【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)以及安全保護(hù)裝置等組成。 存、取貨物機(jī)構(gòu)是堆垛機(jī)存、取貨物的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，裝設(shè)在載貨臺(tái)上，主要功能即實(shí)現(xiàn)貨物的搬運(yùn)和存取。目前最常用的是三級(jí)直線差動(dòng)式伸縮貨叉。它由上叉、中叉、下叉和起導(dǎo)向作用的滾針軸承等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 提升機(jī)構(gòu)的主要功能是實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)存取貨機(jī)構(gòu)的垂直運(yùn)動(dòng)，目前有部分堆垛機(jī)的提升機(jī)構(gòu)是靠起重鏈柔性件來進(jìn)行牽引。升降機(jī)構(gòu)主要由升降鏈輪，升降鏈條和驅(qū)動(dòng)鏈輪等組成。載貨臺(tái)和升降鏈條連接在一起，升降 鏈條與載貨臺(tái)、上下橫梁的鏈輪及升降鏈輪組成封閉式結(jié)構(gòu)。 行走機(jī)構(gòu)的主要功能是實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)沿巷道方向的水平運(yùn)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)由電機(jī)變速箱、行走輪、導(dǎo)向輪等組成。下橫梁下方有行走輪，導(dǎo)向輪在其側(cè)面，確保堆垛機(jī)可以正常行走 ??3 。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 圖 （上）圖 （下） 立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 堆垛機(jī)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 根據(jù)物流設(shè)備的發(fā) 展形勢(shì)，對(duì)比國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平及研發(fā)情況等有關(guān)資料的分析，目前國(guó)內(nèi)堆垛機(jī)與國(guó)際先進(jìn)水平相比，主要的差距在于綜合性能上的差距：重點(diǎn)體現(xiàn)在機(jī)構(gòu)行走和升降的速度、貨叉伸縮的速度、運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性、振動(dòng)和噪聲。在結(jié)構(gòu)上也存在較大的劣勢(shì)：國(guó)外產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，且更加靈巧，本人國(guó)產(chǎn)品相對(duì)來說笨重，不夠小巧。 本文研究的主要內(nèi)容 本文設(shè)計(jì)的是一兩排四層三列式立體倉(cāng)庫(kù)巷道式堆垛機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)貨物存取的模擬控制。主要工作包括：分析對(duì)比各類立體倉(cāng)庫(kù)的控制技術(shù)，確定實(shí)現(xiàn)方案；進(jìn)行堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析；進(jìn)行堆垛機(jī)的控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)；用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面，對(duì)貨物存取過程進(jìn)行仿真控制。 2 倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)的控制 堆垛機(jī)主要運(yùn)動(dòng)及控制方式 本文設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)在收到控制系統(tǒng)的指令后可以來回穿梭運(yùn)行于自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的巷道中，能夠?qū)⑽挥谌霂?kù)口的貨物存入貨倉(cāng)，或者相反取出貨倉(cāng)內(nèi)的貨物運(yùn)送到出庫(kù)上海建橋?qū)W院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 口。 堆垛機(jī)的主要運(yùn)動(dòng) 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)：堆垛機(jī)主體沿巷道前后方向運(yùn)行；位于主柱上的 升降臺(tái)沿上下方向的運(yùn)行；升降臺(tái)上的貨叉能左右伸縮以存取巷道上的貨架上的貨箱。 堆垛機(jī)的控制方式 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)擁有較多的控制方式，時(shí)至今日有三種較為主流的控制方式： PLC控制、單片機(jī)控制和繼電器控制。本次采用 PLC 控制。 堆垛機(jī)認(rèn)址方式 認(rèn)址方式的介紹 堆垛機(jī)進(jìn)行貨物存、取前必須先走到指定的貨位。它到達(dá)與否的判定，在操作時(shí)必須自動(dòng)進(jìn)行。為此．貨架上的每一個(gè)貨位必須具有堆垛 機(jī)能識(shí)別的編碼。 巷道左右 2 排貨架依次設(shè)定為 1 排、 2 排；堆垛機(jī)水平運(yùn)行方向設(shè)定為入庫(kù)口、 1列～ 3 列和出庫(kù)口；垂直升降方向設(shè)定為 1 層～ 4 層，最底層取作 1 層。把排、列、層比作空間直角坐標(biāo)系 X、 Y、 Z方向，就能確定每一個(gè)貨位的編號(hào)。 堆垛機(jī)可以自動(dòng)檢測(cè)它當(dāng)前所處位置的坐標(biāo)，使其能走到指定貨位。其中 X方向即排數(shù)，對(duì)于堆垛機(jī)的貨叉來說只有左和右 2 個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，因此只需要檢測(cè) Z坐標(biāo)即層數(shù)與 Y 坐標(biāo)即列數(shù)。這 2 個(gè)坐標(biāo)的檢測(cè)也是一般情況下遇到的認(rèn)址問題。現(xiàn)在科技含量較高的檢測(cè)元件是光電開關(guān)，它是利用安裝于軌道上對(duì)應(yīng)貨架每一列的 行走認(rèn)址片及安裝在堆垛機(jī)立柱上對(duì)應(yīng)貨架每一層的升降認(rèn)址片，相應(yīng)光電開關(guān)在每次通過認(rèn)址片時(shí)會(huì)進(jìn)行透光或擋光，使光電開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生變化，利用計(jì)算機(jī)對(duì)此變化狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)相應(yīng)算法可得到堆垛機(jī)的 Y 和 Z方向的坐標(biāo)，從而獲知堆垛機(jī)當(dāng)前所在的列數(shù)和層數(shù)。當(dāng)光電開關(guān)的狀態(tài)變化時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)怎樣正確識(shí)別堆垛機(jī)所在位置的編碼是自動(dòng)認(rèn)址的主要問題。對(duì)此，可以采用 2種方式：絕對(duì)認(rèn)址或相對(duì)認(rèn)址。 絕對(duì)認(rèn)址采用得到的用 N個(gè)光電開關(guān)的通、斷狀態(tài)組合來獲取 Y或 Z的坐標(biāo)。行走和升降機(jī)構(gòu)分別用一組光電開關(guān)和認(rèn)址裝置（認(rèn)址片和光電開關(guān)視層 數(shù)、列數(shù)而定）來獲取堆垛機(jī)的當(dāng)前地址（如圖 所示），認(rèn)址裝置上的認(rèn)址片和每個(gè)地址編碼一一對(duì)應(yīng)。采用絕對(duì)認(rèn)址方式時(shí)，堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的 PLC 編程較為簡(jiǎn)單，并且認(rèn)址相對(duì)可靠，但是它每個(gè)位置的認(rèn)址片都不相同，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加上貨位越多，所需的認(rèn)址光電開關(guān)也會(huì)越多 ??4 。 立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 相對(duì)認(rèn)址是通過對(duì)光電開關(guān)在經(jīng)過每一列或每一層的認(rèn)址片時(shí)，通電狀態(tài)翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電脈沖對(duì)地址編碼進(jìn)行加、減 1 的操作，產(chǎn)生堆垛機(jī)當(dāng)前地址編碼的一種方式 (如圖 所示 )。當(dāng)堆垛 機(jī)行走或升降時(shí)，每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就對(duì)列數(shù)或?qū)訑?shù)加 1或減 1作為當(dāng)前地址 ??5 。 圖 圖 認(rèn)址方式的確定 為完成對(duì)堆垛機(jī)的速度控制，必須要檢測(cè)出堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)的當(dāng)前位置，本文設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)電氣控制系 統(tǒng)采用相對(duì)認(rèn)址方式。因?yàn)檫@種方式不管有多少貨位，均只需 2個(gè)行走光電開關(guān)和 3～ 4 個(gè)升降光電開關(guān)，大大減少了光電開關(guān)的數(shù)目可得到廣 泛應(yīng)用。具體如下： 1）水平認(rèn)址系統(tǒng) 在堆垛機(jī)的水平軌道上，對(duì)應(yīng)貨架的每一列均要安裝一個(gè)認(rèn)址片，在堆垛機(jī)沿軌道上安裝前、后兩個(gè)光電開關(guān)。當(dāng)堆垛機(jī)運(yùn)行停準(zhǔn)的時(shí)候，前向光電和后向光電都會(huì)響應(yīng)，即它們都為高電平。 PLC 的計(jì)數(shù)器可實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)算，而且定位用的光電開關(guān)也可用于停準(zhǔn)檢測(cè)，如圖 所示。 （ 2）縱向認(rèn)址系統(tǒng) 在堆垛機(jī)垂直立柱上，對(duì)應(yīng)貨架的每一層的均要安裝一個(gè)認(rèn)址片，在堆垛機(jī)的貨臺(tái)下面要安裝上、中、下三個(gè)光電開關(guān)。低位為取貨開始伸叉或放貨完畢收叉的位置，高位為放貨開始伸叉或取貨完畢收叉的位置。為保證貨叉完成 作業(yè)，堆垛機(jī)在垂直方向上必須要有檢測(cè)裝置準(zhǔn)確檢測(cè)貨叉是否準(zhǔn)確停在高位或低位。所以要在堆垛機(jī)的貨臺(tái)下面安裝三個(gè)光電開關(guān)，與升降臺(tái)一起上升下降，中間的一個(gè)共用，其他兩個(gè)分別為上位置和下位置。存貨開始或取貨結(jié)束時(shí)，升降臺(tái)貨叉停在高位置，上面兩個(gè)光電開關(guān)將在堆垛機(jī)升降過程中起作用；取貨開始或存貨結(jié)束時(shí)，貨叉停在低位置，此時(shí)下面兩個(gè)光電開關(guān)將在堆垛機(jī)升降過程中起作用，如圖 ??6 。 上海建橋?qū)W院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 堆垛機(jī)垂 直方向認(rèn)址傳感器分布圖 堆垛機(jī)速度控制 堆垛機(jī)運(yùn)行效率的高低關(guān)系著整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行效率以及生產(chǎn)計(jì)劃的完成。堆垛機(jī)水平運(yùn)行、載貨臺(tái)升降采用變頻器控制速度；而貨叉的伸縮運(yùn)行距離較短采用固定速度。系統(tǒng)通過光電傳感器確定運(yùn)行過程中堆垛機(jī)的位置。傳感器回饋堆垛機(jī)的運(yùn)行速度，通過調(diào)整變頻器的頻率控制堆垛機(jī)的速度。在保證精確定位的情況下，最大限度的提高堆垛機(jī)的運(yùn)行速度，提高整體的運(yùn)行效率。 變頻調(diào)速的工作原理 變頻調(diào)速技術(shù)常用于堆垛機(jī)的速度控制 。采用這種技術(shù)的交流異步電動(dòng)機(jī)，其性能可以超過現(xiàn)有任何一種交流調(diào)速方式，比如變極、調(diào)壓、串極等，也能和直流調(diào)速一較長(zhǎng)短，而且不需要經(jīng)常換碳刷，能夠節(jié)省費(fèi)用，并且驅(qū)動(dòng)裝置簡(jiǎn)單，不必使用電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與減速附加裝置，是交流調(diào)速的最佳方案。在堆垛機(jī)存取貨物的過程中 ,行走和貨叉伸縮運(yùn)動(dòng)是按照先后順序動(dòng)作的 ,行走電動(dòng)機(jī)和貨叉電動(dòng)機(jī)如果使用同一臺(tái)變頻器并聯(lián)運(yùn)行可以減少使用成本 ,電動(dòng)機(jī)功率按照大慣性負(fù)載啟動(dòng)的情況考慮 ??7 。由電機(jī)學(xué)原理可知變頻器 的變頻原理可表示為： ? ?s1p60fn? （ ） 式中 :f是電源頻率， p 是電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)， s是轉(zhuǎn)差率。 從上式可以看出，在極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差率不變的情況下，轉(zhuǎn)速與電源的頻率成正比，通過改變電動(dòng)機(jī)的頻率可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制堆垛機(jī)速度的 目的。 立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 速度曲線的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)堆垛機(jī)運(yùn)行速度如圖 、中速、低速三檔，根據(jù)光電傳感器反饋的信息判斷與目標(biāo)位置距離遠(yuǎn)近進(jìn)行速度控制。在距離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)時(shí)，為提高工作效率采用高速運(yùn)行；在距離較近時(shí)，降低速度達(dá)到完全運(yùn)行準(zhǔn)確認(rèn)址的目的。由于堆垛機(jī)水平行走、載貨臺(tái)的垂直升降、貨叉的左右伸縮三個(gè)運(yùn)動(dòng)的距離和運(yùn)行速度不同，貨叉的左右伸縮運(yùn)行的距離較短，可采用固定速度低速運(yùn)行，堆垛機(jī)水平行走速度、載貨臺(tái)垂直升降速度與目標(biāo)位置和當(dāng)前位置間的距離的相 關(guān)，關(guān)系如公式 和 所示，N為實(shí)時(shí)狀態(tài)下堆垛機(jī)的位置與目標(biāo)位置相差的層數(shù)或列數(shù)。 圖 （ ） （ ） 半閉環(huán)控制 當(dāng)堆垛機(jī)朝著某一目標(biāo)位置行進(jìn)時(shí) ,按照事先編好的 PLC 程序中堆垛機(jī)速度的控制策略，再根據(jù)目標(biāo)位置與光電傳感器反饋回來的堆垛機(jī)的實(shí)際位置之間的差值即相差的列數(shù)或?qū)訑?shù) ,選用變頻器不同的頻率 實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)的速度控制。當(dāng)堆垛機(jī)距離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)時(shí)，先用較高的速度使堆垛機(jī)接近目標(biāo)位置 ,然后平穩(wěn)地過渡到較低的速度運(yùn)行 ,在到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)采取抱閘停準(zhǔn) ??8 。為了能較好地滿足自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)中堆垛機(jī)高速運(yùn)上海建橋?qū)W院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 行、平穩(wěn)換速、低速停準(zhǔn)地調(diào)速控制要求，本文采用半閉環(huán)控制方式 ,如圖 所示。 圖 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制原理 3 控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì) 核 心元件簡(jiǎn)介 可編程控制器簡(jiǎn)介 可編程控制器（ Programmable Logic Controller,PLC)是以微處理器為核心，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。隨著大立體倉(cāng)庫(kù)巷道堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展， PLC 技術(shù)不斷進(jìn)步，在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了極其廣泛的應(yīng)用 ??9 。 S7200 系列 PLC 是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種超小型 PLC,大型和中型的 PLC 的功能應(yīng)有盡有，而價(jià)格卻和小型 PLC 的價(jià)格一樣。能夠單機(jī)動(dòng)作，也可以輸入 /輸出擴(kuò)展。它結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)行速度快，擁有媲美大型和中型 PLC 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又有豐富的指令集，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)特性和集成功能，配備有多種功能的擴(kuò)展模塊，性價(jià)比非常高。 變頻器簡(jiǎn)介 變頻器的工作原理是通過改變交流電頻率方式實(shí)現(xiàn)交流電的控制。變 頻器的電路一般由 4 個(gè)部分組成：整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制。變頻器作為功率的變換部件，可提供可控的高性能變壓變頻的交流電源。 電氣設(shè)計(jì)一般原則 一般，電氣控制系統(tǒng)應(yīng)滿足工業(yè)生產(chǎn)的加工工藝要求，線路以安全為先，可靠為主，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，節(jié)約成本等。為此，必須正確設(shè)計(jì)控制電路，合理的選擇電器元件。一般在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循以下原則： 1)最大限度地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械和工藝對(duì)電氣控制線路的要求。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)之前，首先要清楚控制系統(tǒng)的工作要求，對(duì)要使用的機(jī)械設(shè)備的工作性能，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際工作情況有充分的了解。從而作為 設(shè)計(jì)電氣控制線路的依據(jù)。 2)在滿足生產(chǎn)要求的前提下，力求使控制線路簡(jiǎn)潔明了和節(jié)約電器元件。盡量選用標(biāo)準(zhǔn)的、常用的或經(jīng)過實(shí)際考驗(yàn)過的環(huán)節(jié)和線路；盡量縮短連接導(dǎo)線的數(shù)量和長(zhǎng)度；盡量減少電氣的數(shù)量采用標(biāo)準(zhǔn)件；盡量減少不必要的觸點(diǎn)，簡(jiǎn)化電路；線路在使用過程中除必要的電路必須通電以達(dá)到工作要求外，其余的盡量處于斷電狀態(tài)以節(jié)約電能，并延長(zhǎng)電路的使用使命。 3)保證控制線路工作的可靠性。選用的電器元件要可靠、牢固、動(dòng)作時(shí)間少、抗干擾能力強(qiáng)；正確連接電器元件的線圈；正確連接電器的觸點(diǎn)；在控制線路中，采用小容量繼電器的觸點(diǎn)來斷開或 接通大容量接觸器的線圈時(shí)，要計(jì)算繼電器觸點(diǎn)斷開或接通容量是否足夠；在頻繁操作的可逆線路中，正反向接觸器應(yīng)加重型的接觸器，且應(yīng)有電氣和機(jī)械的聯(lián)鎖；防止觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象；防止寄生電路。 4)控制線路工作的安全性。電氣控制線路應(yīng)具有完善的保護(hù)環(huán)節(jié)，用以保護(hù)電網(wǎng)、電動(dòng)機(jī)、控制電器以及其他電器元件，消除不正常工作時(shí)的有害影響，避免因誤操作而發(fā)生故事。在控制系統(tǒng)中，常用的保護(hù)環(huán)節(jié)有短路、過流、過載、過壓、失壓、弱磁、上海建橋?qū)W院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 超速、極限等。有時(shí)設(shè)有合閘、正常工作、事故、分閘等指示信號(hào)。 5)操作和維修方便 ??10 。 電器元件的選用 （ 1） 1個(gè)電源 :使用帶有聲光報(bào)警系統(tǒng)的交流 380V 三相三線電源。 （ 2） 2個(gè)指示燈 :1 個(gè)用于通電指示， 1 個(gè)用作警示燈。 （ 3） PLC 的選型：選用西門子公司生產(chǎn)的 S7 200 6ES7 CPU224 DC/DC/DC,14 輸入 /10 輸出型作為堆垛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心。擴(kuò)展模塊選擇 6ES7 EM223 8 入 /8出 24VDC，開關(guān)量型。 （ 4）變頻器選型：按照變頻器總電流不超過額定電流的基本原則 ,本人選用西門子司生產(chǎn)的 MM440 變頻器作為行走電動(dòng)機(jī)、貨叉電動(dòng)機(jī)和升降電動(dòng)機(jī)的變頻器。因?yàn)樵诙讯鈾C(jī)存取貨物的過程中 ,運(yùn)行系統(tǒng)和貨叉系統(tǒng)是按照先后順序動(dòng)作的 ,為減少開支 ,運(yùn)行電動(dòng)機(jī)和貨叉電動(dòng)機(jī)使用同一臺(tái)變頻器并聯(lián)運(yùn)行 ,運(yùn)行電動(dòng)機(jī)按照大慣性負(fù)載啟動(dòng)的情況