毕业设计13PLC控制的小型自动化仓储设备

中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 0 PLC 控制的小型自动化仓储设备 指导老师： 洪晓华 设 计： 孙忠凯 班 级： 06 机电（独本） 中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 1 摘 要 现代物流管理作为一种先进的组织方式和管理技术，可以满足消费者日益多样化、个性化和多变的需求，在提高消费者满意度的同时削减各种经营成本，因而越来越成为企业提高核心竞争力的重要战略组成部分 8。自动化仓库则是物流系统的枢纽和核心，它与企业生产系统相集成，形成企业完整的合理物流系统。它采用高层货架存放货物，以自动化的仓储设备 为主，并结合出入库周边设备来进行作业，具有很高的空间利用率和出入库能力。作为自动化仓库中最基本的机械设备，自动化的仓储设备具有沿空间三坐标方向的机构，可以在操作人员的命令下对指定货位进行存、取及移位作业。本文设计了一种小型自动化仓储设备，可用于实验室和图书馆等小型仓储系统。它采用可编程控制器 PLC（ Programmable Logical Controller）作为控制计算机，链传动和滚珠丝杠作为传动形式，步进电机作为驱动电机，在接到操作员的指令后，自动化仓储设备进行自动化作业，并具有位置控制、速度控制、方 向判断功能及安全保护功能等功能。 关键词 ： 自动化仓储设备 编程控制器 PLC 步进电机 链传动 滚珠丝杠 中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 2 ABSTRACT As one of the advanced organization systems and managing means, modern logistics could satisfy the demand of customers diversity and personality, and reduce various operation costs to the minimum at the same time of satisfying customers better. Therefore, its more and more becoming one of the strategies that can prove the core capability of enterprises competition. AS/RS (Automated Storage & Retrieval System) is the key to the logistic system. It composes enterprises reasonable logistic system by integrating with enterprises manufacturing system. It stores goods in high shelves and has a high rate of space using and high capability of delivering mainly by storage set and some other sets outside. Storage set is the basic set in AS/RS and can move in 3 directions. It has the functions of storing and fetching goods and changing their positions. This paper designs an undersize storage set that can be used in undersize storeroom such as laboratories and libraries. Its controlled by PLC (Programmable Logical Controller) and droved by step-motor. It works automatically under the operators control and has the functions of velocity control, position control, direction verdict and self-protecting. Keywords： Storage set PLC Step-motor Chain gearing Helix gearing 中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 3 目 录 1 绪论 1 1.1 设计的目的和意义 1 1.2 当前相关技术及设备的发展状况 2 2 总体设计方案论证 2.1 技术要求 2.2 结构形式的选择 2.3 传动方案的选择 2.4 导向支乘部件的选择 2.5 控制电机的选用 2.6 机架结构及各部件的布置 2.7 自动化仓储设备的基本结构 2.8 小结 3 z 向机构 的设计 3.1 z 向机构的基本结构 3.2 滚珠丝杠副的选用 3.3 导轨的相关计算 3.4 步进电机的选择计算 3.5 联轴器的选用 3.6 小结 4 y 向机构的设计 4.1 滚子链的选用 4.2 链轮设计 4.3 步进电机的选择计算 4.4 减速器的设计 中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 4 4.5 车轮轨道的设计 4.6 提升配重质量的选取 4.7 小结 5 x 向机构的设计 5.1 滚子链的选用 5.2 车轮轨道的设计 5.3 其它零部件的选择 5.4 小结 6 控制系统设计 6.1 控制系统方案确定 6.2 控制系统的电路设计 6.3 PLC 控制系统设计 6.4 小结 7 结论 致谢 参考文献 附录 中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 5 1 . 绪 论 1.1 设计的目的和意义 早在 20 世纪 60 年代，物流管理就被管理大师彼得杜拉克（ Peter Drucker）称为经济增长的“黑暗大陆”，是“降低成本的最后边缘” 8，是继降低资源消耗和提高劳动率之后的第三利润源泉。为了满足消费者日益多样化、高度化和多变的需求，在提高消费者满意度的同时削减各种经营成本，在很多生产企业，现代物流作为一种先进的组织方式和管理技术，已经成为企业提高核心竞争力的重要战略组成部分。 现代物流是指在一定的时间和空间里，由所需输送的物料和包括仓储设施、输送工具、人员通讯联系以及资源规划、调 度等若干相互制约的动态要素构成的具有特定功能的有机整体，主要由自动存储、输送、分拣及电控、计算机管理等子系统组成，可实现电子商务对物流提出的准确、快速、集成、低成本、个性化、小批量的要求。现代物流具有全球化、信息化、自动化、智能化、网络化、柔性化、敏捷化、绿色化等诸多优点，其中自动化是现代物流的基本表现，它涵盖自动化物流的技术特性，其基础是信息化，核心是机电一体化，外在表现是无人化，效果是自动化。 随着诸如信息化、自动化等先进科学技术的广泛应用，极大的推动了现代物流的发展。信息技术的使用使企业可以及时捕捉信 息，选择商机，占领市场，使原料供应到商品达到最终客户的全部物流过程成为一个透明的“管道”；自动化技术在代替物流环节手工操作的同时，可以缩短物流流通时间，节约仓储费用，保证及时供货。 自动化技术在物流领域最重要的应用是自动化仓库 AS/RS（ Automated Storage & Retrieval System）。它采用高层货架存放货物，以巷道堆垛起重机为主，并结合出入库周边设备来进行作业，具有很高的空间利用率和出中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 6 入库能力。自动化仓库应用计算机控制管理，可以及时汇总计算机之间、数据采集点之间、机械设备的控制器 之间的信息。管理人员可以及时掌握产品供应及需求信息，做出及时的供货决策。 自动化仓库是物流系统的枢纽和核心，它主要有高层货架、托盘、巷道堆垛机、运输机系统、自动导引小车、自动控制系统组成。自动化仓库与企业生产系统集成，形成企业完整的合理物流体系。自动化仓库在制造自动化系统中，占有非常重要的地位，以它为中心形成了毛坯、半成品、配套件或成品的自动存储和自动检索。国内外实践经验表明：以自动化仓库为中心的物流管理自动化，在实现物料的自动化管理、加速资金周转、提高劳动生产率、降低劳动强度、节约库存的占地面积、提高厂房 空间的利用率、保证生产均衡诸方面能带来巨大的效益。 自动化仓储设备 堆垛起升机是自动化仓库中最基本的机械，操作人员根据工作要求通过它对指定货位进行货物的存、取及移位作业，它能执行水平运动（运行），载货台垂直运动（起升）及货叉伸缩运动（伸叉）以完成作业任务。 本次毕业设计的任务是设计一个小型自动化仓库仓储设备，可用于实验室和图书馆等小型自动化仓储系统的货物仓储作业。仓储设备采用管理级计算机 PC（ Personal Computer）与可编程控制器 PLC（ Programmable Logical Controller）两级控制，操作人员通过管理级计算机输入任务和命令。自动化仓储设备按任务完成各种动作，且应具有位置控制、速度控制、方向判断以及安全与保护等功能。 1.2 当前相关技术及设备的发展状况 自动化仓储设备是自动化仓库中最基本的机械设备，用于货物的存、取及移位作业，具有沿空间三坐标方向移动的机构。这种沿空间三坐标方向移动的机构是一种较为通用的机构，如常见的数控系统、三坐标测量机中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 7 及直角坐标系机器人中均有类似机构。 在数控系统中，主传动电动机驱动主轴的旋转运动，另外两台电动机驱动纵横工作台即 X Y 工作台。 X Y 工作 台的基本结构如图（ 1-1）所示，它由纵向工作台、横向工作台、步进电机、滚珠丝杠、联轴器等组成，将其 图（ 1-1） 中一个工作台安装于另一个工作台之上便构成了具有 x、 y 两坐标向移动的工作台。若在 X Y 工作台上追加一个第三方向的工作台便可构成具有三坐标方向移动的机构。 三坐标测量机是一个具有一定测量范围和较高精度的具有三坐标方向移动的机构，主体结构为小型封闭式龙门框架活动桥，三向均采用气浮导轨，高精度光杆斜轮传动。光杆斜轮传动的优点是斜轮与光杆之间无间隙，传动精度高；无需消隙机构，体积小；运动平稳，无噪声。 中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 8 工业现场的自动化仓库中的堆垛起升设备按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形式，按服务方式则分为直通、弯道和转移车三种基本形式，多工作于高度在 5 10m 的中大型立体仓库中，最大行走速度约为70m/min，最大升降速度约为 10m/min，最大伸叉速度约为 30m/min，可按自动、半自动和手动方式运行。利用托盘可以自由的存放箱装、罐装、散装、袋装等物品。为易于检修，驱动部分的安全盖采用可拆装方式，且行走和升降电动机设置在侧支架的下部。运行机构使堆垛机在水平方向上移动，通常采用电动机驱动行走轮的形式；起升机构使载 货台连同货叉伸缩机构在垂直方向上移动，与运行机构相比，其传动装置功率较大，而速度较低，通常采用卷筒驱动钢丝绳，也有用链轮链条传动的，钢丝绳牵引方式的起升机构一般装在机架下部，链条牵引方式的起升机构一般装在机架上部；货叉伸缩机构使货叉连同装载在货叉托盘向两侧伸出，通常采用三节伸缩式。采用先进的变频调速技术并辅以检测和安全装置以准确、安全的完成作业任务。 2. 总体设计方案论证 2.1 技术要求 对小型自动化仓储设备的技术要求为： 1具有沿空间三坐标方向的移动； 2货叉在水平方向移动范围约 2000mm； 3货叉在垂直方向移动范围约 2000mm； 4货叉伸缩范围约 500mm； 5末端夹持货物最大质量 10kg； 6可编程控制器 PLC 控制； 7具有安全保护及速度控制等功能； 中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 9 8外形美观，工作稳定可靠。 2.2 结构形式的选择 小型立体仓库堆垛设备采用直角坐标形式，即末端位置是由水平坐标、垂直坐标以及第三坐标方向上的移动来决定。现设水平坐标为 x 坐标，垂直坐标为 y 坐标，第三方向坐标为 z 坐标。 对于本设计系统，直角坐标有两种形式可以采用，其区别在于将 x 坐标或 y 坐标固定以作为机架，形式如图 2-1（ a）、（ b）。 对于图 2-1（ a）中形式， y 坐标固定为机架， x 坐标和 z 坐标随 y 坐标整体移动。若采用这种形式，在运动时， x 坐标的电机及机械部分等无效负载也跟随运动，它们的重力增加了 y 坐标的电机负荷。对于图 2-1（ b）中形式， x 坐标固定为机架， y 坐标和 z 坐标随 x 坐标整体移动。若采用这种形式， y 坐标的电机及机械部分的重力却不会增加 x 坐标的电机的负荷，但 y 坐标运动范围应用框架保护起来以增加安全系数。 综合分析设计目标及系统的工作环境，图 2-1（ b）中的方案较合适，故系统采用此种方案。 图 2-1 （ a） x y z （ b） x y z 中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 10 2.3 传动方案的选择 系统的 x、 y、 z 三坐标均采用直线传动形式。常用的直线传动形式有滚子链传动、同步带传动、卷筒钢丝绳传动、齿轮齿条传动等形式。对于小型自动化仓储设备的三坐标方向直线运动的传动方案设计，一种较为简单的方案是在 X Y 工作台上追加一个沿空间三坐标方向运动的机构。该机构在三个方向上的运动均采用滚珠丝杠作为传动 装置，该方案的优点是重复定位精度高等优点，可直接与步进电机连接，采用开环或半闭环控制即可达到较高的定位精度。但根据使用经验，在选用滚珠丝杠时，滚珠丝杠副的公称直径应不小于丝杠工作长度的 1/30。而本系统的 x 向及 y 向的工作长度约 2000mm，若在 x 向及 y 向使用滚珠丝杠传动，将不得不选用较大直径的滚珠丝杠副，这会导致系统成本较高且自重较大。故系统 x 向及 y向不适宜采用滚珠丝杠传动，而只在工作长度较短的 z 向采用滚珠丝杠传动。 由于 x 向及 y 向工作长度较大，可采用同步带传动或滚子链传动。在本系统中采用滚子链传动相对于 同步带传动有如下优点： 1 链传动的预紧力比带传动小得多，因而减轻了施加在轴和轴承上的力，减少了轴承摩擦损失，在低速传动时这一优点更加突出； 2 在传递相同功率的情况下，链条比传动带要窄些，链轮直径也比带轮要小些，所以链传动尺寸要比带传动尺寸紧凑些； 3 链条可以在连接处拆开，容易安装和拆卸。而传动带一般是制成无端的，它要越过带轮的挡圈才能套进去，安装比较困难； 4 链条由金属制成，能在恶劣的环境下工作； 5 链条工作期间的磨损伸长比带拉伸变形伸长慢，并且伸长量可以设法控制在一个节距范围内，因此不必像带传动那样频繁调整中心距。 中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 11 综合考虑系统对于传动精度寿命等各方面因素，在 x 向及 y 向上采用滚子链传动，但在设计时应对链传动的松弛及润滑问题加以考虑。 2.4 导向支承部件的选择 系统的导向支乘部件主要是对三个坐标方向上的运动部件加以限制，保证运动部件按给定的运动要求和规定完成运动。 常用导轨有滚动导轨和滑动导轨。滑动导轨结构简单，加工方便，可承受较大载荷，维护方便，但摩擦系数大，启动阻力大，在低速运行时可能会出现爬行现象；滚动导轨摩擦系数小，运动灵活，动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，不易产生爬行，可以预紧，刚度高，寿命长，缺点是导轨面与滚动体是点接触或线接触，所以抗振性差，接触应力大，对脏物敏感，必须有良好的防护装置，成本较高。 从以上比较可以看出，滚动导轨的抗振性差，接触应力大，对导轨表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，结构复杂，虽可外购，仍存在成本较高及维护不便等缺点，因而根据系统对于精度等方面的要求，不采用滚动导轨。 常用滑动导轨副按截面形状分有三角形导轨，矩形导轨，燕尾形导轨和圆形导轨等。其中圆形导轨制造方便，经外圆磨削，内孔珩磨后可达精密配合，采用闭式圆柱面导轨则既可保证较高的方向精度又可承受一定的载荷，若对动导轨面附以塑料涂层，则可使摩擦系数大大降低。由于系统的 z 向传动属于低速轻载，故向可采用闭式圆柱导轨副。 对于系统的 x 向和 y 向，其工作长度较大（约 2000mm），若采用常规导轨，无论是滚动导轨或滑动导轨都存在着制造或选购困难，成本高等问题。考虑到系统对于定位精度要求并不高，故在 x 向及 y 向并不采用常规传动机构中的滚动或滑动导轨，而是参考大型立体化仓库中的堆垛设备的结构，在这两个方向上采用车轮轨道作为导向支乘部件。车轮轨道作为导向支乘中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 12 部件虽然导向精度不高，但动、静摩擦力基本相同，启动阻力小，寿命高，维护方便，轨道可采用槽钢、 T 型钢或 H 型钢，外购方便，车轮结构简单，加工方便。 2.5 控制电机的选用 常用控制电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。其中直流伺服电机与交流伺服电机相比，速度较低，体积较大，同时价格相差不大，且电刷和整流子维修不方便，方案可用性差，故对于控制电机的选用，仅对交流伺服电机和步进电机加以比较。 交流伺服电机体积小，转动惯量较小，高速性能较好，精度高，有较强的超载能力；步进电机可以在很宽的范围内调速，容易实现正反转控制，没有积累误差，但过载容易失步，结构简单，维护方便，不须 反馈，开环即可达到较高精度，且价格较低。 本小型立体仓库堆垛机设备的电机启停频率较低，但要求低速平稳，扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声，在整个调速范围内均可稳定运动。考虑到以上要求和系统的简便性， x 向、 y 向和 z 向控制电机均采用步进电机。步进电机可直接与 PLC 控制器相连，使控制系统大大简化并可靠的获得较高的位置精度。 系统的 x 向驱动行走和 z 向驱动伸缩所需功率较小，采用步进电机和减速器即可满足功率要求，对于 y 向的驱动，由于要带动 z 向机构整体的升降，与运行机构相比，其传动功率较大，为了减小提升功率，可以配置平 衡重块，以使步进电机的驱动功率满足要求。 此外，由于步进电机在断电后仍有一定的保持转矩，故可以保证 y 向提升驱动在断电后不致落下，从而节省了专门的制动装置。 2.6 机架结构及各部件的布置 2.6.1 机架结构形式的选择 中国矿业大学成人教育学院 2008 届毕业论文设计 13 根据系统的功能和主要传动机构，参照现场中已有的结构形式，本系统可采用梁式或框架式。 梁式机架结构简单，制造方便，重量轻，但由于整体刚度较低，运行时会产生较大振动，稳定性较差，且 y 方向的车轮轨道无法安装。框架式结构整体刚度、稳定性和抗振性能均较好，且可以将 y 向的传动机构容纳其中，减小由于 z 向机 构伸出而施加于车轮轨道上的倾覆力矩。 综上分析，系统的机架采用框式机架。但在设计时仍应考虑 z 向机构本身质量及末端夹持物体质量所产生倾覆力矩对于整个系统稳定性的影响。 对于系统轨道的布置， y 向轨道布置在 z 向整体机构两侧即可，但对 x向轨道的布置，为防止由于 z 向的机构本身质量和夹持物体质量使整体发生倾覆，有以下两种方案可供选择： 一种方案是在机架下方或上方布置双槽钢或双 T 型钢导轨，采用单轮缘或双轮缘车轮，车轮仅靠重力压在导轨上。采用这种方案， z 向产生的倾覆力矩靠系统机械本体的自身重量加以平衡，车轮仅在底面承受 载荷，因而也只在车轮底面产生摩擦力，运行阻力小，但对两轨道间的跨距以及机械本体的质量有要求，即两轨道间的跨距和机械本体的质量均不能太小。 另一种方案是在机架上方或下方布置双 H 型钢导轨，单轮缘车轮，车轮被 H 型钢的两侧板约束而平衡由于 z 向伸出而产生的倾覆力矩。采用此种方案，车轮的踏面有两处受力，因此在运行时所受摩擦力要大于前一方案。但此种方案