立体仓库模拟装置的设计及控制【含CAD图纸】
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山西工程技术学院毕业设计说明书毕业生姓名:李雅瑞专业:机械电子工程学号:180533004指导教师:赵丽所属系(部):机械电子工程系二二年五月立体仓库模拟装置的设计及控制摘 要自动化立体仓库是物流中的重要组成部分,它是在不直接进行人工干预的情况下自动地存储和取出物流的系统。它是现代工业社会发展的高科技产物,对提高生产率、降低成本有着重要意义。堆垛机是自动化立体仓库中最重要的起重堆垛设备,它能够在自动化立体的巷道中来回穿梭运行,将位于巷道口的货物存入货格;或者相反取出货格内的货物运送到巷道口。本文首先针对小型立体仓库中普遍使用的双立柱堆垛机形式提出设计方案,分析其结构组成,对其升降机构、行走机构、货叉伸缩机构进行设计,并对各个机构的受力情况进行分析计算、校核。之后重点论述了立体仓库控制系统的原理,结构和特点,对控制系统进行设计,并提出堆垛机的速度控制和精确定位方法。针对立体仓库的存取特点,对堆垛机的硬件部分进行设备选型与参数计算,设计出电气原理图,并给出了PLC控制程序梯形图。【关键词】立体仓库;机械结构;PLC;控制系统。2 Design and Control of Stereo Warehouse SimulatorAbstract Automated warehouse is an important part of logistics. It is a system that automatically stores and takes out logistics without direct manual intervention. It is a high-tech product of the development of modern industrial society, which is of great significance to improve productivity and reduce costs. The stacker is the most important lifting and stacking equipment in the automatic three-dimensional warehouse, which can shuttle back and forth in the automatic three-dimensional roadway, and store the goods located in the roadway entrance into the cargo space; or instead take out the goods in the cargo compartment to transport to the roadway entrance. In this paper, the design scheme of double-column stacker is put forward, its structure composition is analyzed, its lifting mechanism, walking mechanism and fork telescopic mechanism are designed, and the stress of each mechanism is analyzed and calculated and checked. The principle, structure and characteristics of the three-dimensional warehouse control system are discussed, and the control system is designed. According to the access characteristics of the three-dimensional warehouse, the hardware part of the stacker is selected and the parameters are calculated, the electrical schematic diagram is designed, andthe ladder diagram of the PLC control programKeywords :Stereo warehouse; Mechanical structure; PLC; control system.i 目 录摘 要iAbstractii1 立体仓库模拟装置的设计及控制11.2国内外研究现状及发展趋势31.3本课题的研究目的及主要研究内容42 立体仓库机械结构的设计52.1堆垛机机械结构组成52.2堆垛机升降机构的设计计算52.2.1升降机构零部件的设计计算52.2.2升降机构的电机减速器的选取62.2.3制动器的制动容量的设计62.3堆垛机行走机构的设计计算62.3.1堆垛机走行轮的设计计算62.3.2走行装置的电机、减速器的选取72.4堆垛机伸缩货叉机构的设计计算82.4.1伸缩货叉的扰度与强度92.4.2货叉各参数的选择132.4.3货叉内部零件的选取与校核132.4.4货叉伸缩装置中的电机、减速器的选取173 立体仓库模拟装置的设计及控制183.1 堆垛机系统183.2立体仓库控制系统的功能要求193.3立体仓库控制系统主控制器的选择203.3.1 PLC简介213.3.2 PLC各部分功能223.4堆垛机的速度控制方案233.4.1变频调速技术的优点233.4.2变频器的基本结构243.4.3变频调速的工作原理253.5堆垛机的定位控制方案264 立体仓库控制系统硬件设计274.1立体仓库控制系统结构274.2变频器的选型284.2.1 VS-616G5型变频器的特点284.2.2 VS-616G5型变频器的端子配备284.2.3变频器的容量计算294.2.4 PG速度控制卡的选择304.3 PLC的选型314.3.1 FX-2N系列PLC的特点324.3.2机型的配置324.4其它主要硬件的选取324.4.1旋转编码器324.4.2光电开关344.4.3电磁闸344.4.4断路器、接触器344.5立体仓库控制系统的电气原理图355 立体仓库控制系统软件设计365.1程序设计软件365.2 I/O点数的分配375.3立体仓库控制系统程序设计405.4立体仓库控制系统梯形图45结 论46参 考 文 献47附 录48英文资料58中文译文60致 谢62山西工程技术学院毕业设计说明书1 立体仓库模拟装置的设计及控制1.1研究背景及其意义自动化立体仓库是物料搬运、仓储科学的一门综合科学技术工程。它以高层立体货架为主要标志,以成套先进的搬运设备为基础,以先进的计算机控制技术为主要手段,是实现搬运、存取机械化、自动化,储存管理现代化的新型仓库。它具有占地面积小、储存量大、周转快的优点,是集信息、存储、管理于一体的高技术密集型机电一体化产品。将自动化立体仓库应用在立体库中,利用它自身的优势,可以实现货物的自动存取。立体仓库的产生和发展是现代物流体系发展的要求和信息技术进步的结果。随着立体仓库的越来越多,立体仓储技术已成为一门新兴的学科。堆垛机是自动化仓库的主要作业机械,担负着出库,入库等任务,是立体仓库的核心部件。自动化仓库的发展就是以堆垛机的发展为主要标志的,目前巷道式堆垛机为主要发展方向。堆垛机是自动化立体仓库中货物进出仓库的主要执行设备,如图1-1所示。其基本结构一般主要由机架、运行机构、起升机构、载货台、货叉、电气设备以及各种安全保护装置等部分组成。图1-1 堆垛机实物图(l)机架堆垛机的机架由立柱、上横梁和下横梁组成一个框架。整机结构高而窄。机架可以分为单立柱和双立柱两种类型。双立柱结构的机架由两根立柱和上、下横梁组成一个长方形的框架。这种结构强度和刚性都比较好,适用于起重量较大或起升高度比较高的场合。单立柱式堆垛机机架只有一根立柱和一根下横梁,整机重量比较轻,制造工时和材料消耗少,结构更加紧凑且外形美观。(2)运行机构运行机构主要由电动机(带制动器)、减速器、车轮组成。目前常采用的下部支承及驱动的堆垛机。运行机构安装在下横梁一端,下部车轮为主动轮,另一端为被动轮。有时堆垛机为了实现转巷道作业,被动轮安装在转向轮座上,可以保证在转巷道时有较小的回转半径。(3)起升机构堆垛机的起升机构由电动机、制动器、减速机、卷筒或链轮、钢丝绳或链条以及滑轮等零部件组成。目前,常用带制动器的电机。减速机的采用视传动比需要和结构布置而定。蜗轮蜗杆减速器结构紧凑、安装简单,但传动效率较低。行星齿轮减速器则在电机轴方向尺寸较大。其它零部件如钢丝绳、滑轮都选用标准件。(4)载货台载货台是货物单元承载装置,通过钢丝绳或链条与起升机构联结。载货台沿立柱上的导轨升降。货叉机构安装在载货台上,有司机室的堆垛机,司机室也装在载货台上。有拣选功能的堆垛机,拣选平台也安装在载货台上。载货台通常有一个刚性框架,为沿导轨运行而装有导轮。(5)货叉伸缩机构货叉伸缩机构是堆垛机的主要工作机构,其结构特点是能够双向伸出,以便向两侧货格送人(取出)货箱。缩回后,货叉连同载货台一起随大车在巷道内运行。为此,货叉伸缩机构的设计要求是:货叉完全伸出后,其长度须为原来长度的两倍以上。货叉全收回后,结构尺寸需尽量小。(6)电气设备主要包括电力拖动、控制、检测和安全保护等强、弱电电气设备,三个主要机构的电力拖动系统,目前国内外普遍采用变频调速控制,从而满足堆垛机高速运行、换速平稳、低速停准的要求。检测系统必须具有堆垛机自动认址、货虚实探测、货箱位置检查等功能。(7)安全及联锁机构堆垛机是一种起重机械,它要在又高又窄的巷道内高速运行。为了保证人身及设备的安全,堆垛机必须配备完善的硬件及软件的安全保护装置,并在电气控制上采取一系列联锁和保护措施。除了一般起重机常备的安全保护措施(如各机构的终端限位和缓冲、电机过热和过电流保护、控制电路的零位保护等)外,还应根据实际需要,增设各种保护。1.2国内外研究现状及发展趋势目前,立体仓库己经走入系列化,运行噪声低,备有各种安全保护装置,调速性能好,一般都具有完善的货物位置检测和货物尺寸检测等功能。国外立体仓库普遍采用抗干扰能力强、工作可靠的可编程控制器来控制巷道堆垛机以及出入库系统,并且用计算机进行货位管理和库存管理,仓库管理计算机与上级管理机联网并能与控制系统相接,实现在线控制。而在堆垛机方面,不断推出具有新的物理外形和更高性能的设备。最新的开发包括提高电子和控制技术,在使堆垛机具有更高定位精度的同时,提高搜索能力和运行速度,以期获得更短的操作周期和更大的生产能力。目前,巷道式堆垛机的起升速度己经可以达到90m/min,运行速度达到240m/min,货叉伸缩速度达到30m/min。在有的高度较大的立体仓库中,已采用上、下两层分别用巷道堆垛机进行搬运作业的方法提高出入库的能力。我国是从20世纪70年代初期开始研究采用巷道式堆垛机的立体仓库。1980年,由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成了我国第一座自动化立体仓库,并在北京汽车制造厂投产。从此以后,立体仓库在我国得到了迅速的发展。目前,浙江海通集团是国内最早建造2000吨立体自动化低温冷库的企业,其中采用了由电脑程序控制、5台自动巷道堆垛机无人操作自动进出库等先进技术。目前,在国内立体仓库堆垛机的驱动机构中,电机减速机普遍采用德国、日本、意大利的产品,也有少数采用国内的电机减速机。由于堆垛机是立体仓库中最重要的运输设备,各项技术参数和综合性能的要求都非常严格,如无故障率应大于97,停准精度10mm,以及噪音要求等。这就要求电机减速机的可靠性非常高。因此,现阶段在驱动机构中电机减速机的选用上,多选用国外先进的产品,以保证堆垛机的整机性能。随着现代工业生产的发展,堆垛机技术在不断地提高和完善。我们应当看到自身与世界先进技术的差距,总结经验,找出不足,推出更高性能的堆垛机。在使堆垛机具有更高定位精度的同时,提高运行速度,以缩短周期、提高生产能力。相信通过我们的不断努力,更加高速、安全、可靠的堆垛机将不断从国外引进消化到国内,使我国堆垛机技术发展到一个新的阶段。1.3本课题的研究目的及主要研究内容本文综合分析立体仓库的发展现状和趋势,根据设计要求,设计了一套小型立体仓库,对其堆垛机升降机构、行走机构、伸缩货叉机构等机械结构部分进行设计计算,并综合运用交流变频调速、PLC控制、位置检测等技术,为小型立体仓库的正常运行设计一套比较完整的控制系统,使其更好地担负起出、入库的任务。具体包括以下内容:第一章 绪论,主要介绍课题研究背景及意义,并分析了小型立体仓库的研究现状及其发展。第二章 立体仓库机械结构设计,主要对小型立体仓库堆垛机的升降机构、行走机构、伸缩货叉机构等机械结构部分进行设计计算,并进行电机及减速器的选取。第三章 立体仓库控制系统的方案设计,提出小型立体仓库的功能要求,对其控制系统的主控制器进行选择,同时确定出堆垛机的速度和定位控制方案。第四章 立体仓库控制系统硬件设计,构建立体仓库控制系统结构,根据设计要求选择合适的变频器和PLC,对旋转编码器、光电开关、电磁阀、断路器、继电器等硬件进行选取,并绘制控制系统电气原理图。第五章 立体仓库控制系统软件设计,根据所选PLC型号,确定程序设计软件,进行I/O点数的分配,从货叉控制、层数与列数计算、快车运行控制、换速控制、停车控制、检修点动控制等几个方面进行程序流程设计,并编写控制系统梯形图。2立体仓库机械结构的设计2.1堆垛机机械结构组成堆垛机是立体仓库中最重要的起重运输设备,主要用来在高层货架仓库的巷道内沿轨道运行完成入库、出库作业,即将位于巷道口的货物存入货格,或是取出货格中的货物运送到巷道口。本立体仓库的机械结构部分设计主要是针对堆垛机进行设计,该堆垛机结构主要有三个机构组成:(1)升降机构升降机构由电动机、制动器、减速器、卷筒、钢丝绳及防落安全装置组成。升降机构的工作速度一般控制在1525m/min,最高可达45m/min,设计时选取20m/min。(2)行走机构行走机构由电动机、联轴节、制动器、减速器和行走轮组成。在其顶部设置导向轮沿固定在货架上弦的导轨导行。下部装有水平导轮沿货架下部的水平导规导行。行走机构的工作速度依据巷道长度和物料出入库频率而定,正常工作速度控制在50100m/min,最高可达到180m/min,设计时选取90m/min。(3)货叉伸缩机构货叉伸缩机构是堆垛机的取放物料装置,它有前叉、中间叉、固定叉、驱动齿轮等组成。货叉伸缩机构的工作速度控制在15m/min,最高可达30m/min,设计时选取20m/min。2.2堆垛机升降机构的设计计算 升降机构采用钢丝绳卷筒装置结构,用钢丝绳作柔性件,质量轻,工作安全,噪声小,其传动装置一般装在下部。卷筒为带沟的圆筒,钢丝绳在沟内缠绕的方向与缠入沟内的钢丝绳方向之间的角度不超过4度。 升降机构的设计传动链:电机-联轴器-减速器-卷筒-钢丝绳-货台。2.2.1升降机构零部件的设计计算定滑轮的轴径与轮径的设计计算:则对定滑轮n=100020/3.14d,p=(1500+2300)10/4=9500N则 mm选取滑轮的轴径d=50mm,轮径D=100mm则滑轮的转速n=127.39r/min选取卷筒的直径为D=200mm,卷筒的轴径取为d=85mm则卷筒的转速n= nD/ D=63.7r/min每根钢丝绳所承受的拉力为F=(1500+2300)10/4=9500N=9.5KN则手选钢丝绳为第二组619(a)类。选取钢丝绳公称直径为6mm,公称抗拉强度为1570MPa钢芯钢丝绳的最小破断拉力为20.10KN9.5KN,满足要求。2.2.2升降机构的电机减速器的选取将载荷W+货台的自重G以速度v米/分提升时的功率为:=KW (2-1)由此,选取电机型号为Y315S-10,额定功率为55KW,效率为92%,转速为590r/min,选取安装型式为B3,国际标准机座号为315S75。则减速器的传动比为i=590/63.7=9.25减速器的型号为ZLY(低速级中心距)180。2.2.3制动器的制动容量的设计 在堆垛机上使用的制动器,在走行装置上作走行减速与停止之用。在升降方面用来使运动中的载荷减速并在停止后保持安全,必须有足够的制动转矩。一般规定,提升装置的制动器的制动转矩应为相当于额定载重量的货物被吊起时的最大转矩值的1.5倍以上,但一般在走行方面的制动转矩值为电机额定转矩的100%即可。2.3堆垛机行走机构的设计计算首先,堆垛机的驱动型式设计成“下部支承下部驱动型”,该型式的走行装置安装在下梁上,通过减速装置驱动走行轮,走行轮支承堆垛机的全部重量,在单轨上走行。2.3.1堆垛机走行轮的设计计算走行轮有主动轮与从动轮各1个,由于堆垛机在操作货叉时的反作用力会对走行轮产生侧压,为了防止走行轮由于侧压脱轨与走行中的爬行现象,需安装侧面导轮驱动轮的末端齿轮采用轮轴直接连接的驱动方式。走行轮的允许载重量等各参数间有下列关系式:P=KD(B-2r)(kg) (2-2)K=(kg/cm) (2-3)式中,P允许载重量(kg) D车轮的踏面直径(cm) B钢轨宽(cm) r钢轨头部的圆角半径(cm) K许用应力系数(kg/cm) v走行速度(m/min) k许用应力(球墨铸铁的许用应力为50) (kg/cm)首先确定B=6.4cm,r=0.2cm, k=50 kg/cm, v=90m/min,则K=36.4(kg/cm) (2-4) P=()/4=(350+2300+400+400+0.85+350)/4=7200/4=1800kg (2-5)则代入上式可得:D=8.2cm,则车轮的轴径为d=11.2mm取d =50mm,车轮直径可适当取大为D=100mm则走行轮的转速为n=901000/100=287r/min轴上的轴承选取型号为61810,基本尺寸为:d=50mm, D=65mm, B=7mm.2.3.2走行装置的电机、减速器的选取走行装置在额定速度下必需的功率为:P=(KW) (2-6)其中,式中,走行阻力 d走行轮轴的直径 摩擦系数 f滚动摩擦系数 Q堆垛机的总重量由此,求得P= (2-7)则可选取电机型号为Y200L1-2,转速为2950r/min,额定功率为30KW,效率为90%,且3090%=27,可选。安装型式选取B3,国际标准机座号为200L55。为此,减速器的传动比为i=2950/287=10.28,则可选取减速器标准型号为ZLY(低速级中心距)200。2.4堆垛机伸缩货叉机构的设计计算货叉是堆垛机中最主要的部分,所设计的货叉,是三节伸缩式货叉,即由上叉、中叉、下叉以及导向滚子等构成的货叉,它主要由电机、减速器、链轮、链条、齿轮、齿条、下叉、中叉、上叉、轴承等组成,如图2-1所示。1.下叉 2.中叉 3.上叉 4.轴承 5.齿轮 6.齿条 7.链轮图2-1 货叉组成下叉1侧面装有轴承4并固定在载货台的台架上,中叉2的下板与工字行导轨相连,上叉4的顶板与立板相连,在立板上装有轴承4.货叉电机通过链轮链条带动齿轮5旋转,齿轮带动齿条及中叉2运动,同时中叉2中的链轮7通过链条带动上叉3沿着中叉2中的工字行导轨运行.中叉可在齿轮、齿条或链轮、链条的驱动下从中叉的中点,向前或向后移动大约自身长度的一半,上叉可从中叉的中点,向前或向后伸出比自身稍长的长度。2.4.1伸缩货叉的扰度与强度图2-2 货叉参数如图2-2所示,所设计的货叉是指货叉插入货架中的部分,应以厚度尽量薄,同时叉前端的扰度控制在最小,作为设计的目标。货叉各参数如下:W:载荷I ,I ,I:分别为下叉、中叉、上叉的重力方向的惯性矩E:材料的纵弹性系数2.4.1.1下叉的受力分析计算:图2-3 下叉受力分析如图2-3所示,假设l为不变形部分的长度,P=W l/b ,ax l时的弯矩为M= - P(x-a) (2-8)i=i-dx= i- +(x-a) (2-9)= ix-dx= ix-+(x-a) (2-10)当x= i时, =0i= -( i+b) (2-11)将(3)代入(1),x=l时c点的倾角与为t= -,= -l2.4.1.2中叉的受力分析计算图2-4(a)中因载荷W的作用,在b间产生反力P,P,设点的倾角为i,扰度为,M= Px=x = -= -i= -+i (2-12)= -+ ix+ (2-13) 因x=b时, =0, =0,则i= (2-14)将(6)代入(4),求x=b时的倾斜角i= -,= -(a)(b)图2-4 中叉受力分析图2-4(b)中把b段作为刚性,c点作为固定端考虑,并设由于W在中叉产生的反力为P和P,而由这些反力作用在叉子前端产生的扰度为和,则M= - P(x-d)+ Px (2-15)P=W,P=W = -dx= - Px- P(x-d) (2-16)在x=l时 = -(e+d) l-e(l-d) (2-17)其次i= -dx= - (2-18)当x=l时,i= -e(l-d)+(e+d)l (2-19)所以,= i(l-l) (2-20)2.4.1.3前叉的设计分析计算载荷W在d区间产生的反力有P, P,在E点的倾斜角为i,扰度为,受力分析如图2-5所示:图2-5 前叉受力分析则M=x= -= - (2-21)i= -+i (2-22)= -+ix+ (2-23)当x=d时, =0, =0 , i= (2-24)将(9)代入(7),当x=d时 i= -,= -(l-l) 因此,设载货台和立柱为刚性时,伸缩货叉工作的总扰度为=+ (2-25)(注)当托盘货架进深为110厘米时,值应控制在1015毫米。 2.4.2货叉各参数的选择a=65cm b=40cm c=20cm d=40cm e=15cml=100cm l=60cm l=75cm l=120cm故可取上叉、下叉、中叉长为:L= l=25=110cm L=b+c+d+25=110cm L= l-c+ 25=110cm上叉为板状,并取其宽也为110cm,厚度取10cm,其余数据见装配图上标注。因各数据取值都较大,故能满足条件。 2.4.3货叉内部零件的选取与校核2.4.3.1轴承4的选取校核设计选取货叉伸缩机构的工作速度为10m/min则每各轴承所承受的压力为F=150010/4=3750N转速为n=10000r/d (r/min), 取C=110,则d=C=110 (2-26)带入参数得,d=16.2mm取d=20mm,则n=10000/20=159.2r/min 查表7-2-52,选择深沟球轴承,代号为6404其基本参数为:d=20mm D=72mm B=19mm c=31.0KN c=15.2KN 径向载荷 F=150010/4=3750N 轴向载荷F=0N F/ F=0e=0.26 查表得x=1 y=0 P=x F+y F= F=3750N又查表得:f=1.1 f=1 f=0.485 f=2.29 f=1故C= P=3750=19.4KN31.0KN= c轴承的额定静载荷P=0.6 F+0.5 F=22503750N因P F 故取 P= F=3.75KNh=6000h 故轴承寿命满足条件。则轴承选取合适。2.3.3.2齿轮5的选取校核1.选取齿轮为45钢,调质处理,齿面硬度HB=217255,平均硬度为236 2.初步计算传动尺寸 为软齿面开式传动d= (2-27)(1)转矩T=9.55P/n=162.43d Nmm (2)设计时,因V值未知,K不能确定,故可初选K=1.4 (3)取齿宽系数=1.1(4)取弹性系数Z=189.8 (5)初选螺旋角=12,取节点区域系数Z=2.46 (6)初选Z=23,齿条Z=则得重合度=1.88-3.2(1/ Z+1/ Z)cos=1.7取轴面重合度=0.318Ztg=1.77取重合度系数Z=0.765(7)取螺旋角系数Z=0.99(8)许用接触应力由式= 取接触疲劳极限应力为=595MPa 齿轮的应力循环次数分别为N=60naL=1.08 取寿命系数Z=1.06 取安全系数S=1.0 则=630.7 Mpa (9)齿轮的分度圆直径d,初算为u=Z/Z= 故 则d=130mm3.确定传动尺寸(1)计算载荷系数取使用系数K=1.0因V=取动载系数K=1.15取齿向载荷分布系数K=1.11取齿间载荷分配系数K=1.2故K= K K K K=1.53 (2)对修正d=133.9mm (3)确定模数m=dcos/Z=5.69 取m=6 (4)故d=141mm 并取b=50mm 4.校核齿根弯曲疲劳强度= (2-28)式中各参数:(1)各值同前(2)因当量系数Z=Z/cos12=23.5 故取齿形系数Y=2.64,应力修正系数Y=1.58(3)取重合度系数Y(4)取螺旋角系数Y(5)许用弯曲应力 取弯曲疲劳极限应力 取寿命系数Y, 取安全系数S 故 =1.0 则 =4.29MPa176MPa= 故能满足齿根弯曲疲劳极限。 设计合理。2.4.3.3链轮、链条的选取校核 设轴径d=80mm,链传动比i=1 链速n=V=159.2r/minP=0.11. 选择链轮齿数:初步确定Z=212. 定链的节距 取K,齿数系数K,多排链系数K 所需传递功率为 由此,可选取满足条件的08A链,P=12.7mm 3. 定链长、中心距 初定中心距a=40p,则链节数 L=101节 链长L=LP/1000=10112.7/1000=1.28m 中心距a=508mm 中心距调整量 实际中心距4 求作用在轴上的力 工作拉力F=1000P/V=1500N 作用在轴上的压力F=1.2F=1800N轴径 取d=16mm 取轮径D=80mm 计算结果总汇:链条规格:08A单排链,101节,长1.28米大小轮齿数都为21,中心距压轴力F,轴径d=16mm,轮径D=80 mm。2.4.4货叉伸缩装置中的电机、减速器的选取 齿轮5的转速为 可取齿轮5与减速器的外端接口传动比i=3. 且齿轮传动所需功率为P=FV=(1500+2300) 则可选择电机型号为Y250M-6,额定功率为37KW 转速为980r/min,效率为90.8%,且90.8%8KW 安装型式选取B3,国际标准机座号为250M65。 为此,减速器的传动比为i=980/23.78 则选取减速器型号为ZLY(低速级中心距)180。3 立体仓库控制系统的方案设计本章详细描述了小型立体仓库的控制系统,着重论述了如何对立体仓库控制系统进行方案设计,分别从堆垛机的速度控制、系统主控制器的选择及堆垛机的定位控制方案三个方面进行阐述。3.1 堆垛机系统堆垛机是立体仓库中最重要的起重运输设备,主要用来在高层货架仓库的巷道内沿轨道运行完成入库、出库作业,即将位于巷道口的货物存入货格,或是取出货格中的货物运送到巷道口。目前,堆垛机的控制方式大致可以分为手动操作、半自动控制、全自动控制、远距离控制与计算机控制等。计算机控制的控制系统,考虑到备用情况,一般由三级组成。最低一级是利用堆垛机上的控制盘手动操作,其次是为了遥控利用安置在地上的控制盘的数字开关进行操作,最高一级采用计算机控制,三级可以转换运转。如图31所示。图31 SRMC系统采用遥控时,也必须具有低级的手动操作功能,采用自动控制时使用机上控制盘,但控制方法,在本质上与遥控基本相同,因此以遥控为中心来叙述堆垛机的控制系统。图32所示为在自动运转情况下以及特殊情况下的堆垛机作业循环的作业流程图。堆垛机按行走、升降、货叉伸缩等三种操作,根据指令自动定位,进行叉取作业。当用户发出存货要求时,系统根据仓库货位情况,给出货物的存放地址,上位机根据堆垛机的当前位置,经过货位地址变换,给出相对于堆垛机当前位置的货位地址,发出存货指令给堆垛机。堆垛机控制系统接收信号后,在货物输入口接收货物,堆垛机行走,同时载货台沿立柱作升降运动。当运动到达目的货位时,货叉开始伸缩运动,执行存货操作,完成操作后在此位待命或返回至规定位置。图32堆垛机系统自动运转流程图当系统出现故障时,用户需对系统进行检修,可以通过控制面板上的按钮进行堆垛机的升、降、急停以及货叉的伸、缩等手动控制操作。3.2立体仓库控制系统的功能要求堆垛机系统是立体仓库货物存取任务的最终执行者,其主要运动包括:(1)堆垛机沿货架巷道(列方向)的前后高低速运动;(2)堆垛机沿立柱(层方向)的上下升降运动;(3)安装在堆垛机载货台上的货叉机构的伸缩运动。因此,立体仓库控制系统的功能主要应包含以下几方面的内容:(1)自动控制功能:运用地面控制台系统,完成货物的自动出入库任务。此时可以接受地面控制台的各种命令操作,如:入库、出库、运行到目标列层、进、退、升、降等;(2)手动控制功能:仅能通过控制面板的按钮进行进、退、升、降、急停等控制操作此功能主要用于系统的检修与调试;(3)安全保护功能:实时监测各关键器件的使用情况及系统的运行情况,出现故障时及时报警。对于以上的各种控制功能,主要应由以下几个方面来完成:(1)速度控制:堆垛机工作时在各种方向上的运行速度;(2)定位控制:以适合的速度运行并精确地定位在货格或入出库口处;(3)通讯功能:与上位机及其它仓库设备的通讯;(4)保护功能:具有一定机械和电气方面的保护功能;(5)人机界面:通过I/O设备,提供本机状态信息或遥控操作。3.3立体仓库控制系统主控制器的选择在当今的工业控制领域,有相当多的控制手段和设备,比如:继电器控制、个人计算机控制、单板机控制、集散控制系统(DCS)以及可编程控制器(PLC)控制等等。PLC的梯形图与继电器控制线路图十分相似,同时,信号的输入/输出形式及控制功能也是相同的,但两种控制方式又有不同之处。PLC在性能上比继电器控制逻辑优异,特别是可靠性高、设计周期短、调试修改方便,而且体积小、功耗低、使用维护方便,但价格高于继电器。与个人计算机相比,PLC是一种用于工业自动化控制的专用微机控制系统,结构简单,抗干扰能力强,价格也较低。单板机结构简单、价格低,在数据采集与处理等方面优于PLC,但不如PLC容易掌握,抗干扰性能也较差。集散控制系统在回路调节、模拟量控制方面较PLC有一定优势,但PLC在开关量控制、顺序控制等方面又优于前者。综上所述,可编程控制器作为一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置,具有其独特的优点。3.3.1 PLC简介1.PLC的定义可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC,主要用于顺序控制,虽然采用了计算机的设计思想,但实际上只能进行逻辑运算。PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置,是带有存储器,可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令,进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作,通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形成一体,易于扩展其功能的原则设计。事实上,PLC就是以嵌入式CPU为核心,配以I/O等模块,可以方便地用于工业控制领域的装置。因此PLC实际上就是:“工业专用计算机”。其硬件结构与微机室基本一致。其基本结构如图3-3所示。图3-3 PLC系统的基本结构电源模块CPU模块编程器输出模块输入模块指示灯接触器继电器电源2.PLC工作原理PLC采用巡回扫描的工作机制,经过输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段,这是一个扫描周期,PLC就是这样周而复始的执行扫描周期的,简单的说,PLC是系统程序的管理下,依据用户程序的安排,结合输入信号的变化,确定输出口工作的 ,当然这不是其全部内容,全部内容要复杂一些.3.PLC的特点抗干扰能力强,可靠性高;控制系统结构简单,通用性强;编程方便,易于扩展;功能完善;设计、施工、调试的周期短;体积小维护方便,能耗低。4.PLC的性能(1)硬件指标硬件指标主要包括环境温度、环境湿度、抗震、抗冲击、抗噪声干扰、耐压、接地要求和使用环境等。由于PLC是专门为适应恶劣的工业环境而设计的,因此PLC一般都能满足以上硬件指标的要求。(2)软件指标a.编程语言不同的PLC,具有不同的编程语言。常用的编程语言有梯形图、语句表、功能块图3种。b.用户存储器容量和类型用户存储器用来存储用户通过编程器输入的程序。其存储容量通常以字、步或KB为单位计算。常用的用户存储器类型有RAM、EEPRAM、EPRAM3种。c.I/O总数PLC有开关量和模拟量两种I/O。对开关量I/O总数,通常用最大I/O点数表示;对模拟量I/O总数,通常用最大I/O通道表示。d.指令数用来表示PLC的功能。一般指令越多,其功能越强。e.软元件的种类和点数指辅助继电器、定时器、状态、数据寄存器和各种特殊继电器等。f.扫描速度以“ s/步”表示。PLC的扫描速度越快,其输出对输入的响应越快。5.PLC的发展趋势PLC总的发展趋势向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体有以下几方面:向小型化、专用化、低成本方向发展;向大容量;向高速度方向发展;智能型I/O模块的发展;基于PC的编程软件取代编程器;PLC编程语言标准化;PLC通信易用化;组态软件与PLC的软件化;PLC与现场总线相结合。3.3.2 PLC各部分功能1.中央处理单元(CPU)CPU的主要任务有控制用户程序和数据的接收与存储;用扫描的方式通过I/O部件接受现场信号的状态或数据,并存入输入映像寄存器或数据存储器中;诊断PLC内部电路的工作故障和语法错误。2.存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放有PLC生产厂家编写的系统程序,使PLC具有基本功能,用户不能直接改写。用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两部分,用来存放用户针对具体控制任务,使用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。3.输入输出单元PLC的输入和输出信号类型可是开关量、模拟量和数字量。输入/输出单元从广义上包括两部分:一是与控制设备相连接的接口电路,另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入单元用来接收来自用户的各种信号,如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别处理的信号,并存到输入映像寄存器。运行时PLC从输入映像寄存器读取输入信号并进行处理,将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器有输出点相应的触发器组成,输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出,以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行文件。4.电源部分PLC一般使用220V的交流电源,内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V等直流电源,使PLC能正常工作。5.扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连,使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。3.4堆垛机的速度控制方案在立体仓库中,交流异步电动机是堆垛机系统中的驱动部件。一般情况下,其调速方式分为:电机减速器调速、变极调速、串阻调速、串极调速、滑差电机调速和变频调速等。用减速器进行调速,调速设备不仅体积大,调速效率低,而且容易发生机械故障。其它几种调速方法与变频调速方法相比,使用起来又非常不便。随着对于电动机调速性能要求的逐步提高,变频调速技术得到了长足的发展。3.4.1变频调速技术的优点变频调速技术是一门综合性的技术,它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制,有许多优点,如:调速范围广、输出平滑性好、机械特性较硬、能很好地实异步电动机的无级调速、可实现有效的节能、可方便地进行恒转矩调速和恒功率调速等。尤其当电机带动较大负载启动时,会有较大的冲击电流,若采用变频器控制,可以实现电动机的软启动,减小冲击电流,从而解决了大负载的启动问题。另外,变频器还具有很强的保护功能,在电机运行过程中能随时检测到各种故障,并显示故障类别(如电网瞬时电压降低,电网缺相,直流过电压,功率模块过热,电机短路等),并立即封锁输出电压。这种自我保护的功能,不仅保护了变频器,还保护了电机。综上所述,变频调速技术不仅在性能上大大优于以往的交流电机调速方式,并且将会逐步取代直流电机的调速方式,用交流异步电机取代直流电机,将会使调速系统变得更加简单。3.4.2变频器的基本结构变频器是把工频电流(50HZ或60HZ)变换成各种频率的交流电流,以实现电机变速运行的设备。变频器一般由控制电路和主电路构成。控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分,是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能,从而实现对主电路的控制。图34所示为通用变频器的结构原理。图34变频器的构成变频器的主电路,包括整流电路和逆变电路两部分。其中,整流电路是把输入到变频器的工频交流电变换成直流电,且对直流电进行平滑滤波,然后逆变电路再将此直流电变换成实际需要的各种频率的交流电,从而驱动电动机的运转。3.4.3变频调速的工作原理当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时,该电压将产生一个旋转磁场,其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时,位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线,并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流,而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力,即转矩,使转子跟随旋转磁场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时,所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此,电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速,其同步转速由电动机的磁极对数和电源频率所决定: (3-1)式中:-电机的同步转速f-供电电源频率(Hz)P-电机定子磁极对数一般情况下,异步电动机的转速总是小于其同步转速,异步电机的实际转速可由下式给出: (3-2)式中:n-电机实际转速s-转差率(同步电动机时,s=0)由式(2-2)可知,若改变参数f,s中的任意一个就可以改变电动机的转速,即对异步电动机进行调速控制。因此,可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。从某种意义上说,变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。综上所述,采用改变供电电源频率的调速方法,从本质上讲,是一种无级、平滑而又经济的调速方法。变频时使电压按不同规律变化,可以实现恒转矩或恒功率调速,以实现不同负载的要求,这些均早已被人们所认识和掌握。随着可控硅静止变频装置的出现,解决了运行性能较为理想的变频电源问题,使异步电动机变频调速技术获得了进一步的发展,为其广泛地应用开辟了新的途径,特别是较为理想地解决了普通鼠笼式电动机的变频调速问题。因此,在本堆垛机控制系统中,我们选择变频调速的方式对电动机进行速度的控制。3.5堆垛机的定位控制方案本设计的位移定位方法为采用光电编码器定位。光电编码器分为绝对脉冲编码器(APC)和增量脉冲编码器(SPC),两者一般都作为速度控制或位置控制系统的检测元件。编码器分为单路输出和双路输出两种。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲,而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲,通过这两组脉冲不仅可以测量转速,还可以判断旋转的方向。当采用光电编码器进行位移定位时,由于堆垛机的运行是由曳引电动机来拖动的,因此曳引电动机正反转动的角度也就决定了它所移动的距离,如图3-5所示。在曳引电动机轴上安装一个光电盘,盘上同一圆周上均匀地打上许多小孔,曳引电动机旋转时,光电盘也跟着旋转,光电编码器根据转过小孔的数量,发出相应数量的脉冲信号,这样只要计算出脉冲数,就可知道堆垛机运行的距离,也就是堆垛机的实际位置。图3-5光电编码示意图目前,PLC一般都具有高速脉冲输入端或专用计数单元,可用编码器测取堆垛机运行过程中的准确位置,并可直接与PLC的高速脉冲输入端相连,利用高速记数器的功能指令能很方便地实现堆垛机的定位。由以上的介绍,我们可以看出,安装限位开关的定位方法,不仅废工废料,而且每个开关的实际安装距离,均不可避免地存在一定量的误差,使得系统的安装调试变得复杂,而且定位质量难以保证。一旦系统要求改造,又要重新进行安装工作。而采用旋转编码器的位移定位方法,通过其发出的脉冲数可以很容易地确定堆垛机的当前位置,再经过给定速度曲线的计算,得
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