堆垛机及控制系统设计【机电PLC】含控制原理图

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(2) 行走机构有电动机、联轴器、制动器、减速器和行走轮组成。在其顶部设置导向轮沿固定在货架上弦的上轨道导行。下轨道设置两个行走轮沿敷设在地面上的单轨运行。为防止堆垛机出现脱轨或侧翻现象，在其车轮两侧装有侧面导向轮。行走机构的工作速度依据巷道长度和物料出入库频率而定，正常工作速度控制在50~100m/min，最高可达到180m/min，设计时选取80m/min。本堆垛机将采用交流变频调速方式。(在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，稳定性好，运行效率高。 （3）货叉伸缩机构是堆垛机的取放物料装置，它有上叉、中间叉、固定叉、滚动齿轮等组成。货叉伸缩机构的工作速度控制在15m/min，最高可达30m/min，设计时选取10m/min。 2.2 单立柱有轨巷道式堆垛机的特点 由于使用场合的限制，本单立柱巷道式堆垛机在结构和性能方面具有以下几个特点： （1）由于机架采用单立柱结构，整机重量小，结构紧凑，作业时，驾驶员的视野较好，但由于载货台和货物对单立柱的几何力矩作用可能会造成立柱的扭曲和变形，使整机刚性较差。 （2）本堆垛机沿着巷道天地轨运行，其作业具有三个方向动作。水平行走为x-x方向，能把货物送到任意一列；垂直升降为y-y方向，能把货物提升到任意一层；货叉伸缩为z-z方向，能存取货物。 （3）金属结构件除应满足强度和刚度要求外，还要有较高的制造和安装精度。 （4）采用专门的叉取货物的装置，常用多节伸缩货叉或货板机构。 （5）各电气传动机构应同时满足快速、平稳和准确的要求。 （6）为保证人生和设备的安全，堆垛机必须配备有硬件及软件的安全保护装置，控制系统应具有一系列连锁保护措施。此外，在电气柜上设置报警系统，当堆垛机出现故障或探测器发现异常情况发出报警。 2.3 堆垛机的机架结构 机架是堆垛机的主要承载构件，主要由立柱和上、下横梁联接而成。通常有单柱式和矩形框架式。按支承方式，又可分为安装在货架上的上部支承式和安装在地面上的下部支承式。不论哪种型式都带有伸缩货叉和人工驾驶室（有时也没有）。立柱上附加导轨，使载货台沿导轨上下升降，同时还能够靠地上和顶上的导轨保持走行稳定和支持货叉伸出进行装卸作业时的翻转弯矩。 在机架上安装有升降、走行等机械装置，以及配置有电气控制开关、安全保护装置等。下部支承式的集中放在机架的下部。 由于载货台与货物对单立柱的力矩作用，以及走行时起动、制动及加减速产生的水平惯性力的作用，对立柱会产生动、静方面的影响。机架在通道的纵向发生挠曲，整个机架成为振动体，其柱端的振动较大。同样，在通道的直角方向，立柱由于货叉作业时的弯矩作用而发生弯曲，使伸长的伸缩叉的前端的挠度增大。当柱端振动和货叉前端的挠度一超过极限，就成为堆垛机自动定位的障碍，所以机架应满足足够的强度和刚度要求 本次设计中采取立柱下部支承式，采用优质钢材焊接而成牢固结构。当拼装成型后必须调整立柱的垂直度，以补偿在货架顶部载货时造成立柱的弹性变形。[1] 2.4 堆垛机起升机构的整体设计 为了使堆垛机上货物的存取机构做升降运动，需要设计一个升降机构，用以满足该功能要求。起升机构主要包括：电动机、减速器、制动器、卷筒、柔性件、导轨组成。起升机构的运转是通过减速装置使卷筒转动，使柔性件卷入卷筒，柔性件机通过架立柱顶部的定滑轮与载货台相连，因此柔性件牵引载货台上升，当到达指定的货格位置时，制动器动作，使载货台平稳、准确地停住。 2.4.1 柔性件的选取 在堆垛机的起升机构里需要靠柔性件来来起吊货物。目前，起重机常用的柔性件主要有钢丝绳和链条。钢丝绳与链条相比，其优点在于：强度高、承载能力大，弹性好，能承受较大的冲击；自重较轻；工作可靠，在破断以前，外面的钢丝先断裂和松散。因此容易发现和更换，安全可靠，及少骤然折断；成本较低；高速运转时工作平稳、无噪音等。综上所述，通过分析比较，设计中确定选用钢丝绳作为起升机构的柔性件。 2.4.2 卷筒的选取 为了卷绕和容纳钢丝绳，通过对钢丝绳的收放，需要设置卷筒装置来实现该功能。在起重机械中，主要采用圆柱形的钢丝绳卷筒。按钢丝绳在卷筒卷绕层数的不同可有以下两种备选方案。 方案一：单层卷绕卷筒 方案二：多层卷绕卷筒 方案对比：单层卷绕卷筒表面通常切有螺旋形绳槽，钢丝绳依次排列其内，绳槽节距比钢丝绳直径稍大，绳槽半径比钢丝绳半径梢大，这样增了钢丝绳与卷筒的接触面积，防止卷绕过程中相邻钢丝绳间的相互摩擦。从而可以延长钢丝绳的使用寿命。但当起升重物量增加，需要较长的钢丝绳时，卷筒的长度和直径都将有所增加。多层卷绕卷筒虽可以减少卷筒的长度，但由于钢丝绳所受的挤压力大，相互摩擦力大，使钢丝绳的寿命降低。此外，如果卷筒卷速不变，由于钢丝绳每层卷绕半径不等，钢丝绳的卷绕速度或作用卷筒上的外力矩就随卷绕层数变化，运转起来不平稳。 综上所述，结合堆垛机具体使用场合和性能要求，本设计中选择单层卷绕圆柱形卷绕卷筒。 2.4.3 电动机的选取 一般工厂里都有交流电网提供三相交流电，其成本低，启动、制动、调速方便，机械活动范围广，故选取电动机作为起升机构的原动机。按电动机转子绕组结构不同可有以下两种备选方案。[2] 方案一：绕线式异步电机 方案二：鼠笼式异步电机 方案对比 ：绕线式异步电机的转子电阻可以调节，因此起动电流不是很大，通常不会超过额定电流的2—2.5倍，而且也便于调速。鼠笼式异步电机的构造简单，操纵方便，价格也较便宜，但起动电流较大，达到额定电流的4—6倍，调速性能差，不能承受较频繁的起动，通常只用在起动不频繁、功率较小的工作机构中。根据具体工作环境，堆垛机的启动负载大，启动、制动、换向频繁，要求有较高的工作稳定性。 综合以上两种方案的对比，本设计中选用允许有较大振动和冲击，转动惯量小，过载能力大的YZR系列绕线型起重用三相异步电动机。 2.4.4　减速器的选取 在电动机和卷筒之间需要设计一个传动装置用以传递运动和作用，并藉以改变运动的形式、速度大小和转矩的大小。本设计中采用减速器作为起升机构的传动装置。 (1) 传动方式的选择 起重机械中常有以下四种备选方案。 方案一：二级圆柱齿轮减速器 方案二：蜗轮减速器 方案三：行星齿轮减速器 方案对比：二级圆柱齿轮减速器效率高，功率范围大，现已标准化，因而使用范围普遍；蜗轮减速器虽然结构尺寸小，传动比较大，重量轻，但效率低，寿命较短，在长期连续使用时就显得不经济，一般只用于小型起重机；行星齿轮减速器的结构紧凑，传动比也较大，但价格比较昂贵。 综上所述，从产品的成本、性能和具体使用场合考虑，本设计中选取二级圆柱齿轮减速器。 　　(2) 输出（入）轴的配置 根据机械设计手册输出（入）轴有以下四种备选方案。 　　方案一：展开式。 　　特点：结构简单，但齿轮相对与轴承的位置不对称，因此要求轴有较大的刚度，高速级齿轮布置在远离转矩输入端，这样，轴在转矩作用下产生的扭矩变形和轴在弯矩作用下产生的弯曲变形可部分的相互抵消，以减缓沿齿宽分布不均匀的现象。用于载荷比较平稳的场合，高速级一般做成斜齿，低速级一般做成直齿。结构简单，应用广泛。 　　方案二：分流式 　　特点：结构复杂，但由于齿轮相对于轴承对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分布均匀，轴承受载较均匀。适用于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可用直齿或人字齿。 　　方案三：同轴式 　　特点：减速器横向尺寸较小，两对齿轮浸入油中深度大致相同，但轴向尺寸和重量都较大，且中间轴较长，刚度差，沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力难于充分利用。 　　方案四：同轴分流式 　　特点：每对啮合齿轮仅传递全部载荷的一半，输入轴和输出轴只承受转矩，中间轴只承受全部载荷的一半，故与传递同样功率的其他减速器相比，轴颈尺寸可以缩小。 综上所述，对比四种方案的特点，从堆垛机本身的工作场合考虑，本设计最终确定选用展开式二级圆柱齿轮减速器。 (3) 输入、输出端的形式 输入端采用带专用联轴器的输入轴，输出轴为空心轴，用联轴器与卷筒相连。 (4) 润滑方式的选择 　　因为浸油润滑具有结构简单，润滑可靠，成本较低的优点，因此本设计中采用浸油润滑的润滑方式。 2.4.5 制动器的选取 　 堆垛机在工作过程中，为了使存取的重物的升降运动能够停止或者支持重物并使其保持在空中，需要在起升机构中设置一个制动器来保证堆垛机工作的安全性和可靠性以及实际工作特点的要求。一般规定，提升装置的制动器的制动转矩应为相当于额定载重量的货物被吊起时的最大转矩值的1.5倍以上。[3] 通常情况，制动器按其构造形式可有以下三种备选方案。 方案一：带式制动器 方案二：块式制动器 方案三：盘式制动器 方案对比：带式制动器结构简单、紧凑，制动力矩较大，但是制动时轴上产生较大的弯曲载荷，制动带磨损不均匀；块式制动器工作可靠，两个对称的瓦块磨损均匀，制动力矩大小与旋转方向无关，制动轮轴不受弯曲作用。但缺点是制动力矩较小，与带式制动器相比其结构尺寸较大；盘式制动器制动平稳，制动轮轴不受弯曲作用，可用较小的轴向压力产生较大的制动力矩，使堆垛机的机构布置很紧凑，目前应用也比较广泛。 综上所述，也同时为了满足升降机构必须要有足够的制动转矩的要求，本设计中选用常闭盘式制动器。 2.5 堆垛机行走机构的整体设计 要满足堆垛机能够在自动化立体仓库的货架巷道里来回穿梭运行，实现货物的存取要求，需要设计行走机构。主要包括：电动机、减速器、制动器、行走车轮。 2.5.1 驱动方式的选取 方案一：地面驱动式 行走机构安装在下横梁上，行走轨道铺设在地面上，堆垛机靠下部的车轮支承和驱动，上部的导向轮用以防止堆垛机的倾倒或摆动。这种驱动方式的优点在于：驱动装置由于装在下横梁上，容易保养维护，使用方便。起重范围大，应用比较广泛，适合于各种高度的立体仓库。 方案二：上部驱动式 该驱动方式又可分为悬挂式和支承式两种结构形式。行走机构安装在堆垛机门架的上部，在地面上也没有导轨，使门架下部的导轨以一定的间隙夹持在导轨的两侧，从而防止堆垛机运行时产生的摆动和倾斜，其升降装置也安装在门架的上部。这种驱动方式的优点在于：在设计机架（即：金属结构）时，可不考虑横向的弯曲强度，钢结构的自重可以减轻，加减速时的惯性和摆动小，稳定静止所需的时间就短。但是由于行走、升降等驱动装置都安装在堆垛机上部，保养、检查与维修必须在高空作业，既不方便也不安全，而且立体仓库的屋顶要承担堆垛机的全部移动载荷重，从而增加了屋顶结构和货架的重量。 综合以上两种方案的对比，结合设计题目的要求，本设计中的驱动型式采用“下部支承地面驱动型”。[4] 2.5.2 车轮的的设计 为使堆垛机能够在轨道上平稳运行，因此必须依靠车轮来实现这一运动。 通常，车轮的形式有带轮缘和无轮缘两种。因为本设计中将采用货叉作业，这样将会产生啃轨现象。严重时使车轮与轨道剧烈磨损，并且大大增加附加载荷，使堆垛机运行扭摆。发出响声，影响其正常工作，甚至出现开不动和脱轨现象。因此，在设计中，在下轨道上设置圆柱形（无轮缘）车轮（设计2个行走轮），并在下轨道侧面安装2个侧面导向轮。上轨道设置2个有轮缘车轮作为导向轮，从而保证堆垛机的安全稳定运行。 2.5.3 电动机的选取 本设计中，行走机构的电动机确定选用允许有较大振动和冲击，转动惯量小，过载能力大的YZR系列绕线型起重用三相异步电动机。 2.5.4 减速器的选取 从堆垛机本身的工作场合考虑，本设计最终确定选用展开式一级圆柱齿轮减速器。 2.5.5 制动器的选取 堆垛机在运行过程中，为了满足能够减速停车的要求，需要在运行机构中设置一个制动器以便控制制动力矩的大小，从而实现其功能。同时考虑堆垛机能平稳工作，本设计中确定选用盘式常开式制动器。在走行方面的制动转矩值的大小一般为电机额定转矩的100%即可。 2.6 轨道的设计与安装 本设计采用地面驱动式，需要设计上、下轨道来支承起堆垛机的全部自重，并能使堆垛机在其上顺利运行。目前，常用的轨道主要有以下三种：起重机钢轨、铁路钢轨和方钢。综合堆垛机的具体工作场合和性能要求（刚度强度的要求），并进行市场调查进行成本考虑，上轨道可采用工字钢，其具有良好的抗弯强度，常选用含C、Mn较高的钢材轧制而成。下轨道可采用铁路钢轨中的轻轨，常选用普通碳素结构钢的镇静钢和半镇静钢。其顶部做成凸状的，底部具有一定宽度，具有良好的抗弯强度。 堆垛机轨道安装的好坏直接影响到堆垛机的运行质量。常用的安装方法有： 压板固定法、钩形螺杆固定、焊接和螺栓联用固定。轨道的接头采用焊接方式，其顺序是由上而下，先轨底后轨腰、轨头，逐层逐道进行堆焊，最后修补周围。焊接时应注意以下问题： 1）在施焊前，固定钢轨接头时，2根钢轨端头之间所留间隙是上宽下窄，以轨底间隙为准，一般控制在15—18mm之间。 2）当钢轨端头焊接完成后，应采取热处理来消除其应力，可以用气焊喷嘴围绕轨头、轨腰、轨底反复进行加热。[5] 2.7 堆垛机的控制装置 自动运行的堆垛机控制系统必须具有行走控制、升降控制、位置控制、速度控制、货叉控制、安全保护功能、自我诊断故障的功能等多种控制功能。[6] (1) 位置功能 位置控制就是确定堆垛机停止在作业位置的功能。 自动化立体仓库一般都采用高层货架结构，以X、Y、Z坐标表示货架的行、列、段的方向，用三维坐标表示货物的位置。为了自动确定位置，也就是为了在某一位置发出减速指令使堆垛机减速，在规定位置发出停机信号，就必须检测现在的位置。本设计中位置的检测可由在个坐标轴上按一定的间隔装设的传感器来进行检测。 (2 ) 速度控制 速度控制包括对提高作业效率有关的高速度,防止货物倒塌以及不致于使堆垛机发生冲击的加速度和减速度,以及为便于高精度定位的最终稳定微速度等的速度控制。 (3) 货叉控制 根据堆垛机出库和入库作业,伸缩货叉向左侧或右侧进行叉取操作的顺序控制功能。 (4) 全保护装置 堆垛机的立柱高度达2米，载货台的升降速度也达到20m/min，而载货台是沿堆垛机立柱的导轨上下运行的承载结构，上有货叉机构、驾驶室等。为了保证堆垛机正常工作，确保操作人员的人身和货物的安全，其上必须配备完善的安全保护装置。本设计中设置以下几种保护装置: 1) 机货叉上、下限自动停止保护 在堆垛机货叉在进行升降运动时，不能超过导轨的上端和下端极限。因此可以在上下端各设置一个限位开关来实现该功能。 2) 载货台负荷限制 在载货台超载时，发出报警信号并切断起升机构动力。当载货台被托住，钢丝绳松弛时，也会发出停止运动的报警信号并切断动力。因此可设置热继电器来作为检测装置，再安装一个蜂鸣器作为警报提示。 3) 驾驶室的安全保护 为确保驾驶室里操作人员的人身安全，驾驶室门安全与否非常重要。可设置一个限位开关来检测为使堆垛机能够在轨道上平稳运行，因此必须依靠车轮来实现这一运动。 4) 速度转换装置 当堆垛机走到轨道的某一位置时应以高、中、低速 的某一速度行进时，就需要通过速度装换装置来实现这一功能。本设计中可以设置一个接近开关. 5) 货叉保护装置 其功能,若发现不安全则堆垛机就会完全停止工作. 6) 货叉保护装置 堆垛机在进行工作过程中，为了确保当货叉伸缩到一定位置时就回自动停止，可设置一个机械制动器来实现该功能。 7) 载货台断绳保护装置 当钢丝发生绳断裂时，能够自动可靠的将载货台停止，避免溜车或坠车事故的发生。因此对这种安全保护装置的设计要求是灵敏度高、作用可靠、冲击小、结构简单。本设计中采取连杆凸轮机构来实现这一功能要求。一旦钢丝绳断裂，弹簧通过连杆机构使凸轮卡在升降机构的导轨里阻止载货台坠落。正常工作时，提杆平衡载货台及其上货物的质量，弹簧处于压缩状态，凸轮与升降机构的导轨分离。 第三章 堆垛机机架的结构设计计算 3.1 机架立柱的尺寸设计 堆垛机机架的设计计算参数如下： Q—上梁及附件重量； Q—货台、货物、附件及搭乘人员的总重量； Q—电气控制盘的重量； Q—卷扬装置的重量； q—柱的单位长度的平均重量； L—立柱的高度； E—弹性模量，（依材料而定）； —许用应力； 堆垛机的立柱应具有足够的强度和适当的刚度，因此，为解决该类问题，本设计中按强度设计准则来设计截面尺寸。设计时，初取横截面的长、宽之比为b：h=1：2，初选截面为矩形的钢管作为立柱材料。堆垛机的受力分析如图（3-1）所示。[7] 图3-1 立柱受力分析图 立柱可以简化为简支梁来计算，立柱的设计应满足强度设计准则： = 式（3.1） 自重引起的弯矩 载荷（包括Q，Q，Q，Q）引起的弯矩 ++ 因此立柱中央截面的总弯矩 M总= Mq+=5.95+118.9=124.85 KN.m 抗弯截面系数 = 式（3.2） 将（3.2）式带入（3.1）式得： 3.2 机架的上、下横梁设计 设计时初选槽钢(高*腿长*腰厚)，截面面积=28.83，单位长度重量=22.63kg/m， ，q=22.637kg/m。 对其进行刚度校核，上、下横梁应满足刚度设计准则 ——许用转角； 将上、下横梁简化为简支梁进行计算 满足刚度要求，因此最终确定选用槽钢。 第四章 堆垛机伸缩货叉机构的设计计算 4.1 伸缩货叉的挠度与强度 伸缩货叉各尺寸表示如图4-1所示： 图4-1 伸缩货叉的结构尺寸 所设计的货叉是指货叉插入货架中的部分，应以厚度尽量薄，同时货叉前端的扰度控制在最小，作为设计的目标。 货叉各参数如下： W：载荷 I，I，I：分别为固定叉、中间叉、上叉的重力方向的惯性矩 E：材料的弹性模量 4.1.1 下叉的受力分析计算 如图4-2所示 图4-2 下叉受力分析图 进行受力分析时，在AC段内取距A端为x的任意截面为研究对象，则该截面上产生的反力P=W l/b ax l时的弯矩方程为： 用积分法求得起其转角为： =-dx=-[+(x-a)] 式 (4.1) 挠度为： =x-[+(x-a)] 式 (4.2) 当x= 0时，A端的截面转角 (+b) 式(4.3) 当x=l时，将式（3）代入式（2）和式（1）中，分别算得在c点处的转角和挠度。 4.1.2 中叉的受力分析计算 如图4-3所示：因载荷W的作用，在b间产生反力P，P， 图4-3 中叉受力分析图 进行受力分析时，在BF段内取距左端为x的任意截面为研究对象 当时，可算得其转矩方程为： 用积分法算出其转角为： ==+ 式(4.4) 挠度为： ++ 式(4.5) 当 x=b时，B端的截面转角 式(4.6) 当x=b时，将式（4.6）代入式（4.4）和式（4.5）中，分别算得此段的转角和挠度 如图4-4所示：将b段作为刚性，c点作为固定端（即视为悬臂梁）考虑，并设由于W在中叉产生的反力为和，而由这些反力作用在货叉前端产生的扰度为分别为和。 图4-4 中叉受力分析图 转矩方程为： M=(x-d)+x 以固定端E视为坐标原点，算得： 以固定端D视为坐标原点，算得： 用积分法算出其挠度为： 当x=l时，代入式（4.7）算得： [(e+d)-e(l-d)] = 式（4.8） 当x=l时, 代入式（4.8）算得： [-e(l-d)+(e+d)l] 所以。 4.1.3 上叉的设计分析计算 载荷W在d区间产生的反力有P, P，在E点的倾斜角为，挠度为，受力分析如图4-5所示： 图4-5 上叉受力分析图 转矩方程为： 用积分法算出其转角为： ==+ 式(4.9) 挠度为： =+x+ 式(4.10) 当x=d时，D端的截面转角 式(4.11) 当x=d时，将式（4.11）代入式（4.9）和式（4.10）中，分别算得此段的转角和挠度： (ll) 因此，设载货台和立柱为刚性时，伸缩货叉工作的总扰度为 总=++++ 第五章 堆垛机行走机构的设计计算 5.1 行走机构电动机的选取 行走机构的电动机所需的功率为可按下式计算： （KW） 式（5.1） 式中 —行走阻力；v—行走机构的运行速度 —行走机构的总效率，一般可取0.85-0.95 由上式可知，现须确定行走阻力的大小，可按下式计算： （N） 式（5.2） 式中 —堆垛机的额定起重量和自重之和； —轴承摩擦系数，查表选取0.1； f—车轮滚动阻力系数，查表选取0.3； D—车轮直径； d—轴径； —阻力摩擦系数，查表选取1.5； 将相关数据带入式（5.2）中，算得：=2005N，并将其结果带入式（5.1），最后算得所需电动机的功率P=2.9KW，因此选择型号为Y112M，转速为1440r/min，额定功率为4KW，效率为90%且490%=3.6，可选。 5.2 行走机构减速器的选取 行走机构中的减速器可根据机构的传动比从标准中选用。[9] 行走机构的传动比由下式确定： 式（5.7） 式中 —电动机额定转速；—车轮的转速 代入相关数据到式（5.7）中算得： 可选取减速器的标准型号为ZDY160（低速级中心距为160）。 5.3行走机构联轴器的选择 联轴器的具体规格根据载荷情况、计算转矩、轴直径和工作转速来选择。计算转矩有下式确定： 式（5.8） == 工作情况系数取2.3，则2.319.23=44.24 由设计手册选取弹性柱销联轴器TL8。它的许用转矩为710，半联轴器材料为钢时，许用转速为3000r/min。 第六章 堆垛机升降机构的设计计算 6.1升降机构零部件的设计计算 6.1.1 钢丝绳的计算 起升机构中钢丝绳的直径按最大静载荷来确定。 钢丝绳中最大静拉力可根据式（6.1）来确定： （N） 式（6.1） 式中， —最大起升载荷（其中包括货叉和附件重量）； —滑轮组倍率，根据公式算得a为2； —滑轮组总效率； 代入相关数据到式（6.1）中估算得钢丝绳中最大静拉力=875N 可根据式（6.2）确定钢丝绳的直径： （mm） 式（6.2） 式中， —钢丝绳最小直径； C—与工作级别有关的选择系数，本设计中选取0.093 代入相关数据到式（6.2）中算得=2.75mm，故选择钢丝绳直径为3mm。 6.1.2 卷筒的相关尺寸计算 卷筒的直径可根据式（6.3）进行计算： 式（6.3） 式中， —卷筒的最小卷绕直径； h—与工作级别有关的选择系数，本设计中选取14； d—钢丝绳的直径； 代入相关数据到式（6.3）中算得： 38.5mm。设计中取=40mm。 卷筒的壁厚可根据经验公式（6.4）进行计算： 式（6.4） =0.0240+8 9mm 6.2升降机构传动装置的选取 6.2.1 电动机的选择 要将载货台、货物、附件及搭乘人员以20m/min的速度提升时，所选取的电动机的功率可根据式（6.6）进行计算： 式（6.6） 式中 —最大起升载荷（其中包括货叉和附件重量）； V—起升速度，设计中选取20m/min； —机构总效率，设计中取0.9； 代入相关数据到式（6.6）中算得：P=0.73KW 再根据机构的工作级别、作业特点以及电动机的工作特性，所选择的电动机的额定功率应满足式（6.7）： （KW） 式（6.7） 式中 —电动机的额定功率； —稳态负载平均系数，查表选取该值为0.80； 代入相关数据算得：电动机的额定功率=0.584W 由此，选择型号为Y90S，额定功率为1.1KW，转速为1440r/min，效率为92%，且1.192%=1.012>0.584KW，可选。 6.2.2 减速器的选择 升降机构中的减速器可根据机构的传动比从标准中选用。 升降机构的传动比由下式确定： 式(6.8) 式中 —电动机额定转速；—卷筒的转速 代入相关数据到式（6.8）中算得：=32 可选取减速器的标准型号为ZLY180（低速级中心距为180）。 第七章 堆垛机控制系统的设计 由上一章我们已经了解了堆垛机的运行机构中重要部件的组成原理，以及其机械保护装置。但是仅仅知道这些还是不够的，堆垛机要想在人不直接参与的情况下对指定的货物进行存取作业，还需要控制元器件以及相关程序对其进行控制和约束。机械部件和控制系统的元器件在其正常工作过程中就像躯体和思想灵魂的关系一样，密不可分，缺一不可。 堆垛机正常工作的目的，是对指定的货物进行定向的存取，然而在众多货格中能够正常工作，这就需要堆垛机有能够确认货格地址的功能，即堆垛机控制系统的认址、寻址。而堆垛机准确的行走到货格前，叉车对货物进行精准的存取，这就需要堆垛机有能够准确停车的功能，即堆垛机的定位。 7.1堆垛机的位置检测 自动控制的堆垛机必须具有自动认址系统。自动认址系统可分为数字式和非数字式两大类，而数字式认址又可分为相对数字认址系统和绝对数字认址系统。 1．相对数字认址系统。每个货格都有一个层号以及一个列号。当操作人员将货格的地址输入的时候，计数器就记下了所输入地址的列数和层数。从中减去堆垛机在接受这个作业命令时所处位置的列数和层数后，其差值就分别代表堆垛机从目前所处位置走到目的地址需沿巷道纵长方向经过的列数和沿垂直方向经过的层数。堆垛机沿巷道运行时，每经过1个货列就计1个数。计够了一定的数（离目的地的距离）就减速，到达了目的地就停止。在货台升降时，也用同样的方法认址。 2．绝对数字认址系统。每一个货位的列数和层数分别用编码表示。堆垛机运行时就用相应的检测装置，对标号牌进行读数，检测所在的实际地址，然后送入地址运算程序与目的地址比较。当其差值为一定数值时即进行减速，差值为零时，发出机构停止的信号。 3．非数字式认址系统。在每个货格前装一个发号元件（如干簧管）。当堆垛机来到目的地址前时，磁场使堆垛机上的检测元件动作，堆垛机即能确认已到了目的地址。 在本设计控制系统中我们采用绝对数字认址系统来实现堆垛机控制系统的定位。 在控制系统设计中我们在水平方向采用两对光电开关和认址挡板的组合来进行定位。 两对光电开关之间的距离为180mm，挡光板的长度为200mm。运行时，前面的光电开关用来计数，一般的情况下是快速运行，当计数到位后(即第一个光电管被挡光,距准确位置还有190mm)减速到慢速，再以慢速向前继续运行，当后面的光电开关被挡光后刹车定位。此种方法的定位精度为±10mm。允许最高速度为400m/ min。此种定位方法的优点是：在运行到位前，堆垛机是以较高的速度来接近目的地址，当第二对光电开关被挡光后，再由慢速刹车定位，慢速运行的时间可通过改变加速度的大小来实现。 堆垛机的纵向定位我们也采用光电开关和认址挡板组合定位，低位为放货完毕收叉或取货开始伸叉的位置，髙位为取货完毕收叉或放货开始伸叉的位置。为了保证货叉能完成作业，堆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。所以在堆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，升降台货叉停在髙位置，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。 图7-1 纵向认址 在堆垛机运行控制功能上，堆垛机的认址是非常重要的部分。我们采用光电开关和认知挡板来实现堆垛机在运行过程当中的定位。 首先自动化立体仓库3×3的货格当中以6个认址设备来实现对9个货格的编号。横向认址设备我们分别放在堆垛机的轨道和滑轮（堆垛机移动）附近，来实现货格列数的编号，而纵向排数的编号我们则将认址设备分别放在纵向立柱及滑轨之上。 堆垛机收到信号，从入口（原零点）开始向目标货格进军，在横向上，当堆垛机前光电开关接触到认址挡板时计数，当前光电开关接触到目标货格的认址挡板时，计数器动作并开始减速，当后光电开关也接触到目标认址挡板时，发出停车信号，堆垛机停止运行。 在纵向，以上光电开关接触到认址挡板为计数信号，在取货定位时则以上光电开关接触到目标认址挡板，使得计数器开始动作并且堆垛机开始减速，以光电开关上对准（上光电开关和中光电开关都接触到认址挡板）作为停车信号。而在存货定位时，也是以上光电开关接触到目标认址挡板，使得计数器开始动作并且堆垛机开始减速，以光电开关下对准（下光电开关和中光电开关都接触到认址挡板）作为停车信号。而光电开关的上、下对准时堆垛机所行走的路程为堆垛机伸叉后提降货物的行程。 7.2 光电传感器选择 在本设计当中，光电开关主要用于堆垛机的位置检测和认址以及对货格有无货物进行检测的重要检测部件。 光电开关有很多种类型，按照检测方式可分为漫反射式、对射式、镜面反射式和槽式光电开关四种类型。 1．漫反射式光电开关 漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。如图7-2为漫反射原理图。 图7-2 漫反射原理图 2．镜反射式光电开关 镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。如图7-3为镜反射式光电开关。 图7-3 镜反射式光电开关 3．对射式光电开关 对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。 图7-4 对射式光电开关 4.槽式光电开关 槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。 图7-5 槽式光电开关 在本设计中货格货物检测我们采用漫反射式光电开关。认址系统我们采用镜反射式光电开关。 7.3 变频器的选择 变频器的结构及工作原理 变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。 现在使用的变频器主要采用交—直—交方式(VVVF变频或矢量控制变频)，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。 变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、再次整流(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。 变频器的类型繁多，目前市场上主流变频器的基本结构为： 图7-6 变频器的基本结构 在本设计中，我选用三菱FR－A540型全数字变频器，它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等先进功能，以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，特别适合交流感性类负载频繁变化的场合。另外，FR－A540变频器的起动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点，控制精度可达0.01～0.02%，使得电机运行情况好。它可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。采用高性能IGBT，载波频率20KHZ，从而使变频器输出一个不失真的正弦流波形，使电机始终运行于静噪音状态。 FR－A540变频器的特点如下： 1. 包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。 2. 有丰富的内藏与选择功能。 3. 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。 4. 保护功能完善、维修性能好。 在本系统设计中，选用低压型FR－A540型变频器变频的输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路采用交－直－交电路。 PLC的选型 在进行PLC控制系统设计的时候，我们首先应该确定的就是控制方案，接下来就是PLC的选型。在进行设计选型时我们要重点参考工艺流程的特点和应用要求。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 1．输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入40点，输出21点。 2．存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储5000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。 3．控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 4．PLC的选择 （1）PLC的类型 FX2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。本课题设计的立体仓库控制系统有输入信号40个，输出信号21个。其中，外部输入元件包括：检测元件、按钮、取、送、急停、限位开关、超限位保护等等；输出有三个方向上三相异步电动机的正反向、动作指示、错误显示等等。按照上述配置，所选I/O点不得低于61点，结合实际情况，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、控制功能范围等选择都有影响。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。 根据我们设计的立体仓库其输入点数为40点、输出点数为21点，所以选择三菱FX2N-80MR。 PLC对变频器的控制 随着电力电子技术和自动控制技术的发展，电动机的调速已经发展到今天的变频器调速时代。并且在工业领域中得到了广泛的应用。在现在工业控制系统中，以PLC控制变频器实现电动机调速控制最为常见。本次设计采用PLC通过RS485通讯实现变频调速。 本方法是PLC主机上装RS-485BD通讯适配器与变频器的485PU口相连接，通过PLC和变频器之间的RS485半双工串行通讯来实现电动机的变频调速。 PLC和变频器之间的RS-485协议 PLC和变频器之间进行通讯，通讯规格必须在变频器的初始化中设定，如果没有进行设定或有一个错误的设定，数据将不能进行通讯。且每次参数设定后，需复位变频器。确保参数的设定生效。 该过程分5个阶段：1. 计算机发出通讯请求；2. 变频器处理等待；3. 变频器作出应答；4. 计算机处理等待；5. 计算机作出应答。 根据不同的通讯要求完成相应的过程，如写变频器启、停控制命令时则只需完成1-3三个过程；监视变频器运行频率时则需完成1-5五个过程。不论是写数据还是读数据，均有PLC发出请求，变频器只是被动接受请求并作出应答。 本设计采用PLC输出的开关量控制的变频器调速。 实现方法：PLC的输出点、COM点直接与变频器的STF(正转启动)、STR(反转启动)、RH(高速)、RM(中速)、RL(低速)、REX、输入端SG等端口分别相连接。PLC通过程序即可以控制变频器的启动、停止； 也可以控制变频器高速、中速、低速端子的不同组合实现多段速度运行。 变频器参数设置：操作模式Pr.79=2（外部模式）；基本参数：上限频率Pr.1=40Hz；下限频率Pr.2=20Hz；点动频率Pr.13=30Hz；Pr.7=2s(加速时间)；Pr.8=2s(减速时间)；Pr.9=电动机的额定电流x100%（根据所用电动机的额定电流大小设定）=69 根据堆垛机控制系统的性能，在堆垛机水平方向和垂直方向以及货叉方向上我们采用三相异步电动机采用泰安伊万福电机有限公司生产的Y2系列Y2-632-2型电机，额定功率300W，额定电流0.69A，额定电压380V， 额定频率50Hz， 转速2720r/min，功率因数0.81。 通讯方案的确定 为了使堆垛机在无人直接参与的情况下对其进行控制，必须对堆垛机传输运转和作业的信息。一条指令执行结束之后，堆垛机须向地面发送确认信号，然后才能执行下一条指令。堆垛机传输信息的顺序是：首先堆垛机接受的作业信息是从什么地方取货，而后再把它存放在哪个货格。堆垛机控制盘在收到作业信息之后向地面控制盘发出响应信息。堆垛机根据作业信息进行作业。作业完了之后，向地面发出“作业结束”信息。这样把一系列作业进行完了之后，成为等待下一个作业信息的待机状态。 串行通信中最常用的物理层协议为RS-232C和RS-485。本文采用RS-485标准。主要基于以下两点考虑： 1．RS-232C接口标准只能用于点对点的通信，而RS-485能实现多点对多点的通信。RS-485允许平衡电缆上连接32个发送器/接收器。立体仓库控制系统要求监控系统和3台堆垛机控制系统连接，要求物理层的协议必须支持一点对多点的通信。 2．RS-485采用差动发送/接收，所以共模抑制比高，抗干扰能力强。立体仓库的工作环境较恶劣，热、电、磁等干扰信号较多，要求通信网络的抗干扰能力较强，才能保证数据的正确接收。RS-485标准除上述优点外，还具有传输速率高、传输距离远等优点。 由于PLC带有串行通信接口，只需用RS-485总线分别连接到计算机即可，可见系统的构建十分简单当需要增加新设备时，只需要将新设备也连接到计算机，系统的扩展也较容易。为了利用计算机带有的RS-232接口与下层的各个模块通信，在计算机上需要安装232-485转换器。 在自动化立体仓库控制系统中选用Modbus通讯协议作为其通信网络数据链路层的协议。Modbus通讯协议是Modicon公司设计的一种适用于工业控制的主从结构式串口