【畢業(yè)學位論文】（Word原稿）基于ANSYS的立體庫堆垛機貨叉建模與分析

蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 1 第一章 緒 論 題研究的背景及意義 國物流的現(xiàn)狀 1978 年，我國從日本引進了物流的概念 ； 2001 年 4 月，原中國物資流通協(xié)會正式更名為中國物流與采購聯(lián)合會，我國的物流基礎工作自此全面展開 ；同年年底， 中國成為 員國， 2005 年底，我國的物流市場全面對外開放 ； 2006年，國家“十一五”規(guī)劃中，“大力發(fā)展現(xiàn)代物流業(yè)”首次進入國家的發(fā)展規(guī)劃 ；2009 年 3 月，物流業(yè)調整和振興規(guī)劃正式出爐，確定了振興物流業(yè)的主要任務和重點工程 ； 2011 年 3 月，發(fā)展、調整和變革成為物流業(yè)貫徹“ 十二五”的基本特點 ； 2011 年 8 月， 國務院辦公廳發(fā)出 關于促進物流業(yè)健康發(fā)展政策措施的意見 ，物流業(yè)迎來多重利好。今天，物流業(yè)已經成為我國國民經濟的重要產業(yè)，它囊括了運輸、倉儲、加工、配送、信息等諸多活動，它推進了生產，拉動了消費，吸納了為數(shù)眾多的就業(yè)人口，在保持增長、擴大內需、調整結構、增強國力等方面發(fā)揮著重要作用。 從總體來看，我國社會物流總額規(guī)模龐大、增長迅速，自 2005 年至 2012 年，全社會物流總值從 億元上升到 177 萬億元，體現(xiàn)了物流業(yè)較為旺盛的發(fā)展需求。從物流業(yè)增加值來看，“十 一五”期間從 12271 億元到 27310 億元，保持了年均 增速。而同期，我國物流總費用占 比例 則穩(wěn)中有降，雖然降幅僅約 但在物流需求規(guī)模逐年增加的前提下，這一比例的逐步降低，意味著我國物流業(yè)的直接經濟效益在不斷增加，運行質量在不斷提高 1 。 在物流業(yè)發(fā)展的宏觀環(huán)境方面，“十一五”期間，從中央到地方，各級各類物流規(guī)劃漸成體系，使物流業(yè)的發(fā)展目標更明確，步驟更清晰 ; 在政策扶持方面，各級政府從設施建設、資金投入、企業(yè)培育、裝備更新、人才培養(yǎng)、土地、稅費等各個層面對物流業(yè)的發(fā)展給予 了政策傾斜和大力支持，保障了物流業(yè)良好的運行勢頭。 物流基礎設施的增加和改善是我國物流業(yè)發(fā)展的又一體現(xiàn)。截至 2012 年 ，我國鐵路營業(yè)里程達 公里，高速公路里程達 公里，雙雙躍居世界第二 ； 民航航空業(yè)務規(guī)模業(yè)已成為全球第二大航空運輸系統(tǒng) ； 港口吞吐量已經 連續(xù) 6 年保持世界第一 2 。目前全國規(guī)劃和在建的物流園區(qū)超過 600 個， 倉儲、蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 2 配送等設施現(xiàn)代化水平不斷提高，一批區(qū)域性物流中心逐步形成。物流技術設備加快更新?lián)Q代，物流信息化建設有了突破性進展 3 。 在物流技術發(fā)展方面，目前，運輸、庫存、裝卸、 包裝、集裝箱化等一系列現(xiàn)代物流技術已被我國物流企業(yè)認真學習并大量采用 ； 同時，我國約有 39%的物流企業(yè)運用計算機技術、網絡技術、信息分類編碼技術、條碼技術、射頻識別技術、電子數(shù)據交換技術、 信息技術對企業(yè)的綜合管理和操作流程加以改進，通過多種途徑和各個環(huán)節(jié)來降低企業(yè)的運營成本，提高企業(yè)的綜合效益。經過 30 多年的探索和積累，我國物流業(yè)在規(guī)范化、信息化和智能化建設方面已經邁出了可喜的步伐。 雖然我國物流業(yè)發(fā)展迅速，成效顯著，但是，發(fā)展時間短暫的中國物流業(yè)總體水平仍然偏低，存在問題比較突出， 主要 體現(xiàn)在以下幾方面 4： 1物流資源利用率低。一方面因為傳統(tǒng)的倉庫因其在倉儲凈空高度往往得不到利用而造成大量空間資源的閑置浪費；另一方面因為傳統(tǒng)倉庫的管理和作業(yè)模式均采用原始的作業(yè)方式，倉庫設備的能力沒有充分發(fā)揮出來，在一定程度上也造成了浪費。 2作業(yè)質量引起的損耗較大。一方面是傳統(tǒng)的平面?zhèn)}庫物流自動化水平較低，貨物的進入庫基本是人工利用叉車進行作業(yè)，而由于人工操作不當會造成貨物碰撞損耗；另一方面是因為錯誤作業(yè)或錯誤配送所引起的錯誤成本，特別是藥品的配送，會引起更嚴重的后果。 3信息流和物流無法做到適 時統(tǒng)一。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的倉庫往往信息化程度較低，導致整體物流管理水平低下，無法向客戶提供優(yōu)質和靈活的物流服務。另一方面會因信息流和物流無法統(tǒng)一而造成上面所述的錯誤成本，使總體倉儲成本提高。 4作業(yè)效率低下。傳統(tǒng)的平面?zhèn)}庫是“人工一叉車一貨架”的作業(yè)模式，其作業(yè)速度根本無法與立體倉庫中的“計算機一堆垛機一貨架”的作業(yè)模式相比，大大影響物流企業(yè)的競爭能力。 決問題的方法 在現(xiàn)代化企業(yè)生產經營的過程中，物流以低成本高效率及全方位管理越來越多的占據物流服務的市場，而立體倉庫可從物流成本、物流服務質量和物流 效率等方面來促使物流企業(yè)提高核心競爭力。 隨著現(xiàn)代企業(yè)生產經營方式的變革和市場外部條件的變化，以降低原材料成本和進行產品技術開發(fā)來降低產品成本的空間越來越小，這使得他們把目光轉向蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 3 有著“第三利潤源泉”的物流環(huán)節(jié)上來。而傳統(tǒng)的自給自足式的物流服務不管從經濟效益上還是系統(tǒng)化、專業(yè)化程度上都無法與專業(yè)的物流企業(yè)相比，這使得越來越多的企業(yè)為了優(yōu)化企業(yè)資源配置和增強市場競爭優(yōu)勢，將不屬于企業(yè)核心競爭力范疇的物流業(yè)務外包，促使我國物流 (處在高速發(fā)展的道通上。 為了解決上述問題， 一部分物流企業(yè)建設了立體倉庫。那么物流企業(yè)建設立體倉庫究竟能給企業(yè)帶來哪些好處呢 ?這里從以下幾方面簡單介紹一下 5： 1信息流和物流有機結合，全面提高企業(yè)的管理水平。 目前國內大多數(shù)第三方物流企業(yè)均采用傳統(tǒng)的倉庫，即普通貨架、叉車等組成的倉庫。這些倉庫一般均采用原始的作業(yè)方式 看單作業(yè)，作業(yè)人員根據打印出來的出庫單或入庫單，利用叉車進行貨物的出入庫，雖然有些條件好一點的平面?zhèn)}庫也利用條形碼和 線射頻技術在一定程度上提高了管理水平，但在進行作業(yè)時還是需要人工去尋找目標貨物，在出入庫時也需要人工掃描確 認，也就是說在作業(yè)過程中，信息流和物流無法做到真正的統(tǒng)一。 立體倉庫系統(tǒng)的出現(xiàn)則解決了這個問題，它把高層貨架、堆垛機、周邊的出入庫設備和貨物的信息流有機結合，使倉庫作業(yè)計算機化，應用功能完備的標準化物流管理軟件，操作簡單、報表齊全，同時還具備物流分析功能，為企業(yè)制定生產綱領提供及時準確的數(shù)據分析資料，全面提高企業(yè)管理水平和電子商務能力，為用戶贏得更強的物流核心競爭力。 2充分利用倉庫的高度和平面空間，提高空間利用率。 隨著國家對土地資源監(jiān)控越來越嚴，地土地成本也在急劇增加，如何降低占地成本也引起各第三方物 流企業(yè)的重視。傳統(tǒng)的倉庫一般都不高，因為普通叉車叉取高度有限，一般都在十米以下，而立體倉庫的高度可達 5，可以很大程度的提高空間利用率，降低占地成本。 同時，一般叉車的所需的通道都很寬，約在 3 米左右，而立體倉庫的核心設備堆垛機的寬度只需在 左右，在平面空間上也提高了利用率，達到降低占地成本的目的。雖然有些叉車 (如窄巷道叉車 )所需的通道寬度也較小，但因其價格較堆垛機要高，從成本上考慮并不合算，而且其作業(yè)效率也不如堆垛機。 3充分發(fā)揮自動化設備的作業(yè)能力，提高倉庫作業(yè)的效率。 由于立體倉庫實現(xiàn)了作 業(yè)計算機化，而且其核心作業(yè)設備堆垛機的運行速度可達速度 80300 米 /分鐘，可實現(xiàn)快速整盤出入庫作業(yè)、揀選作業(yè)、配送作業(yè)，整個系統(tǒng)運行效率比較普通倉庫將提高 100 500%。 4提高作業(yè)正確率，降低過失成本。 作為第三方物流企業(yè)，倉庫所儲存的貨物是來自不同客戶的不同產品，而且蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 4 還會不斷地更換新的客戶，倉庫作業(yè)人員不可能對貨物都很熟悉。而傳統(tǒng)的平面?zhèn)}庫很大程度上要依賴人的判斷來作業(yè)，這就導致錯誤作業(yè)發(fā)生，產生過失成本。而立體倉庫則會完全避免這種過失成本，計算機會自動根據作業(yè)指令來指定入庫或出庫的貨位 (也可人工指 定 )，無需依賴作業(yè)人員的判斷。 立體倉庫還可與 系統(tǒng)無縫連接，降低人工成本，實現(xiàn)作業(yè)無紙化等。 綜上所述 ，立體倉庫可以從物流成本、物流服務質量和物流效率等方面增強物流企業(yè)和競爭力。建設一個高效、高品質的自動化倉庫系統(tǒng)已成為眾多物流企業(yè)提高核心競爭力的重要需求 6。 體 庫在國內外發(fā)展現(xiàn)狀與前景 內外的發(fā)展現(xiàn)狀 立體倉庫最早產生于 60 年代的美國，到現(xiàn)在大致經歷了四代的發(fā)展： 1950 年美國首先產生了手動控制的橋式堆垛起重機，這種起重機的大梁上懸掛一個門架 (立柱 )，利 用門架的上下和旋轉運動來搬運貨物，與此同時也提出了高層貨架的新概念，被認為是自動化倉庫的雛形。 1960 年左右在美國開始出現(xiàn)了沒有大梁的由人工操作的巷道式堆垛機。隨著立體倉庫的發(fā)展，巷道式堆垛機逐漸代替了橋式堆垛機。 1963 年美國的一個食品廠在倉庫工作中采用電子計算機，成為世界上最早的全自動化倉庫， 20 世紀 60 年代產生的第一代機械式立體倉庫系統(tǒng)中，操作人員可通過一些電器按鈕和開關來控制一些機械設備進行人、出庫作業(yè)，實現(xiàn)了搬運的機械化；從 1963年開始，在歐洲各國，由于用地緊張，開始計劃建造 25的高層 自動化倉庫。從 1967 年開始，相繼完成了一些計算機管理和計算機控制的全自動化倉庫。在日本，從 1967 年開始安裝了高度為 20的高層堆垛機， 1969 年出現(xiàn)了聯(lián)機全自動化倉庫。 1970 年安裝了由貨架支承式變?yōu)榈孛嬷С惺降母叨冗_ 40 米的堆垛機。 70 年代美國還提出了采用 50 米高堆垛機的可能性 7。到了 70 年代末期，隨著可編程控制器 動存取、自動導向小車、條形碼閱讀器等設備在立體倉庫中的應用，第二代自動化倉庫系統(tǒng)實現(xiàn)了控制自動化。 1980 年后，計算機技術的異軍突起及其在自動化倉庫系統(tǒng)中的成功應用，導致了第三代集成化立體倉庫系統(tǒng)的誕生，形成了由管理級、監(jiān)控級、控制級組成的三級分布式控制結構，上位管理機協(xié)調控制整個倉庫系統(tǒng)的出、人庫作業(yè)和蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 5 庫存管理，并且與上位工廠計算機信息管理網相聯(lián)結，實現(xiàn)管理微機化。 1990 年后，堆垛機在使用范圍和性能上有了很大的發(fā)展，還出現(xiàn)了第四代智能型立體倉庫系統(tǒng)，該類倉庫系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對出、人庫任務和倉庫信息的全自動處理，而且還可根據生產計劃報表分析、制定出所需材料與勞動力，并依據物資的現(xiàn)有庫存量提出外購建議，當某些物資庫存量不能滿足生產需要時，系統(tǒng)還可根據現(xiàn)有在庫物資適當修改 生產計劃，并上報工廠相關部門，諸如此類人工智能已逐步融入了立體倉庫系統(tǒng)中；此外，隨著電子數(shù)據交換技術的日臻完善。目前，自動化倉庫系統(tǒng)逐步向第五代“ 3I (庫系統(tǒng)過渡。 我國立體倉庫的發(fā)展是從 70 年代初期開始的，是在消化吸收德國西馬克 特蘭斯普蘭股份公司專有技術的基礎上開發(fā)出來的。國內第一座自動化倉庫是鄭州紡織機械廠冷作二車間的模具庫，建成于 1974 年 2 月，與此同時，國內一些科研機構也開始了自動化倉庫的研究工作。 1977 年北京汽車制 造廠與自動化研究所合作，動工興建了該廠的自動化倉庫，該庫屬于整體式結構，采用計算機進行控制和數(shù)據處理。稍后，北京商業(yè)儲運公司與河南糧食科研所和中科院自動化研究所合作，興建了該公司的針織品自動化倉庫。 80 年代初，一些部隊倉庫和少數(shù)企業(yè)率先使用具有高層貨架，并利用堆垛起重機進行入、出庫作業(yè)的立體倉庫。由于當時國內立體倉庫的設計和制造均處于初級階段，用戶對立體倉庫所應能達到的功能不了解，因此，對立體倉庫的要求不高。只有少數(shù)立體庫采用 制，實現(xiàn)自動認址，光電探測貨位 多數(shù)的堆垛機仍使用手動控制 入、出庫作業(yè)。它與一般平庫比較，主要是利用空間，增加庫存量、減少占地、減輕勞動強度和減少貨物破損率。盡管如此，立體倉庫的優(yōu)勢已較為明顯地被人們所看到。隨著土地價值的不斷上漲和現(xiàn)代化管理要求越來越高，立庫產品越來越多地進入國民經濟各行各業(yè)。 80 年代至 90 年代初，立體倉庫產品的設計和制造有了很大的發(fā)展，全國至少有十幾家科研單位和生產廠家在進行立體倉庫的科研、開發(fā)、設計、制造 8。 1980年由北京機械工業(yè)自動化研究所等單位研制建成我國第一座立體倉庫，并在北京汽車制造廠投產。從此以后，立體倉庫在我國得到了迅速的 發(fā)展。先后建成了第二汽車制造廠立體庫、天水長城開關廠 材立體庫、上海寶鋼總廠備件立體庫、國家 863 計劃中 驗工程立體庫、濟南第一機床廠中央立體庫、株洲南方航空動力機械有限公司物流系統(tǒng)、儀征化纖股份公司滌綸長絲立體庫、廣東震德塑料機械廠有限公司零部件自動化立體庫、浙江正泰電器集團立體倉庫、伊利液態(tài)奶立體倉庫、蒙牛乳業(yè)立體倉庫和中國人民解放軍軍需、器材立體倉庫等百座自動化倉庫的建設 , 近些年來，倉儲物流行業(yè)已有了自己的學術組蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 6 織，定期在全國范圍內交流學術經驗。針對目前我國立體倉庫行業(yè)的設計制造水平， 參照國外標準制定出了一系列行業(yè)標準、規(guī)范，使立體倉庫的科研、設計、制造進入規(guī)范化發(fā)展。 近些年我國自動化倉庫技術發(fā)展很快，已實現(xiàn)了與其它信息決策系統(tǒng)的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。盡管如此，至今在我國己建成的集成化倉儲系統(tǒng)還不多，我國的立體倉庫與國外發(fā)達國家相比，無論是從數(shù)量上還是從建設水平上都有著比較大的差距。 體 庫的應用前景 一個國家的物流水平充分反映出來了這個國家的綜合實力和市場競爭力，尤其在跨世紀的未來十年中，物流科學對于經濟發(fā)展的影響顯得格外重要，對于企業(yè)生產來說，物流科 學可以帶來巨大的經濟效益，向物流要利潤成為了企業(yè)即席生存和發(fā)展的基礎。物流的關鍵就是對于立體倉庫及成套設備的管理。 物流是經濟發(fā)展的命脈，像人體的血液一樣，時刻支撐著人體的各種循環(huán)，維持著生命。在物流學說的研究領域中，工業(yè)企業(yè)物流一直是被關注的焦點，這不僅由于物流組織的好壞直接決定著企業(yè)生產過程是否能夠順利進行，決定著企業(yè)產品的價值和使用價值是否能夠順利實現(xiàn)，而且企業(yè)的物流費用己成為生產成本和流通成本的重要組成部分。在這種情況下，企業(yè)將主要力量花在降低生產成本上是“不得要領”的，明智而有效的方法是改善物流。 因此，以降低物流成本、減少資金占用、縮短生產周期為主要目標的物流合理化 (稱為企業(yè)的“第三利潤源泉”、“最重要的競爭領域”，它被放到企業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略高度來加以研究和實施。而自動化倉庫作為物流系統(tǒng)的一個樞紐和核心，是物流系統(tǒng)實現(xiàn)物流合理化的關鍵所在，在國民經濟中有著舉足輕重的地位。 立體 庫的出現(xiàn)與發(fā)展，應該是與工業(yè)、科技的發(fā)展相適應?，F(xiàn)代化大生產，越來越促使工業(yè)生產社會化、專業(yè)化、集中化。生產的高度機械化和自動化必然要求物資的供應和分發(fā)要及時、迅速、準確。由于其具有很高的空間利用 率、很強的入出庫能力、采用計算機進行控制管理而利于企業(yè)實施現(xiàn)代化管理等特點，已成為企業(yè)物流和生產管理不可缺少的倉儲技術，越來越受到企業(yè)的重視。立體化倉庫技術能否得到迅速的應用和發(fā)展，已成為工廠設計中高科技的一個象征。隨著科學技術的進步，倉庫技術將進一步向系統(tǒng)化、自動化、無人化方向發(fā)展，倉庫管理也將向計算機化、網絡化的趨勢發(fā)展。自動化立體倉庫在企業(yè)的廣泛應用將為進一步提高企業(yè)的綜合經濟效益發(fā)揮著重要的作用。 目前，立體倉庫在發(fā)達國家已相當普遍，以自動化功能齊全的立體倉庫取代蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 7 傳統(tǒng)的普通房式倉庫己成為世界倉儲建設 發(fā)展的潮流。據不完全統(tǒng)計，美國擁有各種類型的立體倉庫 20000 多座，日本擁有 38000 多座，德國擁有 10000 多座，英國有 4000 多座，前蘇聯(lián)有 1500 多座。高度達 40 米以上的巨型立體倉庫數(shù)量越來越多 9。 我國 立體 庫使用中存在的主要問題是利用率低、效果不明顯、規(guī)模不確定、優(yōu)勢不突出，使許多庫場資源閑置，特別是一些產品批量小而單一的生產企業(yè)實現(xiàn)倉庫自動化，庫場設施設備資源閑置與重復配置矛盾突出。據不完全統(tǒng)計，目前我國擁有立體倉庫 1000 余座，在 15 米以上的大型立體倉庫 100 多座，其中全自動化的立體倉庫有 30 多個。 1995 年建成的儀征化纖工業(yè)聯(lián)合公司滌綸長絲立體倉庫是日前由國內獨立設計和制造的綜合自動化程度最高的立體倉庫高度 10。 商務部提出了“十二五”時期商務發(fā)展的九大任務中提出“加快構建現(xiàn)代流通網絡，全面提升流通效率和水平，大力發(fā)展第三方物流，支持大型連鎖企業(yè)發(fā)展統(tǒng)一配送，鼓勵中小企業(yè)發(fā)展共同配送，支持物流企業(yè)拓展服務網絡和服務功能，提高物流組織化和專業(yè)化水。加強城市現(xiàn)代配送中心建設，完善大中城市社會化配送網絡。 這對 立體 庫的發(fā)展及應用創(chuàng)造了良好的前景。 論文研究的主要內容與結構 文研究的主要內容 本課題針對蘭州石化公司使用的 太原剛玉物流工程有限公司生產的 自動化立體倉庫 單立柱有軌巷道式堆垛機貨叉 在存取貨物時頻繁出現(xiàn)沖擊振動大， 存取貨定位不準、運行不 太 穩(wěn)定、存取貨不到位 等現(xiàn)象。作者 利用 算機軟件對貨叉的力學性能進行 了 分析，為 克服以上問題， 提高存取貨物的準確率，改進 堆垛機 貨叉 的性能 作了大量分析研究 。單立柱有軌巷道式堆垛機如圖 1示，堆垛機貨叉機構如圖 1示。 蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 8 圖 1單立柱巷道式堆垛機 圖 1垛機貨叉機構 該堆垛機主要技術性能與參數(shù)如表 1示。 蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 9 表 1垛機主要技術性能與參數(shù) 項目 技術性能與參數(shù) 結構形式 單立柱落地式 載荷 載荷尺寸 450W x 450D x 300H 量 100運動速度 走 行 18m/ 升 18m/ 叉 15m/行范圍 走行距離： 2m 升降距離： 3.6 m 伸縮距離： 左 /右 600 機類型 行 走 交流伺服電機 升 交流伺服電機 叉 交流伺服電機 定載重量 1000N (100主要內容如下： 1 建立貨叉 結構 模型 貨叉伸縮機構是堆垛機的取放物料裝置，是比較重要的裝置，通過三維軟件建立其結構模型，并進行原理仿真。 2貨叉的力學性能分析 對貨叉伸縮機構建立 真模型，網格圖，并進行力學分析，通過有限元分析得到在重力作用下的變形情況。 3貨叉的模態(tài)分析 對貨叉整機進行模態(tài)分析，提取了前 8 階固有頻率、主振型及振型圖，可得到貨叉結構的自振頻率和相應振型，為結構設計提供依據。 4貨叉 諧響應分析與控制 在模態(tài)分析的基礎上，通過諧響應分析，得出貨叉伸縮機構沿伸縮運動方向的激振力的諧響應曲線，可以得到單立柱堆垛機在受外界激勵作用下各階危險頻率的變形情況，設計時盡量使這些固有頻率避開外激勵的頻率可以避免發(fā)生共振，有效地減小振動幅值，從而控制相應的激振力的頻率，避開該振型下的共振。 5貨叉結構優(yōu)化，以提高其靜動態(tài)特性 蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 10 文的組織結構 第一章主要對本課題研究的背景暨我國物流的現(xiàn)狀及存在的問題進行說明，闡述立體倉庫在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀及應用前景，并針對 太原剛玉物流工程有限公司生產的 單立柱巷 道堆垛機貨叉進行研究。 第二章主要介紹立體倉庫的組成及功能，立體倉庫的關鍵設備 用 件建立三級直線差動式貨叉結構模型，進行模擬仿真，并分析了貨叉的運動特性。 第三章主要利用 件建立三級直線差動式貨叉有限元模型，并對貨叉叉板位移為 300、 400、 500、 600個不同位置進行仿真模型加載并求解，獲取了貨叉的變形情況。 第四章主要建立模態(tài)分析方程和諧響應分析方程，并利用 件對貨叉模型進行模態(tài)分析和諧響應分析，獲取了貨叉的固有頻率及 振動特性。 第五章主要針對貨叉進行結構優(yōu)化，建立了優(yōu)化模型，并對優(yōu)化模型進行靜態(tài)、模態(tài)及諧響應分析。 第六章主要對本課題的內容進行總結及存在的問題進行說明，并展望了立體庫堆垛機貨叉的情況，為今后設計、分析及應用奠定了基礎。 蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 11 第二章 立體 庫及堆垛機貨叉系統(tǒng)簡介 體 庫簡介 體 庫的概念 立體 庫又稱為自動存儲自動檢索系統(tǒng) (s/是一種新型 的倉儲技術，是物料搬運和倉儲科學中的一門綜合科學技術工程。立體 庫是以先進的計算機 控制技術為主要手段，可以在不直接進行人工處理情況下自動地存儲和提取物料，它以多層立體貨架為主要標志，配以先進的搬運設備 (包括堆垛機、智能運輸車及其配套的運行設施、托盤、貨箱等 )，由此而組成高效率的物流、大容量和科學地儲藏，以適應現(xiàn)代化生產、物資交流和倉儲的需要。立體倉庫的規(guī)劃和設計是涉及到物流監(jiān)控技術、計算機應用技術、通信技術、設備控制及貨位優(yōu)化管理等技術領域的綜合工程項目。 立體 庫是機械和電氣，強電控制和弱電控制相結合的產品，是由計算機控制的機電一體化系統(tǒng)。主要由貨物存儲系統(tǒng)，貨物存取和傳送系統(tǒng)，控制和管 理等三大系統(tǒng)組成，還有與之相配套的供電系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)、稱重計量系統(tǒng)、信息通信系統(tǒng)等。 立體 庫具有高效的倉儲能力、優(yōu)化的倉庫管理、快速準確的自動化倉庫操作，能節(jié)省大量的生產資源，應用領域非常廣泛，圖 2立體 庫的示意圖。 蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 12 圖 2立體 庫的示意圖 體 庫的組成 立體 庫是由倉庫建筑物、高層貨架、巷道式堆垛機、周邊設備和控制系統(tǒng)等組成 10。 1高層貨架及倉庫建筑 立體 庫從總體結構上看，可分為整體式和分離式兩種形式。整體式是指倉庫建筑 與高層貨架互相連接，形成一個不可分開的整體。其貨架結構既是存放貨物的支架，又是倉庫的立柱和倉庫側壁的支撐，倉庫的墻壁和屋頂都固定在高層貨架上。分離式是指倉庫建筑與高層貨架是相互分離的，貨架安裝在倉庫建筑物之內。但無論哪種形式，高層貨架都是主體結構。 2巷道堆垛機 用于自動存取貨物，是立體 庫中的主要堆垛和搬運設備。按結構形式分為單立柱和雙立柱兩種基本形式；按服務方式分為直道、彎道和轉移車三種基本形式。 蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 13 它主要由立柱、載貨臺、貨叉、運行機構、卷揚機構和控制機構等所組成。到目前為止，巷道式堆垛機已經有了很大的改 進。為了提高作業(yè)能力和作業(yè)效率，其運行起升、貨叉速度都有明顯提高；改善了調速技術，提高了停準精度；自動控制技術和保護措施日趨完備。 3輸送系統(tǒng) 是立體 庫的周邊設備，主要有液壓升降平臺、輥式輸送機、鏈條輸送機，升降臺，分配車、臺車、叉車、 統(tǒng) (自動導向小車 )等，負責將貨物運送到堆垛機或從堆垛機將貨物移走。這些設備與堆垛機互相配套，互相銜接，構成一個完整的裝卸搬運系統(tǒng)，完成物資的進出庫作業(yè)。 4自動控制系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng)是立體 庫的“指揮部”和“神經中樞”。它控制堆垛機和各種周邊設備的運行，自動完成貨物 的存入與揀出。立體倉庫中的自動控制系統(tǒng)主要指檢測裝置、信息識別裝置、控制裝置、通信設備、監(jiān)控調度設備、計算機管理設備以及大屏幕顯示器和圖像監(jiān)視等設備。 體 庫的 功能 立體倉庫的功能一般包括自動收貨、存貨、取貨、發(fā)貨和信息查詢等 11。 1收貨 指倉庫從供應方接受各種產品、材料或半成品，收存入倉庫的過程。收貨時需要站臺或場地供運輸車輛停靠，需要升降平臺作為站臺和載貨車輛之間的過橋，需要裝卸機械完成裝卸作業(yè)。卸貨時需要檢查貨物的品質和數(shù)量以及貨物的完好狀態(tài)，確認完好后方能入庫存放。一般的立體倉庫從 貨物卸載經查驗進入自動系統(tǒng)的接貨設備開始，將信息輸入計算機，生成管理信息，由自動控制系統(tǒng)進行貨物入庫的自動操作。 2存貨 指自動化系統(tǒng)將貨物存放到規(guī)定的位置，一般是放在高層貨架上。存貨之前首先要確定存貨的位置。某些情況下可以采取分區(qū)固定存放的原則，即按貨物的種類、大小和包裝形式來實行分區(qū)存放。隨著移動貨架和自動識別技術的發(fā)展，已經可以做到隨意存放，既能提高倉庫的利用率，又可以節(jié)約存取時間。 3取貨 是指自動化系統(tǒng)根據需求從庫房貨架上取出所需貨物。取貨可以有不同的取貨原則，通常采用的是先進先出的原則，即在 出庫時，先存入的貨物先被取出。對某些立體倉庫來說，必須能夠隨時存取任意貨位的貨物，這種存取貨要求搬運蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 14 設備和地點能頻繁更換。 4發(fā)貨 是指取出的貨物按照嚴格的要求發(fā)往用戶。根據服務對象的不同，有的倉庫只向單一用戶發(fā)貨，有的則需要向多個用戶發(fā)貨。發(fā)貨時需要配貨，即根據使用要求對貨物進行配套供應。 5信息處理 是指能隨時查詢倉庫的有關信息和伴隨各種作業(yè)產生信息報表單據。在立體倉庫中可以隨時查詢庫存信息、作業(yè)信息以及其它相關的信息。這種查詢可以在倉庫范圍內進行，有的可以在其他部門或分廠進行。 體 庫的 使用意義 由于使用高層貨架存儲貨物，存儲區(qū)可以大幅度地向高空發(fā)展，充分利用倉庫地面和空間，因此，節(jié)省了庫存占地面積，提高了空間利用率。目前世界上最高的立體倉庫高度已達 50 米。立體倉庫單位面積的儲存量可達 /平方米，是普通倉庫的 5 至 10 倍。采用高層貨架儲存，并結合計算機管理，可以容易地實現(xiàn)先入先出，防止貨物的自然老化、變質、生銹或發(fā)霉。立體倉庫也便于防止貨物的丟失及損壞。 低勞動強度 使用機械和自動化設備，運行和處理速度快，提高了勞動生產率，降低操 作人員的勞動強度，同時，能方便地進入企業(yè)的物流系統(tǒng)，使企業(yè)物流更趨合理化。 采用自動化技術后，還能較好地適應黑暗、低溫、污染、有毒和易爆等特殊場合的物品存儲需要。如國內已有的冷凍物品自動化倉庫和存儲膠片的自動化倉庫，在低溫和完全黑暗的庫房內，由計算機自動控制，實現(xiàn)貨物的出入庫作業(yè)。從而改善工作環(huán)境，保證安全操作。 高物料調節(jié)水平，加快儲備資金周轉 由于自動化倉庫采用計算機控制，對各種信息進行存儲和管理，能減少貨物處理過程中的差錯，而利用人工管理不能做到這一點。同時借助于計算機管理還能有效地利 用倉庫儲存能力，便于清點和盤庫，合理減少庫存，加快儲備資金周轉，節(jié)約流動資金，從而提高倉庫的管理水平。 快物資周轉，降低成本 作為生產過程的中間環(huán)節(jié)，具有原材料、在制品和成品的緩沖存儲功能，在自動化和機械化設備處理下，自動化程度提高，各種物料庫存周期縮短，從而降蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 15 低了總成本。對不同運輸方式、不同裝運方式、不同狀態(tài)的物料銜接，改變運輸方式，改變裝運方式和采用有效的技術，都會帶來費用的降低。 立體 庫的信息系統(tǒng)可以與企業(yè)的生產信息系統(tǒng)集成，實現(xiàn)企業(yè) 信息管理的自動化。自動化倉庫往往也是企業(yè)信息系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，決策者根據庫存信息制定戰(zhàn)略和計劃，指揮、監(jiān)測和調整企業(yè)行為。由于倉儲信息管理及時準確，便于決策者隨時掌握庫存情況，根據生產及市場情況及時對企業(yè)計劃做出調整，提高生產的應變力和決策力。 總之，立體 庫的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)的倉儲作業(yè)變?yōu)樽杂蛇x擇貨位，按需實現(xiàn)先入先出的機械化、自動化倉儲作業(yè)。在儲存的同時，可以對貨物進行必要的揀選、組配，并根據具體需要 ,有計劃地將庫存貨物按指定的數(shù)量和時間要求送到合適的地點，滿足均衡生產的需要。立體倉庫的出現(xiàn)使“靜態(tài)倉庫”變成了 “動態(tài)倉庫”。 垛機貨叉系統(tǒng)的結構 堆垛機的主要機械動作有 :轉運車巷道運輸行走，貨物周轉箱自動提升下落，貨叉伸縮向立體貨架存物取貨。其中，貨叉的自動伸縮機構設計難度最大，主要體現(xiàn)在： （ 1） 為了盡可能合理利用立體貨架空間，自動伸縮貨叉機構在滿足剛度要求的前提下，應盡可能降低自身高度，結構也不宜復雜龐大。 （ 2） 為使貨物在立體貨位上擺放整齊，穩(wěn)定可靠，貨叉伸出行程應大于等于物品周轉貨箱的長度。 （ 3） 為使堆垛機存物取貨動作靈活可靠，貨叉伸縮機構應盡可能減小摩擦阻力和機構運動間隙。 （ 4） 根據巷道堆垛機 的工作空間限制，為使貨叉結構緊湊，盡可能降低造價，伸縮貨叉的原動機應重量輕、體積小，動作行程短，滿足貨叉雙向伸縮的工作行程要求。 垛機貨叉系統(tǒng)的結構 該堆垛機貨叉采用 3 級直線差動式貨叉機構，能夠實現(xiàn)直線雙向伸縮 12。 1上叉 蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 16 處于 3 級貨叉的最上面，其結構如圖 2示，材料為碳素鋼，是直接叉取托盤的裝置。 圖 2垛機貨叉機構中的上叉結構圖 2中叉 處于 3 級貨叉的中間，其結構如圖 2示，材料為碳素鋼，它在下叉上運動，是上叉在其上運動的支撐部件。 圖 2堆垛機貨叉機構中的中 叉結構圖 3下叉 處于 3 級貨叉的最下層，其結構如圖 2示，材料為碳素鋼，它固定在載貨臺上，是中叉在其上運動的支撐部件。 圖 2堆垛機貨叉機構中的下叉結構圖 齒條 側板 上臺面 軸承母 下叉滾輪導軌 上叉滾輪導軌 齒輪 聯(lián)結板 軸承 齒條 蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 17 4驅動機構 伸叉機構裝在載貨臺上，載貨臺在輥輪的支撐下沿立柱上的導軌作垂直行走方向的運動 (起重 )，垂直于起重一行走平面的方向為伸叉的方向。從機構設計的角度，伸縮貨叉設計具有典型性，貨叉完全伸出后，其長度約為原來長度的兩倍以上。 堆垛機伸縮貨叉必須采用一種能使原動機動作行程增倍的雙向驅動直線運動機構，為此，在本案中選擇了齒輪齒條驅動機構。 5安全保護裝置 堆垛機是一種起重機械，它要在又高又窄的巷道內高速運行。為了保證人身及設備的安全，堆垛機必須配備有完替的硬件及軟件的安全保護裝置，并在電氣控制上采取一系列連鎖和保護措施。 （ 1）貨叉伸縮終端處設有機械和電氣限位裝置。 （ 2）載貨臺上還設有檢測貨叉是否回位、如貨叉沒有回位，堆垛機不能水平運行，以避免發(fā)生事故。 垛機貨叉機構的工作原理 貨叉伸縮機構采用三級直線差動式貨叉的機構原理驅動形式。這種結構形式的貨叉由動力驅動和上、中、底三叉以及導向部分構成，下叉?zhèn)让嫜b有滾輪并固定在載貨臺的臺 架上 ,中叉的下板與工字行導軌相連 ,上叉的頂板與立板相連 ,在立板上裝有滾輪。貨叉電機帶動齒輪旋轉 ,齒輪帶動齒條及中叉運動，相對于底叉向兩側伸出一定距離，同時，由于齒輪齒條倍增機構，上叉沿著中叉的工字行導軌，相對中叉向外伸出更長的距離當齒輪順時針轉動時，貨叉向右伸出，當齒輪逆時針轉動時，貨叉向左伸出，實現(xiàn)向貨位內存取貨物。如圖 2示。 蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 18 圖 2叉伸縮機構工作圖 如圖 2示，直線差動行程倍增機構為 1 個滾動齒輪和 2 個齒條組成的直線差動機構，從動齒條在滾動齒輪的上方，固定齒條在滾動齒輪的下方，根據相對運動原理，滾動齒輪與固定齒條的節(jié)點為二者的速度瞬心，當滾動齒輪相對于固定齒條滾動時，從動齒條將沿滾動齒輪中心運動方向，以滾動齒輪中心二倍的速度平行移動。這樣，就形成了從動齒條相對于滾動齒輪中心速度與行程的增倍機構 13。 圖 2線差動行程倍增機構 這種機構的特點是上叉相對于中叉伸出的距離為伸出行程的 2/3,而中叉相對于下叉伸出的距離為伸出行程的 1/3,上叉與中叉之間、中叉與下叉之間均有合適的導向接觸長度，保證 3 層貨叉伸出時的相對剛度要求。 體 庫貨叉的運動特性 叉的運動特點 堆垛機貨叉是一種需要經常啟動、制動的機械。而且在運動過程中其速度、蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 19 加速度和加速度的變化率也是變化的量，從而對機構和結構產生強烈的沖擊和振動，這就是通常所說的動載荷。例如，升降系統(tǒng)中，當開始起升和下降時，由于頻繁開閉起升電機和制動裝置會產生力矩沖擊的動力載荷。升降系統(tǒng)的起升繩索屬于彈性系統(tǒng)，當繩索從松弛狀態(tài)突然起升時，會產生較大的沖擊并引起動力載荷。此外，電動機平衡度較差，鏈條、鏈輪傳動及各種零件的制造誤差和缺陷都能使機構激振而產生動力載荷；以及與緩沖器發(fā)生碰撞都會引起振動和沖擊，在機構中產生較大的動力載荷。 貨叉系統(tǒng)中，當貨叉伸出和縮回時，由于頻繁開閉電機會產生力矩沖擊的動力載荷 ,貨叉伸縮采用齒輪齒條驅動，由于齒輪、齒條的跳動，嚙合間隙及制造的誤差使機構激振而產生動力載荷，以及與行程開關碰撞接觸都會引起振動和沖擊，都會產生動力載荷。 所以載貨升降及貨叉系統(tǒng)的運動特點可以概括為間歇、重復、循環(huán)、頻繁的起動、制動，在工作過程中伴隨有動力載荷 14。 叉的速度曲線分析 貨叉由于在起動和制動過程中，伴隨有振動和沖擊，當載貨臺加速上升或減速下降時，有超重 ;當載貨臺加速下降或減速上升時，有失重現(xiàn)象。貨叉伸縮 機構在起動和制動過程中，也伴隨有振動和沖擊，當取存貨物的時候，要求貨叉運行平穩(wěn)，盡量減少沖擊和振動，若過大會對堆垛機立柱產生沖擊，影響定位精度?？梢姡俣茸兓倪x擇是就顯得更為重要。選擇得適當，不但可以載貨臺和貨叉運行平穩(wěn)，同時還能提高載貨升降系統(tǒng)的運行效率。所以研究載貨升降及貨叉系統(tǒng)理想速度曲線，合理選擇速度曲線，對提高載貨升降系統(tǒng)和貨叉系統(tǒng)運行品質是非常重要的。如果能夠對加速度曲線以及對應的速度曲線作深入的推導后應用于計算和控制程序設計中，將會加強結果的準確性和可行性，為動態(tài)分析仿真和參數(shù)分析提供很好的 依據。 載貨升降臺的運行速度曲線有梯形、拋物線形、 S 曲線速度曲線三種形式。梯形速度曲線的運行效率較高，但其加速度容易突變，對提升機構造成過大的沖擊，引起較大的振動，帶來不安定因素。正弦速度曲線的加速度按正弦變化，加速度變化率不恒定，沖擊和振動相對較小，但正弦函數(shù)計算復雜，不適用于產生實時速度信號，且分析不方便。 S 曲線速度實際上是有梯形速度曲線與拋物線相結合而構成的，在曲線的加、減速的始、末端均呈拋物線形，中間為直線形，而實際的運行速度曲線與平穩(wěn)性有極大的關系，它隨速度的控制方式的不同而變化，一般包括動加速階 段、穩(wěn)速運行階段和減速制動階段。這種速度曲線的各項蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 20 分析和計算都較為方便，可使運動特性得到很好的改善，在實際中得到廣泛應用。 貨叉伸縮的運行速度曲線有線性、非線性和 S 三種曲線，前二種曲線特性與載貨臺升降系統(tǒng)中的梯形、拋物線速度曲線特性一樣，但 S 曲線形適用于恒轉矩負載，在起動和制動時，其變頻器頻率上升和下降速度較慢，從而減少貨叉的沖擊和振動。 為了使貨叉具有光滑加減速曲線，既滿足倉位定位速度快，貨叉運行平穩(wěn)，又能滿足出入庫頻率高的要求，本文選用 S 曲線 14進行運動分析。 S 速度曲線如圖 25所示，與 圖 2應的還有貨叉的加速度和加加速度（躍度）曲線，分別如圖 2圖 2示。圖中， m 分別為貨叉的速度最大值、加速度最大值以及加加速度（躍度）最大值。 圖 2速度曲線 圖 2速度曲線 蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 21 圖 2加加速度曲線 叉伸縮的運行曲線參數(shù)計算 貨叉伸縮運行速度曲線的計算，一般都是在給定合理的運行最大速度，同時設定 最大加速度及加速度變化率的條件下，計算出提升系統(tǒng)的各個運動參數(shù)。設載貨臺在圖 2示的 S 速度曲線中的最大速度、最大加速度及加速度變化率分別為 m ，以此為依據確定曲線的其它參數(shù)。由于載貨臺運行在變速度下，以運行的時間段來區(qū)分計算，可將一個完整的 S 形曲線分為 0 7 個時間段，即加加速段 加速段 減速段 速段 加速段 減速段 減減速段 速段的速度是根據輸送能力的要求和驅動電動機功率及電耗較小的原則確定的，加 (減 )速段的加速度一般是根據運行系統(tǒng)的慣性力和沖擊力引起升降系統(tǒng)的振動、沖擊效應以及防滑條件來確定的 16。 設 段的加速度變化率分別為 1， 2， 3， 4，運行的時間為 據幾何關系可在每個時間段計算貨叉的運行速度、加速度和運行位移如下。 1 02)選擇 閉對話框 文選擇的單元類型為 料屬性是與幾何模型無關的本身屬性，例如楊氏模量、密度等。雖然材料屬性并不與單元類型聯(lián)系在一起，但是由于計算單元矩陣時需要材料屬性，了方便用戶，還對每種單元類型列出了相應的材料類型，根據不蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 33 同的應用，材料屬性可以是線性或者非線性的。與單元類型及實常數(shù)類似，一個分析中可以定義多種材料，每種材料設定一個編號。貨叉主要結構材料為 45 鋼，但必須定義其楊氏模量、密度、泊松比。其他材料屬性不需要給出。 楊氏模量： 105度： 0松比： 0. 3 貨叉由上叉、中叉和下叉構成，在 別建立上叉、中叉和下叉實體模型如圖 3示。 然后按單立柱巷道式堆垛機上叉、中叉和下叉間相互位置關系，將上叉、中叉和下叉模型移動到位。然后運用 爾運算將所有的體進行相加；考慮到計算機性能，本文建模時對單立柱巷道式堆垛機貨叉系統(tǒng)做了部分簡化。 布爾操作可以對幾何圖元進行布爾運算， 的布爾計算操作包括加 (減 (求交 (分解 (接 (搭接 (。它們不僅適用于簡單的體素的圖元，也適用于從 統(tǒng)傳入的復雜的幾何模型。在缺省的情況下，布爾操作完成后輸入的圖元被刪除。被刪除的圖原編號變成“自由”的（這些自由的編號將附給新創(chuàng)建的圖元，從最小的自由編號開始）。對上叉、中叉和下叉實體模型進行布爾運算后便得到貨叉系統(tǒng)的仿真模型。為分析貨叉系統(tǒng)位移對貨叉受載后變形的影響 。 本章按上述方法 ，可以 建立貨叉系統(tǒng) 任意 位移 （從 0 600加載仿真模型，為了求解方便，作者選擇了貨叉位移分別為 300400500600仿真模型。對貨叉模型進行布爾運算之后，運用自由劃分網格的方式對貨叉系統(tǒng)模型進行網格劃分。 蘭州大學碩士研究生學位論文 基于 立體庫堆垛機貨叉建模與 分析 34 圖 3 上叉、中叉和下叉仿真模型 模型施加載荷和求解 對下叉底面施加全約束 24,25。 本章仿真工作臺受 1000N 的載荷情況下貨叉系統(tǒng)的靜態(tài)變形，假設承載面尺寸為： 150 245 ，因此對模型工作臺施加 面力。 叉位移為 300 的仿真模型加載與求解 加載如圖 3示，對加載后的模型求解得