基于plc立体仓库机械控制系统设计论文

基于plc立体仓库机械控制系统设计摘要：随着物流行业的迅速发展，立体仓库因其高效的空间利用率和自动化程度而受到广泛关注。实现自动化货物存取的重要手段是PLC控制技术在立体仓库机械控制系统中的应用。该设计旨在开发一套立体仓库机械控制系统，具有高效、稳定和易于维护的特点。该系统采用先进的PLC作为核心控制单元，结合人机界面（HMI）进行操作监控，通过精确的逻辑编程实现货物的自动入库和出库功能。系统设计考虑了多种传感器如光电传感器、位置传感器等的集成，以确保精准定位和安全操作。同时，利用变频器对电机进行调节，以适应不同货物尺寸和重量的要求。关键词：立体仓库；PLC；自动化控制；机械系统设计；物流Designofmechanicalcontrolsystemofthree-dimensionalwarehousebasedonplcMajor:MechatronicEngineeringStudent:ChenLunInstructor:LiuYingAbstract:Withtherapiddevelopmentofthelogisticsindustry,thethree-dimensionalwarehousehasattractedextensiveattentionbecauseofitsefficientspaceutilizationandautomation.AnimportantmeanstorealizeautomaticgoodsstorageandretrievalistheapplicationofPLCcontroltechnologyinthemechanicalcontrolsystemofthree-dimensionalwarehouse.Thedesignaimstodevelopathree-dimensionalwarehousemachinerycontrolsystem,whichisefficient,stableandeasytomaintain.ThesystemusesadvancedPLCasthecorecontrolunit,combinedwithhuman-machineinterface(HMI)foroperationmonitoring,andrealizestheautomaticwarehousingandoutboundfunctionsofgoodsthroughpreciselogicprogramming.Thesystemdesigntakesintoaccounttheintegrationofmultiplesensorssuchasphotoelectricsensors,positionsensors,etc.,toensureprecisepositioningandsafeoperation.Atthesametime,themotorisadjustedbyusingtheinvertertoadapttotherequirementsofdifferentcargosizesandweights.Keywords:three-dimensionalwarehouse,PLC,automaticcontrol,mechanicalsystemdesign,logistics

目录1.绪论 11.1课题设计的背景 11.2课题设计的内容 21.3课题设计的目的和意义 32.系统控制方案的确定 32.1自动化立体仓库的概述 32.2采用PLC控制立体仓库的优点 42.3系统设计的基本步骤 52.4系统控制方案 62.5立体仓库技术参数的确定 83.系统硬件设计 93.1控制系统结构设计 93.2可编程控制器(PLC)的选型 103.2.1PLC概述 103.2.2PLC的选型 103.3步进电机的选择 123.3.1步进电机的原理 123.3.2步进电机的选择 133.4步进电机驱动器的选择 163.5传感器的选择 183.6微动开关的选择 203.7PLC输入输出分配表 203.8电气原理图的设计 224系统控制软件设计 234.1PLC梯形图概述 234.2三菱编程软件的特点 244.3系统流程图 254.4梯形图的设计 265.系统调试及结论 265.1梯形图程序的下载（传送） 265.2程序运行过程记录 275.3结论 28参考文献 291.绪论1.1课题设计的背景常见的立体仓库是指以相应的设备进行货物入库和出库的操作，可通过多层货架达到几层、十几层甚至更高的高度。通常被形象地称为“立体仓库”。这种仓库可以大大的增加空间的利用率，找到货物更加便捷，更加节约时间。立体仓库的发展和兴起，是生产和技术在第二次世界大战后发展起来的产物。垂直仓库的桥吊是美国在1850年代初开始引进的。由操作员操作的垂直式仓库巷道式堆垛起重机在1850年代后期至1850年代初期逐渐兴起。1963年，美国在架空仓库中首次引进了电脑控制技术，建立了第一个立体仓库，由电脑控制。随后自动化立体仓库的趋势也在美欧迅速兴起。日本在1960年代中期开始建造立体仓库，目前已成为世界上自动立体仓库最多的国家之一，随着其发展速度的加快。我国第一台桥式堆垛起重机(北京起重运输机械研究所)是1963年我国自主研制成功的，我国立体仓库和物料搬运设备的研制起步并不晚。1973年，我国开始研制第一个自动化立体仓库，由机械部负责吊装，高达15米，采用电脑控制系统；1980年，该库正式启用。目前已完成自动化立体仓库全国统计数据200余个。立体仓库成为空间利用率高、出入库能力强、管理计算机化的企业物流和生产管理中必不可少的仓储技术。企业对此越来越重视。自动化仓库在各行各业都有广泛的应用，使用的行业几乎是无所不包。中国自动化仓储应用领域涵盖机械电子、冶金、化工、航空航天、医药食品、烟草、印刷、集散中心、机场港口等多个行业，是我国自动化仓储应用领域中的美国数字设备公司(DEC)于1969年开发出全球首款可编程控制器，并在美国(GE)的生产线上成功应用。但当时的可编程逻辑控制器(PLC)只具有基本的逻辑运算功能，所以简称为PLC。20世纪70年代后期，PLC开始演变为真正意义上的电子计算机工业控制装置，微电子技术和计算机发展迅速。由开关量逻辑控制向数字化控制、生产工艺控制等领域拓展。所以叫可编程控制器。简称为PLC(ProgrammableLogicController)。因PC易与PC混淆，故改称PLC。所以，人们还是习惯于把PLC简称为可编程逻辑控制器。PLC的定义是：1985年国际电工委员会(IEC)。工业环境中的电子系统通常被设计为可编程控制器(ProgrammingController)。它使用了用于工业控制的可编程存储器。该指令用于内部存储执行各种机械生产过程的各个环节，如逻辑操作、顺序控制、时间、计数、算术操作等，输入、输出等均通过数字或仿真进行控制。PLC是一种先进的控制技术，是在电气逻辑控制系统的基础上发展起来的，所以在数学操作和顺序控制上有一定的优越性。继电器在控制系统中的作用主要有两种操作：(1)进行逻辑操作；2、做到以弱制强，以弱制强。新型工控装置PLC，集自动控制技术、计算机技术、通讯技术于一体，成为工业自动化领域的重要支柱之一。PLC是ProgrammableLogicController(可编程逻辑控制器)的缩写。是一种新型的基于集成电路和计算机技术的工控设备。它具有设计简单，安装维修方便，功能强大，通用性广，开发成功率快，可靠性高，抗干扰能力强等优点，同时也是一款可靠性高，通用性高的产品，具有小巧轻巧，低功耗的特点。现已在各种自动化控制领域得到广泛应用，成为工业生产自动化的关键环节。相对于继电接触器系统，PLC控制系统的可靠性更高，占用空间也更小。具有与继电器相媲美的价格竞争力和接触器控制系统；支持现场手续变更，易操作、易维护；可以直接控制电磁阀、触头等执行机构；可以与中控系统相衔接。可以将数据直接传送到中央数据处理系统。因此，在经济和理论研究上具有一定价值、能够推动机械手行业发展、扩大自动控制领域应用的三维仓库设计PLC控制系统。1.2课题设计的目的和意义在传统的库房管理中，装卸作业主要依靠人工，效率低下，浪费人力物力，特别是一些大型物资，安全隐患也比较严重。与此同时，大量库房空地也被占用。3D立体金库的启用，解决了这一棘手难题。自动化立体仓库带来的社会和经济上的收益是巨大的。它采用了高置物架收纳，使收纳面积向上扩大，空间利用率也得到了提高。通过层叠存放、微机管理等方式，自动化立体库房轻松做到超前，有效防止了自然老化、变质、破坏物品的发生。物流作业和处理效率加快，劳动生产率提高，通过自动存取系统(AS/RS)减轻作业人员的工作负担。即使在黑暗、低温、污染、有毒、易爆等特殊环境下使用自动化技术后，物品的储存需求也能得到有效满足。电脑控制能始终对各种信息进行准确的存储和管理，减少了搬运货物时的差错，减少了搬运资料时的差错。通过微机管理，使仓容得到有效利用，便于清点盘库，库存得到合理降低，资金周转速度加快，流动资金得到节约，仓容管理水平得到提升。自动化仓库的信息系统可以无缝整合企业的生产信息系统，实现自动化的企业信息化管理。自动化库房的引进，对企业实现管理科学化，减少浪费，保证生产平衡，促进经营管理人员和管理人员素质的提高都有很大的帮助。1.3课题设计的内容任务的核心是三维立体仓库控制系统的设计，基于三菱FX2N系列PLC。头寸主体骨架为12个库位，另设物品进站口和出站口各1个。另外，探测开关也设置在各库位底部，以便探测库房内是否有物品进入。有对象的，按相对应的方式进行开合探测；无物则放出相应的侦测开关，使之断裂。

2.系统控制方案的确定2.1自动化立体仓库的概述立体自动仓库是指以立体置物架系统为主要依托，利用完备的搬运设备，自动实现物品的收纳和取出，无需人工干预。它是由PLC集成自动控制、通信和机电的高效大容量存储机构。自动化立体库房的引入，标志着库房功能从传统的以保管为主向全面流通为主的转变，立体库房的功能得到了全面的提升。自动化立体仓库，采用PLC控制，仓储技术全面自动化。主要有以下几个板块的PLC自动化立体仓库：高层货架：钢结构，用来收纳物品。目前主要有两种基本形态：焊接架和组合架。托盘(货箱)：载货用的器具，也叫工位器具。堆垛机是一种智能机械设备，实现货物自动存取。可按构造形式分为单柱、双柱两种基本型式，也可按服务型式分为三种基本型式：直路、弯道、转车。传送机系统是立体库的主要外围设备，其作用是将货物运至堆头，或者将货物移出堆头，从而将货物从堆头上转移出去，从而将货物从堆头上转移到堆头输送设备的种类很多，常见的有滚筒输送机，链条输送机，举升台，清理车，抬升机，皮带机等。AGV系统：即小型车的自动导向。按其导向方式分为两种，一种是感应式导向的小车，一种是LASER导向的小车。自动控制系统(AutomaticControlSystem)是一种驱动自动化立体库系统各设备运行的系统，目前主要以现场总线方式作为控制方式。股票信息管理系统：也叫中央电脑管理系统。是全自动化立体库系统(Full-AutomaticSystem)的核心。目前典型的自动化立体库系统都是采用大型数据库系统来构建典型的客户端/服务器系统(如ORACLE、SYBASE等)，这些系统可以与其他系统进行联网或整合(如ERP系统等)。2.2采用PLC控制立体仓库的优点1、在利用电力线路上网方面，由于可以实现低成本的网络连接，最大的好处就是费用低廉。利用电力线路上网，利用现有的电力网络进行通信，从而降低基础网络的投资成本，而不需要额外铺设电话线或光缆线。2、电源线网络覆盖面广、无处不在是该技术的优势。作为基础网络的电源线，其庞大的体量是任何一家其它网络都望尘莫及的。户户通上电源线，让运营商可以方便地渗透到家家户户的网络中去。这一技术一旦商用，肯定会对电信市场的变化起到引领作用。提供了一个很大的机会，让互联网得到普及。3、可以提供高速传输的电源线高速利用电源线上网。德国最大的电力设备生产商RWE公司承诺，将以超过ISDN拔号上网30倍的速度，比美国电力公司(ADSL)使用其电力线路上网技术的速度更快！支持各种app在现有的网络上就够了。更便捷的PLC产品也在持续开发中。4、PLC带来便捷网络，无论您身处家中哪个角落，只要连接室内任意电源插口，即刻拥有！5、永久在线PLC无需繁琐的拨号步骤，只需接上电源，就能实现网络自动连接，拥有「即插即用」的特性！6.利用结构灵活的PLC技术，可以灵活的增加接入端口的数量，这样就可以实现上网，然后就能够保持资源的高利用率。220V电源变压器用户端仍需安装电源线通信设备，目前还没有攻克电力线路信号通过变压器传输的技术难题。7、家庭数字化PLC技术可以将家中所有的电器设备与网络通过电源线连接，实现设备与设备之间信息的自由互通，在室内建有局域网络(LAND)，人们可以远程控制家中的电器设备。2.3系统设计的基本步骤立体仓库系统主要设计调试步骤按图2-1介绍。设计时主要考虑以下几点：立体仓控系统1、对立体仓库的流程条件、管控要求等进行详细的了解和分析。根据立体仓控系统的功能需求，选择合适的输入输出设备加以确定。3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。分配I/O点，规划PLC输入输出点，制作输出表接线图或输入端接线表，使PLC输入输出表接线图根据工作要求精心调配的、在整个立体仓库系统设计过程中起到至关重要核心作用的、周密完整的立体仓库系统梯形图程序已经设计完成。这也是在设计三维立体仓库体系的整个流程中，重中之重的工作。6.为进一步完善系统程序，在PLC中加载程序进行软件测试，发现错误并纠正。7、立体仓库整体调试整个系统可以进行联机调试，逐一排除调试中发现的问题，直至PLC软硬件设计完毕，现场施工完毕，再进行调试。立体仓控系统图2-SEQ图2-\*ARABIC1设计步骤

2.4系统控制方案需建立体仓库12个仓库位置，包括货物进出和出口。各部位均可自检，动作示意图请以图(2)为准。如下图2-2所示的立体建仓结构示意图。自动堆垛机自动堆垛机堆垛机伸叉称重仪供步进机驱动模块行走步进电机驱动模块升降步进电机驱动模块堆垛机电源直流开头电源直流开头电源四层三列立体库紧停按钮紧停叉中联动单动手动复位功能伸叉升降行走线位联动自动堆垛机动作指示灯堆垛机控制PLC:Fx-2n-80mr反射式传感器图2-2立体仓库结构示意图本专题设计的立体仓库根据某物流公司对立体仓库的特定要求，具有如下作用：1、堆高机(机械手)的自由度要有三个，分别是：向前走，向后走；涨跌互现；向左走，向右走；2、堆垛机的运动由步进电机驱动；3、堆高车可同时作前进(或后退)、升高(或下落)的动作，可采用堆高车或堆高车同时4、堆高车必须有一个超限位保护，在前进后的后退和上下移动过程中；在每个位置上都必须安装诸如微动开关等侦测装置，以便在错误操作时发出错误的警报讯号。6、按仓位号后，可在注销操作时按销号操作，不进不出均可。7、紧急停车按钮一定要设置在整个电气控制系统中，以防不测。2.5立体仓库技术参数的确定三维仓表二维一维仓具体参数出/入货柜台最重物品20Kg每个仓位的高度4．5CM仓位的上下距离0．5CM仓位的平行距0．5CM仓位的体积4M3可编程控制器（PLC）电源24VDC堆垛机电源220VAC,50Hz

3.系统硬件设计3.1控制系统结构设计这一设计通过PLC控制系统来实现对立体仓库移动的控制，从而对输入的信号进行快速反应，从而达到修复的目的。图3-1见控制系统结构图。手动/自动键键前进限制后退限制后退超过向上限制向下限制向下超过前时限制取出限制取出超过PLC图3-1控制系统结构图3.2可编程控制器(PLC)的选型3.2.1PLC概述在本专题中，我们将使用ProgrammableController的英文全称PLC作为可编程控制器的缩写。可改为：主要应用于工业现场、在继电器控制技术基础上发展演变的电子控制器的主流应用PLC，采用电子计算机技术。它是通过执行存储在内存中的程序，通过输出电路的物理过程，控制负载，通过输出电路的物理过程，将输入电路传输的物理信号转换为所需的输出信息，从而实现的。可以改为：虽然PLC是以电子电脑为基础的，但是和一般的电脑不完全一样。一般电脑在做信息输入和输出的时候，一般只把注意力放在信息本身上，而对物理过程的信息输入和输出考虑得不是很多。PLC需要考虑的问题包括信息的可信度、应用场景的实时性与实用性等方面。PLC控制系统在设计时，需要特别考虑包括易安装、易维护、抗干扰等因素在内的适应工业环境的能力。同时要充分考虑信息的输入和输出，以及物理上的可靠实现，这可以说是PLC控制实现的两大要素，而PLC控制正是PLC控制实现的关键所在。PLC可以通过它的外设和通信接口与外界进行信息传输。其作用比继电装置的作用要大得多。PLC具有丰富的指令系统，包含多样的I/O介面、通讯介面、超大容量记忆体以及可靠的自控系统，以达到下列基本功能：逻辑处理功能；数据运算功能；准确定时功能；高速计数功能；中断处理（可以实现各种内外中断）功能；程序与数据存储功能；联网通信功能；自检测、自诊断功能。可以说，PLC几乎也可以实现所有普通小型机可以实现的功能。PLC的功能非常丰富，其他控制器都不具备，这比传统继电控制电路的容量要大得多。丰富的功能使PLC应用范围广泛，支持远程化、信息化、智能化的自动化门行业。3.2.2PLC的选型在进行PLC整体系统设计时，在进行PLC工程设计选择前，首先要确定它的控制方案。工艺过程的特点和应用需求是确定设计方案时的主要考虑因素。因此，在进行工程设计选型与估算时，需要对工艺过程的特点与控制要求进行认真分析，并根据需要明确控制任务与控制范围、确定作业与动作并进行相应调整。对输入输出点数进行评估，对内存容量的需求进行评估，确定PLC的功能和外接装置的特性，再对性能价格相对较高的PLC进行选择，并对相应的控制系统进行设计。1．输入输出（I/O）点数的估算输入/输出点的评估要留有余地，要慎重考虑。通常会根据数据输入输出点的统计数据，将可伸缩性提高10%~20%进行估算。在订货时，输入和输出点需要根据厂家PLC的产品特性做适当的调整。本题的投档分预计为40分，本题的投档分预计为21分。2．存储器容量的估算内存容量(MemoryController)是一个可编程控制器本身所能提供的硬件存储单元尺寸，而程序容量则是用户应用项目在内存中实际占用的在设计阶段，程式容量必须在程式完成调试后才能确定，在设计阶段并不为人所知，因为尚未编写用户应用程式。在进行选型设计时，为了对程序容量有一定的估计，通常采用内存容量估算为替代估计记忆体的记忆体容量并不是固定的数学，而且许多文献提供了各种不同的差值，以10~15倍计算的大进I/O点数。将模拟I/O的点数乘以100，就可以得到这个数值，这个数值就是内存的全部字数了。另外再考虑25%的数值作为保管余量。因此，在今后的更新换代过程中，选择一款可存储5000个梯形图的PLC内存容量是很有必要的，这样才能保证有充足的可用空间。3．控制功能的选择此选项涵盖了操作功能的选择，控制功能的选择，通讯功能的选择，编程功能的选择，诊断功能的选择，处理速度的选择。下面这几个功能的选择主要是讨论Automatic车门禁闭系统的设计需求。（1）控制功能顺序逻辑控制的实现一般都采用PLC，所以很多时候我们处理模拟量控制都会选择单回路或者多回路控制器。有时为了实现所需的控制功能，还会采用专门的智能输入输出单元。对PLC的处理速度进行了优化，存储空间得到节省。（2）编程功能离线编程方式是指在编程器处于编程模式的情况下，在不控制现场装置的情况下，PLC与专门为编程器提供服务的编程器共用一台CPU。编程器编程完成后，会切换到运行方式，这时就不能再编程了，CPU开始控制现场设备。虽然离线编程对系统成本的降低有一定的帮助，但在使用和调试上却会增加一定的不便。在网上编程方式中，主机CPU与编程器各有一款自主研发的CPU。每个扫描期内的现场控制工作由主机CPU负责，数据与编程器进行交换。编程器向主机发送在线编辑的程序或数据，根据接收到的新程序，在下一个扫描期内由主机运行。这种方式成本较高，但在大中型PLC中经常采用的一种方式，系统调试和运行起来却更为简便。5种标准化编程语言：3种图形化语言和语句表(IL)，结构文本(ST)，即顺序函数图(SFC)，梯形图(LD)，函数模块图(FBD)。应选用符合IEC6113123标准的编程语言，并应支持满足特殊控制场合控制需求的C、BASIC等多种编程形式。（3）诊断功能PLC的诊断功能涵盖了两大块，一是硬件，二是软件。硬件故障定位通过逻辑判断，软件故障排查分为两种，一种是内部故障排查，一种是外部故障排查。用软件对PLC进行内部性能诊断和功能诊断称为内部诊断，而用软件对PLC进行信息交换的部分称为外部诊断，如CPU诊断和外部输入输出等。直接影响运维人员技术水平要求的PLC诊断功能优劣，对平均维护时间也会产生影响。4．机型的选择(1)PLC的类型除提供多种输入输出扩展单元选择外，FX2系列可编程控制器主机可轻松实现无需更换设备的I/O点数增加。可供选择的车型有16款、24款、32款、64款、80款和128款。经济成本可以通过模块扩展的方式来实现。这座拥有40路输入信号、21路输出信号的立体仓库的控制系统设计。外接通讯介面输入元件包括：侦测元件，扣子，接取货物，送货，紧急停止按钮，限位开关，限位保护等。展示步进马达的状态，运动指示以及故障提示等资讯。按照配置要求，选择的I/O点不能低于61：00，实际情况考虑，选择的I/O点应该是80个点。所以我选择的车型是FX2N-80MR。（2）经济性的考虑在选择PLC时，性能与售价的比值需要综合考虑。在考虑经济性的同时，综合多个方面的因素进行比较和综合考虑，最终选出符合需求的满意产品，比如应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等。点数的进出，对价格的影响是直接的。当点数增加到某一数值时，就会造成内存容量的增加，进而影响CPU的选择，影响内存容量，也影响到对功能范围的控制。在估算和选择时，为保证整个控制系统在性价比上更合理，应给予充分考虑。项目设计的小型控制系统立体仓库，考虑到经济方面的考虑，选用了整体型的PLC。按照我们团队设计的40个出库点、21个输出功率的立体仓库来看，为此我们选择了三菱FX2N-80MR。3.3步进电机的选择3.3.1步进电机的原理此转子以数位控制系统中执行马达的一种步距为单位旋转，当系统通过电脉冲讯号作用于步进马达的定子绕组时。转子转动的次数等于接收到的电脉冲数量，当电脉冲按特定相序作用于电动机时，这种电脉冲就会发生作用。因此，可以通过修改输入脉冲的数量来控制步进电动机转子的机械位移大小；通过对输入脉冲的通电顺序进行调节，实现对位置的控制，从而对进入电动机转子的机械位移方向进行控制。当步进电动机连续施加特定顺序的电脉冲力时，旋翼会沿着与电脉冲频率成正比的特定方向旋转。因此，可在广泛的范围内，通过控制步进电动机的转速和转向，进而改变电脉冲频率和通电相序，实现转速的连续平滑调整。这一控制功能对于步进电机来说是其他电机所不能替代的。步进电机可以分为磁阻式、永磁式、混合式，而其相数又有单相、双相、三相、四相、五相、六相、八相等不同类型，在这些类型中又有不同相数的增加，可以提高步进电机的性能，但同时也会增加电机的复杂度和成本，所以在选择的时候还是要根据实际需要，慎重考虑，在选择的时候一定要考虑好步进电机选择时必须结合实际，选择时必须重视3.3.2步进电机的选择（1）、步进电动机的特点步进马达(StepMotor)是用来控制运动的特殊马达，以固定角度(称为“步距角”)循序渐进地旋转，不会累积误差，精确度可达百分之百。因此在各种开环控制系统中有着非常广泛的应用。②随着脉冲信号频率的升高，步进马达的转速也随之升高。③、良好的定位控制采用开环控制(或半闭环控制)，由于电器的变化，负载的变化，环境条件的改变，步距值不容易改变。④便于对起刹、正反方向、变速等进行控制。⑤、价格便宜,可靠性高。在需要匹配合适的驱动电源时，目前步进马达的主要缺点就是效率低下。这两种都要选择在合适的范围内才能派上用场，当带负载惯性的步进电动机需要注意负载力矩的大小和转动惯量的大小时时，这两种情况都是必须出现的。马达一定要达到令人满意的操作表现。由于步进马达容易失步，容易产生共振，由于工作状态的不同，它的加减速方式也会变得复杂多样。（2）、步进电机驱动系统的基本组成与交流或直流电动机不同的是，步进电动机在输入外部控制信号时，不会自动运转而只启动步进电动机。控制电动机绕组电流开关状态需要另一台脉冲发生器按规定顺序进行的同时，还必须使用控制电动机转速和旋转角度的脉冲发生器(位置控制采用PLC作为这个三维仓库控制系统的脉冲发生器)。功放及冲分器，确保电动机运转正常。如图3-2所示，设置了一个驱动系统，该驱动系统包括驱动步进马达和驱动步进马达正常运转的直流电源。图3-2步进电机驱动系统的组成（3）、步进电动机的选择计算选择阶梯式电动机首先考虑的是种类，然后才是具体的种类。要求将电压低、电流小的步进电动机用于这一立体仓库控制系统中，并配有采用2相8拍混合式步进电动机的定位转矩螺栓机构定位装置。具体的步进电机规格及控制装置应综合考虑速比I、轴向力F、负载转矩、额定转矩及运行频率等因素，并在选择步进电机时予以综合考量。由于我们使用螺栓机构的定位装置，已知条件和要求条件为：移动部分总重M=25kg外力Fa=4kg.cm磨擦系数=0.04螺栓机构的效率=O.9螺栓轴径=1.2cm螺栓长=42cm螺距P=3mm分辨率L=0.01mm移动距离=0.0075mm/步速度V=2m／min计算：设计采用HB型电动机，2相，1.8°步距角度。速比(设使用直接驱动方式)i=m×/(360×L)=2×1.8／(360×O.01)=1轴向力F=Fa+M=4+0.04×25=5kg.cm负载转矩=F×P／(2)+(××)/2=5×0.3／(2×3.14×0.9)+(0.3×1.67×0.3)/(2×3.14)=0.289kg.cm螺栓的惯量=（×××）/32=（3.14×7.9××42×）/32=0.0675kg.移动体的惯量=M×=25×=0.0571kg.负载惯量为=+=0.0675+0.00571=0.1246kg.初步选定按以上计算，步进电动机惯量为0.03千克，空载起动频率为3000小时。由要求的速度可求出运行的频率：Thefrequency(f)iscalculatedasV/L=2000/(60×0.01)=3333Hz.可知需要加减速的驱动方式。齿轮比：G=360°/L=0.0075×360°/(1.8°×0.01)=150换算到电机轴的负载转矩为T=G×L(+F)/2=150×0.01×(0.289+5)/(6.28×0.9)=1.40kg.cm最初设计的装置通常选择余量为2至3倍的电动机，所以电动机的扭力为3t，即3×1.40=4.2kg。cm等于0.41牛顿。请多提供一些上下文或者是具体的内容，以便我对大家有更好的帮助。根据上述测算结果设计的北京斯达特机电科技发展有限公司生产的以体积小为主要特征的2相8拍混合式步进电机，应用于此三维仓库控制系统。起步和运转频率都比较高，而且还有诸如定位扭力之类的好处。42BYGHL01型号动力原理图见图3-3。插头连接的时候要留意一下。红色表示相位为A，蓝色表示相位为B。若发现步进马达转向有误，可试着在A或B两个相位中任意两条线进行交换。图3-3步进电机的出线圈

表3-1步进电机的电气技术数据电机型号相数步距角相电流驱动电压额定转矩重量42BYGH10121.8°1.7ADC24V0.44N·M0.24kg3.4步进电机驱动器的选择(1)、步进电机驱动器的选择需要借助将控制系统发出的脉冲信号转换为步进电机角度位移的步进电机驱动器来驱动步进电机。在控制系统中，驱动器会将脉冲信号发送到马达上，从而使马达转动的角度呈阶梯状。因此，Step-Mada的转速与脉冲信号的频率成正比。所有型号的驱动器都有相同的输入讯号，包括步进脉冲讯号CP、方向电平讯号DIR、离线讯号FREE(LowPeaceEffect)三路讯号。马达此时并未产生扭力。此功能会在输入高电平或悬空状态下失效，但马达仍能运作正常。它们的接口电路在硬盘驱动器内部都是相同的，具体可以看下面这张图。OPTO端是在驱动器内部以共阳方式连接三路输入信号的公共端子，所以需要在外部系统的VCC上连接OPTO端。若VCC为+5V，则可直接连接使用。如果VCC不是+5V，则需要在外部加入限流电阻R，以保证将8-15mA的驱动电流提供给光耦内部的驱动器，具体操作请看图3-4和图3-5。在这个立体仓库中，外部需要增加一个1.8K的限流电阻R，因为FP0提供的电平是24V，而输入部分的电平是5V。通过与外部限流电阻R连接，图3-4的输入信号接口电路构成图3-5所示电路。有两种输出信号：步进马达驱动器。①、初信号：每次开机后，在固定的相位上，驱动器就会开始向马达进发，马达是第一个相位。初始相位讯号指的是此讯号在运行至初始相位的每一步中都会输出较高的电平，反之则为较低的电平。这个讯号和控制系统互相配合，可以产生介面如图3-6所示的相位记忆功能。图3-6初相位信号接口电路2、各驱动器会产生报警信号输出，具有多种保护功能，当出现过压、过流、过温等问题时。当保护功能被触发时，驱动器会自动进入脱机状态，从而切断电动机的电源供应，但此时控制系统可能尚未收到相应的信息，此时就会出现控制系统失灵的情况。使用“警报输出讯号”，需要通知系统。此讯号在两个输入接线端子中占据，而这两个端子是在警报响起时，接线端子会立即关闭的继电器一端的常开触头(常开触头)。触点不变，处于正常驾驶状态。触点规格：DC24V/1A或AC11OV/O.3A。通常情况下，对于如图3-7所示的两相四线马达，可以直接连接到Driver上。图3-7电机与驱动器接线图所以我用的是SH系列的SH-2H057步进电机驱动器。由POWERINPUT版块，信号输入版块，输出版块组成。采用铸铝结构的SH-2H057步进马达驱动器适用于功率较小的驱动器。结构是不需要额外风扇的紧凑密闭设计，外壳本身就是暖气片。所以使用时要用金属板厚一点的或者机柜厚一点的那种，导热的硅脂要涂在接触面之间。加个风扇在旁边，散热法也很管用哦！马达传动电气技术资料本步骤如下：表3-2步进马达传动电器技术资料驱动器型号相数类别细分数通过拨位开关设定最大相电流开关设定工作电源SH-2H057二相或四相混合式二相八拍3.0A一组直流DC(24V-40V)图3-8为跨入马达行车接线示意图。图3-8图示采用的是Step-Machine驱动接线方式。3.5传感器的选择在这个立体仓库中，货物检测采用的是使用变频光技术，能够抵御周围外来光源干扰的日本OMRON公司生产的E-SPY402凹槽反射式插口传感器。采用变调光技术，受外界光线干扰的可能性相对于直流光而言要小得多；适用于供电电压范围较广的DC5-24V；同时带有方便调节的光轴标识。图3-9为进光式显示灯，方便调节，并具有动作确认功能；输出回路地图Timemap和反射传感器。图3-9为时间示意图和输出回路示意图，反射式传感器。装备上为连装红色、蓝色、黑色3枚。其中Power的正极接红线，负极接黑线，而输出讯号则使用蓝线(BlueLine)。在装置接近挡位时，输出等级为较低等级；反之，就是水平高。一定要避免在使用感应器时，过近距离安装，以免对正常运转造成影响；一定要用连接插头的方式连接，千万不要将接线端子焊死，不要将插头与插头连接在一起。此传感器的电气技术数据为:表3-3传感器的电气技术数据型号EE-SPY402形状立式检测方式反射型检测距离5mm(反射率90﹪15×15mm)应差距离0.2mm(检测距离3mm,横方向)光源(发光波长)GaAs～红外发光二级管(940nm)显示灯入光时灯亮

(红)电源电压DC5～24V±10﹪脉动(p-p)5﹪以下消耗电流平均值15mA以上50mA以下控制输出NPN电压输出负载电源电压DC5～24V负载电流80mA以下残留电压1.0以下(负载电流80mA时

)残留电压0.4以下(负载电流10mA时

)应答频率100HZ使用环境照度受光面照度灯光照明、自然照明：各3，000x以下环境温度运行温度范围为-10°C至+55°C，储存温度范围为-25°C至+65°C(不冻)。环境湿度动作时：5~85rh保存时5~95rh(不结露)。耐久振动10～55HZ上下振幅1.5mmXYZ各方向2h耐久冲击500m/X、Y、Z各方向三次保护构造IEC规格IP50连接方式插接式(软钎不能焊)质量约2.6g外壳材质聚碳酸酯(PC)3.6微动开关的选择在这套立体的仓库管理系统中，共有13个头寸，其中4个等级，每个等级设12个头寸，加上特殊的头寸，编号为0。每个位置都设有货物侦测的微动开关，对应的微动开关会在有货物时触发动作。PLC的输入点对应的是X22-X36的这一信号。此外，为了提高安全性，确保在程序出错时不会对立体仓库造成破坏，微动开关分别安装在X轴的左限位和Y轴的下限位上，作为限位保护。如下图3-10所示的微动开关原理图。图3-10微动开关原理图3.7PLC输入输出分配表PLC输入输出的分配是在PLC输入输出控制要求的基础上进行的，其具体规定可参照表3-4。表3-4PLC输入输出I/O分配X0启动X24检验2号仓库Y0前进X1手动/自动X25检验3号仓库Y1后退X2取出X26检验4号仓库Y2向上X3送进X27检验5号仓库Y3向下X4取消X30检验6号仓库Y4送进X5急停X31检验7号仓库Y5取出X61号仓库的键X32检验8号仓库Y6显示取出X72号仓库的键X33检验9号仓库Y7显示送进X103号仓库的键X34检验10号仓库Y10显示操作错误X114号仓库的键X35检验11号仓库Y11显示1号仓库X125号仓库的键X36检验12号仓库Y12显示2号仓库X136号仓库的键X37前进限制Y13显示3号仓库X147号仓库的键X40后退限制Y14显示4号仓库X158号仓库的键X41后退超过Y15显示5号仓库X169号仓库的键X42向上限制Y16显示6号仓库X1710号仓库的键X43向下限制Y17显示7号仓库X2011号仓库的键X44向下超过Y20显示8号仓库X2112号仓库的键X45前时限制Y21显示9号仓库X22检验0号仓库X46取出限制Y22显示10号仓库X23检验1号仓库X47取出超过Y23显示11号仓库Y24显示12号仓库

3.8电气原理图的设计下面这张图3-11原理图是根据题目的设计要求，按照立体仓库分析设计出来的。指示灯D指示灯Dc24vCP步进脉冲DIR方向电平OPTO公共阳端PLCFX2N-80MRX0X5X.2X.3X4X37X40X41X42X43X44X45X46X47X6……X21X22……X36X1COMCOMY6Y7Y10Y11…………Y24Y0Y1Y2Y3Y4Y5SB1SB3SB2SB4SB5限制开关微动开关SB6SB21急停SB0启动手动/自动 图3-11电气原理图

4系统控制软件设计4.1PLC梯形图概述梯形图被称为PLC领域首选的编程语言，是图形编程语言中最常用的一种。对于开关量逻辑控制特别合适的工厂电器人员来说，梯形图很像电气控制系统的电路图，很容易理解，也很直观，很容易上手。梯形图一般是用来表示电路或程序的，画梯形图叫编程。虽然以继电器命名，但实际上并非真正意义上的物理继电器，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等都是编程元件，应用于PLC的梯形图。这些并不是实际的存储单元，而是称为软继电器的存储单元，其中每一台软继电器都对应着一个映像寄存器存储单元(plcmemorystorageUnit)，如果存储单元的值为“1”，则说明软继电器对应的线圈在梯形图中是带电的，此时常开的触头是闭合的，如果一个映像寄存器的存储单元常闭的触头是打开的，我们把这种处于“1”或“on”状态的状态称为软继电器。若储存单位为「0」状态，则与前述相反之软继电器线圈及触点对应之状态，此时称为「0」或「闭」状态(闭)。这些“软继电器”在实际应用中常被称作编程元件。可根据电压等级的不同区分开关量，包括220VAC、110VAC、24VDC等，也可按隔离方式，如继电器隔离、晶体管隔离等。模拟量按其精确度的不同，可分为不同等级，如12位、14位、16位等。传感器可以根据不同的信号类型分为多种类别，如电流型(4MA-20MA、0MA-20MA)和电压型(0V-10V、0V-5V、-10V-10V)。除常见的输入/输出方式外，还有热电阻、热电偶、脉冲模块等特殊的输入/输出模块。两面垂直连接在梯形图上的线叫母线。对梯形图的逻辑关系进行分析，可以用左端为正极，右端为负极的直流电源电压类比左母线和右母线，使继电器电路图的分析方法得到借鉴。此类比按左流到右流的电流。右边主线不必勾画。通过分析梯形图中触点的状态和逻辑关系，可以在相应的线圈上推导出编程元件的状态，这个过程就叫做逻辑解算梯形图按照从左到右、从上到下的顺序，在梯形图中依次进行逻辑解法。解完了马上用它的结果。逻辑解算不依赖外部输入触点的状态或瞬时解算，而是基于输入映像寄存器的值。输入输出模块(I/O)与气动回路连接。输入信号的状态由输入暂存器记录，输出点显示输出锁存器的状态，I/O模块对PLC的输入/输出电路进行了整合。输入模组会将模拟讯号转换成数位讯号，输入到PLC系统中，而输出模组则会进行相反的操作。输入与输出可分为不同的模块，有数量型输入(DI)，数量型输出(DO)，模拟型输入(AI)，模拟型输出(AO)等。可将开关量按电压等级、隔离方式进行分类，其中电压等级包括220VAC、110VAC、24VDC，而隔离方式分为继电器隔离和晶体管隔离。模拟量按其精确度的不同，可分为不同等级，如12位、14位、16位等。根据讯号种类的不同，可分为，电流讯号种类(4-20mA、0-20mA)和电压讯号种类(0-10V、0-5V、-10-10V)等。除了常见的输入/输出介面之外，还有热电阻、热电偶、脉冲模块等特殊的I/O模组。4.2三菱编程软件的特点这一梯形图设计采用的是GXDeveloper程序设计软件，由三菱公司开发。1、制作程序2.可编程控制器CPU写入/读出监视功能很重要，包括一边监视电路，一边进行软体着陆监视。当自动门控制系统发现故障时，这些功能是必不可少的。为验证程序是否能正常工作而进行模拟调试，在可编程控制器的CPU中模拟加载已编写的可编程控制器程序。程序性检查是完成自动门程序时很关键的一点。PC的诊断功能能够迅速检测出错误的状态或故障的历史，帮助使用者迅速恢复正常的运作。这是一个重要的功能，可以在自动门系统之后找到故障。GXDeveloper7.0软件的特长：1、软件的共通化GXDeveloper是一款适用于三菱Q系列、QNU系列QS系列、QNA系列、ANS系列、ANA系列、FX系列等全系列可编程控制器的三菱PLC编程软件。支持梯形图，指令表，SFC，ST和FB，Label等多种语言的程序设计，可转换成GPPQ，GPPA格式的Data系列。此外，在选用FX系列后，其编程界面和帮助文档都已汉化，占用空间小，文档也可转换为FXGP(DOS)和FXGP(WIN)格式。将Windows的优势发挥到极致，操作更加方便，可以方便的复制、粘贴各种文档和数据的高效利用。3、程序的标准化(1)标号编程若使用记号程式制作可编程控制器程式，只需依照记号制作标准程式即可，无须了解软体元件的编号。可根据汇编使用标号编程制作的程式，使之成为实际的程式。(2)功能块FB是一种简化顺序程序开发流程，旨在提高开发效率的常用顺序程序回路模块化的功能。此外，零件化还能防止顺序输入错误被套用到其他程序中。(3)宏只需将宏定义名称(宏登录)加入任意回路模式，通过简单命令，在登录文档后即可读取已登录的回路模式，从而更加灵活地进行软元件操作。4、能够简单设定和其他站点的链接即使通过图形界面实现了连接对象的指定，复杂的系统也能轻松设置。

4.3系统流程图图解四：1、分析系统工作过程。图4-SEQ图4-\*ARABIC1系统流程图

4.4梯形图的设计本系统编写梯形图顺控程序采用SWOPC-FXGP/Win-C编程软件，遵循以下编程规则编写。各继电器线圈、触点编号一致，不限次数使用元件触点。梯形图各线起于左侧，线圈与右侧相连，右侧不允许再有接点。3.线圈不能直接接在左边的母线上。节目中要避免重复使用会造成双线圈输出现象，容易造成操作失误的同号线圈。在梯形图中，为了便于分析plc的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，尽管实际上并没有真正意义上的电流流动，但我们假的有“电流”在流动。梯形图中只能单向流动这种“电流”——也就是只能从左流到右流，只能从上往下进行层次的变换。具体梯形图见附录I。

5.系统调试及结论5.1梯形图程序的下载（传送）1．传输设置需要先配置网络传输设置，然后才能将已经编写好的程序从GXDeveloper下载到PLC。先将PLC与电脑串口连接，然后点击Online-Transfer设置，就可以开启传输设置对话框，将FX2NPLC设备设置在网络传输参数上。可以在支持设定其他网络站点的同时，设置PLC与计算机之间的串口通信，包括设置通信端口和通信方式，并进行通信测试。2．梯形图写入PLC点击ONLINE-C写入，开启相关设置并执行的“C写入”对话框，将写好的程序写入到GXDeveloper中。图5.1首页可以看到。选择好要下载到PLC的内容后，点击执行，就可以把写好的梯形图程序下载到PLC的CPU上了。图5-1首页5.2程序运行过程记录将所有程序烧录到PLC后，先进行模拟调试，通过PLC程序设计软件完成。模拟调试成功后，再实地调试与外部连接线的连接。现场调试的具体步骤见