立体仓库与码垛机设计

1课程设计任务书一、课程设计目的机电系统设计方向专业课程设计是机械电子工程专业的学生在完成机电系统设计等专业课程的学习之后，进行综合性设计训练的实践性教学环节。目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查、复习和提高，并运用所学理论，通过调研，设计一个机电控制方面的系统，受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力。具体为以下几个方面：1. 能够正确运用机电系统设计等课程的基本理论和相关知识，掌握机电系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电系统设计的初步能力。2. 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的设计计算、选型和结构设计方法和步骤。3. 通过控制系统方案设计，掌握机电系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想。4. 通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、使用资料的方法和能力。5. 通过回顾查阅课程理论知识、运用所学的基础课,专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案, 分析具体问题、进行工程设计的能力。二、课程设计内容课程设计题目：码垛机机电系统设计。主要设计内容：柔性制造系统简介，介绍系统整体功能、系统组成、功能单元组成、总控平台与各分站功能 单元、系统接口定义等；码垛机简介，介绍码垛机发展、码垛机总体结构与功能分析等；码垛机结构设计，包括码垛机起升机构、传送结构、载货台设计、关键构件结构校核等；出入库平移台设计，包括平移台结构设计、导轨设计、平移台驱动方式与执行部件选择等；码垛机与立体仓库的配合工作，包括立体仓库简要结构设计与分析、导轨设计等；码垛机电气控制部分设计，包括控制方式，执行部件选取与运动学分析、电气原理图等；其他设计内容，如系统保养与维护，系统改进等。根据各子题目设计内容不同，每个设计小组 67 名学生进行设计。允许学生自己拟定题目和实施要点，经指导老师同意后实施。由组长细分小组成员需承担的任务。2三、进度安排1. 熟悉任务，查阅资料； 1 天2. 确定方案； 2 天3. 详细设计（机械部分选型及设计计算、控制部分硬件原理图及软件流程图）；5 天4. 整理设计说明书，答辩。 2 天四、基本要求1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；2. 认真阅读课程设计任务书，明确题目及具体要求；3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；5. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；6. 控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；7. 机械系统设计计算，控制系统电气原理，图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰。8. 设计说明书手写和打印均可。课程设计第一天由各设计小组组长根据指导教师给的电子任务书拟定出适合本小组的课程设计任务书，并统一打印后分发各组员。机械电子系2011.08.20第一章 柔性制造系统简介1.1 FMS系统整体功能3在成组技术的基础上，以多台(种) 数控机床或数组柔性制造单元为核心，通过自动化物流系统将其联接，统一由主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种变批量和混流方式生产的自动化制造系统。1.2系统组成1.2.1加工设备加工设备主要采用加工中心和数控车床，前者用于加工箱体类和板类零件，后者则用于加工轴类和盘类零件。中、大批量少品种生产中所用的FMS，常采用可更换主轴箱的加工中心，以获得更高的生产效率。1.2.2储存和搬运储存和搬运系统搬运的的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等；储存物料的方法有平面布置的托盘库，也有储存量较大的桁道式立体仓库。毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的特定区域内，然后由自动搬运系统根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。固定轨道式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排列设备的FMS，自动引导台车搬送物料的顺序则与设备排列位置无关，具有较大灵活性。工业机器人可在有限的范围内为14台机床输送和装卸工件，对于较大的工件常利用托盘自动交换装置(简称APC)来传送，也可采用在轨道上行走的机器人，同时完成工件的传送和装卸。磨损了的刀具可以逐个从刀库中取出更换，也可由备用的子刀库取代装满待换刀具的刀库。车床卡盘的卡爪、特种夹具和专用加工中心的主轴箱也可以自动更换。切屑运送和处理系统是保证 FMS连续正常工作的必要条件，一般根据切屑的形状、排除量和处理要求来选择经济的结构方案。1.2.3信息控制FMS信息控制系统的结构组成形式很多，但一般多采用群控方式的递阶系统。第一级为各个工艺设备的计算机数控装置(CNC)，实现各的口工过程的控制；第二级为群控计算机，负责把来自第三级计算机的生产计划和数控指令等信息，分配给第一级中有关设备的数控装置，同时把它们的运转状况信息上报给上级计算机；第三级是FMS的主计算机(控制计算机) ，其功能是制订生产作业计划，实施FMS运行状态的管理，及各种数据的管理；第四级是全厂的管理计算机。性能完善的软件是实现FMS功能的基础，除支持计算机工作的系统软件外，数量更多的是根据使用要求和用户经验所发展的专门应用软件，大体上包括控制软件(控制机床、物料储运系统、检验装置和监视系统)、计划管理软件 (调度管理、质量管理、库存管理、工装管理等 )和数据管理软件(仿真、检索和各种数据库)等。为保证FMS的连续自动运转，须对刀具和切削过程进行监视，可能采用的方法有：测量机床主轴电机输出的电流功率，或主轴的扭矩；利用传感器拾取刀具破裂的信号；利用接触测头直接测量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的变化；累积计算刀具的切削时间以进行刀具寿命管理。此外，还可利用接触测头来测量机床热变形和工件安装误差，并据此对其进行补偿。41.3功能单元组成码垛机与立体仓库，传送带，视觉检测，串联机器人，并联机器人，装配，自控制台，1.4总控平台与各分站功能单元整个系统包括：码垛机与立体仓库从站单元、CCD图象检测从站单元、并联加工中心从站单元、串联搬运从站单元、传送带控制从站单元、条码扫描从站单元、条码扫描从站单元、以及主控服务器单元。其中并联加工中心单元和串联搬运单元采用PC104嵌入式控制器控制，CCD图象检测单元（2个）和条码扫描单元采用PB-OEM4-PCI从站卡控制，码垛机与立体仓库单元采用PLC控制，传送带控制单元和机械手单元采用PLC控制。主站单元通过PROFIBUS总线控制其他从站单元，如图1-1所示。 5系统特点：系统采用以PROFIBUS、串口通讯，大量使用嵌入式和PLC控制设计，用户可以从中选择相关内容满足不同层次的教学实验需要。模块化结构，灵活、紧凑，完全满足实验的要求；控制系统采用Windows系列操作系统，二次开发方便、快捷，适于教学实验。系统结构采用工业DCS控制方式、具有高可靠性、开放性、易维护性、协调性等特点。1.5系统接口定义因为现场总线是应用在工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享） 。据此功能，现场总线能够很好地完成自动化立体仓库的接口定义及连接。6第二章 码垛机简介1.1 码垛机概述码垛机是立体仓库系统的重要组成部分，它是整个系统的执行部件，存货时将货物从出入货台准确的存放到货位里，取货时将货物从货位中取回到出入货台。无论何种类型的码垛机，一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。尽管各厂家各有独创，结构形式有些差异，但可以说大同小异，所有的码垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成。体现码垛机动态性能优劣的指标主要有：运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、认址精度等。随着科学技术的不断进步，立体仓库的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断提高。1.2 码垛机的发展初期的立体仓库使用的码垛机以桥式起重机为基础，这种码垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架，利用门架的上下和旋转来搬运货物。1960 年左右在美国出现了巷道式码垛机，随后巷道式码垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式码垛机。1967 年日本安装了高度 1015 米的高层码垛机，1969 年出现了联机全自动化仓库，我国是在上世纪 70年代初期开始研究采用巷道式码垛机的立体仓库。目前的码垛机技术取得了重大的发展，控制技术、定位精度、运行速度都得到了很大程度的提高。巷道式码垛机的起升速度已经可以达到 90m/min，运行速度达到 240m/min，在有的立体仓库中采用上、下两层分别用巷道码垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力。按现行机械行业标准，有轨巷道式码垛机分类方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。无论何种类型的码垛机一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。7第三章 码垛机的结构设计3.1码垛机的总体机构码垛机是由三个直线电控工作台以及一个旋转工作台外加货叉组成。然后整体放置在底座上，用地脚螺栓固定在地面。其中轴采用了链传动，直线导轨支撑结构形式。外面采用柔性风琴防护罩进行保护。轴除行程不一致外，本身结构形式完全不同，采用了直线导轨支撑，滚珠丝杠传动的结构。这种结构的特点是承载能力高，安装方便。轴因为相对承载低，故此采用光轴直线导轨支撑，滚珠丝杠传动的结构。三个轴互成直角组合搭建而成。也就是典型的直角坐标机器人。工业上经常用到这种结构。轴为旋转轴，通过支架与轴活动平台连接。结构为蜗轮蜗杆形式。所有直线工作台在系统中可采用伺服电机或者步进电机驱动，通过联轴器与丝杠端连接。在大型柔性制造及物流系统中，这种码垛机结构应该是相对较复杂的，不仅因为它本身结构复杂，还因为包括知识面比较多，有电机控制、寻零复位操作、点位控制、精度测量等重要问题。包装码垛生产线机械结构复杂， 零部件较多。其传动形式多为链传动和带传动，其执行元件多为气缸，本章简化了机械本体的设计，方便实现后续的自动化控制。83.2 升降机结构设计升降机是实现分层码垛的关键部机之一，其结构如图所示。主要由升降平台、传动机构和配重体组成。升降平台主要由托盘支架，一对导向滚轮、一对限位滚轮等构件组成。托盘支架是由纵梁、横梁组成的一个四方形的平面框架，导向滚轮、限位滚轮用滚轮支架装在框架四角处。滚轮与高架平台主机架的四根立柱上的导轨相配合，保证了升降平台运动的平稳与灵活。平台通过四个调节螺杆与四根单排传动链条相连，传动链条通过主传动轴上的链轮与配重体相连。传动机构是升降平台3实现升降运动的动力源。主要由轴装式减速电机4、传动轴5、链轮链条及托板组成。减速电机的正、反旋转，使升降平台上、下运动。配重体由钢板焊接而成，其重量是根据升降机承载的最大负荷确定的。这样可以减少电机的驱动力和掣动力，并增加平台运行的平稳性。93.3 载货台设计1、尾座板2、深沟球轴承3、隔套24、直线导轨5、丝杠螺母副6、滑块7、连接块8、隔套19、深沟球轴承10、圆螺母11、轴承压盖12、轴承座13、联轴器14、底座15、电机座板16、驱动电机17、硬限位18、开关支架底板19、机械限位开关20、开光撞片21、底板122、连接板23、零位开关24、底板2如图为二轴工作台整体效果图，驱动电机通过联轴器与丝杠连接，丝杠两端轴承支撑，属于固定- 支撑安装方式，即一端固定住，一端浮动支撑。因两端固定要求的加工精度及安装精度很高。丝杠螺母与连接块螺钉连接在一起，两个直线导轨螺钉安装在底板上，然后直线导轨上滑块与连接块一起与连接板也就是活动平台螺钉连接。工作台设有两个机械限位开关以及一个零位开关，两端还有机械硬限位挡块。机械限位开关作用是限制工作台左右行程范围。为了避免操作失误或者过冲，结构上必须设置硬限位，避免造成设备损坏和危险。在工作台设计过程中，一直需要贯穿考虑的问题还有走线问题，因为电机、各类开关、气管等为了整体美观及线路安全，一般工业或者教学都用托链保护。需要考虑安装方式不和其他运动及各轴干涉，以及运动过程中内部无挤压等现象，防止气管堵住及电10线损坏。3.4 托盘仓的设计托盘仓是存储托盘和向托盘输送机供给托盘的部机，其结构如上图所示。托盘仓主要由机架1、叉板2、主气缸3、光电开关4和6、霍尔开关5组成。机架主要采用钢板、槽钢和角钢焊接而成，能保证托盘仓有足够的强度和刚度。叉板采用钢板焊接而成。保证了叉板有足够的强度、刚度支承托盘，叉板上装有橡胶垫，起到一定的缓冲作用。主气缸用以顶起托盘。侧面还装有两个小气缸，小气缸控制叉板开合，保证托盘的提取。光电开关采用对射式光电开关，检测托盘仓内托盘的存储量，以保证托盘的及时供给。霍尔开关与主气缸同步运动，不同位置的霍尔开关都将发出信号，以控制主汽缸的运动，并保证主汽缸与托盘仓叉板动作的协调。11第四章 立体仓库出入库平移台设计4.1平移台结构设计通常包括：丝杠（或称螺杆）、导轨、底面、台面、电机、联轴器等部件；影响电移台机械性能的主要因素有：丝杠、导轨、机体材质、加工质量和装配工艺等电控位移系统通常由三部分组成：位移台、驱动电机、控制器。驱动电机及控制器主要决定驱动扭矩、加减速度、信号处理、使用功能（如扫描，圆弧插补）等性能参数，随着电机控制技术的提升，除了电移台机械部件以外，电机和控制器也从很大程度上影响电移台的振动、噪音及电移台的定位精度。其结构分解图如下所示：4.2导轨设计根据立体仓库的出入库设计需求及相关标准和有关规范如导向精度、精度保持性、运动灵敏度和定位精度、运动平稳性、抗震性和稳定性、机构工艺等，我们选择直线导轨做为出入库的导轨型号选择。直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。12直线轴承主要用在自动化机械上比较多,像德国进口的机床,纸碗机,激光焊接机等等,当然直线轴承和直线轴是配套用的.像直线导轨主要是用在精度要求比较高的机械结构上。第五章 立体仓库的配合工作5.1 立体仓库简介自动化立体仓库，也叫自动化立体仓储，物流仓储中出现的新概念，利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化：自动化立体仓库，是当前技术水平较高的形式。自动化立体仓库的主体由货架，巷道式堆垛起重机、入(出)库工作台和自动运进(出)及操作控制系统组成。货架是钢结构或钢筋混凝土结构的建筑物或结构体，货架内是标准尺寸的货位空间，巷道堆垛起重机穿行于货架之间的巷道中，完成存、取货的工作。管理上采用计算机及条形码技术。5.2 立体仓库发展仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。 对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所） ，1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械部起重所负责） ，该库1980年投入运行。到2003年为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。 5.3立体仓库总体结构与功能分析其基本系统有四个组成部分：储存货架、存取设备、输入输出设备、控制系统。分配如下图所示；13在立体仓库系统模块中，人机接口界面采用一个控制台，上面有操作人员操控立体仓库的控制面板；控制器采用松下电工生产的EPO控制器；电机制动装置分别采用两个不进电机和一个直流电机；驱动装置是给步进电机配以相应的驱动电路；机械部件主要由传送杆及传送平台构成；仓库模块采用 3x4的结构，每个仓位上都设置了控制了限位开关。通过参考立体仓库的一般结构形态，并根据各模块的功能，合理排列各个部件之间的位置，设计了一个立体仓库的整体结构，如下图所示。立体仓库机构模型5.4仓库搭建组合式货架，货架各部件可拆可装，不是捍接形式组成。货架有两列组成，每列有49个仓位，共有98个存储仓位。仓位成40x40x40形状分布，连接之间用M8的螺栓连接，且每个连接点有两个螺栓共同加固。且每个仓位均有限位开关与PLC控制器相连接，随时供系统检测仓位的存储状况。14图 3.2 自动化立体仓库1、货架2、巷道3、天轨4、堆垛机5、仓位6、地轨5.5平移台结构设计通常包括：丝杠（或称螺杆） 、导轨、底面、台面、电机、联轴器等部件；影响电移台机械性能的主要因素有：丝杠、导轨、机体材质、加工质量和装配工艺等电控位移系统通常由三部分组成：位移台、驱动电机、控制器。驱动电机及控制器主要决定驱动扭矩、加减速度、信号处理、使用功能（如扫描，圆弧插补）等性能参数，随着电机控制技术的提升，除了电移台机械部件以外，电机和控制器也从很大程度上影响电移台的振动、噪音及电移台的定位精度。其结构分解图如下所示：15第六章 码垛机控制系统的硬件设计6.1 码垛机位置控制由码垛机的作业流程分析，码垛机是由水平运行机构、纵向起升机构和货叉伸缩机构三部分组成的，水平运行机构和垂直起升机构使码垛机到达目标位置，货叉伸缩机构完成存取货任务。要完成对码垛机自动控制系统的设计，首先要保证码垛机能够准确到达目标位置，所以在设计码垛机自动控制系统时，关键在于准确可靠的认址和定位保证码垛机准确无误的定位在目标货位。另外为了提高存取效率和保证码垛机的稳定性，必须对码垛机三个机构的速度进行合理有效的控制，其中速度位置检测是码垛机自动控制系统的关键部分。码垛机速度位置控制的实现方法所示，控制系统由 PLC 控制器、调速系统、编码器、认址片和认址器组成，实现位置和速度的双闭环控制。执行机构输入编码器速度检测位置检测码垛机位置速度控制框图6.1.1 定位控制定位控制就是确定码垛机停止在目标货位的功能。自动仓库的认址检测系统有两项任务：一是实现自动寻址，使码垛机自动找到被指定到达的位置；二是自动准确停准，即码垛机停准位置不超出规定的精度。为此，货架上的每个货位必须具有码垛机能识别的编码，所以将货架两侧编成 X1、X2，沿码垛机运行方向将货架编为 0Y 列，垂直方向控制器 调速系统 M 认址器16编为 0Z 层。这样每个货位就有了独立的三维坐标地址，码垛机自动检测目前的坐标地址，使其能到达目标位置。因为货架两侧分为 X1、X2，只有两个方向，反应到码垛机上只是货叉左伸、右伸运动，此方向不用检测，所以实际上码垛机位置的检测只是对 Y、Z位置的检测。6.1.2 认址检测方式主要的认址检测方式有以下几种：(1)绝对认址：绝对认址是将每一个货位赋予唯一的开关状态，给每个货位制作一个专用的认址片，码垛机上相应安装一个识别器，通常是二进制编码板和一组光电开关的组合，通过读取认址片的代码来判断码垛机的当前位置。(2)相对认址：相对认址：相对认址时每个货位的认址片结构相同。每经过一个货位，就对地址编码进行加 1 或减 1，一直移动到和预定位置号一致时停止运行。(3)编码器定位法：编码器定位方式主要有两种：从动轮与轨道旋转计数测定方式、链轮与链条旋转计数测定方式。从动轮与轨道旋转计数测定方式。码垛机的从动轮上配有同轴旋转编码器，从动轮与轨道近似纯滚动，因此通过对旋转编码器的转角的转换，可以得到码垛机的相对运行位置。(4)激光测距定位：激光测距定位是近年来应用于码垛机准确定位的新技术，用激光测距仪通过测量码垛机到基准点的距离和事先存储的位置数据比较来确定码垛机的当前位置。这种方法的精度很高，但是使用时码垛机和激光发射器和反射板之间不允许有物体，否则会遮挡住激光的传输路径，使系统无法准确定位。6.1.3 认址方式确认为完成对码垛机的位置控制，必须能检测出码垛机的运行位置，本次设计的码垛机系统认址方式如下：(1)水平认址系统水平方向采用激光测距传感器，当前数据为位移值，经过 PLC 计算后的数据为当前速度值。激光测距传感器安装在码垛机上，目标放射板安装在巷道末端。在立体仓库巷道通道中的激光测距范围(激光发射器与反射板之间)内不得有任何物体遮挡激光光线。激光测距的原理是通过发射出的激光光线长度来测定距离，其光线就好比一把光尺，如果物体遮挡激光光线，让它脱离原标准原点的测定位置，将影响实际要求的测定距离，从而使道码垛机走位偏离所设定的位置，产生货叉取/存储错位或起始点撞击巷道码垛机端17部缓冲制动器的情况。因此，在巷道码垛机工作时不允许有任何物体遮挡激光光线，对于激光光线通道应采取隔离保护措施，保证激光测距的准确性和自动化系统的安全性。(2)纵向认址系统码垛机纵向方向的层定位采用光电开关和认址片组合定位，即在码垛机的上下安装两个光电开关，在每层的货位上安装认址片。低位为取货开始伸叉或放货完毕收叉的位置，高位为放货开始伸叉或取货完毕收叉的位置。为使货叉能完成作业，码垛机在垂直方向上必须要提供使货叉能停在高位或低位的检测装置。所以在码垛机的升降台上安装三个光电开关，与升降台一起上升下降，中间的一个共用，其他两个分别为上位置和下位置。存货开始或取货结束时，升降台货叉停在高位置，下面两个光电开关处于认址片内；取货开始或存货结束时，货叉停在低位置，此时上面两个光电开关处于认址片内，如图所示。 上 对 准 光 电下 对 准 光 电低 位 置 中 间 计 数 光 电 上 对 准 光 电中 间 计 数 光 电下 对 准 光 电高 位 置码垛机垂直方向认址传感器分布图6.2 PLC 模块选型由于 S7-200-CPU226 的集成 24 输入/16 输出不能满足设计的要求，所以又选用了EM221 扩展模块和 EM235 扩展模块，正好满足设计的需要。所选模块型号如表所示。扩展模块选型表系列号 类别 描述 选型型号 数量EM221 输入扩展模块 DI16 6ES7221-1BH22-0XA0 1EM235 输入/输出扩展模块 AI4/AO1 6ES7235-0KD22-0XA0 2186.3 码垛机变频调速系统设计为了实现码垛机的准确定位，提高存取效率和保证码垛机的稳定性，必须对码垛机三个机构的速度进行合理有效的控制，由于水平和垂直运行电机分别采用三相交流异步电动机和单相交流异步电动机，所以对这两个方向的速度控制采用闭环变频调速控制。6.3.1 变频器的选型本文根据综合考虑选择西门子 MM440 变频器，MM440 型使用 PID 控制器，具 PID 微调等功能，MM440 可用于矢量控制，可以实现高性能的应用，带内置制动单元，可以快速制动。MM440 变频器各项参数指标如下：输入电压：3 相 380VAC，50Hz。输入电流：2.8A。输出功率：0.75KW。输出电压：3 相(0-380)VAC 可调。输出频率：(0-650)Hz 可调。输出电流：2.1 。A输出控制：变频器由微机处理器控制绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的脉冲宽度调制频率，实现输出电压、频率可调。控制作用： ，矢量转矩、光电编码器反馈的速度控制等。VF数字量输入：6 路带隔离的数字量输入。数字量输出：8 路继电器输出。模拟量输入：2 路(010) 模拟量输入。模拟量输出：2 路(020) 模拟量输出。mA通讯接口：RS485 通讯、 USS 协议。操作功能：AOP 盘、BOP 控制盘、电位器与外接端子操作。6.3.2 水平方向变频调速系统设计水平行走电机采用 220W 的三相交流异步电动机，运行速度要求为2m/min360m/min，系统采用转速闭环控制方式。S7-200PLC 的模拟量输出信号 作为KUMM440 变频器的模拟量输入，来控制变频器输出频率和输出电压的变化，从而控制三19相异步电动机的运行；电动机转速由光电编码器检测并反馈到 PLC 得高速计数口 I1.4 和I1.5，构成闭环变频调速系统。系统方框图如图所示， 为速度给定量， 为 PLC 输gnKU出的控制量， 为变频器输出电压， 为被控量，控制算法为 PID。un扰动gneKUun- fPLC 变频调速闭环系统结构图(1)运用指令系统中的 PID 指令，偏差信号按照 PID 算法计算出控制量，用传送指令输出电压控制量到变频器的模拟量输入 AIN1 口。(2)运用指令系统中的 HDEF、HSC 指令，进行高速计数中断程序设计，高速计数器设为 HSC0 和模式 9，增计数，实时采集并存储光电编码器反馈的 A、B 两相正交脉冲数。(3)在上位机监控系统中，实时测取系统各参数和输出特性，并能在上/ 下位机进行系统控制。(4)采用模块化程序结构设计出控制程序，包括主程序、子程序和中断程序。采用带传感器矢量控制闭环调速，能满足像码垛机这样动态特性要求较高，并且在低频时输出高转矩以及转速精度要求较高的场合。由于码垛机在工作过程中是频繁启动和停车的，在高速运行的状态下还要求码垛机能够快速精准地停在目的地，因此在制动方面采用了动能制动，将电动机运行在发电状态下所回馈的能量消耗在制动电阻中，从而达到快速停车的目的。根据控制系统的性能指标要求，三相异步电动机采用泰安伊万福电机有限公司生产的 系列 -632-2 型电机，额定功率 300W，额定电流 0.69A，额定电压 380 ， 额定频2Y V率 50Hz， 转速 ，功率因数 0.81。270minrPLC控制器（PID 算法）变频器主电路（IGBT 逆变器）三相异步电动机（负载系统）光电编码器反馈206.3.3 垂直方向变频调速系统设计垂直运行电动机采用 200W 的单向交流异步电动机，运行速度要求为2m/min80m/min。垂直方向变频调速系统与水平方向变频调速系统结构相似，但是由于单相异步电动机和三相异步电动机有所区别，所以垂直变频调速系统和水平变频调速系统也有不同的地方。从结构上看单相异步电动机与三相笼型异步电动机相似，其转子也为笼型，只是钉子绕组为单相工作绕组，但通常为起动的需要，定子上除了工作绕组外，还设有起动绕组，它的作用是产生起动转矩，一般只在起动时接入，当转速达到 70%80%的同步转速时，由离心开关将其从电源自动切除，所以正常工作时只有工作绕组在电源上运行。但也有一些电容或电阻电动机，在运行时将起动绕组接于电源上，这实质上相当于一台两相电机，但由于它接在单相电源上，故称为单相异步电动机。图是电容分组式单相异步电动机原理图。单相异步电动机的突出特点是没有启动转矩和固定的转向。为此要设置启动装置，以及电机中产生一个与主磁场在空间和时间上不同相得磁场，从而形成一定大小的旋转磁场以产生启动转矩。单相异步电动机因有反转转矩，与相同容量的三相异步电机比较，具有励磁电流大、功率因数低、过载能力小、效率也比较低等缺点。但因其结构简单、使用方便，使数瓦至三百瓦左右的小功率电机得以广泛采用。电容分组式单相异步电动机原理图1 工作绕组；2起动绕组K离心式开关；C电容器单相交流电动机的变频调速与三相交流电动机的变频调速不同，将单相 220V 输入、三相输出的变频器的三个输出端子（U、V、W） ，接任意两端。输出单相变频调速电源在1 CK2M21输出端上串上一个足够电感量的电感，用于隔离电动机电容对变频器的危害作用（同时对变频器的高载波率起到一定的滤波作用） ，并保护电动机电容，此电路只适用于小功率单相电容运转式和罩极式电动机，不适用于带离心开关的单相电动机。另外，变频器的输出电压和电动机的输出电压相匹配，变频器要留有足够的容量（应比电动机的使用功率大三倍） 。串联的电感要有足够的电感量和通过电流的流量，电感的磁性材料应与变频器的载波率相匹配。根据控制系统的性能指标要求，单相异步电动机选用许昌万通电机制造有限公司生产的 YY7112 型电机，额定功率 250W，额定电流 1.73A，效率 67，功率因数 0.92，额定转速 2800，堵转电流 10A，堵转转矩额定转矩 0.35，最大转矩额定转矩 1.6。变频器和单相电容式运转电动机的接线如图所示。 变 频 调 速 器R SU VW 单 相 电 容 式运 转 电 动 机 运行电容AC20变频器与单相电容式运转电动机的接线图6.4 码垛机货叉控制系统设计步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机定子的各相绕组按照一定的顺序通电、断电，从而带动转子按既定的方向一步一步转动固定的角度，这个角度被称为“步距角” ，通常用 表示。步进电机的转子上均匀的分布着许多小齿，相邻的两个小齿的中心线间的角度称为齿距角 ( )。对于 m 相 n 拍的步进电360转 动 齿 数机来说，则转子走过了 n 个步距角 ，所以步距角n转 子 步 数22本次选用的 S7-226 型 PLC 可以通过 Q0.0 和 Q0.1 两个输出端输出脉冲串（PTO ）和脉宽调制（PWM） 。本次选用 PTO 控制方式，所以 PLC 的输出端 Q0.0 用做高频脉冲输出端，电机选用森创两相混合式电动机 42BYG，步距角为 ,该电机1.80.9整 步 半 步使用配套的 SH-20403 两相混合式步进电动机细分驱动器。图是步进电动机和驱动器的接线图。 二相混合式步进电动机驱动器的特点是：恒流控制，极低的电源损耗，极高的开关频率，驱动电流和细分数可由拨码开关设定，并具有半流锁定功能，脱机控制功能，所有输入信号与功率放大部分光电隔离。PLCM A+-B+脉 冲 信 号货 叉 方 向改 变 信 号 24VDC公 共 端 1K1K42BYG步 进 电机 SH-2043驱 动 器步进电机和驱动器接线图6.5 安全检测传感器的应用(1)货架占有情况检测自动化仓库需要知道货物是否存放在货架，或者货物在货架的位置信息。以免造成误动作，损伤机械。入库操作时，当码垛机到达目标位置时，先检测货位是否有货物，若没有货物，则进行伸叉作业，否则发出信号使码垛机动作停止；出库时，若检测出相应货位无货物，则发出信号致码垛机动作停止。本文采用漫反射型的光电传感器可以感23知货物在货架的存在或者位置。(2)货物突出货架检测货物存放在货架上，可能由于异常的情况导致货物突出货架的情况。这些突出的货物可能妨碍码垛机垂直方向的运行，导致货架或码垛机的损害。在码垛机垂直轨道上顶端安装长距离光电传感器可以监视货物突出，一旦有突出，向上位机报警，控制系统发出信号致码垛机停止运行。6.6 元器件的选型主要的元器件的选择如下表所示。元器件使用表名称 代号符号 个数 规格符号 备注PLC PLC 1 S7-200 CPU226，AC/DC 继电器输出扩展模块 1 1 EM221 16 路数字输入扩展模块 2 2 EM235 4 模拟量输入、1 模拟量输出接触器 KM 3 CJ20-100 线圈电压 220V电阻 R 2 2K限流保护器 FR 1 JRS4-140365d 整定电流 80-104A熔断器 FU 4 RLS1-100 额定电压 380V 额定电流20-100A指示灯 HL 5 AD16-22G LED 显示，220V行程开关 SQ 14 LF-0124LB 额定电压 10-30VDC按钮开关 SA KD2B-21 带自锁，24V激光测距传感器 1 ODSL8 型 检测距离 25-45 米光电传感器 2 E3G-MR19光电编码器 2 755A 增量式24三相交流异步电动机M 1 Y2-632-2 额定电压 380V，额定功率 300W单相交流异步电动机M 1 YY7112 额定电压 380V，额定功率 250W步进电动机驱动器 1 SH-20403 24-70VDC二相混合式步进电动机M 1 42BYG 步距角 0.9/1.825总结码垛机是立体仓库的主要输送设备，同时也是提高整个仓库运行效率的关键所在。本文设计了码垛机的电控系统，针对码垛机运行速度与认址精度的要求，围绕码垛机运行系统的性能提升展开一系列的工作。同时本文主要完成了以下几个方面的内容：依据设计立体仓库的有关参数，对码垛机电气控制的硬件系统进行了设计。采用了激光测距传感器在水平方向认址，提高了码垛机的认址精度及行系统的可靠性，为以后运行速度的提升奠定了基础。同时在水平和垂直方向采用闭环控制方式，实现高速运行、换速平稳、低速停准的控制要求。简单介绍了系统的通信协议和方式，并设置了相应的安全保护措施。该系统结构简单、硬件性能优良、软件功能强大、图形界面友好，基本上达了设计要求。但是尽管如此本系统还是存在很多需要改进的地方，比如监控系统还需要进一步的完善充实，码垛机运行的速度和位置精度还有待提高，出入库作业优化调度方面需要做进一步的研究，这些对提高整个系统的运行效率有非常重要的作用。通过这次的课程设计，我学会了如何查阅现有的技术资料，如何举一反三，如何通过改进并加入自己的思想和观点，使之成为自己的东西，并且结合生产知识，培养理论联系实际以及分析和解决工程实际问题的才能，并使大学所学的知识得到进一步巩固，深化和扩展。在此，我对我的课程设计指导老师鄢圣华老师和冯大鹏老师表示衷心的感谢，感谢他们对我的严格要求，感谢他们的监督和指导。最后，让我以我最崇高的心意，对两位老师说一声：老师，您辛苦了！26参考文献1 陈建明，巫付专，熊军华等电气控制与 PLC 应用M 北京：电子工业出版社，20062 孙承志，徐智，张家海，吉顺平西门子 S7-200/300/400PLC 基础与应用技术M 北京：机械工业出版社，20093 马秀坤 ，石雪涛，马学军.S7-200PLC 与数字调速系统的原理及应用 M 北京：国防工业出版社，20094 刘昌棋，董良立体仓库设计M 北京：机械工业出版社，2004：13-21，132-138，166-1685 王勇军，周奇才自动化仓库码垛机的高速运行控制技术研究J 起重运输机械，2003(1)：27-296 周兴万立体仓库中码垛机的位置定位和速度控制J基础自动化，1998，6：487 陈晓军 PLC 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