立体仓库存取系统设计.doc
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1、摘 要随着国民经济的飞速发展,自动化立体仓库必然会在各行各业中得到越来越广泛的应用。自动化立体仓库是现代物流系统的重要组成部分,是一种多层存放货物的高架仓库系统,集存储、搬运、输送、分发一体,作为工业物流与计算机集成制造系统(CIMS)的一部分,代表了当今物流发展的趋势。自动化立体仓库由自动控制与管理系统、高位货架、巷道堆垛机、自动入库、自动出库、计算机管理控制系统以及其他辅助设备组成。 立体仓库一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架存储单元货物,用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。本文构建了了一个实验室规模的的自动化立体仓库,由控制系统和存取系统组成。控制系统中以三菱FX2
2、N系列PLC作为核心控制元件,专用键盘作为人机接口部件,控制步进电机来驱动一个有三自由度的仓库模型在高强度导轨上做三维运动,以步进电机每转输出的脉冲数为基础,通过键盘对每个仓位予以地址编码,通过PLC对命令键盘进行扫描并得到相应的仓位号,当PLC接收到来自键盘的输入命令后,便输出对应仓位的脉冲数,经过驱动器驱动步进电机按设定的方向转动一定的角度,进而控制传动部件丝杠旋转进行准确的定位,以完成货物的存取功能,另外,为了保证整个控制系统运行的稳定性和可靠性,我们还采用了限位开关对其进行限位保护。存取系统由立体框架结构、托盘装置、导引装置、定位与安全装置组成,保证了物件能在控制系统的控制下安全的存取
3、。 本文首先对该课题的可行性及课题实现的现实意义和价值进行了介绍;其次对控制系统和存取系统的硬件组成、结构、原理进行了阐述和分析;再次对自动化立体仓库的核心控制系统的软件进行了编写,论文中即有梯形图又有相应的语句表;最后对设计本课题所学到的知识和结论进行归纳和总结,并对本论文有待完善的地方进行扼要的说明。 关键字:立体仓库 自动化 可编程控制器(PLC) 步进电机 目 录参考文献231 绪论11.1 本课题设计的背景11.2本课题设计的内容11.3本课题设计的目的和意义22 硬件部分42.1 立体仓库的基本结构42.2 立体仓库的硬件原理52.2.1 步进电机的原理52.2.2 联轴器的原理6
4、2.2.3 丝杠传动的原理73 元器件的选择103.1 步进电机的选择103.2 牵引电机的选择123.3 联轴器的选择123.4 立体钢架的设计133.5 托盘的设计143.6 立柱模块的设计153.7 行走机构模块的设计163.8 货叉机构模块的设计17结论19致谢20参考文献21II1 绪论1.1 本课题设计的背景立体仓库一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物,用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货物,故常形象地将其称为“立体仓库”。 立体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
5、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。我国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。到目前为止,我国自动化立体仓库数
6、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。在现代化的物流仓储系统中,自动化立体仓库应用日益广泛,而堆垛机的优劣对整个立体仓库的运行起着重要作用。单就我国现有的生产力发展水平来看,在自动化立体仓库中设计出造价低廉、工作可靠的堆垛机替代原有仓库的管理和控制,能更加适应某些中小企业投资少见效快的目标,1.2 本课题设计的内容立体仓库由控制系统和存取系统组成。 控制系统主要由日本三菱公司生产的FX2型可编程序控制器(PLC)、步进电机驱动电源模块、开关电源
7、、位置传感器等器件组成。小型立体仓库的电气控制系统由PLC来实现,控制系统分手动和自动两种方式。此系统实现的功能主要有:取(由零位出发到指定仓位号取货并送到入货台);入(到零位取货并送入指定仓位号)等功能,在执行完任务后自动返回到零位等待下一指令。存取系统由堆垛机和货物传送装置组成,堆垛机在控制系统的控制下完成货物的搬运,把货物从仓库中搬运到传送带上,再有传送带把货物运送出仓库,堆垛机和传送装置共同完成货物在立体仓库的存取。小型立体仓库的应具备的功能主要有几下几点:1、开机时首先要回零位操作,这样的目的就是给堆垛机有个工作参考点。2、堆垛机(机械手)要有三个自由度,即:前进、后退;上、下;左、
8、右。3、堆垛机的运动由步进电机驱动,伸缩由直流电机控制(Y方向)。4、堆垛机前进(或后退)运动和上(或下)运动可同时进行。5、堆垛机前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护。6、每个仓位必须有检测装置(微动开关),当操作有误时发出错误报警信号。7、仓位共有12个,3行4列。8、当按完仓位号后,没按入或取前,可以按取消键进行取消该操作。9、整个电气控制系统必须设置急停按钮,以防发生意外。1.3 本课题设计的目的和意义传统条件下的库房管理作业,主要依据人工装卸,特别是对于一些大型物资,不仅工作效率低,浪费大量的人力、物力,存在较大的安全隐患,同时还占据大量的库房面积。立体库的投入使用,彻底解决了这
9、一难题。 1、低成本 利用电力线上网,最大的优点就是成本低。由于利用电力线上网,直接使用现有电力网就可以实现通信,而不需要另外铺设电话线、光电缆等,大大地减少了在基础网络上的投资。2、范围广 无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。电力线是最基础的网络,它的规模之大,是其他任何网络无法比拟的。因为家家都有电力线,由此,运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一个家庭.因此,这一技术一旦进入商业化阶段,将会促进电信市场的变革,并给互联网普及带来极大的发展空间。 3、高速 利用电力线上网能够提供高速传输。德国最大的电力设备生产商RWE承诺,运用他们的电力线上网技术,其速度要比ISDN拔号上网快
10、30多倍, 比ADSL更快!足以支持现有网络上的各种应用。更高速率的PLC产品正在研制之中。 4、便捷 不管在家里的哪个角落,只要连接到房间内的任何电源插座上,就可立即拥有PLC带来的高速网络享受。5、永远在线 PLC属于即插即用,不用烦琐的拨号过程,接入电源就等于接入网络。6、结构灵活 通过PLC技术实现Internet接入,可以灵活扩展接入端口数量,使资源保持较高的利用率。目前还未有效解决电力线信号通过变压器的技术,因此,电力线通信设备都是集中在220V线路变压器的用户端。7、家庭数字化 PLC技术能够通过电力线将整个家庭的电器与网络联为一体,在室内的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网,
11、使人们能够通过网络来控制自己家里的电器设备。自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成,实现企业信息管理的自动化。同时,由于使用自动化仓库,促进企业的科学管理,减少了浪费,保证均衡生产,也提高了操作人员素质和管理人员的水平 。2 硬件部分2.1 立体仓库的基本结构 立体仓库主体由底盘、两层层十二仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成,采用步进电机、直流电机作为拖动元件。电气控制是由日本三菱公司生产的FX2型可编程序控制器(PLC)、步进电机驱动电源模块、开关电源、位置传感器等器件组成。 控制面板上的开关及按钮功能 控制面板上的仓位号按
12、键号功能选择定义1自动选择1号仓位手动机构水平向左移动2自动选择2号仓位手动机构垂直向下移动3自动选择3号仓位手动机构水平向右移动4自动选择4号仓位手动机构水平向后移动5自动选择5号仓位手动机构垂直向上移动6自动选择6号仓位手动机构水平向前移动7自动选择7号仓位手动无意义8自动选择8号仓位手动无意义9自动选择9号仓位手动无意义10自动选择10号仓位手动无意义11自动选择11号仓位手动无意义12自动选择12号仓位手动无意义 控制面板上的按钮功能表2.2 立体仓库的硬件原理2.2.1 步进电机的原理步进电机是数字控制系统中的执行电动机,当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时,转子就转一步,当
13、电脉冲按某一相序加到电动机时,转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此,改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小;改变输入脉冲的通电相序,就能控制步进电动机转子机械位移的方向,实现位置的控制。当电脉冲按某一顺序连续加到步进电动机时,转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此,改变电脉冲的频率大小和通电相序,就能控制步进电动机的转速和转向,实现宽广范围内速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制功能,是其它电动机无法替代的。步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式,步进电动机的相数可分为:单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电动机的性能,但电动机
14、的结构和驱动电源就会复杂,成本就会增加,应按需要合理选用。2.2.2 联轴器的原理联轴器主要适用于连接伺服电机、步进电机、一般常用电机、旋转编码器和滚珠丝杆等。广泛应用于数控加工机床、电子制造设备、纺织机械、印刷机械、包装机械、塑料机械、工程机械、工业机器人、自动装置等领域。 其主要适用于连接伺服电机、步进电机、一般常用电机、旋转编码器和滚珠丝杆等。广泛应用于数控加工机床、电子制造设备、纺织机械、印刷机械、包装机械、塑料机械、工程机械、工业机器人、自动装置等领域。联轴器所联接的两轴,由于制造及安装误差,承载后的变形以及温度变化的影响等,会引起两轴相对位置的变化,往往不能保证严格的对中。根据联轴
15、器有无弹性元件、对各种相对位移有无补偿能力,即能否在发生相对位移条件下保持联接功能以及联轴器的用途等,联轴器可分为刚性联轴器,挠性联轴器和安全联轴器。 刚性联轴器 只能传递运动和转矩,不具备其他功能 包括凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等 。如下图所示。 刚性联轴器实物图挠性联轴器 无弹性元件的挠性联轴器,不仅能传递运动和转矩,而且具有不同程度的轴向、径向、角向补偿性能 包括齿式联轴器、万向联轴器、链条联轴器、滑块联轴器等。有弹性元件的挠性联轴器,能传递运动和转矩;具有不同程度的轴向、径向、角向补偿性能;还具有不同程度的减振、缓冲作用,改善传动系统的工作性能 包括各种非金属弹性元件挠性联轴器
16、和金属弹性元件挠性联轴器,各种弹性联轴器的结构不同,差异较大,在传动系统中的作用亦不尽相同。如下图所示。 扰性联轴器实物图 安全联轴器 传递运动和转矩,过载安全保护。挠性安全联轴器还具有不同程度的补偿性能 包括销钉式、摩擦式、磁粉式、离心式、液压式等安全联轴器如下图所示。 安全联轴器实物图2.2.3 丝杠传动的原理丝杠一般是把丝杠的传动转变为螺母的直线运动,一般使用伺服电机加一个联轴器进行驱动,对于现在流行的滚珠丝杠来说,其摩擦系数很小,所受的轴向力很小,所以传动不需要很大的力。滚珠丝杠是将回转运动转变为直线运动、或者将直线运动转变为回转运动的理想产品。滚珠丝杠的结构:滚珠丝杠副的结构传统分为
17、内循环结构(以圆形反向器和椭圆形反向器为代表)和外循环结构(以插管为代表)两种。这两种结构也是最常用的结构。这两种结构性能没有本质区别,只是内循环结构安装连接尺寸小;外循环结构安装连接尺寸大。目前,滚珠丝杠副的结构已有10多种,但比较常用的主要有:内循环结构;外循环结构;端盖结构;盖板结构。滚珠丝杠原理:1、按照国标GB/T17587.3-1998及应用实例,滚珠丝杠(目前已基本取代梯形丝杆,已俗称丝杆)是用来将旋转运动转化为直线运动;或将直线运动转化为旋转运动的执行元件,并具有传动效率高,定位准确等2、当滚珠丝杠作为主动体时,螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动,被动工件
18、可以通过螺母座和螺母连接,从而实现对应的直线运动。滚珠丝杠的特点:1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3滚珠丝杆的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。2、高精度的保证滚珠丝杆是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的,特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3、微进给可能滚珠丝杆由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微
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- 立体仓库 存取 系统 设计