立体仓库码垛机设计Word格式.docx
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2.确定方案；
2天
3.详细设计（机械部分选型及设计计算、控制部分硬件原理图及软件流程图）；
5天
4.整理设计说明书，答辩。
四、基本要求
1.课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；
2.认真阅读《课程设计任务书》，明确题目及具体要求；
3.认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；
4.大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；
5.机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；
6.控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；
7.机械系统设计计算，控制系统电气原理，图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰。
8.设计说明书手写和打印均可。
课程设计第一天由各设计小组组长根据指导教师给的电子任务书拟定出适合本小组的课程设计任务书，并统一打印后分发各组员。
机械电子系
2011.08.20
第一章柔性制造系统简介
1.1FMS系统整体功能
在成组技术的基础上，以多台（种）数控机床或数组柔性制造单元为核心，通过自动化物流系统将其联接，统一由主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种变批量和混流方式生产的自动化制造系统。
1.2系统组成
1.2.1加工设备
加工设备主要采用加工中心和数控车床，前者用于加工箱体类和板类零件，后者则用于加工轴类和盘类零件。
中、大批量少品种生产中所用的FMS，常采用可更换主轴箱的加工中心，以获得更高的生产效率。
1.2.2储存和搬运
储存和搬运系统搬运的的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等；
储存物料的方法有平面布置的托盘库，也有储存量较大的桁道式立体仓库。
毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的特定区域内，然后由自动搬运系统根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。
固定轨道式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排列设备的FMS，自动引导台车搬送物料的顺序则与设备排列位置无关，具有较大灵活性。
工业机器人可在有限的范围内为1－4台机床输送和装卸工件，对于较大的工件常利用托盘自动交换装置（简称APC）来传送，也可采用在轨道上行走的机器人，同时完成工件的传送和装卸。
磨损了的刀具可以逐个从刀库中取出更换，也可由备用的子刀库取代装满待换刀具的刀库。
车床卡盘的卡爪、特种夹具和专用加工中心的主轴箱也可以自动更换。
切屑运送和处理系统是保证FMS连续正常工作的必要条件，一般根据切屑的形状、排除量和处理要求来选择经济的结构方案。
1.2.3信息控制
FMS信息控制系统的结构组成形式很多，但一般多采用群控方式的递阶系统。
第一级为各个工艺设备的计算机数控装置（CNC），实现各的口工过程的控制；
第二级为群控计算机，负责把来自第三级计算机的生产计划和数控指令等信息，分配给第一级中有关设备的数控装置，同时把它们的运转状况信息上报给上级计算机；
第三级是FMS的主计算机（控制计算机），其功能是制订生产作业计划，实施FMS运行状态的管理，及各种数据的管理；
第四级是全厂的管理计算机。
性能完善的软件是实现FMS功能的基础，除支持计算机工作的系统软件外，数量更多的是根据使用要求和用户经验所发展的专门应用软件，大体上包括控制软件（控制机床、物料储运系统、检验装置和监视系统）、计划管理软件（调度管理、质量管理、库存管理、工装管理等）和数据管理软件（仿真、检索和各种数据库）等。
为保证FMS的连续自动运转，须对刀具和切削过程进行监视，可能采用的方法有：
测量机床主轴电机输出的电流功率，或主轴的扭矩；
利用传感器拾取刀具破裂的信号；
利用接触测头直接测量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的变化；
累积计算刀具的切削时间以进行刀具寿命管理。
此外，还可利用接触测头来测量机床热变形和工件安装误差，并据此对其进行补偿。
1.3功能单元组成
码垛机与立体仓库，传送带，视觉检测，串联机器人，并联机器人，装配，自控制台，
1.4总控平台与各分站功能单元
整个系统包括：
码垛机与立体仓库从站单元、CCD图象检测从站单元、并联加工中心从站单元、串联搬运从站单元、传送带控制从站单元、条码扫描从站单元、条码扫描从站单元、以及主控服务器单元。
其中并联加工中心单元和串联搬运单元采用PC104嵌入式控制器控制，CCD图象检测单元（2个）和条码扫描单元采用PB-OEM4-PCI从站卡控制，码垛机与立体仓库单元采用PLC控制，传送带控制单元和机械手单元采用PLC控制。
主站单元通过PROFIBUS总线控制其他从站单元，如图1-1所示。
系统特点：
系统采用以PROFIBUS、串口通讯，大量使用嵌入式和PLC控制设计，用户可以从中选择相关内容满足不同层次的教学实验需要。
模块化结构，灵活、紧凑，完全满足实验的要求；
控制系统采用Windows系列操作系统，二次开发方便、快捷，适于教学实验。
系统结构采用工业DCS控制方式、具有高可靠性、开放性、易维护性、协调性等特点。
1.5系统接口定义
因为现场总线是应用在工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。
也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。
原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。
据此功能，现场总线能够很好地完成自动化立体仓库的接口定义及连接。
第二章码垛机简介
1.1码垛机概述
码垛机是立体仓库系统的重要组成部分，它是整个系统的执行部件，存货时将货物从出入货台准确的存放到货位里，取货时将货物从货位中取回到出入货台。
无论何种类型的码垛机，一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。
它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。
尽管各厂家各有独创，结构形式有些差异，但可以说大同小异，所有的码垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成。
体现码垛机动态性能优劣的指标主要有：
运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、认址精度等。
随着科学技术的不断进步，立体仓库的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断提高。
1.2码垛机的发展
初期的立体仓库使用的码垛机以桥式起重机为基础，这种码垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架，利用门架的上下和旋转来搬运货物。
1960年左右在美国出现了巷道式码垛机，随后巷道式码垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式码垛机。
1967年日本安装了高度10~15米的高层码垛机，1969年出现了联机全自动化仓库，我国是在上世纪70年代初期开始研究采用巷道式码垛机的立体仓库。
目前的码垛机技术取得了重大的发展，控制技术、定位精度、运行速度都得到了很大程度的提高。
巷道式码垛机的起升速度已经可以达到90m/min，运行速度达到240m/min，在有的立体仓库中采用上、下两层分别用巷道码垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力。
按现行机械行业标准，有轨巷道式码垛机分类方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。
无论何种类型的码垛机一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。
第三章码垛机的结构设计
3.1码垛机的总体机构
码垛机是由三个直线电控工作台以及一个旋转工作台外加货叉组成。
然后整体放置在底座上，用地脚螺栓固定在地面。
其中Ⅰ轴采用了链传动，直线导轨支撑结构形式。
外面采用柔性风琴防护罩进行保护。
Ⅱ轴除行程不一致外，本身结构形式完全不同，采用了直线导轨支撑，滚珠丝杠传动的结构。
这种结构的特点是承载能力高，安装方便。
Ⅲ轴因为相对承载低，故此采用光轴直线导轨支撑，滚珠丝杠传动的结构。
三个轴互成直角组合搭建而成。
也就是典型的直角坐标机器人。
工业上经常用到这种结构。
Ⅳ轴为旋转轴，通过支架与Ⅲ轴活动平台连接。
结构为蜗轮蜗杆形式。
所有直线工作台在系统中可采用伺服电机或者步进电机驱动，通过联轴器与丝杠端连接。
在大型柔性制造及物流系统中，这种码垛机结构应该是相对较复杂的，不仅因为它本身结构复杂，还因为包括知识面比较多，有电机控制、寻零复位操作、点位控制、精度测量等重要问题。
包装码垛生产线机械结构复杂，．零部件较多。
其传动形式多为链传动和带传动，其执行元件多为气缸，本章简化了机械本体的设计，方便实现后续的自动化控制。
3.2升降机结构设计
升降机是实现分层码垛的关键部机之一，其结构如图所示。
主要由升降平台、
传动机构和配重体组成。
升降平台主要由托盘支架，一对导向滚轮、一对限位滚轮等构件组成。
托盘支架
是由纵梁、横梁组成的一个四方形的平面框架，导向滚轮、限位滚轮用滚轮支架装在框架四角处。
滚轮与高架平台主机架的四根立柱上的导轨相配合，保证了升降平台运动的平稳与灵活。
平台通过四个调节螺杆与四根单排传动链条相连，传动链条通过主传动轴上的链轮与配重体相连。
传动机构是升降平台3实现升降运动的动力源。
主要由轴装式减速电机4、传动轴
5、链轮链条及托板组成。
减速电机的正、反旋转，使升降平台上、下运动。
配重体由钢板焊接而成，其重量是根据升降机承载的最大负荷确定的。
这样可以减少电机的驱动力和掣动力，并增加平台运行的平稳性。
3.3载货台设计
1、尾座板2、深沟球轴承3、隔套24、直线导轨5、丝杠螺母副6、滑块
7、连接块8、隔套19、深沟球轴承10、圆螺母11、轴承压盖12、轴承座
13、联轴器14、底座15、电机座板16、驱动电机17、硬限位18、开关支架底板
19、机械限位开关20、开光撞片21、底板122、连接板23、零位开关24、底板2
如图为二轴工作台整体效果图，驱动电机通过联轴器与丝杠连接，丝杠两端轴承支撑，属于固定-支撑安装方式，即一端固定住，一端浮动支撑。
因两端固定要求的加工精度及安装精度很高。
丝杠螺母与连接块螺钉连接在一起，两个直线导轨螺钉安装在底板上，然后直线导轨上滑块与连接块一起与连接板也就是活动平台螺钉连接。
工作台设有两个机械限位开关以及一个零位开关，两端还有机械硬限位挡块。
机械限位开关作用是限制工作台左右行程范围。
为了避免操作失误或者过冲，结构上必须设置硬限位，避免造成设备损坏和危险。
在工作台设计过程中，一直需要贯穿考虑的问题还有走线问题，因为电机、各类开关、气管等为了整体美观及线路安全，一般工业或者教学都用托链保护。
需要考虑安装方式不和其他运动及各轴干涉，以及运动过程中内部无挤压等现象，防止气管堵住及电线损坏。
3.4托盘仓的设计
托盘仓是存储托盘和向托盘输送机供给托盘的部机，其结构如上图所示。
托盘仓主要由机架1、叉板2、主气缸3、光电开关4和6、霍尔开关5组成。
机架主要采用钢板、槽钢和角钢焊接而成，能保证托盘仓有足够的强度和刚度。
叉板采用钢板焊接而成。
保证了叉板有足够的强度、刚度支承托盘，叉板上装有橡胶垫，起到一定的缓冲作用。
主气缸用以顶起托盘。
侧面还装有两个小气缸，小气缸控制叉板开合，保证托盘的提取。
光电开关采用对射式光电开关，检测托盘仓内托盘的存储量，以保证托盘的及时供给。
霍尔开关与主气缸同步运动，不同位置的霍尔开关都将发出信号，以控制主汽缸的运动，并保证主汽缸与托盘仓叉板动作的协调。
第四章立体仓库出入库平移台设计
4.1平移台结构设计
通常包括：
丝杠（或称螺杆）、导轨、底面、台面、电机、联轴器等部件；
影响电移台机械性能的主要因素有：
丝杠、导轨、机体材质、加工质量和装配工艺等
电控位移系统通常由三部分组成：
位移台、驱动电机、控制器。
驱动电机及控制器主要决定驱动扭矩、加减速度、信号处理、使用功能（如扫描，圆弧插补）等性能参数，随着电机控制技术的提升，除了电移台机械部件以外，电机和控制器也从很大程度上影响电移台的振动、噪音及电移台的定位精度。
其结构分解图如下所示：
4.2导轨设计
根据立体仓库的出入库设计需求及相关标准和有关规范如导向精度、精度保持性、运动灵敏度和定位精度、运动平稳性、抗震性和稳定性、机构工艺等，我们选择直线导轨做为出入库的导轨型号选择。
直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。
直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。
依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。
直线轴承主要用在自动化机械上比较多,像德国进口的机床,纸碗机,激光焊接机等等,当然直线轴承和直线轴是配套用的.像直线导轨主要是用在精度要求比较高的机械结构上。
第五章立体仓库的配合工作
5.1立体仓库简介
自动化立体仓库，也叫自动化立体仓储，物流仓储中出现的新概念，利用立体仓库设备可实现仓库高层合理化，存取自动化，操作简便化：
自动化立体仓库，是当前技术水平较高的形式。
自动化立体仓库的主体由货架，巷道式堆垛起重机、入（出）库工作台和自动运进（出）及操作控制系统组成。
货架是钢结构或钢筋混凝土结构的建筑物或结构体，货架内是标准尺寸的货位空间，巷道堆垛起重机穿行于货架之间的巷道中，完成存、取货的工作。
管理上采用计算机及条形码技术。
5.2立体仓库发展
仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。
50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；
50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；
1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。
此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。
60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。
对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所），1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械部起重所负责），该库1980年投入运行。
到2003年为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。
立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。
5.3立体仓库总体结构与功能分析
其基本系统有四个组成部分：
储存货架、存取设备、输入输出设备、控制系统。
分配如下图所示；
在立体仓库系统模块中，人机接口界面采用一个控制台，上面有操作人员操控立体仓库的控制面板；
控制器采用松下电工生产的EPO控制器；
电机制动装置分别采用两个不进电机和一个直流电机；
驱动装置是给步进电机配以相应的驱动电路；
机械部件主要由传送杆及传送平台构成；
仓库模块采用
3x4的结构，每个仓位上都设置了控制了限位开关。
通过参考立体仓库的一般结构形态，并根据各模块的功能，合理排列各个部件之间的位置，设计了一个立体仓库的整体结构，如下图所示。
立体仓库机构模型
5.4仓库搭建
组合式货架，货架各部件可拆可装，不是捍接形式组成。
货架有两列组成，每列有49个仓位，共有98个存储仓位。
仓位成40x40x40形状分布，连接之间用M8的螺栓连接，且每个连接点有两个螺栓共同加固。
且每个仓位均有限位开关与PLC控制器相连接，随时供系统检测仓位的存储状况。
图3.2自动化立体仓库
1、货架2、巷道3、天轨4、堆垛机5、仓位6、地轨
5.5平移台结构设计
第六章码垛机控制系统的硬件设计
6.1码垛机位置控制
由码垛机的作业流程分析，码垛机是由水平运行机构、纵向起升机构和货叉伸缩机构三部分组成的，水平运行机构和垂直起升机构使码垛机到达目标位置，货叉伸缩机构完成存取货任务。
要完成对码垛机自动控制系统的设计，首先要保证码垛机能够准确到达目标位置，所以在设计码垛机自动控制系统时，关键在于准确可靠的认址和定位保证码垛机准确无误的定位在目标货位。
另外为了提高存取效率和保证码垛机的稳定性，必须对码垛机三个机构的速度进行合理有效的控制，其中速度位置检测是码垛机自动控制系统的关键部分。
码垛机速度位置控制的实现方法所示，控制系统由PLC控制器、调速系统、编码器、认址片和认址器组成，实现位置和速度的双闭环控制。
执行机构
输入
编码器
速度检测
位置检测
码垛机位置速度控制框图
6.1.1定位控制
定位控制就是确定码垛机停止在目标货位的功能。
自动仓库的认址检测系统有两项任务：
一是实现自动寻址，使码垛机自动找到被指定到达的位置；
二是自动准确停准，即码垛机停准位置不超出规定的精度。
为此，货架上的每个货位必须具有码垛机能识别的编码，所以将货架两侧编成X1、X2，沿码垛机运行方向将货架编为0~Y列，垂直方向编为0~Z层。
这样每个货位就有了独立的三维坐标地址，码垛机自动检测目前的坐标地址，使其能到达目标位置。
因为货架两侧分为X1、X2，只有两个方向，反应到码垛机上只是货叉左伸、右伸运动，此方向不用检测，所以实际上码垛机位置的检测只是对Y、Z位置的检测。
6.1.2认址检测方式
主要的认址检测方式有以下几种：
（1）绝对认址：
绝对认址是将每一个货位赋予唯一的开关状态，给每个货位制作一个专用的认址片，码垛机上相应安装一个识别器，通常是二进制编码板和一组光电开关的组合，通过读取认址片的代码来判断码垛机的当前位置。
（2）相对认址：
相对认址：
相对认址时每个货位的认址片结构相同。
每经过一个货位，就对地址编码进行加1或减1，一直移动到和预定位置号一致时停止运行。
（3）编码器定位法：
编码器定位方式主要有两种：
从动轮与轨道旋转计数测定方式、链轮与链条旋转计数测定方式。
从动轮与轨道旋转计数测定方式。
码垛机的从动轮上配有同轴旋转编码器，从动轮与轨道近似纯滚动，因此通过对旋转编码器的转角的转换，可以得到码垛机的相对运行位置。
（4）激光测距定位：
激光测距定位是近年来应用于码垛机准确定位的新技术，用激光测距仪通过测量码垛机到基准点的距离和事先存储的位置数据比较来确定码垛机的当前位置。
这种方法的精度很高，但是使用时码垛机和激光发射器和反射板之间不允许有物体，否则会遮挡住激光的传输路径，使系统无法准确定位。
6.1.3认址方式确认
为完成对码垛机的位置控制，必须能检测出码垛机的运行位置，本次设计的码垛机系统认址方式如下：
（1）水平认址系统
水平方向采用激光测距传感器，当前数据为位移值，经过PLC计算后的数据为当前速度值。
激光测距传感器安装在码垛机上，目标放射板安装在巷道末端。
在立体仓库巷道通道中的激光测距范围（激光发射器与反射板之间）内不得有任何物体遮挡激光光线。
激光测距的原理是通过发射出的激光光线长度来测定距离，其光线就好比一把光尺，如果物体遮挡激光光线，让它脱离原标准原点的测定位置，将影响实际要求的测定距离，从而使道码垛机走位偏离所设定的位置，产生货叉取/存储错位或起始点撞击巷道码垛机端部缓冲制动器的情况。
因此，在巷道码垛机工作时不允许有任何物体遮挡激光光线，对于激光光线通道应采取隔离保护措施，保证激光测距的准确性和自动化系统的安全性。
（2）纵向认址系统
码垛机纵向方向的层定位采用光电开关和认址片组合定位，即在码垛机的上下安装两个光电开关，在每层的货位上安装认址片。
低位为取货开始伸叉或放货完毕收叉的位置，高位为放货开始伸叉或取货完毕收叉的位置。
为使货叉能完成作业，码垛机在垂直方向上必须要提供使货叉能停在高位或低位的检测装置。
所以在码垛机的升降台上安装三个光电开关，与升降台一起上升下降，中间的一个共用，其他两个分别为上位置和下位置。
存货开始或取货结束时，升降台货叉停在高位置，下面两个光电开关处于认址片内；
取货开始或存货结束时，货叉停在低位置，此时上面两个光电开关处于认址片内，如图所示。
码垛机垂直方向认址传感器分布图
6.2PLC模块选型
由于S7-200-CPU226的集成24输入/16输出不能满足设计的要求，所以又选用了EM221扩展模块和EM235扩展模块，正好满足设计的需要。
所选模块型号如表所示。
扩展模块选型表
系列号
类别
描述
选型型号
数量
EM221
输入扩展模块
DI16
6ES7221-1BH22-0XA0
1
EM235
输入/输出扩展模块
AI4/AO1
6ES7235-0KD22-0XA0
2
6.3码垛机变频调速系统设计
为了实现码垛机的准确定位，提高存取效率和保证码垛机的稳定性，必须对码垛机三个机构的速度进行合理有效的控制，由于水平和垂直运行电机分别采用三相交流异步电动机和单相交流异步电动机，所以对这两个方向的速度控制采用闭环变频调速控制。
6.3.1变频器的选型
本文根据综合考虑选择西门子
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