中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 0 PLC 控制的小型自動化倉儲設備 指導老師： 洪曉華 設 計： 孫忠凱 班 級： 06 機電（獨本） 中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 1 摘 要 現代物流管理作為一種先進的組織方式和管理技術，可以滿足消費者日益多樣化、個性化和多變的需求，在提高消費者滿意度的同時削減各種經營成本，因而越來越成為企業提高核心競爭力的重要戰略組成部分 8。自動化倉庫則是物流系統的樞紐和核心，它與企業生產系統相集成，形成企業完整的合理物流系統。它采用高層貨架存放貨物，以自動化的倉儲設備 為主，并結合出入庫周邊設備來進行作業，具有很高的空間利用率和出入庫能力。作為自動化倉庫中最基本的機械設備，自動化的倉儲設備具有沿空間三坐標方向的機構，可以在操作人員的命令下對指定貨位進行存、取及移位作業。本文設計了一種小型自動化倉儲設備，可用于實驗室和圖書館等小型倉儲系統。它采用可編程控制器 PLC（ Programmable Logical Controller）作為控制計算機，鏈傳動和滾珠絲杠作為傳動形式，步進電機作為驅動電機，在接到操作員的指令后，自動化倉儲設備進行自動化作業，并具有位置控制、速度控制、方 向判斷功能及安全保護功能等功能。 關鍵詞 ： 自動化倉儲設備 編程控制器 PLC 步進電機 鏈傳動 滾珠絲杠 中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 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 中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 3 目 錄 1 緒論 1 1.1 設計的目的和意義 1 1.2 當前相關技術及設備的發展狀況 2 2 總體設計方案論證 2.1 技術要求 2.2 結構形式的選擇 2.3 傳動方案的選擇 2.4 導向支乘部件的選擇 2.5 控制電機的選用 2.6 機架結構及各部件的布置 2.7 自動化倉儲設備的基本結構 2.8 小結 3 z 向機構 的設計 3.1 z 向機構的基本結構 3.2 滾珠絲杠副的選用 3.3 導軌的相關計算 3.4 步進電機的選擇計算 3.5 聯軸器的選用 3.6 小結 4 y 向機構的設計 4.1 滾子鏈的選用 4.2 鏈輪設計 4.3 步進電機的選擇計算 4.4 減速器的設計 中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 4 4.5 車輪軌道的設計 4.6 提升配重質量的選取 4.7 小結 5 x 向機構的設計 5.1 滾子鏈的選用 5.2 車輪軌道的設計 5.3 其它零部件的選擇 5.4 小結 6 控制系統設計 6.1 控制系統方案確定 6.2 控制系統的電路設計 6.3 PLC 控制系統設計 6.4 小結 7 結論 致謝 參考文獻 附錄 中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 5 1 . 緒 論 1.1 設計的目的和意義 早在 20 世紀 60 年代，物流管理就被管理大師彼得杜拉克（ Peter Drucker）稱為經濟增長的“黑暗大陸”，是“降低成本的最后邊緣” 8，是繼降低資源消耗和提高勞動率之后的第三利潤源泉。為了滿足消費者日益多樣化、高度化和多變的需求，在提高消費者滿意度的同時削減各種經營成本，在很多生產企業，現代物流作為一種先進的組織方式和管理技術，已經成為企業提高核心競爭力的重要戰略組成部分。 現代物流是指在一定的時間和空間里，由所需輸送的物料和包括倉儲設施、輸送工具、人員通訊聯系以及資源規劃、調 度等若干相互制約的動態要素構成的具有特定功能的有機整體，主要由自動存儲、輸送、分揀及電控、計算機管理等子系統組成，可實現電子商務對物流提出的準確、快速、集成、低成本、個性化、小批量的要求。現代物流具有全球化、信息化、自動化、智能化、網絡化、柔性化、敏捷化、綠色化等諸多優點，其中自動化是現代物流的基本表現，它涵蓋自動化物流的技術特性，其基礎是信息化，核心是機電一體化，外在表現是無人化，效果是自動化。 隨著諸如信息化、自動化等先進科學技術的廣泛應用，極大的推動了現代物流的發展。信息技術的使用使企業可以及時捕捉信 息，選擇商機，占領市場，使原料供應到商品達到最終客戶的全部物流過程成為一個透明的“管道”；自動化技術在代替物流環節手工操作的同時，可以縮短物流流通時間，節約倉儲費用，保證及時供貨。 自動化技術在物流領域最重要的應用是自動化倉庫 AS/RS（ Automated Storage & Retrieval System）。它采用高層貨架存放貨物，以巷道堆垛起重機為主，并結合出入庫周邊設備來進行作業，具有很高的空間利用率和出中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 6 入庫能力。自動化倉庫應用計算機控制管理，可以及時匯總計算機之間、數據采集點之間、機械設備的控制器 之間的信息。管理人員可以及時掌握產品供應及需求信息，做出及時的供貨決策。 自動化倉庫是物流系統的樞紐和核心，它主要有高層貨架、托盤、巷道堆垛機、運輸機系統、自動導引小車、自動控制系統組成。自動化倉庫與企業生產系統集成，形成企業完整的合理物流體系。自動化倉庫在制造自動化系統中，占有非常重要的地位，以它為中心形成了毛坯、半成品、配套件或成品的自動存儲和自動檢索。國內外實踐經驗表明：以自動化倉庫為中心的物流管理自動化，在實現物料的自動化管理、加速資金周轉、提高勞動生產率、降低勞動強度、節約庫存的占地面積、提高廠房 空間的利用率、保證生產均衡諸方面能帶來巨大的效益。 自動化倉儲設備 堆垛起升機是自動化倉庫中最基本的機械，操作人員根據工作要求通過它對指定貨位進行貨物的存、取及移位作業，它能執行水平運動（運行），載貨臺垂直運動（起升）及貨叉伸縮運動（伸叉）以完成作業任務。 本次畢業設計的任務是設計一個小型自動化倉庫倉儲設備，可用于實驗室和圖書館等小型自動化倉儲系統的貨物倉儲作業。倉儲設備采用管理級計算機 PC（ Personal Computer）與可編程控制器 PLC（ Programmable Logical Controller）兩級控制，操作人員通過管理級計算機輸入任務和命令。自動化倉儲設備按任務完成各種動作，且應具有位置控制、速度控制、方向判斷以及安全與保護等功能。 1.2 當前相關技術及設備的發展狀況 自動化倉儲設備是自動化倉庫中最基本的機械設備，用于貨物的存、取及移位作業，具有沿空間三坐標方向移動的機構。這種沿空間三坐標方向移動的機構是一種較為通用的機構，如常見的數控系統、三坐標測量機中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 7 及直角坐標系機器人中均有類似機構。 在數控系統中，主傳動電動機驅動主軸的旋轉運動，另外兩臺電動機驅動縱橫工作臺即 X Y 工作臺。 X Y 工作 臺的基本結構如圖（ 1-1）所示，它由縱向工作臺、橫向工作臺、步進電機、滾珠絲杠、聯軸器等組成，將其 圖（ 1-1） 中一個工作臺安裝于另一個工作臺之上便構成了具有 x、 y 兩坐標向移動的工作臺。若在 X Y 工作臺上追加一個第三方向的工作臺便可構成具有三坐標方向移動的機構。 三坐標測量機是一個具有一定測量范圍和較高精度的具有三坐標方向移動的機構，主體結構為小型封閉式龍門框架活動橋，三向均采用氣浮導軌，高精度光桿斜輪傳動。光桿斜輪傳動的優點是斜輪與光桿之間無間隙，傳動精度高；無需消隙機構，體積小；運動平穩，無噪聲。 中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 8 工業現場的自動化倉庫中的堆垛起升設備按結構形式分為單立柱和雙立柱兩種基本形式，按服務方式則分為直通、彎道和轉移車三種基本形式，多工作于高度在 5 10m 的中大型立體倉庫中，最大行走速度約為70m/min，最大升降速度約為 10m/min，最大伸叉速度約為 30m/min，可按自動、半自動和手動方式運行。利用托盤可以自由的存放箱裝、罐裝、散裝、袋裝等物品。為易于檢修，驅動部分的安全蓋采用可拆裝方式，且行走和升降電動機設置在側支架的下部。運行機構使堆垛機在水平方向上移動，通常采用電動機驅動行走輪的形式；起升機構使載 貨臺連同貨叉伸縮機構在垂直方向上移動，與運行機構相比，其傳動裝置功率較大，而速度較低，通常采用卷筒驅動鋼絲繩，也有用鏈輪鏈條傳動的，鋼絲繩牽引方式的起升機構一般裝在機架下部，鏈條牽引方式的起升機構一般裝在機架上部；貨叉伸縮機構使貨叉連同裝載在貨叉托盤向兩側伸出，通常采用三節伸縮式。采用先進的變頻調速技術并輔以檢測和安全裝置以準確、安全的完成作業任務。 2. 總體設計方案論證 2.1 技術要求 對小型自動化倉儲設備的技術要求為： 1具有沿空間三坐標方向的移動； 2貨叉在水平方向移動范圍約 2000mm； 3貨叉在垂直方向移動范圍約 2000mm； 4貨叉伸縮范圍約 500mm； 5末端夾持貨物最大質量 10kg； 6可編程控制器 PLC 控制； 7具有安全保護及速度控制等功能； 中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 9 8外形美觀，工作穩定可靠。 2.2 結構形式的選擇 小型立體倉庫堆垛設備采用直角坐標形式，即末端位置是由水平坐標、垂直坐標以及第三坐標方向上的移動來決定?，F設水平坐標為 x 坐標，垂直坐標為 y 坐標，第三方向坐標為 z 坐標。 對于本設計系統，直角坐標有兩種形式可以采用，其區別在于將 x 坐標或 y 坐標固定以作為機架，形式如圖 2-1（ a）、（ b）。 對于圖 2-1（ a）中形式， y 坐標固定為機架， x 坐標和 z 坐標隨 y 坐標整體移動。若采用這種形式，在運動時， x 坐標的電機及機械部分等無效負載也跟隨運動，它們的重力增加了 y 坐標的電機負荷。對于圖 2-1（ b）中形式， x 坐標固定為機架， y 坐標和 z 坐標隨 x 坐標整體移動。若采用這種形式， y 坐標的電機及機械部分的重力卻不會增加 x 坐標的電機的負荷，但 y 坐標運動范圍應用框架保護起來以增加安全系數。 綜合分析設計目標及系統的工作環境，圖 2-1（ b）中的方案較合適，故系統采用此種方案。 圖 2-1 （ a） x y z （ b） x y z 中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 10 2.3 傳動方案的選擇 系統的 x、 y、 z 三坐標均采用直線傳動形式。常用的直線傳動形式有滾子鏈傳動、同步帶傳動、卷筒鋼絲繩傳動、齒輪齒條傳動等形式。對于小型自動化倉儲設備的三坐標方向直線運動的傳動方案設計，一種較為簡單的方案是在 X Y 工作臺上追加一個沿空間三坐標方向運動的機構。該機構在三個方向上的運動均采用滾珠絲杠作為傳動 裝置，該方案的優點是重復定位精度高等優點，可直接與步進電機連接，采用開環或半閉環控制即可達到較高的定位精度。但根據使用經驗，在選用滾珠絲杠時，滾珠絲杠副的公稱直徑應不小于絲杠工作長度的 1/30。而本系統的 x 向及 y 向的工作長度約 2000mm，若在 x 向及 y 向使用滾珠絲杠傳動，將不得不選用較大直徑的滾珠絲杠副，這會導致系統成本較高且自重較大。故系統 x 向及 y向不適宜采用滾珠絲杠傳動，而只在工作長度較短的 z 向采用滾珠絲杠傳動。 由于 x 向及 y 向工作長度較大，可采用同步帶傳動或滾子鏈傳動。在本系統中采用滾子鏈傳動相對于 同步帶傳動有如下優點： 1 鏈傳動的預緊力比帶傳動小得多，因而減輕了施加在軸和軸承上的力，減少了軸承摩擦損失，在低速傳動時這一優點更加突出； 2 在傳遞相同功率的情況下，鏈條比傳動帶要窄些，鏈輪直徑也比帶輪要小些，所以鏈傳動尺寸要比帶傳動尺寸緊湊些； 3 鏈條可以在連接處拆開，容易安裝和拆卸。而傳動帶一般是制成無端的，它要越過帶輪的擋圈才能套進去，安裝比較困難； 4 鏈條由金屬制成，能在惡劣的環境下工作； 5 鏈條工作期間的磨損伸長比帶拉伸變形伸長慢，并且伸長量可以設法控制在一個節距范圍內，因此不必像帶傳動那樣頻繁調整中心距。 中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 11 綜合考慮系統對于傳動精度壽命等各方面因素，在 x 向及 y 向上采用滾子鏈傳動，但在設計時應對鏈傳動的松弛及潤滑問題加以考慮。 2.4 導向支承部件的選擇 系統的導向支乘部件主要是對三個坐標方向上的運動部件加以限制，保證運動部件按給定的運動要求和規定完成運動。 常用導軌有滾動導軌和滑動導軌?；瑒訉к壗Y構簡單，加工方便，可承受較大載荷，維護方便，但摩擦系數大，啟動阻力大，在低速運行時可能會出現爬行現象；滾動導軌摩擦系數小，運動靈活，動、靜摩擦系數基本相同，因而啟動阻力小，不易產生爬行，可以預緊，剛度高，壽命長，缺點是導軌面與滾動體是點接觸或線接觸，所以抗振性差，接觸應力大，對臟物敏感，必須有良好的防護裝置，成本較高。 從以上比較可以看出，滾動導軌的抗振性差，接觸應力大，對導軌表面硬度、表面形狀精度和滾動體的尺寸精度要求高，結構復雜，雖可外購，仍存在成本較高及維護不便等缺點，因而根據系統對于精度等方面的要求，不采用滾動導軌。 常用滑動導軌副按截面形狀分有三角形導軌，矩形導軌，燕尾形導軌和圓形導軌等。其中圓形導軌制造方便，經外圓磨削，內孔珩磨后可達精密配合，采用閉式圓柱面導軌則既可保證較高的方向精度又可承受一定的載荷，若對動導軌面附以塑料涂層，則可使摩擦系數大大降低。由于系統的 z 向傳動屬于低速輕載，故向可采用閉式圓柱導軌副。 對于系統的 x 向和 y 向，其工作長度較大（約 2000mm），若采用常規導軌，無論是滾動導軌或滑動導軌都存在著制造或選購困難，成本高等問題。考慮到系統對于定位精度要求并不高，故在 x 向及 y 向并不采用常規傳動機構中的滾動或滑動導軌，而是參考大型立體化倉庫中的堆垛設備的結構，在這兩個方向上采用車輪軌道作為導向支乘部件。車輪軌道作為導向支乘中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 12 部件雖然導向精度不高，但動、靜摩擦力基本相同，啟動阻力小，壽命高，維護方便，軌道可采用槽鋼、 T 型鋼或 H 型鋼，外購方便，車輪結構簡單，加工方便。 2.5 控制電機的選用 常用控制電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機。其中直流伺服電機與交流伺服電機相比，速度較低，體積較大，同時價格相差不大，且電刷和整流子維修不方便，方案可用性差，故對于控制電機的選用，僅對交流伺服電機和步進電機加以比較。 交流伺服電機體積小，轉動慣量較小，高速性能較好，精度高，有較強的超載能力；步進電機可以在很寬的范圍內調速，容易實現正反轉控制，沒有積累誤差，但過載容易失步，結構簡單，維護方便，不須 反饋，開環即可達到較高精度，且價格較低。 本小型立體倉庫堆垛機設備的電機啟停頻率較低，但要求低速平穩，扭矩脈動小，高速運行時振動、噪聲，在整個調速范圍內均可穩定運動?？紤]到以上要求和系統的簡便性， x 向、 y 向和 z 向控制電機均采用步進電機。步進電機可直接與 PLC 控制器相連，使控制系統大大簡化并可靠的獲得較高的位置精度。 系統的 x 向驅動行走和 z 向驅動伸縮所需功率較小，采用步進電機和減速器即可滿足功率要求，對于 y 向的驅動，由于要帶動 z 向機構整體的升降，與運行機構相比，其傳動功率較大，為了減小提升功率，可以配置平 衡重塊，以使步進電機的驅動功率滿足要求。 此外，由于步進電機在斷電后仍有一定的保持轉矩，故可以保證 y 向提升驅動在斷電后不致落下，從而節省了專門的制動裝置。 2.6 機架結構及各部件的布置 2.6.1 機架結構形式的選擇 中國礦業大學成人教育學院 2008 屆畢業論文設計 13 根據系統的功能和主要傳動機構，參照現場中已有的結構形式，本系統可采用梁式或框架式。 梁式機架結構簡單，制造方便，重量輕，但由于整體剛度較低，運行時會產生較大振動，穩定性較差，且 y 方向的車輪軌道無法安裝?？蚣苁浇Y構整體剛度、穩定性和抗振性能均較好，且可以將 y 向的傳動機構容納其中，減小由于 z 向機 構伸出而施加于車輪軌道上的傾覆力矩。 綜上分析，系統的機架采用框式機架。但在設計時仍應考慮 z 向機構本身質量及末端夾持物體質量所產生傾覆力矩對于整個系統穩定性的影響。 對于系統軌道的布置， y 向軌道布置在 z 向整體機構兩側即可，但對 x向軌道的布置，為防止由于 z 向的機構本身質量和夾持物體質量使整體發生傾覆，有以下兩種方案可供選擇： 一種方案是在機架下方或上方布置雙槽鋼或雙 T 型鋼導軌，采用單輪緣或雙輪緣車輪，車輪僅靠重力壓在導軌上。采用這種方案， z 向產生的傾覆力矩靠系統機械本體的自身重量加以平衡，車輪僅在底面承受 載荷，因而也只在車輪底面產生摩擦力，運行阻力小，但對兩軌道間的跨距以及機械本體的質量有要求，即兩軌道間的跨距和機械本體的質量均不能太小。 另一種方案是在機架上方或下方布置雙 H 型鋼導軌，單輪緣車輪，車輪被 H 型鋼的兩側板約束而平衡由于 z 向伸出而產生的傾覆力矩。采用此種方案，車輪的踏面有兩處受力，因此在運行時所受摩擦力要大于前一方案。但此種方案