置時應以高、中、低速 的某一速度行進時，就需要通過速度裝換裝置來實現(xiàn)這一功能。本設(shè)計中可以設(shè)置一個接近開關(guān).
5) 貨叉保護裝置
其功能,若發(fā)現(xiàn)不安全則堆垛機就會完全停止工作.
6) 貨叉保護裝置
堆垛機在進行工作過程中，為了確保當貨叉伸縮到一定位置時就回自動停止，可設(shè)置一個機械制動器來實現(xiàn)該功能。
7) 載貨臺斷繩保護裝置
當鋼絲發(fā)生繩斷裂時，能夠自動可靠的將載貨臺停止，避免溜車或墜車事故的發(fā)生。因此對這種安全保護裝置的設(shè)計要求是靈敏度高、作用可靠、沖擊小、結(jié)構(gòu)簡單。本設(shè)計中采取連桿凸輪機構(gòu)來實現(xiàn)這一功能要求。一旦鋼絲繩斷裂，彈簧通過連桿機構(gòu)使凸輪卡在升降機構(gòu)的導軌里阻止載貨臺墜落。正常工作時，提桿平衡載貨臺及其上貨物的質(zhì)量，彈簧處于壓縮狀態(tài)，凸輪與升降機構(gòu)的導軌分離。
第三章 堆垛機機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算
3.1 機架立柱的尺寸設(shè)計
堆垛機機架的設(shè)計計算參數(shù)如下：
Q—上梁及附件重量；
Q—貨臺、貨物、附件及搭乘人員的總重量；
Q—電氣控制盤的重量；
Q—卷揚裝置的重量；
q—柱的單位長度的平均重量；
L—立柱的高度；
E—彈性模量，（依材料而定）；
—許用應力；
堆垛機的立柱應具有足夠的強度和適當?shù)膭偠龋虼?，為解決該類問題，本設(shè)計中按強度設(shè)計準則來設(shè)計截面尺寸。設(shè)計時，初取橫截面的長、寬之比為b：h=1：2，初選截面為矩形的鋼管作為立柱材料。堆垛機的受力分析如圖（3-1）所示。[7]
圖3-1 立柱受力分析圖
立柱可以簡化為簡支梁來計算，立柱的設(shè)計應滿足強度設(shè)計準則：
= 式（3.1）
自重引起的彎矩
載荷（包括Q，Q，Q，Q）引起的彎矩
++
因此立柱中央截面的總彎矩 M總= Mq+=5.95+118.9=124.85 KN.m
抗彎截面系數(shù)
= 式（3.2）
將（3.2）式帶入（3.1）式得：
3.2 機架的上、下橫梁設(shè)計
設(shè)計時初選槽鋼(高*腿長*腰厚)，截面面積=28.83，單位長度重量=22.63kg/m， ，q=22.637kg/m。
對其進行剛度校核，上、下橫梁應滿足剛度設(shè)計準則
——許用轉(zhuǎn)角；
將上、下橫梁簡化為簡支梁進行計算
滿足剛度要求，因此最終確定選用槽鋼。
第四章 堆垛機伸縮貨叉機構(gòu)的設(shè)計計算
4.1 伸縮貨叉的撓度與強度
伸縮貨叉各尺寸表示如圖4-1所示：
圖4-1 伸縮貨叉的結(jié)構(gòu)尺寸
所設(shè)計的貨叉是指貨叉插入貨架中的部分，應以厚度盡量薄，同時貨叉前端的擾度控制在最小，作為設(shè)計的目標。
貨叉各參數(shù)如下：
W：載荷
I，I，I：分別為固定叉、中間叉、上叉的重力方向的慣性矩
E：材料的彈性模量
4.1.1 下叉的受力分析計算
如圖4-2所示
圖4-2 下叉受力分析圖
進行受力分析時，在AC段內(nèi)取距A端為x的任意截面為研究對象，則該截面上產(chǎn)生的反力P=W l/b
ax l時的彎矩方程為：
用積分法求得起其轉(zhuǎn)角為：
=-dx=-[+(x-a)] 式 (4.1)
撓度為：
=x-[+(x-a)] 式 (4.2)
當x= 0時，A端的截面轉(zhuǎn)角
(+b) 式(4.3)
當x=l時，將式（3）代入式（2）和式（1）中，分別算得在c點處的轉(zhuǎn)角和撓度。
4.1.2 中叉的受力分析計算
如圖4-3所示：因載荷W的作用，在b間產(chǎn)生反力P，P，
圖4-3 中叉受力分析圖
進行受力分析時，在BF段內(nèi)取距左端為x的任意截面為研究對象
當時，可算得其轉(zhuǎn)矩方程為：
用積分法算出其轉(zhuǎn)角為：
==+ 式(4.4)
撓度為：
++ 式(4.5)
當 x=b時，B端的截面轉(zhuǎn)角
式(4.6)
當x=b時，將式（4.6）代入式（4.4）和式（4.5）中，分別算得此段的轉(zhuǎn)角和撓度
如圖4-4所示：將b段作為剛性，c點作為固定端（即視為懸臂梁）考慮，并設(shè)由于W在中叉產(chǎn)生的反力為和，而由這些反力作用在貨叉前端產(chǎn)生的擾度為分別為和。
圖4-4 中叉受力分析圖
轉(zhuǎn)矩方程為：
M=(x-d)+x
以固定端E視為坐標原點，算得：
以固定端D視為坐標原點，算得：
用積分法算出其撓度為：
當x=l時，代入式（4.7）算得：
[(e+d)-e(l-d)]
= 式（4.8）
當x=l時, 代入式（4.8）算得：
[-e(l-d)+(e+d)l]
所以。
4.1.3 上叉的設(shè)計分析計算
載荷W在d區(qū)間產(chǎn)生的反力有P, P，在E點的傾斜角為，撓度為，受力分析如圖4-5所示：
圖4-5 上叉受力分析圖
轉(zhuǎn)矩方程為：
用積分法算出其轉(zhuǎn)角為：
==+ 式(4.9)
撓度為：
=+x+ 式(4.10)
當x=d時，D端的截面轉(zhuǎn)角
式(4.11)
當x=d時，將式（4.11）代入式（4.9）和式（4.10）中，分別算得此段的轉(zhuǎn)角和撓度：
(ll)
因此，設(shè)載貨臺和立柱為剛性時，伸縮貨叉工作的總擾度為
總=++++
第五章 堆垛機行走機構(gòu)的設(shè)計計算
5.1 行走機構(gòu)電動機的選取
行走機構(gòu)的電動機所需的功率為可按下式計算：
（KW） 式（5.1）
式中 —行走阻力；v—行走機構(gòu)的運行速度
—行走機構(gòu)的總效率，一般可取0.85-0.95
由上式可知，現(xiàn)須確定行走阻力的大小，可按下式計算：
（N） 式（5.2）
式中 —堆垛機的額定起重量和自重之和；
—軸承摩擦系數(shù)，查表選取0.1；
f—車輪滾動阻力系數(shù)，查表選取0.3；
D—車輪直徑；
d—軸徑；
—阻力摩擦系數(shù)，查表選取1.5；
將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（5.2）中，算得：=2005N，并將其結(jié)果帶入式（5.1），最后算得所需電動機的功率P=2.9KW，因此選擇型號為Y112M，轉(zhuǎn)速為1440r/min，額定功率為4KW，效率為90%且490%=3.6，可選。
5.2 行走機構(gòu)減速器的選取
行走機構(gòu)中的減速器可根據(jù)機構(gòu)的傳動比從標準中選用。[9]
行走機構(gòu)的傳動比由下式確定：
式（5.7）
式中 —電動機額定轉(zhuǎn)速；—車輪的轉(zhuǎn)速
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（5.7）中算得：
可選取減速器的標準型號為ZDY160（低速級中心距為160）。
5.3行走機構(gòu)聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器的具體規(guī)格根據(jù)載荷情況、計算轉(zhuǎn)矩、軸直徑和工作轉(zhuǎn)速來選擇。計算轉(zhuǎn)矩有下式確定：
式（5.8）
==
工作情況系數(shù)取2.3，則2.319.23=44.24
由設(shè)計手冊選取彈性柱銷聯(lián)軸器TL8。它的許用轉(zhuǎn)矩為710，半聯(lián)軸器材料為鋼時，許用轉(zhuǎn)速為3000r/min。
第六章 堆垛機升降機構(gòu)的設(shè)計計算
6.1升降機構(gòu)零部件的設(shè)計計算
6.1.1 鋼絲繩的計算
起升機構(gòu)中鋼絲繩的直徑按最大靜載荷來確定。
鋼絲繩中最大靜拉力可根據(jù)式（6.1）來確定：
（N） 式（6.1）
式中， —最大起升載荷（其中包括貨叉和附件重量）；
—滑輪組倍率，根據(jù)公式算得a為2；
—滑輪組總效率；
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（6.1）中估算得鋼絲繩中最大靜拉力=875N
可根據(jù)式（6.2）確定鋼絲繩的直徑：
（mm） 式（6.2）
式中， —鋼絲繩最小直徑；
C—與工作級別有關(guān)的選擇系數(shù)，本設(shè)計中選取0.093
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（6.2）中算得=2.75mm，故選擇鋼絲繩直徑為3mm。
6.1.2 卷筒的相關(guān)尺寸計算
卷筒的直徑可根據(jù)式（6.3）進行計算：
式（6.3）
式中， —卷筒的最小卷繞直徑；
h—與工作級別有關(guān)的選擇系數(shù)，本設(shè)計中選取14；
d—鋼絲繩的直徑；
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（6.3）中算得：
38.5mm。設(shè)計中取=40mm。
卷筒的壁厚可根據(jù)經(jīng)驗公式（6.4）進行計算：
式（6.4）
=0.0240+8
9mm
6.2升降機構(gòu)傳動裝置的選取
6.2.1 電動機的選擇
要將載貨臺、貨物、附件及搭乘人員以20m/min的速度提升時，所選取的電動機的功率可根據(jù)式（6.6）進行計算：
式（6.6）
式中 —最大起升載荷（其中包括貨叉和附件重量）；
V—起升速度，設(shè)計中選取20m/min；
—機構(gòu)總效率，設(shè)計中取0.9；
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（6.6）中算得：P=0.73KW
再根據(jù)機構(gòu)的工作級別、作業(yè)特點以及電動機的工作特性，所選擇的電動機的額定功率應滿足式（6.7）：
（KW） 式（6.7）
式中 —電動機的額定功率；
—穩(wěn)態(tài)負載平均系數(shù)，查表選取該值為0.80；
代入相關(guān)數(shù)據(jù)算得：電動機的額定功率=0.584W
由此，選擇型號為Y90S，額定功率為1.1KW，轉(zhuǎn)速為1440r/min，效率為92%，且1.192%=1.012>0.584KW，可選。
6.2.2 減速器的選擇
升降機構(gòu)中的減速器可根據(jù)機構(gòu)的傳動比從標準中選用。
升降機構(gòu)的傳動比由下式確定：
式(6.8)
式中 —電動機額定轉(zhuǎn)速；—卷筒的轉(zhuǎn)速
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式（6.8）中算得：=32
可選取減速器的標準型號為ZLY180（低速級中心距為180）。
第七章 堆垛機控制系統(tǒng)的設(shè)計
由上一章我們已經(jīng)了解了堆垛機的運行機構(gòu)中重要部件的組成原理，以及其機械保護裝置。但是僅僅知道這些還是不夠的，堆垛機要想在人不直接參與的情況下對指定的貨物進行存取作業(yè)，還需要控制元器件以及相關(guān)程序?qū)ζ溥M行控制和約束。機械部件和控制系統(tǒng)的元器件在其正常工作過程中就像軀體和思想靈魂的關(guān)系一樣，密不可分，缺一不可。
堆垛機正常工作的目的，是對指定的貨物進行定向的存取，然而在眾多貨格中能夠正常工作，這就需要堆垛機有能夠確認貨格地址的功能，即堆垛機控制系統(tǒng)的認址、尋址。而堆垛機準確的行走到貨格前，叉車對貨物進行精準的存取，這就需要堆垛機有能夠準確停車的功能，即堆垛機的定位。
7.1堆垛機的位置檢測
自動控制的堆垛機必須具有自動認址系統(tǒng)。自動認址系統(tǒng)可分為數(shù)字式和非數(shù)字式兩大類，而數(shù)字式認址又可分為相對數(shù)字認址系統(tǒng)和絕對數(shù)字認址系統(tǒng)。
1．相對數(shù)字認址系統(tǒng)。每個貨格都有一個層號以及一個列號。當操作人員將貨格的地址輸入的時候，計數(shù)器就記下了所輸入地址的列數(shù)和層數(shù)。從中減去堆垛機在接受這個作業(yè)命令時所處位置的列數(shù)和層數(shù)后，其差值就分別代表堆垛機從目前所處位置走到目的地址需沿巷道縱長方向經(jīng)過的列數(shù)和沿垂直方向經(jīng)過的層數(shù)。堆垛機沿巷道運行時，每經(jīng)過1個貨列就計1個數(shù)。計夠了一定的數(shù)（離目的地的距離）就減速，到達了目的地就停止。在貨臺升降時，也用同樣的方法認址。
2．絕對數(shù)字認址系統(tǒng)。每一個貨位的列數(shù)和層數(shù)分別用編碼表示。堆垛機運行時就用相應的檢測裝置，對標號牌進行讀數(shù)，檢測所在的實際地址，然后送入地址運算程序與目的地址比較。當其差值為一定數(shù)值時即進行減速，差值為零時，發(fā)出機構(gòu)停止的信號。
3．非數(shù)字式認址系統(tǒng)。在每個貨格前裝一個發(fā)號元件（如干簧管）。當堆垛機來到目的地址前時，磁場使堆垛機上的檢測元件動作，堆垛機即能確認已到了目的地址。
在本設(shè)計控制系統(tǒng)中我們采用絕對數(shù)字認址系統(tǒng)來實現(xiàn)堆垛機控制系統(tǒng)的定位。
在控制系統(tǒng)設(shè)計中我們在水平方向采用兩對光電開關(guān)和認址擋板的組合來進行定位。
兩對光電開關(guān)之間的距離為180mm，擋光板的長度為200mm。運行時，前面的光電開關(guān)用來計數(shù)，一般的情況下是快速運行，當計數(shù)到位后(即第一個光電管被擋光,距準確位置還有190mm)減速到慢速，再以慢速向前繼續(xù)運行，當后面的光電開關(guān)被擋光后剎車定位。此種方法的定位精度為±10mm。允許最高速度為400m/ min。此種定位方法的優(yōu)點是：在運行到位前，堆垛機是以較高的速度來接近目的地址，當?shù)诙怆婇_關(guān)被擋光后，再由慢速剎車定位，慢速運行的時間可通過改變加速度的大小來實現(xiàn)。
堆垛機的縱向定位我們也采用光電開關(guān)和認址擋板組合定位，低位為放貨完畢收叉或取貨開始伸叉的位置，髙位為取貨完畢收叉或放貨開始伸叉的位置。為了保證貨叉能完成作業(yè)，堆垛機在垂直方向上必須要提供使貨叉能停在高位或低位的檢測裝置。所以在堆垛機的升降臺上安裝三個光電開關(guān)，與升降臺一起上升下降，中間的一個共用，其他兩個分別為上位置和下位置。存貨開始或取貨結(jié)束時，升降臺貨叉停在髙位置，下面兩個光電開關(guān)處于認址片內(nèi)；取貨開始或存貨結(jié)束時，貨叉停在低位置，此時上面兩個光電開關(guān)處于認址片內(nèi)。
圖7-1 縱向認址
在堆垛機運行控制功能上，堆垛機的認址是非常重要的部分。我們采用光電開關(guān)和認知擋板來實現(xiàn)堆垛機在運行過程當中的定位。
首先自動化立體倉庫3×3的貨格當中以6個認址設(shè)備來實現(xiàn)對9個貨格的編號。橫向認址設(shè)備我們分別放在堆垛機的軌道和滑輪（堆垛機移動）附近，來實現(xiàn)貨格列數(shù)的編號，而縱向排數(shù)的編號我們則將認址設(shè)備分別放在縱向立柱及滑軌之上。
堆垛機收到信號，從入口（原零點）開始向目標貨格進軍，在橫向上，當堆垛機前光電開關(guān)接觸到認址擋板時計數(shù)，當前光電開關(guān)接觸到目標貨格的認址擋板時，計數(shù)器動作并開始減速，當后光電開關(guān)也接觸到目標認址擋板時，發(fā)出停車信號，堆垛機停止運行。
在縱向，以上光電開關(guān)接觸到認址擋板為計數(shù)信號，在取貨定位時則以上光電開關(guān)接觸到目標認址擋板，使得計數(shù)器開始動作并且堆垛機開始減速，以光電開關(guān)上對準（上光電開關(guān)和中光電開關(guān)都接觸到認址擋板）作為停車信號。而在存貨定位時，也是以上光電開關(guān)接觸到目標認址擋板，使得計數(shù)器開始動作并且堆垛機開始減速，以光電開關(guān)下對準（下光電開關(guān)和中光電開關(guān)都接觸到認址擋板）作為停車信號。而光電開關(guān)的上、下對準時堆垛機所行走的路程為堆垛機伸叉后提降貨物的行程。
7.2 光電傳感器選擇
在本設(shè)計當中，光電開關(guān)主要用于堆垛機的位置檢測和認址以及對貨格有無貨物進行檢測的重要檢測部件。
光電開關(guān)有很多種類型，按照檢測方式可分為漫反射式、對射式、鏡面反射式和槽式光電開關(guān)四種類型。
1．漫反射式光電開關(guān)
漫反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經(jīng)過時，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測模式。如圖7-2為漫反射原理圖。
圖7-2 漫反射原理圖
2．鏡反射式光電開關(guān)
鏡反射式光電開關(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡，反射回接收器，當被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。如圖7-3為鏡反射式光電開關(guān)。
圖7-3 鏡反射式光電開關(guān)
3．對射式光電開關(guān)
對射式光電開關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器。當被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當檢測物體是不透明時，對射式光電開關(guān)是最可靠的檢測模式。
圖7-4 對射式光電開關(guān)
4.槽式光電開關(guān)
槽式光電開關(guān)通常是標準的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測到的開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比較安全可靠的適合檢測高速變化，分辨透明與半透明物體。
圖7-5 槽式光電開關(guān)
在本設(shè)計中貨格貨物檢測我們采用漫反射式光電開關(guān)。認址系統(tǒng)我們采用鏡反射式光電開關(guān)。
7.3 變頻器的選擇
變頻器的結(jié)構(gòu)及工作原理
變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源。
現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。
變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、再次整流(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成的。
變頻器的類型繁多，目前市場上主流變頻器的基本結(jié)構(gòu)為：
圖7-6 變頻器的基本結(jié)構(gòu)
在本設(shè)計中，我選用三菱FR－A540型全數(shù)字變頻器，它具有磁通矢量控制、轉(zhuǎn)差補償、負載轉(zhuǎn)矩自適應等先進功能，以最大限度地提高電機功率因數(shù)和電機效率，特別適合交流感性類負載頻繁變化的場合。另外，F(xiàn)R－A540變頻器的起動、制動具有可任意調(diào)節(jié)的S曲線和零頻仍可輸出150%力矩的特點，控制精度可達0.01～0.02%，使得電機運行情況好。它可自學習所配電機的各個參數(shù)，精確控制任何品牌的電機。采用高性能IGBT，載波頻率20KHZ，從而使變頻器輸出一個不失真的正弦流波形，使電機始終運行于靜噪音狀態(tài)。
FR－A540變頻器的特點如下：
1. 包括電流矢量控制在內(nèi)的四種控制方式均實現(xiàn)了標準化。
2. 有豐富的內(nèi)藏與選擇功能。
3. 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積小。
4. 保護功能完善、維修性能好。
在本系統(tǒng)設(shè)計中，選用低壓型FR－A540型變頻器變頻的輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路采用交－直－交電路。
PLC的選型
在進行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的時候，我們首先應該確定的就是控制方案，接下來就是PLC的選型。在進行設(shè)計選型時我們要重點參考工藝流程的特點和應用要求。因此，工程設(shè)計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應的控制系統(tǒng)。
1．輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算
I/O點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%～20%的可擴展。余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點，對輸入輸出點數(shù)進行圓整。根據(jù)估算的方法故本課題的I/O點數(shù)為輸入40點，輸出21點。
2．存儲器容量的估算
存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。
存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。因此本課題的PLC內(nèi)存容量選擇應能存儲5000條梯形圖，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。
3．控制功能的選擇
該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。
4．PLC的選擇
（1）PLC的類型
FX2系列可編程控制器主機分為16、24、32、64、80、128點六檔，還有各種輸入和輸出擴展單元，這樣在增加I/O點數(shù)時，不必改變機型，可以通過擴展模塊實現(xiàn)，降低了經(jīng)濟投入。本課題設(shè)計的立體倉庫控制系統(tǒng)有輸入信號40個，輸出信號21個。其中，外部輸入元件包括：檢測元件、按鈕、取、送、急停、限位開關(guān)、超限位保護等等；輸出有三個方向上三相異步電動機的正反向、動作指示、錯誤顯示等等。按照上述配置，所選I/O點不得低于61點，結(jié)合實際情況，所選I/O點為80點。因此我所選型號為FX2N-80MR。
（2）經(jīng)濟性的考慮
選擇PLC時，應考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。
輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量相應增加，因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。本課題所設(shè)計的立體倉庫屬于小型控制系統(tǒng)，結(jié)合經(jīng)濟性的考慮因此選擇整體型PLC。
根據(jù)我們設(shè)計的立體倉庫其輸入點數(shù)為40點、輸出點數(shù)為21點，所以選擇三菱FX2N-80MR。
PLC對變頻器的控制
隨著電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，電動機的調(diào)速已經(jīng)發(fā)展到今天的變頻器調(diào)速時代。并且在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。在現(xiàn)在工業(yè)控制系統(tǒng)中，以PLC控制變頻器實現(xiàn)電動機調(diào)速控制最為常見。本次設(shè)計采用PLC通過RS485通訊實現(xiàn)變頻調(diào)速。
本方法是PLC主機上裝RS-485BD通訊適配器與變頻器的485PU口相連接，通過PLC和變頻器之間的RS485半雙工串行通訊來實現(xiàn)電動機的變頻調(diào)速。
PLC和變頻器之間的RS-485協(xié)議
PLC和變頻器之間進行通訊，通訊規(guī)格必須在變頻器的初始化中設(shè)定，如果沒有進行設(shè)定或有一個錯誤的設(shè)定，數(shù)據(jù)將不能進行通訊。且每次參數(shù)設(shè)定后，需復位變頻器。確保參數(shù)的設(shè)定生效。
該過程分5個階段：1. 計算機發(fā)出通訊請求；2. 變頻器處理等待；3. 變頻器作出應答；4. 計算機處理等待；5. 計算機作出應答。
根據(jù)不同的通訊要求完成相應的過程，如寫變頻器啟、停控制命令時則只需完成1-3三個過程；監(jiān)視變頻器運行頻率時則需完成1-5五個過程。不論是寫數(shù)據(jù)還是讀數(shù)據(jù)，均有PLC發(fā)出請求，變頻器只是被動接受請求并作出應答。
本設(shè)計采用PLC輸出的開關(guān)量控制的變頻器調(diào)速。
實現(xiàn)方法：PLC的輸出點、COM點直接與變頻器的STF(正轉(zhuǎn)啟動)、STR(反轉(zhuǎn)啟動)、RH(高速)、RM(中速)、RL(低速)、REX、輸入端SG等端口分別相連接。PLC通過程序即可以控制變頻器的啟動、停止； 也可以控制變頻器高速、中速、低速端子的不同組合實現(xiàn)多段速度運行。
變頻器參數(shù)設(shè)置：操作模式Pr.79=2（外部模式）；基本參數(shù)：上限頻率Pr.1=40Hz；下限頻率Pr.2=20Hz；點動頻率Pr.13=30Hz；Pr.7=2s(加速時間)；Pr.8=2s(減速時間)；Pr.9=電動機的額定電流x100%（根據(jù)所用電動機的額定電流大小設(shè)定）=69
根據(jù)堆垛機控制系統(tǒng)的性能，在堆垛機水平方向和垂直方向以及貨叉方向上我們采用三相異步電動機采用泰安伊萬福電機有限公司生產(chǎn)的Y2系列Y2-632-2型電機，額定功率300W，額定電流0.69A，額定電壓380V， 額定頻率50Hz， 轉(zhuǎn)速2720r/min，功率因數(shù)0.81。
通訊方案的確定
為了使堆垛機在無人直接參與的情況下對其進行控制，必須對堆垛機傳輸運轉(zhuǎn)和作業(yè)的信息。一條指令執(zhí)行結(jié)束之后，堆垛機須向地面發(fā)送確認信號，然后才能執(zhí)行下一條指令。堆垛機傳輸信息的順序是：首先堆垛機接受的作業(yè)信息是從什么地方取貨，而后再把它存放在哪個貨格。堆垛機控制盤在收到作業(yè)信息之后向地面控制盤發(fā)出響應信息。堆垛機根據(jù)作業(yè)信息進行作業(yè)。作業(yè)完了之后，向地面發(fā)出“作業(yè)結(jié)束”信息。這樣把一系列作業(yè)進行完了之后，成為等待下一個作業(yè)信息的待機狀態(tài)。
串行通信中最常用的物理層協(xié)議為RS-232C和RS-485。本文采用RS-485標準。主要基于以下兩點考慮：
1．RS-232C接口標準只能用于點對點的通信，而RS-485能實現(xiàn)多點對多點的通信。RS-485允許平衡電纜上連接32個發(fā)送器/接收器。立體倉庫控制系統(tǒng)要求監(jiān)控系統(tǒng)和3臺堆垛機控制系統(tǒng)連接，要求物理層的協(xié)議必須支持一點對多點的通信。
2．RS-485采用差動發(fā)送/接收，所以共模抑制比高，抗干擾能力強。立體倉庫的工作環(huán)境較惡劣，熱、電、磁等干擾信號較多，要求通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力較強，才能保證數(shù)據(jù)的正確接收。RS-485標準除上述優(yōu)點外，還具有傳輸速率高、傳輸距離遠等優(yōu)點。
由于PLC帶有串行通信接口，只需用RS-485總線分別連接到計算機即可，可見系統(tǒng)的構(gòu)建十分簡單當需要增加新設(shè)備時，只需要將新設(shè)備也連接到計算機，系統(tǒng)的擴展也較容易。為了利用計算機帶有的RS-232接口與下層的各個模塊通信，在計算機上需要安裝232-485轉(zhuǎn)換器。
在自動化立體倉庫控制系統(tǒng)中選用Modbus通訊協(xié)議作為其通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。Modbus通訊協(xié)議是Modicon公司設(shè)計的一種適用于工業(yè)控制的主從結(jié)構(gòu)式串口