小區(qū)自動化立體倉庫設(shè)計(jì)

緒論引言1.1.1研究背景隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和電子商務(wù)行業(yè)的迅速發(fā)展，城市居民區(qū)對物流供應(yīng)鏈各方面的需求和要求也在持續(xù)地增長和提高。其中，倉儲系統(tǒng)作為物流供應(yīng)鏈連接生產(chǎn)、供應(yīng)及銷售的中轉(zhuǎn)站，對物流活動的流通效率起著重要的幫扶作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止至2015年，我國智能倉儲行業(yè)市場規(guī)模已達(dá)到410.5億元，至2019年，更是持續(xù)增長到969.8億元，其市場規(guī)模年均復(fù)合增長率達(dá)到了24%左右[1]。而自動化立體倉庫作為自動化、智能化物流倉儲系統(tǒng)中的重要一環(huán)，在現(xiàn)今人力成本高昂和土地面積資源緊缺的情況下，早已備受各領(lǐng)域行業(yè)的持續(xù)性關(guān)注。截止至2019年，我國煙草行業(yè)的自動化立體倉庫的應(yīng)用率已經(jīng)達(dá)到到了14.8%左右，是我國對自動化立體倉庫應(yīng)用最廣的一個行業(yè)，緊隨其后的是醫(yī)藥行業(yè)，其應(yīng)用率也達(dá)到了12.8%左右[2]。圖1-1自動化立體倉庫應(yīng)用行業(yè)分布而在自動化立體倉庫已被普遍使用于各行各業(yè)的倉儲系統(tǒng)的今天，大部分城市居民區(qū)的物流倉儲系統(tǒng)還處于人力管理的階段，設(shè)施老舊，并且難以得到有效的管理，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足當(dāng)代城市居民的貨物存取需求，同時(shí)也使得小區(qū)“取件難”、“翻找麻煩”、“亂堆放”等各種問題隨之而來。據(jù)國家郵政局近期發(fā)布，截止至2023年4月6日上午8時(shí)，我國快遞業(yè)務(wù)量已達(dá)300億件，一個1000戶的小區(qū)平均一天有200的快遞量左右。而我國的大型小區(qū)的建筑密度高、人口密度大，人口流動性強(qiáng)，但與之所配套的物流服務(wù)卻依舊是位置分布不均勻、入庫時(shí)間不規(guī)律，以人力管理為主的小型快遞柜服務(wù)，其取件流程不僅繁瑣復(fù)雜，同時(shí)也因?yàn)槠鋷烊萘啃《a(chǎn)生了節(jié)假日快遞過多便無法入庫、居民簽收快遞的效率低下以及暫存快遞的時(shí)間一旦超過了規(guī)定值，就隨即收取費(fèi)用的問題[3]。其次，小型快遞柜服務(wù)由于是由人工處理信息來分揀快遞，在分揀工作量過大時(shí)往往會出現(xiàn)錯碼錯件、收件人信息混雜以及貨物打包信息錯誤的問題，從而導(dǎo)致居民的滿意度下降和物流作業(yè)效率低下。除此之外，小型快遞柜服務(wù)所能存儲的貨物規(guī)格范圍十分有限，尺寸過大的快遞一般只能暫存在距離小區(qū)最近的快遞站點(diǎn)，無法做到“最后一米”的服務(wù)，導(dǎo)致其靈活性大打折扣。因此，面臨如此龐大的快遞貨物數(shù)量，不少大型小區(qū)所存在的末端倉儲設(shè)施欠缺、智能物流設(shè)施配備不足的問題急需解決。1.1.2研究意義自動化立體倉庫由于具有搬運(yùn)無人化、空間利用率高、管理信息化等諸多優(yōu)勢，在軍事、工業(yè)生產(chǎn)、物流等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)代自動化立體倉庫結(jié)合堆垛機(jī)等多種機(jī)械設(shè)備和自動控制系統(tǒng)等智能化計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，采用軟硬件協(xié)同工作的形式來實(shí)現(xiàn)貨物的存取、搬運(yùn)以及管理工作。相較于傳統(tǒng)倉庫，自動化立體倉庫不僅將貨物的保存方式由“靜態(tài)存儲”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皠討B(tài)物流”，從而大大提高了貨物的存取效率，同時(shí)其空間利用率也是普通倉庫的2~5倍。此外，自動化立體倉庫無需額外的人工干預(yù)管理，在一定程度上也降低了人力資源成本，其模塊化的設(shè)計(jì)也便于日后的升級和維護(hù)。在面對城市居民區(qū)貨物存儲空間較小、貨物流動量較大、貨物管理較難的情況時(shí)，小區(qū)自動化立體倉庫的建設(shè)可以有效地解決上述的三類問題。與此同時(shí)，自動化立體倉庫與計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益結(jié)合，以及“互聯(lián)網(wǎng)+”模式的逐步運(yùn)用，也為其日后自動化的小區(qū)物流生產(chǎn)鏈的形成起到了重要的鋪墊輔助作用。因此針對小區(qū)應(yīng)用背景下的自動化立體倉庫研究具有較強(qiáng)的意義。1.2國內(nèi)與國外研究現(xiàn)狀自動化立體倉庫是當(dāng)代物流倉儲系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，其不僅承擔(dān)了貨物的入庫、存儲及出庫流程工作，同時(shí)還具備對貨物進(jìn)行加工、分揀、包裝的功能，是自動化和智能化的合一。五十年代初期，美國創(chuàng)造性地發(fā)明出橋式堆垛起重機(jī)，并將其應(yīng)用到立體倉庫當(dāng)中，隨后于六十年代初期發(fā)展為由手動操作的巷道式堆垛起重機(jī)立體倉庫。此后，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟和發(fā)展，1963年電子計(jì)算機(jī)控制技術(shù)首次在美國被應(yīng)用于立體倉庫，其操作方式也由手動操作逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘胱詣雍腿詣硬僮?。八十年代以來，伴隨著物流的自動化、數(shù)據(jù)化及RS、ACVS、BarcodeScanner等設(shè)備的應(yīng)用，自動化立體倉庫也逐漸走向人工智能化和集成化[4]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，迄今為止，美國、日本等發(fā)達(dá)國家所建設(shè)的自動化立體倉庫數(shù)量均超過了10000，并針對自動化立體倉庫的一系列組成系統(tǒng)做了倉儲貨位的優(yōu)化，有效地解決了立體倉庫的分類儲存的庫位分配問題。目前，美國Hallmark公司、日本Muratec公司及澳大利亞FINEMORES公司等立體倉庫應(yīng)用在全球均有一定的知名度。相較于國外，我國對立體倉庫的建設(shè)雖然緊隨其后，但其配套起重運(yùn)輸設(shè)備及其自動化控制系統(tǒng)的研究起步相對較晚、技術(shù)水平相對落后。1963年，第一臺由我國自主研制的橋式堆垛起重機(jī)首次被成功應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)立體倉庫當(dāng)中，隨后于1980年順利發(fā)展為具備電子計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的自動化立體倉庫。2012年，隨著物流和電商行業(yè)規(guī)模的迅速擴(kuò)張和發(fā)展，我國的自動化立體倉庫的技術(shù)水平也隨之突飛猛進(jìn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2019年，我國自動化立體倉庫保有量超6000座左右，其行業(yè)市場規(guī)模已增長至2911億元，預(yù)計(jì)到2023年，將達(dá)到4300億元，基本覆蓋到了絕大多數(shù)應(yīng)用行業(yè)，例如煙草、冷鏈行業(yè)等[5]。除此之外，無論是我國還是國外其他發(fā)達(dá)國家，對自動化立體倉庫的主要研究層面均集中在立體倉庫的輸送機(jī)系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等方面?，F(xiàn)今，絕大部分的國內(nèi)外自動化立體倉庫均采用了AGV運(yùn)輸車來牽引載貨臺車進(jìn)行物料的搬運(yùn)，且其作業(yè)過程也逐步向智能化、柔性化、自動化等方向發(fā)展。1.3課題主要研究內(nèi)容本文主要以規(guī)格為任意一邊的長度小于1m，橫周長小于3m，重量小于20公斤的快遞包裹為研究對象，以《自動化立體倉庫設(shè)計(jì)規(guī)范》JB/T9018-2011為設(shè)計(jì)依據(jù)，在查閱大量文獻(xiàn)資料的同時(shí)，運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識，以小區(qū)物流倉儲為基礎(chǔ)，對適用于小區(qū)倉儲系統(tǒng)的自動化立體倉庫進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，并對其校核檢驗(yàn)。其主要內(nèi)容如下：（1）首先，本文先對當(dāng)代自動化立體倉庫的設(shè)計(jì)原則及步驟等進(jìn)行了相關(guān)的說明和總結(jié)，隨后詳細(xì)介紹了其基本設(shè)備構(gòu)成及其核心關(guān)鍵設(shè)備的參數(shù)的設(shè)計(jì)，最后討論了立體倉庫中常見的布局方式及其優(yōu)劣勢。（2）對自動化立體倉儲系統(tǒng)中所采用的堆垛機(jī)和貨架進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并對相應(yīng)的部位的剛度和強(qiáng)度等性能進(jìn)行校核，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。（3）根據(jù)小區(qū)應(yīng)用背景下自動化立體倉庫的實(shí)際需求，假設(shè)構(gòu)建出相應(yīng)的自動化立體倉儲系統(tǒng)，隨后利用仿真軟件Flexsim對其進(jìn)行模擬仿真，最后根據(jù)所得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析仿真結(jié)果、優(yōu)化模型。1.4本章小結(jié)本章節(jié)主要以小區(qū)物流的三大痛點(diǎn)為介入點(diǎn)，從中分析和說明了小區(qū)自動化立體倉庫建設(shè)的研究意義以及簡要地闡述了立體倉庫的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及優(yōu)勢，隨后對本文研究課題的核心內(nèi)容作了說明和總結(jié)。

2小區(qū)自動化立體倉庫規(guī)劃與設(shè)計(jì)2.1立體倉庫的組成自動化立體倉庫（AS/RS）主要由堆垛機(jī)、托盤、高層立體貨架、輸送系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、庫存信息管理系統(tǒng)及其他外圍設(shè)備所組成，如圖2-1所示。此外，按照其建筑構(gòu)造形式的不同還可分為庫架合一式和組合式：在庫架合一式中，貨架不僅僅是存儲貨物的場所，同時(shí)還需要支撐整個倉庫結(jié)構(gòu)，其高度一般在12m以上；在組合式中，貨架以倉庫內(nèi)部獨(dú)立個體的形式存在，不具備支撐功能，其高度一般在12m以下，部分高度在15m~20m之間。圖2-1自動化立體倉庫整體結(jié)構(gòu)圖2.1.1堆垛機(jī)堆垛機(jī)即堆垛起重機(jī)，主要由下橫梁、起升機(jī)構(gòu)、載貨臺以及電氣控制系統(tǒng)等部件組成，隸屬于倉儲設(shè)備的一種，可在短時(shí)間內(nèi)完成高架貨物的搬運(yùn)與存取作業(yè)。此外，由于堆垛機(jī)的規(guī)格尺寸較小，不僅能在狹窄的巷道內(nèi)運(yùn)行，還可通過遠(yuǎn)程控制完成作業(yè)過程。圖2-2巷道式堆垛起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖2.1.2托盤托盤又名工位器具，作為物流系統(tǒng)中的集裝設(shè)備，在物流運(yùn)作中主要起到對貨物進(jìn)行裝卸、存儲及運(yùn)輸?shù)闹匾o助作用，在對貨物進(jìn)行一定保護(hù)的同時(shí)，也規(guī)范了貨物的規(guī)格大小，實(shí)現(xiàn)了貨物包裝的單元化和標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)不同的貨叉叉入方式，其可分類為單向叉入型、雙向叉入型以及四向叉入型等。2.1.3貨架現(xiàn)代化倉儲貨架根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的不同可分類為組合式、焊接式以及整體式。其中傳統(tǒng)的通過焊接的方式來連接鋼結(jié)構(gòu)的托盤式貨架運(yùn)用最為廣泛?，F(xiàn)今常用的托盤式貨架按照有無豎向支撐系統(tǒng)，又可將托盤式貨架分為無支撐托盤式貨架結(jié)構(gòu)和帶支撐托盤式貨架結(jié)構(gòu)，分別如圖2-3（a）（b）所示[5]。在實(shí)際工程中，無支撐托盤式貨架結(jié)構(gòu)通常用于高度低于12m的平庫；帶支撐托盤貨架可用在高于12m的貨架結(jié)構(gòu)中，并多用于高度大于20m的自動化立體庫中[5]。無支撐托盤式貨架（b）帶支撐托盤式貨架圖2-3托盤式貨架結(jié)構(gòu)圖2.1.4輸送系統(tǒng)自動化輸送系統(tǒng)根據(jù)其不同的運(yùn)作模式，可分為輸送機(jī)系統(tǒng)、往復(fù)穿梭車系統(tǒng)、環(huán)形穿梭車系統(tǒng)以及AGV系統(tǒng)，其一般被用作自動化立體倉庫的外圍設(shè)備，主要負(fù)責(zé)貨物的出入庫接收、處理及運(yùn)輸工作，但同時(shí)也具備了一定的貨物暫存和緩沖的功能。2.1.5分揀系統(tǒng)自動分揀系統(tǒng)由機(jī)械傳輸線、機(jī)電一體化控制系統(tǒng)、分類系統(tǒng)以及分揀道口等其他配套設(shè)備組成，是自動化立體倉庫中不可或缺的重要組成部分。自動分揀系統(tǒng)主要用于以貨物的種類、儲位或派發(fā)地點(diǎn)為依據(jù)，不間斷、大批量地對各物流貨物進(jìn)行挑揀分類，并且將各貨物運(yùn)輸?shù)街付ǖ呢浖軆ξ换蚺渌驼九_。根據(jù)其組成結(jié)構(gòu)的不同，可將自動分揀系統(tǒng)分為堆塊式、交叉帶式、斜導(dǎo)輪式以及搖臂式等。2.2立體倉庫主要的參數(shù)設(shè)計(jì)2.2.1貨格尺寸的設(shè)計(jì)托盤的存儲方式和規(guī)格尺寸的大小是設(shè)計(jì)貨格尺寸的形式的重要參考條件，二者直接決定了貨格尺寸的設(shè)計(jì)形式。因此，在對貨格尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，第一步要先確定好托盤的存儲方式和規(guī)格尺寸的大小。除此之外，一個合理的貨格尺寸設(shè)計(jì)不單單能增加立體倉庫的庫容量、大大提高倉庫空間的利用率，同時(shí)也能配合輸送設(shè)備，在一定程度上提高整個倉儲系統(tǒng)的工作效率。下面簡要介紹橫梁式貨架的貨格尺寸的設(shè)計(jì)方法。圖2-4單貨格存放單托盤本文采用單貨格存放單托盤的貨格存儲方式，其相關(guān)尺寸參數(shù)見圖2-4。貨格的尺寸相關(guān)設(shè)計(jì)方法如下[6-8]：Lcell=Dcell=Hcell=其中：Hcell——貨格高度（mm）Dcell——貨格深度Lcell——貨格長度（mm）HZ——托盤高度DZ——托盤深度（mm）LZ——托盤長度a——貨格與托盤兩側(cè)間隙，一般取75mm~100mmb——貨格與托盤上方間隙，一般取(0.85~0.9)×2.2.2貨架尺寸的設(shè)計(jì)貨架高度作為自動化立體倉儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)則中的重要參數(shù)，其數(shù)值大小不僅會直接影響到系統(tǒng)其他參數(shù)的設(shè)置，同時(shí)還會直接關(guān)聯(lián)到倉儲系統(tǒng)制造成本的高低與否。貨架高度H與其折算費(fèi)用的變化關(guān)系見表2-1所示。立體倉庫的庫容量大小對貨架的最佳高度的設(shè)計(jì)好壞具有決定性的影響，當(dāng)庫容量達(dá)到6000噸以下時(shí)，最佳高度應(yīng)設(shè)計(jì)為12.6m；當(dāng)庫容量達(dá)到6000噸以上時(shí)，最佳高度應(yīng)設(shè)計(jì)為16m。貨架的長度取決于堆垛機(jī)最大的行走距離，一般滿足以下關(guān)系：HL=表2-1折算費(fèi)用與貨架高度H之間的變化關(guān)系H/m68.410.812.614.416.2折算費(fèi)用（%）10096927364582.2.3堆垛機(jī)作業(yè)周期堆垛機(jī)的作業(yè)周期長短決定著自動化立體倉儲系統(tǒng)的出入庫能力，因此在對堆垛機(jī)進(jìn)行選型時(shí)，應(yīng)將作業(yè)周期作為重要數(shù)值參考。堆垛機(jī)出入庫作業(yè)經(jīng)常采取的兩種方法：復(fù)合作業(yè)方法和單一作業(yè)方法。堆垛機(jī)復(fù)合作業(yè)方法的周期根據(jù)經(jīng)驗(yàn)簡化的計(jì)算公式為[9]：TD=堆垛機(jī)單一作業(yè)方法的周期根據(jù)經(jīng)驗(yàn)簡化的計(jì)算公式為[9]：TS=2L其中：TfL：貨架的總長度，單位為m；H：貨架的總高度，單位為m；aY：堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)的垂直加速度，單位為maX：堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)的水平加速度，單位為mVX：堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)的最大水平速度，單位為mVY：堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)的最大垂直速度，單位為mTDTS2.2.4堆垛機(jī)基準(zhǔn)出入庫能力復(fù)合作業(yè)方法下堆垛機(jī)的基準(zhǔn)出入庫能力計(jì)算公式如下：ND=其中： NDTD單一作業(yè)方法下堆垛機(jī)的基準(zhǔn)出入庫能力計(jì)算公式如下：NS=其中： NSTS2.2.5巷道數(shù)的設(shè)計(jì)根據(jù)有無空間的不同限制條件，巷道數(shù)的計(jì)算需要采取不同的相應(yīng)計(jì)算方法。但由于在無空間限制條件下，巷道數(shù)的計(jì)算過程復(fù)雜麻煩且計(jì)算量大，所以本節(jié)僅選用在有空間限制條件的情況下，對巷道數(shù)的一般計(jì)算方法進(jìn)行分析和討論。有空間限制條件通俗來說，即指倉庫貨架的行數(shù)與層數(shù)都基本確定的情況。在處于該限制條件下時(shí)，設(shè)計(jì)計(jì)算所需的最少巷道數(shù)必須要以立體倉庫的基準(zhǔn)出入庫能力為計(jì)算根據(jù)，才能得到相對應(yīng)的合理巷道數(shù)數(shù)值。其計(jì)算公式如下：n=P×T其中： n：巷道數(shù) TSTDk1：堆垛機(jī)單一作業(yè)次數(shù)占總次數(shù)的比例；k2：堆垛機(jī)復(fù)合作業(yè)次數(shù)占總次數(shù)的比例；P：立體倉庫每小時(shí)的出入庫總數(shù)量；η：堆垛機(jī)期望使用率。2.5本章小結(jié)本章節(jié)主要對自動化立體倉庫的各個組成部分做了簡要的闡述和說明，并對其貨架單元和堆垛機(jī)做了較為詳細(xì)的參數(shù)計(jì)算。3小區(qū)自動化立體倉庫的詳細(xì)設(shè)計(jì)近年來，隨著物流業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化立體倉庫被更多地應(yīng)用于物流供應(yīng)鏈的倉儲系統(tǒng)中。而在立體倉庫中，堆垛機(jī)的合理設(shè)計(jì)對提高貨物的存取效率起著關(guān)鍵作用，同時(shí)貨架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度往往決定著存放貨物的多少。因此本章將對堆垛機(jī)和貨架進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。3.1堆垛機(jī)的設(shè)計(jì)堆垛機(jī)作為自動化立體倉庫的設(shè)備之一，可分為橋式和巷道式兩種，均能有效地完成貨物的堆垛作業(yè)。相較于橋式堆垛機(jī)，巷道式堆垛機(jī)質(zhì)量更為輕便、體積更為小巧，可以配合實(shí)際工作場合的變化，靈活搬運(yùn)堆垛貨物，所以本節(jié)最終決定以單立柱有軌巷道式堆垛機(jī)為設(shè)計(jì)重點(diǎn)，并對其下橫梁等核心部件進(jìn)行詳細(xì)地設(shè)計(jì)和進(jìn)一步地分析。巷道式堆垛機(jī)整體設(shè)計(jì)圖如圖3-1所示。1-下橫梁2-起升機(jī)構(gòu)3-伸縮貨叉4-立柱5-地軌圖3-1巷道式堆垛起重機(jī)整體設(shè)計(jì)圖3.1.1堆垛機(jī)下橫梁設(shè)計(jì)堆垛機(jī)下橫梁是支撐貨物、貨叉及起升機(jī)構(gòu)，同時(shí)帶動堆垛機(jī)沿地軌水平方向運(yùn)動的重要機(jī)構(gòu)。其主要由緩沖墊、驅(qū)動輪、水平導(dǎo)輪、從動輪以及減速電機(jī)等零件組成。結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。1-緩沖墊2-驅(qū)動輪3-水平導(dǎo)輪4-從動輪5-減速電機(jī)圖3-2下橫梁結(jié)構(gòu)圖（1）行走輪直徑的確定主動輪組和從動輪組統(tǒng)稱為行走輪組。由于堆垛機(jī)在實(shí)際工作中，其貨叉會因受到貨物重力的反作用而導(dǎo)致行走輪組側(cè)壓，從而發(fā)生脫軌現(xiàn)象，所以需要在行走輪側(cè)面進(jìn)一步安裝導(dǎo)向輪。行走輪各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系式如下[10]：P=KDB?2r（3-1K=240k240+v（3-式中：P——允許載荷（kg）D——車輪的踏面直徑（cm）B——鋼軌的寬度（cm）r——鋼軌頭部的圓角半徑（cm）K——許用應(yīng)力系數(shù)（kg∕cm2v——行走速度（m/min）k——許用應(yīng)力（球墨鑄鐵的許用應(yīng)力為50）（kg∕cm在確定B=6.4cm，r=0.2cm，k=50kg∕cm2，v=80m∕min后，將各項(xiàng)參數(shù)代入公式（3-5）考慮到本文所設(shè)計(jì)堆垛機(jī)的應(yīng)用倉儲系統(tǒng)為小區(qū)立體倉庫，實(shí)際存儲的貨物規(guī)格較小、重量較輕，所以假設(shè)實(shí)際情況中Pmax=100kg，然后將相關(guān)已知參數(shù)代入（3-4）可得：D=4.4cm，車輪的軸徑為dmin=C（2）運(yùn)行阻力的計(jì)算小型的有軌巷道式堆垛機(jī)在沿金屬軌道做直線運(yùn)行時(shí)，其行走輪組與軌道、軸承之間，軸與輪轂之間均會因?yàn)槟Σ炼a(chǎn)生一定的阻力，因此若根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行考慮，其計(jì)算過程較為繁瑣麻煩。所以，為了簡化計(jì)算過程、加快計(jì)算的速度，本節(jié)假設(shè)用一個行走輪來承擔(dān)行走輪組所受到的全部載荷。其受力圖如圖3-3所示。圖3-3單個車輪受力圖由彎扭平衡條件得[9]：M=Fd2+Nf=D2即有：Wf=(P+G)(μdD+2fD考慮其它附加阻力，乘以一個系數(shù)K，即[11]：W=(P+G)(μdD+2fD)K式中：M——驅(qū)動力矩（MPa）f——行走輪滾動摩擦系數(shù)D——行走輪直徑（mm）μ——軸承摩擦系數(shù)P——堆垛機(jī)的額定起重重量（N）d——軸徑（mm）G——堆垛機(jī)的自身重量（N）經(jīng)查表可知：滾動摩擦系數(shù)f=0.04，軸承摩擦系數(shù)μ=0.02，附加阻力系數(shù)K=2，帶入（3-8）式中求得，滿載時(shí)的運(yùn)行摩擦阻力為：W=10125N?？紤]到其工作環(huán)境為小區(qū)室內(nèi)，所以可以忽略其他可能的外在阻力的影響，從而直接假設(shè)其靜阻力就等于其摩擦阻力，最后計(jì)算可以得到堆垛機(jī)在滿載工作時(shí)的運(yùn)行阻力為10125N。（3）行走機(jī)構(gòu)電動機(jī)功率的計(jì)算根據(jù)有軌巷道式堆垛機(jī)在滿載且穩(wěn)定運(yùn)行的情況下所承受的靜阻力以及該情況下的運(yùn)行速度可以計(jì)算得出堆垛機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電動機(jī)功率。靜功率（KW）的計(jì)算公式為[12]：N=WV60×1000×Z×η（3-式中：W——行走機(jī)構(gòu)滿載運(yùn)行時(shí)的靜阻力（N）V——運(yùn)行速度（m/min），取240m/minZ——驅(qū)動電機(jī)數(shù)，一般取1η——傳動總效率，一般取0.8將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入式（3-9）得：N=3.2KW。查表可知，需要選用電動機(jī)Y112-M-2。該電動機(jī)的質(zhì)量G=45Kg，效率為85.5%。3.1.2堆垛機(jī)起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）起升機(jī)構(gòu)的主要組成部分起升機(jī)構(gòu)的主要組成部分包括電機(jī)、滑筒、鏈條、鏈輪以及立柱。其通過電機(jī)驅(qū)動及聯(lián)軸器的連接來帶動鏈輪的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提升貨物。連接箱由四塊鋼板經(jīng)螺栓連接而成，其上下兩端用鏈條連接，從而帶動伸縮貨叉上下運(yùn)動。在本設(shè)計(jì)中，為了防止停電時(shí)起升平臺掉落，導(dǎo)致?lián)p壞或者安全事故的發(fā)生，同時(shí)額外選用了另一制動電機(jī)用于保護(hù)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。1-減速電機(jī)2-鏈條3-連接箱圖3-4起升機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)圖1）鏈條式起升結(jié)構(gòu)鏈條式起升結(jié)構(gòu)即是以鏈傳動來提升貨物的結(jié)構(gòu)。其鏈傳動結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。圖3-5鏈傳動結(jié)構(gòu)圖2）起降滑筒結(jié)構(gòu)起降滑筒結(jié)構(gòu)即是通過滑筒來提升貨物的結(jié)構(gòu)。其主要通過多個導(dǎo)向輪組與立柱或?qū)к壍倪B接，使載貨臺與立柱模塊建立相應(yīng)的穩(wěn)定連接，從而固定載貨臺的位置[13-14]。圖3-6為起降滑筒結(jié)構(gòu)圖。圖3-6起降滑筒結(jié)構(gòu)圖（2）電動機(jī)功率計(jì)算根據(jù)起升機(jī)構(gòu)滿載荷穩(wěn)定工作時(shí)的靜功率可計(jì)算得出起升電機(jī)所需功率，由:Ne=FmaxV式中：Fmax——最大起升載荷（N）V——額定起升速度（m/minη——起升機(jī)構(gòu)總效率起升平臺和貨物總重：100Kg，V=0.2m/s，考慮到其他的不確定因素，最后通過查表決定選取升降電機(jī)型號為YEJ90L-4的制動電機(jī)，P=1.5kw，n=1440r/min。在確定了所要使用的升降電機(jī)的型號后，還需要對其過載能力和發(fā)熱程度進(jìn)行相對應(yīng)的校核。根據(jù)《自動化立體倉庫設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，升降電機(jī)必須在有電壓損失的情況下，依然可以提升起超額定起重量1.25倍的重量，故升降電機(jī)的功率應(yīng)滿足式3-8的要求[15]。N≥HPv60000λZη（3-式中：N——電動機(jī)的額定功率(kw)P——最大起升載荷(N)V——額定起升速度(m/min)η——總效率H——系數(shù)，異步電動機(jī)H一般取2.1，直流電動機(jī)H一般取1.4Z——驅(qū)動電動機(jī)數(shù)經(jīng)校核，電動機(jī)選型符合要求。（3）鏈傳動的主要參數(shù)選擇1）傳動比的選擇在設(shè)計(jì)一個合理的鏈傳動的過程中，小鏈輪的包角是設(shè)計(jì)時(shí)所要考慮的重要參數(shù)，包角過小，鏈輪輪齒的嚙合齒數(shù)過少達(dá)不到要求，輪齒之間的磨損則會愈發(fā)強(qiáng)烈，最后導(dǎo)致跳齒現(xiàn)象的發(fā)生，所以一般要求小鏈輪的包角最好不小于1200。而與此同時(shí)，鏈傳動的傳動比選擇就變得尤為關(guān)鍵，過大的傳動比是導(dǎo)致小鏈輪的過小包角產(chǎn)生的主要原因之一，同時(shí)過大的傳動比也會在一定程度上減少嚙合的齒數(shù)，故限制傳動比i≤７。而在本節(jié)中，為了保證托臺以垂直方向沿立柱運(yùn)動以及保證主、從動鏈輪大小的一致，取傳動比i=1[16]2）鏈輪齒數(shù)根據(jù)鏈速v=0.2m/s，傳動比i=1可查表取得齒數(shù)Z1=Z2=17[17]。3.1.3堆垛機(jī)伸縮貨叉設(shè)計(jì)堆垛機(jī)的伸縮貨叉主要用來實(shí)現(xiàn)貨物的裝載和存放的任務(wù)。其結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。圖3-7貨叉結(jié)構(gòu)圖（1）貨叉?zhèn)鲃臃桨高x擇貨物的裝載和存放工作主要由貨叉來承擔(dān)，貨物的全部重量都加載在貨叉上，所以貨叉相較于其他結(jié)構(gòu)，會承受較大的外力。因此，設(shè)計(jì)貨叉的傳動的首要任務(wù)就是需要對貨叉的伸縮運(yùn)動進(jìn)行多級減速，不僅要通過減速器對電機(jī)的驅(qū)動速度進(jìn)行減速，隨后還要再次通過帶輪進(jìn)行二級減速，與此同時(shí)齒輪齒條也通過輪齒之間的嚙合來傳遞力矩，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動力的傳遞[18]。除此之外，由于貨架平板在工作時(shí)有伸縮動作的產(chǎn)生，因而對其采用雙齒條齒輪機(jī)構(gòu)以完成伸縮動作。貨叉的部分傳動結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。圖3-8貨叉?zhèn)鲃硬糠纸Y(jié)構(gòu)圖（2）電機(jī)選擇由摩擦力Ff=μ×查表知：η則傳動裝置的總效率為：η總=η電機(jī)運(yùn)行靜功率：P故選用型號為80BL89S25-430TK0的直流無刷電機(jī)，功率P=250W，轉(zhuǎn)速nm=3000r/min（3）確定傳動比選取驅(qū)動齒輪的直徑D=50mmn齒=vπd×60=76.4i總=nmn所以取i減=25，i3.1.2堆垛機(jī)主要技術(shù)參數(shù)堆垛機(jī)在自動化立體倉儲系統(tǒng)中發(fā)揮著十分重要的作用，其不僅是實(shí)現(xiàn)貨物自動存儲過程的核心貨物運(yùn)輸設(shè)備，同時(shí)還具備了遠(yuǎn)程控制的功能條件，保證了其作業(yè)過程無需人工的干預(yù)。此外，應(yīng)用于不同場景下的堆垛機(jī)所采用的技術(shù)參數(shù)往往各不相同，因此根據(jù)現(xiàn)如今堆垛機(jī)的實(shí)際應(yīng)用情況，本文所采用的單立柱有軌巷道式堆垛機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下。見表3-1所示。表3-1堆垛機(jī)主要參數(shù)名稱技術(shù)參數(shù)額定負(fù)載100kg最大行走行程60m行走速度100m/min行走加速度0.5m∕提升高度3.2m提升速度40m/min提升加速度0.5m∕貨叉伸縮速度40m/min托盤尺寸500×500×600mm3.2堆垛機(jī)主體結(jié)構(gòu)有限元分析在確定堆垛機(jī)的總體結(jié)構(gòu)后，為了驗(yàn)證堆垛機(jī)在危險(xiǎn)工況下靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動狀態(tài)過程中，立柱的撓度以及載貨板與連接箱之間的應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)要求，本節(jié)采用Workbench軟件對堆垛機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析和瞬態(tài)動力學(xué)分析來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。3.2.1建立堆垛機(jī)主體結(jié)構(gòu)有限元分析模型（1）簡化處理后的有限元模型堆垛機(jī)的主體金屬結(jié)構(gòu)主要是由下橫梁、立柱、連接箱以及伸縮貨叉組成，這些零部件是堆垛機(jī)受力的主要部分。在構(gòu)建本文所需的有限元模型時(shí)，需要在保證建立的有限元模型的接觸等關(guān)系與實(shí)際模型在工作狀態(tài)下的接觸等關(guān)系相差不大的情況下，盡可能去除對所需部件的分析結(jié)果影響不大的特征，如倒角和螺紋孔，這樣既可以簡化劃分網(wǎng)格時(shí)的復(fù)雜度，又可以加快仿真時(shí)的收斂速度。本文將伸縮貨叉進(jìn)行了簡化，保留伸縮貨叉在伸出時(shí)的尺寸信息，忽略三維模型的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，將其簡化為一塊矩形板狀體與連接箱相連。同時(shí)，將連接箱簡化成一個整體結(jié)構(gòu)，忽略三維模型設(shè)計(jì)時(shí)的螺栓以及螺紋孔等細(xì)節(jié)。（2）材料屬性的定義定義金屬結(jié)構(gòu)的材料為Q235，其具體參數(shù)見表3-2所示。表3-2Q235材料屬性ρ/(kg/E/GPaνσE78502000.32351000（3）劃分網(wǎng)格有限元網(wǎng)格作為有限元分析的重要參考條件，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對有限元分析時(shí)計(jì)算的效率高低、收斂速度的快慢以及精度的大小具有決定性的影響。而與三維四面體網(wǎng)格相對比，六面體網(wǎng)格的計(jì)算收斂速度較快，計(jì)算規(guī)模相對較小，計(jì)算精度更高，以及其他各項(xiàng)方面都具有更為明顯的優(yōu)勢條件。所以本文的有限元模型均采用六面體網(wǎng)格，同時(shí)使用軟件Hypermesh對本文的有限元模型進(jìn)行有限元模型的網(wǎng)格劃分[20]。最終網(wǎng)格劃分見3-9所示，總共生成28985個單元和41081個節(jié)點(diǎn)。圖3-9堆垛機(jī)有限元模型網(wǎng)格圖3.2.2危險(xiǎn)工況下的靜力學(xué)分析單立柱有軌巷道式堆垛機(jī)當(dāng)伸縮貨叉載有貨物且在立柱的最高位置時(shí)，處于危險(xiǎn)工作狀態(tài)。在對堆垛機(jī)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，綜合考慮單立柱有軌巷道式堆垛機(jī)在實(shí)際工作時(shí)的情況后，在下橫梁底部兩端施加固定約束，限制其六個自由度。下橫梁和立柱之間的接觸采用共節(jié)點(diǎn)連接，連接箱與立柱之間的接觸也采用共節(jié)點(diǎn)連接，在保證精度的情況下，以加快計(jì)算速度。在簡化后的伸縮貨叉上施加與100kg重物等效的力載荷后，進(jìn)行求解，得到其等效應(yīng)力云圖和變形云圖，分別見圖3-10和圖3-11所示。圖3-10堆垛機(jī)等效應(yīng)力云圖圖3-11堆垛機(jī)靜態(tài)受力變形圖由圖3-10可以看出，在危險(xiǎn)工況下，堆垛機(jī)的最大等效應(yīng)力發(fā)生在連接箱與伸縮貨叉連接的部位，應(yīng)力值為29.8Mpa。堆垛機(jī)在不受風(fēng)載的情況下，安全系數(shù)n取1.5。堆垛機(jī)的材料為Q235，其屈服極限為235Mpa，許用應(yīng)力為σ=σs/n=157Mpa，由等效應(yīng)力云圖3-10可知，堆垛機(jī)的在危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，故滿足強(qiáng)度要求。由靜態(tài)受力變形圖3-11可知，堆垛機(jī)最大變形出現(xiàn)在伸縮貨叉上，最大變形為1.5327mm。本文主要關(guān)心立柱的撓度是否滿足技術(shù)要求，立柱的靜態(tài)受力變形云圖見圖3-12所示。立柱的最大變形發(fā)生在立柱頂部，為圖3-12立柱靜態(tài)受力變形圖3.2.3危險(xiǎn)工況下瞬態(tài)動力學(xué)分析為了研究堆垛機(jī)在因故障或其他原因突然發(fā)生減速現(xiàn)象的情況下，堆垛機(jī)的主體金屬結(jié)構(gòu)在危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力和變形狀況，在本節(jié)對堆垛機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析。（1）邊界條件的施加在上一節(jié)靜力分析模型中邊界條件的基礎(chǔ)上，施加X方向上的速度約束，同時(shí)設(shè)置Y和Z方向上的速度均為0，從而完成了邊界條件的施加。X方向上的速度見表3-3所示表3-3X方向速度數(shù)值表StepsTime(s)X(mm/s)10.000.021.000.035.002247.246.343000.057.003000.067.630.0由表3-3可知，第1步至第2步行走機(jī)構(gòu)還沒有運(yùn)行，對堆垛機(jī)施加貨物的載荷，第2步行走機(jī)構(gòu)開始運(yùn)行，做加速運(yùn)動，在5.34s內(nèi)速度由0提高至3m/s，即加速度為0.5m/s2，第4步至第5步堆垛機(jī)以3m/s的速度勻速運(yùn)行，第5至第6步模擬堆垛機(jī)因故障而發(fā)生急速停止的過程，速度由3m/s降為0（2）變形狀態(tài)分析設(shè)置好相應(yīng)的邊界條件后，對堆垛機(jī)主體結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)仿真。最終得到的沿X方向上的變形情況如圖3-13至3-15所示。在ANSYS中進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析后的變形值都是相對于坐標(biāo)系原點(diǎn)的位移，所以在求解立柱相較于下橫梁的實(shí)際變形結(jié)果時(shí)，要將受載荷時(shí)各個時(shí)刻的變形值與僅剛體位移時(shí)的變形值相減，即可得到堆垛機(jī)立柱的實(shí)際變形值，最終可以得到幾個關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的立柱實(shí)際變形值見表3-4所示。表中負(fù)號表示方向與X軸相反，從表中可以看出，在0.5s時(shí)刻立柱的實(shí)際變形值為1.35mm，變形方向與X軸相反，與上一節(jié)靜力學(xué)分析的結(jié)果吻合。在5s時(shí)刻，堆垛機(jī)處于加速運(yùn)行階段，加速度方向與X軸方向相同，由于慣性的作用，立柱會朝著X軸的負(fù)方向繼續(xù)發(fā)生變形，5s時(shí)處于一個穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)際變形值為1.90mm。在6.5s時(shí)刻，堆垛機(jī)處于勻速運(yùn)動階段，此時(shí)因?yàn)闆]有加速度的存在，立柱的實(shí)際變形值會朝著X軸的變化，最終變?yōu)?.30mm。在7s至7.63s這個減速階段，堆垛機(jī)的加速度方向?yàn)閄軸的負(fù)方向，由于慣性的作用，立柱的變形值會朝著X軸的正方向進(jìn)行變化，于7.25s時(shí)，立柱實(shí)際變形值為0mm，最終在7.63s時(shí)刻，立柱的實(shí)際變形值變?yōu)?mm，方向?yàn)閄軸的正方向。在整個過程中，立柱的實(shí)際變形值都小于許用的撓度，故當(dāng)堆垛機(jī)發(fā)生因故障而發(fā)生急速停止的情況時(shí)，堆垛機(jī)的主體結(jié)構(gòu)的剛度是符合要求的。表3-4立柱相對于下橫梁的實(shí)際變形值時(shí)間（s）實(shí)際變形值（mm，負(fù)號表示方向）0.50-1.355.00-1.906.50-1.307.250.007.632.00圖3-13加速階段5s時(shí)刻變形圖圖3-14勻速階段6.8s時(shí)刻變形圖圖3-15減速階段7.25s和7.63s時(shí)刻變形圖（3）應(yīng)力狀態(tài)分析應(yīng)力狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果見圖3-16至3-18所示。在堆垛機(jī)行走過程中的加速階段，最大應(yīng)力發(fā)生在伸縮貨叉與連接箱相接的部位，5s時(shí)刻的應(yīng)力值為30.002Mpa。勻速運(yùn)行階段和減速運(yùn)行階段最大應(yīng)力值同樣也發(fā)生在伸縮貨叉與連接箱相接的部位。勻速運(yùn)行階段，6.8s時(shí)刻最大應(yīng)力為30.023Mpa，減速運(yùn)行階段，7.25s最大應(yīng)力為30.082Mpa，7.63s最大應(yīng)力為32.068Mpa?？梢姸讯鈾C(jī)運(yùn)行過程中的每一時(shí)刻，其最大應(yīng)力值均小于Q235的許用應(yīng)力值157Mpa，故堆垛機(jī)的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。圖3-16加速階段5s時(shí)刻變形圖圖3-17勻速階段6.8s時(shí)刻變形圖圖3-18減速階段7.25s和7.63s時(shí)刻變形圖3.3貨架單元的設(shè)計(jì)在貨架設(shè)計(jì)需要按照三個原則來進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別為高效原則、類似產(chǎn)品相近原則、穩(wěn)定性原則。1）高效原則：貨物的周轉(zhuǎn)速度由周轉(zhuǎn)率間接反映。將周轉(zhuǎn)率高的貨物存放在離倉庫入口近的貨架上，可以在一定程度上縮短堆垛機(jī)的運(yùn)動距離和時(shí)間，提高效率。2）類似產(chǎn)品相近原則：應(yīng)該將倉庫內(nèi)種類相似的貨物存放在一起。這種方法可以便于倉庫管理員管理貨物。3）穩(wěn)定性原則：上輕下重。貨物統(tǒng)一擺放為較輕的置于上層，較重的置于下層，以使貨架的整體重心下移，從而更加穩(wěn)定。除此之外，貨物應(yīng)均勻擺放于貨架的不同區(qū)域，避免集中堆放而導(dǎo)致貨架的受力不均勻。在對小區(qū)自動化立體倉庫的設(shè)計(jì)中，結(jié)合貨物實(shí)際狀況，采用托盤式貨架。其特點(diǎn)結(jié)構(gòu)相對筒單、通用性強(qiáng)，空間利用率高。3.3.1貨架的設(shè)計(jì)托盤式貨架主要的組成部件為拉桿構(gòu)件、橫梁和立柱。每組部件都在整體架構(gòu)中起到不同的作用，立柱與傾斜支撐構(gòu)件構(gòu)成了貨架整體的豎向框架，與橫梁共同承載貨物的大部分重量；合理布置背部的拉桿與頂部的拉桿則可以在一定程度上增強(qiáng)貨架整體結(jié)構(gòu)的縱向剛度，從而一定程度上增加了貨架的整體穩(wěn)定性。圖3-19貨架示意圖圖3-19為一種托盤式貨架構(gòu)件示意圖，圖上標(biāo)注為序號1的構(gòu)件名叫做貨架立柱，標(biāo)注為序號2的構(gòu)件名叫做貨架橫梁，標(biāo)注為序號3的構(gòu)件名叫做背部拉桿構(gòu)件，標(biāo)注為序號4的構(gòu)件名叫做頂部拉桿構(gòu)件，標(biāo)注為序號5的構(gòu)件名叫做貨架內(nèi)斜支撐構(gòu)件，標(biāo)注為序號6的叫做巷道中心線。貨架主要由鋼材料組成，各構(gòu)件所用材料大部分為Q235，其密度為7850kg/m3，彈性模量為2.1×105MPa，屈服強(qiáng)度為235MPa，泊松比根據(jù)實(shí)際的使用要求，本文設(shè)計(jì)托盤式貨架為8列7層，總高度為5m,長為9m，每個貨架能放置兩個貨格單元，貨格尺寸為長500mm，寬500mm，高600mm。其總體結(jié)構(gòu)見圖3-20所示。圖3-20實(shí)際采用的貨架結(jié)構(gòu)圖3.3.2貨架的靜力學(xué)分析為了研究貨架在堆滿貨物（簡稱為滿載）的情況下，各個鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度情況，所以本小節(jié)將在ANSYSWorkbench中對貨架在滿載狀態(tài)下進(jìn)行受力分析。（1）模型簡化與有限元模型建立貨架主要有立柱和各層貨格的支撐部件組成，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可知，貨架在承受貨物載荷時(shí)，其最大應(yīng)力將會出現(xiàn)在貨物支撐板與貨物貨架連接件的接觸部位，而立柱所受到的力不大，所以在建立有限元模型時(shí)將對立柱的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行簡化，只保留重要的特征，這樣會降低網(wǎng)格劃分的難度，減少計(jì)算時(shí)間。本文將對Solidworks中三維模型導(dǎo)出到Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析[20]。（2）網(wǎng)格的劃分本文將采用Hypermesh對貨架進(jìn)行網(wǎng)格處理。因?yàn)樨浖茉跐M載狀態(tài)下各個鋼結(jié)構(gòu)會受到彎曲變形，所以在劃分網(wǎng)格的時(shí)候要注意將各個鋼結(jié)構(gòu)的厚度方向上至少要有三層單元，這樣才能用實(shí)體單元來模擬彎曲。在進(jìn)行網(wǎng)格處理的過程中，都是采用六面體實(shí)體單元進(jìn)行劃分。最終得到的網(wǎng)格圖見圖3-21所示。（a）整體網(wǎng)格效果圖（b）局部網(wǎng)格效果圖圖3-21網(wǎng)格效果圖（3）靜力學(xué)分析將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中，在Workbench中定義分析時(shí)用到的材料屬性為Q235普通碳鋼的屬性，隨后賦予到網(wǎng)格模型上。然后將貨架的支撐腳與地面的接觸面定義為固定約束。由于本文中的貨架適用于小區(qū)自動化立體倉庫，故假設(shè)貨架上的貨物的質(zhì)量最大為100Kg，然后將這個載荷屬性等價(jià)到每個貨物與支撐板接觸部位的壓力，此時(shí)每個貨物與支撐板接觸面的壓力為0.012Mpa。最后進(jìn)行求解。求解得到的變形云圖見圖3-22，應(yīng)力云圖見圖3-23。圖3-22貨架滿載工況下變形云圖圖3-23貨架滿載工況下應(yīng)力云圖分析仿真后的結(jié)果可知，貨架在滿載工況下，最大變形為2.4493mm，等效應(yīng)力最大值為171.84Mpa，并且應(yīng)力最大值出現(xiàn)在貨物支撐板與貨物貨架連接件的接觸部位，故符合之前的工程經(jīng)驗(yàn)。依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，鋼結(jié)構(gòu)框架的總體變形值小于鋼結(jié)構(gòu)的總高度千分之一，則符合要求[21]。本文設(shè)計(jì)的貨架的總高度約為5m，而貨架在滿載狀態(tài)下最大變形量為2.4493mm，并且等效應(yīng)力最大值小于Q235普通碳鋼的屈服極限，故本文采用的貨架符合強(qiáng)度要求。3.4本章小結(jié)本章結(jié)合中型小區(qū)的實(shí)際背景對自動化立體倉庫里面用到的堆垛機(jī)以及貨架進(jìn)行了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。首先對堆垛機(jī)相關(guān)的組成部分進(jìn)行了介紹，然后對堆垛機(jī)在危險(xiǎn)工況下的等效應(yīng)力和變形值進(jìn)行了仿真分析，同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注了立柱的撓度這個參數(shù)，將得到的仿真結(jié)果與許用結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，堆垛機(jī)主體結(jié)構(gòu)在危險(xiǎn)工況下的剛度和強(qiáng)度都符合要求。再之后對堆垛機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，模擬堆垛機(jī)因故障而發(fā)生急速停止情況時(shí)，堆垛機(jī)主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況，發(fā)現(xiàn)此時(shí)也符合設(shè)計(jì)要求；同理，在對貨架設(shè)計(jì)完后，也要驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的合理性，因此也對貨架進(jìn)行了靜力學(xué)分析，最后得出的貨架設(shè)計(jì)也滿足了實(shí)際設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。

4基于FLEXSIM小區(qū)自動化立體倉庫的仿真與分析在對中小型社區(qū)的自動化倉儲系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，通過理論計(jì)算的方法去獲得倉儲系統(tǒng)中想要的值往往很麻煩，且實(shí)際計(jì)算過程中的誤差會不斷累積，從而導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果常差強(qiáng)人意。為了獲得較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，為后續(xù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，故采用FlexSim仿真軟件對所設(shè)計(jì)的倉儲系統(tǒng)進(jìn)行建模以及仿真結(jié)果分析，最后通過仿真模型的計(jì)算出來的相應(yīng)結(jié)果，對本文設(shè)計(jì)的倉儲系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。4.1FLEXSIM的介紹FlexSim軟件通過使用離散仿真模擬的策略來進(jìn)行設(shè)計(jì)，其通過完全的C++面向?qū)ο蟊憬萁⒎抡婺Ｐ偷姆绞揭约皥D像顯示的真實(shí)化，來建立符合實(shí)際特征的仿真模型，具有高度的開放性[22]。其在圖形環(huán)境下將C++編程語言和編譯器聯(lián)合在一起的方式，使它相較于同類仿真軟件具有更加明顯的優(yōu)勢。此外其通過C++直接定義模型的方式，可以讓使用者拋棄傳統(tǒng)的手動設(shè)置鏈接庫和用戶自定義變量的繁瑣方式，從而讓使用者在使用過程中更加輕松。4.2小區(qū)自動化立體倉庫建模本文以一個有7000戶住戶的小區(qū)為自動化立體倉庫的使用背景，同時(shí)假設(shè)該小區(qū)分為三個主要片區(qū)，每個片區(qū)離自動化倉庫的距離不一。其中一號片區(qū)離自動化倉庫最近，居民步行至自動倉庫大概需要5分鐘；二號片區(qū)次之，居民步行至自動倉庫大概需要20分鐘；三號片區(qū)最遠(yuǎn)，居民步行至自動倉庫大概需要35分鐘，大致分布如圖4-1所示。充分考慮三個片區(qū)的距離特點(diǎn)后，將自動化立體倉庫的存儲模式設(shè)定為三組不同的存貨架，每組貨架分別存放不同片區(qū)的貨物，從而使貨物在存取過程中更為高效。隨后通過FlexSim建立的小區(qū)自動化立體倉庫仿真模型來模擬小區(qū)內(nèi)貨物存取峰值期一天內(nèi)的使用狀況。圖4-1小區(qū)各片區(qū)與立體倉庫位置關(guān)系圖在討論完具體使用背景后，根據(jù)實(shí)際要求，在軟件中進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的調(diào)用以及參數(shù)的設(shè)定。在建立仿真模型的過程中，需要將系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)盡量與實(shí)際參數(shù)保持一致。在軟件中構(gòu)件仿真模型主要由表4-1所示中的設(shè)備元素構(gòu)成，主要包括發(fā)生器、處理器、合成器、分解器、叉車、傳送機(jī)、機(jī)器手、貨架、堆垛機(jī)和暫存區(qū)[23-25]。表4-1倉儲系統(tǒng)中設(shè)備元素在Flexsim中對于的實(shí)體關(guān)系表設(shè)備元素實(shí)體元素發(fā)生器Source處理器Processor合成器Combiner分解器Separator叉車Transporter傳送機(jī)Conveyor機(jī)器手Robot貨架Rack堆垛機(jī)ASRSvehide暫存區(qū)Queue其中一些關(guān)鍵設(shè)備的具體參數(shù)的設(shè)置分別如下：發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置在FlexSim軟件中，發(fā)生器是用來模擬貨物的產(chǎn)生的設(shè)備元素。考慮到小區(qū)的住戶有7000戶，所以設(shè)定發(fā)生器在貨物存取峰值期一天內(nèi)的貨物產(chǎn)生量為9000個，然后對發(fā)生器設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。設(shè)置發(fā)生器產(chǎn)生一個貨物的時(shí)間設(shè)定為符合均值2.6，方差為1的正態(tài)分布，通過定義發(fā)生器Triggers中的屬性，其能產(chǎn)生六種不同顏色的貨物，并且這六種不同顏色的貨物產(chǎn)生的數(shù)量是隨機(jī)的。相應(yīng)的發(fā)生器參數(shù)設(shè)置如圖4-2。圖4-2發(fā)生器參數(shù)設(shè)定（2）合成器的參數(shù)設(shè)置在FlexSim軟件中，可以將合成器看作對貨物進(jìn)行打包的一個設(shè)備元素。在軟件中設(shè)置合成器Pack的參數(shù)為8，即在軟件中會將8個貨物打包成一個貨物體，然后進(jìn)行存儲。具體參數(shù)設(shè)置如圖4-3所示。圖4-3合成器參數(shù)設(shè)定（3）傳送機(jī)參數(shù)設(shè)置傳送機(jī)的傳動速度對倉儲系統(tǒng)中設(shè)備利用率有較大的影響，當(dāng)傳送機(jī)的傳動速度過小時(shí)，倉儲系統(tǒng)中的設(shè)備利用率偏低；當(dāng)傳送機(jī)的傳動速度過大時(shí)，倉儲系統(tǒng)中的設(shè)備利用率過高。這兩種情況對倉儲系統(tǒng)的高效性和使用壽命均會造成一定的不良影響。因此需要合理地設(shè)置傳送機(jī)的傳動速度參數(shù)，其具體參數(shù)如圖4-4所示。圖4-4傳送機(jī)參數(shù)設(shè)定（4）貨架參數(shù)設(shè)置根據(jù)上文中的討論，貨架分為三組不同的屬性進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，以此來模擬實(shí)際情況。假設(shè)該小區(qū)自動化立體倉庫從早上7：00開始進(jìn)行貨物的存取。經(jīng)過實(shí)際統(tǒng)計(jì)估計(jì)假設(shè)片區(qū)一的居民會在一個小時(shí)后開始陸續(xù)來取貨物，片區(qū)二的居民在四個小時(shí)后開始陸續(xù)來取貨物，片區(qū)三的居民在八小時(shí)后開始陸續(xù)來取貨物，并且取貨物的時(shí)間間隔滿足指數(shù)族分布。相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定如圖4-5所示。片區(qū)一對應(yīng)貨架組的參數(shù)設(shè)定(b)片區(qū)二對應(yīng)貨架組的參數(shù)設(shè)定片區(qū)三對應(yīng)貨架組的參數(shù)設(shè)定圖4-5各貨架組相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定在對一些關(guān)鍵設(shè)備完成參數(shù)設(shè)定后，設(shè)定仿真持續(xù)時(shí)間為45000秒，即12.5h。最后建立產(chǎn)生貨物的時(shí)間間隔滿足均值為2.6，方差為1的正態(tài)分布的發(fā)生器，發(fā)生器隨機(jī)產(chǎn)生六種不同的貨物，六種不同的貨物通過傳送機(jī)和合成器模擬貨物打包和運(yùn)輸?shù)倪^程，再由叉車運(yùn)輸?shù)教幚砥鬟M(jìn)行貨物標(biāo)簽的識別，然后通過傳送機(jī)傳送到貨架位置，隨后通過堆垛機(jī)進(jìn)行入庫操作。出庫的流程與入庫的操作相反。上述參數(shù)是經(jīng)過兩次不同方案的優(yōu)化后所得到的，由上述參數(shù)建立的具體的仿真模型如圖4-6所示。圖4-6仿真模型示意圖4.3小區(qū)自動化立體倉庫仿真分析通常，設(shè)備利用率是評價(jià)自動化立體倉儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理的重要指標(biāo)。同時(shí)在對小區(qū)自動化立體倉庫分析時(shí)，還要考慮出庫時(shí)的傳送機(jī)是否會發(fā)生嚴(yán)重堵塞的現(xiàn)象，若發(fā)生堵塞現(xiàn)象，會導(dǎo)致住戶等待貨物時(shí)間過久的情況[26]。本文中主要考慮叉車（Transporter）、機(jī)械手（Robot）和堆垛機(jī)（ASRSvehide）的利用率。上一節(jié)中的關(guān)鍵設(shè)備的參數(shù)是經(jīng)過多次仿真后得到的較優(yōu)參數(shù)，然而在此之前經(jīng)過了兩次對模型的優(yōu)化操作，這兩次優(yōu)化操作對分析小區(qū)自動化立體倉庫的合理性也有一定的研究意義，故需要在本文中討論，下面將按照兩種優(yōu)化方案產(chǎn)生的時(shí)間順序進(jìn)行討論。（1）優(yōu)化方案一優(yōu)化方案一建立的仿真模型如圖4-7所示。相較于圖4-6所示的模型，初代模型在出庫過程中只采用了兩個分解器和兩個處理器進(jìn)行出庫處理，而發(fā)生器產(chǎn)生貨物的時(shí)間間隔滿足均值為4，方差為1的正態(tài)分布，產(chǎn)生貨物的速度相較于最終方案這個較優(yōu)方案來說要慢一些，其余參數(shù)和最終方案一致。圖4-7優(yōu)化方案一仿真模型圖經(jīng)過一次仿真后發(fā)現(xiàn)，在仿真過程中，住戶取貨的時(shí)候會出現(xiàn)很嚴(yán)重的貨物堵塞問題，堵塞程度如圖4-8所示，而這種情況正是在實(shí)際運(yùn)作過程中需要避免的。在經(jīng)過多次調(diào)整發(fā)生器產(chǎn)生貨物的時(shí)間間隔的參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，將貨物產(chǎn)生的時(shí)間間隔調(diào)大不僅不能有效地緩解堵塞現(xiàn)象，反而將設(shè)備的利用率降低了，所以通過調(diào)整發(fā)生器產(chǎn)生貨物的時(shí)間間隔的方式來緩解堵塞問題是不可取的[28]。綜合考慮后，在出庫過程中采用了三個分解器和三個處理器進(jìn)行出庫處理，從而有效地緩解堵塞問題，模型圖與圖4-6一致。圖4-8初代模型仿真過程中的堵塞情況（2）優(yōu)化方案二在對第一次優(yōu)化后的仿真模型進(jìn)行仿真后，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的利用率較低，其仿真后的利用率如圖4-9所示。所以需要對優(yōu)化方案一進(jìn)行優(yōu)化，以此來提高設(shè)備的利用率。（a）存貨階段相應(yīng)設(shè)備的利用率（b）取貨階段相應(yīng)設(shè)備的利用率圖4-9優(yōu)化方案一的部分設(shè)備的利用率在對優(yōu)化方案一的仿真過程中發(fā)現(xiàn)，貨物在存貨的時(shí)候，貨物在合成器進(jìn)行打包的等待時(shí)間過長，經(jīng)過分析后得知，導(dǎo)致這種情況發(fā)生的原因是發(fā)生器產(chǎn)生的貨物需要比較久的時(shí)間。所以優(yōu)化方案二的基本思路是通過調(diào)整發(fā)生器產(chǎn)生貨物間隔時(shí)間的正太分布參數(shù)來達(dá)到優(yōu)化效果。經(jīng)過多次調(diào)整參數(shù)，得到仿真模型在發(fā)生器滿足產(chǎn)生貨物的時(shí)間間隔滿足均值為2.6，方差為1的正態(tài)分布時(shí)，設(shè)備利用率大部分達(dá)到55%~85%之間，并且取貨時(shí)不會發(fā)生貨物嚴(yán)重堵塞的情況。經(jīng)優(yōu)化方案二的設(shè)備利用率如圖4-10所示。（a）存貨階段相應(yīng)設(shè)備的利用率（b）取貨階段相應(yīng)設(shè)備的利用率圖4-10優(yōu)化方案二的部分設(shè)備的利用率經(jīng)過上述兩次優(yōu)化后，得到的小區(qū)自動化倉儲系統(tǒng)能很好的滿足設(shè)計(jì)要求。4.4本章小結(jié)本章節(jié)對上一章設(shè)計(jì)的中型小區(qū)自動化立體倉庫在Flexsim軟件中進(jìn)行了仿真建模，并結(jié)合設(shè)計(jì)要求對其進(jìn)行了多次優(yōu)化操作，最終得到了較為可行的實(shí)施方案。

5總結(jié)及展望5.1總結(jié)本文主要闡述和分析了自動化立體倉庫的結(jié)構(gòu)組成及其主要參數(shù)的設(shè)計(jì)原則，并結(jié)合小區(qū)物流倉儲的實(shí)際運(yùn)作情況對自動化立體倉庫的堆垛機(jī)、貨架單元等關(guān)鍵組成設(shè)備進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算、三維建模以及力學(xué)分析，同時(shí)根據(jù)小區(qū)物流的實(shí)際運(yùn)作情況，假設(shè)構(gòu)建了一個小區(qū)的物流情況及其所對應(yīng)的自動化立體倉儲系統(tǒng)，隨后使用仿真軟件Flexsim對所構(gòu)建的自動化立體倉儲系統(tǒng)在該小區(qū)的物流環(huán)境下的運(yùn)行過程進(jìn)行模擬仿真，最后在根據(jù)Flexsim的仿真分析結(jié)果對該小區(qū)的自動化立體倉庫設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。論文的主要工作及研究成果如下：首先，通過使用Solidworks的三維建模功能，對本文所設(shè)計(jì)的自動化立體倉庫的堆垛機(jī)進(jìn)行了下橫梁、起升結(jié)構(gòu)以及伸縮貨叉等零部件的建模和整體裝配。其次，通過使用Workbench的力學(xué)分析功能，對所設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)主體結(jié)構(gòu)及貨架單元進(jìn)行了有限元分析，對其危險(xiǎn)工況下的剛度、強(qiáng)度等力學(xué)性能進(jìn)行了校核。最后，通過使用Flexsim的數(shù)據(jù)仿真功能，對所假設(shè)的小區(qū)自動化立體倉儲系統(tǒng)進(jìn)行了建模及模擬仿真，優(yōu)化了其參數(shù)設(shè)定，確保其設(shè)備利用率大部分維持在55%~85%之間，并且避免了貨物嚴(yán)重堵塞的情況的發(fā)生。5.2展望本文雖然對小區(qū)自動化立體倉庫的堆垛機(jī)、貨架單元等關(guān)鍵組成設(shè)備進(jìn)行了建模及有限元優(yōu)化，同時(shí)對小區(qū)自動化倉儲系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真，但并未對其整體組成系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和研究，所做工作并不十分全面，還需要進(jìn)一步的提升和改進(jìn)：小區(qū)物流倉儲的實(shí)際工作環(huán)境復(fù)雜，貨物種類繁多，本文對小區(qū)自動化立體倉儲系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定僅限于其中本文所假設(shè)的一種情況，所得到的倉儲系統(tǒng)參數(shù)不能適用于所有小區(qū)的物流運(yùn)作情況。本文只對自動化立體倉庫的部分重要關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，忽略了自動化立體倉庫其他重要輔助系統(tǒng)及工作設(shè)備的設(shè)計(jì)。堆垛機(jī)和貨架單元現(xiàn)實(shí)工作的受力情況復(fù)雜，本文所作力學(xué)分析對其施加力的情況假設(shè)存在一定的理想化，由此所得數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)情況對比會有一定的誤差。

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