基于plc的物流堆垛机控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于plc的物流堆垛机控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的重量，同时降低了产品投入成本。 不过这种结构的堆垛机由于整体重心偏，并且在水平行走启动和停车过程中容易产生巨大冲击而使机架产生大的变形和局部应力集中，极大的限制了它的使用范围，仅仅适合应用 在载重轻、低速的场合。 2) 按运行轨迹形式不同，堆垛机可分为直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机。 ①直线运行型堆垛机，其轨道是直线的，堆垛机只能在其直线轨道上行走，不能自行的从一个巷道换到另外一个巷道。 不过因为其轨道为直线，该类型的堆垛机可以在高速情况下运行，能够实现立体库的高频率作业，在物流行业得到广泛应用。 ②曲线运行型堆垛机又叫转轨堆垛机，其行走轮与下横梁是通过垂直轴铰接的，可以自行地从一个巷道转移到另外一个巷道，因此能够在环形或其它曲线轨道上行走，完成存取货物的功能 [5]。 不过考虑场地的利用率问题，轨道的转弯半径不宜过大，这样堆垛机在转弯时就不能高速运行，因此此种堆垛机应用在巷道比较多而堆垛机比较少且出入库频率不高的工作场合。 XXXX 大学本科毕业论文 4 堆垛机的发展 随着自动化立体仓库的应用范围和技术手段不断发展和完善，其在现代物流体系中起着越来越重要的作用。 立体仓亏最重要的部分是轨道堆垛机，轨道堆垛机因为作用广泛而得到推广使用。 在 1970 年左右巷道是堆垛机在我国得到了迅猛发展，在这之前我国早就开始研究采用巷道式轨道堆垛机在立体仓库中的应用。 在堆垛机的在机架机械中，机架 上安装有伸缩货叉，用来取货和送货，通过机架上的丝杠来控制货叉的长度。 在二十世纪七十年代到八十年代间，巷道式堆垛机以及各种移动式货架开始运用于自动化立体仓库中，这使得物流运输的机动性大大提高，因此堆垛机的发展也越来越快 [6]。 在 19 世纪初堆垛机的雏形出现在美国。 伴随着工业革命的逐步发展，各工业国家都开始研究与生产堆垛机，多用于起重和运送货物。 这个时候的巷道堆垛机一般由以下几个部分组成，升降电机、运行电机、固定轨道、底盘、机身、机架、伸缩货叉，并且搭配必要的电 气设备。 巷道式堆垛机它的运行轨道一般铺设在地面上（这样可以大大减少承重的来料），堆垛机的承重和行走则依靠的是下部的机械滑轮，其运行轨迹是直线型巷道堆垛机。 这种堆垛机的驱动装置安装在底盘的两侧，有利于平时的保养、维修和拆运。 从 1967 年开始，工业刚起步的日本就掌握了安装高度为 25 米高度堆垛机的技术。 随着各国技术交流逐渐增多，计算机控制技术和物流仓储技术也得到了很快的发展，技术越来越好，所以应用越来越广泛，同时为了满足大型立体库的技术要求，堆垛机的整机高度也在不停的提高。 在 1970 年运货高度可达 40 米的堆垛机（ 其由货架支承，轨道固定）问世。 堆垛机是立体仓库的重要部分，技术是伴随着自动化仓储技术慢慢发展起来的。 最近几年国内的自动仓储技术中的堆垛机技术也与时俱进，堆垛机也在结构、减噪技术、安全运行、速度和精度指标上有了很大的提高，并在机械制造、食品生产、铁路、船舶、航空、矿业、烟草等行业得到了广泛应用。 跟国外比较，我国堆垛机存在最低存取货物高度比较低（世界一流水平），高速运行的安全性和精确度都显著提高，而且稳定性等问题也越来越好，所以我国堆垛机在综合性能方面步入世界发达国家行列。 目前堆垛机技术发达国家都把着力点放 在开发性能可靠的新产品和采用新技术的稳定性上。 随着物流仓储技术的快速发展，物流仓储的高效率性对堆垛机的存取速度提出了更高的要求，研制运行平稳可靠、认址准确、起动制动灵敏、运行振动小、噪音小等综合性能高的运行速度达到 160～ 200m/min 以上的高速堆垛机成为今后的主要发展方向 [6]。 1 绪论 5 堆垛机实物图如图 12 图 12 课题研究的目的和意义 仓储技术是现代物流发展的重要指标，仓储在物流系统中起着非常重 要的作用。 高效的、合理的仓储能加快物资流动、降低成本并可以对资源进行有效的控制和管理。 随着现代物流的快速发展，一方面，物流自动化和信息化程度不断提高；另一方面，土地成本和人工成本的提高也使企业产生了让仓库向自动化方向发展的十分迫切的需要。 在这种情况下，能代表现代企业先进水平的自动化仓库也就应运而生。 自动化立体仓库是近年国际上快速发展起来的一种新型物流仓储设施，具有准确高、自动化程度高、安全可靠、功能齐全等优势，并成为工业发达国家仓储建设的发展潮流。 我国在 1973 年自主研制出第一座计算机控制的自动化立体仓 库，深受国家的关注与支持。 接下来的几十年科学家和工程师们不断努力创新，我国 20xx 年底拥有的数量已经超过 3000 座，自动化立体仓库也从高速发展阶逐渐段步入了成熟应用阶段。 据可靠调研，我国很多行业都用到自动化立体仓库，主要应用于机械制造、矿业、船舶、航空航天、食品加工、烟草等行业。 与此同时，随着经济全球化步伐日益加快和信息技术的飞速发展，物流在经济活动中的重要性已经日益凸现，物流人才的需求也在日益增长。 据教育部高校物流专业教学指导委员会公布的统计数据，到 20xx 年，我国大专以上物流人才需求量为 30 万至 40 万，而国内物流教育起步较晚，于是各高校纷纷投资兴建物流实验中心，为培养高素质物流人才搭建理论与实践的平台 [7]。 XXXX 大学本科毕业论文 6 2 堆垛机的机械结构 堆垛机的结构设计方案 堆垛机是自动化立体仓库中的重要的物流运输设备，它受控于上位机，穿梭于立体货架之间，主要承担货物的出库、入库和移库等任务。 良好的堆垛机应该满足以下几点设计标准； (1)拥有多个方向运动的控制，即水平方向的来回行走，实现堆垛机的列定位；载货台的上下运动，实现堆垛机的层定位；货叉的双向伸缩运动，实 现货物的存取。 (2) 具 有 安全 防护 装置，例 如：断绳 保护 装置、冲 顶保护 装 置、过载 保 护 装置 等。 (3)在机械结 构满足 强度、刚度及 可靠性的 原则下，各 部分 的质 量尽 量 减少，减 小堆 垛机在 加速和 制动时的 惯性冲 击，同 时还 能节省 制 造 成 本。 （ 4）减少堆垛机工作过程中的噪音，为工作人员提供一个好的工作环境。 堆垛机机械结构大致如图 21。 图 21 水平行走机构 堆垛机的行走机构，主要由驱动电机、电气控制柜、减速机、主、从动轮、导向轮及下横梁等部分组成。 其主要功能是由水平行走电机经过减速机驱动主动轮在地轨上运动，完成巷道堆垛机的巷道水平方向的行走运动，实现货格列方向的定位。 下横梁两侧2 堆垛机的机械结构 7 靠近端面位置分别安装有两个导向轮，对堆垛机水平行走起到很好的方向导正作用 [9]。 本机构的下横梁运用 10mm 后的钢板经过加工焊接而成，主动轮和从动轮两端的轴承安装孔，在加工的过程 中应用加工中心旋转工作台经过一次装夹，镗削而成，有效的保证了主动轮和从动轮轴线的平行性，对堆垛机的水平行走的平稳性起到了很好的作用。 两边的导向轮采用金属轮外裹 PPVC 材料的方式制作，即保证了导向轮的刚度也有效的减小行走过程中的噪音。 货叉部分 堆垛机的存取货装置主要有机械抓取式存取装置、电磁或真空吸盘存取装置、旋转抓取装置和伸缩货叉存取装置，本项目选用最为常用的伸缩货叉存取装置 [10]。 货叉的传动方式有很多种，常见的有：齿轮齿条传动及链轮传动和齿轮齿 条传动相结合的方式等 [11]。 本文选用齿轮齿条传动方式，其主要由上叉、中叉、下叉、齿轮齿条传动机构、导向轮和货叉电机等组成。 其工作原理如下：下叉固定在载货台上，货叉电机带动动力输入轴驱动下边大齿轮，经过齿轮齿条传动机构，最终实现中叉相对于下叉水平行走 400mm，上叉相对于下叉行走 800mm，以达到货叉行程倍增的目标。 为了保证货叉机构设计完成后能实现在货架上边正常存取货物。 货叉合拢时尺寸 800mm 小于巷道宽度 1000mm，货架上货物顶部距上位货位之 间有 60mm 间隙满足微抬和微降间隙要求，货物顶部距上位货物托盘底部距离为 220mm 满足货叉的存货物间隙，所以本次设计的货叉能够满足堆垛机在巷道中行走并且自动存取货物的功能。 载货台 载货台是货物的承载单元，其主要由导向轮、导轮架、载货台体、导向座、及滑轮组等组成，其上安装有货叉装置、断绳保护装置、升降认址装置、货物位置异常检测装置等。 它的结构设计主要考虑在满足对货叉和货物的支撑刚度的前提下，尽可能的减轻其重量，按照载货台的承载参数和货物托盘的尺寸，载货台体选用 100 100mm 的方钢，采 取焊接的方式制成。 在载货台上与立柱导轨接触的三个面上都安装有导向轮，以保证载货台沿着立柱导轨平稳的升降。 为了减小载货台在升降过程中同立柱导轨之间的震动和产生的噪音，主要采取如下措施： (1)选用 PPVC 材料制作导向轮； (2)固定导向轮的导轮架要做成可调的，在安装时根据现场实际情况，调整导向轮同立柱导轨之间XXXX 大学本科毕业论文 8 的间隙。 提升机构 提升机构是实现载货台垂直提升的动力及传动机构，堆垛机常用的三种提升方式有：链条提升、钢丝绳卷筒提升以及钢丝绳曳引轮提升方式三种 [12]。 根据特点的不同采用链条提升方式比采用卷扬筒式更平稳。 曳引式提升机构体积小巧而且提升高度不受限制，但是堆垛机要水平行走，所以配重装置势必会晃动产生噪音，而且配重装置需要设到立柱里面沿着立柱内壁上下行走，维修和安装比较麻烦。 安全保护部分 1) 终端限位保护 在堆垛机的水平方向，不仅设置了行程限位开关，而且在导轨的两端安装有机械挡护块，双重防护保证堆垛机在水平行走过程中不冲出轨道；在立柱的上下端分别安装有限位开关，并且制作了防冲顶和防坠底的装置来预防堆垛机在垂直升降过程中控制失灵，造成冲顶和坠底 的危险；在货叉的伸出终端设置硬限位，来控制货叉伸缩的行程 2) 电气联锁保护 堆垛机在巷道中行走，拥有三个方向的运动，如果三个方向的运动协调不好的话，会导致堆垛机货叉跟货架或货物的碰撞，造成不良后果 [13]。 所以在对堆垛机的控制过程中加入了联锁保护，堆垛机在水平行走过程中，载货台的垂直提升运动和货叉的伸缩运动是被锁定的，只有当水平定位完成后，载货台才能垂直运动，货叉在垂直方向定位完成后才执行伸缩操作。 在取到货物后，先货叉回中位，后载货台下降到低位，再 堆垛机水平行走。 3) 断电保护 本文中的所有电机都带有自动抱闸功能。 比如突然断电这种意外发生的时候，电机会掉电自锁，并保持断电状态，直到意外排除人工恢复。 4) 载货台超载保护 堆垛机为了防止超载，本文添加了机械式超载限制器。 当重量超过额定的重量时，电源会自动切断。 当重量在额定重量以下，但在额定中量的 80%以上时，会发出报警的信号。 2 堆垛机的机械结构 9 本章小结 本章在对堆垛机机械结构传统设计方法分析的基础上，提出了有限元分析软件，起到了至关重要的作用，采用新产品进行校核的新的设计方法。 确定了堆垛机的整体结构形势为单位立柱巷道堆垛机，并对水平行走结构、货叉、载货台、提升机构、安全防护进行了分析。 在现有的条件下完成了设计对堆垛机的结构的基本要求。 XXXX 大学本科毕业论文 10 3 控制方案设计 堆垛机整体控制方案设计 控制系统是堆垛机的重要组成部分，堆垛机需要在立体库中穿梭并完成存货、取货的功能，其必须具备水平行走、垂直提升和货叉伸缩三方向的运动，并且具备较好的速度控制和准确的定位功能，控制系统的设计就显得尤为重要，接下来本文从堆垛机控制方式和控制功能角度为堆垛机设计提供依据。 控制系统结构拓扑图大致如下图 31 图 31 堆垛机的控制方式 堆垛机按电气控制方式分类有三种控制方式。 （ 1）手动控制方式 手动方式一般用于两个时候。 堆垛机的安装调试阶段，通过人的反复操作确认安全 S7200 PLC 触摸屏（手动） 上位机（自动） 无线数据传输 堆垛机列 认址系统 堆垛机排认证 堆垛机层 认址系统 光电码盘 堆垛机极限 保护系统 货叉运行机构 层运行机构 列运行机构 堆垛机货物 检测系统 伺服控制系统 层 变频系统 货叉变频系统 3 控制方案设计 11 和精准。 还有堆垛机发生异常时的操作，可以通过手动方式在有联锁保护的条件下对堆垛机的行走、升降、伸缩货叉等单独进行操作，实现堆垛机在三个运行方向的任意定位。 （ 2）半自动控制方式 半自 动控制方式是对本机自动控制方式运行过程的分解。 在此方式下，操作人员可以直接在操作面板上设定作业内容和地址，控制堆垛机单步在巷道中实现准确定位并进行货。