【正文】 2 本章小結(jié) 27 結(jié)論 28 參考文獻(xiàn) 29 致謝 31 1緒論 課題研究的背景 自動(dòng)化立體倉庫的簡介自動(dòng)化立體倉庫庫的產(chǎn)生和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)之后生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，是一個(gè)典型的高技術(shù)密集型機(jī)電一體化產(chǎn)品，用一流的集成化物流理念，采用先進(jìn)的控制、總線、通訊和信息技術(shù)，通過以上設(shè)備的協(xié)調(diào)動(dòng)作進(jìn)行出入庫作業(yè)。 自動(dòng)化立體倉庫的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r從國內(nèi)發(fā)展情況來看，我國第一座自主研發(fā)由計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化立體倉庫由機(jī)械部起重所于1980年研制成功并交付使用（其總高15m，研發(fā)周期為13年，獲得了國家的關(guān)注與支持），而由國內(nèi)獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造的立體倉庫則是由儀征化纖工業(yè)聯(lián)合公司于1995年建成的滌綸自動(dòng)化立體倉庫，自動(dòng)化程度達(dá)到國際化水平[2]。它始于 1973 年，在接下來的 10 多年間，我國完成了系統(tǒng)的研制與應(yīng)用，但由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制，應(yīng)用非常有限。大概開始于1985年，比較明顯的特征為：通過引進(jìn)吸收、自主研發(fā)，研制成功了基于可編程邏輯控制器控制的立體庫系統(tǒng)，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴(kuò)展到醫(yī)藥、船舶、礦業(yè)、機(jī)械存儲(chǔ)、煙草存儲(chǔ)等行業(yè)，市場(chǎng)應(yīng)用得到大大的提高。大概開始于1998年，一家國內(nèi)公司發(fā)明了以傳感器激光測(cè)距為主要技術(shù)的立體倉庫。 第四階段為成熟應(yīng)用階段。目前我國的自動(dòng)化立體庫技術(shù)已經(jīng)基本成熟，并進(jìn)入大量應(yīng)用階段。 而從國外情況來看，自動(dòng)化立體倉庫是在物流和自動(dòng)控制技術(shù)快速發(fā)展背景下產(chǎn)生的一個(gè)高科技產(chǎn)品，它發(fā)源于北美洲。 自動(dòng)化發(fā)展最快的當(dāng)屬我們的鄰國日本，在1965開始有了第一座自動(dòng)化倉庫后，平均每年以300座的速度大規(guī)模興建。后來美國學(xué)者J．A．White把自動(dòng)化立體倉庫的發(fā)展劃分為五個(gè)階段：人工倉儲(chǔ)階段、機(jī)械化倉儲(chǔ)階段、自動(dòng)化倉段、集成化倉儲(chǔ)階段和智能化階段[3]。其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1) 實(shí)現(xiàn)密集存儲(chǔ)、提高空間利用率：立體倉庫通常采用7—25米高的巷道式高架貨架存儲(chǔ)，巷道堆垛機(jī)進(jìn)行存取貨物的操作空間只需一個(gè)貨位的寬度即可，空間利用率能達(dá)到常規(guī)倉庫的5—10倍；2 ) 實(shí) 現(xiàn) 倉 儲(chǔ) 物 流 的 全 自 動(dòng) 化 ： 立 體 倉 庫 的 貨 物 存 取 采 用 全 自 動(dòng) 巷 道 堆 垛 機(jī) ， 出 入 庫 系 統(tǒng) 采 用 各 種 輸 送 設(shè) 備 ， 這 些 設(shè) 備 通 過 統(tǒng) 一 的 控 制 系 統(tǒng) 調(diào) 度 、 監(jiān) 控 、 管 理 ， 實(shí) 現(xiàn) 整 個(gè) 倉 儲(chǔ) 系 統(tǒng) 的 全 無 人 自 動(dòng) 化 運(yùn) 行 。 4) 協(xié)調(diào)各生產(chǎn)工序的不平衡。 堆垛機(jī)的簡介起重和搬運(yùn)是堆垛機(jī)在立體倉庫中最常見的兩個(gè)作用，在系統(tǒng)的控制下堆垛機(jī)能夠在自動(dòng)化立體倉庫的巷道中往返運(yùn)行并存取貨物。而有軌巷道堆垛機(jī)的分類有各式各樣的方式，大體上都是通過支承方式、用途、控制方式、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行軌跡等來劃分。 1）按結(jié)構(gòu)形式，堆垛機(jī)可分為雙立柱有軌巷道堆垛機(jī)和單立柱有軌巷道堆垛機(jī) 。這種結(jié)構(gòu)剛度高并且平穩(wěn)性好，在要求取貨高度高、貨物質(zhì)量大和行走速度高的場(chǎng)合應(yīng)用比較廣泛。這種結(jié)構(gòu)使用材料相對(duì)較少，這樣就減輕了整機(jī)的重量，同時(shí)降低了產(chǎn)品投入成本。2) 按運(yùn)行軌跡形式不同，堆垛機(jī)可分為直線運(yùn)行型堆垛機(jī)和曲線運(yùn)行型堆垛機(jī) 。不過因?yàn)槠滠壍罏橹本€，該類型的堆垛機(jī)可以在高速情況下運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)立體庫的高頻率作業(yè)，在物流行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。不過考慮場(chǎng)地的利用率問題，軌道的轉(zhuǎn)彎半徑不宜過大，這樣堆垛機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)就不能高速運(yùn)行，因此此種堆垛機(jī)應(yīng)用在巷道比較多而堆垛機(jī)比較少且出入庫頻率不高的工作場(chǎng)合。立體倉虧最重要的部分是軌道堆垛機(jī)，軌道堆垛機(jī)因?yàn)樽饔脧V泛而得到推廣使用。在堆垛機(jī)的在機(jī)架機(jī)械中，機(jī)架上安裝有伸縮貨叉，用來取貨和送貨，通過機(jī)架上的絲杠來控制貨叉的長度。 在19世紀(jì)初堆垛機(jī)的雛形出現(xiàn)在美國。這個(gè)時(shí)候的巷道堆垛機(jī)一般由以下幾個(gè)部分組成，升降電機(jī)、運(yùn)行電機(jī)、固定軌道、底盤、機(jī)身、機(jī)架、伸縮貨叉，并且搭配必要的電氣設(shè)備。這種堆垛機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置安裝在底盤的兩側(cè)，有利于平時(shí)的保養(yǎng)、維修和拆運(yùn)。隨著各國技術(shù)交流逐漸增多，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和物流倉儲(chǔ)技術(shù)也得到了很快的發(fā)展，技術(shù)越來越好，所以應(yīng)用越來越廣泛，同時(shí)為了滿足大型立體庫的技術(shù)要求，堆垛機(jī)的整機(jī)高度也在不停的提高。堆垛機(jī)是立體倉庫的重要部分，技術(shù)是伴隨著自動(dòng)化倉儲(chǔ)技術(shù)慢慢發(fā)展起來的。跟國外比較，我國堆垛機(jī)存在最低存取貨物高度比較低（世界一流水平），高速運(yùn)行的安全性和精確度都顯著提高，而且穩(wěn)定性等問題也越來越好，所以我國堆垛機(jī)在綜合性能方面步入世界發(fā)達(dá)國家行列。隨著物流倉儲(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展，物流倉儲(chǔ)的高效率性對(duì)堆垛機(jī)的存取速度提出了更高的要求，研制運(yùn)行平穩(wěn)可靠、認(rèn)址準(zhǔn)確、起動(dòng)制動(dòng)靈敏、運(yùn)行振動(dòng)小、噪音小等綜合性能高的運(yùn)行速度達(dá)到 160～200m/min 以上的高速堆垛機(jī)成為今后的主要發(fā)展方向[6]。高效的、合理的倉儲(chǔ)能加快物資流動(dòng)、降低成本并可以對(duì)資源進(jìn)行有效的控制和管理。在這種情況下，能代表現(xiàn)代企業(yè)先進(jìn)水平的自動(dòng)化倉庫也就應(yīng)運(yùn)而生。我國在 1973 年自主研制出第一座計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化立體倉庫，深受國家的關(guān)注與支持。據(jù)可靠調(diào)研，我國很多行業(yè)都用到自動(dòng)化立體倉庫，主要應(yīng)用于機(jī)械制造、礦業(yè)、船舶、航空航天、食品加工、煙草等行業(yè)。據(jù)教育部高校物流專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，到 2014年，我國大專以上物流人才需求量為 30 萬至 40 萬，而國內(nèi)物流教育起步較晚，于是各高校紛紛投資興建物流實(shí)驗(yàn)中心，為培養(yǎng)高素質(zhì)物流人才搭建理論與實(shí)踐的平臺(tái)[7]。良好的堆垛機(jī)應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；(1)擁有多個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的控制，即水平方向的來回行走，實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的列定位；載貨臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的層定位；貨叉的雙向伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)貨物的存取。(3)在機(jī)械結(jié) 構(gòu)滿足 強(qiáng)度、剛度及 可靠性的 原則下，各 部分 的質(zhì) 量盡 量 減少，減 小堆 垛機(jī)在 加速和 制動(dòng)時(shí)的 慣性沖 擊，同 時(shí)還 能節(jié)省 制 造 成 本。堆垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)大致如圖21。其主要功能是由水平行走電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪在地軌上運(yùn)動(dòng)，完成巷道堆垛機(jī)的巷道水平方向的行走運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)貨格列方向的定位。 本機(jī)構(gòu)的下橫梁運(yùn)用 10mm 后的鋼板經(jīng)過加工焊接而成，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪兩端的軸承安裝孔，在加工的過程中應(yīng)用加工中心旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)經(jīng)過一次裝夾，鏜削而成，有效的保證了主動(dòng)輪和從動(dòng)輪軸線的平行性，對(duì)堆垛機(jī)的水平行走的平穩(wěn)性起到了很好的作用。 貨叉部分堆垛機(jī)的存取貨裝置主要有機(jī)械抓取式存取裝置、電磁或真空吸盤存取裝置、旋轉(zhuǎn)抓取裝置和伸縮貨叉存取裝置，本項(xiàng)目選用最為常用的伸縮貨叉存取裝置[10]。本文選用齒輪齒條傳動(dòng)方式，其主要由上叉、中叉、下叉、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向輪和貨叉電機(jī)等組成。 為了保證貨叉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后能實(shí)現(xiàn)在貨架上邊正常存取貨物。 載貨臺(tái)載貨臺(tái)是貨物的承載單元，其主要由導(dǎo)向輪、導(dǎo)輪架、載貨臺(tái)體、導(dǎo)向座、及滑輪組等組成，其上安裝有貨叉裝置、斷繩保護(hù)裝置、升降認(rèn)址裝置、貨物位置異常檢測(cè)裝置等。在載貨臺(tái)上與立柱導(dǎo)軌接觸的三個(gè)面上都安裝有導(dǎo)向輪，以保證載貨臺(tái)沿著立柱導(dǎo)軌平穩(wěn)的升降。 提升機(jī)構(gòu)提升機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)載貨臺(tái)垂直提升的動(dòng)力及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，堆垛機(jī)常用的三種提升方式有：鏈條提升、鋼絲繩卷筒提升以及鋼絲繩曳引輪提升方式三種[12]。曳引式提升機(jī)構(gòu)體積小巧而且提升高度不受限制，但是堆垛機(jī)要水平行走，所以配重裝置勢(shì)必會(huì)晃動(dòng)產(chǎn)生噪音，而且配重裝置需要設(shè)到立柱里面沿著立柱內(nèi)壁上下行走，維修和安裝比較麻煩。所以在對(duì)堆垛機(jī)的控制過程中加入了聯(lián)鎖保護(hù)，堆垛機(jī)在水平行走過程中，載貨臺(tái)的垂直提升運(yùn)動(dòng)和貨叉的伸縮運(yùn)動(dòng)是被鎖定的，只有當(dāng)水平定位完成后，載貨臺(tái)才能垂直運(yùn)動(dòng)，貨叉在垂直方向定位完成后才執(zhí)行伸縮操作。3) 斷電保護(hù) 本文中的所有電機(jī)都帶有自動(dòng)抱閘功能。4) 載貨臺(tái)超載保護(hù) 堆垛機(jī)為了防止超載，本文添加了機(jī)械式超載限制器。當(dāng)重量在額定重量以下，但在額定中量的80%以上時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警的信號(hào)。確定了堆垛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)形勢(shì)為單位立柱巷道堆垛機(jī)，并對(duì)水平行走結(jié)構(gòu)、貨叉、載貨臺(tái)、提升機(jī)構(gòu)、安全防護(hù)進(jìn)行了分析。 31 3 控制方案設(shè)計(jì)3 控制方案設(shè)計(jì) 堆垛機(jī)整體控制方案設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)是堆垛機(jī)的重要組成部分，堆垛機(jī)需要在立體庫中穿梭并完成存貨、取貨的功能，其必須具備水平行走、垂直提升和貨叉伸縮三方向的運(yùn)動(dòng)，并且具備較好的速度控制和準(zhǔn)確的定位功能，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，接下來本文從堆垛機(jī)控制方式和控制功能角度為堆垛機(jī)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 （1）手動(dòng)控制方式 手動(dòng)方式一般用于兩個(gè)時(shí)候。還有堆垛機(jī)發(fā)生異常時(shí)的操作，可以通過手動(dòng)方式在有聯(lián)鎖保護(hù)的條件下對(duì)堆垛機(jī)的行走、升降、伸縮貨叉等單獨(dú)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)在三個(gè)運(yùn)行方向的任意定位。在此方式下，操作人員可以直接在操作面板上設(shè)定作業(yè)內(nèi)容和地址，控制堆垛機(jī)單步在巷道中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位并進(jìn)行貨物的存取等操作。 （3） 單機(jī)控制方式 堆垛機(jī)在單機(jī)運(yùn)行時(shí)就是處于這種控制方式。 （4）計(jì)算機(jī)控制方式 堆垛機(jī)正常運(yùn)行時(shí)主要采用聯(lián)機(jī)自動(dòng)方式，堆垛機(jī)通過光調(diào)制解調(diào)器接收來自控制計(jì)算機(jī)的操作指令，完成相應(yīng)的入出庫作業(yè)，并向控制計(jì)算機(jī)反饋?zhàn)鳂I(yè)狀態(tài)信息及故障信息。 （2）位置控制 為了高效準(zhǔn)確的存取貨物，堆垛機(jī)就必須以合適的速度和尋址定位方法實(shí)現(xiàn)其在貨位或出入貨口的準(zhǔn)確定位，這就對(duì)堆垛機(jī)位置控制的可靠性提出了較高的要求，從堆垛機(jī)的工作流程可知，其定位包括：水平行走定位、垂直升降定位和貨叉伸縮定位。 （4）保護(hù)功能 為了保證人身、貨物及設(shè)備的安全，堆垛機(jī)需配備有完善的硬件及軟件的安全保護(hù)裝置，并在電氣控制上采取一系列聯(lián)鎖和保護(hù)措施。 控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及硬件選型 PLC技術(shù)與選型PLC 是可編程控制控制器（Programmable Logic Controller）的英文縮寫，是以微處理器為核心，并集微電子、網(wǎng)絡(luò)通訊和自動(dòng)化控制技術(shù)于一體，主要由中央處理單元、存儲(chǔ)器、電源單元、輸入輸出單元、接口單元和外部設(shè)備組成[14]。 S7200 系列PLC價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)行速度快，編程指令集豐富，具有強(qiáng)大的多中集成功能和實(shí)時(shí)性，性價(jià)比高并能滿足我們控制的要求，所以選擇其作為控制核心，并選擇CPU226作為主機(jī)控制單元[15]。 2）具有連接7個(gè)擴(kuò)展模塊的能力，最大數(shù)字量I/O點(diǎn)可擴(kuò)展到248路，最大模擬量I/O點(diǎn)可擴(kuò)展到35路。 4）擁有獨(dú)立的30kW的高速計(jì)數(shù)器6個(gè)，獨(dú)立的20kW高速脈沖輸出2路。 6) 具有RS485通訊/編程口2個(gè)。其應(yīng)用范圍非常廣泛，不僅能夠完成轉(zhuǎn)動(dòng)控制、直線運(yùn)動(dòng)控制，簡單的曲線運(yùn)動(dòng)控制而且能夠依靠多套伺服的配合加上電氣元件，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的空間曲線運(yùn)動(dòng)的控制。伺服系統(tǒng)有很多種分類方法。按照被控制量性質(zhì)不同可分為位置控制、速度或加速度控制、力或力矩控制、速度或位置的同步控制等伺服系統(tǒng)等。速度控制伺服系統(tǒng)的核心是速度控制單元，用來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)而言，為獲得速度等運(yùn)動(dòng)輸出，其基本輸入量應(yīng)當(dāng)是控制力，即通過將速度傳感器的檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成“控制力”，系統(tǒng)中的其它各種輸入方式最終都是通過“力”來表現(xiàn)，所謂運(yùn)動(dòng)控制，都是對(duì)“力”的控制。 本項(xiàng)目的貨叉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和垂直提升機(jī)構(gòu)選用了三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，所以本文側(cè)重介紹三相異步