毕业设计：自动化立体仓库堆垛机系统设计.pdf

自动化立体仓库堆垛机系统设计目录1绪论.51.1概述.51.2 仓储的发展过程.51.3 自动化仓储的优势和劣势.61.4 我国仓储业现状.72自动化立体仓库简介.82.1 自动化立体仓库的发展现状.82.2 自动化立体仓库的基本构造.82.3 自动化立体仓库的显著优势.93堆垛机简介.113.1堆垛机的功能.113.2 设计思路.113.3 堆垛机结构及设计要点.113.3.1 机架.123.3.2 行走机构.123.3.3 提升机构和载货台.123.3.4 货叉.133.4堆垛机出入库流程.143.4.1入库作业流程.143.4.2出库作业流程.153.4.3备用运转.163.5本设计的主要参数.163.6 电气设备及控制.173.7 安全保护装置.174机械部分设计.184.1 输送伸缩式货叉.184.2 货叉设计分析.184.2.1,固定叉.194.2.2 中间叉.194.2.3 前叉.225堆垛机控制系统设计.235.1控制功能.235.2控制原理.235.2.1控制系统结构.235.2.2控制速度.235.2.3位置确定.235.2.4条形码的概念.245.2.5条形码的特点.255.2.6条形码系统.255.2.7条形码技术的优点.256堆垛机系统电器元件选择.276.1 PLC的选择.276.1.1 概述.276.1.2 PLC的基本结构.276.1.3 PLC的工作原理.286.1.4 SIMATIC S7-314C-2DP 介绍.296.1.5集成I/O的布置和使用.326.2电机的选择.406.2.1升降电机的选择计算.406.2.2货叉电机的选择计算.416.2.3运行电机的选择计算.416.3变频器的选择.426.3.1变频器选型.426.3.2丹佛斯变频器部分特性.426.4低压断路器的选择.436.4.1低压断路器的选型原则.436.4.2施奈德断路器.437传感器的选择.447.1光电传感器.447.2光电传感器原理.447.3光电传感器分类.45结论 致谢参考文献1绪论1.1概述自动化立体仓库是实现物流系统合理化的关键。它具有空间利用率高、便于实现自 动化管理、实时自动结算库存货物种类和数量、立体仓库信息库可以和中央计算机系统 联网运行等许多优点，对加快物流速度、提高劳动生产率、降低生产成本都有重要意义,已开始应用于汽车、电子、医药、烟草、建材、邮电等许多行业。堆垛机是自动化立体 仓库中最重要的搬运、起重、堆垛设备，对立体仓库的出入库效率有重要影响，是立体 仓库能否达到设计要求和体现其优点的关键设备之一。1.2仓储的发展过程一、人工和机械化的仓储阶段这阶段物资的输送、仓储、管理、控制主要是依靠人工及辅助机械来实现。物料可 以通过各种各样的传送带、工业输送车、机械手、吊车、堆垛机和升降机来移动和搬运,用货架托盘和可移动货架存储物料，通过人工操作机械存取设备，用限位开关、螺旋机 械制动和机械监视器等控制设备来运行。机械化满足了人们对速度、精度、高度、重量、重复存取和搬运等方面的要求，其实时性和直观性是明显优点。二、自动化仓储阶段自动化技术对仓储技术和发展起了重要的促进作用。上世纪50年代末开始，相继 研制和采用了自动导引小车(AVG)、自动货架、自动存取机器人、自动识别和自动分 拣等系统。到上世纪70年代，旋转体式货架、移动式货架、巷道式堆垛机和其他搬运 设备都加入了自动控制行列，但只是各个设备的局部自动化并各自独立应用，被称为“自 动化孤岛”。随着计算机技术的发展，工作重点转向物资的控制和管理，要求实时、协调和一体 化。计算机之间、数据采集点之间、机械设备的控制器之间以及它们与主计算机之间的 通信可以及时的汇总信息，仓库计算机及时地记录订货和到货时间，显示库存量，计划 人员可以方便地做出供货决策，管理人员随时掌握货源及需求。信息技术的应用已成为仓储技术的重要支柱。到上世纪70年代末，自动化技术被 越来越多地应用到生产和分配领域。“自动化孤岛”需要集成化，于是便形成了“集 成系统”的概念。在集成化系统中，整个系统的有机协作，使总体效益和生产的应变能 力大大超过各部分独立效益的总和。集成化仓库技术作为计算机集成制造系统(CIMS-Computer Integrated Manufacturing System)中物资存储的中心受到人们的 重视，在集成化系统里包括了人、设备和控制系统。三、智能化仓储阶段在自动化仓储的基础上继续研究，实现与其他信息决策系统的集成，朝着智能和模 糊控制的方向发展，人工智能推动了仓储技术的发展，即智能化仓储。现在智能化仓储 技术还处于初级发展阶段，21世纪仓储技术的智能化将具有广阔的应用前景。上世纪 70年代初期，我国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的我国第一座自动化立体仓库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。据不完全统计，目前我国已建成的立体仓库有300座左右，其中全自动的立体仓库 有50多座，其中高度在12米以上的大型立体仓库有8座，这些自动化的仓库主要集中 在烟草、医药保健品、食品、通讯和信息、家具制造业、机械制造业等传统优势行业。在此基础上我国对仓库的研究也向着智能化的方向发展，但是目前我国还处于自动化仓 储的推广和应用阶段。1.3自动化仓储的优势和劣势一、自动化仓储的优势自动化立体仓库是现代化仓储的一个重要组成部分，采用多层存放货物的高架仓库 系统，高度可以达到30米以上，根据需要可以设置不同的高架类型：高层（大于12 米）、中层（5-12米）、低层（5米以下）。这与平库相比可以节约将近70%的占地面积。实现机械化、自动化，从而提高仓库的管理水平自动化立体仓库系统由货架、堆 垛机、出入库输送机、自动控制系统与管理信息系统等构成，能按照指令自动完成货物 的存取作业，并对仓库的货物进行自动化管理，使物料搬运仓储更加合理。由于采用 货架储存，并结合计算机管理，可以容易地实现先入先出、发陈储新的出入库原则防止 货物自然老化、变质、生锈等现象的出现。降低对人工需求的依赖，特别是降低特殊仓储环境中的人力资源成本由于采用了 自动化技术后，自动化仓储能适应黑暗、有毒、低温等特殊场合的需要。二、自动化仓储固有的劣势投资较大，建设周期长自动化仓储的主体是由自动化仓库组成的。自动化仓库的 基本组成部分包括：建筑物、货架、理货区、管理区、堆垛机械、配套机械、相关的管 理系统和信息系统。这些硬件和软件需要很高的资金投入和安装建设费用。对于自动化 仓库的建设项目要进行评估和设计，包括必要性评估、技术评估、系统开发、敏感度的 分析。这就要求对过去和未来3-5年中仓库的吞吐量、仓储容量、订单货物的类别等要 素分析，还要对设备进行性能评估和选择，这些都需要很长的时间周期和很大的人力、物力、时间投入。物资吞吐量和种类固定，缺乏弹性当一个自动化的仓库按照计划建设完成之后，仓库的类型、物资的吞吐量和仓库的容量就固定了下来，这时如果外部的因素发生了突 然的变化，仓库对其变化不具有较强的适应和变化能力，也就是缺乏弹性。1.4我国仓储业现状当前我国自动化仓库使用中存在的主要问题是利用率低、效果不明显、规模不确定、优势不突出，使许多库场资源闲置，特别是一些产品批量小而单一的生产企业实现仓库 自动化，库场设施设备资源闲置与重复配置矛盾突出。追究其原因主要是以下的几个方 面：没有做好仓库建设和规划的充分调查分析工作 这就使得自动化仓库在建设前的设 计和规划中，存在着重大的决策问题。为了自动化而自动化，没有对其必要性进行研究 和分析，在建设完成之后才发现在实际的利用中对于自动化的要求很低，利用率很小。对提高仓库作业机械化、自动化的思想认识不足由于认识不足，对配备的装备不 愿使用，思想观念仍停留在人工作业的基础上，对新型的自动化仓库信心不足，并没有 把自动化仓储放在一个重要的地位上，从而在思想上放弃了自动化仓储的研究和使用。由于外部因素和形势的变化、收发任务的变化、作业量的变化、货物种类的变化，但是仓库设备和管理系统没有跟着变化和升级，久而久之就失去了原有的市场，仓库处 于一种闲置状态。2自动化立体仓库简介2.1 自动化立体仓库的发展现状自动化立体仓库是一种利用高层立体货架储存物资，用电子计算机控制管理和用自 动控制堆垛运输车进行存取作业的仓库，一般采用几层、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，故形象地将其称为“立体仓库”。自动化立体仓库是现代物流系统中迅速发展的一个重要组成部分，它具有节约用 地、减轻劳动强度、减少差错、提高仓储自动化水平及管理水平、提高管理和操作人员 素质、降低储运损耗、有效减少流动资金积压、提高物流效率等诸多优点。与厂级计算 机管理信息系统联网以及与生产线紧密相连的自动化立体仓库更是当今CIMS(计算机集 成制造系统)及FMS(柔性制造系统)必不可少的关键环节。2.2 自动化立体仓库的基本构造(1)高层货架：用于存储货物的钢结构。目前主要有焊接式货架和组合式货架两种 基本形式(如图1所不)。(2)托盘：用于承载货物的器具，亦称工位器具。(3)巷道堆垛机：用于自动存取货物的设备。按结构形式分为单立柱和双立柱两种 基本形式；按服务方式分为直道、弯道和转移车3种基本形式。(4)输送机系统：立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将 货物移走。输送机种类非常多，常见的有辐道输送机、链条输送机、升降台、分配车、提升机机、皮带机等。(5)AGV系统：即自动导向小车，根据其导向方式分为感应式导向小车和激光导向小 车。(6)自动控制系统：驱动自动化立体仓库系统各设备的自动控制系统。目前多采用 以现场总线方式为主的控制模式。(7)库存信息管理系统：亦称中央计算机管理系统，是全自动化立体库系统的核心。从总体上说，自动化立体仓库主要由货物储存系统、货物存取和传送系统、管理和 控制系统等3大系统组成，还有与之配套的供电系统、空调系统、消防报警系统、称重 计量系统、信息通信系统等。2.3 自动化立体仓库的显著优势自动化立体仓库的主要特点是能够快速、高效、合理的贮存各种物料和准确、实时 的向各个有关部门提供急需物品，它的运行完全与生产的节奏和需求相协调(如图2所 示)。自动化立体仓库其优越性是多方面的，可从以下几个方面得到体现：(1)提高空间利用率。能够充分节约有限且宝贵的土地，并且和节约能源、环境保 护等更多的方面联系起来。一般来说，自动化高架仓库的空间利用率为普通平库的25 倍，这是相当可观的。(2)便于形成先进的物流系统，提高企业生产管理水平。传统仓库只是货物储存的 场所，保存货物是其唯一的功能，是一种“静态储存”。自动化立体仓库采用先进的自 动化物料搬运设备，不仅能使货物在仓库内按需要自动存取，而且可以与仓库以外的生 产环节进行有机的连接。短时储存是为了在指定的时间自动输出到下一道工序进行生产，从而形成一个自动化的物流系统，这是一种“动态储存”；通过计算机管理系统和自动化物料搬运设备使自动化立体仓库成为企业生产物流中的 一个重要环节。(3)加快货物的存取节奏，减轻劳动强度，提高生产效率。建立以自动化立体仓库 为中心的物流系统，其优越性还表现为自动化高架库具有快速的入出库能力，能快速妥 善地将货物存人高架库中，也能快速及时并自动地将生产所需零部件和原材料送达生产 线，这一特点是普通平库所不能达到的。同时，自动化立体仓库可以实现减轻工人劳动 强度的目的，具体表现为：采用自动巷道堆垛机取代人工存放货物和人工取货，既快捷又省力。采用计算机管理系统对货物进行管理，大大增强了货物的管理能力，人出库管理、盘库、报表等工作量变得简单快捷。立体库系统辅以库前辅助输送设备，使人出库变得简单方便。因此，自动化立体 仓库系统所需要的操作人员和系统维护人员很少，既节省了人力物力，节约了资金，又 改善了工作环境。(4)减少库存资金积压。企业为了到达预期的生产能力和满足生产要求，就必须准 备充足的原材料和零部件，如何降低库存资金积压和充分满足生产需要，已成为大型企 业不容忽视的问题。自动化立体仓库的高架库系统是解决这一问题的最有效的手段之O以自动化立库为中心的工厂物流系统，解决了生产各环节的流通问题和供求矛盾。计算机网络系统的建立使原材料和零部件外购件的采购更及时，更能满足实际需求，使 得原材料的供给和零部件的生产数量与生产所需的数量可以达到一个最佳值。3堆垛机简介自动化立体仓库是实现物流系统合理化的关键。它具有空间利用率高、于实现自动 化管理、实时自动结算库存货物种类和数量、立体仓库信息库可以和中央计算机系统联 网运行等许多优点，对加快物流速度、提高劳动生产率、降低生产成本都有重要意义，已开始应用于汽车、电子、医药、烟草、建材、邮电等许多行业。堆垛机是自动化立体 仓库中最重要的搬运、起重、堆垛设备，对立体仓库的出入库效率有重要影响，是立体 仓库能否达到设计要求和体现其优点的关键设备之一。3.1 堆垛机的功能堆垛机接受计算机指令后，能在高层货架巷道中来回穿梭，把货物从巷道口出入库 货台搬运到指定的货位中，或者把需要的货物从仓库中搬运到巷道口出入库货台，再配 以相应的转运、输送设备通过计算机控制实现货物的自动出入库。在立体仓库中的搬运 设备有高位叉车、工业机器人、桥式堆垛机和有轨式单双立柱堆垛机。有轨巷道式双立 柱堆垛机由于效率高，高度可达3040m,便于实现无人操作，行走稳定，载货量大，噪声小，在目前的立体仓库中得到广泛应用。有轨巷道式双立柱堆垛机在自动化立体仓 库中的位置如图1所示。3.2 设计思路为使堆垛机能够准确、快速、安全、自动搬运货物出入库，必须满足以下设计要求:(1)具备三维运动功能，即堆垛机沿巷道来回运动、载货台垂直运动、货叉沿货架方 向双向伸缩；(2)满足一定的定位精度，重复定位精度误差不能超过10 mm；(3)具备安全保护措施；(4)在满足强度、刚度和可靠性的前提下，尽量减小堆垛机各部分的重量，以减小提 升功率和行走时的摩擦阻力；(5)保护仓库环境，避免货物污染受损。3.3堆垛机结构及设计要点根据以上设计思路所设计的有轨巷道式双立柱堆垛机的结构如图2所示。主要由机 架、行走机构、提升机构及载货台、货又、电气控制和各种安全保护装置构成。图3-1有轨巷道式双立柱堆垛机L上横梁2.天轨导向轮3.立柱4.载货台顶轮5.载货台导向轮6.货叉7.传动链轮8.提升电机9.传动链条10.双联链轮11.下横梁12.链轮13.行走轮14.行走电机15.提升链条16.载货台3.3.1机架机架是由上横梁、左右立柱和下横梁构成的长方形框架，主要用于承载。为了便于 安装零件和减轻堆垛机重量，上、下横梁用槽钢制作，立柱用方通制作。上横梁上设有 天轨阻挡器和缓冲器，下横梁上设有地轨阻挡器。3.3.2行走机构行走机构选用DAMAG行走轮组件，安装在下横梁上，主要由行走电机（包括减速器）、行走轮及沿地轨的导向轮组成。为了保证堆垛机平稳运行，在上横梁上装有天轨导向轮。3.3.3提升机构和载货台提升机构主要由提升电机（包括减速器）、传动链轮、传动链条、双联链轮、提升链 条和链轮组成。提升链条选用双排滚子链，安全系数大于5,它与载货台和上下横梁上 的链轮组成一个封闭结构。当提升电机通过传动链条驱动双联链轮旋转时，使提升链条 运动，从而带动载货台（包括货叉、货物）升降。提升电机通过PLC变频控制，避免在开 始升降和停止时提升链条所受拉力过大。载货台主要由扁通、钢板焊接而成，主要用于安装货叉和一些安全保护装置。为了 保证载货台平稳上下运行，在它的每个侧面装有沿立柱的4个导向轮和2个顶轮。3.3.4货叉主要由电机减速器、链轮、链连接装置、叉板、活动导轨、固定导轨、辐轮轴承和 一些定位装置组成（见图3）。内侧辐轮轴承通过连接板和叉板连在一起，外侧辐轮轴承 安装在固定导轨上，固定导轨安装在载货台横梁上，2组轴承都嵌在工字型活动导轨中，当电机减速器通过链条驱动链轮时，通过链连接板n带动活动导轨运动，再通过链轮和 链连接板I带动叉板双向伸缩，使叉板能以2倍于活动导轨的速度运动。图3-2货叉1.叉板2.活动导轨3.连接板4.双向阻挡器5.链连接板I 6.链轮I 7.辐轮轴承8.固定导轨连接板9.中位感应条io.链连接板n n.链轮n 12.极限感受块13.接近开关14.固定导轨为了使货叉伸缩到位，保证准确存、取货物，在货叉上装有机械定位装置(双向阻 挡器)和电气定位感应开关(极限感受块和接近开关)组成的双重定位报护装置。另外，还有检测货叉是否回到原位的中位感应条和接近开关。3.4堆垛机出入库流程3.4.1入库作业流程正常运转下的入库作业流程。(1)由叉车提供空托盘。(2)把制品或原材料放在托盘上。(3)把记载了制品号或原材料号及托盘上个数的现品票贴在托盘上的制品或原材料 o在这种情况下，一个托盘上的装载物最多可达4种。(4)用叉车把“入库准备结束”的托盘放在输入传送带上。(5)叉车离开传送带，托盘开始向货态检测部的方向自动移动。(6)在货态检测部对单元载荷进行货态检查之后，托盘停在“入库设定位置”。如果 是空托盘，则在入库主线上自动合流。(7)如果货态尺寸超过规定值或读取托盘侧面上的票据数值发生异常时，操作箱的红 色信号灯亮，报警器响，同时解除异常按钮也亮起来。此时，如果按下解除异常按钮，发生异常的托盘前进，自动向入库主线合流，被送人剔出线/向入库主线合流后，异常 解除按钮熄灯。送到剔出线上的托盘，当异常原因除去后，用叉车再把它送到传送带上 去。(8)把放在制品或原材料上的现品票收集起来，通过入库终端，输入“入库/再入库 数据”。入库/再入库数据是制品号或原材料号、制造号、数量。一个托盘最多可输入4 个品种。此时，计算机进行托盘号数据与制品或原材料号的连接处理。入库/再入库数 据设定结束后，当确定托盘几号机入库后向入库主线合流，达到指定的某号机时被自动 搬运。(9)当理论在库数与输人数量有差别时，在入库主动线合流后，物品被送到剔出线。如果理论在库数与输人数量一致时，则正常运行。(10)当一个托盘从货态检测部移出时，下一个托盘就进入接受检测。(11)自动搬送到入库主线的托盘，将自动转到指定的某号机的入库通道传送带上。在同一入通道传送带上可保存2个托盘。在入库站的托盘进入货格结束后，后续的托盘 将自动地送到入库站。(12)在入库站设有条形码阅读器，能读出托盘侧面的托盘号。这个条形码阅读器与 堆垛机地上控制盘相连接，读取的托盘号被送到群管理控制盘中，若发生不良读取时，则送出空数据。(13)托盘到达入库站后，等待进入货格。(14)群管理控制盘把从堆垛机地上控制盘送来的托盘号作为人库要求数据，传输给 物流管理计算机。(15)物流管理计算机根据托盘上制品、原材料的出库顺序查选该货区的空货格，并 向群管理控制盘发出入库指令。(16)群管理控制盘接到来自物流管理计算机的进入货位的指令后，向堆垛机的控制 盘发出托盘入库指令(托盘在入库站待命)。(17)堆垛机地上控制盘和堆垛机把托盘送人指定货位。当托盘进入货位后，把“结 束数据”传送到群管理控制盘。(18)群管理控制盘把进入货位结束数据传输给物流管理中心。(19)物流管理计算机接收到上述人货位结果数据后，修改在库文件和相应其他文件,自动计入库存文件中。3.4.2出库作业流程(1)收到订单数据。(2)在办公室通过计算机终端整理订单，决定出库计划。按先进先出原则对在库和出 库的货位进行查询处理，并打印出库指示一览表和发货明细表。(3)根据订单，编制出库顺序计划，制作出库计划文件，并按机号打印出应取货的货 位一览表，发货记录票上记载机号、托盘号、订单号，制品和数量等数据。(4)通过办公室计算机终端，按照出库计划文件，物流管理计算机向群管理控制盘发 出出库指令。(5)群管理控制盘对堆垛机地上控制盘发出出库指令。(6)堆垛机从指定的货位取出托盘，并搬运到移动台车上。(7)移动台车自动行走。此时出库终端显示订单号和其他有关项目。订单号用大号字 体显示出来。(8)叉车司机根据发货记录票和终端显示订单号，把托盘从移动台车上取下来，送到 指定的发货口，搬运完毕后，把出库记录票附在托盘上。当叉车的货叉一离开移动台车时，通过传感器就知道移动台车上的托盘被取走，此 时，移动台车自动回到人出库站，并在指定位置待命，等待堆垛机搬运来的托盘。(9)在发货口待命司机根据发货明细表和发货记录单，按指示数量从托盘上把制品或 原材料取出，并装入卡车的车厢中。(10)叉车司机把拣货完毕的托盘送到下一个订单应拣货的发货口。如果没有后续订 单拣货时，则把托盘送到指定区域待命入库。3.4.3备用运转如前所述，备用运转是在入库主线的机器发生故障时采用的措施。备用运转的入库设定按正常运转方式一样操作。但是，入库设定的托盘被送到剔出 线上。(1)在传送带控制盘面上，选择备用运转方式。(2)移动台车自动待命。(3)叉车把从剔出线运来的托盘放在移动台车上。(4)当叉车货叉一离开，通过传感器作用，移动台车自动到人出库站位置，并由条形 码识别器读出托盘号。(5)堆垛机地上控制盘把同一组数据传输给群管理控制盘。(6)管理控制盘把同一组数据作为入库要求的数据传给物流管理计算机。(7)物流管理计算机根据入库要求数据进行入库设定处理，并按托盘上制品或原材料 的出库顺序查询空货位后，向群管理控制盘发出入库指令。(8)当入库指令被拒绝或条码阅读器不良时，移动台车将自动返回待命，异常灯亮，并异常报警。此时，叉车把移动台车上的托盘取下，排除异常原因。(9)当堆垛机地面控制盘接收到来自群管理控制盘的入库指令后，堆垛机把托盘放人 货位中。其余处理，按正常运转进行。3.5本设计的主要参数结构型式：双立柱式操作方式：联机自动方式供电：滑导吊起重量：1000kg高度：11m运行速度：120 m/min升降速度：30 m/min货叉的伸度：有货速度为20/n/min无货速度为40 m/min货叉工作行程：1300mm3.6电气设备及控制主要包括电力拖动、信号传输和堆垛机控制。堆垛机采用滑触线供电；由于用供电 滑触线载波通讯易受电力杂波等干扰，所以采用抗干扰性好的红外通信方式与计算机等 仓库设备进行信息交换。堆垛机运行特点是必须精确定位和准确认址，否则就会取错货 物，碰坏货物、货架，严重时会损坏堆垛机本身。堆垛机的位置控制采用绝对认址方式,条形码功能强大，输入方式具有速度快、准确率高、可靠性强。因此本设计采用条形码 技术来实现绝对认址。3.7安全保护装置为了保护人身、设备和货物的安全，堆垛机必须具有完善的安全保护措施：(1)堆垛机在行走、载货台升降和货叉伸缩终端处都设有机械和电气限位装置。(2)货物检测载货台上设有货物超高、超长和超宽检测装置。在货物进入载货台时,当检测到货物超过设定高度、长度或宽度时，堆垛机便停止运行并报警。一般允许误差 为3040 mm,检测元件采用对射或反射式光电传感器。(3)载货台上还设有检测货叉是否回位、货叉上有无货物和货位中有无货物的装置。如货叉没有回位，堆垛机不能水平运行；如货叉上已有货物，则不能再取货；入库时，必须检测货位中有无货物，以避免发生事故。(4)断电保护如载货台升降过程中忽然断电，则通过提升电机制动使载货台停在当 前位置，不会掉落下来。(5)载货台断链保护提升链条通过压簧与载货台相连，当链条由于长时间使用或意 外原因忽然断裂时，弹簧弹开链条，检测装置检测到链条时，便驱动相应装置使载货台 停在当前位置，不至于掉下来，同时整个堆垛机停止运行。4机械部分设计4.1输送伸缩式货叉由于输送车是输送货物的重要工具，一般都由前叉、中间叉、固定叉以及导向滚子 组成。按驱动方式货叉可分为：1.差动齿轮动驱动方式；2.齿轮齿条驱动方式；3.链轮 链条传动方式；4.液压驱动方式2。固定叉装在载货台上，中间叉可在齿轮、齿条或 链条、链轮的驱动3从中间叉的中点，向左或右移动自身长度的一半。前叉可从中间 叉的中点向左或向右伸出比自身稍长的长度。前叉由两根滚子链条或钢丝绳驱动，链条 或钢丝绳的一端固定在固定叉（或货台上），另一端固定在前叉上。如图4-L所示。伸缩 式货叉具有如下结构特点：1.结构紧凑，所占空间小；2.传动方式简单，动作灵活；3.重量轻，可以减小运行惯性力。驱动齿轮a齿轮齿条传动方式前又o燧条鞋轮传动方式图4-1货叉机构结构简图4.2货叉设计分析货叉是堆垛机存、取货的关键部件，它在工作时前叉要伸入货架中，所以在设计货 叉时，应以前叉的厚度尽量薄，同时，叉前端的挠度应控制在最小为设计目标。将货叉分解为固定叉、中间叉和前叉分别进行考虑伸缩货叉的挠度与强度。其载荷如图4-2。图4-2货叉载荷图4.2.1.固定叉如图3-3,假设/。为不变形部分的长度，Q额定载荷，E材料的纵弹性系数人为变形量；/,；2；/3固定叉、中间叉、前叉的在重力方向的惯性矩。Q,当片=旦,时:b弯矩为:P hxM=Px-a)L。p bx3+(X 当=时，A=0 Io=Pi 6ELJ0(3)Pxab6EL Loc点倾角为：4二一Pab 6ELJ0(1()+。)33bx3,77(/o+。)+(%a)，4.2.2中间叉因载荷Q的作用，在(b)间产生反力Pl、P2,设C点的倾角为2/,挠度为入2(假设L3 为不变形部分的长度)。如图4-3(a)所示。M=Px=QL2 d x 2EIJb a=_q1+206EI2b j _ _。，2%2+jd x 2EIJb a=_QLL+a6EI2b j _ _ QL/2 d x 2EIJb 6EI2b(a)b间为反力X(b)b间为刚性图4-3中间叉受力分析图当 时倾角I2和挠度4为：吆 吆2 3E/2 3 EI2 3把b段作为刚性，c点作为固定端考虑，并设由于W在中间产生的反力为居和舄，而 由于这些反力作用在叉子前端产生的挠度为儿和儿，如图4-3(b)所示。M=-P3(x-d)+P4xP.=-Q乙=与与 e a%二一JL加Jo Jo EI2舄%3 _ A(%)3/6 EI 2d当%=右时4=-e(Lx-6,15m/min,V=J 2 S 6,5m/min,S 20,S=0行列行走速度运曲线行如图5-2所示:5.2.3位置确定正确可靠地存取货箱，准确地认址定位是关键。本设计使用条形码技术来实现堆垛 机的精确认址。在堆垛机上安装条码阅读器，在货物跟货位端装条码带。堆垛机没行走 到一列，条形码阅读器扫描一次巷道口的条码，将信号送回中央处理器，再经中央处理 器计算确定堆垛机是否继续行走。控制按钮、位置检测开关、保护开关上位机通讯触摸屏-HMI DISPLAY变频器INVY 变频器INVX 电磁制动器图5-1控制系统结构图5-2行列行走速度运曲线行5.2.4条形码的概念条形码是利用光电扫描阅读设备来实现数据输人计算机的一种代码。它是由一组按 一定编码规则排列的条、空符号，用以表示一定的字符、数字及符号组成的标记。这些 条和空组成的数据条形码表达一定的信息，每一种物品，其编码是唯一的。条码识别是 指如何将条形码表示的数据转变为计算机可以自动采集的数据。通过条码识读装置实现 其功能。识读装置由扫描器和译码器组成，扫描器只是把条码符号转换成数字脉冲信号,而译码器是把数字脉冲信号转换成条码符号所表示的信息。5.2.5条形码的特点a.条形码符号图形结构简单；b.每个条形码字符由一定的条符组成，占有一定的宽度和印制面积；c.每种编码方案均有自己的字符集；d.每种编码方案与对应的阅读装置的性能要求密切配合。5.2.6条形码系统条形码系统是由条形码符号设计、制作及扫描识读组成的自动识别系统。条形码识 读装置是条形码系统的基本设备，它的功能译读条形码符号，即把条形码条符宽度、间 隔等信号转换成不同时间长短的输出信号，并将该信号转化为计算机可识别的二进制编 码，然后输入计算机。识读装置由扫描器和译码器组成。扫描器又称光电读入器，它装 有照亮被读条形码的光束检测器件，接收条形码的反射光，产生模拟信号，经放大、量 化后送译码器处理。扫描器可以是一支光笔或激光枪，由人手持作业；也可以是一种安 装在某部位的自动扫描器，典型的有固定光束扫描器、直线扫描器、逐行扫描器和全方 位扫描器。译码器存贮有需译读的条形码编码方案的数据库库译码算法。早期的识别设 备，扫描器和译码器是分开的，近年推出的设备大多已合成一体，整个设备完整，方便、灵巧。当计算机配置了网络控制器之类的接口软、硬件时，这个条形码系统就能同时处理 多个条形码识读装置输入的条形码信息。条形码系统的识读性能，即条形码系统能否成功地应用，在技术上主要取决于系统 的识读能力和条形码你签的印制质量，两者密不可分。5.2.7条形码技术的优点条形码是迄今为止最经济、实用的一种自动识别技术。条形码技术具有以下几个方 面的优点A.输入速度快：与键盘输入相比，条形码输入的速度是键盘输入的5倍，并且能实现“即时数据输入”。B.可靠性高：键盘输入数据出错率为二百分之一，利用光学字符识别技术出错率 为万分之一，而采用条形码技术误码率低于百万分之一。0.采集信息量大：利用传统的一维条形码一次可采集几十位字符的信息，二维条 形码更可以携带数千个字符的信息，并有一定的自动纠错能力。D.灵活实用：条形码标识既可以作为一种识别手段单独使用，也可以和有关识别 设备组成一个系统实现自动化识别，还可以和其他控制设备联接起来实现自动化管理。另外，条形码标签易于制作，对设备和材料没有特殊要求，识别设备操作容易，不 需要特殊培训，且设备也相对便宜。6堆垛机系统电器元件选择6.1 PLC的选择6.1.1概述可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控 制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的 发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称 作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称 混淆，所以将可编程控制器简称PLC。6.1.2 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机 相同，基本构成为：a、中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接 收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时 器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描 的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程 序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运 算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后 将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循 环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余 系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍 能正常运行。b、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。c、电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠 的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重 视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接 连接到交流电网上去。d、输入输出接口电路1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现 场控制的接口界面的输入通道。2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作 用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。6.1.3 PLC的工作原理一、扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序 执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期|Hj,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(a)输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它 们存入I/O映像区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出 刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相应 单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽 度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(b)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形 图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线 路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然 后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或 者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所 规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的 状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映像区或系统RAM存储 区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果 会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯 形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上 面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O 点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O 模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。(c)输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O 映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的 外设。这时，才是PLC的真正输出。6.1.4 SIMATIC S7-314C-2DP 介绍本设计选用的 SIMATIC S7-314C-2DP CPU,具体型号为：6ES7314-6CG03-0AB0o 技术规范如表 6-1。表6-1 CPU314-2DP的技术规范:项目具体参数存储器RAM集成式48KB装载存储器可插入(MMC)位操作最小执行时间0.lus字指令最小执行时间0.2us定点算法最小执行时间2us浮点算法最小执行时间20usS7计数器256记忆性能可调整缺省从CO到C7计数范围0至1999IEC计数器有IEC计数器类型SF BIEC计数器编号无限制（只由工作存储器限制）S7计时器256记忆性能可调整缺省无记忆性能计时范围10 ms-9990 sIEC计时器有类型SF B编号无限制（只由工作存储器限制）总记忆数据区（包括存位、计时器、计数器）所有位存储256字节记忆性能可调整记忆性能为缺省设置MB 0-MB 15时钟存储8（1个存储字节）数据块最大127个*容量最大16 KB每个优先级的局域数据最大510个字节软件组容量最大60KB总I/O地址区域最大1024字节/1024字节（可以任意编址）I/O过程映像128字节/128字节数字通道最大8192个中央分布最大992个集成通道24 DI/16 D0模拟通道最大512个缓存周期一般6周（周围温度40oC）精度每天偏差 10 s变量输入、输出、标志、DB、计时器及计数器变量数量最大30个通讯功能PG/OP通讯，全局数据通讯接口类型集成的RS485接口接口电源（15-30 V DC）最大200mA功能PROF IBUS-DPDP主站连接数量12传输速率最大12 Mbps每个站的DP从站数最多32个;每个从站的用户数据最大 244K byte I/244K byte 0数字输入124.0 到 126.7数字输出124.0 到 125.7模拟输入752 到 761模拟输出752 到