自动化立体仓库设计方案.doc

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自动化立体仓库设计方案

第1章　绪论

1.1引言

当前世界经济发展的两大趋势是全球化和市场化。

集扮流、信息流和资金流于一身的物流配送中心，在全球化和市场化的时代里，进一步促进了世界经济与贸易的发展。

代表21世纪国林物流先进技术的物流配送中心的特征是自动化、计算机化、信．息化、两络化、智笼化、柔性化、电子商务化、标准化和社会化。

自动化立体仓库在现代化的物流配送中心中起到了重大的作用，可以说没有自动化立体仓库就没有现代化的物流系统。

在全球化和市场化的国际经济活动中，流通是联系生产和消费的纽带。

只有通过商品流通才能体现出商品的价值及其使用价值，流通是国民经济运行的大动脉。

自动化立体仓库加速了商品流通，减少了商品损坏，降低了流通成本，节约了土地面积、人力和财力。

此外，它还提高了库存周转率、经营灵活性和工作效率。

它以最快速度、最低价格和最佳服务来满足用户需求，从而获得最大利益。

我国加入WTO之后，加速了工业化和现代化的建设．物流配送中心和自动化立体仓库的需求量越来越大．它必将为国民经济的腾飞做出巨大的贡献。

基于这一现状提出了本课题。

自动化立体仓库由计算机控制系统、高层货架、堆垛机、输送机一和周边机械等构成，它是现代化物流配送中心的关键设备系统。

1.2特点及其研发意义

物流系统中的自动化立体仓为又称立库、高层货架仓库、自动仓储要SA/RS，是以高层立体货架（托盘系统）储存物资，用电子计算机控制管理和自动控制堆垛运输车进行存取作业的仓库。

仓库的功能从单纯地进行物资的储存保管，发展到担负物资的接受、分类、计量、包装、分拣、配送、存档等多种功能，实现高效率物流和大容量存储，以满足现代化生产和商品流通的需要。

近年来，我国为了发展经济，各地都在大力发展交通，海、路、空并举，进行大规模的基本项目的投资建设，成为现代化经济发展建设的主旋律。

而交通事业发展的最终目的，就是使物资能够迅速流通，促进经济的发展。

在现代社会中，物资流通领域的供应链在信息、网络的冲击下发生了各个交通枢纽上的结点，仓储设备的发展必须紧跟时代的步伐，为满足现代社会的商品需求、管理与流通，必须加快仓储设备的发展。

因此，未来仓储物流设备的发展必将成为我国经济发展的一个重要增长点。

到目前，我国立体仓库数量以有相当大的规模，由于其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待点，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。

立体仓库应用围很厂，几乎遍布所有行业。

在我国，采用立体仓库的主要行业有机械、冶金、化工、航宅航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场和港口等。

基于上述原因，本课题就立体仓库设计的理论和主要技术进行较系统的研究。

作为大学生，自动化仓库的功能及开发，培养我们的实际动手操作能力和应用知识解决问题的能力，接触世界前沿的自动化控制技术，提高我们的综合素质。

机械运动模型蕴藏着较高的软件技术含量，可以进行综合性的专业训练，不但能进行专业知识的学习，还能培养我们的创新思维。

1.3现有自动化立体仓库的优越性

首先，从自动化立体仓库的基本优势上看：

（1）科学储备，提高物料调节水平。

（2）有效地衔接生产，加快物资周转，降低成本。

（3）为企业的生产指挥和决策提供有效的依据。

其次，从自动化立体仓库的社会效益和经济效益方面说明：

（1）由于使用高层货架存储货物，存储区可以大幅度地向高空发展，充分利用仓库地面和空间，因此节省了库存占地面积，提高了空间利用率。

（2）自动存取，使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度。

同时，能方便地纳入企业的物流系统，使企业物流更趋合理化。

（3）自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统联网，实现企业信息管理的自动化。

同时，由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，从而也提高了操作人员素质和管理人员的水平。

（4）自动化立体库对于提升企业形象，具有巨大的社会经济效益。

1.4自动化立体仓库的设计程序

仓库设计的顺序图见下：

第2章　自动化仓库机械部分设计方案

2.1　引言

机电一体化机械系统要求精度高、运动平稳、工作可靠，具有良好的伺服性能，从而要求传动机构满足以下几个方面的要求:

转动惯量小，以减小机械负载，避免对系统造成不良影响；刚度大，有利于减小动力损失，提高固有频率，增加闭环伺服系统的稳定性:

阻尼合适。

机械部分主要包括电动机的选择及减速机构选择、传动链选择、导轨设计、货架、轴的设计、链轮设计、车轮设计、支撑链机构、连杆设计。

本章通过对部货架和堆垛机的设计分析，合理选用了货架系统以及堆垛机的运行、存取、传动、控制系统，通过分析比较确定出了整套装置的设计方案。

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

50mm

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·cm

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·cm

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·cm2

负载惯量为

JL=JB+Jt

=0.0675+0.00571

=0.1246kg·cm2

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·cm

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·M

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

相数

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

端子

名称

元件

端子

名称

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

前进

LED7

Y17

显示7号仓位

SB14

X15

9号仓位键

SB6

X41

上升

LED8

Y20

显示8号仓位

SB13

X16

10号仓位键

SB5

X42

下降

LED9

Y21

显示9号仓位

SB12

X17

11号仓位键

SB4

X43

后退

LED10

Y22

显示10号仓位

SB11

X20

12号仓位键

SB3

X44

伸叉

LED11

Y23

显示11号仓位

-

X21

1号仓位检测

SB8

X45

收叉

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：

名称

代号符号

个数

规格型号

可编程控制器

PLC

1

FX2N-80MR

步进电机

M

3

42BYGHl01

步进电机驱动器

3

SH-2H057

微动开关

SM

13

KW10-01

限位开关

SQ

2

D4CC

带灯按钮

SB

12

KH2204EB-2220VAC

转换按钮

SB

1

LW12

急停按钮

SB

1

KPB25ER,30ER

点动按钮

SB

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