自动化立体仓库设计文档格式.docx

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（2）撰写设计说明书，并附程序清单及其功能注释。

（3）调试控制程序。

二、进度安排及完成时间

1．设计时间三周（从2014年12月15至2015年1月4日）

2．进度安排

第1周布置设计任务；

查阅资料；

熟悉设计任务和方案；

设计并绘制硬件电路图；

设计控

制软件流程框图；

第2周选择控制电机；

设计输送带传动装置。

第3周编写主程序、功能子程序；

调试主要功能子程序；

并记录存在的问题和解决问题

的方法；

整理设计资料；

按格式撰写设计说明书；

上交设计作业（打印稿及电

子文档）；

并参加答辩。

第一章绪论………………………………………………………………………1

1.1引言………………………………………………………………………1

1.2发展现状及特点…………………………………………………………1

1.3设计目的及意义…………………………………………………………2

1.4基本任务及要求………………………………………………………2

第二章自动化立体仓库机械部分设计………………………………………4

2.1引言………………………………………………………………………4

2.2货架设计方案…………………………………………………………4

2.2.1货架结构尺寸……………………………………………………4

2.2.2立体仓库设计参数………………………………………………5

2.3堆垛机结构设计方案……………………………………………………6

2.3.1步进电机的选型……………………………………………………7

2.3.2步进电机驱动器的选择……………………………………………9

第三章系统硬件设计………………………………………………………11

3.1微动开关的选择………………………………………………………11

3.2限位开关的选择……………………………………………………11

3.3开关按键的选择……………………………………………………12

3.4PLC的选型……………………………………………………………13

3.4.1PLC选型的必要……………………………………………………13

3.4.2机型选择的原则…………………………………………………13

3.4.3PLC容量的选择……………………………………………………14

3.4.4I/O口模块的选择…………………………………………………15

3.5PLC输入输出分配表……………………………………………………17

3.6元器件清单……………………………………………………………19

3.7PLC硬件接线图…………………………………………………………20

3.8系统控制面板图…………………………………………………………21

第四章系统软件设计……………………………………………………………22

4.1系统控制流程图设计…………………………………………………22

4.2系统程序设计…………………………………………………………23

总结…………………………………………………………………………………27

参考文献…………………………………………………………………………28

附录…………………………………………………………………………………29

第一章绪论

1.1引言

随着生产力的发展,生产规模的扩大和产品结构的调整,客观上要求作为工业企业物资供应基地的物资仓库进行改建或扩建。

但由于现有工业企业的用地受到限制,物资仓库用地难以扩展,所以只能充分挖掘潜力,有效利用现有库区面积,并向空间发展,向空间要货位。

其主要途径是变单层库房为多层库或立体库。

我国自70年代以来多层库有了较快的发展，立体库也有一定的发展。

根据我国的实际情况,从今后的发展趋势看,多层库和立体库都会继续得到发展。

并且，随着企业生产与管理的不断提高，越来越多的企业认识到物流系统的改善与合理性对企业提高生产率，降低成本非常重要。

自动化立体仓库是实现物流系统合理化的关键。

它具有空间利用率高、便于实现自动化管理、实时自动结算库存货物种类和数量、立体仓库信息库可以和中央计算机系统联网运行等许多优点，对加快物流速度、提高劳动生产率、降低生产成本都有重要意义，已开始应用于汽车、电子、医药、烟草、建材、邮电等许多行业。

而堆垛机对立体仓库的出人库效率有重要影响，是立体仓库能否达到设计要求和体现其优点的关键设备之一。

有轨巷道堆垛起重机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，是在高层货架的窄巷道内作业的起重机，通常简称为堆垛机。

堆垛机是立体仓库中最重要的起重运输设备，可大大提高仓库的面积和空间利用率，是自动化仓库的主要设备，是代表立体仓库特征的标志。

堆垛机的功能是堆垛机接受计算机指令后，能在高层货架巷道中来回穿梭，把货物从巷道口出人库货台搬运到指定的货位中，或者把需要的货物从仓库中搬运到巷道口出人库货台，再配以相应的转运、输送设备通过计算机控制实现货物的自动出人库。

在立体仓库中的搬运设备有高位叉车、工业机器人、桥式堆垛机和有轨巷道式单双立柱堆垛机。

有轨巷道式双立柱堆垛机由于效率高，高度可达30-40m，便于实现无人操作，行走稳定，载货量大，噪声小，在目前的立体仓库中得到广泛应用。

1.2发展现状及特点

随着经济全球化步伐的口益加快和信息技术的快速发展，传统行业和消费方式正发生着深刻的变化，物流在经济活动中的作用越来越受到企业的重视，物流人才的需求也在口益增长。

目前，物流人才已经被列为我国12大类紧缺人才之一，有报道称“物流人才的需求已超过600万”。

物流实验室的建设正是要搭建一座理论与实践的桥梁，目前，我国许多高校已经建立了物流实验室，据不完全统计，已经有160多所高校建立了自己的物流实验室。

物流实验室为学生提供实训平台，深化学生对现代物流理论的理解，提高学生的操作能力，内融机械、电气、电子及计算机等技术于一体的综合技术，在这种技术中，不同领域和层次的知识与能力融会在一起。

另外，为了更好的模拟货物在自动化立体仓库各仓储单元内存储的物流过程，研究提高物流效率以及堆垛机性能和作业效率方法，许多物流研究中心业纷纷建立起来。

山东大学现代物流控制实验中心是目前我国第一个现代的物流控制实验室，在物流调度、物流控制、机械手拣选控制和机器视觉的综合研究和开发应用方面目前处于国内领先地位。

1.3设计目的及意义

仓储自动化建设是一项系统工程，物资储运作业自动化是其重要的内容。

实现仓库物资储运作业自动化，仓储机械设备、设施及管理、信息、人才系统配套、协调发展是重要的发展趋势。

通过引入计算机、自动控制技术和人工智能等高新技术对仓储机械的技术该做，仓储机械的技术性能将较大提高。

载重量大、机动性强、操作方便、可维修性好的叉车、无人叉车、牵引车、托盘运输车、堆高车、堆垛机、码垛机、管道输送机、带状输送机、自动拣选机等先进的装卸搬运机械设备将广泛应用于仓储系统。

本设计通过设计用于仓储货架的堆垛机，完成堆垛机水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备的设计，能及时、准确地把物品自动送到指定位置，从而加深对堆垛机的认识与了解。

1.4基本任务及要求

有轨巷道堆垛机的内容包括:

第一，分析、论述目前堆垛机堆垛的原理、方法，堆垛机的设计思路，探讨各种解决途径。

第二，论述本设计采用的方法、原理及可行性，进行结构设计、运动学计算和强度计算。

第三，堆垛机的工作方式及货物识别控制原理。

第四，绘制堆垛机总装图和主要零部件图及控制电气原理图。

有轨巷道堆垛起重机的设计要求包括：

1，结构简单、操作方便。

2，堆垛方式准确可靠。

3，结构紧凑坚固，使用维护方便，外形美观。

第二章自动化立体仓库机械部分设计

2.1引言

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。

本章通过对内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货架设计方案

2.2.1货架结构尺寸

1、宽度B=2e＋b2+b1+b3，其中e为支柱宽度。

2、货格长度A=a1+a2+a3+2e。

3、货架顶层与房顶的距离H1，取决于堆垛机是否为载人搭乘型。

非搭乘型的H1为1.2米，搭乘型的H1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。

本次课题取H1为200mm，H2为500mm。

4、货架的总高度H=H1+H2+4x（h1+h2＋h4）+4×

e

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、a1=300mm、a2＝a3＝75mm、H1=2O0mm、H2=500mm、h1=300mm、h2=50mm、h4=100mm、bl=300mm、b2=100mm、b3=50mm。

综上货架参数如下：

总高H=H1+H2+4x（h1+h2＋h4）+4×

e=200+500+4×

450+4×

50=2700mm

总宽B=2×

e+bl+b2+b3=100+400=500mm

总长L=（a1+a2＋a3）×

3+5×

e=450×

50=1600mm

具体货架与货物的尺寸情况如图2.1所示：

（单位：

毫米）

图2.1货架与货物的尺寸关系

a1-货物长a2-左侧向间隙a3-右侧向间隙h1-货物宽h2-货物上部间隙h4-托盘高度h5-有水平拉杆的货格高度e-支柱宽度

2.2.2立体仓库设计参数

立体仓库设计参数如下表2.1所示：

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

立体仓库构造如图2.2所示：

图2.2立体仓库构造

2.3堆垛机结构设计方案

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。

具体结构情况如图2.3所示：

图2.3堆垛机总体示意图

2.3.1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。

具体情况如图2.4所示:

图2.4步进电机驱动组成

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×

/（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北京斯达特机电科技发展有限公司生产的2相8拍混合式步进电机，型号为：

42BYGHl01。

其具体数据如图表2.2所示：

表2.2步进电机的电气技术数据

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

2.3.2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，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。

它们在驱动器内部的接口电路都相同，OPTO端为三路信号的公共端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，参见图2.5和图2.6。

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。

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。

图2.5输入信号接口电路图2.6外接限流电阻R

（1）此步进电机驱动器的电气技术数据为：

表2.3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图2.7所示：

图2.7步进电机驱动器接线示意图

第三章系统硬件设计

3.1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。

原理图如图3.1所示：

图3.1微动开关原理图

3.2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范围而发生事故的。

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范围。

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。

结构原理图如图3.2所示：

图3.2限位开关的结构图

3.3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。

所以可以选择由韩国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韩国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，所以可以选择由韩国KOINO（建兴）公司所生产的急停旋转复位开关，型号KPB25ER,30ER。

3.4PLC的选型

3.4.1PLC选型的必要

随着PLC的推广普及，PLC产品的种类越来越多，而且功能也日趋完善。

PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。

因此，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要的作用。

3.4.2机型选择的原则

机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。

具体应考虑的因素如下所述：

（1）结构合理

对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；

否则，选用模块式结构的PLC。

（2）功能强、弱适当

对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC。

对于以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档机的PLC。

对于控制比较复杂、控制要求比较高的工程项目，如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂程度的程度，选用中档机或高档机。

其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统和整个工厂的自动化等。

当系统的各个控制对象分布在不同地域时，应根据各个部分的具体要求来选择PLC，以组成一个分布式的控制系统。

（3）机型统一

PLC的结构分为整体式和模块式两种。

整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。

但由于整体式结构的PLC功能有限，只适合于控制要求比较简单的系统。

一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。

（4）是否在线编程

PLC的特点之一是使用灵活。

当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。

（5）PLC的环境适应性

由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。

尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。

一般PLC及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：

温度工作温度0～55℃

储存温度-40℃～+85℃

温度相对湿度5%～95%（无凝结霜）

振动和冲击满足国际电工委员会标准

电源交流220V，允许变化范围为-15%～+15%，频率为47～53Hz，

瞬间停电保持10ms

环境周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体

对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。

3.4.3PLC容量的选择

PLC容量包括两个方面：

一是I/O的点数；

二是用户存储器的容量（字数）。

PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。

根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%～25%考虑裕量。

对于开关量控制系统，存储器字数为开关量乘以8；

对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。

通常，一条逻辑指令占用存储器一个字。

计时、计数、移位及算术运算、数据传输等指令占用存储器两个字。

各种指令占存储器的字数可查阅PLC产品使用手册。

I/O点数也应留有适当裕量。

由于目前I/O点数较多的PLC价格较高，若备用的I/O的点的数量太多，将使成本增加。

根据被控对象的输入和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%～15%考虑备用量。

3.4.4I/O模块的选择

PLC是一种工业控制系统，他的控制对象是工业生产设备或工业生产过程他的工作环境是工业生产现场。

他与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。

通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为对被控对象进行控制的依据。

同时控制器又通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。

外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而PLC的CPU所处理信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。

PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。

为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。

根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包