基于PLC的立体仓储控制系统设计.pdf

自动化系统设计andDevelopmentManagementMechanicalNo.7,20232023年第7 期Total243机械管理开发总第2 4 3 期D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.079基于PLC的立体仓储控制系统设计程晟（山西能源学院机电工程系，山西晋中030600)摘要：立体仓库是现代生产系统的集散地，是柔性制造离不开的重要环节。针对小型自动生产线工件快速仓储的问题，采用了机电一体化系统设计的方法，通过对滚珠丝杠、伺服电机等设备的选型计算，叉货气动装置气压回路的设计，完成了立体仓储控制系统的硬件设计。根据I/O口分配表、控制流程图，进行了编程和系统仿真与调试，完成了立体仓储控制系统的软件设计。关键词：立体仓储；滚珠丝杠；伺服电机；控制系统中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3 X(2023)07-0195-040弓引言中国制造2 0 2 5 的核心是创新驱动发展，主线是两化融合，主攻方向是智能制造 1。作为智能制造的重要组成部分，柔性制造强调的是满足用工个性化需求的大规模定制。柔性制造是未来工业生产的主导模式，是将自动化生产、信息技术处理和制造加工技术结合起来，利用先进制造技术、计算机信息处理技术适应新时代的生产要求 2-3 。计算机管理的自动化立体仓库，是柔性制造系统必不可少的关键环节，其管理和控制系统结构具有较高的可靠性和稳定性 4 。自动化仓库也称为立体仓库，一般用作工业生产中流水线上的第一步或最后一步，重点解决搬运效率、产品管理等问题。自动化立体仓库是物流系统的集散地，是以高层立体货架为主体，以自动化搬运工具为基础，以计算机技术为主要手段的高效、大容量现代化储运设备 5 。本文设计的立体仓库的结构是由货架、堆垛机和控制系统三大部分所构成，可以配合小型自动生产线，完成工件的仓储及管理，有良好的经济价值和使用价值。1立体仓储的结构设计立体仓储的结构包括货架、堆垛机两部分。货架结构由12 个货架格（4 3）人货仓库和一个出人库仓位组成。其中出人库仓位中安装有光电开关传感器，以感应货物是否需要出人动作。堆垛机是立体仓储核心操作装置，其速度、精度、稳定度与仓储效率紧密联系。其运动包括两个伺服电机完成堆垛机叉货装置的水平（X轴）和垂直（Z轴）的定位运动，以及叉货气动装置完成工件出入库动作。具体结构如图1所示。为了让堆垛机叉货装置在定位平面运动中实现241一货架；2 一堆垛机；3 一Z轴伺服进给装置；4一X轴伺服进给装置；5 一叉货气动装置图1立体仓储样机示意图多点停留、无级调速等功能，选择伺服电机带联轴器，连接滚珠丝杠进行传动，以保证其精度。下面对机电传动的最主要部件滚珠丝杠选型的计算进行说明。1.1丝杠精度的选定将传动设计精度的要求换算成使用丝杠长度的允许误差，确定精度等级，并根据使用条件及成本因素，选取磨制或轧制滚珠丝杠。1.2导程的选定根据已知初选电机额定转速、负载的最高运行速度以及传动比，确定导程的选型条件。1.3丝杠支承方式的选定丝杠支承方式由工作行程及最大运行速度条件确定。1.4丝杠外径的选定丝杠外径根据轴向游隙要求以及丝杠导程，进行丝杠外径选型。同时满足条件可能有多种组合。要对满足条件的组合分别进行轴向允许载荷、丝杠临界转速计算和校核。轴向允许载荷计算主要根据摩擦力、最大加速惯性力、重力、支承方式效率等因素确定。轴收日期：2 0 2 3-0 3-2 8基金项目：2 0 0 7 年教育部高教司产学合作协同育人项目“实践条件建设柔性制造实验室（项目编号：2 0 17 0 10 4 3 0 3 0）作者简介：程晟（19 8 2 一），男，山西高平人，毕业于燕山大学机械电子工程专业，硕士研究生，讲师，研究方向为机电一体化设计、智能制造。n=v/PB.L:196第3 8 卷机械管理开发向允许载荷校核是根据不同组合丝杠的直径、导程，计算其实际转速，判断是否在临界转速范围。1.5螺母类型的选定根据不同组合丝杠的直径、导程，选择螺母的型号及其额定载荷。根据其外部载荷条件下的静安全系数，计算最小规格螺母允许的最大轴向载荷。根据往返加速、等速、减速三阶段运动条件，计算平均轴向载荷，分别计算不同组合螺母的额定寿命。2堆垛机伺服电机的选型计算2.1X轴伺服电机选型X轴伺服电机选型，已知负载质量M；丝杠螺距PB;丝杠直径DB;丝杠质量MB;摩擦系数u；负载移动速度;机械效率n;全程位移时间t;加速行驶时间ti减速行驶时间t3;联轴器质量Mc;联轴器直径Dc;为角加速度；i为传动比；T为步进电机负载转矩。.1.1计算折算到X轴伺服电机轴上的负载总惯量折算到X轴的负载惯量Jw：Jw=M(Pp/2 T)2.X轴滚珠丝杠的转动惯量JB：JB=MBD:?/8.X轴联轴器的转动惯量J：Jc=MDc/8.负荷折算的总惯量J：I=Jw+Jr+Jc2.1.2X轴伺服电机转速的计算X轴电机所需的转速n：2.1.3伺服电机驱动负载所需要的扭矩计算克服摩擦力所需转矩T：克服摩擦刀所需转矩Tf：T=MgPp/2 T n.重物加速时所需的转矩TA1：TAi=MP/2 TTn.螺杆加速时所需要转矩TA2:TAz=Jg/m=J:(2 T n/60t)/m.联轴器加速时所需要转矩TA3：TA3=Jc/m=Jc(2 T n/60t)/m.加速所需的总转矩TA：TA=TAI+TA2+TA3.计算瞬时的最大扭矩：加速扭矩T：T=TA+T.匀速扭矩Th：T;=T.减速扭矩T：T=TA-Tf.实效扭矩Tms：T.ti+T,t2+T&t3ti+t2+t32.2初选伺服电机初选伺服电机，伺服电机额定扭矩T满足条件为TT,且TTm，最大扭矩满足条件为TmaT+TA。初步确定伺服电机型号，查出伺服电机惯量JM。计算折算到伺服电机轴的总负载惯量J：+JM.计算伺服电机启动转矩Ts：2TnMJTs=60t,选定安全系数S，则必需转矩TM：TM=(Ti+Ts)S.小惯量伺服电动机适合快速定位，当负荷与电机惯量比 5 时才考虑使用减速装置。最终决定X轴选用小惯量伺服电动机，型号是CTSD-M14-B1012-M000，功率10 0 W,不带抱闸功能。Z轴选型计算方法和X轴基本相同，但要考虑垂直安装时，若突然断电，由于滚珠丝杆无自锁功能，丝杠上的载物台会在重力作用下下滑，故选用带抱闸功能的小惯量伺服电动机,型号为CTSD-M16-B2012-M110,功率2 0 0 W3叉货气动装置气压回路的设计实际仓储工件质量较轻，堆垛机的出人库动作由气缸带动叉货装置完成。叉货气动装置气压回路（见图2)的控制过程是从气源出来的气体经气源三联件后，通过三位五通电磁换向阀来控制叉货装置的运动方向，经过的节流阀控制叉货装置的运动速度，通过感应磁性开关对叉货装置进行前后限位。立体仓储控制系统的设计1)确定采用西门子PLCSIMATICS7-1200,其设计紧凑、成本低廉。具有脉冲串(PTO)控制接口的驱动，拥有4 路用于带脉冲接口的伺服驱动，无须位置反馈，可以进行连续的PID控制，脉冲宽度(PWM)输出。2)根据I/O口分配表（见表1），需要传感器、开关531一气源；2 一气源三联件；3 一三位五通电磁阀；4一单向节流阀；5 一叉货装置的气缸图2叉货装置的气动原理197.程晟：基于PLC的立诸控制系统设计2023年第7 期表1PLC的I/O口分配地址功能文本连接设备地址功能文本连接设备10.0X轴零点兰宝LE18SN08DNOQ0.0X轴脉冲CTSD-E10-B1012-M11010.1X轴左限位兰宝LE18SN08DNOQ0.1X轴方向CTSD-E10-B1012-M11010.2X轴右限位兰宝LE18SNO8DNOQ0.2X轴伺服使能CTSD-E10-B1012-M11010.3乙轴零点兰宝LE18SN08DNOQ0.3X轴报警复位CTSD-E10-B1012-M11010.4乙轴上限位兰宝LE18SN08DNOQ0.4乙轴脉冲CTSD-E10-B2012-M11010.5乙轴下限位兰宝LE18SN08DNO输出Q0.5乙轴方向CTSD-E10-B2012-M11010.6物料检测1兰宝PSC-BC30TNBRQ0.6乙轴伺服使能CTSD-E10-B2012-M110输人10.7物料检测2兰宝PSC-BC30TNBRQ0.7Z轴报警复位CTSD-E10-B2012-M11011.0X轴报警输出CTSD-E10-B1012-M110Q1.0推料气缸YV1亚德客电磁阀11.1X轴伺服准备CTSD-E10-B1012-M110Q1.1电机正转KA111.2Z轴报警输出CTSD-E10-B2012-M110Q1.2电机反转KA211.3Z轴伺服准备CTSD-E10-B2012-M11011.6启动启动按钮11.4气缸前限位亚德客感应磁性开关11.7停止停止按钮输人11.5气缸后限位亚德客感应磁性开关12.0复位复位按钮12.1急停急停按钮等输入口18 个，伺服电机、电磁阀等输出口11个，按照2 0%的余量考虑，确定CPU1214C具体型号。3)自动化仓库管理系统控制的处理流程，分为主程序控制流程（见图3）和叉货装置动作流程（见图4）。主程序控制流程是利用传感器、开关信号对出人启动启动X/Z轴复位获取目标位置货叉复位货叉从载货台取货出人库判别XIZ轴控制人库出库X/Z停准货叉将货物放到货架XIZ轴控制回零点货叉控制是位置传送继续待命？系统自检结束3-1主控制流程3-2堆垛机人库流程启动获取目标位置货叉从载货台取货XI忆轴控制X/Z停准货叉将货物放到货架回零点是继续待命？结束3-3堆垛机出库流程图3主程序控制流程启动启动伸叉伸叉否是否到位？是否到位？是是乙轴微升Z轴微降缩叉缩否否是否到位？是否到位？是是结束结束图4叉货装置入库、出库流程库状态进行判别，通过控制X轴、Z轴伺服电机的使能、脉冲、方向信号，对叉货装置的水平和垂直的运动进行控制。叉货装置动作流程是根据出入库要求，对气压杠的伸出、缩回动作进行控制，微调乙轴，保证工件顺利完成出人库动作。根据流程编写T形图，最后对系统进行了仿真和调试。5纪结语自动化立体仓库是柔性制造系统的重要组成部分，研究和开发自动化立体仓库，对于推动柔性制造系统的发展和实用化进程具有重要意义 6 。提高出人库效率和定位精度，利于节省成本，创造经济效益，推动制造业和服务业融合成长。参考文献1周济.智能制造是“中国制造2 0 2 5”主攻方向 J.企业观察家，2019,98(11):54-55.2邓宏筹.面向2 1世纪的柔性制造技术J.中国工程科学，2 0 0 0neMi上接第19 4 页）（编辑：王慧芳）上接第19 2 页(编辑：李俊慧.198.第3 8 卷机械管理开发(9):12-23.3王勇，王奇，朱世凡，等.钣金柔性生产线技术综述 J.新型工业化,2 0 19,9(1):5 2-5 7.4孟雷，臧华东.基于PLC的立体仓储控制系统及组态监控设计J.自动化技术与应用，2 0 10,2 9（9）：6 9-7 2.5 缪兴锋.浅析物流自动化立体仓储系统设计新技术 .物流技术,2 0 0 6(8):4 7-4 9.6王绍胜，程俊廷.基于柔性制造系统自动立体仓库的过程控制研究.组合机床与自动化加工技术，2 0 0 9（8）：5 7-6 0.PLC-Based Stereo Storage Control System DesignCheng Sheng(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Shanxi Energy College,Jinzhong Shanxi 030600,China)Abstract:The stereo warehouse is a modern production system of the collection and distribution,is an important link of flexiblemanufacturing inseparable.Aiming at the problem of rapid warehousing of workpieces in small automatic production lines,the method ofmechatronic system design is adopted,and the hardware design of the three-dimensional warehouse control system is completed through thecalculation of the selection of ball screws,servo motors and other equipment,and the design of the pneumatic circuit of the fork pneumaticdevice.According to the I/O port allocation table,control flow chart,programming and system simulation and debugging,completed thesoftware design of the three-dimensional storage control system.Key words:three-dimensional storage;ball screw;servo motor;control system面回风巷原支护方案，经过对支护参数进行优化，就可以对巷道围岩变形量进行进一步控制，而且两帮变形量与顶板移近量和原支护方案相比有很大幅度的下降。参考文献1徐祥.煤矿巷道掘进施工及顶板支护技术研究.当代化工研究,2 0 2 2(7):9 0-9 3.2赵红涛，张红军，侯华营，等.煤巷掘锚护一体化快速掘进支护工艺设计与应用 J.能源与环保，2 0 2 2，4 4（3）：6 2-6 5.StudyonOptimizationoeme for Coal Mine RoadwayofR:Tunneli01Gao Zijian(Wangzhuang Coal Mine of Luan Chemical Group,Changzhi Shanxi 046000,China)Abstract:In view of the deficiencies of the original support scheme of S1301 working face return wind lane in a mine of Luan ChemicalGroup,the original support scheme was improved and optimized on the basis of the original support scheme,and the optimized supportscheme was analyzed by numerical simulation and field test,the simulation results showed that after applying the optimized support scheme,the average support stress of the roof of the roadway increased by O.07 MPa and the average support stress of the two gangs increased byO.22 MPa.The simulation results show that after applying the optimized support scheme,the average support stress of the roadway roof isincreased by 0.07 MPa,and the average support stress of the two gangs is increased by 0.22 MPa,and after the actual monitoring,it isfound that after applying the optimized support scheme,the amount of the roadway roof shift is reduced from 358.6 mm to 33.6 mm,andthe deformation of the two gangs is reduced from 465.7 mm to 11.6 mm.The new support scheme can effectively control the surroundingrock deformation and achieve good application results,which can provide reference for the control of roadway deformation under similarworking conditions.Key words:roadway excavation;support scheme;roof;surrounding rock;deformation control2王永祥，谷文军.掘进机随机电缆自牵引装置的研制与应用 J.煤,2 0 15(5)：4 9-5 0.3李伟.新型电缆自主拖移装置的研制与应用 J.煤，2 0 15（18：47-48.4李权.掘进机电缆拖挂装置的改进 J.机电工程技术，2 0 2 0（6)：203-204.（编辑：王慧芳）odification and Application of Cable Traction Device for Coal Mine TunnelinggMachirSong Zhiwei(Shanxi Coking Xishan Coal Electric Tunlan Mine,Gujiao Shanxi 030206,China)Abstract:Based on the significant drawbacks of traditional cable traction devices in tunneling machines,such as severe ground draggingand high sliding friction resistance,the original cable traction device has been improved and optimized by designing tensioning devices andretractable fixed beam devices,which improves the applicability of the cable traction device and also improves the overall operationalefficiency of the excavation face.Key words:tunneling machine;towing device;tensioning device;self-traction cable