自动化立体仓库设计方案Word下载.doc
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2.2 立体仓库总体规划方案
本文设计的堆垛机结构系统由于任务区分关系，本文主要考虑三部分，一是货架系统，目的是创造一个固态环境，为研究堆垛机及测试定位寻址提供基础条件；
二是堆垛机系统，目的是采用精简的安装系统、合理运行方式，模拟现实运送存取货物，三是堆垛机控制系统，采用单片机控制系统，包括上位机、传感器、键盘等。
自动化立体仓库设计步骤如下图
2.3货架设计方案
2.3.1货架结构尺寸
由图2一3所示，n列、m层货架的主要尺寸：
毫米
1、宽度B=2e＋b2+b1+b3，其中e为支柱宽度。
2、货架横向长度为：
列数n×
货格长度A，其中货格长度A=al+a2+a3+2e。
3、货架顶层的高度Hl，取决于堆垛机是否为载人搭乘型。
非搭乘型的Hl为1.2米，搭乘型的Hl为2.2米；
货架第一层距离地面的高度H2一般为0.5米，由堆垛机和轨道的高度决定。
本课题取Hl为200mm，H2为500mm。
4、货架的总高度H为：
当层数为偶数时；
H=Hl+H2+0.5mh3+（0.5m-1）h5，其中h3为无水平拉杆的货格高度，b5为有水平拉杆的货格高度，m为货架的层数。
当层数为奇数时：
H==Hl+H2+0.5m（h3+h5）。
货架总共4层、3列，采用尺寸450x400x450；
托盘尺寸450x300mm；
每一货格左右留50mm间隙。
采用数据如下：
e=50mm、al=300mm、a2＝a3＝75mm、Hl=2O0mm、H2=500mm、h1=300mm、h2=50、h4=100、bl=300、b2=100、b3=50。
综上货架参数如下：
总高H=HI+H2+4x（hl+h2＋h4）+4×
e=200+500+4x450+4x50=2700mm
总宽B=2xe+bl+b2+b3=100+400=500mm
总长L=（al+a2＋a3）x3+4xe=450x3+4x50=1550mm
2.3.2货架材料
根据这里的高度（低于20m）和适用场合选用钢结构，其优点是构件尺寸小，仓库利用率高，制作方便，安装建设周期短。
2.3.3立体仓库设计参数如下：
立体仓表2.1立体仓库具体参数
出/入货柜台最重物品
20Kg
每个仓位的高度
450mm
仓位的上下距离
50mm
仓位的平行距
可编程控制器（PLC）电源
24VDC
堆垛机电源
220VAC,50Hz
2.4 堆垛机结构设计方案
2.4.1堆垛机采用低层型，下部驱动式，因为货架高度总高H=5900mm<
6000mm,所以选用桅杆式的。
结构图：
2.4.2步进电机的选型
步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。
因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；
改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。
当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。
因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广围速度的无级平滑控制。
步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。
步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数可分为：
单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。
增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。
与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电机不会运行的。
为了驱动步进电动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该立体仓库控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统，如下图所示：
图3.1步进电机驱动系统的组成
在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是具体的品种选择，在该立体仓库控制系统中要求步进电动机电压低、电流小、有定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，确定步进电动机采用2相8拍混合式步进电机；
在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩Tl、额定转矩Tn和运行频率fy，以确定步进电机的具体规格和控制装置。
由于我们使用螺栓机构的定位装置，已知条件和要求条件为：
移动部分总重M=25kg
外力Fa=4kg·
cm
磨擦系数μ=0.04
螺栓机构的效率η=0.9
螺栓轴径DB=1.2cm
螺栓长LB=42cm
螺距P=3mm
分辨率L=0.01mm
移动距离=0.0075mm/步
速度V=2m／min
计算：
设拟选用2相、1.8°
步距角的HB型电动机
速比（设使用直接驱动方式）
i=m×
θb/（360×
L）=2×
1.8／（360×
0.01）=1
轴向力
F=Fa+μM=4+0.04×
25=5kg·
负载转矩
Tl=F×
P／（2πη）+（μ0×
F0×
P）/2π
=5×
0.3／（2×
3.14×
0.9）+（0.3×
1.67×
0.3）/（2×
3.14）
=0.289kg·
螺栓的惯量
JB=（π×
ρ×
LB×
DB4）/32
=（3.14×
7.9×
10-3×
42×
1.24）/32
=0.0675kg·
cm2
移动体的惯量
Jt=M×
（P/2π）2
=25×
（0.3/6.28）2
=0.0571kg·
负载惯量为
JL=JB+Jt
=0.0675+0.00571
=0.1246kg·
根据以上计算可以初步选定步进电动机，其惯量为JM=0.03kg·
cm2，空载起动频率fs=3000H。
由要求的速度可求出运行的频率：
f=V／L=2000／（60×
0.01）=3333HZ
可知需要加减速的驱动方式。
齿轮比：
G=360°
/θbL=0.0075×
360°
/（1.8°
×
0.01）=150
换算到电机轴的负载转矩为
T=G×
L（Tl+F）/2πη
=150×
0.01×
（0.289+5）/（6.28×
0.9）
=1.40kg·
对首次设计的装置来讲，所选用的电动机通常留有2～3倍的余量，所以电机转矩TN=3T=3×
1.40=4.2kg·
cm=0.41N·
M
根据以上的计算，在该立体仓库控制系统中的步进电动机采用斯达特机电科技发展生产的2相8拍混合式步进电机，它的主要特点：
体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。
型号：
42BYGHl01。
电机型号
相数
步距角
相电流
驱动电压
额定转矩
重量
42BYGH101
2
1.80
1.7A
DC24V
0.44N·
0.24kg
表3.1步进电机的电气技术数据
2.4.2步进电机驱动器的选择
步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：
控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。
所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。
所有型号驱动器的输入信号都相同，共有三路信号，它们是：
步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE（此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态；
此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行）。
它们在驱动器部的接口电路都相同，见下图。
OPTO端为三路信号的公共端，三路输入信号在驱动器部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC是+5V则可直接接入；
如果VCC不是+5V则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器部光耦提供8-15mA的驱动电流，参见图3-4和图3-5。
在该立体仓库中由于FP0提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，所以须外部另加1.8K的限流电阻R。
图3.2输入信号接口电路图3.3外接限流电阻R
所以我采用SH系列步进电动机驱动器，型号为SH-2H057。
主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分组成。
SH-2H057步进电动机驱动器采用铸铝结构，此种结构主要用于小功率驱动器,这种结构为封闭的超小型结构，本身不带风机，其外壳即为散热体，所以使用时要将其固定在较厚、较大的金属板上或较厚的机柜，接触面之间要涂上导热硅脂，在其旁边加一个风机也是一种较好的散热办法。
（1）此步进电机驱动器的电气技术数据为：
表3.2步进电机驱动器的电气技术数据
驱动器型号
类别
细分数
通过拨位
开关设定
最大
相电流
开关设定
工作电源
SH-2H057
二相或四相
混合式
二相八拍
3.0A
一组直流
DC（24V-40V）
（2）步进电机驱动器接线示意图见下图
图3.4步进电机驱动器接线示意图
第3章系统硬件设计
3.1PLC的选型：
（1）PLC的类型
FX2N系列可编程控制器主机分为16、24、32、64、80、128点六档，还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加I/O点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入。
根据本课题的设计控制要求，现估算本系统所需要用到的I/O点数共56个，及输入38个，输出18个。
所选PLC必须要留有一定的余地，结合实际情况，选择所选I/O点为80点。
因此，我所选型号为FX2N-80MR。
（2）经济性的考虑
选择PLC时，应考虑性能价格比。
考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能围等选择都有影响。
在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。
本课题所设计的立体仓库属于小型控制系统，结合经济性的考虑因此选择整体型PLC。
根据我组设计的立体仓库其输入点数为38点、输出电数为18点，所以选择三菱FX2N-80MR。
3.2微动开关的选择
微动开关是一种施压促动的快速转换开关，因为其开关的触点间距比较小，故名微动开关，又叫灵敏开关。
电气文字符号为：
SM。
微动开关的工作原理：
外机械力通过元件（按销、按钮、杠杆、滚轮等）将力作用于动作弹簧片上，当动作簧片位移到临界点时产生瞬时动作，使动作簧片末端的动触点与定触点快速接通或断开。
当传动元件上的作用力移去后，动作簧片产生反向动作力，当传动元件反向行程达到簧片的动作临界点后，瞬时完成反向动作。
微动开关的触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速。
其动触点的动作速度与传动元件动作速度无关。
在该立体仓库控制系统中共有13个仓位（四层十二个仓位加0号仓位）分别采用13只微动开关作为货物检测，当有货物时相应开关动作，其信号对应PLC的输入点是X21-X34，0号仓位的输入点是X37。
根据设计要求，我选择KW10系列的KW10-01型号。
原理图如下：
图3.5微动开关原理图
3.3限位开关选择
限位开关又称行程开关，可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。
当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。
由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机。
限位开关分工作限位开关和极限限位开关，工作限位开关是用来给出机构动作到位信号的。
极限限位开关是防止机构动作超出设计围而发生事故的。
工作限位开关安装在机构需要改变工况的位置，开关动作后，给出信号，进行别的相关动作。
极限限位开关安装在机构动作的最远端，用来保护机构动作过大出现机构损坏。
在本设计中用到了两个限位开关，及下限位SQ1，后限位SQ2，用来控制堆垛机的返回和防止堆垛机超出围。
由于本设计的堆垛机受载不大，所以，可以选用由欧姆龙公司生产的D4CC小型限位开关。
此限位开关为滚珠摇杆型。
结构原理图如下：
图3.6限位开关的结构图
3.4开关按键的选择
开关按键按钮主要安装在控制面板上，是操作人员能够够好的操作系统，更容易实现人机对话。
本系统设计中，总共用到了23个按键来控制系统运行。
其中SB11-SB22分别控制12-1号仓位选择键，由于系统要求在选择仓位时，对应的指示灯点亮，所以，我们要选择带LED灯的按钮。
所以可以选择由国KOINO（建兴）公司所生产的带灯按钮，型号KH2204EB-2220VAC。
还有启动按钮1个，控制堆垛机前进、后退、上升、下降运动，伸叉伸出和收回动作的按钮6个，控制送货和取货按钮各一个，这9个按钮都不用自锁，只需要点动即可，没有很高的要求，从经济方面考虑，我们还是可以选择由国KOINO（建兴）公司所生产的点动按钮，型号KH2022EB。
手动/自动的档位控制开关，可以选择由长信生产的万能转换开关，型号LW12。
急停按钮我在本系统中采用旋钮式，需要急停时，直接按下断开系统，恢复时旋动开关，所以可以选择由国KOINO（建兴）公司所生产的急停旋转复位开关，型号KPB25ER,30ER。
3.5PLC输入输出分配表
根据本课题PLC输入输出的控制要求，得出PLC输入输出I/O分配，如表3-4所示。
输入
输出
元件
端子
名称
元件
SB0
X0
启动
-
X24
4号仓位检测
Y0
前进
SB2
X1
手动/自动
X25
5号仓位检测
Y1
后退
SB24
X2
取货
X26
6号仓位检测
Y2
上升
SB23
X3
送货
X27
7号仓位检测
Y3
下降
SB1
X4
急停
X30
8号仓位检测
Y4
伸叉
SB22
X5
1号仓位键
X31
9号仓位检测
Y5
收叉
SB21
X6
2号仓位键
X32
10号仓位检测
LED1
Y11
显示1号仓位
SB20
X7
3号仓位键
X33
11号仓位检测
LED2
Y12
显示2号仓位
SB19
X10
4号仓位键
X34
12号仓位检测
LED3
Y13
显示3号仓位
SB18
X11
5号仓位键
SQ1
X35
下限位开关
LED4
Y14
显示4号仓位
SB17
X12
6号仓位键
SQ2
X36
后限位开关
LED5
Y15
显示5号仓位
SB16
X13
7号仓位键
X37
0号仓位检测
LED6
Y16
显示6号仓位
SB15
X14
8号仓位键
SB7
X40
LED7
Y17
显示7号仓位
SB14
X15
9号仓位键
SB6
X41
LED8
Y20
显示8号仓位
SB13
X16
10号仓位键
SB5
X42
LED9
Y21
显示9号仓位
SB12
X17
11号仓位键
SB4
X43
LED10
Y22
显示10号仓位
SB11
X20
12号仓位键
SB3
X44
LED11
Y23
显示11号仓位
X21
1号仓位检测
SB8
X45
LED12
Y24
显示12号仓位
X22
2号仓位检测
X23
3号仓位检测
表3.3PLC输入输出I/O分配
3.6元器件清单
表3.4系统元件清单如下：
代号符号
个数
规格型号
可编程控制器
PLC
1
FX2N-80MR
步进电机
3
42BYGHl01
步进电机驱动器
微动开关
SM
13
KW10-01
限位开关
SQ
D4CC
带灯按钮
SB
12
KH2204EB-2220VAC
转换按钮
LW12
急停按钮
KPB25ER,30ER
点动按钮
9
KH2022EB
3.7PLC电气接线图：
图3.7电气接线图
第4章系统软件设计
4.1系统控制流程图设计
系统控制流程图如下：
图4.1系统流程图
4.2系统程序设计
根据系统流程图，我们可以设计此立体仓库的程序。
（1）控制方式的选择，我用两个主控程序分别把手动和自动区分开，由X001的一对常开常闭互锁，下图中，主控M100为自动控制，主控M200为手动控制。
（2）堆垛机的定位程序，利用行列的扫描方法，准确的定位仓位。
M0、M1、M2分别代表定位第一列、第二列、第三列；
C0、C1、C2分别代表步进电机步进到所需列的步数。
M3、M4、M5、M6分别代表定位第一行、第二行、第三行、第四行；
C3、C4、C5、C6分别代表步进电机步进到所需行的步数。
下图为第一列和第一行的扫描。
（3）送货和取货送货的互锁程序设计，下图中X37为0号仓位检测开关，有货时闭合状态，无货时断开状态，M50、M60分别为检测仓位有、无货标志，X2为取货，X3为送货，取货和送货不能同时按通，当仓库有货，0号仓位无货时，取货可以按通，当仓库无货，0号仓位有货时，送货可以按通。
（4）伸叉动作程序，M31、M30分别为堆垛机的行列到达标志，当两者都得电时，说明已经到达指定仓位，伸叉动作。
M10为伸叉伸出到位标志，到位后停留1.5秒再收叉。
M11为伸叉伸出标志，M
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