立體倉庫與碼垛機設計

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1課程設計任務書一、課程設計目的《機電系統(tǒng)設計方向?qū)I(yè)課程設計》是機械電子工程專業(yè)的學生在完成《機電系統(tǒng)設計》等專業(yè)課程的學習之后，進行綜合性設計訓練的實踐性教學環(huán)節(jié)。目的是在老師的指導下，使學生通過課程設計，對所學課程理論知識進行一次系統(tǒng)的回顧檢查、復習和提高，并運用所學理論，通過調(diào)研，設計一個機電控制方面的系統(tǒng)，受到從理論到實踐應用的綜合訓練，培養(yǎng)學生獨立運用所學理論解決具體問題的能力。具體為以下幾個方面：1. 能夠正確運用《機電系統(tǒng)設計》等課程的基本理論和相關知識，掌握機電系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點和設計思想、設計方法，了解設計方案的擬定、比較、分析和計算，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，使學生具有機電系統(tǒng)設計的初步能力。2. 通過機械部分設計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機械零部件和執(zhí)行元件的設計計算、選型和結(jié)構(gòu)設計方法和步驟。3. 通過控制系統(tǒng)方案設計，掌握機電系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想。4. 通過檢索查閱運用有關手冊、標準及參考資料，培養(yǎng)起學生檢索查閱資料、使用資料的方法和能力。5. 通過回顧查閱課程理論知識、運用所學的基礎課,專業(yè)技術課和專業(yè)課知識，培養(yǎng)學生根據(jù)實際問題正確設計總體方案, 分析具體問題、進行工程設計的能力。二、課程設計內(nèi)容課程設計題目：碼垛機機電系統(tǒng)設計。主要設計內(nèi)容：①柔性制造系統(tǒng)簡介，介紹系統(tǒng)整體功能、系統(tǒng)組成、功能單元組成、總控平臺與各分站功能 單元、系統(tǒng)接口定義等；②碼垛機簡介，介紹碼垛機發(fā)展、碼垛機總體結(jié)構(gòu)與功能分析等；③碼垛機結(jié)構(gòu)設計，包括碼垛機起升機構(gòu)、傳送結(jié)構(gòu)、載貨臺設計、關鍵構(gòu)件結(jié)構(gòu)校核等；④出入庫平移臺設計，包括平移臺結(jié)構(gòu)設計、導軌設計、平移臺驅(qū)動方式與執(zhí)行部件選擇等；⑤碼垛機與立體倉庫的配合工作，包括立體倉庫簡要結(jié)構(gòu)設計與分析、導軌設計等；⑥碼垛機電氣控制部分設計，包括控制方式，執(zhí)行部件選取與運動學分析、電氣原理圖等；⑦其他設計內(nèi)容，如系統(tǒng)保養(yǎng)與維護，系統(tǒng)改進等。根據(jù)各子題目設計內(nèi)容不同，每個設計小組 6~7 名學生進行設計。允許學生自己擬定題目和實施要點，經(jīng)指導老師同意后實施。由組長細分小組成員需承擔的任務。2三、進度安排1. 熟悉任務，查閱資料； 1 天2. 確定方案； 2 天3. 詳細設計（機械部分選型及設計計算、控制部分硬件原理圖及軟件流程圖）；5 天4. 整理設計說明書，答辯。 2 天四、基本要求1. 課程設計應在教師的指導下由學生獨立完成，嚴格地要求自己，不允許相互抄襲；2. 認真閱讀《課程設計任務書》，明確題目及具體要求；3. 認真查閱題目涉及內(nèi)容的相關文獻資料、手冊、標準；4. 大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設計方案；5. 機械部分和驅(qū)動部分設計思路清晰，計算結(jié)果正確，選型合理；6. 控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確；7. 機械系統(tǒng)設計計算，控制系統(tǒng)電氣原理，圖紙符合國家標準，布圖合理，內(nèi)容完整表達清晰。8. 設計說明書手寫和打印均可。課程設計第一天由各設計小組組長根據(jù)指導教師給的電子任務書擬定出適合本小組的課程設計任務書，并統(tǒng)一打印后分發(fā)各組員。機械電子系2011.08.20第一章 柔性制造系統(tǒng)簡介1.1 FMS系統(tǒng)整體功能3在成組技術的基礎上，以多臺(種) 數(shù)控機床或數(shù)組柔性制造單元為核心，通過自動化物流系統(tǒng)將其聯(lián)接，統(tǒng)一由主控計算機和相關軟件進行控制和管理，組成多品種變批量和混流方式生產(chǎn)的自動化制造系統(tǒng)。1.2系統(tǒng)組成1.2.1加工設備加工設備主要采用加工中心和數(shù)控車床，前者用于加工箱體類和板類零件，后者則用于加工軸類和盤類零件。中、大批量少品種生產(chǎn)中所用的FMS，常采用可更換主軸箱的加工中心，以獲得更高的生產(chǎn)效率。1.2.2儲存和搬運儲存和搬運系統(tǒng)搬運的的物料有毛坯、工件、刀具、夾具、檢具和切屑等；儲存物料的方法有平面布置的托盤庫，也有儲存量較大的桁道式立體倉庫。毛坯一般先由工人裝入托盤上的夾具中，并儲存在自動倉庫中的特定區(qū)域內(nèi)，然后由自動搬運系統(tǒng)根據(jù)物料管理計算機的指令送到指定的工位。固定軌道式臺車和傳送滾道適用于按工藝順序排列設備的FMS，自動引導臺車搬送物料的順序則與設備排列位置無關，具有較大靈活性。工業(yè)機器人可在有限的范圍內(nèi)為1－4臺機床輸送和裝卸工件，對于較大的工件常利用托盤自動交換裝置(簡稱APC)來傳送，也可采用在軌道上行走的機器人，同時完成工件的傳送和裝卸。磨損了的刀具可以逐個從刀庫中取出更換，也可由備用的子刀庫取代裝滿待換刀具的刀庫。車床卡盤的卡爪、特種夾具和專用加工中心的主軸箱也可以自動更換。切屑運送和處理系統(tǒng)是保證 FMS連續(xù)正常工作的必要條件，一般根據(jù)切屑的形狀、排除量和處理要求來選擇經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)方案。1.2.3信息控制FMS信息控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成形式很多，但一般多采用群控方式的遞階系統(tǒng)。第一級為各個工藝設備的計算機數(shù)控裝置(CNC)，實現(xiàn)各的口工過程的控制；第二級為群控計算機，負責把來自第三級計算機的生產(chǎn)計劃和數(shù)控指令等信息，分配給第一級中有關設備的數(shù)控裝置，同時把它們的運轉(zhuǎn)狀況信息上報給上級計算機；第三級是FMS的主計算機(控制計算機) ，其功能是制訂生產(chǎn)作業(yè)計劃，實施FMS運行狀態(tài)的管理，及各種數(shù)據(jù)的管理；第四級是全廠的管理計算機。　　性能完善的軟件是實現(xiàn)FMS功能的基礎，除支持計算機工作的系統(tǒng)軟件外，數(shù)量更多的是根據(jù)使用要求和用戶經(jīng)驗所發(fā)展的專門應用軟件，大體上包括控制軟件(控制機床、物料儲運系統(tǒng)、檢驗裝置和監(jiān)視系統(tǒng))、計劃管理軟件 (調(diào)度管理、質(zhì)量管理、庫存管理、工裝管理等 )和數(shù)據(jù)管理軟件(仿真、檢索和各種數(shù)據(jù)庫)等?！　楸ＷCFMS的連續(xù)自動運轉(zhuǎn)，須對刀具和切削過程進行監(jiān)視，可能采用的方法有：測量機床主軸電機輸出的電流功率，或主軸的扭矩；利用傳感器拾取刀具破裂的信號；利用接觸測頭直接測量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的變化；累積計算刀具的切削時間以進行刀具壽命管理。此外，還可利用接觸測頭來測量機床熱變形和工件安裝誤差，并據(jù)此對其進行補償。41.3功能單元組成碼垛機與立體倉庫，傳送帶，視覺檢測，串聯(lián)機器人，并聯(lián)機器人，裝配，自控制臺，1.4總控平臺與各分站功能單元整個系統(tǒng)包括：碼垛機與立體倉庫從站單元、CCD圖象檢測從站單元、并聯(lián)加工中心從站單元、串聯(lián)搬運從站單元、傳送帶控制從站單元、條碼掃描從站單元、條碼掃描從站單元、以及主控服務器單元。其中并聯(lián)加工中心單元和串聯(lián)搬運單元采用PC104嵌入式控制器控制，CCD圖象檢測單元（2個）和條碼掃描單元采用PB-OEM4-PCI從站卡控制，碼垛機與立體倉庫單元采用PLC控制，傳送帶控制單元和機械手單元采用PLC控制。主站單元通過PROFIBUS總線控制其他從站單元，如圖1-1所示。 5系統(tǒng)特點：系統(tǒng)采用以PROFIBUS、串口通訊，大量使用嵌入式和PLC控制設計，用戶可以從中選擇相關內(nèi)容滿足不同層次的教學實驗需要。模塊化結(jié)構(gòu)，靈活、緊湊，完全滿足實驗的要求；控制系統(tǒng)采用Windows系列操作系統(tǒng)，二次開發(fā)方便、快捷，適于教學實驗。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用工業(yè)DCS控制方式、具有高可靠性、開放性、易維護性、協(xié)調(diào)性等特點。1.5系統(tǒng)接口定義因為現(xiàn)場總線是應用在工廠內(nèi)的測量和控制機器間的數(shù)字通訊為主的網(wǎng)絡，也稱現(xiàn)場網(wǎng)絡。也就是將傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進行特化的網(wǎng)絡。原來這些機器間的主體配線是ON/OFF、接點信號和模擬信號，通過通訊的數(shù)字化，使時間分割、多重化、多點化成為可能，從而實現(xiàn)高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡便化、節(jié)省配線（配線的共享） 。據(jù)此功能，現(xiàn)場總線能夠很好地完成自動化立體倉庫的接口定義及連接。6第二章 碼垛機簡介1.1 碼垛機概述碼垛機是立體倉庫系統(tǒng)的重要組成部分，它是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部件，存貨時將貨物從出入貨臺準確的存放到貨位里，取貨時將貨物從貨位中取回到出入貨臺。無論何種類型的碼垛機，一般都由水平行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、載貨臺及貨叉機構(gòu)、機架和電氣設備等基本部分組成。它是在所謂高層、高速、高密度儲藏的概念下的產(chǎn)物。盡管各廠家各有獨創(chuàng)，結(jié)構(gòu)形式有些差異，但可以說大同小異，所有的碼垛機都不外乎由機架、載貨臺、伸縮貨叉、軌道和控制系統(tǒng)等部分組成。體現(xiàn)碼垛機動態(tài)性能優(yōu)劣的指標主要有：運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、認址精度等。隨著科學技術的不斷進步，立體倉庫的技術水平和倉儲機械設備的動態(tài)性能也在不斷提高。1.2 碼垛機的發(fā)展初期的立體倉庫使用的碼垛機以橋式起重機為基礎，這種碼垛機是從起重機的大梁上懸掛一個門架，利用門架的上下和旋轉(zhuǎn)來搬運貨物。1960 年左右在美國出現(xiàn)了巷道式碼垛機，隨后巷道式碼垛機逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式碼垛機。1967 年日本安裝了高度 10~15 米的高層碼垛機，1969 年出現(xiàn)了聯(lián)機全自動化倉庫，我國是在上世紀 70年代初期開始研究采用巷道式碼垛機的立體倉庫。目前的碼垛機技術取得了重大的發(fā)展，控制技術、定位精度、運行速度都得到了很大程度的提高。巷道式碼垛機的起升速度已經(jīng)可以達到 90m/min，運行速度達到 240m/min，在有的立體倉庫中采用上、下兩層分別用巷道碼垛機進行搬運作業(yè)的方法提高出入庫能力。按現(xiàn)行機械行業(yè)標準，有軌巷道式碼垛機分類方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結(jié)構(gòu)、運行軌跡等分類。無論何種類型的碼垛機一般都由水平行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、載貨臺及貨叉機構(gòu)、機架和電氣設備等基本部分組成。7第三章 碼垛機的結(jié)構(gòu)設計3.1碼垛機的總體機構(gòu)碼垛機是由三個直線電控工作臺以及一個旋轉(zhuǎn)工作臺外加貨叉組成。然后整體放置在底座上，用地腳螺栓固定在地面。其中Ⅰ軸采用了鏈傳動，直線導軌支撐結(jié)構(gòu)形式。外面采用柔性風琴防護罩進行保護。Ⅱ軸除行程不一致外，本身結(jié)構(gòu)形式完全不同，采用了直線導軌支撐，滾珠絲杠傳動的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點是承載能力高，安裝方便。Ⅲ軸因為相對承載低，故此采用光軸直線導軌支撐，滾珠絲杠傳動的結(jié)構(gòu)。三個軸互成直角組合搭建而成。也就是典型的直角坐標機器人。工業(yè)上經(jīng)常用到這種結(jié)構(gòu)。Ⅳ軸為旋轉(zhuǎn)軸，通過支架與Ⅲ軸活動平臺連接。結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿形式。所有直線工作臺在系統(tǒng)中可采用伺服電機或者步進電機驅(qū)動，通過聯(lián)軸器與絲杠端連接。在大型柔性制造及物流系統(tǒng)中，這種碼垛機結(jié)構(gòu)應該是相對較復雜的，不僅因為它本身結(jié)構(gòu)復雜，還因為包括知識面比較多，有電機控制、尋零復位操作、點位控制、精度測量等重要問題。包裝碼垛生產(chǎn)線機械結(jié)構(gòu)復雜， ．零部件較多。其傳動形式多為鏈傳動和帶傳動，其執(zhí)行元件多為氣缸，本章簡化了機械本體的設計，方便實現(xiàn)后續(xù)的自動化控制。83.2 升降機結(jié)構(gòu)設計升降機是實現(xiàn)分層碼垛的關鍵部機之一，其結(jié)構(gòu)如圖所示。主要由升降平臺、傳動機構(gòu)和配重體組成。升降平臺主要由托盤支架，一對導向滾輪、一對限位滾輪等構(gòu)件組成。托盤支架是由縱梁、橫梁組成的一個四方形的平面框架，導向滾輪、限位滾輪用滾輪支架裝在框架四角處。滾輪與高架平臺主機架的四根立柱上的導軌相配合，保證了升降平臺運動的平穩(wěn)與靈活。平臺通過四個調(diào)節(jié)螺桿與四根單排傳動鏈條相連，傳動鏈條通過主傳動軸上的鏈輪與配重體相連。傳動機構(gòu)是升降平臺3實現(xiàn)升降運動的動力源。主要由軸裝式減速電機4、傳動軸5、鏈輪鏈條及托板組成。減速電機的正、反旋轉(zhuǎn)，使升降平臺上、下運動。配重體由鋼板焊接而成，其重量是根據(jù)升降機承載的最大負荷確定的。這樣可以減少電機的驅(qū)動力和掣動力，并增加平臺運行的平穩(wěn)性。93.3 載貨臺設計1、尾座板2、深溝球軸承3、隔套24、直線導軌5、絲杠螺母副6、滑塊7、連接塊8、隔套19、深溝球軸承10、圓螺母11、軸承壓蓋12、軸承座13、聯(lián)軸器14、底座15、電機座板16、驅(qū)動電機17、硬限位18、開關支架底板19、機械限位開關20、開光撞片21、底板122、連接板23、零位開關24、底板2如圖為二軸工作臺整體效果圖，驅(qū)動電機通過聯(lián)軸器與絲杠連接，絲杠兩端軸承支撐，屬于固定- 支撐安裝方式，即一端固定住，一端浮動支撐。因兩端固定要求的加工精度及安裝精度很高。絲杠螺母與連接塊螺釘連接在一起，兩個直線導軌螺釘安裝在底板上，然后直線導軌上滑塊與連接塊一起與連接板也就是活動平臺螺釘連接。工作臺設有兩個機械限位開關以及一個零位開關，兩端還有機械硬限位擋塊。機械限位開關作用是限制工作臺左右行程范圍。為了避免操作失誤或者過沖，結(jié)構(gòu)上必須設置硬限位，避免造成設備損壞和危險。在工作臺設計過程中，一直需要貫穿考慮的問題還有走線問題，因為電機、各類開關、氣管等為了整體美觀及線路安全，一般工業(yè)或者教學都用托鏈保護。需要考慮安裝方式不和其他運動及各軸干涉，以及運動過程中內(nèi)部無擠壓等現(xiàn)象，防止氣管堵住及電10線損壞。3.4 托盤倉的設計托盤倉是存儲托盤和向托盤輸送機供給托盤的部機，其結(jié)構(gòu)如上圖所示。托盤倉主要由機架1、叉板2、主氣缸3、光電開關4和6、霍爾開關5組成。機架主要采用鋼板、槽鋼和角鋼焊接而成，能保證托盤倉有足夠的強度和剛度。叉板采用鋼板焊接而成。保證了叉板有足夠的強度、剛度支承托盤，叉板上裝有橡膠墊，起到一定的緩沖作用。主氣缸用以頂起托盤。側(cè)面還裝有兩個小氣缸，小氣缸控制叉板開合，保證托盤的提取。光電開關采用對射式光電開關，檢測托盤倉內(nèi)托盤的存儲量，以保證托盤的及時供給?；魻栭_關與主氣缸同步運動，不同位置的霍爾開關都將發(fā)出信號，以控制主汽缸的運動，并保證主汽缸與托盤倉叉板動作的協(xié)調(diào)。11第四章 立體倉庫出入庫平移臺設計4.1平移臺結(jié)構(gòu)設計通常包括：絲杠（或稱螺桿）、導軌、底面、臺面、電機、聯(lián)軸器等部件；影響電移臺機械性能的主要因素有：絲杠、導軌、機體材質(zhì)、加工質(zhì)量和裝配工藝等電控位移系統(tǒng)通常由三部分組成：位移臺、驅(qū)動電機、控制器。驅(qū)動電機及控制器主要決定驅(qū)動扭矩、加減速度、信號處理、使用功能（如掃描，圓弧插補）等性能參數(shù)，隨著電機控制技術的提升，除了電移臺機械部件以外，電機和控制器也從很大程度上影響電移臺的振動、噪音及電移臺的定位精度。其結(jié)構(gòu)分解圖如下所示：4.2導軌設計根據(jù)立體倉庫的出入庫設計需求及相關標準和有關規(guī)范如導向精度、精度保持性、運動靈敏度和定位精度、運動平穩(wěn)性、抗震性和穩(wěn)定性、機構(gòu)工藝等，我們選擇直線導軌做為出入庫的導軌型號選擇。直線導軌又稱線軌、滑軌、線性導軌、線性滑軌，用于直線往復運動場合，擁有比直線軸承更高的額定負載， 同時可以承擔一定的扭矩，可在高負載的情況下實現(xiàn)高精度的直線運動。直線運動導軌的作用是用來支撐和引導運動部件，按給定的方向做往復直線運動。依按摩擦性質(zhì)而定，直線運動導軌可以分為滑動摩擦導軌、滾動摩擦導軌、彈性摩擦導軌、流體摩擦導軌等種類?！?2直線軸承主要用在自動化機械上比較多,像德國進口的機床,紙碗機,激光焊接機等等,當然直線軸承和直線軸是配套用的.像直線導軌主要是用在精度要求比較高的機械結(jié)構(gòu)上。第五章 立體倉庫的配合工作5.1 立體倉庫簡介自動化立體倉庫，也叫自動化立體倉儲，物流倉儲中出現(xiàn)的新概念，利用立體倉庫設備可實現(xiàn)倉庫高層合理化，存取自動化，操作簡便化：自動化立體倉庫，是當前技術水平較高的形式。自動化立體倉庫的主體由貨架，巷道式堆垛起重機、入(出)庫工作臺和自動運進(出)及操作控制系統(tǒng)組成。貨架是鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物或結(jié)構(gòu)體，貨架內(nèi)是標準尺寸的貨位空間，巷道堆垛起重機穿行于貨架之間的巷道中，完成存、取貨的工作。管理上采用計算機及條形碼技術。5.2 立體倉庫發(fā)展倉庫的產(chǎn)生和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)之后生產(chǎn)和技術發(fā)展的結(jié)果。50年代初，美國出現(xiàn)了采用橋式堆垛起重機的立體倉庫；50年代末60年代初出現(xiàn)了司機操作的巷道式堆垛起重機立體倉庫；1963年美國率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，日本開始興建立體倉庫，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。 對立體倉庫及其物料搬運設備的研制開始并不晚，1963年研制成第一臺橋式堆垛起重機（機械部北京起重運輸機械研究所） ，1973年開始研制我國第一座由計算機控制的自動化立體倉庫（高15米，機械部起重所負責） ，該庫1980年投入運行。到2003年為止，我國自動化立體倉庫數(shù)量已超過200座。立體倉庫由于具有很高的空間利用率、很強的入出庫能力、采用計算機進行控制管理而利于企業(yè)實施現(xiàn)代化管理等特點，已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉儲技術，越來越受到企業(yè)的重視。 5.3立體倉庫總體結(jié)構(gòu)與功能分析其基本系統(tǒng)有四個組成部分：儲存貨架、存取設備、輸入輸出設備、控制系統(tǒng)。分配如下圖所示；13在立體倉庫系統(tǒng)模塊中，人機接口界面采用一個控制臺，上面有操作人員操控立體倉庫的控制面板；控制器采用松下電工生產(chǎn)的EPO控制器；電機制動裝置分別采用兩個不進電機和一個直流電機；驅(qū)動裝置是給步進電機配以相應的驅(qū)動電路；機械部件主要由傳送桿及傳送平臺構(gòu)成；倉庫模塊采用 3x4的結(jié)構(gòu)，每個倉位上都設置了控制了限位開關。通過參考立體倉庫的一般結(jié)構(gòu)形態(tài)，并根據(jù)各模塊的功能，合理排列各個部件之間的位置，設計了一個立體倉庫的整體結(jié)構(gòu)，如下圖所示。立體倉庫機構(gòu)模型5.4倉庫搭建組合式貨架，貨架各部件可拆可裝，不是捍接形式組成。貨架有兩列組成，每列有49個倉位，共有98個存儲倉位。倉位成40x40x40形狀分布，連接之間用M8的螺栓連接，且每個連接點有兩個螺栓共同加固。且每個倉位均有限位開關與PLC控制器相連接，隨時供系統(tǒng)檢測倉位的存儲狀況。14圖 3.2 自動化立體倉庫1、貨架2、巷道3、天軌4、堆垛機5、倉位6、地軌5.5平移臺結(jié)構(gòu)設計通常包括：絲杠（或稱螺桿） 、導軌、底面、臺面、電機、聯(lián)軸器等部件；影響電移臺機械性能的主要因素有：絲杠、導軌、機體材質(zhì)、加工質(zhì)量和裝配工藝等電控位移系統(tǒng)通常由三部分組成：位移臺、驅(qū)動電機、控制器。驅(qū)動電機及控制器主要決定驅(qū)動扭矩、加減速度、信號處理、使用功能（如掃描，圓弧插補）等性能參數(shù)，隨著電機控制技術的提升，除了電移臺機械部件以外，電機和控制器也從很大程度上影響電移臺的振動、噪音及電移臺的定位精度。其結(jié)構(gòu)分解圖如下所示：15第六章 碼垛機控制系統(tǒng)的硬件設計6.1 碼垛機位置控制由碼垛機的作業(yè)流程分析，碼垛機是由水平運行機構(gòu)、縱向起升機構(gòu)和貨叉伸縮機構(gòu)三部分組成的，水平運行機構(gòu)和垂直起升機構(gòu)使碼垛機到達目標位置，貨叉伸縮機構(gòu)完成存取貨任務。要完成對碼垛機自動控制系統(tǒng)的設計，首先要保證碼垛機能夠準確到達目標位置，所以在設計碼垛機自動控制系統(tǒng)時，關鍵在于準確可靠的認址和定位保證碼垛機準確無誤的定位在目標貨位。另外為了提高存取效率和保證碼垛機的穩(wěn)定性，必須對碼垛機三個機構(gòu)的速度進行合理有效的控制，其中速度位置檢測是碼垛機自動控制系統(tǒng)的關鍵部分。碼垛機速度位置控制的實現(xiàn)方法所示，控制系統(tǒng)由 PLC 控制器、調(diào)速系統(tǒng)、編碼器、認址片和認址器組成，實現(xiàn)位置和速度的雙閉環(huán)控制。執(zhí)行機構(gòu)輸入編碼器速度檢測位置檢測碼垛機位置速度控制框圖6.1.1 定位控制定位控制就是確定碼垛機停止在目標貨位的功能。自動倉庫的認址檢測系統(tǒng)有兩項任務：一是實現(xiàn)自動尋址，使碼垛機自動找到被指定到達的位置；二是自動準確停準，即碼垛機停準位置不超出規(guī)定的精度。為此，貨架上的每個貨位必須具有碼垛機能識別的編碼，所以將貨架兩側(cè)編成 X1、X2，沿碼垛機運行方向?qū)⒇浖芫帪?0~Y 列，垂直方向控制器 調(diào)速系統(tǒng) M 認址器16編為 0~Z 層。這樣每個貨位就有了獨立的三維坐標地址，碼垛機自動檢測目前的坐標地址，使其能到達目標位置。因為貨架兩側(cè)分為 X1、X2，只有兩個方向，反應到碼垛機上只是貨叉左伸、右伸運動，此方向不用檢測，所以實際上碼垛機位置的檢測只是對 Y、Z位置的檢測。6.1.2 認址檢測方式主要的認址檢測方式有以下幾種：(1)絕對認址：絕對認址是將每一個貨位賦予唯一的開關狀態(tài)，給每個貨位制作一個專用的認址片，碼垛機上相應安裝一個識別器，通常是二進制編碼板和一組光電開關的組合，通過讀取認址片的代碼來判斷碼垛機的當前位置。(2)相對認址：相對認址：相對認址時每個貨位的認址片結(jié)構(gòu)相同。每經(jīng)過一個貨位，就對地址編碼進行加 1 或減 1，一直移動到和預定位置號一致時停止運行。(3)編碼器定位法：編碼器定位方式主要有兩種：從動輪與軌道旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式、鏈輪與鏈條旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式。從動輪與軌道旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式。碼垛機的從動輪上配有同軸旋轉(zhuǎn)編碼器，從動輪與軌道近似純滾動，因此通過對旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換，可以得到碼垛機的相對運行位置。(4)激光測距定位：激光測距定位是近年來應用于碼垛機準確定位的新技術，用激光測距儀通過測量碼垛機到基準點的距離和事先存儲的位置數(shù)據(jù)比較來確定碼垛機的當前位置。這種方法的精度很高，但是使用時碼垛機和激光發(fā)射器和反射板之間不允許有物體，否則會遮擋住激光的傳輸路徑，使系統(tǒng)無法準確定位。6.1.3 認址方式確認為完成對碼垛機的位置控制，必須能檢測出碼垛機的運行位置，本次設計的碼垛機系統(tǒng)認址方式如下：(1)水平認址系統(tǒng)水平方向采用激光測距傳感器，當前數(shù)據(jù)為位移值，經(jīng)過 PLC 計算后的數(shù)據(jù)為當前速度值。激光測距傳感器安裝在碼垛機上，目標放射板安裝在巷道末端。在立體倉庫巷道通道中的激光測距范圍(激光發(fā)射器與反射板之間)內(nèi)不得有任何物體遮擋激光光線。激光測距的原理是通過發(fā)射出的激光光線長度來測定距離，其光線就好比一把光尺，如果物體遮擋激光光線，讓它脫離原標準原點的測定位置，將影響實際要求的測定距離，從而使道碼垛機走位偏離所設定的位置，產(chǎn)生貨叉取/存儲錯位或起始點撞擊巷道碼垛機端17部緩沖制動器的情況。因此，在巷道碼垛機工作時不允許有任何物體遮擋激光光線，對于激光光線通道應采取隔離保護措施，保證激光測距的準確性和自動化系統(tǒng)的安全性。(2)縱向認址系統(tǒng)碼垛機縱向方向的層定位采用光電開關和認址片組合定位，即在碼垛機的上下安裝兩個光電開關，在每層的貨位上安裝認址片。低位為取貨開始伸叉或放貨完畢收叉的位置，高位為放貨開始伸叉或取貨完畢收叉的位置。為使貨叉能完成作業(yè)，碼垛機在垂直方向上必須要提供使貨叉能停在高位或低位的檢測裝置。所以在碼垛機的升降臺上安裝三個光電開關，與升降臺一起上升下降，中間的一個共用，其他兩個分別為上位置和下位置。存貨開始或取貨結(jié)束時，升降臺貨叉停在高位置，下面兩個光電開關處于認址片內(nèi)；取貨開始或存貨結(jié)束時，貨叉停在低位置，此時上面兩個光電開關處于認址片內(nèi)，如圖所示。 上 對 準 光 電下 對 準 光 電低 位 置 中 間 計 數(shù) 光 電 上 對 準 光 電中 間 計 數(shù) 光 電下 對 準 光 電高 位 置碼垛機垂直方向認址傳感器分布圖6.2 PLC 模塊選型由于 S7-200-CPU226 的集成 24 輸入/16 輸出不能滿足設計的要求，所以又選用了EM221 擴展模塊和 EM235 擴展模塊，正好滿足設計的需要。所選模塊型號如表所示。擴展模塊選型表系列號 類別 描述 選型型號 數(shù)量EM221 輸入擴展模塊 DI16 6ES7221-1BH22-0XA0 1EM235 輸入/輸出擴展模塊 AI4/AO1 6ES7235-0KD22-0XA0 2186.3 碼垛機變頻調(diào)速系統(tǒng)設計為了實現(xiàn)碼垛機的準確定位，提高存取效率和保證碼垛機的穩(wěn)定性，必須對碼垛機三個機構(gòu)的速度進行合理有效的控制，由于水平和垂直運行電機分別采用三相交流異步電動機和單相交流異步電動機，所以對這兩個方向的速度控制采用閉環(huán)變頻調(diào)速控制。6.3.1 變頻器的選型本文根據(jù)綜合考慮選擇西門子 MM440 變頻器，MM440 型使用 PID 控制器，具 PID 微調(diào)等功能，MM440 可用于矢量控制，可以實現(xiàn)高性能的應用，帶內(nèi)置制動單元，可以快速制動。MM440 變頻器各項參數(shù)指標如下：輸入電壓：3 相 380VAC，50Hz。輸入電流：2.8A。輸出功率：0.75KW。輸出電壓：3 相(0-380)VAC 可調(diào)。輸出頻率：(0-650)Hz 可調(diào)。輸出電流：2.1 。A輸出控制：變頻器由微機處理器控制絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的脈沖寬度調(diào)制頻率，實現(xiàn)輸出電壓、頻率可調(diào)?？刂谱饔茫?，矢量—轉(zhuǎn)矩、光電編碼器反饋的速度控制等。VF數(shù)字量輸入：6 路帶隔離的數(shù)字量輸入。數(shù)字量輸出：8 路繼電器輸出。模擬量輸入：2 路(0~10) 模擬量輸入。模擬量輸出：2 路(0~20) 模擬量輸出。mA通訊接口：RS485 通訊、 USS 協(xié)議。操作功能：AOP 盤、BOP 控制盤、電位器與外接端子操作。6.3.2 水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設計水平行走電機采用 220W 的三相交流異步電動機，運行速度要求為2m/min~360m/min，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式。S7-200PLC 的模擬量輸出信號 作為KUMM440 變頻器的模擬量輸入，來控制變頻器輸出頻率和輸出電壓的變化，從而控制三19相異步電動機的運行；電動機轉(zhuǎn)速由光電編碼器檢測并反饋到 PLC 得高速計數(shù)口 I1.4 和I1.5，構(gòu)成閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)方框圖如圖所示， 為速度給定量， 為 PLC 輸gnKU出的控制量， 為變頻器輸出電壓， 為被控量，控制算法為 PID。un擾動gneKUun- fPLC 變頻調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(1)運用指令系統(tǒng)中的 PID 指令，偏差信號按照 PID 算法計算出控制量，用傳送指令輸出電壓控制量到變頻器的模擬量輸入 AIN1 口。(2)運用指令系統(tǒng)中的 HDEF、HSC 指令，進行高速計數(shù)中斷程序設計，高速計數(shù)器設為 HSC0 和模式 9，增計數(shù)，實時采集并存儲光電編碼器反饋的 A、B 兩相正交脈沖數(shù)。(3)在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中，實時測取系統(tǒng)各參數(shù)和輸出特性，并能在上/ 下位機進行系統(tǒng)控制。(4)采用模塊化程序結(jié)構(gòu)設計出控制程序，包括主程序、子程序和中斷程序。采用帶傳感器矢量控制閉環(huán)調(diào)速，能滿足像碼垛機這樣動態(tài)特性要求較高，并且在低頻時輸出高轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速精度要求較高的場合。由于碼垛機在工作過程中是頻繁啟動和停車的，在高速運行的狀態(tài)下還要求碼垛機能夠快速精準地停在目的地，因此在制動方面采用了動能制動，將電動機運行在發(fā)電狀態(tài)下所回饋的能量消耗在制動電阻中，從而達到快速停車的目的。根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標要求，三相異步電動機采用泰安伊萬福電機有限公司生產(chǎn)的 系列 -632-2 型電機，額定功率 300W，額定電流 0.69A，額定電壓 380 ， 額定頻2Y V率 50Hz， 轉(zhuǎn)速 ，功率因數(shù) 0.81。270minrPLC控制器（PID 算法）變頻器主電路（IGBT 逆變器）三相異步電動機（負載系統(tǒng)）光電編碼器反饋206.3.3 垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設計垂直運行電動機采用 200W 的單向交流異步電動機，運行速度要求為2m/min~80m/min。垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)與水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，但是由于單相異步電動機和三相異步電動機有所區(qū)別，所以垂直變頻調(diào)速系統(tǒng)和水平變頻調(diào)速系統(tǒng)也有不同的地方。從結(jié)構(gòu)上看單相異步電動機與三相籠型異步電動機相似，其轉(zhuǎn)子也為籠型，只是釘子繞組為單相工作繞組，但通常為起動的需要，定子上除了工作繞組外，還設有起動繞組，它的作用是產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，一般只在起動時接入，當轉(zhuǎn)速達到 70%~80%的同步轉(zhuǎn)速時，由離心開關將其從電源自動切除，所以正常工作時只有工作繞組在電源上運行。但也有一些電容或電阻電動機，在運行時將起動繞組接于電源上，這實質(zhì)上相當于一臺兩相電機，但由于它接在單相電源上，故稱為單相異步電動機。圖是電容分組式單相異步電動機原理圖。單相異步電動機的突出特點是沒有啟動轉(zhuǎn)矩和固定的轉(zhuǎn)向。為此要設置啟動裝置，以及電機中產(chǎn)生一個與主磁場在空間和時間上不同相得磁場，從而形成一定大小的旋轉(zhuǎn)磁場以產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩。單相異步電動機因有反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，與相同容量的三相異步電機比較，具有勵磁電流大、功率因數(shù)低、過載能力小、效率也比較低等缺點。但因其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，使數(shù)瓦至三百瓦左右的小功率電機得以廣泛采用。電容分組式單相異步電動機原理圖1— 工作繞組；2—起動繞組K—離心式開關；C—電容器單相交流電動機的變頻調(diào)速與三相交流電動機的變頻調(diào)速不同，將單相 220V 輸入、三相輸出的變頻器的三個輸出端子（U、V、W） ，接任意兩端。輸出單相變頻調(diào)速電源在1 CK2M21輸出端上串上一個足夠電感量的電感，用于隔離電動機電容對變頻器的危害作用（同時對變頻器的高載波率起到一定的濾波作用） ，并保護電動機電容，此電路只適用于小功率單相電容運轉(zhuǎn)式和罩極式電動機，不適用于帶離心開關的單相電動機。另外，變頻器的輸出電壓和電動機的輸出電壓相匹配，變頻器要留有足夠的容量（應比電動機的使用功率大三倍） 。串聯(lián)的電感要有足夠的電感量和通過電流的流量，電感的磁性材料應與變頻器的載波率相匹配。根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標要求，單相異步電動機選用許昌萬通電機制造有限公司生產(chǎn)的 YY7112 型電機，額定功率 250W，額定電流 1.73A，效率 67，功率因數(shù) 0.92，額定轉(zhuǎn)速 2800，堵轉(zhuǎn)電流 10A，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩 0.35，最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩 1.6。變頻器和單相電容式運轉(zhuǎn)電動機的接線如圖所示。 變 頻 調(diào) 速 器R SU VW 單 相 電 容 式運 轉(zhuǎn) 電 動 機 運行電容AC20變頻器與單相電容式運轉(zhuǎn)電動機的接線圖6.4 碼垛機貨叉控制系統(tǒng)設計步進電動機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。步進電機定子的各相繞組按照一定的順序通電、斷電，從而帶動轉(zhuǎn)子按既定的方向一步一步轉(zhuǎn)動固定的角度，這個角度被稱為“步距角” ，通常用 表示。步進電機的轉(zhuǎn)子上均勻的分布著許多小齒，相鄰?的兩個小齒的中心線間的角度稱為齒距角 ( )。對于 m 相 n 拍的步進電?360??轉(zhuǎn) 動 齒 數(shù)機來說，則轉(zhuǎn)子走過了 n 個步距角 ，所以步距角??n????轉(zhuǎn) 子 步 數(shù)22本次選用的 S7-226 型 PLC 可以通過 Q0.0 和 Q0.1 兩個輸出端輸出脈沖串（PTO ）和脈寬調(diào)制（PWM） 。本次選用 PTO 控制方式，所以 PLC 的輸出端 Q0.0 用做高頻脈沖輸出端，電機選用森創(chuàng)兩相混合式電動機 42BYG，步距角為 ,該電機??1.80.9??整 步 半 步使用配套的 SH-20403 兩相混合式步進電動機細分驅(qū)動器。圖是步進電動機和驅(qū)動器的接線圖。 二相混合式步進電動機驅(qū)動器的特點是：恒流控制，極低的電源損耗，極高的開關頻率，驅(qū)動電流和細分數(shù)可由撥碼開關設定，并具有半流鎖定功能，脫機控制功能，所有輸入信號與功率放大部分光電隔離。PLCM A+-B+脈 沖 信 號貨 叉 方 向改 變 信 號 24VDC公 共 端 1K1K42BYG步 進 電機 SH-2043驅(qū) 動 器步進電機和驅(qū)動器接線圖6.5 安全檢測傳感器的應用(1)貨架占有情況檢測自動化倉庫需要知道貨物是否存放在貨架，或者貨物在貨架的位置信息。以免造成誤動作，損傷機械。入庫操作時，當碼垛機到達目標位置時，先檢測貨位是否有貨物，若沒有貨物，則進行伸叉作業(yè)，否則發(fā)出信號使碼垛機動作停止；出庫時，若檢測出相應貨位無貨物，則發(fā)出信號致碼垛機動作停止。本文采用漫反射型的光電傳感器可以感23知貨物在貨架的存在或者位置。(2)貨物突出貨架檢測貨物存放在貨架上，可能由于異常的情況導致貨物突出貨架的情況。這些突出的貨物可能妨礙碼垛機垂直方向的運行，導致貨架或碼垛機的損害。在碼垛機垂直軌道上頂端安裝長距離光電傳感器可以監(jiān)視貨物突出，一旦有突出，向上位機報警，控制系統(tǒng)發(fā)出信號致碼垛機停止運行。6.6 元器件的選型主要的元器件的選擇如下表所示。元器件使用表名稱 代號符號 個數(shù) 規(guī)格符號 備注PLC PLC 1 S7-200 CPU226，AC/DC 繼電器輸出擴展模塊 1 1 EM221 16 路數(shù)字輸入擴展模塊 2 2 EM235 4 模擬量輸入、1 模擬量輸出接觸器 KM 3 CJ20-100 線圈電壓 220V電阻 R 2 2K限流保護器 FR 1 JRS4-140365d 整定電流 80-104A熔斷器 FU 4 RLS1-100 額定電壓 380V 額定電流20-100A指示燈 HL 5 AD16-22G LED 顯示，220V行程開關 SQ 14 LF-0124LB 額定電壓 10-30VDC按鈕開關 SA KD2B-21 帶自鎖，24V激光測距傳感器 1 ODSL8 型 檢測距離 25-45 米光電傳感器 2 E3G-MR19光電編碼器 2 755A 增量式24三相交流異步電動機M 1 Y2-632-2 額定電壓 380V，額定功率 300W單相交流異步電動機M 1 YY7112 額定電壓 380V，額定功率 250W步進電動機驅(qū)動器 1 SH-20403 24-70VDC二相混合式步進電動機M 1 42BYG 步距角 0.9/1.825總結(jié)碼垛機是立體倉庫的主要輸送設備，同時也是提高整個倉庫運行效率的關鍵所在。本文設計了碼垛機的電控系統(tǒng)，針對碼垛機運行速度與認址精度的要求，圍繞碼垛機運行系統(tǒng)的性能提升展開一系列的工作。同時本文主要完成了以下幾個方面的內(nèi)容：依據(jù)設計立體倉庫的有關參數(shù)，對碼垛機電氣控制的硬件系統(tǒng)進行了設計。采用了激光測距傳感器在水平方向認址，提高了碼垛機的認址精度及行系統(tǒng)的可靠性，為以后運行速度的提升奠定了基礎。同時在水平和垂直方向采用閉環(huán)控制方式，實現(xiàn)高速運行、換速平穩(wěn)、低速停準的控制要求。簡單介紹了系統(tǒng)的通信協(xié)議和方式，并設置了相應的安全保護措施。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、硬件性能優(yōu)良、軟件功能強大、圖形界面友好，基本上達了設計要求。但是盡管如此本系統(tǒng)還是存在很多需要改進的地方，比如監(jiān)控系統(tǒng)還需要進一步的完善充實，碼垛機運行的速度和位置精度還有待提高，出入庫作業(yè)優(yōu)化調(diào)度方面需要做進一步的研究，這些對提高整個系統(tǒng)的運行效率有非常重要的作用。通過這次的課程設計，我學會了如何查閱現(xiàn)有的技術資料，如何舉一反三，如何通過改進并加入自己的思想和觀點，使之成為自己的東西，并且結(jié)合生產(chǎn)知識，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際以及分析和解決工程實際問題的才能，并使大學所學的知識得到進一步鞏固，深化和擴展。在此，我對我的課程設計指導老師鄢圣華老師和馮大鵬老師表示衷心的感謝，感謝他們對我的嚴格要求，感謝他們的監(jiān)督和指導。最后，讓我以我最崇高的心意，對兩位老師說一聲：老師，您辛苦了！26參考文獻[1] 陳建明，巫付專，熊軍華等．電氣控制與 PLC 應用[M] ．北京：電子工業(yè)出版社，2006[2] 孫承志，徐智，張家海，吉順平．西門子 S7-200/300/400PLC 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