數控立體倉庫的升降車結構設計及分析

馬　巖，趙敬光，李　虎，許洪剛，楊春梅

（東北林業大學 林業與木工機械技術工程中心，哈爾濱 150040）

數控立體倉庫的升降車結構設計及分析

馬巖，趙敬光，李虎，許洪剛，楊春梅

（東北林業大學 林業與木工機械技術工程中心，哈爾濱 150040）

設計了一種結構合理，符合使用要求的數控立體倉庫的升降車。分析數控立體倉庫的升降車的使用要求，通過SolidWorks 2010完成三維建模軟件，完成對各個機構總成的布局，將升降車底座導入ANSYS Workbench中進行強度和剛度的分析，根據軟件仿真分析結果，對仿真對象進行結構修改，滿足強度和剛度的要求。完成了數控立體倉庫的升降車的三維模型的設計，對升降車底座進行的仿真分析結果表明滿足使用要求。數控立體倉庫的升降車結構和布局合理，升降車底座等效應變量最大值4.3106e-5，等效應力最大值86.211Mpa，總變形量0.11616mm，符合消除后即可恢復原狀，滿足強度和剛度要求。

數控立體倉庫；升降車；結構設計；SolidWorks；ANSYS

0　引言

隨著現代化物流行業的發展，倉庫作為物流系統的一個重要單元，已從人工對貨物的存取查找發展到數控自動化階段。此時，人們以傳統倉庫為基礎，結合先進物流技術、計算機技術和工業控制等技術發展成為數控立體倉庫。據最新報告顯示，我國的自動化水平較經濟發達國家還有較大差距，數控立體倉庫在我國起步也比較晚，這造成企業自動化水平低、加工效率低的現狀。出現在我國市場上的數控立體倉庫雖然容量不大，產品單一，但憑借其低廉的價格占據了一定的市場。國外數控立體倉庫自動化程度高，存取準確度高，效率高，但價格也比較貴，每臺高達幾十萬。目前市場上對數控立體倉庫的需求量很大，這極大的刺激了國內企業對數控立體倉庫的更新換代［1～5］。

數控立體倉庫根據工作原理的不同，分為垂直循環式數控立體倉庫、水平循環式數控立體倉庫和垂直升降式數控立體倉庫［6～9］。在垂直式升降式數控立體倉庫中，升降車作為一個重要機構來實現升降推拉動作。其設計的優劣直接影響著數控立體倉庫的工作性能，因此升降車的合理設計與布局是十分重要的。

1　數控立體倉庫升降車整體設計

升降車作為數控立體倉庫系統中的核心部件，其性能的優良直接影響著整個存取系統的好壞［11～13］。文中設計的升降車主要應用于針對機床刀具等標準件中的數控立體倉庫。升降車主要由傳動總成、左前鏈輪總成、右前鏈輪總成、左后鏈輪總成、右后鏈輪總成、導向輪總成、升降小車底座和推拉滾子八部分組成。如圖1所示為數控立體倉庫升降車結構。

圖1　數控立體倉庫升降車結構

1.1工作原理

升降動作，主動鏈輪總成布置了鏈輪、錐齒輪來完成動力和扭矩的傳遞，錐齒輪配合將水平面內的轉動轉換為豎直平面內的轉動，并布置有縱向鏈輪連接軸，將升降小車串連在提升機構的封閉的豎直鏈條中，從而帶動升降小車作升降運動；推拉動作，由左前鏈輪總成和右后鏈輪組成的從動鏈輪總成，通過鏈條傳動來自主動鏈輪總成的驅動實現水平方的同向移動，以達到推入或拉出托盤的效果。

1.2運動關系分析

數控立體倉庫的出入庫動作主要是由升降車來完成，升降小車的上升、下降、減速停層和平層動作采用變頻調速來控制。電動機輸出的轉速與變頻器給定的頻率相對應。升降車運行曲線圖，升降車高度曲線圖如圖2、圖3所示。

圖2　升降車運行曲線圖

圖3　升降車高度曲線圖

推拉和提升電機采用變頻器控制轉速和正反轉，它具有以下優點：

1）變頻器控制電機操作簡單，功能易于實現。

2）采用變頻器工作啟動電流低于電動機額定電流，延長電動機使用壽命。

3）采用變頻器調速可以使電機低于額定轉速的狀態下工作，降低噪聲影響。

1.3升降車的特點

本設計的數控立體倉庫升降車與以往升降車相比，具有以下優勢：

1）導向輪總成設計既可以避免滾輪在方形管上左右滑動，實現導向功能，又可以緩沖升降車與井道方形管剛性接觸時受力不平衡產生的沖擊，使升降車平穩運行。

2）在升降車底座平臺兩側各安裝六個托輪，使托盤變滑動摩擦為滾動摩擦，減少摩擦大所帶來的噪音和托盤表面材料的磨損，又可以提高動力總成傳遞的有效功率。

3）升降車中對角線布置的動力傳遞方式，避免兩側需要兩個電動機完成鏈輪東西驅動，這樣既可實現了鏈輪同向轉動的要求，又可以在滿足動力驅動要求的情況下，節省一個電動機的使用，降低設備成本。

2　數控立體倉庫升降車零部件設計

2.1數控立體倉庫升降車導向輪總成設計

導向輪是由尼龍制成，其中間凹陷與數控立體倉庫井道的四根方形管菱角配合。導向輪總成由軸用彈性擋圈、孔用彈性擋圈、深溝球軸承、導向輪、導向輪安裝軸和安裝座組成。圖4為升降車導向輪總成。

圖4　升降車導向輪總成

數控立體倉庫升降車安裝四個導向輪，其結構都一樣，分別安裝在升降車四個鏈輪安裝座上。導向輪壓緊在方形管的棱角上，可以少量伸縮，使升降小車始終保持對中。

2.2數控立體倉庫升降車鏈輪總成設計

鏈輪總成包括主動鏈輪總成和從動鏈輪總成，它們的設計思路基本一樣，故本文以介紹主動鏈輪為例。主動鏈輪總成由縱向鏈條連接軸、安裝座、隔套、鏈輪錐齒輪安裝軸、雙排鏈輪和錐齒輪組成。圖5為升降車主動鏈輪總成。

在安裝座上設計一個直徑為30mm的孔，以實現豎直提升鏈條一側連接到鏈輪總成上，一側能穿過鏈輪安裝座，這樣來實現升降小車的上下運動，并使升降小車在運行過程中受力平衡。縱向鏈條連接軸是固定在安裝座上的，在距離連接軸兩端8mm處開有比鏈條套筒滾子稍大的孔，以實現將鏈輪總成串接在提升機構的鏈條中。在安裝座的側部斜面上，設計有3個M7的螺紋孔，用來安裝導向輪總成的。

圖5　升降車主動鏈輪總成

2.3數控立體倉庫升降車動力總成設計

動力總成主要包括了左傳動軸、脹緊聯結套、半軸聯結套、平鍵、減速電機、右傳動軸和錐齒輪組成。圖6為升降車動力總成。

圖6　升降車動力總成

升降車動力總成為存取貨物時推拉機構的動作提供動力。根據實現存取貨物功能及鏈傳動方式，要求升降小車兩側的鏈傳動相向運動，于是確定了傳動系統在升降小車上的安裝需要對角安裝并兩側輸出扭矩來實現這一功能。

3　數控立體倉庫升降車底座分析

應用基于有限元法的計算機輔助設計軟件對設計的結構進行強度和剛度校核，驗證結構設計的合理性［14，15］。

升降車底座采用4mm鋼板，焊接6mm加強筋來提高受力點處承載強度。假設升降車處于滿載靜止狀態，四個縱向鏈條連接軸分別固定在四個鏈輪錐齒輪安裝座上，四個鏈輪錐齒輪安裝座通過螺栓連接在升降車底座上。

升降貨物時，可以簡化成四個鏈輪錐齒輪安裝座分別給升降車底座四個垂直向上的力Fm，Fn，Fx，Fy。升降車底座自身受垂直向下的重力G，動力總成通過連接機構與升降車底座連接在一起，給升降車一個垂直向下的拉力Fa，托盤和貨物自身重量為Fb，位于升降車底座上面的托盤通過12個托輪把托盤自身重力和貨物重力平均分布在升降車底座上，受力從F1到F24，升降車底座受力分析如圖7所示（其余零件重力較小忽略不計）。

圖7　升降車底座受力分析

利用SolidWorks進行三維建模得到升降車模型，對升降車添加材料Q235，通過查看質量屬性得到升降車底座m1是38.33kg，動力總成m2是13.86kg，托盤m3是6.35kg。

由于靜止時升降車處于平衡狀態：

托盤設計最大承載貨物質量m4為500kg，因此托盤和貨物對升降車底座的垂直壓力：

假設托盤和貨物對升降車底座的壓力平均地分散在升降車底座上，所以：

分析結果如圖8～圖11所示，等效應變量最大值4.3106×10-5，等效應力最大值86.211Mpa，總變形量0.11616mm，符合消除后即可恢復原狀，滿足強度和剛度要求。

圖8　網格劃分

圖9　等效應變分析云圖

圖10　等效應力分析云圖

圖11　總變形分析云圖

4　結束語

文中設計的數控立體倉庫升降車通過導向輪機構提高了升降車運行平穩性，安裝的六個托輪減少了升降車運行的噪音和材料的磨損，提高動力總成傳遞功率利用率，減少了電機的使用個數，節省設備生產成本；通過利用ANSYS有限元分析軟件校核和驗證了結構設計滿足了使用強度和剛度要求。

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MA Yan，ZHAO Jing-guang，LI Hu，XU Hong-gang，YANG Chun-mei

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國家十二五支撐項目：黑龍江省數控一代木工機械產品創新應用示范工程（2014BAF11B00）；木材數控微米刨銑加工及智能設備控制裝備研究（GA14A401）

馬巖（1955 -），男，吉林榆樹人，教授，博士，主要從事現代木工機械設計與數控技術方面的研究工作。