Please wait a minute...
浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2021, Vol. 55 Issue (10): 1948-1959    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.10.017
机械与能源工程     
重载智能堆垛装备刚度建模与结构优化
蒋君侠(),廖海鹏
浙江大学 机械工程学院，浙江 杭州 310027
Stiffness modeling and structure optimization of heavy-duty intelligent stacking equipment
Jun-xia JIANG(),Hai-peng LIAO
School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
 全文: PDF(2282 KB)   HTML
摘要：

针对重载、高精度、高可靠性、长距离等货物搬运要求，提出重载智能堆垛装备的结构方案.通过对堆垛装备的工作原理及承载受力分析，提出基于V型滚轮接触力计算法的堆垛装备综合刚度求解方法，给出计算实例. 利用有限元方法求解V型导轨的接触刚度及堆垛装备的综合变形量，与理论计算结果进行对比，验证了理论方法的准确性. 通过建立基于刚度最大为优化目标的优化模型，对龙门立柱与三级货叉进行结构优化，得到立柱优化结构以及货叉最优的截面参数. 对堆垛装备进行实机运行及静态承载下的综合挠度检测. 结果表明，优化后的堆垛装备能够满足工程应用的要求.
关键词： 堆垛装备;  V型导轨;  刚度建模;  有限元分析（FEA）;  结构优化    
Abstract:

The structure scheme of heavy-duty intelligent stacking equipment was proposed aiming at the goods handling requirements of heavy duty, high precision, high reliability and long distance. The calculation method of the comprehensive stiffness of stacking equipment based on the calculation method of the contact force of V-type roller was proposed through the analysis of working principle and bearing force of stacking equipment. A calculation example of stacking equipment was given. The finite element method was used to solve contact stiffness of V-type guide rail and comprehensive deformation of stacking equipment compared with the theoretical calculation results. The accuracy of the theoretical method was verified. The structure of the gantry column and the three-level cargo fork was optimized by establishing optimization models for maximizing stiffness as optimization objective. The optimal structure of the column and the optimal section parameters of fork were obtained. The actual operation of stacking equipment was conducted, and its comprehensive deflections under static loads were tested. Results show that the optimized stacking equipment can meet the requirements of engineering applications.
Key words: stacking equipment    V-type guide rail    stiffness modeling    finite element analysis (FEA)    structure optimization
收稿日期: 2020-12-05 出版日期: 2021-10-27
CLC:  TH 246  
作者简介: 蒋君侠(1968—)，男，研究员，博导，从事智能装备结构创新设计与开发、飞机数字化装配的研究. orcid.org/0000-0001-7920-8282. E-mail： jiangjx@zju.edu.cn
服务　　
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
作者相关文章　　
蒋君侠
廖海鹏

引用本文:

蒋君侠,廖海鹏. 重载智能堆垛装备刚度建模与结构优化[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(10): 1948-1959.

Jun-xia JIANG,Hai-peng LIAO. Stiffness modeling and structure optimization of heavy-duty intelligent stacking equipment. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2021, 55(10): 1948-1959.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2021.10.017    或    https://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2021/V55/I10/1948

图 1  堆垛装备的总体结构
图 2  三级货叉伸缩原理图
图 3  堆垛装备的工作原理
图 4  刚度建模流程图
图 5  堆垛装备的力学模型
图 6  V型滚轮组安装示意图
图 7  稳定状态下V型滚轮受力
图 8  倾覆状态下V型滚轮受力
图 9  龙门立柱的受力分析
图 10  三级货叉受力分析
图 11  综合挠度的计算
组件 材料 ρ /（g·cm?3） E /GPa ν
货叉、底座 不锈钢 7.75 193 0.31
立柱、底板 Q345 7.85 206 0.28
滚轮、导轨 轴承钢 7.81 206 0.30
表 1  堆垛装备的材料属性
部件 i mi /kg zi /mm
底板 1 630 0
龙门立柱 2 1040 ?130
货叉支架 3 350 ?200
货叉 4 180 850
货物 5 800 1700
表 2  堆垛装备的组件参数
参数 数值 参数 数值
I1 9.45×105 mm4 b 400
I2 1.71×106 mm4 c 200
I3 5.21×105 mm4 d 400
a 600 e 600
表 3  三级货叉的结构参数
V型导轨 龙门立柱 三级货叉
α/rad δq/mm β/rad u/mm θ/rad w/mm
5.25×10?6 0.005 2.6×10?4 0.416 1.5×10?2 12.818
表 4  转角与挠度的计算结果
图 12  V型滚轮的计算模型
滚轮编号 Fx /N Fy /N Fz /N F /N
1 2 148 5 431 1 397 6 005
2 1 253 4 385 ?850 4 639
3 ?2 752 3 579 1 509 4 760
4 2 038 6 143 967 6 544
5 1 351 6 854 3 530 7 827
表 5  内侧滚轮的计算结果
图 13  稳定与倾覆状态下的刚度曲线
图 14  装备总变形量的求解结果
方向 dT /mm dF /mm Ed /%
y 13.297 13.924 4.7
z 0.426 0.463 8.7
表 6  800 kg货物质量下堆垛装备综合刚度的对比
图 15  龙门立柱的初步结构
图 16  拓扑优化结果与优化后的模型
状态 dco /mm σco /MPa mco /kg
优化前 0.765 104.682 856.4
优化后 0.794 117.406 749.4
表 7  立柱优化前、后的计算结果对比
图 17  货叉参数优化
图 18  货叉的初步结构
变量 名称 当前取值 取值下限 取值上限
D1 上叉宽 160 150 170
D2 上叉高 55 50 60
D3 中叉宽 140 130 150
D4 中叉高 55 50 60
表 8  设计变量的参数设置
图 19  货叉参数的灵敏度分析
方案序号 D1/mm D2/mm D3/mm D4/mm da/mm σre/MPa mf1/kg mf2/kg
1 160 55 140 55 20.18 196.59 19.63 34.77
2 150.26 54.09 130.55 58.44 18.88 178.45 18.72 33.96
3 151.24 56.97 131.27 59.85 17.21 182.97 19.25 34.25
4 151.49 57.21 130.37 52.82 18.27 179.27 19.30 33.14
5 151 57 131 60 17.43 189.26 19.21 34.51
表 9  参考点计算结果的对比
步骤 dy /mm dz /mm da /mm
优化前 24.859 0.965 24.934
优化后 18.860 0.841 18.968
表 10  堆垛装备优化前、后综合刚度的对比
图 20  堆垛装备测试现场原理
图 21  Leica激光跟踪仪及靶标
m5 /kg dvt /mm dvf /mm dte /mm
100 1.351 1.404 1.712
300 4.053 4.211 4.441
500 6.754 7.020 7.227
800 10.805 11.231 11.335
表 11  货叉垂向挠度的对比
图 22  垂向综合挠度的对比
1 蔡安江, 应嘉奇, 王坚, 等 分散式立体仓库堆垛机调度模型[J]. 计算机集成制造系统, 2016, 22 (3): 793- 799
CAI An-jiang, YING Jia-qi, WANG Jian, et al Scheduling model of crane in distributed automated warehouse[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2016, 22 (3): 793- 799
2 柳赛男, 柯映林, 李江雄, 等 基于调度策略的自动化仓库系统优化问题研究[J]. 计算机集成制造系统, 2006, 12 (9): 1438- 1443
LIU Sai-nan, KE Ying-lin, LI Jiang-xiong, et al Optimization for automated warehouse based on scheduling policy[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2006, 12 (9): 1438- 1443
doi: 10.3969/j.issn.1006-5911.2006.09.015
3 章真雄. 40m高单立柱巷道堆垛机结构设计与分析[D]. 苏州: 苏州大学, 2014: 2-3.
ZHANG Zhen-xiong. Structural design and analysis of 40m high single column roadway stacker [D]. Suzhou: Suzhou University, 2014: 2-3.
4 李杲. 有轨巷道式堆垛机机械结构的研究[D]. 兰州: 兰州交通大学, 2016: 10-20.
LI Gao. Research on the mechanical structure of railroad laneway-stacker [D]. Lanzhou: Lanzhou Jiaotong University, 2016: 10-20.
5 宁波, 吕志军, 娄文斌 基于ANSYS Workbench的堆垛机结构分析与优化[J]. 机械设计与制造, 2012, 33 (6): 77- 79
NING Bo, LV Zhi-jun, LOU Wen-bin Analysis and optimization of stacker structure based on ANSYS Workbench[J]. Machinery Design and Manufacture, 2012, 33 (6): 77- 79
doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2012.06.029
6 马维金, 熊诗波, 熊晓燕 基于模态理论的振动结构声辐射信号特征提取方法及其应用[J]. 机械工程学报, 2005, 41 (5): 15- 20
MA Wei-jin, XIONG Shi-bo, XIONG Xiao-yan Method for sound signal characteristic extraction based on modal analysis and its application[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2005, 41 (5): 15- 20
doi: 10.3321/j.issn:0577-6686.2005.05.003
7 TAKAHASHI M, KINOSHITA S, KATO H, et al Positioning control of a stacker crane using a robust simple adaptive control method[J]. IFAC Proceedings Volumes, 2004, 37 (12): 161- 166
doi: 10.1016/S1474-6670(17)31461-1
8 HAJDU S, GASPAR P Reducing the mast vibration of single-mast stacker cranes by gain-scheduled control[J]. International Journal of Applied Mathematics and Computer Science, 2016, 26 (4): 791- 802
doi: 10.1515/amcs-2016-0056
9 欧阳永强, 张新艳 考虑堆垛机加减速的节能自动立库设计[J]. 浙江大学学报: 工学版, 2019, 53 (9): 1681- 1688
OUYANG Yong-qiang, ZHANG Xin-yan Design of energy-saving automated storage and retrieval system considering acceleration and deceleration of storage and retrieval machine[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2019, 53 (9): 1681- 1688
10 ROUWENHORST B, REUTER B, STOCKRAHM V, et al Warehouse design and control: framework and literature review[J]. Europe Journal of Operation Research, 2000, 122 (3): 515- 533
11 LIU D B, MOU S D, LU M X, et al Travel time model of a new compact storage system[J]. International Journal of Control and Automation, 2014, 7 (7): 447- 460
doi: 10.14257/ijca.2014.7.7.37
12 侯瑞, 吕志军, 杨光辉, 等 立体仓库堆垛机取货装置研究[J]. 物流技术, 2016, 35 (11): 50- 54
HOU Rui, LV Zhi-jun, YANG Guang-hui, et al Study on retrieving mechanism of stackers in AS/RS[J]. Logistics Technology, 2016, 35 (11): 50- 54
doi: 10.3969/j.issn.1005-152X.2016.11.012
13 田红亮, 郑金华, 陈甜敏, 等 直线运动滚动导轨副的法向接触力学模型[J]. 西安交通大学学报, 2016, 50 (5): 1- 11
TIAN Hong-liang, ZHENG Jin-hua, CHEN Tian-min, et al Normal contact mechanics model of linear motion rolling guideway pair[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2016, 50 (5): 1- 11
doi: 10.7652/xjtuxb201605001
14 冯健文, 赵美玲, 陈伟就, 等 滚柱直线导轨副的刚度计算及验证[J]. 机电工程技术, 2013, 42 (8): 159- 162
FENG Jian-wen, ZHAO Mei-ling, CHEN Wei-jiu, et al The calculation and verification for the rigidity of the roller linear guide[J]. Mechanical and Electrical Engineering Technology, 2013, 42 (8): 159- 162
doi: 10.3969/j.issn.1009-9492.2013.08.042
15 贾维新, 郝志勇, 徐红梅 基于结构优化方法的单缸机机体轻量化设计[J]. 浙江大学学报: 工学版, 2008, 42 (2): 224- 228
JIA Wei-xin, HAO Zhi-yong, XU Hong-mei Light-weight design of single cylinder engine block based on structure optimization[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2008, 42 (2): 224- 228
16 丁渊明, 王宣银 串联机械臂结构优化方法[J]. 浙江大学学报: 工学版, 2010, 44 (12): 2360- 2364
DING Yuan-ming, WANG Xuan-yin Optimization method of serial manipulator structure[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2010, 44 (12): 2360- 2364
17 董琛. 卧式双机联合钻铆系统综合刚度场建模和实验[D]. 杭州: 浙江大学, 2019: 63-65.
DONG Chen. Modeling and experiment of the general end stiffness of automatic horizontal dual-machine cooperative drilling and riveting system [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2019: 63-65.
[1] 高云凯,马超,刘哲,徐亚男. 基于畸变比能全局化策略的应力拓扑优化[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(11): 2169-2178.
[2] 闵小滕,唐志国,高钦,宋安琪,王守成. 基于微小通道波形扁管的圆柱电池液冷模组散热特性[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(3): 463-469.
[3] 曹文翰,龚俊,王宏刚,高贵,祁渊,杨东亚. 盖封密封磨损-热-应力耦合模拟与优化设计[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(2): 258-267.
[4] 刘蕴, 董冠华, 殷国富. 非接触密封失稳振动分析与结构优化[J]. 浙江大学学报(工学版), 2018, 52(7): 1390-1397.
[5] 庄妍, 程欣婷, 肖衡林, 刘奂孜, 周倍合, 李嘉俊. 桩承式路堤中加筋褥垫层的工作性状[J]. 浙江大学学报(工学版), 2018, 52(12): 2279-2284.
[6] 应申舜, 林绿高, 计时鸣. 基于模态参数验证的机床结构件优化设计[J]. 浙江大学学报(工学版), 2018, 52(10): 1880-1887.
[7] 夏永强, 肖南. T形钢连接梁柱半刚性节点初始转动刚度计算公式[J]. 浙江大学学报(工学版), 2018, 52(10): 1935-1942.
[8] 籍庆辉, 朱平, 卢家海. 层合板分层失效数值模拟与参数识别[J]. 浙江大学学报(工学版), 2017, 51(5): 954-960.
[9] 江南, 陈民铀, 徐盛友, 赖伟, 高兵. 计及裂纹损伤的IGBT模块热疲劳失效分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2017, 51(4): 825-833.
[10] 宁银行, 刘闯, 干兴业. 两级式无刷混合励磁同步电机的电磁设计及分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2016, 50(3): 519-526.
[11] 毕运波,李夏,严伟苗,沈立恒, 朱宇,方伟. 面向螺旋铣制孔过程的压脚压紧力优化[J]. 浙江大学学报(工学版), 2016, 50(1): 102-110.
[12] 戴公连, 郑鹏飞, 闫斌, 肖祥南. 日照作用下箱梁桥上无缝线路纵向力[J]. J4, 2013, 47(4): 609-614.
[13] 林超, 陶友淘, 程凯, 俞松松, 刘垒. 微/纳传动平台的位移耦合分析[J]. J4, 2013, 47(4): 720-727.
[14] 唐良琴, 刘东燕, 聂德新. 向家坝河床坝基软弱夹层强度参数取值[J]. J4, 2013, 47(1): 162-168.
[15] 黄明星, 叶云岳, 范承志. 复式永磁同步电机的工作特性分析与应用[J]. J4, 2010, 44(5): 1019-1024.