1、畢 業(yè) 論 文基于PLC的物流堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保

2、存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部容。作者簽名： 日 期：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)

3、家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注意事項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類(lèi)設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬(wàn)字（不包括圖紙

4、、程序清單等），文科類(lèi)論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬(wàn)字。3.附件包括：任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡工整，打印字體與大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫(xiě)2）工程設(shè)計(jì)類(lèi)題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫(xiě)，不準(zhǔn)用徒手畫(huà)3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上5）軟件工程類(lèi)課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂

5、摘要隨著近年來(lái)物流產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)應(yīng)運(yùn)而生，而堆垛機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的核心，與之相關(guān)的技術(shù)逐漸成為研究的重點(diǎn)。設(shè)計(jì)一種能夠有效、快速、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的堆垛機(jī)控制系統(tǒng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域中一項(xiàng)重要課題。本文給出了軌道堆垛機(jī)基于PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并給出了具體的硬件搭建流程和軟件設(shè)計(jì)方法。本文對(duì)堆垛機(jī)的國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r以與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了一種單位立柱巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)。本文采用西門(mén)子公司s7-200PLC，了解了軌道堆垛機(jī)的特點(diǎn)后，認(rèn)為其技術(shù)指標(biāo)以與控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)非常重要。為了研究堆垛機(jī)的定位技術(shù)對(duì)現(xiàn)有定位技術(shù)以與認(rèn)址方式進(jìn)行比較，最后決定選用激光測(cè)距傳

6、感器與絕對(duì)認(rèn)址方式相結(jié)合的方案對(duì)軌道堆垛機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)位置控制，U型傳感器的原理和測(cè)距方法，參數(shù)以與安放方式。給出了單位立柱巷道堆垛機(jī)的流程圖與程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的堆垛機(jī)控制系統(tǒng)整體效果良好，滿(mǎn)足學(xué)校對(duì)堆垛機(jī)的性能要求。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)定位誤差明顯降低，堆垛機(jī)的運(yùn)行速度也有一定的提高，一方面能夠保證貨物進(jìn)倉(cāng)的精準(zhǔn)性，另一方面實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行的快速性，同時(shí)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù) 堆垛機(jī) PLC 傳感器The design of logistics stacker control system based on the PLCAbstractWith the rapid deve

7、lopment of logistics industry in recent years, automated stereoscopic warehouse arose at the historic moment.Recently, the stacker system became the core of stereoscopic warehouse system, and related technology has gradually became the focus of research. To design a kind of effective, rapid, real-ti

8、me, stable and automated stereoscopicstorehouse stacker control system has became an important topic in an industrial control field. Track piling machine based on PLC control system was given in the overall design of this paper, and the paper also gave the specific procurement processes of hardware

9、and the design method of the software . This paperstudied the development situation and trend of the stackerat home and abroad, and designed a pillar stacker machine control system. This paperadopted Siemens s7-200 PLC, after understood the characteristics of the track stacker, realized that its tec

10、hnical indicators and the control method to carry on the design is very important. In order to study the stacker positioning technology, the papermade a comparison between existed positioning technologies and methods to recognize address ,finally decided to use the way of combining laser range senso

11、r with absolute recognition of position to make real-time position control on track stacker, u-shaped sensor principle and ranging method, parameters and placed. It also gave flow chart of the mast stacker machine unit and program. The experimental results show that the effect of the design of stack

12、er control system in this article is good.The design also met the stackerperformance requirements ofthe school. The positioningerror of designing control system is decreased obviously, and the running speed of stacker increased to a certain extent. On the one hand, it can ensure the precision of the

13、 warehouse entry, on the other hand, it realized the rapidity of the system operation, and ensure the stability of the system. Keywords automated stereoscopic storehouse; stacker; PLC; sensor- 31 - / 43目錄摘要Abstract目錄41.1 課題研究的背景- 1 -1.1.1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的簡(jiǎn)介- 1 -1.1.2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r- 1 -1.1.3 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的優(yōu)越性- 2

14、-1.2 堆垛機(jī)的簡(jiǎn)介- 3 -1.3 堆垛機(jī)的發(fā)展- 4 -1.4 課題研究的目的和意義- 5 -2 堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)- 6 -2.1 堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案- 6 -2.2 水平行走機(jī)構(gòu)- 6 -2.3 貨叉部分- 7 -2.4 載貨臺(tái)- 7 -2.5 提升機(jī)構(gòu)- 8 -2.6 安全保護(hù)部分- 8 -2.7 本章小結(jié)- 9 -3 控制方案設(shè)計(jì)- 10 -3.1 堆垛機(jī)整體控制方案設(shè)計(jì)- 10 -3.1.1 堆垛機(jī)的控制方式- 10 -3.1.2 控制功能分析- 11 -3.2 控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與硬件選型- 12 -3.2.1 PLC技術(shù)與選型- 12 -3.2.2 交流伺服控制技術(shù)與伺服放大

15、器的選型- 13 -3.2.3 交流變頻調(diào)速技術(shù)與變頻器選型- 13 -3.3 堆垛機(jī)位置控制方案- 14 -3.3.1 貨位編碼- 14 -3.3.2 認(rèn)址方式- 15 -3.3.3 位置控制方案- 15 -3.4 本章小結(jié)- 16 -4 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)- 18 -4.1 控制要求與系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 18 -4.2 I/O口分配方案- 18 -4.3 堆垛機(jī)系統(tǒng)的工作流程- 20 -4.4 軟件編程與實(shí)現(xiàn)- 22 -4.5 本章小結(jié)- 27 -結(jié)論- 28 -參考文獻(xiàn)- 29 -致- 31 -1緒論1.1 課題研究的背景1.1.1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的簡(jiǎn)介自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)庫(kù)的產(chǎn)生和發(fā)展是第二次世界大戰(zhàn)之

16、后生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，是一個(gè)典型的高技術(shù)密集型機(jī)電一體化產(chǎn)品，用一流的集成化物流理念，采用先進(jìn)的控制、總線(xiàn)、通訊和信息技術(shù)，通過(guò)以上設(shè)備的協(xié)調(diào)動(dòng)作進(jìn)行出入庫(kù)作業(yè)。結(jié)合入庫(kù)出庫(kù)周邊設(shè)備來(lái)進(jìn)行作業(yè)的一種倉(cāng)庫(kù)，它主要有高層的鋼構(gòu)貨架、自動(dòng)導(dǎo)航小車(chē)、傳輸帶、堆垛機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)等組成1。1.1.2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r從國(guó)發(fā)展情況來(lái)看，我國(guó)第一座自主研發(fā)由計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)由機(jī)械部起重所于1980年研制成功并交付使用（其總高15m，研發(fā)周期為13年，獲得了國(guó)家的關(guān)注與支持），而由國(guó)獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造的立體倉(cāng)庫(kù)則是由儀征化纖工業(yè)聯(lián)合公司于1995年

17、建成的滌綸自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，自動(dòng)化程度達(dá)到國(guó)際化水平2。從研究與應(yīng)用上來(lái)看，我國(guó)自動(dòng)化立體庫(kù)主要經(jīng)歷了四個(gè)階段： 第一階段為起步階段。它始于 1973 年，在接下來(lái)的 10 多年間，我國(guó)完成了系統(tǒng)的研制與應(yīng)用，但由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制，應(yīng)用非常有限。 第二階段為較初級(jí)發(fā)展階段。大概開(kāi)始于1985年，比較明顯的特征為：通過(guò)引進(jìn)吸收、自主研發(fā)，研制成功了基于可編程邏輯控制器控制的立體庫(kù)系統(tǒng)，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴(kuò)展到醫(yī)藥、船舶、礦業(yè)、機(jī)械存儲(chǔ)、煙草存儲(chǔ)等行業(yè)，市場(chǎng)應(yīng)用得到大大的提高。第三階段為高速發(fā)展階段。大概開(kāi)始于1998年，一家國(guó)公司發(fā)明了以傳感器激光測(cè)距為主要技術(shù)的立體倉(cāng)庫(kù)。這一時(shí)期立體庫(kù)得到了廣泛應(yīng)

18、用，每年大約有60套的增長(zhǎng)，除去拆除的技術(shù)落后的到 2005 年超過(guò)600套。 第四階段為成熟應(yīng)用階段。其始于 2006 年，每年市場(chǎng)需求平均達(dá)到 90 套左右，到 2010 年底，全國(guó)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)數(shù)量能達(dá)到 2000 座左右。目前我國(guó)的自動(dòng)化立體庫(kù)技術(shù)已經(jīng)基本成熟，并進(jìn)入大量應(yīng)用階段。其技術(shù)水平與先進(jìn)國(guó)家的差異主要在于高速性、工藝性和可靠性等方面。 而從國(guó)外情況來(lái)看，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是在物流和自動(dòng)控制技術(shù)快速發(fā)展背景下產(chǎn)生的一個(gè)高科技產(chǎn)品，它發(fā)源于北美洲。于1950年美國(guó)研制成功的手動(dòng)控制的橋式堆垛起重機(jī)被認(rèn)為是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的雛形；經(jīng)過(guò)大約10年的時(shí)間，其又研制出了人工操作的巷道式堆垛機(jī)，

19、并于1963研制成功了世界上最早的全自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)：它運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)控制倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)化控制。 自動(dòng)化發(fā)展最快的當(dāng)屬我們的鄰國(guó)日本，在1965開(kāi)始有了第一座自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)后，平均每年以300座的速度大規(guī)模興建。到1986年它已擁有大小立體倉(cāng)庫(kù)5800座，占世界總數(shù)一半以上。后來(lái)美國(guó)學(xué)者JAWhite把自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的發(fā)展劃分為五個(gè)階段：人工倉(cāng)儲(chǔ)階段、機(jī)械化倉(cāng)儲(chǔ)階段、自動(dòng)化倉(cāng)段、集成化倉(cāng)儲(chǔ)階段和智能化階段3。現(xiàn)代自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的概念圖如圖1-1 圖1-11.1.3 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的優(yōu)越性自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)在現(xiàn)代物流、貯存、管理中占有極重要的地位。其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1) 實(shí)現(xiàn)密集

20、存儲(chǔ)、提高空間利用率：立體倉(cāng)庫(kù)通常采用725米高的巷道式高架貨架存儲(chǔ)，巷道堆垛機(jī)進(jìn)行存取貨物的操作空間只需一個(gè)貨位的寬度即可，空間利用率能達(dá)到常規(guī)倉(cāng)庫(kù)的510倍；2)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物流的全自動(dòng)化：立體倉(cāng)庫(kù)的貨物存取采用全自動(dòng)巷道堆垛機(jī)，出入庫(kù)系統(tǒng)采用各種輸送設(shè)備，這些設(shè)備通過(guò)統(tǒng)一的控制系統(tǒng)調(diào)度、監(jiān)控、管理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的全無(wú)人自動(dòng)化運(yùn)行。3)大大提高管理效率：由于立倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的出庫(kù)、入庫(kù)、盤(pán)存等倉(cāng)儲(chǔ)程序均實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)管理并跟生產(chǎn)系統(tǒng)與銷(xiāo)售、采購(gòu)、財(cái)務(wù)等系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接，不但提高了存儲(chǔ)與生產(chǎn)效率，并能極大程度地提高整體管理效率和倉(cāng)儲(chǔ)的合理化。4) 協(xié)調(diào)各生產(chǎn)工序的不平衡。 5) 節(jié)省能源與人力消耗：自動(dòng)

21、化倉(cāng)庫(kù)采用的是380V交流電的潔凈能源，并且自動(dòng)堆垛機(jī)取代了傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)里的叉車(chē)等存取裝備，減少了人的參與。1.2 堆垛機(jī)的簡(jiǎn)介起重和搬運(yùn)是堆垛機(jī)在立體倉(cāng)庫(kù)中最常見(jiàn)的兩個(gè)作用，在系統(tǒng)的控制下堆垛機(jī)能夠在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的巷道中往返運(yùn)行并存取貨物。 按現(xiàn)行機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，堆垛機(jī)可分為：有軌巷道堆垛機(jī)、無(wú)軌堆垛機(jī)和橋式堆垛機(jī)。而有軌巷道堆垛機(jī)的分類(lèi)有各式各樣的方式，大體上都是通過(guò)支承方式、用途、控制方式、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行軌跡等來(lái)劃分。 不過(guò)在立體倉(cāng)庫(kù)應(yīng)用中，堆垛機(jī)最常見(jiàn)的分類(lèi)方式是按運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)來(lái)分類(lèi)4。 1）按結(jié)構(gòu)形式，堆垛機(jī)可分為雙立柱有軌巷道堆垛機(jī)和單立柱有軌巷道堆垛機(jī) 。 雙立柱結(jié)構(gòu)堆垛機(jī)的機(jī)架由上橫

22、梁、下橫梁和兩根立柱組成，整體呈方框形。這種結(jié)構(gòu)剛度高并且平穩(wěn)性好，在要求取貨高度高、貨物質(zhì)量大和行走速度高的場(chǎng)合應(yīng)用比較廣泛。 單立柱堆垛機(jī)有上、下橫梁組成。這種結(jié)構(gòu)使用材料相對(duì)較少，這樣就減輕了整機(jī)的重量，同時(shí)降低了產(chǎn)品投入成本。不過(guò)這種結(jié)構(gòu)的堆垛機(jī)由于整體重心偏，并且在水平行走啟動(dòng)和停車(chē)過(guò)程中容易產(chǎn)生巨大沖擊而使機(jī)架產(chǎn)生大的變形和局部應(yīng)力集中，極大的限制了它的使用圍，僅僅適合應(yīng)用在載重輕、低速的場(chǎng)合。2) 按運(yùn)行軌跡形式不同，堆垛機(jī)可分為直線(xiàn)運(yùn)行型堆垛機(jī)和曲線(xiàn)運(yùn)行型堆垛機(jī) 。 直線(xiàn)運(yùn)行型堆垛機(jī)，其軌道是直線(xiàn)的，堆垛機(jī)只能在其直線(xiàn)軌道上行走，不能自行的從一個(gè)巷道換到另外一個(gè)巷道。不過(guò)因?yàn)槠?/p>

23、軌道為直線(xiàn)，該類(lèi)型的堆垛機(jī)可以在高速情況下運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)立體庫(kù)的高頻率作業(yè)，在物流行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 曲線(xiàn)運(yùn)行型堆垛機(jī)又叫轉(zhuǎn)軌堆垛機(jī)，其行走輪與下橫梁是通過(guò)垂直軸鉸接的，可以自行地從一個(gè)巷道轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)巷道，因此能夠在環(huán)形或其它曲線(xiàn)軌道上行走，完成存取貨物的功能5。不過(guò)考慮場(chǎng)地的利用率問(wèn)題，軌道的轉(zhuǎn)彎半徑不宜過(guò)大，這樣堆垛機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)就不能高速運(yùn)行，因此此種堆垛機(jī)應(yīng)用在巷道比較多而堆垛機(jī)比較少且出入庫(kù)頻率不高的工作場(chǎng)合。1.3 堆垛機(jī)的發(fā)展隨著自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的應(yīng)用圍和技術(shù)手段不斷發(fā)展和完善，其在現(xiàn)代物流體系中起著越來(lái)越重要的作用。立體倉(cāng)虧最重要的部分是軌道堆垛機(jī)，軌道堆垛機(jī)因?yàn)樽饔脧V泛而得到推

24、廣使用。在1970年左右巷道是堆垛機(jī)在我國(guó)得到了迅猛發(fā)展，在這之前我國(guó)早就開(kāi)始研究采用巷道式軌道堆垛機(jī)在立體倉(cāng)庫(kù)中的應(yīng)用。在堆垛機(jī)的在機(jī)架機(jī)械中，機(jī)架上安裝有伸縮貨叉，用來(lái)取貨和送貨，通過(guò)機(jī)架上的絲杠來(lái)控制貨叉的長(zhǎng)度。在二十世紀(jì)七十年代到八十年代間，巷道式堆垛機(jī)以與各種移動(dòng)式貨架開(kāi)始運(yùn)用于自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中，這使得物流運(yùn)輸?shù)臋C(jī)動(dòng)性大大提高，因此堆垛機(jī)的發(fā)展也越來(lái)越快6。 在19世紀(jì)初堆垛機(jī)的雛形出現(xiàn)在美國(guó)。伴隨著工業(yè)革命的逐步發(fā)展，各工業(yè)國(guó)家都開(kāi)始研究與生產(chǎn)堆垛機(jī)，多用于起重和運(yùn)送貨物。這個(gè)時(shí)候的巷道堆垛機(jī)一般由以下幾個(gè)部分組成，升降電機(jī)、運(yùn)行電機(jī)、固定軌道、底盤(pán)、機(jī)身、機(jī)架、伸縮貨叉，并且搭配

25、必要的電氣設(shè)備。巷道式堆垛機(jī)它的運(yùn)行軌道一般鋪設(shè)在地面上（這樣可以大大減少承重的來(lái)料），堆垛機(jī)的承重和行走則依靠的是下部的機(jī)械滑輪，其運(yùn)行軌跡是直線(xiàn)型巷道堆垛機(jī)。這種堆垛機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置安裝在底盤(pán)的兩側(cè)，有利于平時(shí)的保養(yǎng)、維修和拆運(yùn)。從1967年開(kāi)始，工業(yè)剛起步的日本就掌握了安裝高度為25米高度堆垛機(jī)的技術(shù)。隨著各國(guó)技術(shù)交流逐漸增多，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和物流倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)也得到了很快的發(fā)展，技術(shù)越來(lái)越好，所以應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)為了滿(mǎn)足大型立體庫(kù)的技術(shù)要求，堆垛機(jī)的整機(jī)高度也在不停的提高。在1970年運(yùn)貨高度可達(dá)40米的堆垛機(jī)（其由貨架支承，軌道固定）問(wèn)世。堆垛機(jī)是立體倉(cāng)庫(kù)的重要部分，技術(shù)是伴隨著自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)

26、技術(shù)慢慢發(fā)展起來(lái)的。最近幾年國(guó)的自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)中的堆垛機(jī)技術(shù)也與時(shí)俱進(jìn)，堆垛機(jī)也在結(jié)構(gòu)、減噪技術(shù)、安全運(yùn)行、速度和精度指標(biāo)上有了很大的提高，并在機(jī)械制造、食品生產(chǎn)、鐵路、船舶、航空、礦業(yè)、煙草等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。跟國(guó)外比較，我國(guó)堆垛機(jī)存在最低存取貨物高度比較低（世界一流水平），高速運(yùn)行的安全性和精確度都顯著提高，而且穩(wěn)定性等問(wèn)題也越來(lái)越好，所以我國(guó)堆垛機(jī)在綜合性能方面步入世界發(fā)達(dá)國(guó)家行列。 目前堆垛機(jī)技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家都把著力點(diǎn)放在開(kāi)發(fā)性能可靠的新產(chǎn)品和采用新技術(shù)的穩(wěn)定性上。隨著物流倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展，物流倉(cāng)儲(chǔ)的高效率性對(duì)堆垛機(jī)的存取速度提出了更高的要求，研制運(yùn)行平穩(wěn)可靠、認(rèn)址準(zhǔn)確、起動(dòng)制動(dòng)靈敏、運(yùn)

27、行振動(dòng)小、噪音小等綜合性能高的運(yùn)行速度達(dá)到 160200m/min 以上的高速堆垛機(jī)成為今后的主要發(fā)展方向6。堆垛機(jī)實(shí)物圖如圖1-2 圖1-21.4 課題研究的目的和意義倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)是現(xiàn)代物流發(fā)展的重要指標(biāo)，倉(cāng)儲(chǔ)在物流系統(tǒng)中起著非常重要的作用。高效的、合理的倉(cāng)儲(chǔ)能加快物資流動(dòng)、降低成本并可以對(duì)資源進(jìn)行有效的控制和管理。隨著現(xiàn)代物流的快速發(fā)展，一方面，物流自動(dòng)化和信息化程度不斷提高；另一方面，土地成本和人工成本的提高也使企業(yè)產(chǎn)生了讓倉(cāng)庫(kù)向自動(dòng)化方向發(fā)展的十分迫切的需要。在這種情況下，能代表現(xiàn)代企業(yè)先進(jìn)水平的自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)也就應(yīng)運(yùn)而生。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是近年國(guó)際上快速發(fā)展起來(lái)的一種新型物流倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施，具有準(zhǔn)確

28、高、自動(dòng)化程度高、安全可靠、功能齊全等優(yōu)勢(shì)，并成為工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家倉(cāng)儲(chǔ)建設(shè)的發(fā)展潮流。我國(guó)在 1973 年自主研制出第一座計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，深受?chē)?guó)家的關(guān)注與支持。接下來(lái)的幾十年科學(xué)家和工程師們不斷努力創(chuàng)新，我國(guó)2015 年底擁有的數(shù)量已經(jīng)超過(guò) 3000 座，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)也從高速發(fā)展階逐漸段步入了成熟應(yīng)用階段。據(jù)可靠調(diào)研，我國(guó)很多行業(yè)都用到自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，主要應(yīng)用于機(jī)械制造、礦業(yè)、船舶、航空航天、食品加工、煙草等行業(yè)。與此同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)全球化步伐日益加快和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，物流在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中的重要性已經(jīng)日益凸現(xiàn)，物流人才的需求也在日益增長(zhǎng)。據(jù)教育部高校物流專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

29、，到 2014年，我國(guó)大專(zhuān)以上物流人才需求量為 30 萬(wàn)至 40 萬(wàn)，而國(guó)物流教育起步較晚，于是各高校紛紛投資興建物流實(shí)驗(yàn)中心，為培養(yǎng)高素質(zhì)物流人才搭建理論與實(shí)踐的平臺(tái)7。 2 堆垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)2.1 堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中的重要的物流運(yùn)輸設(shè)備，它受控于上位機(jī)，穿梭于立體貨架之間，主要承擔(dān)貨物的出庫(kù)、入庫(kù)和移庫(kù)等任務(wù)。良好的堆垛機(jī)應(yīng)該滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；(1)擁有多個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的控制，即水平方向的來(lái)回行走，實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的列定位；載貨臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的層定位；貨叉的雙向伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)貨物的存取。(2)具有安全防護(hù)裝置，例如：斷繩保護(hù)裝置、沖頂保護(hù)裝置、過(guò)載保護(hù)裝置等。

30、(3)在機(jī)械結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度與可靠性的原則下，各部分的質(zhì)量盡量減少，減小堆垛機(jī)在加速和制動(dòng)時(shí)的慣性沖擊，同時(shí)還能節(jié)省制造成本。（4）減少堆垛機(jī)工作過(guò)程中的噪音，為工作人員提供一個(gè)好的工作環(huán)境。堆垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)大致如圖2-1。 圖2-12.2 水平行走機(jī)構(gòu)堆垛機(jī)的行走機(jī)構(gòu)，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電氣控制柜、減速機(jī)、主、從動(dòng)輪、導(dǎo)向輪與下橫梁等部分組成。其主要功能是由水平行走電機(jī)經(jīng)過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪在地軌上運(yùn)動(dòng)，完成巷道堆垛機(jī)的巷道水平方向的行走運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)貨格列方向的定位。下橫梁兩側(cè)靠近端面位置分別安裝有兩個(gè)導(dǎo)向輪，對(duì)堆垛機(jī)水平行走起到很好的方向?qū)д饔?。 本機(jī)構(gòu)的下橫梁運(yùn)用 10mm 后的鋼板經(jīng)過(guò)加

31、工焊接而成，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪兩端的軸承安裝孔，在加工的過(guò)程中應(yīng)用加工中心旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)經(jīng)過(guò)一次裝夾，鏜削而成，有效的保證了主動(dòng)輪和從動(dòng)輪軸線(xiàn)的平行性，對(duì)堆垛機(jī)的水平行走的平穩(wěn)性起到了很好的作用。兩邊的導(dǎo)向輪采用金屬輪外裹 PPVC 材料的方式制作，即保證了導(dǎo)向輪的剛度也有效的減小行走過(guò)程中的噪音。2.3 貨叉部分堆垛機(jī)的存取貨裝置主要有機(jī)械抓取式存取裝置、電磁或真空吸盤(pán)存取裝置、旋轉(zhuǎn)抓取裝置和伸縮貨叉存取裝置，本項(xiàng)目選用最為常用的伸縮貨叉存取裝置10。 貨叉的傳動(dòng)方式有很多種，常見(jiàn)的有：齒輪齒條傳動(dòng)與鏈輪傳動(dòng)和齒輪齒條傳動(dòng)相結(jié)合的方式等11。本文選用齒輪齒條傳動(dòng)方式，其主要由上叉、中叉、下叉、齒輪齒

32、條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向輪和貨叉電機(jī)等組成。其工作原理如下：下叉固定在載貨臺(tái)上，貨叉電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)力輸入軸驅(qū)動(dòng)下邊大齒輪，經(jīng)過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)中叉相對(duì)于下叉水平行走 400mm，上叉相對(duì)于下叉行走 800mm，以達(dá)到貨叉行程倍增的目標(biāo)。 為了保證貨叉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后能實(shí)現(xiàn)在貨架上邊正常存取貨物。貨叉合攏時(shí)尺寸 800mm 小于巷道寬度 1000mm，貨架上貨物頂部距上位貨位之間有 60mm 間隙滿(mǎn)足微抬和微降間隙要求，貨物頂部距上位貨物托盤(pán)底部距離為 220mm 滿(mǎn)足貨叉的存貨物間隙，所以本次設(shè)計(jì)的貨叉能夠滿(mǎn)足堆垛機(jī)在巷道中行走并且自動(dòng)存取貨物的功能。2.4 載貨臺(tái)載貨臺(tái)是貨物的承載單元，其主要由

33、導(dǎo)向輪、導(dǎo)輪架、載貨臺(tái)體、導(dǎo)向座、與滑輪組等組成，其上安裝有貨叉裝置、斷繩保護(hù)裝置、升降認(rèn)址裝置、貨物位置異常檢測(cè)裝置等。 它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮在滿(mǎn)足對(duì)貨叉和貨物的支撐剛度的前提下，盡可能的減輕其重量，按照載貨臺(tái)的承載參數(shù)和貨物托盤(pán)的尺寸，載貨臺(tái)體選用 100× 100mm的方鋼，采取焊接的方式制成。在載貨臺(tái)上與立柱導(dǎo)軌接觸的三個(gè)面上都安裝有導(dǎo)向輪，以保證載貨臺(tái)沿著立柱導(dǎo)軌平穩(wěn)的升降。 為了減小載貨臺(tái)在升降過(guò)程中同立柱導(dǎo)軌之間的震動(dòng)和產(chǎn)生的噪音，主要采取如下措施：(1)選用 PPVC 材料制作導(dǎo)向輪；(2)固定導(dǎo)向輪的導(dǎo)輪架要做成可調(diào)的，在安裝時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，調(diào)整導(dǎo)向輪同立柱導(dǎo)軌

34、之間的間隙。2.5 提升機(jī)構(gòu)提升機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)載貨臺(tái)垂直提升的動(dòng)力與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，堆垛機(jī)常用的三種提升方式有：鏈條提升、鋼絲繩卷筒提升以與鋼絲繩曳引輪提升方式三種12。根據(jù)特點(diǎn)的不同采用鏈條提升方式比采用卷?yè)P(yáng)筒式更平穩(wěn)。曳引式提升機(jī)構(gòu)體積小巧而且提升高度不受限制，但是堆垛機(jī)要水平行走，所以配重裝置勢(shì)必會(huì)晃動(dòng)產(chǎn)生噪音，而且配重裝置需要設(shè)到立柱里面沿著立柱壁上下行走，維修和安裝比較麻煩。2.6 安全保護(hù)部分1) 終端限位保護(hù) 在堆垛機(jī)的水平方向，不僅設(shè)置了行程限位開(kāi)關(guān)，而且在導(dǎo)軌的兩端安裝有機(jī)械擋護(hù)塊，雙重防護(hù)保證堆垛機(jī)在水平行走過(guò)程中不沖出軌道；在立柱的上下端分別安裝有限位開(kāi)關(guān)，并且制作了防沖頂和防墜底

35、的裝置來(lái)預(yù)防堆垛機(jī)在垂直升降過(guò)程中控制失靈，造成沖頂和墜底的危險(xiǎn)；在貨叉的伸出終端設(shè)置硬限位，來(lái)控制貨叉伸縮的行程2) 電氣聯(lián)鎖保護(hù) 堆垛機(jī)在巷道中行走，擁有三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，如果三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)不好的話(huà)，會(huì)導(dǎo)致堆垛機(jī)貨叉跟貨架或貨物的碰撞，造成不良后果13。所以在對(duì)堆垛機(jī)的控制過(guò)程中加入了聯(lián)鎖保護(hù)，堆垛機(jī)在水平行走過(guò)程中，載貨臺(tái)的垂直提升運(yùn)動(dòng)和貨叉的伸縮運(yùn)動(dòng)是被鎖定的，只有當(dāng)水平定位完成后，載貨臺(tái)才能垂直運(yùn)動(dòng)，貨叉在垂直方向定位完成后才執(zhí)行伸縮操作。在取到貨物后，先貨叉回中位，后載貨臺(tái)下降到低位，再堆垛機(jī)水平行走。3) 斷電保護(hù) 本文中的所有電機(jī)都帶有自動(dòng)抱閘功能。比如突然斷電這種意外發(fā)生的

36、時(shí)候，電機(jī)會(huì)掉電自鎖，并保持?jǐn)嚯姞顟B(tài)，直到意外排除人工恢復(fù)。4) 載貨臺(tái)超載保護(hù) 堆垛機(jī)為了防止超載，本文添加了機(jī)械式超載限制器。當(dāng)重量超過(guò)額定的重量時(shí)，電源會(huì)自動(dòng)切斷。當(dāng)重量在額定重量以下，但在額定中量的80%以上時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警的信號(hào)。2.7 本章小結(jié)本章在對(duì)堆垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法分析的基礎(chǔ)上，提出了有限元分析軟件，起到了至關(guān)重要的作用，采用新產(chǎn)品進(jìn)行校核的新的設(shè)計(jì)方法。確定了堆垛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)形勢(shì)為單位立柱巷道堆垛機(jī)，并對(duì)水平行走結(jié)構(gòu)、貨叉、載貨臺(tái)、提升機(jī)構(gòu)、安全防護(hù)進(jìn)行了分析。在現(xiàn)有的條件下完成了設(shè)計(jì)對(duì)堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)的基本要求。3 控制方案設(shè)計(jì)3.1 堆垛機(jī)整體控制方案設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)是堆垛

37、機(jī)的重要組成部分，堆垛機(jī)需要在立體庫(kù)中穿梭并完成存貨、取貨的功能，其必須具備水平行走、垂直提升和貨叉伸縮三方向的運(yùn)動(dòng)，并且具備較好的速度控制和準(zhǔn)確的定位功能，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，接下來(lái)本文從堆垛機(jī)控制方式和控制功能角度為堆垛機(jī)設(shè)計(jì)提供依據(jù)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D大致如下圖3-1 上位機(jī)（自動(dòng)） 觸摸屏（手動(dòng)） 堆垛機(jī)排認(rèn)證 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸 堆垛機(jī)貨物 檢測(cè)系統(tǒng) 堆垛機(jī)列 認(rèn)址系統(tǒng) S7-200 PLC 堆垛機(jī)極限 保護(hù)系統(tǒng) 堆垛機(jī)層 認(rèn)址系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)貨叉變頻系統(tǒng)層 變頻系統(tǒng) 光電碼盤(pán) 貨叉運(yùn)行機(jī)構(gòu) 層運(yùn)行機(jī)構(gòu) 列運(yùn)行機(jī)構(gòu) 圖3-13.1.1 堆垛機(jī)的控制方式堆垛機(jī)按電氣控制方式分類(lèi)有三

38、種控制方式。 （1）手動(dòng)控制方式 手動(dòng)方式一般用于兩個(gè)時(shí)候。堆垛機(jī)的安裝調(diào)試階段，通過(guò)人的反復(fù)操作確認(rèn)安全和精準(zhǔn)。還有堆垛機(jī)發(fā)生異常時(shí)的操作，可以通過(guò)手動(dòng)方式在有聯(lián)鎖保護(hù)的條件下對(duì)堆垛機(jī)的行走、升降、伸縮貨叉等單獨(dú)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)在三個(gè)運(yùn)行方向的任意定位。 （2）半自動(dòng)控制方式 半自動(dòng)控制方式是對(duì)本機(jī)自動(dòng)控制方式運(yùn)行過(guò)程的分解。在此方式下，操作人員可以直接在操作面板上設(shè)定作業(yè)容和地址，控制堆垛機(jī)單步在巷道中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位并進(jìn)行貨物的存取等操作。這種控制方式一般應(yīng)用在堆垛機(jī)發(fā)生異常、單機(jī)運(yùn)行或安裝調(diào)試的情況下。 （3） 單機(jī)控制方式 堆垛機(jī)在單機(jī)運(yùn)行時(shí)就是處于這種控制方式。在該方式下堆垛機(jī)可以

39、自動(dòng)地完成立體庫(kù)中每一個(gè)貨位的貨物的入出庫(kù)操作。 （4）計(jì)算機(jī)控制方式 堆垛機(jī)正常運(yùn)行時(shí)主要采用聯(lián)機(jī)自動(dòng)方式，堆垛機(jī)通過(guò)光調(diào)制解調(diào)器接收來(lái)自控制計(jì)算機(jī)的操作指令，完成相應(yīng)的入出庫(kù)作業(yè)，并向控制計(jì)算機(jī)反饋?zhàn)鳂I(yè)狀態(tài)信息與故障信息。3.1.2 控制功能分析堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中的自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備，其控制系統(tǒng)主要有以下控制功能： （1）動(dòng)作控制 為了實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的自動(dòng)存取貨功能，控制系統(tǒng)就必須能夠具備控制其水平行走、垂直提升和貨叉伸縮的功能。 （2）位置控制 為了高效準(zhǔn)確的存取貨物，堆垛機(jī)就必須以合適的速度和尋址定位方法實(shí)現(xiàn)其在貨位或出入貨口的準(zhǔn)確定位，這就對(duì)堆垛機(jī)位置控制的可靠性提出了較高的要求，從堆

40、垛機(jī)的工作流程可知，其定位包括：水平行走定位、垂直升降定位和貨叉伸縮定位。 （3）通訊功能 在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行，堆垛機(jī)與上位機(jī)、觸摸屏或其他倉(cāng)庫(kù)設(shè)備需要進(jìn)行頻繁的信息交換，由于堆垛機(jī)在巷道中運(yùn)行，受周邊環(huán)境的影響有線(xiàn)的通訊方式基本不被采納，大多都選用無(wú)線(xiàn)通訊方式。 （4）保護(hù)功能 為了保證人身、貨物與設(shè)備的安全，堆垛機(jī)需配備有完善的硬件與軟件的安全保護(hù)裝置，并在電氣控制上采取一系列聯(lián)鎖和保護(hù)措施。如電機(jī)斷相保護(hù)、貨位虛實(shí)檢測(cè)、貨物超高、超大和超重檢測(cè)、貨叉回中位檢測(cè)、三運(yùn)動(dòng)方向動(dòng)作聯(lián)鎖與各種極限開(kāi)關(guān)等。3.2 控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與硬件選型3.2.1 PLC技術(shù)與選型P

41、LC 是可編程控制控制器（Programmable Logic Controller）的英文縮寫(xiě)，是以微處理器為核心，并集微電子、網(wǎng)絡(luò)通訊和自動(dòng)化控制技術(shù)于一體，主要由中央處理單元、存儲(chǔ)器、電源單元、輸入輸出單元、接口單元和外部設(shè)備組成14。與單片機(jī)相比其具功能強(qiáng)大、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易學(xué)、使用圍廣、維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好和對(duì)惡劣環(huán)境超強(qiáng)的適應(yīng)能力等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在機(jī)械、能源、化工、交通、電力等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用，同機(jī)器人和 CAD/CAM 一起成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱。 S7-200 系列PLC價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)行速度快，編程指令集豐富，具有強(qiáng)大的多中集成功能和實(shí)時(shí)性，

42、性?xún)r(jià)比高并能滿(mǎn)足我們控制的要求，所以選擇其作為控制核心，并選擇CPU226作為主機(jī)控制單元15。本機(jī)具有以下主要技術(shù)數(shù)據(jù)： 1）集成24輸入/16輸出，共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。 2）具有連接7個(gè)擴(kuò)展模塊的能力，最大數(shù)字量I/O點(diǎn)可擴(kuò)展到248路，最大模擬量I/O點(diǎn)可擴(kuò)展到35路。 3）具有13K字節(jié)的存儲(chǔ)功能，用于程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。 4）擁有獨(dú)立的30kW的高速計(jì)數(shù)器6個(gè)，獨(dú)立的20kW高速脈沖輸出2路。 5) 擁有PID控制器。 6) 具有RS485通訊/編程口2個(gè)。 7) 具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議與自由方式的通訊能力3.2.2 交流伺服控制技術(shù)與伺服放大器的選型伺服系統(tǒng)亦稱(chēng)為隨動(dòng)

43、系統(tǒng)，它以位移、速度、加速度、力、力矩等連續(xù)機(jī)械量為控制量，能自動(dòng)地、連續(xù)地、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律，是能隨時(shí)跟蹤指定目標(biāo)的控制系統(tǒng)16。其應(yīng)用圍非常廣泛，不僅能夠完成轉(zhuǎn)動(dòng)控制、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，簡(jiǎn)單的曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制而且能夠依靠多套伺服的配合加上電氣元件，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的空間曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的控制。 伺服系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、高精度、響應(yīng)快、調(diào)速?lài)鷮捄偷退贂r(shí)能輸出大轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。伺服系統(tǒng)有很多種分類(lèi)方法。按照控制原理不同可分為開(kāi)環(huán)、全閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)；按照信息傳遞的不同分為連續(xù)控制與采樣控制19。按照被控制量性質(zhì)不同可分為位置控制、速度或加速度控制、力或力矩控制、速度或位置的同步控制等伺服系統(tǒng)等。本文主要從速

44、度控制方面介紹速度控制伺服系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它由速度控制單元、伺服電動(dòng)機(jī)、速度檢測(cè)裝置等構(gòu)成。速度控制伺服系統(tǒng)的核心是速度控制單元，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。而且速度控制伺服系統(tǒng)的輸出端必須有檢測(cè)角速度的裝置，其中測(cè)速發(fā)電機(jī)、磁電式速度傳感器、電容式轉(zhuǎn)速傳感器與霍爾速度傳感器等是應(yīng)用比較普遍的速度傳感器。 對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)而言，為獲得速度等運(yùn)動(dòng)輸出，其基本輸入量應(yīng)當(dāng)是控制力，即通過(guò)將速度傳感器的檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成“控制力”，系統(tǒng)中的其它各種輸入方式最終都是通過(guò)“力”來(lái)表現(xiàn)，所謂運(yùn)動(dòng)控制，都是對(duì)“力”的控制。 下面以最簡(jiǎn)單的單輸入、單輸出控制問(wèn)題為例解析速度控制系統(tǒng)，其基本控制關(guān)系框圖如下圖3-

45、2 系統(tǒng) 圖3-2速度控制方式基本關(guān)系框圖3.2.3 交流變頻調(diào)速技術(shù)與變頻器選型隨著電力電子器件、微電子技術(shù)、電動(dòng)機(jī)和控制理論的發(fā)展和交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的進(jìn)步再加上交流電動(dòng)機(jī)（特別是異步電動(dòng)機(jī)）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、運(yùn)行可靠尤其是能夠在惡劣的環(huán)境中工作等優(yōu)點(diǎn)，其在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 本項(xiàng)目的貨叉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和垂直提升機(jī)構(gòu)選用了三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，所以本文側(cè)重介紹三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)。 由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式如下（3-3）； （3-3）式中：p磁極對(duì)數(shù)； f供電電源頻率； s轉(zhuǎn)差率； 可知，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法主要有三種，控制變量的情況下改變刺激對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)差率、供電電源頻率。變頻器

46、的選擇主要依據(jù)電機(jī)的型號(hào)，電機(jī)的額定電流，同時(shí)需要參考電機(jī)的額定功率并綜合考慮負(fù)載恒功率特性等因素。 西門(mén)子系列的MICROMASTER440變頻器具有：安裝方便、參數(shù)易于設(shè)置和調(diào)試、參數(shù)設(shè)置的圍廣泛、電纜連接簡(jiǎn)便、模塊化設(shè)計(jì)配置靈活并且具有多個(gè)繼電器輸出和模擬量輸出等主要特性；并且擁有矢量控制功能、 V/f 控制功能、復(fù)合制動(dòng)功能、可編程的加速/減速斜坡特性平滑功能、具有比例，積分和微分PID的閉環(huán)控制功能和動(dòng)力制動(dòng)的緩沖功能等性能特征，能滿(mǎn)足該項(xiàng)目的控制要求并且性?xún)r(jià)比高，所以該項(xiàng)目選用MM440變頻器作為控制裝置。3.3 堆垛機(jī)位置控制方案擁有精確的定位和可靠的認(rèn)址，是堆垛機(jī)實(shí)現(xiàn)貨物存儲(chǔ)功

47、能的保障。所以位置控制方案設(shè)計(jì)特別重要，接下來(lái)就從認(rèn)址方式、貨位編碼和控制方案的實(shí)現(xiàn)三方面進(jìn)行講述。3.3.1 貨位編碼本文涉與的立體庫(kù)擁有 2 排，13 列，4 層。為了實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)對(duì)貨位的自動(dòng)尋址和準(zhǔn)確定位，我們對(duì)立體貨架的每個(gè)貨位進(jìn)行了編碼，然后用目標(biāo)貨位的編碼來(lái)控制堆垛機(jī)的運(yùn)行。本文采用的編碼方案是這樣的：沿著堆垛機(jī)前進(jìn)的方向看，左手邊的那一排為第一排記為 Z1 排，右手邊的那一排記為 Z2 排；堆垛機(jī)前進(jìn)的方向?yàn)榱许?xiàng)，交換平臺(tái)所在的列為 X0 列，依次為 X1、X2···X13 列；沿載貨臺(tái)起升方向，最低層為 Y1，依次為 Y2、Y3、Y4 層。這樣每個(gè)貨

48、格都有了自己唯一的貨位編號(hào)。3.3.2 認(rèn)址方式根據(jù)編碼方案貨位坐標(biāo)為（Xi，Yi，Zi），為了確定位置實(shí)，現(xiàn)自動(dòng)尋址就必須有三個(gè)方向的定位器件進(jìn)行檢測(cè)，此操作在堆垛機(jī)的控制中稱(chēng)為自動(dòng)認(rèn)址。在實(shí)際運(yùn)用中堆垛機(jī)的認(rèn)址方式主要有絕對(duì)認(rèn)址方式和相對(duì)認(rèn)址方式。絕對(duì)認(rèn)址是由貨格的幾何坐標(biāo)與控制系統(tǒng)所建立的操作坐標(biāo)構(gòu)成對(duì)應(yīng)關(guān)系，且沒(méi)有中間“軟”連接，故稱(chēng)作絕對(duì)認(rèn)址，又稱(chēng)之為門(mén)牌式，即每個(gè)貨位都有專(zhuān)用的認(rèn)址片，該認(rèn)址片含有該貨位的信息，利用堆垛機(jī)上的認(rèn)址裝置識(shí)別認(rèn)址片包含的信息，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋址，該認(rèn)址方式可靠、準(zhǔn)確，但是成本高。相對(duì)認(rèn)址采用最常見(jiàn)用的計(jì)數(shù)法，從第一個(gè)庫(kù)位開(kāi)始計(jì)數(shù)，以后每前進(jìn)一個(gè)貨格計(jì)數(shù)器

49、加 1，每后退一個(gè)貨格計(jì)數(shù)器減 1，直到計(jì)數(shù)器的值跟目標(biāo)值相等時(shí)就達(dá)到目標(biāo)位置了，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋址，該種方法所用的每個(gè)貨格定位的認(rèn)址片都是完全一樣的，并不攜帶該貨位的信息，而是通過(guò)計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位的，是典型的相對(duì)認(rèn)址方法。3.3.3 位置控制方案為了實(shí)現(xiàn)水平行走機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確定位，水平行走方向運(yùn)用三個(gè) U 型光電傳感器作為認(rèn)址設(shè)備，安裝在堆垛機(jī)下橫梁上邊19。認(rèn)址片用 85mm 長(zhǎng)的鐵片制作而成，并且安裝在地面上。圖 3-4 為水平行走認(rèn)址傳感器分布圖，圖中 A、B、C 為三個(gè)U 型光電傳感器，D 為水平認(rèn)址片，其中 B 傳感器起到計(jì)數(shù)作用，A、C 傳感器起到檢測(cè)的作用。 圖 3-4水平行走認(rèn)址傳感器

50、堆垛機(jī)在層方向的定位同樣采用三個(gè) U 型光電開(kāi)關(guān)和認(rèn)址片方式。在立柱上對(duì)應(yīng)于層貨格的位置安裝認(rèn)址片，在載貨臺(tái)上面安裝三個(gè) U 型光電開(kāi)關(guān)，具體的認(rèn)址傳感器位置分布圖如圖3-5。 圖3-5垂直提升的傳感器分布圖現(xiàn)以取貨為例，對(duì)垂直提升部分定位原理進(jìn)行說(shuō)明；當(dāng)堆垛機(jī)接收到上位機(jī)或觸摸屏的取貨指令后，如果目標(biāo)貨位高于源貨位，并且差值大于 1，那么載貨臺(tái)就會(huì)先加速至 10m/min 的速度進(jìn)行提升，B 傳感器每經(jīng)過(guò) 1 個(gè)認(rèn)址片時(shí)，plc 計(jì)數(shù)器進(jìn)行加 1 操作，當(dāng)差值變?yōu)?1 時(shí)，載貨臺(tái)提升速度將降為 4m/min 的速度提升，在 B 傳感器再次檢測(cè)到認(rèn)址片時(shí)，載貨臺(tái)則會(huì)按照設(shè)定好的時(shí)間進(jìn)行減速，在

51、 B、C 認(rèn)址片同時(shí)檢測(cè)到認(rèn)址片時(shí)，電機(jī)抱閘停車(chē)。然后貨叉伸出，載貨臺(tái)以 4m/min 的速度抬起貨物，當(dāng) B、A 兩個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到認(rèn)址片時(shí)，說(shuō)明貨叉已經(jīng)到達(dá)高位，此時(shí)貨叉收回，完成貨物從貨架到載貨臺(tái)的操作18。3.4 本章小結(jié)（1）本章對(duì)堆垛機(jī)的性能要求進(jìn)行了具體分析，確定了控制系統(tǒng)的整體控制方案，并給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。 （2）通過(guò)速度曲線(xiàn)的比較確定了堆垛機(jī)的水平行走、垂直提升和貨叉伸縮的速度控制方案，并通過(guò)設(shè)置伺服放大器和變頻器的部參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了速度控制功能。 （3）對(duì)堆垛機(jī)的認(rèn)址技術(shù)和位置控制方案進(jìn)行了分析，最終確定采用 U 型傳感器+認(rèn)址片的相對(duì)認(rèn)址控制方案，并對(duì)水平行走、垂直提升

52、和貨叉伸縮的位置控制方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。4 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要流程是這樣的：首先分析控制要求，確定系統(tǒng)整體配置，根據(jù)實(shí)際情況對(duì) I/O 口進(jìn)行分配，設(shè)計(jì)硬件電路并購(gòu)買(mǎi)硬件進(jìn)行搭建，編制流程圖并進(jìn)行程序編制，通過(guò)下載線(xiàn)下載程序并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，修改程序和電路直到滿(mǎn)足控制要求，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。4.1 控制要求與系統(tǒng)設(shè)計(jì)由前一章容可以知道，本文中的堆垛機(jī)有半自動(dòng)控制、手動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)控制三種控制方法和位置控制功能、動(dòng)作控制功能、通訊功能與保護(hù)功能等重要控制功能。以S7-200 PLC為控制核心水平行走系統(tǒng)采用伺服控制器+伺服電動(dòng)機(jī)控制方式，垂直提升和貨叉伸縮采用變頻器+三相異步電動(dòng)機(jī)控制方式等19。結(jié)合控制要求選定本系統(tǒng)的主要配置資源如下表4-1； 表4-1 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)主要設(shè)備配置表序號(hào) 名 稱(chēng)型號(hào)數(shù)量1上位管理機(jī)Hp pavilion p6-1210cx1臺(tái)2斷相保護(hù)器正泰DZ47-691個(gè)3電氣控制柜 定制1個(gè)4行程開(kāi)關(guān)CNTD TZ-81087個(gè)5接近開(kāi)關(guān)YJDJI1個(gè)6U型光電傳感器E3S-GS 15N5個(gè)7I/O擴(kuò)展模塊EM221和EM223各1個(gè)8PLCS7-20