堆垛机及控制系统设计

堆垛机及控制系统设计绪论近年来，随着企业生产与管理的不断提高，越来越多的企业认识到物流系统的改善与合理性对企业提高生产率、降低成本非常重要。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的起重堆垛设备。本文着重就堆垛机的结构设计进行初步研究。1.1研究背景及内容1.1.1研究背景及意义当今在物流行业和制造行业中，对自动化立体仓库的研究已经有很长一段时间了，对堆垛机本体的结构设计也出现了各种各样的方案，但普遍是为了达到这几个要求：自动化的存储方式，存储空间的高效利用，定位精度和响应的快速性，方便管理，降低成本等。以改变传统的搬运方式节约时间和减少人力劳动损耗。世界主要工业国家都把重点放在开发可靠的新产品和高性能的设备上，同时根据实际仓库类型提高实用性和安全性。在堆垛机的设计上，我们和当今的工业大国还有很大的差距，因此我们更好不断的学习借鉴，攻克关键技术，推出新型号的和新技术的堆垛机。希望通过我们的不断努力，设计出安全、高速、可靠性、功能强大的堆垛机，造就便捷的、存储量强大的自动化立体仓库，使得我们国家的工业水平和物流水平保持快速的发展。1.1.2文献综述本设计中引用的文献主要内容包括堆垛机结构原理、材料力学的校核方法、控制系统的认真定位以及PLC的型号特点等。堆垛机类型有很多种，比如：单立柱式、双立柱式；地面支承式和悬挂式等，根据所设计的仓库特点结合参考文献中列举出的优缺点进行方案比较，以便下一步的设计。在结构设计的过程中，还需要对所设计的零部件进行强度和刚度以及使用寿命进行校核，根据参考文献中提出的不同工况进行分析计算。在控制方案中主要采取了光电开关和行程开关想结合的定位方式。PLC是常用的控制器之一，它有可靠性高、方便灵活的特点，可以通过编写不同的程序来达到不同的控制效果。1.1.3研究的内容（1）分析课题的内容和设计要求及其意义。立体仓库主要用于自动化生产线中暂存环节，堆垛机则完成存取货物控制，对生产过程控制有着重要意义设计要求：纵向行程1600mm，垂直方向600mm，物料重量10kg。文献翻译20000印刷符号。完成工作平台总装配图一张，若干部件图和零件图，计算机控制原理图一张，设计图纸总量不少于2张A0。设计计算说明书一本。（2）堆垛机的驱动装置，选型与校核。（3）通过功率、速度等参数的计算、完成堆垛机运行机构的选型和计算。（4）堆垛机的控制系统及电气接线原理图，元器件选择。（5）对堆垛机的立柱、上下横梁的强度、局部稳定性和整体稳定性的检验。1.2堆垛机的结构设计概述1.2.1堆垛机结构的组成和形式堆垛机主要的三个运动结构：（1）行走机构由上下横梁、减速电机、链轮、行走轮等组成。通过横梁上安装的导向轮保证其行走的方向于轨道一致。行走机构的运行速度根据仓库的存储要求和输送带的进出货物量来决定，一般情况下工作速度控制在20～100m/min之间，最高速度可达240m/min，本设计中行走机构的速度选取40m/min（2）升降机构由减速电机、卷筒、钢丝绳等组成。正常情况下升降机构的工作速度在8～25m/min之间，最高速度可达60m/min，本设计中升降机构的速度选取10m/min（3）货叉机构是堆垛机存储和取出货物的装置，它的组成有减速电机、链条传动、齿轮传动、上中下叉等。货叉机构的工作速度一般在10m/min左右，最高速度可达50m/min，本设计中货叉机构的工作速度选取12m/min.堆垛机整体方案如图：图1-1堆垛机整体结构示意图1.2.2巷道堆垛机的特点根据实际仓库类型的不同，工作环境的不同，巷道式堆垛机有已下结构和功能特点：（1）整机结构多为金属结构，重量较大，要符合相应的强度和刚度的要求。另一方面也要求有较高的制造精度，实现其自动化的存取的精确定位。（2）巷道式堆垛机的结构紧凑，立柱较高，机体结构狭窄，一般小于一个货架的宽度。与其他运输装置不同，其有专门的取料货叉装置，分为上中下叉。（4）各个方向的运动满足快速、平稳和准确等控制要求。1.3堆垛机所受载荷的简化方法受巷道型仓库限制，堆垛机高度很高，宽度较小，以保证在巷道里运行过程中不会撞到货架而产出故障。堆垛机运行时，将受到货物、货叉的竖直方向上的力，前后行走和加减速时又收到水平方向上的力，升降时还会有一定的冲击。一些特别的工作环境，还可能受到风的阻力作用。堆垛机每实现一次工作周期，以上载荷会重复一次出现。因而，它所受到的是交替变化的载荷。为了确保堆垛机的可靠性和安全性，在其结构的设计上强度和刚度是重点考虑的[2]。以下是堆垛机所受载荷情况的简化：（1）竖直载荷PL竖直方向的载荷包括货叉重量和货物重量，用表示。由于升降的过程中会产生一定的冲击，则设计竖直载荷式中，是冲击系数，根据不同堆垛机类型分为：第1类第2类第3类第4类（2）水平载荷堆垛机在水平方向前后变速行走，就产生了与加速度相关的水平惯性力。即式中，是动载荷系数，因为加速度存在不稳定性，可以通过运行时的额定速度v来确定。在水平方向行走时；旋转运动时.（3）风力载荷风力载荷是风的压力与所受风面积的乘积，即堆垛机正常工作时，风压力堆垛机不工作时，风压力式中，为货叉高度，单位为mm（4)升降冲击载荷在正常情况下，升降货物的加速度有可能很大，这个时候其冲击载荷很大，在设计计算式时需要另行考虑。（5）载荷状态堆垛机工作时，根据不用的运行情况，它的承载能力是以上各个载荷和自重S的不同组合：A正常运行情况下：B特殊运行情况下：C升降运行情况下：D停止:上述各公式中，M是作业系数，和堆垛机的分类有关：第1类；第2类第3类第4类

2堆垛机立柱和上下梁设计计算立柱和上下梁是堆垛机的主要结构之一，有双立柱和单立柱之分。根据不同的支承方法，主要有两种：通过地面支承堆垛机和通过货架结构支承的堆垛机。堆垛机的横梁和立柱是整个机器的主要受力机构，因为自动化的要求，两者构成的门架型的结构制造和生产事都要确保其质量和精度以实现自动地位和存取货物的运动要求。以门架为机体，布置了电机，电气控制开关等装置，安装了升降、行走、以及货叉等机械零件。门架下端则承受整个堆垛机和货物的重量。堆垛机运行过程中，起动、停止、升降存入取出都会产生相应的惯性力，导致机构产生扰度，我们在设计中必须使得这样的挠度小于相应规定的值，抱着堆垛机的正常工作。在机械结构上也应该设计满足相应的强度要求和寿命要求。本方案选择双立柱地面支承的门架结构进行设计。2.1门架的弯矩和扰度图2-1双立柱门架结构简图双立柱堆垛机的矩形门架结构是超静定结构。因此按照角位移的分析如下：双立柱堆垛机门架结构的设计计算参数：：上横梁及其附件重量：货叉、货物、附件的总重量：电气控制部件的重量：升降装置的重量：上横梁的重量：下横梁的重量：立柱的总重量：立柱的单位长度的重量作用在门架上的惯性力:及(:减速度,)～—下梁中心线分别到～的中心线竖直高度—立柱AB、CD的断面惯性矩l—立柱的中心距E：弹性模量R—因构件两端变位而产生的弯距—上横梁与下横梁端部的偏转角C—由构件的中间载荷在杠端产生的弯距，称为载荷项。—上下横梁的刚度；—立柱的刚度。—刚度比；M—弯距。2.1.1由水平载荷产生的弯距画出作用在门架结构上的惯性力图解：图2-3惯性力图图1列出角变位移方程：（2-1）其中载荷项：（2-2）有节点的弯距平衡方程式：（2-3）由隔离体静力平衡方程式：（2-4）通过以上各式，可先求出、、、、再代入其它式子可求出上下横梁内力—、、、；立柱内力—、、图2列出角变位移方程式：（2-5）固端弯距C（载荷项）(2-6)有节点的弯距平衡方程式：(2-7)有隔离体静力平衡方程式：(2-8)通过以上各式，可先求出、、、、。再求出立柱及上下横梁的内力由水平载荷产生的弯距，可由图1图2叠加得出：(2-9)又由节点方程式可得门架立柱端部的线变位：(2-10)2.1.2由行走轮的反力产生的弯距其受力分析图如下：图2-4行走轮反力分析图列出角变位移方程式：(2-11)固端弯距C：(2-12)(2-13)在此，V：走行轮的反力，按（堆垛机总重量+载重）的一半计算。2.1.3有叉取作业产生的弯矩在货叉工作时，其所受的载荷位置发生变化，产生与行走方向和门架面垂直的力矩，产生了扰度。但是，这个弯矩远远小于之前所计算的弯矩，而且堆垛机不会在货叉机构伸出的情况下行走，所以可以认为最大弯矩为和合成的弯矩。2.2设计数据计算和校核2.2.1框架结构的设计数据如下：上下横梁为焊接件，具体尺寸见装配图立柱（20×10角钢，）堆垛机总重量（自重+载重）=900kg设计时载重增加25%作为试验载荷，为30*（1+25%）=37.5kg根据1.1.3的讨论，关于载荷的修正系数，对堆垛机的冲击系数f=1.4，作业系数M*=1.1。因此载荷组合为。2.2.2各部分的弯矩(2-14)固端弯矩：(2-15)堆垛机行走停止时扰度产生的线变位：=1000.00013=0.13cm(注：值容许范围一般在0.09—0.5cm,符合要求)各部分由水平载荷产生的弯矩：=1.1(31.1+12.8)=48.3Nm(2-16)=1.1(28.5+12.2)=44.4Nm=1.1(29.7+12.3)=46.2Nm=1.1(29.4+12.5)=46.1Nm各部分由走行车轮的反力产生的弯矩V=1664kg固端的弯矩:C=16640.19=31.6Nm则:=12.5Nm=4.1Nm=19.1Nm最大的弯矩:=-48.3+12.5=-35.8Nm=-44.4+4.1=-40.3Nm=44.4-4.1=40.3Nm=46.2+4.1=50.3Nm=-46.2-4.1=-50.3Nm=-46.1-12.5=-58.6Nm=46.1+19.1=65.2Nm=48.3-19.1=29.8Nm2.2.3结构构件所承受的弯曲应力上下横梁的断面系数,立柱的断面系数。因此:=-2316N/cm=-2606N/cm=920N/cm=1148N/cm=-3245N/cm=-3780N/cm=1488N/cm=680N/cm在堆垛机循环的往返运动过程，交变应力的产生。立柱C和D点处产生最大的应力振幅。若用应力比法，则K=-3245/-3780=0.86，按切口分类为a类,可查出其疲劳许用应力为12500N/cm。所以能满足上述弯曲应力条件。

3堆垛机伸缩货叉机构的设计计算堆垛机要把货物存入相应的位置，需要一个深入货架的运动，本设计中的货叉机构就能实现这个功能，它由上叉、中叉、下叉构成，通过他们的不同伸出速度，使得在上叉的货物能够完全的进入货架里，再调节货叉在竖直方向上的位置来存入取出货物。货叉机构包括齿轮、齿条、链轮、链条、减速电机、传动轴和轴承等零件构成。如图所示.：图3-1货叉机构电机通过齿轮将运动传递到货叉内的传动轴上，通过链传动带动中叉和上叉上轴的转动，又由齿轮齿条的传动，将转动转化成中叉和上叉的直线移动。3.1货叉的扰度与强度图2-2货叉机构受力分析图货叉工作时中叉和上叉都会伸入货架里，为了节约空间，增加存货量，尽量使得货叉机构的厚度小一点，同时设计所产生的扰度达到相应的要求。堆垛机货叉各参数如下：W：载荷,,分别为下叉中叉上叉的重力方向的惯性矩E:材料的纵弹性系数3.1.1下叉的受力分析计算:图2-3下叉受力分析图如图，假设为不变形部分的长度.,时其弯矩为(3-1)(3-2)当时,=0(3-3)将(3-3)代入到(3-1)中得，时c点处的倾角为3.1.2中叉的受力分析计算图a:由于载荷W的作用，在b间产生反力,，图2-4中叉受力分析图设点的倾角为,扰度为(3-4)(3-5)因x=b时,=0,=0则(3-6)将(3-6)代入到(3-4)中,求x=b时的倾斜角图b:把b段作为刚性段，c点作为固定端考虑，并设由W在中叉产生的反力为P和P，而由这些反力作用在货叉前端产生的扰度为和,则图2-3中叉受力分析图在时另外当时,所以3.1.3上叉的设计分析计算因载荷W在d区间产生的反力有P,P，在E点的倾斜角为i，扰度为，则受力分析如下：图2-5上叉受力分析图则(3-7)(3-8)当x=d时,=0,=0,(3-9)将（3-9）代入到（3-7）中，当x=d时因此，假设载货台和立柱为刚性时，货叉机构工作时的总扰度为=++++注：当货叉伸入货架的深度为80CM时，值应控制在10～15毫米。3.2货叉各参数的选择a=50cmb=50cmc=5cmd=45cme=5cm=100cm=50cm=55cm=105cm上叉、下叉、中叉长为：上叉为板状，并取其宽度为150cm，其它参数见装配图和零件图上标注。代入数据求得：=++++=0.11mm根据要求||mm注：本设计满足上述要求，上、中、下叉的结构尺寸详细尺寸装配图和零件图。3.3货叉内部零件的选取与校核3.3.1轴承7的选取校核本方案中设计货叉的工作速度为12m/min所以每各轴承所承受的压力为F=（16.9/0.035）/2=241N查《机械设计》表18.1，并选择深沟球轴承GB/T276，类型代号为61800它的基本参数为：d=10mmD=19mmB=5mm =1.8KN=0.93KN轴向载荷=0N径向载荷=241N查机械手册得x=1y=0 又查表得：轴承的当量动载荷满足设计要求n=56.6r/min轴承的寿命(3-10)所以轴承寿命满足要求，所选择的轴承适合使用。3.3.2齿轮7的选取与校核1.选取齿轮为45号钢，调制处理，齿面硬度HB=217～255，平均硬度为2362.初步计算尺寸为软齿面开式传动(3-11)（1）传动转矩为（2）初步设计时，因V值未知，不能确定，所以可初选=1.4（3）取齿宽系数=1.1（4）取弹性系数（5）取节点区域系数（6）初步选择=30，齿条查机械设计手册可得=1.522（7）许用接触应力由公式取接触疲劳极限应力为齿轮的应力循环次数为取寿命系数=1.06取安全系数=1.0由此可得（9）齿轮的分度圆直径为,初算为故则(3-12)3.确定计算参数（1）计算载荷系数取使用系数为因取动载系数为=1.15取齿向载荷分布系数为=1.11取齿间载荷分配系数为=1.2则（2）对修正得（3）确定模数齿轮m=2（4）故并取b=20mm4.校核齿轮齿根弯曲疲劳强度式中各参数：（1）各值与上面初速的相同（2）当量系数=30故取齿形系数为=2.64，应力修正系数为=1.58（3）取重合度系数为（4）许用弯曲应力[取弯曲疲劳极限应力取寿命系数，取安全系数故则(3-13)此齿轮能满足传动时齿根弯曲疲劳极限，故设计合理可以使用。3.4货叉装置中的减速电机的选取货叉机构的总伸缩速度为12m/min。设计下叉固定速度为0，中叉速度为4m/min，而上叉相对于中叉的速度为8m/min。齿轮7的转速：(3-14)电机的输出转速：(3-15)选择减速电机的功率为2.2KW。电机的输出转矩为：(3-16)货叉伸缩所需的力矩为：(3-17)则：(3-18)所选减速电机满足设计要求。

4堆垛机行走机构的设计计算堆垛机的支承方式为地面支承，所以地面安装了相应的钢轨。堆垛机的行走机构中，通过减速电机带动链轮，然后带动行走车轮在钢轨上行走，实现堆垛机在水平横向上的运动。它主要包括减速电机、链轮、链条、传动轴轴承等部件。4.1堆垛机走行轮的设计计算及其校核走行轮有主动轮与从动轮各1个，因为堆垛机在货叉伸缩时的反作用力会对走行轮产生侧压，为了防止走行轮由于侧压脱轨与走行中的爬行情况，需安装侧面导轮轮。堆垛机走行轮的结构参数和运动参数如下：Q—堆垛机总重量约为2000kgB—钢轨道宽40mmv—走行速度为40m/min每个行走轮所承受压力因此行走轮所承受轮压为P=10KN。查文献起重机械和吊装选择直径D=220㎜的车轮，其许用轮压[P]=28KN＞P.查起《重机械和吊装》可选择P18型的钢轨。校核车轮：查表得P18钢轨的曲率半径R=90，钢制车轮与轨道点接触应力为：(4-1)其中(R=90=2.2KW为电动机在所设计速度下时的静功率，具体计算见行走机构减速电机机选择。r=0.8=1.0代入公式=1.76KW所以查表8-8并选择材料为45钢，ZG55Ⅱ;许用所以车轮满足设计要求。4.2行走装置的SEW减速电机的选取堆垛机走行装置在额定速度下所需的功率为：(4-2)其中m=1V=1m/s其中后两项为0代入数据得F=300N将此式代回到上式得选择减速电机所需功率代入数据得。选择SEW-H2系列减速电机。

5堆垛机升降机构的设计计算升降机构是实现货叉工作台上下升降运动的机构，它通过减速电机带动卷筒转动，从而收放所连接的钢丝绳，起吊货叉工作台，使其到相应的货架层数。它主要包括减速电机、链轮链条、卷筒、滑轮等零部件。5.1升降机构零部件的设计计算定滑轮的轴径与轮径的设计计算： 则对定滑轮的转速：(5-1)选取滑轮的轮径=160mm选取卷筒的轴径取为d=30mm，卷筒的直径为=160mm；则卷筒的转速每根钢丝绳承受的拉力为查机械手册为钢丝绳第二组619类。选取钢丝绳公称直径为10mm，公称抗拉强度为2000MPa。钢芯钢丝绳的最小拉断力为20KN>1.5KN，满足设计要求，可以使用。5.2升降机构的卷扬机构的设计堆垛机升降机构提升货物所需功率为：(5-2)因此，选取减速电机额定功率为2.2W。则升降机构提升货物所需力矩为：(5-3)由T>得所选电机符合设计要求。5.3升降机构链传动设计查机械设计手册初选齿数Z=17，中心距a=305mm，传动比i=1，两轴水平分布。查表得：工况系数=1齿数系数=0.7。(5-4)由此查表选取链条型号12A-1型其节距为19.05mm。节数=58(5-5)则链条的型号为：12A-1-58GB/T1243-1997。链条所受拉力为：(5-6)查表得该型号的许用抗拉载荷为31.1KN，所选链条强度足够。

6堆垛机控制部分设计堆垛机的控制方式和方法很多，现在多采用模块化控制方式。通过控制交流电机的运转以及无级调速，实现堆垛机的高速运行和精确的定位。完成仓库里的存取货物的任务。6.1堆垛机的工作过程分析堆垛机的主要作用就是代替传统的人工搬运方式，实现货物的存储与提取。它的主要工作方式如下：首先接收人员或者系统的指令，根据所要求的存储位置，从巷道口进入进行水平的横向运动，同时升降机构也开始运动上升到我们所需要的位置。当横向和纵向的位置都到达后，堆垛机的货叉开始工作，执行存取操作，然后回到原始位置，提交货物或者等待继续作业。堆垛机在进行作业时，首先是根据系统提供的任务信息来选择控制的方式。系统给出的任务信息包括：自动、手动的选择；存储还是提取货物的选择，所要求的目标位置等等。在自动控制下，我们只要告诉堆垛机相应的目标位置及作业内容即可自动完成，但是在调试或者出现运行故障的时候我们还需要进行人工操作，以保证生产安全。堆垛机在不同的作业内容上，运行的方式也是有所不同的。在存储货物的任务中，堆垛机到达相应的货架位置后，需要将货叉工作台稍微提升一段距离，使得货叉能够伸入货架上，然后升降机构再使货叉微降，将货物固定在货架上，再把货叉收回到货叉工作台上，堆垛机回到原位等待下一个命令。而在提取货物的任务中，堆垛机货叉的作业方法与之前的相反，才能把货物提取出来。在实际生产中，为了提高仓库的管理运行效率，堆垛机系统还可以设置不同的运行速度，以实现不同生产条件下，不同需求下的存储量，从而节约时间和降低生产成本。堆垛机的具体工作流程图如下：图6-1程序流程图6.2堆垛机位置控制堆垛机要实现正确的存取货物操作，关键在于其准确可靠的认址和定位，确保堆垛机能行走到我们所要求操作的货架位置另外，为了准确定位和提高存取效率，需要对堆垛机水平、竖直、货叉伸缩这三个方向的速度进行优化控制，在堆垛机控制系统中定位的检测是很重要的组成部分。6.2.1定位编码堆垛机的定位其实就是使得堆垛机行走到我们所要求的货架位置。自动化立体仓库的定位检测系统可以实现量大功能：一是完成堆垛机位置的寻址，使得堆垛机被送到相应的位置进行工作；二是堆垛机的停止动作，要求堆垛机根据命令停止在相应的位置，这个定位是有相应的精度要求的，不能超出一定的范围．因此，在不同的货架上都有一个属于它自己的编号。通过编码来告诉堆垛我们要操纵的货架位置，如图6－２所示图6-2货架编码由此可知，我们编码需分为两类：列和层。列编码：指沿运动方向的位置，堆垛机起始位置出入货台处为１Ｎ（也称列原位），沿前进方向每过一列，货格货位地址列数加ｌ，这样，沿堆垛机运行方向可编为ｌ列Y列。层编码：指沿起升方向的位置，堆垛机最底层的货位层数为ｌ层（也称层原位），沿起升方向每过一层货格，格货位地址层数加ｌ，因此货架上货位地址的层数为１—ｚ层，出入货台处为第Z层。通过这样的编码，就可以使得仓库的管理很方便，也使得堆垛的任务变得很清晰明了，有利于堆垛的定位和提高效率。6.2.2认址方式在同一巷道中包括两个不同的货架位置参数：第几排货架；第几层货格；堆垛机会接收到我们提供给它的作业指令，然后堆垛机就开始走向指令所要求的位置。在堆垛机运行到其存取的相应货架位置时不断的检测所在的位置情况，判断计算是否到达要求的位置。由于堆垛机的作业目标是货架，所以检测的内容就好看水平和竖直两个方向。一般有以下几种方法进行选择：（１）绝对认址方式给每一个货架一个特定的自己的编码，比如给不同的货架都定制一个专有的认址片，给它们都安装上一个类似于固定门牌号一样的地址片堆垛机上相应安装一个识别器，一般是由编号板和光电、红外线开关的构成，然后读出认址片所收集到的数据来判断堆垛机的位置。这样的方式在可靠性上是非常高的，但是这样的认址器和控制电路非常的复杂，造成维修不方便，制造成本也很高，所以不是大型的仓库和物流行业一般都不采用这样的方式。此外，还有一种类似的方法是确定一个基准点，然后利用激光测距仪测量，这样就可以确定在不同状态下堆垛机所在的位置。这种方式可靠性也很高，成本也是非常巨大的。（２）相对认址方式这种方式很好理解，就是堆垛通过不同的位置一一进行记录，通过对记录数据的累计加1法来判断堆垛机的位置．这种方法设计简单，但是抗干扰能力比较差。所以需要设计一个报警系统检测和排除干扰数据．通过这样的方法就可以判断堆垛机是否定位准确，从而避免不必要的错误操作。这种认址方式有多种实现方法．一般的做法是：给全体的货架安装一个相同的认址片，然后在堆垛机上安装两个光电传感器，当货架与堆垛机位置正好相对时两个光电开关也正好被遮挡住，程序中使用计数器累计堆垛机经过的认址片数量，从而实现堆垛机自动寻址。在实际的生产管理中很多都采用这种方式，他它的制造成本相对低，并且安装很方便不容易出错。光电开关的运用也非常合适，它是一种传感器，在堆垛机经过认址片时，光电传感器通过亮和暗的变化，给予计数器信息，从而累计和计算堆垛机的所在的位置和运行速度等等，使得堆垛机准确的完成操作任务。在实际生产中，它的应用最为广泛。根据本设计方案中的相关要求，我们的运行速度都比较低，要求定位精度也比较低。为了节约成本，同时也降低安装的难度，方便修理维护，在满足设计要求的情况下，本设计采用光电开关的相对寻址方式最为理想。6.2.3位置的定位方法认址片和认址器两者结合构成认址装置．认址器一般为光电开关或者红外传感器[6]，发射和接收红外光在同侧时用反射式认址片，否则用透射式的，认址原理如下图6.3图6-3认址示意图光电开关是通过感应光线大小的变化转换成电信号来实现控制检测的。红外线光电开关是利用人眼可见（波长为７８０ｎｍ－ｌｍｍ）的近红外线和红外线的来检测判别物体。在这个过程中，通过接收器完成接受所发射的信号。光电开关的重要功能是能够处理和识别光的强度变化；利用光传播在介质中产生变化的原理：光线在物体上产生反射，经过相应的路程正好瞬间返回。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器，检测电路和接收器。如图6.4所示图6-4光电开关发送器对准目标发射光束，发射的光束一般这于半导体光源，发光二极管（ＬＥＤ）和激光二极管。光束改变脉冲宽度或者频率。接收器有光电二极管或光电三极管组成。再加上提高性能的光学滤镜等。然后通过检测电路排除无用数据。此外，光电传感器还有不同的材质分类等等。三角反射板是结构牢固的反射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，使得接受到的信号更强．它可以在与光轴０到２５的范围改变发射角，使光束的发射和返回能够基本同一路线。光导纤维，它能够让光电传感器的范围得到扩展放大，结合而成特殊的嵌入式收发装置。它在特殊的、微小物体上的检测上也很精确。为了定位精确，横向和纵向的方向都安装有两台认址器。横向的认址器安装在横梁上下横梁上，来确定堆垛机在水平方向上的位置。纵向的认址器安装在立柱上，来确定货叉工作台上升到垂直方向上的哪个位置。每经过一列或者一层时，光电开关都会发送一个脉冲信号到PLC上，通过PLC的计算与运算，判断堆垛机是否到位，从而控制堆垛机的运行，完成上级系统给堆垛机发送的命令。6.3控制方案的比较选择6.3.1控制器类型控制系统是堆垛机的大脑，是堆垛机实现功能的必必组成。控制的方法有很多，不同环境下的差异也很大，可以是继电器组成的逻辑电路系统，可以是单片机系统和可编程控制器[10]。继电器控制历史悠久，可以追述到1863年的电磁电器发明革命，那时候就开始出现了继电器。继电器控制系统原理简单，是继电器和开关、接触器等电器元件的有机结合。按照相应的控制要求，连接相应的逻辑电路，通过电路的通断达到控制效果。它的价格便宜，技术要求不高，这是它的优点。但是一旦电路固定下来后，它很难扩展，而且布线不容易更新，可靠性差，检测排故困难，所以一般只应用于控制要求简单和工作模式单一的环境。在如今电子计算机高速发展，信息管理越来越严密迅速的情况下，这种控制方式慢慢的被其它更先进的方法替代。单片机是一种由硅片上集成的中央处理器，它的结构包括存储器、计数器、定时器和各类型的输入输出端口。相当于一个体积小的计算机。它的优势在于可靠性高、功能强大、响应快速、灵活方便、价格低、体积小等等特点。同时它还有一个特殊的地方在于，如果控制与计算量大的时候，还可以增加存储的扩展功能，满足更大的任务控制量。但是单片机在软件开发和程序编写的过程较为复杂，研究时间比较长，抗干扰能力也很弱等等原因，在自动化立体仓库上并没有得到很广泛的使用。PLC是数字式的电子装置，它具有可编写程序的存储器，通过运算完成控制所要求的逻辑关系，然后通过数字量或者模拟量控制制造生产的各个运行环节，保证运行有条有理。PLC的功能很完善，有故障报警，监控检测的安全性功能。它还有另一个突出的特点就是编程简单方便，应用灵活，容易维修，控制可靠。如今PLC技术越来越成熟，在很多中大型物流行业和制造行业里应用广泛。通过上述三张控制单元的分析和比较。PLC在维护和操作上简单便捷，程序简易直观。无需耗费大量的时间设计，同时还减少了电路的安装量。在不同的环境下都能有很好的控制性能，还能节省空间，减少维修成本。所以本方案选择PLC作为控制系统的核心方案。6.3.2PLC的特点堆垛机的定位通过PLC系统来完成。可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。1）系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。2）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。3）PLC可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。它具备完善的自我诊断功能和监视功能，降低了维修的成本。4）功能完善，除了基本的逻辑控制、计数、定时和算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点定位等等其它功能，实现远程控制。这些特点使得PLC在物流和制造行业上应用广泛，当然PLC也有不足的地方，首先它的本体造价就比较高，初次投入成本大，开发潜力对于单片机而言略有不足，通用性不强等等，但在本方案中堆垛机为专用设备，所以扬长避短选择PLC最佳[11]。6.4PLC的选型由于PLC的品种、型号、规格、功能各不相同，要按统一的标准对它们进行分类十分困难。一般情况下，按I/O点数可划分为大型、中型和小型三类；小型的PLC点数小于256点，单CPU，8位或者16位处理器，用户的存储量在4KB以下。中型PLC和大型PLC则点数较多，包含两个或多个CPU，用户存储器的容量也较大。按功能强弱又可分为低档机、中档机和高档机三类；低端机主要用于一般的逻辑控制和顺序控制，还有少量的模拟量控制的单机系统。中高档PLC则在功能上更为强大，可以进行更大是数值运算和数据处理，以及一些特殊功能的运算和制表等等。按结构又分为整体式和模块式两类。6.4.1PLC的选型规则在堆垛机的控制设计中，首先要确定我们采用的控制方案方法，然后下一步就是控制器的选择了，首先我们应该了解各种控制设备的特点，然后根据我们的控制需求和生产流程的工艺特点进行设计选择。可编程逻辑控制器及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，容易与相应的生产管理任务相协调，可以根据实际需要进行扩展，随不同的生产量和不同是生产时间节点完成不同控制任务的控制器。对不同的PLC程序表达方法的熟悉有利于缩短设计所用的时间，因此，在控制设计时可以先进行估算，它可根本堆垛机的运行环境和所要求完成的任务特点、工作方式以及生产过程等，然后根据控制要求，估算I/O点数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等，最后根据自己的控制需求，结合实际的PLC市场情况，选择最简易，功能最强大，同时成本较低的型号，进行控制设计。（1）输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，根据设计中所要求的控制内容，计算设计的控制方案需要多少个输出输出端口。再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。在实际购买PLC中，还需要结合生产制造商的产品类型及其特点，选择相应合理的型号。（2）存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。在首次设计控制方案中，我们是不确定的知道具体运用中需要多少存储容量的，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。但是我们在整个控制方案的设计和PLC选型时，必须保证存储容量的足够，因此我们需要对程序容量的初步估算，提高设计方案的适用性。存储器内存容量的估算没有固定的公式，但是估算的方法大同小异，大体上都是按数字量I/O点数的十到十五倍，加上模拟I/O点数的一百倍，以此数为内存的总字数（十六位为一个字），另一方面还要考虑百分之二十五的余量值。（3）控制功能的选择控制功能的选择有很多，它包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。1、运算功能最为简单的运算包括计数器的累计运算、计时器的计时运算和逻辑控制运算等；普通可编程逻辑控制器的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；还有复杂的运算功能数据计算、数值传输等；大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。在计算机电子科学技术快速发展的情况下，信息化也不断的完善和提高，PLC在升级过程中也会有自己的通信功能，以适应具体环境下的工作需要。在设计的时候，根据实际的情况选择不同的运行能力的型号。一般的仓库管理，生产制造环境中，只需要计时计数和逻辑运算功能，还有的需要传输和比较数据，需要用到模拟量检测和控制时，才会用到代数计算，数据转换和PID计算等。译码和编码等运算可以实现数据的显示。2、控制功能控制功能主要包括三种，控制运算、比值控制运算、前馈补偿控制运算，这方面的主要选择根据是PLC的控制任务，和各控制需求间的控制关系来决定的。可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，另一方面在特殊的情况下，我们采用特殊的输出输出方案，则需要特殊的控制功能来保证程序的执行快速高效。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。3、通信功能大型的物流行业、制造生产业，由于生产和运作的空间很大，在电气的硬件安装上需要耗费大量的资源，所以在实际运用中产生了这样的一个需求，即通信功能。PLC可以通过自带的信息网络，或者附加的扩展设备实现信息数据的有线无线传送等，使得在大型的控制系统中，资源的合理配置，相互协作，从而实现更强大的控制功能可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可编程逻辑控制器通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。可编程逻辑控制器系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。可编程逻辑控制器系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）、PC为主站，多台同型号可编程逻辑控制器为从站，组成简易可编程逻辑控制器网络；2）、以1台功能和容量较大的控制器作为主机，其它数台类型相同的控制器作为从动机，形成一个从动关系的控制网络；3）、可编程逻辑控制器网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）、各生产商家在生产PLC时，为了更好的达到客户的需要，常常研发一些与PLC想配合的通信装置，这时候我们可以选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、）通信处理器。4、编程功能PLC具备强大的编程特点，包括离线编程和在线编程两大类。在低成本的情况下，把脱机状态下的控制器程序编写完成后，再把PLC转换为运行状态即可实现控制。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种编程方式的特点在于调试简单方便，但是成本相对较高，适用于大型的控制系统。PLC具有五种标准化编程语言：梯形图（LD），它是一种图形语言，在形式上沿袭了传统继电器接触器的控制图，将PLC的内部各种编程元件加以符号定义，通过排列组合实现各种控制关系。还有顺序功能图（SFC）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。在特殊的控制需求中，PLC还可以利用扩展语言进行调试，例如C语言等。5、诊断功能PLC在诊断功能上有很好的表现，可以减少维修保养成本。包括内部软件和外部的一些诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过系统软件把诊断的信息传送到外部，进行自我维护和修正，并给予维修人员相关的数据。PLC的自我诊断水平，直接影响其在实际控制中的效率。6、处理速度根据CPU的不同，PLC的处理数据和运算的速度也有不同，在设计和运用中，我们都希望它的处理速度更快，以实现PLC控制的实时性。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。当前，PLC的控制点的控制处理还是很快速的，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.2ms/K。（4）可编程逻辑控制器的类型由于PLC的品种、型号、规格、功能各不相同，要按统一的标准对它们进行分类十分困难。一般情况下，按I/O点数可划分为大型、中型和小型三类；小型的PLC点数小于256点，单CPU，8位或者16位处理器，用户的存储量在4KB以下。中型PLC和大型PLC则点