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基于PLC的立体仓库控制系统

文:王乃旭青岛中科华创电气系统有限公司 | 2018年第六期 (0) | (0)

    摘要:本论文详细论述了现代大型企业中普遍使用的自动化立体仓库设计方案。从堆垛机的特点及构成开始,分析立柱的受力情况,然后推导出立柱的弯矩及挠度关系式,再给出设计数据进行校核,重点设计了货叉伸缩机构的结构设计。设计出了一种体积小、灵敏度高、动作可靠、带柔性装置的堆垛机安全机构的设计方案。本设计通过选用合适的PLC,并设计相应的控制系统进行编程、运行、调试,最终达到设计要求。

一、简介

    自动化立体仓库是高层货架仓库的升级版,又称为自动仓储系统(AutomaticStorage&RetrievalSystem,AS/RS)。它是现代物流管理技术的核心,主要由高层货架、巷道式堆垛起重机、通讯系统、现场总线、电气控制系统、计算机管理监控系统、搬运小车、货箱或托盘等设备组成。采用变频调速、出入库输送信息系统、三维条形码识别、红外通讯、载波通讯、射频数字通讯、光电检测、人机界面等技术实现手动或自动控制、计算机集中监管控制、并可与上级计算机联网组成内部局域网,从而实现管理、监控、执行一体化的全自动仓储物流管理系统。

自动化立体库由以下部分组成:

    高层货架:用于存储货物的钢架结构。目前主要有焊接式货架和组合式货架两种形式。

    托盘(货箱):用于承载货物的工具,亦称工位器具。

    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形式;按服务方式分为直道、弯道和转移车三种形式。

    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,常见的有辊道输送机,链条输送机,升降台,分配车,提升机机,皮带机等。

    AGV系统:即自动导向小车。根据其导向方式可分为感应式导向小车和激光导向小车。

    自动控制系统:驱动自动化立体库系统各设备的自动控制系统。目前以采用现场总线方式为主。

    库存信息管理系统:也叫中央计算机管理系统。是全自动化立体库系统的控制核心。目前典型的自动化立体库系统均采用大型的数据库系统(如ORACLE,SYBASE等)构筑典型的客户机/服务器体系,可以与其他系统(如ERP系统等)联网或集成。

    自动化立体仓库的优越性是多方面的,主要有以下几个方面。

(1)立体化设计提高空间利用率

    早期立体仓库构想的基本出发点就是提高空间利用率,节约土地已与节约能源、保护环境等更多方面联系起来。仓库的空间利用率与其规划是紧密相连的,一般来讲,立体仓库的空间利用率为普通仓库的2~5倍。

(2)先进的仓储系统提高企业生产管理水平

    传统的仓库只是货物的储存场所,仅有保存货物的功能,属于静态储存。立体仓库则是采用了先进的自动化货物搬运设备,不仅能在仓库内按需要自动存取货物,而且还可以与仓库以外的生产环节进行有机地连接,并通过先进的计算机管理系统和自动化物料搬运设备使仓库成为企业生产管理中的重要环节。

(3)加快货物存取,减轻劳动力的投入,提高生产率

    建立以自动化立体仓库为核心的物流系统,其优越性还表现在自动化立体仓库具有快速的出入库能力,能够妥善地将货物存入立体仓库,并及时自动地将生产所需零部件和原材料送达生产线。同时,立体仓库系统减轻了工人综合劳动力投入。

(4)有效减少库存资金的积压

    为了满足预期的生产能力和生产要求,就必须准备充足的原材料和零部件,这样,库存积压就成为较大的问题。如何降低库存资金积压的同时充分满足生产需求,已经成为大型企业面对的重要问题。自动化立体仓库系统可以有效解决这一问题。

二、硬件结构设计

    堆垛机是硬件结构的核心,在设计的时候,需要进行强度和刚度的受力分析,其中一个最重要的就是其金属机架结构在堆垛机静态和工作过程中要承担全部力、惯性力和载荷的作用,它是变形最为严重的部件。作为支撑堆垛机工作的物理结构,它的设计好坏是决定堆垛机的工作寿命和工作稳定性的关键。

2.1机架经验公式计算

2.1.1机架结构分析

(1)外部载荷计算

在巷道中建立立体坐标系:

X轴:载货台货叉对货物进行存取作业

Y轴:巷道堆垛机沿巷道的运行方向

Z轴:立柱上的载货台沿导轨升降运作

当载荷位置最高时,立柱的受力状况最为不利,此时各部分结构尺寸力及载荷的位置如图1。

图1  载货台受力分析简图

(2)沿巷道纵向平面(即YOZ平面)

    当载货台满载且位于最高位置且以最大加速度启动或制动时,立柱的受力情况最不利。

图2  YOZ平面内结构受力简图

图中:H——堆垛机的总高度

B——堆垛机总宽

P ——水平惯性力

h——上滚轮与立柱顶端间的距离

b 1 和 b 2——立柱截面X方向中性轴到下横梁两支点的距离

F——立柱顶部压力

立柱横向力矩的计算:

2.1.2结构强度计算

    对于最大内力在支承处的压弯构件,当截面出现塑性铰时便会达到强度的极限。在利用材料的塑性过程中,应受到一定的限制。限制的办法是在结构强度计算中引入塑性发展系数,即采用塑性从局部深入截面的弹塑性工作阶段作为设计准则。

(1)强度计算公式

在钢结构设计中,应用极限状态法的设计准则,推出了双向压弯构件的强度计算公式为:

式中:N——轴向压力(N)

A——截面面积(cm 2)

M x 和 My——X轴和Y轴的最大弯矩(N*mm)

M nx 和 M ny ——X轴和Y轴的净截面抗弯模量

 Ux和Uy——X向和Y向塑性发展系数(它与截面形式、塑性发展深度、翼缘板和腹板截面积比值以及应力状态有关)

2.2下横梁强度计算

下横梁在YOZ平面内可以简化为如图所示的计算简图。

图3    货架下横梁计算简图

其中q——下横梁自重均布载荷

M max——立柱底部截面的最大弯矩,M max =705N*mm

P ——额定起重重量和立柱结构自重载荷的总和

显然,可确定下横梁和立柱联接处的截面即为危险截面。则:

式中 M max是危险截面弯矩,Wyx是下横梁X轴方向的抗弯模量。由此可知满足许用应力要求。

2.3行走机构齿条齿轮强度与校核

    在起重机构中应用最多的是齿轮传动,蜗杆传动使用最少,链传动只在个别情况下使用。

    齿轮传动分闭式传送和开式传动两种,电动起重机的所有机构都是采用闭式齿轮传动(减速器)。开式齿轮传动只在某些特殊情况下使用(如回转机构的布置,要求末级传动为开式齿轮传动;设计机构时无合适的减速器可供选用),使用时,齿轮圆周速度一般不超过1.5m/s。

    齿轮材料以刚为主,其次是铸铁、铜合金及其他材料。齿轮材料和热处理方式的选择取决于机构的工作级别、工作条件和制造工艺的可能性。为了提高齿轮的承载能力,减小齿轮的尺寸和重量,广泛使用优质碳素钢或合金钢制造齿轮。为了降低成本,齿轮与轴最好使用不同材料制造,将齿轮装配在轴上。为了保证齿面和轮齿的强度,齿面应有足够的硬度,而心部要有足够的刚度和韧性,因此,齿轮都要经过热处理。

三、硬件的选型与分析

    合理选择堆垛机电机,将直接影响堆垛机的运行状况。堆垛机使用的电机包括行走电机、货叉电机和升降电机。升降电机的动力太大,会引起包括升降台在内的整个系统的振动,噪声过大;升降电机容量则太小,起重力过小,因此不能实现必要的升降运动。因此,应合理选择堆垛机电机的容量。

    在选定堆垛机用的电动机时应考虑以下的各项问题。

(1)在电气与机械方面都应对反复启动停止的操作有充分的耐久力。

(2)速度的可控性应良好。

(3)惯性矩应比较小,体积小且重量轻。

(4)输出轴的转速应与减速装置的结构相适应。

(5)应有可靠的外壳保护结构。

    堆垛机的电源,除了极少数的特殊情况以外多用普遍的交流电源,使用最多的电动机是各结构都很坚固且价格低廉的三相鼠笼式感应电动机。

3.1步进电机驱动器的选型

    步进电机驱动器的脉冲信号的频率与步进电机的转速是成正比的。其输出信号有以下两种:

(1)初相位信号:每次给驱动器上点后,将使步进电机在一个固定的相位上起始,这个相位就是初相位。初相位信号是指每当步进电机运行到初相位时,此信号就会以高电平的形式输出,反之为低电平。此信号和控制系统结合使用,还具有相位记忆功能。

(2)报警输出信号:所有驱动器都有多种保护措施(如:过温、过压、过流等)。当保护措施执行时,驱动器进入脱机状态从而使电机失电,但这时控制系统是尚未知晓的。如果想要通知系统,就要通过“报警输出信号”来传达。此信号共占用两个接线端子,此两端为继电器的常开触点,报警时触点会立即闭合。驱动器正常时,触点为常开状态。触点规格:DC24V/1A或AC110V/0.3A

    对于两相四根线的电机,一般来讲,可以直接连接驱动器。

    所以本设计采用型号为SH-2H057的步进电动机驱动器。SH-2H057步进电机驱动器采用的是铸铝结构,常用于小功率设备,其外壳就是散热体。所以使用时要将其固定在厚且大的金属板上或者较厚的机柜里,同时接触面之间还要涂上导热硅脂,并在其旁边加上风机用以良好的散热。

四、软件程序设计

4.1PLC控制流程图

根据系统控制的要求,可以总结出基本的流程图,如图4.

图4系统流程图

4.2立体仓库PLC总程序

图 5 立体仓库 PLC 总程序图

五、总结

    本论文首先介绍了自动化立体仓库的历史知识以及发展状况,然后分别进行了硬件方面和软件方面的设计。

    硬件方面主要设计了堆垛机的电控系统,以及货仓货架等仓库的整体结构。电控系统主要采用了激光测距传感器用于水平方向的寻址,增强了堆垛机的精度和运行系统的可靠性,为以后的再次优化奠定了基础。水平和垂直方向上还采用了闭环控制的方法,实现了低速停的准,换速时平稳,且可以高速运行的控制要求。

    总之,系统结构硬件性能优良、简单、图形界面友好、软件功能强大,基本上达了此次设计的要求。

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