【導(dǎo)讀】統(tǒng)的改善與合理性對(duì)企業(yè)提高生產(chǎn)率、降低成本非常重要。堆垛機(jī)是自動(dòng)化立。本文著重就堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行初步研究。有軌巷道式堆垛機(jī)的立體倉(cāng)庫(kù)。柱上的上下運(yùn)動(dòng)及立柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)搬運(yùn)貨物，通常稱(chēng)之為橋式堆垛機(jī)[3]。止傾倒[[4]隨著立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展，巷道堆垛機(jī)逐漸替代了橋式堆垛機(jī)。1967年開(kāi)始安裝高度為25米高度的堆垛機(jī)。增加，到1970年實(shí)現(xiàn)了由貨架支承的高度為40米的堆垛機(jī)。單立柱有軌巷道堆垛機(jī)的機(jī)架由一根立柱、下橫梁和上橫梁組成。不適于起重量大和水平運(yùn)行速度高的堆垛機(jī)。按支承方式分類(lèi)，有軌巷道堆垛機(jī)分為懸掛型和地面支承型。堆垛機(jī)門(mén)架的上部。導(dǎo)軌的兩側(cè)，從而防止堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生擺動(dòng)和傾剎。懸掛式堆垛機(jī)有如下優(yōu)。和懸掛型有軌巷道堆垛機(jī)相比，這種堆垛。直線運(yùn)行型堆垛機(jī)只能在巷道內(nèi)直線軌道上運(yùn)行，不能自行轉(zhuǎn)換巷道。曲線運(yùn)行型堆垛機(jī)在使用上有局限性，只適用于出入庫(kù)頻率較低的立體

　　

【正文】 速度越大， 振幅越大。柱端振幅一旦超過(guò)極限值將發(fā)生存取故障。為此研究堆垛機(jī)高速運(yùn) 行時(shí)立柱在慣性力及其他載荷作用下沿巷道縱向撓度問(wèn)題及振動(dòng)問(wèn)題對(duì)于解決 提升運(yùn)行速度 帶來(lái)的問(wèn)題有一定的幫助。 堆垛機(jī)在靜止、運(yùn)行、制動(dòng)過(guò)程中，其立柱不同程度的受到外力的作用， 導(dǎo)致立柱產(chǎn)生撓度和振動(dòng)。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)表明，靜止時(shí)的靜撓度是一定的， 但是在運(yùn)行過(guò)程中隨著加速度的不同，立柱的撓度也逐漸發(fā)生變化，立柱的變 形與加速度很很大的關(guān)系。此時(shí)定位裝置若安裝在立柱及上、下橫梁上，誤差 將會(huì)增大，定位精度很難得到保證，容易引起事故。所以，堆垛機(jī)在提升速度 時(shí)要充分考慮加速度與撓度的變化關(guān)系。本課題選取的堆垛機(jī)是按照半閉環(huán)進(jìn) 行速度的調(diào)速控制 ，每條運(yùn)行曲線是根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出的，因此 每條運(yùn)行曲線的速度變化是不同，這樣加速度的變化對(duì)堆垛機(jī)立柱的影響也不 一樣。本小節(jié)通過(guò)對(duì)立柱撓度的分析，得出立柱頂端的變形量，并確定隨著加 速度的提高，對(duì)立柱的影響。 根據(jù)各零件的布置，將堆垛機(jī)簡(jiǎn)化為三維與二維模型，并對(duì)模型進(jìn)行撓度 計(jì)算和振動(dòng)分析。圖 4 42 分別為堆垛機(jī)的三維與二維模型。 圖 41 堆垛機(jī)三維簡(jiǎn)化圖圖 42 堆垛機(jī)二維簡(jiǎn)化圖 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 由二維簡(jiǎn)化圖可知，下橫梁為剛性體，雙立柱相當(dāng)于懸臂梁，雙立柱與下 橫 梁構(gòu)成一剛性架，在外力作用下，立柱產(chǎn)生彎曲變形， _立柱柱端的撓度可以 用疊加法進(jìn)行計(jì)算。由于堆垛機(jī)為雙立柱，兩個(gè)立柱在外力作用下產(chǎn)生的撓曲 變形在天軌的連接作用下幾乎一致的，故本課題只對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行撓度分 析計(jì)算 (后面的振動(dòng)分析亦只分析一個(gè)立柱的 )。 堆垛機(jī)立柱的受力分析如圖 43 所示。 圖 43 堆垛機(jī)立柱的受力分析 由疊加法可知，立柱頂端的撓度 f1 為 : f1=f F +f M +f q (41) 圖 44 立柱頂端撓度 —— 由慣性力 F,引起的立柱柱端撓度， m 西安工業(yè) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 —— 各部分質(zhì)量引起的慣性力， N （ 42） （ 43） __________—— 貨物及貨叉質(zhì)量，上橫梁及導(dǎo)輪質(zhì)量，提升機(jī)構(gòu)質(zhì)量，電控柜質(zhì) 量， 行走機(jī)構(gòu)質(zhì)量； —— 各質(zhì)量的坐標(biāo)； A—— 堆垛機(jī)的加速度， —— 立柱材料的楊氏彈性模量， I—— 立柱橫截面對(duì)中性軸的 J 慣性矩， H—— 立柱高度 m； —— 由各質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量對(duì)立柱軸線的力偶引起的立柱柱端撓度 m —— 各質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量對(duì)立柱軸線的力偶， G—— 重力加速度， ； （ 44） —— 立柱自重產(chǎn)生的慣性均勻分布力引起的立柱柱端撓度， m （ 45） —— 立柱自重均勻分布質(zhì)量， kg/m —— 下橫梁與立柱連接處的轉(zhuǎn)角， rad —— 下橫梁的撓曲線方程 : (46) (47) — 由慣性力對(duì)立柱軸線的力偶引起的下橫梁與立柱連接處的轉(zhuǎn)角， rad —— 由引起的轉(zhuǎn)角 —— 由引起的轉(zhuǎn)角 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 如圖 45 所示 圖 45 堆垛機(jī)立柱及下橫梁彎曲圖 (48) (49) (410) (411) —— 各質(zhì)量重力引起的下橫梁與立柱連接處的轉(zhuǎn)角， rad （ 412） —— 由 :引起的轉(zhuǎn)角 —— 由引起的轉(zhuǎn)角 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 27 （ 413） (414) (415) (416) —— 下橫梁自重作用引起的下橫梁與立柱連接處的轉(zhuǎn)角， rad (417) (418) (419) 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 (420) —— 下橫梁材料的楊氏彈性模量， MPa —— 下橫梁的長(zhǎng)度， m —— 下橫梁截面對(duì)中性軸的慣性矩， ma —— 立柱軸線到堆垛機(jī)前后行走輪的距離， m —— F 橫梁均勻分布力， kg/m (421) (422) (423) 由于立柱是受壓受彎構(gòu)件，考慮到軸向壓力作用使其撓度增加，其撓度為 : (424) 其中 , , (425) 對(duì)于懸臂梁來(lái)說(shuō)，由歐拉公式可得 : (426) 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 金屬結(jié)構(gòu)中的鋼制壓桿其安全系數(shù)取 ~. 取 =1/3 表 41 堆垛機(jī)各技術(shù)參數(shù) 立柱慣性矩為 : I1= 103 m4 下橫梁慣性矩為 : I2= 103 m4 堆垛機(jī)在運(yùn)行中根據(jù)當(dāng)前位置與存儲(chǔ)在 PLC 中的目的地址相比較，選擇一 條適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行曲線到達(dá)目的貨位，因此在運(yùn)行中的加速度并不是勻加速直線運(yùn) 動(dòng)，并且每選擇一條運(yùn)行曲線時(shí)，堆垛機(jī)在運(yùn)行時(shí)的加速度變化是不同的 ，而 頂端的撓度 f=f1+f2= β 1α + β 2 與堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)的加速度有關(guān)，由此可知，立 柱頂端的撓度在加速度達(dá)到最大即 a=，撓度最大。將以上數(shù)據(jù)帶入 公式，可得 : = 其中， C 1 = C2 。 β 1= β 2 = 根據(jù)堆垛機(jī)的制造和組裝要求，要求堆垛機(jī)下橫梁的水平彎曲， 其中 B 為主從動(dòng)輪距。 由 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 （ 427） 下橫梁彎曲撓度的最大值在中間位置 x= m 時(shí)有 : v()= 104m 由上式結(jié)果可知 : f 中點(diǎn) = v() ≤ B/1000=4885/1000= 即 :堆垛機(jī)在調(diào)速以后以最大的加速度運(yùn)行時(shí)，下橫梁的水平彎曲在控制范圍 之內(nèi)，不影響堆垛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。 堆垛機(jī)啟動(dòng)以后，在達(dá)到最大加速度以前，一直是以非勻加速運(yùn)行的， 所以在運(yùn)行過(guò)程中，其立柱的振動(dòng)的振幅也是不停的改變。當(dāng)加速度達(dá)到最大 時(shí)，立柱柱端的振幅也最大，對(duì)此時(shí)柱端進(jìn)行振動(dòng)分析，得出最大振幅，用以 解決在提升速度以后引起的振動(dòng)問(wèn) 題。建立堆垛機(jī)振動(dòng)模型，并解決其振動(dòng)問(wèn) 題。由于雙立柱堆垛機(jī)的兩個(gè)立柱在運(yùn)行過(guò)程中以共同的頻率，共同振幅的振 動(dòng)的，所以在本文僅對(duì)其中一個(gè)立柱進(jìn)行振動(dòng)分析，該立柱相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁 . 堆垛機(jī)是由無(wú)窮多個(gè)質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的彈性系統(tǒng)，并且在構(gòu)件的連接處采用彈性 阻尼隔振技術(shù)，求解這樣的多自由度系統(tǒng)有一定的難度。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，把 堆垛機(jī)簡(jiǎn)化成理想狀態(tài)下的單質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 圖 47 堆垛機(jī)振動(dòng)模型 由上一節(jié)可知，把堆垛機(jī)立柱簡(jiǎn)化為懸臂梁，并根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)我們可 以得知，懸臂梁的靜撓度 S 在 外力 P 的作用下為 : （ 428） 此時(shí)，懸臂梁起彈簧的作用，自由端產(chǎn)生的靜變形所需要的力就是梁的彈 簧系數(shù) k, （ 429） 圖 48 懸臂梁 根據(jù)梁端的振動(dòng)微分方程： （ 430） 得出立柱的振動(dòng)頻率為 : （ 431） (432) 其中， m39。為懸臂梁在自由端的等效質(zhì)量。 換算質(zhì)量系統(tǒng)與原來(lái)的多質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)具有相同振形和相同的頻率。換算質(zhì)量 在工程中經(jīng)常用的有兩種方法 :剛度法和能量法。 能量法的換算原理為具有換算質(zhì)量的系統(tǒng)于原多質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)在振動(dòng)時(shí)的最 大動(dòng)能相同。假定梁自由振動(dòng)的振動(dòng)形式和懸臂梁在自由端加一集 中靜載荷時(shí) 的靜撓度曲線一樣。在梁端在載荷 P 的作用下，懸臂梁自有端的撓度為 : ,在截面 X 處的撓度為 : ,在自由振動(dòng)中，梁各點(diǎn)的振幅 仍然近似按比例，即 : (433) 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 其中為梁的自由端的振幅。設(shè)質(zhì)量 m 的自由振動(dòng)可以表示為 . 而梁的振動(dòng)可以表示為 : (434) 全梁動(dòng)能的最大值為 : (435) 所以， ， 帶入公式 (432)得出立柱懸臂梁的振動(dòng)頻率為 : （ 436） 在以下前提條件下，本課題選用的系統(tǒng)仿真為懸臂梁的彎曲振動(dòng)，即 :梁 的各截面的中心軸在同一平面內(nèi)， 且在此平面內(nèi)作彎曲振動(dòng)，在振動(dòng)過(guò)程中仍 應(yīng)用平面假設(shè)，不計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和剪切變形的影響，同時(shí)截面繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)與 橫向位移相比可以忽略不計(jì)。 圖 49 梁的振動(dòng)模型 以表示梁的橫向位移，它是截面橫截面積的 x 和時(shí)間 t 的函數(shù)，以 f(x, t)表示作用于梁上的單位長(zhǎng)度的橫向力。系統(tǒng)的參數(shù)是單位體積質(zhì)量 ，橫截面積 A（ x），彎曲強(qiáng)度 , E 為彈性模量， 橫截面對(duì)垂直于 x 和 Y 軸且通過(guò)橫截面形心的軸的慣性矩。取微段 d x，如上圖所示，用 Q（ x, t） 表示剪切力， M(x, t)表示彎矩。在鉛直方向 Y 方向的運(yùn)動(dòng) 方程為 : 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 （ 437） 簡(jiǎn)化方程得： （ 438） 微段的轉(zhuǎn)動(dòng)方程為 : (439) 簡(jiǎn)化方程得 : (440) 將上式帶入公式，可得 : (441) 由材料力學(xué)知識(shí)得知 : (442) 綜合以上公式得 : (443) 這就是梁的振動(dòng)微分方程，其中包括四階空間導(dǎo)數(shù)和二階時(shí)間導(dǎo)數(shù)。 連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題同離散系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題在處理上有相同的地方，連續(xù) 系統(tǒng)中的各點(diǎn)同時(shí)到達(dá)最大幅值，又同時(shí)離開(kāi)平衡位置。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言講，系統(tǒng) 振動(dòng)的位移函數(shù) Y(x} t)在時(shí)間上和空間上是分離的，即， 位移函數(shù)可以用下面 的式子表達(dá) : 式中， Y(x)表示梁的振動(dòng)位形，只依賴(lài)于變量； F(t)表示梁的振動(dòng)規(guī)律，只以來(lái)于變量。 將式帶入，并由波動(dòng)方程得 : （ 444） 本模型中梁的單位體積、橫截面積，橫截面對(duì)中心主軸的慣性矩都 為常數(shù)，所以方程可以簡(jiǎn)化為 : （ 445） 單獨(dú)考慮立柱頂端的振動(dòng)時(shí)，此時(shí)頂端的振動(dòng)為單自由度，振幅函數(shù)為 : 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 （ 446） 由此確定立柱頂端的振幅在加速度最大時(shí)，即 : 柱端振幅最大， （ 447） 式中 : A max— 加速度最大時(shí)立柱頂端的撓度 。 V max— 堆垛機(jī)運(yùn)行最大速度 : 兩者之間的相對(duì)誤差為 : 在堆垛機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定堆垛機(jī)立柱的振幅控制在 之內(nèi)，根據(jù) 計(jì)算結(jié)果可知，堆垛機(jī)運(yùn)行速度提高到 240m/min 以后，立柱的振動(dòng)振幅控制在 安全范圍之內(nèi)。 結(jié)論 35 結(jié)論 本次設(shè)計(jì)從門(mén)架設(shè)計(jì)以及幾個(gè)主要重點(diǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著手，分析了堆垛 機(jī)的運(yùn)行機(jī)理。論文首先從堆垛機(jī)的特點(diǎn)及組成形式開(kāi)始，接著分析門(mén)架的受 力情況及推導(dǎo)出門(mén)架的彎矩及撓度關(guān)系式，再設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，最終設(shè)計(jì) 出了滿(mǎn)足承受重載，高而窄的雙立柱門(mén)架； 詳細(xì)重點(diǎn)設(shè)計(jì)了行走機(jī)構(gòu) 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先列出了行走機(jī)構(gòu)的常見(jiàn)傳動(dòng)方 案，并通過(guò)計(jì)算完成行走機(jī)構(gòu)各個(gè)部件的選型并確定了尺寸及電機(jī)、減速器的 選取，最終設(shè)計(jì)出了滿(mǎn)足條件、靈活、適用、簡(jiǎn)捷、方便的行走機(jī)構(gòu)，并繪制 出了行走機(jī)構(gòu)零件圖和裝配圖；最后對(duì)堆垛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了 分析計(jì)算。 本次設(shè)計(jì)，囊括了大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的方方面面，是我在以后的學(xué)習(xí)工作 之前，對(duì)各個(gè)學(xué)科課程的一次深入的綜合性的練習(xí)，鍛煉了自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分 析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，并為以后的工作學(xué)習(xí)打下良好的堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本次 設(shè)計(jì)是對(duì)四年以來(lái)學(xué)習(xí)的總結(jié)，并鍛煉了總體 設(shè)計(jì)的能力。 由于本人能力有限，以及時(shí)間上的倉(cāng)促，設(shè)計(jì)中難免有考慮不周與設(shè)計(jì)不 正確的地方，希望各位老師能夠給予諒解，并提出您的寶貴建議，我將不勝感激。