堆垛问题

堆垛问题（共8篇）

堆垛问题 篇1

3 . 2CS-PGA算法指派垛位

由3. 1节可以得到多个批次的入库方坯组,下一步就需要为组好批次的方坯指派合适的垛位,笔者采用CS-PGA算法对方坯指派垛位问题进行求解,聚类算法得到的结果将作为CS-PGA算法的输入。受模型约束函数式( 4) 和式( 5) 的限制,随机生成的初始解群体中会出现大量不可行解,因此,笔者先考虑采用约束满足算法获得问题解的初始种群,然后采用PGA算法对种群进行优化迭代。

3 . 2 . 1约束满足算法获得初始种群

约束满足算法[11]是求解大规模组优化问题的一种有效的智能近似方法,其用一个变量集、变量值域和限制变量取值的约束集描述组合优化问题并实现求解。约束满足问题的求解是从变量的值域中寻找一组满足约束的值赋给变量,搜索算法通过不断选择下一个赋值变量并为该变量选择一个值来逐步实现问题的求解,该过程称为变量选择和值选择,通常要根据问题的特征构造变量选择和值选择启发式搜索算法。变量选择和值选择的顺序直接决定算法求解效率和寻优性能,变量选择一般遵循困难变量优先赋值的规则,值选择遵循将最佳全局值优先赋给变量的规则。笔者利用上述变量选择和值选择策略选择方坯批次入库堆放的初始种群,步骤如下。

Step1初始化。输入各批次信息和当前各垛位最上层的方坯批次信息及垛位高度信息,按式( 6) 计算各入库批次的方坯与其候选垛位的适应值Pij。

Step2变量选择。选择优先安排比较困难的变量( 即平均交货期Oi较大的批次) 以尽可能得到更优的解,因此对方坯批次按交货期非增排序,选择第1个变量进行赋值,即为批次指派最佳的垛位。

Step3值选择。首先依照约束函数式 ( 4 ) 、( 5) 、( 11) 、( 12) 对所选变量的值域进行约减,即除去不满足约束的垛位,然后将已选变量i的候选垛位按照适应值Pij非增排序,选择排序后的第1个垛位为变量赋值。若出现变量值域为空的情况,则适当对约束函数式( 11) 和式( 12) 进行柔性化处理,即G = G + σ,S = S + σ ,σ为一给定正数,将约束范围放大。

Step4终止。重复步骤2 ~ 3 ,直到对所有方坯批次都进行了赋值,输出结果并终止算法。

3 . 2 . 2PGA算法优化迭代

PGA算法取消了传统遗传算法 ( TGA ) 中的交叉算法,仅在一条染色体上进行单亲繁殖,从而解决了序号编码方式下遗传算法进行交叉后出现无效解的情况,简化了遗传操作,提高了计算效率,而且不要求初始种群个体的多样性,也不存在“早熟收敛”问题。目前,PGA在求解装箱问题上已有了很多应用,而以上方坯入库堆垛问题可以归结为装箱问题[12,13],即为一批货物( 方坯批次) 在有限的箱子( 垛位) 中选择最合适的箱子( 垛位) 进行堆放,以使非空箱子( 垛位)利用率最大,同时使货物( 方坯批次) 与箱子( 垛位) 的匹配程度最高。

为了修复约束满足算法获得的方坯入库堆放问题初始解中的不可行解,采用PGA算法进行优化迭代。PGA算法的可行性和有效性主要取决于: ( 1) 设计能够表示问题解且易于解码的编码方式; ( 2) 选择体现问题特征且求解效率高的适应度函数; ( 3) 利用能够提高解的质量的遗传算子进行遗传操作; ( 4) 修复群体进化过程中的不可行解。PGA算法一般分为先繁殖后选择、先选择后繁殖2种遗传迭代方式,由于第1种能够充分利用上一代群体中个体的优良模式,计算效率较高,因此本文采用第1种遗传迭代方式,提出基于约束满足的PGA算法框架,见图3。

( 1) 设计编码方式。在方坯按批次入库问题中,各个批次对应的候选垛位集合里的元素是确定的,因此笔者采用基于方坯批次序号的自然数编码方式,一个染色体对应一个可行的入库堆放方案,对每个入库批次的候选垛位按照垛位序号从小到大的顺序编号。染色体的组成序列为P1,P2,…,PN,其中N为所有入库批次的编号总数,Pi∈ { 1,2,…,Si} ,i∈ { 1,2,…,N} ,Si为批次i对应的候选垛位编号总数,如染色体3,2,6,5,1 ,4表示: 第1个入库的方坯批次指派到垛位编号为3的垛位上,依次类推。由于采用以上编码方式,因此PGA对问题的求解并没有给出方坯批次具体堆放到哪一层上,而只给出了方坯批次堆放在哪个垛位上,这里默认垛位上的堆放以轧制交货期从大到小,从底层到上层依次排序。这种编码方式具有简单、可操作性强、容易解码等优点,且求解效率相对二进制编码方式高很多。

( 2) 选择适应度函数。对于这里研究的方坯批次入库问题,可以采用两个求解目标的加权平均作为染色体的平均适应度函数。令λ1、λ2分别为两个目标的权重系数( 由实际生产数据统计得到) ,则平均适应度函数

( 3) 选择遗传算子进行遗传操作。PGA算法通过选择算子和染色体基因重组的变异方式来繁殖后代,其中的选择算子与传统遗传算法完全一致,区别仅在于遗传操作全部在一条染色体上进行。PGA的常用遗 传算子有: 1 ) 换位算子( GE) 。通过换位算子以一定的概率交换一条染色体位置基因,被交换的位置是随机选择的,操作方便。2) 移位算子( GS) 。通过移位算子按一定概率把一条染色体中的某个子串中的基因依次后移,并把该子串中的最后一个基因移位到最前面的位置。3) 倒位算子( GI) 。通过倒位算子按一定概率把一条染色体中某个子串中的基因依次首尾倒置。

PGA算法的遗传算子主要通过以上3种遗传算子进行基因重组,达到染色体变异、重组的效果,本文将3种遗传算子分别按照一定的概率进行变异重组操作,变异过程就是通过一定的概率去选择用哪种算子进行变异。

( 4) 修复不可 行解。在模型 约束函数 式( 4) 、( 5) 、( 11) 、( 12) 的约束下,通过遗传算子变异得到的个体并非都是可行解,所以在选择下一代种群前需要对群体中的不可行解进行修复操作。出现不可行解的情况主要分为4种: 不在候选垛位编号集合内、垛位高度超过上限、相邻批次内平均规格差值超过上限、相邻批次内平均硬度差值超过上限。针对这4种不可行解情况给出以下3个策略:

1 ) 选择候选垛位中Pij值最大且满足模型各约束的垛位对不可行解进行修复。

2 ) 抽取平均交货期最小的方坯批次,采用第3. 2. 1节中的约束满足算法为抽出的方坯批次重新安排垛位,重复策略2直到垛位中没有超过垛位高度上限的个体出现。

3 ) 分别选择 柔性化约 束函数式 ( 11 ) 或( 12) ,检验个体是否可行,若不可行则对该染色体上违反约束垛位上的所有方坯批次采用约束满足算法重新赋值,其他垛位上的赋值保持不变。

4仿真实验

4 . 1实验数据

为了验证模型及CS-PGA算法的正确性及可行性,根据某钢厂方坯入库的实际数据,按如下方式设计方坯堆垛算例: 初始垛位有6个空垛位和4个非空垛位,其中已存放方坯的各个属性及出库轧制时间均已知。连铸机一般一个班要连续下线100 ~ 150支方坯,收集该钢厂一个班的实际方坯入库数据,主要收集暂存在辊道上的方坯的各个属性值及初始仓库内各个垛位上层的方坯信息及整个垛位的堆放信息。要求的交货期及下线顺序用自然数表示,数据小的表示交货期较紧( 越早下线) 。仿真实验数据如表1所示。

4 . 2实验结果分析

采用Matlab语言在Core2 /2. 1 GHz/2 GB计算机上编程实现文中设计的算法,并将CS-PGA算法与人工计算方法进行比较。根据实际实验数据随机生成200支入库方坯数据,并从中随机选取150支方坯入库。通过大量仿真实验,算法参数配置选择如下: 种群规模大小为50,最大迭代次数为100次,PGA的换位算子pe= 0. 8 ,移位算子ps= 0. 2 ,倒位算子pm= 0. 1 ,每组实验独立运行10次,这里主要采用方坯批次入库堆放后产生的倒垛数来衡量模型目标的优劣,所以在算法求解过程中主要记录两种求解方式下倒垛次数、仓库利用率的平均值以及随着迭代次数的增加适应值的变化情况。假设方坯库中有10个可用垛位,根据试验需求限制可用垛位个数。实验结果见表2和图4。

一般倒垛次数越大,吊车成本越高,因此希望倒垛数较小,而垛位利用率则越高越好。由表2可用看出,从整体上来看CS-PGA算法在优化垛位空间利用率上远优于人工算法,有的甚至高达90% 以上。因为在人工计算方法中没有充分考虑方坯交货期不同一起堆放而带来的倒垛数的增加,而且人工计算方法并未考虑先将入库方坯按照规则形成批次,造成在同一层中交货期差异过大而引起倒垛次数巨大; 而CS-PGA算法在入库堆垛过程中,采用聚类算法将交货期相近的形成批次一起入库堆放,而且在堆放过程中充分考虑了钢坯轧制交货期,降低了倒垛量,因此CSPGA算法性能优于传统的人工计算方法。

由图4可知,随着CS-PGA算法迭代次数的增大,其对应的适应度函数逐步趋向于一个稳定的值,且从整个趋势来看,约束满足算法生成的初始解质量较高,提高了PGA算法求解效率。

为进一步说明CS-PGA算法的优势,考虑增大非空垛位空间利用率、限制垛位使用个数以提高垛位空间利用率,但垛位空间利用率与倒垛次数是一对相互矛盾的优化目标,因此在增大垛位空间利用率的同时必然会相对增加垛位的倒垛次数。从200支方坯中随机抽取150支下线方坯数据生成下线批次,采用CS-PGA算法进行实验,结果见图5和图6。可以看出,当可用垛位数增加时,垛位的空间利用率降低,当垛位数为8时,在较少倒垛数下可使空间利用率达75% 以上。因此,在可用垛位数达到一定水平时,可在满足一定空间利用率的前提下减少钢坯库的倒垛次数,这对实际方坯库的管理具有重要意义。

5结论

本文对方坯下线入库堆垛问题进行了深入研究,建立了最大化方坯入库批次综合匹配度及非空垛位平均利用率的多目标规划模型。根据某钢厂生产实际情况,将该入库垛位指派问题分解成方坯批次形成问题和为方坯批次指派垛位问题,主要实现对下线待入库的钢坯形成批次,然后以批次为单位实行入库指派最佳垛位。针对形成批次问题设计了一种特殊的聚类算法,每类中的方坯数量具有一定的限制范围; 针对得到批次的入库堆放问题设计了一种基于约束满足的PGA算法。通过钢厂的实际生产数据验证,CS-PGA算法明显优于传统人工指派垛位算法,在求解方坯入库堆垛问题上行之有效。这不仅对实际生产具有重要的指导意义,还对寻找更优的装箱算法的进一步研究具有一定推动作用。

堆垛问题 篇2

关键词：堆垛机；控制系统；PLC

中图书分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）32-0141-02

对于自动化立体仓库而言，巷道堆垛机是一个至关重要的设备。这个设备能够取货于巷道口，送达到指定的特定货格。或者从特定货格将货物取出，放于巷道对应的出货口。PLC不但可靠，而且功能非常的强大，能够实现巷道堆垛机之具体的自动控制功能，货物进出库、乃至盘库都可以实现自动化。

1 堆垛机控制系统的工作原理

在堆垛机控制系统里面，无论是控制还是记录堆垛机的具体状态，都是由PLC控制的。当前西门子生产的S7-300可编程控制器是所有的堆垛机控制系统的核心。要想实现平稳而且安全的运行，这些技术都需要得到很好的解决：

①能够在指定货位精准的多货物予以存取，为了实现这个目的，那么作为控制系统，一定要能够对堆垛机的具体位置予以精准的定位。

②准确定位和稳定运行的同时，如果还想同步的实现效率的提升，那么一定要很好的控制堆垛机的具体运行速度。

故而，下面的测控方法需要予以很好的考虑：

①检测相关位置。堆垛机作业的目标是货架，为了实现精准的作业，那么对位置一定要能够予以精准的确定，也就是说不管是对于升降，还是对于行走的具体方向，都应该给予准确的监测，这样地址才能够获得精准的定位。对于堆垛机来说，有两种比较常见的具体寻址方法，分别是绝对和相对，绝对认址的时候，即使堆垛机出现了比较严重的颠簸，或者中途有断电的现象发生，寻址也不会出错，不过会耗费很高的造价。在本系统里面，寻址的方法选择的为绝对寻址，也就是固定行走和升降两个方向层面上的地址，固定为代码，在目标地址和固定的代码地址之间吻合的条件下，堆垛机就可以予以存取。

②控制具体的速度。作业效率的提升对于运行的具体速度提出了更高的要求；定位的精确也期望在出现紧急的停止的情况下，货物不会发生倾倒，这个目标则要求运行的速度得到一定的控制，那么就出现了矛盾。为了解决这个矛盾，按照当前堆垛机的具体位置以及和目标货位之间的距离，无论是行走还是升降的具体速度都是要进行恰当的选择的，速度一般划分为高、中、低三档。

③控制货叉。为了货叉能够精准的存取货物，那么货叉对应的速度也设定作高、低两个不同的档次，如果货物本身的质量比较轻，不会轻易的出现倾倒的现象，这个时候的运行速度就应该选择高速。

④控制具体的方向。对方向进行控制，作业的堆垛机一共包括了三台不同的电机，这些电机沿着三个不同的方向对运动与以控制，这三个方向分别是导轨、货叉伸缩、载物台升降方向的旋转，分别记录为X、Y、Z运动。

可以借助本地触摸屏对堆垛机予以手动的控制，借助上位监管的主机对堆垛机进行自动的控制。数据通讯目标的实现是借助PLC和DP口进行的。所有对象的具体状态都能够借助触摸屏予以很好的显现；在触摸屏上面，还有操作的按钮，这些按钮能够发出指令给PLC；对于上位机来说，其主要的作用包括了对指令的接收，对堆垛机予以指挥，诊断故障，显示信息以及报警。用一对远红外通信器完成堆垛机中PLC与上位监控主机之间的无线通信，实现与上位机的联机功能，上位机可籍此向堆垛机中的PLC发送任务信息或接收其状态信息。图1描述了简化版的堆垛机自动控制系统。

2 操作模式

具体来说，操作堆垛机的模式有三种，分别是本地手动、联机以及本地自动：

①本地手动这种作业模式运用于如下情形。堆垛机复位出现了异常，堆垛机位于调试安装这个作业阶段。本地手动作业的具体模式下，可以借助于触摸显示屏上面的按钮堆垛机进行操作，实现相关的手动控制目标。

②在本地自动作业这种具体的模式下面，借助触摸屏，操作员将作业指令予以输入，在PLC的具体控制下，能够将作业予以自动的完成，而后返至待命的初始位置。

③联机作业的具体模式之下，借助于上位机操作终端，能够将作业指令输入，借助红外线实现堆垛机和上位机之间的连接，下达作业指令给堆垛机的PLC，完成出库。

3 PLC的具体配置

在堆垛机中，核心性的控制部件就是PLC。西门子生产的S7-300系列PL属于中小型的，其具有强大的功能，紧凑的结构，灵活的配置，丰富的扩展模块，性价比非常的高，所以其备用在本系统里面。为了实现CPU和HMI，CPU与上位机之间的通讯，端口至少要两个，所以型号选择的为紧凑的类型，这种类型有集成16DI/16DO模块；除此之外，还要有输入和输出数字量的具体模块以及必要的借口。为了控制电机变频，借助MM440变频器与SM334模拟量这个输出模块进行互相的配合。对于上位监控机来讲，本研究用的是研华工控机IPC-610。两个内置的通讯借口能够用到多种不同的通讯模式，在本系统里面，HMI触摸屏以及Pro-fibus-DP模式被用来进行相关的通讯；Port2通讯方式选择的是自由口模式，也就是需要通过红外通讯器以及上位监控机才能够实现相关的通讯功能。

编程S7-300的时候，选择的软件为STEP 7，这样不但能够进行软件编程，还能够做到硬件组态，此外，还能够通过S7-PLCSIM软件在离线的状态下模拟调试用户程序，也就是说无论是维护程序，还是开发程序，都会非常的方便。

4 PLC控制系统软件设计

本研究对堆垛机进行控制系统的具体设计的时候，上位机能够完成如下作业：输入作业指令，分配作业指令，显示状态；PLC把主要的控制任务予以很好地完成。PLC控制堆垛机的主要任务有：

①处理作业命令。对当前作业的具体状态以及具体指令予以确定。

②处理定位检测。对位置代码牌和光电开关的具体状态予以检测，进而对当前载货台以及堆垛机的具体位置进行判断。

③停车和处理调速。按照堆垛机和目标货位之间的具体距离，将速度信号输出，停车前，切换运行速度到低档，满满的和目标位置相靠近，实现停车的准确，制动的迅速。

④控制作业任务对应的具体顺序逻辑。按照指定指令和调度任务的具体策略，对逻辑控制的具体信号予以确定，将出入库的具体作业予以很好地完成。

⑤保护极限位置。为了让堆垛机出于安全运行的环境下，应该设置相关的限位保护开关，开关设于货叉伸缩、升降载货台以及水平行走的时候。

控制系统的定位方法为绝对认证，在X/Z这个方向上，认址方法选择的为地址代码牌以及光电开关，也就是设置标有X/Z地址的具体代码牌到不同的货位上面。在这个代码牌被光电开关感应到之后，就会将这个地址读取下来，更新X/Z地址，将应减速停止的具体位置计算出来。设置对应的传感器于货叉对应的上下位置，确定每层的具体货位，按照控制任务的具体要求，进行模块化的具体设计。图1为软件程序的具体框架图。

无论是自动入库，还是联机作业，堆垛机的初始位置都是巷道入口，底层是升降载货台，货叉在回缩的位置上，但是没有货物，限位开关对应的具体位置也并未超限。上述条件得到很好的满足以后，等到待机和联机的指示灯亮了以后，开始对作业指令予以接受。收到后，借助X/Z轴运动向指定的货位，和货叉伸缩进行配合入出库。作业完成后，回归初始，自检，进入待命的具体状态，准备进行下次作业。如果运行中发生了异常，不管异常是什么，就会有声光报警，运行停止。

5 结 语

伴随着日益改善和提升的工程自动化水平，堆垛机的应用越来越广泛。本研究构筑堆垛机控制系统的核心在于PLC，选择了变频器调速配合光电开关绝对认址这种特定的方式，能够实现精确的定位，运行也非常的稳定，非常的可靠，维护起来也非常的方便。这个控制系统可以将诸多功能予以很好地实现，所以被成功地运用到了自动化立体仓库里面。

参考文献：

[1] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2] 刘昌祺，董良.自动化立体仓库设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

堆垛机货叉选型分析 篇3

高架立体仓库是自动化物流系统的重要组成部分。在高架立体仓库中,如何才能在空间不变的情况下储存更多的物料,提高储存能力,达到节省土地、增大储存量、减少投资的目标?其中,巷道堆垛机货叉的选型(存取货物方式)对于高架立体仓库的储存能力起着至关重要的作用。

在高架立体仓库中,堆垛机和货架构成了密不可分的系统,选用什么样的堆垛机货叉,就应选用与之相匹配的货架。在堆垛机和货架确定后,储存货物的方式也就确定了,因而高架立体仓库的储存能力或密度也就确定了。所以堆垛机货叉的类型决定了立体仓库的储存能力(储存密度)。下文分析了堆垛机不同货叉类型的应用特点。

1. 普通货叉

传统的巷道堆垛机通常采用三级货叉来对货物单元进行存取。这种普通货叉的结构形式要求在货物单元下面留出足够空间(150～200mm)供货叉(100～20mm)伸缩。伸叉占用的空间,货物单元不能进入,同时货物单元上面与货架横梁之间也应留出货叉微升微降的空间,而货叉的挠度也占用一定的空间,这样就降低了立体仓库在高度方向的货物储存密度(见图1、图2)。

2. 推拉式货叉

为了实现货物高度方向上密集排布,充分利用空间,需要对高架库堆垛机的货叉及货格托盘的存取方式进行重新设计。为了利用好货叉伸缩占用的空间,一种无伸缩货叉的推拉式巷道堆垛机应运而生,由于没有货叉的微升、微降,每一层货物可在高度上减少近150mm,使空间得到了很好的利用,提高了立体仓库的储存密度。

推拉式巷道堆垛机的取货方法是:在货叉上设有链式滚轮推拉装置,左右微伸、微缩,滚轮接触到货箱后,链式滚轮转动,滚轮通过拉动货物单元货箱上的沟槽或拉环,在链条的带动下往复运动,从而实现了货箱的推拉运动,即存取作业。其原理见图3,实物照片见图4。

3. 双深式货叉

通常,一台堆垛机负责左右两排货架货物的存取。而对于立体库物料流量不大,存储的品种不多,但要求储存量较大的情况,巷道堆垛机可采取五级双深式货叉方案。该方案可用一台堆垛机负责左右各两排货架(即共四排货架),堆垛机巷道宽度不变。这比常规方案节省一台堆垛机和一个巷道空间,提高了立体仓库的储存密度(见图5)。

双深位伸缩货叉具有独特的构造,可以装卸四排货架(左右各两排)上的货物,提高立体仓库的空间利用效率。换句话说,双深位伸缩货叉可以达到很大的叉程,最大叉程/叉长比大于2.0,远远超过单深位伸缩货叉。

四级或五级双深式货叉的结构比较复杂,要求制造精度高、货叉的整体刚性和强度好,比三级货叉的制造费用相对高一些。同时,为了躲避货叉,靠近巷道两侧货架牛腿与牛腿之间留的空间要大一些,但由于节省了一台堆垛机和一个巷道,整个立体库的总造价还是降低了很多(见图6、图7)。

4. 三深式货叉

这是一款为客户定制的伸缩货叉,有四个可移动叉,比双深位货叉还要多一个。

三深式货叉结构特殊,叉程/叉长比非常大,最大叉程很长。此款货叉用于三深位存储或者需要挠度偏差小的双深位存储。可移动叉的宽度为175mm,可移动叉的总高度为235mm,合理叉程内的载重为1000kg (见图8)。

无论是双深还是三深货叉结构,适用于储存的物料品种不多,但在库存量要求较大的情况下,常用于药品、饮料、牛奶、矿泉水、油漆等成品仓库。

5. 单皮带式、双皮带货叉

皮带式系统和货叉的驱动部分相互独立,皮带式系统可以不通过货叉动作来搬运货物。皮带和伸叉是复合运动,节省空间和时间,出入库频率相当快(见图9、图10)。

皮带式系统通常和迷你载重货叉配合使用,不适合重型货叉。主要适用于小于50kg的货箱。

除了单皮带系统,还有双皮带系统,其驱动单元相互独立,可以同时装卸两组货物单元(见图11、图12)。

6. 单深夹持式货叉

对于重量比较轻、体积比较小的周转箱,在牛腿式货架上排列比较密,要求货叉的伸缩速度快、定位准确。此结构货叉的主体是可往复运动的传送带,两侧的夹持机构实质上是两个可伸缩的三级普通货叉。取货物时,夹持货叉首先伸入货架,夹持住货箱的两侧,在收回货叉的同时,主体货叉的输送带启动,将货箱带回。送货物动作相反。此结构货叉没有微升微降的动作,减少了货架与货箱之间的空间(见图13)。

该系统用于箱式存储的单深位自动化立体仓库,与箱子的尺寸和重量密切关联。如果采用两叉间距可变的移动系统,可以同时叉取从200～700mm宽度不同的箱子,最大重量为50kg/箱,这款设备的一个动作周期可以小于5秒(见图14)。

7. 双深夹持式货叉

该系统用于双深位箱式存储的自动化立体库。货叉中部和端部分别有定位沟,同时隔开两个箱体。系统与箱子的尺寸、重量和材料密切关联:采用两叉间距可变的移动系统,可以在一个巷道内叉取从200～700mm宽度不同的箱子,最大载重为50kg+50kg。这款设备的一个伸缩周期可以小于6秒(见图15)。

8. 两叉间距可变货叉

两叉间距可变系统即两个叉体之间的间隙是伸缩可调的,两个叉中间的距离可以根据不同列、不同层高,而根据托盘尺寸的大小调整。该设备特别适用于在同巷道内有多种尺寸托盘的立体仓库(见图16)。

9. 自提升货叉

自提升货叉一般用于当伸缩货叉固定在货台、AGV或者其他相似的不带提升装置的搬运设备上。

自提升系统有多种类型,不同的重量对应于不同的提升高度,所以基本上所有的伸缩货叉都可以配置一套自提升系统。最大的垂直提升距离相对于不同的设备而不同,也和货物的重量密切关联,适当的距离为120mm (见图17)。

1 0. 卷状物货叉

卷状物货叉是在普通货叉的基础上进行技术改进得到的,是可以叉取卷状货物的伸缩货叉。因为货物很重,需要设计增强型的卷状物货叉。如造纸行业、布料行业、地毯、地板革等卷装物品可以用此类货叉(见图18、图19)。

结论

堆垛机安全机构的设计 篇4

随着中国经济的高速发展,物流配送中心和自动化立体仓库的需求量越来越大,而巷道堆垛机是自动化立体仓库的核心设备。作为一种起重机械,它在又高又窄的巷道内高速运行,为避免对人身及设备造成威胁,堆垛机必须具备一套完善的硬件及软件安全保护措施。

1 堆垛机的机械保护

1.1 堆垛机做的是三维运动

水平方向由行走机构带动整台设备沿着轨道方向运动,因此在轨道终端设置了水平机械限位装置,这种装置一般在金属结构的上下横梁两端安装橡胶缓冲器或液压缓冲器,在轨道终端装有机械死挡,一旦堆垛机失控,能起到缓冲作用,避免堆垛机冲出轨道造成人身及财产损失。

在垂直方向主要是载货台做上下运动,因此在立柱上下两端也装有橡胶缓冲器,以免载货台超出它的上下限,造成设备损伤。

另外,载货台带着货叉机构在垂直方向做水平的伸缩运动,除了为货叉设置机械限位以外,为了防止货叉伸缩时卡住或遇障碍物损坏电机,还在货叉的传动装置上设置了力矩限制器,当货叉超载时,传动轴打滑,电机空转,从而保护了货叉电机。

1.2 松绳过载保护

当起升钢丝绳由于某种原因使其张力超过有货满载荷值的25%以上或小于无货空载荷的75%以下时,过载与松绳保护装置(超载限制器)将动作发出信号,及时断电停车。钢丝绳的松绳过载保护装置采用弹簧滑块式机构,其工作原理是:由于钢丝绳张力的变化引起弹簧伸缩带动滑块位移并碰撞行程开关以控制电动机断电,从而起到保护作用。

1.3 限速器和安全钳

为防止由于链条或钢丝绳全部折断,或由于载货台超载严重而发生的载货台坠落事故,需要在堆垛机设计时考虑限速器和安全钳装置。

限速器是速度反应和操作安全钳的装置,当载货台运行速度超过限定值时,限速器产生机械动作,由于限制器的作用,使装在载货台吊架上的安全钳的楔块制动机构在杠杆和弹簧等的作用下钳住前后升降导轨,制止载货台下落并将其支持在升降轨道上,以保证现场人员与货物的安全,如图1所示:限速器安装在堆垛机上方,限速器绳由安装于下横梁上的张紧装置予以张紧,限速器动作时通过提拉连杆机构将活动钳块上提,与导轨接触并沿斜面滑槽上滑,导轨被夹在活动钳块与静钳块之间,形成自锁,从而防止载货台向下坠落。限速器绳应选柔性良好的钢丝绳,直径不小于6mm,安全系数不小于8。

1.限速器2.限速器绳3.静钳块4.活动钳块5.连杆机构6.导向装置7.张紧装置8.弹簧9.碟形弹簧

安全钳装置安装在载货台的垂直吊架上,由钳座、碟形弹簧、静钳块、弹簧活动钳块、滑槽等组成,其最大的夹紧力由碟形弹簧决定,弹簧用于安全钳释放时钳块复位。

2 堆垛机的电气保护

2.1 水平运行强制换速及限位保护

水平运行强制换速开关一般装于金属结构下横梁上,装于地面的检测片设于运行行程两个终端限位之前,当自动或手动失误,堆垛机仍在高速运行时,通过此开关强制换成低速,防止惯性太大和冲击震动。

水平限位开关一般装在下横梁一侧,一般采用行程开关,撞尺设于两运行终端,当堆垛机进入紧急停止状态时,迅速切断电源,使机械停止运转并发出水平紧急停止报警信号。

2.2 起升下降运行保护

在金属结构立柱的上下终端处,装有撞尺,在载货台上设有行程开关,阻止载货台升降超过上下极限位置,一旦出现紧急停止状态时,切断电源并发出升降紧急停止报警信号。

同样的,在载货台上装有强制换速开关,以用来强制减速载货台上升或下降时的速度。

2.3 货叉伸缩电气保护

一般在货叉上设置左右驱动开关来控制货叉的伸缩方向,同时还设有上叉保护,在确认上叉已经收回的情况下,堆垛机才会运行,避免货叉没有收回碰到货架或货物。

3 结束语

浅析托盘堆垛车技术发展方向 篇5

托盘堆垛车适用于狭窄通道和有限空间内的作业,是仓储物流行业的理想工具。目前国内外生产托盘堆垛车企业很多,功能基本上大同小异。但是由于仓储物流过程中一些特定的操作特点,使得托盘堆垛车的细微功能及结构设计差别会影响到其作业效率及安全。随着用户的使用体验和技术的发展,托盘堆垛车的技术呈现出了几个较为清晰的发展方向,本文结合实际操作特点,来浅谈托盘堆垛车的技术发展方向。

提高作业效率

影响堆垛车操作效率的因素主要有车辆行驶速度、货叉升降速度以及操作方便性。

行驶速度受电机功率、安全、标准及经济性等方面制约,设计时要综合考虑各方面因素。目前,较合理的空载行驶速度为6km/h (步行式)和10km/h (站驾式),满载速度为5km/h (步行式)和8km/h (站驾式)。

货叉升降速度是影响作业效率的另一重要因素。货叉起升速度受到电机功率、电控技术以及经济性等方面的制约,而出于安全性考虑,货叉下降速度不能过快。

货叉的起升和下降是托盘堆垛车实现存取货物的2个基本功能,使用也最为频繁。叉装时,由于堆垛车货叉高度一般在55～70mm之间,而标准托盘的叉槽高度在89～100mm之间,因此货叉在进入托盘时距离叉槽上下两侧只有不到10mm,需要有很高的操作精度。目前,国内的堆垛车设计基本都是采用微动开关控制电机的启动和电磁阀的启闭,来实现货叉升降。由于电机断电后存在短暂的延时,因此开关接触时间以及电磁铁吸合时间并非十分精确,使得货叉的移动距离过长且不可控,特别是空载起升和重载下降,单次移动距离可能超过30mm。这种现象会导致货叉一次很难调整到位,影响作业效率。同时对于多层货架,若存放的货物和上层货架框间隙较小,易导致存取货物时货叉或货物碰擦货架,从而引发安全事故。起升下降功能采用泵控或阀控的形式,通过操作模拟开关可实现货叉升降的无级调速,做到精确定位,提高作业效率和安全。

提高操作性能

门架视野开阔、货叉控制精准、操作轻便、故障自检等,都能减少操作员疲劳、提高工效性,使车辆易于操作。

在操作托盘车存取货物时,除了货叉的定位精度,驾驶员的操作视野也会影响作业效率及安全。在设计上有许多方法可对视野有所改善,比如在叉尖涂上醒目的颜色(如图1),货叉及叉架体设计上采用镂空设计。这样在进行第2层作业时不会出现因叉架板挡住驾驶员视线而无法判断货叉位置的状况。(如图2)。

提高灵活性

提高堆垛车灵活性的目的是提高其对狭小空间的适用性,具体措施有两点,一是减小最小通过宽度和最小转弯半径,二是减小车身宽度和纵向尺寸。以杭叉集团的1.2t A系列堆垛车为例,其车身宽度L1一般为800mm左右,货叉长L3一般为1150mm左右,可以靠设计和改变空间布置等措施来缩小的只有纵向尺寸L2,而纵向尺寸(包括L2和L3)直接影响最小转弯半径及堆垛车的纵向稳定性,如图3所示。在通道宽度比较小的场所进行90°转弯时,车辆外形尺寸尽可能小,货叉长度不要超过托盘的长度,以尽可能减小车辆的转弯半径,满足行驶安全。

车辆正常行驶时,手柄一般必须向车尾方向倾斜一定角度,此时手柄可能会超出车辆转弯半径范围,导致操作者被挤压在车辆和货架之间,引发安全事故。为此,有些车辆设计了直立行驶功能,在手柄直立的状态通过按住一专用的按键同时操作加速开关,能够控制车辆的行驶,从而能够完成狭窄通道车辆的转弯。

增强安全性

随着堆垛车在各个领域中的广泛使用,堆垛车安全问题显得越来越重要,保证操作员的安全是设计人员需要考虑的重要问题。安全性包括操作员人身安全和堆垛车安全保护。堆垛车在设计中已为操作员提供了最大的安全系数,并将堆垛车的损害风险降至最小。电控技术的发展与运用,使堆垛车安全性研究向智能化方向发展。如紧急反向、感知系统、踏板护栏互锁限速、起升高度限速等技术的运用,进一步保证了堆垛车的安全性。另外,多速度模式功能的设计运用也在一定程度上提高了安全性,如在空间狭窄的情况下,可采用龟速模式,提高操作精度,增强安全性。

注重外观设计

客户在使用电动堆垛车时,对车辆的外观要求也越来越重视。良好的外观设计可以提高操作人员的操作效率。大坡面、软硬线条结合配以富有特色的色彩搭配,使堆垛车的造型更加简洁美观,富有肌肉感。虚拟样机设计和三维实体造型等先进设计手段和制造技术的运用,使堆垛车造型越来越具有新意和特色。

堆垛问题 篇6

某生产线的桶装成品搬运堆垛, 目前主要由人工驾驶行车来完成, 5个成品堆垛成一组, 然后手工对此成品组按集装箱要求捆扎。这种人工搬运堆垛作业, 造成行车频繁启动使行车部件磨损加剧, 易发生故障, 且劳动强度大, 工作效率低。近年来, 随着企业生产规模的扩大, 这种人工搬运堆垛方式已不能满足生产的要求;同时, 重型桶装成品主要出口到国外, 外商对成品包装物的外观要求严格, 桶面不能有碰伤、掉漆、变形等缺陷。为此, 研究开发了一种自动搬运堆垛机器人。该机器人具有不损坏成品桶表面油漆、桶盖开启定位销、能按海运装集装箱规格的要求进行堆垛捆扎、价格便宜等特点。

1 系统整体设计

根据需求, 要将辊道输送线上的成品桶在不损坏表面油漆及桶盖开启销的前提下, 搬至承桶平台上的包装箱堆垛并打捆, 该包装箱是一正方形木框, 桶的放置位置如图1所示, 桶与桶之间要有一定的空隙用来插入木条以防止碰伤, 桶上的插销不能摆放在包装箱的对角线上, 也不能使插销朝外, 因为在进行捆扎装集装箱时容易将插销碰坏。桶的直径为420 mm, 高为500 mm。参考工厂中行车的行走机构及起重机械的结构, 设计了一种重型桶装物品专用的搬运堆垛机械, 其中, 行车的行走主要采用液压缸活塞杆的伸缩实现。

2 系统设计原理

当辊道输送线上的桶被输送并碰到橡胶挡条时 (橡胶挡条被设置在输送线的终端) , 为了使桶停留在输送线的中心, 设计了一个类似漏斗状的铁皮, 其漏斗出口正好对准输送线的中心, 这就精确保证了桶的停留位置 (设该停留位置是位置0) 。包装箱的位置也被精确定位 (设其中心位置是位置1) 如图1所示。由于包装箱的对角距离大约为1 500mm, 考虑到行车的行程及搬运速度, 位置0与位置1之间的水平距离定为2 000 mm。为了固定提升机构及行车的行走机构, 设计焊接了一立方体形框架, 四面都是空的, 各棱边用铁柱支撑, 顶面焊接了两条水平行走导轨 (X方向) 。行车的移动是通过液压缸活塞杆的伸缩实现。因此, 要实现X方向的移动必须由液压缸来驱动。行走机构移动到位置0的正上方, 通过液压缸的伸缩下放抓夹机构, 下放一定距离后, 通过步进电机驱动抓夹机构转动, 抓夹机构上装有一竖直细铁丝, 当竖直细铁丝碰到桶的插销时, 抓夹机构上的步进电机失电, 停止转动。然后, 液压缸提升, 通过提升机构的自身重力夹紧桶上提, 上提到一定高度后, 步进电机通电旋转, 当碰到固定在液压缸上的挡铁时, 步进电机失电停止转动, 此时的桶位置即是摆放位置, 然后水平移动到摆放位置正上方放置。这就完成了一次搬运过程。当行车返回搬运第二个桶的同时, 包装箱下的旋转机构驱动使其旋转90°, 等待第二个桶的摆放。以上的行走机构移动到位均是通过安装行程开关, 并应用PLC实现精确控制的。桶的摆放顺序依次为图1中的1, 2, 3, 4, 5。

3 系统机构设计

整个系统可分为行车的行走机构、提升机构、抓夹机构、包装箱的旋转机构及一些辅助安装的行程开关等。

3.1 行走机构

行走机构 (见图2) 主要包括行走小车和驱动液压缸两大部分。行走小车的停止完全由行程开关限定, 当液压缸推动行走小车向左移动一段距离后, 碰到行程开关, 此时电磁阀断电, 液压缸停止供油, 行走小车停止移动, 这是行车的左极限位置。因此, 必须在图1位置0的正上方设置行程开关1, 确保抓夹机构的抓夹位置。当抓夹机构抓紧桶后, 提升并旋转使插销符合摆放位置, 此时液压缸排油收缩, 拉动行走小车向右移动, 到达位置1的正上方, 碰到行程开关3, 使行走小车停止, 这就是行车的右极限位置, 左、右极限位置相距2 000 mm。要摆放中心左边的桶时, 由于桶与桶之间的中心距是450 mm, 因此要在距右极限位置的左边450 mm位置处安装一个行程开关2。由于在包装箱底下有一旋转机构, 每次使其旋转90°, 所以, 无须再另外安装行程开关。

3.2 提升机构

提升机构 (见图3) 主要是由垂直固定安装在行走小车正下方的液压缸所组成, 它起到上下提升桶的目的。

3.3 抓夹机构

抓夹机构 (见图3) 主要由步进电机、旋转桶、旋转齿轮、X形抓手、顶销、悬挂细铁丝、刚性弹簧等组成。当行走小车移动到位置0的正上方时停止, 提升机构的液压缸推动抓夹机构下放到一定距离, 步进电机通电驱动旋转桶旋转, 使得悬挂细铁丝与桶上的插销相碰, 此时, 步进电机失电停转, 提升机构的液压缸继续相下推进, 顶销压住桶顶盖, 液压缸停止下移开始提升, 靠重力实现桶的夹持, 在细铁丝底部要安装行程开关。

3.4 包装箱的旋转机构

包装箱的旋转机构 (见图4) 主要由齿条、驱动液压缸、棘轮及一些辅助机构等组成。由于要使包装箱每次旋转90°, 因此棘轮设计成4个均布棘齿。当液压缸收缩时, 拉动齿条向右移动, 齿条带动棘轮一起旋转90°, 然后液压缸活塞杆向外推进使齿条向左移动, 由于齿轮外圈与棘轮是空套的, 因此它不会与棘轮一起旋转。

4 结束语

重型桶装成品搬运堆垛系统具有价格低廉、搬运堆垛速度快、效率高、操作简便等特点, 现已成功配备在桶装成品搬运堆垛生产线上, 使用效果良好。

参考文献

[1]吴广顺, 凌雷, 方素香, 等.PLC在搬运机器人控制系统中的应用[J].机床与液压, 2006, (2) :188—190.

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[3]杨旭东.通用搬运机器人的PLC控制系统的探讨[J].贵州工业大学学报 (自然科学版) , 2004, (5) :33—35.

堆垛起重机装焊工艺 篇7

该起重机桥架结构件主要由主梁、端梁、联结梁、滑导架、平台等部件组成, 结构形式如图所示, 两主梁中间由四个联结梁与主梁腹板高强螺栓相联, 中间四个联结梁起到增加主梁刚性, 板坯起吊平稳的作用, 端梁与主梁腹板上面、侧面高强螺栓相联, 两侧配有车轮滑向装置, 在厂房轨道装置上滑行, 主梁两侧八个滑导架与主梁平台高强螺栓相联, 每对滑导架中间有一个起吊板坯滑移装置, 使得板坯起吊后, 能够上下移动。

桥架结构主要特点分析:主梁通过螺栓联接分别与端梁、联结梁、滑导架相联, 联结处比较多, 且联结处结合面均需加工, 焊接工艺需要考虑机械加工工艺设备能力, 结合面相关零件如果装焊前加工、配钻, 焊接工艺应考虑焊接变形、起吊翻梁变形的控制, 保证结合面的平面度及配孔零件孔的同心度;端梁与主梁腹板上面、侧面高强螺栓相联, 两侧装有车轮滑向装置, 所有结合面均需焊后加工, 端梁的装焊及在桥架架装位置需要精确控制;滑导架中间有一个起吊板坯滑移装置, 滑导架的装焊及在桥架架装同截面错位差、高低差需要精确控制;主梁高度为2250mm, 滑导架高度为2700mm, 桥架如果正装, 主梁至少架高2700mm, 主梁找正后装焊相关部件, 这对装焊工人操作及厂房空间能力提出很高的要求, 检验人员测量相关尺寸也较为困难, 桥架倒装能够解决这些问题。

1 桥架架装

1.1 整体方案

主梁、端梁、联结梁及滑导架 (不包括联结板部分) 单部件装焊, 桥架整体架装定位焊接, 金工在桥架架装好后整体画线, 桥架拆装, 单部件焊接完成后送金工车间加工。

1.2 主梁倒立找正

两根主梁倒立, 对主梁与滑导架联结板相联结合面处找平, 八个结合面处高低差控制在5mm之内, 同时考虑主梁的垂直偏斜, 水平偏斜, 对角线差, 跨距、轨距, 将主梁找正。

1.3 联结梁装焊

联接梁两头联结板与主梁腹板零件配钻孔, 加工结合面, 联接梁单部件装焊, H型钢两头留有工艺余量, 主梁找正后, 根据桥架H型钢开挡位置尺寸, 将H型钢两头工艺余量切割, 打磨光滑后进行定位焊接, 桥架拆装后, 联结梁按图纸要求焊接。

1.4 端梁装焊

端梁部件与主梁联结板零件由机械加工厂整体配钻孔, 加工结合面后用工艺螺栓把在一起, 两根主梁倒立确定位置找正后, 将带有主梁联结板的端梁架装于主梁两侧, 各项指标值定好位后, 进行焊接, 主梁腹板与联结板坡口打底通焊, 桥架拆装后, 主梁腹板与联结板按图纸要求焊接。

1.5 滑导架的装焊

滑导架联结板与主梁平台联结板单零件跨金工配孔、加工结合面, 后用工艺螺栓把在一起, 主梁单梁装焊时将配有滑导架联结板的平台装焊 (主梁平台施焊对主梁各项控制关键指标值的影响可在主梁中修正) , 两根主梁确定位置倒立找正后, 将滑导架立于主梁平台及滑导架联结板上, 进行定位焊接, 桥架拆装后, 滑导架按图纸要求焊接。

2 设计要求更改

2.1 主梁跨距为26550mm, 截面尺寸为630mmx2250mm, 上下盖板为35mm, 主腹板为60mm、15mm, 副腹板为50mm、15mm, SIEMENS-VAI设计要求为无上拱, 考虑到梁的自重、梁的刚性及承载后的下挠, 焊接工艺提出设置上拱值要求, 经设计计算单梁自重下挠值为12mm, 焊接工艺予制值为20mm, 单梁交检控制在12-16mm之内。

2.2 主梁盖腹板设计时要求角焊缝焊角高度为10mm, 考虑主梁盖腹板板厚较厚且此焊缝为关键受力焊缝, 焊接工艺提出如图3右更改后联结焊缝, 且对有效焊肉进行100%超声波探伤, 焊缝内部质量达到GB/T10559Ⅰ级要求。

2.3 主梁的副腹板侧开有Φ150mm手孔, 用于联结梁与主梁主腹板联结螺栓拆装, 主梁截面尺寸为630mmx2250mm, 主梁平台立筋尺寸为-50x890-2005, 实际操作过程中由于空间尺寸所限, 不能够在主梁的副腹板侧将联结梁与主梁主腹板联结螺栓拆装, 焊接工艺提出在主梁的副腹板侧恰当位置开出Φ500mm人孔, 外封一孔盖的工艺方案, 经过设计计算, Φ500mm人孔影响主梁刚度不大, 能够满足钢板起吊使用要求。

2.4 滑导架联结板 (δ=35) 与其筋板 (δ=50) 联结时, 两外侧筋板与联结板无坡口平对齐, 设计要求角焊缝焊角高度为10mm, 滑导架虽然起板坯滑移装置导向作用, 但是外侧筋板与联结板施焊焊肉小、接头强度底且焊缝成型不好, 焊接工艺提出开坡口且增加焊缝角高的施焊方案。

3 装焊尺寸公差及检验控制

3.1 焊接装焊过程中控制滑导架与联结板的垂直度≤5mm, 主梁两侧滑导架的同截面错位差≤3mm, 八个滑导架的末端高低差≤5mm。

3.2 联结梁H型钢与相联法兰焊后横向收缩, 轨距方向装焊尺寸予放大3mm。

3.3 其余尺寸公差及检验要求按SFC2000、ISO13920 (GB/T19804) 、EN25817B (GB/T19418) 、TZS/K716-2002、TZS/K718-2004制造、验收。

4 总结

0209043ck (26t-26.55mm堆垛起重机) 采用以上装焊工艺, 检验控制要求, 单梁、单部件装焊及桥架架装拆装一次交检合格, 金工在桥架架装好后整体画线, 桥架拆装后单部件加工, 顺利完成了此起重机的生产、制造, 为同类起重机的生产、制造积累经验。

摘要：26t-26.55mm堆垛起重机钢结构尺寸外形较大, 尺寸公差要求较高, 主要部件的装焊工艺创新满足结构件尺寸公差要求及后续加工装配要求, 便于制造和检测。

关键词：桥架架装,装焊,尺寸公差控制

参考文献

[1]贾安东.焊接结构及生产设计[M].天津大学出版社, 1989.

小型堆垛机器人货叉的优化设计 篇8

20世纪70年代初期, 自动仓库技术由欧美和日本等国家相继引进我国, 从此我国开始研究使用巷道堆垛机器人式立体仓库, 这使得堆垛机器人得到了较快的发展[1,2]。国产堆垛机器人在其行走速度、噪音、定位精度等技术指标上有了很大的改进, 但是与国外著名厂家相比还有不小差距[3]。为实现物流的高效率, 必须提高堆垛机器人存取速度, 而降低堆垛机器人自重可减小由堆垛机器人质量引起的惯性载荷, 是提高堆垛机器人速度的有效方法, 同时降低堆垛机器人自重可降低堆垛机器人电机的功率节约能源。货叉装置是堆垛机器人的关键工作装置, 其主要完成货物存取工作。由于工作需要, 堆垛机器人货叉在收回状态下的长度要小于巷道的宽度, 但伸展后的长度却要大于巷道宽度。为了在保证货叉能够顺利存取货物, 并能满足结构紧凑和上述宽度要求, 货叉一般采用3级直线差动机构[4,5]。而优化设计是一种寻找确定最优化方案的技术, 其可在满足设计要求的同时保证支出最小[6]。所以对货叉可变尺寸进行优化设计, 可以在有效减小堆垛机器人自重的同时减小货叉由自重而产生的弯曲变形和货叉驱动电机功率, 达到货叉尺寸的最优设计, 有效节约资源与能源。

1 堆垛机器人货叉原理

货叉采用齿轮齿条差动伸缩装置, 实现行程倍增[7]。货叉结构原理简图如图1所示:主动齿轮6固定在中叉板7上, 齿条4固定在下叉板1上, 下叉板固定在载货台上, 中叉板通过滑轨和滚轮轴承2与下叉板连接, 上叉板8通过滑轨和滚轮轴承3与中叉板连接;当齿轮6转动时, 使得中叉板7在齿轮6带动下相对于下叉板1伸出;而从动齿条5固定在上叉板8上, 当齿轮6运动时, 由相对运动原理可知, 齿条5将带动上叉板8以2倍于中叉板7的速度相对于下叉板1伸出, 从而实现了上叉板相对于中叉板的行程倍增, 满足了货叉工作要求。

2 有限元模型建立与静力学分析

货叉主要构件的材料属性:弹性模量:206Gpa;泊松比:0.3;密度:7800kg/m3。其他构件的材料 (如轴承等) 均根据相应强度要求选择。

货叉其结构复杂, 在建立有限元模型的过程中必须对其进行相应的简化, 以提高有限元软件计算分析效率和计算精度。首先, 删除模型中的倒角、倒圆、直径较小的螺纹孔和小孔, 压缩小于5mm的凸台[8], 同时删除与分析过程无关或对分析过程影响较小的齿轮、轴承座等零部件。以上简化过程都是在保证简化过程不影响计算精度或对计算精度影响很小的前提下完成的。

货叉网格划分过程, 网格形式采用自动控制方法对货叉主体构件进行网格划分;在满足计算精度前提下, 单元尺寸由程序控制;最终生成56239个有限元单元。对下叉底面施加固定约束, 使其满足货叉实际工作情况。由于小型堆垛机器人货叉载货量较小, 所以货叉变形主要由货叉自重引起, 故对货叉各部件施加标准重力加速度9.8kg/m3。货物对货叉的作用力共100N, 以远程力的方式施加在货物重心处。至此得到货叉有限元模型如图2所示。

在建立货叉有限元模型的基础上, 对货叉装置发生最大弯曲变形的伸出状态进行静力学求解, 得到货叉装置在进行尺寸优化前的货叉整体变形图如图3所示。从图中可以得到货叉最大变形发生在上叉端部, 最大变形为0.026021mm, 小于设计许用值1mm, 满足货叉设计要求。

3 优化设计

在保证设计所要求的货叉长度、宽度等主要尺寸不变的情况下, 对货叉的上、中、下各叉的部分尺寸进行优化设计, 以货叉质量最小的同时保证货叉整体变形量满足设计要求为优化目标。货叉进行优化的构件的尺寸 (d 1、d2、d3、d4、d5、d6、d7) 如图4所示。

在上述静力学分析的基础上, 设置模型的设计变量为d 1至d7, 其在设计过程中为可变参数, 以货叉质量最小的同时保证货叉的最大变形最小为优化目标, 对优化变量进行求解。在本优化求解的过程中, 每次仅同时改变两个尺寸变量, 分别得出上、中、下叉优化结果。

已知设计变量d 1至d7的原始尺寸分别为8mm、8mm、6mm、6mm、6mm、10.5mm、11.5mm, 且其中d3与d4始终相等;货叉装置的原始质量为67.72kg。

在分析过程中, 为防止单一设计变量尺寸变化范围过大而产生累计效应, 使得最终各设计变量最优尺寸整合后的货叉装置变形量超过设计许用值, 设定上叉尺寸变化范围为原尺寸的20%, 中叉和下叉的尺寸变化范围为原尺寸的10%。从优化结果图谱图5 (a) 中可得到货叉最大变形量随着d1的增大而增大, 但随着d2的增加货叉最大变形量先增大, 当尺寸达到9mm时开始减小, 说明此时上叉刚度明显增强;对于中叉, 其最大变形量随各设计变量尺寸增大均减小, 但变化很小, 即其设计变量尺寸变化对货叉整体刚度影响很小;对于下叉, 货叉最大变形量随设计变量尺寸增大而减小, 且随d6的增大其最大变形量减小速度较快, 即d6对货叉整体刚度影响较大。从图5中可得到货叉不同位置尺寸变化对货叉刚度影响不同, 但最大变形值均小于0.03mm;而从优化结果图谱图6中得到货叉的质量均随设计变量尺寸的增大而增大。最终综合各设计变量尺寸与最小质量和最大变形量三者的关系, 考虑到优化过程中最大变形值均小于0.03mm, 所以取质量最小时的尺寸为设计尺寸, 得货叉最优化尺寸、质量与变形表, 如表1所示。

在按表1所得的优化尺寸再次建立货叉三维模型和有限元模型后, 重复静力学分析过程 (载荷及边界条件等均相同) , 从而得到货叉尺寸优化后整体变形图, 如图7所示。

从图7中可以得到在货叉尺寸优化后, 其整体最大变形为0.02361mm, 比优化前货叉整体最大变形减小了0.00241mm。且可以得到优化后质量为59.23kg, 比优化前减小8.49kg。

4 结论

从优化前后静力分析的结果对比中可以得出:小型堆垛机器人由于其载重量较小, 货叉装置的变形主要是由于货叉装置本身的自重导致。但是从优化过程图谱 (图5、图6) 中可知, 在货叉装置质量随设计尺寸变量减小而减小的过程中, 货叉的整体刚度是降低的。而最终优化后模型静力学分析结果的最大变形量较优化前的小, 是因为在本次优化设计变量尺寸变化范围内, 货叉自重因素对货叉的刚度影响较尺寸减小因素对刚度影响大。而本次优化分析为保证货叉留有足够的额外载货量, 进而设定设计变量的尺寸变化范围为10%, 没有去求解此小型堆垛机器人货叉装置的质量与尺寸的最佳匹配点。

小型堆垛机器人货叉经优化设计后, 质量减轻8.49kg, 从而有效降低了货叉电机与小型堆垛机器人主体电机的功率, 同时节约制造材料, 降低了该堆垛机器人制造与运行成本, 为其加工制造提供了理论依据和必要的设计参数, 也为相类似装置的设计提供了一种有效的设计方法。

参考文献

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[3]郑玉巧, 黄建龙, 张淑珍, 毛建军.单立柱巷道式堆垛机有限元模态分析[J].机械与电子, 2010, (5) :22-24

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[6]李兵, 何正嘉, 陈雪峰.ANSYS Workbench设计、仿真与优化[M].北京:清华大学出版社, 2008.

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