人工智能無人值守戶外倉儲設計

引言1.1課題背景近年來，隨著全球經濟快速發(fā)展和人民生活水平不斷日益提高，人工智能無人值守戶外倉儲需求量大幅提高。2021年，考慮疫情影響，全球戶外倉儲消費量依然保持了4.2%增長率。人工智能無人值守戶外倉儲也稱自動存取系統(tǒng)，它是一種用高層立體貨架（托盤系統(tǒng)）存儲物資，用自動控制堆垛機進行存取作業(yè)，用計算機控制管理的戶外倉庫。人工智能無人值守戶外倉儲除了具有傳統(tǒng)倉庫的基本功能外，還具有分揀、理貨的功能，以及在不直接進行人工處理的情況下，自動存儲和取出物料的功能。1.2國內外研究現狀立體倉庫的發(fā)展和產生是二戰(zhàn)后生產和技術進步的結果。50年代初，美國發(fā)明并使用橋式堆垛起重機的立體倉庫；50年代末60年代初出現了司機操作的巷道式堆垛起重機立體倉庫；1963年美國最先在高架倉庫中采用計算機控制技術，建立了第一座計算機控制的立體倉庫。此后，自動化立體倉庫在美國和歐洲得到迅速發(fā)展，并形成了專門的學科。60年代中期，日本立體倉庫大量投入建設，并且發(fā)展速度越來越快，成為當今世界上擁有自動化立體倉庫最多的國家之一。

我國自動化立體倉庫技術的市場應用經歷了漫長的過程。目前已經幾乎覆蓋了國民經濟的各個方面。下面對市場應用作簡單描述。圖1.1市場應用情況圖圖1.2市場應用情況圖根據中國物流技術協(xié)會信息中心2020年的調研報告，我國2020年自動化立體倉庫系統(tǒng)及相關產品的總市場約為150億，分布如下：圖1.3市場份額情況圖1.3本課題研究的意義針對戶外倉儲生產行業(yè)，戶外倉儲分揀工作主要采用人工或者半自動機械，倉儲分揀依然停留在通過肉眼觀察區(qū)分和搬運，該種作業(yè)方式效率低，勞動強度大，嚴重戶外倉儲物流運輸行業(yè)的發(fā)展。針對上述情況，本文設計了一種人工智能無人值守戶外倉儲設裝置，可實現對戶外貨物的自動出入倉、自動進出貨架、自動分類，可極大提高生產效率，降低工人勞動強度，促進戶外倉儲行業(yè)朝著自動化、智能化方向發(fā)展，具有重大的民生意義和社會意義。1.4本課題的研究方法查詢市場上現有人工智能無人值守戶外倉儲裝置常用的的機械結構，結合相關研究國內外資料，整合無人值守戶外倉儲裝置工藝流程分析，確定人工智能無人值守戶外倉儲設裝置的整體結構，然后根據課題需求按照功能模塊進行分部詳細設計，然后采用solidworks2018軟件進行三維建模裝配，最后對現有人工智能無人值守戶外倉儲設裝置主要結構部件進行有限元靜力學分析和校核。第二章人工智能無人值守戶外倉儲設計裝置總體方案設計2.1人工智能無人值守戶外倉儲設計需求分析針對戶外倉儲生產行業(yè)，戶外倉儲分揀工作主要采用人工或者半自動機械，倉儲分揀依然停留在通過肉眼觀察區(qū)分和搬運，該種作業(yè)方式效率低，勞動強度大等問題。本課題需要設計一種人工智能無人值守戶外倉儲設裝置，可實現對戶外貨物的自動出入倉、自動進出貨架和自動分類存儲。2.2人工智能無人值守戶外倉儲設計裝置整體布局設計2.2.1人工智能無人值守戶外倉儲功能模塊分解根據設計需求，對人工智能無人值守戶外倉儲裝置進行功能模塊分析，該裝置需要具備外框架模塊、貨架模塊、堆垛機模塊、智能操作模塊和電控系統(tǒng)五大部分組成。外框架模塊主要承載，需要滿足戶外環(huán)境使用條件，具備牢固、耐用，同時重量輕便，占地面積小等特點。貨架需要具備承載能力強，組裝拆卸方便快捷，結構輕便等特點。堆垛機需要具備高速移動，其伸縮貨叉需要具備雙向移動承載貨物和托盤。智能操作模塊，需要具備觸摸屏操作和信息實時顯示控制。圖2.1倉儲貨架示意圖2.2.1人工智能無人值守戶外倉儲裝置工藝流程分析根據設計需求和功能模塊分析，確定人工智能無人值守戶外倉儲設計裝置整體工藝流程，初步確定采用直型布置方式，其非常適合純粹的越庫作業(yè)，便于解決高峰時同時進出貨庫作業(yè)。其適用類型為產品品種較為單一的成品庫，如電子產品、香煙和醫(yī)藥行業(yè)的成品庫。具體如下：圖2.2人工智能無人值守戶外倉儲工藝流程圖2.2.2人工智能無人值守戶外倉儲裝置整體布局設計根據人工智能無人值守戶外倉儲功能模塊分析，結合工藝流程圖，同時綜合考慮生產效率和節(jié)拍因素，確定采用雙工位流水線整體布局方式，具體如下：圖2.3人工智能無人值守戶外倉儲總體布局圖如圖2.2所示，人工智能無人值守戶外倉儲設裝置主要由外框架模塊、貨架模塊、堆垛機模塊、智能操作模塊和電控系統(tǒng)五大部分組成，設備的總長度5.11m，總寬度1.97m，采用左右對稱雙貨架倉儲方式布置，可保證生產節(jié)拍和自動化生產效率。第三章人工智能無人值守戶外倉儲設計裝置機械結構設計3.1外框架裝置結構設計根據市場調研和查詢相關的文獻資料，調查市場上常見戶外倉儲外框架結構，初步確定底板采用Q235碳素結構鋼板加工制作，其具備承載能力強，穩(wěn)定、牢固，能適應戶外惡劣環(huán)境，鋼板安裝地腳，采用高強度化學錨栓固定?？蚣芡獠坎捎肧US304不銹鋼鈑金折彎護罩保護，及美觀，又能起到很好的防護作用，具體結構形式見下圖。圖3.1人工智能無人值守戶外倉儲外框架示意圖3.2貨架模塊結構設計根據市場調研和查詢相關的文獻資料，市場上常見立體倉儲貨架主要有兩種形式：碳鋼鈑金焊接組合結構形式和鋁型材模塊化搭接形式（具體結構形式見下圖）。圖3.2鋁型材搭接貨架圖圖3.3碳鋼鈑金焊接貨架圖3.3堆垛機結構設計根據課題需要，本設計初步采用巷道式堆垛機，考慮貨物重量和應用場合，選用單立柱式巷道堆垛機。圖3.4巷道式堆垛機結構示意圖3.3.1堆垛機行走機構設計堆垛機的行走機構有電機和傳動機構組成，它的主要原理就是利用電機的轉動帶動傳動機構從而使堆垛機在下導軌上完成來回往返運動。本文主要是對行走機構的電動機、傳動機構進行選擇設計計算。電機減速機的選型計算1）按照要求可以選用伺服電機驅動，電壓220V；2)已知滿載貨物的總重為100kg，堆垛機行走速度為，電動機傳動效率；3）電動機所需的功率為： (4-1)4）電動機所需的額定功率為： (4-2)綜合以上計算，選擇MDMF152L1G6伺服電機，額定功率，額定轉速為2000r/min，配套世協(xié)PUL142-3-P2型減速機，減速比10。傳動機構的選型計算為了將電動機的扭矩轉化為堆垛機的動力，傳統(tǒng)的有2種傳動裝置，一種是有齒輪齒條傳動，另一種滾珠絲桿傳動。但相對于齒輪齒條傳動，絲桿傳動中間不能搭建支撐，導軌的長度過長，所以材料的剛度以及強度都要提高，成本也相對應的來說增加不少，而齒輪傳動雖然之間有間隙，傳動存在誤差，但對于堆垛機這種非精度要求高的機器，誤差可以忽略不記，相比于絲桿傳動，齒輪的性價比也較高，所以綜合以上幾點因素，本文的堆垛機行走機構采用齒輪齒條傳動。1、選定齒輪類型、精度等級、材料級齒數采用直齒圓柱齒輪齒條傳動。速度較低，故選用7級精度（GB10095-88）。材料選擇。查詢設計手冊，選擇小齒輪硬度為280HBS，材料為40Cr(調質)，齒條材料為45鋼（調質）硬度為240HBS。初步選小齒輪齒數Z1=22，大齒輪齒數Z2、按齒面接觸強度設計由設計計算公式進行計算，即d確定公式內的各計算數值試選載荷系數Kt計算小齒輪傳遞的轉矩。（預設齒輪模數m=4mm,直徑d=88mm）T3)由表10-7選齒寬系數φd4）由表10-6查得材料的彈性影響系數ZE5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim1=600MPa;齒條的接觸疲勞強度極限6）由式10-13計算應力循環(huán)次數。N7)由圖10-19取接觸疲勞壽命系數KHN18）計算接觸疲勞許用應力。取失效概率為1%，安全系數S=1，由式（10-12）得σ計算試算小齒輪分度圓直徑dt1,代入σd計算圓周速度v。v=3)計算齒寬b。b4)計算齒寬與齒高之比bh模數m齒高hb計算載荷系數。根據v=0.497m/s,7級精度，由圖10-8查得動載荷系數K直齒輪，KHα由表10-2查得使用系數KA由表10-4用插值法查得7級精度、小齒輪為懸臂布置時KHβ由bh=5.33，KHβ=1.250查圖K=按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑，由式（10-10a）得d7)計算模數m。m按齒根彎曲強度設計由式（10-5）得彎曲強度設計公式為m≥確定公式內各計算數值由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限σFE1=500MPa;齒條的彎曲強度極限由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數KFN1=1.1，計算彎曲疲勞許用應力。取彎曲疲勞安全系數S=1.4，由式（10-12）得σσ4)計算載荷系數K。K=5)查取齒形系數。由表10-5查得YFa1=2.65,6）查取應力校正系數。由表10-5查得YSa1=1.58，計算齒輪齒條的YFaYY齒條的數值大。設計計算m由于齒輪模數m的大小主要決定彎曲強度，而齒面接觸疲勞強度主要取決于齒輪直徑。可由彎曲強度算得的模數3.55并就近圓整為標準值m=4mm，則模數m=4，直徑d=88的齒輪是符合強度要求的圖3.5巷道式堆垛機行走驅動結構示意圖3.3.2堆垛機立柱結構設計計算立柱是堆垛機中貫穿全體的骨架，連接著伸縮貨叉，載物臺以及行走、起升的機構，它是整個堆垛機部件中受力最大的部件，它的頂端連接著輪盤帶動著鏈條促使起升機構的產生，它的底部連接著橫梁，支架，由電機等傳動機構帶動堆垛機完成行走。作為堆垛機最重要部件之一，因此立柱的抗彎性，抗扭性對整個堆垛機都起著至關重要的作用。因此在設計立柱的時候應當考慮到立柱的力學性能。由于立柱高而窄，受力大，為了保證立柱良好的力學性能，必須減少其橫截面積，降低它的重量，根據實際進行設計選用100×100的鍛造H型高強度碳素結構鋼；按GB/1591-1994標準，查機械設計手冊，選用Q345低合金結構鋼作為立柱的材料，改材料具有良好的力學性能，其彎矩大，溫度對其影響不大，低溫下材料的力學性能變化也不大，材料的強度極限為，屈服極限為。當伸縮貨叉在立柱最頂端且載貨臺上放置著最大負載的貨物即100kg的貨物時，立柱的所受的力矩是最大的，就以此種情況為例來計算并驗算立柱的材料是否合格。已知條件，立柱為空性矩形，尺寸為，壁厚為10mm，橫截面積為21.9cm2，受最大壓力為F=1000N，立柱高1.77m，則計算力學性能步驟如下：1）畫出立柱的受力變形圖，如下圖2-1所示：圖3.6立柱受力變形圖2）計算出立柱所受的力矩立柱為空性矩形，則立柱所受慣性矩為： (2-6) (2-7)當所受力且立柱的力臂，則可以計算出立柱所受的力矩為： (2-8)則的屈服極限，也小于材料的強度計算，所以該材料以及設計完全符合設計需求。3.3.3伸縮貨叉設計計算堆垛機的伸縮貨叉由電機、貨叉以及一些傳動裝置組成。下叉固定不動，且下叉與中叉以及上叉通過滾動導軌連接而成，保證貨叉能夠完成伸縮的動作，中叉和上叉通過齒輪、齒條嚙合等傳動裝置實現共同伸縮。伸縮貨叉和載貨臺相組合，組成了堆垛機運輸的運輸平臺。一、電機的選擇及計算已知伸縮貨叉的運行速度為5m/min，與滾動滑軌之間的摩擦系數為0.03，貨叉的自重約為200kg，貨物按照最大負載為100kg，齒輪減速器的傳動效率約為0.9，鏈條的傳動效率約為0.9，則伸縮貨叉以最快速度運動時所需的功率： (3-1)行走阻力： (3-2)總效率為： (3-3)所以可以求得最大功率為： (3-4)為保證伸縮貨叉能夠安全的運動，可以選擇MQMF042L1U2型伺服電機，功率為0.75kW，額定轉速2000r/min，配套RS090-30S1型減速機，減速比30。二、傳動機構的選擇及計算1、齒輪的尺寸計算根據伸縮貨叉的傳動要求，選用齒輪齒條傳動，取傳動比i=1；1）材料選擇由表10-1選擇小齒輪40Cr（調質），硬度為280HBS，大齒輪45（調質），硬度為240HBS；2）根據表10-6選用7級精度2.按齒面接觸強度進行設計 (3-5)1)確定未知系數查機械設計手冊可得，載荷系數；齒寬系數；區(qū)域系數；材料彈性影響系數；許用應力。2）齒輪傳遞扭矩T已知減速機的轉速n=100r/min，額定功率P=0.75kW，則可求出齒輪傳遞扭矩： (3-6)綜上所述計算得： (3-7)3.確定齒數取齒輪齒數Z1=40；4.確定模數 (3-8)圓整模數取m=3；5.計算分度圓的錐角錐距 (3-9) (3-10) (3-11)6.計算分度圓直徑 (3-12)7.確定齒寬 (3-13)即8.齒根彎曲疲勞強度校核 (3-14)查機械設計手冊，得，且，T=1170，計算可得： (3-15)所以綜上所述齒輪滿足齒根疲勞強度的要求。三、載貨臺的設計載貨臺是附著在伸縮貨叉之上用于運輸貨物的一個平臺，它與伸縮貨叉相組合就是本文所設計的單立柱堆垛機的伸縮運輸機構，通過以上計算分析，通過CAD以及SolidWorks軟件對其進行二維的繪圖以及三維的建模，如下圖所示：圖3.7載貨臺第四章人工智能無人值守戶外倉儲設計三維模型的建立和分析4.1人工智能無人值守戶外倉儲設計裝置三維模型設計本課題采用SOLIDWORKS三維軟件對人工智能無人值守戶外倉儲裝置進行詳細地設計，整體設計采用自下而上的思路，即根據總體布局圖，先分別設計外框架模塊、貨架模塊、堆垛機模塊、智能操作模塊和電控系統(tǒng)，然后再利用SOLIDWORKS軟件進行整機的裝配。各子模塊裝配過程中，根據各輸送環(huán)節(jié)的關系、結構尺寸和布局，對各子模塊進行尺寸調整，并確定各個零件材質選取，完成人工智能無人值守戶外倉儲裝置整體的三維設計。圖4.1人工智能無人值守戶外倉儲裝置三維模型示意圖圖4.2人工智能無人值守戶外倉儲裝置堆垛機三維模型示意圖4.2關鍵部件的有限元靜力分析人工智能無人值守戶外倉儲裝置主要由外框架模塊、貨架模塊、堆垛機模塊、智能操作模塊和電控系統(tǒng)五大部分組成，選取其中載貨臺和行走機構傳動齒輪輪關鍵部件進行有限元靜力學分析。本次有限元靜力學分析采用SOLIDWORKSSimulation軟件進行分析[9]。1、載貨臺分析為了確定所設計的堆垛機是否合理，本節(jié)對堆垛機載貨臺受力情況進行分析，通過分析得到載貨臺的最大應力和位移，最后通過分析驗證了載貨臺的設計合理性。此次分析主要流程包括：模型的選擇、進入材料庫選擇材料、添加夾具即約束以及根據實際受力情況添加負載，而后進行網格劃分，最后的出分析結果，具體步驟如下：（1）選取模型如圖4-1所示為要進行有限元分析的模型-堆垛機中的載貨臺。圖4-1載貨臺點擊進入simulation插件，打開算例，如圖4-2所示。圖4-2算例（2）材料設置進入Simulaiotn界面，右鍵需要定義材料的零件，選擇應用/編輯材料，如圖5-3所示。圖5-3材料編輯進入選項之后，我們可以看到各種各樣的材料，在此對于堆垛機的載貨臺選用的是一個普通碳鋼的材料，選擇之后我們可以瀏覽到材料的各項系數，其中材料的密度，彈性模量，泊松比，屈服極限等等都對分析有著影響，如圖所示4-4所示。（3）自定義材料右鍵材料庫里的一種材料，選擇確定添加材料。圖5-4材料庫（4）夾具設置右鍵夾具選擇固定幾何體，如圖5-5所示,將工件固定到夾具上：圖4-5夾具選擇這里將載貨臺立板設為約束，設置如圖4-6所示。圖4-6添加約束（5）載荷加載右鍵外部載荷選擇力，如圖5-7所示圖4-7載荷選擇在載貨臺承載面加載2000N載荷，如圖4-8所示，為載貨臺受負載的情況。圖4-8受負載情況（6）劃分網格右鍵網格選擇生成網格，這里使用默認的網格設置對載貨臺進行劃分，勾選細節(jié)可以知道網格參數圖如圖5-9所示。圖4-9網格尺寸最后的網格如下圖4-10所示。圖4-10網格化（7）求解。右鍵靜力分析選擇運行，等待結果進行計算。（8）結果分析雙擊位移，得到位移云圖，如圖4-11所示將載貨臺立板設為約束，在載貨臺承載面加載2000N載荷，從位移分布圖中可以看出最大位移位于載貨臺的承載架中間位置，大小為0.0566mm。圖4-11位移云圖雙擊應力，得到應力云圖，如圖4-12所示將載貨臺立板設為約束，在載貨臺承載面加載2000N載荷的應力分布圖，從圖中可以看出最大應力為175MPa小于材料普通碳鋼的屈服極限345MPa，符合設計要求。圖4-12應力云圖雙擊應變，得應變云圖，如圖4-13所示將將載貨臺立板設為約束，在載貨臺承載面加載2000N載荷的應變分布圖，從圖中可以看出最大應變?yōu)?.896e-5。圖4-13應變云圖結語本文設計了一種人工智能無人值守戶外倉儲設裝置，詳細地設計了外框架模塊、貨架模塊、堆垛機模塊、智能操作模塊和電控系統(tǒng)五大部分，利用SOLIDWORKS軟件建立了各部件的三維模型和整機的裝配體，并對人工智能無人值守戶外倉儲設裝置中的載貨臺關鍵部件進行有限元靜力學分析，分別對應力、應變和位移分析。本文所取得的主要研究成果如下：通過功能和設計任務的分析，初步制定了人工智能無人值守戶外倉儲設裝置的總體方案。對各功能模塊分析，進行具體結構的設計。利用SOLIDWORKSSimulation軟件對重要零部件進行靜力學有限元分析。齒輪齒條傳動和電機等重要部件選型與計算。裝置的整體三維建模與裝配。主要零件工程圖繪制。通過本次設計，加深了我對所學知識的理解，提高了對知識的應用能力。但是，由于本人的水平和能力有限，本次設計一定存在一些不合理之處，希望老師給予批評和指正。在設計的過程中，我查閱了很多關于人工智能無人值守戶外倉儲的資料，跟隨著科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的物流倉儲已經滿足不了現代的需求，所以越來越多的自動化立體倉庫被投入使用，人工智能無人值守戶外倉儲的研究應用也隨之快速發(fā)展，在未來高科技的引領下，人工智能無人值守戶外倉儲的發(fā)展將會越來越完善，功能以及性能也將會越來越強大，希望本次的人工智能無人值守戶外倉儲設計能夠為戶外物流倉儲的發(fā)展提供一些微薄之力。設計過程中，我查閱大量資料，通過向老師和同學交流學習，豐富了很多知識，也培養(yǎng)了我獨立完成工作的能力，樹立了信心，充分體會到了在創(chuàng)造過程中的艱難，同時也感受到了成功的喜悅，相信會對今后的學習工作生活有深遠的影響。參考文獻[1]何黎明．“新常態(tài)”下我國物流與供應鏈發(fā)展趨勢與政策展望[J]．中國流通經濟,2014(8):3-8.[2]ZhangPL,WeiQY.Logisticsdistributioncenterallocationmodelandelicitationalgorithm[J].JournalofTraffic&Tra